식품공학

식품공학(食品工學, food engineering)은 식품생산, 저장에 대한 효율을 증대시키기 위해 만들어진 학문으로서 식품을 공학적으로 접근해 하는 것을 말한다. 원료, 에너지 사이에 일어나는 식품의 가공, 저장, 유통하는 과정 동안 일어나는 현상을 모든 생리학적, 물리적, 화학적 변화와 원리를 이해하며 응용한다. 또한 식품을 가공하는데 있어 사용되는 기계적 장치의 조작과 원리를 다룬다.

식품의 위생문제, 영양가 혹은 유통시 일어나는 품질의 변화를 해결하는데 중요한 역할을 한다.

개념 및 정의[편집]

식품공학이란 식품가공 등에 사용되는 물리적, 기계적 조작의 원리와 장치에 관한 지식을 다루는 분야이다. 이외에도 계기측정, 공정 제어, 공장 배치 및 설계 등에 대해서도 다룬다. 또한 제조공정 조건에 따라 수율과 품질이 달라지므로 원료와 제품의 화학적, 물리적 성질을 이해하고 가공 또는 저장 중에 일어나는 변화와 원리에 관한 지식을 다룬다. 따라서 수학(數學, mathematics), 물리(物理, physics), 이동현상, 열역학(熱力學, thermodynamics), 반응속도론(反應速度論, reaction kinetics) 등의 원리와 물리적 및 기계적 조작의 원리와 장치에 관한 지식을 기본으로 한다. 즉 식품공학이란, 식품산업에서 필요로 하는 공학적인 지식을 중점적으로 다루는 분야이다.

역사와 발전단계[편집]

인류의 식량문제는 과거에서부터 꾸준하게 중요한 문제들 중의 하나였다. 이러한 생각은 산업혁명 이후의 급격한 인구 증가와 맞물려 식량문제를 해결하기 위한 기술 개발이 활발하게 이루어지게 만들었다. 인구 증가 초기에는 수공업적으로 식품공업이 시작되었으나 주로 경험을 바탕에 두었으며 이러한 현상은 20세기에 들어와서도 계속되었다. 그러나 이러한 수공업적인 방법으로는 한계가 있었으므로 점차 대형화가 시작되었고 화학공학적인 방법을 채택하여 발전하기 시작하였다. 이후 농산물의 대량 생산, 저장성 향상, 품질 향상을 위한 농업기술은 끊임없이 연구되어 왔고 소비자가 요구하는 품질의 제품을 생산하기 위하여 수준 높은 가공기술을 요구하게 되었다. 이에 따라 식품산업의 기초적인 학문인 식품가공학(食品加工學, food technology)은 중요한 위치를 차지하게 되었다.

미국에서는 화학공학자들에 의해 식품공학의 연구가 시작되어 주로 화학공학과 관련된 이론이 식품산업에 도입되었다. 이에 따라 식품공학의 초기에는 주로 대학의 화학공학과, 농업기계학과 등에서 강의를 개설하였다. 그러나 생물자원의 종류 및 특성이 다양하고 전문적인 기술과 연구가 필요하게 되어 식품과학 관련 학과가 생기게 되었다. 이후 식품과학 관련 학과에서는 가공기술과 공학적인 문제를 다루는 식품공학을 개설하게 되었다.

반면 일본이나 유럽에서는 미국과는 반대로 생산지 중심으로 식품산업이 발달하였기 때문에 응용생화학(應用生化學)을 기초로 한 화학공학의 이론이 도입되었다. 그리고 우리나라는 일본의 영향을 많이 받았는데, 1970년대 식생활 수준의 향상으로 인하여 식품공학의 강의가 대학교에 개설되기 시작하였고 대량 생산 등의 가공식품기술이 향상되기 시작하였다. 1980년대에는 품질의 중요성이 강조되기 시작하였으며, 1990년대에는 식품의 고급화와 다양화가 이루어지기 시작하였다.

주요 연구영역[편집]

물질수지와 에너지수지[편집]

크림 분리 공정으로 보는 물질수지의 예

물질수지(material balance)란 질량보존의 법칙(mass conservation law)을 공정과 장치 등의 흐르는 물질에 적용시키는 것을 말한다. 즉 시스템에 들어가는 물질의 양은 시스템에서 나오는 물질의 양과 시스템에 남아 있는 물질의 양의 합과 같아야 한다.

에너지수지(energy balance)란 물질수지와 같은 원리로 시스템에 들어오는 에너지양은 시스템에서 나가는 에너지양과 남아 있는 에너지양의 합이 같아야 한다. 에너지에는 열, 일, 내부에너지, 운동에너지, 위치에너지 등이 있으며, 이러한 전체 에너지를 다룰 경우 총괄에너지수지(overall energy balance)라고 한다. 열에너지와 내부에너지만을 다룰 경우에는 열수지(heat balance) 또는 엔탈피수지(enthalpy balance)라고 한다. 총괄물질수지(overall material balance)는 공정 중 전체 물질의 양을 다룰 경우에 쓰이며 아래의 그림과 같을 경우 총괄물질수지 ‘m1 = m2 + m3’이다. 일반적으로 물질수지식을 계산할 때에는 계(system)와 기준(basis)의 2가지 기본단계를 선택하여 계산한다.

