볶음온도에 따른 옥수수 분말의 흡습특성

실험용 옥수수(Zea mays var. indurata L.)는 경북 상주산 을 구입하여 낟알을 분리하고 크기가 균일하고 건전한 것만 선별하여 사용하였다. 옥수수 낟알의 수분함량은 약 13%이 었고, 100립중은 약 35 g이었다.

옥수수의 볶음처리는 시료 500 g을 미리 예열 및 온도 조정된 볶음기(DR-1, Taehwan Automation Industry Co., Seoul, Korea)의 드럼 내에 넣고 80 rpm의 속도로 회전시키 면서 실시하였다. 이때 볶음온도는 160, 180, 200, 220, 24 0°C로 각각 구분하고, 볶음시간은 20분으로 고정하였다. 볶음이 완료되면 즉시 시료를 드럼에서 꺼내서 실온까지 냉각시킨 다음 플라스틱 봉지로 밀봉포장하여 보관하였다. 흡습실험 전 볶은 옥수수 낟알을 분쇄, 체질(20 mesh)하여 분말을 제조한 후 사용하였다.

옥수수 분말의 평형수분함량은 static gravimetric method 로 측정하였다(14). 즉, 시료 0.2 g을 칭량접시에 담아 20°C 로 유지되는 수분활성도 측정기(Thermoconstanter, TH200, Novasina, Swiss) 내에 넣고 포화염용액으로 내부의 수분활 성도가 0.11, 0.33, 0.53, 0.75, 0.90이 되도록 조정한 후 각 수분활성도에서 시료의 중량변화가 없을 때까지 정치한 후 105°C 상압가열건조법으로 평형수분함량을 측정하였 다. 이의 결과로 수분활성도에 따른 평형수분함량의 변화 를 나타내는 등온흡습곡선을 작성하였다.

옥수수 분말의 수분활성도와 평형수분함량과의 관계를 기존에 알려진 아래와 같은 6가지 모델(19-24)과의 적합성 을 회귀분석 하여 검정하였다.

여기서, M은 평형수분함량이고, a_w는 수분활성도이며, 그 외 알파벳은 실험상수이다.

각 모델의 적합도는 회귀계수(R²)와 아래 식으로 정의되 는 편차(mean relative percentage deviation modules, P)를 이용하여 평가하였다.

여기서, M_i는 실측 평형수분함량이고, M_pi는 모델 예측 평형수분함량이며, n은 데이터수이다.

옥수수 분말의 단분자층 수분함량은 아래와 같은 Brunauer-Emmett-Teller(BET) equation(25)과 Guggenheim- Anderson-Boer(GAB) equation(26)을 이용하여 계산하였다.

여기서, a_w는 수분활성도, M은 평형수분함량, M₁은 단분 자층 수분함량 그리고 C와 k는 실험상수이다.

옥수수의 볶음온도별 20°C 보관 분말의 수분활성도와 평형수분함량의 관계를 나타내는 등온흡습곡선은 Fig. 1과 같다. 볶은 옥수수 분말의 등온흡습곡선의 전체적인 모형 은 일반적인 식품의 등온흡습곡선(14-18)과 유사한 전형적 인 sigmoid 형태를 보였다. 볶은 옥수수 분말의 평형수분함 량은 수분활성도가 증가함에 따라 증가하였으며, 특히 수 분활성도 0.75 이상부터 급격하게 증가함을 보였다. 이러한 평형수분함량의 급증결과는 복분자 건조분말의 결과와 유 사하였다(12). 평형수분함량에 미치는 볶음온도의 영향은 수분활성도 0.53 이상부터 나타나기 시작하였으며, 동일 수분활성도에서 볶음온도가 높은 분말일수록 높은 평형수 분함량을 나타내었다. 즉, 수분활성도가 0.75와 0.9일 때 볶음온도 160, 180, 200, 220, 240°C에서의 평형수분함량은 각각 0.105, 0.114, 0.123, 0.129, 0.136 kg/kg과 0.177, 0.186, 0.194, 0.209, 0.212 kg/kg이었다. 이러한 결과는 볶음온도가 높을수록 옥수수의 벌크밀도가 감소하고 커피콩의 조직이 심하게 다공질화 된다는 보고(27,29)와 동결건조 식품의 경우 강한 수분흡착능을 가지는 다공성 조직을 형성하여 더욱 빠른 흡습속도와 높은 평형수분함량을 가진다는 보고 (12,14)를 감안할 때, 볶음처리 온도에 따른 옥수수 조직의 다공질화 정도의 차이에 기인된 것으로 생각된다. 여기서 볶음처리에 따른 조직의 다공질화는 수분과 세포구조의 손실 때문에 발생하는 것으로 알려져 있다(29). 이로써 옥수 수의 볶음온도는 고수분 환경영역에서 분말의 흡습특성에 영향을 미치며 이때 볶음온도가 고온일수록 흡습을 잘하는 특성을 가지는 것으로 확인되었다. 따라서 볶은 옥수수 분 말의 품질관리를 위한 흡습방지 방법은 원료 옥수수의 볶음 정도에 따라 다르게 적용해야 할 것으로 여겨진다.

Fig. 1. Experimental sorption isotherms for corn powder in relation to roasting temperature. ●, 160°C; ○, 180°C; ▼, 200°C; △, 220°C; ■, 240°C.

