저수분 식품 재료는 취급이 쉽고 유통기한이 길기 때문에 대부분의 식품 제조업체에서 사용합니다.저수분 재료의 예로는 분유, 밀가루, 설탕, 전분 및 향신료가 있습니다.분말과 향신료의 안정성을 고려할 때 가장 흔한 실패 모드는 케이크화 또는 덩어리짐일 가능성이 높습니다.왜냐하면 취급이 어려워지고 생산 효율에 영향을 미치기 때문입니다[1].
그러나 최근 저수분 재료로 인한 여러 제품 리콜로 인해 주목을 받고 있는 분말과 향신료에 대한 또 다른 우려는 미생물 안전성입니다[2,3].수분 활성이 미생물 성장의 하한선보다 훨씬 낮은 재료의 미생물 안전성을 논의하는 것이 이상하게 보일 수 있지만 저수분 재료가 미생물의 운반체가 될 수 있습니다.
유리 전이는 비정질 물질이 고점도의 ”냉동” 유리 상태에서 저점도의 고무 상태로 전이할 때 발생하는 변화입니다[5]. 유리 상태의 물질은 취성 고체처럼 거동하지만 결정 구조가 없고 질서 범위가 짧습니다. 고분자 과학 분야에서 오랫동안 이해되어 온 유리 전이 개념을 식품 고분자에 적용한 것은 Slade와 Levine이 개척했습니다[6]. 분말 및 향신료와 같은 수분 함량이 낮은 성분을 분무 건조, 동결 건조 또는 분쇄를 통해 가공하면 비정질 유리 상태가 됩니다. 이 상태를 유지하면 유통 기한과 취급 용이성이 최적입니다. 실제로 유리 비정질 상태의 분말 및 향신료는 준안정 상태로 존재하며 장기간(수개월에서 수년) 동안 안정을 유지합니다. 그러나 유리질에서 고무질로의 전환은 제품 성능과 제품 안정성에 엄청난 변화를 초래하여 유통기한이 몇 주, 며칠 또는 몇 시간으로 단축됩니다[5, 7, 8, 9].
유리 전이는 대략 엔탈피의 열역학적 변화, 유전 특성의 변화 및 기계적 변화를 수반하는 2차 상 변화로 분류할 수 있습니다[5]. 유리질에서 고무질로의 상 전이에서 중요한 매개변수는 변화를 시작하는 온도인 유리 전이 온도(Tg)입니다. 유리 전이를 조사하는 일반적인 방법은 Tg를 식별하기 위해 온도를 스캐닝하는 동안 열역학적, 기계적 또는 유전적 변화를 식별하는 데 중점을 두었습니다. 그러나 유리 매트릭스에서 가소제의 양을 늘리면 온도가 일정하게 유지되는 동안에도 유리 전이가 유도될 수 있습니다. 수분은 식품 재료에서 가장 흔한 가소제이기 때문에 온도를 일정하게 유지하면서 수분 활성도를 스캐닝하면 유리 전이도 유도됩니다. 이 전이가 발생하는 수분 활성도는 임계 수분 활성도(RHc)로 정의됩니다. 이론적으로 스캐닝 온도와 스캐닝 가소제 수준은 동일한 유리 전이 사건으로 이어져야 합니다(그림 1).
취급, 포장 및 보관 중에 분말 및 그보다 덜한 향신료의 케이크화 또는 덩어리화는 흔한 문제입니다. 분말과 향신료의 가공 및 보관 중에 문제가 발생할 수 있습니다. 케이크화는 입자의 끈적거림으로 인해 영구적인 덩어리가 형성되는 것으로, 결국 기능성 손실과 품질 저하로 이어질 수 있습니다[12, 13]. 케이크화는 건조 중 제품 회수율을 감소시키고, 호퍼와 파이프를 막아 처리 시간을 늦추고, 제품 유통 기한을 단축시킬 수 있습니다. 케이크화는 수분 활성도, 시간 및 온도에 따라 달라집니다. 케이크화 동역학에 영향을 미치는 것으로 알려진 요인은 분말 자체의 고유 특성(수분 활성도, 입자 크기 분포, 불순물 존재 및 유리 전이 온도)과 온도, 상대 습도 및 물질에 가해지는 기계적 응력과 같은 외부 요인으로 나눌 수 있습니다[14]. 분말이 비정질 유리인 경우 유리 상태에서 고무 상태로 전이하면 고무 상태에서 분자 이동성이 증가하여 분말이 케이크화되기 쉽습니다[15].
