반응표면분석법을 이용한 마른멸치 제조 조건 최적화
Abstract
This study was to optimization of the manufacturing process for boiled-dried anchovy using response surface methodology (RSM). The independent variables in the central composite design for boiled-dried anchovy manufacturing process were selected as salt concentration (X1, %), dry temperature (X2, ℃) and dry time (X3, h). The dependent variables were chosen as moisture content (Y1, %), water activity (Y2) and WPS (Y3, %). The result of this study, Optimum conditions of X1, X2 and X3 were 5.41%, 22.09℃ and 17.86 hour respectively. Under the above optimum conditions, the predicted values of Y1, Y2 and Y3 were 17.28%, 0.750 and 23.19%. Experimental values of Y1, Y2 and Y3 were 17.40%, 0.742 and 22.84% respectively. There was no significant difference on Y1, Y2 and Y3 between predicted and experimental values.
Keywords:
Boiled-dried anchovy, Response surface methodology(RSM), Optimum conditionⅠ. 서 론
다획성 소형 적색육 어류인 멸치는 청어목 멸치과에 속하며, 몸체가 길고 원통형이고, 등쪽은 암청색, 배는 은백색을 띤 연안성 회유어로서 플랑크톤을 섭취하고 세계적으로 막대한 양이 어획되고 있다(http://www.fips.go.kr., 2015).
멸치는 육조직이 연약하고, 사후변화에 관여하는 자가소화효소 활성이 커서 선도저하가 신속히 진행되어 대부분이 저장성이 있는 건제품인 마른멸치 및 염장품인 젓갈로 이용되고 있다. 이 중 마른멸치의 경우 선도가 좋은 원료를 수세 및 자숙한 다음 건조하여 제조하는데 건조공정에 의하여 품질 및 위생 안전성이 좌우된다(Kim et al., 2000).
현재 멸치에 대한 국내·외 여러 기준 규격이 제시되고 있지만 모든 마른멸치가 기준규격 내에 있는 것이 아니며 마른멸치의 제조 공정에 따라 수분이나 수분활성, 염도 등이 다르게 나타나 모든 기준 규격에 적합한 마른멸치를 제조하기는 어려운 실정이다.
현재 멸치의 품질에 관한 연구로는 시판 국내산 및 일본산 마른멸치의 품질비교(Heu et al., 2001), 시판 마른청어 및 마른멸치의 위생 특성 비교 및 품질기준 제시(Kang et al., 2015), 어획지 차이에 따른 마른멸치의 품질 비교(Heu et al., 2002)등이 있고, 멸치의 식품성분에 대한 연구로는 시판 소건멸치의 식품성분 특성(Kim et al., 2000), 냉풍건조 멸치의 식품성분 특성(Kim et al., 2000), 자건샛줄멸의 식품성분 특성(Heu et al., 2008)등의 연구가 있다. 멸치의 품질비교와 식품성분에 관한 연구는 다소 보고되어 있고, RSM을 이용한 비규격 제주산 양식 넘치로부터 연제품의 가공 조건 최적화(Shin et al., 2011), 반응 표면 분석법을 이용한 폴리만뉴로닉산 도토리묵 제조 조건의 최적화(Choi et al., 2007)등 다른 식품의 반응표면분석(RSM)을 이용한 연구는 있지만 마른멸치 건조의 최적조건을 구하여 규격에 적합한지에 대한 연구는 거의 없는 실정이다.
따라서 본 연구에서는 반응표면분석(response surface methodology, RSM)방법을 사용하여 국내·외 기준규격에 적합한 마른멸치의 최적 제조조건을 제시하여 참고자료로 활용하고자 하였다.
Ⅱ. 재료 및 방법
1. 재료
본 실험에 사용한 생멸치(Engraulis japonicus)는 2016년 3월 경상남도 통영시 기선권현망으로 어획하여 즉시 얼음을 채운 아이스박스를 이용하여 실험실로 옮겨 실험하였다. 체장은 10.1-13.4 cm (평균 12.2 cm)이었고, 체중은 8.98-11.94 g (평균 9.45 g)의 크기인 멸치를 사용하였다.
