서 론

굴 종묘생산 기술이 개발되어 남해안에서 생산되기 시작한 양식 굴은 경남 통영, 거제, 고성 및 여수 돌산 등의 해안에서 전국 72.6%가 생산되며, 해외로 수출되 어 외화를 벌어들이는 데도 한 몫하고 있다. 우리나라 양식 굴의 생산량은 1990년대 중반까지 42,822 톤으로 최고를 나타내었고 1990년대 후반부터 감소하였으며, 2015년 10,819 톤, 2019년 11,856 톤으로 다소 증가 추 세이다. 양식 굴의 생장 시기는 매년 가을부터 이듬해 봄까지이며, 주로 겨울에 수확기가 도래하여 추위로 인 한 노동인력 부족으로 양식이나 수확작업에 많은 어려 움을 겪고 있다. 양식 굴의 박신(剝身)작업 참여인력은 대부분 고령 여성이나 외국인 인력으로, 겨울 바닷가 매서운 추위를 감내해야 하므로 박신 인건비 비율이 높아 국내 굴 양식업 경쟁력이 낮아지고 있다. 미국과 유럽 및 일본에서는 1990년대에 굴 박신 분야에 다양한 연구와 상 업화를 시작하여(Wheaton, 1973, Story et al., 1974, So and Wheaton, 1996, Sato et al., 1997), 40℃로 가온한 후 초고압력 처리로 굴 껍질을 까는 High Pressure Processing (HPP) 장치를 개발하여, 용량 600 liter로 년간 2.3 ton 알굴 을 생산하는 박신기계를 시판하지만 영세한 굴 양식 어민 들이 구입하여 사용하기에는 경제적으로 부담스럽다.

여기에서는 우리나라 굴 양식업의 박신 작업환경 개 선과 알굴 생산성을 향상시켜 젊은 신규 굴 양식 어업인 참여확대와 접근성을 제고하기 위하여, 밀폐된 고압용 기에 180∼250 MPa의 초 고압력을 가하여 굴 등의 2매 패류 껍질을 자동으로 개방 또는 탈각시키는 굴 박신기 계를 개발하는 과정에 압력이 굴 박신율에 미치는 영향 규명 및 박신된 알굴의 관능평가를 수행하고, 바지락, 가리비, 홍합 및 전복 등의 다양한 패류의 자동 박신기계 개발 가능성을 검토하였다.

재료 및 방법

굴 박신기계 시스템 레이아웃(layout)

수확하여 세척을 마친 각굴을 초 고압력으로 패류를 박신하는 기계는 해수와 함께 압력용기에 담은 후, 압력 과 힘의 전달유체인 해수로 채우고 고압 펌프로 가압을 한다. 파스칼 원리(Pascal’s principle)에 의해 용기 내부 의 해수는 가압된 전체 힘(force)을 모든 방향으로 동일 한 크기로 전달된다. 해수를 매체로 전달된 압력과 힘은 압력용기 내에서 강도상으로 가장 취약한 패류의 2매 껍질 접합부를 개방하고, 무기물인 굴 껍질과 유기물인 육질의 패각근을 분리시켜 박리시키는 원리이다. 박신 대상의 각굴이 목표압력에 도달하고, 필요한 유지시간 (holding time)를 경과한 후, 해압과 해수배출 과정이 경 과하면 압력용기 속에 굴 껍질과 알굴 육질 패각근이 깨끗하게 분리되는 박신(剝身)공정이 압력용기 내에 있 는 모든 굴에게서 한꺼번에 이루어져 진다.

이와 같이 메카니즘으로 작동하는 굴 박신기계 시스 템은 Fig. 1과 같으며 고압 발생부와 압력용기는 높은 압력에 대한 내마모성, 간섭 부분의 윤활성과 밀폐성 (sealing) 등이 수명 및 신뢰성에 영향을 주므로, 굴 박신 기계 시스템 제작 과정에서 세밀하게 고려하였다.

