제 1장 수분
1. 물분자의 구조
물은 H원자 2개와 O원자 1개가 공유결합을 하고 있으며, 산소원자를 중심으로 2개의 수소원자가 104.5°의 각도를 이루고 있다.
한개의 물분자(H2O)의 O원자가 인접한 물분자의 H원자를 전기적으로 끌어당기고 있는데 이것을 수소결합이라고 한다.
식품에서는 OH기를 갖는 당질과 NH기를 갖는 단백질 등의 성분이 물분자의 H 원자와 수소결합을 하고 있다.
2. 수분의 역할
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기출문제 1. 식품에서의 수분의 역할과 특히 저장성과의 관계를 설명하시오.(2004년 상반기) |
① 화학적인 역할
화학적 변화과정에서의 용매, 운반체 혹은 반응성분이 됨
반응성분의 예:
lipase
Triolein + 3H2O → 3 Oleic acid + Glycerol
- 수화 작용: 산화를 촉매하는 미량 금속을 수화
- 항산화 기능: 과산화물과 수소결합
- 향미와 색깔에 영향: 방사선 조사 식품에서 자유기를 형성
② 물리적인 역할
▷ 형태 유지에 필요한 압력 부여 & 식품의 조직감에 관여
- 건조 식품: 조직감, 밀도, 물리적인 구조의 변경 (수축)
- 전분 (떡)의 노화: 전분-수분 결합
▷ 물리적인 변형을 방지하기 위하여
▷ 흡습제 (실리카겔)를 이용한 수분의 이동 차단
③ 미생물적인 역할
▷ 미생물의 성장, 증식, 생존에 일정량의 수분이 필수적
* 수분 활성도 (Water activity)와 미생물의 성장
- 곰팡이: 0.65 전후
- 효모: 0.88-1.00
- 내염성 세균: 0.80-0.85
④ 경제적인 역할
▷ 수분 (중량)의 변화 = 식품의 경제성을 결정
▷ 건조식품: 수분제거로 輕量化, 부패억제
- 곡류
- 커피 (연간 매출액 7,000 억원): 수분 함량을 1% 증가시켜 출하한다면
→ 70억원 가량의 원료 절감
▷ 저장 수명기간 (shelf life) 연장
- 밀가루 10℃, 15% 수분 → 수 개월
14.5% 수분 → 4 년
13% 이하의 수분 → 6-7 년
⑤ 영양학적인 역할
▷ 생명 유지에 필수적: 체온 유지, 영양소, 노폐물 운반
▷ 체내 항상성 (homeostasis) 유지
▷ 수용성 비타민, 일부 단백질 및 아미노산의 형태와 성질을 보존
3. 자유수(free water)
▷ 정 의: 식품의 구성성분과 결합되어 있지 않고 모세관을 자유로이 이동하는 물
▷ 성 질
- 용매로서 작용하는 물
- 탈수작용이나 건조에 의해 쉽게 제거 가능
- 0 ℃에서 얼고 끊는점이 매우 높다.
- 비중은 4 ℃ 에서 최고이며 표면장력이 크고 점성이 크다.
4. 결합수(bound water)
▷ 정 의: 식품 중 타성분 / 화합물과 H-bonding을 통해 직접 또는 간접으로 결합되어 있어 유리수와 성질이 다른 물
▷ 성 질:
- 용질(당류, 염류, 가용성 단백질)에 대해 용매로 작용 못함
- 0℃ 및 그 이하 온도(-18~-40℃)에서도 잘 얼지 않음
- 증기압이 보통의 물보다 낮아 100℃이상으로 가열해도 제거되지 않음
- 보통의 물보다 밀도가 큼
- 식품을 압착하여도 제거되지 않음
- 식품에서 미생물의 생육에 이용되지 않음
5. 식품 공정중의 자유수의 역할
▷ 식품의 부패 방지를 위한 자유수의 감소: 건조법, 염장법
- 건조, 냉동식품: 자유수를 제거한 후 식품으로 활용
- 삼투압의 원리를 이용한 염장법
6. 수 화 (Hydration)
▷ 친수성기 (hydrophilic group)가 많이 노출되어 있는 부분 주위에 물 분자들이 수소 결합 형태로 결합되어 있는 형태 (-OH, -NH, -C=O)
▷ 수화에 영향하는 요인들: 용질의 성질, 염의 종류, pH, 온도
▷ 보수성이 높은 물질: 펙틴젤 (pectin gels), 검류 (gums), 동식물의 세포조직
▷ 단백질의 종류에 따라 수화 정도가 다름
친수성 부분 > 소수성 부분
7. 시네레시스 (Syneresis)
▷ 식품내에 존재하는 소수성 그룹이 가공공정을 거치면서 분자구조의 형태가 원래의 모습과는 다르게 변화하면서 외부로 표출되는 과정에서 소수성 결합을 하게 되고, 이 과정에서 소수성 결합 주변에 존재하던 물 분자가 빠져 나오는 현상
▷ Examples:
- 호화전분 → 노화 전분
- 콩 + 간수 → 대두단백질의 겔 (gel) 형성
- 치즈, 요쿠르트 제조시 단백질 침전에 의한 gel 형성
8. 수분활성도 (water activity)
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기출문제 1. 수분활성도란? ( 2003년, 1998년(하), 1997(상), 1996년(상), 1992년, 1990년, 1987년(상)) 2. 수분활성도와 식품저장과의 관계를 설명하여라(2001년(하), 1999년, 1992년). 3. 수분활성도와 미생물 증식과의 관계를 설명하여라(1999년(하), 1993년, 1988년, 1979년) 4. 식품의 건조와 수분활성도에 대하여 기술하라(1984년). 5. 식품의 수분활성도를 정의하고 미생물의 종류별 최소수분활성도와 염장 및 당장식품에 있어서 소금이나 설탕이나 농도와 수분활성도와의 관계를 설명하여라(1981년). |
▷ 배경
- 수분함량 (water content) = 식품의 안정성
- 동일한 수분함량 식품 ≠ 동일한 변패
→ 수분함량이 식품 변패를 좌우하는 지표 아님!
