3 장 수분

3 장 수분

1

학습내용

2

 물 분자의 구조

 수분의 성질

 용매로서의 물

 물의 상전이

 자유수와 결합수

 수분활성도

물 분자의 구조



물 분자(H₂O)는 두 개의 수소 원자와 하나의 산소 원자가 공유결합

물 분자의 구조



전기음성도(electronegativity)차에 따라 산소원자는 부분적 음전하를, 수소원자는 부분적 양전하를 가짐.

 전기음성도: 분자 내 원자가 그 원자의 결합에 관여하고 있는 전자를 끌어당기는 정도를 나타내는 척도

물 분자의 구조



산소와 수소는 구부러진 구조

 bent structure, 결합각 104.5°

물 분자의 구조



산소의 원자가 전자(valence electrons)는 6개

 수소원자와 공유결합 2개 + 2 쌍의 lone-pair electrons 4개

물 분자의 구조



수소결합(hydrogen bond): 부분전하를 가지는 산소와 수소 원자 간의 정전기적 상호작용

물 분자의 구조



수분과 식품성분의 수소결합 형성의 예시



용매로서의 물

수분의 성질



진용액(true solution) 내 작은(1 nm 이하) 수용성 분자들이 녹아있는 용매로 기능



교질용액(colloidal solution) 내 분산질(colloid, 크기가 1~100 nm인 입자)을 담고 있는 분산매로서의 기능



입자의 크기가 100nm이상인 경우 흔들면 일정시간 분산되어 있지만, 정치하면 입자가 가라앉아서 물과 입자가 분리된다.

이러한 현탁액(suspension)의 분산매로서의 기능



용매로서의 물

수분의 성질

진용액 현탁액 교질용액



용매로서의 물

수분의 성질



용매로서의 물

수분의 성질



Tyndall effect: particles in colloids and suspensions reflect of scatter light in all directions.



Solutions do not scatter light

수분의 성질



물의 상전이



물은 온도와 압력의 변화에 따라서 상전이(phase transition)를 한다.

 일정한 압력하에서 온도가 올라가면 물 분자 간의 수소결합이 약해지면서 물 분자가 쉽게 떨어져서 액체상의 물로부터 떨어져 나와 기체상으로 기화된다.

 반대로 온도를 낮추면 수소결합이 강해지고 물분자 1개가 최대 4개의 다른 물 분자와 수소결합을 형성하면서, 물 분자들이 규칙 적으로 배열된 결정이 만들어져서 고체상인 얼음으로 동결된다.

수분의 성질



물의 상전이

물과 얼음의 구조

수분의 성질



물이 어는 동안 또는 끓는 동안에는 빼앗는 열이나 가해 지는 열이 상전이에 이용되므로 상전이가 일어나는 동 안에 물의 온도는 어는점과 끓는점에서 변하지 않음



용액의 어는점과 끓는점은 순수한 물과 비교하여 각각 낮거나 높다.



물의 상전이

수분의 성질



물의 상전이

 기체상·액체상·고체상의 3개의 상이 평형으로 공존하는 상태, 즉 상태도에서 기체상-액체상, 액체상-고체상, 기체상-고체상 의 3개의 공존선이 하나로 집결하는 점(T)이다.

 물의 3중점은 온도 0.01℃, 압력 0.006 atm



삼중점(triple point)

 In thermodynamics, the triple point of a substance is the temperature and pressure at which the

three phases (gas, liquid, and solid) of that substance coexist in thermodynamic equilibrium.

수분의 성질



물의 상전이

수분의 성질



물의 상전이



동결건조(freeze drying): 승화(고체→기체)의 원리

 수용액이나 다량의 수분을 함유한 재료를 동결시키고 감압함 으로써 얼음을 승화시켜 수분을 제거하여 건조물을 얻는 방법

수분의 성질



물의 상전이

 보통 온도·압력에서는 기체와 액체가 되는 물질도 임계점

(supercritical point)이라고 불리는 일정한 고온·고압의 한계를 넘으면 증발 과정이 일어나지 않아서 기체와 액체의 구별을 할 수 없는 상태, 즉 임계상태가 된다. 이 상태에 있는 물질을 초임 계 유체라고 한다.

 확산이 빠르고 열전도성이 높아 화학반응에 유용하게 사용됨.



초임계 유체(supercritical fluid)

수분의 성질



물의 상전이



초임계 유체(supercritical fluid)

수분의 성질



물의 상전이

냉동 속도에 따른 해동 후 수분 손실의 변화



냉동속도에 따라 얼음결정의 개수와 크기가 달라짐.



자유수와 결합수



자유수(free water): 식품 내 수용성 성분의 용매로 작용하며, 온도 변화에 따라 증발 및 동결이

일어나는 수분



결합수(bound water): 식품 내 성분들과 강하게 결합한 물로서 일반적인 물의 특성(가열에 의한 증발이나 냉각에 의한 동결)을 나타내지 않음

수분의 성질



자유수와 결합수

수분의 성질



자유수와 결합수

수분의 성질



자유수와 결합수

수분의 성질

수분의 성질



식품의 저장성이 단순하게 수분 함량에 따라서 결정되 지 않고, 전체 수분 중 식품 내 변화에 관여할 수 있는 수분의 비율이 더 중요하다



수분활성도(water activity)는 일정한 온도의 닫힌 공간 에서 순수한 물이 나타내는 증기압(Po)을 동일한 조건 에서 식품이 나타내는 증기압(P)의 비율로 나타낸다



수분활성도(water activity, a _w )

수분의 성질

용질의 첨가에 의한 수증기압의 변화



수분활성도(water activity, a _w )

수분의 성질



수분활성도(water activity, a _w )

수분의 성질



수분활성은 일정 온도에서 식품이 나타내는 수증기 압(P)과 순수한 물의 수증기압(P_o)의 비

a_w = P / P_o

(순수한 물의 수분활성도는 1, 일반적인 식품 a_w < 1)



수분활성도(water activity, a _w )

수분의 성질



ERH = 식품 주위의 평형상대습도(equilibrium relative humidity)

n1 = 식품 중의 물의 몰(mol) 수 n2 = 식품 중의 용질의 몰(mol) 수

ERH = n1/(n1+n2) × 100= P/Po × 100 = a_w × 100



수분활성도(water activity, a _w )

수분의 성질



식품의 수분활성도는 화학반응 및 미생물의 생육 등에 영향을 미친다.



순수한 물의 수분활성도는 1이며, 식품 내 수분은 다양 한 성분들과 결합에 의해 증발이 잘 일어나지 않으므 로 식품의 수증기압은 순수한 물보다 낮으므로 식품의 수분활성도는 1보다 작다.



수분활성도(water activity, a _w )

수분의 성질



수분활성도(water activity, a _w )

수분활성도에 따른 식품 내 반응속도의 상대적 비교

수분의 성질

수분활성도에 따른 물 분자 형성 영역

수분의 성질



수분활성도(water activity, a _w )

수분의 성질



수분활성도(water activity, a _w )

수분의 성질



등온흡습곡선(moisture sorption isotherm)



수분활성도(water activity, a _w )

이력현상(hysteresis)

수분의 성질



수분활성도(water activity, a _w )