반응표면분석법을 이용한 홍시와 우유혼합물의 최적 분무건조 조건

홍시는 경상북도 청도에서 생산되는 ‘갑주백목(甲州百 目, Diospyros kakai cv. Hachiya)을 이용하였으며, 우유는 시중에서 판매되는 매일우유(Maeil, Pyeongtaek, Korea)제 품을 구매하여 사용하였다.

홍시의 가용부를 제외한 껍질, 씨앗, 꼭지를 제거한 후, 면포에 짜서 용출된 용액 30 g, 우유 70 g을 homogenizer (Ultra-Turrax T25D, IKA, Staufen, Germany)를 이용하여 10,000 rpm, 5 min 동안 균질화하고 distilled water와 1:1 비율로 희석하였다. 제조된 홍시라떼를 분무건조기(Mini spray dryer B-290, BUCHI Labortechnik AG, Flawil, Switzerland)를 이용하여 분말화하였다.

홍시라떼의 최적 분무건조 조건을 예측하기 위해 반응표 면분석법(RSM)을 실시하였고, 실험구는 예비실험 결과를 토대로 중심합성계획법(central composite design)을 사용하 여 설정하였다. 분무건조에 영향을 미치는 인자(parameter) 인 공정상의 독립변수(X_n)는 분무건조기의 inlet temperature (X₁)와 air flow rate(X₂), 분무건조기 내로 유입되는 시료의 속도인 feed flow rate(X₃)로 설정하였고, 독립변수에 대한 실험 범위는 3단계(-1, 0, 1)로 부호화하였다(Table 1). 이후 중심합성계획법으로 중심점수는 2개, 알파 값은 면 중심으 로 설정하여 도출된 16개의 분무건조 조건을 무작위로 실 험하여 분말화된 홍시라떼의 회수량, 수분흡수지수(water absorption index), total phenolic compounds를 측정하였다.

홍시라떼 제조 방법에 따라 제조하고 분무건조한 후, 분 무건조기의 회수병에 회수된 홍시라떼 분말의 무게를 측정 하였다.

수분흡수지수(WAI) 측정은 phillips 등(23)의 방법에 준 하여 측정하였다. 분무건조 분말 0.5 g에 distilled water (DW) 20 mL를 첨가하여 4℃, 10,000 rpm에서 20분간 원심 분리(Himac CR21G, Hitachi Koki, Tokyo, Japan)한 후, 침전 물의 무게를 구하였으며 아래와 같이 계산하였다.

$\text{WAI=}\frac{\text{hydrated sample weight-dry sample weight}}{\text{dry sample weight}}$

Total phenolic compounds 함량 측정은 Folin과 Denis(24) 의 방법에 준하여 측정하였으며, 시료 1 mL에 95% ethanol 1 mL와 distilled water 5 mL를 첨가하고 1 N Folin-Ciocalteu reagent(Sigma-Aldrich, St, Louis, MO, USA) 0.5 mL를 넣어 잘 섞어준 후, 5% Na₂CO₃ 1 mL를 가하였다. 흡광도 (UV-2550, SHIMADZU, Kyoto, Japan) 725 nm에서 1시간 이내에 측정하여 gallic acid를 이용한 표준곡선{total phenolic compounds in gallic acid(100-500 μg/mL), y=0.0061x-0.0823, R²=0.9971}으로부터 양을 환산하였다.

반응표면분석은 분무건조기의 inlet temperature(X₁)와 air flow rate(X₂), 분무건조기 내로 유입되는 시료의 속도인 feed flow rate(X₃)을 독립변수로 설정하였고, 독립변수조건 에 대한 분말의 회수량(Y₁), 수분흡수지수(Y₂), total phenolic compounds(Y₃)을 종속변수로 하였다. 또한 이들의 독립변수(X_n)에 영향을 받는 종속변수(Y_n)는 아래와 같은 2차 회귀식으로 나타냈으며, 최적점을 찾기 위해 반응표면 그래프의 최대점, 최소점, 안장점 및 능선의 형태를 파악하 여 예측하였다.

