제약 산업에서 칼 피셔 법과 수분 활성도

Water has long been recognized as important in determining product safety and stability. Karl Fischer titration is a widely used analytical method for quantifying water content in a variety of pharmaceutical products. Simply knowing the total amount of water by Karl Fischer may not be the most effective method for understanding the effects of water on safety and stability. Water activity (aw) is an alternative water measurement that provides essential information about the energy or availability of water in a product. Numerous scientific investigations demonstrate that water activity is a better predictor of product safety and stability than total amount of water. Water activity has been used in the food industry for decades as an effective tool, and with the publication of USP Method <1112>, it is now considered a viable option in the pharmaceutical industry as well.

모든 물이 똑같은 것은 아닙니다

시스템 내의 물은 크게 세 가지 형태로 존재한다고 볼 수 있습니다: 대량 또는 “자유” 물, 흡수된 물, 그리고 “결합” 물 또는 단층 물입니다. 대량 또는 “자유” 물은 순수한 물과 동일한 에너지와 성질을 가집니다. 흡수된 물은 결합력이 덜 강하지만, 여전히 에너지가 감소되어 있으며 순수한 물과는 다른 성질을 보입니다. “결합”수는 수소 결합이나 이온 결합을 통해 물이 매트릭스에 직접 물리적으로 결합함으로써 에너지가 감소한 형태입니다. 실제로 물 분자는 각 형태 사이를 자유롭게 이동하므로, 특정 형태의 물 양을 정량화하는 것은 불가능합니다. 오히려 물의 전체적인 에너지 상태는 이러한 각 물 층이 기여하는 상대적인 비율에 의해 결정됩니다. 물의 에너지가 감소하면(즉, 수활성이 낮아지면) 생물학적 및 화학적 반응에 영향을 미칠 수 있는 가용 수분이 줄어듭니다. 수분 함량 분석은 총 수분량을 제공하지만, 물의 유형을 구분하지는 않습니다.

칼 피셔 적정법은 밀접하게 “결합된” 물까지 정량하는 데 효과적이며, 종종 건조 감량법보다 더 우수한 수분 분석법으로 간주됩니다. 실제로 칼 피셔법을 통해 측정되는 이 추가적인 물은 흔히 “결합수”라고 불립니다. 칼 피셔 분석이 총 수분 함량을 더 완벽하게 측정해 줄 수는 있지만, 여전히 물의 양만을 제공할 뿐 물의 에너지 상태는 알려주지 않습니다. 수분 활성도는 물의 에너지 또는 “가용성”을 측정합니다. 이는 물의 양에 의존하지 않고 각 유형의 물이 기여하는 상대적 비율에 따라 결정됩니다. 따라서 수분 활성도는 칼 피셔 분석보다 생물학적 및 화학적 반응 속도와 더 높은 상관관계를 보여줍니다.

수분 활성도란 무엇인가요?

수분 활성도는 시스템 내 물의 열역학적 에너지 상태를 나타냅니다. 과학적으로 엄밀하지는 않지만, 수분 활성도를 시스템 내 ‘이용 가능한’ 물의 양으로 이해하면 이해하기 쉬울 수 있습니다. 이는 제품에 물이 얼마나 많이 포함되어 있는지에 의해 결정되는 것이 아니라, 제품 내 물이 순수한 물과 얼마나 유사하며 그와 같은 성질을 보이는지를 비교한 것입니다. 수분 활성도는 0(완전히 건조한 상태)에서 1.0(순수한 물)까지의 범위를 가집니다. 수분 활성도가 낮아질수록 제품 내 물의 에너지는 감소하며, 미생물 증식, 화학적 반응성 또는 수분 이동을 위한 용매로서 '이용 가능한' 정도가 줄어듭니다. 예를 들어, 수분 활성도가 0.80인 제품의 물은 곰팡이 증식을 유지할 수 있을 만큼 충분한 에너지를 가지고 있는 반면, 수분 활성도가 0.60 미만인 제품의 물은 어떤 미생물의 증식도 유지할 수 없습니다. 또한 수분 활성도가 증가함에 따라 물의 이동성이 높아지며, 이는 분자 이동성뿐만 아니라 화학적 및 효소적 반응 속도에도 영향을 미칩니다.

좀 더 과학적으로 말하자면, 수분 활성도는 주어진 온도에서 시료 위의 물 증기압(p)을 순수 물의 증기압(po)으로 나눈 값으로 정의된다. 동일한 온도에서 순수한 물 위의 증기압에 대한 이 증기압을 측정함으로써, 시료 내 물의 에너지를 파악할 수 있습니다. 이는 시료 내에서 화학적 또는 물리적으로 결합된 물은 에너지가 낮아 쉽게 기체상으로 이동하지 않으므로, 결과적으로 시료 위의 증기압을 낮추기 때문입니다.

왜 수분 활성을 측정해야 할까요?

수분 활성도는 미생물 증식을 평가하는 가장 좋은 지표입니다. 제품에 수분 함량이 상대적으로 높더라도, 그 수분이 보습제나 염류, 당류, 폴리올과 같은 용질에 화학적으로 ‘결합’되어 있다면, 미생물 증식에 이용될 수 없는 상태입니다. 수분 활성도 개념은 수십 년간 미생물학자와 식품 기술자들에게 유용한 도구로 활용되어 왔으며, 식품 안전 및 품질을 평가하는 데 가장 널리 사용되는 기준입니다. 모든 미생물에는 그 이하에서는 증식할 수 없는 한계 수분활도가 존재합니다. 수분 함량과 미생물 증식 사이에는 직접적인 관계가 없습니다.

