소비자 안전 위해 식용유 산패도 측정하는 모니터링 필수

튀김은 가장 널리 사용되는 조리 방법 중 하나로, 식용유는 영양소와 에너지를 제공하며 음식에 풍미를 더해주는 필수적인 재료이다. 그러나 식용유는 가공 및 보관 중 산화되기 쉬우며, 특히 고온, 빛, 산소, 금속 이온에 노출되면 그 위험이 커진다. 음식을 반복적으로 튀길 경우, 식용유는 다양한 산화 및 열 반응을 일으켜 물리적, 화학적, 영양적, 감각적 특성이 변하게 된다.

이에 따라, 튀김 음식의 품질을 유지하고 소비자의 안전을 보장하기 위해 식용유의 산패도를 측정하는 모니터링 기술이 필수적이다. 이 글에서는 산패의 과정 및 위험성에 대하여 알아보고 정확한 산패도 측정을 위한 센서 개발과 필요성에 대해 서술할 예정이다.  



글/ 고려대학교 주병권 교수님 연구실

길준우 (고려대학교 전기전자공학과 석사 과정)
권지현 (고려대학교 전기전자공학과 석사 과정)
박정근((주)제이케이글로벌 대표)


목 차

1. 산패로 인한 위험성과 센서 개발의 필요성
     1-1. 산패란? 산패의 위험성
     1-2. 총 극성 화합물과 산가
     1-3. 산패도 측정 센서 개발의 필요성
2. 식용유의 세계적 산패 기준과 우리나라의 식용유 산패 기준
     2-1. 세계적인 식용유 산패 기준
     2-2. 우리나라 식용유 산패 기준
3. 산패도 측정 센서 개발
    3-1. 센서의 원리와 구조
    3-2. 시중 센서를 이용한 산패 측정
    3-3. 개발한 센서의 성능
4. 결론
5. 참고 문헌


1. 산패로 인한 위험성과 센서 개발의 필요성

1-1. 산패란? 산패의 위험성

식용유의 산패는 장기간 공기 중에 노출되었을 때 식용유의 불포화 지방산이 그림 1과 같이 산소, 미생물, 습기 등의 영향을 받아 가수분해되거나 산화 반응이 일어나면서 발생하는 현상이다. 이 과정에서 알데히드, 트라이글리세라이드, 유리지방산과 같은 산화물이 생성되어 식용유의 맛과 향이 변질되고, 품질이 저하된다. 특히, 고온에서 이루어지는 튀김 과정이나 음식물에 포함된 수분 및 유기물은 산패를 가속하며, 반복적으로 사용된 식용유는 급격하게 품질이 저하된다. 이에 따라 식용유의 품질을 실시간으로 모니터링하고, 일정 수준 이상의 산패가 진행되었을 때 적절히 폐기하는 것이 중요하다.

 


식용유의 폐기 기준은 크게 물리적 지표와 화학적 지표로 나뉜다.

물리적 지표로는 육안으로 확인할 수 있는 식용유의 색 변화, 점성 증가, 악취 등이 있으며, 이러한 방식은 식용유의 품질이 현저히 저하된 상태에서만 파악할 수 있다. 또한, 주관적인 요소가 강하기 때문에 신뢰성과 정확도가 떨어져 객관적인 기준으로 사용하기 어렵다.

1-2. 총 극성 화합물(TPM)과 산가(AV)

식용유의 폐기 기준 중 화학적 지표로는 유리지방산(FFA, Free Fatty Acid), 총 극성 화합물(TPM, Total Polar Material), 과산화물가(PV, Peroxide Value) 등을 측정하여 식용유의 산패 정도를 정확한 수치로 평가할 수 있고, 이 수치를 기준으로 식용유의 교체 시기를 결정할 수 있다.^[2]

