미생물이 살기 좋은 물은 따로 있다고? / 커피와 수분활성도 1부

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여러분은 초코파이를 좋아하시나요? 저는 군대 훈련소에 고작 한 달 있었지만, 훈련소에서 먹었던 초코파이 맛을 아직도 잊을수가 없습니다. (저는 공익근무요원 출신입니다. 운동을 하다 어깨를 심하게 다쳐 4급 판정을 받았습니다.) 

수출판 초코파이 사진 ,매년 60개의 나라에서 연간 21억개 이상 팔린다.  그 맛의 비결은 바로!' 정'이 아니고 수분이라고 한다. / 사진출처 : ebay

러시아 전총리인 메드베데프가 티와 함께 초코파이를 즐기고 있다. / 사진출처 : [로이터=연합뉴스]

초코파이는 해외에서도 꽤 이름난 제과로 알려져있습니다. 찾아보니 오리온 매출의 70%가 해외에서 이뤄진다고 합니다. 예전에 러시아사람들이 엄청나게 좋아한다는 기사를 본적도 있습니다. 국내는 물론 국외에서도 초코파이가 이렇게 인기있는 이유가 뭘까요?  아래는 '초코파이'로 검색했을 때 나오는 기사의 일부 내용입니다.

기사링크 -  수분 13% 초코파이 열풍의 '매직' 중 일부 인용

이들이 꼽는 초코파이 맛의 비결은 바로 '수분 13%'다. 초코파이 전체에 퍼져있는 13%의 수분은 과자를 부드럽고 촉촉하게 해주며 방부제를 넣지 않아도 곰팡이 발생을 억제하는 황금비율이다.

1995년 이전까지 초코파이 수분비율은 14%였다. 문제는 그 해 중국에 진출하며 발생했다. 중국 남부지역의 고온 다습한 여름을 견디지 못한 초코파이에 곰팡이가 피어났다. 오리온은 이때 초코파이 10만개를 수거해 불 태워야 했다.

이때부터 초코파이 연구원들은 꼬박 2년간 초코파이 수분율 조절에 매달려, 촉촉한 식감을 유지하며 곰팡이 번식을 막을 수 있는 수분 비율 13%를 찾아냈다. 문 팀장은 "당시 실험실에 덥고 습한 가상 기후를 만들어 놓고 초코파이의 변화를 1년 이상 매일 분석했다"며 "연구원 1명이 1년간 먹은 초코파이만 3,000개가 넘는다"고 말했다.

초코파이의 맛의 비결은 수분함량이 상대적으로 풍부하여 부드럽고 촉촉한 맛을 내는 것입니다. 문제는 수분함량이 높기 때문에 자칫하면 곰팡이가 번식할 수 있는 조건이 생길 수 있습니다. 그렇다면 수분 1%의 차이가 무엇이길래 이런 차이를 유발하는 것일까요?

그 차이는 지난 내용에서 잠시 언급했던 수분활성도(Water Activity)와 밀접한 관련이 있습니다. 지난 시간에 얘기한 '보관환경'은 말 그대로 생두 외적으로 영향을 줄 수 있는 환경에 대한 이야기라면, '수분활성도'는 생두 내부에서 미생물에 의해 변화를 일으킬 수 있는 원인이 됩니다. 

수분활성도는 수분함량의 개념에서 좀 더 확장된 개념입니다. '수분함량'은 조건에 관계없이 존재하는 '수분의 전체량'을 측정한 개념이라면, '수분활성도'는 이러한 수분들 중에서도 식품에 유의미한 영향을 줄 수 있는 자유수(free water)의 양을 측정한 개념이라고 볼 수 있습니다. 간단하게 말하면 실제 식품의 보관과 밀접한 관계에 있는 유효 수분의 양을 측정하는 것입니다. 

