초미세 분쇄 기술은 기계적 또는 유체 역학적 원리를 이용하여 0.5~5.0mm 크기의 재료를 마이크로미터 또는 나노미터 크기의 입자로 분쇄하는 첨단 기술입니다. 기존 분쇄 방식에 비해 재료 절감, 처리 속도 향상, 그리고 더욱 미세하고 균일한 입자 크기 분포라는 장점을 제공합니다.
어느 정도까지는 초미세 분쇄 기술은 음식의 질감과 맛을 향상시킬 뿐만 아니라 신체의 영양소 흡수 및 활용도를 높여 다양한 식품이 기능성을 더욱 효과적으로 발휘할 수 있도록 합니다.
식품 가공 산업에서 초미세 분쇄 기술의 장점
빠른 분쇄 속도와 우수한 온도 제어 기능
초미세 분쇄 공정 전체가 과열을 거의 발생시키지 않고 저온에서 작동할 수 있어 저온 분쇄 기술에 해당합니다. 미세 분말 생산 공정이 짧아 대부분의 생리활성 화학 성분이 가공 중 손실되지 않으므로 필요한 모든 고품질 미세 분말 제품을 생산할 수 있습니다.
작고 균일한 입자 크기 분포, 향상된 재료의 물리화학적 특성 및 증가된 반응 속도
초미세 분쇄 기술에서는 원료에 가해지는 외부 힘이 매우 균일하게 분포되기 때문에 생성된 분말은 균일한 입자 크기 분포를 나타냅니다. 초미세 분쇄 후, 재료의 비중과 표면적이 점차 증가합니다. 이는 생화학 반응 시 접촉 면적을 증가시켜 용해 속도와 반응 속도를 향상시킵니다.
원자재 소비량 감소 및 활용도 향상
섬유질 구조가 매우 복잡한 일부 소재는 기존의 분쇄 방식에 적합하지 않습니다. 입자가 커지면 원료 낭비가 심해지고, 대부분의 생산 공정에서는 활용 요건을 충족하기 위해 중간 단계를 거쳐야 하기 때문입니다. 초미세 분쇄 기술을 이용해 생산된 제품은 생산 공정에 직접 적용할 수 있어 희귀하고 값비싼 원료에 적합합니다.
환경 오염을 줄이고 가공 재료의 품질을 향상시킵니다.
초미세 분쇄 공정 전체가 밀폐된 환경에서 이루어지므로 외부 오염을 방지하고 외부 환경으로 오염 물질이 배출되지 않습니다. 이 기술은 높은 환경 기준이 요구되는 식품 및 건강 관리 제품에 적합합니다. 초미세 분쇄는 외부 물질을 첨가하거나 혼합하지 않는 물리적 가공 방식입니다. 따라서 원료, 특히 건강 보조 식품 및 한약재 가공 시 원료의 천연적 성질이 그대로 보존되어 원료의 자연적 특성과 안전성이 보장됩니다.
신체의 영양소 소화 및 흡수 개선
연구 결과에 따르면 초미세 분쇄 후, 재료는 10~25μm 또는 그보다 더 작은 매우 작은 입자 크기로 소화계에 들어갑니다. 영양소는 길고 복잡한 과정을 거치지 않고 바로 방출되며, 입자가 작기 때문에 소장 내벽에 더 쉽게 흡수됩니다. 이는 영양소 방출 속도를 높여 원료가 완전히 흡수되고 활용될 수 있는 시간을 더 많이 확보해 줍니다.
