Optimization of the Manufacturing Process for Mandarin Dry Chip Using Response Surface Methodology (RSM)

반응표면분석법을 이용한 감귤건조칩 제조조건 최적화

Abstract

The purpose of this study was to optimize the mandarin dry chip manufacturing using a response surface methodology. The experiment was designed based on a CCD (Central Composite Design), and the independent variables were the drying temperature ($X_1$, $50-90^{\circ}C$), drying time ($X_2$, 12-36 hours), and microwave pretreat time ($X_3$, 0-4 minutes). The results of appearance ($Y_5$), color ($Y_6$), taste ($Y_8$) and overall acceptance ($Y_{10}$) were fitted to the response surface methodology model ($R^2=0.86$, 0.88, 0.89, and 0.84, respectively). Increasing the drying temperature and microwave treatment time were negatively evaluated for consumer acceptance. On the other hand, a high value of consumer acceptance was evaluated when the drying time was more than 24 hr. Therefore, the optimal conditions of $X_1$, $X_2$, and $X_3$ were $52.989^{\circ}C$, 24 hr, and 1 min, respectively. Under these optimal conditions, the predicted values of $Y_5$, $Y_6$, $Y_8$, and $Y_{10}$ were 5.066, 5.338, 5.063, and 5.339, respectively.

I. 서론

식생활의 패턴이 변화되면서 안전한 먹거리, 건강한 천연식재료에 대한 선호도가 높고, 동시에 소비가 간편한 식품에 대한 기준이 최우선되고 있다(Park & Kim 2014). 감귤은껍질을 벗기기 쉽고, 씨가 없어 현대인의 과일소비 패턴에 적합한 것으로 판단된다. 감귤은 1960년대부터 재배면적, 재배기술의 향상으로 생산성이 증가하고 산업적인 급성장이 이루어졌으며, 감귤을 주로 생과로 소비하던 패턴에서 냉동, 농축, 과실 쥬스 등 가공식품으로 섭취되기 시작하였다(Kim et al. 1995). 지난 10년 동안 세계적으로 감귤의 시장과 소비가 지속적으로 성장하였으며, 2015년 세계 감귤 생산량은 29만톤에 달하였다. 감귤에 함유된 비타민, 베타카로틴, 플라보노이드 등 기능성 영양성분들이 보고되면서 다양한 형태로 소비하는 것에 대한 관심이 높아졌으나(Moon et al. 2004), 한정된 계절에 생산되어 저장 및 가공에 문제가 있는 실정이다(Jang et al. 2010). 감귤에 대한 선행연구는 품종에 따른 이화학적 특성분석(Kim et al. 1995), 감귤 과피의 항균효과 (Jang et al. 2004), 감귤 발효물의 기능적 특성분석(Moon et al. 2004) 등의 연구와 감귤젤리(Choi et al. 2009), 감귤분말 첨가 인절미의 품질특성(Kim & Song 2009), 감귤 과립(Lee et al. 2014) 등의 가공식품 개발 및 품질분석에 대한 연구들이 보고되었다. 하지만, 소비자의 수요에 대응하기 위해서는 감귤 생과의 형태를 유지하고, 무색소, 무향료 등의 키워드를 갖는 가공 상품 개발연구가 필요한 실정이다.

2017년 가공식품 세분시장 현황 보고에 따르면 원물간식이란 첨가물을 포함하지 않고 거의 원물만을 이용하여 단순가공처리 한 가공식품 유형으로 주로 간식으로 편리하고 쉽게 먹을 수 있는 식품으로 정의하고 있다(at center 2017). 대표적으로 건조과일류가 포함되는데, 포도, 자두, 파인애플,망고 등은 이미 시장이 형성되어 있으며, 국내에서도 원물100% 무첨가물 간식의 인기가 증가하면서 견과류에 이어 건조과일시장이 성장하고 있다(at center 2017).

열풍건조는 식품을 건조하는 가장 일반적인 방법으로 가열된 공기를 대류시켜 건조하는데, 식품 건조 시 쫀득한 식감을 갖지만 수분이 제거되면서 색이나 모양에 영향을 미친다(Lenart 1996). 이를 최소화하기 위해 복숭아 동결건조, 적외선 건조(Lee & Youn 2012) 및 사과건조를 위한 삼투건조(Choi et al. 2008) 등의 다양한 건조방법들이 연구되고 있으나 시간이 오래 걸리고, 에너지소비와 비용이 높은 문제가 있다. 한편, 마이크로웨이브를 이용한 건조는 식품 속의 극성분자인 물 분자의 전하를 바꾸며 매우 빠르게 회전시켜 운동에너지를 순간적으로 열에너지로 변환하면서 식품의 수분을 단시간에 증발시킨다(Kim et al,. 2018). 이에 본 연구에서는 당 함량이 높은 감귤 열풍건조 시 표면에 막이 형성되어 조직이 수축되고, 갈변현상이 나타나는 것을 보완하기 위해 예비건조로서 마이크로웨이브를 이용한 열풍건조 감귤칩을 제조하고자 하였으며, 반응표면분석법으로 감귤건조의 최적 조건을 설정하고 품질에 미치는 영향을 조사하고자 하였다.