초 고압력을 이용한 굴 박신기계 제작

굴 박신기계 시스템의 압력용기는 작용하는 높은 가 압력과 해압 과정이 반복적으로 부가되기 때문에, 피로 하중을 고려하여 설계와 제작을 하였다. 해수에 내 부식 성이 있는 압력용기 소재는, 해수 밀착성 환경에서도 높은 신뢰성이 있는 “KS D 3867, 기계구조용 합금강 강재” SCM440로 하였다. 압력용기와 주변장치들이 초 고압력에 노출되기 때문에 “ASME 보일러 및 압력 용기 코드, 섹션 VIII Division 3” 등의 관련 규정을 준수하여, 안전성을 고려하여 제작하였다. 굴과 같은 수산물을 가 공하는 업체는 해수를 많이 이용하기 때문에, 해수 부식 에 강한 열간압연과 단조가공이 선행된 소재를 플레이 너와 브로우칭 절삭 및 냉간인발 등의 기계적 가공과 퀜칭, 템퍼링, 노멀라이징 등의 표면열처리를 통하여 Fig. 2와 같이 제작하였다.

압력용기

①은 Table 1과 같이 외경 φ660 mm, 내경 φ250 mm, 길이 2,745 mm 및 용적 103 liter이며, 전체 중량은 3.5 ton 정도의 기계구조용 합금강으로 제작하였다. 이것은 가이드 블록②와 압력용기 클램프 상부 덮개③, 프레임 상부에서 압력용기의 개폐구동과 초 고압력을 유지해주 는 구조물인 스파이셔 부위④, 양쪽 슬라이드 블록⑤와 압력 용기를 수직으로부터 45°를 기울여주는 틸팅 로 드(tilting rod)⑥ 등으로 구성되어 있다. 압력용기 내에 초 고압력을 발생시키는 가압장치는 목표압력을 설정하 면 고정된 압력을 유지하며, 무한 가변 사이클링 속도출 력을 발휘하는 미국 Haskel사(Burbank CA 91502, www.haskel.com)에서 제작한 Air Driven Liquid Pump 를 사용하였다. 최대 400 MPa의 압력발생 능력과 지속 적인 정지/시작 응용 프로그램에 대한 제한이 없으며, 유지 보수가 쉬운 특징이 있다. 2개의 컬럼(column)과, 수직하중 지지부, 좌우 연결용 상판 등의 부분으로 구성 된 프레임은 각 요소 간의 간섭(interrupt) 여부를 확인하 였다. 각각의 부품 요소들에 대한 가공 및 제작방법은 원 통형 압력용기 개선 설계, 내식성 유지 특수코팅 및 도금 처리, 압력용기 입구부 실링(sealing) 강화를 위한 밀봉 삽 입부 가공과 Φ250 mm 내부에 균질한 듀플렉스(duplex, 4t) 가공처리, P.C.D. Φ480 mm 직경의 M16, D.P. 32 mm 의 볼트 가공, 박신을 위한 각굴 투입과 배출이 용이하도 록 입구부 15°모따기(chamber) 가공 등을 하였다.

초 고압력을 이용한 굴 박신 공정

굴 박신 실험에 사용한 시료는 2020년 5월 초순 경남 통영 도산면과 전남 여수 돌산읍 양식장에서 채취하여 당일 실험장소(경남 통영)로 운송하였다. 구체적인 실험 방법은 Fig. 3의 ⒜와 같이 굴과 여러 패류 개체수 및 각각의 중량을 측정한 후, 그물망으로 포장하였다. 이것 을 ⒝와 같이 압력용기 안에 넣고, ⒞처럼 압력용기 내 부를 해수로 채웠다. 그리고 ⒟와 같이 가압처리 전에 수온계(CT–800WP, CUSTOM, Japan)를 이용하여 해수 온도를 측정하였고, ⒠와 같이 압력용기 두껑을 결합하 여 밀봉한 후, 가압 펌프를 구동하여 150 MPa에서 250 MPa까지 각각의 박신 압력 별로 가압하였다. ⒡처럼 목표 압력까지 도달한 후, 압력용기 내부에 압력유지 시간을 부과한 후 해압을 하였다. 압력용기 뚜껑을 분리 한 후 ⒢처럼 가압처리 후의 압력용기 내 해수 온도를 측정하였다. 압력용기 내에서 박신 처리한 굴을 꺼내어 ⒣와 같이 2매 껍질이 다물고 있던 결합부가 분리되었 고 내부의 패각근이 껍질과 완전 분리되어 약간 경사를 만들어주면 내부의 진액이 흘러내리면서 껍질 밖으로 빠져나오는 굴(이하 type A)과, 껍질 및 내부가 분리되 지 않은 미 박신굴(이하 type B)의 개체 수를 확인하였 고, 껍질과 알굴 육질과 이물질과 내부 진액의 중량 등을 측정하였다.

