수분 활성도의 중요성을 이해하기

수분 활성도는 대부분의 사람들에게 직관적인 개념이 아닙니다. 하지만 일단 이해하게 되면, 식품의 수분을 조절할 수 있는 능력을 갖게 됩니다. 미생물 증식을 막는 것은 시작에 불과합니다.

이 20분짜리 웨비나에서 수상 활동의 핵심 내용을 한눈에 확인하세요. 다음 내용을 배우게 됩니다:

• 어떤 수상 활동인가요?
• 수분 함량과는 어떻게 다른가
• 왜 미생물 증식을 억제하는가
• 수분 활성도를 이해하면 제품의 수분 함량을 조절하는 데 어떻게 도움이 될까요?

진행자

메리 갤러웨이는 지난 8년 동안 AQUALAB 연구개발(R&D) 연구소의 수석 과학자로 근무해 왔습니다. 그녀는 수분 활성도를 측정하고 이것이 물리적 특성에 미치는 영향을 분석하는 장비의 사용 및 테스트를 전문으로 합니다. 그녀는 수많은 고객과 협력하여 수분 관련 제품 문제를 해결해 왔으며, “수분 활성도란 무엇인가요?”라는 질문에 답할 기회가 자주 있습니다.

수분 활성도 기초

식품 제조업체들은 어떻게 부드러운 건포도의 식감과 바삭한 브랜드 플레이크의 식감을 유지하고, 뭉침이나 덩어리짐을 방지하며, 제품이 변질되기 쉬운지 여부를 판단할까요? 이러한 모든 문제는 수분 활성도에 의해 조절됩니다. 수분 활성도의 원리를 이해한다면, 소비자가 선호하는 제품을 개발할 수 있을 뿐만 아니라 잠재적인 저장 문제를 예측하고 예방할 수 있습니다.

수분 활성도의 정의

열역학의 원리:

• 에너지는 과정이 일어나는 원동력입니다
• 에너지가 많을수록 더 많은 공정이나 작업(예: 기계적, 열적, 화학적)을 수행할 수 있다
• 고에너지 상태는 더 안정된 상태가 되기 위해 저에너지 상태로 전환하려 한다

수분 활성도(aw)는 시스템 내 물의 에너지 상태를 나타내는 척도입니다. 이는 열역학의 원리에 속하며 동일한 법칙을 따릅니다. 수분 활성도가 높을수록 에너지가 더 많으며, 물은 미생물 증식, 수분 이동, 또는 화학적·물리적 반응과 같은 더 많은 일을 수행할 수 있습니다. 수분 활성도의 차이는 수분이 어떻게 이동하는지를 결정합니다(농도가 아닌 에너지 측면에서). 수활도가 높은 물은 수활도가 낮은 물보다 더 많은 에너지를 가지고 있습니다. 물은 어떻게 에너지 상태를 낮추어 더 안정된 상태가 될까요? 수활도가 더 낮은 곳으로 이동하게 됩니다.

에너지 시스템에서, 우리는 깁스 자유 에너지 방정식(식 1)을 적용하여 주어진 온도에서 시스템 내 물의 활도를 구할 수 있다. 시스템 내 물의 에너지는 순수 물의 에너지(𝜇o)에 기체 상수(R)와 온도 상수(T)의 곱, 그리고 도피도의 자연로그를 더한 값과 같다. 이 방정식에서 물의 에너지를 결정하는 데 있어 유일한 변수는 휘발도임을 유의하십시오.

휘발성이란 무엇인가?

휘발도(f/f0)는 물질이 기화하려는 경향, 즉 시료에서 기체가 빠져나갈 수 있는 정도를 말합니다.

• f/f₀ = p/p₀
• p/p0 = 𝓧 °C에서 시료 상공의 수증기압 / 𝓧 °C에서 순수 물의 수증기압
• p/p0 = aw

휘발성은 분압, 즉 특정 온도에서 시료 상공의 수증기 압력을 같은 온도의 순수 수증기 압력으로 나눈 값으로 측정됩니다. 그리고 상대 수증기 압력(때로는 부분 수증기 압력이라고도 함)은 바로 수분 활성도와 같습니다. 따라서 시료의 부분 수증기 압력을 구하면 수분 활성도를 계산할 수 있습니다.

