식품 및 건강기능식품의 수분 함량 측정

어떻게 올바른 장비를 선택해야 할까요? 일단 장비를 선택했다면, 어떻게 하면 항상 정확하고 신뢰할 수 있는 결과를 얻을 수 있을까요? 수분 함량 측정은 까다로운 과정일 수 있지만, 제대로만 한다면 그 보상은 큽니다.

이번 웨비나에서 재커리 카트라이트 박사와 수분 함량 연구원 코너 제프리스는:

• 수분 함량 측정이 왜 그렇게 변동이 심한지 알아보세요
• 직접법과 간접법을 비교하고, 오븐, 수분 분석기, 적정기를 각각 어떻게 비교할 수 있는지 논의하라
• 건과일, 정제 및 건강 보조 식품, 그리고 대마초의 수분 함량과 관련된 주요 문제점을 조명하는 독창적인 연구 결과를 제시한다
• 수분 함량 분석의 오차를 줄이고 정확도를 높이기 위한 방법을 설명하십시오.
• 수분 함량을 빠르고 정확하게 측정할 수 있는 새로운 방법에 대해 논의 해 봅시다

흐름과 명확성을 위해 편집된 대본

재커리 카트라이트 박사: 오늘의 진행 순서는 이렇습니다. 먼저 코너가 최근에 연구하고 데이터를 수집한 내용에 대해 다룰 예정입니다. 따라서 인터뷰 형식으로 진행해 보겠습니다. 제가 코너에게 몇 가지 질문을 한 뒤, METER에서 출시한 새로운 기술에 대해 이야기해 보겠습니다.

다음은 오늘 다룰 내용입니다:

1. 그럼 먼저 수분 함량이 정확히 무엇인지, 누가 이를 측정하는지, 그리고 수분 함량 측정이 왜 그렇게 어려운지에 대해 간단히 이야기해 보겠습니다.
2. 그 다음에는 측정법에 대해 이야기해 보겠습니다. 여기에는 직접 측정법과 간접 측정법으로 분류되어 있지만, 우리는 이를 ‘1차 측정법’이나 ‘참조 측정법’과 ‘기타 측정법’으로 구분하여 다룰 예정입니다.
3. 이어서 코너가 진행해 온 연구 내용 몇 가지를 살펴본 후, 여러분과 팀이 변동성을 줄이고 정확도를 높이기 위해 실천할 수 있는 방법들에 대해 이야기해 보겠습니다.
4. 이어서, 수분 함량을 신속하게 측정하는 데 사용할 수 있는 ‘ROS 1’이라는 최신 기기에 대해 설명드리겠습니다.
5. 다시 한번, 몇 가지 연구 결과를 살펴보고 이 새로운 도구가 어떻게 평가되는지 알아보겠습니다.
6. 그리고 마지막에는 여러분과 팀에 딱 맞는 도구를 선택하는 방법에 대해 간단히 이야기해 보겠습니다.

정확한 수분 함량을 측정하는 것이 왜 그렇게 어려운가

ZC: 그럼 먼저, 수분 함량 측정이 왜 그렇게 변동이 심한지부터 이야기해 보겠습니다. 가장 먼저 수분 함량이 무엇인지에 대한 정의를 내려보려고 합니다. 코너, 수분 함량이 무엇인지 다른 사람에게 어떻게 설명하시겠어요?

코너 제프리스: 네. 그러니까 여기서 처음부터 차근차근 설명하는 게 중요할 것 같아요. 그럼 수분 함량이란 무엇일까요? 간단히 말해, 물질 전체의 질량 중에서 물이 차지하는 질량을 말하는 거예요.

그래서 조금 헷갈릴 수 있다고 생각해요. 물을 빼내야만 측정할 수 있기 때문에, 그대로는 측정할 방법이 없거든요. 그러니 물을 빼내야 하는데, 그게 정말 까다로운 부분이에요.

일반적으로 우리가 하는 방법은 시료를 가열하여 그 과정에서 수분을 제거하는 것입니다. 이를 ‘건조 감량’이라고 합니다. 또 다른 방법은 시료와 수분을 용매에 함께 녹이는 것이지만, 이는 특정 분석법에 한정된 방식입니다.

ZC: 수분 함량을 측정하는 사람은 누구인가요? 아니면 누가 측정해야 할까요? 이것이 왜 중요한지, 그리고 누가 이를 확인하고 있나요?

CJ: 수분 함량은 결국 백분율, 수율, 그리고 질량에 관한 문제입니다. 그래서 대부분의 사람들은 시료에 수분이 얼마나 들어 있는지 알고 싶어 하죠. 하지만 사실 수분 함량이라는 것은, 엄밀히 말해 수율을 파악하는 데 초점을 맞춰야 합니다. 품질 관리나 간단한 확인을 위한 측정 방법으로는 그다지 적합하지 않다고 생각합니다.

ZC: 그럼 수분 함량을 측정할 때 어떤 어려움이 있을 수 있나요?

CJ: 이 과정이 공정 자체에 크게 좌우되기 때문에, 우리는 수분을 제거해야 하고, 일반적으로 시료에 에너지를 가해야 합니다. 그러다 보면 문제가 발생할 수 있죠. 따라서 기본적으로 열이나 에너지를 가하면서 수분을 제거한다고 가정합니다. 만약 다른 물질, 즉 다른 휘발성 화합물까지 함께 제거된다면 수분 함량을 과대평가하게 될 것입니다. 또한, 열을 너무 많이 가하면 시료가 분해되기 시작하고, 기체 형태로 물질이 손실되며, 이로 인해 수분 함량도 과대평가될 수 있습니다.

ZC: 그럼 가열 시간은 어떻게 알 수 있고, 온도는 몇 도로 설정해야 하나요?

CJ: 특정 시료에 가장 적합한 방법을 제대로 파악하려면 어느 정도 조사를 해봐야 합니다. 하지만 일반적으로는 아쉽게도 ‘저온에서 천천히’ 조리하는 것이 최선의 방법입니다. 이 방법이 가장 안전하며, 결과적으로 가장 정확한 결과를 얻을 수 있습니다.

