식품가공학실험 | 딸기잼의 제조과정 및 잼의 원리

 

 

 

TIP

 

 

1. 젤리화의 원리를 이해한다.
2. 젤리화의 원리 : 펙틴, 산, 당분의 상호작용으로 서로 일정한 비율과 농도를 갖고 있어야 한다.

 

 

 

펙틴질(pectic substance)

펙틴질은 과일이 세포막 속에 셀룰로오스(cellulose)와 함께 세포를 유지하고 있어 과일의 견고도를 좌우하는 중요한 요소이다. 덜 익은 과일은 물에 녹지 않는 protopectin으로 존재하지만 과일이 익어감에 따라 protopectinase(protopectin을 분해하는 효소)의 작용을 받아 가용성의 pectin으로 변한다. 이 변화는 과일을 가열할 때에도 일어난다. 과일이 너무 익으면 pectin acid로 분해되는데 이 변화는 pectin을 장시간 높은 온도에서 가열하였을 때도 일어난다.

 

이 중에서 가열할 때 pectin으로 변화하는 protopectin과 pectin acid로 변화하지 않고 남아 있는 가용성 pectin이 젤리화에 영향을 주는데, pectin acid가 되면 응고성이 없어져서 젤리화가 되지 않는다. 따라서, 잼 및 젤리를 만드는 과일은 너무 익기 전에 수확하여 원료로 써야 한다. 그리고 지나치게 가열하면 pectin이 분해되어 좋지 않다. 이와 같이 펙틴질은 protopectin, pectin 및 pectin acid로 크게 나눌 수 있다.

 

Pectin은 galacturonic acid의 중합체이며, 곁사슬에 carboxyl기를 pectic acid가 methylester화한 것이다. Pectin의 특성 중 특히 겔 형성을 결정하는데 중요한 요인은 사슬의 길이와 에스테르화의 정도이다. 완전히 methylester화된 것의 메톡실(methoxyl; OCH₃) 함량은 16.32%이지만 자연상태에서는 존재하지 않는다.

 

따라서 메톡실 함량이 7% 이상인 것을 고메톡실 펙틴(high methoxyl pectin), 그리고 7%이하의 것을 저메톡실 펙틴(low methoxyl pectin)으로 나누고 있다. 실제로 pectin은 메톡실 함량이 9～12%의 범위 내에 있어서 보통 pectin이라 부르면 고메톡실 펙틴을 의미하며, 이것에 산 및 높은 농도의 당이 함께 있으면 젤리화 되는 것이다. 따라서, 보통 만들어지는 당농도가 높은 잼류는 고메톡실 펙틴이 관여하고 있다.

 

저메톡실 펙틴은 천연에도 있으나 고메톡실 펙틴을 효소(pectin methylesterase), 산 또는 알 칼리로 처리하여 만든다. 저메톡실 펙틴은 다가이온에 의하여 젤리화되는 것으로서 응고되는 기구가 고메톡실 펙틴의 경우와 달리 메톡실 함량이 적으면 당을 전혀 함유하지 않아도 젤리화 된다. Methylester기가 알칼리 가수분해나 효소작용에 의해 제거될 때 pectic acid라 부르는 많은 수의 중간산물이 형성된다. 다른 성분이 적당히 함께 들어 있으면 고메톡실 펙틴은 대체로 0.2% 전후에서 응고가 시작 되어 0.6～1.0%이면 젤리화에 충분하다.

 

 

산

과일에 함유되어 있는 산은 과일이 익어갈수록 변화하는데, 일반적으로 덜 익은 과일에 많이 들어 있고 익을수록 산의 양은 적어진다. 과일의 종류에 따라 다르지만 citric acid, malic acid, tartaric acid 등의 산이 들어 있는데, 부족할 때는 첨가해 준다. 그러나 과량일 때는 완성품의 수분 분리현상이 일어나므로 원료의 산 함량을 측정하여 조절해야 한다. 젤리화에 필요한 것은 그 산의 종류가 아니라 완성품의 pH가 중요하다.

