수분 활성

3. 열역학적 해석

용액 중 성분의 화학 포텐셜은 성분 ''j''의 활성도(activity)를 사용하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.

:$\backslash mu\; =\; \backslash mu\_0+RT\backslash ln\; a\_\{j\}$

용매의 활성도는 ''p_j''/''p_j''*로 구할 수 있다. 용매가 물인 경우 이는 수분 활성과 같다. 이처럼 수분 활성의 열역학적 정의는 수용액에서의 물의 활성도이다. 이 정의로부터 가수 분해와 같은 물과의 화학 반응에서 수분 활성이 저하되면 반응 지브스 함수^[17] ΔG가 커져 반응을 방해하는 방향으로 작용함을 알 수 있다.

4. 수분 흡착 등온선

수분 활성은 수분 함량과 비선형 관계를 가지는데, 이를 수분 흡착 등온선 곡선이라고 한다. 이러한 등온선은 물질 및 온도에 따라 특이적이다. 등온선은 다양한 저장 조건에서 시간에 따른 제품의 안정성을 예측하는 데 사용될 수 있다.^[18]

온도를 변수로 하여 수분 활성과 함수율의 관계를 도식화한 것이 수분 흡착 등온선이며, 그 관계식이 수분 흡착 등온식이다. 건조 공학에서는 여기서 말하는 수분 활성을 백분율로 표시하여 상대 습도라고 부르며, 주어진 상대 습도와 평형을 이루는 함수율을 평형 함수율이라고 한다. 일반적인 흡착 등온식으로는 랑뮈어식이나 BET식이 알려져 있지만, 곡물에서는 Chen-Clayton식, Strohman-Yoeger식이 적용된다. 이 수분 흡착 등온식의 함수율은 건량 기준 함수율이다. Chen-Clayton식은 건량 기준 함수율을 $M\_d$, 절대 온도를 T로 하여, $a\_w=\backslash exp\backslash \{-a\; \backslash exp(-bM\_d)\backslash \}$ (여기서 $a=f\_1T^\{g\_1\}$, $b=f\_2T^\{g\_2\}$)로 나타낸다. $f\_1,\backslash \; f\_2,\backslash \; g\_1,\backslash \; g\_2$는 곡물의 종류에 따라 실험값에서 최소 자승법으로 결정된다.^[18]

이 흡착 등온식으로부터 클라우지우스-클라페롱 방정식에 의해 흡착열 ''σ''가 계산된다.^[18]

5. 측정 방법

수분 활성 값은 저항 전해질, 정전 용량 또는 이슬점 습도계를 사용하여 얻을 수 있다.

6. 식품에서의 의의 및 활용

식품에서 수분 활성은 식품의 안전 및 품질 유지에 중요한 역할을 한다. 식품에는 단백질, 탄수화물 등과 결합된 결합수와 이동이 자유로운 자유수가 있는데, 미생물 번식에는 자유수가 필수적이다. 따라서 식품의 수분 활성을 낮추면 미생물 번식을 억제할 수 있다.^[1]

일반적인 식중독 균은 수분 활성 0.900 이상에서 번식하며, 건조나 염분에 강한 균도 0.800 이상에서 번식한다. 수분 활성이 0.600 이하가 되면 모든 미생물의 번식이 불가능해진다. 수분 활성 측정에는 중량 평형법이나 증기압법이 사용되며, 식품에 따라서는 수분 활성이 규격 기준으로 사용되기도 한다.^[1]

수분 활성을 낮추는 방법은 다음과 같다.^[1]

• 식품에 염분, 당분 등을 용해시켜 자유수 비율을 낮춘다. (염장, 설탕 절임 등)
• 식품의 수분을 제거한다. (건조 식품, 훈제, 건어물 등)

6. 1. 식품 설계

6. 2. 식품 안전

• 식품에 염분, 당분 등을 용해시켜 자유수의 비율을 낮춘다. (염장, 설탕 절임 등)
• 식품의 수분 자체를 제거한다. (건조 식품, 훈제, 건어물 등)

6. 3. 수분 이동 제한

• 식품에 염분, 당분 등을 용해시켜 자유수의 비율을 낮춘다. (염장, 설탕 절임 등)
• 식품의 수분 자체를 제거한다. (건조 식품, 훈제, 건어물 등)

7. 습도 조절에서의 활용

수분 활성이 주변 상대 습도보다 높은 용액에서는 순 증발이 일어난다. 수분 활성이 주변 상대 습도보다 낮은 용액에서는 순수한 물의 흡수가 일어난다. 따라서 밀폐된 공간에서 수용액을 사용하여 습도를 조절할 수 있다.^[3]

