Optimization of sterilization conditions and prediction of heat penetration for the production of retorted Tteokgalbi

Abstract

This study was conducted to determine the optimum sterilization conditions for the production of the Tteokgalbi product in retort trays by considering microbiological safety, nutritive value, and sensory qualities, and to predict the temperature profile and effects of sterilization of retorted Tteokgalbi during heat treatment through computer simulation. A total of 27 sterilization conditions with various temperatures, times, and processing methods were tested using a 33 factorial design. Temperature history and sterility of the product were monitored using a F0 sensor, and the quality evaluations of factors such as pH, water activity, viable cell counts, niacin contents, color values, sensory characteristics and textural properties were also carried out on retorted Tteokgalbi products manufactured under each sterilization condition. Quality attributes were significantly affected by the sterilization temperature, time, and processing method at different rates. From response surface methodology and contour analysis, the final optimum sterilization condition of Tteokgalbi product that simultaneously satisfied all specifications was determined to be 119.40℃ for 18.55 min using water cascading rotary mode at a fast heat transfer rate. Heat transfer process and the temperature history of retorted Tteokgalbi product during heat treatment were predicted using a finite element model. The cold point, where the rates of temperature increase and decrease were slowest in the retort tray, was not a geometric center but actually at position (x, y, z = 10.600, 9.267, 0.000) in the Tteokgalbi product, which was located at the innermost part of the retort tray. It was shown that lethality, which was closely related to microbial inactivation, as well as the temperature profile of the finite element model predicted by the computer simulation were highly accurate compared to those of the experimental model. In conclusion, the present study suggests that it is possible to improve microbial safety, sensory attributes and nutritional retention using optimized sterilization conditions for the production of retorted Tteokgalbi product as well as to predict the temperature history and effects of sterilization using a developed mathematical model.;본 연구에서는 트레이형 레토르트 제품의 미생물 안전성 및 품질 최적화를 확보하기 위하여 최적 살균조건을 설정해보고, 컴퓨터 프로그램 제작을 통해 열처리 공정 중 제품의 온도 변화 및 그 살균효과를 정확히 예측해보았다. 1차 연구에서는 33요인 실험설계를 바탕으로 살균 온도, 시간, 방법에 따른 여러 처리 조건에서의 살균 실험을 실시한 후, 각각에 대한 F0값을 측정하였을 뿐만 아니라 미생물검사 및 관능검사를 포함한 다양한 품질 평가를 수행하였다. 반응표면분석을 통해 F0값, pH, Niacin 함량, 색도, 관능적 특성 및 조직감 등의 품질 특성들이 살균 온도, 시간, 방법에 따라 각각 다른 비율로 큰 영향을 받는다는 것을 알 수 있었으며, 등고선 분석을 실시한 결과, 레토르트 떡갈비 제품의 최적 살균조건은 119.4℃에서 18.55분간 열전달 속도가 가장 빠른 회전식으로 살균했을 때라는 결론을 얻었다. 2차 연구에서는 유한요소법을 적용시킨 NISA 프로그램을 이용하여 살균공정 동안 제품의 열전달 과정 및 이에 따른 온도 변화를 예측하였다. 살균 시 변화하는 떡갈비 제품의 온도 분포를 가시적 및 수치적으로 확인한 결과, 그 냉점은 기하학적인 중심이 아닌 용기 내 가장 안쪽에 위치한 고기의 (x, y, z = 10.600, 9.267, 0.000) 부분이었다. 제작된 NISA 프로그램을 통해 예측된 냉점의 온도 변화는 실험적 모델과 상당히 높은 상관관계를 나타낼 만큼 정확도가 있었으며, 그 살균 정도 또한 매우 유사하게 예측되었음이 확인되었다. 이와 같은 실험 결과를 바탕으로 하여 영양성분 손실 및 관능적 품질 저하를 최대한 방지하는 동시에 안전성을 충분히 확보한 레토르트 떡갈비 제품을 생산할 수 있을 것이라 판단되며, 더 나아가 개발된 가열살균 프로그램의 최적화를 통해 많은 실험과정을 거치지 않고도 레토르트 제품의 정확한 온도 변화 및 살균효과를 예측할 수 있는 방안에 대한 활용 가능성이 기대되는 바이다.