[식품가공학실험]딸기잼 제조 방식 1부

실험 목적

1. 실험 목표

과일 잼은 과일을 설탕과 같이 형태가 없어질 정도로 끓여서 농축한 것이다. 그러나 원래의 잼이라 함은 과육 속의 프로토펙틴(protopectin)을 가열하였을 때 생기는 펙틴과 과일의 산과 첨가한 설탕이 상호 작용하여 응고된 것을 말한다. 이번 실험에 있어서는 이러한 과일 잼 중에서 특히 흔히 사용되고 있는 딸기 잼의 제조와 그 원리에 대해서 알아보고자 실험을 진행하였으며, 각 조별로 펙틴함량을 달리하여 실험조건에 차이를 두고, Bostwick consistometer와 Adams consistometer를 사용하여 점도를 측정하였고, 각각의 관능검사를 실시하여 차이를 알아보고자 하였다.

 

실험 이론 및 원리

1. 젤리, 잼 및 관련된 제품

젤리(Jelly)

잼(Jam)

마말레이드(Marmalade)

프레서브(Preserve)

Fruit butter

젤리, 잼 및 관련된 제품들은 과실 주스 또는 과육에 설탕을 첨가하여 농축한 것으로서, 농축당액 중에서 당, 펙틴, 산의 겔(gel)의 형성으로 응고된 것이다. 각각의 정의를 알아보면, 젤리(Jelly)는 과일 주스에 설탕을 넣어 농축, 응고시킨 것으로 투명하고 광택이 있으며, 원료 과일의 특유한 향기와 색택을 갖는다. 그리고 용기에서 jelly를 꺼냈을 때, 흘러내리지 않고 원형을 유지하며, 절단시에 연하고 예리한 가장자리와 매끄럽고 빛나는 절단면을 형성한다. 

다음으로 잼(Jam)은 과육에 설탕을 첨가하여 적당한 농도로 농축한 것으로 과일 고유의 형태는 없어지고 냉각했을 때, 젤리와 같은 텍스쳐를 갖는다. 과일 펄프(pulp)를 함유하는 젤리에 해당한다. 우리나라 식품공전에서는 “과일류 또는 과채류(생물을 기준하여 40% 이상 단, 딸기 이외의 베리류 30% 이상)를 당류 등과 함께 젤리화한 것을 말한다”라고 정의하고 있다. 마말레이드(Marmalade)는 젤리 속에 과일의 과육 또는 과피의 조각을 섞은 것인데, 일반적으로 마말레이드라 하면 오렌지 마말레이드를 의미한다. 우리나라 식품공전에 의하면, 감귤류(감귤류 30% 이상)의 과실을 원료로 한 것으로 감귤류의 과피가 함유된 것이라고 밝히고 있다. 

프레서브(Preserve)는 과일을 절단하거나 원형 그대로 넣고 끓여서 농축한 것으로서 제품 속에 과일의 모양이 남아 있는 것이다. 우리나라 식품공전에서는 preserve style을 “딸기 이외의 베리류의 과실을 원료로 한 것에 있어서는 완전한 형태의 과실, 베리류 이외의 과실을 원료로 한 것에서는 5mm 이상의 과육편을 원료로 하여 그 원형을 유지하게 한 것을 말한다”라고 정의하고 있다. 마지막으로 Fruit butter는 Pulping한 과일의 과육에 향료, 다른 과일즙 등을 적당하게 섞어서 반고체가 될 때까지 농축한 것이다.

 

2. Pectin substances

젤리, 잼, 마말레이드 등은 과실 중의 펙틴과 유기산, 그리고 당분의 세 가지 성분이 각각 일정한 농도의 비율로 되었을 때 젤리화가 되는 것이다. 젤리화에 필요한 세 가지 성분의 농도와 비율은 연구자에 따라 다소 차이가 있으나 지금까지 알려진 바로는 펙틴의 질적 차이에 기인하는 것으로 생각된다.

펙틴질은 식물 세포벽의 중간 박피층(middle lamellae)에 위치한다. 일반적으로 cellulose와 함께 존재하는 불용성의 protopectin으로 존재하나 과실이 숙성됨에 따라 효소의 작용을 받아 가용성의 펙틴으로 변한다. 이와 같은 변화(protopectin → pectin)는 산성 용액 중에서 가열하면 가수분해되어 수용성 펙틴이 되는데 비해, 과숙 또는 과열에 의해 펙트산(pectic acid)이 되면 응고력을 상실하게 된다. 여러 가지 식물조직에서 발견되는 펙틴의 수준은 Table 1.과 같다.