II. 연구내용 및 방법

1. 감귤건조칩 제조

감귤건조칩 제조를 위해 2018년 수확한 하우스감귤을 시중에서 구입하였으며, 수세한 감귤은 껍질을 제거하지 않고, 0.7cm 두께로 슬라이스하여 사용하였다. 예비실험을 통해 열풍건조 온도(50-90℃)와 시간(8-24시간)에 따른 감귤의 이화학적 품질을 조사하였다. 또한, 감귤건조칩 제조 시 발생하는 갈변현상을 보완하기 위해 건조 전 마이크로웨이브를 0-5분간 처리하여 색도를 분석하였다. 이를 통해 감귤의 건조조건은 온도(50, 70, 90℃), 시간(12, 24, 36시간), 마이크로웨이브 전처리시간(2.45 GHz: 0, 2, 4분)으로 설정하였다.

2. 실험계획

감귤건조칩 제조공정 최적화를 위한 실험 디자인은 Design Expert 10 (Stat-Ease Co., Minneapolis, MN, USA) 프로그램을 사용하여 반응표면분석법(Response surface methodology; RSM)을 이용하였다. 중심합성법(Central Composite Design; CCD)을 통해 건조온도(X₁; 50-90℃)와 건조시간(X₂; 12-36시간) 및 마이크로웨이브 전처리 조건(X₃; 0-4분)을 독립변수로 설정하였으며, −1, 0, +1로 부호화하였다<Table 1>. 종속변수는 색도 L (Y₁) a (Y₂), b (Y₃) 수분함량(Y₄) 및 관능적 특성[외관(Y₅), 색(Y₆), 향(Y₇), 맛(Y₈), 조직감(Y₉) 및 전반적인 기호도(Y₁₀)]으로 설정하였다.

<Table1>Experimental points of dried mandarin chips manufactureprocess under different conditions for response surface analysis

3. 감귤건조칩의 이화학적 품질특성

1) 색도

마이크로웨이브 전처리 시간에 따른 감귤칩의 색도 및 감귤건조칩의 색도는 색차계(Color i7, X-rite, USA)를 사용하여 L (lightness)값, a (redness)값, b (yellowness)값을 3회 반복 측정하여 그 평균값으로 나타내었으며 표준 백색판은L값 95.75, a값 0.15, b값 2.82이었다.

2) 수분함량

수분함량은 AOAC(1995) 표준시험법에 의하여 105℃ 상압건조법으로 측정하였다. 시료 3g을 취해 알루미늄 팬에 담아 항량이 될 때까지 건조하였으며, 시료 당 3회 이상 반복 측정하였다.

4. 감귤건조칩의 관능적 품질특성

건조감귤의 소비자 기호도는 패널 15명을 대상으로 7점 척도법을 사용하여 평가하였다. 시료는 동일한 양을 관능검사용 컵에 담아 제공하였다. 한꺼번에 너무 많은 시료를 평가하여 생길 수 있는 오류를 최소화하고 실험의 객관성을 위하여 균형불완전블록계획법(BIBD: Balanced Incomplete Block Design)을 사용하여 랜덤화(randomization), 블록화(blocking) 하였다. 시료와 시료 사이에는 반드시 물로 입 안을 헹구도록 하여 전 시료에 의한 영향이 미치지 않도록 하였다. 기호도는 “매우 좋음”이 7 점, “매우 좋지 않음”을 1점으로 평가 하였다.

5. 통계처리

실험결과는 SPSS (Statistical Package for Social Sciences, SPSS Ins., Chicago IL, USA)를 이용하여 평균과 표준편차로 표기하였다. 변수간의 상호작용을 알아보기 위하여 Design Expert 10 프로그램의 ANOVA test 및 회귀분석을 이용하였으며, model의 적합성 여부는 F-test로 유의성을 검증하였다.

III. 결과 및 고찰

1. 마이크로웨이브 전처리 시간에 따른 감귤칩의 외관 및 색도

마이크로웨이브 처리 시간에 따른 건조 감귤칩의 외관은< Figure 1>과 같다. 마이크로웨이브 1분 처리 시, 수분이 증발되기 시작하였으며, 3분 이상 처리할 경우 수분의 손실이 늘어 과실부분에 기공이 생기고, 감귤 외관이 수축되는 현상을 보였다.

