초음파 처리와 식품 가공에서의 다양한 응용

고출력 초음파는 효과적이고 신뢰할 수 있는 식품 가공 응용에 다양한 가능성을 제공합니다. 식품 산업에서 가장 흔한 응용 분야로는 혼합 및 균질화, 유화, 분산, 세포 파쇄 및 세포 내 물질 추출, 효소의 활성화 또는 비활성화(초음파 강도에 따라 달라짐), 보존, 안정화, 용해 및 결정화, 수소화, 육류 연화, 성숙, 숙성 및 산화, 그리고 탈기 및 분무 건조가 있습니다.

아래에서는 식품 가공에 Hielscher 초음파 처리기를 활용하는 다양한 응용 사례를 선정하여 소개합니다. 관심 있는 응용 분야의 자세한 정보를 확인하려면 해당 링크를 클릭하세요!

초음파를 이용한 향미 성분 및 생리활성 화합물 추출

초음파 추출은 물질 전달을 촉진하고 세포 구조를 파괴하는 고강도 초음파를 가하여 생리활성 화합물, 향미 분자 및 단백질을 효율적으로 회수하는 데 식품 산업에서 널리 사용됩니다. 이로 인해 발생하는 캐비테이션 효과는 저온에서 작동하면서 추출 수율과 속도를 높여 민감한 화합물의 보존을 돕고, 강력한 용매 없이도 청정하고 규모 확장이 가능한 공정을 구현할 수 있게 합니다.

소스, 드레싱 및 크림의 초음파 유화

셰프와 식품 과학자들은 기름/물 혼합물에 초음파 처리를 적용하여 초미세하고 안정적인 유화물을 만들고 있습니다 – 과도한 열이나 합성 첨가제 없이도 가능합니다. 크리미한 소스와 벨벳처럼 부드러운 비네그레트부터 유제품을 함유하지 않은 크림과 섬세한 거품에 이르기까지, 초음파 캐비테이션을 통해 액적 크기와 분산을 정밀하게 제어할 수 있습니다.
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요구르트의 초음파 발효

요구르트는 우유만으로 또는 세균 배양물을 첨가하여 생산할 수 있는 발효유 제품입니다. 비피도박테리아 균주(예: BB-12, BB-46, B breve)는 요구르트 발효에 흔히 사용되는 프로바이오틱스입니다. 세균 세포에 가해지는 초음파 캐비테이션은 세포를 파괴하는 동시에 β-갈락토시다아제를 방출시킬 수 있습니다. β-갈락토시다아제는 우유 가공 산업에서 많이 사용되는 가수분해 효소입니다. 초음파로 인해 비피도박테리아 세포에서 β-갈락토시다아제가 방출되면 유당 가수분해가 더 빨라지므로, 초음파 보조 발효가 가속화됩니다.
초음파 균질화는 유지방구를 파쇄하여 매우 미세한 크기 분포를 형성합니다.
초음파 처리는 발효 속도를 높이고(총 생산 시간 최대 40% 단축) 요구르트의 품질 특성을 개선하여 더 높은 점도, 더 단단한 응고물 및 더 우수한 질감을 얻을 수 있게 합니다.

우유의 초음파 균질화

우유(예: 소젖, 물소젖, 염소젖 또는 낙타젖)는 탄수화물, 단백질 및 무기질이 용해된 수성 액체 안에 유지방구가 존재하는 에멀션 또는 콜로이드계입니다. 지방과 물은 두 상으로 분리되는 경향이 있으므로 균일한 제품을 얻으려면 우유를 균질화해야 합니다. 균질화는 우유 액체 내에 지방 분자를 고르게 분포시키는 것을 의미합니다. 초음파는 유제품 가공의 다양한 용도에 사용되는 잘 알려진 방법입니다. 우유를 초음파 처리하면 유지방구가 균질화되어 크기가 고르고 균일하게 분포합니다. 고출력 초음파를 이용한 균질화는 코코넛 밀크나 두유와 같은 식물 유래 우유 대체품(비건/유제품 무첨가)에도 효과적입니다.
Sfakianakis와 Tzia(2012)의 연구는 초음파 균질화가 유지방구(MFG)의 크기를 줄인다는 것을 보여 줍니다. 아래 현미경 이미지는 초음파 처리가 유지방 액적 크기에 미치는 영향을 보여 줍니다. 낮은 진폭(150W)에서는 만족스러운 균질화 효과가 나타나지 않았으며(그림 2), MFG의 크기와 분포는 처리하지 않은 우유와 유사했습니다(그림 1과 2 비교). 중간 진폭의 초음파(267.5, 375 W)는 우수한 균질화 효과를 보였으며, MFG의 평균 직경은 2 μm였습니다(그림 3, 4). 더 높은 진폭(750W)의 초음파는 MFG 크기를 크게 줄여(그림 6) 광학 현미경(100x 배율)으로도 거의 보이지 않게 했으며, 평균 직경은 0.3 μm였습니다.

고출력 초음파는 온화한 비열적 균질화 기술입니다. Sfakianakis 등(2011)은 우유에 대한 초음파의 뛰어난 균질화 효과를 보여 줍니다.

