원적외선 기술논단

식품가공 공정에서의 원적외선 이용 기술

하시모토 아츠시 미에(三重)대학 대학원 생물자원학연구과

이 논문은 제13회 한일원적외선 심포지엄에서 발표된 것입니다.    - 편집자 주

1. 머리말
식품가공 공정에서의 적외선의 이용은 열에너지원으로서 이용과 성분을 감지하는데(sensing) 대표되는 분광분석방법으로 크게 구별된다. 앞서 논한 대표적인 열적 조작으로서는  건조나  살균을 예로 들 수 있다. 적외선건조는 다양한  분야에서 넓게 이용되지만 식품분야에서도 그 전열효율이 좋고 제품이 마무리가 잘 되어 맛 등이 우수하다는 이유에서 많이 사용하고 있다. 한편 적외분광분석은 각종 관능기(官能基 : 유기화합물을 동족으로서 특징짓는 원자단)의 기본진동의 정보 등 팽대한 이론적 기초가 존재하고 해석도 관능기의 귀속파수대만을 가지고 단회귀로 충분한 것이 많다고 하는 특징을 가지고 있다.
본고에서는 적외선을 이용한 열적조작과 시료의 적외분광특성과의 관계, 살균효과 및 식품가공프로세스에 관련한 적외분광분석에 관한 기초적 연구성과 1, 2) 에 대해 소개한다.

2. 적외선의 분류
먼저 ‘원적외선’에 대해 정리한다. 일반적으로 파장이 긴 적외선을 원적외선이라고 부른다. 적외선은 굉장히 넓은 분야에 걸쳐 이용되며 각각의 이용분야에 따라 부르는 명칭이 다르므로, 이용목적에 따라 적외선의 분류가 다르다는 것을 이해해 두지 않으면 안된다. 그림 1에 각 이용분야에 대한 적외선의 분류를 나타낸다.
예를 들어 적외선건조에서는 적외선을 열원으로 이용하지만 적외선방사체에서 방출되는 방사에너지분포나 건조시료의 적외흡수특성의 측정에 있어서는 적외선분광기를 이용한다. 결국 적외선건조에 관해 논할 경우, 특히 분광학과 열이용에 관해 분류의 차이에 주의 하지 않으면 안된다.
분광학의 분야에 있어서는 분자의 기준진동에 기초로한 파장대를 중적외선으로 이 파장대 보다도 단파장측을 근적외선, 장파장측을 원적외선이라고 한다. 일반적으로 중적외선과 파수를 단위로 4000~400cm-1로 정의되며 파장은 2.5~25㎛에 대응한다.
또 원적외선은 400~10cm-1이 되며, 파장은 25~1000㎛의 범위이다. 중적외역에 나타난 관능기의 기준진동의 배음·결합음이 얻어진 근적외선은 파장이 사용되는 것이 많으나 파수도 이용된다. 그런데 근년 다양한 분야에 있어서 테라헤르츠파(terahertz. THz파)의 이용이 주목을 모으고 있다. 테라헤르츠파와는 약 주파수가 0.3~10 THz  파장이 1000~30㎛의 영역, 결국 빛과 전파의 중간에 있는 주파수 영역의 전자파이며, 그 정보와 물질이 유전분산(誘電分散), 격자진동, 분자의 골격진동, 비틀림 진동, 회전등 물질의 중요한 동적 움직임과 관계하고 있다.
한편 열이용 분야에 있어서는 3㎛보다도 단파장역을 근적외선, 반대로 3㎛보다도 긴파장역을 원적외선이라고 한다3). 이와 같이 열이용의 분야에 있어서는 파장을 단위로 이용하는 것이 일반적이다. 건조조작으로는 적외선을 열원으로 가지는 것이 되므로, 주로 3㎛보다도 긴파장의 영역의 원적외선조사(照射)에너지를 가지는 경우에 ‘원적외선 건조’가 된다.