마이크로웨이브 처리시간에 따른 건조 감귤의 색도는< Table 2>와 같다. L값은 1분 처리군이 유의적으로 가장 높게 측정되었고(p<0.05), a값 및 b값은 7.36, 22.52의 값으로 가장 낮게 측정되어(p<0.05) 육안으로 관찰했을 때와 유사한 경향을 보였다. Choi et al.(2009)의 감귤가공을 위한 과즙의 색도측정결과, a값이 7.38 및 b값이 21.75로 나타나 마이크로웨이브 전처리 시에도 감귤원물의 색이 유지되는 것을 확인하였다. 마이크로파를 이용하여 식품을 건조할 경우, 순간적으로 열에너지로 변환되는 내부 가열방식을 활용하므로 건조시간이 단축되어 열에 노출된 상태의 식품보다 품질의 손상이 적은 장점이 있다(Kim et al. 2018). 따라서, 마이크로웨이브 전처리 시 감귤 표면의 수분이 단시간에 증발되고, 대조군보다 명도는 높고 적색도와 황색도가 낮아 건조 감귤칩을 제조하는데 적합한 것으로 판단되었다.

<Figure 1> Appearance of mandarin chips according to microwave treatment time

<Table2>Color of mandarin chips according to microwave treatment time

2. 감귤건조칩의 이화학적 품질특성

1) 색도 및 수분함량

감귤건조칩 제조조건 최적화를 위한 건조온도(℃), 건조시간(hr) 및 전처리시간(min)에 따른 감귤건조칩의 색도(Y₁-Y₃)와 수분함량(Y₄)을 분석하였다<Table 3>. 색도 L값(Y₁)의 경우, 3번 (50℃, 36hr, 4min)와 6번(70℃, 12hr, 2min) 제조조건에 따른 감귤건조칩이 64.91 및 64.86의 값으로 명도가 유의적으로 가장 높게 측정되었다(p<0.05). 감귤건조칩의황색도(b값)에서도 3번 제조조건일 때 32.76의 값으로 가장 높았다(p< 0.05). a값은 8.96-17.57의 분포를 보였으며, 8번제조조건(50℃, 36hr, 0min)일 때 감귤건조칩의 적색도가 가장 높은 것으로 나타났다(p<0.05). 건조과일의 수분함량은 통상적으로 10% 내외로 조정하여 미생물의 변패 및 저장에용이하도록 한다. 명도가 가장 높게 측정되었던 3번 및 6번제조조건에 따른 감귤건조칩의 수분함량이 9.92% 및 7.48%로 나타났다.

감귤건조칩의 색도 및 수분함량의 모델분석결과 및 회귀식은 <Table 4>과 같다. 감귤건조칩의 L값은 p-value가 0.2941로 유의적 차이를 보이지 않았으며, R² 값이 0.2298로 낮았다. a값, b값 및 수분함량의 p-value는 0.0008, 0.0141 및 0.0171로 유의차를 보였으나 결정계수(R²)가 낮게 분석되어 감귤건조칩 제조조건 최적화를 위한 model fitting에서 제외시켰다.

<Table3>Physicochemical properties of mandarin chips prepared with various conditions by response surface method

<Table 4> Analysis of predicted model equation for the physicochemical properties of mandarin chip by response surface method

3. 감귤건조칩의 관능적 품질특성

감귤건조칩의 기호도 검사 결과는 <Table 5>와 같다. 색의 기호도(Y₆)는 8번(50℃, 36hr, 0min) 제조조건으로 건조한 감귤칩이 가장 높게 측정되었다(p<0.05). 맛에 대한 기호도(Y₈)는 10번(70℃, 24hr, 2 min) 및 13번(70℃, 24hr, 0 min), 15번(70℃, 24hr, 2min)의 제조조건에 따른 감귤건조칩이 가장 높게 평가되었으며(p<0.05), 이 중 10번과 15번은 중심점에 해당하는 조건으로 나타났다. 감귤건조칩의 전반적인 기호도는 10번 및 15번 제조조건일 때 6.00점으로 유의적으로 높게 평가되어 맛의 기호도와 유사한 결과를 보였다(p< 0.05). 감귤건조칩의 관능적 품질특성 모델 및 회귀식 분석결과는 <Table 6>과 같다. 외관의 기호도(Y₅)는 Quadratic 모델이 제안되었으며, R²값이 0.86으로 높게 분석되었다. Kim et al.(2018)의 연구에서 열풍건조, 동결건조 및 마이크로웨이브 건조방법에 따라 제조한 마늘분말의 소비자 기호도 조사 결과, 외관의 형태가 소비자의 기호도에 영향을 미치지 않는 것으로 보고하였는데, 본 연구에서는 원물간식의 건조조건을 최적화하기 위함으로 감귤칩의 외관에 대한 기호도의 차이는 매우 중요한 의미가 될 것으로 판단되었다.

