식품 제조업체를 위한 수분 활성도(aw) 완전 가이드

왜 수분 활성도인가?

수분 함량만으로는 미생물 증식 변동을 충분히 설명할 수 없다는 사실이 밝혀지면서, 수분 활성도가 품질 및 안전성 평가 지표로서 유용하다는 점이 제시되었습니다. 수분 활성도(aw) 개념은 수십 년간 미생물학자와 식품 기술자들에게 중요한 역할을 해왔습니다. 이는 안전성과 품질을 평가하는 데 가장 널리 사용되는 기준입니다.

수분 활성도: 핵심은 에너지에 있다

수분 활성도란 무엇인가요?

물 한 잔과 마른 스펀지를 준비하세요. 스펀지의 한쪽 모서리를 물잔에 담그세요. 그러면 물이 잔에서 스펀지로 스며들 것입니다.

수분 활성도는 물이 스펀지 안으로 스며들게 하는 힘입니다. 이를 더 잘 이해하려면, 스펀지 속의 물과 유리잔 속의 물이 어떻게 다른지 생각해 보세요.

유리잔 속의 물은 자유롭게 흐르지만, 스펀지 속의 물은 결코 자유롭지 않습니다. 이 물은 수소 결합, 모세관력, 반데르발스-런던 힘에 의해 구속되어 있습니다. 이를 ‘매트릭스 효과’라고 합니다. 스펀지 속의 물은 유리잔 속의 물보다 에너지 상태가 낮습니다. 물은 스펀지 안으로 흘러 들어가지만, 다시 꺼내려면 스펀지를 꽉 쥐어 힘을 가해야 합니다.

스펀지 속 물은 유리잔 속 물보다 증기압이 낮고, 빙점이 낮으며, 비등점이 높습니다. 이 두 물은 우리가 측정하고 수치화할 수 있는 측면에서 차이가 있습니다.

물을 용질로 희석하면 물의 에너지를 낮출 수도 있습니다. 이를 삼투 효과라고 합니다. 물을 순수하고 자유로운 상태로 되돌리려면 일(work)이 필요하기 때문에, 이로 인해 수활성도 또한 감소합니다. 에너지의 총 변화량은 매트릭 효과와 삼투 효과의 합입니다.

수분 활성도는 식품의 품질과 안전성을 좌우합니다

수분 함량이 20%인 크래커와 30%인 치즈 필링을 혼합해 보세요. 크래커가 축축해질까요? 두 재료의 수분 활성도가 같다면 그렇지 않습니다. 향신료 배합에서 뭉침이나 굳어짐을 방지하고 싶으신가요? 각 성분의 수분 활성도를 맞추면 문제가 해결됩니다.

비타민의 분해는 수분 활성도에 따라 달라집니다. 지질 산화, 바삭함, 쫄깃함, 부드러움 등 품질과 관련된 여러 요인들도 마찬가지입니다. 수분 함량은 제품에 물이 얼마나 들어 있는지 알려줄 뿐입니다. 그 외의 품질 및 안전 관련 문제들은 예측할 수 없습니다.

안전성과 안정성 예측

수분 활성도는 미생물 증식, 화학적 및 생화학적 반응 속도, 물리적 특성에 대한 안전성과 안정성을 예측하는 지표입니다. 그림 1은 수분 활성도에 따른 미생물 증식 한계 및 분해 반응 속도를 기준으로 한 안정성을 보여줍니다.

수분 활성을 측정하고 조절함으로써 다음과 같은 것이 가능합니다:

• 어떤 미생물이 부패 및 감염의 잠재적 원인이 될지 예측하십시오
• 제품의 화학적 안정성을 유지한다
• 비효소적 갈변 반응과 자발적인 자가촉매성 지질 산화 반응을 최소화한다
• 효소와 비타민의 활성을 오래 유지합니다
• 수분 이동, 식감 및 유통기한 측면에서 제품의 물리적 특성을 최적화합니다

수분 활성도는 어떻게 측정하나요?

시료를 밀폐 용기에 넣으면, 용기 상부 공간의 공기 상대 습도는 시료의 수분 활성도와 평형을 이룹니다. 평형 상태에서는 두 값이 같아지므로, 용기 상부 공간의 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.