3. 적외선조사에 의한 식품모델의 건조
적외선건조의 특징을 파악하는 것을 목적으로 습윤다공질 식품모델의 적외선 건조에 관한 연구를 했다. 그때 피건조물에의한 적외선 에너지의 흡수를 물에 의한 흡수와 고체성분에 의한 흡수로 나누어 고찰했다. 그림 2는 증류수를 함침(含浸)시킨 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate) 타입의 멤브레인 필터(membrane filter)(시료 1, 시료 2,시료 3의 평균공기구멍(空孔)의 크기는 각각3.94, 2.10, 0.74㎛)를 16장 겹쳐서 다공질식품 모델의 원적외선 건조특성이다4). 항률(恒率)건조속도에 관해서는 평균공공경에 따라 현저한 차이는 확인할 수 없지만 항률건조기간후에 건조속도 저하에 현저한 차이가 인정된다.
가장 평균공기구멍(空孔)이 큰시료 1의 건조속도는 항률건조기간후 가장 고함수율로 건조속도가 저하하기 시작하였고, 시료 2의 건조속도는 항률건조기간 후 가장 저함수율로 건조속도가 저하하기 시작했다. 공극체적(空隙體積)기준함수율이 약0.5~0.2까지의 기간에서는 건조속도가 거의 일정하게 볼 수 있고, 그 후 함수율이 0까지 건조가 진행했다.
이 결과는 피건조물의 적외선흡수특성에 미치는 건조과정에 있어서 피건조물의 수분변화 및 기하학적구조 변화의 영향은 적외선건조기구의 해명이 중요하다는 것을 실험적으로 나타내고 있다.
건조시료는 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate)와 물로 구성되어 있으며, 또 멤브레인 필터(membrane filter)의 공극률 (空隙率)은 0.66~0.78의 범위이다. 결국 평균 공기구멍의 크기가 다르면 건조시료표면근방이나 내부에 있는 적외선의 산란이나 미광 등에 따라 건조시료 표면의 적외흡수특성에 차이가 생겨서, 그림 2와 같이 결과가 얻어진 것 같다. 그러나 현시점에 있어서 습윤이 있는 복잡한 구조를 하고 건조시료의 적외흡수성을 이론적으로 해석하는 것은 극히 곤란하다. 따라서 이러한 건조시료에 관해서는 적외분광 스펙트럼의 실측치를 가지고 건조특성을 해석하는 것이 유효하다고 생각된다. 거기서 통풍건조기구의 시뮬레이션(simulation) 수법을 제시한 것에 더하여 그 적외선 건조특성을 검토한 바에 의하면 적외선 건조로 대단히 중요한 광학특성이 FT-IR와 확산분광법의 조합으로 얻어진다는 것을 알게 되었다.5, 6)（그림 3）

4. 적외선조사(照射)에 의한 살균효과
적외선조사(照射)에 의한 살균효과의 특징을 파악하는 것을 목적으로 원적외선조사 혹은 전도가열된 세균현탁액 벌크(bulk)온도의 경시 변화의 차이를 무시할 수 있는 조건 하에서 대장균의 살균결과를 비교했다.(그림 4)7)
여기서 Nil은 세균현탁액중의 생균수농도, Nl0은 그  초기치이며, Nl/Nl0은 생존율을 의미한다. 그림 4에서 나타난 것처럼 가열시간이 같으면 원적외선조사한 경우의 쪽이 전도가열한 경우보다도 생존율이 적어졌다. 또 황색포도구균에 관해서도 같은 실험결과가 얻어져 원적외선조사에 의한 살균 쪽이 전도가열에 의한 살균보다도 효과적이라고 말하는 것을 알았다.
다음은 항생제를 이용한 세균의 손상부의 새로운 검찰방법을 제시하고, 적외선조사에 의해 일어난 손상은 전도가열에 의해 나타난 손상과 같은 경향이 있는 것으로 나타났다. 이것은 적외선조사된 세균은 열적 효과에 의해 스트레스를 받아 손상된 것으로 볼 수 있으나 원적외선조사는 전도가열보다도 살균에 관한 효과적인 전열 형태인 것을 시사하고 있다.
5. 발효 과정의 적외분광 모니터링
발효를 이용한 제품제조는 식품분야뿐만 아니라 다양한 분야에서 사용된다. 이 발효에 있어서 발효정지의 타이밍, 또는 발효과정의 모니터링은 중요한 과제이다. 식품분야에 관련한 연구는 주로 알코올 발효와 유산균 발효이다. 본론에서는 유산발효의 예로서 요구르트 발효 과정의 모니터링에 관한 연구를 소개한다.13, 14)
요구르트가 처음 만들어질 때 사용되는 유산균은 락토스(lactose)를 탄소원으로서 발효해 유산균을 만들고 유산의 해난(解離)한 수소이온이 단백질의 등전점까지 pH를 저하시켜서 단백질을 응고시킨다. 통상은 중화적정법에 의한 유산산도를 측정해 이것에서 발효의 제어 등이 이루어진다. 그러나 측정자에 의한 오차가 크고, 또 측정시간을  필요로 하기 때문에  적시에 발효의 제어는 곤란하며, 신뢰성이 높은 온라인 측정법이 바람직하다. 그런 까닭으로 락토스 스펙트럼 (lactose spectrum)의 흡광도를 감소해서 유산도를 구하는 것으로부터 유산발효 과정의 모니터링을 목적으로 하고, 특히, 요구르트가 처음 만들어질 때의 접종량은 배자농도를 바꾸어 배양했을 때의 결과를 나타낸다.
그림 5는 요구르트 발효과정에 있어서 요구르트중의 락토스 스펙트럼이며, 발효 중에 락토스가 소비되어 가는 것을 알 수 있다.
또 그림 6에서 배지농도를 12%로 고정하고 처음 만들어질때의 접종농도를 1%, 3%, 5%의 조건하에 요구르트 발효시킬때 흡광도와 적정산도와의 관계를 나타냈다.14) 락토스 스펙트럼(lactose spectrum)의 1075cm-1에 대한  흡광도와 적정산도에 관한 검량선은 대단히 높은 직선성을 나타내고 있으며, 스타터의 접종농도에 의존하지 않는 것으로 나타났다. 한편 요구르트 발효시에 발생하는 단백질 변성의 상태를 그림 7에 나타냈다13). 요구르트가 굳어지기 시작하기 전후 (3~4 h)에서의 단백질 변화를 알 수 있다.

