📄 agriculture

Influence of Ultrasound Pretreatment on the Infrared Drying Kinetics and Quality Attributes of Mallow Leaves

본 연구는 마로니에 잎을 초음파로 전처리하는 것이 유효 수분 확산도를 높이고 활성화 에너지와 비에너지 소비를 감소시킴으로써 적외선 건조 효율을 유의미하게 향상시키는 동시에, 최종 제품의 색상과 재수화 품질을 개선한다는 것을 입증한다.

원저자: Abolfazl Akhoundzadeh Yamchi, Maziar Feizolahzadeh, Adel Hosainpour, Adel Rezvanivand Fanaei, Ariga Moradians

게시일 2026-09-04

📖 3 분 읽기☕ 가벼운 읽기

CC BY 4.0

원저자: Abolfazl Akhoundzadeh Yamchi, Maziar Feizolahzadeh, Adel Hosainpour, Adel Rezvanivand Fanaei, Ariga Moradians

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

수확물의 풍요로움을 보존하는 것은 인류의 가장 오래된 과제 중 하나입니다. 신선한 허브와 채소는 영양과 풍미가 풍부하지만, 동시에 매우 취약하기도 합니다. 높은 수분 함량으로 인해 빠르게 부패하기 쉬우며, 이는 저장 기간이나 이동 거리를 제한하는 요인이 됩니다. 수명을 연장하기 위해 사람들은 오랫동안 수분을 제거하여 부패를 멈추게 하는 과정인 건조에 의존해 왔습니다. 그러나 전통적인 건조 방식은 종종 강한 열에 의지하는데, 이는 양날의 검과 같은 역할을 할 수 있습니다. 열이 수분을 제거해주기는 하지만, 식물을 가치 있게 만드는 바로 그 요소들, 즉 선명한 녹색, 섬세한 약리 성분, 그리고 나중에 필요할 때 물을 다시 흡수할 수 있는 능력을 저하시킬 수 있기 때문입니다. 현재 과학자들은 이러한 민감한 식물들을 더 빠르고 부드럽게 건조하는 방법을 탐구하고 있으며, 식물을 너무 오랫동안 손상스러운 온도에 노출시키지 않으면서도 수분 제거를 가속화할 수 있는 방법을 찾고 있습니다. 한 유망한 접근 방식은 건조를 시작하기 전에 음파를 사용하는 것인데, 이 기술은 식물의 내부 구조를 미세하게 변화시켜 물이 더 쉽게 빠져나올 수 있도록 돕습니다.

최근 이란 우르미아 대학교(Urmia University)의 연구진은 항염증 특성과 비타민 및 항산리 성분이 풍부한 일반적인 약용 허브인 마늘꽃(mallow) 잎을 사용하여 이 접근 방식을 조사했습니다. 연구팀은 적외선 열로 건조하기 전, 신선한 잎에 초음파(고주파 음파의 일종) 처리를 하는 것이 최종 제품을 개선할 수 있는지 확인하고자 했습니다. 연구진은 신선한 마늘꽃 잎을 가져와 초음파 처리 시간을 '처리 없음', '5분', '10분'의 세 가지 조건으로 나누어 통제된 실험을 설계했습니다. 이 처리 후, 잎들은 태양에서 느껴지는 온기와 유사한 복사열을 사용하는 적외선 건조기에 놓였으며, 온도는 40, 45, 50도 섭씨의 세 가지 단계로 설정되었습니다. 목표는 잎이 특정 수준의 낮은 수분 함량에 도 reach할 때까지 건조하면서, 소요 시간, 사용된 에너지 양, 그리고 잎의 품질이 어떻게 변하는지를 면밀히 추적하는 것이었습니다.

결과는 명확하고 유익한 패턴을 보여주었습니다. 초음파 전처리와 적외선 열의 결합은 건조 과정을 현저히 단축시켰습니다. 가장 긴 초음파 처리를 받고 가장 높은 온도에서 건조된 잎은 초음파 처리를 받지 않았거나 낮은 온도에서 건조된 잎보다 훨씬 빠르게 과정을 마쳤습니다. 이러한 가속화는 초음파가 잎의 세포 구조 내에 미세한 통로와 균열을 만들어, 물이 표면으로 더 빠르게 이동할 수 있는 경로를 열어주었기 때문에 발생했습니다. 물이 더 빨리 탈출할 수 있었기에 잎이 열에 노출되는 시간이 줄어들었고, 이는 품질을 보존하는 데 매우 중요한 요소입니다. 연구진은 물 1kg을 제거하는 데 필요한 에너지를 측정하였으며, 가장 효율적인 방법(가장 높은 온도와 가장 긴 초음파 처리를 사용하는 방법)이 특히 33.81kWh/kg의 가장 적은 에너지를 소비한다는 것을 발견했습니다.