따라서 과숙한 과실은 젤리의 원료로 적당하지 못하며, 또한 젤리를 만들 때 지나치게 가열하면 펙틴이 분해되어 좋지 않다. 펙틴은 galacturonic acid의 중합체(Figure 2.)이며, 곁사슬에 carboxyl기를 pectic acid가 methylester화한 것이다. 펙틴의 특성 중 특히 겔 형성을 결정하는데 중요한 요인이 있는데, 이것은 사슬의 길이와 에스테르화의 정도이다. 완전하게 에스테르화된 펙틴은 16%의 methoxyl(OCH3) 함량을 가지나 자연상태에서는 존재하지 않으며, 어떤 펙틴은 매우 낮은 methyl 함량을 가진다 할지라도 보통은 9～12%의 ester methoxyl을 가진다. 따라서 pectin methoxyl 의 함량이 7% 이상인 high methoxyl pectin과 7% 이하인 low methoxyl pectin 으로 구분하며, methoxyl 함량이 낮을 때는 겔화가 되려면 Ca 이온이 필요하다.

Plant material	Pectin(%)	Plant material	Pectin(%)
Potato	2.5	Carrot	10
Tomato	3	Sunflower heads	25
Apple	5~7	Sugar beet pulp	15~20
Apple pomace	15~20	Citrus albedo	30~35

Table 1. 몇 가지 식물조직의 펙틴함량

Methyl ester기가 알칼리 가수분해 효소작용에 의해 제거될 때 pectic acid라 부르는 많은 수의 중간산물이 형성되며, 모든 methyl기의 생성물은 불용성이 되는데, 이것을 pectic acid라고 부른다. 펙틴은 산-당 배지(acid-sugar medium)에서 우수한 겔 형성능력이 있기 때문에 널리 사용된다. 즉, 펙틴 겔(pectin gel)의 형성을 위하여 당류인 탈수제가 있어야 하며, 적당량의 산이 첨가되어야 한다.

가장 좋은 겔 형성은 약 8%로 감소된 methoxyl 함량을 가진 펙틴이다. 펙틴의 바람직한 겔화조건은 pH 3.2 ～ 3.5이고, 당이 65～70%이며, 펙틴이 0.2～1.5%이다. Pectin g디 의 강도는 methoxyl화의 정도에 의존하며 분자량에는 많이 영향을 받지 않는다.

Figure 2. α-D-polygalacturonic acid

3. 젤리화의 원리(Jelly 화의 원리)

잼류는 모두 과실을 원료로 하며, 펙틴(pectin)의 응고성을 이용하여 제조한 것이다. 젤리화 하기 위해서는 펙틴, 산, 당분의 3요소가 일정한 농도의 비율로 존재할 필요가 있다. 그 비율은 Table 2. 에 나타내는 바와 같다. 펙틴은 과일의 세포막에 셀룰로오스(cellulose)와 공존해서 세포를 유지하고, 과일의 단단함을 지배하는 중요한 성분이다. 펙틴은 Figure 3. 에 나타나는 바와 같이 미숙한 과일 중에는 불용성인 프로토펙틴의 형태로 존재하며, 성숙됨에 따라서 프로토펙틴아제(protopectinase)에 의해서 가용성 펙틴으로 변화한다.

Pectin 산(황산으로서) 당

1 ~ 1.5% 구연산으로서 0.3% (pH 3.46 내외) 사과산으로서 60 ~ 65% 주석산으로서

1.3배 1.4배 1.5배

Table 2. 잼의 3요소

과숙되면 펙틴은 다시 저분자인 펙틴산, polygalacturonic acid로 된다. 이러한 변화는 열에 의해서도 일어난다. 프로토펙틴, 펙틴산은 젤리화 힘을 갖지 않으므로 과숙과를 피하고 가열이 지나치지 않도록 해야 된다. Pectin은 galacturonic acid를 구성단위로 하며, 이것이 사슬모양으로 중합한 5～20만 분자량을 가지는 고분자이며, 메톡실기 함량의 다소에 의해서 젤레화에 대한 기능이 상당히 다르며, 보통의 고농도 잼에서는 methoxylpectin이 관여하며 유기산의 존재하에서 수소결합형 겔(gel)을 형성한다. 이것에 대해 저메톡실펜틴은 칼슘 등의 다가이온에 의해서 carboxyl 기와 결합하여 망상이 된다고 생각된다.

