압출성형

왜 배우는가: 압출성형은 한 공정에서 형태, 조직, 영양을 함께 설계할 수 있는 핵심 가공법이다. 스낵, 시리얼, 펫푸드, 식물성 고기 등 응용이 넓어서 원리와 응용을 함께 묻는 주제이다.

출제 이력: 제128회 1교시 8번, 제99회 4교시 6번, 제92회 1교시 10번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

압출성형은 원료를 스크류로 이송·혼합·가열·전단하면서 다이로 연속 성형하는 식품 가공법이다.

답안 첫 줄에는 이 정의를 그대로 쓰고, 이어서 공정의 구조와 결과물을 설명한다. 압출성형에서는 식품 원료가 실린더 안에서 스크류의 회전에 따라 앞으로 밀려 나가는 동안 이송, 혼합, 압축, 가열, 반죽, 전단, 성형의 단위공정이 한 장치 안에서 함께 일어난다. 그러므로 같은 원료로도 형태, 조직감, 색과 향미가 다른 여러 제품을 만들 수 있다. 정의의 용어를 정확히 알아야 공정 설명이 흔들리지 않는다.

이 공정을 이해하는 데 필요한 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 압출성형: 원료를 가열·가압하여 금형 개구부로 밀어내 형태를 만드는 연속 공정이다.
• 압출조리: 압출 과정에서 열, 압력, 기계적 전단응력으로 원료를 익히는 공정이다.
• 스크류: 원료를 전진시키고 혼합하며 내부 압력을 만드는 회전 부품이다.
• 다이: 사출구에 장착되어 제품의 단면 형태를 결정하는 금형이다.
• 전분 호화: 수분과 열에 의해 전분 입자가 부풀어 점성을 띠는 현상이다.
• 단백질 변성: 열과 전단에 의해 단백질의 입체 구조가 풀리는 현상이다.
• 고온단기간가열(HTST): 높은 온도에서 짧은 시간 가열하는 방식의 열처리 공정이다.

2. 개념 풀이

압출성형은 가열되고 가압된 반고상 원료를 일정한 단면을 가진 다이의 개구부로 연속하여 밀어내는 성형 방법이다. 원료는 실린더 안에서 스크류에 의해 전진하면서 혼합되고 압착되어 반고상 물질을 형성하며, 스크류 끝의 사출구에서 밀려 나온다. 이때 외부에서 가해지는 열과 압력, 기계적 전단응력에 의해 원료가 가열되는 경우를 압출조리라 한다.

원리는 원료의 온도와 압력이 올라가는 과정으로 설명된다. 첫째, 실린더 외벽을 통해 외부 열이 원료에 전달된다. 둘째, 원료가 스크류와 실린더 사이의 좁은 공간을 통과하면서 전단이 생겨 마찰열이 발생한다. 두 열원이 합쳐져 원료는 짧은 시간에 고온 상태에 도달하며, 다이 부근에서 내부 압력이 가장 높아진다. 압출 과정에서 생기는 압력은 10~20 bar 수준이다. 다이를 빠져나가는 순간 압력이 급격히 낮아지므로 수분이 증발하면서 제품이 팽창한다.

수분은 압출 결과를 가장 크게 좌우하는 인자이다. 수분이 늘면 혼합물의 점도와 토크, 제품 온도가 낮아지고 다이 압력도 줄어들며 부피밀도는 커진다. 그래서 대부분의 식품 압출은 수분 40% 미만의 저·중수분 조건에서 수행된다. 수분이 더 높은 조건은 습식 압출이라 부르며, 전분 함량이 많은 원료에서는 온도가 가장 중요한 유변학적 인자이다.

전분 호화는 수분과 열이 가해질 때 전분 입자가 물을 흡수하여 부풀고 점성을 띠게 되는 현상이다. 압출조리에서 호화가 충분히 진행되면 전분의 소화 효율이 높아지고 제품이 바삭하거나 쫄깃한 질감을 얻는다. 호화는 제품의 팽화 정도에도 관여한다.

단백질 변성은 열과 전단이 가해질 때 단백질의 입체 구조가 풀리고 재배열되는 현상이다. 식물성 단백질을 압출하면 변성된 단백질이 서로 연결되어 섬유상 조직을 만들며, 이것이 조직화 식품 제조의 기초가 된다. 호화와 변성은 동시에 일어나는 경우가 많아 두 반응의 균형이 제품 특성을 정한다.

압출가공은 고온단기간가열(HTST) 공정이므로 짧은 시간에 고온에서 미생물을 사멸시키고 효소를 불활성화시킨다. 또한 압출 후 제품의 수분활성도가 낮아지기 때문에 보존성이 높다.

3. 등장 배경과 필요성

압출성형이 식품 분야에서 중요해진 배경은 대량 생산과 품질 균일성에 대한 요구이다. 식품 산업에서는 같은 품질의 제품을 빠르고 많이 만들어야 하므로 연속 생산이 가능한 설비가 필요해졌다. 압출기는 원료 투입부터 성형까지를 하나의 흐름으로 처리하므로 생산 효율이 높고 제품 간 편차를 줄이기 쉽다.

기술적 뿌리는 플라스틱 압출 기술에 있다. 비닐관을 만드는 기계는 호퍼로 들어온 칩을 스크루로 가열부에 보내고, 다이에서 튜브 모양으로 밀어낸다. 식품 압출기도 원료를 스크류로 이송하고 금형으로 성형하는 원리를 공유한다. 다만 식품은 가열에 따른 전분과 단백질의 변화가 품질을 좌우하므로, 같은 원리라도 온도와 수분 같은 조작 조건을 식품 원료에 맞게 조정해야 한다.