식품의 건조방법
식품건조
식품중에 존재하는 수부을 증발 또흔 승화시켜 제거하는 단위조작을 건조라 한다. 건조는 중요한 식품보존법의 하나이며 식품 내의 수분이 어느 수준이하로 감소되면 미생물 및 효소에 의한 변질을 방지할 수 있으므로 저장성이 향산된다. 또한 부피와 무게를 감소시킴으로써 포장에 도움을 주고 수성비를 절약할 수 있다. 건조과중 중에는 수분의 증발에 필요한 잠열을 공급하기 위한 열전달과 식품 중의 수분이 공기 중으로 이동하는 물질전달이 동시에 일어난다.
건조방법 및 건조장치
◎ 대류형 건조기
열풍건조기라고도 하며 식품을 건조실에 넣고 가열된 공기를 강제적으로 송풍기를 이용하여 불어주는 강제대류 방식에 의해 건조시키는 방법
① Kiln 및 Cabinet 건조기
Kiln 건조기 및 cabinet 건조기는 그 구조가 간단하며 쉽게 제작할 수 있는 장점을 가지고 있으며, 소량의 식품(1∼2ton/day)을 건조하는데 적합하다. 그러나 이들 건조기는 아래와 위쪽의 온도차가 크기 때문에 건조시료를 수시로 환적해야 하는 번거러움이 따르게 된다. 따라서 공기순환 장치를 설치하여야 한다.
② Tunnel 건조기
열풍이 부는 tunnel 내에 건조대가 부착된 태차를 서서히 이동시키면서 건조하는 방법이다. tunnel 내에 열풍을 보내는 형식에 따라 향류형, 병류형 및 tunnel 양끝에서 송풍하는 중앙 배풍형 등 3방식이 있다. 과실류, 야채류등의 건조에 이방법이 이용된다. 이방법은 구조가 간단하고 제작비도 저렴하다. 건조조작과 작업도 간단하기 때문에 피건조식품의 양이 많지 않거나 종류가 많은 경우에 이용된다.
- 향류식(counter type)
∘ 초기에 저온의 습한 열풍과 접하므로 초기 건조속도가 느려 걷보기 밀도가 커진다.
∘ 낮은 수분함량까지 건조 할 수 있다.
∘ 과열의 위험이 있다.
∘ 경제적으로 열을 이용할 수 있다.
- 병류식(cocurrent type)
∘ 초기에 고온건조 열풍과 접하므로 초기 건조속도가 높아 수축이 적다.
∘ 함수율이 낮은 제품은 얻기 어렵다.
∘ 열에 의한 손상이 적다.
- 혼합식
∘ 초기에는 병류식이며 후기에는 향류식이다
∘ 건조시간이 짧고 열전달이 좋다.
∘ 터널건조기와 유사하나 트랙 대신 벨트를 이용하며 연속적으로 건조 가능하다.
∘ 열풍은 나란히 공급할 수도 있고 수직방향으로 공급할 수도 있다.
※ Tunnel 건조의 에너지 효율은 40∼50%로 중간정도이며, 시설비는 낮은 편이다.
③ 부상식(유동층식, fluidized bid) 건조기
다공판 등의 통기성 재료로 바닥을 만든 용기에 분립체를 넣고, 아래에서부터 공기를 불어 넣으면 어느 풍속이상에서 분립체가 공기 중에 부유 현탁되는데, 이때 아래에서부터 열풍을 불어넣어 유동화 되고 있는 분립체에 열을 가해 건조시키는 방법이다. cylone(집진기)를 설치하면 먼지도 동시에 분리할 수 있다. 이 건조방식은 곡물과 같은 입상의 시료를 건조하는데 적합하다.
- 유동층건조의 특징
◦ 열풍과 분립체의 혼합이 매우 잘되며 유효 접촉면적이 넓으므로 전열용량 계수가 크고 다라서 장치용적당 처리량이 크다.
◦ 전열계수가 크므로 건조시간이 짧다.
◦ 열풍과 분립체의 접촉시간을 자유롭게 조절할 수 있으므로 기류건조로 곤란한 내부 수분의 건조가 가능하다.