		프로토펙틴(Protopectin)
		물에 불용성이며 펙틴의 모체 미숙과일 중에 다량으로 존재
								가수분해(산 또는 protopectinase)
	섬유소(Cellulose)					펙틴(Pectin 또는 Pectinic acid)
				물에 가용성. 성숙 과일에 존재 산, 알칼리 또는 pectinase에 의한 methylester 해리로
	메틸알코올 (Methylalcohol)				펙틴산(Pectic acid) (Eter 기의 완전 해리 후) 물에 불용성. 칼슘에 잘 침전한다.
				산, 알칼리 또는 효소 pectinase(polygalacturonase)의 작용
	Hexoses 및 pentoses가 소량의 불순물로서 존재한 것					D-galacturonic acid

Figure 3. 과일 중에서의 pectin 물질의 변화

4. 잼류의 완성점 결정법

Jam을 만들 때 가장 중요한 것은 완성점(Jelly point)을 결정하는 것이다. 이러한 것이 익숙하지 못하면 뜨거울 때는 분별이 어려워 지나치게 농축되고 솥 등에 과즙을 넣고 가당량에 해당하는 당을 넣어 졸이는데, 이때 시간이 길면 설탕의 카라멜라화 및 갈변현상이 일어나서 젤리의 풍미와 빛깔이 나쁘게 될 뿐 아니라, pectin이 분해되어 젤리화하는 힘이 적으므로 대체로 10～20 분내에 완성되도록 한다.

가열하는 동안에 과즙 중의 단백질 등이 응고하여 액면에 떠오르므로 이것을 건져낸다. 그리고 거품이 날 때는 소량의 유지 또는 실리콘을 넣는 수가 있다. 졸이는 종점을 젤리점(jelly point) 이하 하는데, 이것은 잼을 만들 때 중요한 요인이 되며, 다음과 같은 여러 가지 방법을 조합하여 결정한다.(Table 3.)

종 류	특 징
1. 스푼법(Spoon test)	잼을 나무주걱으로 떠내어 주걱을 기울이면 잼이 부착되면서 떨어지고 주걱에 약간 남아 있으면 되나, 묽은 시럽상태가 되어 떨어지면 불충분한 것이다.
2. 컵 법(Cup test)	컵에 물을 넣고 완전히 조린 잼을 떠서 소량씩 물에 떨어뜨릴 때 잼이 바닥까지 굳은 대로 가라앉으면 적당하다. 도중에 풀어지면 불충분하다.
3. 온도계법	150℃ 이상의 온도계를 끓고 있는 잼 속에 넣을 때 104~106℃ 에 이르면 적당하다. 이때 설탕액은 60~70%가 된다.
4. 당도계법	굴절당도계가 60~70%를 나타낸다. 이것은 빛의 굴절률을 이용한 간단한 것이나, 뜨거울 때는 상온에서 측정한 것보다 2~3% 낮은 값을 나타낸다.

Table 3. 잼류의 완성점(jelly point) 결정

Figure 4. 잼류의 완성점 결정방법

5. 잼 가공에 미치는 영향요인

1) 유기산

과일 중에는 구연산, 주석산, 사과산 등의 유기산을 함유하고, 젤리화에 관여하는 것ㅇ느 산의 종류와 농도로 되는 pH이며, 최적 pH는 2.8～3.3이다. pH가 높으면 응고하지 않고, 또 낮게 되면 일단 젤리로 된 것이 저장 중에 펙틴이 분해되어 젤리화력이 저하된다. 특별한 과일을 제외하고는 대부분 과일에 함유된 산으로 적당하다.

2) 펙 틴

Alcohol test의 결과	Pectin 함량	가 당 량
1. 과즙이 모두 젤리상으로 응고하거나 큰 덩어리가 생길 때	많 다.	과즙의 1/2~1/3
2. 몇 개의 젤리상의 덩어리가 생길 때	적당하다.	과즙과 동량
3. 작은 덩어리가 많이 생기거나 아주 생기지 않을 때	적 다.	농축하여 1) 또는 2) 의 상태로 하거나 pectin이 많은 과즙을 넣는다.

Table 4. Pectin의 검정과 가당량

펙틴(pectin)은 과일에 많이 존재하는데, 미숙한 것은 protopectin의 형태로 많이 들어 있어서 물에 잘 녹지 않으나, 과일이 익어감에 따라 protopectinase(protopectin을 분해하는 효소)의 작용으로 수용성 pectin이 된다. 즉 고농도의 젤리화에 관여하는 것은 수용성 pectin이 된다. 즉 고농도의 젤리화에 관여하는 것은 수용성 pectin이다. 그러나 완숙된 과일을 젤리화가 어려운 형태의 펙틴산으로 변하므로 잼 제조시 완숙 과일을 사용하는 것은 바람직하지 못하다.

