수분활성도 (Water Activity)

 

1. 정의와 의의

 

1) 보통 식품속의 수분의 함량은 퍼센트 함량 으로 표시되는 경우가 많으나, 식품의 수분함량은 대기 중의 수분함량, 즉 대기중의 상대습도에 의해서 크게 영향 받는다. 따라서 대기 중의 상대습도까지 고려한 수분함량의 이론적 연구, 예를 들어서 대기 중에 노출된 건조식품들이나, 수분의 투과가 가능한 포장 재료로 포장된 식품들의 수분함량의 이론적 연구에는 퍼센트 수분함량은 적당하지 않다.

 

 2) 한편, 미생물들, 특히 부패를 일으키는 부패미생물들의 활동과 식품속의 수분함량과의 관계를 연구할 때, 그 활동에 실제로 영향을 주는 식품의 수분은 전체 수분함량이 아니며, 어디까지나 미생물이 실제로 이용할 수 있는 수분량 (available water or available moisture content) 즉, 자유수의 양이 문제가 된다. 식품의 전체 수분함량 자체는 이런 경우에는 별로 도움되지 않는다.

전체 수분 함량도로는 변패정도를 측정하기 어려워서 수분 활성도의 개념을 만들었다.

 

3) 즉, 수분 함량(자유수 + 결합수)은 식품안정성과 관련이 없다. 대신, 자유수가 식품 안정성과 관련이 있다. 따라서 동일한 수분함량 = 동일한 부패속도???? 라는 말은 틀린 말이다. 왜냐하면 자유수의 정도가 다르기 때문이다.

 

4) 이용가능한 수분의 양 : (자유수 + 온도)에 따라 바뀐다. 같은 식품도 온도에 따라서 자유수 함량이 다르기 때문이다.

 

5) 이 때, 수분활성도 (Aw : Water activity)가 식품의 안정성을 측정하는 지표가 된다.

 

 

2. 수분활성도 식

AW_= P / P0 = Nw / Nw+Ns = 평형상대습도 / 100

Aw : 수분활성도 (이론적인 예측치)

P : 식품 속의 수증기얍 (자유수 + 결합수)

P0 : 동일 온도에서의 순수한 물의 수증기압 (100% 자유수를 의미)

Nw : 물의 몰수 (number of moles)

Ns : 수용성 용질의 몰수 (number of moles) 

(이때 지용성은 빠진다. 지용성은 자유수를 결합수로 바꾸는 능력이 없다. 수소결합을 못하기 때문에 계산할 필요가 없다.)

 

*항상 P0가 P보다 높은 값을 가지므로 Aw < 1의 값을 가진다.

 

3. 수분활성도의 응용

 

1) 수분활성도를 낮추는 법

= 1. 건조 (질감이 바뀐다는 단점이 있다.)

= 2. 가소제 (소금, 설탕) : 결합을 잘 하기 때문에 자유수를 결합수로 잘 바꾼다.

 

2) 전체수분함량을 변화시키지 않고 자유수와 결합수의 비율을 바꾸는 방법

= 수분 조절제를 사용한다. (솔비톨, 자일리톨, 락토오스). 대신 조건은 값이 싸야하고, 수분과 결합을 많이 해야한다. 맛을 바꾸면 안된다는 조건들이 있다. 

 

3) 문제 적용

Q. A : 친수성 물질 다량 함유 / B : 소수성 물질 다량 함유 일때, A와 B의 수분함량이 같을 때, Aw가 높은 것은 어떤 물질인가?

A. Aw가 높은 것은 B이다. 그 이유는 친수성 물질이 많은 것은 결합수로 많이 바뀌기 때문에 자유수의 양이 적어지는 결과를 발생시킨다.

 

Q. 물 + 기름의 수분활성도는?

A. 1 이다. 기름은 자유수를 결합수로 바꾸는 능력이 없다.

 

Q. 콩기름 20%가 들어있다면 수분활성도는?

A. Aw = 1 = 80/18 / 80/18

 

4. 효소작용과 수분활성도

 

1) 식품속의 효소작용의 경우에도 식품속에 수분이 얼마나 많이 존재하느냐는 사실을 반영하고 있는 단순한 퍼센트 수분함량은 의미가 별로 없다. 수분이 어떤 상태로 존재하느냐는 사실을 더 구체적으로 반영하고 있는 수분활성도에 의해서 더 잘 설명될 수 있다.