ZC: 시료에 대해 더 말씀해 주실 게 있나요? 아까 휘발성 물질에 대해 언급하셨는데, 수분 함량을 측정하기 쉬운 시료는 어떤 것들이 있고, 지금까지 접해 보신 시료 중 측정하기 특히 어려운 것들은 어떤 것들이 있나요?

CJ: 어려운 점이라면, 음, 단번에 대마초를 꼽고 싶네요. 최근 대마초 관련 업무를 많이 해왔거든요.

하지만 말린 과일은 특히 다루기 까다롭습니다. 밀도가 높고 당분이 많이 들어 있으며, 시식하기 어려운 식품이거든요. 수분을 제거하는 데 있어 시식 과정은 매우 중요한 역할을 합니다.

자, 이것이 제가 어렵다고 생각하는 시료들입니다. 반면 쉬운 시료는 일반적으로 수분 함량이 높아 쉽게 증발하는 것들입니다.

ZC: 그리고 여기서 마지막으로 언급하신 점은, 정말 수분 함량을 측정해야 할 필요가 있느냐는 것이었죠? 제 생각에는 이 점이 아까 말씀하신 요점으로 돌아가는 것 같은데, 수분 함량은 주로 수확량과 관련이 있습니다. 하지만 그 외에 다른 측정 기준이 있을까요? 아니면 수분을 다른 관점에서 어떻게 바라보시나요?

CJ: 수율 측정을 위해서는 수분 함량을 사용하십시오. 시료 내 물의 질량을 파악할 수 있는 다른 방법은 사실상 없습니다. 하지만 시료 내에서 물이 어떤 형태로 존재하는지 알고 싶다면, 수분 활성도가 훨씬 더 유용한 지표입니다. 수분 활성도는 기본적으로 수분 함량과 시료의 구조를 종합적으로 반영하기 때문입니다. 수분 활성도는 시료 내 물의 질량 비율을 알려주지는 않지만, 시료 내에서 그 물이 얼마나 이용 가능한 상태인지는 알려줍니다.

ZC: 그러니까 수율에 중점을 둔다면 수분 함량을 측정하는 게 좋겠지만, 안전성과 품질에 관심이 있다면 수분 활성도를 측정하기 시작해야 한다는 말씀이신가요?

CJ: 그런 용도에는 수분 활성도가 훨씬 더 적합합니다.

수분 함량 측정 방법

ZC: 좋습니다. 그럼 이제부터 수분 함량을 측정하는 데 사용되는 몇 가지 방법을 살펴보겠습니다. 다양한 방법이 있지만, 그중에서도 가장 대표적인 세 가지 방법에 집중해 보겠습니다. 첫 번째는 오븐, 즉 진공 오븐입니다. 이 방법은 정확히 무엇일까요? 어떻게 작동하는 걸까요?

CJ: 이것이 검증된, 가장 전통적인 방법입니다. 과거 AOAC 자료를 살펴보면 1920년대와 1930년대부터 수많은 오븐 분석법이 존재했음을 알 수 있습니다. 그리고 그 방법들은 100년 동안 변하지 않았습니다. 시료를 매우 안정적인 열원에 넣으면 가열됩니다. 가열한 열량을 정확히 알 수 있고, 기본적으로 질량을 측정하여 변화가 멈췄는지 확인하면 됩니다. 따라서 이 방법은 매우 신뢰할 수 있습니다. 대부분의 실험실에는 오븐이 있고, 네, 안정적입니다.

ZC: 다음으로 소개할 내용은, 당신이 좋아하시는 방법인 칼 피셔 적정법입니다. 자, 이 방법을 왜 좋아하시나요? 그리고 다른 사람들은 왜 이 방법을 싫어할까요?

CJ: 맞아요. 네. 전 화학자라서 칼 피셔를 좋아해요. 제 전공이 화학이라서, 가끔은 재미있거든요.

그렇긴 하지만, 칼 피셔 적정기를 잘못 사용하는 사람들을 많이 보게 됩니다. 이 기기가 매우 정밀하고 정확하다는 점에 매력을 느끼는 것 같지만, 실제로는 이를 사용하는 데 있어 일련의 복잡한 화학 과정이 수반됩니다.

이 장비는 연료 및 기타 석유 제품 내의 미량의 수분을 측정하기 위해 개발되었습니다. 그래서 정말 유용합니다. 기본적으로 시료에 다른 성분이 무엇이 들어 있든 상관없는데, 이는 이 장비가 물에 대해 화학적 선택성을 가지고 있기 때문입니다.

ZC: 네. 바로 이때가 백만 분의 일 단위를 정확히 파악해야 할 때죠.

CJ: 네. 수분이 많은 시료에는 별로 적합하지 않아요. 수분 함량이 높은 시료는 이 장비에 적합하지 않거든요. 수분이 많이 포함된 시료라면 크기를 아주 작게 잘라야 해요. 그러니 수분이 적은 시료에 가장 적합하죠.

ZC: 그리고 세 번째로 소개할 것은 수분 분석기입니다. 특히 식품 업계에서 이 장비를 자주 접하곤 합니다. 수분 분석기란 정확히 무엇이며, 앞서 언급한 두 가지 장비와 비교하면 어떤 점이 다른가요?

CJ: 오븐을 사용할 때는 질량 측정을 직접 해야 하고, 분석용 저울도 있어야 하죠. 수분 분석 저울의 원리는 열원과 저울을 결합한 것입니다. 그게 핵심이죠. 실제로 제가 써본 경험으로는 완벽하지는 않았지만, 작업 속도는 매우 빠를 수 있습니다.

ZC: 이 발표 후반부에 몇 가지 데이터를 살펴보며 왜 이 방법들이 실제로는 이상적이지 않은지 알아보겠습니다. 여기 제시된 세 가지 방법 중, 대마초 산업이나 식품, 제약 산업에서 실제로 사용되는 표준적인 방법은 어떤 것들인가요?

CJ: 오븐 분석법은 언제나 표준 분석법으로 남을 겁니다. 아마 많은 제약 연구소에서 칼 피셔법을 사용하고 있을 거예요. 대마초 분석실에서도 본 적이 있는 것 같고요. 저도 대마초 분석에 칼 피셔법을 사용한 적이 있습니다. 하지만 저울 분석법은 표준 분석법으로 인정받지는 않는 것 같아요.

