Introduction
Materials and Methods
실험 재료
IGBT 기반 PEF 생성
PEF 생성 장치
PEF 인가 튀김 실험
PEF 인가 유과 튀김 시스템
유과의 제조 방법
튀김유의 산패도 측정
Results and Discussion
PEF 인가 튀김유 순환 시스템
PEF에 따른 유과 튀김유의 산패도
PEF 기반 튀김유 순환 장치에서 유과 튀김유의 산패도
Conclusion
Introduction
한과는 다양한 곡물을 기반으로 한 우리나라 전통 간식이다(Kim and Kim, 2001). 한과는 유과, 다식, 정과, 과편 등으로 분류되며, 유과는 손가락 모양의 강정류로, 찹쌀 반죽을 식용 유지에 튀겨서 만들어 맛과 식감이 좋아 가장 인기 있는 한과로 알려져 있다(Kim et al., 2021). 다양한 식품 가공에 사용되는 식용 유지는 유과의 바삭한 질감과 풍부한 맛을 내는 재료이지만, 고온에서 오랜 시간 사용될 경우 식용 유지의 풍부한 불포화지방산이 산화, 가수분해적 변패 및 중합 반응으로 인해 산패 현상이 나타난다(Jeon et al., 2008; Lee and Jo, 2018).
특히, 유과와 같은 전통 식품은 방부제나 응고제와 같은 약품 처리가 되지 않아 산패될 위험이 높아 장기 보관이 어렵다(Park et al., 2012). 산패된 식용 유지를 사용하거나 유과 완제품이 산패될 경우, 맛과 품질을 저하되고, 더 나아가 산패된 유지에서 생성되는 산화 물질인 peroxide와 free radicals는 세포 독성 및 유전 독성 효과를 발휘될 수 있어 소비자의 건강을 해칠 수 있다(Yu et al., 2018; Lee and Oh, 2022; Yoo, 2016). 유과와 같은 튀김 제품의 생산 공정에서 식용 유지는 적절한 시기에 교체되어야 하지만 교체 기준이 애매모호하고, 대용량의 식용유를 취급하는 산업 현장에서는 비용적 부분에서 부담이 커지기 때문에 품질이 저하된 식용 유지가 사용되기도 한다(Han and Kwon, 2023). 따라서, 유과 및 유과 제조에 사용되는 튀김유의 산패를 지연시키고 더 오래 사용할 수 있도록 하는 기술이 필요성이 대두되고 있다.
식용 유지의 산패를 지연시키는 기술은 감압(진공)식, 유수 분리식, 전기장 방식 등이 있다. 유수 분리식은 튀김유 공간의 하단부에 튀김 잔여물이 탄화되기 전에 걸러낼 수 있는 물 순환부를 두어 튀김유를 정제하는 방식이다(Choi et al., 2013). 튀김유 내에 튀김 잔여물을 최소화할 수 있기 때문에 튀김유의 품질 저하를 지연시킬 수 있다. 감압(진공)식 튀김기는 튀김 공정 시설 내부의 압력을 낮춰 수분과 튀김유의 끓는 점이 낮아지는 것을 이용하여 낮은 온도에서 식품을 튀기는 방식이다. 튀김유의 온도가 낮기 때문에 유해 물질 생성이 감소하고, 수분이 더 빨리 증발되어 튀김 제품에 기름이 덜 흡수될 수 있어 산패를 지연시킬 수 있다. 그러나 이 방식들은 기계의 크기가 크고 복잡하여 유과의 까다로운 제조 공정에 적용하기에 적합하지 않다(Diamante et al., 2015; Han and Kwon, 2023).
전기장을 이용한 산패 지연 기술은 식품의 품질 보존 및 저장 기간 연장에 효과적인 방법으로 주목을 받고 있다(Xu et al., 2020). 펄스 전기장(Pulsed electric field, PEF) 처리 방법은 두 개의 전극을 이용하여 높은 볼트의 전기장을 만들어 식품의 살균이나 멸균에 이용하는 방법으로 제품의 추가적인 온도 상승을 수반하지 않고 연속처리가 가능하므로 물리적, 화학적 및 영양학적 특성을 처리 후에도 유지된다는 장점이 있어 현재 여러 식품 가공 공정에서 널리 사용되는 기술 중 하나이다(Shin, 2020). 또한, 구성이 간단하여 설치 및 사용이 용이하다. 지금까지 감자튀김(Boussetta et al., 2013), 쥬키니 호박(Andreou et al., 2021), 고구마 칩(Liu et al., 2023), 밀가루 반죽(Liu et al., 2024)에 대하여 PEF 전처리의 효과를 구명되었다. Yang et al. (2021)은 새로운 전기장 튀김 장치를 통한 새우튀김의 품질 보존 능력을 확인하고 유지의 산패 지연 효과를 입증하였다. 그러나, 유과 제조 시 PEF의 영향에 관한 연구는 수행되지 않았다.
