식품분석학실험 | 식품의 수분함량 측정

 

 

물은 생체 및 식품에 필수성분으로 존재하며, 그 식품의 형태나 구조 또는 맛에 큰 영향을 주고 또 그 함량은 식품의 품질을 결정하는데 매우 중요한 역할을 하고 있다. 세포가 생명활동을 유지하기 위해서는 물이 반드시 필요하며, 이를 미생물의 발육에 적용하여 생각해 보면 식품에서의 수분이 식품 내 미생물의 증식에 큰 결정요인이라는 것을 알 수 있다. 물은 식품의 품질 특성과 밀접한 관계를 가지므로 식품에 있어서 물의 특성을 충분히 파악하는 것은 품질 보존상 매우 중요하다.

 

 

식품중 수분의 존재 상태

식품 속에 존재하는 물은 자유로이 운동할 수 있는 물과 식품 성분에 결합한 물의 두 가지 형태로 구분하여 생각할 수 있다. 전자를 유리수(free water) 또는 자유수라고 하며 식품을 건조시키면 쉽게 제거되고 0℃ 이하에서는 잘 얼게 되는 보통 형태의 물을 말하는 것으로 식품 중에서 염류, 당류, 수용성 단백질 등을 용해하는 용매로서 작용하는 물이다. 이에 반해 후자는 결합수(bound water) 또는 수화수라고 하며 식품중의 구성 성분인 탄수화물이나 단백질 분자들에 강하게 흡착되어 있거나 수소 결합에 의해 밀접하게 결합하고 있는 형태의 물로서 보통의 방법으로는 쉽게 분리시킬 수 없는 물을 말한다. 한 식품 속에 유리수와 결합수는 서로 독립적으로 존재하는 것이 아니다. 이들은 서로 그 이동이 가역적이며 일정한 온도에서 언제나 평형 상태에 있다. 한 예로 0℃이하로 온도가 급속하게 내려갈수록 유리수는 계속 얼음이 되므로 일부 결합수는 유리수가 되어 평형을 유지하고자 한다.

 

 

수분활성도

식품중의 수분량은 대기 중의 습도 등 그 식품이 놓여 있는 환경조건에 의하여 영향을 받아 변동되기 쉽다. 즉, 어떤 식품의 수분함량은 완전하게 밀폐된 용기 속에 있지 않는 한 장기간 방치하는 동안 식품중의 수분과 대기 중의 수분사이의 출입이 생긴다.

 

이와 같이 식품의 수분은 동적인 것이므로 그 상태를 보다 잘 나타내기 위해서는 식품중의 수분함량을 일반적으로 사용하는 ％로 표시하기보다는 대기 중의 상태습도까지 고려한 수분함량으로 표시하는 것이 타당하다. 또한 미생물의 활동과 식품중의 수분함량과의 관계에 있어서도 실제로 미생물의 생육 번식에 영향을 주는 식품의 수분량은 미생물이 실제로 이용가능한 수분량이며 전체의 수분 함량은 별로 문제가 되지 않는다.

 

따라서 이상의 두 가지를 고려하여 볼 때 식품중의 수분의 상태는 전체 수분 함량보다도 그 식품의 수분활성도 라는 개념을 사용하는 것이 바람직하다. 한 식품의 수분활성도(A_w)는 어떤 임의의 온도에 있어서 그 식품이 나타내는 수증기압(P)에 대한 같은 온도에 있어서의 순부한 물의 최대 수증기압(P₀)의 비로 정의된다.

 

즉,

 

이다.

 

또, 식품의 수증기압은 그 식품 속의 수분에 녹아있는 용질의 종류와 양에 의하여 영향을 받는다. Raoult의 법칙에 의하여 용질의 용해에 의한 순수한 물의 수증기압의 상대적인 감소는 용질의 몰분율에 직접적으로 비례한다. 즉 물의 몰수를  M_w, 용질의 몰수를 M₀라 하면,

 

 

수분활성도와 상대습도의 관계를 보면, 상대습도(relative humidity : RH)는 실질적으로 식품에 있어서 수분활성도의 정의와 같으므로 상대습도는 바로 그 상대 습도와 평형을 이루고 있는 식품의 수분활성도의 100배와 같다.

 

즉,

 

이 된다.

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수분의 정량

수분의 함량은 식품의 종류에 따라 차이가 있지만, 대다수의 식품에 수분은 주성분으로 존재하고 있다. 그러므로 수분은 식품의 안정성, 물리적 성질 등 식품의 성질 및 물을 제외한 다른 성분의 상대량에 크게 영향을 미치고 있다. 이로 인해 수분의 정량은 기본적으로 중요한 분석이 된다. 식품중의 수분은 일반적으로 자유수와 결합수의 구별이 없이 총체적인 수분함량을 측정한다.

 

수분의 정량에는 건조법, 적정법, 증류법, 전기적 측정법 등 여러 종류가 알려져 있으나 건조법의 사용빈도가 가장 높다. 이 건조법으로 수분을 정량할 때는 수분만이 아니라 식품에 따라서는 알코올이나 휘발성산 등의 휘발성 성분도 동시에 제거되거나, 산화에 의해 중량증가가 수반되기 때문에 식품 중에 조재하는 수분을 정확하게 측정하기란 상당히 어렵다. 그러나 측정법과 그 조건을 명기한다면 정량치는 재현성이 있고 통상의 분석에는 지장이 없다. 식품의 일반 분석에는 주로 상압가열 건조법이 적용되고 있다. 그러나 식품은 다종다양하므로 곡류식품의 경우에는 고온도(135℃)의 가열이 적용되고, 가열에 의해 쉽게 분해되는 아미노산, peptide, 당, 유기산 등의 저분자성 식품은 감압건조법을 사용한다. 그 외에도 Karl-Fischer적정법, Toluene증류법 등이 있다.

