근적외 분광법을 이용한 양념 야채의 건조 불균일성 관찰

본 실험에 사용한 마늘, 양파, 파는 경상북도 인근에서 수확된 것으로 외관 상태와 모양이 양호한 시료의 잎 부분 과 줄기, 뿌리 부분을 분리하여 시료로 사용하였다.

마늘은 상용 마늘절단기(SY-9607, Shin Young, Goyang-si, Korea)를 이용하여 4 mm 두께로 절단하였으며, 양파는 식품 절단기(SRC-80, Samwoo, Daegu, Korea)로 4 mm 두께로 절단하였고, 파는 식칼과 도마를 이용하여 파의 잎, 줄기, 뿌리를 길이 2 cm 씩 세부분으로 절단하였다.

대류식 온풍건조기(LD-918, L’EQUIP, Hwaseong-si, Korea)를 이용하여 양념채소류를 40°C, 50°C, 60°C, 70°C 에서 건조하였다. 대류식 온풍건조기의 건조방식은 기기 하단부의 팬에서 열풍이 상승하여 순환하는 방식으로 모식 도를 Fig. 1에 나타내었다. 트레이는 총 5단으로 각 트레이 의 크기는 가로 28 cm 세로 48 cm 높이 3 cm 이었고 하단부 의 1번 트레이는 팬에서부터 약 1 cm 떨어져 있었으며 2번, 3번, 4번, 5번 트레이는 각각 3 cm씩 떨어져 있었다. 건조 중 온도와 습도는 간이 온습도 측정기(HTC-1, Zeus, China) 를 사용하여 측정하였다.

Fig. 1. Schematic diagram of warm-air convection drying equipment

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양념채소류의 근적외 스펙트럼 측정을 위해 확산 반사 방 식의 근적외 분광분석기(MPA, Bruker Optics, Ettlingen, Germany)를 사용하여 700 nm에서 2,500 nm 까지 근적외 스펙트럼 데이터를 취득하였다. NIR 이미지를 얻기 위한 초분광 근적외 영상 시스템(hyper spectral NIR imaging system)은 Fig. 2와 같다. NIR imaging 카메라(N17E, ImSpector, Oulu, Finland)는 900~1,700 nm의 측정파장에서 5 nm의 해상도와 폭 30 μm의 slit을 가지며 하단부의 쵸핑 모터를 이용하여 sample loader에 놓인 시료가 일정한 간격 으로 이동되는 동안 라인스캔 방식으로 영상이 촬영된다. 측정된 시료의 영상에서 스펙트럼을획득하고다변량통계 소프트웨어(The unscrambler 9.8, CAMO, Oslo, Norway)를 사용하여 미분처리, 주성분분석(principal component analysis, PCA) 등을 통해 스펙트럼 데이터를 해석하였다.

Fig. 2. Spectrum measurement of garlic slice using hyper spectral NIR imaging system

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세절된 파를 재료로 하여 대류식 온풍건조기의 건조 위 치에 따른 습도와 수분감소 정도를 조사한 결과 열풍을 발생하는 팬에 가장 가까운 첫 번째 트레이가 열원에서 가장 먼 상단에 있는 다섯 번째 트레이에 비하여 빠르게 건조되었다. 동일 건조 시간대에 트레이 위치에 따른 온도 와 습도를 비교한 결과는 Table 1에서와 같이 트레이 위치 가 열풍 팬에서 멀어질수록 설정된 온도보다 약 7~8°C낮았 으며 건조되면서 파에서 증발된 수증기가 트레이 안에 갇혀 짐으로 인해 습도가 높아진 것도 확인되었다. 즉 건조 트레 이의 위치, 거리에 따라 건조속도가 다르기 때문에 품질이 일정치 않았었는데, 건조된 파의 품질을 매운 냄새, 맛, 색깔 로 나누어 각각 최소 0점에서 최대 10점까지 관능검사 결과 매운 냄새는 5.8±1.9점, 맛은 6.6±2.2점, 색깔은 7.8±1.3점으 로 평가되었으며 건조장치의 부위 차이에 따라 품질이 균일 치 못함을 의미한다고 생각한다. 이 결과로부터 건조 양념 채소류를 제조함에 있어서 건조기의 부위에 따라 발생하는 건조도 차이를 신속하게 파악하여 과잉건조 되거나 불완전 건조된 제품이 포장, 유통되는 과정 중에 변질되는 사고를 줄이기 위한 연구가 필요하다고 판단되었다.

대류식 온풍건조기에서 양념채소류의 건조가 진행되고 있는 동안 건조도가 서로 다른 시료를 채취하고 각각의 근적외 스펙트럼을 측정하여 Fig. 3에 나타내었다. 파와 양파는 비슷한 근적외 스펙트럼 패턴을 보인 반면 마늘의 경우 파와 양파에 비해 단백질, 당질 등의 고형분이 많이 함유되어 있어서 건조 전후에 큰 차이를 보이지 않았다(20). 양파의 근적외 스펙트럼에 있어서 수분 30%인 건조 양파가 추가로 건조되어짐에 따라 수분의 OH기에 기인하는 980 nm, 1,400 nm, 1,900 nm 주변의 흡수봉우리가 약해지면서 상대적으로 수분 이외의 성분에 유래되는 피크들이 드러남 이 관찰되었다.

