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KOREAN J. FOOD SCI. TECHNOL. Vol. 47, No. 1, pp. 63~69 (2015)
Analysis of the Causes of Deformation of Packaging MaterialsUsed for Ready-to-Eat Foods after Microwave Heating
Chan Suk Yoon, Seung In Hong, Ah Reum Cho, Hwa Shin Lee1, Hyun Woo Park1, and Keun Taik Lee1,*
Packaging Research Center, CJ Cheiljedang1Department of Food Processing and Distribution, Gangneung-Wonju National University
Abstract The aim of this study was to investigate the deformation of packaging materials used for ready-to-eat (RTE)foods after the retort process and microwave heating. From the multilayer films consisting of polyethylene terephthalate(PET), polyamide (PA), and cast polypropylene (CPP) in a stand-up pouch form used for RTE foods, some deformationof the CPP layer, which was in direct contact with the food, was observed after the retort process and microwave heating.The damage was more severely caused by microwave heating than by the retort process. This may be attributed to diversefactors including the non-uniform heating in a microwave oven, the sorption of oil into the packaging film, and thedifferent characteristics of food components such as viscosity, salt and water content. The development of heat-resistantpackaging materials and systems suitable for microwave heating of RTE foods is required for the safety of consumers.
*Corresponding author: Keun Taik Lee, Department of Food Pro-cessing and Distribution, Gangneung-Wonju National University,Gangneung, Gangwon 210-702, KoreaTel: 82-33-643-2333Fax: 82-33-647-4559E-mail: [email protected] July 1, 2014; revised January 13, 2015;accepted January 16, 2015
Fig. 1. Effect of retort process and microwave (MW) heating on physical changes of packaging film layers with hot spicy sauce (A-1, B-
1, and C-1: surface change of retort pouches, A-2, B-2 and C-2: Cross sectional observation of film layers using a microscope).
Table 3. Effect of retort process and microwave heating on lipid content adsorbed into the retort pouch film with hot spicy sauce during
the retort process and microwave heating
Food sampleBefore the retort process (mg/dm2) After the retort process (mg/dm2)
Before MW heating After MW heating Before MW heating After MW heating
Hot spicy sauce 5.6±0.4c1) 30.8±0.1c 630.7±54.3b 766.0±64.4a
1)Values are means of triplicate determinations±SD.a-bMeans with different letters in same column are significantly different by Duncan’s multiple range test (p<0.05).
전자레인지 가열에 의해 열 변형된 포장재 분석 67
절단한 모서리 부분(②)에서 가장 먼저 온도가 상승하였다. 그 후
내용물의 가장자리에서부터 중심 쪽(③)으로 가열이 이루어졌으
며, 가장 온도가 높이 올라가는 부분은 내용물의 충진 경계인 액
위선과 sealing된 모서리 쪽인 반면, 소스의 중앙 부분은 가장 낮
게 올라가는 것을 확인할 수 있었다.
열화상 카메라는 시료가 가열되는 전자레인지 외부에서 적외
선의 반사에 의하여 측정되는 원리를 이용하는 것인데, 전자레인
지의 경우 기기의 문에 달린 철망과 유리 등 반사를 방해하는 장
치들로 인하여 실제 가열되는 식품의 온도가 정확히 측정되지는
않는 것으로 판단되었다. 그럼에도 불구하고 열화상카메라는 전
자레인지 내 가열되는 식품에서의 온도 분포와 상승 속도를 파
악하는 용도로는 활용될 수 있는 것으로 판단되었다.
그러나 열화상카메라의 한계를 극복하고 전자레인지 조리 중
포장내부의 내용물의 가열패턴을 좀 더 정확히 관찰하기 위하여
광섬유 온도계를 이용한 온도측정을 시도하였다. 이때 광섬유 온
도센서는 Fig. 3에서 보는 바와 같이 열화상 카메라 측정에서 확
인된 가장 높은 온도 상승 지점인 액위선과 sealing에 의해 형성
된 가장자리 부위, 그리고 가열 균일성의 척도가 되는 내용물 중
심부에 장착하여 관찰하였다. 그 결과 초기 온도 상승 속도가 가
장 빠른 가장자리 sealing면 부위 (T1)에서 3-4초 만에 110oC까지
상승한 후 이 온도 대를 유지하였는데, 일부 시료에서는 순간적
으로 190oC까지 상승하는 현상도 확인되었다. 액위선 부위(T2와
T3)의 온도는 가장자리 sealing 부위와 비교하여 상승 속도는 느
렸지만 가열 후 20초 만에 100-120oC에 가깝게 온도 상승이 일
어났으며, 가열시간이 증가할수록 더 높은 온도까지 상승된다는
것을 확인할 수 있었다. Ohlsson과 Bengtsson(13)은 포장재가
sealing되어 접힌 측면이나 모서리 부위가 전자파를 모으는 안테
나와 같은 역할을 하여 다른 부위에서보다 온도가 더 상승할 수
있다고 보고한 바 있다. 반면 내용물 중앙(T4)에서는 2분의 가열
시간 동안 최대 온도가 55oC까지 상승하였으며, 초기 온도 상승
속도도 0.13oC/sec으로 다른 부위에 비하여 상대적으로 느리게 관
찰되었다.