시료 굴과 바지락, 홍합, 가리비 및 전복 등의 개체 분석

통영과 여수에서 양식되고 있었던 2019년 4월 입식한 햇굴(단련굴)과 2018년 8∼9월 입식한 월하굴을 무작위 로 혼합하여 굴 시료로 사용하였다. 여수에서 생산된 햇굴은 각고 51∼93 mm, 각장 24∼61 mm, 총 중량 9∼55 g을 나타냈으며, 통영에서 생산된 햇굴은 각고 17∼35 mm, 각장 64∼99 mm, 총 중량 20∼50 g 정도였 다. 여수에서 생산된 월하굴은 각고 51∼141 mm, 각장 30∼59 mm, 총 중량 16∼103 g을 나타냈고, 통영에서 생산된 월하굴은 각고 84∼131 mm, 각장 37∼60 mm, 총 중량 40∼63 g 정도였다. 사용된 굴 시료 개수는 각각 의 실험마다 100개씩이며 중량은 6 kg±5%였다. 아울러 2021년 8월에 통영과 고성에서 채취한 각각 30개의 바 지락(Clam), 홍합(Mussel), 가리비(Scallop) 및 전복 (Abalone) 등의 박신압력을 측정하기 위해 각장, 각고, 각폭 및 중량의 평균값은 Table 2와 같다.

박신 알굴의 관능평가

수작업 알굴과 박신기계로 생산한 알굴을 먹어보면서 하는 관능평가는, 평가 목적과 시료의 특성을 숙지한 일반인 관능평가 요원 7인이 수행하였다. 관능평가 시료 는 작용압력 200 MPa에서 알굴 육질이 분리되어 완전 박신된 통영 및 여수 굴과 수작업으로 분리한 알굴 시료 를 사용하였다. 평가요령은 비공개와 무작위 원칙으로 7단계 평점법을 사용하였고, 항목은 외관(색깔, 형태), 후각(냄새), 미각(짠맛, 비린맛), 질감, 선호도이며, 척도 는 기호가 낮은 평점을 1점으로, 기호 강도가 높은 것을 7점으로 하고, 관능평가 결과는 7단계 평점의 평균을 분석하여 평가 항목마다 Duncan test로 샘플간의 유의성 을 검증하였다.

결과 및 고찰

작용 압력별 박신 전후의 해수온도 변화

압력용기 내에 투입된 해수의 박신 처리 전과 후의 온도변화를 Fig. 4에 나타냈다. 박신 작용압력 250 MPa 에서는 처리 전 온도는 20.3℃이고, 처리 후 온도는 19. 6℃로서 압력처리 후에 해수온도가 0.7℃ 감소하여 초 기온도 기준으로 3.5%가 저하되었고, 200 MPa의 처리 전 온도는 19.8℃, 처리 후 온도는 18.5℃로 처리 후에 1.3℃ 감소하여 6.5%가 낮아졌다. 175 MPa에서는 처리 전 온도는 19.2℃이고, 처리 후 온도는 19.5℃로서 처리 후에 초기온도 기준으로 1.6%인 0.3℃ 정도 증가하였으 나, 150 MPa에서는 처리 전 온도 19.4℃, 처리 후 온도 19.2℃로 처리 후에 1%인 0.2℃가 감소하여, 175 MPa 경우를 제외하고, 초 고압 박신처리 전 온도보다 처리 후 온도가 6.5∼1% 범위내에서 평균 3.6%정도 감소하 는 경향을 보여준다. 그 원인은 해수를 담고 있는 압력용 기 본체의 부피가 박신 공간내 해수의 부피보다 2.3배 정도 더 크기 때문에, 압력용기 본체의 내부온도와 잠열 등의 영향으로 생각된다. 그러므로 초고압을 이용한 굴 박신 공정에서 압력용기내의 가압과 해압 과정의 굴과 해수온도 변화는 무시할 정도이며, 굴 박신공정의 열적 변화는 주위환경 온도와 압력용기에 주입되는 해수온도 에 의존할 것으로 사료된다.