총 극성 화합물(TPM)은 모노글리세라이드와 디글리세라이드 등 산화 물질의 농도를 나타내는 지표로, 이 수치가 높아질수록 식용유의 맛과 품질이 떨어지며 건강에도 해로운 영향을 미칠 수 있다. 이러한 이유로 전 세계적으로 TPM 수치는 식용유의 품질 평가에 중요한 기준으로 사용된다.^[3]

우리나라에서는 식용유의 품질을 산가(AV, Acid Value)로 판단하는데, 산가는 1 g의 기름에 포함된 유리지방산을 중화시키는데 필요한 수산화 칼륨(KOH)의 mg 수를 의미한다. 유리지방산은 체내에 축적될 경우 지방간이나 고중성지방혈증을 유발할 수 있기 때문에, 이 수치를 기준으로 식용유의 교체 시기를 결정하는 것이 중요하다.

1-3. 센서 개발의 필요성

식용유의 품질을 평가하는 방법으로는 이미지 분석을 통한 TPM 측정[4], 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR, Fourier Transform Infrared Spectroscopy)^[5], 크로마토그래피^[6] 등의 다양한 실험실 분석법이 있다. 하지만 이러한 분석 방법은 시간이 많이 소요되거나 비용이 많이 들며, 절차가 복잡하다는 단점이 있다.

따라서, 식용유의 품질을 실시간으로 빠르고 정확하게 측정할 수 있는 새로운 산패도 측정 센서의 개발이 필수적이다. 

2. 식용유의 세계적 산패 기준과 우리나라의 식용유 산패 기준

2-1. 세계적인 식용유 산패 기준
 

세계적으로 식용유의 산패도를 평가하는 기준은 표 1과 같이 국가마다 다소 차이가 있으나, 대부분 국가에서 TPM 값을 기준으로 삼고 있다. 일반적으로 TPM 값이 25~27%를 넘으면 식용유의 사용이 제한된다. 이는 식용유 속 산화 물질의 농도가 일정 수준 이상이 되면 건강에 미치는 악영향이 커지기 때문이다. 일부 국가에서는 AV 값을 기준으로 사용하기도 하며, 이 경우 3.0 mg KOH/g 이하로 규정하고 있다. 각국의 식품 안전 법규에 따라 세부 기준은 다소 차이가 있지만, 소비자의 건강 보호를 위해 엄격한 관리가 이루어지고 있다.

2-2. 우리나라의 식용유 산패 기준

우리나라에서는 식품의약품안전처에서 식용유의 산패도에 대한 기준을 규정하고 있다. 식품 및 식품첨가물 공전의 제6장, 조리 및 관리 기준에 따르면, 조리용 튀김유는 산가(AV)가 3.0 mg KOH/g 이하이어야 사용이 가능하다. 이 기준은 식용유의 품질을 유지하고 소비자의 건강을 보호하기 위한 최소한의 규정으로, 산가가 이를 초과할 경우 즉시 식용유를 교체하여야 한다. 특히, 다수의 사람에게 제공되는 음식을 조리하는 업소에서 이러한 규정은 필수적으로 준수되어야 한다고 명시하고 있다.

3. 산패도 측정 센서 개발

3-1. 센서의 원리와 구조

식용유가 산패되면 수분, 산, 효소, 알칼리 등의 영향을 받아 총 극성 물질, 글리세롤, 유리지방산 등으로 분해된다. 이 중 유리지방산은 산화의 중요한 척도로, 이를 감지하여 식용유의 산패도를 계산하는 방식으로 센서가 작동한다.^[8]

 

새로 개발한 전기전도도 센서는 식용유의 산패가 진행되며 생성된 유리지방산이 전자 수용체 역할을 하여 p-타입 센서 채널의 저항을 감소시키고, 그에 따라 전도도가 변화하는 원리를 이용한다. 이러한 전도도의 변화를 측정하여 산패도를 계산하는 방식이며, 센서의 구조는 위 그림 2와 같고, 자동 시스템을 통해서 센서부를 식용유에 침지하여 산패에 따라 변화하는 전도도를 분석해 실시간으로 변화하는 전도도를 분석 및 기록하여 TPM 및 온도를 표시한다.