따라서, 본 연구는 유과의 튀김 공정에 PEF을 적용하여 튀김유의 산패 지연 효과를 구명하여 유과 제조 시설에 적합한 PEF 산패 지연 시스템을 개발하고자 하였다.
Materials and Methods
실험 재료
본 실험에 사용된 유과 바탕은 국내 인터넷 쇼핑몰에서 유과바탕을 전문으로 제조하고 판매하는 두레식품의 찹쌀 유과바탕을 구입하였다. 찹쌀 유과바탕은 약 1.7 g으로, 찹쌀 99%, 대두 0.5% 및 밀가루 0.5%으로 구성되었다. 구매한 재료는 소비기한이 약 1 년이었으며, 구매한 제품은 1주일 이내 모두 소진하였다. 모든 재료는 실험 전까지 약 4℃에서 냉장 보관되었다.
IGBT 기반 PEF 생성
본 연구에서 IGBT 기반 PEF 생성 장치를 사용하여 튀김 장치에 인가되는 PEF은 Fig. 1과 같다. 전압, 주파수 및 Duty cycle에 따라 펄스파의 진폭, 폭, 그리고 간격이 결정되며, Duty cycle은 50%로 고정되고, 전압과 주파수를 조절하여 자기장을 생성하였다.
PEF 생성 장치
전기장을 생성하기 위해서는 전원 공급 장치와 연결하여 전압을 인가할 수 있는 1쌍의 전극판이 요구된다. 두 개의 전극판에 각각 전원 공급기의 양(+)극, 음(-)극을 연결하여 전압을 인가할 경우 평행한 전극판 사이에 전기장이 생성된다. 여기에 교류 전압을 인가하면 극성이 주기별로 바뀌는 펄스 형태로 전기장이 나타나며, 주파수 및 파형을 변화시킬 수 있는 함수 발생기를 사용할 경우 원하는 펄스 형태의 전기장을 생성할 수 있다. 전극 챔버에 연결되어 펄스 형태의 전압을 인가할 수 있는 장치의 개략도는 Fig. 2와 같다.
이에 더하여 함수발생기 및 고속 스위칭 소자 조합의 전원 공급기를 사용하면 원하는 펄스파 형태를 구현할 수 있다. 본 연구에서 펄스파를 생성하기 위하여 사용된 IGBT 및 함수발생기로 구성된 전원 공급기는 Fig. 3과 같다.
PEF 인가 튀김 실험
소형 튀김기에 전극판을 설치하여 튀김유 내부에서 전기장이 생성될 수 있도록 Fig. 4와 같이 시스템을 구성하였다. 튀김기는 소형 튀김기(DK-205, ㈜델키, 한국)을 사용하였으며, 튀김기 내부 양 끝단에 160 × 80 mm 크기의 Super mirror로 연마된 Stainless steel로 제작된 전극판이 설치되었다. 전극판은 함수 발생기(33220A, Keysight technologies, USA)의 피크 전압 10 V을 출력하는 출력부와 연결하여 50 kHz 및 60 V/m의 사인파 전기장이 생성되도록 하였다. 실험은 180℃에서 1회에 유과 바탕 10개씩 1분간 튀긴 후 꺼냈으며, 500번 반복하였고, 전기장을 인가한 실험군과 전기장을 인가하지 않은 대조군을 비교하였다.
