Transcript 건조기술 및 응용
건조 기술의 원리 및 응용 응용생명과학부 식품공학전공 최성길 Contents I. 서론 1. 2. 3. 4. 식품건조의 정의 피건조 품질결정요소 고려사항 건조원리 II. 식품의 수분 1. 2. 3. 4. 수분함량 수분활성도 등온흡습곡선 식품의 건조속도 III. 건조방법 및 장치 1. 자연건조 2. 인공건조 1) 가압건조 2) 상압건조 3) 진공건조 Ⅵ. Data Ⅰ. 식품의 건조, 필요성, 원리, 건조속도 식품건조의 정의 식품에 있는 수분을 열을 가하여 수분을 제거하는 조작 제거형태 : 기화 승화 열풍건조, 분무 등 동결건조 건조 최종상태: 고체 증발농축 최종상태: 액체 건조의 필요성 1. 2. 3. 4. 저장성향상 수송과 취급편리 가공수단 또는 제조공정상 이유(원료) 상품적가치 높이는 수단 피건조물의 품질결정요소 1. 물리적 구조의 보존성 2. 화학적인 안정성 3. 미생물 안전성 4. 생물학적 기능의 유지성 5. 재수화(rehydration)에 따른 복원성 (용해성) 6. 분말입자의 균일성, 미세화, 분산성_호흡용분말 건조공정 시 고려사항 1. 피건조물의 특성에 맞는 건조장치 선택 2. 건조장치의 운영제어 3. 최종수분함량의 결정 4. 건조보조제 첨가 건조의 원리 수분 증습 된 공기 공기 식품 건조식품 열 에너지 수분이동 물질이동 계 (수증기압) 환경 (수증기압) 계 (수증기압) 환경 (수증기압) 건조 속도 A 수 분 량 B B C A 건 조 속 도 C D 시간 D 시간 A-B (조절기간): 식품이 가온되는 단계 B-C (항률건조기간): 식품 표면에 있는 수분이 증발되는 단계 C-D (감률건조기간): 표면수분이 제거, 식품내 수분 표면으로 이동·건조 열전달 속도 건조물 품질 : 물질이동속도 = 열전달속도 물질이동속도 > 열전달속도 물질이동속도 < 열전달속도 Ⅱ. 식품의 수분 식품의 건조공정에서 기준이 되는 것은 식품 속에 존재하는 수분의 양과 형태 및 역할 수분함량 MDB% = WH20(수분양)/WD고형분양 건물기준 MDB% = WH20(수분양)/WD + WH20 전체양 식품기준 수분 형태 자유수(free water) 결합수(bound water) • 유리수라고도 함 • 액체 상태의 물 (용매) • 규칙적인 구조를 가진 연속상이지만 자유롭게 운동 • 자유수에 물질 (가용성 또는 불용성)을 가한것 • 물 분자와 상호작용으로 물 분자가 자유를 잃은 상태 자유수와 결합수 수분활성도(Water activity, Aw) 미생물이나 화학반응에 자유로이 이용할 수 있는 형태의 물의 척도 (available water) 식품의 전체 수분함량 보다는 그 식품의 수분활성도가 미생물 활동이나 화학반응에 영향 Aw = P / Po Po Ps Po: 순수한 물의 수증기 압 Ps: 같은 온도에 있어서의 식품의 수증기 압 물 수용액 세 균 : Aw > 0.93 , 효 모 : Aw > 0.85, 곰팡이 : Aw > 0.61 수분활성도와 상대습도 대기 중의 수분함량 상대습도(relative humidity) RH = Ps/Po x 100 Ps : 수증기압 Po : 포화수증기압 수분활성도 x 100 수분이동 수분이동 식품의 수분활성도 대기 중의 상대습도 식품의 수분활성도 대기 중의 상대습도 수분활성도와 식품의 각종 반응과의 관계 등온흡습곡선 수분활성도와 수분함량과의 관계를 나타낸 곡선 건조제품의 수분함유량에 따른 특성분석조사 건조제품의 최적잔여수분함량결정에 이용 Ⅲ. 건조장치 식품 건조 자연건조 가압 곶감, 건어류, 건포도 쌀튀김 인공건조 상압 진공(감압) 열풍 분무 피막 원적외선 각종식품 분유, 액체식품 액체식품 저수분식품 건조재 진공 동결 각종식품 1. 자연건조 태양열, 바람, 한기 등 자연환경을 이용하므로 천연건조 장점 ① 단순하다. ② 기술을 필요로 하지 않는 경험과 노력에 의한 방법이다. ③ 값이 저렴한 건조식품을 얻을 수 있다 단점 수분이동 식품의 수분활성도 대기 중의 상대습도 종류 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ 기후에 좌우된다. 건조에 장시간을 요한다. 건조하는 동안 변질이 진행된다. 