고압 처리의 에너지 효율 향상

고압 처리(HPP)는 식품 품질을 유지하면서 미생물학적 안전성을 확보하고 저장 수명을 연장하는 비가열 식품 보존 방법입니다. 그러나 내부에 갇힌 공기와 가스로 인한 에너지 비효율은 지속 가능한 운영에 과제가 됩니다. 압력 전달 액체와 액상 식품을 초음파로 탈기하면 압축성이 감소하여 에너지 손실이 최소화되고 HPP 공정의 전반적인 효율이 향상됩니다.

고압 처리(HPP): 에너지 효율 과제

고압 처리(HPP)는 액상 및 고형 식품의 미생물 불활성화와 품질 유지를 동시에 달성하는 주요 비가열 식품 보존 기술 중 하나입니다. HPP 기술은 식품의 관능적 특성이나 영양적 특성을 저해하지 않으면서 식품 안전성을 확보하고 저장 수명을 연장하므로, 최소한으로 가공된 제품을 선호하는 소비자 추세에 부합합니다. 그러나 HPP의 에너지 요구량은 운영상 상당한 과제가 되며, 특히 공정 내에 갇힌 공기와 가스로 인한 비효율이 주요 원인입니다. 이러한 과제를 해결하는 것은 지속 가능한 식품 생산을 위해 HPP의 잠재력을 최대한 발휘하는 데 핵심적입니다.

개요: HPP와 에너지 과제

HPP의 정의	과제	해결책
식품 품질을 유지하면서 미생물학적 안전성을 확보하고 저장 수명을 연장하는 비가열 식품 보존 방법입니다.	내부에 갇힌 공기와 가스로 인한 에너지 비효율로 운영 비용이 증가합니다.	초음파 탈기는 압축성을 줄여 에너지 손실을 최소화하고 HPP 효율을 향상시킵니다.

해결책: HPP 액체의 초음파 탈기

초음파 탈기는 압력 전달 액체와 액상 식품 모두에서 내부에 갇힌 공기와 가스를 제거하여 고압 처리(HPP)의 에너지 효율을 높이는 효율적인 해결책입니다. 고출력 초음파를 가하면 초음파 캐비테이션이 기포의 빠른 합체와 방출을 촉진하여 압축성을 줄이고 압축 중 에너지 손실을 최소화합니다. 이러한 최적화는 운영 비용을 낮출 뿐 아니라 공정 안정성도 높여, 식품 보존을 위한 HPP의 지속 가능성과 효과를 향상시킵니다.

물의 초음파 탈기

HPP의 작동 원리

고압 처리(HPP)는 일반적으로 유연한 방수 포장에 담긴 식품에 최대 6,000 bar(600 MPa)의 극도로 높은 압력을 가하는 방식으로 작동합니다. 공정은 물이 채워진 고압 용기에서 다음과 같은 간단한 순서로 진행됩니다:

투입: 포장된 제품을 플라스틱 바스켓에 넣어 고압 용기 내부로 이송합니다.
가압: 용기에 물을 채워 압력 전달 매체로 사용합니다. 그런 다음 시스템을 원하는 압력 수준까지 가압하며, 일반적으로 몇 분 동안 유지합니다.
등방압 효과: 제품의 크기, 형태 또는 조성에 관계없이 제품 전체에 압력이 균일하고 순간적으로 가해집니다. 이 등방압은 제품을 으깨거나 변형시키지 않으면서 식품 매개 미생물과 부패 효소를 불활성화합니다.
감압 및 배출: 용기를 감압하고 물을 배수한 다음 처리된 제품을 외부로 이송하여 섭취하거나 추가 가공할 수 있도록 합니다.

고압 처리는 식품 가공 중 에너지 손실로 인해 에너지 요구량이 극도로 높다는 중대한 과제를 안고 있습니다.