유체 흐름[편집]

식품 중 우유는 유체에 해당한다.

유체(fluid)란 압력을 작용시켜도 분해되지 않고 흐르는 물질을 말한다. 식품산업에서 이용되는 유체는 공기, 질소 등의 가스와 모든 종류의 액체 및 고체가 포함되며 물, 우유, 시럽, 식용유, 술, 마요네즈 등이 이러한 유체에 속한다. 대부분의 식품 원료나 생산된 제품은 유체 상태인 경우가 많기 때문에 유체의 흐름에 대하여 이해하는 것이 중요하다. 예를 들어 통조림 내부에서의 식품의 흐름, 교반기, 반죽기, 압출 성형기, 증류기, 여과기, 농축기 등의 내부에서 일어나는 유체의 이동현상은 매우 다르게 나타나 여러 가지 변수들이 서로 복잡하게 작용한다.

유체 흐름은 운동량 전달현상에 관한 이론으로 설명된다. 정지된 상태에서 일어나는 문제를 다루는 분야를 유체의 정역학(流體靜力學, hydrostatic head, static head)이라고 하며 유체 식품의 흐름을 다루는 분야를 유체의 동역학이라고 한다. 또한 외부의 힘에 대한 물질의 변형과 흐름에 대하여 연구하여 정량적으로 표현하는 학문을 유체의 변형학(rheology)라고 한다. 유체역학은 유체 흐름에 대한 저항과 유체 취급 장치에 대한 응용, 식품가공 중에 일어나는 유체 식품의 취급이나 물성학적인 특성과 같은 내용을 다루게 된다. 즉 물질의 흐르는 성질(flow property)을 이해하고 이들을 정량적으로 표시하여 식품재료의 수송과 혼합, 스팀과 같은 열전달 매체의 흐름 등을 원활히 수행하고 조절하기 위한 방법들을 연구하는 분야이다.

열전달과 물질전달[편집]

물질전달은 농도 기울기가 있는 유체 시스템에서 물질의 이동을 공학적으로 다루는 분야이다. 한외여과나 역삼투 등의 현상도 물질전달에 속한다. 열(heat)은 한 물체에서 다른 물체로 온도가 이동하는 에너지의 형태라고 할 수 있다. 열처리공정은 거의 모든 가공식품의 물리, 화학적인 성질을 변화시키거나 저장성을 향상시키기 위하여 이용된다. 또한 녹말의 호화, 단백질의 응고, 미생물의 살균, 식품의 증류, 농축, 건조 등의 공정 역시 열처리와 직접적인 관련이 있다. 열전달 메커니즘에는 전도, 대류, 복사가 있다. 실제 열전달이 일어날 경우 전도, 대류, 복사 등이 독립적으로 일어나는 것이 아니라 복합적으로 일어나기 때문에 수학적 취급이 대단히 복잡하거나 불가능한 경우가 많다. 따라서 수학적인 이론을 엄밀히 적용하기보다는 대부분 경험적인 사실에 근거를 두고 있다.

정상상태(steady state)란 열의 축적이 없어서 열전달 속도가 시간의 변화에 상관없이 일정하게 유지되는 상태를 말한다. 비정상상태(unsteady state)란 열전달 속도가 시간에 따라 변화할 경우를 말하며 대부분의 식품공정은 비정상상태로 이루어지기 때문에 그에 대한 해석이 간단하지 않다. 따라서 건조, 증발, 농축, 살균, 냉동 등의 식품공정 중에 나타나는 가열이나 냉각과 같은 열전달과 물질전달을 효과적으로 이용하기 위하여 열전달 기작에 관한 내용을 다루는 분야이다.

식품 반응속도론[편집]

식품의 원료는 여러 공정을 거치면서 최종적인 제품이 될 때까지 여러 가지의 반응이 일어난다. 이 반응들에 의해 최종 제품의 품질이 결정되는데, 원하는 품질 수준에 도달할 수 있도록 이러한 반응들이 제어되어야 한다. 식품가공 중에는 화학적 변화 이외에도 물리적, 생물학적 변화도 일어나기 때문에 변화의 시작과 속도를 이해하여야 한다. 반응속도는 식품 원료의 농도와 온도와 같은 인자들에 의하여 결정되는데, 예를 들어 설탕이 전화당으로 변하는 속도는 설탕 농도에 직접적으로 의존한다는 것이다. 따라서 식품이 여러 공정을 거치는 동안 일어나는 변화에 있어서 반응속도를 이해하고 이를 식품산업에 적용시키는 연구를 하는 분야이다.

가열살균[편집]

반로그 좌표에서 미생물의 생존 곡선

식품의 변질 요인 중 가장 중요한 것은 미생물에 의한 것이다. 미생물의 살균방법에는 약제살균법, 가열살균법, 냉온살균법, 방사선살균법 등이 있고, 이중에 산업적으로 가장 널리 이용되는 방법은 가열살균법이다.