3) 당 분

제품 중의 펙틴(%)	0.50 0.75	0.90	1.00	1.25	1.50	1.75	2.00	2.75	4.20	5.50
젤리화에 필요한 최소당량(%)	당분을 많이 넣어도 젤리화가 안됨.	65.0	62.0	54.0	52.0	51.0	49.5	48.0	45.0	43.0

Table 5. 산도가 일정할 때 젤리점에서의 당 농도와 펙틴 농도와의 관계

과일 중의 당분은 10～20%정도이지만 보당하면 젤리화하여 투명한 것을 얻게 된다. 최적 당도는 약 60%로서 이보다 높으면 결정을 만들어 석출되기 쉽고, 낮으면 젤리의 질이 떨어지며 저장성도 떨어진다. 당분은 설탕, 포도당, 엿당, 과당이 모두 좋으나, 풍이와 가격으로 볼 때 설탕 및 포도당을 쓴다. 설탕의 일부를 포도당으로 쓰면 제품향도 좋아지고 과육에 대한 당의 침투가 빨라 제품의 당 결정화를 방지하고 색깔을 좋게 한다.

4) Brix (당도측정단위)

brix 라는 당 농도를 표시하는 단위로 일반적으로 식품에 있어 과즙의 농도를 나타낸다. (Brix %) Brix 눈금은 100ml의 물속에 담겨져 있는 사탕수수의 양(Gram)을 포함한 것을 의미하며 일반적으로 당도의 눈금이라고도 한다. 따라서 Brix % 눈금값은 실제 설탕 농도와 동일한 측정값을 의미한다. 이 단위는 식품공학 즉 설탕, 주스 등의 음료에서 많이 사용되는 단위인데, 오스트리아의 과학자인 아돌프 브릭스(1870년 사망)라는 사람이 비중으로부터 직접 설탕물 농도를 알 수 있는 비중계를 만들어서 쓰게 된 것으로 부터 유래된 단위이고, 설탕(sucrose)의 경우 w%와 정확히 일치하고 다른 물질인 경우는 대략 w%와 비슷하다.

 

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

1) 냄비, 나무주걱, 온도계, 소쿠리, 통 또는 병, Adams consistometer

2) 점도측정기 : Bostwick consistometer(Figure 5.),

수평으로 놓인 직사각형의 용기에 한쪽을 격자로 막고 시료를 일정량 담고 격자를 순간적으로 들어올렸을 때부터 일정시간 동안 진행된 시료의 거리를 측정하는 방법을 이용하는 것으로서, 시료의 흐름은 시료의 높이와 무게에 의하여 생기는 유체 정력학적 압력에 기인한다. 그 진행거리는 점조도의 크기에 반비례한다. 이 방법은 미국 농업부가 채택한 토마토 케첩에 대한 공인 품질평가 방법이다. 또한 Adams Consistometer는 일정량의 시료를 원형 평판 위에 놓인 밑에 없는 컵을 담고 이것을 순간적으로 올렸을 때 시료가 사방으로 퍼지는 거리를 측정하는 방법이다. 

원형 평판은 20개의 간격으로 선이 그어져 있으며 컵을 올린 시간으로부터 3초 내에 사방으로 퍼진 넓이를 피복된 간격선의 숫자로 표시한다. 각 구간의 최소값과 최대값으로 평균을 구하여 전체 퍼진 거리의 평균을 구한다. 토마토케첩, 크림, 마요네즈 등 페이스트 상태 식품의 비교 점조도를 측정하는데 편리한 방법들이다.

Figure 5. Bostwick consistometer

딸기잼 제조용 딸기(꼭지를 제거한 중량=W), 설탕(W의 80%), 7% pectin 용액, 7% citric acid 용액

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 딸기를 물 속에 넣고 흔들어서 흙, 모래 등을 씻고, 딸기의 꼭지를 따고 소쿠리에 담아 물기를 뺀다.(꼭지 제거 후 2100g)

2) 그 후 딸기를 작은 크기로 자른다.

3) 다음으로 citric acid 용액(딸기 중량의 0.2%) 첨가, pectin 용액을 첨가시키도록 하는데 첨가시 각 조별로 pectin 함량을 달리하여 첨가하도록 하였다.(Figure 6.)

4) 이후 5분간 약한 불로 가열하는데 원료의 프로토 펙틴(protopectin)을 분해하고 펙틴을 추출하기 위함이다.

5) 설탕을 3회로 나누어 넣으면서 Jelly point에 이르기까지 끓인다.(약 30분)

6) 이렇게 30분이 지나고 나면 Jelly point에 이르면 가열하는 것을 멈추고 표면의 거품을 거둬낸 후 80℃로 식히어 용기에 담아 밀봉하여 바로 냉장고에 넣는다.

7) 이후 물성측정 및 관능검사를 실시하여 각각의 차이를 알아보았다.

1조 : pectin 용액 0%

2조 : pectin 용액 0.1% (딸기 중량(W)의 0.1% 첨가)

3조 : pectin 용액 0.2% (딸기 중량(W)의 0.2% 첨가)

 Figure 6. 실험조건

[Engineering/공학실험] - [식품가공학실험]딸기잼 제조 방식 2부