[식품 가공 및 저장학] 식품의 수분과 식품저장

 

식품의 수분과 식품저장

 

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1) 자유수와 결합수

 

 식품 안에 존재하는 수분은 식품의 저장성과 가장 많은 연관성이 있으므로 기본적으로 수분에 대한 지식이 필요합니다. 이때 식품에 들어 있는 수분은 모두 같은 성질을 갖고 있는 것으로 생각하기 쉽지만 그렇지 않습니다, 식품조직 중의 수분은 자유로이 존재하는 자유수(free water)와 식품의 조직성분과 단단히 결합하여 있는 결합수(bound water)로 구분됩니다. 자유수는 수용성 물질의 용매 역할을 하며 화학반응에 이용됩니다. 또한 식품을 가열하면 증발하고, 빙점 이하가 되면 동결되어 얼음으로 변화될 수 있으며, 미생물이 이용할 수 있습니다. 반면에 결합수는 자유수와는 달리 조직의 구성 물질과 결합하여 수화되어 있거나 식품의 겔(gel) 중에 흡입되어 있는 물, 고체 표면에 흡착되어 있는 물을 말하는 것으로, 식품 중 고분자물질의 구조 유지에도 관여합니다. 그러므로 결합수는 용질을 녹이는 용매 역할을 하지 못하여, 증발하거나 동결되지도 않고 미생물이 이용할 수도 없습니다.
 즉, 수분함량이 같은 식품이라도 자유수가 많은 식품은 미생물의 증식이 쉽고 화학적 변화도 받기 쉬워 저장성이 좋지 않지만, 자유수가 적은 식품은 미생물이 증식하기 어렵고 화학적 변화도 느려 저장성이 좋습니다. 따라서 수분함량이 같은 식품이라도 식품의 종류와 성분에 따라 수분이 각 식품의 성분들과 결합하는 정도가 다르고 장유수와 결합수의 비율이 다르므로, 식품의 저장성을 단순히 수분함량이 많고 적음을 가지고 말할 수는 없습니다.

 

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2) 수분활성도

 

 식품의 저장성은 앞에서 언급한 대로 미생물에 의해 큰 영향을 받는데, 미생물의 증식에 영향을 주는 것은 식품에 함유된 수분함량의 많고 적음이 아닌 수분 중에서도 미생물이 이용할 수 있는 자유수의 양입니다. 그러므로 식품 내에 수분함량이 많더라도 실제 미생물이 이용할 수 있는 자유수의 양이 적다면 미생물은 쉽게 증식할 수 없는 상태가 됩니다. 따라서 식품의 저장성을 표현하는데 단순히 식품에 함유된 수분함량(%)을 이용하는 것보다는 수분활성도(water activity)로 설명하는 것이 더욱 타당합니다.
어느 한 식품의 수분활성도는 다음과 같이 어떤 임의의 온도에서 순수한 물의 수증기압에 대한 그 식품이 나타내는 수증기압의 비로 정의됩니다.
                                                              Aw=P/P_0=RH/100 (단, RH는 상대습도)

 밀폐되지 않은 대기에 방치된 식품의 수분함량은 대기 중의 수분과 서로 교환되면서 평행상태에 이릅니다. 즉, 대기 중의 습도가 높으면 식품은 수분을 흡수하고 습도가 낮으면 수분을 방출합니다. 그러므로 식품 중의 수분함량을 정적인 것으로 보지 않고 식품 자체의 수분함량과 대기의 상대습도(RH) 간의 상관관계에 영향을 받는 동적인 것으로 보아야 하므로 이 두 값의 비율인 수분활성도의 개념이 더 실제적인 것입니다. 따라서 미생물에 의해 변해, 산화, 갈변 등의 화학반응에 관여하는 수분의 지표로 수분함량보다는 수분활성도를 이용하는 것이 더 정확하다고 할 수 있습니다.

 

 순수한 물의 수분활성도는 1이며, 물 이외의 식품에는 각종 성분이 함유되어 있어 수분활성도는 항상 1보다 작은 값이 됩니다. 수분활성도 0.9 이상(수분함량이 대략 50% 이상)인 식품류에는 자유수가 많기 때문에 미생물의 증식이 쉬워 잘 부패하지만, 수분활성도 0.6~0.9(수분함량이 10~40%)인 식품류는 자유수가 적기 때문에 세균의 증식이 어려워 저장성이 뛰어나고 촉촉한 느낌과 함께 충분한 가소성도 있으며 포장도 쉽습니다. 이와 같은 식품을 중간수분식품이라고 합니다. 잼, 젤리, 건조과일, 드라이 소시지, 양갱, 훈제품, 된장, 간장, 소금에 절인 생선 등이 중간수분식품에 속합니다. 최근에 블랜칭(blanching) 처리하고 알코올과 설탕을 가하여 수분활성도를 낮추고, 항균제, 항산화제 등을 첨가하여 저장성을 높인 중간수분식품도 개발되고 있습니다.

 

 식품의 수분활성도가 낮으면 미생물의 증식이 크게 억제되므로 식품의 저장성이 높아지지만 그렇다고 해서 완전히 안전하다고 할 수는 없습니다. 그 이유는 수분활성도가 낮아도 모든 미생물이 증식하지 못하는 것이 아니고, 낮은 수분의 활성도의 식품에서도 생존할 수 있는 미생물이 있기 때문입니다. 일반 세균은 대체로 수분활성도가 0.9 이하가 되면 생육이 불가능해지고, 곰팡이는 0.8 이하, 내삼투압성 효모나 곰팡이 등은 0.61 이하가 되면 생육이 불가능해집니다.

 

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3) 등온흡습곡선

 

 식품은 일정한 온도에서 흡습이나 방습합니다. 따라서 일정한 온도와 상대습도(RH)에서 식품을 방치하고 어느 정도의 시간이 지나면 식품의 수분함량은 상대습도와 평행을 이루는데, 이때의 수분함량을 평형수분함량(%)이라고 합니다.
여러 가지 상대습도로 조절된 각각의 밀폐용기에 식품을 넣고 일정한 온도에서 상대습도와 식품의 수분이 평형을 이루도록 합니다. 평형이 되면 각 상대습도에 대한 식품의 수분함량을 구하여 상대습도를 가로축에 놓고 세로축에는 여기에 대응하는 식품의 평형수분함량을 점으로 표시한 다음 각 점을 연결합니다. 이때 이 선의 모양은 역 S자형 곡선으로 나타나는데, 이 선이 식품 중 수분의 존재 상태를 나타내는 등온흡습곡선입니다.

 

 이 곡선은 기울기가 다른 세 영역으로 나뉘는데, 원점에서 저습도 영역의 굴곡점까지의 1영역 수분은 식품의 조직성분과 이온결합을 통해 단분자층을 이루는 결합수입니다. 저습도 영역 굴곡점에서 고습도 영역 굴곡점까지의 2영역 수분은 물-물 또는 물-용질 사이의 수소결합에 의해 다중 층으로 흡착된 준결합수로서 식품의 가용성 성분을 용해합니다. 고습도 영역인 굴곡점 이상의 3영역 수분은 식품의 다공질 구조에 응축하여 존재하며, 결합이 가장 약하여 이동이 자유로운 자유수로 전체 물의 95% 이상을 차지합니다.

 

 등온흡습곡선은 식품의 성분조성이 비슷하면 거의 비슷한 곡선을 보이지만 같은 식품이라도 식품 주위의 온도가 다르면 다른 모양을 나타냅니다.