주파수에 따른 초음파 해동처리가 냉동 돈육의 이화학적 특성에 미치는 효과

본 연구에 사용된 돈육은 계룡 축협 도축장에서 도축 후 진공 포장된 등심을 직접 구입하여 두께 1 cm에 지름 10 cm 가량의 원형으로 절단한 후 중심부에 온도 센서를 삽입하고 -80°C에서 동결 후 각각의 해동방법을 이용하여 해동하였다.

초음파를 이용한 해동을 위하여 132, 580 및 1,000 kHz의 공진 주파수를 가지는 진동자를 이용하여 각 주파수 별 접촉식 해동기를 설계하고 Ul-tech(Uiwang, Korea)을 통하 여 제작하였다. 초음파 주파수 발생장치의 최대 출력은 600 W로 다이얼을 이용하여 원하는 출력을 설정할 수 있도록 제작 되었다. 제작된 초음파 해동장치의 구성을 Fig. 1에 나타내었다. 초음파 해동판은 접촉면적을 넓히기 위하여 표면적 240 cm²의 상·하판 형태로 해동하고자 하는 대상물 의 크기에 따라 높이를 자유롭게 조절할 수 있도록 제작하 였다. 해동기의 스테인레스 챔버 내부에 각 주파수의 초음 파 진동자를 2개씩 위치시키고, 해동판으로 제작된 챔버 내부에 5°C로 냉각된 1.5 L 가량의 실리콘 오일을 순환시켜 햐동판의 가열 및 과열에 의한 진동자 파손을 방지하였다.

Fig. 1. Schematic diagram of the ultrasonic thawing system. System includes a metallic tank composed of a pair of ultrasonic transducer (132, 580, and 1,000 kHz), 600 W ultrasonic generator , and a cooling units.

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제작된 132, 580, 및 1,000 kHz 초음파(ultrasonic frequency, UF) 해동기의 진동자 및 냉동육의 가열을 막기 위하여 수냉 식 냉각기를 장착하여 해동기의 내부 및 표면을 5°C로 유지 시킨 상태에서 300 W의 출력으로 해동을 수행하였다. 각 주파수에 따른 냉동육의 해동속도 및 품질특성을 15°C냉수 해동과 초음파를 작동시키지 않고 표면 온도를 15°C로 조절 한 접촉식 해동과 비교 분석하였다.

냉동 전 정형된 등심육 표면의 수분을 제거 후 질량을 측정하고 개별 포장하여 냉동하였다. 냉동육을 각 해동 방 법에 따라 해동하고 포장을 제거한 상태에서 표면을 수분을 완전히 제거한 후 질량을 측정하여 질량의 변화를 백분율로 나타내었다.

(W₁ : 냉동 전 중량, W₂ : 냉 해동 후 중량)

지방산패도는 Witte(15)에 따라 thiobarbituric acid value(TBA)를 측정하였다. 등심 5 g에 15 mL의 증류수를 넣고 50 uL의 7.2% butylated hydroxylanisole(Sigma Co., St. Louis, Mo, USA)가 후 분쇄기(HMF-1000, Hanil, Seoul, Korea)를 이용하여 60초간 분쇄하여 2 mL의 균질액을 취하 여 15% TCA(Junsei chem. Co., Ltd., Tokyo, Japan)에 용해된 20 mM TBA(Sigma Co.) 용액 4 mL을 첨가하여 혼합 후 95°C에서 30분간 가열 후 상온에서 냉각시켰다. 반응이 끝 난 혼합액을 원심분리기(CF-10, Daihan Sci. Co., Ltd., Wonju, Korea)를 이용하여 13,000 rpm에서 10분간 원심분 리 후 상층액을 취하여 분광광도계(OPRON-3000, Hanson Tech. Co., Ltd., Seoul, Korea)를 이용하여 530 nm에서 흡광 도를 측정하고, 아래 계산식에 따라 TBA값으로 하였다.