본 연구에서 확인된 바와 같이 다른 여러 연구에서도 전자레
인지 조리 시 포장 내용물의 가열이 매우 불균일하게 일어난다
고 보고한 바 있다(4,5,14). 이와 같은 전자레인지 가열 시 온도
의 불균일성은 포장 내부의 특정 부위가 이상적으로 과열되어 용
융점이 160-170oC로 비교적 높은 편인 CPP 재질이 식품과 접촉
하는 내면 재질로 사용되었음에도 불구하고 국소적인 포장재 열
변형 현상이 야기될 수 있는 것으로 판단된다. 식품 내 불균일한
가열과 국소적 과열 현상의 원인으로는 전자레인지 가열 중 전
자파가 모일 수 있는 모서리나 접힌 부분의 존재 등 포장 형태
도 한 원인이 될 수 있을 것으로 추정되므로, 전자레인지 가열
조리용 제품의 포장 설계 시 균일한 전자파의 분포가 이루어질
수 있도록 이를 고려하여야 할 것이다.
식품 성분에 의한 포장재의 열 변형 원인 조사
Table 1에 제시된 시료들 중 포장재의 열 변형이 나타나는 매
운 소스 제품에 공통적으로 사용된 식재료들을 조사한 결과, 소
금, 설탕, 마늘, 생강, 후추와 고추분인 것으로 확인되었다. 그러
나 이러한 식재료들을 포함하고 있는 모든 제품에서 전자레인지
가열 조리 후 포장재의 열 변형이 나타난 것은 아니었다(data not
shown). 따라서 유사한 식재료로 생산된 제품들만을 분류하여 전
자레인지 가열 후 식품의 형상과 점도, 염도, pH 및 당도를 측
정 비교해 보았다(Table 4).
전자레인지 가열 후 포장재의 열 변형 현상이 나타난 매운 소
스 제품의 경우 열 변형이 나타나지 않은 제품과 비교하여 내용
물의 표면층이 건조되어 분리되는 현상을 확인할 수 있었다. 표
면이 다소 건조된 상층부와 유동성이 있는 하층부의 수분 함량
을 각각 측정한 결과, 각각 66%와 71%로 확인되었다. Ni 등(20)
도 전자레인지 조리 시 불균일한 가열에 의하여 수분이 손실되
어 품질 저하가 발생한다는 것을 보고한 바 있다. 표면의 수분
손실은 내용물의 품질 저하뿐만 아니라 가열 패턴을 변화시키는
Fig. 2. Changes of temperature distribution in the hot spicy sauce samples measured by using an infra-red thermal-imaging camera
during microwave heating (1: headspace, 2: cutting part, 3: sauce (dotted red line: the highest temperature zone by microwave heating).
Fig. 3. Temperature measurement in the stand-up pouch filledwith hot spicy sauce by using a fiber optical thermometer during
microwave heating (T1: corner side of sealing layer of pouch
near filling level, T2: front inside surface layer of pouch at fillinglevel, T3: back inside surface of pouch at filling level, T4: middle
of sauce).
68 한국식품과학회지 제 47권 제 1호 (2015)
요인으로도 작용한다고 보고되고 있다(21). 즉, 전자레인지는 마
이크로파와 수분의 상호작용에 의하여 열을 발생시키며(22), 수
분은 이온화 물질을 녹이는 용매 역할을 함으로써(4), 물질의 유
전적 특성에 영향을 미치기도 한다. Chandrasekaran 등(23)은 빵
이나 밀가루와 같은 식품의 유전특성이 수분함량에 의존적이라
고 보고하였다. Guardeo 등(5)은 자유수에 의하여 전자레인지 가
열 효율에 영향을 미칠 수 있다고 보고하였다. 그러므로, 식품 중
수분 함량의 분포가 전자레인지 가열 패턴 중 중요하게 고려되
어야 하며, 특히 다른 물질과의 상호 작용에 의하여 중요한 요인
으로 작용할 것으로 판단된다. Koskiniemi(24)도 수분뿐만 아니라
염 또는 회분이 전자기장 상호 작용과 직접 관련이 있는 성분들
이며, 당, 전분, 펙틴 및 기타 다른 탄수화물과의 상호 작용에 의
해서도 물질의 유전적 특성에 영향을 미칠 수 있음을 보고한 바
있다.