식품 가공에서 초미세 분쇄 기술의 장점
| 장비 | 작동 원리 | 응용 분야 / 원료 | 입자 크기 |
| 볼밀 | 실린더가 회전하면서 내부의 연삭 볼이 일정 높이까지 올라갔다가 떨어지면서 충격과 압축을 통해 재료를 분쇄합니다. | 식물성 재료 및 균류 (건식 및 습식 분쇄 모두에 적용 가능) | 옥수수 전분: 30.8 ± 10.8 nm |
| 제트밀 | 압축 공기가 노즐을 통해 분사되어 고속 기류와 속도 구배를 생성합니다. 입자는 분쇄 챔버 내부에서 원형 경로를 따라 움직이며 강력한 회전 유동장을 형성합니다. 입자는 서로 충돌하고, 공기에 의해 충격을 받고 전단되며, 챔버 벽과의 충돌, 마찰 및 전단력도 받습니다. | 식물성 재료 및 수산 부산물(건식 분쇄)에 적합합니다. | 보리: 31.34 ± 1.12 (단위 미지정, 아마도 µm 또는 nm) |
| 진동밀 | 고주파로 진동하는 연삭 매체(구슬 또는 막대)를 사용하여(실린더 내부에서 지속적으로 회전) 재료를 충격, 마찰 및 절단하여 크기를 줄입니다. | 동물/식물 원료 및 부산물에 폭넓게 적용 가능 (건식 분쇄) | 토끼 뼈: 16.92 ± 0.15 (단위 미표시) |
| 고압 균질기 | 재료는 밸브 시트와 균질화 밸브 사이의 좁은 틈을 통과하면서 압력이 증가하고 속도가 빨라집니다. 충격 링과의 충돌 시 전단, 고주파 진동 및 캐비테이션이 발생합니다. 밸브를 통과한 후 압력이 급격히 떨어지면서 균질화 효과가 나타납니다. | 다양한 액체 재료에 적합하며, 주로 유화(습식 분쇄)에 사용됩니다. | 사탕무 펄프: 38.28 ± 0.66 (단위 미지정) |
| 미세유체화 장치 | 이 물질은 미리 설정된 압력 수준으로 가압된 후, 상호작용 챔버 내에서 초고압에 노출됩니다. 충돌 제트 원리를 이용하여 유체는 강한 전단력, 고주파 진동, 고속 충격, 급격한 압력 해제 및 캐비테이션에 의해 유화되고 분해되어 고분자 구조에 변화를 일으킵니다. | 주로 구조가 느슨한 액체 재료에 사용되며, 유화(습식 분쇄)에 적합합니다. | 두유 분말: 5.14 ± 0.04 (단위 미표시) |
| 콜로이드 밀 | 회전하는 톱니(로터)와 고정된 톱니(스테이터)는 서로 상대적으로 고속으로 회전합니다. 재료는 자체 무게 또는 외부 압력에 의해 아래쪽으로 나선형 회전력을 발생시킵니다. 톱니 사이의 틈을 통과하면서 강한 전단력, 마찰력 및 고주파 진동을 겪게 되며, 이 과정에서 분쇄 및 유화가 이루어집니다. | 고점도 또는 조립자 재료(습식 분쇄)에 적합합니다. | 키위 껍질: 58개 (단위 누락) |
초미세 분쇄가 곡물의 특정 생리적 기능에 미치는 영향
| 기능 | 영양소 | 구성 요소의 작용 메커니즘 | 초미세 분쇄가 입자에 미치는 영향 | 대표적인 곡물 |
| 저혈당증 (혈당 저하) | 식이섬유, 단백질, 전분, 폴리페놀, 플라보노이드 등. | 입자 크기가 감소하면 비표면적, 다공성, 표면 에너지 및 유익한 박테리아의 풍부도가 증가합니다. | ① 포도당 흡수 및 결합 능력을 향상시키고 포도당 확산을 지연시킵니다. ② 췌장 β세포를 보호 및 복구하고 인슐린 수치를 증가시킵니다. ③ 소화 효소를 억제하여 포도당 대사를 개선합니다. ④ 장내 미생물총을 개선하고 장내 미생물 생태계를 복원합니다. | 메밀, 귀리, 하이랜드 보리 |
| 항산화제 | 베타카로틴, 폴리페놀, 다당류 등. | 항산화 활성을 가진 저분자 물질의 증가 및 비표면적의 증가. | 활성산소종으로 인한 산화 손상을 방지합니다. | 검은 강낭콩, 율무, 메밀, 귀리 |