성분 분말의 주요 제조 모드는 분무 건조이므로 이러한 분말의 대부분은 비정질이고 유리질이므로 케이크화 또는 응집의 가장 큰 이유는 유리 전이 때문입니다. 일반적으로 분무 건조되지 않고 건조만 된 향신료는 비정질일 수도 있고 아닐 수도 있으며 일반적으로 분말보다 입자 크기가 더 크기 때문에 케이크화에 덜 취약합니다. 따라서 분말 케이크화를 방지하는 핵심은 이전 섹션에서 설명한 대로 유리 전이에 대한 상대 습도(RHc)를 설정하고 분말의 수분 활성도가 해당 상대 습도(RHc)를 초과하지 않도록 하는 것입니다. 분말의 수분 활성도가 상대 습도(RHc)를 초과하는
가장 큰 이유는 상대 습도(RHc)보다 높은 습도에 노출되거나 유리 전이 온도(Tg)보다 높은 온도에 노출되기 때문입니다. RHc와 온도는 안정성을 감소시키기 위해 함께 작용합니다.온도가 증가함에 따라 RHc는 온도가 분말의 현재 수분 활성도보다 RHc를 더 낮은 값으로 강제할 만큼 충분히 높아질 때까지 더 낮은 수분 활성도로 이동하여 유리 전이를 초래하기 때문입니다[11].보관 조건을 제어하는 것이 분말의 덩어리짐을 방지하는 가장 효과적인 방법이지만 항상 가능한 것은 아닙니다.또는 우수한 수분 차단재로 포장하면 높은 주변 습도에 노출되어 수분 활성도가 변하는 것을 지연시킬 수 있습니다.이상적인 성능을 위해 분말은 가장 극단적인 예상 보관 온도에 대한 RHc보다 충분히 낮은 수분 활성도로 가공해야 합니다.그런 다음 높은 습도에 노출되었을 때 분말의 수분 활성도 변화를 충분히 지연시킬 수 있는 포장을 사용해야 합니다.수분 활성도 변화를 충분히 지연시키는 데 필요한 수증기 투과율을 결정하여 분말에 적합한 포장을 식별하는 데 도움이 되는 도구를 사용할 수 있습니다.
취급, 포장 및 보관 중에 분말 및 그보다 덜한 향신료의 케이크화 또는 덩어리화는 흔한 문제입니다. 분말과 향신료의 가공 및 보관 중에 문제가 발생할 수 있습니다. 케이크화는 입자의 끈적거림으로 인해 영구적인 덩어리가 형성되는 것으로, 결국 기능성 손실과 품질 저하로 이어질 수 있습니다[12, 13]. 케이크화는 건조 중 제품 회수율을 감소시키고, 호퍼와 파이프를 막아 처리 시간을 늦추고, 제품 유통 기한을 단축시킬 수 있습니다. 케이크화는 수분 활성도, 시간 및 온도에 따라 달라집니다. 케이크화 동역학에 영향을 미치는 것으로 알려진 요인은 분말 자체의 고유 특성(수분 활성도, 입자 크기 분포, 불순물 존재 및 유리 전이 온도)과 온도, 상대 습도 및 물질에 가해지는 기계적 응력과 같은 외부 요인으로 나눌 수 있습니다[14]. 분말이 비정질 유리인 경우 유리 상태에서 고무 상태로 전이하면 고무 상태에서 분자 이동성이 증가하여 분말이 케이크화되기 쉽습니다[15].
