식품의 Extrusion 가공원리와 장단점을 설명하라.
Extrusion
Extrusion이란 plastic이나 연질 물질들을 사출구(die)를 통해 성형하는 것이다. 식품공업에서 주로 사용하는 extrusion cooking이란 생물고분자 물질(biopolymer)들을 회전하는 screw 기계 내에서 자체 발생하는 열 혹은 투입되는 전달열에 의하여 가열처리함으로써 식품을 삶음과 동시에 성형제조하는 압출조리 공정이다. Extrusion은 이송, 혼합, 압축, 가열, 반죽, 전단, 성형 등 여러 가지 단위 공정이 복합된 가공 방법이라 할 수 있다.
Extruder
가압셩형하는 기계이다. 원통에 재료를 넣어 프란자를 압출하는 왕복식과 원통중에 스크류를 회전시켜 압출하는 연속식이 있다. 출구에 붙어 있는 사출구(die)의 형태에 따라 제품의 모양이 결정된다. 연속압출기에는 screw가 한개인 singel screw extruder 와 screw가 두개인 double screw extruder가 있다. Screw가 두개인 것은 한개인 것에 비해 혼합이 잘되어 점도가 높은 원료를 처리할 수 있고 균일한 열처리가 된다.
Extruder의 원리
Single screw extruder의 작용에 대하여 이상적인 모형을 가정하여 feeding section, compression section 및 metering section으로 그기능을 나누어 보면
① Feeding section: 원료를 압축하여 compression scetion으로 이동시켜 주는 역할을 한다.
② Compression section: 원료 고체는 열압력 및 전단에 의하여 열가소성 또는 고점성 상태로 되며 metering section으로 pumping 된다.
③ Metering section: Compression section에서 가소화된 원료는 metering section에서 강력히 혼합, 균질화되고 균일하게 가열되어 일정한 압력과 유량으로 사출구(die)을 통하여 압출하게 된다.
Extruder의 종류 및 분류
Extruder의 종류는 분류방법에 따랄 여러 가지고 구분된다. 주로 사용되는 분류방법을 보면 열역학적 관점에 의한 분류, 압력형성 방법에 의한 분류, 제품의 종류와 기능에 의한 뷴류 및 원료의 수분함량에 의한 분류 등으로 구분된다.
1) 열역학적 관점에 의한 분류
① 자가발열형(Autogenous) Extruder
투입된 동력을 기계적 에너지로 전환하여 열을 발생하며, 외부로부터 가열이나 냉각도지 않은 단열 extruder로서, 건조한 원료를 사용하는 collet extruder가 대표적이다.
② 등온형(Isothermal) Extruder
기계적 일에 의한 열발생을 냉각장치에 의하여 제거함으로서 전과정에서 온도변화가 없는 것이 특징이며, 수분함량이 비교적 높은 반죽제조용 extruder가 대표적이다.
③ 복합형(Polytropic) Extruder
자가발열형과 등온형의 중간형으로서 대부분의 식품 extruder는 polytropic 상태에서 작동된다.
2) 압력형성 방법에 의한 분류
① 직접 혹은 직선적 압축형 etruder는 지렛대, 유압 및 공기압축 등을 이용한 피스톤식 압축이나 twin screw에 의하여 내용물을 단순히 앞으로 밀어내는 방식으로 소시지 충진기, 냉면제조기 대표적인 예이다. 여기에는 층밀림병형이 거의 일어나지 않는다.
② 간접 혹은 덤성 이끌림(Viscous drag)형
롤러 extruder, single screw extruder와 같이 회전하는 구조물 속에서 점성적 이끌림으로 밀어내는 방식이다. 강한 층밀림변황과 열발생이 일어날 수 있다.
③ 중간형
직접압축과 간접압축의 중간형으로 screw가 겹치지 않는 twin screw extruder가 대표적인 예이다.
3) 기능적 특성에 의한 분류
① 국수반죽용(Pasta) Extruder
깊은 screw 날개, 낮은 회전속도, 홈이 없는 barrel 등으로 특징지워지는 국수 제조, 반죽용 extruder이다. 내용물의 가열이 거의 되지 않고, 반죽과 압출성형이 목적이다.
② 고압성형(High-pressure forming) Extruder
Extruder 내부에서 미리 호화된 반죽을 팽화시키지 않는 조건에서 고압, 압출하여 pellet 형태로 성형하고, 튀김으로써 스낵제품을 생산하는 공정에 이용된다. 일반적으로 바렐홈을 가지며, screw의 압축비를 크게 하여 고압을 형성하게 하는 한편 screw회전속도를 느리게 한다. 너무 고온고압으로 팽화가 일어나는 것을 방지하기 위해 바렐주위에 냉각수를 사용하는 경우가 많다.