 

pH가 너무 높으면 펙틴량이 많고 당의 양이 적당하여도 응고되지 않는다. 적당한 젤리의 강도한계점이 pH 3.46 또는 pH 3.6이라 하는 사람도 있어 일정하게 정할 수는 없지만 염류가 들어가면 커진다. 젤리화에 가장 적당한 pH는 3.0 전후이며 맛을 고려하면 pH 3.2～3.5 정도가 좋다. pH가 2.8 이하로 산성이 되면 가열 처리중과 그 이후의 저장 중에 pectin이 변하여 젤리화 되는 성질이 떨어질 뿐 아니라 완성품의 수분이 분리되는 현상, 즉 융해작용이 일어난다. 또한 pH가 너무 높으면 pectin 함량이 많고 당분이 적당해도 젤리화가 안 된다. 설탕을 사용하였을 때의 젤리화는 pH에 대하여 예민하지만 물엿을 사용하면 넓은 범위 pH(pH 2.8～3.8)에서 비교적 젤리의 강도차이가 적다.

 

펙틴과 산의 함량	과일 종류
펙틴과 산이 많은 것	사과, 포도, 귤, 오렌지, 자두
펙틴은 많으나 산이 적은 것	복숭아, 무화과, 앵두
산이 많고 펙틴이 적은 것	살구, 딸기
펙틴과 산이 적당한 것	잘 익은 사과, 비파, 포도(유럽종)
펙틴과 산이 적은 것	잘 익은 복숭아, 서양배, 너무 익은 과일

펙틴과 산의 함량에 따른 과일의 종류

 

 

당분

당분도 과일 중에 들어 있으나 대부분 12% 전후로서 젤리화에 필요한 당도가 되게 하려면 당분을 더 넣어야 한다. 당분은 설탕, 포도당 및 과당 등 어느 것이나 좋지만 풍미와 가격 등으로 볼 때 보통 설탕 및 포도당을 쓴다. 젤리화에 필요한 당의 농도는 대체로 62～65%이다. 당 농도가 너무 높으면 젤리화 되는 성질은 커지지만 당분의 결정이 석출되기 쉽다. 설탕의 용해도는 20℃에서 67.5%이나 포도당의 용해도는 50% 정도로서 비교적 낮으므로 포도당만을 사용하면 포도당의 결정이 석출되므로 설탕의 일부(20% 정도)만을 포도당으로 대치하는 것이 좋다. 설탕의 일부를 포도당으로 대치하여 사용하면 완성품의 향기가 좋아지고 과육에 대한 당의 침투가 빨라질 뿐 아니라 완성품중의 당의 결정화가 방지되어 제품의 색깔을 좋게 유지하는데 효과가 있다. 잼 제조 중에 설탕이 과일 중의 산에 의하여 상당량 전화되어 용해도가 높아진다. 당 농도가 너무 낮으면(약 50% 이하) 젤리의 품질이 떨어지고 저장성도 낮아지며 그 최저한도는 당도 45～50% 정도이다.

 

 

세 가지 성분의 상호관계와 젤리 강도

젤리화에는 펙틴, 산 및 당분이 각각 적당한 양이 들어 있어야 된다. 그러나 젤리화에는 이들 세 가지 성분이 각기 일정하게 정해진 것이 아니다. 즉, 젤리화는 펙틴 뿐만 아니라 산과 당의 조합에 의해 이루어지는 것으로서 이들 세 가지 성분 사이에는 상호간에 관계가 있다. 즉, 펙틴이 0.75% 이하일 때는 설탕을 아무리 많이 넣어도 젤리화가 일어나지 않으며, 펙틴이 1.5%의 경우에 산이 3.05% 들어 있을 때, 설탕이 50%만 있으면 젤리화가 되지만 산이 0.3% 있을 때는 설탕이 61.5%가 들어가야 젤리화가 일어난다.