색, 맛, 전반적인 기호도 항목에서도 R² 값이 0.8784, 0.8897 및 0.8438로 높게 측정되었으며, p-value의 유의적인 차이를 보였다(p<0.01, p<0.001). 감귤건조칩 반응표면 분석결과, 기호도에 영향을 미치는 제조조건간의 교호작용을 나타는 그래프는 <Figure 2~5>과 같다. 감귤건조칩의 외관에 대한 기호도는 건조온도가 높아질수록 감소하고, 마이크로웨이브 전처리시간이 증가할수록 낮게 평가되었다. 색의 기호도는 외관과 유사하게 건조온도가 높아짐에 따라 낮아지는 결과를 보였다. 감귤건조칩의 맛은 50-70℃ 사이에서 증가하는 경향을 보이다가 70℃ 이상에서 급격히 감소하는 결과를 보였다. 건조시간이 24시간 이상일 때 맛의 기호도가 높게 평가되는 결과를 보였으며, 전반적인 기호도는 건조온도가 낮을 때, 건조시간이 증가할수록 높게 평가되었다. Lee & Yoon (2003)의 연구에서는 감귤의 건조온도가 낮을수록 경도가 약하게 측정되어 높은 기호도를 나타낸 것으로 보고되었다. 당이나 단백질을 함유한 식품을 높은 온도로 열풍건조할 경우, 표면의 온도가 높아지면서 경화되어 불균일한 건조가 일어나고, 경도가 증가하게 된다. 본 연구에서는 마이크로웨이브 전처리를 실시함에 따라 감귤건조칩의 조직감에는 영향을 미치지 않으면서(R²; 0.74), 외관의 품질을 개선하는 방법으로 작용한 것으로 판단되었다.

<Table 5> Sensory characteristics of mandarin chips prepared with various conditions by response surface method

<Table 6> Analysis of predicted model equation for the sensory characteristics of mandarin chip by response surface method.

<Figure2>Response surface analysis for the effects of drying conditions on the appearance acceptance of mandarin chip.

<Figure3>Response surface analysis for the effects of drying conditions on the color acceptance of mandarin chip.

<Figure4>Response surface analysis for the effects of drying conditions on the taste acceptance of mandarin chip.

<Figure5>Response surface analysis for the effects of dryingconditions on the overall acceptance of mandarin chip.

4. 감귤건조칩 제조과정 최적화

반응표면분석 결과에 따라 최적화된 감귤건조칩의 제조조건은 <Table 7>과 같다. 감귤건조칩의 제조조건은 낮은 건조온도와 짧은 마이크로웨이브 전처리 시간의 조합이 적합한 것으로 판단되었다. 각각의 최적화된 제조조건은 건조온도 52.989℃, 건조시간은 24시간, 마이크로웨이브 전처리 시간은 1분인 것으로 분석되었다. 이에 따라 예측되는 감귤건조칩의 관능적 품질특성검사 결과는 외관 5.066, 색 5.338,맛 5.063 및 전반적인 기호도는 5.339점이었다.

<Table7>Optimum constraint values using methods in the object goal three analytical

IV. 요약 및 결론

본 연구에서는 감귤건조칩 제조를 위해 건조조건을 최적화하고자 하였으며, 건조 시 조직의 수축 및 갈변현상을 보완하기 위해 마이크로웨이브 전처리를 병행하였다. 예비실험을 통해 마이크로웨이브 1-2분 처리 시, 예비 수분증발 및색의 유지효과를 확인하여 건조온도(X₁), 건조시간(X₂) 및 마이크로웨이브 전처리시간(X₃)을 독립변수로 설정하였다. 감귤건조칩의 외관(모양), 색, 맛 및 전반적인 기호도에서 관능적 품질특성 모델의 결정계수가 각각 0.86, 0.88, 0.89, 0.84로 높게 측정되어 모델이 fitting되었으며, 회귀식의 유의수준은 p<0.01로 나타났다. 감귤건조칩 반응표면 분석결과, 외관, 색, 맛 및 전반적인 기호도에 영향을 미치는 제조조건간의 교호작용을 나타내는 그래프는 건조온도가 높아질수록 감소하고, 마이크로웨이브 전처리시간이 증가할수록 낮게 평가되었다. 이러한 조건에서 감귤 건조시간은 24시간 이상일 때기호도가 높게 평가되었다. 따라서, 감귤건조칩은 낮은 건조온도와 짧은 마이크로웨이브 전처리 시간의 조합이 적합한 것으로 판단되었으며, 각각의 최적화된 제조조건은 건조온도52.989℃, 건조시간은 24시간, 마이크로웨이브 전처리 시간은 1분이었다.

감사의 글

본 연구는 농촌진흥청 국립농업과학원 농업과학기술 연구개발사업(PJ012751)의 지원에 의해 이루어진 것입니다.

Conflict of Interest

No potential conflict of interest relevant to this article was reported.