$\begin{array}{c}{\text{Y=b}}_{\text{0}}{\text{+b}}_{\text{1}}{\text{X}}_{\text{1}}{\text{+b}}_{\text{2}}{\text{X}}_{\text{2}}{\text{+b}}_{\text{3}}{\text{X}}_{\text{3}}{\text{+b}}_{\text{11}}{\text{X}}_{\text{1}}{}^{\text{2}}{\text{+b}}_{\text{21}}{\text{X}}_{\text{2}}{\text{X}}_{\text{1}}{\text{+b}}_{\text{22}}{\text{X}}_{\text{2}}{}^{\text{2}}{\text{+b}}_{\text{31}}{\text{X}}_{\text{3}}{\text{X}}_{\text{1}}\\ {\text{+b}}_{\text{32}}{\text{X}}_{\text{3}}{\text{X}}_{\text{2}}{\text{+b}}_{\text{33}}{\text{X}}_{\text{3}}{}^{\text{2}}\end{array}$

본 실험의 모든 통계분석과 최적화는 Design Expert Ver.10 software(Stat-ease, Minneapolis, MN, USA)를 이용 하였다.

중심합성계획법으로 중심점수는 2개, 알파 값은 면 중심 으로 설정하여 도출된 16개의 실험구와 처리조건에 따른 회수량(Y₁), 수분흡수지수(Y₂), total phenolic compounds (Y₃)는 Table 2와 같다. 분무건조를 통한 홍시라떼 분말의 독립변수(회수량, 수분흡수지수, total phenolic compounds) 에 대한 회귀식은 Table 3과 같고 결정계수(R²)값은 각각 0.91, 0.71, 0.73이었다. 분무건조 시 홍시라떼 분말의 특성 에 따른 각 독립변수의 영향력을 나타내는 F-ratio는 Table 4에 나타내었다. 분말의 회수량과 수분흡습지수는 분무건 조 과정 중 시료의 분사력과 관련이 있는 air flow rate의 영향을 가장 많이 받았으며, total phenolic compounds는 분무건조기 내로 유입되는 시료의 공급속도인 feed flow rate에 가장 큰 영향을 받았다.

분무건조 조건을 각각 달리하여 얻은 홍시라떼 분말의 회수량은 2.17-8.03 g의 범위로 나타났으며(Table 2), 예측 된 정상점은 inlet temperature(X₁) 90℃, air flow rate(X₂) 51.82 mL/min, feed flow rate(X₃) 7 mL/min 일 때, 최대값 8.11 g이었다(Table 5). F-ratio는 요인 변수 중 air flow rate(X₂)가 251.21로 가장 높은 값을 나타내었기 때문에 유 의적으로 가장 큰 영향을 받았다고 해석하였으며, 그 다음 은 inlet temperature(X₁) 7.83, feed flow rate(X₃) 3.81순 이였 다(Table 4). 그리고 Table 3의 회귀식과 같이 일차항에서 독립변수인 inlet temperature(X₁)와 feed flow rate(X₃)는 감 소요인으로, air flow rate(X₂)는 증가요인으로 나타났다. 또 한 inlet temperature(X₁)와 air flow rate(X₂)는 부정적인 상호 작용을 보인 반면 feed flow rate(X₃)는 inlet temperature(X₁) 와 air flow rate(X₂) 모두 긍정적인 상호작용을 보였다. 본 실험에서는 inlet temperature(X₁)가 증가할수록 홍시라떼 분말의 회수량은 감소하여 Papadakis 등(25)의 건포도 주스 와 유사한 경향을 보였다. 회수량은 분무건조 시 충분히 건조되지 않고 건조기의 유리 벽면에 부착하는 분말의 양 과 반비례하다. 부착하는 분말의 특성은 입자의 표면 온도 와 유리 전이 온도 차이와 관련이 깊으며, 분말의 유리전이 온도보다 표면 온도가 10℃ 이상 높을 때, 약간의 접착력과 끈적거림이 확인된다(26). 이러한 특성은 탄수화물의 영향 을 많이 받으며, 특히 과당, 포도당과 같은 단순 당류가 포함된 식품은 유리전이 온도가 낮다(27). 이로 미루어 보아 본 실험에서는 홍시에 함유되어 있는 과당으로 인한 분말 의 낮은 유리전이 온도와 표면 온도에 영향을 미치는 분무 건조기의 inlet temperature(X₁)와 차이가 작을수록 회수량 이 증가한 것으로 추정된다. 또한, Fig. 1A의 반응표면 그래 프에서 air flow rate(X₂)가 증가할수록 회수량이 증가하는 경향을 보였으며 특히, 유리전이 온도와 표면 온도의 차이 가 가장 작은 90℃의 inlet temperature(X₁)와 가장 높은 60.00 mL/min의 air flow rate(X₂)에서 최댓값의 회수량을 확인하 였다. 분무건조 과정에서 분말 입자는 접착력 때문에 분무 건조기 벽에 쌓이고 다음 분말 입자도 연속적으로 증착된 다. 하지만 분무건조기 벽을 통과하는 air flow rate(X₂)의 흐름이 전단응력을 만들어서 벽에 부착된 입자를 분리한다 (28). 따라서 본 실험에서는 분말 입자의 접착력을 최소화하 기 위해 inlet temperature(X₁)가 낮을수록, 최대 전단응력을 위해 air flow rate(X₂)가 높을수록 회수량이 증가하는 것으 로 판단된다.

