[식품화학] 등온흡습곡선 / 이력현상(Hysteresis) / 등온흡습곡선 실험법

 

목차
1. 등온흡습곡선이란?
  (1) 단분자층 영역
  + BET(Brunauer-Emmet-Teller) point
  (2) 다분자층 영역
  (3) 모세관 응축 영역
2. 이력현상 (Hysteresis)이란?
3. 등온흡습곡선 실험법 
  (1) 상압가열건조법
  (2) 감압가열건조법

---

 

1. 등온흡습곡선이란?
식품 중의 수분 함량은 상대습도에 따라 변화하며, 상대습도와 평형에 도달할 때의 수분함량을 평형 수분 함량이라 한다. 등온흡습곡선은 일정한 온도 조건으로 상대습도와 평형 수분 함량 사이의 관계를 표시한 곡선으로써 식품 쪽으로 수분이 흡습 되며, 건조 과정과 같이 식품으로부터 수분이 탈습되는 경우의 곡선을 등온탈습곡선이라 한다. 

 

등온흡습곡선은 상대습도의 정도에 따라 크게 3영역으로 나뉜다.

 

 

(1) 단분자층 영역
단분자막 형성은 식품 속에 반응 활성이 큰 분자들의 강한 흡착을 허용하는 장소들이 물 분자들에 의해 덮여 있는 영역이다. 이 영역에서의 수분은 용매로서의 가치가 거의 없으며 물의 이동도 거의 없다. 물분자층이 덮이지 않은 부분이 많을수록 햇빛이나 산소에 노출되어 지방 산패가 잘 일어난다.

 

+ BET(Brunauer-Emmet-Teller) point
물분자가 균일하게 하나의 분자막을 형성하여 식품을 덮고 있는 영역으로 지방 산패가 가장 적게 일어난다. 식품마다 조금씩 차이가 있으나 대게 수분 활성도가 0.3~0.4 정도에서 BET point를 형성한다. BET point는 수분과 식품의 구성 성분 간에 이온 결합으로 이루어져 있으며, 이론적으로는 물 한분자들로 완전하게 덮여 있는 상태로 지방 산패가 최소로 일어나는 영역이다.

 

 

(2) 다분자층 영역
물분자들이 식품의 친수성기와 이온 결합하는 단분자막과는 달리 물분자간의 비공유 결합인 수소결합에 의해 BET 단분자막 형성 수분 함량보다 많은 물분자들로 여러 층에 걸쳐 덮여있는 영역이다. 건조식품의 경우 가장 안정성이 높은 영역으로 최적의 수분 함량을 이 영역의 평형 수분 함량으로 유지하는 것이 바람직하다. 지방이 많이 함유된 식품에서는 지방 산패의 촉매 역할을 하는 금속의 이온의 이동이 가능한 영역으로 수분 활성도가 증가할수록 지방 산패가 활발히 일어난다.

(3) 모세관 응축 영역
다분자층 영역의 수분 함량보다도 많은 수분 함량을 갖는 영역으로 물분자들이 주로 자유수로서 작용하기 때문에 화학반응의 용매로 작용하여 화학반응이 쉽게 일어난다. 또한 효소 반응이 촉진되며 미생물들이 쉽게 이용할 수 있기 때문에 미생물의 증식이 쉽게 일어나는 영역으로 식품의 품질 저하가 가장 많이 일어난다.

 

2. 이력현상 (Hysteresis)이란?
식품의 등온 흡탈습 곡선을 보면 서로 일치하지 않고 어떤 일정한 평형 상대습도 조건에서의 평형 수분 함량이 흡습 과정보다는 탈습 과정의 경우가 높은 함량을 보이는 현상을 말한다. 

 

이는 ① 모세관들에 있던 수분이 탈습시 식품으로부터 빠져나갔다가 다시 흡습하는 경우 주변의 상대습도가 더 크지 않는 한 전량이 다시 흡습되지 않는다. ② 탈습 과정 중 조직을 형성하고 있던 분자 조직체가 수축에 의해서 흡착 표면에 이용할 수 있는 흡착 장소의 수가 감소하여 수분의 가역적 흡수가 거의 불가능의 원인이 된다.

 

 

 

 

3. 등온흡습곡선 실험법 

(1) 상압가열건조법
1) 105℃로 조절된 정온건조기에 칭량 접시의 뚜껑을 열어 놓고 1~2시간 가열한다.
2) 접시에 뚜껑을 덮고 데시케이터에 옮겨 방랭, 실온까지 되면 정확하게 칭량한다.
3) 이 조작을 반복해서 항량 여부를 확인하고 분쇄한 적당량의 시료를 칭량 접시에 취해 밑면에 넓게 펴서 칭량한다.
4) 다시 105℃의 항온건조기에 뚜껑을 닫지 않은 채 넣어 3~5시간 건조 후 뚜껑을 닫고 데시케이터에 재차 옮겨 실온까지 식힌 후 다시 칭량한다. 이러한 조작을 2회 반복한다.
5) 아래 공식을 이용해 수분함량(%)을 계산한다.

 

W0 : 칭량접시의 무게
W1 : 시료와 칭량병의 전체무게
W2 : 건조된 후의 시료와 칭량병의 전체 무게

 

 

(2) 감압가열건조법
1) 칭량 병을 100~110℃에서 가열 건조해 항량을 구하고 시료의 일정량을 정확히 칭량한다.
2) 소정의 온도로 조절된 감압 건조기에 넣어서 소정의 조건에서 감압하여 약 5시간 건조시킨다.
3) 건조 후 깨끗이 씻은 병속에 황산을 넣어 습기를 제거한 용기 내에 넣어 상압으로 돌아올 때까지 방치한다.
4) 문을 열고 즉시 칭량 병의 뚜껑을 닫고 데시케이터에 옮겨서 방랭시킨 후 칭량한다.
5) 이것을 다시 1시간 감압 건조하고 방랭, 칭량을 반복하여 항량을 구한다
6) 건조시간은 2시간으로 하고 전후의 평량차가 2mg 이하가 될 때까지 반복한다.
7) 측정값을 이용해 수분함량 계산을 한다.