2. 마른멸치의 제조
실험에 사용한 마른멸치의 제조공정은 [Fig. 1]과 같다. 실험실로 옮긴 멸치를 식염 농도를 각각 다르게 하여 3~4분간 자숙한 다음 건조발에 일정량씩 편 후 건조장으로 옮겨 건조온도와 건조시간을 다르게 하여 냉풍건조하여 크기별로 선별한 후 지퍼백(25×30 cm, Clean zipperbag, Cleanwrap Co., Seoul, Korea)에 300g 씩 포장하여 저장하면서 이화학적 성분조성과 품질검사용 시료로 사용하였다.
![[Fig. 1]](/xml/12402/JFMSE_2017_v29n6_1984_f001.jpg "[Fig. 1]")
Manufacturing process of the boiled-dried anchovy.
3. 표면반응분석 (response surface methodo logy, RSM)
중심합성계획(central composite design)에 의한 독립변수 (Xi)는 마른멸치 제조공정에서 중요한 변수 즉, 염도 (1-11%), 건조온도 (8.2-41.8℃), 건조시간 (6.6-23.4시간)과 같은 3항목으로 선정하였고, 이를 5단계로 부호화하여 <Table 1>에 나타내었다.
Experimental range and values of the independent variables in the central composite design for boiled-dried anchovy manufacturing process
중심합성계획에 따라 시료는 17구로 구분하여 무작위적으로 제조하여 실험을 진행하였다(<Table 2>).
Central composite design of independent variables and responses of dependent variables for boiled-dried anchovy manufacturing process
이 때 이들 독립변수에 의해 영향을 받는 종수변수는 마른멸치 규격에 크게 영향을 미치는 수분 (%), 수분활성, WPS (%) 그리고 품질에 영향을 미치는 히스타민 (mg/kg)과 같은 4항목으로 하여, 이들을 3회 측정하여 그 평균값을 회귀 분석에 사용하였다. 회귀분석에 의한 정준형식 확인은 statistical analysis system (SAS) program을 이용하였고, 최적점의 예측 및 확인은 MINITAB program을 이용하였으며, 독립변수와 종속변수 간에 관계는 Maple software를 이용하였다.
Ⅲ. 결 과
1. 마른멸치에 대한 국내·외 기준규격
시판 마른멸치의 국내 규격은 식품의약품안전처의 식품공전(KMFDS, 2015), 해양수산부/국립수산물품질관리원의 수산물과 수산특산물의 품질인증 세부기준(Ministry of Oceans and Fisheries, 2014), 산업통상자원부의 KS 규격(KATS, 2011), 국립수산물품질관리원(NFQS, 2016)을 참고하였고, 국제 규격은 미국 FDA규격(US FDA, 2015), CODEX 규격(CODEX, 2003)을 조사하여 그 결과를 <Table 3>에 나타내었다. 마른멸치에 대한 국내 규격항목은 식품공전의 경우 히스타민(200 mg/kg 이하) 1건에 한하여 설정되어 있고, 수산물과 수산특산물품의 품질인증 세부기준의 경우 수분함량, 진균류 및 혼입/파손율 3건에 대하여 설정되어 있으며, KS규격(KATS, 2011)의 경우 수분함량, 염도, 산불용성 회분, 진균류 및 기준크기 이외의 혼입/파손율과 같은 5건에 대하여 설정되어 있고, 국립수산물품질관리원 고시 제2016-3호의 경우 혼입/파손율 1건에 대하여 설정되어 있다. 마른멸치에 대한 국외 규격항목은 미국 FDA규격(US FDA, 2015)의 경우 수분활성, 염도, water phase salt(WPS), pH 및 히스타민과 같은 5건에 대하여 설정되어 있고, CODEX(국제식품규격위원회)규격의 경우 수분활성, 염도, 산불용성 회분 및 히스타민 과 같은 4건에 대하여 설정되어 있다.
International and domestic standards on boiled-dried anchovy Engraulis japonicus
2. 마른멸치 제조의 회귀방정식
마른멸치의 제조를 위한 독립변수 (염도, 건조온도 및 건조시간)의 최적조건을 천구하기 위하여 중심합성계획에 따라 17구의 시료를 제조하여 종속 변수인 수분, 수분활성 및 WPS을 각각 측
정한 결과는 <Table 4>와 같다. 이들 독립변수 (염도, 건조온도 및 건조시간)와 종속변수인 수분, 수분활성 및 WPS의 관계를 살펴볼 목적으로 MINITAB 통계 프로그램을 이용하여 RSREG (response surface analysis by least-squares regression)를 실시한 다음 수분, 수분활성 및 WPS에 대한 3종의 독립변수 상호간의 관계를 각각 3차원 도식화한 결과는 [Fig. 2], [Fig. 3], [Fig. 4]와 같다.