가열살균(加熱殺菌, heat sterilization)은 크게 저온살균(pasteurization)과 고온살균(sterilization)으로 나눌 수 있다. 가열살균을 할 때에는 가열온도와 시간에 큰 영향을 받으므로 품질저하를 최소로 하면서 살균이 이루어지도록 온도와 시간을 최적화하는 것이 아주 중요하다. 미생물의 사멸속도는 현존하는 미생물의 수(N)와 일정한 온도에서 미생물 수를 1/10로 감소시키는 데 소요되는 시간(D)과 관련이 있다. 통조림 등의 식품공정에서 이러한 가열살균의 시간 및 온도 등은 매우 중요한 인자이며, 식품공학에서는 이를 공학적으로 접근하여 식품성분의 열에 의한 파괴를 최소화하고 품질의 향상을 높여야 한다. 따라서 식품공정에 이용되는 열에너지 및 열의 침투, 열에너지와 식품성분과의 상호작용 등의 원리를 이해하고 이를 효율적이고 체계적으로 식품산업에 응용시키기 위한 연구를 진행한다.

식품의 제조공정[편집]

식품의 제조공정 중에는 여과, 분리, 건조, 농축, 추출, 증류 등의 과정이 있다. 여과를 하게 되면 많은 저항을 받기 때문에 액이 흐를 수 있게 하는 구동력이 필요하다. 구동력을 얻는 방법에는 중력여과, 가압여과, 원심여과 등이 있다. 또한 압력변화를 일정하게 유지하는 방법인 정압여과법과 여과속도를 일정하게 유지하는 방법인 정용여과법이 있다.

침강분리는 밀도의 차이로 중력에 의해 가라앉히는 기계적 분리 조작을 말하며 여과에 의한 분리 조작을 여과분리라고 하고, 중력보다 높은 원심력을 이용하는 방법을 원심분리라고 한다. 여과 및 분리의 과정은 모두 식으로 나타낼 수 있으며 식품공학에서는 이러한 조작 과정과 원리를 이해하고 식품산업에서 녹말 또는 다당류의 분리, 맥주의 여과 등 많은 분야에 응용시킬 수 있도록 한다.

또한 식품의 건조공정 중에서도 표면 증발, 항율건조, 감율건조 등의 내용을 이해하여야 하고 농축을 할 경우 증발관 내의 압력, 점도의 변화, 열수지 등의 복합적인 이론을 이해해야 한다. 식품을 추출할 경우에도 물질수지와 성분수지 등의 식품공학적 접근이 필요하다. 따라서 식품제조공정 중에 일어나는 물리적, 화학적 변화와 원리를 이해하고 보다 체계적이고 효과적으로 식품산업에 응용하기 위한 내용을 다루는 분야이다.

식품공학과[편집]

사실 국내 식품공학과는 식품과학과(food science)에 더 가깝다. 미국에서 식품공학과의 경우 좀 더 공학에만 집중하는 경우가 대부분이며, 식품과학과가 국내 식품공학과랑 같다고 봐도 무방하다.

식품영양학과와 이름은 비슷하지만 배우는 것은 많이 다르다. 식품영양학과가 조리와 영양학, 급식경영에 초점을 맞춘다면, 식품공학과 쪽은 화학공학과 생명공학 지식을 가져와 식품가공 공장에서 뭔가를 만드는 것을 다룬다. 미생물학, 발효학 기술을 이용하여 식품 원료, 유익한 발효미생물을 개발하기도 한다. 식중독균을 분석하고 식품위생에 관련된 연구를 하는 것도 주요 연구분야이다. 양조업이나 음료업 역시 이쪽에 속한다.

연구하는 것을 놓고 보면 다른 대학의 생명공학과와 비슷한 부분도 있다. 식품공학과는 좀 더 식품영역에 집중하고, 식품산업에 적용할 수 있는 기술을 주로 개발한다고 보면 된다. 첨단 생명공학 기술의 발전 덕분에 분자생물학, 생화학 기술을 이용하여 미생물 단위에서 식품을 조작하고 원료를 개발하는 연구도 하고 있다. 예를 들어 식공과는 대장균으로 인슐린 만드는건 관심없지만 유산균으로 발효하는건 진짜 중요하게 배운다.

개설된 곳은 세계적으로 적지만 포장이나 기기개발 등을 연구하는 곳도 있다.

학부과정에서는 식품공학, 식품가공학, 식품화학, 식품미생물학, 식품위생학, 발효학 등을 주로 배운다.

관련 자격증으로는 식품기사, 식품산업기사, 식품위생사, 품질경영기사, 바이오화학제품제조기사, 농산식품가공기능사, 수산식품가공기능사, 축산식품가공기능사 등이 있다.

교직이수를 하면 농업고등학교에서 교편을 잡을 수 있다. 과목이름은 식품가공.

참고자료[편집]

〈식품공학〉, 《학문명백과 : 농수해양》
〈식품공학〉, 《위키백과》
〈식품공학과〉, 《나무위키》

같이 보기[편집]

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