수분 함량 측정: 생각보다 훨씬 복잡합니다

제품의 안전성과 품질에 대한 정보를 제공하는 수분활도는 수분 함량보다 측정하기 더 복잡하다고 흔히 여겨집니다. 하지만 정확하고 재현성 있는 수분 함량 측정은 겉보기에 그리 간단하지 않습니다.

이론적으로 수분 함량(MC) 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 과정이 될 수 있습니다.

그 이유는 다음과 같습니다.

식품의 수분 함량은 습중량 기준 또는 건조중량 기준으로 표시됩니다

이러한 서로 다른 보고 방식은 혼란을 야기할 수 있습니다. 습중량 기준의 경우, 수분량을 시료의 총 중량(고형분과 수분의 합계)으로 나눕니다. 건중량 기준의 경우, 수분량을 건조 중량(고형분만)으로 나눕니다.

안타깝게도 수분 함량은 종종 백분율로만 보고될 뿐, 어떤 측정 방법이 사용되었는지에 대한 설명은 생략되는 경우가 많습니다. 습기 기준과 건조 기준 간의 환산은 간단하지만, 서로 다른 기준으로 보고된 수분 함량을 비교할 때는 혼란이 생기고 잠재적인 문제가 발생할 수 있습니다.

또한, 건조 기준으로 보고된 수분 함량은 실제로 100%를 초과하는 백분율 값이 나올 수 있어 혼란을 가중시킬 수 있습니다.

수분 측정 방법이 너무나 다양하기 때문에 서로 비교하는 것은 거의 불가능하다

AOAC는 수분 함량을 측정하는 35가지의 다양한 방법을 제시하고 있습니다. 이 방법들은 직접 측정법과 간접 측정법으로 분류됩니다.

직접 분석법은 시료에서 수분을 제거한 후(건조, 증류, 추출 등을 통해) 저울 측정이나 적정법을 통해 수분 함량을 측정하는 방식입니다. 직접 분석법은 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 분석법, 화학적 건조법, 가스 크로마토그래피 등이 있습니다.

간접 측정법은 시료에서 수분을 직접 제거하지 않습니다. 대신 수분 함량의 변화에 따라 변하는 식품의 특정 특성을 측정하는 방식입니다. 이러한 측정법은 기준법 또는 직접 측정법에 대한 교정이 필요합니다. 또한 그 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 흡수도법, 유전 정전용량법, 전도도법, 초음파 흡수법 등이 있습니다.

수분 함량을 측정하는 과정을 더욱 복잡하게 만드는 요인은, 한 측정 방법이 다른 방법과 반드시 동일한 결과를 보장하지는 않으며, 수분 함량 수치와 함께 측정 방법이 보고되는 경우가 드물다는 점이다.

직접 측정 방법조차도 일관된 결과를 보장하지는 못합니다. 가열이 필요한 모든 방법(예: 건조 감량법)은 시료에서 유기성 휘발성 물질이 손실되거나 시료가 분해되는 원인이 될 수 있으며, 특히 당분 함량이 높은 시료의 경우 더욱 그러합니다. 예를 들어, 시료에 유기성 휘발성 물질이 포함되어 있거나 건조 과정에서 시료가 분해될 경우, 휘발성 물질 손실이나 분해의 영향을 받지 않는 칼 피셔 분석법은 건조 감량법과는 다른 결과를 보여줍니다.

변동성은 피하기 어렵다

이러한 문제에 대한 한 가지 해결책은 일관된 방법을 사용하고, 동일한 방식으로 측정된 값들만 비교하는 것입니다. 안타깝게도 수분 함량 분석에 있어 측정 방법의 일관성을 확보한다고 해도 모든 문제를 완전히 해결할 수는 없습니다.

예를 들어, 건조 감량법을 생각해 보자. 이 방법은 꽤 간단해 보인다. 시료의 무게를 측정하여 기록한다. 그런 다음 시료를 오븐에 넣어 건조시킨 후, 건조 중량을 측정한다. 수분량은 초기 중량에서 건조 중량을 뺀 값으로 구하며, 수분 함량은 이 수분량을 건조 중량 또는 총 중량으로 나눈 값으로 계산된다. 이는 보고 방식에 따라 달라진다.