이슬점은 주요 측정 방법 중 하나입니다

수분 활성도를 측정하는 방법에 대한 해답을 제시하는 가장 우수한 방법은 p/p0의 비율을 사용하는 1차 측정법입니다.P0 (포화 증기압)은 시료의 온도에만 의존하므로(첨부된 그래프에서 볼 수 있듯이), 시료의 온도를 측정함으로써 P0를 구할 수 있습니다. P (시료 내 수증기 압력)는 시료 상단의 밀폐된 헤드 스페이스 내 수증기 압력을 측정함으로써 구할 수 있습니다. 이 수증기 압력을 측정하는 가장 정확한 방법이자 제1원리로 거슬러 올라가는 방법은 공기의 이슬점을 측정하는 것입니다.

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.

AQUALAB 4TE는 문헌상 시중에서 가장 빠르고 정확한 수분 활성도 측정법으로 입증된 냉각 거울 이슬점법을 사용합니다. 작동 원리를 확인하려면 동영상을 시청해 보세요.

정부 규정은 수분 활성도의 사용을 권장하고 있습니다

미국 식품의약국(FDA)은 수분 활성을 안전 규정에 포함시켰습니다. 이 규정들은 제품이 위생적인 환경에서 생산되고, 순수하며, 건전하고 안전하도록 보장하기 위한 구체적인 요건과 관행을 상세히 명시하고 있습니다. 수분 활성 사용을 권장하는 미국 정부의 안전 규정에 대해서는 아래 표를 참고하시기 바랍니다.

수분 활성도는 유통기한을 명확히 해줍니다

제품별 정확한 유통기한을 파악하지 못하면, 아직 사용 가능한 유통기한이 지난 제품을 버리게 될 수도 있습니다. 혹은 유통기한은 남아 있지만 실제로는 변질된 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 않을까요?

일반적으로 이는 본격적인 유통기한 테스트가 매우 까다로운 작업이기 때문입니다. 이 과정에는 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.

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

미생물에는 성장을 멈춰버리는 한계 수분 활성도가 존재합니다. 미생물 성장에 필요한 ‘이용 가능한’ 물의 하한선은 수분 함량이 아닌 수분 활성도에 의해 결정됩니다. 박테리아, 효모, 곰팡이는 성장을 유지하기 위해 일정량의 ‘이용 가능한’ 물이 필요하므로, 제품의 수분 활성도를 임계치 이하로 설계하는 것이 미생물 증식을 억제하는 효과적인 방법입니다.

제품에 물이 높은 농도로 포함되어 있을지라도, 그 에너지 수준이 충분히 낮다면 미생물은 성장을 유지하기 위해 물을 흡수할 수 없습니다. 이러한 ‘사막과 같은’ 환경은 미생물과 주변 환경 사이에 삼투 불균형을 초래합니다. 결과적으로 미생물은 성장할 수 없습니다.

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.

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.

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.

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.

등온선은 수분 활성도의 최적 범위를 정확히 파악해 줍니다

시간의 흐름에 따른 제품 변화를 예측하다

식품 제조업체는 자사 제품이 곰팡이가 피거나, 축축해지거나, 맛이 떨어지거나, 산패되거나, 뭉치거나, 덩어리 지거나, 결정화되어 소비자가 더 이상 섭취할 수 없게 되는 데까지 얼마나 걸리는지 파악해야 합니다. 수분 흡착 등온선은 제품의 유통기한을 예측하고 연장하는 데 매우 유용한 도구입니다. 이를 통해 다음과 같은 작업을 수행할 수 있습니다:

• 결집, 뭉침, 식감 저하와 같은 변화가 발생하는 임계 수분 활성도를 확인하십시오
• 성분 및 제형 변경에 따라 제품이 어떻게 반응할지 예측하십시오
• 유통기한을 정확하게 예측하다
• 혼합 모델 생성
• 포장 계산을 수행합니다
• 단일층 값(제품이 가장 안정적인 상태)을 구하십시오

등온선: 제형 개발의 성배

수분 흡착 등온선은 일정 온도로 유지된 제품 내에서 수분이 흡착 및 탈착됨에 따라 수분 활성도(_aw)가 어떻게 변화하는지를 보여주는 그래프입니다. 이러한 관계는 복잡하며 제품마다 고유합니다. 수분 함량이 증가함에 따라 수분 활성도는 거의 항상 증가하지만, 그 관계는 선형적이지 않습니다. 실제로 대부분의 식품에서 수분 흡착 등온선은 S자형(시그모이드형)을 띠는 반면, 결정질 물질이나 고지방 성분을 함유한 식품에서는 J자형을 띱니다.

수작업 방식은 비실용적이다

등온선을 작성하는 전통적인 방법은 시료를 수활도가 알려진 염 용액이 들어 있는 건조기에 넣고, 시료의 무게 변화가 멈출 때까지 기다리는 것입니다. 그런 다음 시료의 무게를 측정하여 수분 함량을 구합니다. 각 시료는 등온선 곡선상에서 하나의 데이터 점을 형성합니다.