그림 1은 증기압이 무엇인지 보여줍니다. 왼쪽 용기에는 식품 시료가 들어 있습니다. 시료에서 물 분자가 빠져나와 용기 내부의 공극으로 이동합니다. 이 분자들은 밀폐된 용기 내부에 특정한 압력을 발생시킵니다. 이 압력은 오른쪽 용기에서 보여지는 것처럼 순수한 물이 발생시키는 압력과 비교됩니다. 수분 활성도는 두 압력 간의 비율이므로 무차원이며, 0(에너지 없음)에서 1(순수한 물과 동일한 에너지)까지의 척도로 측정됩니다.

압력이 평형 상태에 도달할 수 있도록 해야 하며, 온도와 압력은 일정하게 유지되어야 한다는 점을 강조할 필요가 있습니다. 25℃에서의 수분 활성도는 35℃에서의 수분 활성도와 다를 것입니다. 일반적으로 25℃에서의 수분 활성도가 더 높습니다. 따라서 어느 날 25℃에서 측정하고 다음 날 다른 온도에서 측정한다면, 수분 활성도는 동일하지 않을 것입니다. 수분 활성도는 온도가 일정할 때만 측정될 수 있기 때문입니다.

수분 함량의 정의

주요 방법: 건조 감량법 (식 2)

주요 방법: 적정법 (식 3)

에너지 상태인 수분 활성도와 달리, 수분 함량은 물의 질적 측정값, 즉 물의 양을 나타냅니다. 이는 반응의 원동력이 아닙니다. 수분 함량은 식감에 영향을 미치기는 하지만, 제품 내 반응이나 변화를 일으키는 원동력은 아닙니다. 이를 측정하는 데는 주로 두 가지 방법이 사용됩니다.

건조 손실: 건조 손실은 시료의 습중량에서 건조중량을 뺀 값을, 건조 기준일 경우 건조중량으로, 습기 기준일 경우 습중량으로 나눈 뒤, 그 결과에 100을 곱하여 백분율로 환산합니다. 기준에 따라 결과가 달라지므로 어떤 기준을 사용하는지 파악하는 것이 중요합니다. 이는 나눗셈에 사용되는 중량이 다르기 때문입니다. 안타깝게도 건조 손실 계산 시 기준이 명시되지 않는 경우가 많습니다. 보통은 단순히 수분 함량(%)으로만 표기됩니다. METER에서는 건조 기준(dry basis)을 사용할 경우 실제와 다른 음의 수분 함량이 나올 수 있으므로 습식 기준(wet basis)을 사용합니다. 건조 손실의 또 다른 문제는 물 이외의 물질, 예를 들어 알코올이나 기타 휘발성 물질이 증발하여 수분 함량이 증가할 수 있다는 점입니다.

적정법: ( 칼 피셔법이라고도 함) 이는 물, 요오드 및 일부 용매를 사용하는 화학 반응입니다. 이 반응은 물이 모두 소모될 때까지 진행되며, 이때 용액의 전기 전도도가 변화합니다. 전도도를 측정하여 수분 함량(%)을 계산합니다. 이 방법에는 잠재적인 문제가 있는데, 그 중 하나는 모든 물이 용해되어 반응할 수 있어야 한다는 점이며, 제품이 액체가 아닐 경우 이는 어려울 수 있습니다. 이를 위해서는 어떤 용매를 사용해야 하는지 알아야 하며, 모든 시료에 적용할 수 있는 만능 용매는 없습니다. 다양한 종류의 시료에 효과적인 주용매가 있기는 하지만, 모든 시료에 효과적인 것은 아닙니다. 또한 용매와 관련된 부반응이 발생하여 측정 결과에 영향을 미칠 수 있습니다.

수분 함량을 측정할 때의 한 가지 문제는 표준이 없다는 점입니다. 비교 대상으로 삼을 수 있는, 본질적으로 수분 함량이 X인 물질이 존재하지 않습니다. 수분 함량 비율에 대한 수치는 얻을 수 있지만, 그것이 정확한지 알 수 없습니다.