ZC: 네. 자, 그럼 여기서부터 이 내용들을 좀 더 자세히 살펴보고, 각각의 장단점을 짚어보도록 하죠. 먼저 왼쪽 상단에 있는 오븐부터 시작해 볼까요? 오븐을 사용할 때의 장점은 무엇인가요? 이 방법을 사용할 때 어떤 점이 마음에 드시나요?

CJ: 맞아요. 다시 말하지만, 이 장비들은 매우 안정적이고 시료를 많이 넣을 수 있어서 대량 처리가 가능합니다. 가장 큰 문제는 속도가 그리 빠르지 않다는 점이에요. 예열을 해야 하거든요. 물론 오븐을 가지고 계신 분들이 많으니, 그 방법을 이용하면 수분 함량을 빠르게 측정할 수도 있겠죠. 그리고 분석용 저울이 없다면 단점이 될 수 있는데, 오븐과 분석용 저울을 모두 구입하려면 비용이 꽤 들 수 있습니다.

ZC: 그럼 칼 피셔법, 이 방법의 장점과 단점은 무엇인가요?

CJ: 다시 말씀드리자면, 이 방법은 매우 정밀하며 휘발성 물질과도 호환됩니다. 하지만 동시에 시료가 유기 용매에 용해되어야 한다는 조건이 따릅니다. 이를 우회할 수 있는 방법도 몇 가지 있지만, 어쨌든 이 화학 처리 공정은 필수적입니다. 따라서 화학 물질 취급 능력이 충분하지 않다면 문제가 될 것입니다.

ZC: 그러니까 스타트업이나 신생 기업에게는 그다지 적합한 기기가 아닐 수도 있겠네요.

CJ: 네. 게다가 가격도 꽤 비싼 편이에요. 운영할 약사가 없다면 좀 부담스러울 수 있을 것 같아요.

ZC: 그럼 마지막으로, 수분 측정기에 대한 장단점을 살펴보겠습니다.

CJ: 맞아요. 수분 분석기는 건조와 계량을 동시에 수행하기 때문에 작업 속도가 빠릅니다. 하지만 제 경험상 수분 분석기의 품질은 천차만별이에요. 수분 분석기 한 대에 수천 달러를 지불할 수도 있는데, 저울이나 오븐이 비싸다는 점을 고려하면 꽤 괜찮은 가격처럼 들릴 수 있죠. 하지만 실제로는 제품마다 성능 차이가 매우 크다는 걸 알게 되었어요.

또 한 가지 문제는 시료의 정확한 온도를 알 수 없기 때문에, 장치가 시료 온도를 최대한 추정해 처리한다는 점입니다. 그 때문에, 적어도 제 경험상으로는 시료에 과도한 열을 가해 분해가 일어날 수 있습니다.

ZC: 그 예시도 함께 살펴보겠습니다.

CJ: 맞아요.

ZC: 언급하고 싶은 방법이 몇 가지 더 있습니다. 지금까지 살펴본 세 가지 방법이 유일한 방법은 아니며, 코너가 검토한 다른 방법들도 몇 가지 있습니다. 그래서 이 방법들에 대해 간단히 설명해 드리겠습니다. 첫 번째는 바로 이 전자레인지 방식입니다. 이게 무엇이며, 어떻게 작동하는 걸까요?

CJ: 네. 수분 분석기와 작동 원리가 매우 비슷해요. 할로겐 램프나 적외선(IR) 열원을 사용하는 대신 마이크로파를 활용한다는 점이 다르죠. 수분이 많은 시료나 젖은 시료에 아주 효과적이에요. 제가 써본 바로는 수분 분석기와 마찬가지로 시료를 분해시켜 문제를 일으키는 경향이 있더라고요.

ZC: 그 다음으로 소개해 드릴 내용은 증류입니다.

CJ: 맞아요. 이건 좀 전문적인 이야기네요. 화학자로서라면 그냥 증류하면 되겠다고 생각하겠지만, 이건 표준 분석법이거든요. 그래서 시료를 증류해야 하는지, 아니면 시료를 이용해 증류 과정을 거쳐야 하는지에 대해 AOAC에서 많은 지침을 제시하고 있어요. 꽤 번거로운 작업일 수 있죠. 하지만 휘발성 물질이 많이 포함되어 있거나 다른 간섭 물질이 있는 경우라면, 저는 다시 증류법을 선택할 수도 있어요.

ZC: 그리고 여기 있는 마지막 방법은 흡습제 챔버를 사용하는 건데, 그거랑 비슷한 원리죠. 맞죠?

CJ: 맞아요. 네. 그러니까 여기서의 원리는 단순히 건조실만 있고 열을 가하지 않으며, 흡습제나 그와 유사한 물질이 수분을 흡수해 가두는 방식이죠. 그 과정은 시간이 꽤 걸리죠?

ZC: 네.

CJ: 아마 일주일에서 두 주 정도 걸릴 거예요. 참고용으로는 괜찮겠지만, 자주 할 일은 아닐 거예요.

수분 함량 측정 방법 비교

ZC: 네, 알겠습니다. 그럼 이제부터 선생님께서 수행하신 연구 결과 몇 가지를 살펴보겠습니다. 여기서는 다양한 제품들을 살펴볼 예정입니다.

지금은 말린 망고를 살펴보고 있는데, 이 그래프들 중 상당수가 기준 오븐 방식과의 차이를 비교하고 있다는 점을 지적하고 싶습니다.

이 그래프들을 왜 이런 식으로 구성하셨는지, 그리고 서로 다른 수분 균형 데이터에서 무엇을 확인하고 있는지 설명해 주시면 좋겠습니다. 이 데이터들은 동일한 측정 결과인가요? 아니면 반복 실험 결과인가요? 아니면 서로 다른 기기로 측정한 것인가요?

CJ: 지금부터 살펴볼 데이터의 대부분은, 제가 이 특정 시료들에 대해 확인한 기준 오븐 방식과의 수분 함량 차이를 나타낸 것입니다. 여기에는 제가 테스트한 세 가지 다른 수분 저울의 결과가 포함되어 있습니다. 그리고 이 슬라이드에는 수분 분석기도 나와 있습니다.

