기능성 식품의 수분 활성도

리코펜이 풍부한 토마토. CBD가 첨가된 디저트. 블루베리와 석류 씨 같은 슈퍼푸드. 비타민 D가 강화된 우유. 기능성 식품은 다양한 형태로 존재하지만, 모두 일상적인 식단을 통해 질병을 예방하고 건강을 증진한다는 동일한 목표를 가지고 있습니다.

혜택을 유지하세요

모든 식품에는 건강에 기여하는 다량영양소와 미량영양소가 포함되어 있습니다. 기능성 식품에는 그 외에도 특정 건강 효능이나 질병 예방 기능을 가진 성분이 포함되어 있습니다. 그리고 해당 성분이 자연적으로 함유된 것이든 제품에 첨가된 것이든, 그 효능을 내세워 홍보되는 기능성 식품은 안전성뿐만 아니라 기능성 성분의 효능까지 보장할 수 있는 유통기한을 설정해야 한다는 독특한 과제에 직면해 있습니다.

기능성 성분을 보호하십시오

기능성 원료는 일반적으로 분해되기 쉬운 특성을 지닙니다. 빛, 열, 수분, pH 수준은 모두 분해 속도에 영향을 미칩니다. 기능성 원료가 상온 보관 가능한 제품의 성분으로 홍보될 경우, 제조사는 시간이 지남에 따라 pH와 수분 활성도가 해당 원료의 효능에 미치는 영향을 정확히 파악해야 합니다. 제품의 수분 활성도는 약속된 건강상의 이점이 실제로 발휘되도록 하기 위해 제형 개발 및 제조 과정에서 고려해야 할 중요한 기준 중 하나입니다.

습기의 영향

음료에 기능성 성분이 포함될 경우, 분해가 빠르게 진행될 수 있습니다. 예를 들어, 그림 1

비타민 C가 강화된 오렌지 주스의 농도 변화를 보여줍니다. 4주 동안 농도가 최대 50%까지 감소합니다(Nutraceutical Business Review, 2018). 많은 비타민과 프로바이오틱스도 고습도 환경에 노출될 경우 이와 유사한 영향을 받습니다(Turkmen, Priyashantha, and Jayarathna, 2019).

기능성 식품의 수분 활성도(Aw)를 낮춤으로써 품질 저하를 늦출 수 있습니다. 이를 위한 한 가지 방법은 식품이 수분 측면에서 가장 안정적인 상태인 ‘단층 값’ 수준에서 기능성 식품을 제조하는 것입니다. 하지만 단층 값이란 정확히 무엇이며, 대부분의 제조업체가 이를 목표로 삼아야 할까요?

단층에서의 안정성

단일층은 1938년 세 명의 물리학자(스티븐 브루나우어, 폴 에멧, 에드워드 텔러)가 제안한 이론적 개념입니다. 다공성 식품 매체에 적용되는 이 이론은 다음과 같습니다. 완전히 건조된 물질이 수분을 흡수할 때, 물 분자가 제품 내 모든 입자의 표면을 분자 한 겹 두께로 덮는 지점이 존재한다는 것입니다. 이론적으로, 모든 입자가 물 분자로 코팅되고, 그것도 아주 얇게 코팅되었을 때 제품이 가장 안정된 상태가 된다. 단백질 함량이 높은 제품의 경우, 단백질은 주름이 많고 단위 질량당 코팅할 면적이 넓기 때문에 단층에 도달하기 전까지 많은 양의 물을 흡수할 수 있다. 반면 결정성 설탕은 단순한 입방체 형태라 단위 질량당 코팅할 면적이 거의 없다.

제품마다 흡수할 수 있는 수분의 양은 다르지만, 대부분의 제품에서 첫 번째 층인 단층은 0.3 aw라는 비교적 일정한 수분 활성도에서 형성됩니다. 이 수분 활성도 범위에 속하는 대표적인 제품으로는 아침 시리얼, 밀가루, 파스타 등이 있습니다. 당연하게도, 이러한 장기 보존성이 뛰어난 제품들은 1940년대부터 미국 영양 강화 프로그램에서 선호되는 공급 수단이 되어 왔습니다(미국 의학연구소(Institute of Medicine (US)) 위원회, 2003).