단백질의 변패도는 미량확산법을 이용하여 휘발성염기 질소(volatile basic nitrogen, VBN)를 측정하였다. 등심육 20 g과 증류수 160 mL을 넣고 분쇄기를 이용하여 균질화 한 후 3,000 rpm에서 10분간 원심 분리하여 상층액 만을 취하였다. 상층액 1 mL과 50% K₂CO₃(Junsei chem. Co., Ltd., Tokyo, Japan) 용액 1 mL을 혼합한 후 Conway 미량확 산기 외실에 넣고, 내실에는 지시약을 포함하는 10% H₃BO₃(Junsei chem. Co., Ltd., Tokyo, Japan)용액 1 mL을 내실에 넣고 밀폐시켰다. 이후 37°C에서 2시간 정치하고, 0.02 N H₂SO₄(Duksan Co., Ansan, Korea)를 이용하여 내실 의 H₃BO₃를 적정하였다. 공실험은 외실에 50% K₂CO₃를 가하지 않은 것에 대한 적정값으로 하였다.

VBN(mg%)={0.14×(b-a)}/W×100×d

a : 시료의 0.02 N H₂SO₄적정량(mL)

b : 공시험 0.02 N H₂SO₄적정량(mL)

W : 시료 채취량(g)

d : 희석배수

총균수 및 pH 변화를 측정하기 위하여 등심 20 g을 완전 히 분쇄한 후 증류수 50 mL을 가하여 균질화 하였다. pH 측정기(Orion Star A221, Thermo scientific, Beverly, MA, USA)를 이용하여 냉 해동에 따른 균질액의 pH 변화를 측정 하고, 총균수 측정을 위하여 각 균질액을 peptone수에 희석 하고 준비된 표준한천배지(plate counting agar, Difco, Sparks, MD, USA)에 도말하고 35°C에서 72시간 배양하였 다. 이후 평판 당 30-300개의 집락이 형성된 평판을 선정하 여 총 집락수를 산정하고, 등심 g당 colony forming unit(CFU/g)으로 나타내었다.

해동에 따른 돈육 등심의 색도 변화는 색차계(CR-400, Konica Minolta, Tokyo, Japan)을 이용하여 표준 백색판 (L=96.75, a=0.03, b=1.76)으로 보정한 후 동일 실험군에서 냉동 전과 해동 후에 6회 이상 반복 측정하였다. 색도는 명도(lightness)를 나타내는 L 값, 적색도(redness)를 나타내 는 a 값과 황색도(yellowness)를 나타내는 b 값으로 나타내 었고, 냉 해동 전후의 색도 변화 비교를 위해 색차값(ΔE)를 산출하였다.

Total color difference (ΔE)= –L₂)² + (a₁ – a₂)² + (b₁ – b₂)²

L₁ : 냉동전 등심의 명도, L₂ : 해동후 등심의 명도,

a₁ : 냉동전 등심의 적색도, a₂ : 해동후 등심의 적색도,

b₁ : 냉동전 등심의 황색도, b₂ : 해동후 등심의 황색도

해동된 등심육을 1 cm×1 cm×1 cm의 크기로 성형한 후 경도계(TA-XT2, Stable Micro System Ltd., Godalming, UK) 에 standard compression platen probe(SMS P/100; 100 mm dia., 10 mm long)를 장착하고 1.5 mm/sec의 속도로 변형율 (strain) 30%까지의 texture profile analysis(TPA) 실험을 수 행하였다. 분석 항목은 Bourne(16)에 따라 응집성 (cohesiveness), 탄력성(springiness), 뭉침성(gumminess) 및 저작성(chewiness)에 대하여 냉동 전 및 해동 후 값에 대하 여 비교하였다(16).

Cohesiveness=area2/area1

Springiness=peak 2 time/peak 1 time

Gumminess=peak max×cohesiveness

Chewiness=gumminess×springiness

통계분석은 IBM SPSS Statistics program(Version 22, SPSS Inc., Chicago, IL, USA)을 사용하였으며 모든 실험 결과들은 3회 반복 측정한 평균값을 이용하여 일원배치 분산분석(One-way ANOVA)을 실시하였고, 시료 간의 유 의적 차이가 있으면 Duncan’s multiple range test를 통해 사후 검증하였다(p<0.05).