- 이용 제품: 후리가께, 수세미, 참깨 등
- 유동층 건조기의 종류
◦ 회분식: 건조에 비교적 장시간 요하는 경우, 건조시간이 초단위로 품질에 영향을 미치는 경우, 제품 수분이 소수점 이하의 정밀화학적 엄밀함을 요구하는 경우
◦ 반연속식
◦ 연속식
※ 유동층건조의 에너지 효율은 50∼70%로 높고 시설비도 낮아 매우 경제적인 방법이다.
④ 기류건조기
기류건조는 덩어리 형태, 입상 또는 분상의 피건조식품을 급속히 흐르는 열풍기류 중에 분산시키고 열기류와 병행하여 흘려 보내는데 이 과정에서 열교환 및 증발이 행해지므로 신속한 건조가 가능한 방법이다. 이 방법은 세절한 감자, 쌀과자, 두부박, 전분, 어분, 식염, 분말엿, 조미료 등을 단시간 대량 건조하는데 사용한다.
- 건조방법의 특징
◦ 증발 표면적이 크기 때문에 300℃ 정도의 열풍을 사용해도 피건조물의 품온은 크게 상승되지 않고, 건조는 비교적 단시간에 행해진다.
◦ 열교환이 충분히 이루어지고 열효율이 좋아 경제적이다.
◦ 비교적 고온의 열풍이 사용되기 때문에 열용량 계수가 크고, 적은 용적의 장치에서 대량의 피건조식품을 연속적으로 처리할 수 있다.
◦ 피건조식품의 입자가 불균일할 경우에도 적은 입자의 경우는 빠르게 건조되고 큰 입자일수록 천천히 건조됨으로서 알맞은 수분까지 건조할 수 있다.
◦ 장치의 구조가 간단하여 설비비는 적고 조작은 연속적, 자동적으로 행해진다.
- 단점은 소요동력이 크고 마모성, 부착성이 큰 재료는 부적합하다.
※ 기류건조의 에너지 효율은 열풍기류의 온도가 300∼600℃에서 50∼70%로 높고, 시설비도 매우 낮아 매우 경제적인 방법이다.
⑤ 회전(rotary)건조기
보통 rotary 건조라고도 하며, 회전하는 원통형의 건조실이 주요 부분으로서 피건조식품이 건조실의 끝에서 서서히 공급되어 건조실의 회전에 따라 다른 끝의 출구방향으로 이동하면서 건조가 진행된다. 장치의 구조와 조작이 간단하고 자동적으로 건조가 이루어지며 유지비가 저렴한 장점이 있다. 수분함량이 높은 것은 부적당하지만 분체나 입체의 건조에 적당하여 설탕, 포도당, 빵가루, 활맥 등의 건조에 이용된다.
⑥ 분무(spray)건조기
분무건조란 고온의 건조공기에 액을 분무하여 건조시키는 방법으로 초기 수분농도가 높은 액체의 건조에 유용하다. 열변성에 의한 품질의 저하방지 효과가 높아 열에 민감한 액체식품의 건조에 적당하며 인스턴트 식품의 보급과 함께 가장 일반적인 방법으로 현재 적용범위가 계속 넓어지고 있다. 일반적으로 분무건조는 크게 2단계로 구성된다. 1단계는 Atomization으로 작은 크기의 액적을 생성시킴으로서 표면적을 증가시켜 수분증발을 용이하게 하며 액적을 공기흐름 내부에 일정하게 분산시키며, 2단계는 건조를 하는 단계이다.
- 분무건조의 특징
분무건조는 일반적인 건조제품의 장점인 무게와 부피의 감소, 저장성 증가 이외에도
① 건조시간이 짧으며 영양분의 보존이 양호하다..
② 열에 강한 식품이나 약한 식품 모두에 가능하다.
③ 연속작업 및 완전자동화가 가능하다.
④ 최종제품이 분말이라 건조후의 포장에 적합하다.
⑤ 건조제품의 특성에 따라 건조기 설계와 운영을 변화시켜 원하는 특성을 얻을수 있다.