Fig. 1. Response surface analysis for the effects of spray drying conditions on yield (g) of soft persimmon and milk mixture. A, response surface plot of yield showing interaction between inlet temp. and air flow rate; B, response surface plot of yield showing interaction between feed flow rate and inlet temp.; C, response surface plot of yield showing interaction between feed flow rate and air flow rate.

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분말의 흡습성이 크면 caking 현상 발생을 유도하고 저장 성이 낮아져(29), 낮은 수분흡수지수는 중요한 가공적성 요인으로 알려져 있다(30). 대부분의 분말은 재수화되어 이용되기 때문에 물에 분산되거나 용해되는 것이 중요하다 (31). 비결정성 물질은 분자가 규칙적으로 배열되지 않은 상태로 유리질 상태(glassy state)의 고체를 의미하는데 비결 정성 부분이 적고 결정성 부분이 클수록 입자의 치밀도가 높아지기 때문에 수분흡수지수가 낮아진다(32). 따라서 수 분흡수지수가 낮은 분말은 내부 입자가 치밀하여 높은 분 무효율 및 균일한 입자분포를 나타낸다(33). 수분흡수지수 는 0.57-0.75의 범위로 나타났으며(Table 2), 예측된 최소점 은 inlet temperature(X₁) 101℃, air flow rate(X₂) 60.00 mL/min, feed flow rate(X₃) 17.00 mL/min일 때, 최소값 0.58 g 이었다(Table 5). F-ratio는 요인 변수 중 air flow rate(X₂)가 31.04로 가장 높은 값을 나타내었기 때문에 유의적으로 가 장 큰 영향을 받았다고 해석하였으며, 그 다음은 feed flow rate(X₃) 13.50, inlet temperature(X₁) 6.36 순이었다(Table 4). 그리고 Table 3의 회귀식과 같이 일차항에서 독립변수인 inlet temperature(X₁)는 감소요인으로, feed flow rate(X₃)와 air flow rate(X₂)는 증가요인으로 나타났다. 또한 inlet temperature(X₁)와 air flow rate(X₂)는 부정적인 상호작용을 보인 반면 feed flow rate(X₃)는 inlet temperature(X₁)와 air flow rate(X₂) 모두 긍정적인 상호작용을 보였다. Fig. 2A의 반응표면 그래프의 경우 air flow rate(X₂)가 60.00 mL/min일 때, inlet temperature(X₁)가 높아질수록 수분흡수지수는 감 소하였으며, Santhaalakshmy 등(34)의 jamun 과즙과 Phoungchandang와 Sertwasana(35)의 생강음료도 유사한 경 향을 나타내었다. 이러한 결과는 분말의 유리전이 온도와 inlet temperature(X₁)의 차이가 증가할수록 시료는 유리질 상태(glassy state)로 형질 변환되어 분말의 표면 점착성을 변화시키는 것과 연관이 있다(36). 이러한 표면 점착성의 변화는 분무건조 중 입자간의 응집성과 분무건조기 내벽과 의 점착을 감소시키므로 응집체의 수가 적어져 수분 보유 력이 저하되게 된다.(37).

Fig. 2. Response surface analysis for the effects of spray drying conditions on WAI of soft persimmon and milk mixture. A, response surface plot of WAI showing interaction between inlet temp. and air flow rate; B, response surface plot of WAI showing interaction between feed flow rate and air flow rate; C, response surface plot of WAI showing interaction between feed flow rate and inlet temperature.

