서론
열 분석은 식품 및 음료 산업에서 제품 배합, 제조 공정 최적화, 품질 관리, 보관 조건 연구, 제품 유통기한 결정에 있어 매우 중요합니다. 기본적인 산업용 치즈 제조 공정은 저온 살균된 우유에 렌넷 효소를 첨가하여 응고를 유도하는 과정을 포함합니다. 그런 다음 응유는 유청과 분리되고, 분쇄되어 주어진 형태로 가공된 후 숙성 단계로 넘어갑니다(숙성이 필요한 경우). 치즈는 지방 구슬이 우유의 주성분인 단백질인 카제인으로 형성된 미셀에 의해 부유되어 있는 매우 독특한 구조를 가지고 있습니다. 배합 관점에서 볼 때, 다양한 고분자를 첨가하면 감각적 인식과 특성이 달라지는데, 피자 치즈에 히알루론산을 첨가하는 것이 그 예입니다 [1].
본 연구에서는 냉동과 같은 간단한 보관 방법이 다양한 종류의 치즈 특성에 어떤 영향을 미치는지 조사하고자 했습니다. 냉장 보관과 냉동은 치즈 생산 및 유통은 물론 가정 내 치즈 보관 방식에서도 매우 중요한 과정입니다. 또한, 녹은 치즈의 신장 특성을 측정하여 피자나 그릴드 치즈와 같은 요리에 사용했을 때의 성능을 평가할 수 있는지 조사하고자 했습니다.
동적 기계 분석(DMA)은 주로 고분자 재료의 점탄성 특성을 분석하는 데 사용되지만, 금속 및 세라믹을 측정하거나 특정 기계적 조건을 시뮬레이션하는 데에도 활용됩니다. NETZSCH 의 DMA 303 Eplexor® 은 -170°C에서 800°C(-274°F에서 1472°F)의 온도 범위에서 측정 가능하며, 1 mN에서 50 N에 이르는 힘을 가할 수 있고, 0.001~150 Hz의 주파수 범위에서 작동할 수 있는 다목적 데스크톱 장치입니다. 이 예시에서는 동결-해동 주기 전후의 화이트 체다 치즈와 파르메산 치즈의 기계적 특성을 측정하는 데 이 장치가 활용되었습니다.
그러나 저장 조건과 온도가 고체 치즈의 기계적 특성에 미치는 영향을 측정하는 것은 우리가 제품을 즐기는 방식의 절반에 불과합니다. 녹은 화이트 체다 치즈의 신장 특성도 측정하여 그릴드 치즈나 퐁듀와 같은 조리 상황에서 치즈의 성능을 파악했습니다.
NETZSCH 는 기존의 회전/진동식 레오미터와 고하중 모세관 레오미터를 모두 제공함으로써 레올로지 분야에서 독보적인 입지를 차지하고 있습니다. 이 두 기기를 함께 사용하면 전단 속도의 6개 수순 이상에 달하는 범위를 포괄할 수 있습니다. 이중 실린더와 제로 길이 노즐 구성을 사용함으로써, 전단 속도에 따른 전단 점도와 변형 점도를 동시에 측정할 수 있습니다. 이 경우, 녹은 화이트 체다 치즈의 보정된 변형 특성을 전단 속도에 따라 측정했습니다.
냉동이 치즈의 물성에 미치는 영향을 파악하기 위한 DMA 시험
그림 1에 표시된 바와 같이, 흰 체다 치즈와 파르메산 치즈 기둥 시편을 압축 모드에서 시험하여 온도에 따른 기계적 특성을 파악하였다. DMA를 이용하여 치즈 시료의 저장 탄성계수(E’)를 측정했는데, 이는 물질이 에너지를 저장하는 능력을 나타내며, 손실 탄성계수(E”)는 물질이 에너지를 소산하는 능력(일반적으로 내부 마찰에 의해 발생하는 열을 통해)을 나타내고, 그리고 손실 계수(E”)와 저장 계수(E’)의 비율인 감쇠 계수(tan δ)를 측정했습니다. 감쇠 계수는 가해진 힘에 대해 재료가 탄성적으로 또는 점성적으로 변형되는 능력을 나타냅니다. 마지막으로, 복소 탄성 계수(|E|로 표기되며, 수학적으로는 E’와 E”의 제곱합의 제곱근)는 온도에 따른 시료 간의 전반적인 강성을 비교하는 간단한 방법입니다.