PEF 인가 유과 튀김 시스템
유과 제조를 위한 PEF 기반 튀김 장치는 Fig. 5와 같다. 전극판을 튀김 장치와 별도의 공간에 배치하기 위하여 전극판 전용 챔버 내부에 설치할 수 있도록 하였다. 전극 챔버를 튀김 장치와 연결하기 위하여 하단부에 튀김유를 배출할 수 있는 공간이 있는 대형 튀김기(EFS10, ㈜그랜드 우성, 한국)를 선정하여 기름 정제용 펌프와 연결하여 튀김유가 전극 챔버를 통과하면서 순환될 수 있도록 하였다. 시스템은 ① 개폐 밸브, ② 바이패스 밸브, ③ 스트레이너 밸브, ④ 오일 펌프, ⑤ 전극 챔버; PEF 처리부, ⑥ 체크 밸브 및 개폐 밸브로 구성된 시스템을 설계하였다. 실험 조건은 PEF 0.75~2.50 kV/cm, 810~9000 pulse, 18.9 kJ/kg의 조건으로 감자에 에너지를 가했을 때 튀김 중 기름 흡수 및 갈변 경향이 낮고 오일 함량이 18%줄어들었다는 연구 보고(Ignat et al., 2015)를 활용하여 수분함량이 감자에 비해 적은 유과바탕에는 (1) 전기장을 인가하지 않은 대조군, (2) 주파수 10 kHz 및 전기장 PEF 400 V/m, (3) 주파수 10 kHz및 PEF 800 V/m, (4) 주파수 20 kHz 및 PEF 800 V/m의 조건으로 각 조건마다 1회에 유과바탕 10개씩 총 500번씩 실험을 수행하였다.
유과의 제조 방법
유과의 제조는 한과의 가공 기준 및 제조방법(aT., 2015)에 따라 Fig. 6과 같이 진행되었다(aT., 2015). 먼저, 튀김유의 온도는 90℃ 범위에서 유과 바탕이 기름을 흡수하는 1차 튀김 공정, 튀김유의 온도를 110~120℃로 조정하여, 유과 바탕에 스며들었던 기름이 빠져나가면서 유과 바탕의 내부에 공기층이 형성되고, 이로 인해 유과 바탕 내부조직이 팽화 되도록 하는 2차 튀김 공정, 마지막으로, 170~180℃의 고온의 기름에서 팽창된 반죽의 모양이 고정되도록 하는 3차 튀김 공정으로 구분된다. 따라서, 1차, 2차, 3차 튀김을 위하여 대형 튀김기를 3대 사용하여 각 공정별로 온도를 설정하였다. PEF 시스템은 유과 바탕이 팽화되는 2차 튀김 장치에 설치되어 튀김 실험 시 필요에 따라 전극에 전압을 인가될 수 있도록 하였다.
튀김유의 산패도 측정
튀김유의 산패도는 TestoTM 270 장비를 사용해 총 극성 물질(Total Polar Material, %TPM)을 측정하여 평가되었다. TestoTM 270 장비는 식용유의 유전 상수 변화를 측정하여 식용유의 산패 정도와 높은 상관관계를 가진 TPM 농도를 수치화 할 수 있다. %TPM 값에 따라, 0~14%TPM은 식용유가 신선한 상태임을, 14~18%TPM은 약간 사용된 상태임을, 18~22%TPM은 사용되었으나 아직 문제가 없는 상태임을, 22~24%TPM은 기름을 교체해야 하는 상태임을 나타낸다.
Results and Discussion
PEF 인가 튀김유 순환 시스템
PEF을 생성하는 전극이 유과 튀김 장치에 직접 설치될 경우, 조리 용량이 감소할 뿐만 아니라 전압이 인가되는 전극이 노출되어 있기 때문에 위험이 따른다. 그래서 유과 제조를 위한 PEF 기반 튀김유 순환 장치를 Fig. 5와 같이 설계하였으며, 제작된 시스템의 모습은 Fig. 7과 같다. ① 개폐 밸브는 기름의 흐름을 제어하거나 외부로 배출하기 위하여 각 구간마다 설치되었다. ② 스트레이너 밸브는 펌프를 기름에 섞인 이물질을 걸러내 후단의 펌프를 보호할 수 있으며, ③ 펌프는 180℃의 튀김유를 순환할 수 있도록 고온 오일 펌프를 사용하였다. PEF 처리부인 ④ 전극 챔버는 작업자의 안전 및 작업 편의성을 고려하여 스테인리스 스틸 전극판을 울템(PEI)의 내부에 160 × 80 mm 크기의 홈을 내어 설치하였다. 전극 챔버에는 전원 공급 장치와 연결할 수 있도록 전극 연결부를 설치하였으며, 이를 통해 전원 공급 장치로부터 전원을 인가받아서 챔버 내부에 전기장이 생성될 수 있다. 마지막으로 튀김유가 반대로 역류하지 않도록 ⑤ 체크 밸브를 설치하였다.