더 신선한 식감을 선사합니다

그렇다면 왜 모든 기능성 식품이 단층 수분 활성도 수준에서 생산되지 않는 것일까? 간단히 말해, 현대 소비자들은 좀 더 부드럽고, 신선한 맛이 나며, 자연스러우면서도 바로 먹을 수 있는, 새로운 유형의 기능성 식품을 원하기 때문이다.  제조사들은 훨씬 더 높은 수분 활성도 수준에서 상온 보관이 가능한 기능성 식품을 개발하고 있습니다. 수분 활성도를 단층 값까지 낮추면 제품이 건조해지고 맛이 떨어지게 됩니다. 이러한 높은 수분 활성도 조건에서, 제품의 식감을 부드럽고 신선한 맛으로 유지하면서 기능성 성분의 유통기한을 극대화하기 위해서는 배합을 통해 복잡한 균형을 맞추는 작업이 필요합니다.

열화 속도 추적

수분 활성도는 이러한 균형 유지에 필수적인 역할을 합니다. 기능성 성분의 분해 속도를 수분 활성도와 연관 지어 분석하면 제형 개발자들에게 큰 도움이 될 것입니다. 분해 속도는 수분 활성도와 상관관계가 있지만, 성분마다 그 관계는 다릅니다. 예를 들어, 많은 비타민은 수분 활도가 높아질수록 더 빠르게 분해됩니다(예: Lavelli, Zanoni 및 Zaniboni, 2007; Sablani, Al-Belushi, Al-Marhubi 및 Al-Belushi, 2007 참조). 프로바이오틱스와 같은 다른 성분들은 최대 안정성을 달성하는 특정 범위를 가집니다. 수분 활도를 최적화하면 유통 기한을 며칠에서 몇 달로 연장할 수 있습니다.

유통기한 최적화

기능성 식품이 천연 성분을 많이 함유할수록 수분 활성도가 더 중요한 역할을 할 수 있습니다. 예를 들어, 건조 과일의 경우 기능성 제품의 수분 활성도는 기능성 성분의 유통기한뿐만 아니라 곰팡이 발생 가능성과 식감 같은 품질 특성에도 영향을 미칩니다. 또한 기능성 식품이 두 가지 이상의 천연 성분으로 구성되어 있을 때는 수분 이동 현상도 고려해야 합니다.

구체적인 제품이 무엇이든 간에, 상온 보관이 가능한 기능성 식품의 유익한 효과는 수분 활성도의 기본 원리를 이해하고 적용해야만 최상의 수준으로 유지될 수 있습니다.

참고 문헌

Nutraceutical Business Review. “열, 물, 햇빛 노출로 인한 비타민, 프로바이오틱스 및 기타 유효 성분의 분해.” 2018년 8월 7일.

Turkmen, Nazli, Hasitha Priyashantha, Shishanthi Jayarathna. “프로바이오틱 유제품 음료의 과제.” New Food Magazine, 2019년 10월 26일. https://www.newfoodmagazine.com/article/97303/challenges-in-probiotic-d….

미국 의학연구소(Institute of Medicine) 영양 표시에서 영양소 기준치(Dietary Reference Intakes)의 사용에 관한 위원회. “영양소 기준치: 영양 표시 및 강화에 관한 지침 원칙.” 워싱턴(DC): 미국 국립학술원 출판부(National Academies Press); 2003.

Shyam S. Sablani, K. Al-Belushi, I. Al-Marhubi 및 R. Al-Belushi (2007) 수분 활성도와 유리 전이 온도를 이용한 강화 분유 내 비타민 C의 안정성 평가, International Journal of Food Properties, 10:1, 61-71, DOI: 10.1080/10942910600717284

라벨리, 베라, 브루노 자노니, 안나 자니보니. “탈수 당근에서 수분 활성도가 카로티노이드 분해에 미치는 영향.” 《Food Chemistry》, 제104권, 제4호: 2007. 1705-1711쪽.

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