Table 4의 결과를 보면, 전자레인지 가열 조리 후 포장재 열
변형을 나타낸 A제품의 경우 그렇지 않은 제품들과 비교하여 점
도와 염도, 당도가 모두 높게 나타나는 경향이 나타났다. 전자레
인지 가열 시 내용물의 점도 상승은 자연 대류를 감소시켜 균일
한 가열을 방해함에 따라 최종 온도가 낮아져 cold spot이 발생
될 수 있다는 보고가 있다(15). 또한, 식품의 내용물 중 소금은
전자파의 침투 깊이를 감소시켜 전자파에 의한 내용물의 균일한
가열을 어렵게 한다고 보고되었다(5,24). 그리고 식품 중 설탕 농
도가 높아질수록 전자파가 유전체에 조사될 때 열 에너지로 전
환되는 정도를 나타내는 유전손실 값이 낮아진다는 보고가 있다
(22). 이와 같은 선행 연구와 본 연구 결과들을 고려하였을 때 내
용물의 불균일한 가열은 점도와 염도에 의해 주로 영향을 받을
것으로 판단되어, 이에 대한 검증을 위하여 내용물의 점도와 염
도를 조절한 모델 실험을 수행하였다.
Xanthan gum과 NaCl로 점도와 염도를 조절한 시료액들이 전
자레인지에서 가열되는 동안 hot spot과 cold spot에서의 초기 온
도 상승 속도를 비교한 결과는 다음 Table 5와 같다. Hot spot과
cold spot에서의 온도 상승 속도의 비율이 1.0에 가까운 값을 가
질수록 가열 패턴이 균일함을 의미하는데, 염의 함량이 증가할수
록 hot spot과 cold spot에서의 온도 상승 속도 비율이 높아져 불
균일한 가열이 이루어짐을 확인할 수 있었다. 본 모델 실험에서
확인된 바와 같이 염 농도에 의한 가열상승 속도의 차이는 염에
의한 전자파의 침투 깊이의 감소에 기인한 것으로 판단된다(5,24).
Table 5에서 보는 바와 같이 xanthan gum의 첨가는 첨가되지 않
은 시료와 비교하여 hot spot에서의 온도 상승이 빠르게 나타남
을 확인 할 수 있었다. 특히 2%와 4%의 염이 함유된 xanthan
gum 혼합 용액에서 염 농도가 증가할 수록 hot spot 현상은 급
격히 증가하는 것으로 확인되었다. 반대로 cold spot에서의 온도
상승은 예상대로 정체되어 포장재 내 내용물이 균일하게 가열되
지 않는다는 것을 확인하였다. 4% 혼합 염용액에서 hot spot과
cold spot 부분의 온도 상승률은 약 7,000배 정도의 차이가 발생
하는 것으로 확인 되었다. 본 모델 실험을 통하여 포장된 내용물
의 점도와 염 함량은 전자레인지 조리 시 내용물의 불균일한 가
열과, 이로 인하여 국소적으로 포장 내 온도가 급격하게 상승되
어 발생하는 hot spot이 주요 원인임을 확인할 수 있었다. Guadeo
등(5)은 제품의 물성 중 점도에 영향을 주는 성분인 전분과 카라
기난은 이온적 특성이 다르기 때문에 내용물의 유전성질을 변화
시킬 수 있다고 보고하였고, Chandrasekaran 등(23)은 점도뿐 아
니라 내용물의 입자 크기나 구조 등도 포장된 식품의 불균일한
가열에 영향을 줄 수 있다고 보고하였다.
본 연구를 통하여 확인된 전자레인지 가열 조리 시 발생하는
포장재 열 변형은 식품에 함유된 당, 수분과 염과 같은 성분들이
내용물의 점도에 영향을 미치면서 유전 특성의 변화, 자연 대류
의 억제, 그리고 전자파 침투 깊이의 감소와 같이 내용물 가열
시 열의 고른 분포를 방해하는 환경이 조성되어 발생하는 것으
로 사료된다. 이와 같은 결과는 Hegenbart(25)도 유사하게 보고한
바 있다. 그러나 본 연구에서 확인된 내용 이외에도 식품의 구성
성분간의 복합적 상호 작용에 의한 불균일한 가열 패턴과 이로
인하여 야기되는 포장재의 열 변형의 원인에 대해서는 추가적인
연구가 필요할 것으로 사료된다.
