분말 안정성 평가: 물리적, 화학적 및 미생물학적

그러나 대부분의 분말은 분자 구조에 따라 비결정질, 결정질, 또는 이 둘의 혼합물로 분류될 수 있다. 결정질과 비결정질의 비율 및 이들이 상호작용하는 방식은 분말의 거의 모든 특성에 영향을 미친다.

또한, 입자 크기는 분말의 특성(및 이와 관련된 일반적인 문제들)에 상당한 영향을 미칩니다. 분말 입자들이 서로 접촉하는 곳이라면 어디서든, 고결 및 뭉침의 첫 단계인 브리징 현상이 시작될 수 있습니다. 입자 크기가 작을수록 브리징 현상이 발생할 가능성이 높아지며, 이는 입자 간 접착을 유발하고, 결국 응집 및 기타 문제로 이어집니다. 결정성 분말의 경우 (어느 정도까지는) 정렬된 구조로 인해 수분이 구조의 외부에만 부착될 수 있기 때문에 특히 다루기 까다로울 수 있습니다.

연구 결과에 따르면, 입자 크기가 서로 다른 두 가지 결정성 분말을 혼합하면, 각 분말이 단독으로 존재할 때보다 더 낮은 수분 활성도 수준에서 혼합물이 용해(고체에서 액체로 변하는 현상)될 수 있는 것으로 나타났다.

무정형 분말은 표면에 틈새가 있고 모양이 불규칙한 경향이 있어, 물이 입자에 더 잘 결합하게 됩니다.

수분 함량, 수분 활성도 및 분말 등온선

수분과 관련된 주요 측정 항목으로는 수분 함량과 수분 활성도가 있습니다. 분말의 물리적, 화학적, 미생물학적 안정성 문제를 관리하려면 이 두 가지 지표를 모두 이해하는 것이 중요합니다.

식품이나 제약 업계에 종사하는 대부분의 사람들은 수분 함량이라는 개념에 익숙할 것입니다. 하지만 수분 활성도는 생소한 개념일 수도 있습니다. 수분 함량은 물의 양을 측정하는 반면, 수분 활성도는 물이 가진 에너지, 즉 물이 어떤 작용을 할 수 있는지를 측정합니다. 이 두 가지 수치는 완전히 다른 방식으로 측정됩니다.

수분 함량은 전체 질량 대비 백분율로 측정되며, 이는 기본적으로 시료의 무게 중 물이 차지하는 비율을 의미합니다.

수분 함량 측정은 널리 사용되는 방법이지만, 그 정확도가 그리 높지는 않습니다. 이로 인해 문제를 파악하고 해결하기가 어려울 수 있습니다. 특히 분말의 경우, 수분 함량만으로는 전체적인 상황을 파악하기 어렵습니다.

수분 활도를 측정하기 위해 장치가 증기압을 측정합니다. 수분 활도를 시료가 방출하는 평형 상태의 습도로 생각하면 이해하기 쉬울 수 있습니다.

수분 활성도는 흔히 “수분 가용성”으로 잘못 정의되곤 합니다. 이는 정확하지 않습니다. 수분 활성도는 열역학적 원리이며, 물이 지닌 에너지를 의미합니다. 이 에너지는 화학 반응, 질감 변화 및 기타 반응에 활용될 수 있으므로 이를 이해하는 것이 중요합니다.

수분 활도와 수분 함량의 관계를 그래프로 나타내면, 이를 등온선이라고 합니다. 전문적으로 활용될 경우, 등온선은 매우 유용한 정보를 제공해 줍니다. 특히 다음과 같은 정보를 얻을 수 있습니다:

• 질감과 구조의 변화가 시작되는 수분 활성도를 확인하십시오 (DDI 등온선)
• 제품이 수분을 더 빠르게 흡수하기 시작하는 시점을 표시하십시오
• 분자 구조(비정질 또는 결정질)를 확인하십시오
• 특정 변화나 반응이 완료되는 데 걸리는 시간 또는 발생하는 속도를 파악한다 (DVS 등온선)

물리적 안정성의 주요 요인

분말의 물리적 안정성을 이해하기 위해서는 수분, 온도, 시간이라는 세 가지 주요 요소를 고려해야 합니다.

