수분

1. 물의 특징과 구조

 

① 물의 특징

물은 거의 모든 식품에 존재하며 가장 많이 함유되어 있는 성분이다. 물은 식품의 구조를 유지하고 식품의 물성과 선도, 맛 등에 영향을 주며, 효소반응, 색의 변화와 갈변 반응에도 관여한다. 또, 식품성분의 용매로서 성분 변화에 관여하고 생물체 세포 내·외액의 성분으로 존재하고 분산매 혹은 용매로 작용하며, 수화 및 가수분해 반응 등에 반응물질로 작용한다. 식품의 수분함량은 식품의 조리성과 보존성을 좌우한다. 식품들은 수분이 감소되면 식품 본래의 기능과 특성을 잃어버린다. 채소류는 5%, 어·육류는 3% 이상 수분이 감소하면 선도 및 품질이 유지되지 않는다. 식품의 구조는 물에 의해 유지되며, 건조에 의해 조직이 붕괴된다.

 

② 물분자의 구조

물 한 분자는 2개의 수소원자(H)와 1개의 산소원자(O)가 각각 공유 결합하여 입체적으로는 변형된 사면체 구조를 갖는다. 2개의 O-H결합의 각도는 약 104.5 º이며, O-H 사이의 거리는 0.096nm이다. 물분자의 산소 원자는 결합할 수 없는 비공유전자대를 가지고 있어서, 전자는 산소 원자 측으로 전자가 기울어져 산소 원자는 (-) 전하를, 수소 원자는 (+) 전하를 갖는다. (+) 전하를 가진 수소 원자는 다른 물분자의 (-) 전하를 가진 산소 원자와 약하게 결합한다. 이 수소 원자를 사용하는 분자 간의 결합을 수소 결합이라고 부르며, 물자는 계속하여 수소 결합에 의해 여러 분자가 연결된 집합체로 존재하기 때문에 분자의 인력이 매우 크다. 그래서 융점과 비점이 높고, 비열, 융해열과 기화열이 크다.

 

2. 식품 중의 가공·저장·조리에 사용되는 물

 

① 결합수 · 준결합수 · 자유수

식품 중에 존재하는 물은 식품의 성분과 상호작용에 의해, 식품의 결속 정도에 따라 결합수, 준결합수, 자유수로 나눈다.

 

ⓐ 결합수 

결합수(bound water)는 식품성분과 결합한 물로 운동성이 고정되어 이동할 수 없는 물이며, 식품의 표면에 단분자층으로 흡착된 물로 단백질, 당질, 염류 등과 수소결합과 이온 결합을 하고 있다. 결합수는 물질의 구조 유지에 관여하는 물로 자유수와 비교하면 증발과 동결이 되지 않으며(결합수는 -80℃까지, 준결합수는 -20℃에서도 얼지 않는다), 효소반응과 미생물 증식에 이용되기 어렵고, 용매 작용이 없다. 동결되지 않는 물의 양은 동물 조직의 총 수분 함량 중 8~10%이다. 난백, 난황, 육류, 살코기, 생선 등은 동결되지 않는 물을 11.4% 가지며, 과일과 채소는 6% 미만, 곡류는 34%를 갖는다.

 

ⓑ 준결합수

준결합수(semi-free water)는 단분자층 위에 2~3층으로 존재하는 것으로 다분자층 흡착수로 불리며 결합된 힘은 약하지만 자유롭게 운동할 수 없는 물이다. 결합수와 준결합수는 식품 중의 전체 수분의 10~30%를 차지한다.

 

ⓒ 자유수

자유수(free water)는 이들 주위에 자유롭게 움직이며 증발하기 쉬운 물로 존재한다. 자유수는 식품의 세포와 망상 조직의 막, 혈관(직경 1㎛ 이상), 섬유 등에 의해 물리적으로 가두어진 물과 콜로이드상 물질 중에서 다중층 흡착에 의해 생긴 응축수가 있으며, 식품의 조직성분과 결합하지 않은 물로 압착, 증발, 동결, 이동이 가능한 물로 유리수라고도 부른다.

