마이크로파를 이용한 대두(大豆)의 수화

박영신, 김덕찬

서울시립대학교 공과대학 화학공학과

Hydration of Soybeans using Microwave

Young-Shin Park,  Dok-Chan Kim

Department of Chemical Engineering,  University of Seoul

1. 서 론

마이크로파 에너지는 매우 작아서 자외선등과 같이 직접 화학결합을 절단하거나 결합시키지는 못하며, 단순히 급속 가열원의 한가지로만 이용되었으나 최근에는  여러 가지 유기 및 무기화학 반응들을 촉진시켜 반응속도를 매우 빠르게 하며, 침출(leaching)등의 물질전달 조작에서도 탁월한 효과를 나타내는 것으로 보고되고 있다.  특히 고-액 반응과 같이 일반적으로 반응속도가 느리고 수득율이 낮은 반응에 마이크로파를 이용하면 기존의 가열 방법을 사용했을 때 보다 반응이 더 빠르며 수득율도 높아지는 것으로 보고되고 있다.

이와 같은 고-액 반응에서는 흔히 반응물질들이 서로 접촉(collision)하기 쉽도록 고체 반응물을 액상의 반응물질이나 비활성 용매를 사용하여 팽윤(swelling)시키는 전처리 방법이 이용된다.(1)

유전체가 마이크로파 전계 안에 놓이게 되면 유전체는 분극을 일으켜 그 전계방향에 따라 정렬하게 되고 이때 마이크로파의 주파수에 따라 분자들이 회전, 진동하면서 마찰로 인한 열이 발생되어 온도가 상승하게 된다. 이러한 마이크로파의 독특한 가열 특성은 액체에 의한 고체의 팽윤을 기존의 가열 방식에서 보다 더욱 촉진시킬 수 있을 것으로 기대된다.

이에 본 연구에서는 마이크로파를 이용하여 조직이 치밀하고 단단한 대두(大豆)를 수화하고 수분흡수율, 부피팽창율, 용출율을 측정하여 마이크로파의 전계 강도와 irradiation mode(연속주사와 주기주사)에 대한 영향을 검토하고자 하였다.

2. 실 험

시료는 종피가 깨지지 않은 직경 7∼8mm의 국산 大豆(대두)를 선별하여 사용하였다. 대두의 초기수분함량은 convection drying oven을 이용하여 105℃에서 측정하였고 증류수를 침지액으로 사용하였다.

마이크로파 조사 장치는 주파수 2,450MHz로서 양극 전압을 조절(anode-voltage controller, 연속식)하여 마이크로파의 전계 강도를 변화시킬 수 있는 마이크로파 오븐(700W)과 on/off-controller를 장착하여 마이크로파를 주기적으로 조사할 수 있는 마이크로파 오븐(650W)을 사용하였다.

10g의 증류수와 1g의 시료를 넣은 50mL-삼각플라스크를 마이크로파 오븐의 일정한 위치에 놓고 Fiber-Optic Sensor (FISO Technologies Inc.)를 이용하여 수화 온도를 측정하였다. 기존의 방식과 비교하기 위해서 자동으로 온도 제어가 되는 항온조를 사용하였다.

수화율은 시료의 수분흡수율과 부피팽창율을 구하여 확인했으며, 용출액을 분리, 증발, 건조하여 추출율을 구하였다.

3. 결과 및 고찰

마이크로파의 전계 강도는 두 가지 방법으로 조절될 수 있다. 양극 전압을 조절하여 일정한 전계 강도를 가진 마이크로파를 연속적으로 조사하는 방법과 센 전계 강도를 가진 마이크로파를 on/off controller를 이용하여 주기적으로 조사하는 방법이다.

Table 1. Ratio of water absorption and weight increase on heating mode at            temperature 40, 60℃.