수분

수분은 물리적 안정성에 큰 영향을 미칩니다. 물은 용매나 반응물 역할을 할 수 있으며, 심지어 화학 반응을 완충하는 역할도 합니다. 일반적으로 수분이 많을수록 반응 속도가 빨라지지만, 등온선을 통해 구체적인 사례별 정보를 확인할 수 있습니다.

온도

온도가 미치는 영향은 물의 경우와 비슷합니다. 온도가 상승하면 변화가 더 빠르게 일어납니다(위 그림 참조). 온도를 높인다는 것은 시스템에 에너지를 공급하는 것을 의미하며, 이로 인해 낮은 수분 활성도 수준에서도 더 많은 물리적 변화가 일어날 수 있게 됩니다.

시간

충분한 시간이 주어진다면, 모든 과정은 결국 완결에 이르게 마련이다. 어떤 과정은 너무 느리게 진행되어 눈치채기 어려울 수도 있다. 예를 들어, 아주 오래된 유리창의 유리가 휘어지는 현상이 그렇다. 하지만 온도와 습도 같은 요인을 통제하더라도, 이러한 현상은 여전히 발생한다.

물리적 안정성 사례 연구: 향신료 혼합물의 결괴 및 뭉침 현상

수분 활성도가 물질 간 수분 이동을 좌우한다는 사실은 잘 알려져 있습니다. 하지만 수분은 얼마나 이동하며, 이동을 예측하기 위해 어떤 방정식과 모델을 사용할 수 있고, 예측의 정확도는 어느 정도일까요?

METER 식품 연구개발실(Food R&D Lab)은 위 질문들에 대한 답을 제시하기 위해 6가지 다른 향신료 블렌드를 대상으로 다음과 같은 연구를 수행했습니다.

프로세스 개요:

1. 각 개별 재료에 대해 등온선을 생성했습니다
2. 재료들을 알려진 질량 비율에 따라 혼합했다(아래 표 참조)
3. 등온선, 수학적 방정식 및 계수를 사용하여 각 배합에 대한 예상 최종 수분 활성도를 산출
4. 평형 상태에 도달한 후 각 향신료 블렌드의 수분 활성도를 측정했다
5. 예측값과 측정값을 비교했다

연구 결과:

• 옥수수 전분과 양파 소금을 사용한 예측값은 최종 측정된 수분 활성도와 매우 근접했다.
  • 두 성분 모두 입자 크기가 미세하여, 입자 간 접촉이 더 많이 일어나고 평형 상태에 더 빨리 도달하는 경향이 있습니다.
• 다른 향신료 혼합물에 대한 예측도 매우 정확했다.
• 이번 실험에서 가장 정확도가 낮았던 예측 결과는 세이지, 큐민, 오레가노를 혼합한 경우에서 나왔습니다. 하지만 최종 측정된 수분 활성도보다 0.05 낮을 뿐이어서, 여전히 놀라울 정도로 근접한 수치였습니다.

이 사례 연구에서 설명한 과정은 모든 식품 과학자, 특히 신제품을 신속하게 개발해야 하는 압박을 받고 있는 분들에게 유용할 수 있습니다. 제시된 모델, 도구 및 방정식은 건조 원료 혼합물이 혼합되기 전의 최종 특성에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다.

등온선 라이브러리를 구축하는 데는 초기 단계에서 시간이 다소 소요될 수 있습니다. 하지만 일단 라이브러리가 구축되면, 제형 개발자들은 별도의 물리적 실험을 수행할 필요 없이 책상 앞에서 자유롭게 배합 조정을 시도하고, 최종 유통기한과 평형 수분 활성도를 예측하며, 포장 방안을 결정할 수 있습니다.

화학적 안정성의 주요 요인

제조업체는 수분 활도가 화학 반응 속도에 어떤 영향을 미치는지, 그리고 어떤 반응이 제품의 유통기한을 단축시키는지 파악해야 합니다. 화학적 안정성에 대한 확실한 이해 없이는 제품이 실제로 제공할 수 있는 것보다 더 큰 효과를 약속하기 쉽습니다.

