Water

수분 (p. 7) 2.1 수분의 중요성 1) 사람 몸속의 수분량 : 55~75% 2.2 수분의 역할   1) 사람 몸속의 수분량 : 55~75%  2)  1일 필요 수분량 : 30mL/kg, 1.8L/60kg 3) 항상성(homeostasis) : input = output(땀, 소변, 대사과정 등) 2.2 수분의 역할 1) 용매 : 용질(기질)을 용해하는 물질 2) 운반체 : 기질 이동 3) 가수분해(peptide bond, ester bond의 분해) 2.3 물분자의 구조, 특성 및 화학적 성질 1. 물분자의 구조 (H2O) 1) 산소원자의 최외각 전자 6개 중 2개의 전자는 수소원자의 전자와 공유결합(covalent bond) 형성) 2) 공유결합에 참여하지 않는 비공유전자 2쌍과 정사면체 구조(그림2-1a)

수분 (p. 8) 3) 산소와 수소 사이의 결합각도 : 104.5˚ (∵ 비공유전자쌍 간의 반발)   3) 산소와 수소 사이의 결합각도 : 104.5˚ (∵ 비공유전자쌍 간의 반발)  4) 전기음성도(electronegativity ; 전자에 대한 친화력) 산소>수소 : 공유결합 시 전자가 산소원자에 밀집되어 분포 5) 극성분자 (polar molecule) ; 물은 극성용매 6) 비극성분자 (nonpolar molecule) 7) 쌍극자 모멘트 : 전자의 불균등 분포 산소원자 : 부분적 음전하(δ-) 수소원자 : 부분적 양전하(δ+) 8) 수소결합 (hydrogen bond) : 부분적 양전하를 띠는 수소가 전기음성도가 높은 원자(질소, 산소, 불소)들 사이에 인접하여 존재 시 형성 (그림2-2) 2. 물분자의 특성 및 화학적 성질 1) 용매 : 용질(기질)을 용해하는 물질 2) 운반체 : 기질 이동 3) 가수분해(peptide bond, ester bond의 분해)

Electronegativity Electronegativity: a measure of the force of an atom’s attraction for electrons it shares in a chemical bond with another atom on Pauling’s scale, fluorine, the most electronegative element, is assigned a value of 4.0

The Polar Nature of Water Given the difference in electronegativity between oxygen and hydrogen (3.5 - 2.1 = 1.4) and its shape, water is a polar molecule with a dipole moment of 1.85D the net charge on oxygen is -0.66 and that on each hydrogen is +0.33

Structure of the water molecule

Nonpolar Bonds & Molecules Molecules such as CO2 have polar bonds but, given their geometry, are nonpolar molecules; that is, they have a zero dipole moments 쌍극자(dipole) : 물 분자처럼 같은 분자 내에 δ- 와 δ+ 전하가 분리되어 있는 물질

Hydrogen Bonding Hydrogen bond: the attractive interaction between dipoles when the positive end of one dipole is a hydrogen atom bonded to an atom of high electronegativity, most commonly O or N, and the negative end of the other dipole is an atom with a lone pair of electrons, most commonly O or N The strength of hydrogen bonding is about 2-5 kcal•mol -1 for water, it is 5 kcal•mol-1

Directionality of the hydrogen bond

Hydrogen bonding in ice.

Common hydrogen bonds in biological systems. Some biologically important hydrogen bond

수분 (p. 9)   2. 물분자의 특성 및 화학적 성질 1) 물분자는 비슷한 분자량을 가진 화합물(CH4, NH3, HF)과 비교하여 상대적으로 높은 boiling point(끓는점), melting point(녹는점), heat of fusion(융해열), heat of vaporization( 기화열) (∵ 물분자의 수소결합) 2) 잠열 (latent heat) : 온도의 변화 없이 상태의 변화만을 초래 융해열 ; 얼음 → 물 (1.436 kcal/mol) 기화열 : 물 → 수증기 (9.705 kcal/mol) 3) 표면장력 (surface tension) : 액체의 표면이 스스로 수축하여 가능한 한 작은 면적을 취하려는 성질 • 물방울이 둥글게 보이는 이유 ; 수소결합에 의해 분자간 인력이 크기 때문 4) 비열 (specific heat) : 1g의 물질의 온도를 1℃ 올리는데 필요한 에너지 • 물의 온도를 상승시키는 것은 동일한 질량을 가진 철과 비교하여 약 10배 높은 비열을 가진다. 5) 유전항수 (dielectric constant) : 액체에 있어서 극성을 나타내는 척도 • 물은 20℃에서 80으로 모든 액체 중 최대 (∵ 물은 쌍극자 모멘트가 크기때문에 높은 유전항수를 나타내며 물이 극성용매로서 매우 유용한 이유)

