초음파 처리와 애로루트 첨가가 아이스크림의 물리화학적 특성에 미치는 영향

원문: 

Kozłowicz, K.; Krajewska, M.; Nazarewicz, S.; Gładyszewski, G.; Chocyk, D.; Świeca, M.; Dziki, D.; Kobus, Z.; Parafiniuk, S.; Przywara, A.; et al. Examining the Influence of Ultrasounds and the Addition of Arrowroot on the Physicochemical Properties of Ice Cream.Appl. Sci.2023,13, 9816. https://doi.org/10.3390/app13179816

 초록

 

본 연구는 아이스크림 혼합물의 표준 살균 공정을 대체할 수 있는 초음파 살균 기술의 적용 가능성을 평가하고, 상업적 안정제(구아검(GG) 및 카복시메틸셀룰로오스(CMC))를 애로루트로 대체할 가능성을 조사하였다. 연구에서는 아이스크림의 화학 조성과 물리적 특성을 분석하였으며, X-선 회절 및 미세구조 분석을 수행하였다. 애로루트를 포함하고 초음파 살균을 거친 아이스크림은 총 고형분(47.17%), 단백질(16.26%), 환원당 함량이 증가한 반면, 지방 함량(6.60%)이 유의하게 감소하였다. 또한, 초음파 살균과 애로루트의 조합은 아이스크림 혼합물의 겉보기 점도를 감소(166.10 mPa·s)시켜 경도를 낮추고(19.97 N), 기포 함량(87.02%)을 증가시키며, 용해 시간을 연장(37.48분)시키는 긍정적인 영향을 미쳤다. 연구 결과, 애로루트는 CMC 및 GG를 대체할 수 있는 유망한 안정제이며, 초음파 살균 기술이 기존의 열처리 방식의 대안이 될 가능성이 있음을 시사한다.

 서론

아이스크림은 우유 또는 크림을 기본으로 설탕, 유화제 및 안정제를 혼합하여 냉동한 제품이다. 최근 연구들은 지속 가능한 생산 방식 및 혁신적인 기술 개발에 중점을 두고 있다. 특히, 살균 및 균질화 과정이 아이스크림 품질에 미치는 영향을 고려해야 한다. 기존 살균 방식으로는 고온(85°C, 5초) 또는 저온(65°C, 30분) 살균이 사용되며, 균질화 과정은 지방 입자의 크기를 줄여 유화 안정성을 향상시키는 역할을 한다.

초음파 기술은 에너지 효율성이 높고 친환경적인 대안으로 주목받고 있다. 초음파는 식품의 물리화학적 특성을 개선하고, 에멀젼 안정성을 증가시키며, 지방 및 단백질 구조를 변형시켜 유제품의 질감을 향상시키는 효과가 있다. 본 연구는 초음파 살균이 아이스크림 품질에 미치는 영향을 조사하고, 애로루트를 기존 안정제의 대체재로 활용할 가능성을 평가하는 것을 목표로 한다.

 

연구 방법

세 가지 유형의 아이스크림 샘플을 준비하였으며, 각각의 조성은 다음과 같다.
- CMC + GG(5%)를 포함한 전통적 아이스크림
- 애로루트(4%)와 대마씨유(5~6%)를 포함한 아이스크림
- 초음파 살균을 적용한 아이스크림

각 샘플은 전통적 살균(65°C, 20분) 또는 초음파 살균(20 kHz, 47.3 W·cm−3, 65°C, 15분)을 거친 후, 냉각 및 숙성과정을 거쳤다. 이후 기포 형성을 위해 5분간 공기를 주입한 후, 아이스크림 제조기로 -11°C까지 냉동하였다. 물리화학적 분석에는 고형분, 지방, 단백질, 환원당 함량 측정, X-선 회절 분석, 미세구조 분석이 포함되었다.

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결과 및 논의

1. 화학적 조성 분석
   - 애로루트를 포함한 아이스크림의 고형분 함량(48.91%)이 기존 안정제를 포함한 제품(45.75%)보다 높았다.
   - 초음파 살균 처리로 지방 함량이 감소(6.60%)했으며, 환원당 함량은 증가하였다.
   - 초음파 살균은 지방 입자의 크기를 감소시켜 유화 안정성을 향상시키는 효과를 보였다.

2. 항산화 활성 및 총 폴리페놀 함량
   - 대마씨유를 첨가한 아이스크림의 총 폴리페놀 함량은 10.40 mg/g로 측정되었으며, 항산화 활성 또한 증가하였다.
   - 초음파 살균은 항산화 성분의 생체이용률을 증가시키는 경향을 보였다.

3. 물리적 특성 분석
   - 초음파 살균과 애로루트를 조합한 샘플의 기포 함량이 가장 높았으며(87.02%), 경도가 감소(19.97 N)하여 부드러운 질감을 형성하였다.
   - 점도 감소(166.10 mPa·s)는 아이스크림의 부드러움을 증가시키는 요인으로 작용하였다.
   - 초음파 처리는 지방 입자의 크기를 균일하게 조정하여, 구조적 안정성을 증가시켰다.

4. X-선 회절 분석
   - 애로루트를 포함한 샘플에서는 아밀로스-지질 복합체의 결정 구조가 확인되었으며, 이는 안정제로서의 역할을 시사한다.

5. 미세구조 분석
   - 전통적 살균을 거친 아이스크림은 조밀한 구조를 보였으나, 초음파 살균을 거친 샘플에서는 기포가 더 크고 균일하게 형성되었다.
   - 이는 초음파가 단백질-지방 상호작용을 증가시켜 구조적 개선을 유도했음을 의미한다.

결론

본 연구는 초음파 살균이 기존 열처리 방식보다 환경 친화적이며, 생산 비용을 절감할 수 있는 대안임을 확인하였다. 애로루트는 아이스크림의 질감을 향상시키고, 점도를 낮추어 공기 함량을 증가시키는 효과를 보였다. 향후 연구에서는 아이스크림의 감각적 특성과 저장 안정성에 대한 추가 분석이 필요할 것이다.