[식품가공학/식품화학] 자유수, 결합수, 등온흡습곡선, 수분활성도, 중간수분식품

■ 자유수와 결합수 

1.  자유수(Free Water)

 

(1) 자유수의 정의

: 식품 모세관을 자유로이 이동하는 물

: 용매로 작용하며, 쉽게 탈수 혹은 건조되는 물로서 유리상태로 존재한다. 

 

2) 자유수의 특징

- 전해질을 잘 녹임

- 끓는점, 녹는점이 매우 높으며, 비열이 큼 (↑)

- 0℃ 이하에서 얼고, 비중은 4℃에서 제일 높음 

- 표면장력과 점성이 큼(↑)

- 탈수작용이나 건조에 의해 쉽게 제거됨

- 미생물의 번식에 이용됨 

  ☆ 따라서 식품가공업자는 자유수를 관리하는 것이 중요 

 

 

2. 결합수(Bound Water)

 

(1) 결합수의 정의

: 식품 구성 성분(탄수화물, 단백질, 지방, 무기질, 비타민)과 직접 · 간접적으로 결합되어 있는 물로서

  쉽게 제거되지 않고 미생물의 번식과 발아에 이용되지 못하며, 식품 중의 유기물과 결합된 상태로 존재

 

(2) 구성 

: 준결합수(다분자층 흡착수) + 결합수(단분자층 흡착수)

 

(3) 결합수 특징

- 용질에 대하여 용매로 작용하지 않음

- 수증기압이 낮아 100℃ 이상에서 제거되지도 않으며, 0℃ 이하에서 얼지도 않음 

- 0℃ 이하 온도(-20~ -30℃) 에서 동결되지 않음

- 물보다 밀도가 큼

- 미생물의 번식과 발아에도 이용 불가

- 동식물 조직중에 존재하면, 압착해도 제거되지 않음

 

 

 

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■ 수분활성도와 미생물의 생존관계 (단답형 기출)

 

1. 식품의 수분활성도(Water Activity, Aw)

: 일정한 온도에서 식품의 수증기압과 같은 온도의 순수한 수증기압의 비 

* 즉 식품에 영향을 미치는 자유수의 양이 식품에 얼마나 있는지 알려주는 지표 

 

 

1) 수분활성도의 특징

- 식품 성분에 회합되어 있는 물(자유수+결합수)의 강도를 표시

- 물을 제외한 모든 식품의 수분활성도는 항상 1보다 작음

- 자유수와 결합수로 표현되는 식품 내 수분 형태 중 증발하여, 수분기압을 결정하는 수분형태는 자유수이며 

  수분활성도는 그 식품의 자유수로 표현

- 식품이 일정한 조건의 주위 공기와 평형상태를 이루고 있으면, 공기중의 수증기 분압과 식품 중의 수증기 분압이

  같아지므로 수분활성도는 평형상대습도(ERH)를 100으로 나눈 값과 숫자적으로 동일    

이러한 수분활성도는 미생물의 생장과 식품의 풍미, 색, 향을 변화시키는 화학적/물리적/생물학적 반응들과

관계되어 있으며, 식품 안전성에 있어서 전체 수분함량보다 더 중요한 의미를 갖는다. 

 

 

2) 수분활성도의 영향

(1) 미생물 성장

  * 일반적으로 최저 수분활성도는 세균 0.90, 효모 0.88, 곰팡이 0.80

  * Aw가 크면 미생물이 생장하기 쉬우므로, 미생물에 대한 식품의 안전성을 고려할 때는 Aw를 낮춰야 함

   ☆ 낮은 Aw에서 미생물은 삼투압의 변화가 발생하거나 세포 내부의 효소합성, 효소활성 같은 대사활동이 변화되어 사멸한다. 