이처럼 단순한 건조 감량법조차도 잠재적인 변동성 함정이 도사리고 있다. 가장 근본적인 문제는 ‘건조’라는 용어가 실질적인 과학적 의미를 지니지 않으며, 지금까지 명확히 정의된 적이 없다는 점이다. 대신, 각 시료에 대해 재현 가능한 임의의 건조 기준을 설정해야 한다.

“건조 상태”는 흔히 체중 감소가 멈추는 시점으로 정의됩니다. 그러나 열중량 분석 그래프를 보면, 제품에 따라 체중 감소가 멈추는 온도가 서로 다르다는 것을 알 수 있습니다. 또한 제품에 따라 “건조 상태”에 도달하는 데 걸리는 시간도 다르며, 어떤 제품에서는 “건조 상태”를 만드는 온도가 다른 제품에서는 분해를 유발할 수도 있습니다.

즉, 각 시료마다 고유한 최적의 오븐 온도와 건조 시간이 존재합니다. 일부 제품의 경우 문헌에서 이러한 최적의 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, 측정된 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 적용되는 추가적인 변동 요인으로는 오븐 증기압, 시료 전처리 방법, 시료 입자 크기, 시료 계량, 그리고 건조 후 처리가 있습니다.

흥미로운 점은 잠재적인 문제점에도 불구하고, 문헌에 건조 손실법으로 측정된 수분 함량이 보고되면 이는 즉시 정확한 값으로 받아들여진다는 사실이다. 또한, 수분 함량 측정법들을 비교할 때 그중 하나가 건조 손실법일 경우, 건조 손실법 측정값이 항상 정확한 것으로 간주된다.

수분 함량 측정

“건조”의 정의를 명확히 하는 것은 수분 측정과 관련된 불일치 문제를 해소하는 데 도움이 될 것입니다.

‘건조’를 정의하는 가장 좋은 방법은 오븐 건조 수분 활성도를 규명하는 것이다. 그러면 건조 중량은 시료가 이 오븐 건조 수분 활성도에 도달했을 때의 무게가 된다.

일반적인 주변 환경 조건인 25°C 및 상대습도 30%에서, 오븐 내부의 증기압이 외부 공기와 동일하다고 가정할 때, 95°C로 설정된 오븐은 오븐 내부에서 0.01 aw의 오븐 건조 수분 활성도를 생성하게 됩니다. 주변 조건과 관계없이 오븐 내 수분 활성도가 항상 0.01 aw로 유지되는 오븐은 과학적으로 “건조”한 조건을 조성합니다. 이러한 유형의 오븐에서는 제품의 무게 변화가 멈출 때 해당 제품을 건조된 것으로 간주할 수 있습니다. 이때 제품의 수분 활성도는 0.01 aw가 되며, 그 무게는 건조 중량이 됩니다.

오븐 내 수분 활성도를 0.01 aw로 유지하는 한, 휘발성 물질의 방출을 방지하기 위해 오븐의 증기압과 온도를 조절할 수도 있습니다. 이 방법을 사용하면 다양한 측정 방식과 ‘건조’에 대한 모호한 정의로 인해 발생하는 일관성 문제를 해소할 수 있습니다.

보다 정확한 수분 분석

수분 함량은 수율과 생산량에 대한 중요한 정보를 제공하므로, 경제적 관점에서 볼 때 매우 중요합니다. 또한 수분 함량이 높아지면 물질의 유동성이 증가하고 유리전이온도가 낮아지기 때문에, 수분 함량은 물질의 조직에 대한 정보도 제공합니다. 그러나 정확하고 일관된 수분 함량 값을 얻는 것은 어려울 수 있으며, 측정 방법에 대한 정보가 없다면 수분 함량 측정값을 그대로 신뢰할 수 없습니다.

제품에 포함된 수분의 양을 이용해 제품의 농도, 품질 또는 미생물학적 안전성과 관련된 사실이 아닌 내용을 암시하려 할 때 추가적인 문제가 발생합니다. 이러한 경우를 비롯해 다른 상황에서도 수분 활성도가 더 정확한 측정 기준이 됩니다.

완벽한 수분 분석을 위해서는 식품 및 제약 개발자들이 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.