	Heating mode	Temp. (℃)	Time (min)
			10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Water absorption ratio (kg water/kg dry soybean)	Water bath	40	0.23	0.38	0.46	0.50	0.60	0.67	0.69	0.71	0.75	0.76
	on/off control		0.24	0.39	0.53	0.59	0.66	0.73	0.78	0.81	0.82	0.83
	anode-voltage control		0.24	0.38	0.51	0.64	0.73	0.78	0.85	0.88	0.93	0.94
	Water bath	60	0.27	0.47	0.66	0.79	0.89	0.91	0.94	0.98	1.07	1.14
	on/off control		0.30	0.43	0.59	0.73	0.90	1.02	1.07	1.12	1.14	1.14
	anode-voltage control		0.28	0.45	0.62	0.80	1.01	1.07	1.18	1.22	1.27	1.28
Volume increase ratio (cm3 water/ cm3 dry soybean)	on/off controller	40	0.28	0.44	0.61	0.71	0.86	0.88	1	1.06	1.06	1.07
	anode-voltage control		0.23	0.44	0.67	0.78	0.93	1	1.06	1.14	1.15	1.19
	on/off control	60	0.25	0.63	0.8	0.88	1	1.12	1.22	1.25	1.31	1.38
	anode-voltage control		0.3	0.64	0.75	1	1.11	1.25	1.38	1.44	1.5	1.5

등온(40℃, 60℃)이 유지되도록 양극 전압과 on/off 주기를 조절하여 마이크로파를 연속적으로 조사했을 때와 주기적으로 조사하였을 때 및 항온 수조에서 가열하였을 때의 시간에 따른 수분흡수율을 Table 1과  Fig. 1에 나타내었다. 모든 방법에서 가열 초기 20분까지는 거의 차이를 나타내지 않았으나 이후부터 마이크로파 조사 방식과 온도에 따라 수분흡수율에 큰 차이를 나타내었다. 즉 40℃를 유지시키고 90분 동안 침지하였을 때 항온수조와 주기적 조사, 연속 조사의 경우 각각 0.75, 0.82, 0.93 kg water/kg dry soybean로 나타내었다. 한편 60℃에서는 각각 1.07, 1.14, 1.27 kg water/kg dry soybean의 수분흡수율을 나타내었다.

일반적으로 고체의 수분흡수율은 온도와 시간에 따라 증가하며 이와 같은 경향은 마이크로파를 이용하여 가열하였을 때도 비슷한 경향성을 나타냈었다. 그러나 마이크로파에 의하여 가열했을 때가 항온수조에서 가열하였을 때 보다 훨씬 높은 수분흡수율을 나타내는 것을 확인할 수 있었으며, 낮은 전계강도를 가진 마이크로파를 연속적으로 조사하는 것이 센 전계강도의 마이크로파를 주기적으로 조사하는 것 보다 수화에 더욱 효과적인 것을 알 수 있었다.

부피팽창율은 등온(40℃, 60℃)이 유지되도록 각각 양극전압과 on/off 주기를 조절하여 마이크로파를 연속적으로 조사했을 때와 주기적으로 조사하였을 때 시간에 따라 관찰하였다.(Fig. 2)  40℃를 유지시키면서 90분 동안 침지하였을 때 주기적조사와 연속조사를 하였을 경우의 부피팽창율은 각각 1.1, 1.14 cm3 water/cm3 dry soybean,  60℃에서는 각각 1.31 , 1.5 cm3 water/cm3 dry soybean을 나타내었다.

추출율은 90분 동안 침지하였을 때 주기적조사, 연속조사의 경우 각각 40℃에서는 0.008, 0.009 kg extract/kg dry soybean이었고 60℃에서는 0.034, 0.043 kg extract/kg dry soybean을 나타내었다.

시간에 따른 추출속도는 60℃에서 침지 후 천천히 증가하였고 30분에서 70분 사이에는 급격하게 증가한 후에 다시 완만한 경향을 나타내었다. 이것은 흡수와 부피팽창이 먼저 일어난 후에 침출이 일어나게 되는 것을 의미한다.

5. 참고문헌

1. 이삼휘, □마이크로파를 이용한 키토산의 제조□, 서울시립대학교, (1999).

2. M. K. Krokida, J. of Food Engineering, 40, 269(1999).

Fig. 1. Water absorption of soybeans during hydration at           temperature 40, 60℃.

Fig. 2. Volume increase of soybeans during hydration at            different temperature (40, 60℃) using microwave.

Fig. 3. Leaching loss of soybeans during hydration at              different temperature (40, 60℃) using microwave.