식품화학
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1. 개요
식품화학은 식품의 구성 성분, 특성, 가공 및 보존과 관련된 화학적 과정을 연구하는 학문 분야이다. 식품과 영양에 대한 과학적 접근은 18세기부터 시작되었으며, 험프리 데이비 등의 연구를 통해 발전했다. 식품의 주요 구성 성분으로는 물, 탄수화물, 지질, 단백질, 효소, 비타민, 무기질 등이 있으며, 식품의 품질 유지 및 향상을 위해 식품 첨가물(착색료, 향미료 등)이 사용된다.
식품과 영양에 대한 과학적 접근은 농업 화학에 대한 관심과 함께 J. G. 발레리우스, 험프리 데이비 등의 연구에서 시작되었다. 데이비는 영국에서 ''농업 위원회를 위한 강의 과정으로서의 농업 화학 원리''(1813)를 출판했는데, 이는 전 세계적으로 이 분야의 기초가 되었고, 5판까지 발행되었다.[3] 그 이전의 연구로는 1785년 사과에서 말산을 분리한 칼 빌헬름 셸레의 연구가 있다.
식품은 물, 탄수화물, 지질, 단백질, 효소, 비타민, 무기질 등 다양한 화학 성분으로 구성되어 있으며, 이들은 인체의 생명 유지와 건강에 필수적인 역할을 한다.
식품 첨가물은 식품의 품질 유지, 맛, 모양, 냄새, 신선도 등을 향상시키기 위해 첨가하는 물질이다. 초절이를 위해 식초를 첨가하거나 마요네즈와 같은 유제 혼합물에 유화제를 첨가하는 것처럼 오래전부터 사용되었다. 이러한 물질들은 일반적으로 유럽 연합에서는 "E 넘버"로, 미국 식품의약국에서는 GRAS("일반적으로 안전하다고 인정되는 물질")로 표시된다.
2. 식품화학의 역사
리비히의 식품 화학에 대한 몇몇 연구 결과는 1848년 매사추세츠주 로웰에서 에번 호스포드에 의해 번역, 출판되었다.[3]
1874년에는 공공 분석가 협회가 설립되어 분석 방법을 대중에게 이롭게 적용하는 것을 목표로 했다.[4] 이 협회의 초기 실험은 빵, 우유, 와인을 대상으로 이루어졌다.
이는 또한 식품 공급의 질, 주로 식품 변조 및 오염 문제에 대한 우려에서 비롯되었으며, 처음에는 의도적인 오염에서 시작하여 1950년대에는 화학 식품 첨가물로 이어졌다. 전 세계, 특히 미국에서 대학의 발전은 식품 화학뿐만 아니라 식이 물질에 대한 연구를 확장했으며, 특히 1907년부터 1911년까지 진행된 단일 곡물 실험이 두드러졌다. 19세기 후반 미국 농무부의 하비 W. 와일리의 추가 연구는 1906년 미국 식품의약국 창설에 중요한 역할을 했다. 미국 화학회는 1908년에 농업 및 식품 화학 부서를 설립했으며, 식품 기술자 협회는 1995년에 식품 화학 부서를 설립했다.