수분 활성도 시연

쿠키와 꿀의 수분 함량을 비교해 보면, 꿀의 수분 함량이 더 높을 것이라고 예상할 수 있습니다. 실제로도 그렇습니다. 꿀의 수분 함량은 18%이고, 쿠키는 5%입니다. 하지만 이 두 제품의 수분 활성도는 동일합니다(0.60aw). 즉, 쿠키를 꿀에 일주일 동안 담가 두더라도 쿠키는 부드러워지지 않을 것입니다. 왜일까요? 반응(이 경우 수분 이동)을 일으키는 원동력은 수분 함량이 아니라 수분 활성도이기 때문입니다. 에너지(또는 수분 활성도)가 같기 때문에 아무런 변화도 일어나지 않을 것입니다.

수분 활성도와 수분 함량 측정

수분 활성도와 수분 함량 모두에 적용할 수 있는 용도가 있습니다(표 2). 수분 활성도는 저장 문제를 예측하고 예방하는 데 더 정확한 방법이지만, 수분 함량이 식감에 영향을 미친다는 점에 유의해야 합니다. 원하는 제품 유형에 따라 수분 함량을 활용하여 식감을 개선할 수 있습니다. 또한 수분 함량은 라벨 표시 요건에 중요한 원료 농도나 영양 성분을 결정하는 데에도 사용될 수 있습니다. 그리고 제품에 수분 함량 제한이 있는 경우(예: 반려동물 사료의 10%)에는 제품이 규정을 준수하는지 확인하기 위해 수분 함량을 측정해야 합니다.

수분 흡착 등온선

각 제품마다 수분 활성도와 수분 함량 사이의 관계가 고유합니다. 그림 2는 우리가 테스트한 제품들의 수분 활성도와 수분 함량 간의 관계를 보여줍니다. 이들 제품은 모두 완전히 다르며, 각 그래프의 모양도 제각각입니다.

수분 활도와 수분 함량 간의 관계를 ‘수분 흡착 등온선’이라고 하며, 이를 통해 임계 수분 활도를 구할 수 있습니다. 임계 수분 활도란 수분 흡착 특성이 물리적으로 변화하여 더 많은 수분을 흡수할 수 있게 되는 지점을 말합니다. 임계 수분 활도는 곡선의 기울기 변화로 결정됩니다. 기울기가 변하는 수분 활도에서 제품의 조직이 변하거나 다른 유형의 반응이 일어납니다.

서로 다른 제형의 등온선을 비교함으로써 제형이 미치는 영향을 파악할 수 있습니다. 예를 들어, 두 가지 새로운 원료를 혼합할 때의 수분 활성을 예측하기 위해 건조 원료 혼합 과정을 모델링할 수 있습니다. 또한 온도 과다 노출의 영향을 파악할 수도 있습니다. 제품이 고온의 트럭이나 창고에서 운송 및 보관될 경우, 소매점에 도착했을 때 제품에 어떤 변화가 일어날지 예측할 수 있습니다. 다양한 온도에서 등온선 분석을 수행하여 그 영향을 예측할 수 있습니다. 등온선 분석은 유통 기한을 예측하는 데에도 필수적입니다.

미생물 증식

미생물은 성장하기 위해 물이 필요하며, 주변 환경에서 물을 얻습니다. 유기체가 내부보다 낮은 수활도 환경에 둘러싸이면 삼투 스트레스를 받게 됩니다. 그림 3에서 세포 내부의 수활도는 0.95 aw입니다. 세포 외부의 수활도는 0.90 aw이다. 높은 수활도는 낮은 수활도로 이동하려는 경향이 있으므로, 세포 내부의 물이 밖으로 이동하게 되고, 이 과정에서 세포는 팽압을 잃게 된다. 세포는 내부 수활도를 낮추기 위해 대사 과정을 변화시켜 적응하려 할 것이다. 만약 환경과 균형을 맞출 수 있다면, 세포는 성장과 번식에 필요한 충분한 물이나 에너지를 확보하게 된다.