 

(2) 효소반응

  * 효소의 작용도 수분의 함량 보다는 Aw에 의존

  * 효소작용의 속도에 영향을 주며, 효소의 최종활동단계도 결정함

 

(3) 유지의 산화

  * 유지의 산패에 영향 미침

 

(4)비효소적 반응

(5) 단백질의 변성

(6) 전분의 노화, 호화 

 

 

3) 수분활성도의 저하 방법(저장성 높이는 방법)

- 식염, 설탕 또는 인공첨가제 등 용질의 첨가

- 추출, 농축, 건조, 동결에 의한 자유수 제거(수분감소)

 

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■ 평형수분함량(EMC, Equilibrium Moisture Content)

: 수분을 함유하고 있는 식품을 일정한 온습도의 공기와 장시간 접촉시

식품 중 수분의 수증기압 = 주위 공기의 수증기 분압 (평형상태 도달)

즉 식품은 일정한 수분함량(평형수분함량)에 도달

 

→ 이와 같은 상태에서 식품의 수분함량을 그 조건에서의 평형수분함량이라 하며

주위 공기의 상대습도를 평형상대습도라 한다. 

 

 

 

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■ 등온흡탈습곡선(수분활성도와 식품의 변화)

 

: 일정한 온도 조건하에서 식품이 대기 중의 수분을 흡수하거나 방출하여 평형수분함량을 이루는 경우

평형상대습도와 평형수분함량 사이의 관계를 표시한 곡선

 

1) 특징

①Ⅰ구간 (단분자막 형성 영역)

- 아주 강한 이온결합을 하고 있는 영역

- BET 단분자막을 형성하는 영역으로, 수분함량이 낮아 식품의 구성성분이 직접 공기 중의 산소나 미량금속에 노출

- 유지 식품의 경우 안정성, 저장성이 오히려 낮음

 

* BET영역

: 물 분자가 균일하게 하나의 분자막을 형성하여 식품을 덮고 있는 지점

: 유지의 산패가 가장 적음

: 식품마다 차이가 있으나 보통 Aw 0.2~0.4 정도에 위치함

: 수분과 식품 구성성분 간에 이온결합으로 이루어져 있다

 

 

②Ⅱ구간(복수분자막 형성 영역)

: 준결합수의 상태로 존재

: 건조식품의 경우 안전성이 가장 좋은 영역

- 수소결합에 의한 영역

- 복수 분자막 형성에 해당하는 수분함량

- 물분자들이 증가할수록 식품 구성성분의 외부에 대한 노출 감소 → 유지의 산패 억제

 

 

③Ⅲ구간(모세관 응축 영역)

- 자유수의 형태로 존재

- 식품의 품질저하가 가장 많이 일어나는 영역

- 미생물의 생육이나 증식이 일어나는 영역

- 복수 분자막 형성 수분함량보다 많은 수분함량

-  용매로 작용할 수 있는 자유수 증가

 (유지 산패 촉진, 효소작용 활성화, 물리적/화학적/생물학적 반응 촉진)

 

 

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■ 중간수분식품

1) 정의

: 식품에 수분대신 보습제를 가하여 미생물의 생육을 억제할 수 있는 수분활성도까지 낮추어 저장성을 높이고, 

고유의 조직감을 그대로 유지하는 제품

 

2) 특징

- 보습제로는 과거 설탕, 소금 → 현재 글리세린, 솔비톨 등을 사용 

- 통상 Aw 0.65~0.85 사이의 식품, 수분 15~30% 

- 곶감, 건포도, 소시지, 양갱, 잼, 젤리 등이 포함됨 

- 냉장이 필요하지 않으며 바로 먹을 수 있는 반건조 식품. 

- 수분 함량은 상대적으로 높으나 보습제를 넣어 미생물이 자라지 않도록 수분활성도를 조절하여 보존한다. 

 

 

3) 건조방법

- 부분건조: 습윤제(설탕, 소금)을 넣어 식품의 유리수 고정

- 삼투압건조: 고농축 습윤제 용액에 음식을 담그는 과정으로 습윤제 용액으로 수분 확산은 삼투압 의해 발생