본 연구에서는 4°C에서 냉장 보관만 한 후, 화이트 체다 또는 파르메산 치즈 시료를 20°C에서 55°C 또는 65°C(녹는점에 따라 다름)까지 가열하여 측정하였다. 동결-해동 주기의 영향을 파악하기 위해, 화이트 체다와 파르메산 시료를 -20°C에서 하룻밤 동안 보관한 후 해동하고 동일한 온도 프로그램에 따라 분석했습니다. 동결-해동 주기가 화이트 체다의 물성에 미치는 결과는 그림 2에, 파르메산의 물성에 미치는 결과는 그림 3에 표시되어 있습니다.
그림 2와 3에서 볼 수 있듯이, (단순히 냉장 보관된 후의) 치즈들 간에는 뚜렷한 차이가 나타나며, 파르메산은 화이트 체다에 비해 탄성 계수 값이 현저히 높았으며(25°C에서 E’ 3.02 대 0.39 MPa), 이는 파르메산이 경질 치즈로 분류된다는 점을 고려하면 예상된 결과입니다. 또한 두 치즈 모두 동결-해동 주기 후 탄성 계수 값과 감쇠 계수가 증가했으며 (25°C에서 파르메산 E’는 3.02에서 3.87로, 화이트 체다 치즈는 0.39에서 0.60 MPa로 증가) 이는 저장 조건이 재료에 영향을 미쳐 강성을 현저히 높인다는 것을 시사한다.
표 1은 25°C라는 특정 온도에서 각 시료의 결과를 요약한 것이다. E’와 E”의 상호작용을 이해하는 것은 치즈를 씹을 때의 감각, 즉 치즈가 치아에서 가해지는 힘에 저항할지 아니면 쉽게 굴복할지를 파악하는 데 중요하다 [2].
표 1: 25°C에서 백색 체다 치즈와 파르메산 치즈의 E', E'' 및 tan δ 값 요약
| 변수 | 해동 전 | 냉동 후 해동 | 냉동 후 증가율 |
|---|---|---|---|
화이트 체다 | |||
| E' (MPa) | 0.39 | 0.60 | 1.54 |
| E'' (MPa) | 0.13 | 0.22 | 1.69 |
| 탄 δ | 0.36 | 0.37 | 1.12 |
파르메산 | |||
| E' (MPa) | 3.03 | 3.87 | 1.28 |
| E'' (MPa) | 1.10 | 1.50 | 1.36 |
| tan δ | 0.36 | 0.39 | 1.08 |
흥미롭게도, 동결 후 증가된 강성의 효과는 실온에서 더 두드러지지만, 시료를 가열함에 따라 크게 감소한다는 점입니다(그림 2c 및 3c).
마지막으로, DMA 303 Eplexor® 은 극저온까지 도달할 수 있으므로 동결-해동 주기를 기기 내에서 직접 완료할 수 있다는 점을 주목할 필요가 있습니다. 그러나 치즈 기둥이 너무 단단해져 동적 변형을 위해 기기가 제공할 수 있는 힘보다 더 큰 힘이 필요하다는 사실이 밝혀졌습니다. 동결 과정에서 이러한 재료를 연구하려면 DMA 503 Eplexor® 와 같이 더 높은 하중을 가할 수 있는 장비가 필요합니다.