Central composite design of independent variables and responses of dependent variables for boiled-dried anchovy manufacturing process
![[Fig. 2]](/xml/12402/JFMSE_2017_v29n6_1984_f002.jpg "[Fig. 2]")
Response surface plots for optimization of moisture content in boiled-dried anchovy manufacturing process. Y1 (Moisture content), X1, (Salt concentration, %), X2 (Dry temperature , ℃), X3 (Dry time, h)
![[Fig. 3]](/xml/12402/JFMSE_2017_v29n6_1984_f003.jpg "[Fig. 3]")
Response surface plots for optimization of water activity in boiled-dried anchovy manufacturing process. Y2 (Water activity), X1, (Salt concentration, %), X2 (Dry temperature , ℃), X3 (Dry time, h)
![[Fig. 4]](/xml/12402/JFMSE_2017_v29n6_1984_f004.jpg "[Fig. 4]")
Response surface plots for optimization of WPS in boiled-dried anchovy manufacturing process. Y3 (WPS, %), X1, (Salt concentration, %), X2 (Dry temperature , ℃), X3 (Dry time, h)
<Table 8>의 결과를 이용하여 MINITAB progrom의 RSREG로 수분, 수분활성 및 WPS의 일차항 (linear; X1, X2), 이차항 (quadratic; X12, X22) 및 교차항 (cross-product; X1X2)과 같은 여러 가지 2차 회귀방정식의 계수들과 이들의 유의성의 결과는 <Table 5>와 같고, 이들 계수를 이용하여 작성한 반응 모형 방정식은 <Table 6>과 같다. 일반적으로는 MINITAB program의 RSREG로 작성한 2차 회귀 방정식 즉, 반응 모형 방정식은 일차항, 이차항 및 교차항과 같은 다양한 항을 구성하고 있어 <Table 6>과 같이 복잡하다. 그러나 그 유의성을 확인하는 경우 유의성이 인정되지 않는 다수의 항이 존재하는데 이를 제거하면 <Table 7>과 같이 간단하게 나타낼 수 있다. 따라서 MINITAB program의 RSREG로 분석한 수분함량의 반응 모형 방정식 중 일차항 (linear; X1, X2, X3), 이차항 (quadratic; X12, X22, X32) 및 교차항 (cross-product; X1X2, X1X3, X2X3)에 대한 유의성은 일차항인 X2, X3는 p-value가 각각 0.000, 0.001으로 0.05보다 작아 5%의 유의성이 인정되었고 X1은 0.214으로 0.05보다 커서 5%의 유의성이 인정되지 않았고, 이차항인 X22은 p-value가 0.006로 0.05보다 역시 작아서 5%의 유의성이 인정되었고 X12, X32는 각각 0.587, 0.162로 0.05보다 커 5%의 유의성이 인정되지 않았고, 교차항인 X1X2, X1X3, X2X3는 모두 p-value가 0.974, 0.662 및 0.090으로 0.05보다 커서 5%의 유의성이 인정되지 않았다.
Estimated coefficients of fitted quadratic polynomial equation for different response based on t-statistic
Response surface model for processing conditions of boiled-dried anchovy manufacturing process
Briefed response surface model for processing conditions of boiled-dried anchovy manufacturing process
Analysis of variance (ANOVA) for response of dependent variables (Y1, Y2, Y3)
MINITAB program의 RSREG로 분석한 수분활성은 반응모형 방정식 중 일차항 (linear; X1, X2, X3), 이차항 (quadratic; X12, X22, X32) 및 교차항 (cross-product; X1X2, X1X3, X2X3)에 대한 수분활성의 유의성은 일차항인 X2, X3는 p-value가 각각 0.000, 0.000으로 0.05보다 작아 5% 수준에서 유의성이 인정되었고, X1은 0.067로 0.05보다 커 5%의 유의성이 인정되지 않았다.
