본 실험에서는 경남 통영의 양식 굴과 충남 태안의 자연산을 실험용 시료로 선택하였다. 생굴은 껍질이 제거된 후 깨끗이 씻은 후 전처리 공정을 실시하였다. 건조를 위한 전처리 공정인 삶는 방법으로는 (1)끓는 물에 생 굴을 익히는 방법과 (2)수증기로 생 굴을 찌는 방법을 생각할 수 있는데, 예비실험을 통하여 수증기로 찌는 방법이 맛이 증대된다는 관능평가 결과에 따라, 본 실험에서는 생 굴을 고온의 수증기에 쪄서 익히는 방법을 택하였다.

생 굴의 전처리 작업과 Steaming중에, Figure 1에서 보는 바와 같이 육수가 발생하는데, 이 육수는 별도로 건조하면 고품질의 천연 조미료를 만들 수 있다.

Figure 1: 
Pre-conditioning of the oysters and the meat broth

본 실험에서는 참고문헌[6][7]과 같은 저온진공건조장치(모델명: STVD-50)를 사용하였으며, 기본적인 측정 및 분석방법도 참고문헌[7]과 유사하다.

전처리가 완료된 굴은 건조판의 크기가 0.3667m²(0.78m x 0.47m)인 건조판에 면포를 깔은 다음에 한 마리씩 널어놓아 건조 후에도 모양이 온전하도록 하였다. 한 장의 건조 판에는 찐 굴 약 2.5 kg 전후가 탑재되어 건조실험이 시작된다. 측정기준은 찐 굴 5kg을 기준(100%)로 하여 건조시간이 경과함에 따라서 무게 감소량 즉, 수증기의 시간 평균적인 증발량을 계산하였다. Figure 2에 건조시간 경과에 따른 반건조 굴과 건조기 내부 건조판 사진을 나타낸다.

Figure 2: 
Steaming oyster on the drying plater for vacuum dry

본 연구의 목적은 굴을 고품질로 저온진공건조하여 수출상품화 하는 것이 주목적이므로 품질과 최종무게수율이 건조조건에 따라서 어떻게 변화하는가를 체계적으로 연구하는 것이다. 건조 굴의 품질에 가장 영향을 미치는 인자는 가열수의 온도와 이에 따른 건조실 내부의 공간온도이므로, 가열수의 온도를 60, 50, 40℃의 3가지로 유지하면서 건조 소요시간, 에너지소모율, 최종무게수율 등을 측정하였다. 측정 시간간격은 건조 개시 후부터 3시간으로 설정하였다. 실험중 건조기 내부의 압력의 작동범위는 -640 ~ -680 mmHg 범위에서 작동하므로, 본체 내부의 평균 진공압력은 -660 mmHg으로 간주할 수 있으며, 이에 상당하는 수증기의 포화온도는 51.57℃, 수분의 증발잠열 H_fg = 568.25 kcal/kg을 기준으로 측정분석을 수행하였다[8][9].

저온진공건조기술로 충분히 건조하였을 때 도달할 수 있는 경우의 식(6)과 같이 정의되는 최종함수율은 약 4.2%임을 실험적으로 얻고 있으므로[1], 찐 굴 5kg을 완전히 진공 건조하였을 때 순수한 육만의 무게는 1.417kg이다. 따라서 함수율 30%의 경우 건조 굴의 무게는 2.024kg(1.417÷0.7=2.024), 함수율 20%의 경우 굴의 무게는 1.771kg, 함수율 10%의 경우 굴의 무게는 1.574kg, 함수율 5%의 최종 건조 굴의 무게는 1.492kg이 된다[10].

Figure 3에는 이와 같이 계산한 함수율과 건조과정에서의 굴 사진을 대비하여 나타내었다, 자연산 굴(Wild oyster)이 양식 굴(Farming oyster)에 비하여 비교적 밝은 색상을 띄는 것을 알 수 있었으며, 함수율이 적어질수록 짙은 색상이 되었다. 완전 건조후 한 마리의 평균적 무게는 자연산이 1.53gr/마리, 양식이 3.30gr/마리로 양식 건조 굴이 자연산 건조 굴에 비하여 2.15배 정도 무거웠다.