성분 분말의 주요 제조 모드는 분무 건조이므로 이러한 분말의 대부분은 비정질이고 유리질이므로 케이크화 또는 응집의 가장 큰 이유는 유리 전이 때문입니다. 일반적으로 분무 건조되지 않고 건조만 된 향신료는 비정질일 수도 있고 아닐 수도 있으며 일반적으로 분말보다 입자 크기가 더 크기 때문에 케이크화에 덜 취약합니다. 따라서 분말 케이크화를 방지하는 핵심은 이전 섹션에서 설명한 대로 유리 전이에 대한 상대 습도(RHc)를 설정하고 분말의 수분 활성도가 해당 상대 습도(RHc)를 초과하지 않도록 하는 것입니다. 분말의 수분 활성도가 상대 습도(RHc)를 초과하는
가장 큰 이유는 상대 습도(RHc)보다 높은 습도에 노출되거나 유리 전이 온도(Tg)보다 높은 온도에 노출되기 때문입니다. RHc와 온도는 안정성을 감소시키기 위해 함께 작용합니다.온도가 증가함에 따라 RHc는 온도가 분말의 현재 수분 활성도보다 RHc를 더 낮은 값으로 강제할 만큼 충분히 높아질 때까지 더 낮은 수분 활성도로 이동하여 유리 전이를 초래하기 때문입니다[11].보관 조건을 제어하는 것이 분말의 덩어리짐을 방지하는 가장 효과적인 방법이지만 항상 가능한 것은 아닙니다.또는 우수한 수분 차단재로 포장하면 높은 주변 습도에 노출되어 수분 활성도가 변하는 것을 지연시킬 수 있습니다.이상적인 성능을 위해 분말은 가장 극단적인 예상 보관 온도에 대한 RHc보다 충분히 낮은 수분 활성도로 가공해야 합니다.그런 다음 높은 습도에 노출되었을 때 분말의 수분 활성도 변화를 충분히 지연시킬 수 있는 포장을 사용해야 합니다.수분 활성도 변화를 충분히 지연시키는 데 필요한 수증기 투과율을 결정하여 분말에 적합한 포장을 식별하는 데 도움이 되는 도구를 사용할 수 있습니다.
분말과 향신료에서 원치 않는 화학 반응이 일어나면 이색, 냄새, 풍미가 발생할 수 있습니다. 유리 상태의 분말과 향신료의 경우, 화학 반응 속도가 최소가 되고 고결 현상이 가장 빈번하게 발생하지만, 반응은 여전히 발생하여 유통기한을 단축시킬 수 있습니다. 그러나 수분 활성도가 상대습도(RHc) 이상으로 증가하고 고결 현상과 마찬가지로 유리 전이가 발생하면 화학적 분해 가능성이 크게 증가합니다. 많은 향신료는 건조 과정을 거쳐 가공되며 완전히 비정질이거나 매우 높은 유리 전이 온도를 갖지 않습니다. 앞서 언급했듯이 이러한 향신료는 일반적으로 입자 크기가 크기 때문에 고결이나 응집이 덜 발생합니다. 이러한 향신료의 경우, 화학적 분해가 주요 분해 원인입니다.
분말과 향신료의 품질 저하를 일으키는 주요 화학 반응은 마이야르 갈변, 지질 산화, 효소 반응, 가수분해 반응입니다. 이러한 반응의 생성물은 반응이 충분히 진행되면 맛, 외관, 그리고 영양적 품질에 영향을 미칩니다. 수분 활성도는 활성화 에너지를 감소시키고, 이동도를 증가시키며, 속도 상수를 증가시켜 반응 속도에 영향을 미칩니다. 결과적으로 반응 속도는 수분 함량보다 수분 활성도와 더 높은 상관관계를 보입니다. 일반적으로 수분 활성도가 증가하면 반응 속도도 증가하지만, 구체적인 상관관계는 생성물의 종류와 반응에 따라 달라집니다(그림 3). 대부분의 반응은 높은 수분 활성도에서 희석으로 인해 0.70~0.80 aw 범위에서 최대값에 도달하지만, 낮은 수분 활성도에서도 지질 산화가 증가합니다.
이러한 반응은 종종 여러 가지 가능한 경로를 가지고 복잡하며, 발생하기 위해서는 특정 반응물이나 효소가 필요합니다. 낮은 수분 활성도는 충분한 안정성을 제공하기 위해 반응 속도를 감소시키는 경우가 많지만, 산패를 위한 산소나 마이야르 갈변을 위한 환원당과 같은 반응물을 제한해야 할 수도 있습니다. 향신료는 갈변과 산패 모두에 취약하며, 화학적 분해를 거친 제품은 예상치 못한 색상 변화나 냄새로 인해 검사에서 거부될 가능성이 높습니다. 설탕 함량이 높은 분말은 시간이 지남에 따라 갈변되기 쉽고, 수분 활성도가 높은 분유는 유지방이 함유되어 있어 지질 산화에 취약합니다.