Fig. 3. Near infrared spectra of spring onion, garlic and onion dried using warm air convection drying method

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이러한 건조과정 중의 수분이 감소되는 현상을 보다 명 확하게 해석하기 위해 원 스펙트럼을 2차 미분 변환 처리하 였다. 2차 미분 스펙트럼에서는 피크가 아래로 돌출 될수록 흡수가 강함을 의미하며 각각의 정보에 대한 흡수차이를 원 스펙트럼보다 정확하게 알 수 있다. 일반적으로 1,400~ 1,450 nm와 1,900~1,950 nm에서의 흡수는 수분의 OH기에 유래한 것으로 1,900 nm 부근에서는 곡물 등의 수분을 비파 괴 분석하는데 사용되고 있고 특히 1,400 nm 전후의 대역은 물의 수소결합에 대한 정보가 잘 나타나는 부분이기 때문에 건조정도가 다른 시료의 수분 정도를 구체적으로 관찰하였 다(21-23). 생체 내에는 수소결합이 약한 S₀, S₁, S₂의 순서로 물이 존재하는데 건조 초기에 감소되는 물은 거의 S₀ 형태 로 존재하며 분자간의 수소결합이 약하여 수분 증발이 비교 적 쉽게 일어나 건조가 빠르게 진행된다(24,25). 파와 양파 의 건조에 있어서는 생 시료에서 수분 함량이 90%나 되어 수분 30% 정도로 건조시킨 것과 Y축 차이가 크게 차이나기 에 Fig. 4에 한 번에 나타내지는 못하였으나 수분 30%에 이를 때 까지 거의 S₀ 형태의 물이 감소되는 것을 1,390 nm 부근에서 관찰할 수 있었다. 이어서 수소결합 강도가 중간 정도인 물은 S₁으로 분류되어 1,410 nm 부근에 흡수피 크가 관찰되는데 주로 파나 양파 등의 친수성 물질과 수소 결합한 물인 것으로 추정된다. S₁은 S₀ 수분에 비해 건조속 도가 상대적으로 느리며 파와 양파의 경우 수분 20%에 이르는 건조과정에서 관찰할 수 있었다. 건조 종료단계에 해당하는 수분 10% 부근에 이르는 동안에는 비교적 수소결 합이 약하게 결합된 S₀ 및 S₁ 상태의 수분에 비해 섬유소, 당질, 단백질 등 수용성 물질의 하이드록시기 또는 아미노 기와 밀착된 거리에서 강하게 수소결합 하고 있는 S₂ 상태 의 수분이 1,420 nm 이하의 영역에서 관찰되었다고 생각한 다. 마늘의 경우에는 그 형상이 절단면을 가지는 건조체라 는 것과 수분함량이 파, 양파에 비해 훨씬 적고, 상대적으로 친수성 고형분의 함량이 40%로 많기 때문에 건조 시 1,400 nm 부근에서 S₀, S₁, S₂ 비율과 변화패턴이 파, 양파와는 다름을 볼 수 있다.

Fig. 4. Second derivatives of near infrared spectra of spring onion, garlic and onion with different moisture content

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건조가 너무 진행되면 성분 간 반응이 진행되어 표면갈 변이 일어나 품질저하가 발생하였으며 이를 염려하여 더 이상 건조를 진행시키지 않고 정지시켜 포장하여 보존하였 을 때 건조되지 못한 소량의 수분이 미생물에게 활용되어 건조품이 변질되는 것을 관찰할 수 있었다. 즉 건조속도가 균일하지 않아 수분활성도가 불균일한 일부 건조품이 대부 분의 적정 건조품과 혼재되었기 때문인데, 건조 최종 단계 에서 건조 상태가 적정한지 또는 미흡한지를 쉽게 판별하여 추가로 건조처리가 필요한 것만 분류하는 등의 기술을 개발 함에 있어서 상기 스펙트럼 관찰 정보는 유익하게 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

건조 정도가 다른, 즉 수분 함량이 다른 건조 마늘의 초분 광 근적외 이미징 스펙트럼 데이터를 측정하여 주성분분석 결과, 물이 제1주성분인자(principal component 1)임을 Fig. 5에서 볼 수 있었다. 초분광 영상기법을 사용하여 수분 함량 이 다른 밀의 수분 판별을 연구한 논문(26) 및 고추의 수분 스트레스를 연구한 논문(27)에서는 1,400~1,450 nm 부근이 수분 함량을 파악하기 위한 최적 파장인 것으로 보고되고 있는데 PC1을 통해 건조 마늘의 수분 함량을 파악할 수 있을 것으로 판단되었다. 건조 정도가 다른 마늘의 초분광 NIR 이미지를 Fig. 6에 나타내었는데 짙은 색깔을 나타낼수 록 수분이 많이 잔존함을 의미하고 있어 이 결과를 이용함 으로서 마늘과 같이 건조가 불균일한 양념채소류가 어느 정도 건조되고 있는지 그리고 건조 정도가 얼마나 차이 나는지를 예측 가능 할 것으로 판단된다. 건조 종료를 판단 하는 기준으로는 현재 수분의 추가 감소가 없음을 근거삼아 왔으나, 이러한 방법은 건조기 내부의 구조상 건조 층이 여러 겹으로 구성된 일반 농산물 건조기에서는 적용이 어려 우며, 세절된 건조 시료 개개 무게가 서로 다르므로 품질 편차가 큰 것이 지적되고 있어 이를 개선할 필요가 있는데 장차 초분광 NIR 이미징 기법이 채택되어 건조 양념채소의 품질향상에 기여될 수 있을 것을 전망한다.

Fig. 5. Pr incipal component (PC) 1 and principal component (PC) 2 plots after principal component analysis (PCA) of hyper spectral NIR imaging of dr ied garlics

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Fig. 6. Visual result after PCA of hyper spectral NIR imaging treatment of garlic with different moiture contents A : Real dried garlic graph, B : Visualized imaging graph

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