분자 요리 및 기타 요리 응용 분야

초음파 처리는 셰프와 식품 과학자가 식품과 음료를 준비하는 방식을 바꾸고 있습니다. 초음파 추출, 침출, 유화 및 균질화는 창의적인 요리를 위한 초음파 처리기의 핵심 응용 분야입니다. 빠른 추출부터 더욱 매끄러운 에멀션과 한층 진한 향에 이르기까지 초음파는 탁월한 맛과 질감을 만들어 냅니다. 이 글에서는 셰프와 식품 기술자가 초음파 캐비테이션을 활용하여 칵테일부터 콩소메까지 다양한 음식과 음료를 어떻게 새롭게 만들어 내는지 알아봅니다.

원리에 대한 간단한 안내

Mark Gaston의 기고문

• 이 안내서의 내용 대부분은 쉽게 구할 수 있는 정보이지만, 사용된 용어에 익숙하지 않으면 읽고 이해하기 어려운 방식으로 작성된 경우도 있습니다.
• 아래에서는 소노트로드, 진폭 등 초음파 처리의 주요 용어와 이들이 요리 응용에 미치는 영향을 설명합니다.
• 아래 안내서는 초음파 균질기의 사용법을 과학적인 설명보다는 요리와 관련된 관점에서 설명하고자 합니다.

초음파와 식품에 대한 응용

초음파 균질화 기술은 오랫동안 다양한 형태로 사용되어 왔지만, 소규모 요리 응용 분야에는 이제 막 도입되고 있습니다. 균질기에는 전력을 금속 팁 또는 소노트로드의 고주파 진동으로 변환하고 제어할 수 있는 정교한 전자 회로가 들어 있습니다.
소노트로드는 가청 범위를 넘는 매우 높은 주파수로 주로 위아래로 움직입니다(예: 초당 26000회 또는 26Khz로 작동하는 초음파 처리기 UP200Ht의 경우). 소노트로드가 위아래로 움직이는 변위의 크기를 진폭이라고 하며, 일반적으로 9–240 µm 범위에서 조절할 수 있습니다(참고로 사람의 머리카락 두께는 평균 약 100 µm입니다). 간단히 말하면 소노트로드는 액체 속에서 위아래로 움직이는 피스톤처럼 작동합니다.
소노트로드가 액체에 잠긴 상태에서 위아래로 움직이면 소노트로드 주변의 액체에 고압 영역과 저압 영역이 생기며, 이로 인해 캐비테이션이라는 현상이 발생합니다. 주방에서는 압력을 낮추면(예: 챔버형 진공 포장기) 액체가 더 낮은 온도에서 끓고, 압력을 높이면(예: 압력솥) 더 높은 온도에서 끓는 것을 볼 수 있습니다.
소노트로드 팁에서 빠르게 변동하는 압력 맥동은 액체 내부에 기포를 형성한 후 급격히 붕괴시킵니다. 이 모든 현상은 미세한 규모로 일어나지만, 캐비테이션으로 발생하는 속도, 온도 및 압력 때문에 액체 내부에 막대한 힘이 생성됩니다. 주방에서는 바로 이 막대한 힘을 다음과 같은 작업에 유용하게 활용할 수 있습니다: 향미 추출을 위한 세포 파쇄, 유화, 또는 미립자 분해.

 

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그러나 이 장비를 사용할 때의 과제 중 하나는 식품의 품질을 높이는 방식으로 이 힘을 활용하고 제어하는 것입니다.
구입한 초음파 균질기 모델 UP200Ht에 따라 사용자가 이용할 수 있는 최대 출력이 정해지며, 균질기 자체에는 용도에 맞게 성능을 조절하는 데 사용할 수 있는 여러 변수가 있습니다. 이 안내서에서는 Hielscher 200 와트 초음파 처리기를 사용했습니다.

