13. 용기 식품의 품온 이력 수리 모델의 정밀도 향상에 관한 고찰

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13. 용기 식품의 품온 이력 수리 모델의 정밀도 향상에 관한 고찰

 - Come up기, come down기의 보정 계수의 재검토 -

[제언]

통조림, 병조림, 레토르트 식품 등의 용기 포장 식품의 가열 살균의 정도는, 해당 냉점부의 온도 이력으로부터 산출되는 살균 값을 평가된다. 살균 값의 산정에는 실측의 품온 데이터를 사용하는 것이 최선인데, 실측 데이터의 수집에는 노력과 비용이 수반된다. 때문에 해당 용기 포장 식품의 온도 이력을 탁상 계산으로 추정 가능한 수리 모델이 개발되었다. 과거의 수리 모델의 대다수는, 계산의 실행 상, 열전달 parameter f, j를 필요로 한다. 그 중 f는 비교적 용이하게 구해지는데, j의 추정은 어렵다. Ball의 수식법에서는 가열기의 j를 come up time의 0.58배의 시각과 가열 곡선의 교점으로부터 구할 수 있다. 이 0.58은 일반적으로 “보정 0점” 또는 “보정계수” 라고 불리고 있는데, 경험 측에 근거하고 있어 논리적 근거는 부족하다. 또한 냉각기의 보정 계수는 고려하지 않고, j는 일률적으로 1.41의 정 값으로 되어 왔다. 또한, come up time 및 냉각 온도의 정의도 명확하게 되지 않았다.

최근, 테라시마(寺島)는 Ball의 식에 Duhamel의 정리를 적용한 이론적인 보정 계수를 발표하였다. 이것에 의하면 보정 계수는 가열기, 냉각기의 레토르트 온도의 패턴 및 열전달 parameter f의 영향을 받는다. 본 연구는 테라시마의 보정 계수를 적용하고, 과거의 수리 모델의 정밀도 향상을 목적으로 하였다. 또한, come up time 및 냉각 온도의 정의에 대해서도 검토하였다.

[보정계수]

테라시마의 보정 계수는 (식1) (식2)와 같다.

가열기의 보정계수 rh

(식1)

냉각기의 보정 계수 rc

(식2)

CUT: Come Up Time, CDT: Come Down Time

fh: 가열기의 f, fc: 냉각가의 f, Ts: 레토르트 초기 온도, IT: 내용초기 온도, RT: 살균온도, Tg: 가열 종료 시의 제품 온도, CW: 냉각 온도, dg(τ)/dτ: 레토르트 온도의 시간에 대한 1차 미분, τ: 시간

[방법]

앙금(시판품)을 4호캔에 525g 충전, 권체(卷締)한 통조림 시료를 검증용 모델로 하였다. 용기 중심에 온도 센서를 장착하고, 레토르트 살균을 행하였다(가열 매체: 포화 증기, 살균온도: 120℃, 살균시간: 90분, come up: 10.3분, 내용물 초기 온도: 25.9℃), 해당 시료의 가열기, 냉각기의 f, j를 테라시마의 보정식을 짜 넣은 자동 프로그램으로 산출하였다. 수리 모델에는 APNS법을 이용하였다. 또한 냉각기에 대해서, 본 연구에서는 가열 종료부터 레토르트 온도가 최저치를 기록하기 까지의 시간을 come up time으로 하고, 이 이후의 냉각 공정 종료 시까지의 주변 온도의 시간 평균을 냉각 온도로 정의하였다.

[결과]

1) 열전달 parameter f, j

해당 앙금 통조림의 열전달 parameter f, j의 산정 결과를 표1에 나타내었다. 가열기의 보정 계수는 테라시마의 방법에서는 0.29이고, 종래법의 0.58과는 다르다. 냉각기의 보정 계수는 이제까지 예는 없지만, 테라시마의 방법에서 0.63이었다. 이상, 가열기, 냉각기와의 보정 계수에 기초한 j를 산정하는 것이 가능하였다.

표1 모델 시험의 열전달 parameter

공정	f (초)	테라시마의 보정계수	j (종래법)	j (테라시마법)
가열기	3909.93	0.29	1.66	1.85
냉각기	4220.93	0.63	1.41	1.39

* 종래법: 가열기의 보정계수는 0.58, 냉각기의 보정계수는 없고 j는 1.41의 정 값으로 한다.

CUT: 10.3분, CDT: 23.5분, 냉각온도: 36.5℃

2) 품질 이력에 기초한 살균 값(F0 값)

테라시마의 방법에 의해 구해진 열전달 parameter f, j를 이용하여, 해당 앙금 통조림의 품질 이력의 simulation을 행하였다(도1). 가열기를 보면, 종래법의 보정 계수를 조건(계산 품온 1)에서는 실측보다도 높은 온도로 진행하였는데, 테라시마의 보정 계수의 조건(계산 품온 2)에서는 실측과 거의 일치하고 있다. 한편, 냉각기는 양 조건과도 온도 강하가 실측치보다도 빠른 경향을 나타내었다.

살균조건: 120℃, 살균 시간: 90분, CUT: 10.3분, CDT: 23.5분, 냉각온도: 36.5℃ 계산치: APNS법에 의해 생성한 품온 이력 계산 품온 1: 종래법의 보정계수(0.58)로 산출한 jh = 1.66을 사용(jc는 1.41) 계산 품온 2: 테라시마의 보정계수(0.29)로 산출한 jh = 1.85를 사용(jc는 1.39) 도1: 품온 이력(실측치와 계산치)의 비교

표2는 실측 품온 및 계산 품온에 기초하여 산출한 살균치(F0 값)의 결과이다. 가열기까지는 실측 F0 값이 3.08분, 계산 품온 1에서 4.01분, 계산 품온 2에서 3.25분이었다. 냉각기를 포함한 최종 F0 값은, 실측치가 7.22분, 계산 품온 1에서 7.66분, 계산 품온 2에서 6.86분이었다. 종래법의 조건에서는 살균치를 실측치 보다도 높게 추정하고, 실측치에 대한 오차도 큰 경향으로 되었는데, 테라시마법에서는 오차가 개선되고, 최종 살균치에서는 실측치보다도 낮은 값으로 되었다.

[결론]

이상, 테라시마의 보정 계수는, f, j를 parameter로 하는 과거의 품온 이력 수리 모델의 정밀도 향상에 유용하다고 생각되었다. 앞으로는 다양한 종류의 용기 포장 식품을 이용하여 검증을 행해 갈 예정이다.