곤충, 쥐 등에 의하여 피해를 받기 쉽다. 제품의 수분함량이 높고, 저장성에 문제가 있다. 복원성에도 문제가 있다. ① 음건법(陰乾法) : 표면피막 경화현상을 막고 균일하게. 건조하고자 할 때 ② 양건법(陽乾法) ex) 곶감, 건호박, 채소류, 오징어, 미역, 다시마 ③ 자연동결건조: 명태 2. 가압건조 • 수분함량이 비교적 적은(15-40%) 피건조식품을 • 밀봉한 후 외부로부터 가열하면서 회전시키거나 또는 건조용기에 직접 가열공기를 주입 • 두껑을 개방하여 상압으로 식품을 분출 특징 ① 건조와 함께 조직을 팽화하여 다공질구조를 갖게 되므로 복원성이 좋다 ex) 쌀튀김, 보리튀김, 옥수수튀김 ② 수분함량이 크거나 조직이 연한 것은 예비건조 후 가압건조한다 3. 열풍 건조기 인공적으로 열풍을 건조식품에 강제로 보내서 건조시키는 방법 1) 터널식 건조기 ㄱ) 병류식 : 같은 방향 장점 • 제품 열손상 적음 • 초기 건조속도 빠름 단점 •건조속도 점차 감소 •건조된 수분함량높음 ㄴ) 향류식: 다른 방향 장점 단점 • 제품 열손상 위험성 • 열 이용도, 경제적 •건조속도 느림 •건조된 수분함량 낮음 2) Cabinet 건조기 3) Band 건조기 시설비, 운영비 저렴 건조 전 적당 크기 조절필요 건조속도 빠름 4. 분무 건조기 액상의 식품을 분무하여 열풍 중 건조 분말화하는 건조방법 분무 건조기 장점 ㄱ) 액상상태의 식품은 단시간에 분말상태로 건조됨 ㄴ) 일정한 밀도, 입자의 크기가 연속적으로 얻어짐 ㄷ) 열(150-200℃)접촉 시간 적고, 열 변성 적음 ㄹ) 건조효율이 높음. 단점 ㄱ) 점도 높은 액상식품은 사용할 수 없음(꿀 등) ㄴ) 장치가 대형, 설비와 보수 경비가 많이 소비 ㄷ) 제품의 회수, 미분 포집장치 등 부속장치 필요 5. 피막 건조기 Drum 표면에 액상의 식품을 도포하여 연속적으로 건조 점도가 높은 액상 식품, 고형분이 많은 식품 ex) 죽, 꿀 6. 진공 건조기 식품을 진공상태에서 증발 또는 승화시켜 건조 원리 1기압 0기압 감압건조 감압 하에서 물의 기화 (액체 기체) 동결건조 감압 하에서 얼음의 기화 (고체 기체) 동결 건조기 특징 식품을 건조 전 급속히 동결 색, 맛, 향기 보존 우수 수분 복원성 우수 건조속도 느리고, 건조시간 두께 좌우 7. 분무동결건조기 노즐 Liquid Pump 분무 동결실 적외선 히터 수증기응축포집실 밸브 시료용액 콘베이어 진공펌프 건조실 진공차단식 연속식밸브 분무 동결 건조 장치의 건조 과정 ¿ø·á¼ÒÀç ¾óÀ½ °ø°£ ¿ø·á¼ÒÀç ¾óÀ½ µ¿°á°íÈ- °ÇÁ¶Áß ¿ø·á¼ÒÀç °ø°£ ºÎµ¿¼ö °ÇÁ¶¿Ï·á ¿Âµµ Áø °ø µµ ( 0C) (Torr) +40 0.5 +20 0.4 0 °¡¿-¿Âµµ 0.3 -20 -40 0.2 Ç°¿Â -60 Áø°øµµ 0.1 0.008 ½Ã°£ 분무진공동결건조와 진공동결건조 구분 공정 기존 진공동결건조기 - 예비동결 건조 분쇄 분무진공동결건조기 - 예비동결, 건조가 동시에 이루어짐 - 분쇄과정 생략 장단점 - 별도의 예비동결과정이 필요 - 연속적 건조가 가능 - 건조 대상물의 두께에 따른 승화조 - 건조시간 단축으로 20 – 50%의 에 건 악화 - 별도의 분쇄과정 필요 * 상기 과정에 의한 건조 시간 장기화 너지 절감 효과 - 콘베이어 등 구동장치에 따른 기밀 유지 등 제작상 어려움 분무건조와 분무동결건조의 비교 항목 물리적 특성 비교 건조 과정 비교 분무 건 조 분무 동결 건조 조밀구조(밀도 높음) Porous 구조(밀도 낮음) 건조 표면적 작음 건조표면적 넓음 공기동력학적 입경 큼 공기동력학적 입경 작음 관성 추종성 큼 (유선 추종성 낮음) 관성 추종성 낮음 (유선 추종성 높음) 살포성 낮음 (응집, 부착력 높음) 살포성 높음 (응집, 부착력 낮음) 쉽고, 빠르고, 편리 상대적으로 시간 소모성 대용량화 매우 용이 대용량화 용이 운전비용 낮음 운전비용 높음 생산성 낮음(50 – 70%) 생산성 높음(95% 이상) 분무화 우수 분무화 매우 우수 고온 처리 저온 처리 (고온 민감성 재료에 적합) Ⅳ. Data 1. 