⑥ 건조공기의 온도르 올리고 고형분의 농도를 올리면 열효율의 항상효과가 있다.
분무건조는 분말 간장, 분말 된장, 기타 엑기스 분말 등의 건조에 이용된다.
◎ 전도형 건조기
열판 접촉 건조기라고도 하며 가열 표면에 직접 식품을 접촉시켜 식품의 온도를 높이는데 필요한 현열과 증발에 필요한 기화열 또는 승화열을 전도에 의해 전달하여 건조시키는 방법
① 드럼(drum)건조기
이 방법은 가열회전 drum의 표면에 액상의 피건조 식품을 얇게 도포하여 신속히 연속적으로 건조하는 방법이다. 원리는 액체 또는 고형물을 균일하게 함유하는 paste상 식품을 가열 drum 표면에 얇게 도포하여 증발 표면적을 확대한 상태에서 drum과 열교환을 통하여 건조를 촉진함과 동시에 drum의 회전에 의하여 건조물이 자동적으로 drum으로부터 떨어지므로서 건조가 종료되는 방법이다.
※ Drum 건조의 에너지 효율은 50∼70%로 높고 시설비도 낮아 매우 경제적인 방법이다.
② 진공(vaccum)건조기
식품을 tray에 담아 선반 위에 올려놓고 밀페한 다음 실내의 압력을 1∼70mmHg 정도의 진공으로 유지하면서 70℃ 정도에서 건조한다. 진공 건조기는 시설비가 많이 들므로 열에 민감한 액체 또는 고체식품을 건조하는 데만 이용된다.
③ 팽화(puffing)건조기
열풍건조 과정 중의 중간 건조 과정으로 이용된다. 1차 열풍건조 후 수분함량 15∼40%의 식품을 건조기 내에 넣고 외부로부터 회전, 가열시키며 온도를 150∼200℃까지 가열한 후 고압(100∼200KPa)에서 건조 용기를 개방하여 갑자기 상압으로 식품을 분출시킴으로써 과열 상태로 된 조직 중의 수분을 순간적으로 증발시켜 건조하는 방법이다. 과일 및 채소 건조에 많이 이용된다.
◎ 복사형(Radiation type) 건조기
① 적외선(infrared)건조기
적외선(파장 0.75∼400㎛)을 이용하여 식품 표면의 온도를 상승시키고 수분을 증발시켜 건조하는 방법이다.
※ 적외선 건조의 에너지 효율은 40% 이하로 낮고, 시설비도 높은 편이어서 경제적인 방법은 아니다.
② 초단파(microwave)건조기
300MHz∼300GHz의 마이크로파를 사용하여 식품 내부에 존재하는 물분자의 쌍극자 운도에 의한 내부 마찰에 의해 가열되어지며, 전자파 가열이라고도 한다. 이러한 내부가열은 식품재료 자체에서 발열되기 때문에 외부가열에 비해 효율이 높다.
- 초단파건조의 특징
① 가열 효율이 높고 건조시간이 짧다.
② 형상이 복잡해도 균일 건조가 가능하다.
③ 수분이 불균일한 경우에도 균일 건조가 가능하다.
④ 전파에 의한 에너지 제어가 용이하다.
⑤ 사용 주파수: 산업용 2450 MHz(915 MHz 일부사용)
※ 초단파 건조의 에너지 효율은 60%이상으로 높으나, 시설비가 높은 편이여서 경제적인 방법은 아니다.
③ 동결(freeze) 건조기
피건조식품의 색, 맛, 방향, 물리적 성질, 원형 등을 거의 손상하지 않고 복원성이 좋은 건조식품을 얻기 위한 방법으로서 현시점에서 가장 바람직한 방법은 동결건조이다. 이 방법은 피건조식품을 먼저 -30∼-40℃로 급속동결시키고, 이 동결물을 4.6mmhHg 이하의 고진공을 유지하는 건조실에서 얼음의 승화에 의하여 건조시키는 방법이다.
