식품 제조업체를 위한 유통기한 완전 가이드

제품별 정확한 유통기한을 파악하지 못하면, 아직 사용 가능한 유통기한이 지난 제품을 버리게 될 수도 있고, 실제로는 변질되었지만 유통기한이 지나지 않은 제품을 판매하게 될 수도 있습니다. 제품에 별 도움이 되지 않는 포장에 과도한 비용을 지출하거나, 더 나은 포장을 통해 얻을 수 있는 상당한 유통기한을 포기하게 될 수도 있습니다. 요점은, 어둠 속에서 사업을 운영하고 있기 때문에 확실한 사실을 알 수 없다는 것입니다.

그렇다면 왜 사람들은 유통기한 테스트를 더 자주 하지 않는 걸까요?

제품에 아무런 도움이 되지 않는 과도한 포장 비용을 지출하고 있을 수도 있습니다.

철저한 유통기한 테스트

일반적으로 이는 진정한 의미의 본격적인 유통기한 테스트가 매우 어려운 작업이기 때문입니다. 이 테스트에는 수분, 온도, 그리고 제품의 결함 유형 간의 복잡한 관계가 작용하기 때문입니다.

곰팡이, 미생물 증식, 산패, 식감이나 맛의 변화, 비타민 분해 등 수많은 요인이 제품의 안전성을 해치거나 맛을 떨어뜨릴 수 있습니다. 대부분의 기업은 사내에서 본격적인 유통기한 테스트를 수행할 전문 지식이 부족하며, 외부 실험실에 의뢰하는 것은 비용이 많이 듭니다.

이러한 유통기한 테스트 방식에 대한 과학적으로 타당한 대안이 있습니다. 바로 수분 활성도를 활용한 유통기한 예측법입니다. 이 방법은 소규모 스타트업이라도 충분히 수행할 수 있는 실험을 통해 제품의 유통기한을 예측하는 데 필요한 모든 데이터를 제공합니다.

유통기한과 수분 활성도

수분 활성도는 유통기한을 어떻게 단순화하나요?

1. 이는 불필요한 요소를 제거해 줍니다. 제품의 수분 활성을 파악하면, 해당 제품에 어떤 결함 유형이 문제가 되는지 알 수 있습니다.
2. 이를 통해 예측 과정이 간소화됩니다. 수분 활성도 측정기와 다른 한 가지 측정 방법(어떤 방법을 선택할지는 구체적인 결함 유형에 따라 달라집니다)을 함께 사용하면, 유통 기한을 정확하게 예측할 수 있는 간단한 사내 실험을 수행할 수 있습니다.
3. 이는 생산 공정을 표준화합니다. 물 활성도 기준을 설정함으로써 매 배치마다 최적의 유통기한을 달성할 수 있습니다.

유통기한 데이터는 제품 결함을 방지하고, 유통기한을 예측 및 연장하며, 가장 비용 효율적인 포장재를 선택하는 등 다양한 측면에서 유용한 통찰력을 제공할 수 있습니다.

AQUALAB 3. 제품의 수분 활성을 정확하게 측정하면 유통기한을 더 정밀하게 예측하는 데 도움이 됩니다.

수분 활성도는 유통기한을 어떻게 예측하나요?

수분 활성도는 식품의 유통기한을 예측하고 관리하는 중요한 지표입니다. 유통기한이란 제품이 안전하게 섭취될 수 있고, 원하는 관능적·화학적·물리적·미생물학적 특성을 유지하며, 영양 성분 표시 기준을 충족하는 기간을 말합니다. 유통기한에는 수분 활성도, pH, 산화환원 전위, 산소, 방부제 사용 여부, 가공 및 저장 조건 등 다양한 요인이 영향을 미칩니다. 식품과 의약품의 수분 활성도를 측정하고 관리함으로써 다음과 같은 것이 가능합니다:

• 어떤 미생물이 부패 및 감염의 잠재적 원인이 될지 예측하십시오
• 식품의 화학적 안정성을 유지한다
• 비효소적 갈변 반응과 자발적인 자가촉매성 지질 산화 반응을 최소화한다
• 효소의 활성을 조절하다
• 음식 속의 영양소와 비타민을 오래 유지하세요
• 식품의 물리적 특성을 최적화하다

유통기한을 단축시키는 요인

유통기한에 영향을 미치는 주요 요인은 미생물학적 특성, 화학적 변화, 물리적 변질 등 세 가지입니다. 이 모든 요인은 수분 활도와 밀접한 관련이 있습니다.

미생물 증식

곰팡이와 미생물 증식은 유통기한에 있어 가장 위험한 요인입니다. 수분 활성을 조절하면 미생물 증식을 억제하거나 방지할 수 있으며, 유통기한을 연장하고 일부 제품을 냉장 보관 없이도 안전하게 보관할 수 있게 해줍니다. 명확하게 정의된 표를 활용하면 제품에 대한 수분 활성 기준치를 설정하고 이를 유통기한 시험에 적용할 수 있습니다.

표 1. 여러 일반적인 미생물의 수분 활성도 증식 한계

그렇다면 이 지식을 제품 개발, 사양 설정, 생산 및 포장 과정에서 어떻게 효과적으로 활용할 수 있을까요? 당사의 최신 웨비나를 시청하여 다음 내용을 확인해 보세요:

• 수분 활도가 미생물 증식을 어떻게 예측하는가
• 사양 설정 시 해당 산업과 관련된 특정 유기물_허용 한도_(AW) 를 활용하는 방법
• 필요한 수분 활성을 달성하기 위해 다양한 제형 기술(보습제, 필름, 코팅 등 포함)을 활용하는 방법
• 특정 과제를 해결하기 위해 허들 기술을 고려해야 하는 이유

화학적 분해

수분 활성도는 물이 용매 역할을 하거나, 그 자체가 반응물이 되거나, 점도를 통해 반응물의 이동성을 변화시킬 수 있기 때문에, 품질 저하를 유발하는 화학 반응 속도에 영향을 미칩니다. 예를 들어, 비효소성 갈변 반응은 수분 활성도가 증가함에 따라 증가하여 0.6~0._{7 aw에서} 최대치에 도달하며, 지질 산화는 약 0.2~0.3_aw에서 최소화된다. 수분 흡착 등온선 분석에 따르면, 최적의 화학적 안정성은 일반적으로 단층 수분 함량 근처에서 나타난다.

그림 1. 수분 활성을 통해 제품의 안정성과 반응을 예측할 수 있다.

신체적 쇠퇴

습도가 높은 환경이나 (드물게는) 낮은 환경은 제품의 수분 활성도에 영향을 미쳐, 제품의 질감이나 물리적 특성에 바람직하지 않은 변화를 일으키고 유통기한을 단축시킬 수 있습니다. 이러한 문제로는 건조 제품의 바삭함 상실, 분말의 뭉침 및 덩어리짐, 수분이 많은 제품의 질기거나 쫄깃한 식감 등이 있습니다. 제품에 적합한 적정 수분 활성도를 찾는 데는 어느 정도 연구가 필요할 수 있지만, 수분 활성도를 활용하면 이 과정을 훨씬 수월하게 진행할 수 있습니다.

제품의 최적 수분 활도를 파악하면 뭉침이나 덩어리짐과 같은 원치 않는 물리적 특성 변화를 방지할 수 있습니다.

포장, 배송 및 보관

운송 및 보관 중 수분 활성도의 변화는 유통기한에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 수분 활성도는 온도의 함수이며, 운송 및 보관 온도는 포장 내부의 수분 활성도에 영향을 줄 수 있습니다. 간소화된 유통기한 테스트를 통해 최적의 포장 방식을 결정하고, 운송 및 보관 조건이 제품의 유통기한에 미치는 영향을 평가할 수 있습니다.