하지만 만약 환경 조건에 맞지 않는다면 어떻게 될까요? 그림 3에 있는 또 다른 세포는 수분 활성도가 0.93이지만, 0.90인 환경 조건과는 맞지 않습니다. 이 경우 세포가 성장하고 번식할 수 있는 에너지가 부족하므로, 휴면 상태에 들어갑니다.

미생물이 얼마나 잘 적응하여 수분 활성을 낮출 수 있는지에 따라 그 미생물의 수분 활성 한계치가 결정된다. 1950년대에 윌리엄 제임스 스콧 박사는 미생물이 특정 수분 활성 수준 이하에서는 증식하지 않는다는 사실을 입증했다(표 3). 각 미생물마다 증식을 억제하는 특정 수분 활성 수준이 존재하며, 미생물은 그 한계치 이하의 환경에서는 증식할 수 없다.

표 3에 따르면 살모넬라균의 수분 활성도 한계치는 0.95입니다. 즉, 제품의 수분 활성도가 0.95이고 pH, 온도, 영양분 조건이 이상적이며 경쟁 종이 존재하지 않는다면, 살모넬라균은 증식할 수 없습니다. 이러한 조건 중 하나라도 변하거나 미생물 증식에 이상적이지 않은 환경이 되면, 한계 수분 활성도는 높아질 수 있습니다. 박테리아는 이 한계보다 높은 수분 활성도에서는 증식할 수 있지만, 더 낮은 수분 활성도에서는 절대 증식할 수 없습니다. 또한 박테리아가 쿠키, 분말, 반려동물 사료 등 어떤 매트릭스에 존재하든 상관없이, 이러한 박테리아가 존재한다면 그 한계 이하에서는 증식하지 않습니다.

수분 활성도는 세균을 사멸시키거나 제거하는 단계가 아니라는 점에 유의하십시오. 이는 미생물의 증식을 억제하는 관리 단계로, 제품이 안전하긴 하지만 무균 상태는 아니라는 것을 의미합니다. 세균은 여전히 존재합니다. 만약 이러한 식품이 허용 한도보다 높은 수분 활성도 환경에 노출된다면 세균이 증식할 수 있습니다. 이는 잠재적인 문제이지만, 수분 활성도를 충분히 낮게 유지하도록 제품을 설계한다면 문제는 발생하지 않을 것입니다.

표 3에 따르면 호기성 포도상구균의 최소 수분 활성도는 0.86입니다. 즉, 수분 활성도(aw)가 0.86을 초과하는 모든 식품은 잠재적으로 유해한 식품으로 간주됩니다. 이러한 세균이 증식하기 시작하면 인체에 해를 끼치므로, 해당 수분 활성도를 초과하는 식품은 잠재적으로 유해한 것으로 간주됩니다. 수분 활성도(aw)가 0.85 미만인 경우 이러한 현상이 발생하지 않는 한계치입니다.

표 4는 곰팡이와 효모를 포함한 다양한 미생물의 수분 활성도 범위를 종합적으로 보여주는 그래프입니다. 또한 각 수분 활성도 범위에서 흔히 발견되는 식품들도 함께 표시되어 있습니다. 0.85 이상은 잠재적으로 유해한 식품에 해당한다는 점에 유의하십시오. 곰팡이의 수분 활성도 하한은 더 낮지만, 일반적으로 부패를 일으키는 곰팡이는 0.7 이상에서 활동합니다. 0.6 미만에서는 어떤 미생물도 증식하지 않습니다. 이 정보를 활용하여 잠재적으로 유해하거나 부패성 곰팡이에 취약하지 않은 제품을 생산할 수 있습니다.

수분 활성도의 실제 적용

곰팡이 방지

한 재배자는 피칸의 수분 함량을 4%까지 건조시켰습니다. 그는 4%가 미생물 증식을 막기에 충분히 건조한 수준인지 확신하지 못했지만, 과거에는 이 수치를 기준으로 했을 때 문제가 발생한 적이 없었습니다. 만약 수분 흡착 등온선을 통해 수분 활도와 수분 함량의 관계를 확인해 본다면, 피칸의 수분 활도 0.68이 수분 함량 4%에 해당한다는 사실을 알 수 있을 것입니다. 0.68은 곰팡이 증식을 위한 미생물 한계치보다 낮은 수치입니다. 따라서 수분 활도가 0.68을 유지한다면, 4%의 수분 함량으로도 곰팡이 발생을 충분히 막을 수 있습니다.