이 과정이 매우 오랜 시간이 걸리기 때문에, 전통적으로 곡선은 GAB나 BET와 같은 곡선 적합 방정식을 사용하여 5~6개의 데이터 점을 바탕으로 작성되었습니다.

등온선을 더 빠르게 생성하는 방법

수분 흡착 등온선을 수작업으로 작성하는 것은 매우 힘든 작업이다. 이 방법에는 자동화가 필요했습니다. 최초로 사용되었으며 현재도 대부분의 수증기 흡착 분석기에서 여전히 사용되고 있는 방법은 DVS, 즉 동적 수증기 흡착법입니다. 시료는 습도가 제어된 공기 흐름에 노출되고, 마이크로 저울은 제품이 수분을 흡착하거나 탈착함에 따라 발생하는 미세한 무게 변화를 측정합니다. 평형 상태에 도달하면, 분석기는 미리 설정된 다음 습도 수준으로 동적으로 단계적으로 이동합니다. 시험 기간은 이틀에서 수 주일까지 걸립니다.

DVS법은 흡착 동역학, 즉 특정 습도 조건에 노출되었을 때 시료에 어떤 변화가 일어나는지, 그리고 물이 얼마나 빠르게 흡착되거나 탈착되는지를 조사하는 데 효과적입니다. 그러나 DVS법은 각 평형 단계마다 등온선 곡선상에서 단 하나의 데이터점만 생성하기 때문에, 고해상도의 등온선 곡선을 작성하는 데는 그다지 유용하지 않습니다.

DDI 등온선은 지금까지 볼 수 없었던 것을 보여준다

동적 이슬점 등온선(DDI) 방법은 이러한 문제를 해결하기 위해 고안되었습니다. 이 방법은 시료가 가습된 공기나 건조된 공기에 노출될 때 수분 활성도와 수분 함량을 5초 간격으로 측정하여, 흡착 및 탈착 곡선의 세부 사항을 보여주는 고해상도 등온선을 생성합니다. DDI 그래프에는 수백 개의 데이터 포인트가 포함되어 있으며, 결괴, 뭉침, 용해 및 조직 손실이 발생하는 임계점과 같이 이전에는 파악할 수 없었던 세부 정보를 보여줍니다.

등온선이 어떻게 만들어지는가

AQUALAB VSA는 제품에 대한 이해 방식을 혁신적으로 바꿔줄 빠르고 고해상도의 DDI 및 DVS 등온선 그래프를 자동으로 생성합니다. 이중 테스트 모드와 정교한 모델링 소프트웨어를 통해 데이터를 활용하여 우수한 제품을 제조, 모니터링, 보관 및 출하하는 데 필요한 솔루션을 도출할 수 있습니다.

등온선 데이터를 솔루션으로 전환

VSA에는 직관적이고 다양한 기능을 갖춘 모델링 소프트웨어가 포함되어 있습니다. ‘수분 분석 툴킷(Moisture Analysis Toolkit )’은 연구 검증을 거친 예측 모델을 활용해 데이터를 실질적인 해결책으로 전환하는 방법을 안내합니다. 사용하기 쉬운 프로그램 내에서 필요한 모든 모델을 한곳에서 찾아보실 수 있습니다.  유리 전이 온도에 영향을 미치는 결정적 습도 파악, 포장 성능 평가, 흡습성 측정, 히스테리시스 추적, 코팅 손상 예측, 고결/덩어리 형성 경향 분석 등 다양한 기능을 활용할 수 있습니다.

등온선은 임계 수분 활성도를 나타낸다

이중 포장을 하고 엄격한 보관 온도 지침을 마련했음에도 불구하고, 분유 제조업체는 여전히 덩어리짐 문제를 겪었다.

유리 전이가 문제가 될 때

우유를 분무 건조할 때, 급격한 증발로 인해 당분이 유리질 상태로 남게 됩니다. 유리질 유당은 결정질 유당과 완전히 다른 특성을 지닙니다. 이동성이 낮기 때문에, 분말이 유리질 상태에 있을 때는 입자들이 서로 뭉치거나 덩어리지지 않습니다. 결정질 구조는 더 낮은 에너지 상태이므로, 항상 일부 분자가 유리질 상태에서 결정질 상태로 전환되는 과정에 있습니다. 이러한 전환 속도가 임계점에 도달할 때 문제가 발생합니다.