보시다시피, 수분 분석기는 여기 있는 말린 망고처럼 밀도가 높은 과일 시료의 경우 분석에 어려움을 겪고 있습니다. 분석기가 시료 내의 수분을 완전히 제거하지 못하고 있는 것입니다.

반대로, 마이크로웨이브 분석기 같은 장비를 보면, 물기를 모두 제거하지만, 건조한 상태에서 당분이 많이 포함되어 있어 탄화되기 시작하므로 측정값이 과대평가되는 경우가 있습니다.

이 경우 수분 함량을 4% 과대평가하고 있는 셈이지만, 실제로는 시료 값보다 40% 이상 차이가 납니다. 따라서 오차 폭이 상당히 큽니다.

ZC: 샘플이 타버리는 이런 현상을 자주 보시나요? 왜 이런 악기들 중 일부에서는 그런 일이 발생하는 건가요?

CJ: 그 방법에는 너무 많은 에너지가 소모됩니다. 다시 말해, 전자레인지나 할로겐 램프는 온도가 일정하지 않거든요. 그래서 시료에 엄청난 양의 에너지를 쏟아붓게 되는데, 이는 수분이 많은 시료나 빨리 건조해야 하는 경우엔 아주 효과적입니다. 하지만 초기 수분이 빠져나가자마자 시료가 타기 매우 쉬워집니다.

ZC: 여기 또 다른 말린 과일 샘플이 있는 걸로 아는데, 말린 블루베리네요. 여기 결과도 정말 비슷해 보이네요. 수분 함량도 똑같은 문제가 있네요. 그렇죠?

CJ: 맞아요. 수분 분석기로는 이 특정 시료들이 타지 않았지만, 전자레인지로 측정하려 했더니 시료가 타버려서 중단했어요. 다시 말해, 수분 분석기는 수치를 과소평가한 셈이에요. 밀도가 높은 이 시료들에서 수분을 완전히 제거해내지 못했기 때문이죠.

ZC: 그럼 다른 종류의 제품들도 살펴보죠. 여기 단백질과 채소 분말이 있네요. 이런 종류의 제품은 어떤 상황인가요?

CJ: 이건 특히 건조한데, 수분 함량이 5% 미만인 시료입니다. 분해가 시작되면서 측정값이 과대평가되는 경향이 있습니다. 그래서 우리가 말린 망고에서 보았던 것처럼, 이런 건조하고 가루 같은 시료들은 쏟아지는 적외선 복사열에 의해 쉽게 타버립니다.

ZC: 이 유청 단백질 파우더도 마찬가지군요. 그러니까 또다시 똑같은 현상이 일어나고 있는 건가요?

CJ: 네. 샘플을 분해하고 있기 때문에 과대평가되는 거죠.

ZC: 그리고 여기 대마초 관련 그래프가 하나 더 있는 것 같네요. 이 그래프는 구성 방식이 조금 다릅니다. 여러 가지 방법을 통해 측정한 총 수분 함량을 보여주는 것이죠. 이 그래프를 설명해 주시겠어요?

CJ: 네. 대마초의 적정 수분 함량에 대해선 아직 정설이 없어요. 지금 그 원인을 규명하려고 많은 연구를 하고 있는 중이에요.

하지만 칼 피셔법이나 건조제 챔버와 같은 일부 기준 분석법은 결과가 꽤 잘 일치하는 것을 볼 수 있습니다. 하지만 열을 많이 가하는 다른 분석법으로 넘어가면 이야기가 달라집니다.

대마초에는 휘발성 화합물이 많이 함유되어 있다는 사실을 알고 있습니다. 따라서 진공 오븐과 같은 장치에서 시료에 높은 열을 가하면 수분 함량이 과대평가될 것으로 예상됩니다. 이는 진공 오븐법이나 고온에서 수분 저울을 사용하는 경우, 혹은 오븐을 활용할 때 흔히 나타나는 현상입니다. 미국 약용식물약전(American Herbal Pharmacopeia)의 이 방법은 105도의 오븐을 사용하는 방식입니다.

ZC: 사실 저는 최근 대마초 업계에서 사용되는 수분 함량 측정 방법을 표준화해야 할 필요성을 설명하는 짧은 기사를 발표했습니다. 대마초를 생산하는 업체라면, 특정 실험실에서 원하는 수치가 나오기 때문에 그곳에 제품을 보내곤 합니다. 하지만 그 실험실은 특정한 측정 방법을 사용하기 때문에, 실제 제품 상태와는 다르게 보이게 하거나 다른 실험실에 보냈을 때와 다른 결과가 나올 수도 있습니다.

CJ: 맞아요. 네. THC 함량은 모두 건조 중량 기준으로 측정되는 것 같아서, 이 수치들이 효능 계산에 영향을 미치죠. 캘리포니아 대마 관리 위원회도 이것이 문제라는 점을 인지하고 있으며, 이 문제를 철저히 규명해야 할 필요가 있다고 봅니다.

수분 함량 측정 정확도를 높이는 방법

ZC: 그럼 이제부터 변동성을 줄이고 정확도를 높이기 위해 여러분이 직접 실천할 수 있는 방법, 혹은 이 방송을 듣고 계신 분들의 팀이 시도해 볼 수 있는 몇 가지 방안에 대해 이야기해 보겠습니다. 코너, 팀 차원에서 어떤 점을 다르게 접근해 볼 수 있을까요?

CJ: 맞아요. 제 생각에 가장 먼저 드리고 싶은 말씀은, 정말 수분 함량 수치가 필요한가요? 수율 수치가 꼭 필요한가요? 만약 단순히 대략적인 확인만 하려는 거라면, 수분 활성도가 더 적합한 지표가 될 수 있을 겁니다.

ZC: 여기 두 번째로 언급된 내용은 방법 검증과 숙련도 평가인데요. 이게 무슨 뜻인가요?

CJ: 맞아요. 그럼, 표준 물질과 비교하여 수분 함량을 측정하고 계신가요? 오븐을 점검하고 계신가요? 사용 중인 분석법이 실제로 타당한지 확인하고 계신가요? 제 생각에 그 부분이 제가 많은 시간을 할애하는 부분인 것 같아요.