이렇게 자동으로 실시간 TPM 수치를 저장하여 서버에 전송함으로써 수기로 데이터를 기록할 때 발생할 수 있는 데이터의 조작을 방지할 수 있어 데이터의 신뢰성을 높일 수 있다.

또한 그림 3과 같이 센서 전극에 입력된 사인파 신호는 전극에 접촉되는 물질에 따라 주파수가 변경되는데, 이 진폭의 변화를 디지털화하여, 식용유의 산패도에 따른 값을 산출하고, 이를 바탕으로 실시간 데이터를 제공한다.

3-2. 시중 센서를 이용한 산패 측정
 

실험에는 총 세 가지 샘플을 사용하여 식용유의 산패 정도를 평가하였다. 그림 4와 같이 왼쪽에서부터 새로 개봉한 식용유, 여러 차례 튀김에 사용된 후라이어기 안의 식용유, 산패가 심하게 진행된 폐유를 샘플로 선정하였으며, 식용유의 산패 과정에서 발생하는 변화를 분석하기 위한 목적이었다.

모든 측정은 상온인 28°C에서 진행되었으며, 각 샘플에 대해 3회의 반복 측정을 시행하여 평균값을 기록하였다. 이를 통해 측정 결과의 신뢰성을 높이고, 식용유의 산패 정도를 보다 정확하게 평가할 수 있었다.
 


표 2는 ATAGO사의 DOM-24 기기를 사용하여 각 샘플의 TPM 및 AV 값을 측정한 결과를 요약한 데이터이다. 샘플 1은 새로 개봉한 식용유로, TPM 및 AV 수치가 기준치 이하로 나타나 산패가 거의 없음을 확인할 수 있었다. 반면, 샘플 2는 여러 차례 튀김 과정을 거친 식용유로, 육안으로도 식용유의 색깔 변화가 뚜렷하게 드러났으며, TPM 및 AV 수치에서도 산화가 진행되고 있음을 확인할 수 있었다.

마지막으로, 샘플 3은 식용유의 색깔 변화가 가장 심하게 나타났으며, TPM 및 AV 값이 산패 가까운 상태를 보이며 계속해서 사용될 경우 추가적인 산패가 우려되는 상태임을 나타낸다.

3-3. 개발한 센서의 성능
 

새로 개발한 센서를 통해 자동으로 측정된 식용유의 산패도는 그림 5와 같은 과정을 거쳐 분석되었다.

먼저, 그림 5 (a)와 같이 상온에서 센서 봉 하단에 샘플을 위치시키고 센서를 구동하여 확인된 온도 및 진폭 양을 PC로 전송하였다. 측정이 끝난 후, 그림 5 (b)처럼 자동 측정을 거친 센서 봉이 위로 위치한 후 세척을 진행하는 과정을 거쳤다. 그림 5 (c)와 같이 세척이 끝난 센서를 샘플 3종에 대해 3회씩 반복하여 신뢰성 있는 데이터를 확보하였다.
 

이러한 방법을 통해 분석한 결과, 표 3과같이 샘플의 산패 정도에 따른 진폭 변화가 관찰되었다. 

 

그림 6에서 확인할 수 있듯이 이 데이터를 수식에 적용해 TPM 값으로 변환한 결과, 산패 정도에 따라 TPM 값이 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. 
 

또한, 타사 제품인 DOM-24 기기와 비교했을 때도, 표 4에서 보이듯이 매우 유사한 수치가 도출되었음을 확인할 수 있다. 이는 개발된 센서가 정확성과 신뢰성 측면에서 기존 제품들과 견줄만한 성능을 갖추었음을 증명한다.

4. 결론

현대사회에서 식용유는 조리 과정에서 필수적인 식재료로, 음식의 맛과 질을 결정짓는 중요한 요소 중 하나이다. 따라서 식용유의 안정성과 품질을 보장하기 위한 신뢰할 수 있는 검증 체계가 필요하다. 식용유의 산패는 보관 방법이나 주변 환경 등 여러 요인에 따라 영향을 받지만, 가장 큰 원인은 반복적인 사용에서 비롯된다. 식용유를 여러 번 재사용하는 과정에서 화학적 변화가 가속화되며, 이는 건강에 해로운 물질을 생성할 수 있다.

