DVS 수분 흡착 등온선은 식품의 안정성에 대해 무엇을 알려주는가?

등온선은 시간에 따른 제품의 변화를 예측합니다

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 수분 활성도가 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.

중요한 수분 활성도를 구하십시오

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.

유통기한에 대해 자세히 알아보기

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

- 예상보다 유통기한이 빨리 만료되는 원인을 파악하기 위해 문제와 불만 사항을 조사합니다

-레시피 변경이 유통기한에 어떤 영향을 미칠지 예측하기

-다양한 원료 옵션의 효과를 비교해 보세요

-특정 포장 방식이 제품의 유통기한을 달성하거나 연장하는 데 도움이 되는지 평가하십시오

동적 이슬점 등온선(DDI)을 활용한 연구

Allan, Matthew, Lisa J. Mauer. “단결정 성분 및 혼합물의 용해점 측정 방법 비교.” Food Chemistry 195 (2016): 29-38. doi:10.1016/j.foodchem.2015.05.042.

앨런, 매튜, 린 S. 테일러, 리사 J. 마우어. “결정성 원료 혼합물의 용해점 저하에 미치는 공통 이온 효과.” Food Chemistry 195 (2016): 2-10. doi:10.1016/j.foodchem.2015.04.063.

배리, 다니엘 M., 및 존 W. 배식. “NASA 우주왕복선용 첨단 승무원 탈출복 개발.” SAE 기술 논문 시리즈, 1995. doi:10.4271/951545.

Bonner, Ian J., David N. Thompson, Farzaneh Teymouri, Timothy Campbell, Bryan Bals, 및 Jaya Shankar Tumuluru. “순차적 암모니아 섬유 팽창(AFEX) 전처리와 펠릿화가 옥수수 짚의 수분 흡착 특성에 미치는 영향.” Drying Technology 33, 제14호 (2015): 1768-778. doi:10.1080/07373937.2015.1039127.

Carter, B.P., Galloway, M.T., Campbell, G.S., 및 Carter, A.H. 2016. 동적 이슬점 등온선을 통한 임계 수분 활성도에서의 곡물 수분 투과성 변화. Transactions of the ASABE. 59(3):1023-1028.

Carter, B.P., Galloway, M.T., Morris, C.F., Weaver, G.L., 및 Carter, A.H. 2015. 밀의 숙성 및 제분 공정 규격으로서 수분 활성도의 필요성. Cereal Foods World 60(4):166-170.

Carter, Brady P., Mary T. Galloway, Gaylon S. Campbell, Arron H. Carter. “저수분 쿠키의 바삭함을 나타내는 지표로서의 동적 이슬점 등온선을 통한 임계 수분 활성도.” Journal of Food Measurement and Characterization 9, 제3호 (2015): 463-70. doi:10.1007/s11694-015-9254-3.

Carter, Brady P., Mary T. Galloway, Gaylon S. Campbell, Arron H. Carter. “프리믹스 분말 안정성의 지표로서 동적 이슬점 등온선으로부터 도출된 임계 수분 활성도.” Journal of Food Measurement and Characterization 9, 제4호 (2015): 479-86. doi:10.1007/s11694-015-9256-1.

Carter, B.P. 및 S.J. Schmidt. 2012. 수분 흡착 등온선을 이용한 식품의 유리전이 온도 측정 기술의 발전. Food Chemistry 132:1693-1698.

Coronel-Aguilera, Claudia P., 및 M. Fernanda San Martín-González. “유동층 코팅 기술을 이용한 분무 건조 β-카로틴 에멀젼의 캡슐화.” LWT – Food Science and Technology 62, 제1호 (2015): 187-93. doi:10.1016/j.lwt.2014.12.036.

폰텔레스(Fonteles), 타티아네 비달(Thatyane Vidal), 아나 카롤린 페레이라 레이테(Ana Karoline Ferreira Leite), 아나 라켈 아라우주 실바(Ana Raquel Araújo Silva), 알레산드라 피니에루 고에스 카르네이루(Alessandra Pinheiro Góes Carneiro), 에밀리오 데 카스트로 미겔(Emilio De Castro Miguel), 베닐도 소우사 카바다(Benildo Sousa Cavada), 파비아노 안드레 나르시소 페르난데스(Fabiano André Narciso Fernandes), 수엘리 로드리게스(Sueli Rodrigues). “캐슈 애플 바가스 퓨레의 건조 효율 향상을 위한 초음파 처리: 항산화 특성과 생리활성 화합물의 체외 생체 이용률에 미치는 영향.” Ultrasonics Sonochemistry 31 (2016): 237-49. doi:10.1016/j.ultsonch.2016.01.003.