| 항고혈압제 (혈압 강하) | 수용성 식이섬유, 단백질 등. | 활성 그룹의 노출 및 구조적 이완 증가. | 양이온 교환 용량을 향상시킵니다. | 붉은 콩, 메밀, 녹두 |
| 저지혈증 (혈중 지질 저하) | 식이섬유, 전분, 폴리페놀, 단백질 등. | 입자 크기 감소, 활성 그룹 노출, 비표면적 증가 및 구조적 이완. | ① 콜레스테롤 흡착 능력 향상; ② 담즙산 흡착 능력 향상; ③ 췌장 리파아제 활성 억제. | 검은 강낭콩, 율무, 붉은 콩, 메밀 |
| 유해 물질 감소 | 식이섬유, 폴리페놀, 단백질 등. | 입자 크기 감소, 비표면적 증가 및 구조적 이완. | ① 중금속 흡착 능력 향상; ② 아질산염 흡착 능력 향상; ③ 장 건강 개선. | 녹두, 메밀겨 |
7대 주요 식품군으로부터 초미세 분말을 생산하기 위한 초미세 분쇄 기술
| 식품 카테고리 | 초미세 분쇄 제품 |
| 과일과 채소 | 오렌지 가루, 사과 가루, 배 가루, 당근 가루, 호박 가루, 셀러리 가루, 시금치 가루 등. |
| 가축, 가금류 및 수산물 | 쇠고기 분말, 닭고기 분말, 돼지고기 분말, 새우 분말, 뼈 분말 등. |
| 향신료 및 조미료 | 생강가루, 마늘가루, 후추가루, 고추가루, 버섯가루 등. |
| 영양 강화제 | 뼈가루, 다시마가루, 당근가루, 꽃가루 등. |
| 나뭇잎: | 차 가루, 뽕잎 가루, 은행잎 가루, 오엽초 가루 |
| 약용 및 식용 허브: | 감초 가루, 국화 가루, 귤껍질 가루, 맥문동 뿌리 가루, 살구씨 가루, 하수오 가루, 당귀 가루 등. |
| 건강식품: | 찹쌀가루, 옥수수 전분, 콩가루, 녹두가루, 팥가루, 밀기울가루, 땅콩가루 등. |
식품 가공 분야에서 초미세 분쇄 기술의 응용
양념
조미료 가공에서 초미세 분쇄 기술은 향신료, 조미료 분말, 조미료 소스 등 다양한 제품 생산에 활용될 수 있습니다. 초미세 분쇄는 분말의 색 밝기, 화학적 성질, 촉매 성질을 변화시켜 수용성, 흡착성, 유동성을 향상시키고 생리활성 물질의 용해 속도를 높입니다. 따라서 초미세 분쇄는 주로 다음과 같은 방식으로 조미료의 품질에 영향을 미칩니다. 질감 및 식감 개선, 향미 성분 방출 촉진, 유효 성분 추출, 색상 강화.
하지만 과도한 분쇄나 부적절한 조작은 분말 품질 변화를 초래할 수 있습니다. 과도한 분쇄는 입자 크기를 지나치게 작게 만들 수 있습니다. 초미세 분쇄가 과도해지면 입자가 너무 작아져 안식각이 증가하고 유동성이 떨어지며 공기 중의 수분을 흡수하는 경향이 커져 덩어리짐 등의 문제가 발생할 수 있습니다. 또한, 초미세 분쇄 공정 중 온도가 부적절하면 품질에 영향을 미칠 수 있습니다. 분쇄 온도가 너무 높으면 재료 내 효소 물질의 방출이 가속화되어 산화 반응이 심화되고 항산화제가 손실될 수 있습니다.
분말 조미료의 최적 입자 크기 범위
| 분쇄할 재료 | 최적 입자 크기 범위 / μm |
| 표고버섯(버섯 추출물) | 100–154 |
| 생강 | 70–150 |
| 향료 | 820–1,500 |
굵은 입자
초미세 분쇄는 곡물에 함유된 전분, 단백질, 식이섬유의 구조 변화로 인해 거친 곡물 가루의 물리화학적 특성을 변화시킵니다. 농업 부산물의 초미세 분쇄와 마찬가지로, 초미세 분쇄를 거친 거친 곡물 또한 결정화 특성, 수화 특성, 젤라틴화 특성, 밀도 및 유동성, 기능적 특성, 오일 보유 능력, 색상 등 특정 특성에서 차이를 보입니다. 이러한 차이는 특히 입자가 큰 거친 곡물과 확연히 다릅니다.