고압 처리(HPP)
© Balakrishna et al., 2020

HPP 방법은 맛, 식감 및 영양소 함량을 보존하면서 식품 안전성을 확보합니다. 그러나 이 공정에는 상당한 에너지 투입이 필요하며, 이러한 에너지 요구량은 여러 운영상의 비효율에 영향을 받습니다.

HPP의 높은 에너지 소비에 따른 과제

HPP의 주요 단점 중 하나는 높은 에너지 소비입니다. 이 공정에 많은 에너지가 필요한 이유는 다음과 같습니다:

물(압력 전달 액체)의 가압: 등방압을 전달하는 데 사용하는 물을 압축하고 목표 압력을 유지하려면 상당한 에너지가 필요합니다.
압력 전달 액체 내부에 갇힌 공기와 가스: 물속의 기포는 압력 전달 효율을 낮춰 에너지 요구량을 증가시킵니다. 이러한 기포는 가압 중에 압축되면서 식품 처리에 사용될 수 있는 에너지를 흡수합니다.
포장 제품 내부의 가스: 포장 식품 내부에 갇힌 공기나 가스(예: 통조림 또는 반고형 제품 내부)도 마찬가지로 에너지 손실을 유발합니다. 내부 가스 포켓을 압축하려면 추가 에너지가 필요하며, 압력의 균일성을 저해할 수 있습니다.
열에너지 손실: HPP는 비가열 공정으로 간주되지만 물의 압축과 장비 마찰로 인해 일부 에너지가 열로 소산됩니다. 이로 인해 운영 비용과 냉각 요구량이 증가합니다.

내부에 갇힌 공기와 가스가 HPP 에너지 요구량에 미치는 영향

공기와 가스의 존재는 HPP의 효율에 상당한 영향을 미칩니다:

압력 전달 효율 감소: 공기와 가스는 액체보다 쉽게 압축되므로 용기 내부에서 동일한 압력에 도달하려면 추가 에너지가 필요합니다.
처리 시간 증가: 내부에 갇힌 공기와 가스는 등방압의 안정화를 지연시켜 사이클 시간을 늘립니다.
에너지 낭비: 압축된 가스 포켓은 감압 시 에너지를 방출하며, 이 에너지는 회수할 수 없어 전반적인 비효율을 초래합니다.

이러한 영향은 본래 공기 함량이 높은 식품이나 통조림 또는 진공 포장 제품처럼 헤드스페이스 가스가 갇히는 포장 형태의 제품을 처리할 때 특히 두드러집니다.

HPP의 에너지 과제를 해결하기 위한 전략

HPP의 에너지 효율을 개선하려는 노력은 시스템 내부의 공기와 가스가 미치는 영향을 줄이는 데 초점을 맞춥니다:
전처리 – 초음파 탈기:
초음파를 가하여 압력 전달 액체와 식품에서 용존 공기 및 가스를 제거하면 에너지 낭비를 크게 줄일 수 있습니다. 초음파 캐비테이션은 기포를 효과적으로 파괴하여 가압 전에 가스가 빠져나가도록 합니다.
또한 제품, 특히 통조림이나 밀봉 제품은 진공 상태에서 초음파 탈기를 거친 후 굳을 수 있습니다.

24kHz 주파수에서의 초음파 탈기가 더 높은 주파수에서의 초음파 처리보다 효율적인 것으로 나타났습니다. (참조: Rognerud et al. 2020)

시간에 따른 용존 산소 감소 – 진폭 100 %, 80 %, 60 %, 40% 및 20 %에서 초음파 처리기 UP400ST 사용.
연구: ©Rognerud et al., 2020.