3. 식품의 주요 구성 성분
3. 1. 물
식품의 주요 구성 요소는 물이며, 육류 제품의 50%에서 상추, 양배추, 토마토 제품의 95%까지 다양하게 포함될 수 있다. 물은 적절하게 처리되지 않으면 세균 번식과 식품 부패가 발생하기 좋은 환경이 된다. 식품에서 이를 측정하는 한 가지 방법은 수분 활성도를 이용하는 것이며, 이는 많은 식품의 유통 기한에 매우 중요하다. 대부분의 경우 식품 보존의 핵심 중 하나는 물의 양을 줄이거나 물의 특성을 변경하여 유통 기한을 늘리는 것이다. 이러한 방법에는 탈수, 냉동, 냉장이 있다.[7][8][9][10] 이 분야는 "식품의 제조, 취급 및 저장 중에 발생하는 반응 및 변환의 물리 화학적 원리"를 포함한다.[11]
3. 2. 탄수화물
수크로스는 일반적인 설탕이며, 생물학적 세계의 75%를 차지하고 인간이 섭취하는 모든 음식의 80%를 차지하는 가장 친숙한 탄수화물이다.[12] 탄수화물의 가장 간단한 형태는 단당류이며, 탄소, 수소, 산소를 1:2:1의 비율(일반식 CnH2nOn, n은 최소 3)로 포함한다. 포도당과 과당은 단당류의 예시이다. 이러한 단당류가 결합하면 식물에서 발견되는 흔한 설탕 제품 중 하나인 수크로스가 형성된다.
단당류 사슬은 다당류를 형성한다. 펙틴, 덱스트란, 한천, 잔탄검 등이 다당류에 포함된다.[12] 이러한 탄수화물 다당류 중 일부는 인간 효소에 의해 소화되어 주로 소장에서 흡수되지만, 식이 섬유는 대장으로 이동하여 위장관 미생물에 의해 발효된다.[13]
설탕 함량은 일반적으로 브릭스도로 측정된다.
3. 3. 지질
지질이라는 용어는 왁스, 지방산 (필수 지방산 포함), 지방산 유도 인지질, 스핑고지질, 글리콜리피드, 레티노이드 및 스테로이드와 같은 테르페노이드 등 비교적 물에 녹지 않거나 무극성인 생물학적 기원의 화합물을 포괄하는 다양한 범위의 분자를 포함한다. 일부 지질은 선형 지방족 분자이고, 다른 지질은 고리 구조를 가지고 있다. 일부는 방향족이고, 다른 지질은 그렇지 않다. 일부는 유연하고, 다른 지질은 딱딱하다.
대부분의 지질은 주로 무극성일 뿐만 아니라 어느 정도 극성 특성을 가지고 있다. 일반적으로, 구조의 대부분은 무극성이거나 소수성 ("물을 두려워함")으로, 물과 같은 극성 용매와 잘 상호 작용하지 않는다는 것을 의미한다. 구조의 다른 부분은 극성이거나 친수성 ("물을 좋아함")이며 물과 같은 극성 용매와 결합하는 경향이 있다. 이것은 그들을 양친매성 분자(소수성 부분과 친수성 부분 둘 다를 가짐)로 만든다. 콜레스테롤의 경우, 극성 그룹은 단순한 -OH 그룹(수산기 또는 알코올)이다.
식품의 지질에는 옥수수, 대두와 같은 곡물의 오일, 동물성 지방이 포함되며, 우유, 치즈, 고기와 같은 많은 식품의 구성 요소이다. 또한 비타민 운반체 역할을 한다.
3. 4. 단백질
단백질은 생체 세포 건조 중량의 50% 이상을 차지하는 매우 복잡한 고분자이며[14], 세포의 구조와 기능에 근본적인 역할을 한다. 주로 탄소, 질소, 수소, 산소 및 일부 황으로 구성되며, 철, 구리, 인, 또는 아연을 포함할 수도 있다.
식품에서 단백질은 성장과 생존에 필수적이며, 개인의 연령과 생리학적 상태(예: 임신)에 따라 필요한 양이 다르다. 단백질은 일반적으로 달걀, 우유, 고기와 같은 동물성 식품에서 얻는다. 견과, 곡물, 콩류는 식물성 단백질 공급원을 제공하며, 채소로부터 완전 단백질을 섭취하기 위해 여러 식물성 단백질을 조합하기도 한다.
단백질 민감성은 음식 알레르기의 일종으로, ELISA 검사로 확인할 수 있다.