Even though hydrogen bonds are weaker than covalent bonds, they have a significant effect on the physical properties of hydrogen-bonded compounds

수분 (p. 10) 3. 용액의 성질 1) 수화 (hydration) : 식품성분이 물과 수소결합을 형성하여 용해시키는 현상   3. 용액의 성질 1) 수화 (hydration) : 식품성분이 물과 수소결합을 형성하여 용해시키는 현상 • 극성물질은 물에 잘 녹아 용액이 되며 용질의 농도, pH, 온도 등은 용액의 성질을 변화시킨다. 2) 용액 (solution) : 둘 이상의 물질로 구성된 액체상태의 혼합물 • 입자크기가 1nm 이하의 용질이 물에 균일하게 섞여 있는 상태 • 진정용액 (true solution) : 식품의 구성성분으로 무기질, 염, 당(올리고 당 수준까지)이 진정용액을 만든다 (예; 빙과류 제조 시 첨가되는 당의 농도는 단맛 상승과 어는점 하강 초래) 3) 총괄성 (colligative property) : 용질의 종류와 상관없이 용매에 녹아 있는 용질의 농도(molarity)에 의존적으로 변화하는 성질 • 교질(colloid) 이나 현탁액(suspension)을 형성하는 입자가 큰 식품성분(단백질, 전분)들은 진정용액을 만들지 않으므로 어는점에 별다른 영향을 미치지 않는다.

Water dissolves many crystalline salts by hydrating their component ions.

수분 (p. 11)   2.4 용액의 성질 1) 결합수 (bound water) : 식품의 구성성분과 단단히 결합되어 자유로운 운동이 불가능한 수분 • -40℃ 이하에서도 동결되지 않는다. • 결합수의 수증기압은 일반적으로 낮아 미생물 생장 또는 식물의 발아에 이용되지 못한다. • 쉽게 기체로 전환되지 않는다. • 용매로서 작용하지 못한다. 2) 자유수 (free water) : 식품의 조직안에 물리적으로 갇혀 있는 상태로 자유로운 이동이 가능한 수분 • 가열하면 쉽게 건조가능 • 압력을 가하면 식품으로부터 쉽게 유리 • 용매의 성질을 가지고 있다.

수분 (p. 12) 2.4 수분활성도 (water activity) 1) 수증기압 (vapor pressure) : 임의 온도의 닫힌 시스템(closed system)에서 액체에서 증발된 기체들에 의하여 액체의 표면에 가해지는 압력 • 액체에서 기체로 전환되려는 힘 2) 수분활성도 (water activity) : 일정한 옹도에서 식품의 수증기압(P)에 대한 동일온도에서 나타내는 순수한 물의 수증기압(P0)의 비 • % 수분함량 • Aw = P/ P0 • 식염이나 당과같이 물과 결합할 수 있는 용질이 함유되어 있는 비 휘발성 극성물질이 첨가되면 물과 결합하여 물의 기체로의 전환을 감소시켜 수증기압이 감소한다(그림2-4) • 식품의 수증기압은 순수한 물의 수증기압 보다 항상 작다. 0 < Aw < 1

수분 (p. 12)    3) 흡습 (absorption) : 식품 주변의 공기 습도가 높을 때 평형상태가 이루어질 때 까지 진행된다. 4) 탈습 (desorption) : 주변 공기가 건조할 때 평형상태가 이루어질 때 까지 진행된다. 5) 상대습도 (relative humidity) : 특정한 온도의 대기중에 포함되어 있는 수증기압을 그 온도의 포화수증기압으로 나눈 값(%) 6) 평형상대습도 (ERH; Equilibrium Relative Humidity ) : • 공기의 수증기압과 식품의 수증기압이 평형을 이룰 때의 상대습도 • 포화수증기압 = 순수한 물의 수증기압 • ERH = Aw x 100 = P/P0 x 100