지속 가능한 HPP를 위한 대안으로서의 초음파 처리

고성능 초음파를 온화한 가열과 결합하거나(열초음파 처리), 고압 및 온화한 가열과 결합하는(압력 열초음파 처리) 하이브리드 HPP 시스템은 온화한 조건과 낮은 에너지 소비로 신뢰할 수 있는 균질화 및 저온 살균을 제공하는 유망한 대안 기술입니다. 초음파 저온 살균은 인라인 공정이므로 대용량도 높은 비용 효율로 처리할 수 있습니다.
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HPP는 식품 가공에 널리 사용되지만, 에너지를 많이 소비하는 특성에 내부에 갇힌 공기와 가스로 인한 비효율까지 더해져 중대한 과제가 됩니다. 초음파 탈기와 같은 전략을 도입하면 식품 산업은 HPP의 지속 가능성과 비용 효율성을 높일 수 있습니다.
Hielscher Ultrasonics는 HPP 최적화를 위한 공정 솔루션 분야의 신뢰받는 파트너로서, 에너지 효율과 공정 신뢰성을 개선하는 첨단 초음파 기술을 제공합니다. 또한 Hielscher는 시너지 효과를 내는 초음파 보조 식품 저온 살균을 위한 혁신적인 솔루션을 제공하여 고품질의 안전한 식품을 보장합니다.

이 영상은 점성 오일(40cP)을 효율적으로 탈기하는 과정을 보여줍니다. 초음파 처리는 액체에 부유하는 작은 기포를 제거하고 용존 기체의 농도를 자연 평형 수준 이하로 낮춥니다.

문헌 / 참고 자료

Rognerud, Maren; Solemslie, Bjørn; Islam, Md Hujjatul; Pollet, Bruno (2020): How to Avoid Total Dissolved Gas Supersaturation in Water from Hydropower Plants by Employing Ultrasound. Journal of Physics: Conference Series 2020.
Oner M.E. (2020): The effect of high pressure processing or thermosonication in combination with nisin on microbial inactivation and quality of green juice. Journal of Food Processing and Preservation 2020; 44:e14830.
Evelyn, Filipa V.M. Silva (2016): High pressure processing pretreatment enhanced the thermosonication inactivation of Alicyclobacillus acidoterrestris spores in orange juice. Food Control, Volume 62, 2016. 365-372.
Balakrishna, Akash Kaushal, Md Abdul Wazed, Mohammed Farid (2020): A Review on the Effect of High Pressure Processing (HPP) on Gelatinization and Infusion of Nutrients. Molecules 25 (10), 2020. 2369.

자주 묻는 질문

압력 전달 액체의 탈기란 무엇인가요?

탈기는 에너지 효율과 공정 안정성을 개선하기 위해 고압 처리(HPP)에 사용하는 액체에서 용존 가스와 내부에 갇힌 가스를 제거하는 것입니다. 탈기는 압축 가능한 가스를 제거함으로써 압력 손실을 줄이고 균일한 압력 분포를 촉진하며 HPP 시스템에서 캐비테이션으로 인한 마모를 최소화합니다.

고압 처리 HPP란 무엇인가요?

HPP는 최대 600 MPa의 정수압을 가하여 관능적 품질과 영양적 품질을 보존하면서 미생물을 불활성화하는 비가열 식품 보존 방법입니다. 열을 사용하지 않고 저장 수명을 연장하고 식품 안전성을 확보하며 생리활성 화합물을 유지하므로, 신선 식품과 최소 가공 식품에 적합합니다.

고압 처리 HPP를 사용할 때의 문제점은 무엇인가요?

HPP의 주요 과제에는 높은 에너지 소비, 압력 전달 액체 내부에 갇힌 공기로 인한 공정 비효율, 높은 장비 비용이 포함됩니다. 또한 HPP는 대부분의 영양형 병원체에 효과적이지만, 온화한 가열(압력 보조 열처리, PATP)과 같은 추가적인 허들 처리가 없으면 세균 포자를 불활성화하지 못합니다.

저온 살균과 HPP의 차이점은 무엇인가요?

저온 살균은 열(일반적으로 60–85°C)을 통해 미생물을 불활성화하는 가열 공정으로, 식품의 식감과 영양 성분 구성을 변화시킬 수 있습니다. 반면 HPP는 압력으로 미생물을 불활성화하는 비가열 방법으로, 저장 수명을 연장하면서 식품 본래의 맛, 식감 및 영양소를 보존합니다.