수분 활성도는 전이 속도를 예측한다

_{수분 활성도(aw)가} 0.30일 경우, 모든 유당이 결정화되는 데 수년이 걸릴 수 있습니다._{수분 활성도가} 0.40일 경우, 한 달 정도 걸릴 수 있습니다. 수분 활성도가 0.43을 넘으면 몇 시간 내에 변화가 일어납니다. 일단 유당이 결정화되면 분유는 영구적으로 변질됩니다. 수분 보유량이 극적으로 달라지고, 물에 녹지 않으며, 맛도 이상해집니다. 본질적으로, 분유는 망가진 것입니다.

DDI 등온선은 유리전이점을 예측한다

분무 건조 우유와 같은 분말의 유리 전이점은 고해상도 DDI 등온선을 사용하여 측정할 수 있습니다. 기존의 등온선 분석법은 측정된 점들 사이의 구간을 모델에 의존하여 채워 넣는 방식입니다. 반면 DDI 등온선은 수백 개의 측정점을 수집하므로, 분무 건조 우유 분말의 유리 전이점과 같은 상전이 현상을 식별할 수 있습니다.

등온선의 2차 미분 그래프에서 나타나는 최대값을 통해, 상변화 임계값이 0._{43 aw임을} 확인할 수 있다.

생산 라인에서 더 정확한 기준치를 적용해 정기적으로 검사를 실시한 결과, 해당 제조사는 출하 승인률을 높일 수 있었다.

혼합 모델 생성

한 제과업체가 크림 필링 케이크의 레시피를 개발하고 있었습니다. 이 레시피의 구성 요소는 프로스팅(수분 함량 약 7%), 크림 필링(12%), 케이크 본체(15%)였습니다. 유통 기간 중 발생하는 수분 이동으로 인해 이전에는 케이크가 딱딱해지거나, 프로스팅이 쫄깃해지거나, 액화된 크림 필링이 케이크 속으로 스며드는 등의 식감 문제가 발생했었습니다.

구성 요소들 사이에서 수분이 어떻게 이동하는지 확인해 보세요

각 성분의 수분 흡착 등온선을 분석한 결과, 가장 건조한 성분인 프로스팅의 수분 활성도가 0.79로 가장 높은 것으로 나타났다. 크림과 케이크의 수분 활성도는 각각 0.66과 0.61로 비슷한 수준이었다.

최종 제품의 수분 활성도를 예측한다

등온선을 카이 플롯으로 변환한 결과, 최종 제품의 수분 활성도는 0.67로 예측되었으며, 이는 케이크에 있어 미생물학적 안전 기준에 부합하는 수치이다.

예상치 못한 불쾌한 상황을 피하세요

제과사는 수분 활성도가 평형 상태(0.67)에 도달했을 때 케이크를 성공적으로 구워 맛을 보았다.

포장 선택

1회용 분말 음료 믹스는 성장 중인 시장 부문입니다. 이 제품의 원자재 비용 중 포장비가 50% 이상을 차지합니다. 포장의 주된 목적은 제품의 목표 유통기한_동안 음료 믹스의_{수분 활성도(aw)를} 임계값 이하로 유지하는 것입니다.

포장 계산은 결정적 수분 활성도 값을 기준으로 시작됩니다. 동적 이슬점 등온선(DDI)을 통해 정확한 수치를 도출할 수 있기 때문에 이러한 유형의 포장 계산이 가능해집니다.

이 곡선은 특정 음료 배합의 유리전이점을 나타냅니다:

이 음료 믹스의 임계 수분 활성도, 즉 정확한 변곡점은 25°C에서 0.618입니다.

패키지 전도도 계산

간소화된 포장 계산법(『등온선 기초』에 수록되어 있으며 소프트웨어 도구로도 제공됨)을 사용하여, 이 음료 믹스에 대한 기존 포장재와 세 가지 대안 포장재 등 총 네 가지 유형의 포장재를 평가했습니다. 고습도 환경(25°C, 습도 75%)에서 실시한 평가 결과는 다음과 같습니다:

제형 변경 사항 파악하기

한 반려동물 사료 회사가 수분 활성도를 조절하여 방부제를 사용하지 않는 제품을 생산하기 위해 배합을 변경했습니다. 제품 출시 직후, 변질로 인한 반품이 발생하기 시작했습니다.

초기 평가 결과, 부패 예측은 이례적으로 낮은 온도인 15°C에서 실시된 수분 활성도 시험을 바탕으로 한 것으로 나타났다. 15°C, 25°C, 40°C에서 수행된 등온선 분석 결과, (반려동물 사료가 흔히 그렇듯이) 부적절한 조건에서 보관할 경우 부패가 발생할 가능성이 높은 것으로 나타났다.