소노트로드 크기

장착된 소노트로드의 크기는 장치가 전력을 전달하는 방식에 큰 영향을 미칩니다.
아주 간단히 말하면, 소노트로드의 표면적이 클수록 주어진 진폭으로 구동하는 데 더 많은 전력이 필요합니다. 유체의 점도 역시 소노트로드를 주어진 진폭으로 구동하는 데 필요한 전력에 큰 영향을 미칩니다.
소노트로드를 피스톤이나 플런저라고 생각해 보십시오. 물처럼 묽은 액체가 담긴 냄비에서 피스톤을 매우 빠르게 위아래로 움직이는 것은 상당한 속도에서도 비교적 쉽습니다. 그러나 냄비에 걸쭉한 소스를 채우면 상황이 달라집니다. 점도가 높아지므로 액체 속에서 피스톤을 빠르게 위아래로 움직이려면 훨씬 더 많은 전력이 필요합니다. 피스톤이나 플런저의 크기를 키우면 액체 속에서 위아래로 움직이는 데도 더 많은 힘이 필요합니다.
소노트로드도 마찬가지입니다. 큰 소노트로드를 장착한 경우, 주어진 진동 진폭을 발생시키려면 점도가 낮은 유체에서보다 점도가 높은 액체에서 장치가 훨씬 더 큰 부하로 작동해야 합니다.
 

 

어떤 전력 설정에서든 작은 소노트로드는 표면적이 작기 때문에 큰 소노트로드보다 팁에서 더 큰 압력 변동과 더 높은 캐비테이션 강도를 발생시킵니다(전력이 더 작은 소노트로드의 표면적에 집중되기 때문입니다).
더 큰 소노트로드를 동일한 진폭으로 구동하려면 훨씬 더 많은 전력이 필요하므로, 동일한 진폭으로 구동하지 못할 수도 있으며 과부하로 인해 장치가 정지할 가능성도 있습니다. 이 경우 소노트로드의 크기를 줄이거나 출력이 더 높은 장치를 마련해야 합니다.
초음파 강도는 어떤 전력 설정에서든 표면적이 커질수록(소노트로드가 커질수록) 감소하는 반면, 초음파 전력 강도는 표면적이 작아질수록 증가합니다. 다시 말해, 작은 소노트로드는 좁은 면적에 많은 초음파 전력을 전달하는 반면, 큰 소노트로드는 더 넓은 면적에 전력을 분산시킵니다.

균질기를 사용할 때 시료에 가해지는 총 일은 균질기의 입력 전력 , 시료의 부피 및 시료의 노출 시간이 조합되어 결정됩니다. 재현성 있는 결과를 얻으려면 이 세 가지 매개변수를 모두 고려해야 합니다. 액체가 가득 담긴 작은 컵에 장치를 넣고 이 분 동안 처리한 뒤, 일 리터의 액체를 같은 시간 동안 처리해도 동일한 결과가 나올 것이라고 기대해서는 안 됩니다! 마찬가지로 시료량이 적고 입력 전력이 높으면 시료의 온도가 빠르게 상승한다는 점도 기억하십시오. 온도에 민감한 시료의 경우, 더 낮은 전력 설정으로 더 오랜 시간 처리하여 균질기가 투입한 에너지가 열로 방출될 수 있도록 하는 것이 좋습니다.
시료가 과열되면 포집하려던 향 성분 중 일부가 시스템 밖으로 빠져나갈 가능성이 큽니다.
특정 오일을 사용할 때 볼 수 있듯이, 높은 입력 전력은 시료의 분해를 유발할 수도 있습니다. 오일은 균질기 팁에서 높은 에너지 투입에 노출되면 분해되어, 전기 장치가 타는 맛이라고밖에 표현할 수 없는 매우 불쾌한 맛이 생길 수 있습니다!
온도에 민감한 재료는 얼음 수조를 사용하거나 시료에 드라이아이스를 조금 넣는 등의 방법으로 시료를 냉각하면 결과가 개선됩니다. 더 낮은 입력 전력으로 더 오랜 시간 처리하면 시스템에 방출되는 에너지를 분산시키는 데 도움이 됩니다. 초음파가 한 차례 발생한 뒤 다음 차례가 시작되기 전에 어느 정도 냉각될 수 있도록 장치를 펄스 모드로 사용하는 것도 같은 효과가 있습니다.
사용자는 균질기의 전자 제어 시스템에서 두 가지 주요 제어 모드 중 하나를 선택하여 장치를 작동할 수 있습니다.

진폭 제어

이 모드에서는 사용자가 소노트로드에 필요한 진폭을 최대 진폭에 대한 %로 선택합니다. 그러면 전자 제어 회로가 해당 진폭으로 소노트로드를 구동하려고 시도하며, 소노트로드에서 필요한 진폭을 유지하도록 장치의 입력 전력을 조절합니다. 소노트로드의 표면적이 너무 커서 장치의 가용 전력으로 이 진폭에서 구동할 수 없으면 진폭이 설정값에 도달하지 못하며, 과부하 상태에 이르면 장치가 정지할 수 있습니다.