초미세 분쇄가 특정 조립자의 물리화학적 특성에 미치는 영향
| 속성 | 원료 | 분쇄 방법 | 주요 결과 |
| 결정성 특성 | 율무씨 수수 | 진동밀 볼밀 | 녹말 결정이 손상되어 결정성이 감소했습니다. 결정이 비정질 상태로 변형되었습니다. |
| 수분 공급 특성 | 하이랜드 보리겨 귀리 | 제트 밀링 유성 볼 밀 | 수분 보유 능력은 4.12g/g에서 2.72g/g으로 감소했습니다. 팽창 능력과 용해도가 증가했습니다. |
| 접착 속성 | 흑미 기장 | 제트 밀링 제트 밀링 | 최고 점도, 최종 점도, 점도 파괴, 점도 회복 및 젤라틴화 온도가 감소했습니다. 최고 점도, 최종 점도, 점도 감소율 및 점도 회복률은 처음에는 증가하다가 감소했으며, 젤라틴화 온도는 증가했습니다. |
| 밀도 및 유동성 | 타타리 메밀겨 녹두 | 볼밀 제트 밀링 | 안식각과 활주각이 증가하고 유동성이 감소했다. 탭 밀도가 56.1%만큼 크게 감소했습니다. |
| 기능적 속성 | 귀리겨 | 진동밀 | 양이온 교환 용량, 콜레스테롤, 담즙산 및 포도당 흡착 용량이 향상되었습니다. |
| 기타 속성 | 타타리 메밀 붉은 팥 | 제트 밀링 진동밀 | 석유 보유 용량: 처음에는 증가했다가 감소했습니다. 색상 특성: 초미세 분말은 기존 분말에 비해 색상 차이가 뚜렷하게 나타나 더욱 밝아졌습니다. |
기존의 분쇄 방식과 비교했을 때, 초미세 분쇄 기술은 통곡물 가루의 입자 크기를 효과적으로 줄이고 분자 구조를 변화시켜 영양소와 생리활성 물질의 방출을 촉진합니다. 이는 체내 영양소 흡수율을 높여줄 뿐만 아니라, 더욱 고운 질감을 가진 통곡물 가루를 만들어 음식의 식감을 개선합니다. 또한, 초미세 분쇄된 통곡물 가루는 비표면적이 넓어 흡착성, 용해도 등의 물리적 특성과 화학 반응 속도를 향상시키는 데 도움을 줍니다.
초미세 분쇄가 전분에 미치는 영향
초미세 분쇄가 단백질에 미치는 영향
초미세 분쇄가 식이섬유에 미치는 영향
초미세 분쇄가 식이섬유의 구조적 및 기능적 특성에 미치는 영향
과일과 채소
| 과일/채소 분말 | 분쇄 방법 | 분쇄 조건 | (굵은 분말과 비교했을 때) 변화 사항 |
팡주 죽순 | 공기 분사식 미세화 | 볼밀 회전 속도 350rpm, 처리 시간 5시간, 소형 볼 직경 3mm, 볼 대 재료 비율 1:1.3:1.5:1.7:1.9:1 | 30분간 미세화한 후 Dx(50)은 조분말에 비해 199μm 감소했습니다. |
| 물 셀러리 | 진동 미세화 | 중국 한약재 분쇄기로 2분간 거칠게 분쇄한 후, 5분, 15분, 25분간 미세 분쇄합니다. | 25분간 미세화한 후 Dx(50)은 조분말에 비해 278.52 μm 감소했습니다. |
| 고구마 | 진동 미세화 | 5, 10, 15, 20, 25, 30분 동안 밀링 | 5분간 미세화한 후 Dx(50)은 조분말에 비해 4.73μm 감소했습니다. |