 

이와 같이 펙틴량이 어느 정도의 양으로 일정할 때, 산이 많으면 당량은 어느 정도 적어도 젤리화가 일어나지만 산이 적으면 당량이 많아야 젤리화가 일어난다. 또 산이 일정할 때 펙틴이 많으면 설탕이 적어도 젤리화가 되지만 펙틴이 적으면 당이 많아야 젤리화가 일어난다.

 

제조비용을 줄이기 위해서는 이와 같은 원리를 이용하여 산 또는 펙틴의 농도를 높이고 설탕량은 50% 이하로 적게 첨가하는 것이 유리하지만 실제로는 기호도, 젤리의 강도 등 완성품의 품질을 고려하여 펙틴 함량 1.0～1.5%, 산 함량(황산으로서) 0.3%(pH 3.45), 당 함량 60～65% 와 같은 함량비가 좋다(citric acid는 숫자의 1.306배, malic acid는 숫자의 1.367배, tartaric acid는 숫자의 1.530배) 이와 같이 펙틴의 질에 따라서 젤리의 강도가 상당히 달라지지만, 보통 펙틴을 사용했을 때 세 가지 성분 중 두 가지 성분을 대체로 적당량 넣고 나머지 한 성분의 농도를 달리하면 젤리의 강도가 달리진다. 즉, 펙틴은 농도가 높아짐에 따라 젤리의 강도가 직선모양으로 높아지고 당은 역 S자 모양으로 높아지나, 산은 일정한 농도 이상이 되면 거의 일정해진다.

 

 

젤리화의 형성기구

pectin은 고메톡실 펙틴과 저메톡실 펙틴으로 구분할 수 있는데, 지금까지 설명한 것은 고메톡실 펙틴에 의한 젤리화의 경우이고 저메톡실 펙틴에 의한 젤리화 기구는 이것과 다르다. 이 경우에도 당의 함량이 많으면 젤리화가 쉽게 되지만 설탕이 꼭 필요한 것이 아니고 메톡실 함량이 적으면 당이 전혀 들어가지 않아도 젤리를 만들 수 있다. 8～14%의 메톡실 함량을 가지는 보통 pectin은 나머지의 carboxyl기를 유리상태로 가지고 있거나 염을 형성한다. 따라서, pectin이란 pectin acid가 여러 가지 정도로 에스테르화된 것으로서 당 및 산과 함께 겔을 만들 수 있는 것을 총칭하는 것이다. 그리하여 이들은 분자량에 차이가 많다. 예를 들면, 감귤에서 제조한 pectin은 분자량이 220,000 정도인데 비하여 사탕무 pectin의 분자량은 20,000～35,000 정도이다.

 

젤리의 강도에 관계가 있는 인자로서 pectin의 농도, pectin의 분자량, pectin의 에스테르화 정도, 당의 농도, pH, 같이 들어 있는 염류의 종류 등을 들 수 있다.

 

Pectin의 젤리화 경향은 어느 한도 내에서 pectin의 농도가 높을수록 커지며, pectin의 중합도가 같으면 어느 정도( 가 약 8%)까지는 에스테르화가 적어질수록 젤리화가 잘 된다. 그러나 65% 정도의 높은 당 농도로 젤리를 만드는 경우에도 메톡실함량이 8% 이하로 떨어지면 중합도가 적어지고 pectin이 침전되므로 젤리화는 약해진다. 저메톡실 펙틴에서 당 함량이 적은 젤리를 만드는 경우에는 일반적으로 메톡실함량이 적을수록 pectin이 적어도 된다. 그러나 메톡실함량이 4.5% 이하가 되면 젤리의 탄성을 잃게 되고 점착성이 높아져서 품질이 나빠진다. 저메톡실 펙틴의 젤리화에서 당의 함량이 적으면 Ca을 많이 첨가하여야 한다. Ca의 필 요량은 메톡실함량에 따라 다르며, 그 함량이 5.5～6.5%일 때 그 필요량이 가장 많고 그것보다 많거나 적으면 소량으로 겔화된다.