③ 낮은 층밀림 조리(Low shear cooking) Extruder
일반적으로 수분을 비교적 많이 함유하는(20∼35%) 재료를 중간 정도의 층밀림에서 높은 압축비와 바렐홈 사이에서 혼합이 크게 일어나게 한다. 내용물의 점도가 낮아 점성에너지 소산에 의한 열발생이 적으므로 바렐외부나 screw 내부에서 가열하여 주는 것이 필요하다. Soft-moist per food와 비교적 수분이 많은 식품에 이용된다.
④ 높은 층밀림 조리(High shear cooking) Extruder
삶거나 호화되거나 열처리된 다양한 제품을 만들 수 있는 장치로서 긴 바렐과 큰 압축비를 가지고 있으며, 외부로부터 가열이나 냉각되는 구조로 되어 있다. 이러한 구조는 원료의 수분함량을 수용할 수 있는 폭을 크게 하며, 내부온도와 팽화를 조절할 수 있도록 하여 다양한 제품을 만들어 낼 수 있다. 애완용 동물사료, 즉석곡물제품, 조직화 단백질제품, 과자 등의 제조에 이용된다.
⑤ 팽화(Collet) Extruder
짧은 screw를 고속으로 회전시키고 건조한 원료를 투입함으로서 높은 층밀림에 의한 고온고압을 형성한다. 고온고압에서 비뉴턴성 내용물이 급격히 저압으로 빠져나오므로 크게 팽화되면서 수분이 증발한다. 따라서 꼬부러지거나 팽화된 스낵 제품을 얻게 된다.
4) 원료의 수분함량에 의한 분류
Extruder의 조작 조건과 제품특성에 가장 크게 영향을 주는 인자
5) 구조에 따른 분류
① Single screw extruder
Barrel내부에서 일어나는 층밀림(shear)의 크기에 따라 분류
- high shear(breakfast cereal 및 snack 식품이 해당)
- medium shear(breading 및 semi-moist petfood가 해당)
- low shear(pasta 및 육가공 식품이 해당)
② Twin screw extruder
‘8’자 모양의 바렐 내부에서 두 개의 screw가 회전하며 다음과 같은 장점이 잇다.
- 생산량은 원료 공급속도에 관계가 없으며, 열전달 속도도 single screw extruder에 비해 바르며, 열전달의 조정이 용이하다.
- single screw extruder에서는 미끄러짐 현상이 일어나므로 고지방, 고수분 원료를 처리할 수 있다.
- 바렐 내부의 압력을 조절하기 위해서 정방향 이송 또는 역방향 이송이 사용된다.
- 압출 성형에 필요한 압력은 짧은 배출부위에서 형성되므로 마모되는 부분이 적다
- 다양한 입자 크기의 혼합물을 원료로 사용할 수 있다.
Extruder의 기능적 특징 및 특성
Extruder에서 수행될 수 있는 단위공정을 열거하면 열처리, 혼합, 분리, 압착, 배열, 팽화, 성형 과정을 거친다. 이러한 공정을 통하여 식품재료는 여러 가지 물리화학적 변화를 일으키게 되며, 일어날 수 있는 주요한 반응은 다음과 같다.
1. 주 요 기 능 (반응)
① 전분의 노화, 팽윤, 호화, 무정형화 및 분해
② 단백질의 변성, 분자간의 결합 및 조직화
③ 효소의 불활성화
④ 미생물의 살균 및 사멸
⑤ 독성 물질의 파괴
⑥ 냄새의 제거
⑦ 조직의 팽창 및 밀도 조직
⑧ 갈색화 반응
이와 같은 반응은 extruder 내부에서 일어나는 층밀림 변형(shear)과 열발생 및 압력변화에 기인하는 것이다. Screw를 따라 전진하면서 혼합되고 압착되면서 가열에 의한 부분적 용용이 일어난다. Die를 경계로하여 내부의 고압에서 저압의 외부로 빠져 나오면서 분자 재배열, 팽창, 수분 및 휘발성 물질의 증발이 일어난다. Extruder내의 온도는 die에 가까운 계량부위에서 급격히 높아져 내용물은 고온단시간살균(HTST) 처리를 받게되어 미생물의 사멸, 효소 및 독소물질의 불활성화, 전분의 호화, 단백질의 변성, 갈변반응 등이 일어나게 된다. 이와 같은 단일체계내에서 여러 가지 반응이 일어나므로 이들을 적절히 조절, 통제하면 다양한 형태와 특성을 가지는 제품을 제조할 수 있다. 이러한 이용예는 snack, corn flake, candy, 사료 등에 쓰인다.
2. Extruder의 잇점
① 다용성 : 여러가지 공정과 제품을 얻음
② 고생산성 : 연속적인 대량 생산 가능
③ 비용절감 : 노동력, 면적 감소
④ 특수성형, 품질향상, 신제품개발, 에너지 효율, 폐수억제등