식품 동결·해동

왜 배우는가: 식품 동결·해동은 냉동·냉장 식품의 품질과 위생을 좌우하는 공정이라 현장 설계와 운전에서 자주 다룬다. 동결속도에 따른 얼음 결정 크기와 해동 중 드립 손실은 품질 문제의 핵심이라 기술사 시험에서 동결방법과 해동방법을 연결해 묻는 문항이 반복해서 나온다.

출제 이력: 제138회 3교시 4번, 제113회 2교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

식품 동결은 식품 내 수분을 빙결점 이하로 냉각해 얼음 결정으로 바꾸고 미생물과 효소 작용을 억제하는 저장 공정이다.

• 핵심 키워드: 동결속도, 빙결정, 잠열, 공기동결, 접촉동결, 침지동결, 해동, 드립(drip)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 식품을 얼려 상하지 않게 보관하는 것이고, 얼린 식품을 다시 쓸 수 있는 온도로 되돌리는 것이 해동이다. 동결 공정은 식품의 현열을 빼고 물을 얼리는 잠열을 제거하는 두 단계로 이루어진다.

정식 정의는 다음과 같다. 동결(freezing)은 식품의 온도를 빙결점 이하로 낮추어 식품 내 수분의 상당 부분을 얼음으로 상변화시키는 조작이다. 해동(thawing)은 동결된 식품의 온도를 빙결점 이상으로 올려 얼음을 다시 액체 상태로 되돌리는 조작이다.

동결속도는 식품 중심 온도가 빙결점 부근에서 최대 빙결정 생성대를 통과하는 시간으로 정의된다. 동결속도가 빠르면 빙결정이 작고 많이 생성되어 세포 손상이 적다. 느리면 큰 빙결정이 세포벽을 뚫어 조직 파괴와 드립 발생을 키운다.

잠열은 상변화 중에 온도 변화 없이 출입하는 열이다. 식품 동결에서는 수분의 응고잠열이 전체 제거열의 큰 비중을 차지한다. 현열은 온도 변화에 따라 출입하는 열로, 빙결점 위와 아래의 냉각 구간에서 주로 다룬다.

드립(drip)은 해동 중 식육 등에서 유출되는 액체다. 유출드립(free drip)은 자연히 흘러나오는 것이고, 압출드립(expressible drip)은 압력을 가해야 나오는 것이다.

3. 등장 배경과 필요성

식품 저장 수단으로 냉동이 널리 쓰인 이유는 저온에서 화학 반응 속도가 느려지고, 얼음으로 바뀐 물은 미생물이 쓸 수 없기 때문이다. 식품 신선도 유지 기간을 길게 늘리면서 유통 범위도 넓어졌다.

동결 기술이 발전한 배경은 얼음 결정 크기 문제에서 찾을 수 있다. 공기 중 자연 대류로 얼리는 정지 공기 동결은 느려서 품질이 떨어졌고, 이를 보완하기 위해 강제 송풍, 접촉 방식, 침지 방식, 극저온 액체 방식이 차례로 도입되었다. 결과적으로 동결속도가 빨라질수록 품질이 좋아지는 관계가 확인되었다.

해동이 중요한 이유는 동결과 같은 크기로 품질을 좌우하기 때문이다. 해동 과정에서 얼음이 녹으며 세포에서 빠져나온 수분이 드립으로 손실되고, 단백질과 영양분이 함께 빠져나간다. 해동 시간이 길면 표면은 상온 위험 구간에 머물러 세균이 증식하기 쉽다.

동결식품을 해동 없이 조리하면 가열이 오래 걸려 겉은 과조리되고 속은 덜 익을 수 있다. 따라서 동결 방법과 해동 방법을 함께 설계해야 식품의 질과 위생이 함께 보장된다.

4. 구성요소·원리·절차

식품 동결장치는 열을 식품에서 빼앗아 냉매나 냉각매체로 넘기는 장치다. 식품 동결은 열전달 매체와 접촉 방식에 따라 공기 동결, 접촉 동결, 침지 동결, 극저온 동결로 나눈다. 장치의 구성요소는 냉동장치(증발기·압축기·응축기·팽창밸브)와 열전달 매체 순환계(송풍기·브라인 펌프·컨베이어)로 나뉜다.