수분 (p. 12) 7) 라울의 법칙 (Raoul's Law) : • 용매에 용질을 용해시킬 경우 나타나는 수증기압의 감소로 용액의 몰분율에 비례 (그림 2-5). • 순수한 물의 수증기압(P0)에 용질을 첨가하여 증기압이 P로 감소하였다면 (P0 –P) / P0 = N2 / (N1 + N2) → N1 ; 용매의 몰수, N2 ; 용질의 몰수 * Aw = P/ P0 * 좌변; (P0 –P) / P0 = (1 – Aw) (1 – Aw) = N2 / (N1 + N2) Aw = [1- N2 / (N1 + N2)] * 우변; [(N1 + N2) / (N1 + N2) - N2 / (N1 + N2)] = N1 / (N1 + N2) ∴ Aw = N1 / (N1 + N2) • (예1) 40g의 설탕(sucrose=glucose+fructose, 분자량=342)을 40g의 물(분자량=18)에 첨가하였을 때 수분활성도는? Aw = N1 / (N1 + N2) =(40/18) / [(40/18) + (40/342) = 0.95

수분 (p. 12)    • (예2) 40g의 포도당(glucose 분자량=180)을 40g의 물(분자량=18)에 첨가하였을 때 수분활성도는? Aw = N1 / (N1 + N2) =(40/18) / [(40/18) + (40/180) = 0.91 즉, 분자량이 작은 포도당이 설탕보다 수분활성도를 낮추는데 효과적이다. 8) 수분활성도 측정장치 (Aw meter) • 거울, 광학센서, fan 및 적외선 온도센서로 구성 • 시료를 밀폐된 공간에서 적외선을 거울에 조사하여 거울에 수증기가 응결하여 평형을 만드는 이슬점을 나타내는 온도를 감지하여 수분활성도로 전환시키는 원리

수분 (p. 14) 2.6 등온탈흡습곡선 (moisture sorption isotherm) * 건조하여 얻어진 탈습곡선과 수화 시켜 얻어진 흡습곡선은 일정 수분함량을 기준으로 볼 때 동일한 수분활성도를 나타내지 않고 흡습하여 얻어진 수분활성도가 높게 나타난다. • 이력현상(hysteresis) : 흡습과 탈습곡선이 일치하지 않는 현상 * Ink bottle 이론; 잉크병에 물이 담기고 빠져나갈 때 속도가 다르듯이 식품조직의 모세관으로 수분의 출입속도가 다르기 때문 * Open core 이론; 탈습과정 중 식품 조직의 수축으로 물과 반응할 수 있는 흡착장소의 수가 감소하기 때문 • 등온흡습 곡선 형태 Type 2와 Type 3 (그림 2-8) • 식품저장 온도가 상승함에 따라 수분활성도 증가 ; 저장온도가 증가함에 따라 식품 중에 존재하는 수분은 보다 많은 운동에너지를 얻게 되어 식품중의 용질에 흡착되는 비율이 감소하고 기체상으로 존재하는 비율이 증가하기 때문 * 수분함량 20%로 가정하면 25℃(Aw=0.3), 35℃(Aw=0.7) (그림 2-9)

수분 (p. 16) • 식품의 저장 안정성 향상 방법 * 식품의 건조    • 식품의 저장 안정성 향상 방법 * 식품의 건조 * 물과 결합할 수 있는 용질 첨가(free water 감소) * 온도를 낮추어 물 분자의 활성 감소 • 등온탈흡습 곡선의 영역별 분류 (그림 2-10) * 단분자층 영역(monolayer region; A 영역) : 물 분자가 식품 성분 중의 단백질이나 탄수화물의 카르복실기나 아미노기와 강한 이온결합을 형성하고 있는 영역, 즉 식품 중의 수분이 단백질이나 탄수화물에 단분자층으로 강하게 흡착되어 있는 영역 ① 식품의 평형수분함량이 단분자층 형성에 요구되는 수분함량보다 적은 경우를 포함한다 ② BET (Brunauer-Emmet-Teller) point; 단분자층에서 물 분자가 식품 표면에 균일하게 분포하는 지점 → 식품의 저장 안정성이 가장 우수 * BET point 미만에서는 햇빛이나 산소등에 식품의 직접적 노출이 증가하여 산화속도가 증가된다.