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볶은 옥수수 분말의 등온흡습곡선과 Bradley, Caurie, Halsey, Henderson, Kuhn 및 Oswin 모델과의 적합성을 검정 하였으며, 각 모델에 대한 회귀분석 계수 값은 Table 1에, 편차(P)를 계산한 결과는 Table 2에 각각 나타내었다. 모든 적합성 검정 모델의 R²값은 볶음온도별 약간의 차이를 보 였으나 0.9 이상이었으며, 모델별 비교에서는 Oswin 모델 에서 가장 높은 0.994~1.000을, Kuhn 모델에서 가장 낮은 0.926~0.950을 각각 나타내었으나 볶음온도별 뚜렷한 차이 는 보이지 않았다. 한편, 편차를 이용한 모델의 적합성 판단 시 편차 값이 10% 이하일 경우에 적합한 것으로 간주하는 데(30), Kuhn과 Bradley 모델은 각각 약 22.485%와 약 13.560%를 나타내어 예측 모델로서 적합성이 없는 것으로 판단되었고, 그 외 모델들은 모두 볶음온도별 뚜렷한 차이 가 없이 10% 이하의 편차 값(볶음온도 160°C, 200°C의 Halsey 모델 제외)을 나타내어 적합성을 가지는 것으로 판 단되었다. 이들 모델 중 Oswin 모델이 가장 적은 편차 값 (0.929~3.661)을 보였으며, 다음으로 Caurie, Henderson, Halsey 모델 순인 것으로 나타났다. 이로써 볶은 옥수수 분말의 등온흡습곡선은 Oswin, Caurie, Henderson, Halsey 모델로 설명이 가능하며, 가장 적합한 모델은 Oswin 모델인 것으로 확인되었다. 그리고 등온흡습곡선에 대한 모델의 적합도는 볶음온도의 영향을 거의 받지 않는 것으로 확인되 었다. 한편, 모델의 적합도는 일반적으로 식품의 화학성분 조성에 의존적이라고 알려져 있으며(31), 복분자 동결건조 분말의 경우는 Oswin, Caurie, Halsey 모델이 적합하고, 생 강 건조분말의 경우는 Caurie, Bradley, Henderson 모델이 적합한 것으로 각각 보고된 바 있다(12,14). 볶은 옥수수 분말의 등온흡습 실험값과 Oswin, Caurie, Henderson, Halsey 모델로 예측된 등온흡습곡선을 그래프로 비교한 결과는 Fig. 2에 나타낸바와 같이 4가지 모델 모두 볶음온도 와는 무관하게 전범위의 수분활성도 영역에서 실험값을 잘 설명하며, 특히 Oswin 모델이 가장 잘 설명하는 것으로 확인되었다.

Fig. 2. Compar ison of the experimental sorption data and sorption isotherms of corn powder fitted by sorption models. Symbols represent experimental values, lines represent the predicted isotherm. (A), 160°C; (B), 180°C; (C), 200°C; (D), 220°C; (E), 240°C.

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단분자층 수분함량은 물 분자가 식품성분 중 carboxyl group이나 amino group과 이온결합을 하여 존재하는 상태 이며, 건조식품의 저장성 유지에 최적인 수분함량으로 간 주된다. 볶은 옥수수 분말의 단분자층 수분함량을 BET식과 GAB식으로 계산한 결과는 Table 3에 나타내었다. BET식 을 적용한 결과, 회귀계수는 0.842~0.870 범위이었고, 단분 자층 수분함량은 0.021~0.026 kg/kg 범위 내에서 볶음온도 가 높아질수록 약간씩 증가하는 경향을 보였다. GAB식을 적용한 결과, 회귀계수는 0.932~0.999 범위이었고, 단분자 층 수분함량은 볶음온도 180°C 이상의 분말에서 볶음온도 가 증가할수록 높아지는 경향이었으며, 180°C와 240°C에서 각각 0.043 kg/kg과 0.053 kg/kg을 나타내었다. 단분자층 수분함량이 BET식보다 GAB식에서 높은 것은 일반적인 경우와 일치하는 결과이며(12,14), 회귀계수 값이 GAB식 에서 보다 높아 볶은 옥수수 분말의 단분자층 수분함량 예측에 적합한 것으로 판단된다. 옥수수의 볶음온도가 높 아질수록 분말의 단분자층 수분함량이 증가하는 경향을 보인 원인 중 하나로 전분질 재료의 경우에 건조방법에 따라 형성되는 조직구조의 차이로 인하여 단분자층 수분함 량이 다르다는 보고(32)와 유사하게 옥수수의 볶음온도에 따라 형성된 다공질과 같은 조직구조의 차이를 들 수 있다. 이로써 옥수수의 볶음온도는 분말의 평형수분함량에 영향 을 미치는 것으로 확인되었다.

이상의 결과를 종합해 보면, 볶은 옥수수 분말의 20°C에 서 흡습곡선을 통하여 볶음온도가 옥수수 분말의 등온흡습 곡선 및 예측모델과 단분자층 수분함량에 영향을 미치는 것이 확인되었으며, 볶은 옥수수 분말의 품질관리에 원료 의 볶음온도도 함께 고려되어야 할 것으로 여겨지지만 볶음 온도에 따른 흡습특성이 상이한 구체적 원인 규명에 대한 추가연구가 필요한 것으로 생각된다.