수분 활성도와 제품의 물리적 안정성 사이에도 밀접한 관계가 있습니다. 성분 간 또는 성분과 주변 습도 간의 수분 활성도 차이는 수분 이동의 원인이 됩니다. 특히 물질 중 하나가 수분에 민감한 경우, 특정 성분에서 수분이 흡수되거나 방출되는지 여부를 파악하는 것은 변질을 방지하는 데 필수적입니다. 예를 들어, 수분 함량이 2%인 성분 1과 수분 함량이 10%인 성분 2를 같은 양으로 혼합할 경우, 두 성분 간에 수분 교환이 일어날까요? 혼합된 물질의 최종 수분 함량은 6%가 되겠지만, 성분 1과 2 사이에 수분 교환이 실제로 일어났을까요? 그 답은 두 성분의 수분 활성도에 달려 있습니다. 두 성분의 수분 활성도가 같다면 수분 교환은 일어나지 않습니다.

마찬가지로, 수분 함량이 동일한 두 원료라도 혼합했을 때 서로 호환되지 않을 수 있습니다. 수분 함량은 같지만 수분 활성도가 다른 두 물질을 혼합하면, 평형 수분 활성도가 달성될 때까지 물이 두 물질 사이에서 이동하게 됩니다. 따라서 다성분 제품의 경우 수분 이동을 방지하려면 두 성분의 수분 활성도를 일치시켜야 합니다. 한 성분의 수활도가 다른 성분보다 높을 경우, 물은 수활도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 이동하게 됩니다. 이러한 이동은 두 성분 모두의 품질에 바람직하지 않은 변화를 초래할 수 있습니다. 따라서 수활도는 제형 설계, 제조 조건 및 포장 요건에 대한 유용한 정보를 제공합니다.

칼 피셔 수치를 수분 활성도로 대체

칼 피셔 분석은 통제된 조건 하에서는 신뢰할 수 있는 결과를 도출할 수 있지만, 다양한 변동 요인의 영향을 받기 쉽습니다. 또한 바람직하지 않은 화학 물질을 사용해야 하며, 올바르게 수행하기 위해서는 전문적인 훈련이 필요합니다. 따라서 효과적인 대안을 모색해야 할 이유는 여러 가지가 있습니다. 수분 활성도는 칼 피셔 분석을 대체할 수 있는데, 이는 동일한 정보를 제공하기 때문이 아니라 더 유용한 정보를 제공하기 때문이다. 수분 활성도 분석이 제공하는 결과는 칼 피셔 수분 함량과 유사하지는 않겠지만, 미생물학적 안전성, 화학적 안정성 및 물리적 특성과 더 나은 상관관계를 보여줄 것이다. 이는 수분 함량의 미세하고 측정하기 어려운 변화만 발생해도 안정성에 큰 변화가 일어날 수 있는 제품의 경우 특히 그러하다.

칼 피셔 수분도와 수분 활성도는 어떤 관계가 있나요?

칼 피셔 수분 함량과 수분 활성도 사이에는 상관관계가 있지만, 이는 복잡하며 제품마다 고유한 특성을 보입니다. 수분 활성도가 증가하면 일반적으로 수분 함량도 함께 증가하지만, 이는 비선형적인 양상을 보입니다. 주어진 온도에서 수분 활성도와 수분 함량 사이의 이러한 관계를 수분 흡착 등온선이라고 합니다. 대부분의 제품에서 등온선은 S자형(시그모이드)을 띠지만, 다량의 결정성 분자를 포함하는 물질의 경우 J자형 등온선 곡선을 나타냅니다. 제품의 등온선 관계를 규명하기 위해 다양한 방정식이 활용됩니다. 수분 활성도가 좁은 범위에서는 선형 회귀 분석으로 등온선 관계를 설명할 수 있지만, 전체 수분 활성도 범위에서 적용되는 경우는 드뭅니다. 전체 수분 활성도 범위에 걸친 등온선을 규명하기 위해서는 더 복잡한 방정식이 사용됩니다. 가장 일반적인 방정식은 구겐하임-앤더슨-드 보어(GAB) 방정식과 브루나우어-에멧-텔러(BET) 방정식이다. 선형 회귀와 마찬가지로, 이러한 방정식들은 등온선 관계를 가장 잘 설명하는 계수를 찾기 위해 조정된다. 데이터 분석 소프트웨어 프로그램을 사용하여 이러한 계수를 결정하며, 이를 통해 특정 수분 활성도 수준에서의 수분 함량을 예측하거나 그 반대의 과정을 수행할 수 있다.

단일 장비로 수행하는 종합 수분 분석

수분 활성도는 제품의 안전성과 품질을 판단하는 데 있어 칼 피셔 수분 함량의 유효한 대안이지만, 순도를 확인하기 위해서는 여전히 수분 함량을 파악해야 할 필요가 있을 수 있습니다. 수분 흡착 등온선 관계를 통해 수분 활성도를 바탕으로 수분 함량을 산출할 수 있으므로, 이러한 목적에 있어서도 수분 활성도가 칼 피셔법을 대체할 수 있습니다. 이를 통해 수분 함량과 수분 활성도를 모두 측정할 수 있는 수분 활성도 분석기가 칼 피셔법을 대체할 수 있게 됩니다.