커피 업계에서도 생두 퀄리티에 대한 관심이 높아지면서 수분활성도는 점차 주목받는 개념입니다. 특히 수분활성도가 생두를 보관할 때 뿐만 아니라, 산지에서 소비지로 이동 할 때 발생하는 품질변화에 큰 연관관계가 있다고 알려지면서, 더욱 많은 관심을 받았습니다. 본격적으로 거론된 지는 오래지 않아 좀 더 연구가 필요한 주제이기도 합니다. 이번 스터디를 통해 커피와의 연관성에 대해 좀더 자세히 알아보도록 하겠습니다.

수분활성도의 개념은 무엇인가?

수분활성도의 개념을 이해하기 위해서는, 우선 '수증기압'의 개념과 '자유수/결합수'의 개념에 대해서 이해할 필요가 있습니다. 조금 복잡하지만 한번 설명해보도록 하겠습니다. 

• 수증기압의 개념

물 표면에는 아무일도 없는것처럼 보인다. 그러나 다량의 수증기가 들어가고 나가고 있다 / 사진출처 : Pexels

이렇게 잔에 물이 들어있습니다. 우리가 봤을때는 물의 표면에 아무일도 없는 것처럼 평온해 보입니다. 그러나 실제로는 그렇지 않습니다. 액체의 표면에서 끊임없이 잔에 있는 물은 기체가 되고, 공기 중에 있는 수분 기체는 다시 액체가 되어 컵으로 들어오고 있습니다. 단지 우리 눈으로 보이지 않을 뿐입니다. 이때 주변환경이 건조해져 액체가 기체가 되는 양이 더 많아지면 컵의 물이 점점 줄어들겠죠. 반대로 습해서 기체가 액체가 되는 양이 더 많아지면 컵의 물이 점점 늘어나게 됩니다. 

수증기와 물의 평형 상태를 보여주고 있는 모식도(출처 : 한국기상학회/ 네이버지식백과)

수증기압은 이같이 물에서 증발되는 액체의 양과 관계 있습니다. '얼마나 많은 양의 물이 액체에서 기체가 되려고 하는지를 나타내는 성질'이라고 생각하시면 이해하기 쉽습니다.  네이버를 통해 검색한 두산백과에 아래와 같이 정의돼 있습니다.

밀폐된 유리용기 속에 물을 넣어 두면 물 표면에서 수증기가 증발하여 유리용기 안에는 수증기량이 증가하게 된다. 수증기량이 많아지면 압력도 높아지는데 이때의 압력을 수증기압이라하고 단위는 기압의 단위인 hPa을 쓴다.

• 자유수와 결합수(Free water and Bound water)

자유수는 해당 식품에 포함은 되어 있지만 말 그대로 '자유로운 상태'를 가진 물입니다. 물이 떠돌아다닌다고 생각하면 이해하시기 쉽습니다. 이 물도 실제 물과 같은 상태이기 때문에,  0도에서 얼고 100도에서 증발하게 됩니다. 이러한 자유로움이 식품의 수증기압에 영향을 미치게 됩니다. 또한 이러한 자유로움 때문에, 미생물이 증식하는데 이용되거나 효소반응에 활용되어 식품을 변하게 하죠.

결합수는 해당 식품에 포함되어 있지만 말 그대로 무언가에 결합되어 있는 상태를 띈 물입니다. 실제로 식품성분에 화학적으로 결합되어 있어서, 실제 물과는 다른 물리화학적 성질을 띄게 됩니다.  결합수는 강한 화학 결합을 통해 다른 물질과 결합되어 있기 때문에 이동이나 증발이 안되고, 미생물 증식이나 효소반응에 전혀 이용되지 않습니다. 

* 참고로 보통 수분함량을 측정한다고 했을때 측정되는 수분의 양은 보통 이 자유수와 결합수의 양을 모두 합친것을 의미합니다. 수분함량 측정기는 결합수의 양도 측정됩니다. 

