수분 활성도의 정의

수분 활성도(_aw)는 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 메니스커스 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 수분 결합, 물의 해리, 용질의 수용성 또는 매트릭스의 상태 변화로 인해 수분 활도를 변화시킵니다. 용질의 수용성이 결정적인 요인이 될 수 있지만, 일반적으로는 매트릭스의 상태에 의해 제어됩니다. 매트릭스의 상태(유리 상태 대 고무 상태)는 온도에 따라 달라지므로, 온도가 식품의 수분 활도에 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 달라지므로, 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.

기본기를 탄탄히 다지세요

이 20분짜리 웨비나에서 수상 활동의 핵심 내용을 한눈에 확인하세요. 다음 내용을 배우게 됩니다:

• 어떤 수상 활동인가요?
• 수분 함량과는 어떻게 다른가
• 왜 미생물 증식을 억제하는가
• 수분 활성도를 이해하면 제품의 수분 함량을 조절하는 데 어떻게 도움이 될까요?