[식품화학] 자유수-결합수 / 수분활성도 / 수분함량 / 수분함량 측정법

 

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1. 자유수와 결합수란?

식품 중에 존재하는 물은 자유수와 결합수 두 가지 형태로 존재한다. 

 

자유수는 결합수와 달리 식품의 구성성분과 결합하여 있지 않고 모세관을 자유로이 유동하는 물이므로 탈수 작용이나 건조에 의해 쉽게 제거되며, 0℃ 이하에서 잘 얼게 되는 보통 형태의 물을 말하는 것으로 식품 중에서 당류, 염류, 수용성 단백질들을 용해하는 용매로서 작용하는 물이다. 전해질을 잘 녹이고 끓는점이 매우 높다. 또한 비열이 크고 비중은 4℃에서 최고의 값을 가지며, 자유수는 결합수에 비해 표면장력이 크고 점성이 크다.

결합수는 자유수와는 달리 당류와 용질에 대해 용매로서 작용하지 않는다. 결합수의 수증기압은 정상적인 물의 경우보다 낮으며 대기 중에서 100℃ 이상으로 가열해도 제거되지 않는다. 또한 0℃ 이하의 낮은 온도에서도 얼지 않으며 보통의 물보다 밀도가 커서 동식물의 조직에 존재할 때 그 조직에 큰 압력을 가하여 압착해도 제거되지 않는 상태의 물이 결합수이다. 또 식품에서 미생물의 번식과 발아에도 이용되지 못하는 성질이 있다.

 

 

2. 수분활성도란?

식품의 저장수명은 주로 미생물의 증식과 밀접한 관계가 있다. 곧, 미생물들이 실제로 이용할 수 있는 수분함량이 관심의 대상이고 식품의 수분함량은 관계가 멀다. 따라서 식품의 저장수명은 어떤 온도에서의 수분 활성도와 직접적인 관계를 맺는다. 수분 활성도는 일정온도에서 순수한 물의 수증기압에 대한 식품의 수증기압의 비율로 정의된다. 식품의 수증기압은 식품 중의 수용성 용질의 종류와 함량에 좌우되므로 다음 식으로도 정의된다.

 

 

P0: 일정 온도하에서 순수한 물의 평형 증기압
P : 같은 온도에서 식품 중의 물의 평형 증기압
ERH : 평형상대습도

Nw: 물의 몰분율

Ns : 수용성 용질의 몰분율

 

 

 

 

3. 수분 활성도와 상대습도의 관계

상대습도는 실질적으로 식품에 있어서 수분 활성도의 정의와 같으므로 상대습도는 바로 그 상대 습도와 평형을 이르고 있는 식품의 수분 활성도의 100배와 같다. 또한 식품 중의 수분함량을 보통 %로 표시하게 되는 경우가 많은데 식품의 수분함량은 대기 중의 상대습도에 의해 크게 영향을 받기 때문에 대기 중의 상대습도까지 고려한 수분함량으로 표시하는 것이 옳다.

 

 

4. 수분함량(Moisture Content)이란?

식품에 함유된 수분함량은 습량 기준(wet weight basis, %)과 건량 기준(dry weight basis %)으로 나타낸다. 

 

습량 기준 = 습한 물체 단위 질량당 수분량

건량 기준 = 건물 단위 질량당 수분량이다.

 

 

5. 수분함량의 측정법

수분함량의 측정에서는 자유수와 결합수를 명확하게 구분하기가 곤란하므로 일반적으로 총체적인 수분함량을 측정한다. 수분의 정량에는 건조법, 적정법, 증류법, 전기적 측정법 등 여러 종류가 알려져 있으나 건조법의 사용 빈도가 가장 높다.

(1) 건조법

건조법으로 수분을 정량할 때는 수분만이 아니라 식품에 따라서는 알코올이나 휘발성산 등의 휘발성 성분도 동시에 제거되거나, 산화에 의해 중탕 증가가 수반되기 때문에 식품 중에 존재하는 수분을 정확하게 측정하기란 상당히 어렵지만, 측정법과 조건을 명기한다면 통상의 분석에는 지장이 없다.

 

식품의 일반 분석에는 주로 상압 가열건조법이 적용되고 있다. 그러나 식품은 다종다양하므로 곡류시기품의 경우에는 고온도(135℃)의 가열이 적용되고, 가열에 의해 쉽게 분해되는 아미노산, 펩타이드, 당, 유기산 등의 저분자성 식품은 감압건조법을 사용한다. 상압 도는 감압 하에서 가열 건조하면 수분만이 휘발되므로 건조 전과 건조 후의 증량차를수분량 으로써 구한다.

(2) 증류법

이용이 가능한 식품은 물 이외의 휘발성분이나 지질이 많고 비교적 성분이 열에 안정한 식품, 지질이 많은 대두, 치즈, 어육, 축육, 수분이 많아서 건조하면 피막이 생기는 식품 등이 있다. 물과 혼합하지 않는 유기용제 중에서 시료를 가열하면 시료 중에 물 또는 물과 용제가 증기가 되어 추출된다. 이 증기를 냉각시켜 눈금이 새겨 있는가는 관에 물이 모여 용제와 분리된 물의 용량을 측정하여 시료의 수분을 정량하는 것으로, 우리나라에서 유류 중의 수분 측정은 이것을 이용하고 있다.

(3) 적외선 수분계

시료 일정량을 정확하게 달아서 적외선을 열원으로 하여 시료를 가열 건조한 후, 건조에 의해 감해진 양을 수분 %로 하여 직접 구하는 방법이다. 이 방법은 100℃ 이상의 고온으로 가열하기 때문에 신속히 수분함량을 구할 수 있으나 가열 조작은 표준적인 수분 정량법을 참고로 하여 식품의 종류에 따라서 각자가 정할 필요가 있으며 정확도가 높지 않은 단점이 있다.

(4) 화학 반응법

수분은 어떤 물질과 화학 반응하며, 이 특성은 식품 재료 내의 수분함량의 측정에 이용될 수 있다.

(5) 기기적 측정법

식품 내 수분 함량의 측정에는 물리적 또는 물리화학적 특성에 기초한 전기전도, 핵자기 공명(NMR), 근적외선(NIR) 등의 다양한 방법들이 이용할 수 있다. 이 방법들은 온라인 검사 같은 품질관리 목적에 유용하지만 조작의 용이성이나 비율에서 차이가 크다. 전기적 수분 측정기는 전기 전도에 대한 수분의 영향에 기초하고 있으며 가격이 저렴하고 사용이 간편하며 직접 읽을 수 있지만 정확성이 부족하고 곡류 같은 다량의 식품의 수분함량을 조사하는 경우에만 적합하다.

 

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