수분 함량 측정: 생각보다 훨씬 복잡합니다

수분 함량은 식품이나 기타 물질에 포함된 물의 비율을 말하며, 해당 물질의 습중량 또는 건중량에 대한 비율로 표시됩니다.

재료에 포함된 수분의 양은 제품의 품질과 유통기한에 영향을 미치지만, 수분 함량만으로는 제품의 안전성이나 안정성을 예측하기에 충분하지 않습니다. 제품이 안전하고 안정적인지 판단하려면 수분 활성도(water activity)에 대해서도 알아야 합니다.

수분 함량이란 무엇인가요?

수분 함량은 단순히 물질에 포함된 물의 양을 의미합니다. 이는 전체 물질 중량 대비 백분율(습중량 기준) 또는 건조 물질 대비 백분율(건중량 기준)로 표시됩니다.

두 방법 모두 동일한 시료를 측정하지만, 기준 중량이 다르기 때문에 결과가 달라집니다. 습중량 기준의 경우 기준 중량은 총 중량(수분 + 건조물질)입니다. 반면 건중량 기준의 경우 기준 중량은 건조물질만 포함합니다. 즉, 건중량 수치는 항상 습중량 수치보다 높게 나타납니다.

식품에서 수분 함량은 식감, 무게, 점도, 외관, 그리고 미생물 부패에 대한 취약성에 영향을 미칩니다. 수분은 일반적으로 식품에서 가장 많은 비중을 차지하는 성분으로, 식품 성분의 주요 변수입니다.

수분 함량을 측정하는 방법

수분 함량은 일반적으로 다음 세 가지 주요 방법 중 하나를 사용하여 측정합니다:

• 건조 손실 (열중량 분석법이라고도 함)
• 근적외선 분광법 (NIR)
• 칼 피셔 적정

각 방법은 서로 다른 원리를 사용하며, 각기 다른 종류의 시료에 적합합니다.

1. 건조 손실

이 방법은 시료를 건조하기 전과 후의 무게를 측정하는 방식으로 작동합니다. 시료는 질량이 일정해질 때까지 설정된 온도에서 건조됩니다. 수분 함량은 건조 과정에서 얼마나 많은 무게가 감소했는지를 계산하여 구합니다.

건조 손실은 고체 및 반고체 물질의 수분 함량을 측정하는 일반적인 분석 방법입니다. AOAC 방법 930.15, 935.29, 950.46, 984.25 등에 기술된 오븐법은 최소한의 장비만으로도 측정할 수 있어 식품 수분 측정 분야에서 가장 널리 사용되는 방법입니다.

오븐 분석법의 한 가지 단점은 시료를 건조하는 데 사용되는 열로 인해 단쇄 지방산이나 알코올과 같은 다른 휘발성 화합물이 날아가 버릴 수 있다는 점입니다. 즉, 오븐 분석법은 일부 시료의 수분 함량을 과대평가할 수 있습니다.

수분 분석기(수분 저울이라고도 함)는 중량 감소를 자동으로 측정하고 기록하는, 오븐 방식의 현대화된 버전입니다. 이 장비는 사용법이 간단하고 속도가 빠르며 별도의 계량 장비가 필요하지 않아 품질 관리 분야에서 널리 사용됩니다.

2. 근적외선 분광법

근적외선 분광법은 물질이 근적외선 스펙트럼에서 빛을 흡수하고 반사하는 방식에 따라 물질의 성분을 분석합니다. 물은 근적외선을 특정한 방식으로 흡수하므로, 근적외선을 이용해 수분 함량을 신속하게 추정할 수 있습니다.

수분 측정에 있어 근적외선(NIR) 기술의 주요 장점은 측정 속도가 빠르다는 점(몇 초 만에 결과를 얻을 수 있음), 비파괴 검사 방식이라는 점, 그리고 제조 공정 중 인라인(in-line) 또는 앳라인(at-line) 환경에서 쉽게 적용할 수 있다는 점입니다.

NIR은 간접 측정법으로, 알려진 시료를 통해 학습된 통계 모델을 바탕으로 수분 함량을 추정합니다. 정확도는 교정 모델의 품질과 적합성에 따라 달라집니다. NIR 시스템은 일상적인 사용에 투입되기 전에 각 특정 제품 유형에 맞게 교정되어야 하며, 1차 측정법과 대조하여 검증되어야 합니다.

3. 칼 피셔 적정

칼 피셔 적정법은 극히 적은 양의 수분이라도 직접적이고 정확하게 측정할 수 있는 화학적 방법입니다. 오븐 분석법과 달리, 이 방법은 다른 휘발성 화합물의 존재에 영향을 받지 않습니다.

칼 피셔 적정법은 제약 제조(USP 921 기준)를 비롯한 여러 산업 분야에서 수분 함량을 측정하는 표준 방법입니다. 이 방법은 높은 정확도가 요구되거나 오븐 건조가 부정확하거나 실용적이지 않은 제품에 특히 적합합니다.