등온선은 완벽한 예측 정보를 제공하여, 고객이 새로운 제형을 통해 문제를 해결할 수 있게 해주었습니다.

제품 결함 조사

13년 동안 아무런 문제 없이 지내온 피칸 재배자가 곰팡이 문제로 인해 작물을 반품당했다. 이 문제를 조사하기 위해 등온선이 작성되었다.

미생물 증식을 방지하기 위해서는 피칸의_{수분활도를} 0.60까지 낮춰야 합니다. 등온선에서 볼 수 있듯이,_수분활도 0._60은 피칸의 수분 함량 4.8%에 해당합니다. 또한 이 중요한 관리 구간에서 피칸의 등온선은 상당히 완만하게 나타나므로, 수분 함량의 미세한 변동만으로도 수분활도에 크고 잠재적으로 위험한 변화가 발생할 수 있습니다.

등온선이 사양이 너무 낮게 설정되었음을 보여줍니다

전체 등온선을 보면, 이 피칸 재배자의 가공 공정이 작물의 안전성과 품질을 보장하기에 충분하지 않았음을 알 수 있습니다. 이 재배자는 건조 손실을 통해 수분 함량을 측정했습니다. 출하 기준이 5%이고 측정 정확도가 ±0.5%였기 때문에, 건조된 작물의 실제 수분 함량은 4.5%에서 5.5% 사이였을 수 있습니다.

습도가 높은 환경에서 보관하거나 포장이 부적절했던 것 등이 피칸을 안전하지 않은 수분 상태에 노출시켜 부패를 초래했을 수 있습니다.

동적 이슬점 등온선(DDI)을 활용한 연구

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부록:

수분 활성도와 수분 함량

수분 활성도는 수분 함량보다 측정하기 더 복잡한 것으로 여겨지는 경우가 많습니다. 하지만 정확하고 재현성 있는 수분 함량 측정은 겉보기에 그리 간단하지 않습니다.

이론적으로 수분 함량 측정은 간단합니다. 제품 내 수분의 양을 파악한 뒤, 이를 제품 내 나머지 성분의 무게와 비교하기만 하면 되기 때문입니다. 하지만 실제로는 제품 내 정확한 수분 비율을 산출하는 것이 어렵고 복잡한 과정입니다. 그 이유는 다음과 같습니다.

보고 방식이 제각각이라 혼란을 야기한다

수분 함량은 습중량 기준 또는 건조중량 기준으로 표시됩니다. 습중량 기준의 경우, 물의 양을 시료의 총 중량(고형분과 수분의 합)으로 나눕니다. 건조중량 기준의 경우, 물의 양을 건조 중량(고형분만)으로 나눕니다. 안타깝게도 수분 함량은 어떤 방법을 사용했는지 명시하지 않고 백분율로만 보고되는 경우가 많습니다. 습중량 기준과 건조중량 기준 간에는 쉽게 환산할 수 있지만, 서로 다른 기준으로 보고된 수분 함량을 비교할 때는 혼란과 잠재적인 문제가 발생합니다. 또한, 건조중량 기준으로 보고된 수분 함량은 실제로 100%를 초과하는 백분율 값이 나올 수 있어 혼란을 가중시킵니다.

측정 방법이 다양하여 비교가 불가능하다

AOAC는 수분 함량을 측정하는 35가지의 다양한 방법을 제시하고 있습니다. 이러한 방법들은 직접 측정법과 간접 측정법으로 분류됩니다. 직접 측정법은 제품에서 수분을 제거한 후(건조, 증류, 추출 등을 통해) 계량이나 적정을 통해 수분의 양을 측정하는 방식입니다. 직접 측정법은 가장 신뢰할 수 있는 결과를 제공하지만, 대개 노동 집약적이고 시간이 많이 소요됩니다. 대표적인 예로는 공기 오븐 건조, 진공 오븐 건조, 동결 건조, 증류, 칼 피셔법, 열중량 분석, 화학적 건조, 가스 크로마토그래피 등이 있습니다.

간접 측정법은 시료에서 수분을 제거하지 않습니다. 대신 수분 함량의 변화에 따라 변하는 식품의 특정 특성을 측정하는 방식입니다. 이러한 방법들은 기준법 또는 직접 측정법에 대한 교정이 필요합니다. 간접 측정법의 정확도는 기준법의 정확도에 의해 제한을 받습니다. 간접 측정법은 일반적으로 속도가 빠르고 시료 전처리가 거의 필요하지 않지만, 직접 측정법보다 신뢰도가 낮습니다. 간접 측정법의 예로는 굴절률 측정법, 적외선(IR) 흡수법, 근적외선(NIR) 흡수법, 마이크로파 흡수법, 유전 용량법, 전도도법, 초음파 흡수법 등이 있습니다.