Chandrapala 등(2012)은 초음파 처리가 카세인과 칼슘에 미치는 영향을 조사했습니다. 연구진은 신선한 탈지유, 재구성한 미셀형 카세인 및 카세인 분말 시료에 초음파(20kHz)를 가했습니다. 유지방구가 약 10nm로 줄어들 때까지 시료를 초음파 처리했습니다. 초음파 처리한 우유를 분석한 결과, 카세인 미셀의 크기는 변하지 않은 것으로 나타났습니다. 초음파 처리 초기 몇 분 동안에는 가용성 유청 단백질이 소폭 증가하고 이에 따라 점도가 감소하는 현상도 나타났습니다. 이 연구에서는 초음파 처리 중 카세인 미셀이 안정적으로 유지되며, 가용성 칼슘 농도는 초음파 처리의 영향을 받지 않는 것으로 확인되었습니다. [Chandrapala et al. 2012]

제과용 설탕의 초음파 결정화

제어된 초음파 처리를 통해 결정 시딩(핵 생성)을 시작하고 결정 성장에 영향을 줄 수 있습니다. 초음파를 조사하면 더 작은 결정이 형성되어 결과적으로 결정의 수가 더 많아집니다. 초음파는 두 가지 방식으로 결정화 공정을 돕습니다. 첫째, 고출력 초음파는 결정화의 출발 물질인 균일한 용액을 만드는 데 매우 효과적인 도구입니다. 두 번째 단계에서는 초음파가 다수의 핵 형성을 돕습니다. 핵 생성이 원활하지 않으면 소수의 큰 결정이 형성되는 반면, 효율적으로 핵이 생성되면 다수의 작고 미세한 결정이 형성됩니다. 음장에서는 일반적으로 결정화되기 어려운 당류(예: D-과당, 소르비톨)의 핵 생성까지 유도할 수 있습니다.
초음파를 이용한 결정화 조절은 사탕, 과자류, 스프레드, 아이스크림, 휘핑크림 및 초콜릿의 배합에 활용할 만합니다.

식용유의 초음파 수소화

식물성 기름의 수소화는 중요한 산업적 대규모 공정입니다. 수소화를 통해 액체 식물성 기름은 고체 또는 반고체 지방(예: 마가린)으로 전환됩니다. 화학적으로 불포화 지방산은 상간 이동 촉매에 의한 수소화 반응 중 이중결합에 수소 원자가 첨가되어 그에 상응하는 포화지방산으로 전환됩니다. 이러한 촉매 반응은 고출력 초음파 처리로 가속할 수 있습니다. 일반적으로 사용되는 촉매는 니켈입니다. 수소화 지방은 제빵 제품에서 쇼트닝제로 널리 사용됩니다. 포화지방산의 장점은 산화되는 경향이 낮아 산패 위험도 낮다는 것입니다.

초음파를 이용한 꿀의 액화

초음파는 꿀의 품질에 영향을 주지 않으면서 꿀 속 결정을 액화하고 효모를 사멸시키는 효과적인 비열적 방법을 제공합니다.
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초음파를 이용한 주스와 스무디의 안정화

비열적 식품 가공 기술인 초음파는 풍미를 강화하고 주스, 스무디, 소스 및 퓌레를 안정화하고 보존하는 온화하면서도 효과적인 처리를 제공합니다. 주스의 초음파 처리 결과로는 풍미 개선, 안정화 및 보존 등이 있습니다.
초음파를 이용한 주스와 스무디의 품질 개선에 대해 여기에서 자세히 알아보세요!
초음파를 이용한 토마토 가공에 대해 자세히 알아보세요!
초음파 처리가 스테비아로 단맛을 낸 딸기 주스를 보존하면서 영양 성분 구성을 어떻게 개선하는지 알아보세요!

초음파를 이용한 와인과 증류주의 숙성

고출력 초음파는 효과적인 추출 능력과 목재 조직과 알코올음료 사이의 현저히 강화된 물질 전달을 통해 와인과 증류주의 오크 숙성을 돕습니다.
초음파를 이용한 와인 처리의 가능성에 대해 자세히 알아보려면 여기를 클릭하세요!
와인, 포도즙, 맥주 및 사케의 발효 과정도 상당히 가속할 수 있습니다. 50%에서 65%의 가속률이 달성되었습니다!
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초음파로 가속하는 아이스크림 동결

