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Ultrasound-Assisted Convective Drying of Grape Pomace: Mathematical Modeling, Effective Moisture Diffusivity, and Rehydration Characteristics

본 연구는 15분간의 초음파 전처리가 재수화 성능을 저해하지 않으면서 포도 박의 대류 건조 시간을 27% 유의미하게 단축하고 유효 수분 확산도를 37% 증가시키며, 건조 역학을 예측하는 데 있어 Page 모델이 가장 정확한 예측 모델임을 입증하였다.

원저자: Amir Hosseinvand, Fizza Saleem, Elena. G. Kovaleva

게시일 2026-07-06

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CC BY 4.0

원저자: Amir Hosseinvand, Fizza Saleem, Elena. G. Kovaleva

원본 논문은 CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ✨ 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기

개요: 와인 부산물을 보관 가능한 제품으로 바꾸기

와인 산업을 거대한 파티라고 상상해 보세요. 포도를 으깨어 와인을 만들고 나면, 껍질, 씨앗, 줄기와 같은 엄청난 양의 "남은 것들"이 생깁니다. 이것을 **포도 부산물(grape pomace)**이라고 부릅니다.

문제는 이 부산물이 햇볕 아래 놓인 젖은 스펀지와 같다는 점입니다. 수분과 당분이 가득해서 매우 빠르게 부패하고 악취가 납니다. 이를 보존하기 위해 연구진은 이를 건조시켜 나중에 저장하거나 사용할 수 있도록(예를 들어 식품이나 화장품용 가루로 만들기 위해) 만들고자 했습니다.

하지만 젖은 스펀지를 말리는 데는 시간이 오래 걸립니다. 그래서 연구진은 다음과 같은 질문을 던졌습니다. "소리 파동(초음파)을 사용하여, 마치 젖은 스펀지를 흔들어 물기를 더 빨리 빼내는 것처럼 건조 과정을 가속화할 수 있을까?"

실험: 포도를 위한 "사운드 배스(Sound Bath)"

연구팀은 포도 부산물을 가져와 뜨거운 오븐에 넣기 전에 "사운드 배스"를 해주었습니다. 그들은 초음파 기계(치과에서 치아를 세척할 때 쓰는 것과 비슷하지만 규모가 더 큰 장비)를 사용하여 다양한 시간 동안 포도에 소리 파동을 쏘았습니다.

0분: 소리 없음 (대조군).
5분: 짧은 사운드 배스.
10분: 중간 길이의 사운드 배스.
15분: 긴 사운드 배스.

사운드 배스를 마친 후, 그들은 포도를 뜨거운 공기 건조기에 넣고 완전히 마를 때까지 걸리는 시간을 측정했습니다.

결과: 스펀지를 흔드는 효과가 있다

결과는 명확했습니다. 소리를 더 많이 사용할수록 포도는 더 빨리 말랐습니다.

절약된 시간: 소리를 사용하지 않았을 때 포도는 465분(거의 8시간)이 걸렸습니다. 15분간의 사운드 배스를 거친 경우에는 340분(약 5.5시간)밖에 걸리지 않았습니다. 이는 27%의 시간 단축입니다.
이유: 포도 부산물을 물을 꽉 붙잡고 있는 작고 조밀한 세포를 가진 빽빽하고 젖은 스펀지라고 생각해 보세요. 초음파는 마치 작은 보이지 않는 망치와 같습니다. 초음파는 물속에 기포를 만들어 터뜨립니다(이를 *공동 현상(cavitation)*이라고 합니다). 이 터지는 기포들이 포도 껍질과 씨앗에 미세한 균열과 통로를 만듭니다.
결과: 물이 포도에서 천천히 땀을 흘리듯 빠져나가는 대신, 이제는 탈출할 수 있는 "고속도로"가 생긴 것입니다. 연구진은 이를 유효 수분 확산 계수(물이 얼마나 빨리 이동하는지를 나타내는 전문 용어)로 측정했습니다. 이 속도는 초음파 처리를 통해 37% 증가했습니다.

수학: 건조 과정 예측하기

연구진은 단순히 포도가 마르는 것을 지켜본 것이 아니라, 여섯 가지 서로 다른 수학 공식(마치 떨어지는 낙엽의 모양을 다양한 방정식으로 추측하는 것과 같습니다)을 사용하여 포도가 어떻게 마를지 예측하려고 시도했습니다.

그들은 뉴턴(Newton), 페이지(Page), 헨더슨(Henderson)과 같은 과학자의 이름을 딴 모델들을 테스트했습니다.
승자: **"페이지 모델(Page Model)"**이 특정 순간에 포도에 남은 수분이 얼마인지 예측하는 데 가장 뛰어났습니다. 이는 젖은 상태에서 마른 상태로 가는 여정을 가장 정확하게 그려낸 지도였습니다.

후속 단계: 다시 젖을 수 있을까?

포도를 건조한 후, 연구진은 포도가 물을 다시 흡수할 수 있는지(재수화) 확인하고 싶었습니다. 이는 포도를 가루로 만든 후 나중에 물을 섞어 사용할 수도 있기 때문에 중요합니다.

발견: 포도를 다시 물에 담가 적시는 것은 소리 파동을 얼마나 오래 쐈는지에 따라 큰 차이가 없었습니다. 5분을 쏘든 15분을 쏘든, 물을 흡수하는 능력은 약 6% 정도만 개선되었습니다.
시사점: 초음파는 건조를 더 빠르게 도와주었지만, 나중에 물을 빨아들이는 능력을 극적으로 변화시키지는 않았습니다.

최종 결론

이 연구는 포도 부산물을 건조하기 전 15분간의 초음파 처리가 가장 적절한 "스윗 스팟(sweet spot)"이라고 결론지었습니다.