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Phenolic compounds는 식물계에 존재하는 2차 대사산물 로서 flavonoids, catechin, tannin 류로 크게 분류되며, 특히 감은 gallic acid, catechin, epicatechin, epigallocatechin, catechingallate, epicatechin gallate 및 epigallocatechin gallate 등이 함유되어 노화방지, 심혈관 질환 예방 및 항암 효과 등이 있는 것으로 알려져 있다(38,39). 하지만 total phenolic compounds와 같은 유용성분은 열처리에 민감하기 때문에 건조, 가열 등의 과정 중 분해되기 쉽다(40). Leon-Martinez 등(41)의 연구에 따르면, 분무건조는 시료가 고온열풍과 접촉하는 시간이 짧고 건조과정이 매우 빨라서 식품의 향, 색, 영양소의 손실이 적으므로 열에 민감한 식품의 분말화 에 유용하다고 알려져 있다. 이에 본 실험에서는 분무건조 시 처리하는 120℃ 이상 고온의 열풍에도 열에 민감한 phenolic compounds의 손실정도를 알아보고자 total phenolic compounds 함량을 측정하였다. 그 결과 분무건조 조건에 따른 total phenolic compounds는 243.93-293.11 μ g/mL의 범위로 나타났다(Table 2). 이때 정상점은 inlet temperature(X₁) 90℃, air flow rate(X₂) 43.33 mL/min, feed flow rate(X₃) 17.00 mL/min일 때, 최대값 298.02 μg/mL으로 예측되었다(Table 5). F-ratio는 요인 변수 중 feed flow rate(X₃)가 21.06로 가장 높은 값을 나타내었기 때문에 유의 적으로 가장 큰 영향을 받았다고 해석하였으며, 그 다음은 inlet temperature(X₁) 7.66, air flow rate(X₂) 6.79 순 이였다 (Table 4). 그리고 Table 3의 회귀식과 같이 일차항에서 독립 변수인 inlet temperature(X₁)는 감소요인으로, feed flow rate(X₃)와 air flow rate(X₂)는 증가요인으로 나타났다. 또한 inlet temperature(X₁)와 air flow rate(X₂)는 긍정적인 상호작 용을 보인 반면 feed flow rate(X₃)는 inlet temperature(X₁)와 air flow rate(X₂) 모두 부정적인 상호작용을 보였다. Fig. 3B의 반응표면 그래프와 같이 동일한 inlet temperature(X₁) 에서 feed flow rate(X₃)와 total phenolic compounds 값의 비례관계를 확인하였다. 특히, 가장 낮은 온도인 90℃의 inlet temperature(X₁)와 가장 높은 60.00 mL/min의 air flow rate(X₂)에서 최댓값의 total phenolic compounds을 확인하 였다. Fang과 Bhandari(42)의 bayberry juice의 분무건조 과 정 중 total phenolics compounds의 유지율은 96%로 본 실험 과 유사한 경향을 확인하였다. 이는 inlet temperature(X₁)가 낮고 feed flow rate(X₃)가 높을수록 열의 접촉 시간이 짧아 질 뿐만 아니라 분말의 중심 온도가 낮아져 열에 의한 성분 의 변화가 적기 때문으로 판단된다.

Fig. 3. Response surface analysis for the effects of spray drying conditions on total phenolic compounds contents (μg/mL) of soft persimmon and milk mixture. A, response surface plot of total phenol contents showing interaction between inlet temp. and air flow rate; B, response surface plot of total phenol contents showing interaction between feed flow rate and inlet temp.; C, response surface plot of total phenol contents showing interaction between feed flow rate and air flow rate.

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최종산물인 홍시라떼의 분말은 높은 회수량과 total phenolic compounds, 낮은 수분흡수지수를 갖는 품질을 최 적으로 고려하였다. Fig. 4는 각각의 독립변수에 대하여 2가지의 종속변수를 x축, y축으로 설정하여 표현한 그래프 로서 높은 회수량과 total phenolic compounds, 낮은 수분흡 수지수를 갖는 점은 빨간색의 십자선으로 표현하였다. 반 응 최적화 결과가 모든 반응에 대한 목표를 전체적으로 만족하는 정도를 의미하는 만족도(D)는 0.92로 비교적 높 은 수치를 나타내었다. 각 종속변수의 최적점 조건으로 최 적화한 결과 Fig. 4와 같이 inlet temperature(X₁) 90℃, air flow rate(X₂) 53 mL/min, feed flow rate(X₃) 17.00 mL/min로 결정되었다. 이와 같은 최적점 조건에서 예측된 종속변수 는 회수량 7.46 g, 수분흡수지수 0.54, total phenolic compounds는 294.75 μg/mL 로 예측되었다.

Fig. 4. Process optimization curve for spray drying conditions of soft persimmon and milk mixture.

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