ZC: 네.

CJ: 저희는 모든 기기를 지속적으로 점검하고 있습니다.

ZC: 하지만 업계 사람들과 이야기를 나눠보면, 실제로 이 단계를 밟지 않는 사람이 얼마나 많은지, 혹은 그 과정을 자주 거치지 않는다는 사실에 항상 놀라곤 합니다.

CJ: 맞아요.

ZC: 다음으로 살펴볼 점은 반복 실험 횟수입니다. 물론 어떤 연구에서든 반복 실험 횟수가 많을수록 좋습니다. 그렇다면 몇 번이면 충분할까요? 아니면 횟수가 많을수록 항상 더 좋은 것일까요?

CJ: 상황에 따라 다릅니다. 어느 정도까지는 수치가 많을수록 좋다고 할 수 있겠지만요. 원하신다면 통계적 분석을 진행하실 수도 있습니다. 하지만 이는 방법 검증 및 숙련도 평가와도 연결되는 부분인데, 기본적으로 시료의 수분 함량을 신뢰할 수 있게 확인해야 하며, 이를 위해 여러 개의 부분 시료를 채취해야 합니다.

ZC: 다음으로 말씀드릴 점은, 분석 방법을 표준화하고 관련 규제 기관의 지침을 따르라는 것입니다. AOAC이든, 우리가 나열한 다른 기관이든 상관없이, 반드시 해당 지침을 확인하고 제품에 적합한 방법을 사용하고 있는지 확인해야 합니다.

CJ: 맞아요.

ZC: 그리고 마지막으로 소개할 내용은 등온선 기반의 수분 모델을 사용하는 것입니다. 이 내용을 여기에 포함시키기로 했습니다.

이는 METER에서 자주 수행하는 작업으로, 기본적으로 수분 활성도를 측정하여 수분 함량을 산출하고, 이 두 측정값 간의 관계를 ‘수분 흡착 등온선’이라고 부릅니다. 이를 통해 모델을 구축함으로써 매우 정밀한 수분 함량 측정 결과를 얻을 수 있습니다.

CJ: 우리는 이런 계산을 자주 합니다. 수분 함량과 수분 활성도의 관계를 잘 알고 있습니다. 수분 활성도를 통해 수분 함량을 구할 수는 있지만, 그 반대의 경우는 불가능합니다.

새로운 ROS 1 수분 분석기를 소개합니다

ZC: 그럼 이제부터 METER에서 새롭게 출시한 장비에 대해 이야기해 보겠습니다. 이 장비는 귀사의 팀이 수분 함량을 매우 빠르고 정확하게 측정하는 데 큰 도움이 될 것입니다.

이 기기의 이름은 ROS 1입니다. 마케팅 부서에서 가져온 자료인데요. “더 뜨겁지 않고, 그저 더 똑똑할 뿐”이라고 하더군요.

이 방법이 마음에 드는 이유는, 앞서 다른 기기들에 대해 논의했던 것처럼, 시료를 매우 빠르게 가열함으로써 측정 속도를 높이려 했기 때문입니다. 그런 수분 분석기들은 할로겐 전구를 사용하는데, 이는 문제를 야기할 뿐입니다. 코너가 보여준 것처럼, 이로 인해 시료가 타버리거나 시료의 수분 함량이 과소평가되거나 과대평가될 수 있습니다.

잠시 시간을 내어 이 새로운 기기의 몇 가지 기능에 대해 설명드리고, 그 다음에는 코너가 수집한 데이터를 다시 살펴보며 이 기기를 앞서 살펴본 것들과 비교해 보겠습니다.

먼저, 이 장비는 AOAC, ASTM 및 ISO 규격을 준수합니다. 따라서 특정 시간과 온도를 설정해야 할 경우, ROS 1을 사용하여 설정할 수 있습니다.

이 장비에는 별도의 분석법 개발 과정이 필요하지 않습니다. 따라서 시료에 구애받지 않는 기기입니다. 어떤 시료를 넣더라도 수분 함량을 측정할 수 있습니다. 또 다른 장점은 번거로운 작업을 자동화한다는 점입니다. 따라서 수기로 기록할 필요가 없으며, 제품의 시간, 온도, 중량 변화를 자동으로 그래프로 표시해 줍니다. 신속한 검사가 가능하며 처리량도 높습니다.

사진에서 보시다시피, 한 번에 9개의 시료를 넣을 수 있으며, 40분 이내에 이 9개 시료에 대한 결과를 확인할 수 있습니다. 즉, 시료 하나당 약 4분이 소요됩니다. 사용법은 정말 간단합니다. 이는 ROS 1에 포함된 'Bridge'라는 데스크톱 앱과 연동됩니다. 이 앱을 사용하면 테스트를 시작하고, 수집한 데이터를 확인하며, 필요에 따라 데이터를 내보내는 것이 매우 쉬워집니다.

결과는 매우 정밀할 것입니다. 이는 이 장치의 온도 제어와 증기압 제어, 그리고 ROS 1에 탑재된 계량 장치와 관련이 있습니다.

이 결과는 재현성이 매우 높습니다. 이는 방금 언급한 여러 요소를 철저히 통제할 수 있기 때문입니다.

이 기기의 정말 멋진 기능 중 하나는 자동 건조 감지 기능입니다. 시료의 증발 속도가 느려지기 시작하면 기기가 이를 감지하고, 측정 횟수를 늘려 시료가 완전히 마르는 순간에 테스트를 중단할 수 있도록 합니다.

코너, 이 기능이 실험실에서 작업할 때 업무 효율을 어떻게 높여주었는지 이야기해 주시면 좋겠습니다.

CJ: 네, 확실히요. 제게 특히 눈에 띄는 점은 아주 작은 악기 위에 있는 이상한 작은 버튼들을 사용할 필요가 없다는 거예요. 한동안은 모든 기능을 독립적으로 구현하는 방식이 악기 제작의 주류였던 것 같아요. 하지만 다시 데스크톱 환경으로 돌아오니 데이터 처리 측면이 훨씬 간소화되더군요.