이차항인 X22, X32은 p-value가 각각 0.010 및 0.002로 0.05보다 작아 5%의 유의성이 인정되었고 X12은 0.723으로 0.05보다 커 5%의 유의성이 인정되지 않았다. 교차항인 X2X3은 0.000로 0.05보다 작아 5%의 유의성이 인정되었으며, X1X2, X1X3은 각각 0.631, 0.862로 0.05보다 커 5%의 유의성이 인정되지 않았다.
MINITAB program의 RSREG로 분석한 WPS는 반응모형 방정식 중 일차항 (linear; X1, X2, X3), 이차항 (quadratic; X12, X22, X32) 및 교차항 (cross-product; X1X2, X1X3, X2X3)에 대한 수분활성의 유의성은 일차항인 X1, X2, X3는 p-value가 각각 0.000, 0.001 및 0.003으로 0.05보다 작아 5%의 유의성이 인정되었다. 이차항인 X22은 p-value가 0.020으로 0.05보다 작아 5%의 유의성이 인정되었으며, X32, X32는 각각 0.086 및 0.352로 0.05보다 커 5%의 유의성이 인정되지 않았다. 교차항인 X1X2는 p-value가 0.011로 0.05보다 작아 5%의 유의성이 인정되었으며, X1X3, X2X3는 각각 0.143 및 0.602로 0.05보다 커 5%의 유의성이 인정되지 않았다.
3. 최적 마른멸치 제조 조건
독립변수와 종속변수 간의 상관관계를 ANOVA 분석으로 살펴 본 결과는 <Table 8>과 같다.
마른멸치 제조를 위한 수분함량에 대한 반응 모형 방정식은 일차항, 이차항의 p-value가 각각 0.000, 0.032로 0.05보다 작아 5% 수준에서 유의성이 인정되었으나, 교차항의 경우 p-value가 0.332로 0.05보다 커 5% 수준에서 유의성이 인정되지 않았다. 마른멸치 제조를 위한 수분활성의 반응 모형 방정식은 일차항, 이차항 및 교차항의 p-value가 각각 0.000, 0.004 및 0.002로 0.05보다 작아 5% 수준에서 유의성이 인정되었다. 마른멸치 제조를 위한 WPS의 반응모형 방정식은 일차항, 삼차항의 경우 p-value가 각각 0.000 및 0.039로 0.05보다 작아 5% 수준에서 유의성이 인정되었으나, 이차항의 경우 0.079로 0.05 보다 커 5% 수준에서 유의성이 인정되지 않았다.
마른멸치 제조를 위한 수분함량의 반응모형 방정식 모델의 적합성 여부를 나타내는 적합 결여 검증 (lack of fit test)의 p-value는 0.001을 나타내어 0.05보다 낮아 설계된 모형이 완전하지 않는 것으로 나타났으나, 결정계수 (R2)가 0.869로 1에 가까우며 model 값이 0.000으로 0.05보다 낮아 설계된 반응모형이 완전하진 않으나 적합한 것으로 나타났다. 마른멸치 제조를 위한 수분활성의 반응모형 방정식 모델의 적합성 여부를 나타내는 적합 결어 검증 (lack of fit test)의 p-value는 0.001로 0.05보다 낮아 설계된 모형이 완전하지 않는 것으로 나타났으나, 결정계수 (R2)가 0.978로서 1에 가까우며 model 값이 0.000으로 0.05보다 낮아 설계된 반응모형이 완전하지 않으나 적합한 것으로 나타났다. 또한, 마른멸치 제조를 위한 WPS의 반응모형 방정식 모델의 적합성 여부를 나타내는 적합 결여 검증 (lack of fit test)의 p-value는 0.001로 0.05보다 낮아 설계된 모형이 완전하지 않는 것으로 나타났으나, 결정계수 (R2)가 0.930으로 1에 가까우며 model 값이 0.000으로 0.05보다 낮아 설계된 반응모형이 완전하지 않으나 적합한 것으로 나타났다.
4. 최적 마른멸치 제조 조건에 의한 실측치와 예측치
마른멸치의 최적조건의 제조를 위하여 수분함량, 수분활성 및 WPS가 최대로 할 수 있는 독립변수 (염도, 건조온도 및 건조시간)의 최적조건 구명이 필요하다. 이러한 목적으로 <Table 4>의 결과를 MINITAB 통계 프로그램을 구동하여 얻은 수분함량, 수분활성 및 WPS 각각과 이들을 동시에 만족할 수 있는 조건에 대한 독립변수의 최적조건과 그리고 이들을 동시에 만족 하는 조건에 대한 독립변수의 최적조건과 그리고 이들을 동시에 만족하는 조건에서 수분함량, 수분활성 및 WPS 예측치를 <Table 9>에 나타내었다.
