초음파로 개선하는 아이스크림 생산

고출력 초음파를 적용하면 고품질 아이스크림 생산에 여러 가지 유익한 효과를 얻을 수 있습니다. 초음파 처리의 주요 장점으로는 아이스크림의 결정 크기 감소와 동결 촉진이 있습니다. 이를 통해 초음파 처리는 품질과 소비자가 느끼는 감각을 개선하는 동시에 생산 비용을 줄입니다.

초음파가 아이스크림 제조에 미치는 영향

아이스크림 생산에는 소비자의 요구를 충족하는 고품질의 달콤한 식품을 얻기 위한 정교한 가공 공정이 필요합니다. 가공 단계가 복잡한 주된 이유는 아이스크림이 가장 복잡한 식품 중 하나이기 때문입니다. 아이스크림은 거품인 동시에 에멀션입니다. 아이스크림에는 얼음 결정과 얼지 않은 액체 혼합물이 들어 있습니다. 아이스크림 제조 중에 고출력 초음파를 적용하면 얼음 결정의 핵생성을 촉진하여 동결 과정에 수반되는 열 및 물질 전달 과정을 가속할 수 있습니다. 이를 통해 초음파 처리는 아이스크림 생산에서 결정 크기를 줄이고 동결 시간을 단축합니다. Mortazavi와 Tabatabaie의 연구에서는 20 min 동안 초음파 처리하면 아이스크림 가공 시 동결 시간을 약 30% 줄일 수 있는 것으로 나타났습니다.

아이스크림 생산과 초음파의 이점

아이스크림을 생산하려면 아이스크림 믹스가 필요합니다. 이 아이스크림 믹스는 우유, 분유, 크림, 버터 또는 식물성 지방, 설탕, 건물, 유화제, 안정제와 함께 과일, 견과류, 향료, 색소 등의 첨가물로 구성됩니다. 이 특수 혼합물은 균질화와 저온 살균을 거쳐야 하며, 이후 동결 과정에서 큰 얼음 결정이 형성되지 않도록 천천히 저어 줍니다. 이때 매우 작은 기포를 혼입하여(이른바 공기 혼입 공정) 아이스크림에 거품을 형성함으로써 부드러운 질감의 차가운 디저트를 만듭니다. 초음파 처리는 아이스크림 혼합물의 모든 성분이 균일하게 분포하도록 촉진하는 동시에 저온 살균에도 기여합니다. 액상 식품의 초음파 저온 살균에 관한 자세한 내용은 여기에서 확인하세요!
이어서 아이스크림 생산의 동결 단계에 초음파 처리를 적용합니다. 초음파 처리는 얼음 결정의 핵생성과 성장을 촉진하므로 동결 과정이 크게 가속됩니다. 동시에 초음파 처리는 얼음 결정의 크기를 줄여 균일하게 작은 얼음 결정을 얻을 수 있게 합니다. 이를 통해 아이스크림은 부드러운 질감과 기분 좋은 입안 감촉을 갖게 됩니다. 이 두 가지 품질 특성은 소비자가 매우 높이 평가하는 요소입니다.

아이스크림 생산 단계

아이스크림 제조는 다섯 단계로 이루어집니다:

1. 아이스크림 믹스 준비
2. 아이스크림 믹스의 균질화, 저온 살균, 숙성
3. 동결 및 공기 혼입
4. 성형 및 몰딩
5. 경화 및 포장

아이스크림 생산 단계.
출처:Dairy Processing Handbook. Tetra Pak Processing Systems AB, Lund, Sweden 발행. p.387.

초음파로 촉진하는 아이스크림 동결

동결 과정에서는 과냉각수로부터 결정이 형성됩니다. 얼음 결정의 형태는 냉동 및 반냉동 식품의 질감과 물리적 특성에 중요한 역할을 합니다. 얼음 결정의 크기와 분포는 해동된 조직 식품의 품질에 특히 중요하며, 아이스크림의 경우 큰 결정이 얼음 같은 질감을 만들기 때문에 작은 얼음 결정이 선호됩니다. 핵생성은 결정화 중 결정 크기 분포를 제어하는 데 가장 중요한 요인입니다. 따라서 동결 속도는 일반적으로 아이스크림의 얼음 결정 크기와 크기 분포를 제어하는 데 사용되는 매개변수입니다. 휘핑 및 동결 중에는 아이스크림의 부드러운 질감을 얻기 위해 공기를 주입합니다. 이른바 “오버런”, 즉 주입되는 공기의 양은 고형분과 물을 합한 부피에 비례하도록 – 각 레시피에 맞추어 – 조절합니다. 따라서 오버런은 아이스크림 배합과 공정 흐름에 따라 달라집니다. 표준 아이스크림의 오버런은 100%이며, 이는 최종 제품이 동일한 부피의 아이스크림 믹스와 기포로 구성된다는 뜻입니다.
Hielscher의 고성능 초음파 프로세서를 사용하면 결정화를 촉진하고 얼음 결정의 크기를 줄이며 동결 표면에 얼음층이 형성되는 것을 방지하여 아이스크림의 품질을 개선할 수 있습니다. 아이스크림의 결정 크기가 감소하고 기포 분포가 개선되어 더 나은 조직감과 더 크리미한 입안 감촉을 얻을 수 있습니다. 동결 시간이 약 30% 감소하여 동결 과정이 크게 단축되므로 공정 처리 용량이 늘어나고 생산 공정의 에너지 효율이 높아집니다.