게다가 기기 자체도 정말… 사용하기가 아주 간편해요.

ROS 1과 다른 수분 함량 측정법의 비교

ZC: 자, 이제 여러분이 수집한 자료들을 몇 가지 살펴보겠습니다. 말린 망고를 다시 보면, 화면 맨 오른쪽에 ROS 1이 보이네요. 이게 무엇을 보여주는 건가요?

CJ: 맞아요. ROS 1은 건조 과일의 경우 기준 분석법과 매우 근접한 결과를 보여주는 반면, 이러한 수분 균형 분석법들은 수분을 완전히 제거하는 데 어려움을 겪고 있습니다. ROS 1은 기본적으로 기준 분석법이기 때문에 오븐 방식과 매우 일관된 결과를 보여줍니다.

ZC: 그럼 다시 한번 건조 블루베리를 살펴보겠습니다.

CJ: 아주 비슷해요.

ZC: 그러니까 그 기준 오븐 방식과 정말 비슷하군요.

단백질 파우더와 채소 파우더를 한번 살펴봅시다. 역시, 정말 비슷하네요.

CJ: 네. 수분 함량 측정 결과에서 부정적인 결과가 나오는 것 같아요. 단순히 많은 시료들을 처리하는 데 어려움을 겪고 있기 때문이죠. 하지만 이 시료들을 다루는 데는 별로 능숙하지 않다고 봐도 무방할 것 같아요.

ZC: 또 이 부분입니다. 이번에는 표현 방식이 조금 다릅니다. 왜 이런 식으로 보여주시는지 설명해 주시겠어요?

CJ: 앞서 보여드린 슬라이드에는 실제 수분 함량 차이가 표시되어 있었습니다. 이 슬라이드에는 기준값 대비 백분율로 나타낸 수분 함량 차이가 나와 있습니다. 이 특정 시료의 경우 수분 함량 차이가 미미하기 때문에, 아주 작은 변화만으로도 백분율로는 큰 차이가 발생한다는 것을 알 수 있습니다. 수분 균형 측정 결과의 절대값 차이는 약 1% 정도였을지 모르지만, 실제 기준 측정법과 비교했을 때 수분 함량 차이는 약 15%에 달합니다.

여기서 우리가 목표로 하는 정확도는 기본적으로 약 2% 정도라는 점을 지적하고 싶습니다. 따라서 이 약 2%의 차이는 기준 방법과 ROS 1 모두의 불확실성을 반영한 것입니다.

ZC: 다음은 단백질 파우더입니다.

CJ: 네, 다시 말하지만 똑같은 상황입니다. 이것이 바로 절대적 차이인 0.1%입니다. 수분 균형 값은 여기서 보이는 백분율 차이를 기준으로 볼 때 상당히 과대평가된 것으로 나타납니다. ROS 1의 경우 약 2%인 반면, 수분 균형 값은 4%에서 15% 이상으로 나타납니다.

ZC: ROS 1의 2% 수치는, 다시 말해, 목표치로 설정했던 예상 범위 내에 있는 건가요?

CJ: 맞아요. 이 슬라이드가 아니라 그 다음 슬라이드인 것 같아요. 정확도에 대해 살펴보겠습니다.

ZC: 이 슬라이드가 정말 마음에 드네요. 여기서는 수분 기준에 대해 다루고 있는 건가요? 맞나요? 이 슬라이드가 왜 중요한가요?

CJ: 이것은 꽤 흔한 수분 표준 물질인 타르타르산 나트륨을 살펴보는 것입니다. 이는 방법 검증과 관련이 있습니다.

이 수분 측정기들의 성능이 이토록 형편없을 줄은 정말로 놀랐습니다. 일반적인 수분 함량 기준을 적용해 결과를 확인해 보려 했는데, 수분 함량을 과대평가하는 결과가 나왔습니다. 아직도 이 기기들 중 일부에 대해 어떤 수분 함량 기준이 적절한지 잘 모르겠습니다.

일부 기업에서는 자체 수분 함량 기준을 마련하기도 하지만, 그중에는 비용이 매우 비싼 경우도 있습니다.

ZC: 맞아요. 이런 수분 함량 기준 같은 건, 원칙적으로 모든 측정 방법에서 동일한 수치가 나와야 하는데, 말씀하신 대로 저울들이 여기서 정말 제대로 작동하지 못하고 있네요.

CJ: 네. 그 특정 표준의 실제 수분 함량은 15.6%인데, 그들은 이를 상당히 과대평가했군요.

ZC: 그런데 여기 ROS 1은 15.4에 꽤 가까운가요?

CJ: 네. 그 정도는 예상된 오차 범위 내에 충분히 들어갑니다.

ZC: 좋아요. 방금 말씀하셨던 슬라이드로 넘어가 볼까요? 그 슬라이드에는 무엇이 나와 있나요?

CJ: 이것은 상대 표준편차(%)로, 표준편차를 평균값 대비 백분율로 나타낸 것입니다. 기준 오븐과 ROS 1의 오차가 1~2% 사이로, 우리가 기대했던 수준과 거의 일치한다는 것을 알 수 있습니다. 이보다 더 작게 만들기는 사실상 불가능합니다.

수분 측정값은 설령 정확하다고 해도 정밀도가 그리 높지 않은데, 제 경험상 이는 두 가지 단점이 됩니다.

ZC: 식품 업계 고객들에게 제가 가장 즐겨 묻는 질문 중 하나는, 그들이 사용하는 방법의 정확도를 알고 있는지 여부입니다. 대부분의 경우, 고객들은 이를 모르거나, 직접 조사해 본 후에는 그 수치에 깜짝 놀라곤 합니다.

CJ: 네. 상대 표준 편차가 2% 이하가 나와야 해요.

자신에게 적합한 수분 함량 측정 방법을 선택하는 방법

ZC: 좋습니다. 그럼 이제부터는 여러분과 팀에 적합한 도구를 선택하는 방법에 대해 이야기하며 마무리해 봅시다. 그렇다면 어떤 도구가 적합할까요? 고려해 볼 만한 요소가 많습니다.