Figure 3: 
Wild and farming oyster according to the change of moisture content ratio

Figure 4에는 가열수의 입구온도(T_h)를 40℃로 유지했을 때, 포화온도(T_s), 가열온수관 표면온도(T_w), 건조실 내부 공간온도(T_r), 피건조물인 굴의 온도(T_m)의 측정결과를 나타내었다. 이 그림에서 굴의 온도는 건조 초기에는 활발히 수분의 증발이 이루어지므로 20℃ 이하로 유지되다가 건조 개시후 30시간 정도 경과하면 거의 다 건조가 완료되어 건조실 온도와의 온도차가 5℃ 이내로 될 때까지 굴의 온도가 상승하여 피건조물의 온도(T_m)가 공간온도(T_r)과 거의 같아질 때까지 수렴함을 알 수 있다. 참고로 이 실험의 경우 30시간이 경과한 시점에서의 함수율은 18.44%이었다.

Figure 4: 
Behavior of the measured temperature (Wild oyster, T_hin = 40℃)

무게 변화는 Figure 5에서 보는 바와 같이 건조시간의 경과에 따른 무게 감소율의 변화를 살펴보면 더욱 뚜렷하다. 건조초기 12시간 동안에는 무게가 50% 될 때까지 거의 선형적으로 감소하여 함수율 약 40%가 되며, 39시간이 경과하면 무게가 약 35%로 감소(함수율 12,38%) 되어 이 때부터 건조속도가 매우 느려짐을 알 수 있으며, 완전 건조까지 소요되는 건조시간은 69시간이며, 최종 도달 함수율은 4.20%이었다. 참고로 기존의 열풍건조, 냉풍건조, 자연건조에 의존할 경우에는 공기중의 수분의 농도 평형에 의하여 건조시간이 아무리 경과하여도 함수율 12% 이하의 건조는 불가능하다.

Figure 5: 
Weight reduction behavior during vacuum dry (Wild oyster, T_hin = 50℃)

Table 3에는 전체적인 실험결과로부터 가열수 온도를 40℃, 50℃, 60℃로 셋팅하였을 경우 자연산 굴과 양식 굴의 함수율(%)이 70-5%까지 각각 도달하는데 필요한 소요시간을 표로 정리하여 나타내었으며, Figure 6는 양식 굴에 대한 데이터를 그림으로 나타낸 것이다. 이들 결과로부터 저온진공건조기술을 이용한 굴의 완전 건조에는 2~3일이 소요되며, 가열수 온도가 높을수록 소요시간이 짧아짐을 알 수 있었다.

Figure 6: 
Relationship between moisture content ratio and drying time(Farming oyster)

Table 4에는 자연산 굴을 최종함수율 4~5%까지 저온진공 건조하였을 경우, 생 굴의 무게를 기준(100%)으로 한 건조 굴의 무게 수율 실험결과를 정리하여 나타낸 것이다. 이 표에서 보는 바와 같이 함수율 4.2%까지 완전 건조하였을 경우 육만의 무게 수율은 17.0% 전후가 되며, 굴 육수의 수율도 약 3% 정도가 되어 도합 약 20%가 됨을 알 수 있었다.

건조 직전(t=0)의 무게 찐 굴의 무게를 Gikg, 임의의 측정시각 t에서 찐 굴의 무게를 Gt라고 하면 다음 식과 같이 이 관계를 나타낼 수 있다.

그러므로 시각 t에서의 굴의 무게 Gt를 알면, 시간간격 (∆t) 동안의 평균 무게 감소율 ∆W_t(kg/hr)를 다음 식과 같이 구할 수 있다.

건조판의 면적이 A = 0.366 m² 이므로, 건조판 단위면적당의 겉보기 열프럭스(Superficial Heat flux, kcal/m²hr)는 다음 식과 같이 구할 수 있다.

위 식에서 Hfg는 건조기 내부의 평균진공압력 -660 mmHg에 상당하는 수분의 증발잠열로 H_fg = 568.25 kcal/kg이다.

Figure 7는 식 (3)과 같이 구한 건조판의 크기를 대표면적으로 하여 건조시간의 경과에 따른 겉보기 열프럭스(대수 눈금)를 건조 경과시간(t)에 대하여 정리하여 나타내었는데, 이 그림에서 보는 바와 같이, 자연산 찐 굴의 건조판을 기준으로 한 단위면적당의 겉보기 열프럭스는 건조시간의 경과에 따라 급속하게 감소하는 것을 알 수 있었다.

