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아이스크림에서 유화제 작용 : 해유화(de-emulsification)

해유화 Gelled emulsion
- 아이스크림의 해유화
- 치즈의 응고

1. I/C 에서 유화제의 역할
  - 유단백의 유화력 저하 --> 유지의 응집, 합일화의 조정
  - Whipping : 공기 혼합의 촉진 : 거품종류
  - 수축에 대한 저항력 부여, melt down 개선
  - 필요한 dryness 부여
  - 부드러운 조직과 consistancy 부여

2. 작용 기작

안정제의 특성이 점도를 높이고 겔을 형성하는 것도 있으므로 안정제가 주로 보형성을 줄 것 같지만 실제 안정제에 의하여 보형성을 줄 정도면 제품의 식감과 향의 Release 도 매우 나빠지며 동결 전에 curd 형성 등으로 기존 시스템으로는 원활한 제품생산이 불가능 해진다. 따라서 단순한 겔 형성이 아닌 다른 구조체의 형성에 의하여 보형성이 형성되어야 한다.

아이스크림에서 사용하는 우유 내에는 지방구를 안정화 시키기에 충분한 유단백(카제인) 같은 천연의 유화제 성분을 가지고 있어서 지방구를 안정화 시키기 위해서 별도의 유화제를 추가할 필요가 없다. 그런데 특정한 유화제를 첨가하면 아이스크림은 배합물을 Freezer를 통하여 동결되어 나올 때 유동성이 있으면서 dry 하고 stiff 한 물성 (보형성)을 가진다. 이러한 기작은 여러 사람의 연구를 통하여 설명되고 있는데 이것을 요약하면 다음과 같다.

제품 중 사용하는 원료 중 지방성분은 65`C로 30분간 가열하는 동안에 완전히 녹은 후 유단백에 8㎛ 이하의 안정된 형태의 지방구가 된다. 이 지방구는 균질 공정 중 유화막이 제거되면서 2㎛이하로 분쇄한다. 분쇄된 직후 이 naked 지방구는 새롭게 막을 형성한다. 이 때 첨가된 유화제와 유단백 보다 지방과 결합력이 강하여 유단백 안쪽으로 결합한다.
지방, 유단백, 유화제에 의하여 형성된 결합체는 숙성공정에서 5`C 정도의 온도에서 보관하는 동안 녹아 있던 지방구가 결정화되기도 한다. 2시간 정도가 경과하여야만 충분히 결정화 되는 것으로 알려졌다. 그리고 Freezer 를 통하여 동결되는 동안 유화된 구조체에 leak hole이 형성되고 이 hole을 통하여 아직 액상의 지방이 새어 나오고 이 지방이 서로 엉키게 되며, 엉킨 지방이 포도송이처럼 Air cell 주위를 감싸는 이상적인 아이스크림 구조체를 형성한다.



이와 같이 동결공정 중 지방의 유화를 부분적으로 파괴하는 destabilization 의 기능이 아이스크림에서 유화제를 첨가하는 주목적이며 이러한 기능은 위에서 설명한 2가지 종류로 아이스크림에서 사용하는 유화제의 종류는 제한적인 편이다.
Freezer 를 통과하여 동결되는 동안 위와 같은 지방구의 destabilization을 일으키는 가장 큰 요인은 Agitation 이다.  Freezer는 냉매가 흐르는 Cylinder 중심에 칼날이 부착된 Dasher가 회전하는 구조를 가지고 있다. 배합물과 5기압 정도의 Air(Overrun 100%)가 일정속도로 같이 공급되면 배합물은 실린더 표면의 냉기에 의하여 급속히 작고 많은 입자수의 얼음으로 동결된다. 이것이 계속하여 동결되어 열전도도가 떨어져 단열층의 역할을 하는 얼음 층이 형성되기 전에 회전하는 Dasher의 칼날에 의하여 제거된다. 따라서 계속해서 열전도가 빠른 실린더 표면에 새로운 배합물이 접촉하게 되어 급속동결이 일어난다. 수분이 동결되고 점도가 상승되면서 Air cell이 포집되어 Overrun이 들어간다.
이때 지방구는 교반에 의하여 지방구간에 충돌이 일어나고 수분이 동결되면서 얼음입자가 차지하는 공간이 증가하는 만큼 고형분이 녹아있는 공간이 축소되며, 비동결된 부분의 고형분은 점점 농축된 형태가 되므로 염 균형이 변화되고, 단백질은 동결에 의한 탈수 현상이 나타난다. 더욱이 지방은 결정화되어 유동성이 저하되며 부서지기 쉬운 구조가 된다. 여기에 적당한 유화제가 첨가 된 구조를 가진 배합은 지방구의 destabilization (de-emulsification, 부분적churning)이 일어난다.
유화제가 이 churning 속도를 한다는 증거는 특정 유화제의 함량이 높아질수록 유화막에서 깨져나온 Free fat (extractable fat)이 증가하고 이 Free fat 이 증가할수록 제품의 Stand up 성, 보형성은 증가한다는 것에서 알 수 있다. 실험에 의하면 60%의 지방이 destabilization 될 때 최상의 아이스크림 구조가 형성된다는 보고도 있다.