화학 반응 속도를 추적하는 일은 복잡할 수 있지만, 불가능한 것은 아닙니다. 유통 기한이 언제 도래했는지는 대개 제조사가 결정합니다. 그 시점을 정확히 파악하려면 앞서 사례 연구에서 언급된 것과 유사한 유통 기한 예측 정보가 필요합니다.

화학적 안정성 사례 연구: 비타민 C의 분해

영양 보충제 제조사는 어떻게 이상적인 보관 조건을 결정할 수 있을까요? 특정 성분은 어떤 속도로 변질되며, 제품은 언제부터 라벨에 표기된 효능을 더 이상 발휘하지 못하게 될까요?

METER 식품 연구개발실(R&D Lab)에서 수행한 아래의 연구는 이러한 의문점에 대한 해답을 찾는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 연구는 비타민 C(아스코르빈산)를 대상으로 진행되었으나, 그 원리와 기법은 시간이 지남에 따라 분해되거나 반응할 수 있는 모든 물질에 적용될 수 있습니다.

본 연구에서는 아스코르빈산을 두 가지 다른 수분 활성도와 세 가지 다른 온도에 노출시켰다. 자외선-가시광선 분광법을 이용하여 분해 과정을 추적하고, 분해 속도를 산출하였다. 이 연구의 목적은 온도와 수분 활성도가 분해 속도에 어떤 영향을 미치는지 규명하는 것이었다.

먼저, 연구팀은 목표 온도와 수분 활성도를 각각 30˚, 40˚, 50˚C와 0.76 aw, 0.948 aw로 정했습니다. 그런 다음 유통기한이 종료된 시점을 정의했는데, 이 연구에서는 초기 비타민 C 함량의 75%가 남아 있을 때로 정했습니다. 연구진은 필요한 정보를 Moisture Analysis Toolkit에 입력하고 가속 유통기한 연구를 수행했으며, 그 결과는 다음과 같았습니다:

미생물학적 안정성의 주요 요인

수분 활성도는 미생물 증식을 억제하는 데 매우 효과적인 방법입니다. 수분 활성도가 0.6 미만이면 어떤 미생물도 증식하지 않습니다.

이러한 사실 때문에 많은 제조업체들이 잘못된 안도감을 갖게 되는데, 그들은 자사 제품의 수분 활성도가 낮다면 미생물 오염을 걱정할 필요가 없다고 믿습니다. 이는 위험한 인식으로, 땅콩버터, 밀가루, 분유와 같은 식품에서 수많은 리콜 사태와 집단 식중독 사태를 초래했습니다.

수분 활성도는 미생물의 증식을 억제할 수는 있지만, 미생물을 사멸시키는 단계는 아닙니다. 수분 활성도가 낮은 환경에서도 미생물은 휴면 상태로 생존할 수 있습니다. 만약 더 높은 수분 활성도의 환경에 노출되면—예를 들어, 쿠키 반죽에 밀가루를 섞는 경우처럼—미생물이 증식하기 시작해 위험해질 수 있습니다.

수분 활성도가 낮은 제품은 안전할 수 있지만, 반드시 무균 상태인 것은 아닙니다.

미생물 관리를 위한 여러 가지 난관과 예방 조치가 존재하지만, 이 주제는 여전히 복잡하고 다루기 어려운 과제입니다. 수분 함량이 낮은 식품의 살균 또는 저온 살균에 관한 수많은 연구가 진행 중입니다. 현재로서는 엄격한 위생 관리 방침이 오염을 방지하고 미생물학적 안정성을 확보하는 가장 효과적인 방법입니다.

추가 자료

분말 과학에 대해 더 깊이 있게 알아보시려면 아래의 무료 온디맨드 웨비나를 시청해 주세요. 이 웨비나에서 재커리 카트라이트 박사와 메리 갤러웨이는 분말 유동, 고결, 분자 구조, 등온선에 대해 자세히 다룹니다.