- 식품의 변화 = 이용 가능한 수분의 양
- 수분활성 (water activity) = 식품의 안정성을 측정하는 지표
▷ 정의
한 식품의 수분활성도(aw)는 어떤 임의의 온도에 그 식품의 수증기압에 대한 그 온도에 있어서의 순수한 물의 수증기압의 비율로 정의하며, 대기중의 상대습도(RH)가지 고려한 수분함량을 말한다.
▷ 수분활성도 구하기
Aw = Ps/Po = Nw(Nw+Ns)
Ps: 식품중의 수증기압
Po: 동일 온도에서 순수한 물의 수증기압
Nw: 물의 mole 수
Ns: 용질의 mole 수
일반적으로 건조식품의 수분활성도는 0.6이하이고 건조과실류는 0.6-0.66, 잼은 0.73-0.87, 생선, 육류나 신선과채류는 0.98-1.0이다.
▷ 미생물 성장에 대한 최저 수분 활성
- 세 균: 0.91
- 효 모: 0.88
- 보통 곰팡이: 0.80
- 내건성 곰팡이: 0.65
- 내삼투압성 효모: 0.60
9. 등온 흡(탈)습 곡선
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기출문제 1. 등온흡습곡선(2001년(상), 1998년(하), 1997년(하)). |
한 식품이 대기 중의 수분을 흡수하여 평형수분함량을 이루는 경우 상대습도와 평형수분함량 사이의 관계를 표시하는 곡선을 등온흡습곡선(moisture sorption isotherm)이라 하고, 식품이 수분을 대기 중에 방출함으로써 평형수분함량에 이르는 경우, 이때 얻어지는 곡선을 등온탈습곡선(moisture desorption isotherm)이라고 한다.
대부분의 식품들의 등온흡습(탈습)곡선은 S형 곡선을 나타내며, 각 식품들은 모두 특징있는 S형 곡선을 가진다. 한편 대부분의 식품에 있어서는 수분의 등온흡습곡선과 등온탈습곡선은 일반적으로 일치되지 않으며, 이와 같은 현상을 Hysteresis effect라고 한다.
1. 등온흡습(탈습)곡선과 온도와의 관계
등온흡습(탈습)곡선의 형태은 온도에 의하여 영향을 받으며, 온도가 높아질수록 평형상대습도에 대응하는 수분함량은 적어지고 온도가 낮을수록 일정한 상대습도에 대응하는 수분함량은 커진다.