| 토란 껍질 | 진동 미세화 | 10, 20, 30, 40, 50, 60, 90분 동안 밀링 | 미세화 과정 20분 이내에 평균 입자 크기는 352μm에서 20μm 미만으로 감소했습니다. |
| 산사나무 | 막자사발 분쇄, 전단 분쇄 및 공기 분사 미세 분쇄 | 100rpm으로 9분간 막자사발 분쇄 후, 1.0mm 체를 통과시키고, 10,000rpm으로 전단 분쇄한 다음, 10Hz, 70MPa의 압력으로 공기 분사 미세 분쇄를 실시하였다. | 오븐 건조 및 공기 분사 미세화 처리 후, 가장 높은 L* 값은 51.35였다. |
| 연근 | 유성 볼 밀링 | 볼 대 재료 비율 2:1, 5:1, 8:1; 각각 200, 300, 400 rpm으로 4, 8, 12시간 동안 밀링 | 볼 대 재료 비율 8:1, 회전 속도 300rpm, 밀링 시간 12시간에서 L* 값은 69.2로 최고치를 기록했습니다. |
| 차지간 감귤 펄프 | 저온 미세화 | 10~13°C에서 10분, 30분, 60분, 120분 동안 분쇄 | 일반적인 분쇄 방식과 비교했을 때, 60분간의 미세 분쇄 후 L* 값은 68.34에서 89.17로 증가했습니다. |
| 고든 에우리알레 씨앗 (폭스넛) | 유성 볼 밀링 | 볼밀 회전 속도 100, 200, 300 rpm; 재료 대 볼 비율 1:10, 1:20, 1:30 (g/g); 분쇄 볼 직경 4, 8, 10 mm; 분쇄 시간 10, 20, 30분 | 회전 속도는 분말의 L* 값에 상당한 영향을 미쳤으며, 가장 높은 L* 값(93.69)은 300rpm에서 얻어졌습니다. |
양파 | 유성 볼 밀링 | 20메쉬 체를 통과시켜 거칠게 분쇄한 후, 300rpm으로 0, 6, 12, 18, 24시간 동안 볼 밀링을 실시한다. | 24시간 동안 볼 밀링을 진행한 후, L* 값은 58.0(조립 분말)에서 64.5로 증가했습니다. |
초미세 분쇄 기술은 과일 및 채소 분말과 그 부산물의 물리화학적 특성을 개선하고, 생리활성 화합물의 방출을 촉진하며, 맛을 향상시키고, 제품의 종류를 다양화할 수 있습니다.
물리적 및 화학적 특성: 초미세 분쇄 기술은 세포벽과 색소가 내장된 구조를 파괴하여 색소 성분의 방출을 촉진합니다. 또한, 초미세 분말의 증가된 비표면적과 향상된 광 반사율은 더욱 균일하고 선명한 색상을 구현합니다. 그러나 과도한 분쇄 또는 국부적인 고온은 색소 분해, 갈변 등의 문제를 야기할 수 있습니다. 동시에, 초미세 분쇄 기술은 과일 및 채소 분말과 그 부산물의 수분 흡수 및 보유 능력을 크게 향상시켜 수분 흡수 및 보유력을 높일 수 있습니다. 하지만 입자 크기 감소 및 표면 구조 변화로 인해 분말이 수분 흡수 및 응집에 더 취약해져 안식각 및 활주면각과 같은 유동성 지표가 저하되고 결과적으로 유동성이 감소할 수 있습니다.