수분활성도의 정의

[정의] 어떤 온도에서 식품의 수증기압(P)과 순수한 물의 수증기압(Po)의 비율

Aw = P / Po = ERH / 100

정의를 좀더 쉽게 풀어서 설명하면 어떠한 물질의 방해도 없어 증발이 자유로운 순수한 물과 비교했을때, 해당 식품에서 얼마나 다량의 수분을 내보낼 수 있는지의 비율이라고 볼 수 있습니다. 즉, 증발이 가능한 물의 양이 순수한 물에 비해 상대적으로 얼마나 있는지를 체크하는 것입니다. 

이는 위에서 설명한 (증발 가능한)자유수의 양이 얼마 인지를 나타내는 개념이기도 하며,  이는 미생물이 이용할 수 있는 수분(자유수)의 양이 얼마인지에 대한 개념으로도 이해할 수 있습니다.  

수분활성도의 측정방법

수분활성도 측정기의 원리는 이렇습니다.

주어진 시료의 이슬점을 측정하여 시료의 상대습도를 구하고, 이를 통해 수분활성도를 계산합니다. 

Step1) 이슬점 측정

• 이슬점의 개념

일반적인 수분활성도 측정 장치는 주어진 시료의 이슬점을 측정합니다. 이렇게 측정하는 방식을 Chilled mirror dew point 방식이라고 합니다. 냉각해서 이슬점을 찾는다는 말입니다.  수분활성도기는 보통 온도측정이 가능한 온도계의 기능도 포함되어 있습니다. 이러한 장치의 특성과 원리를 이용해 시료를 냉각시켜 수분이 생성되는 온도를 측정합니다. 이때의 온도가 시료의 이슬점입니다.

공기가 차가워지고 포화수증기량의 경계에 해당하는 온도에 도달하게 되면 공기중의 수증기가 응결하면서 물이 맺히기 시작한다. 그때의 온도를 이슬점이라고 한다. / 사진출처 : Flickr

이슬점 이하로 온도가 내려가면 수증기의 응결이 시작됨 / 사진 출처 : 네이버 지식백과(비상교육)

Step2) 시료의 (평형)상대습도 측정

• 상대습도의 개념

[정의] 주어진 온도에서 일정한 부피의 공기가 최대로 품을 수 있는 포화수증기압에 비해 현재 포함되어 있는 수증기양의 비율을 백분율(%)로 표시한 값

상대습도(Relative Humidity) = (현재 수증기량 / 포화 수증기량) * 100

수분활성도 측정기로 현재 시료의 이슬점을 확인했다면 그를 통해 시료가 가지고 있는 총 수증기 양을 계산할 수 있습니다. 시료의 이슬점이 나타나는 온도가 해당 이슬점 온도의 포화수증기양을 알려주므로, 시료가 얼마만큼의 수분을 가지고 있는지 확인 할 수 있는 것입니다.  

이를 통해 처음 주어진 시료의 온도를 바탕으로 주어진 시료의 상대 습도를 계산할 수 있습니다.

시료의 상대습도(RH) = 이슬점으로 관찰된 총 수증기량 / 측정온도 기준 포화수증기량 * 100*

Step3) 시료의 수분활성도 측정

시료의 현재 온도 기준 상대습도를 구했다면 이를 통해 수분활성도를 계산할 수 있습니다. 

시료의 상대습도는 실질적으로 주어진 현재 상황과 평형을 이룬 상태이므로 이 값을 평형상대습도라고 보면

'시료의 상대 습도' = '시료의 평형 상대 습도' 이고

결과적으로 '수분활성도 = 평형상대 습도(ERH) / 100'  이므로 주어진 시료의 수분활성도를 측정할 수 있습니다. 

이러한 방식을 감안할때 기계의 정확도는 '시료 온도의 측정'과 '시료의 이슬점 온도 측정'의 정확성에 달려 있다고 해도 과언이 아닙니다. 더 자세한 이야기는 다음 '커피와 수분활성도 2부'에서 계속됩니다.