압력에 따른 굴 박신율 변화

각굴은 2매 껍질이 마주하고 있는 결합부가 분리되었 고 내부 패각근이 껍질과 완전 분리되어 약간의 경사를 주면 알굴과 내부 진액이 껍질 밖으로 흘러나오는 type A와 굴의 양쪽 껍질과 내부에서 관자와 껍질이 박리되 지 않은 type B의 개체수 및 껍질과 육질 중량, 이물질과 내부 진액 중량을 측정하여 굴 박신 생산성 등을 Table 3에서 표시하였다. 굴 박신에 사용하는 압력은 250 MPa, 200 MPa, 150 MPa으로 50 MPa씩 감소시키다가 150 MPa에서 박신작업 효율이 현저하게 저하되어 25 MPa를 승압하여 175 MPa로 변화를 주었고, 압력 유지 시간(holding time)은 모든 실험에서 동일하게 3분(min) 을 부과하였다.

각 단계의 작용압력으로 수행한 실험에 사용되었던 전체 시료 굴 중량은 6 kg이었는데, 4가지(150, 175, 200 및 250 MPa) 박신실험 모두 굴 껍질 중량이 4.01, 3.91, 4.00 및 4.02 kg으로 평균 3.99 kg이었고, 알굴의 육질 중량은 1.23, 1.31, 1.24 및 1.21 kg으로서 평균 1.25 kg이 었으며, 굴 껍질 내부의 뽀얀 진액 중량은 0.66∼0.67 kg으로 거의 비슷하였다. 즉 굴의 부가가치를 가늠하기 위하여 굴 전체의 중량에서 알굴 육질의 중량이 차지하 는 알굴 비만도는 20.8%에 해당하였다.

박신 가압력과 박신 패류들의 개체 수

Fig. 5에는 압력용기 내에 150 MPa로 가압하여 박신 처리한 굴을 확인한 결과, 껍질이 분리되고 내부(관자) 가 잘 분리된 type A의 총 개체수는 22개이며, 양쪽 껍질 과 내부 관자와 껍질이 분리되지 않은 type B는 78개로 상업성이 있는 굴 박신율은 22%였다. 25 MPa의 압력을 증가시켜 175 MPa로 박신 처리한 결과, t ype A 5 8개와 type B의 42 개체가 존재하여 150 MPa의 경우와 비교하 여 type A와 Type B는 36개 증가 또는 감소하였다. 이 결과는 25 MPa 박신압력 증가로 완전 박신이 이루어진 type A가 163% 증가하여, 박신압력 1 MPa당 1.44개의 type A의 알굴을 더 많이 생산할 수 있다는 것을 의미한 다. 압력용기 내에 200 MPa로 박신한 굴을 확인한 결과, type A의 개체는 86개이고, type B가 14개로서 박신 상 품성이 있는 굴이 86%를 차지하였다.

전 단계의 175 MPa에 비교하여 14.3%의 박신압력을 증가시켰을 때, type A와 type B는 28개가 증가 또는 감소하였다. 이것은 박신압력 175 MPa에서 200 MPa구 간에서는 1 MPa씩 증가할 때 마다 1.12개의 type A 알굴 이 더 생산할 수 있다는 것을 의미한다. 마지막 단계로서 굴 박신 실험에서 가장 높은 압력인 250 MPa를 부과하 여 박신한 결과, 전체 시료 중 96%의 type A 굴과 4%의 type B를 얻었다. 이것은 박신압력이 200 MPa일 때와 비교하여 type A의 굴이 10% 증가한 것인데, 50 MPa의 박신압력을 증가시켰을 때 1 MPa당 0.2개 type A굴을 생산하였다. 그러므로 150 MPa에서 175 MPa로 증가시 켰을 때는 type A의 굴이 1.44개/MPa 증가하였고 200 MPa까지 구간에서는 1.12개/MPa, 250 MPa까지 구간에 서는 0.2개/MPa가 증가하여 단위 압력당 type A굴 생산 율이 변화한다는 것을 알 수 있었다. 아울러 30개의 다 른 시료들의 박신압력은 Fig. 6에서 알 수 있듯이 전복의 박신압력은 150 MPa, 바지락과 가리비는 180 MPa이며, 홍합이 비교적 박신압력이 높아 200 MPa이나 껍질이 깨지는 경우가 많았다. 굴의 박신압력에 비교하면 전복 은 60%, 바지락과 가리비는 72%, 그리고 홍합이 80% 정도를 나타내므로 굴의 박신수요가 많은 겨울철 이외 에 봄과 가을에는 바지락, 가리비 및 전복을 여름에는 홍합을 박신함으로서, 박신기계 가동효율성을 제고시킬 수도 있을 것이다.