Figure 7: 
Heat flux behavior during vacuum dry (Wild oyster, T_hin = 50℃)

저온진공건조 초기의 12시간 동안에는 활발히 건조가 진행되어 열프럭스가 200~600 kcal/m²hr로 비교적 높게 유지되다가, 36시간 정도가 지나면 20 kcal/m²hr 정도로 적어져, 이후에는 10 kcal/m²hr 이하로 더욱 현격히 적어짐을 알 수 있었다. Figure 4와 같이 구한 자연산 굴의 저온진공건조 열전달특성은 최순열의 고추에 관한 저온진공건조 연구결과[11] 문수범의 순수 무염 건해삼의 진공건조과정해석에 관한 연구결과[1]과는 상당히 다르게, 항율건조기간과 감율건조기간이 뚜렸이 구분되지 않고, 편대수 그래프 상에서거의 직선적으로 열프럭스가 감소하는 경향을 나타냄을 알 수 있었다.

함수율은 피건조물 전체 무게에서 수분이 차지하는 무게의 비율 즉 함수율(ω %)은 건조 굴 중의 수분 무게를 W_H2O, 순수한 굴 육의 무게를 W_oy라고 하면 다음 식과 같이 정의된다.

그러므로 피건조물 중의 굴 육만의 순수한 무게 Woy와 수분의 무게 W_H20는 각각 다음 식과 같이 구할 수 있다.

김경근 등[12]의 다양한 수산물에 관한 저온진공건조 실험결과와 문수범의 연구결과[1]에 의하면 충분한 시간 동안 저온진공건조한 수산물과 과일의 최종함수율은 약 4.2%에서 열평형을 이룬다는 실험적 결과를 얻고 있다. 그러므로 건조완료시 건조 굴 무게와 최종함수율로부터 건조 굴의 육만의 무게를 구하면, 역산하여 순차적으로 시각 t에서의 함수율을 추정할 수 있다. Figure 8는 이와 같이 구한 함수율과 열프럭스의 관계를 정리하여 나타낸 것이다. 이 그림에서 보는 바와 같이 함수율이 10% 이하가 되면 열프럭스가 1.0 kcal/m²hr 이하로 급감함을 알 수 있다. 그리고 전술한 바와 같이 열풍건조기술로는 10% 이하의 함수율은 아무리 건조시간을 길게 하여도 도달 할 수 없는 함수율 영역이다.

Figure 8: 
The relationship between heat flux and moisture contents rate(Wild oyster, T_hin = 50℃)

Figure 9은 자연산 굴의 경우, 저온진공건조에 있어서 가열수 온도가 건조속도에 미치는 영향을 알아보기 위하여 가열온도(T_hin)가 40℃, 50℃, 60℃인 경우를 비교하여 보았다. 가열수온도가 40℃와 50℃의 경우는 건조속도가 거의 유사하며, 초기 무게의 50%에 도달하는 건조시간이 약 12시간임에 비하여, 가열수 온도가 60℃인 경우는 약 9시간만에 빠르게 50%에 도달함을 알 수 있었다.

Figure 9: 
Influence of heating water temp. on vacuum drying speed (Wild oyster)

Figure 10은 가열수 온도가 50℃인 경우 자연산 굴과 양식 굴의 건조속도를 비교한 것으로, 양식 굴이 약 2.1배 큰데도 불구하고 양식 굴의 건조속도가 자연산에 비하여 빠름을 알 수 있는데, 이는 자연산 굴은 유분이 많아 수분의 증발을 저해하기 때문에 건조속도가 상대적으로 느린 것으로 판단된다.

Figure 10: 
Comparison of drying speed for wild and farming oyster (T_hin = 50℃)

Table 5은 한국식품의약청(KFDA)의 공인식품성분분석을 대행하는 “한국식품과학연구원 부산지소”에서 저온진공건조기술에 의한 자연산 굴과 양식 굴의 주요성분 분석결과를 타 결과와 비교하여 정리하였다. 이 표에는 비교를 위하여 Table 2에 나타낸 한국산 생 굴과 조리 굴에 대한 평균적 영양성분과 제품화 되어 중국시장에서 판매중인 중국산 반건조 굴을 성분분석과 결과를 병기하였다. 본 연구를 통하여 저온진공건조한 양식 굴과 자연산 굴은 생 굴, 조리 굴 및 중국산 반건조 굴에 비하여 탄수화물, 조단백질 및 조지방 모두 성분비율이 현저히 높으며, 자연산과 양식을 비교하면 탄수화물은 자연산 굴이 조단백질과 조지방은 양식 굴이 높음을 알 수 있었다.