 

고메톡실 펙틴의 젤리화가 펙틴-당-산-물의 균일한 계로서 수소결합으로 이루어진 것인데 비하여 저메톡실 펙틴은 이들과 달리 이온결합으로 되어 있는 것을 볼 수 있으며 Ca과 같은 다가이온이 pectin분자의 carboxyl기를 통하여 결합되어 있다. 따라서 Na, K와 같은 1가 이온은 pectin의 결합을 방해한다.

 

산 및 당은 고메톡실 펙틴 젤리와 같이 필요한 인자는 아니지만 젤리화의 상태에 영향을 끼친다. 또한 금속이온도와 pH에 따라 그 결합능력을 달리 하며, Ca에서는 pH 4.0 정도의 젤리가 가장 강도가 약하다. 당분도 어느 정도 젤리화 하는 힘을 세게 하는데 효과가 있다.

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실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

1) 주걱 2개, 냄비, 온도계, 컵, 볼, 바구니, 당도계, 딸기, 설탕

 

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 원료 → 전처리 → 가당 → 가열(농축) → 담기·밀봉 → 냉각 → 포장

 

2) 가당 : 딸기량의 85% 사전준비

 

3) 농축 : 딸기 + 설탕1/2 약불 → 설탕용해, 나머지 설탕 넣기 → 10～15분 센불(장시간 : 향기 없어짐)

 

4) 끝내기 : 컵법 온도 104℃ 당도검사 (65%±2)

 

5) 제품 당도 – 65%±2, 제품량 – 1000g, 농축율 - 80%

 

 

실험 결과

1. 결과 분석

딸기당도 : 8 , 설탕당도 : 0.99

 

∴계산 후 - 딸기 646g , 설탕 604g

 

시중에 파는 잼과 점도는 비슷했지만 색은 좀 더 진했다. 당도는 70이었고 완벽히 식은 후 당도는 더 높을 것으로 예상된다.

 

 

토의 사항

1. 실험 고찰

잼에 설탕이 많이 들어간다는 것은 알고 있었지만 직접 잼을 만들어보니 딸기와 비슷한 무게의 설탕이 들어가는 것에 놀라지 않을 수 없었다. 하지만 설탕은 잼의 저장성과 젤리화에 중요한 역할을 한다는 것을 알 수 있었다. 냄비에 딸기와 설탕을 넣고 가열하니 젤이 형성됐는데 이 현상은 과일에 있는 펙틴과 유기산이 설탕과 작용하여 젤화되기 때문이었다.

 

본 실험으로 설탕으로 인해 잼의 저장성이 높아지는 원리는 당의 함량이 높아(즉, 수분활성도가 낮아) 장기간 보관할 수 있으며, 미생물에 의한 부패가 일어날 수 없을 정도로 수분을 증발하고 농축시킨 후 설탕을 가하여 만든 제품이기 때문에 저장성이 매우 높고 이 저장성은 높은 당 농도에 의해서 유래하는 높은 삼투압이 미생물의 생육을 저해하는 데에 있었다.

 

잼의 완성도를 보기위해 컵법을 사용하여 확인했을 때 완성 전과 완성 후의 차이를 쉽고 간편하게 확인할 수 있어서 그 원리에 신기했고 완성된 딸기잼의 농도가 생각보다 높았는데 식은 후에 점도를 생각하지 못하고 계속 걸쭉하게 하기위해 오랜시간 가열한 것이 원인이라고 생각된다. 본 실험을 통해 잼을 직접 만들어 볼 수 있어 좋았고 그에 따른 잼의 원리를 쉽게 이해할 수 있는 시간이었다.

 

 

[Engineering/식품 영양 & 공학] - 식품가공학실험 | 잼만들기

[Engineering/식품 영양 & 공학] - 식품가공학실험 | 딸기잼 제조 방법 및 젤리화의 완성점 결정 방법 - Method for producing strawberry jam and how to determine the completion point

 

 

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