간편한 테스트 시작하기

유통기한을 최대한 연장하는 방법에 대한 정보는 식품과학 문헌에 나와 있지만, 구체적인 단계별 지침을 찾기는 어려울 수 있습니다. 특정 제품의 유통기한을 테스트하기 위한 계획을 수립할 때 유의해야 할 몇 가지 사항이 있습니다.

모든 것을 분석하려고 하지 마세요

유통기한에는 여러 가지 요인이 작용하지만, 그중에서도 수분 활도와 온도가 가장 큰 영향을 미칩니다. 우선 이 두 가지 요인을 조절하는 것부터 시작하세요.

수분 활성도는 어떻게 측정하나요?

식품 제조업체들은 실험실과 생산 라인에서 수분 활성도 측정기를 사용하여 수분 활성도를 측정합니다. ±0.003_{aw의 정확도로} 5분 이내(평균 측정 시간: 2.5분)에 수분 활성도(_aw)를 측정할 수 있습니다. AQUALAB 장비는 시중에서 구할 수 있는 수분 활성도 측정기 중 가장 빠르고 정밀한 제품입니다. 작동 원리를 확인하려면 동영상을 시청하세요.

가장 가능성이 높은 고장 모드를 반드시 파악하십시오

제품의 유통기한은 대개 한두 가지 고장 원인에 의해 영향을 받습니다. 예를 들어, 감자칩의 유통기한은 지질 산화와 관련된 이취로 인해 단축되는 경우가 많습니다. 간소화된 유통기한 테스트는 다양한 수분 활도와 온도 조건에서 지질 산화 과정을 추적하는 것부터 시작해야 합니다. 지질 산화의 영향을 고려한 후에는 식감 등 유통기한을 제한할 수 있는 다른 요인들을 검토할 수 있습니다.

유통기한을 결정하는 기본 단계

수분 활도를 이용한 유통기한 시험의 기본 단계.

이 단계들을 상세한 흐름도로 정리하면 다음과 같습니다(확대된 이미지는 여기에서 확인하세요):

그림 2. 유통기한 시험 흐름도

적합한 패키지를 선택하세요

제품에 적합한 수분 활성도의 범위를 결정했다면, 이제 포장재를 고려해야 할 때입니다. 시간이 지남에 따라 제품의 수분 활성도가 어떻게 변할지를 결정하는 가장 중요한 요소는 포장재의 투과성, 즉 다양한 조건에서 수분 이동을 얼마나 잘 차단할 수 있는지에 달려 있습니다(Wong 외, 1999 참조). 원하는 유통기한에 맞는 적절한 포장을 선정하려면 ‘포장재 투과성’과 ‘임계 수분 활성도’라는 두 가지 간단한 지표를 활용해야 합니다.

나만의 WVTR 찾기

포장을 통해 물이 이동하는 원동력은 포장 내부와 외부의 수분 활성도 차이입니다. 제조업체들은 포장을 통해 이러한 물의 이동 속도를 조절합니다. 수분은 포장재를 통해 ‘수증기 투과율(WVTR)’로 표시되는 속도로 이동합니다. 수증기 투과율(WVTR)을 수학적 모델에 적용하여 원하는 유통기한에 맞는 최적의 포장을 결정할 수 있습니다.

중요 수분 활성도 범위를 파악하십시오

유통기한 시험의 주요 목표 중 하나는 제품에 가장 적합한 수분 활성도 범위를 파악하는 것입니다. 이는 특정 수분 활성도 한계치를 초과할 경우 즉시 안전성이나 식감 문제가 발생하여 유통기한이 단축되는 ‘임계 수분 활성도’일 수도 있습니다. 또는 수익을 극대화하고 잠재적인 맛, 식감, 안전성 문제를 방지하는 ‘수분 최적점’일 수도 있습니다.