수분 함량을 측정하는 과정을 더욱 복잡하게 만드는 점은, 한 가지 측정 방법이 반드시 다른 방법과 동일한 결과를 보여주는 것은 아니며, 일반적으로 수분 함량 수치와 함께 측정 방법이 보고되지 않는다는 사실입니다.

직접 측정법조차도 일관된 결과를 보장하지는 못합니다. 시료를 가열해야 하는 모든 방법(예: 건조 감량법)은 유기 휘발성 물질의 손실이나 시료의 분해를 초래할 수 있습니다(특히 당분 함량이 높은 시료의 경우). 예를 들어, 시료에 유기 휘발성 물질이 포함되어 있거나 건조 과정에서 시료가 분해될 경우, 휘발성 물질의 손실이나 분해의 영향을 받지 않는 칼 피셔 분석은 건조 감량 분석과는 다른 결과를 보여줍니다.

변동성은 피하기 어렵다

이러한 문제에 대한 한 가지 해결책은 일관된 방법을 사용하고, 동일한 방식으로 얻은 값들만 비교하는 것입니다. 안타깝게도 수분 함량 분석에 있어 측정 방법의 일관성만으로는 모든 문제를 해결할 수 없습니다. 예를 들어, 건조 감량법을 생각해 보십시오. 이 방법은 꽤 간단해 보입니다. 시료의 무게를 측정하여 기록합니다. 그런 다음 시료를 오븐에 넣어 건조시킨 후 건조 중량을 측정합니다. 수분량은 초기 중량에서 건조 중량을 뺀 값으로 구하며, 수분 함량은 보고 방식에 따라 이 수분량을 건조 중량 또는 총 중량으로 나눈 값으로 계산됩니다.

이처럼 단순한 건조 감량법조차 잠재적인 변동성 함정이 도사리고 있습니다. 가장 근본적인 문제는 ‘건조’라는 용어가 실질적인 과학적 의미를 지니지 않으며, 명확히 정의된 적이 없다는 점입니다. 대신, 각 시료에 대해 재현 가능한 임의의 건조 기준을 설정해야 합니다. '건조 상태'는 흔히 중량 감소가 멈추는 지점으로 정의된다. 그러나 열중량 분석 그래프를 보면, 제품에 따라 중량 감소가 멈추는 온도가 서로 다르다는 것을 알 수 있다. 또한 제품에 따라 '건조 상태'에 도달하는 데 필요한 시간도 다르며, 한 제품에서 '건조 상태'를 만드는 온도가 다른 제품에서는 분해를 유발할 수도 있다. 이는 각 시료마다 고유한 이상적인 오븐 온도와 건조 시간이 있음을 의미합니다. 일부 제품의 경우 문헌에서 이러한 이상적인 시간/온도 조합을 확인할 수 있지만, 그렇지 않은 제품도 많습니다. 테스트되지 않은 제품에 어떤 조합을 적용해야 할지 판단하기는 어렵습니다. 동일한 시간/온도 조합을 사용하지 않은 경우, 그 결과로 얻은 수분 함량을 서로 비교해서는 안 됩니다.

또 다른 문제는 특정 온도로 설정된 오븐이라도 시간이 지남에 따라 설정 온도에서 최대 15°C까지 차이가 날 수 있으며, 같은 온도로 설정된 두 오븐 사이에서도 최대 40°C까지 차이가 날 수 있다는 점이다.

건조 감량법에만 국한된 추가적인 변동 요인으로는 오븐 증기압, 시료 전처리 방법, 시료 입자 크기, 시료 계량, 건조 후 처리 등이 있습니다. 흥미로운 점은 이러한 잠재적 문제점에도 불구하고, 문헌에서 건조 감량법으로 측정된 수분 함량이 보고되면 이는 즉시 정확한 값으로 받아들여진다는 것입니다. 또한, 수분 함량 측정법들을 비교할 때 그 중 하나가 건조 감량법일 경우, 건조 감량법 측정값이 정확하다고 항상 가정한다.

“드라이”란 무엇인가요?