최종함유수분함량에 따른 분말의 물리적 특성 70 Total soluble matter(%) 60 50 40 30 20 10 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 W ater activity Fig. Solubility of egg albumin powder after 10days storage as a function of water activity. 수분활성도에 따른 알부민 분말의 부피변화율 Table 각각의 수분활성도에서 tapping 횟수에 따른 부피(mL)변화 Aw Tapping number 0 0.11 0.23 0.33 0.43 0.53 0.69 0.81 0 18.00 21.00 20.50 21.00 23.00 23.50 28.00 34.00 1 17.00 19.80 20.00 19.50 22.00 23.00 26.00 32.00 2 16.50 19.80 19.20 19.00 21.00 22.00 24.00 29.00 3 16.50 19.00 19.00 18.80 20.00 21.00 23.00 27.00 4 16.20 18.50 18.50 18.20 19.50 20.00 22.00 26.00 5 . . . 16.00 17.50 18.00 18.00 19.00 19.00 21.00 25.00 17 13.10 15.20 15.00 15.00 16.00 15.00 17.00 20.50 18 13.10 15.20 15.00 15.00 16.00 15.00 17.00 20.00 19 13.00 15.20 15.00 15.00 16.00 15.00 17.00 20.00 20 13.00 15.20 15.00 15.00 16.00 15.00 17.00 20.00 Table 각각의 수분활성도에서 고형분 보정 후 부피감소률(%) Aw Tapping number 0 0.11 0.23 0.33 0.43 0.53 0.69 0.81 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 5.55 5.71 2.43 7.14 4.34 2.12 7.14 5.88 2 8.33 5.71 6.34 9.52 8.69 6.38 14.28 14.70 3 8.33 9.52 7.31 10.47 13.04 10.63 17.85 20.58 4 10.00 11.90 9.75 13.33 15.21 14.89 21.42 23.52 5 11.11 16.66 12.19 14.28 17.39 19.14 25.00 26.47 17 27.22 27.61 26.82 28.57 30.43 36.17 39.28 39.70 18 27.22 27.61 26.82 28.57 30.43 36.17 39.28 41.17 19 27.77 27.61 26.82 28.57 30.43 36.17 39.28 41.17 20 27.77 27.61 26.82 28.57 30.43 36.17 39.28 41.17 . . . Caking index(%) 수분활성도에 따른 알부민 분말의 caking behavior 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Water activity Fig. Degree of caking of egg albumin powder after 10days storage as a function of water activity. 계란 알부민의 흡습곡선 0.35 g H2O/ g solid 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Water activity Fig. Moisture adsorption capacity of egg albumin powder. 1 2. 건조 보조제 효과 0% salt content 5% salt content 2% salt content 10% salt content Fig. The relationship between moisture content and water activity of pork jerky soaked in different salt solution prior to drying. 감사합니다