모세관 유변학, 압출 및 인출 시험
NETZSCH Rosand RH2000 , RH7/10 시리즈의 모세관 레오미터는 일반적으로 용융 상태의 고분자 점도를 파악하는 데 사용됩니다. 본 연구에서는 화이트 체다 치즈(파르메산 치즈는 잘 녹지 않음)와 같은 녹는 치즈의 점도를 전단 속도에 따른 변화로 측정하고자 했습니다. 시료는 65°C에서 측정되었는데, 이는 치즈의 신장성이 특히 중요한 퐁듀에 일반적으로 사용되는 온도이기 때문이다.
기본적인 점도 측정 외에도, Rosand 기기는 다양한 액세서리와 수학적 모델을 활용하여 인출력, 다이 팽창, 신장 점도 등의 추가적인 특성을 결정할 수 있습니다. Rosand의 트윈 보어(twin bore) 설계를 통해 긴 다이와 오리피스 다이를 사용하여 시료를 동시에 측정하고, Cogswell 모델을 통해 전단 점도 및 신장 점도를 계산할 수 있습니다. 실용적인 관점에서 볼 때, 이는 주어진 전단 속도에서 용융물이 얼마나 신장될 수 있는지를 보여줍니다. 즉, 주어진 속도로 피자 한 조각을 당겼을 때 녹은 치즈가 얼마나 늘어나는지를 의미합니다. 화이트 체다 치즈의 전단 및 신장 특성은 그림 4에 나와 있습니다. 화이트 체다 치즈는 전단 희석 현상을 보인다는 점에서 고분자의 일반적인 특성을 나타냈으며, 시료의 점도는 전단 속도가 증가함에 따라 감소했습니다.
뉴턴성 물질의 경우, 물질의 신장 점도가 전단 점도보다 3배 더 높다는 사실은 잘 알려져 있습니다. 폴리머 용융물의 경우, 신장 점도와 전단 점도의 비율은 훨씬 더 높아, 최대 몇 차수에 달하는 수준까지 이릅니다. 이 연구에서 화이트 체다 치즈는 전단 점도보다 수천 배나 높은 매우 높은 신장 점도를 가진 것으로 확인되었다. 실용적인 관점에서 볼 때, 이는 화이트 체다 치즈가 전단 작용을 받는 동안에도 높은 점도(꿀과 물을 비교해 보라)를 유지하므로 끊어질 가능성이 적음을 시사한다. 체다 치즈가 더 빠른 속도로 전단될수록 신장 점도는 낮아집니다. 따라서 치즈 당김 현상을 최적화하려면 충분히 높은 온도를 유지하면서 천천히 당겨야 체다 치즈가 늘어나는 거리를 극대화할 수 있습니다.
요약
열 분석 시험은 식품 및 음료 산업에서 제품 배합부터 유통 기한 결정에 이르기까지 모든 과정을 지원하는 데 있어 핵심적인 역할을 합니다. 본 연구에서는 다양한 NETZSCH 장비를 활용하여 저장 온도가 화이트 체다와 파르메산 치즈의 물성에 미치는 영향을 파악할 뿐만 아니라, 화이트 체다의 신장률과 같은 용융 상태의 물성을 측정하는 방법을 제시했습니다. 이를 통해 DMA 303 Eplexor®®를 사용하여 다양한 온도 범위에서 화이트 체다와 파르메산의 기계적 특성을 비교했습니다. 또한, 동결-해동 주기가 두 치즈의 탄성 계수를 현저히 증가시킨다는 사실이 밝혀졌으며, 이는 제품의 운송 및 취급 시 중요한 고려 사항입니다. Rosand RH2000 는 화이트 체다 치즈의 용융 특성, 특히 신장 특성을 모델링하는 데 활용되었습니다. 사용자 관점에서 볼 때, 이는 본질적으로 치즈를 가열한 후 나타나는 ‘늘어짐’ 현상을 모델링한 것으로, 마케팅 및 성능 평가에 있어 핵심적인 변수입니다.