냉동육의 초음파 출력에 따른 해동 곡선을 Fig. 2에 나타 내었다. 각 냉동육의 내부 온도가 -20°C에서 상변화가 종료 되는 시점인 0°C까지 소요되는 시간은 일반적으로 많이 이용되는 20°C 상온에서 101분, 15°C 유수해동의 경우 26분 이 소요되었으며, 초음파를 가하지 않은 15°C 접촉식 해동 에서 23분, 출력을 300 W로 조절한 132 kHz 초음파를 가하 였을 때 14분, 580 kHz 초음파 해동에서는 9분, 1,000 kHz 해동에서 6분이 소요되었다. 제작한 초음파 해동기의 동일 출력에서 해동속도는 주파수에 비례하여 증가하는 경향을 나타냈으나, 1,000 kHz에서는 해동기의 발열 높게 나타나 해동이 진행되는 6분 동안 18°C까지 증가하여 냉동육의 표면의 온도가 상승하였다. 이는 Miles 등(10)의 연구에서 높은 주파수의 초음파에서 표면가열 현상이 나타나며, 500 kHz 대역의 주파수가 표면가열이 가장 적고 침투 깊이가 깊어 원할 한 해동을 진행할 수 있다는 연구와 일치하는 것으로 해동속도 및 표면가열을 고려했을 때 580 kHz를 이용한 초음파 해동기의 이용이 가장 적절할 것으로 판단된 다.

Fig. 2. Temperature change of frozen meats during thawing process under ultrasonic thawing systems. Data were expressed as mean values (n=3).

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초음파 해동기의 주파수에 따른 동결육의 해동감량을 Table 1에 나타내었다. 해동감량은 유수해동에서 1.8% 가 량을 나타낸 반면 접촉식 해동에서는 2.3%이상으로 유의적 으로 높게 나타났다. 일반적으로 해동감량은 냉동속도나 저장에 의하여 세포손상 정도에 따라 좌우되지만(17), 해동 중에도 단백질 변성에 의하여 보수력 감소에 따른 드립 발생에 의하여 해동감량이 일어난다(18). 이와 같이 해동기 를 이용한 접촉식 해동에서는 냉동시 손상된 세포 및 조직 에서 해동 직후 해동기의 무게에 의한 압착에 따라 드립 발생이 증가된 것으로, 해동종료 시점을 성형 및 가공이 가능한 -5-0°C로 설정할 경우 드립으로 인한 해동감량을 최소화 할 수 있을 것으로 판단된다.

초음파 주파수에 따른 동결육의 pH 변화를 Table 1에 나타내었다. 육류의 근섬유내 글리코겐 함량에 의하여 결 정되는 pH는 일반적으로 신선육에서 pH 5.5-5.6를 나타낸 다(20). Farouk 등(21)에 따르면 해동시 세포내 용질의 농도 변화 및 드립 발생에 따라 보수력이 감소한 해동육은 pH가 증가한다고 밝히고 있다. 본 연구에서는 신선육이 pH 5.6 가량을 나타내었으며, 낮은 초음파 주파수 해동에서는 유 의적 차이를 나타내지 않았으나 1,000 kHz 해동에서는 pH 5.8까지 소폭 증가하였다. 이는 해동곡선(Fig. 2)에는 나타 나지 않았지만 1,000 kHz 해동에서 나타난 표면가열에 의 한 온도상승에 의하여 근섬유의 손상이 가중되어 해동육의 pH 상승이 나타난 것으로 판단된다.

초음파 해동에 따른 동결육의 VBN 및 TBA 값 변화를 Table. 1에 나타내었다. 사용된 신선육의 초기 VBN가는 5.21 mg%로 나타났으며, 냉동 및 해동에 의하여 소폭 증가 를 나타냈으나 유의적인 차이를 나타내지 않았다. TBA가 역시 신선육에서 0.17 MDA mg/kg을 나타냈으나 해동육에 서 소폭 증가 하였지만 유의적인 차이는 나타나지 않았다. 신선육의 TBA 값은 0.2 MDA mg/kg 수준이며 냉장저장, 가열 및 냉·해동을 거치면서 VBN 및 TBA 값의 증가가 나타나는 것으로 알려져 있다(21). Choi 등(22)은 부패수준 돈육의 VBN 값을 30 mg%로 밝히고 있으며, Turner 등(23) 은 식용 가능한 돈육의 TBA 값을 0.46 MDA mg/kg로 규정 하고 있기 때문에 본 연구에서 사용된 해동방법은 단백질 변패에 의한 휘발성 염기질소의 증가나 지방산의 산패에 따른 돈육의 품질에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된 다.