Optimal condition of multiple responses for processing conditions of boiled-dried anchovy manufacturing process
마른멸치 제조의 수분함량의 최적 염도, 건조온도 및 건조시간은 coded value로는 각각 0.3394, -0.4948 및 0.9200이었고, 이를 uncoded value로 환산하는 경우 각각 7.01%, 20.05℃ 및 19.6시간 이었다. 이들 조건 즉, 7.01%의 식염수에 자숙을 하고 냉풍건조기에 20.5℃ 및 19.6시간 동안 건조하는 경우 마른멸치 제조의 적정 수분함량은 16.98%로 예측되었다. 마른멸치 제조의 수분활성 최적 염도, 건조온도 및 건조시간은 coded value로는 각각 1.5252, 1.6330 및 -0.8382이었고, 이를 uncoded value로 환산하는 경우 각각 10.58%, 41.33℃ 및 10.81시간 이었다. 이들 조건 즉, 10.58%의 식염수에 자숙을 하고 냉풍건조기에 41.33℃ 및 10.81시간 동안 건조하는 경우 마른멸치 제조의 적정 수분활성은 0.769으로 예측되었다. 마른멸치 제조의 WPS 최적 염도, 건조온도 및 건조시간은 coded value로는 각각 1.5179, -1.0106 및 -0.3152이었고, 이를 uncoded value로 환산하는 경우 각각 10.55%, 14.99℃ 및 13.42시간이었다. 이들 조건 즉, 10.55%의 식염수에 자숙을 하고 냉풍건조기에 14.99℃ 및 13.42시간 동안 건조하는 경우 마른멸치 제조의 적정 WPS는 26.88로 예측되었다. 마른멸치 제조의 수분함량, 수분활성 및 WPS의 최적 염도, 건조 온도 및 건조시간은 coded value로는 각각 -0.1974, -0.2911 및 0.5714이었고, 이를 uncoded value로 환산하는 경우 각각 5.41%, 22.09℃ 및 17.86시간이었다. 이들 조건 즉, 염도 5.41%, 건조온도 22.09℃ 및 건조시간 17.86시간에서 수분함량은 17.28% 수분활성은 0.750 및 WPS는 23.19%로 예측되었다.
이들 최적 염도, 건조시간 및 건조온도를 적용하여 마른멸치를 제조한 결과는 <Table 10>과 같다.
Experimental and predicated results of verification under optimized conditions
최적 염도, 건조시간 및 건조온도를 적용하여 마른멸치를 제조한 수분함량, 수분활성 및 WPS는 각각 17.40%, 0.742 및 22.84%로 예측치의 각각 100.7%, 98.9% 및 98.5%에 해당하여 예측치와 실측치 간에 차이가 적었다.
이상의 결과로 미루어 보아 제시된 반응표면 모델은 마른멸치 제조를 위한 최적 모델이라 판단되었다.
Ⅳ. 결론 및 요약
표면반응분석을 사용하여 국내·외 기준규격에 적합한 마른멸치 제조의 최적조건은 염도 (X1, %), 건조온도 (X2, ℃), 건조시간 (X3, h)을 독립변수로 선정하였고, 수분 (Y1, %), 수분활성 (Y2), WPS (Y3, %)을 종속변수로 하였다. X1, X2, X3의 최적 조건은 각각 5.41%, 22.09℃, 17.86h 이었다. 최적 조건에서 Y1, Y2, Y3의 예측값은 17.28%, 0.750, 23.19% 이었고, 실험값은 17.40%, 0.742, 22.84% 이었다. Y1, Y2, Y3의 예측값 및 실험값 간의 차이는 적었다. 이 값은 국내 마른멸치 수분함량 기준인 30% 미만에 적합하였으며, 대미 수출을 위한 미국 FDA 수분활성 및 WPS 기준인 0.85, 20% 미안에 적합하였으며, 모든 국내·외 기준규격에 적합하였다.
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