3. 5. 효소
효소는 한 물질에서 다른 물질로 변환하는 과정에 사용되는 생화학적 촉매이다.[1] 또한 화학적 과정을 완료하는 데 필요한 시간과 에너지를 줄이는 데에도 관여한다.[1] 효소는 제빵, 양조, 유제품, 과일 주스 제조 등 식품 산업의 여러 측면에서 활용되며, 치즈, 맥주, 빵 등을 만드는 데 사용된다.[1]
3. 6. 비타민
비타민은 신체의 정상적인 기능 유지에 필요한 영양소이다. 영양학에서 수용성(비타민 C) 또는 지방 용해성(비타민 E)으로 분류된다. 비타민을 적절하게 섭취하면 각기병, 빈혈, 괴혈병과 같은 질병을 예방할 수 있지만, 과다 복용하면 메스꺼움, 구토, 심지어 사망에 이를 수도 있다.
3. 7. 무기질
식품에 함유된 식이 무기질은 기능을 수행하는 데 필요한 양이 많고 다양하며, 기타 미량 원소는 과도하게 섭취할 경우 위험할 수 있다. 일일 기준 섭취량(RDI)이 200mg/일 이상인 다량 무기질은 칼슘, 마그네슘, 칼륨이고, 중요한 미량 무기질(RDI 200mg/일 미만)은 구리, 철, 아연이며 이는 많은 식품에서 발견되지만 건강보조식품으로도 섭취할 수 있다.
4. 식품 첨가물
4. 1. 착색료
식품 착색료는 식품의 색을 변경하기 위해 첨가되는 식용 색소이다. 이는 주로 감각 분석 목적으로 사용된다. 예를 들어 케첩에 빨간색 염료(FD&C Red No.40 Allura Red AC 등)를 사용하거나, 켈로그의 프루트 룹스와 같은 제품에 부자연스러운 색상을 첨가하여 고객이 인식하는 제품의 자연스러운 색상을 모방할 수 있다. 캐러멜은 천연 식품 염료이며, 산업적 형태인 캐러멜 색소는 가장 널리 사용되는 식품 착색료이다. 청량음료부터 간장, 빵, 피클에 이르기까지 다양한 식품에서 발견된다.
4. 2. 향미료 (Flavor)
식품의 풍미는 소비자가 음식을 후각과 맛으로 어떻게 느끼는지에 중요한 영향을 미치며, 특히 관능 검사에서 중요하다. 소금과 설탕처럼 자연적으로 발생하는 풍미 물질도 있지만, "향료사"라고 불리는 풍미 화학자들이 식품을 위해 많은 풍미를 개발한다. 인공 풍미에는 겨우살이 냄새를 생성하는 살리실산 메틸과 우유에 시큼한 맛을 부여하는 젖산 등이 있다.
4. 3. 기타 식품 첨가물
식품 첨가물은 풍미를 보존하거나 맛, 모양, 냄새 및 신선도를 향상시키기 위해 식품에 첨가되는 물질이다. 이 공정은 초절이를 위해 식초를 첨가하거나 마요네즈와 같은 유제 혼합물에 유화제를 첨가하는 것만큼 오래되었다. 이러한 물질은 일반적으로 유럽 연합에서는 "E 넘버"로, 미국 식품의약국에서는 GRAS("일반적으로 안전하다고 인정되는 물질")로 표시된다.
참조
[1]
서적
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Springer Science
1999
[2]
서적
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2009
[3]
서적
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https://archive.org/[...]
1848
[4]
간행물
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[5]
서적
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[6]
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Physical Chemistry Of Food Processes: Fundamental Aspects
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[7]
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[9]
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[10]
서적
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[11]
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[12]
논문
Mechanistic insights into consumption of the food additive xanthan gum by the human gut microbiota
2022-04
[13]
논문
The Impact of Dietary Fiber on Gut Microbiota in Host Health and Disease
2018-06
[14]
서적
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http://www.nap.edu/r[...]
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2005
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서적
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Academic Press, Elsevier
2009
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