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동결건조는 식품, 의약품, 산업 자재 등 다양한 분야에서 활용되는 건조 기술입니다. 특히 식품 분야에서는 맛, 향, 영양소 손실을 최소화하면서 장기간 보존이 가능하게 해주는 효과적인 방법으로 널리 사용됩니다.
1) 식품의 동결건조
가. 동결건조의 정의 및 원리
식품의 동결건조 (Freeze Drying 또는 Lyophilization) 는 식품을 저온에서 동결시킨 후, 감압 상태에서 승화시켜 수분을 제거하는 건조 방법입니다. 일반적인 열풍 건조와 달리 액체 상태를 거치지 않고 고체 상태인 얼음에서 바로 기체 상태인 수증기로 변화시키는 승화 현상을 이용하는 것이 핵심입니다.
동결건조 과정의 단계:
- 전처리 (Pre-treatment): 원재료를 세척, 다듬기, 절단, 균질화 등 동결건조에 적합하도록 준비하는 단계입니다. 식품 종류에 따라 블랜칭, 농축, 당침 등의 전처리 과정을 추가할 수 있습니다.
- 동결 (Freezing): 전처리된 식품을 저온 (-20 ~ -40 ℃ 이하) 에서 급속 또는 완만하게 동결시켜 수분을 얼음 결정으로 만듭니다. 급속 동결은 작은 얼음 결정을 생성하여 조직 손상을 최소화하고, 완만 동결은 큰 얼음 결정을 생성하여 건조 효율을 높이는 장점이 있습니다.
- 1차 건조 (Primary Drying 또는 승화 건조): 동결된 식품을 진공 상태 (약 10 ~ 100 Pa) 로 유지하고, 서서히 열을 가하여 얼음을 승화시킵니다. 이 과정에서 식품 내부의 얼음이 액체 상태를 거치지 않고 바로 수증기로 변하여 제거됩니다. 1차 건조는 대부분의 수분을 제거하는 단계이며, 건조 속도와 제품 품질에 가장 큰 영향을 미칩니다.
- 2차 건조 (Secondary Drying 또는 탈착 건조): 1차 건조 후 잔존하는 결합수 (freezing un-freezable water) 를 제거하는 단계입니다. 1차 건조보다 높은 온도 (상온 ~ 40 ℃ 정도) 와 낮은 압력 (약 1 ~ 10 Pa) 조건에서 진행하며, 제품의 최종 수분 함량을 낮추고 저장 안정성을 높입니다.
- 포장 (Packaging): 건조 완료된 제품은 수분 및 산소와의 접촉을 차단하기 위해 방습, 방수 포장재로 밀봉 포장합니다. 질소 충전 포장, 진공 포장 등을 통해 제품의 품질을 장기간 유지할 수 있습니다.
나. 동결건조 식품의 특징 및 장점
- 뛰어난 품질 유지:
- 맛과 향 보존: 저온 및 진공 상태에서 건조하므로 열에 의한 맛과 향의 변화가 최소화됩니다. 휘발성 향기 성분의 손실이 적어 원재료 고유의 풍미를 그대로 유지합니다.
- 영양소 파괴 최소화: 비타민, 단백질, 아미노산 등 열에 민감한 영양소의 손실을 최소화합니다. 영양소 변성 및 파괴를 억제하여 식품의 영양 가치를 높게 유지할 수 있습니다.
- 색상 및 형태 유지: 조직 수축 및 변형이 적어 건조 후에도 원재료의 색상, 형태, 질감을 비교적 잘 유지합니다. 시각적인 품질 저하를 최소화하여 상품 가치를 높입니다.
- 우수한 복원성: 동결건조된 식품은 다공성 구조를 가지므로 수분 흡수성이 매우 뛰어납니다. 물 또는 뜨거운 물에 단시간 내에 빠르게 복원되어 원래의 형태, 맛, 향, 질감을 되찾을 수 있습니다. 간편하게 조리하여 섭취할 수 있는 장점이 있습니다.
- 장기 보존성: 수분 함량을 극히 낮게 (1~3% 이하) 제거하므로 미생물 번식 및 효소 활성을 억제하여 장기간 보존이 가능합니다. 별도의 방부제 없이도 상온에서 장기간 보관 및 유통이 용이합니다.
- 다양한 식품 적용: 과일, 채소, 육류, 어류, 유제품, 커피, 차, 즉석밥, 라면 건더기 스프, 우주 식품 등 다양한 식품에 적용 가능합니다. 식품의 종류와 특성에 따라 최적의 동결건조 조건을 설정하여 품질을 극대화할 수 있습니다.
다. 동결건조 식품의 단점 및 한계
- 높은 제조 비용: 동결건조는 진공 설비, 냉동 설비 등 복잡한 장비와 긴 건조 시간을 필요로 하므로 일반 열풍 건조에 비해 생산 비용이 높습니다. 고가의 설비 투자 및 높은 에너지 소비량은 제품 가격 상승의 원인이 됩니다.