수분 (p. 16) * 다분자층 영역(multilayer region; B 영역) : 물 분자간 또는 물 분자와 용질 사이에서 수소결합이 주요한 결합형태 * 모세관응축 영역(capillary region; C 영역) : 수분의 자유로운 이동이 용이하여 여러 식품 성분에 대하여 용매로서 작용하며 미생물에 의하여 쉽게 이용되는 영역   2.7 수분활성도와 식품의 품질 (1) 미생물과 Aw 1) 세균(bacteria) ; Aw > 0.91 2) 효모(yeast) ; Aw > 0.88 3) 곰팡이 (mold) ; Aw > 0.70 4) 내건성 곰팡이 ; Aw > 0.65 (2) 산화(oxidation) 억제 1) Aw 감소 2) 산소와의 직접적 접촉 차단 3) 미량 금속 이온의 수화 4) 과산화물과의 수소결합 5) 유리기(free radical)의 재편성 과정 촉진

수분 (p. 16) (3) 산화(oxidation) 촉진 1) Aw 증가 2) 기질의 이동성 증가 3) 낮은 촉매제들의 용해성 증가 4) 식품 matrix의 확장을 통한 새로운 반응표면 노출 (4) 마이에르 반응 (비효소적 갈변반응) : 종 모양(bell shape) 1) Aw가 낮은 단분자층 영역; 갈변반응 억제 (∵ 용매로서의 물의 양이 적기 때문에 반응물질과 반응산물의 이동 및 확산이 어려워 지기 때문) 2) Aw 0.6~0.7; 갈변반응 최대 3) Aw > 0.8; 갈변반응 속도 감소 (∵ 반응물질의 희석효과가 나타나기 때문) (5) 효소 1) 수분활성도 증가 → 효소 반응속도 증가 2) 낮은 수분활성도 → 효소의 안정성 증가, 즉 효소 장기 보관을 위해서는 분말형태로 저장

수분 (p. 17) 2.8 냉동과 동결건조 1) 얼음 : 물 분자가 수소결합으로 연결되어 육각형 격자구조 형성   2.8 냉동과 동결건조 1) 얼음 : 물 분자가 수소결합으로 연결되어 육각형 격자구조 형성 • 액체의 물보다 상대적으로 부피 증가(순수한 물의 경우 약 8~9% 부피증가) (그림 2-12) • 액체상태의 물은 얼음에 비해 분자활동이 활발하나 부피감소로 밀도는 높아진다 • 얼음의 비열(약 0.5 cal/g)이 물의 비열 (1 cal/g) 보다 작아 동일한 조건에서 동결 시 보다 해동 시 더 많은 시간이 필요하다 • 동결 시 부피증가로 세포의 기계적 손상(식물성 식품이 동물성 식품에 비해 크다 (∵ ① 식물성 식품의 수분함량이 동물성 식품보다 상대적으로 높다. ② 동물성 식품은 유연한 완충능력을 보유한 세포막을 가지고 있으나 식물 조직은 견고하고 유연성이 부족한 세포벽으로 구성되어 있기 때문) 2) 완만냉동 (slow freezing) : 냉동속도가 느림 • 결정의 성장시간 증가 • 세포 외부공간(intercellular space)에 큰 얼음 결정 생성 • 식품의 기계적 손상 → 해동 후 육류의 수분 손실(thawing loss) 증가 및 조직을 딱딱하고 질기게 변화시킴

수분 (p. 18) 3) 급속냉동 (quick freezing) : 냉동속도가 빠름 • 세포 내 · 외부에 균일하고 작은 얼음 결정 생성 4) 동결건조(freeze drying) : 식품을 동결시키고 감압상태에서 얼음을 기체로 승화시켜 수분을 제거하는 방법 (그림 2-14a) • 0.006 기압 (4.56mmHg) 이하에서 얼음 → 기체(수증기)로 승화 • 장점 ; ① 복원성 및 조직감 등 관능적 특성 우수 ② 향기성분 및 열에 민감한 영양소 손실 방지 • 단점 ; ① 연속적인(continuous) 시료의 건조가 불가능한 배치(batch)형 장치이므로 고비용 (그림 2-14b) • 이용 ; 열에 민감한 스타터 균(starter) 또는 부가가치가 높은 식품 제조

Solvent Properties of H2O Hydrophilic: water-loving(친수성) tend to dissolve in water Hydrophobic: water-fearing(소수성) tend not to dissolve in water Amphipathic: loving on both ends molecules that contain one or more hydrophobic and one or more hydrophilic regions, e.g., sodium palmitate

Solvent Properties of H2O Table 2.2 Examples of Hydrophobic and Hydrophilic Substances

Solvent Properties of H2O Micelle: a spherical arrangement of organic molecules in water solution clustered so that their hydrophobic parts are buried inside the sphere and their hydrophilic parts are on the surface of the sphere and in contact with the water environment Example: a sodium oleate micelle Interaction between nonpolar molecules is very weak depends on the attraction between temporary induced dipole moments called van der Waals interactions