하지만 그 농부의 작물에는 곰팡이가 폈다. 왜일까?

그의 수분 함량 측정 정확도는 0.5%에 불과했다. 피칸의 수분 함량이 4%로 측정되었을 때, 실제 수치는 4.5%에 가까웠으며, 이는 수분 활도가 곰팡이 발생의 안전 기준을 초과했음을 의미했다. 피칸의 수분 함량은 3.5%에서 4.5% 사이 어디든 될 수 있었기 때문에 수분 함량만으로는 적절한 품질 기준이 될 수 없었고, 재배자는 이를 결코 알 수 없었다.

피칸 재배자의 수분 함량이 3.5%에서 4.5% 사이로 변동하면, 피칸이 곰팡이에 취약해질 뿐만 아니라 수익도 줄어들 수 있습니다. 수분 함량이 낮으면 견과류의 품질이 떨어지고(더 단단해지며), 한 봉지에 들어가는 견과류의 양이 늘어납니다(과다 포장). 하지만 더 정확한 수분 활성도 사양을 사용했다면 두 가지 문제 모두 예방할 수 있었을 것입니다. 수분 활성도 0.68을 적용하면 수분 함량을 정확히 4%로 유지할 수 있습니다.

고결 및 뭉침 현상 예측

한 건조 수프 제조업체가 혼합물의 수분 함량을 3%로 조절했습니다. 그는 이 혼합물에 첨가할 새로운 고추를 공급받았는데, 이 고추의 수분 함량 역시 3%로 측정되었습니다. 하지만 두 재료를 섞자 전체 배치가 뭉쳐버렸습니다. 무슨 일이 일어난 것일까요? 수분 함량은 같았지만, 수분 활성도는 달랐기 때문입니다.

수프 믹스의 수분 활성도는 0.28 aw였으며, 고추의 수분 활성도는 0.69 aw로 수프의 임계 수분 활성도를 초과했습니다. 수분 활성도가 높은 쪽은 항상 낮은 쪽으로 이동하는 성질이 있으므로, 고추의 수분이 수프로 이동하면서 혼합물이 뭉치게 되었습니다. 제조사가 고추를 수프에 첨가하기 전에 수분 활성을 측정했다면, 0.69 aw가 수프의 임계 한계치보다 높다는 사실을 알고 있었기 때문에 뭉침 현상을 예측할 수 있었을 것이다. 입고되는 원료의 수분 활성을 추적함으로써, 제조사는 공급업체의 품질을 모니터링하고 임계 수분 활성도보다 낮은 수납 기준을 설정할 수 있다. 또한 이 정보를 활용하여 입고되는 원료의 일관성을 확보할 수 있다.

성공을 위한 전략 수립

수분 활성도는 제품 배합에 있어서도 매우 중요한 요소입니다. 스낵 케이크를 제조하고 아이싱, 크림 필링, 케이크에 대한 등온선을 도출해 본다면, 각 원료마다 수분 활성도와 수분 함량 간의 관계가 서로 다르다는 것을 알 수 있을 것입니다. 각 곡선의 모양도 서로 다릅니다(그림 4).

수활도가 0.7 바로 아래(수직선)인 경우, 각 재료의 수분 함량은 서로 다릅니다. 아이싱은 5%, 크림 필링은 15%에 가깝고, 케이크는 20%입니다. 고객이 스낵 케이크를 한 입 베어 물었을 때, 각기 다른 수분 함량은 서로 다른 식감을 선사합니다. 각 재료를 이 정확한 수분 활성도에 맞춰 배합하면, 각 구성 요소는 수분 함량과 식감을 유지하게 됩니다. 모든 구성 요소의 수분 활성도가 동일하기 때문에, 수분이 한 구성 요소에서 다른 구성 요소로 이동하지 않습니다.