제품의 고장 원인이 주로 물리적 변화에 있는 경우, 동적 이슬점 등온선(DDI) 곡선을 통해 임계 수분 활성을 파악할 수 있습니다. DDI 곡선은 시료가 수분을 흡착 및 탈착할 때 나타나는 흡착 특성의 변화를 측정합니다(그림 3 참조).

그림 3. 분무 건조 분유의 조직 변화와 등온선의 관계.

DDI 곡선을 활용하면 임계 수활도를 파악하는 데 많은 시간을 절약할 수 있습니다. AQUALAB Lab Services에 제품 샘플을 보내거나 VAPOR SORPTION ANALYZER를 사용하여 직접 DDI 곡선을 작성함으로써 이를 얻을 수 있습니다.

미생물 부패가 유통기한을 제한하는 요인이라면, 연구를 통해 확립된 기준치를 활용하여 결정적인 수분 활성도 또는 수분 활성도 범위를 파악할 수 있습니다. 수분 활성도와 미생물 증식 간의 관계를 보여주는 이 표에는 주요 미생물들이 다수 나열되어 있습니다.

지질 산화, 마이야르 반응, 비타민 손실과 같은 화학적 요인이 제품의 품질 저하를 초래하는 주된 원인이라면, 좀 더 세심한 주의가 필요합니다. 수분 활성도는 이러한 화학적 반응의 상당수와 상관관계가 있지만, 특정 제품에 대해 그 상관관계가 어떻게 나타나는지는 직접 실험을 통해 확인해야 합니다.

유통기한 관리 성공을 위한 패키지

포장의 투과성과 임계 수분 활성도가 파악되면, 해당 값을 활용하여 예측 모델링을 수행할 수 있습니다.

예측 모델링은 대개 일련의 복잡한 방정식을 통해 수행되지만(자세한 내용은 ‘추가 자료’ 섹션 참조), 더 간단한 방법도 있습니다. ‘MOISTURE ANALYSIS TOOLKIT’이라는 소프트웨어 프로그램이 이러한 계산을 대신 수행해 줍니다. 이 툴킷은 기본 입력값을 바탕으로 유통기한을 산정하고, 최적의 포장 사양을 설정하며, 분석 매개변수를 변경하여 다양한 포장 옵션을 검토할 수도 있게 해줍니다.

실패의 양상 등에 대한 심층 분석

더 자세한 정보가 필요하신가요? 아래에는 앞서 소개한 유통기한 간략 흐름도(그림 2)의 각 단계에 대한 포괄적이고 상세한 안내가 나와 있습니다. 탭을 열어 각 주제에 대해 알아보세요.

유통기한에 대한 자세한 정보

이번 30분짜리 웨비나에서 식품 과학자 메리 갤러웨이와 재커리 카트라이트가 유통기한 관련 궁금증을 해결하는 방법을 소개합니다. 다음 내용을 배워보세요:

• 예상보다 유통기한이 빨리 끝나는 원인을 파악하기 위해 문제와 불만 사항을 조사하십시오
• 레시피 변경이 유통기한에 어떤 영향을 미칠지 예측하세요
• 다양한 재료 옵션의 효과를 비교해 보세요
• 특정 포장 방식이 제품의 유통기한을 달성하거나 연장하는 데 도움이 되는지 평가하십시오

AQUALAB 4TE가 다른 수분 활성도 측정기보다 뛰어난 이유

AQUALAB 4TE는 시료를 밀폐 용기에 넣고, 헤드스페이스 내 공기의 상대 습도가 시료의 수분 활성도와 평형을 이루도록 합니다. 평형 상태에 도달하면 두 값은 같아지며, 헤드스페이스의 상대 습도를 측정함으로써 시료의 수분 활성도를 알 수 있습니다. 이것이 수분 활성도를 측정하는 방법에 대한 가장 신뢰할 수 있는 해답입니다.