수분 함량 계산식

사용하는 계산식은 보고하는 기준(습식 또는 건식)에 따라 달라집니다.

습기 기준 수분 함량 계산식

습중량 기준 수분 함량 (%) = [(습중량 – 건중량) / 습중량] × 100

습기 기준은 원료의 수분 함량을 입고 시 상태의 전체 질량 대비 비율로 나타내기 때문에 식품 및 농업 분야에서 더 널리 사용됩니다. 이는 때때로 “현상태” 수분이라고도 불립니다.

건물 기준 수분 함량 계산식

건물 기준 수분 함량 (%) = [(습중량 – 건중량) / 건중량] × 100

건물 기준 수분 함량은 연구 분야나 곡물 및 사료와 같은 산업 분야에서 흔히 사용되며, 이러한 분야에서는 수분 함량이 서로 다른 시료 간의 비교가 필요합니다. 건물 기준으로 수치를 표기할 경우 수치가 100%를 초과할 수 있다는 점이 한 가지 특징인데, 이로 인해 때때로 혼란이 발생하기도 합니다.

보다 정확한 수분 분석

수분 함량을 측정하는 것은 물질의 특성을 파악하는 데 유용한 첫 단계입니다. 하지만 수분 함량만으로는 존재하는 물이 미생물 증식을 촉진하거나 품질 저하 반응을 일으킬 수 있는 상태인지 여부를 알 수 없습니다.

그러려면 수분 활성도를 측정해야 합니다.

수분 활성도(aw)는 재료 내 수분의 에너지 상태, 즉 해당 수분이 반응물이나 용매로서 작용할 수 있는 정도를 나타냅니다. 수분 함량이 동일한 제품이라도 수분 활성도는 크게 다를 수 있으며, 수분 활성도의 차이는 부패 위험도와 유통 기한의 변화 양상에 영향을 미칩니다.

제품 내 수분을 완벽하게 파악하려면 수분 함량과 수분 활성도를 모두 측정해야 합니다. 이 두 가지를 함께 측정하면 물의 양과 이용 가능성을 모두 파악할 수 있으며, 이를 바탕으로 제형, 가공, 포장 및 유통 기한에 대해 합리적인 결정을 내릴 수 있습니다.

자주 묻는 질문

수분 함량이란 무엇인가요?

수분 함량은 물질 내 수분의 비율을 의미하며, 총 중량(습중량 기준) 또는 건조 중량(건중량 기준)을 기준으로 표기됩니다. 이는 물질이 얼마나 많은 수분을 포함하고 있는지는 알려주지만, 그 수분이 부패나 품질 문제를 일으킬 수 있는 상태인지는 알려주지 않습니다.

식품의 수분 함량은 수분 함량과 같은 것인가요?

식품 과학 분야에서는 이 두 용어가 혼용되는데, 둘 다 물질 내 수분의 중량 백분율을 나타냅니다. 중요한 차이는 두 용어 자체에 있는 것이 아니라 표기 기준에 있습니다. 즉, ‘습중 기준’은 총 중량 대비 수분의 백분율을 나타내는 반면, ‘건중 기준’은 건조 물질에 대한 수분의 백분율만을 나타냅니다.

식품이 상하지 않고 보관될 수 있는 수분 함량 수준은 어느 정도인가요?

저장 안정성을 판단할 때 신뢰할 수 있는 수분 함량 기준치는 존재하지 않습니다. 왜냐하면 동일한 수분 함량을 가진 두 제품이라도 물이 당분, 염분 또는 단백질에 얼마나 강하게 결합되어 있는지에 따라 수분 활성도가 크게 다를 수 있기 때문입니다. 미생물 증식, 부패 또는 식감 저하가 발생할지 여부를 예측하는 지표는 수분 함량이 아니라 수분 활성도입니다.

두 공급업체가 서로 다른 측정 방법을 사용하더라도, 두 업체의 수분 함량 수치를 비교할 수 있나요?

신뢰할 수 없습니다. 서로 다른 측정 방법은 각기 다른 항목을 측정하며, 검증된 환산 계수가 없이는 서로 대체할 수 없기 때문입니다. 설령 두 공급업체 모두 직접 측정법을 사용한다 하더라도, 한 곳은 공기 오븐 건조법을, 다른 한 곳은 칼 피셔법을 사용한다면 동일한 제품에 대해서도 체계적으로 다른 결과가 나올 것입니다.

식품의 미생물학적 안전성은 수분 함량만으로 결정되는 것일까요?

아니요. 수분 함량만으로는 용질에 단단히 결합된 물과 미생물 증식을 돕는 자유수(free water)를 구분할 수 없기 때문입니다. 수분 활성도는 미생물 위험을 판단하는 지표이며, FSMA와 같은 식품 안전 규정이 바로 이 수분 활성도를 기반으로 수립되었습니다.