Hao, Fayi, Lixin Lu, Jun Wang. “저장 중 다성분 식품의 수분 이동에 대한 유한 요소 해석.” Journal of Food Process Engineering 40, 제1호 (2016). doi:10.1111/jfpe.12319.

Hao, Fayi, Lixin Lu, Jun Wang. “다양한 저장 조건 하에서 투과성 포장재에 담긴 수분 민감성 크래커의 유통기한 예측을 위한 유한 요소 시뮬레이션.” Journal of Food Processing and Preservation 40, 제1호 (2015): 37-47. doi:10.1111/jfpp.12581.

Kuang, Pengqun, Hongchao Zhang, Poonam R. Bajaj, Qipeng Yuan, Juming Tang, Shulin Chen, Shyam S. Sablani. “분무 건조를 통해 말토덱스트린과 자당을 사용하여 제조한 루테인 마이크로캡슐의 물리화학적 특성 및 저장 안정성.” Journal of Food Science 80, 제2호 (2015). doi:10.1111/1750-3841.12776.

Liu, Wei, Haifeng Wang, Xifeng Gu, Can Quan, 및 Xinhua Dai. “타르타르산나트륨 2수화물 및 구연산칼륨 1수화물 표준 시료의 수분 함량 인증.” Anal. Methods 8, 제13호 (2016): 2845-851. doi:10.1039/c5ay03067f.

Marquez-Rios, E., V.m. Ocaño-Higuera, A.n. Maeda-Martínez, M.e. Lugo-Sánchez, M.g. Carvallo-Ruiz, 및 R. Pacheco-Aguilar. “태평양 사자발 가리비(Nodipecten subnodosus) 살코기 건조 전처리로 사용되는 구연산.” Food Chemistry 112, 제3호 (2009): 599-603. doi:10.1016/j.foodchem.2008.06.015.

Penner, Elizabeth A., 및 Shelly J. Schmidt. “새로운 증기 흡착 분석기를 사용하여 얻은 수분 흡착 등온선과 표준 포화 염 슬러리법을 사용하여 얻은 수분 흡착 등온선의 비교.” Journal of Food Measurement and Characterization7, 제4호 (2013): 185-93. doi:10.1007/s11694-013-9154-3.

Rao, Qinchun, Mary Catherine Fisher, Mufan Guo, Theodore P. Labuza. “건조 및 중간 수분 함량 식품 매트릭스에서 시판되는 닭 달걀 노른자 분말의 저장 안정성.” Journal of Agricultural and Food Chemistry 61, 제36호 (2013): 8676-686. doi:10.1021/jf402631y.

Rao, Qinchun, Andre Klaassen Kamdar, Mufan Guo, Theodore P. Labuza. “저장 중 단백질 반죽 모델 시스템의 경화 현상에 미치는 소 카제인 및 그 가수분해물의 영향.” Food Control 60 (2016): 621-28. doi:10.1016/j.foodcont.2015.09.007.

Syamaladevi, Roopesh M., Ravi Kiran Tadapaneni, Jie Xu, Rossana Villa-Rojas, Juming Tang, Brady Carter, Shyam Sablani, Bradley Marks. “다목적 밀가루 및 땅콩버터 내 살모넬라균의 고온에서의 수분 활성 변화 및 내열성.” Food Research International 81 (2016): 163-70. doi:10.1016/j.foodres.2016.01.008.

Wei, Meilin, Xiaoxiang Wang, Jingjing Sun, Xianying Duan. “Ni(II) 이온과 2,2′-비피리딜-3,3′-디카르복실산을 기반으로 한 3차원 POM–MOF 복합체: 결정 구조 및 양성자 전도도.” Journal of Solid State Chemistry 202 (2013): 200-06. doi:10.1016/j.jssc.2013.03.041.

Wei ML, Sun JJ, Wang XJ “금속-쉬프 염기-POM-MOF가 도핑된 규산염 겔 복합체의 제조 및 양성자 전도도 평가.”Journal of Sol-Gel Science and Technology 71, 제2호 (2014): 324-28. doi:10.1007/s10971-014-3370-0.

Yuan, X., Carter, B.P. 및 Schmidt, S.J. 2011. 자동 수증기 흡착 분석기를 이용한 폴리덱스트로스의 유리상-고무상 전이가 일어나는 임계 상대 습도 결정. Journal of Food Science, 76(1): E78-89.

Zabalaga, Rosa F., Carla I.a. La Fuente, 및 Carmen C. Tadini. “대류 건조 과정 중 미성숙 바나나 슬라이스(Musa cavendishii)의 열물리적 특성 실험적 측정.” Journal of Food Engineering 187 (2016): 62-69. doi:10.1016/j.jfoodeng.2016.04.020.

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