- 조직감 변화 (약간 딱딱하거나 푸석푸석): 동결건조 과정에서 조직 내 수분이 제거되면서 다공성 구조가 형성되어, 일부 식품의 경우 원래의 쫄깃하거나 촉촉한 식감을 잃고 다소 딱딱하거나 푸석푸석한 질감을 나타낼 수 있습니다. 식품 종류 및 동결건조 조건에 따라 질감 변화를 최소화하는 기술 개발이 필요합니다.
- 산화 및 갈변 가능성: 동결건조 과정에서 산소와 접촉하거나 빛에 노출될 경우, 지방 산패, 색소 파괴, 갈변 현상 등이 발생할 수 있습니다. 진공 포장, 불활성 기체 치환 포장, 차광 포장 등을 통해 산화 및 갈변을 방지해야 합니다.
- 위생 관리 중요: 동결건조 식품은 수분 함량이 낮아 미생물 번식 위험은 낮지만, 제조 과정에서의 위생 관리가 소홀할 경우 오염될 가능성이 있습니다. 원재료 관리, 설비 위생 관리, 작업 환경 관리 등 철저한 위생 관리 시스템 구축이 필수적입니다.
라. 주요 동결건조 식품 예시:
- 과일류: 딸기, 사과, 바나나, 망고, 파인애플, 복숭아, 블루베리 등 (스낵, 시리얼 토핑, 제과 제빵 재료 등)
- 채소류: 시금치, 브로콜리, 당근, 양파, 버섯, 파, 마늘, 고추 등 (라면 건더기 스프, 즉석국, 비빔밥 재료, 스낵 등)
- 육류 및 어패류: 쇠고기, 닭고기, 새우, 조개, 북어, 오징어 등 (비상 식량, 반려동물 간식, 고급 식품 재료 등)
- 유제품: 요거트, 치즈, 아이스크림 등 (스낵, 시리얼 토핑, 이유식, 환자식 등)
- 커피 및 차: 인스턴트 커피, 허브차, 녹차, 홍차 등 (간편 음료, 선물 세트 등)
- 즉석 식품: 즉석밥, 즉석국, 즉석 스프, 비빔밥, 컵라면 등 (간편식, 여행용 식품, 비상 식량 등)
2) 동결건조 장치인 동결건조기
동결건조기는 식품, 의약품, 산업 자재 등을 동결건조하는 데 사용되는 특수 장비입니다. 주요 구성 요소, 작동 원리, 종류 등에 대해 설명드리겠습니다.
가. 동결건조기의 주요 구성 요소:
- 진공 챔버 (Vacuum Chamber): 동결 및 건조가 이루어지는 밀폐된 공간입니다. 내부는 진공 상태로 유지되며, 선반 또는 트레이에 식품을 적재합니다. 챔버 재질은 주로 스테인리스강 (SUS) 을 사용하며, 내압, 내열, 내식성이 우수해야 합니다.
- 진공 시스템 (Vacuum System): 진공 챔버 내부를 감압 상태로 유지하는 시스템입니다. 진공 펌프 (유회전 펌프, 루츠 펌프, 확산 펌프 등), 진공 밸브, 진공 게이지 등으로 구성됩니다. 진공도는 동결건조 효율 및 제품 품질에 중요한 영향을 미칩니다.
- 냉동 시스템 (Refrigeration System): 식품을 동결시키고, 콜드 트랩 (Cold Trap) 을 냉각하는 시스템입니다. 압축기, 응축기, 팽창 밸브, 증발기 등으로 구성됩니다. 냉매는 주로 암모니아, 프레온 가스 등을 사용하며, 저온 유지 능력이 중요합니다.
- 열 공급 시스템 (Heating System): 동결된 식품에 승화열을 공급하는 시스템입니다. 히터, 열판, 열매체 순환 장치 등으로 구성됩니다. 열 공급량은 제품의 동결 상태, 건조 속도, 품질 등을 고려하여 정밀하게 제어해야 합니다.
- 콜드 트랩 (Cold Trap 또는 냉동 트랩): 승화된 수증기를 포집하여 진공 펌프로 유입되는 것을 방지하는 장치입니다. 저온 (일반적으로 -50 ~ -80 ℃ 이하) 으로 냉각된 표면에 수증기를 응축시켜 얼음 형태로 포집합니다. 콜드 트랩은 진공 시스템의 효율을 높이고, 펌프 오일의 오염을 방지하는 역할을 합니다.
- 제어 시스템 (Control System): 동결건조기의 전체 작동 과정을 자동 제어하는 시스템입니다. 온도 센서, 압력 센서, 습도 센서, PLC (Programmable Logic Controller), 터치스크린 등으로 구성됩니다. 건조 온도, 압력, 시간 등 운전 변수를 정밀하게 제어하여 최적의 건조 조건을 유지합니다.
나. 동결건조기 작동 원리:
- 식품 적재: 전처리된 식품을 트레이 또는 선반에 균일하게 펼쳐 진공 챔버 내부에 적재합니다.
- 동결: 냉동 시스템을 가동하여 진공 챔버 내부 온도를 동결 온도 (-20 ~ -40 ℃ 이하) 까지 낮추어 식품을 동결시킵니다.