De-emulsification : 해유화





 






멸균한 우유는 1년이 넘도록 유화상태가 유지된다. 그렇다고 유지에 유화제를 첨가하는 경우는 없다. 우유는 어떻게 유화제 한 방울 없이도 그렇게 오랫동안 유화상태를 유지할까? 바로 단백질(카제인) 덕분이다. 식품에서도 기름은 대부분 단백질에 의해 유화상태를 유지한다. 생크림도 유단백에 의하여 유화된 상태다. 그런데 유지방이 35% 정도 되는 생크림을 세게 계속 저으면 점점 점도가 생겨서 부드럽고 예쁘게 장식이 가능한 반고형 상태가 된다. 생크림을 열심히 저었는데 반고형 상태가 된다는 것은 언뜻 자연의 법칙을 거스르는 것처럼 보인다. 저어주면 묽어져야 정상인데 식품에는 이처럼 자연의 물리법칙을 거스르는 듯한 현상이 자주 목격된다. 하지만 식품이라고 어찌 자연의 물리법칙을 벗어나겠는가. 휘핑하면 굳는 이유는 유지방의 엉김 현상 때문이다.
냉장온도에 보관되는 유지방은 적당히 굳은 상태이고, 표면은 우유의 단백질에 의하여 잘 코팅되어 지방끼리 서로 엉키지 않고 자유롭게 흐르는 상태이다. 이런 상태에서 강하게 저으면 지방구 끼리 서로 부딪쳐 겉면의 단백질 코팅막이 부분적으로 벗겨지는 현상이 발생할 수 있다. 막이 벗겨지면 반고체의 지방이 삐져나오고 다른 지방구와 엉키기 쉬운 상태가 된다. 그 상태로 계속 되면 코팅막이 벗겨진 지방구끼리 실에 꿰어진 진주목걸이처럼 길다란 체인을 이룬다. 그러면 점도도 증가하여 반응은 가속된다. 이렇게 많은 지방구 사슬이 생기면 지방은 물보다 공기와 친하므로 교반 중 생기는 공기 방울을 감싸게 된다. 그리고 지방구에 감싸인 공기는 매우 안정적이므로 계속 생크림안에 남게되어 부피는 늘어나고 색은 점점 하얗게 된다. 그것이 바로 부드럽고 보형성이 좋은 휘핑크림(whipped cream)이다. 생크림케익에 사용된 휘핑 크림은 전혀 흐름성이 없이 고체처럼 보여도 자신의 부피의 2배 이상의 공기가 들어 있으니 부드러울 수밖에 없다. 그런데 천연의 생크림은 그것을 감싸는 우유단백질이 워낙 강력한 유화제라서 좀처럼 유화막을 깨기가 힘들다. 상당히 오랜 시간 강력히 저어야 줘야 겨우 휘핑이 되고 아니면 좋은 기계를 써야 한다.
아이스크림이 부드러운 비밀의 절반은 이런 휘핑에 있다. 아이스크림은 통상 절반이 바람(공기)이다. 휘핑크림에 비해서는 훨씬 적지만 그대로 공기가 절반이라 얼어 있어도 부드러울 수 있는 것이다. 그런데 아이스크림의 휘핑은 케이크 전문점에서의 생크림 휘핑보다 훨씬 어렵다. 시간은 짧고 지방의 함량이 적기 때문이다. 아이스크림은 가능한 한 낮은 온도에서 신속히 동결되어야 부드러운 조직이 된다. 그래서 충분한 휘핑을 하기에는 시간이 부족하고, 지방의 함량이 1/3 정도로 낮아 지방구 끼리 충돌하여 서로 얽혀질 확률이 너무 낮다. 휘핑이 잘 되면 유지방이 상온에서 고체인 점을 이용하여 아이스크림이 쉽게 녹아 흐르는 것도 막을 수 있고 다양한 모양을 내기도 좋기 때문에 어찌 되었거나 해결책을 마련할 수밖에 없는데 그것이 유화막을 약하게 하는 것이다.
유화제로 불리우는 모노글리세라이드류를 배합 중에 넣으면 유화막을 약하게 할 수 있는데 그 원리는 아래와 같다. 이 모노글리세라이드를 아이스크림을 배합할 때 0.2% 정도 넣고 배합한다. 그러고 고압균질기를 통과시키면 지방을 감싸고 있던 단백질막이 벗져진 후 다시 감싸게 되는데 이때 지방의 표면을 두고 유화제와 단백질이 경쟁을 하게 된다, 유화제가 없다면 지방의 표면을 모두 단백질이 감싸서 매우 안정적이 될텐데, 일부 유화제에게 자리를 빼앗겨 원래보다는 코팅막이 약할 수밖에 없다. 그렇다고 스스로 터질 정도로 약하지는 않지만 아이스크림 동결기를 통과할 때는 강한 교반이 일어나고 얼음입자가 생기면서 농축이 일어나 충돌이 많아지고 훨씬 쉽게 부분적으로 코팅막의 부분적인 파괴가 일어난다. 그리고 파괴된 막을 통해 반고형의 지방이 삐져나와 서로 엉켜서 휘핑이 된다.    
아이스크림에서 유화를 도와주기 위해 유화제를 쓰는 것이 아니고 유화가 깨어지는 것을 촉진하기 위해 유화제를 쓴다는 사실을 아는 사람은 별로 없다. 심지어 아이스크림 개발팀 팀장도 잘 모른다. 아이스크림의 기본 기술은 이미 수십 년 전에 완성된 상태이고 아이스크림 개발자는 유화제와 증점다당류의 각각의 원료 특성과 역할을 알고 따로 따로 쓰는 것이 아니라 아이스크림용으로 개발된 증점제와 유화제가 같이 들어 있기에 복합품을 쓴다. 그래서 증점제(겔화제)는 아이스크림이 녹아 흐르는 것을 억제하는 역할을 하고  유화제는 유화를 도와주는 역할을 한다고 아는 경우가 많다. 실제로는 반대로 작용하는데 말이다. 유화제는 유화를 깨어지게 하여 아이스크림이 녹지 않게 하고, 증점제는 얼음입자가 커지는 것을 막기 위해 쓰는 것이지 녹는 것을 억제하는데는 아무 소용이 없다, 동결되는 수분량을 줄여서 오히려 빨리 녹게 한다.