“건조”를 명확히 정의하면 수분 측정과 관련된 불일치 문제를 어느 정도 해소하는 데 도움이 될 것입니다. 건조를 정의하는 가장 좋은 방법은 오븐 건조 수분 활성도를 규명하는 것입니다. 그러면 건조 중량은 시료가 이 오븐 건조 수분 활성도를 달성했을 때의 무게가 됩니다. 일반적인 주변 조건인 25°C 및 상대습도 30%에서, 오븐 내 증기압이 대기압과 동일하다고 가정할 때 95°C로 설정된 오븐은 오븐 내부에서 0.01 aw의 오븐 건조 수분 활성도를 생성합니다. 주변 조건과 관계없이 오븐 건조 수분 활성도가 항상 0.01 aw인 상태를 유지하는 오븐은 과학적으로 "건조"한 조건을 조성합니다. 이러한 유형의 오븐에서는 제품의 무게 변화가 멈출 때 해당 제품을 건조한 것으로 간주할 수 있습니다. 이때 수분 활성도는 0.01 aw가 되며, 그 무게가 건조 중량이 됩니다. 오븐 내 수분 활성도가 0.01 aw로 유지되는 한, 휘발성 물질의 방출을 방지하기 위해 오븐의 증기압과 온도를 조절할 수도 있습니다. 이 방법을 사용하면 다양한 측정 방식과 “건조”에 대한 불명확한 정의로 인해 발생하는 불일치를 해소할 수 있습니다.

보다 정확한 수분 분석

수분 함량은 수율과 양에 대한 귀중한 정보를 제공하므로, 재무적 관점에서 중요합니다. 또한 수분 함량이 높아지면 유동성이 증가하고 유리전이온도가 낮아지기 때문에, 수분 함량은 제품의 질감에 대한 정보도 제공합니다. 하지만 정확하고 일관된 수분 함량 값을 얻는 것은 어려울 수 있으며, 측정 방법에 대한 정보 없이 수분 함량 측정값을 그대로 신뢰할 수는 없습니다.  제품 내 수분량을 제품 일관성, 품질 또는 미생물 안전성과 관련된 사실과 무관한 내용을 설명하는 데 사용할 경우 추가적인 문제가 발생합니다. 이러한 경우 및 기타 상황에서는 수분 활성도가 더 정확한 측정 기준이 됩니다. 완전한 수분 분석을 위해 식품 및 제약 개발자는 수분 함량과 수분 활성도를 모두 측정해야 합니다. 또한 수분 흡착 등온선을 활용하면 최적의 유통 기한, 식감, 안전성 및 품질을 달성하고 유지할 수 있는 지점을 정확히 파악할 수 있습니다.

수분 활성도의 과학적 정의

수분 활성도는 열역학 및 물리화학의 기본 원리에서 도출됩니다. 열역학적 원리로서, 수분 활성도를 정의할 때 충족해야 할 몇 가지 조건이 있습니다. 이러한 조건은 다음과 같습니다: 순수한 물(aw = 1.0)을 표준 상태로 삼고, 시스템이 평형 상태에 있으며, 온도가 명확히 정의되어야 합니다.

평형 상태에서

μ = μ₀ + RT ln (f/f₀)

여기서: μ (J mol⁻¹)은 계의 화학 포텐셜, 즉 물질 1몰당 열역학적 활성도 또는 에너지이며; μ₀는 온도 T (°K)에서의 순수 물질의 화학 포텐셜이다; R은 기체 상수(8.314 J mol⁻¹ K⁻¹)이며, f는 물질의 휘발도 또는 탈출 경향이고, fo는 순수 물질의 탈출 경향이다(van den Berg and Bruin, 1981). 특정 종의 활성도는 a = f/fo로 정의된다. 물을 다룰 때는 물질에 대해 아래첨자를 지정한다.

_aw = f/fo

aw는 물의 활성도, 즉 시스템 내 물의 탈출 경향을 곡률 반경이 없는 순수한 물의 탈출 경향으로 나눈 값이다. 실제적으로 볼 때, 식품이 존재하는 대부분의 조건에서 이 탈출도는 증기압으로 근사할 수 있다(f ≈ p). 따라서

aw = f/fo ≅ p/po

시스템 내 모든 곳에서 μ가 동일할 때 시스템은 평형 상태에 이릅니다. 액상 및 기상 간의 평형은 두 상 모두에서 μ가 동일함을 의미합니다. 바로 이 사실 덕분에 기상 측정을 통해 시료의 수분 활성을 결정할 수 있습니다.

