Development of kinetic models for soybean (Glycine Max) and soybean powders in the grinding and storage : 대두와 대두 분말의 분쇄, 저장 공정에서의 kinetic model의 개발

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Grinding kinetics of soybeans at different moisture content (6%, 8% and 12%) were investigated. The hardness of soybean particles increased and showed brittle characters as the moisture content decreased. Three theoretical models for grinding, such as the Rittinger, Kick, and Bond model, were applied to characterize the grinding process of soybeans. The lower moisture content showed less grinding constants including Bond’s work index. Sigmoid model was successfully applied to describe the changes in particle size of soybeans at different moisture contents during grinding (R2 > 0.96). The TBARS (thiobarbituric acid reactive substances) at different size of soybean flours were measured at 25 °C and 50 °C for 20 days and the yield of oil composition at different size of soybean flours were measured. As the particle sizes decreased, the TBARS values increased during storage, while the oil yield from soybean flours increased. Effects of particle size and heating time during TBA test on the TBARS of soybean (Glycine Max) powder were studied. Effects of processing variables involved in the pulverization of soybean, such as the temperature of soybean powder, the oxygen level in the vessel, and the pulverization time, were investigated. The temperature of the soybean powder and the oxygen level had no significant influence on the TBARS (p < 0.05). The pulverization time and the heating time during TBA test significantly affected the TBARS. Change of TBARS during heating was well described by the fractional conversion first order kinetics model. A diffusion model was introduced to quantify the effect of particle size on TBARS. The major finding of this study was that the TBA test to estimate the level of the lipid oxidation directly from powders should consider the heating time and the mean particle sizes of the sample.

국문 초록 (Abstract)

대두의 수분함량에 따른 분쇄 kinetic 은 수분함량을 6, 8, 12%로 조절 하여 특성을 비교하였다. 대두의 수분함량이 감소할수록 경도가 증가하였고 대두 낟알이 더 깨지기 쉬운 특성을 나타낼 수 있음을 확인하였다. 3가지 분쇄 이론 (Rittinger, Kick, Bond’s model)의 모델은 대두의 분쇄 공정의 특징을 설명하는데 적용되었다. 수분함량이 적을수록 각 모델의 상수들은 감소하는 결과를 나타내었다. 이와 같은 결과로 대두의 수분함량이 증가할수록 분쇄 시 더 많은 분쇄 에너지를 요구함을 확인하였다. Sigmoid 모델로 해석한 분쇄 kinetic modeling은 대두의 수분함량에 따른 분쇄물의 양을 예측하는데 적절하게 사용되었다. 수분함량이 적을수록 동일한 분쇄 시간 동안 분쇄하였을 때 더 많은 분쇄물을 얻을 수 있음을 확인하였다. 입자 크기가 산패나 추출 공정에 주는 영향을 확인하기 위하여 다른 3가지 대두 분말을 25 ℃, 50 ℃ 에서 20일간 저장하면서 산패도 변화를 TBARS로 측정하였고 유지를 추출하여 수율을 확인하였다. 입자크기가 감소할수록 저장기간중의 TBARS는 증가하였고 반면에 대두 분말로부터 추출한 유지의 수율은 증가하였다. 대두 분말에 대한 Thiobarbituric acid (TBA) test 에서 입자크기와 가온 시간의 영향에 대한 연구를 수행하였다. 분쇄하는 동안 분쇄기 내부의 온도 변화와 산소 농도의 변화, 분쇄 시간에 대한 효과 또한 확인하였다. 분쇄기 내부의 온도와 산소농도의 변화는 대두 분말의 산패도 지표인 TBARS에 유의미한 영향을 나타내지 않았다. 분쇄 시간과 TBA test를 수행하는 동안의 가온 시간은 TBARS에 유의미한 영향을 주었다. 가온 시간에 따른 TBARS의 변화는 fractional conversion 1차 kinetic 모델로 적절하게 설명되었다. 확산 모델은 대두 분말의 입자크기가 TBARS에 대해 나타내는 효과를 양적으로 나타내는데 적절하였다. TBA test를 수행할 때 입자크기와 가온 시간을 고려한 직접적인 산패도 측정방법으로 적절할 것으로 생각된다. Kinetic modeling은 화학반응뿐만 아니라 분쇄와 같은 단위 공정에서도 대두의 특성에 따른 영향을 설명하기에 적절한 툴로서 유용하게 사용될 수 있을 것이다.

목차 (Table of Contents)

• I. Introduction 1
• II. Literature review 5
• 1. Soybean 5
• 2. Grinding process 8
• 3. Theoretical background of grinding 13
• 1) Particle size and distribution 13
• 2) Grinding energy 25
• 4. The influence of condition on the grinding process 31
• 1) Effect of moisture content on the grinding process 31
• 2) Effect of moisture content on the powder flowability 35
• 5. Application of kinetic modeling in food 41
• III. Materials and methods 47
• 1. Samples 47
• 2. Hardness measurement 48
• 3. Grinding studies 49
• 1) Particle size 49
• 2) Grinding energy 50
• 4. Kinetic model for the grinding time 52
• 5. Measurement of oil content 54
• 6. Lipid oxidation of soybean flour 55
• 7. TBA test 56
• 8. Powder properties for TBA test 57
• 1) Particle size 57
• 2) Surface area 58
• 9. Kinetic model for TBA test 59
• 1) Fractional conversion first order kinetic model 59
• 2) Diffusion model for soybean powders on TBA test 61
• 10. The mean value of kapp 62
• 11. Statistical analysis and modeling 63
• IV. Results and discussion 64
• 1. Properties of soybean by moisture content 64
• 2. Grinding kinetics 71
• 3. Effect of particle size of soybean flour on oil yield and the lipid oxidation 77
• 4. Effect of processing conditions in pulverization 81
• 5. Effect of the reaction (heating) time 85
• 6. Effect of the particle size and the heating time 89
• 7. Diffusion model from the fractional conversion first order kinetics 95
• V. Conclusions 101