보조 측정 방법: 습도계, 정전용량 센서

초기 수분 활성도 측정기와 마찬가지로, 대부분의 최신 기기들은 시료 상부의 헤드스페이스 내 습도를 측정하기 위해 전기적 정전용량 또는 저항식 습도 센서를 사용합니다.

이 측정기들은 2차 측정 방식을 사용합니다. 즉, 전기 신호를 상대 습도와 연관 짓는 방식으로, 알려진 염분 표준물을 사용하여 교정해야 합니다.

이러한 센서를 사용할 경우, 시료와 센서의 온도가 동일할 때에만 ERH 값이 시료의 수분 활성도와 일치합니다. 정확한 측정을 위해서는 온도를 적절히 제어하거나 측정해야 합니다. 정전용량 센서는 구조가 간단하여 비교적 저렴한 수분 활성도 측정기에 자주 사용됩니다.

4TE 이슬점법은 주요 측정법이다

수분 활성도를 측정하는 방법에 대한 해답을 제시하는 가장 적합한 방법은 p/p0 비율을 사용하는 1차 측정법이다.

P0 (포화 증기압)은 시료의 온도에만 의존하므로(첨부된 그래프에서 볼 수 있듯이), 시료의 온도를 측정함으로써 P0를 구할 수 있습니다. P (시료 내 물의 증기압)는 시료 위의 밀폐된 헤드 스페이스에 있는 물의 증기압을 측정하여 구할 수 있습니다. 그 증기압을 측정하는 가장 정확한 방법이자, 기본 원리에 입각한 방법은 공기의 이슬점을 측정하는 것이다.

그림 15. 시료의 온도를 측정함으로써 포화 증기압을 구할 수 있다(포화 증기압은 온도에 따라 달라진다).

1차 측정법이란 직접 측정을 의미하며, 보정이 필요하지 않습니다.

이슬점(또는 냉각 거울 이슬점) 방식의 주요 장점은 속도와 정확성입니다. 냉각 거울 이슬점 센서는 기본적인 열역학 원리에 기반한 주요 측정 방식입니다. 냉각 거울 수분 활성도 측정기는 일반적으로 약 5분 만에 ±0._003aw의 높은 정확도로 측정합니다. 이 측정 방식은 온도 측정에 기반하므로 별도의 교정이 필요하지 않습니다. 사용자는 기기의 정상 작동을 확인하기 위해 표준 염용액을 측정해야 합니다. 일부 응용 분야의 경우, 이 방법의 빠른 측정 속도로 인해 제조업체는 제품의 수분 활성을 생산 라인에서 실시간으로 모니터링할 수 있습니다.

추가 자료

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Carter, B.P., Galloway, M.T., Campbell, G.S., 및 Carter, A.H. 2015. 저수분 쿠키의 바삭함을 나타내는 지표로서의 동적 이슬점 등온선으로부터 산출된 임계 수분 활성도. Journal of Food Measurement and Characterization 9(3):463-470.

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Del Nobile, M. A., Buonocore, G. G., Limbo, S., 및 Fava, P. “수분 민감성 필름에 포장된 곡물 기반 건조 식품의 유통기한 예측.” Journal of Food Science 68, 제4호 (2003): 1292-1300.

Labuza, T.P., 및 Hyman, C. R. “다중 영역 식품에서의 수분 이동 및 제어.” Trends in Food Science & Technology 9권 2호 (1998) 47-55쪽.

Wong, Ee Hua, Teo, Y. C., 및 Lim, T. B. “IC 패키징의 수분 확산 및 증기압 모델링.” 1998년 5월 25일~28일, 워싱턴주 시애틀에서 개최된 연례 전자 부품 및 기술 컨퍼런스(Annual Electronic Components and Technology Conference) 발표.

Yuan, X., Carter, B. P., 및 Schmidt, S. J. “자동 수증기 흡착 분석기를 이용한 폴리덱스트로스의 유리 상태에서 고무 상태로 전이되는 임계 상대 습도 결정.” Journal of Food Science 76, 제1호 (2011) 78-89.

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