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입력 전력 제어

이 모드에서는 사용자가 필요한 입력 전력을 와트 단위로 설정하며, 전자 제어 회로는 입력 전력을 사용자의 설정값으로 조절하기 위해 진동의 진폭을 조정합니다. 이 모드에서는 액체에 전달되는 전력을 조절하여 액체에서 발생하는 열을 제한할 수 있으므로, 더 민감한 시료의 손상을 방지할 수 있습니다.

펄스 모드

두 가지 작동 모드 외에도 펄스 모드가 있습니다. 이 모드에서는 전자 제어 회로가 주기적으로 켜지고 꺼지며, 사용자는 전체 시간의 10% 동안 켜지고 90% 동안 꺼지는 설정부터 90% 동안 켜지고 10% 동안 꺼지는 설정까지 시간을 지정할 수 있습니다. 이에 따라 맥동 효과가 발생하며, 시료에 투입되는 전체 전력을 제한하는 데 유용합니다. 또한 각 작동 주기에서 전자 제어 회로가 안정화되는 동안 초기 입력 전력이 높기 때문에 시료 내부에 충분한 교반을 일으키는 데도 유용합니다.

일반적인 사용 요령과 팁

균질기로 풍미를 침출시킬 때는 균질화 전에 고형물의 크기를 줄이면 더 좋은 결과를 얻을 수 있습니다. 이렇게 하면 고형물의 표면적이 넓어져 소노트로드에 노출되는 면적이 증가합니다. 균질기를 이용한 입자 크기 감소에도 같은 원리가 적용됩니다. 균질기는 거친 분쇄기가 아니라 정밀한 마무리 도구라고 생각하세요! 입자 크기를 줄이는 작업의 상당 부분은 소노트로드에서 발생하는 힘에 의해 가속된 입자들의 고속 충돌로 이루어집니다. 초음파 처리 전에 입자 크기를 어느 정도 줄이면 훨씬 더 좋은 결과를 얻을 수 있습니다. 입자 크기를 줄이는 작업의 대부분을 미리 마친 상태에서 시작하면 더 넓은 표면적이 초음파 처리에 노출되고, 더 작은 입자들이 액체 내에서 더 빠르게 가속되어 입자를 추가로 파쇄할 수 있는 힘으로 더 강하게 충돌하게 됩니다. 또한 균질기가 수행해야 하는 작업도 줄어들어 온도를 더 잘 제어할 수 있습니다.
균질기는 상당히 국소적인 영역에서 작용하므로, 예를 들어 수백 밀리리터 이상의 큰 시료를 처리할 때는 추가로 교반하여 소노트로드 주변의 시료가 계속 교체되도록 하면 시료 전체를 초음파 처리하는 데 도움이 됩니다. 이는 점도가 더 높은 시료에서 특히 중요합니다. 성능이 좋은 자석 교반기를 사용하면 이를 효과적으로 달성할 수 있습니다. 교반은 소노트로드 주변의 액체가 과열되지 않도록 하는 데도 도움이 됩니다. 얼음 수조를 사용하거나 시료에 드라이아이스 조각을 넣으면 초음파 처리로 전달된 에너지를 제거하는 데 도움이 됩니다. 앞서 설명했듯이, 물질이 온도에 민감하다면 더 낮은 전력 설정으로 처리 시간을 늘리거나 펄스 모드를 사용하거나 두 방법을 함께 사용하여 시료의 온도 상승을 제한하고 초음파 펄스 사이에 시료가 냉각되도록 하세요.

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참고 문헌

• Alex Patist, Darren Bates (2008): Ultrasonic innovations in the food industry: From the laboratory to commercial production. Innovative Food Science & Emerging Technologies, Volume 9, Issue 2, 2008. 147-154.
• Astráin-Redín, Leire; Ciudad-Hidalgo, Salomé; Raso, Javier; Condon, Santiago; Cebrián, Guillermo; Álvarez, Ignacio (2019): Application of High-Power Ultrasound in the Food Industry. InTechOpen 2019.
• Belgheisi S., Motamedzadegan A., Milani J.M., Rashidi L., Rafe A. (2021): Impact of ultrasound processing parameters on physical characteristics of lycopene emulsion. Journal of Food Science and Technology 58(2), 2021. 484-493.

 

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