 

가열건조법은 상압 또는 감압 하에서 가열 건조하면 수분만이 휘발되므로 건조전과 건조후의 중량차를 수분량으로써 구한다. 상압가열건조법은 분말화한 시료를 정확하게 105～110℃에서 일정시간 가열건조하여 감량된 양을 수분으로 정하며 감압가열 건조법은 식품을 감압시킴으로서 수분의 증발속도가 빠르고 산화 또는 분해될 염려도 적어서 수분정량에 있어서 이상적인 방법이다.

 

증류법은 물보다 비중이 낮고 물에 녹지 않는 성질을 이용하여 물과 같이 끓는 유기용매 중에서 시료를 가열하면 시료 중의 수분은 용매와 같이 유출되는데, 이것을 냉각하여서 용매에서 분리된 물의 용량을 측정하여 수분량을 구하는 원리를 이용하고 있다.

 

이 외에 적외선 수분측정기를 이용하는 방법이 있다. 시료 일정량을 정확하게 달아서 적외선을 열원으로 하여 시료를 가열 건조한 수, 건조에 의해서 감해진 양을 수분 %로 하여 직접 구하는 방법이다. 이 방법은 100℃이상의 고온으로 가열하기 때문에 신속히 수분함량을 구할 수 있으나 가열조작은 표준적인 수분 정량법을 참고로 하여 식품의 종류에 따라서 각자가 정할 필요가 있으며 정확도가 높지 않은 단점이 있다.

 

 

식품 속 수분의 정량

수분함량은 식품의 종류에 따라 차이가 있지만, 대다수의 식품에 수분은 주성분으로 존재하고 있다. 그러므로 수분은 식품의 안정성, 물리적 성질 등 식품의 성질 및 물을 제외한 다른 성분의 상대량에 크게 영향을 미치고 있다. 이로 인해 수분의 정량은 기본적으로 중요한 분석이 된다.

식품중의 수분은 단일하지 않고 그 형태로부터 분자운동이 비교적 자유로워 유리수적인 자유수와 식품성분과 강하게 결합하고 있는 결합수로 구분된다. 따라서 식품에 미치는 영향도 수분 형태의 차이에 따라 다른 것으로 고려되고 있다. 이렇듯 명확하게 구분하기가 곤란하므로 일반적으로 자유수와 결합수의 구별이 없이 총체적인 수분함량을 측정한다.

수분의 정량법에는 건조법(상압, 감압, 동결 등), 증류법, 적정법, 전기적 측정법 등의 여러 방법이 있다. 일반적으로 널리 이용되는 방법은 건조법이지만 다른 방법에 의한 측정결과와 일치하지 않는 것이 보통이다. 모든 식품에 통용되는 방법은 없으므로 수분정량에 이용한 방법과 조건 등을 명시할 필요가 있고, 다른 방법으로 측정한 수분함량을 서로 비교하는 것은 무의미하다.

 

 

수분 정량법의 종류와 원리

1. 가열건조법

상압 또는 감압하에서 가열 건조하면 수분만이 휘발되므로 건조전과 건조후의 중량차를 구한다. 수분이 유일한 휘발성분이고, 건조에 의해서 완전히 제거되어야 하며, 성분이 건조될 때 다른 성분이 변화하여도 결과에는 큰 영향을 주지 않는다는 가정으로 측정한다.

① 상압가열건조법 : 분말화한 시료를 정확하게 105～110℃에서 일정시간 가열건조하여 감량된 양을 수분으로 한다. 이렇게 구한 수분량에는 향기성분 등의 휘발성분도 함유되어 있으나 수분과는 비교되지 않을 정도로 미량이다. 근래에는 일반적으로 상압가열건조법을 이용하고 있다.

② 감압가열건조법 : 식품을 감압시킴으로서 수분의 증발속도가 빠르고 산화 또는 분해될 염려도 적어서 수분정량에 있어서 이상적인 방법이다.

 

2. 증류법

물보다 비중이 낮고 물에 녹지 않는 성질을 이용하여 물과 같이 끓는 유기용매 중에서 시료를 가열하면 시료 중의 수분은 용매와 같이 유출된다. 이것을 냉각하여서 용매에서 분리된 물의 용량을 측정하여 수분량을 구한다.

 

3. 적외선 수분계

시료 일정량을 정확하게 달아서 적외선을 열원으로 하여 시료를 가열 건조한 후, 건조에 의하여 감해진 양을 수분%로 하여 직접 구하는 방법이다. 단시간에 측정이 가능하므로 현장용의 측정방법으로서는 간편하고 좋으나 천칭의 정밀도, 적외선조사 조건 등 오차의 요인이 많으므로 정밀한 측정에는 적당치 않다.

 

4. Karl Fisher법

피리딘이나 메탄올 존재하에 I₂ 및 SO₂와 정량적으로 반응하는 원리를 응용하여 Karl Fisher 시약에 의해서 적정한다. 적정의 종점은 전기적으로 검출한다. 많은 유기화합물 속의 수분은 이 방법으로 적정할 수 있다.

 

 

 

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