이 결과를 기초로 보다 세밀하게 굴, 바지락, 홍합, 가리비 및 전복 등의 대하여 박신압력을 패류 채취시기 와 양식 해역에 따른 최적의 박신압력을 찾기 위한 실험 과 후속연구가 이어지면 국내 패류 박신산업에 도움이 되는 결과를 도출할 수 있을 것으로 사료된다.

박신 알굴의 관능평가

여수와 통영 굴 양식장에서 채취하여 조새 등의 손도 구를 이용하여 수작업으로 박신한 알굴과, 작용압력 200 MPa을 가하여 탈각한 여수와 통영의 type A굴을 대상으로 관능평가를 Fig. 7과 같이 하였다. 여기서는 7단계 평점법을 사용하여 평가한 평균 평점결과를 나타 낸 것으로, 모든 시료에서 공통적으로 짠맛에 낮은 값을 나타내는 것을 알 수 있었다. ⒜와 같이 수작업으로 박 신한 시료는 색깔, 형태, 후각, 비린맛, 질감, 선호도에서 는 5.0점 이상을 나타냈고, 짠맛에서만 4.7점을 기록하 였다. ⒝는 여수에서 채취한 박신기계 굴의 결과이고, ⒞는 통영에서 채취한 박신기계 굴의 결과이다. 박신한 알굴의 외관(색깔, 형태), 후각(냄새), 미각(짠맛, 비린 맛), 질감, 선호도를 구별하여 시료간의 유의성을 검증 한 결과, 수작업과 기계로 박신한 알굴의 관능평가 사이 에 유의한 차이(P>0.05)는 보이지 않았다.

결 론

밀폐된 고압용기에 초 고압압력(150∼250 MPa)을 가 하여 2매 패류나 굴 등의 껍질을 자동으로 개방 또는 탈각시키는 굴 박신기계를 개발하는 과정에서, 남해안 에서 생산되는 굴의 박신을 위한 정량적인 작용압력을 규명하고 박신된 알굴의 관능평가를 수행하여 굴이나 다른 2매 패류의 박신기계 활용가능성을 확인할 수 있었 다(Kim et al., 2010, Min et al., 2018, Kim et al., 2019, Hwang et al., 2020).

압력용기 내의 초 고압 150 MPa로 가압하여 박신한 결과, type A는 개체수 22개이며, type B는 78개였다. 175 MPa의 경우 type A는 58개, type B는 42개로서, 150 MPa과 비교하면 type A와 type B는 36개가 증가 또는 감소하였다. 이 결과는 25 MPa의 박신압력 증가로 type A가 163% 증가하여, 박신압력 1 MPa당 1.44개의 type A의 알굴을 생산할 수 있다. 압력용기 내에 200 MPa의 경우에서는 type A 개체수는 86개이고, type B 가 14개로서 175 MPa에 비교하여 14.3%의 박신압력 을 증가시켰을 때, type A와 type B는 28개가 증가 또는 감소하여 박신압력 1 MPa 당 1.12개의 type A의 알굴을 더 생산할 수 있다. 250 MPa의 경우에서는, 전체 시료 중 96%의 type A 굴과 4%의 type B을 얻어 박신압력이 200 MPa일 때와 비교하여 type A 굴이 10% 증가한 것인데 1 MPa당 0.2개의 type A굴을 더 많이 생산할 수 있었다.

다른 퍠류인 전복이 박신되는 압력은 150 MPa이며, 바지락과 가리비는 180 MPa, 홍합은 200 MPa이므로 굴 박신압력에 비교하면 전복 60%, 바지락과 가리비 72% 그리고 홍합이 80% 정도이므로 박신기계 가동효 율성을 제고시키기 위해 계절별로 봄과 가을은 바지락, 가리비 및 전복을, 여름은 홍합을 수요가 많은 겨울철은 굴을 박신하는 것이 타당하다. 여수와 통영 굴을 수작업 으로 박신한 알굴과, 작용압력 200 MPa을 가하여 탈각 한 여수와 통영 type A굴을 대상으로 관능평가를 실시 한 결과, 통계적으로 유의한 차이는 없었다. 차후에 보다 세밀한 박신압력 구간으로 구별하여 굴 성장기간, 채취 시기와 양식장소 등에 따른 최적의 박신압력을 찾기 위 한 실험이 이어지면 굴 양식 박신산업에 도움이 되는 결과를 도출할 수 있을 것으로 사료된다.