2. Hysteresis 원인
- 탈습과정중 조직을 형성하고 있는 분자조직체의 수축에 의해서 흡착표면에서 이용할수 있는 흡착장소들의 수가 감소함으로써 수분의 가역적 흡수가 불가능하게 되는 현상
- Hysteresis 현상은 건조식품의 제조 또는 저장에 있어서 그 품질에 큰 영향을 줄수 있는 현상
3. 영역 구분: 영역 I (tightly bound)
- 단분자층 형성 영역 Aw < 0.25
- 물의 결합상태: 이온결합 (- COO-, -NH3+)
- 가장 강하게 흡착되어있고 최소의 유동성을 가짐
- -40℃에서 얼지 않음
- 용질을 용해할 수 없음
- 고형물에 대하여 가소성을 주는 효과 (plasticizing effect)를 가질만큼 충분한 양이 존재하지 않음
- 단순히 고형물의 부분으로 행동
4. 영역 구분: 영역 II (loosely bound)
- 영역Ⅱ : 다분자층 형성 영역 0.25 < Aw < 0.8
- 구간 I의 단일 물 분자층으로 덮이지 않은 나머지 부분의 첫 번째 층 위치를 점유한 물
- 물-물, 물-용질의 수소결합
- 대량의 유리수 (bulk water)보다는 약간 덜 유동성
- 대부분이 -40 ℃에서 얼지 않음
5. 영역 구분: 영역 III (trapped or free water)
- 영역 Ⅲ: 모세관 응축 영역 0.8 < Aw < 0.99
- 주로 자유수의 형태
- 高水分 食品의 경우 총 물의 함량중 95% 이상을 구성
- 점성이 크게 감소하고 물 분자 유동성이 크게 증가하며 많은 반응에서 진행율을 크게 증가시킴
- 유리수로서 얼 수 있고 용매로서 쓰일 수 있음
- 쉽게 미생물의 생장을 지지
10. 식품의 수분활성과 안정성
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기출문제 1. 단분자층 수분함량(1998년(하), 1996년(하)) |
1. 단분자층 영역 (영역 I)
- 물 분자층이 덮이지 않은 부분이 많을수록 햇빛이나 산소에
노출되어 지방 산패가 일어남
- 수분 활성도가 적을수록 지방 산패가 용이함
2. BET (Brunaue Emmett Teller) point (영역 I)
- 물 분자가 균일하게 하나의 분자막을 형성하여 식품을 덮고
있는 영역
- 지방 산패가 가장 적게 일어남
- Aw = 0.3-0.4
- 일반적으로 BET point를 포함한 영역을 단분자층으로 지칭
3. 다분자층 영역 (영역 II)
- 물분자간의 수소결합에 의해 BET 단분자층 형성 수분 함량보다 많은 물분자들로 여러 층에 걸쳐 덮여 있는 영역
- 건조식품: 가장 안정성이 높은 영역으로 최적의 수분 함량을 이 영역의 평형 수분 함량으로 유지하는 것이 바람직
- 지방이 많이 함유된 식품: 금속이온의 이동이 가능한 영역으로 수분 활성도가 증가할 수록 지방 산패속도 증가
4. 모세관 응축 현상 (영역 III)
- 다분자층 영역의 수분 함량보다 더 많은 수분함유
- 물 분자들이 자유수로 작용
- 화학반응들이 용이
- 효소반응의 촉진 → 미생물 성장
- 식품의 품질 저하가 가장 심한 영역
- 과일, 채소류 등
5. 다분자층의 수분함량
▷ 식품중의 수분함량 = 단일 분자막을 형성하는 수분함량:
- 식품성분들이 대기중의 산소에 직접 노출 (산화)을 방지
- 최적의 저장성
▷ 식품중의 수분함량 > 단일 분자막을 형성하는 수분함량
- 화학반응의 촉진: 유지의 산화, 비효소적 갈변
6. 단분자층의 수분함량:
- 식품저장에 필요한 최소량 & 최대 허용량
- 식품 (건조식품)의 단분자층 수분함량을 계산할 수 있다면 건조식품의 저장조건 결정하고 포장조건을 선택가능
11. 수분 활성도와 냉동
1. 급속 냉동 (Fast freezing)
- 갑자기 온도를 급강하시킴으로써 용질에 의해 얼음 결정이
깨진 듯한 상태로 얼어버리는 것
- 생성된 얼음의 핵이 미세하고 균일, 핵의 숫자가 많음
- 결정 (crystal) 성장 속도가 느림
- 냉동 과정 중 부피의 팽창이 적음
- 해동시에도 조직의 파괴가 미세하고 재수화될 때 원래의
조직감을 회복 → 품질의 변화가 적음 (우수한 상품성)
2. 완만 냉동 (Slow freezing)
- 천천히 동결하면서 용질이 얼음 결정 밖으로 밀려나와 얼음
결정의 크기는 커지고 그 수는 작아짐
- 핵 주위에 강한 압력을 가해 해빙시킬 경우 원래의 조직감
회복이 어려움
- 단백질의 변성으로 다른 조직감이 나타남
- 주위 미생물이나 효소들의 작용이 용이 → 품질이 저하
12. 중간수분식품(IMF-Intermediate Mositure Food)
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기출문제 1. 중간수분식품(2002년, 2000년, 1999년, 1998년, 1996년, 1997년) 2. 중간수분식품과 건조식품을 비교하여라(1998년) |
중간수분식품은 수분함량이 약 25∼40%, Aw 0.65∼0.85 정도 되도록하여 미생물에 의한 변패를 억제하고 보장성있게 만든 것이다.
잼, 젤리, 시럽, 곶감 등이 속하며, 중간수분식품은 지질산화 나 비효소적갈변에 의하여 맛, 색깔, 영양분 등이 영향을 받을 수 있으나 일반 건조식품보다 수분이 많아 유연성이 있고 식감이 좋으며, 가열처리나 냉동저장에 의하지 않고도 장기간 저장이 가능하여 냉동이나 통조림보다 경제적이다.