 

② 수분 활성과 식품의 보존성

 

ⓐ 수분활성

식품에 존재하는 물의 함량은 보통 %로 표시하지만 물의 상태가 다르기 때문에 식품의 저장성은 단순히 수분함량의 많고 적음에 의해 결정되지 않고 식품을 둘러싸고 있는 주변의 온도와 습도에 의해 항상 변화한다. 식품 속의 물은 밀폐된 용기에 들어 있는 경우를 제외하고 대기 중에 방치할 경우 수분이 서로 교환되어 평형상태에 이른다. 즉, 대기 중의 습도가 높으면 식품은 수분을 흡습 하고, 낮으면 식품은 건조된다. 식품 중의 수분함량은 식품 자체의 수분함량과 대기의 상대습도 간의 상관관계에 영향을 받는다. 그러므로 식품 중의 물의 상태는 식품의 수분함량과 상대습도 간의 두 값의 비율인 수분활성도(Water Activity)의 개념을 사용한다. 미생물의 생육으로 인한 변패와 산화 · 갈변 등 화학반응에 관여하는 지표로 수분함량보다는 수분활성도를 이용한다. 순수한 물은 밀폐용기에 넣어 일정한 온도에 두면 일정한 증기압(P0)을 나타내며 식품도 밀폐된 용기 내에서 증발하여 일정한 증기압(P)을 갖는다.  이 P/P0의 값을 수분 활성이라 부른다. 식품 중에는 식품의 성분과 결합하는 결합수가 존재하므로 같은 온도에서 식품의 수증기압(P)은 순수한 물의 증기압(P0)보다 작다. 즉, 순수한 물의 Aw는 1이며, Aw는 1보다 작다. 식품의 각종 성분을 함유하므로 신선한 식품은 미생물이 번식하기 쉬워서 빨리 부패하기 쉽다. 미생물 생육으로 인한 변패와 산화, 갈변 등 화학반응에 관여하는 지표로 수분함량보다는 수분활성이 사용된다. 수분 활성과 미생물의 증식과의 관계를 보면 일반세균은 수분활성도가 0.90이상, 효모는 0.88이상, 곰파이는 0.80이상에서 성장이 가능하다. 내건성 곰팡이는 0.64의 수분활성에서도 생육 할 수 있지만, 보통 곰팡이는 0.60이하에서는 성장이 불가능하다. 따라서 미생물의 증식과 억제, 식품의 보존성을 높이려면 Aw를 0.7 이하로 할 필요가 있다. 또, 효소활성과 갈변반응은 Aw가 낮은 만큼 반응이 억제된다.

 

ⓑ 식품의 보존성

식품의 부패 및 변질은 미생물의 증식, 식품성분의 산화, 효소반응에 의해 일어난다. 이들의 작용은 수분함량보다는 수분 활성과 관련이 깊으므로 식품의 부패에 의한 변질은 수분활성을 낮추면 방지된다. 수분활성을 낮추는 방법은 세 가지가 있는데, 첫번째는 건조법으로 수분함량을 가능한 한 낮추어 자유수의 양을 감소시킨다. 과즙, 우유 등 가열에 의해 변질하는 것은 감압저온 농축시켜 수분을 제거하면 보존성이 높아진다. 동결탈수에 의한 건조방법으로 한천, 언두부가 있다. 그러나 건조식품은 건조에 의해 조직이 약화되어 기계적인 손상을 받고, 지질의 산화도 진행되므로 물을 다시 가해도 본래 상태로 회복되지 않는다. 두번째는 용질을 첨가하면 자유수가 용질과 결합하여 수분함량을 낮추지 않고 상대적으로 결합수의 양만 증가시켜 물의 활동성, 즉 수분활성을 저하시키는 방법이다. 예를 들면, 잼, 마멀레이드, 설탕 절임, 훈제 생선, 소금 절임 등은 설탕이나 소금을 첨가하여 자유수를 결합수로 바꾸어 수분활성을 저하시켜 보존효과를 높인 것이다. 세번째는 식품을 냉동하여 자유수를 동결시켜 수분활성을 저하시키는 방법이다. 하지만 냉동식품은 해동시킬 때 드립이 생성되어 품질이 열화하고 기계가 필요한 단점이 있다. 건조식품들의 수분활성은 0.4 이하로 대부분의 수분은 결합수이다. 수분활성은 0.4 부근이 되며 식품 중의 효소활성이 정지되고, 비효소적 갈변반응이 일어난다. 지질의 산화반응은 수분활성 0.35 부근에서 가장 억제되지만, 수분 활성이 더 낮아지면 단분자층의 물도 손실되어 지방이 공기에 노출되므로 산화가 촉진된다.