PEF에 따른 유과 튀김유의 산패도
Fig. 4의 시스템을 사용하여 유과의 튀김 주기에 따른 튀김유 TPM 값의 변화는 Fig. 8과 같다. 튀김유의 %TPM은 PEF 유무에 상관없이 약 100 회(Cycle)까지 약 2.5% 이상의 빠르게 증가하였다. 오히려 PEF가 인가되는 튀김유의 산패도가 더 높았다. 그러나 100 회 이후에는 PEF가 인가된 튀김유의 증가세가 대조군에 비해 약 1% 낮은 추세로 증가하는 경향이 나타났으며, 400 회부터는 두 비교군의 차이가 점점 커졌으며, 마지막 500 회에서는 PEF를 처리하지 않은 튀김유는 15%에 도달하였으며, PEF 처리군과 약 1.5%TPM 값의 차이가 나타났다. 1.5%TPM은 약 2000개의 유과를 추가로 튀길 수 있는 품질의 차이이며, 튀김 횟수가 늘어날수록 전기장의 효과가 뚜렷해질 것으로 판단되었다.
PEF 기반 튀김유 순환 장치에서 유과 튀김유의 산패도
PEF 처리에 따른 튀김유의 %TPM 값의 변화를 Fig. 9에 나타내었다. 대조군의 경우 120 회 이후로 3% 이상의 가파른 증가세를 보이며 500 회에 34%의 수치가 나타났다. 10 kHz의 주파수에서 400 V/m 및 800 V/m의 %TPM 값은 약 21%로 비슷한 수치를 나타내어 대조군과 비교했을 때 13%의 차이를 보였다. 20 kHz의 주파수 및 800 V/m의 조건에서 %TPM 값은 약 15.5%로 대조군과 비교했을 때 17.5%의 차이가 나타났으며, 10 kHz 및 800 V/m와 비교했을 때 5.5%의 차이를 보였다. 400 V/m와 800 V/m 사이의 튀김유 산패 지연 효과는 비슷한 것으로 나타났으나, 일정 전압 하에 인가 주파수가 높아지면 더 높은 산패 지연 효과가 나타났다.
Conclusion
본 연구는 펄스 전기장(PEF) 처리가 튀김유의 산패 지연에 미치는 영향을 평가하였다. 실험 결과, PEF 처리는 튀김유의 산패 속도를 현저히 낮추어 사용 주기를 연장하는 데 효과적임을 보여주었다. 특히 20 kHz 주파수와 800 V/m 전압 조건에서 최적의 산패 지연 효과가 나타났다. 이러한 결과는 식품 산업에서 PEF 기술의 적용 가능성을 시사하며, 식품 품질 보존과 안전성 증진에 기여할 수 있음을 제안한다.
본 연구의 결과로 파악된 PEF 인가 조건인 20 kHz 주파수와 800 V/m 전압 조건 에서 튀김유의 총 극성 물질(TPM)의 농도가 대조군과 비교하였을때 17.5%의 차이를 보이며 15.5%라는 낮은 수치를 도출할수 있었다. 이는 튀김유에서 발생하는 산화 부산물이 감소하여 소비자가 섭취하는 식품의 안정성을 높여 향상된 품질의 제품 유통이 가능하다고 판단된다.
또한, PEF 기술의 적용은 지속 가능한 식품 생산에도 기여할 수 있다. 튀김유의 사용 주기를 연장함으로써 자원의 낭비를 줄이고, 환경에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.
그러나, 이 기술의 실제 적용 가능성과 식품에 미치는 다른 효과들에 대한 추가 연구가 필요하다. 예를 들어, PEF 처리가 튀김유 외의 다른 식품 성분에 미치는 영향, 장기적인 사용에 따른 유지보수 및 운영 비용 등의 측면에서 더 많은 연구가 이루어져야 한다. 또한 다양한 식품 제조 공정에 PEF 기술을 적용하여 얻을 수 있는 효과를 평가하는 연구도 필요하다.
결론적으로, 본 연구는 PEF 기술이 튀김유의 산패 지연에 효과적임을 입증하였으며, 이를 통해 식품 산업에서 PEF 기술의 적용 가능성을 확인하였다. 앞으로 추가 연구를 통해 PEF 기술의 잠재력을 더욱 구체화하고, 다양한 식품 제조 공정에 적용할 수 있는 방안을 모색할 필요가 있다.