최근 수분 활성도가 낮은(<0.70 aw) 것으로 간주되는 재료와 관련된 주목할 만한 리콜은 분말 및 향신료를 포함한 수분 함량이 낮은 재료의 미생물 오염과 관련될 수 있는 위험을 강조했습니다. 분말 및 향신료의 낮은 수분 활성도는 병원성 박테리아 및 기타 미생물의 증식을 막지만[18], 낮은 수분 활성도는 치사 단계가 아니며 기존 미생물 부하를 죽이지 않습니다. 분말 및 향신료에 존재하는 미생물은 성장하지 않지만 감염을 일으킬 만큼 이미 많은 수로 존재한다면 레시피에 추가될 때 이 오염을 식품 매개 질병이 발생할 가능성과 함께 전달합니다. 또한 많은 병원성 박테리아는 수분 활성도가 낮은 상태에서 수년간 생존할 수 있습니다. 이러한 유기체는 휴면 상태이며 충분한 수로 존재하지 않으면 직접 섭취하면 질병을 일으키지 않지만 수분 활성도가 성장을 지원할 만큼 충분히 높은 고수분 제형에 추가되면 이러한 유기체가 다시 성장하여 감염으로 이어질 수 있습니다.
저수분 성분의 미생물 오염과 관련된 인식된 위험에 대응하여, 저수분 성분에 대한 위험 분석 및 위험 기반 예방 관리(HARPC) 프로그램 개발을 위한 식품 안전 및 현대화법(FSMA) 지침은 저수분 성분에 대한 살균 단계와 함께 치사율을 검증하기 위한 모니터링 활동을 권장합니다. 이는 앞으로 분말 및 향신료 가공에 어떤 유형의 치사 처리가 포함되어야 함을 의미합니다. 가장 일반적인 치사 처리가 열처리이지만, 분말 및 향신료의 경우 수분 활성도가 낮기 때문에 어렵습니다. 주어진 온도에서 치사율을 달성하는 데 필요한 시간(D 값이라고 함)은 수분 활성도가 감소함에 따라 증가합니다[19]. 결과적으로 분말 및 향신료에서 효과적인 치사율을 달성하는 데 필요한 시간과 온도는 수분 활성도에 따라 달라지므로 치사 처리의 효율이 최대화되는 중요한 수분 활성도를 식별해야 합니다. 분말과 향신료에 열처리를 적용하는 데 따르는 어려움으로 인해, FSMA의 인간 식품에 대한 위험 분석 및 위험 기반 예방 관리: 산업 지침 문서의 섹션 4.3 공정 관리에서 치사율에 대한 몇 가지 대체 제안이 제공됩니다.
Brady Carter 박사는 Carter Scientific Solutions의 선임 연구 과학자입니다. 그는 수분 활성도 및 수분 흡착 응용 분야를 전문으로 합니다. Carter 박사는 워싱턴 주립대학교에서 식품 공학 및 작물 과학으로 박사 및 석사 학위를 취득했으며 Weber 주립대학교에서 식물학으로 학사 학위를 받았습니다. 그는 20년 동안 연구 개발 경험을 쌓았으며, 자신의 회사를 설립하기 전에는 Decagon Devices와 워싱턴 주립대학교에서 근무했습니다. Carter 박사는 현재 Novasina AG와 Netuec Group에 계약 과학 지원을 제공하고 있습니다. 그는 23개국 이상에서 수분 활성도 세미나 강사로 활동했으며 전 세계 기업에 현장 수분 활성도 교육을 제공했습니다. 그는 수분 활성도, 수분 흡착 등온선 및 완전한 수분 분석에 관한 20편 이상의 백서를 저술했습니다. 그는 수백 건의 확장 발표에 참여했고 수많은 과학 컨퍼런스에서 강연했습니다. 그는 유통기한 단순화 패러다임과 습도열 유통기한 모델을 개발했습니다.

브래디 카터 박사
세계적으로 유명한 수상 활동 전문가