초음파 해동에서 주파수에 따른 동결육의 미생물 변화를 Table 1에 나타내었다. 신선육과 해동육 사이에서 일반 세 균수는 유의적인 차이를 보이지 않았지만, 1,000 kHz의 초 음파를 이용한 해동에서는 소폭 감소하는 경향을 나타내었 으나 그 차이가 미약하였다. Park 등(8)에 따르면 해동 중 온도상승과 느린 해동은 미생물의 오염 및 성장을 증가시킬 수 있다고 밝히고 있다. 하지만 본 연구에서는 30분 이내에 거의 모든 해동이 이루어졌으며, 개별포장 상태에서 해동 이 진행되어 오염 요소가 최소화되어 증가 경향은 나타나지 안았으며, 오히려 1,000 kHz 초음파 해동에서는 Ockermann 등(24)이 밝힌 마이크로파에 의한 미생물 세포파괴와 유사 하게 초음파에 의하여 일부 미생물 세포의 파괴가 일어나 총 세균수가 감소한 것으로 판단된다.

초음파 해동에서 주파수에 따른 동결육의 육색 변화를 Table 2에 나타내었다. 육색의 밝기를 나타내는 L 값의 경우 신선육에서 45.62을 나타내었으며, 냉·해동에 따른 유의적 변화가 나타나지 않았다. 육색 중 적색도를 나타내는 a 값은 신선육 4.37에서 해동에 따라 유의적으로 증가하는 경향을 나타내었으며, 유수 해동에서 6.29로 가장 높게 나타났다. 황색도를 나타내는 b 값 역시 2.53에서 냉·해동에 의하여 증가하는 경향을 나타냈으나 그 변화폭이 낮게 나타났다. 이러한 결과는 Akamittath 등(25)과 Park 등(8)이 제시한 냉동저장 및 해동에 의하여 적색도가 증가한다는 보고와 차이를 나타내었다. 뿐만 아니라 전체 색변화를 나타내는 ΔE 역시 2.28-3.34 사이로 나타나 Park 등(8)의 연구에서 밝힌 냉·해동에 따른 등심육의 색변화 값 4.57-23.67과는 큰 차이를 나타냈다. 이러한 차이는 본 연구에서 개별 포장 한 신선육 동결시 -80°C를 이용하여 급속냉동하고, 냉동육 의 저장기간 없이 즉시 해동이 이루어져 산소와 접촉에 의한 미오글로빈의 변성 및 품질 손상이 거의 나타나지 않았기 때문으로 판단된다(26).

초음파 해동에 따른 동결육의 조직감 변화를 Table 3에 나타내었다. 돈육의 경도(hardness)는 냉·해동에 따라 감소 하는 경향을 나타내었으며, 특히 초음파를 이용한 해동에 서 유의적으로 감소하였다. 하지만 변형된 시료가 원래 상 태로 돌아가려는 성질인 탄력성(springiness)은 뚜렷한 변화 가 나타나지 않았으며, 고체 상태의 식품을 삼킬 수 있는 상태로 만드는 성질인 씹힘성(chewiness)에서도 경도와 유 사하게 초음파를 이용한 해동에서 유의적인 감소를 나타낸 반면, 돈육의 조직간 결합력을 나타내는 응집성 (cohesiveness)은 초음파해동에서 증가하는 경향을 나타내 었다. Kim 등(27)의 연구에서는 해동감량에 의해서 식육 경도가 증가 한다고 밝히고 있으나, Soria와 Villamiel(14)에 따르면 식육에 대한 초음파 처리는 근섬유의 단백질을 이완 시켜 조직의 연화를 돕는다고 밝히고 있다. 빙결정의 성장 은 드립을 증가시켜 수분함량 감소에 따른 식육의 경도 변화를 가져오지만, 본 연구에서는 급속냉동 후 빠른 해동 으로 인하여 조직손상 및 드립 발생이 최소화되어 품질이 유지 되었을 뿐만 아니라 초음파에 의하여 해동육의 경도가 감소가 낮게 나타난 것으로 판단된다.