6. 적외분광법을 응용한 미각 관련정보의 추출
현재 다양한 로봇의 연구개발을 하고 있으며 보다 인간에 가깝고자 하는 로봇의 연구개발에서는 인간의 오감을 센스(sense)로 바꿀 수 있도록 실험하고 있다. 그 중에서도 ‘시각’ ‘청각’ ‘촉각’은 일찍부터 물리센서의 개발이 진행되고 있으며, 인간의 감각을 초월한 감도의 것도 실용화되고 있지만 ‘미각’과 ‘후각’에 대해서는 그 연구개발이 늦어지고 있다. 그런 까닭으로 로봇의 ‘미각’관련 정보를 얻기 위해 센싱(sensing)방법으로 적외분광법에 착목했다. 미각에 영향을 주는 요인으로서는 식품중 화학성분이 있으며 화학성분을 객관적으로 평가하는 것이 식품의 미각관련 정보의 추출과 관련된다. 결국 이러한 평가에는 복수성분의 동시계측, 정성(定性) 및 정량의 가능성이 있으며, 성분의 상호작용을 파악할 수 있는 적외분광법이 유효하다고 생각된다.
미에(三重)대학과 NEC시스템테크놀러지(주)는 식품의 주요성분과 다양한 기호식품(알콜음료류, 커피음료, 아이스크림류, 치즈류 및 다(茶)류 등)의 적외분광특성을 파악함과 더불어 이것의 상품명을 식별 및 성분의 동시정량수법의 구축을 시험했다. 또 이렇게 아는 바를 토대로 독립행정법인 신에너지·산업기술 종합개발기구(NEDO)로 부터 위탁을 받은 것을 계기로 적외선 센서를 NEC의 파트너 로봇 PaPeRo15)에 장착한 ‘건강·식품 어드바이스로봇’)（통칭:‘맛을 보는 로봇’）을 개발했다.（그림 8）2, 16-18). 개발된 맛보는 로봇은 2005년도에 개발되어 아이지현(愛知縣)·지구박람회의 ‘프로트타입(시제품,prototype)·로봇展’에서 시연되어 국내외 수백의 매스컴에 소개되었다. 그런데 상기의 기능을 가진 맛보는 로봇은 와인상품명을 판별하는데 곤란했다. (1)적외선스펙트럼의 취득방법의 개량, (2)판별 알고리즘 개량, (3)기대획득 정보량에 기초한 와인선택 질문기능의 추가를 실시함으로, 와인의 맛을 보는 소뮬리에(sommelier)로봇 (그림 9)개발을 시행했다. 그 결과 와인상표명의 식별이 가능해 졌고, 인간 소뮬리에처럼 손님의 기호에 맞추어 필요 최소한의 질문을 하게 되어, 확률적으로 최소의 질문수로 많은 와인 중에서 1개의 와인을 찾아내는 기능을 로봇에 탑재할 수 있게 되었다18).
7. 결 론
식품가공 프로세스에 있어서 적외선의 이용은 열에너지원으로서 이용과, 성분센싱(sensing)으로 대표되는 분광분석도구로서의 이용과 대체로 구별되지만, 적외선건조 등의 열적조작의 발전은 시료가 되는 식품의 적외분광적 이해를 동반할 필요가 있다고 생각한다. 한편 FT-IR과 대단히 다채로운 액세서리의 등장으로 다양한 적외분광스펙트럼이 취득할 수 있게 되어, 흥미 있는 화제는 대단히 많다. 더욱이 개발한 맛보는 로봇·소뮬리에 로봇은 금후 개량이 필요한 부분이 많으나 식품업계에 적용으로서는 원재료평가, 일본인을 위한 또는 특정 해외시장을 목적으로 하는 식품 맛의 설계지원, 식품생산라인에서 조기문제진단 등을 말할 수 있다.

- 문  헌 -
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18. 하시모트아츠시(橋本篤), 가메오카다카하루, 카노우미키히토(狩野幹人), 미하라겐이치로, 시마쯔히데오(島津秀雄), (고바야시카오리)小林香織：적외분광법을 이용한 맛보는 로봇의 개발, 제22회 근적외포럼강연요지집, pp.67-70 (2006).

그림 1. 적외선의 분류
그림 2. 원적외선 건조특성에 미치는 시료의 기학적구조의 영향
그림 3. 건조시료의 적외분광특성에 미치는 기하학적구조의 영향
그림 4. 원적외선 살균효과와 전동가열에 의한 살균효과의 비교
그림 5. 요구르트 발효과정에 있어서 배지 중의 락토스의 적외스펙트럼
그림 6. 요구르트 발행 배지의 유산산도와 락토스 스펙트럼의 흡광도와의 관계
그림 7. 요구르트 발효과정에 있어서 배지 중에 단백질의 적외스펙트럼
그림 8. 맛보는 로봇의 사진과 내부구조의 개념도

<본 사이트에는 일부 표가 생략되었습니다. 자세한 내용은 월간세라믹스 2007년 6월호를 참조바람>