이는 다음과 같은 친환경적인 방법입니다:

시간 절약: 제품을 27% 더 빠르게 건조할 수 있습니다.
에너지 절약: 오븐에 머무는 시간이 줄어들어 전력 소비가 감소합니다.
효율성 향상: 물이 포도에서 37% 더 빠르게 빠져나갑니다.

연구진은 이 방법이 와인 산업에서 발생하는 막대한 양의 폐기물을 처리하는 스마트하고 친환경적인 방법으로서, 쉽게 상하는 부산물을 안정적이고 유용한 제품으로 바꾸는 길이라고 권장합니다.

기술 요약: 초음파 보조 대류 건조를 이용한 포도 박(Grape Pomace) 처리

문제 제기
전 세계 와인 산업에서는 매년 약 849만 메트릭 톤의 포도 박(껍질, 씨앗, 줄기로 구성된 부산물)이 발생한다. 이 물질은 초기 수분 함량(습량 기준 60~87%)과 잔류 당분이 높아 미생물 부패가 빠르게 진행되므로 부패하기 쉽다. 역사적으로 이 물질의 관리는 매립이나 소각과 같은 선형 폐기 방식에 의존해 왔으며, 이는 온실가스 배출과 가치 있는 바이오매스의 손실을 초래한다. 열풍 대류 건조는 기능성 식품 및 건강기능식품용 원료로 사용하기 위해 포도 박을 안정화하는 유효한 방법이지만, 공정 시간이 오래 걸린다는 단점이 있다. 또한, 적포도 박의 건조 역학에 미치는 초음파 전처리의 영향에 관한 체계적인 연구가 부족하며, 이 특정 응용 분야에 대해 얇은 층(thin-layer) 수학적 모델이 이전에 평가된 바도 없다.

연구 방법론
본 연구는 러시아 와인 가공 공장에서 공급받은 메를로(Merlot) 포도 박을 활용하였다. 실험 설계는 다음 단계로 진행되었다:

전처리: 전체 포도 박 샘플을 40 kHz, 150 W 초음파 욕조에서 0(대조군), 5, 10, 15분 동안 초음파 전처리를 수행하였다.
건조 공정: 처리된 샘료를 평형 수분 함량에 도달할 때까지 45°C의 열풍 대류 오븐에서 건조하였다. 무게 손실은 15분마다 기록되었다.
확산 계수 계산: 구형 입자 기하학 구조와 외부 저항이 없음을 가정하여, 피크(Fick)의 제2 확산 법칙을 사용하여 유효 수분 확산 계수( $D_{eff}$ )를 계산하였다.
역학 모델링: 6가지 수학적 모델(Newton, Page, Modified Page, Henderson & Pabis, Logarithmic, Two Term)을 비선형 회귀 분석을 통해 실험적 수분비 데이터에 적합시켰다. 모델 성능은 결정 계수( $R^2$ ), 평균 제곱근 오차(RMSE), 카이제곱( $\chi^2$ ), 모델링 효율(EF) 등의 통계적 지표를 사용하여 평가하였다.
재수화: 건조된 샘플을 45°C의 증류수에 30분 동안 침지하여 재수화율(RR)을 결정하였다.

주요 결과

건조 시간 단축: 초음파 전처리는 총 건조 시간을 유의미하게 단축시켰다. 초음파 처리 시간을 0분에서 15분으로 늘림에 따라 건조 시간은 465분에서 340분으로 감소하였으며, 이는 27%의 감소를 나타낸다.
유효 수분 확산 계수: 유효 수분 확산 계수는 초음파 처리 시간이 길어짐에 따라 유의미하게 증가하였다 ( $p < 0.05$ ). 계수는 $3.26 \times 10^{-10} \, m^2/s$ (0분)에서 $4.52 \times 10^{-10} \, m^2/s$ (15분)로 상승하였으며, 평균 37% 증가하였다.
수학적 모델링: 테스트된 6가지 모델 중 Page 모델이 초음파 처리된 포도 박의 건조 역학에 가장 잘 부합하였다. 이 모델은 모든 처리구에 대해 가장 높은 상관 계수( $R^2$ 범위 0.9984 ~ 0.9986)와 가장 낮은 오차 값(RMSE 0.0096 ~ 0.0156)을 나타냈다.
재수화 특성: 초음파 전처리는 건조를 가속화했으나, 재수화에 미치는 영향은 미미했다. 전처리 시간을 5분에서 15분으로 늘려도 재수화율은 6% 증가하는 데 그쳤으며, 적용 시간에 따른 통계적 유의차는 관찰되지 않았다.

의의 및 주장
저자들은 본 연구가 적포도 박의 건조 거동에 미치는 초음파 전처리의 영향을 체계적으로 정량화하고, 이 공정에 가장 정확한 수학적 모델을 식별함으로써 중요한 지식 격차를 해소한다고 주장한다. 본 연구는 15분간의 초음파 전처리가 물질의 재수화 능력을 저해하지 않으면서도 질량 전달 능력을 향고시키고 전체 건조 시간을 유의미하게 단축시키는 효과적이고 친환경적인 방법임을 입증한다. 이 특정 응용 분야에 대한 Page 모델을 검증함으로써, 본 연구는 포도 박의 산업적 가치 제고를 위한 객관적 근거를 제공하며, 이를 순환 경제를 위한 안정적인 저장 가능 제품으로 전환하는 것을 지원한다. 결론적으로, 제안된 방법은 건조 시간을 27% 단축하고 수분 확산 계수를 37% 증가시켜, 대류 건조 공정의 실질적인 최적화를 제공한다.