동결건조의 기본이론은 승화(昇華)현상이다. 승화현상이란 고체상태의 얼음이 기체상태의 증기로 변화는 것으로 우선 3중점(triple point)의 의미를 이해할 필요가 있다. 즉 융해곡선상에서는 얼음과 물이 공존하고 증기압 곡선상의 점에서는 물과 수증기가 공존하므로 두 곡선이 만나는 교점 즉 물의 3중점에 해당하는 상태에서는 물의 고체, 액체, 기체의 3상태가 모두 공존한 셈이 된다. 중요한 것은 3중점이하의 압력에서는 어떠한 물질도 액체상태로 존재할 수 없다는 것이다. 또 고체와 기체상태로 서로 구분하는 곡선 즉 승화곡선은 고체에서 기체로, 기체에서 고체로 직접 승화하는데 필요한 조건을 나타내고 있다. 승화현상이 일어나는 것은 동결식품 주위의 수증기의 분압이 식품내부의 얼음의 포화증기압보다 낮을 때 증기압차가 생기므로 얼음이 승화한다. 그러므로 승화에 필요한 증기압차를 형성하기 위하여 건조실 내부압력을 진공상태로 해 주어야 한다. 동결건조하려면 우선 동결에 의하여 식품 중의 수분이 얼게 하여야 하며 둘째, 얼음 승화에 의해서 원료로부터 수분을 제거하고 셋째, 원료중의 잔존 수분제거를 위해 진공하에서 원료의 온도를 높여야 한다.
이러한 특성을 이용하여 피건조식품을 동결건조한다.
동결건조의 장점
동결된 상태에서 식품이 승화에 의해서 건조되기 때문에 식품의 물리적, 화학적 변화가 적고 식품의 열연화, 향기성분의 손실, 효소실활등을 최소화 할 수 있다. 또 동결상태에 있는 수분이 제거되므로 건조제품은 가벼운 다공조직을 가지게 되는데 모양과 크기도 원래 상태 그대로 유지하고 있다. 따라서 다시 수분을 가하면 건조전의 조직으로 복원되는 성질 즉 복원성(reconstitutability)이 좋아지며 휘발성 성분과 향기성분을 다량 보유하게 된다. 특히 건조된 식품은 거의 탈수된 상태이므로 효소적 갈변화, 단백질의 변성, 효소작용에 의한 각종 분해반응이 최소화 되고 특히 저온에서 처리하므로 모든 반응이 최소화 되어 향기 및 방향성 휘발 관능물질의 손실이 적어진다. 일반적인 건조법의 가용성 성분의 이동, 수축, 표면경과 현상은 동결건조로 최대한 억제할 수 있으며 승화가 일어난 표면적 구조적 강도 때문에 조직의 견고한 그물망이 붕괴되지 않고 다공성은 계속 유지된다. 따라서 쭈그라들지도 않고 물을 흡수할 경우에도 재수화는 좋아진다.
따라서 동결건조된 식품은 보통 무게가 가볍고 상온유통이 가능하고 저장기간이 긴 즉석식품을 만드는데 적합하다.
동결건조의 단점
돈결건조식품의 단점은 부서지기 쉽고 다공질로서 표면적이 크므로 흡습, 산화하기 쉽다. 유지, 카로티노이드색소 등을 많이 함유하는 식품은 항산화제로 전처리할 필요가 있고 건조 후의 포장은 제습실 안에서 행하며 용기도 양철관이나 두꺼운 알루미늄박과 플라스틱필름의 적층피막을 사용하는 것이 바람직하다.
수송시 외부의 충격에 의한 파손의 우려가 크고 포장과 운반의 측면에서 중량은 감소하나 체적은 변함이 없으므로 포장재료의 양의 변화가 없다.
동결건조는 저온에서 건조가 행해지므로 건조속도가 매우 느려 건조시간이 길어지며 운영비, 설비비가 타 건조법에 의한 것보다 2∼3배 정도비싼 편이다.
동결건조 장치의 구성
- 수증기 배기P: 냉동 Trap 사용
- 진공배기P
- 열공급계: 열면 접촉 전도와 방사열 사용
- 예비 동결계
- 재료 처리계
- 제어 계측계
※ 동결건조의 에너지 효율은 40%이하로 낮고, 시설비는 매우 높아 경제적이지 못하다.