- 진공 형성: 진공 시스템을 가동하여 진공 챔버 내부를 감압 상태 (약 10 ~ 100 Pa) 로 만듭니다.
- 승화 건조 (1차 건조): 열 공급 시스템을 통해 동결된 식품에 서서히 열을 가합니다. 진공 상태에서 얼음은 승화되면서 수증기로 변하고, 이 수증기는 콜드 트랩에 포집됩니다. 챔버 내부 압력 및 온도는 승화가 효율적으로 진행되도록 정밀하게 제어됩니다.
- 탈착 건조 (2차 건조): 1차 건조 후 잔존하는 결합수를 제거하기 위해, 챔버 온도를 상온 ~ 40 ℃ 정도로 높이고 압력을 더 낮추어 2차 건조를 진행합니다.
- 건조 완료 및 포장: 건조 완료 후 진공을 해제하고, 제품을 꺼내어 방습 포장재로 포장합니다.
다. 동결건조기의 종류:
동결건조기는 적용 분야, 처리량, 건조 방식 등에 따라 다양한 종류로 분류될 수 있습니다.
- 형태에 따른 분류:
- 선반형 동결건조기 (Tray Dryer): 가장 일반적인 형태이며, 트레이에 식품을 담아 선반에 적재하여 건조하는 방식입니다. 다양한 종류의 식품에 적용 가능하며, 배치식 생산에 적합합니다.
- 벨트형 동결건조기 (Belt Dryer): 벨트 컨베이어 위에 식품을 연속적으로 이동시키면서 건조하는 방식입니다. 대량 생산에 적합하며, 입자상, 분말상 식품 건조에 유리합니다.
- 회전 드럼형 동결건조기 (Rotary Drum Dryer): 회전하는 드럼 내부에서 식품을 건조하는 방식입니다. 분말, 과립 형태의 식품 건조에 적합하며, 연속식 생산이 가능합니다.
- 매니폴드형 동결건조기 (Manifold Dryer): 바이알, 앰플 등 용기에 담긴 액상 시료를 직접 연결하여 건조하는 방식입니다. 의약품, 바이오 시료 동결건조에 주로 사용됩니다.
- 생산 규모에 따른 분류:
- 실험실용 동결건조기 (Lab Scale Freeze Dryer): 소규모 연구 개발, 실험용으로 사용되는 소형 동결건조기입니다. 처리량은 수백 g ~ 수 kg 수준입니다.
- 파일럿 플랜트용 동결건조기 (Pilot Scale Freeze Dryer): 실험실 규모와 산업 생산 규모 사이의 중간 단계로, 공정 개발, 생산 조건 최적화, 시제품 생산 등에 사용됩니다. 처리량은 수 kg ~ 수십 kg 수준입니다.
- 산업용 동결건조기 (Industrial Scale Freeze Dryer): 대량 생산을 목적으로 하는 대형 동결건조기입니다. 처리량은 수십 kg ~ 수 ton 수준입니다.
- 건조 방식에 따른 분류:
- 접촉식 동결건조기: 열판 또는 열선과 직접 접촉하여 열을 공급하는 방식입니다. 열전달 효율이 높고, 건조 속도가 빠릅니다.
- 복사식 동결건조기: 적외선 램프, 마이크로웨이브 등을 이용하여 복사열을 공급하는 방식입니다. 균일한 가열이 가능하며, 제품 품질 유지에 유리합니다.
- 마이크로웨이브 동결건조기: 마이크로웨이브 에너지를 이용하여 식품 내부에서 직접 열을 발생시켜 건조하는 방식입니다. 건조 시간이 매우 짧고, 에너지 효율이 높습니다.
라. 동결건조기 선택 시 고려 사항:
- 처리 용량: 생산량 및 배치 크기를 고려하여 적절한 용량의 동결건조기를 선택해야 합니다.
- 건조 대상 식품: 식품 종류 및 특성에 따라 최적의 건조 방식 및 조건을 제공하는 동결건조기를 선택해야 합니다.
- 에너지 효율: 운전 비용 절감을 위해 에너지 소비 효율이 높은 동결건조기를 선택하는 것이 중요합니다. 냉동 시스템 효율, 진공 시스템 효율, 열 공급 시스템 효율 등을 종합적으로 고려해야 합니다.
- 제어 시스템: 정밀한 온도 및 압력 제어, 자동 운전 기능, 데이터 기록 기능 등을 갖춘 제어 시스템을 갖춘 동결건조기를 선택하여 안정적인 운전 및 품질 관리를 확보해야 합니다.
- 위생성 및 안전성: 식품 위생 기준을 충족하고, 안전 장치가 완비된 동결건조기를 선택하여 안전하고 위생적인 식품 생산 환경을 구축해야 합니다.
- 유지보수 및 관리: 유지보수가 용이하고, 부품 수급이 원활하며, A/S 지원이 잘 되는 제조사의 제품을 선택하는 것이 장기적인 설비 운영에 유리합니다.
- 예산: 초기 투자 비용, 운전 비용, 유지보수 비용 등을 종합적으로 고려하여 예산 범위 내에서 최적의 동결건조기를 선택해야 합니다.
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