건조 증류 잔여물의 품질 모니터링을 위한 수분 활성도

용해성 성분이 포함된 건조 증류 곡물(DDGS)은 곡물 바이오에탄올 제조 공정의 부산물입니다. 이는 여러 단계의 공정을 거쳐 생산됩니다. 먼저, 에탄올 생산 과정에서 남은 비발효성 물질은 증류 잔류물(stillage)로 분리됩니다. 원심분리를 통해 스틸리지의 과잉 수분을 제거하고, 이 습한 곡물을 응축된 증류 잔류 용액과 혼합한 후 건조시켜 DDGS를 만듭니다. DDGS는 주로 고품질 사료 첨가제로 판매되지만, 인간의 영양 보충제를 포함하여 다양한 용도로 활용될 잠재력이 있습니다. DDGS의 판매는 에탄올 생산 공장의 경제적 타당성에 크게 기여합니다. 따라서 DDGS의 품질과 유통 기한을 최적화하는 것이 가장 중요합니다.

DDGS에 권장되는 분석 방법

2007년 2월 1일, 미국 사료 산업 협회(American Feed Industry Association)는 “용해성 성분이 포함된 건조 증류 곡물(DDGS) 분석을 위한 분석 방법 평가”라는 제목의 연구 보고서를 발표했다. 이 연구는 DDGS를 평가하기 위한 분석 방법의 유효성을 검토했다. 연구의 목적은 DDGS의 물리적·화학적 특성을 가장 잘 파악하고, 그 안전성과 품질을 보장할 수 있는 일련의 시험 방법을 선정하는 것이었다. DDGS의 유통기한과 관련하여 주요 관심사는 미생물 분해에 대한 취약성, 유동성 유지, 그리고 수분 이동이다.

물은 이러한 모든 문제에 영향을 미칩니다

이 연구에서 언급된 유일한 수분 분석 방법은 수분 함량뿐이었다. 안타깝게도 수분 함량은 앞서 언급한 문제점들을 해결하는 데 가장 효과적인 수분 분석 방법이 아니다. 수분 활성도는 미생물학적 안전성, 유동성, 수분 이동성을 예측하는 데 더 유용한 지표이다. 에탄올 생산업체들은 품질 보증 검사 항목 중 하나로 수분 활성도를 활용한다면, 시간과 비용을 절감하면서도 DDGS 제품의 품질을 더욱 효과적으로 관리할 수 있을 것이다.

수분 활성도란 무엇인가요?

수분 활성도는 시스템 내 물의 에너지 상태를 나타내며, 밀폐된 용기 내 시료와 평형 상태에 있는 공기의 상대 습도와 동일합니다. 이는 열역학에 기초하며, 주어진 온도에서 시료 위의 물 증기압(p)을 순수 물의 증기압(po)으로 나눈 값으로 정의됩니다. 과학적으로 정확하지는 않지만, 수분 활성을 DDGS 내의 “이용 가능한” 물의 양으로 상상하면 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이는 DDGS에 얼마나 많은 물이 존재하는지에 의해 결정되는 것이 아니라, DDGS 내의 물이 순수 물과 얼마나 유사하고 그와 같은 성질을 보이는지를 비교한 것입니다.

수분 활성도는 0(완전히 건조한 상태)부터 1.0(순수한 물)까지의 범위를 나타내는 척도입니다.

수분 활성이 낮아지면 DDGS 내 수분의 에너지가 감소하고 이용 가능도가 낮아지며, 순수한 물과 같은 특성을 점점 덜 띠게 됩니다. 예를 들어, 수분 활성 0.80은 시스템 내 수분이 곰팡이 증식을 유지할 만큼 충분한 에너지를 가지고 있음을 나타내는 반면, 수분 활성 0.60 미만은 시스템 내 수분이 어떠한 미생물의 증식도 유지할 수 없음을 의미합니다. 또한 수활도가 증가함에 따라 물의 이동성이 높아지는데, 이는 분자 이동성에 영향을 미치고 화학적 및 효소적 반응 속도를 증가시킵니다. 예를 들어, 갈변 반응 속도는 수활도 0.25에서 최소 수준이며, 수활도가 증가함에 따라 꾸준히 증가하다가 약 0.80 aw에서 최대치에 도달합니다.