우선, 모든 수분 분석기가 똑같은 것은 아닙니다. 오늘 우리는 다양한 분석 방법들을 살펴보았습니다. 이에 대해 덧붙이고 싶은 말씀이 있으신가요?

CJ: 네. 수분 분석기로 대충 훑어보는 식으로 측정하고 있다면, 스스로에게 물어보세요. 과연 수분 함량 측정이 정말 필요한가요? 그리고 수분 분석기를 꼭 사용해야만 할까요? 그 대신 수분 활성도를 측정하는 건 어떨까요?

ZC: 네, 그렇죠. 요즘은 수분 활성을 60초 만에 측정할 수 있으니까요. 그러니 말씀하신 대로, 부분 검사를 진행하신다면 정말로 필요한 것이 무엇인지 잘 고려해 보시는 게 좋겠습니다.

다음으로 살펴볼 점은, 선택지를 좁히는 일이 정말 막막할 수 있다는 것입니다. 다양한 선택지와 수많은 정보가 쏟아지니까요. 그렇다면 어떻게 해야 그 선택지를 좁힐 수 있을까요?

CJ: 맞아요. 좀 까다로운 문제네요. 이건 상황에 따라 다르게 접근해야 하거든요. 제게는 여러 가지 제안이 있지만, 직접 만나서 이야기를 나눠봐야 할 것 같아요. 시료에서 수분을 제거하는 데 어려움을 겪고 계실 수도 있고, 시료를 태우고 계실 수도 있고, 아니면 다른 문제가 있을 수도 있으니까요. 그러니 그런 부분들에 대해 함께 상의해 볼 수 있을 것 같아요.

ZC: 네. 이번 웨비나가 좋은 출발점이 될 거라고 생각해요. 여러분이 선택지를 좁혀보고 어떤 옵션들이 있는지 파악하는 데 도움이 되었으면 좋겠고, 현재 어떤 문제들로 어려움을 겪고 있는지, 또 어떤 대안이 있는지 이해하는 데도 도움이 되었으면 합니다.

여기서 다음으로 살펴볼 점은 많은 기기가 다목적이라고 주장한다는 것입니다. 이 항목은 정확히 무엇을 의미하나요?

CJ: 글쎄요, 칼 피셔 적정기에 곡물을 그냥 잔뜩 넣을 수는 없잖아요. 그렇게 하면 제대로 작동하지 않을 테니까요. 마찬가지로, 특정 시료를 전자레인지나 수분 분석기에 넣으면 문제가 생길 수 있습니다. 그러니 ‘만능’이라는 주장을 들을 때는 주의하셔야 합니다.

ZC: ROS 1이 샘플 종류에 구애받지 않는다는 점이 이 시스템의 유용성을 잘 보여준다고 생각합니다. 어떤 샘플이든 거의 모두 넣을 수 있으며, 앞서 언급한 증발 속도 추적 알고리즘과 방법을 활용함으로써 정확한 측정 결과를 얻을 수 있습니다.

마지막으로 다룰 주제는 ‘질 대 양’입니다. 여기서 무슨 뜻인가요?

CJ: 다시 말해, 수분 함량 데이터가 필요한가요? 그리고 지금 얻고 계신 이 수분 함량 측정값은 신뢰할 수 있나요? 그리고 실제로 수확량 향상에 도움이 되고 있나요?

ZC: 코너가 말했듯이, 여러분이 측정하고 있는 제품이나 현재 진행 중인 작업의 상당수는 저희와 직접 만나 이야기를 나누고, 적합한 계측기를 선택해야만 제대로 진행될 수 있습니다.

다음은 저희 연락처 정보입니다. 영업팀으로 연락하실 수도 있으며, 이메일 주소와 전화번호는 다음과 같습니다.

여러분과 이야기를 나누고 싶습니다. 이번 웨비나에서 특히 관심을 끄는 내용이 있었다면, 기꺼이 이에 대해 자세히 논의하며 귀사의 제품을 더 잘 이해하고 싶습니다.

질의응답 시간

수분 함량이 품질 관리에 적합한 측정 기준이 될 수 없는 이유는 무엇일까요?

ZC: 수분 활성도는 매우 정밀하고 정확한 측정 지표입니다. 이에 대한 표준이 마련되어 있어, 제품 내 수분의 상태를 정확히 파악하고 이해할 수 있게 해줍니다.

따라서 반응 속도가 걱정되거나, 결괴나 뭉침 같은 물리적 변화나 미생물 증식 같은 문제가 우려된다면, 이를 통해 제품의 현재 상태를 파악하고 이러한 문제를 예방할 수 있습니다. 제품에 대한 이해가 조금 더 필요하고, 앞서 언급했듯이 등온선을 활용해야 할 수도 있지만, 제품의 현재 상태를 정확히 파악하는 데 큰 도움이 된다고 생각합니다.

반면 수분 함량은 항상 큰 편차가 발생하기 마련이라 이해하기가 더 어렵습니다. 그러니 코너가 언급했듯이, 수분 함량은 수확량에 정말 큰 영향을 미칩니다. 코너, 덧붙일 말이 있나요?

CJ: 네, 그게 요점을 잘 정리한 것 같아요. 많은 분들이 수분 함량을 주로 개념적인 측면에서만 알고 있어서, 결국 “시료에 물이 얼마나 들어 있는지”를 측정하는 것이 사실상의 기준이 되곤 하죠. 하지만 특정 상황에서는 수분 활성도를 반드시 고려해야 합니다.

칼 피셔법에는 “불안정성”이 있다고 말씀하셨는데요. 이에 대해 좀 더 자세히 설명해 주시겠어요?

CJ: 네. 칼 피셔 적정기는 완전히 밀폐할 수 없기 때문에 계속해서 교정을 해야 해요. 측정을 할 때마다 교정을 해야 하죠. 기기가 항상 편차를 보이는데, 물이 끊임없이 기기에 닿기 때문이에요. 시간이 좀 걸릴 수는 있지만, 항상 염두에 두어야 할 부분이에요.

테스트에 사용하신 수분 측정기의 브랜드는 무엇이었나요?