수분 활성도는 물질 내 수증기 압력(p)과 동일한 온도에서 순수 물의 수증기 압력(po)의 비율로 정의된다. 공기의 상대 습도는 공기의 증기압과 포화 증기압의 비율로 정의된다. 증기-온도 평형이 달성되면, 밀폐된 측정 챔버 내 시료의 수분 활성도는 시료를 둘러싼 공기의 상대 습도와 같아진다. 수분 활성도에 100을 곱하면 평형 상대 습도(ERH)를 백분율로 구할 수 있다.

aw = p/po = ERH (%) / 100

수분 활성도는 시스템 내 물의 에너지 상태를 나타내는 지표입니다. 시스템 내 수분 활성도를 결정하는 요인은 다음과 같습니다:

1. 용질(예: 염분이나 당분)의 삼투압 효과는 쌍극자-쌍극자 상호작용, 이온 결합 및 수소 결합을 통해 물과 상호작용한다
2. 모세관 현상: 물 분자 간의 수소 결합 변화로 인해, 곡선형 액체 멘이스크 상단의 물 증기압이 순수한 물의 증기압보다 낮아지는 현상
3. 표면 상호작용은 물이 쌍극자-쌍극자 힘, 이온 결합(HO 또는 OH), 반데르발스 힘(소수성 결합), 수소 결합 등을 통해 용해되지 않은 성분(예: 전분 및 단백질)의 화학적 기와 직접적으로 상호작용하는 현상이다³–

식품에 포함된 이 세 가지 요인이 결합되어 물의 에너지를 감소시키며, 그 결과 순수한 물에 비해 상대 습도가 낮아집니다. 이러한 요인들은 크게 삼투 효과와 매트릭스 효과라는 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다.

삼투 및 매트릭스 상호작용의 정도에 따라, 수분 활성도는 시스템 내 물의 에너지 상태 연속체를 나타냅니다. 물은 다양한 정도의 힘에 의해 ‘결합된’ 상태로 나타납니다. 이는 정적인 ‘결합 상태’라기보다는 에너지 상태의 연속체입니다. 수활도는 때때로 시스템 내의 “자유수”, “결합수” 또는 “가용수”로 정의되기도 한다. 이러한 용어들은 개념화하기는 더 쉽지만, 수활도 개념의 모든 측면을 적절히 정의하지는 못한다.

수분 활성도는 온도에 따라 달라집니다. 온도는 물의 결합 변화, 물의 해리, 용질(solute)의 수용성, 또는 매트릭스의 상태 변화로 인해 수분 활성도에 영향을 미칩니다. 용질의 수용성도 결정적인 요인이 될 수 있지만, 일반적으로는 매트릭스의 상태에 의해 조절됩니다. 매트릭스의 상태(유리 상태 대 고무 상태)는 온도에 따라 달라지므로, 온도가 식품의 수분 활성도에 영향을 미친다는 사실은 놀라운 일이 아닙니다. 온도가 식품의 수분 활성도에 미치는 영향은 제품마다 다릅니다. 일부 제품은 온도가 상승함에 따라 수분 활성도가 증가하는 반면, 다른 제품은 온도가 상승함에 따라 수분 활성도가 감소하며, 대부분의 고수분 식품은 온도에 따른 변화가 미미합니다. 따라서 온도가 식품 내 수분 활성도를 제어하는 요인들에 어떻게 영향을 미치는지에 따라 달라지기 때문에, 온도에 따른 수분 활성도의 변화 방향조차 예측할 수 없습니다.

잠재적 에너지의 한 척도로서, 이는 수활도가 높은 영역에서 수활도가 낮은 영역으로 물이 이동하는 원동력이 됩니다. 수분 활성도의 이러한 역학적 특성의 예로는 다중 영역 식품(예: 크래커-치즈 샌드위치) 내의 수분 이동, 토양에서 식물 잎으로의 수분 이동, 그리고 세포 팽압 등이 있습니다. 미생물 세포는 반투과성 막으로 둘러싸인 고농도의 용질로 구성되어 있으므로, 물의 자유 에너지에 미치는 삼투 효과는 미생물의 수분 관계를 결정하고, 나아가 그 성장 속도를 결정하는 데 중요합니다.

품질 보증(QA)/품질 관리(QC) 및 제형 개발에 유용한 측정 방법

수분 활성도는 제품 내 수분의 에너지를 나타내는 열역학적 지표입니다. 귀사가 수분 활성도 측정 방법을 익혀야 하는 이유는 무엇일까요? 이는 식품의 미생물 오염 취약성과 직접적인 관련이 있습니다. 또한 식품의 유통기한을 단축시키는 여러 반응과도 밀접한 관련이 있습니다. 수분 활성도는 알려진 표준을 기준으로 측정되므로, 안전 및 품질 규격으로 활용하기에 특히 적합합니다.

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