속도와 에너지 외에도, 이 연구는 이 방식이 마늘꽃 잎의 시각적 및 기능적 품질을 유지하는 데 도움이 된다는 것을 보여주었습니다. 낮은 온도에서 초음파 처리를 병행하여 건조했을 때, 잎은 천연 녹색을 더 많이 유지하였고 건조 허브에서 흔히 나타나는 퇴화 징후인 갈변 현상이 적었습니다. 또한, 잎들은 나중에 물에 담갔을 때 물을 재흡수하는 능력이 더 뛰어났는데, 이는 식물의 구조가 건조 과정을 얼마나 잘 견뎌냈는지를 보여주는 핵심 지표입니다. 10분간 초음파 처리를 하고 50도에서 건조된 잎은 재수화 능력이 가장 좋았으며, 이는 음파가 물을 쉽게 다시 흡수할 수 있는 다공성 구조를 만드는 데 도움을 주었음을 시사합니다. 연구진은 또한 식물에서 물을 제거하는 데 수반되는 에너지 변화를 설명하는 열역학을 조사했습니다. 그들은 초음파 처리가 물을 제거하는 데 필요한 에너지 장벽을 낮추어 과정을 더욱 효율적으로 만든다는 것을 발견했습니다.

연구는 초음파를 적외선 건조 전에 사용하는 것이 마늘꽃과 같은 약용 허브를 보존하는 데 매우 효과적인 전략이라고 결론지었습니다. 이는 과도한 에너지 비용이나 품질 저하 없이 잎을 빠르게 건조하면서도 색상, 영양가, 그리고 나중에 다시 복원될 수 있는 능력을 보호할 수 있는 방법을 제공합니다. 연구진은 이 과정의 최적 조건을 식별해 냈는데, 바로 약 49도 섭씨에서 10분간의 초음파 처리 후 건조하는 것입니다. 이 접근 방식은 전통적인 건조 방식과 관련된 과도한 에너지 비용이나 품질 손실 없이 고품질의 건조 제품을 생산해야 하는 식품 가공업자 및 허브 제조업체들에게 실용적이고 확장 가능한 솔루션을 제공합니다. 음파를 통해 식물 조직을 부드럽게 준비시키는 방법을 이해함으로써, 이 연구는 세계의 가치 있는 식물 자원을 보다 지속 가능하고 효율적으로 보존할 수 있는 길을 열어줍니다.

기술 요약: 마로니에 잎의 적외선 건조 역학 및 품질 특성에 대한 초음파 전처리의 영향

문제 제기
신선한 마로니에(Malva sylvestris) 잎은 높은 수분 함량으로 인해 부패하기 쉬우며, 이는 상당한 수확 후 손실(25~30%)을 초래하고 시장성을 제한한다. 건조는 주요 보존 방법이지만, 전통적인 기술은 종종 식물 조직을 장기간의 열적 스트레스에 노출시켜 열에 민감한 생성 성분을 분해하고 색상 및 재수화 능력과 같은 관능적 품질을 저하시킨다. 초음파 보조 건조가 다른 맥락에서는 유망한 것으로 나타났으나, 특히 건조 역학, 열역학적 매개변수 및 비에너지 소비(SEC)와 관련하여 초음파 전처리와 적외선(IR) 건조의 결합 효과를 구체적으로 다룬 연구는 부족한 실정이다.

연구 방법
본 연구는 초음파 전처리 시간(0, 5, 10분)과 적외선 건조 온도(40, 45, 50°C)가 마로니에 잎의 건조 거동 및 품질에 미치는 영향을 조사하였다.

실험 설정: 신선한 잎을 공기 전달식 초음파 시스템(20 kHz, 20 kW)으로 전처리한 후, 4개의 250 W 근적외선 할로겐 램프가 장착된 실험실 규모의 IR 건조기에서 건조하였다.
공정 제어: 수분 함량이 10%(습량 기준)에 도달할 때까지 건조를 진행하였다. 수분 함량은 20분 간격으로 모니터링되었다.
품질 평가: 주요 속성으로는 색상 매개변수(L*, a*, b*, 채도, 총 색차 $\Delta E$ , 갈변 지수), 25°C 및 65°C에서의 재수화 비율(RR), 그리고 비에너지 소비(SEC)가 포함되었다.
모델링 및 분석: 유효 수분 확산 계수( $D_{eff}$ )는 피크의 제2법칙을 사용하여 계산되었다. 활성화 에너지( $E_a$ )와 열역학적 특성(엔탈피 $\Delta H$ , 엔트로피 $\Delta S$ , 깁스 자유 에너지 $\Delta G$ )은 아레니우스 관계식과 표준 열역학 방정식을 사용하여 도출되었다. 통계 분석은 이원 분산 분석(two-way ANOVA) 및 반응 표면 분석법(RSM)을 사용하여 수행되었다.