초미세 분쇄 기술이 과일, 채소 및 부산물 분말의 입자 크기와 색상에 미치는 영향
| 과일/채소 분말 | 분쇄 방법 | 분쇄 조건 | (굵은 분말과 비교했을 때) 변화 사항 |
| 토마토 | 초미세 분쇄 | 28,000rpm, 2,200W의 초미세 분쇄기로 분쇄한 후, 40메쉬, 100메쉬, 200메쉬 체를 각각 통과시켰다. | 초미세 분말의 단백질 용해 속도는 조분말보다 현저히 높았으며, 최고값은 1.24g/100g에 달했다. |
| 신맛 나는 대추씨 | 기체-액체 초미세 분쇄 | 냉동 분쇄기로 1분간 분쇄한 후 80메쉬를 통과시키고, 이어서 기체-액체 초미세 분쇄기로 1분간 분쇄한 후 150메쉬를 통과시켰습니다. | 초미세 분말의 평균 단백질 추출 수율은 일반 분쇄에 비해 6.85% 증가했습니다. |
| 회색대추(Huizao) | 진동식 초미세 분쇄 | 범용 분쇄기로 2분간 분쇄한 후, 진동식 초미세 분쇄기로 6분간 분쇄하여 초미세 분말을 얻습니다. | 초미세 분말의 단백질 함량은 시판되는 대추 분말보다 훨씬 높은 0.49g/100g이었다. |
| 코코넛 | 진동식 초미세 분쇄 | 범용 분쇄기로 분쇄한 후 60메쉬를 통과시켰고, 진동식 초미세 분쇄기에서 5°C에서 각각 5, 10, 20, 30, 40, 50분 동안 분쇄했습니다. | 분쇄 시간 20분 후, 가용성 단백질 함량은 조분말에 비해 58.81% 증가했다. |
| 팡주 죽순 | 기체-액체 초미세 분쇄 | 범용 분쇄기로 10분간 분쇄한 후, 에어젯 초미세 분쇄기로 10분, 20분, 30분간 분쇄합니다. | 분쇄 30분 후 총 당 함량은 9.25%로 최고치를 기록했습니다. |
| 대추 | 고에너지 나노 충격 분쇄 | 범용 분쇄기로 10초간 분쇄한 후 60메쉬를 통과시켰고, 이어서 고에너지 나노 임팩트 밀에서 380rpm, 20°C 미만에서 6시간 동안 분쇄했습니다. | 총 당 함량은 조분말에 비해 100g당 5.76g 증가했습니다. |
| 당근 | 유성 볼 밀링 | 서로 다른 건조 방법을 통해 얻은 조분말을 4시간 동안 유성 볼 밀링한다. | 총 당 함량은 입자 크기가 109~120μm인 분획에서 가장 높았습니다(3.05%). |
잭프루트 | 진동 연삭 | 100메쉬를 통과시킨 조분말; 5분, 10분, 15분, 20분 동안 초미세 분쇄하여 다양한 입자 크기의 분말을 얻었다. | 조분말의 비타민 C 함량은 14.55mg/100g이었으며, 초미세 분쇄 후 10분 이내에는 분쇄 시간이 증가함에 따라 비타민 C 함량이 감소했고, 그 이후에는 실질적으로 변화 없이 10.40mg/100g으로 유지되었다. |
영양학적 및 기능적 특성
초미세 분쇄 기술은 과일과 채소 단백질의 물리화학적 특성을 향상시킬 수 있습니다. 세포벽을 파괴하고 세포 내용물의 노출을 촉진함으로써 과일 및 채소 분말과 그 부산물의 총 당 용해도를 증가시킵니다. 식이섬유, 특히 불용성 식이섬유의 물리화학적 특성은 조분말에 비해 초미세 분쇄 후 현저하게 개선됩니다. 초미세 분쇄는 분말의 생리적 기능과 활용 가치를 향상시키고 항산화 활성을 증진시킬 수도 있습니다.
풍미 품질: 초미세 분쇄는 기존 분쇄 방식에 비해 분말의 풍미를 크게 향상시킬 수 있습니다. 그러나 분쇄 시간은 기계적 열 발생으로 인해 열에 민감한 풍미 성분이 분해되거나 주요 효소의 활성이 저해되는 것을 방지하기 위해 엄격하게 제어해야 합니다.
건강식품
분쇄 공정, 분쇄 매체, 분쇄 환경 및 후처리 과정을 최적화함으로써 건강식품의 영양소 생체이용률을 향상시키고, 식감을 개선하며, 생체 활성을 높이고, 유통기한을 연장할 수 있습니다.
결론
식품 분말은 식품 산업의 핵심 원료로서 제빵, 음료, 유제품 등 다양한 분야에서 널리 사용됩니다. 식품 분말은 특유의 물리적, 화학적 성질 덕분에 식품 가공 과정에서 식감 개선, 유통기한 연장, 영양 강화 등 다양한 기능을 수행할 수 있습니다. 식품 산업이 지속적으로 발전함에 따라 식품 분말에 대한 수요는 증가하고 있으며, 동시에 제조 기술에 대한 요구 조건 또한 높아지고 있습니다.
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— 제이슨 왕, 엔지니어