수분 활성도는 미생물의 증식을 조절한다

수분 활성도 개념은 수십 년간 미생물학자와 식품 기술자들에게 유용한 도구로 활용되어 왔으며, 식품 안전 및 품질을 평가하는 데 가장 널리 사용되는 기준입니다. 미생물에는 그 이하에서는 증식할 수 없는 한계 수분 활성도가 존재합니다. 미생물 증식에 필요한 ‘이용 가능한’ 물의 하한선은 수분 함량이 아닌 수분 활성도에 의해 결정됩니다. 박테리아, 효모, 곰팡이는 증식을 위해 일정 수준의 이용 가능한 물이 필요하므로, DDGS를 임계 수분 활성도 수준 이하로 건조시키는 것은 미생물 증식을 억제하는 효과적인 방법입니다. DDGS에서 일반적으로 허용되는 수준보다 높은 수분 함량을 보일지라도, 수분의 에너지 수준이 충분히 낮다면 미생물은 성장을 유지하기 위해 그 수분을 이용할 수 없습니다. 이러한 ‘사막과 같은’ 조건은 미생물과 주변 환경 사이에 삼투 불균형을 초래합니다. 결과적으로 미생물은 휴면 상태가 되거나 사멸합니다. 대다수 병원성 세균의 성장을 제한하는 수분 활성도는 0.90이며, 부패성 곰팡이의 한계 수분 활성도는 0.70이고, 모든 미생물의 하한 수분 활성도는 0.60입니다.

수분 활성도는 뭉침, 덩어리짐, 붕괴 및 끈적임을 억제하는 데 도움이 됩니다

수분 활성도는 또한 저장 중 DDGS의 물리적 안정성을 나타내는 지표가 될 수 있습니다. 취급 용이성에 미치는 영향으로 인해 유동성은 DDGS의 물리적 안정성 측면에서 주요 고려 사항입니다. DDGS의 수분 활성도를 적절히 조절하면 적절한 구조, 조직, 안정성 및 밀도를 유지할 수 있습니다. DDGS가 유동성을 유지할 수 있는 임계 수분 활성도를 파악할 수 있습니다. 이 임계 수분 활성도 이상에서는 DDGS 입자가 습윤되어 서로 달라붙기 시작합니다. 따라서 가공, 취급, 포장 및 저장 과정에서 덩어리짐, 뭉침, 붕괴 및 끈적임과 같은 유해 현상을 방지하기 위해서는 수분 함량과 온도에 따른 DDGS의 수분 활성도를 파악하는 것이 필수적입니다. 수분 활성도는 DDGS의 유동성 저하 취약성을 평가할 수 있는 가장 효과적인 품질 보증 시험 방법입니다.

수분 활성도는 수분 이동을 조절한다

수분 활성도는 물의 에너지 상태를 나타내는 지표이므로, 수분 활성도의 차이는 수분 이동의 원동력이 됩니다. DDGS 원료 내에서 물이 흡수될지 아니면 탈착될지를 파악하는 것은 품질 저하를 방지하는 데 필수적입니다. 따라서 수분 활성도는 혼합된 DDGS 로트 내의 수분 이동을 조절할 수 있는 중요한 매개변수입니다. 건조 조건과 첨가된 용해성 물질의 양에 따라 DDGS 원료마다 수분 활성도가 다를 수 있습니다. 정의상 수분 활성도는 수분이 수분 활성도가 높은 영역에서 낮은 영역으로 이동함을 의미하지만, 이동 속도는 여러 요인에 따라 달라집니다.

답은 두 부하물의 수활성에 달려 있습니다. 두 부하물의 수활성이 다르면, 수분 함량이 같더라도 수분 교환이 일어납니다. 이러한 수분 이동은 유동 현상이나 미생물 증식 문제를 야기할 수 있습니다.

수분 활성도는 효과적인 품질 보증 수단입니다

수분 활성도는 DDGS의 안정성과 안전성을 유지하기 위한 효과적인 공정 관리 및 품질 보증 도구이며, DDGS의 권장 분석 방법으로 포함되어야 합니다. 앞서 설명한 이유 외에도, 수분 활성도는 수분 함량보다 민감도와 정확도가 높아 더 효과적인 수분 분석 방법입니다. DDGS가 속하는 중간 수분 범위에서는 수분 함량 분석의 정확도 한계로 인해 감지되지 않는 수분 함량의 변화가 수분 활성도의 큰 변화로 이어질 수 있으며, 결과적으로 안정성 변화로 이어질 수 있습니다. 이는 DDGS를 수분 함량 규격에 맞춰 건조했을 때, 수분 함량 변화는 감지되지 않음에도 불구하고 안정성이 갑자기 변할 때 당혹스러울 수 있습니다. 수분 활성도 규격을 사용하면 이러한 안정성 변화를 예측할 수 있습니다. 수분 활성도는 DDGS의 품질과 안전성을 보장하는 빠르고, 저렴하며, 정확한 방법입니다. 이는 모든 에탄올 공장에서 쉽게 도입할 수 있습니다. 수분 활성도 분석 및 DDGS에 대해 더 자세히 알아보시려면 Aqualab 지원팀에 문의하십시오.

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