CJ: 오하우스(Ohaus) 제품도 하나 있었고, 메틀러 톨레도(Mettler Toledo) 제품도 있고… 그리고… 토르발(Torbal)이거나 베리타스(Veritas) 중 하나였던 것 같아요. 둘 중 하나죠. 기억이 잘 안 나네요.

ZC: 사람들이 주로 사용하는 것들 중에서 가장 인기 있는 것들만 골라보려고 했어요.

ROS 1의 자동 건조 감지 기능에 대해 궁금합니다. 좀 더 자세히 설명해 주실 수 있나요?

ZC: 네. 아까 잠깐 언급했듯이, 이 자동 건조 감지 기능은 백그라운드에서 작동하는 알고리즘을 통해 구현됩니다. 기본적으로 감지할 수 있는 것은 증발 속도입니다.

그래서 우리는 그 시료를 약 4분 동안 건조시키고 있는데, 실험이 끝날 무렵이면 물이 얼마나 빨리 증발하는지 실제로 파악할 수 있습니다. 증발 속도가 느려지면 기기가 이를 감지합니다.

정확한 시점에 멈추도록 하기 위해, 테스트가 끝날 무렵부터 측정 횟수를 늘려, 시료가 마르는 바로 그 순간에 멈출 수 있도록 합니다.

이것이 바로 우리 장비가 진정으로 독보적인 이유이며, 별도의 방법을 개발할 필요가 없는 이유이기도 합니다. 이 기능이 이미 내장되어 있어 증발 속도의 감소를 감지하고 실험을 적절히 중단할 수 있기 때문입니다.

코너, 뭘 확인했어? 말린 과일이나 단백질 파우더 같은 문제가 있는 시료들을 많이 살펴봤잖아. ROS 1에서 우려할 만한 타는 흔적 같은 건 없었어?

CJ: 아니요. 물론, 특정 시료에 대해 터무니없이 높은 온도로 설정하면 시료가 타버릴 수 있습니다. 하지만 우리가 언급하지 않은 점은 시료를 완전히 건조시킬 수는 없다는 것입니다. 100% 건조라는 건 존재하지 않으며, 단지 주변 환경만큼 건조할 뿐입니다. 그래서 ROS 1의 알고리즘이 우리가 도달한 이 평형 상태를 매우 정밀하게 측정해낸다는 점에서 정말 훌륭한 역할을 하고 있습니다. 따라서 저는 우리가 '이 상태는 건조하며, 안정적인 평형 상태다'라고 말할 수 있게 해주는 그 특정한 안정성을 모델링하는 데 성공했다고 생각합니다.

이러한 정보들은 주스나 심지어 물과 같은 수분 함량이 높은 시료에는 어떻게 적용될까요?

ZC: 이번 발표 자료에는 그런 구체적인 샘플이 포함되어 있지 않았습니다. 하지만 연구 과정에서 이런 유형의 샘플도 살펴보셨나요?

CJ: 네. 제 생각엔 수분 함량이 높은 시료가 다루기 쉬운 편이에요. 그런 시료에 들어 있는 물은 훨씬 더 자유롭게 존재하거든요. 이상한 섬유질 매트릭스 같은 데 묶여 있지 않으니까요. 그래서 가열하면 물이 쉽게 빠져나오죠. 그러니 건조 감량 데이터를 얻기 쉬운 시료가 바로 그런 것들이에요. 다만 시간이 좀 더 걸릴 수는 있겠죠.

ROS 1이 증기압에 어떻게 반응하는지 좀 더 자세히 설명해 주시겠어요?

CJ: 네. 이건 저희가 새로 개발한 기능입니다. 아직 정식 출시되었는지는 잘 모르겠네요. 예전에 챔버 내 증기압을 낮춰주는 장비가 있었죠. ‘TrueDry’라고 불리던 그 장비 말입니다. 그 장비는 건조제 튜브를 이용해 시료 위로 건조한 공기를 불어넣어, 평형 상태에서 증기압 요인을 제거하는 방식이었습니다. 안타깝게도 하드웨어 측면에서 매우 복잡한 구조였죠. 그래서 그 메커니즘은 제거했지만, 과거의 경험과 최신 AI 기술을 활용하여 TrueDry가 직접 측정하던 값을 매우 정밀하게 예측할 수 있게 되었습니다.

ZC: 그러니까 증기압 보정과 비슷한 건가요?

CJ: 네. 그러니까 습도가 특히 높은 지역의 경우, 그런 요인이나 환경상의 변화를 보정할 수 있습니다.

수분 측정법을 검증하는 가장 좋은 방법은 무엇인가요?

CJ: 글쎄요, 수분 측정법을 검증하는 가장 좋은 방법은 표준 시료를 사용하는 것입니다.

그러니까 곡물의 수분 함량 기준처럼 다양한 항목에 대한 기준값을 찾을 수 있습니다. 이런 기준값들은 대개 가격이 매우 비싸기 때문에, 사람들이 많이 사용하지 않는 것 같습니다. 하지만 많은 사례에 대해 기준값이 존재하기도 하고, 때로는 아예 없는 경우도 있어서 직접 내부 기준값을 만들어야 하는데, 이는 확실히 번거로운 일입니다.

하지만 수분 함량 데이터의 정확성을 정말 중요하게 생각한다면, 수확량 데이터의 정확성을 정말 중요하게 생각한다면, 사용 중인 방법을 검증해 볼 가치가 있을 것입니다.

ROS 1을 사용하여 당류나 감미료를 테스트해 보셨나요?

CJ: 아마 그렇겠지만, 지금 당장 정확한 수치는 기억나지 않네요.

ZC: 덧붙이자면, 저희는 ROS 1용 데이터 세트를 지속적으로 확장하고 있습니다. 따라서 관심 있는 분야가 있고 개념 검증(PoC)이 필요하시다면, METER에서 직접 테스트를 진행해 드릴 수도 있고, 샘플을 보내 주시면 테스트를 진행할 수도 있습니다.

그래서 저희는 이미 이 장비에 관심이 있지만 전환을 망설이는 많은 고객사들과 함께 이 작업을 진행하고 있습니다. 저희가 직접 조사를 진행한 후 그 결과를 보여드리거나, 고객사로부터 시료를 받아 테스트를 수행한 뒤 결과를 제시해 드리고 있습니다.

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