 

2) 효소작용이 수분활성도와 관련있다는 사실은 수분함량이 적은 식품들, 즉 건조식품들에서의 효소작용을 고려할 때 특히 중요한 사실이다. 수분활성도로 대표되는 수분은 한 효소작용의 속도에 큰 영향을 줄 뿐만 아니라, 그 효소의 최종 활동단계도 결정하여 주는 듯하다. 예로서, 그 효소작용이 어떤 가수분해과정이라면 그 최종 가수분해 정도도 수분활성도에 의해서 결정되는 것이다. 가수분해 효소는 높은 수분활성도를 가져야 한다. 물분자는 용매와 기질로 사용되기 때문에, 0.85이하의 수분활성도에서 불활성화 된다.

 

3) 효소도 물에 녹아야 하므로 자유수가 존재해야 한다. 자유수가 많으면 자연스레 수분 활성도도 높아진다. 뿐만아니라 효소와 기질 그리고 만들어진 산물을 녹일정도의 자유수가 있어야한다. 수분함량이 많다고 좋은 것이 아니라 수분 활성도가 많아야 한다. 

 

5. 화학반응과 수분활성도

 

1) 수분활성도와 갈변 반응

: 설탕을 주성분으로 하고 있는 한 시스템에서 갈색화 반응의 속도가 수분활성도에 의해서 크게 영향을 받으나, 수분활성도 0.75뿐만 아니라 0.31에서도 갈색화는 거의 비슷한 속도로 진행된 사실을 밝히고 있다. 

[아래 그래프 참조]

 

 

 

6. 미생물과 수분활성도

 

1) 미생물들의 활동에 실제로 영향을 주는 식품의 수분량은 전체 수분함량이 아니며 미생물이 실제 이용할 수 있는 수분량을 말한다. 따라서 수분활성도 값이 높다는 것은 미생물에 의한 이용이 용이하다는 것을 의미한다.

 

 

 

7. 중간수분식품 (intermediate moisture food)

 

1) 왜 이런 용어가 탄생하였나?

: 저 정도만 되어도 획기적으로 미생물의 증식을 막을수 있다. 구지 0.4,0.5 까지 수분활성도를 낮추는 것은 불필요하게 돈을 낭비하는 것이다. 미생물의 생육을 억제할 정도까지만 낮추어서 저장성을 높이면 된다.

 

2) 수분활성도를 0.65~0.85정도로 조절하여 중간수분식품을 제조하는 방법은?

= 중간 수분식품으로 만들고 싶으면 수분조절제 (= 가소제)를 맛이 바뀌지 않는 범위에서 인위적으로 넣어주면 된다. 그렇게 되면 자유수를 결합수로 바꿔주게 되고 Aw의 식에서 분자는 고정되고 분모의 수용성물질의 목수를 조절할 수 있게 된다.

 

이때, 수분 조절제의 조건은 1. 가격 저렴 2. 조금만 넣고도 수분 조절 할 수 있겠끔 자기몸에 많이 부착할 수 있어야 한다.

 

= 가소제의 예, 자일리톨, 에리쓰톨, 솔비톨, 설탕, 글리세롤, 올리고당 등.

 

= 곶감, 반건조 오징어, 반건도 묵 등의 제품이 대표적인 중간 수분 식품이다.

 

= 우주식품 제조시에도 수분조절제가 사용된다.