과다 포장을 줄이고 수익을 늘리세요

한 반려동물 사료 제조업체는 그 수분 함량 기준에서 부패 사례가 한 번도 없었기 때문에 수분 함량을 6.5%로 설정해 제품을 생산했습니다. 이 업체는 등온선을 분석한 결과, 수분 함량 6.5%에서 제품의 수분 활성도가 0.4로 나타났으며, 이는 모든 미생물 기준치보다 훨씬 낮은 수치였습니다. 하지만 그의 수분 함량 기준이 너무 낮았던 것일까? 반려동물 사료의 최대 허용 수분 함량은 10%이므로, 그는 수분 함량과 수분 활성도를 안전하게 높여 이익률을 높이고 식감을 개선할 수 있었다.

이소템 데이터를 활용해 임계 수분 활성도를 파악하고 유통기한 계산을 수행한 후, 해당 반려동물 사료 제조사는 수분 활성도 0.6(수분 함량 9.5%에 해당)이라는 새로운 규격을 설정했습니다. 이 두 값 모두 안전 및 규제 기준을 충족했습니다. 수분 활성도와 수분 함량 기준을 높임으로써 원재료 비용을 절감할 수 있었습니다. 동일한 양의 반려동물 사료를 생산하는 데 필요한 원재료를 줄였으며, 사실상 그 원재료를 물로 대체한 셈입니다. 또한 오븐에서 가열하는 시간이 단축되어 전기 및 열 에너지 소비도 줄였습니다. 게다가 수분 함량이 높아져 제품의 품질도 향상되었습니다. 수분 활성도를 이해함으로써, 이 제조사는 품질이나 안전성을 저해하지 않으면서도 지속적으로 수익을 증대시킬 수 있었습니다.

화학적/생화학적 안정성 향상

수분 활성도는 식품 및 의약품에서 일어나는 다양한 화학 반응의 반응 속도에 영향을 미칠 수 있다.

그림 5는 테드 라부자(Ted Labuza) 박사가 작성한 그래프로, 대부분의 반응 속도가 수분 활성도가 0.6 근처일 때 증가함을 보여줍니다. 이 그래프는 박테리아, 효모, 곰팡이가 번식하는 지점을 나타냅니다. 또한 이 그래프는 효소 활성이 증가하는 지점도 보여줍니다. 갈변 반응은 수활도 0.6 부근에서 정점을 찍은 후 감소하는데, 이는 해당 지점에서 매트릭스 내 수분 함량이 높아져 반응이 희석되기 때문입니다. 지질 산화는 특이한 경향을 보이는데, 낮은 수활도에서 높게 나타나다가 높은 수활도에서 다시 높아집니다. 흥미롭게도 지질 산화는 수활도 0.3~0.4 사이에서 더 안정적이며, 이는 지방과 기름을 많이 함유한 감자칩과 같은 일부 제품에 있어 중요한 사항입니다.

수분 활성도가 필요한 이유

수분 활성도는 시스템 내 물이 지닌 에너지입니다. 이는 정성적인 개념이며 제품 자체에 내재되어 있습니다. 수분 활성도는 미생물 증식, 수분 이동, 물리적·화학적 변화와 같은 현상이 일어나도록 하는 원동력입니다. 반면 수분 함량은 단순히 물의 양을 나타낼 뿐입니다. 수분 함량은 원동력이 아니므로 물이 어떤 작용을 할지 알려주지 않고, 단지 얼마나 많은 양이 존재하는지 알려줄 뿐입니다.

수분 활성도는 미생물 증식을 방지하고, 물리적·화학적 안정성을 유지하며, 제품을 배합하고, 유통기한을 예측하는 데 있어 핵심적인 지표입니다.

참고 문헌

Labuza, Ted P., K. Acott, S. R. TatiNl, R. Y. Lee, Jv Flink, 및 W. McCall. “수분 활성도 측정: 다양한 방법에 대한 공동 연구.” Journal of Food Science 41, 제4호 (1976): 910-917.

Scott, W. J. “식품 부패 미생물의 수분 관계.” 『 Advances in food research』 제7권, 83-127쪽. Academic Press, 1957.

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