8. 주요 물질의 수분 활성도 (a_w)

9. 미생물 증식 억제 수분 활성도 한계

식품에는 단백질, 탄수화물 등과 결합된 '''결합수'''와 이동이 용이한 '''자유수'''가 포함되어 있다. 식품에서 미생물이 번식하기 위해서는 적절한 양의 자유수가 존재하는 것이 필수적이며, 식품의 수분 활성을 저하시키는 가공을 한 경우, 미생물의 번식을 억제할 수 있다. 미생물의 종류에 따라 번식 가능한 수분 활성은 다양하지만, 일반적인 식중독 균의 경우 대략 0.900 이상, 건조나 염분에 내성을 가진 경우에도 0.800 이상으로, 0.600 이하가 되면 모든 미생물의 번식이 불가능해진다.

10. 태양계 행성의 거주 가능성

물은 현재 지구에서 알려진 모든 형태의 생명에 필수적이다. 물이 없으면 미생물 활동은 불가능하다. 일부 미생물은 건조한 상태로 보존될 수 있지만, 물 없이는 성장할 수 없다.

미생물은 발달할 충분한 공간 또한 필요하다. 압축된 벤토나이트와 깊은 점토 지층에서는 공간 부족, 영양소의 세균으로의 수송, 대사에 의해 생성된 독소 제거 등이 공극수 내 확산에 의해 제어되므로 미생물 활동이 제한된다.^[11] 황산염 환원 세균 등에 의해 촉진되는 해저 바로 아래 퇴적물의 초기 생물적 속성 변화는 압축 정도가 미생물 생명체 발달을 허용하기에 너무 중요해질 때 종료된다.^[12]

행성의 표면과 대기에서는 공간 제약이 적용되지 않으므로, 궁극적인 제한 요인은 물의 가용성이며, 따라서 수분 활성이다. 대부분의 극호성 미생물은 활성화되기 위해 충분한 물을 필요로 하며, 이들의 발달을 위한 수분 활성의 임계값은 약 0.6이다. 이 규칙은 지구 외 다른 행성에도 적용되어야 한다. 금성 대기에서 포스핀(PH₃)이 감지되었지만, 이 분자의 형성을 설명할 알려진 타당한 화학적 메커니즘이 없어 금성 대기 중에 부유하는 미생물의 존재가 의심되기도 했다.^[13]

금성과 목성의 경우, 대기 환경과 수분 활성 조건에 따라 생명체 존재 가능성이 달라진다. 금성은 대기가 너무 건조하여 생명체가 존재하기 어렵지만, 목성은 구름 속에서 충분한 수분 활성이 나타날 수 있어 생명체 존재에 더 유리한 조건을 가질 수 있다.

10. 1. 금성

10. 2. 목성

참조

_[1] 서적 Bakery food manufacture and quality: water control and effects Blackwell Science
_[2] 서적 Shelf Life Evaluation of Foods Springer
_[3] 간행물 Taking control of chamber humidity 1984
_[4] 서적 The Art of Making Fermented Sausages Outskirts Press 2008
_[5] 웹사이트 Bacon and Food Safety https://www.fsis.usd[...] United States Department of Agriculture Food Safety and Inspection Service 2013-10-29
_[6] 간행물 Increased Water Activity Reduces the Thermal Resistance of ''Salmonella enterica'' in Peanut Butter 2013
_[7] 서적 Water Activity in Foods: Fundamentals and Applications FT Blackwell Press
_[8] 서적 "''Salmonella'': Create the most undesirable environment" Iowa State University 2013
_[9] 서적 Listeria, Listeriosis and Food Safety CRC Press 2007
_[10] 문서 'Marianski, 7'
_[11] 간행물 Microbial Community Analysis of Opalinus Clay Drill Core Samples from the Mont Terri Underground Research Laboratory, Switzerland
_[12] 간행물 Mineralogical and isotopic record of biotic and abiotic diagenesis of the Callovian–Oxfordian clayey formation of Bure (France) https://hal-insu.arc[...]
_[13] 간행물 Phosphine gas in the cloud decks of Venus http://oro.open.ac.u[...]
_[14] 간행물 Water activity in Venus's uninhabitable clouds and other planetary atmospheres
_[15] 웹사이트 Venus' clouds too dry, acidic for life https://arstechnica.[...] 2021-06-28
_[16] 웹사이트 Clouds of Venus 'simply too dry' to support life https://www.bbc.com/[...] 2021-06-29
_[17] 문서 P. W. Atkins, Physical chemistry, sixth ed., W. H. Freeman & Co, 1997, p. 216.
_[18] 문서 農業機械学会編, 生物生産機械ハンドブック, 1996, p. 794.