동결 속도는 식품 내부에서 빙결정이 생성되는 속도와 관계가 있다. 열저항은 식품 표면의 경계층, 식품 자체의 열전도, 동결층 내부 열전도 순으로 작용한다. 강제 대류를 쓰면 경계층이 얇아져 표면열전달계수 h가 커지고 동결 시간이 줄어든다. 빙결정 크기는 동결 속도와 반비례한다. 빠르게 얼린 식품은 작은 빙결정이 많이 생겨 세포 손상이 적다.

동결 시간은 Plank 식으로 근사할 수 있다.

$t_f = \frac{\rho\,L\,\Delta H}{T_f - T_a}\left(\frac{P\,a}{h} + \frac{R\,a^2}{k}\right)$

여기서 t_f는 동결 시간(s), \rho는 식품 밀도(kg/m³), L은 단위 질량당 응고잠열(J/kg), \Delta H는 제거해야 할 엔탈피 차이 계수, T_f는 빙결점(℃), T_a는 냉매 온도(℃), a는 판 두께의 절반(m) 또는 반경, h는 표면열전달계수(W/(m²·K)), k는 동결층 열전도도(W/(m·K)), P와 R은 형상계수다.

예열 구간, 잠열 구간(빙결정이 생기는 구간), 과냉 구간으로 온도가 떨어진다. 대부분의 열은 잠열 구간에서 빠져나간다. 공기 동결의 식품 중심 온도 강하 곡선은 잠열 구간이 완만하고 길다.

동결 절차는 다음과 같다.

• 전처리: 세척, 선별, 분할, 필요 시 블랜칭
• 예냉: 식품 온도를 동결 전 낮춤
• 동결: 선택한 방식으로 식품 중심 온도를 목표 온도까지 낮춤
• 포장과 저장: 동결 상태를 유지하는 저온 창고 보관
• 유통: 냉동 체인 유지

5. 관련 법령·기준·표준

식품 동결·해동에 직접 적용되는 법정 기준은 식품위생법령과 식품공전의 냉동식품 보관·유통 온도 기준이다. 냉동식품 보관 온도는 식품공전에서 정한 값을 따른다. 설계 측면에서는 공조냉동 설계 자료와 냉동공학 교재의 기준값을 쓴다. 아래 표는 실무 설계와 시험에서 자주 쓰는 기준이다.

동결 방식별 열전달 특성은 다음과 같다.

• 공기 동결: 강제 순환식 공기 동결은 풍속이 빠를수록 열전달이 빨라진다. 자연 순환식은 동결이 느려 고기류 등에 쓴다.
• 접촉 동결: 판 사이에 식품을 끼워 열을 전달한다. 열전도가 공기보다 크므로 동결이 빠르다.
• 침지 동결: 식품을 냉매에 직접 담근다. 액체 열전달 계수가 커서 동결이 가장 빠르다.
• 극저온 동결: 액체질소 등을 쓴다. 빙결정이 매우 작아 조직 손상이 적다.

해동 관련 기준은 식품의 중심부까지 미생물 증식 온도대를 빨리 통과하도록 정한다. 상온 해동은 표면이 40℃를 넘는 상태가 오래 지속되므로 피한다.

동결 속도를 나타내는 대표 지표는 다음과 같다.

• 빙결정 생성 구간: 최대 빙결정 생성 온도대(대략 -1~-5℃)를 빨리 지나야 한다.
• 동결 속도 구분: 빙결정 크기를 기준으로 급속 동결과 완만 동결을 구분한다.

동결 표준 용어는 식품 분야에서 통용되는 이름을 쓴다. 공기 동결, 접촉 동결, 침지 동결, 극저온 동결, 유동층 동결, 개별급속동결(IQF)이 대표적이다.

6. 유형과 비교

식품 동결방법은 열을 빼앗는 매체와 접촉 방식에 따라 나뉜다. 공기를 매체로 하는 공기동결, 식품을 냉매 면에 직접 또는 간접으로 접촉시키는 접촉동결, 식품을 냉매에 담그는 침지동결, 극저온 액화가스를 쓰는 극저온동결로 크게 구분한다. 동결 속도는 열전달계수와 식품의 크기·두께에 따라 달라지므로, 방법별 차이를 같은 기준으로 비교해야 한다.

위 표에서 정지 공기동결은 공기 흐름이 없어 경계층이 두껍고 열전달계수가 작다. 강제송풍과 유동층은 공기 유속을 높여 열전달을 촉진하며, 접촉식은 금속 면과 식품 사이의 열전도로 동결이 이루어진다.