과학적으로 입증된 초음파 처리에 의한 아이스크림 품질 개선

Aslan과 Dogan(2021)은 Hielscher의 프로브형 초음파 처리기 UP400St를 사용하여 초음파 처리가 아이스크림 생산에 미치는 영향을 조사했습니다(왼쪽 사진 참조). 연구 결과, 초음파는 캐비테이션을 통해 입자 크기 감소를 촉진하는 것으로 나타났습니다. 초음파 처리가 더 작은 얼음 결정을 만들어 아이스크림과 냉동 식품의 품질을 개선한다는 사실이 분명히 드러났습니다. 얼음 결정은 아이스크림에 고유한 입안 감촉을 부여하므로, 거친 구조를 방지하고 원하는 매끄러움과 부드러움을 얻으려면 동결 과정에서 가장 작은 결정을 얻는 것이 매우 중요합니다. 이 연구는 또한 초음파 균질화를 통해 잘 분산된 에멀션을 얻을 수 있다고 결론지었습니다. 소비자 패널을 대상으로 식품의 관능 특성과 풍미를 평가한 결과, 아이스크림의 초음파 균질화는 더 작은 얼음 결정과 그에 따른 기분 좋은 입안 감촉을 통해 소비자의 선호를 충족하는 데 도움이 되는 것으로 나타났습니다.
(Aslan and Dogan, 2021 참조)

아이스크림 생산용 고성능 초음파 식품 프로세서

Hielscher Ultrasonics는 식품 및 음료 산업을 비롯한 다양한 산업 분야에서 고출력 초음파를 적용해 온 오랜 경험을 보유하고 있습니다. 당사의 초음파 프로세서에는 세척이 용이한(정치 세정 CIP / 정치 멸균 SIP) 소노트로드와 플로우 셀(접액부)이 장착되어 있습니다.
Hielscher Ultrasonics의 산업용 초음파 처리기는 24/7 연속 운전 중에도 매우 높은 진폭을 제공할 수 있습니다. 낮은 강도부터 높은 강도까지 진폭을 정밀하게 제어하는 것은 아이스크림 배합에서 목표로 하는 제품 특성에 맞추어 초음파 처리 공정을 미세 조정하는 데 중요합니다.
Hielscher는 모든 규모의 초음파 식품 프로세서를 통해 아이스크림을 비롯한 식품 및 음료 제품의 배치 처리와 연속 처리를 위한 신뢰할 수 있는 시스템을 제공합니다. 소규모 수제 젤라토 매장에서는 초음파 처리기 모델 UP400ST(400 와트) 또는 UIP1000hdT(1000 와트)가 충분한 처리 용량을 제공하는 반면, 산업용 아이스크림 제조 시설에서는 처리량이 높은 초음파 처리기 모델 UIP6000hdT(6000 와트) 또는 UIP16000hdT(16,000 와트)를 설치합니다.
아래 표는 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여 줍니다:

문헌 / 참고문헌

• Mortazavi, A. and Tabatabaie, F. (2008): Study of Ice Cream Freezing Process after Treatment with Ultrasound. World Appl. Sci. J 4, 188-190.
• Aslan Türker, Duygu; Dogan, Mahmut (2021): Effects of ultrasound homogenization on the structural and sensorial attributes of ice cream: optimization with Taguchi and data envelopment analysis. Journal of Food Measurement and Characterization 15, 2021, 1-11.
• Vildan Akdeniz, A. Sibel Akalın (2019): New approach for yoghurt and ice cream production: High-intensity ultrasound. Trends in Food Science & Technology, Volume 86, 2019. 392-398.
• Petzold, G. and Aguilera, J. M. (2009): Ice Morphology: Fundamentals and Technological Applications in Foods. Food Biophysics Vol.4, No. 4, 378-396.
• Dairy Processing Handbook. Published by Tetra Pak Processing Systems AB, S-221 86 Lund, Sweden. p.387.