아이스크림을 생산하려면 아이스크림 믹스가 필요합니다. 이 아이스크림 믹스는 우유, 분유, 크림, 버터 또는 식물성 지방, 설탕, 건조 고형분, 유화제, 안정제와 과일, 견과류, 향료 및 색소 등의 첨가물로 구성됩니다. 이 특수 혼합물은 균질화와 저온 살균을 거쳐야 하며, 이후 동결 과정에서 큰 얼음 결정의 형성을 방지하기 위해 천천히 교반합니다. 이때 매우 작은 기포를 혼입하는 이른바 공기 혼입 공정으로 아이스크림을 부풀려 질감이 매끄러운 차가운 디저트를 만듭니다. 이 공정 단계에서 초음파 처리를 적용하여 아이스크림의 품질을 향상할 수 있습니다.
동결 과정에서는 과냉각된 물에서 결정이 형성됩니다. 얼음 결정의 형태는 냉동 및 반냉동 식품의 질감과 물리적 특성에 중요한 역할을 합니다. 얼음 결정의 크기와 분포는 해동한 조직성 식품의 품질에 특히 중요하며, 아이스크림에서는 큰 결정이 얼음 알갱이가 느껴지는 질감을 만들기 때문에 작은 얼음 결정이 선호됩니다. 핵생성은 결정화 과정에서 결정 크기 분포를 제어하는 가장 중요한 요인입니다. 따라서 동결 속도는 일반적으로 아이스크림 속 얼음 결정의 크기와 크기 분포를 제어하는 데 사용되는 매개변수입니다. 휘핑과 동결 과정에서는 아이스크림의 매끄러운 질감을 구현하기 위해 공기를 주입합니다. 주입되는 공기의 양인 이른바 “오버런”은 고형분과 물을 합한 부피에 비례하도록 배합법별로 조절합니다. 따라서 오버런은 아이스크림의 배합과 가공 흐름에 따라 달라집니다. 표준 아이스크림의 오버런은 100%이며, 이는 최종 제품에서 아이스크림 믹스와 기포의 부피가 같다는 뜻입니다.
Hielscher 고출력 초음파 균질기를 사용하면 얼음 결정의 크기를 줄이고 동결 표면에 얼음층이 형성되는 것을 방지하여 아이스크림의 품질을 높일 수 있습니다. 아이스크림의 결정 크기가 줄어들고 기포 분포가 개선되어 더 나은 물성과 더 크리미한 식감을 얻을 수 있습니다. 동결 시간이 현저히 짧아지면 공정 처리 능력이 높아지고 생산 공정의 에너지 효율이 향상됩니다.

초음파를 이용한 반죽의 공기 혼입

스펀지케이크와 같이 공기를 혼입한 식품은 초음파 처리를 통해 크게 개선할 수 있습니다. 반죽 혼합 단계에서 고출력 초음파를 적용하면 경도가 낮아지고 탄력성, 응집성 및 복원성이 높아져 스펀지케이크의 품질이 향상됩니다. 시험에서는 모든 재료를 한꺼번에 혼합하는 ‘올인’ 방법에 따라 저단백 통밀가루, 유화제, 옥수수 전분, 설탕, 베이킹파우더, 소금 및 신선한 전란을 동시에 넣어 반죽을 만들었습니다. 초음파 처리 전에 재료를 고르게 저어 섞어 균일한 반죽 혼합물에 초음파가 적용되도록 했습니다. 초음파로 공기를 혼입한 케이크는 대조군 케이크보다 경도, 검성 및 씹힘성이 낮았으며, 탄력성, 응집성 및 복원성은 약간 높았습니다.

초콜릿의 초음파 결정화 및 콘칭

초음파 처리는 추출 능력으로 잘 알려져 있습니다. 초음파 분쇄와 추출을 통해 카카오콩의 세포에서 코코아 버터를 방출시킬 수 있습니다.
초음파는 초콜릿의 설탕 결정을 부수는 대체 기술이며, 이를 통해 콘칭과 유사한 효과를 제공합니다.

초음파 육류 연화

육류에 강력한 초음파를 적용하면 육류 조직이 연화됩니다. 근육 세포에서 근원섬유 단백질이 방출되면서 상당한 연화 효과가 나타납니다. 초음파는 연화 효과 외에도 육류의 수분 결합 능력과 응집성을 향상시킵니다.
고출력 초음파와 초음파 처리기 MeatBuzzer를 이용한 육류 연화에 관한 자세한 정보는 여기에서 확인하세요!

주방과 바에서의 초음파 처리

초음파 식품 가공기는 고급 요리 주방에서도 사용되고 있습니다. Hielscher 초음파 처리기는 미쉐린 별 두 개를 받은 셰프 Sang-Hoon Degeimbre와 같은 정상급 셰프들이 사용합니다.
그의 유명한 초음파 새우 육수 레시피가 궁금하다면 여기를 클릭하세요!
초음파 칵테일 레시피를 보려면 여기를 클릭하세요!

코셔 및 할랄 식품 가공용 초음파 처리기

Hielscher Ultrasonics는 요청 시 자사 초음파 처리기에 대한 코셔 또는 할랄 인증을 제공할 수 있습니다. 이는 초음파 처리기가 이러한 종교적 식이법의 엄격한 지침에 따라 제조되고 처리되었음을 의미합니다. 코셔 인증은 동물성 부산물이나 유래 물질을 전혀 사용하지 않고 초음파 처리기를 생산했음을 보장하며, 할랄 인증은 이슬람 식이 원칙에 부합하는 방식으로 초음파 처리기를 취급했음을 확인합니다.

코셔 또는 할랄 인증을 받은 Hielscher 초음파 처리기가 필요하시면 문의해 주세요. 필요한 인증을 받을 수 있도록 기꺼이 준비해 드리겠습니다.