주요 결과

건조 역학: 건조 온도의 증가와 초음파 전처리 시간의 연장은 모두 전체 건조 시간을 유의미하게 단축시켰다. 높은 IR 온도와 긴 초음파 처리의 시너지 효과는 내부 질량 전달을 촉진함으로써 수분 제거를 가속화했다.
수분 확산 및 활성화 에너지: 유효 수분 확산 계수( $D_{eff}$ )는 높은 온도와 긴 초음파 노출에 따라 $2.39 \times 10^{-7}$ 에서 $8.68 \times 10^{-7} \text{ m}^2\text{s}^{-1}$ 범위로 증가하였다. 반대로, 활성화 에너지( $E_a$ )는 초음파 전처리 시간이 증가함에 따라 86.32에서 73.73 kJ mol $^{-1}$ 로 감소하였으며, 이는 초음파가 수분 이동을 위한 에너지 장벽을 낮추었음을 나타낸다.
품질 속성:
- 색상: 색상 저하(증가된 $\Delta E$ 및 갈변 지수)는 높은 온도와 짧은 초음파 시간에서 더 뚜렷하게 나타났다. 최적의 색상 보존(가장 높은 채도, 가장 낮은 $\Delta E$ 및 갈변)은 40°C에서 10분간 초음파를 처리했을 때 달성되었다.
- 재수화: 가장 높은 재수화 비율은 50°C에서 10분간 초음파 전처리를 거친 샘플을 65°C에서 재수화했을 때 관찰되었으며, 이는 초음파로 유도된 미세구조 변화(미세 통로)가 수분 흡수를 용이하게 했음을 시사한다.
열역학: 엔탈피( $\Delta H$ )와 엔트로피( $\Delta S$ )는 온도와 초음파 시간 증가에 따라 감소하였고, 깁스 자유 에너지( $\Delta G$ )는 증가하였다. 일관되게 양(+)의 값을 나타낸 $\Delta G$ 는 건조 과정이 비자발적이며 지속적인 외부 에너지를 필요로 함을 확인시켜 주었다.
에너지 효율: 가장 낮은 비에너지 소비(SEC = 33.81 kWh kg $^{-1}$ )는 가장 높은 건조 온도(50°C)와 가장 긴 초음파 전처리 시간(10분)이 결합되었을 때 기록되었다.

최적화
반응 표면 분석법(RSM)을 사용하여 건조 시간, 에너지 소비 및 품질 사이의 균형을 맞추는 최적의 공정 조건을 식별하였다. 예측된 최적 조건은 49.27°C의 적외선 건조 온도와 10분의 초음파 전리였다. 이 조건 하에서 모델은 건조 시간 61.88분, SEC 33.81 kWh kg $^{-1}$ 를 예측하였으며, 재수화 능력과 유효 확산 계수를 극대화하였다.

의의 및 주장
저자들은 본 연구가 전처리 강도, 건조 거동, 에너지 요구량 및 열역학적 진화 사이의 정량적 연결 고리를 제공한다고 주장한다. 이 연구의 주요 기여는 적외선 건조 전의 초음파 전처리가 마로니에 잎의 효율성과 품질을 모두 유의미하게 개선한다는 것을 입증하는 것이다. 구체적으로, 두 기술의 통합은 다음과 같은 효과를 제공한다:

건조 가속화: 미세 통로를 형성하고 세포벽을 파괴함으로써 내부 질량 전달 저항을 낮추어 건조 시간과 비에너지 소비를 줄인다.
품질 보존: 색소의 열적 퇴화를 완화하여, 고품질의 최소 가공된 약용 식물을 생산하기 위한 확장 가능한 솔루션을 제공한다.
실무 지침 제공: 식별된 최적 조건은 산업계가 제품의 유통 기한을 늘리고 건강하고 에너지 효율적인 제품에 대한 소비자 요구를 충족시키기 위한 실행 가능한 운영 범위를 제공한다.

본 논문은 초음파 보조 적외선 건조가 열에 민감한 약용 식물을 가공하기 위한 유망하고 에너지 효율적인 전략이라고 결론짓되, 파일럿 또는 산업적 수준에서의 확장성을 검증하기 위해 추가적인 조사가 필요함을 언급하였다.

유사한 논문