요 약
전자레인지 가열조리용 편의식품류는 레토르트 처리되어 장기
간 저장 안정성이 부여되는 장점이 있는 반면, 높은 가열 조건으
로 인하여 식품의 품질 저하뿐 아니라 내용물의 흡착에 의한 포
장재의 착색이나 오렌지필과 같은 물리적 변화가 발생되기도 한
다. 일부 매운 소스 제품들의 전자레인지 가열 조리 시 특정 부
위에서 심한 포장재의 열 변형 현상이 확인되었다. 열화상카메라
와 광섬유온도계를 이용하여 전자레인지 가열 중 포장재 내부의
온도 분포 및 변화 패턴을 관찰한 결과 내용물의 충진 경계인 액
Table 4. Physicochemical characteristics of some spicy foods for microwave cooking
A 016,667±28581) 02.9±0.4a1) 05.1±0.0b1) 023.7±1.5a1)0○2)
B 4,433±551 2.1±0.1b 5.4±0.0a 16.0±0.0b0×2)
C 1,667±153 01.9±0.0bc 5.0±0.0c 13.6±0.1c×
D 2,267±580 1.7±0.0c 5.5±0.1a 14.2±0.5c×
1)Values are means of triplicate determinations±SD.2)O, Damages of packaging film are observed; X, Damages of packaging film are not observed.a-cMeans with different letters in same row are significantly different by Duncan’s multiple range test (p<0.05).
Table 5. Initial heating rates at hot and cold spots formed duringheating in a microwave oven with 700 W for 2 min in the water
and 0.5% xanthan gum solutions with different NaCl concentrations
Solution typeNaCl
concentration(%)
Heating rates
Hot spot (oC/s)
Cold spot(oC/s)
Relation1)
Water
0 0.93 0.93 1
2 12 0.5 24
4 23 0.37 60
0.5%Xanthan gum
solution
0 1.3 1.3 1
2 23 0.02 1100
4 70 0.01 7000
1)Relation=heating rate of hot spot/heating rate of cold spot.
전자레인지 가열에 의해 열 변형된 포장재 분석 69
위선과 양 모서리 sealing 부위의 온도가 가장 높이 상승하여 hot
spot이 형성되는 것을 확인하였고, 이때 온도는 순간적으로 최대
190oC까지 상승하였다. 반면 내용물의 중심부에서는 온도 상승이
매우 느리게 이루어져 cold spot이 생성되었으며, 700 W에서 2분
조리 후 도달 온도는 약 55oC였다. 특히, 전자레인지 가열 시 내
용물의 균일한 가열패턴을 보여주는 hot spot과 cold spot 사이의
온도 상승률은 최대 7,000배까지 차이를 보였다. 따라서 전자레
인지 조리 시 내용물의 불균일한 가열로 특정 부위에 열이 집중
되는 hot spot의 생성이 포장재 열 변형의 주요 원인으로 판단되
었다. 이러한 가열 불균일성은 포장된 내용물에 함유된 당, 염,
수분과 같은 성분들이 점도에 영향을 주는 것에 기인하는 것으
로 추측된다. 이러한 점도 변화는 궁극적으로 내용물의 물리적
또는 이온적 특성의 변화를 야기하고, 결과적으로 전자파가 내용
물 내부로 침투하는 깊이가 감소되고, 이에 따라 내용물의 유전
특성과 대류 현상에 영향을 주는 것으로 판단된다. 그러나 전자
레인지 조리 시 포장재 열 변형 문제의 완전한 해결을 위해서는
향후 포장된 내용물의 세부 성분 별 유전 특성에 대한 보다 세
밀한 분석이 필요하며, 아울러 hot spot의 원인이 되는 식품 성분
들의 적절한 함량 조절과 함께 포장재, 포장 형태 및 가열 조건
등에 대한 보다 포괄적이고 안정적인 포장시스템 설계와 개발이
필요할 것으로 판단된다.
감사의 글
본 연구는 농림수산식품부 고부가가치식품기술개발사업(관리번
호 113031-2)을 통한 지원으로 연구되었으므로 감사드립니다.
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