단순히 식용유를 몇 번 사용했는지, 며칠 동안 사용했는지에 따라 교체 시기를 결정하는 것은 재료의 종류, 염지 및 양념 상태에 따라 산패 속도가 크게 달라질 수 있기 때문에 효과적이지 않다. 이러한 방식은 소비자에게 불필요한 위험을 초래할 수 있으며, 결과적으로 식품의 안정성을 저해할 수 있으므로 비효율적이다.

따라서 식용유의 정확한 상태를 파악하기 위해서는 육안으로 확인하는 물리적 지표나 감각적인 판단보다, 과학적이고 정량적인 수치를 측정할 수 있는 센서의 개발이 필수적이다. 이러한 센서는 식용유의 산패도를 실시간으로 평가하고, 적절한 시점에 교체할 수 있는 기준을 제공함으로써 소비자와 식품 업체 모두에게 유익할 것이다. 

현재 개발 중인 센서는 자동화 시스템과 연계하여 식용유의 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있는 기능을 갖추었으며 이 기술을 통해 식품 품질 분야에 있어 소비자의 신뢰를 얻을 수 있다.

이 센서는 특정 기준을 초과할 경우 기기 동작을 자동으로 중단시키는 안전장치를 탑재하여, 소비자에게 위험 요소를 사전에 차단하여 안전한 먹거리를 제공하는 데 기여할 것이다.

또한 유탕 제품의 상태를 알 수 있도록 실시간 산가 수치를 유·무선 통신으로 수기가 아닌 자동으로 측정 및 전송하여 Data의 신뢰를 높이고, 식용 오일의 교체 여부를 자동으로 판단하는 스마트 팩토리 시스템을 갖추는 것을 목표로 하고 있다.
이를 통해 소비자의 건강을 보호하고, 식용유의 품질을 보다 효율적으로 관리하는 데 큰 도움이 될 것으로 기대된다.


5. 참고문헌

[1] Robards, Kevin, Amanda F. Kerr, and Emilios Patsalides. "Rancidity and its measurement in edible oils and snack foods. A review." Analyst 113.2 (1988): 213-224.
[2] Zhang, Na, et al. "Analytical methods for determining the peroxide value of edible oils: A mini-review." Food Chemistry 358 (2021): 129834.
[3] Gotoh, Naohiro, and Shun Wada. "The importance of peroxide value in assessing food quality and food safety." JAOCS, Journal of the American Oil Chemists' Society 83.5 (2006): 473.
[4] B. Gil, Y. J. Cho, and S. H. Yoon, “Rapid determination of polar compounds in frying fats and oils using image analysis,” LWT-Food Science and Technology, vol. 37, no. 6, pp. 657-661,2004
[5] N.  Vlachos,  Y.  Skopelitis,  M.  Psaroudaki, V. Konstantinidou, A.Chatzilazarou,  and  E.  Tegou,  “Applications  of  Fourier transform-infrared  spectroscopy  to  edible  oils,” Analytica  Chimica Acta, vol. 573, pp. 459-465, 2006
[6]  A A. Cert, W. Moreda, and M. C. P?rez-Camino,“Chromatographic analysis  of  minor  constituents  in  vegetable  oils,” Journal  of Chromatography A, vol. 
881, no. 1, pp. 131-148, 2000..
[7] Frying Oil Quality Legislation . (2023.10.16.). https://www.filtrox.com/blog/2023/10/16/frying-oil-quality-legislation/.
[8] Khaled, Alfadhl Yahya, A. S. Abd, and Fakhrul Zaman Rokhani. "Impedance sensor probe for degradation assessment of cooking oil." International Conference of Agricultural Engineering. 2014