고체, 액체, 반고체 상태의 식품 물성 - 식품의 화학적 물성

진 용액과 콜로이드 용액, 현탁액 상태의 액체에 영향을 미치는 요소는 어떤 것들이 있을까요? 

수용액으로 녹은 상태의 진 용액, 콜로이드 용액, 현탁액은 그 농도에 따라 특성이 달라집니다. 끈적이는 정도를 식품 화학에서는 점성(viscosity)이라고 표현하는데, 이 점성은 액체가 흘러가는 속도를 표현하는 용어입니다. 액체 상태를 이루고 있는 분자 입장들이 화학적으로 서로 끌어당기는 힘으로 점성이 형성되기 때문에 액체를 이루는 용질의 농도가 증가할수록 그 액체의 점성도 더 증가하게 됩니다. 현탁액은 시간에 따라 점차 응집되기 때문에 응집된 물질들이 침전되어 가라앉습니다. 이때 온도가 추가적인 영향을 줄 수 있습니다. 온도가 높으면 용해가 훨씬 더 잘 일어나게 되고 점성은 점차 감소하게 됩니다. 반대로 온도가 감소하면 서로 응집되어 침전되거나 흐르는 정도가 줄어들어 점성이 높아지는 쪽으로 변화하게 됩니다.

이때 교질 용액의 주요한 특성은 다음과 같습니다.
- 교질 입자의 크기가 커서 반투막을 통과하지 못하는 반투 성
- 분 산매, 분산질 끼리 서로 충동하여 입자들이 불규칙한 직선 운동(브라운 운동)하는 경우
- 교질 입자가 다른 물질을 잘 흡착하는 성질을 가지는 경우 (흡착성)
- 진 용액의 경우 용액을 빛이 직선상으로 투과하지만 교질 용액에서는 투과하지 못하는 틴 달 현상

이전 포스팅에서 말씀드린 것처럼, 식품 화학의 물성에서 중요하게 작용하는 세 가지 요소는 식품에 가해진 힘, 식품의 변형 정도, 그리고 시간이라고 하였습니다. 이러한 요소들에 의해 액체의 물성을 표현할 수 있는데, 가장 대표적인 것은 뉴턴 성 액체와 비 뉴턴 성 액체입니다. 

뉴턴 액체는 액체에 가해진 힘이 증가하면 증가할수록, 액체의 운동 속도가 비례적으로 증가하는 상태의 유체입니다. 즉, 액체의 운동 속도를 더욱 빠르게 하기 위해서는 액체에 가하는 힘의 크기가 더 증가하면 되는 액체가 뉴턴 액체에 속한다고 할 수 있는 것입니다. 이러한 뉴턴 성 액체는 분자가 구 형태의 저분자 물질입니다. 

비뉴턴 성 액체는 전분, 펙틴과 같이 고분자가 용액 안에 녹아있을 때 힘이 가해져도 비례적으로 운동 속도가 증가하지는 않는 액체입니다. 사실상 거의 일반적인 식품의 경우가 비 뉴턴 성 액체에 해당합니다. 처음에는 액체를 움직이게 하기 위해 일정량의 힘이 가해져야 하는 것은 유사 가소성(pweudo-plastic) 액체입니다. 반면 액체를 운동하게 하면 할수록 가해지는 힘의 크기가 더욱 증가해야 하는 액체는 딜레턴트(dilatant) 액체입니다. 그리고 초반에는 거의 운동성이 존재하지 않다가 어느 정도 이상의 힘이 가해져야만 운동하게 되는 액체는 빙 햄 가소성(Bingham plastic) 액체입니다. 위의 개념에서 액체의 운동을 일으킬 수 있는 최소한의 필요 힘의 크기를 항 복력이라고 합니다.

식품 중 비뉴턴 성 액체의 예시는 다음과 같습니다. 초콜릿을 입히는 쿠키를 식품 공장에서 제조한다면 어떻게 제조할 수 있을까요? 초콜릿을 녹인 액체에 쿠키를 담그면 초콜릿이 쿠키로 조금씩 들어가게 되면서 쿠키가 물러져 버리게 되고, 제품이 만들어지기 어려워집니다. 빠른 시간에 쿠키를 초콜릿에 담가서 빠르게 들어 올리면 초콜릿의 액체는 쿠키 표면에서만 흐르게 되고, 흐른 뒤 남은 액체는 쿠키 표면에 남게 됩니다. 쿠키 표면에 남은 채로 흐르지 않는 초콜릿이 바로 빙 햄 가소성 유체입니다. 따라서 일정 크기의 힘 이상으로 밀어내어야 쿠키에 묻은 초콜릿이 떨어질 수 있게 됩니다.

다양한 형태의 액체 식품의 물성을 알아보았습니다. 하지만 식품의 대부분은 반고체의 형태로 존재합니다. 반고체의 물성은 어떻게 나타낼까요?

교질 용액 중 액체 안에서 고정된 입자가 퍼져있는 것은 sol(졸)이라고 합니다. 고정 입자란 고체 또는 액체 상태로 용액에 녹는 분산 질입니다. 수용액 상태의 졸을 가열 했다가 냉각하거나 수분이 증발한 후에 없어지게 되면 반고체가 되어 굳게 되는데, 이 상태를 gel(겔)이라고 합니다. 예시로 젤라틴과 같이 단백질을 온수에 녹여 분산시킨 상태의 물질은 졸이라고 합니다. 이것을 냉각하면 투명한 반고체가 되어 말랑말랑하게 변하게 됩니다. 이것이 바로 젤의 대표적인 예시입니다. 녹두 가루, 도토리 가루를 8% 정도로 혼합하여 가열하면 전분 풀처럼 끈적해지게 되는데, 이 상태가 졸이며 이것을 냉각하여 굳히게 되면 겔 상태의 녹두묵, 도토리묵이 완성됩니다.

졸과 겔을 쉽게 구분하는 가장 좋은 방법은, 분자가 배열된 상태를 확인하는 것입니다. 연속적으로 배열된 상태의 분자가 물이라면 졸 상태입니다. 연속적으로 배열된 분자가 물속에 녹은 분산 질이라면 그것은 겔입니다. 분자끼리 서로 연속적으로 배열되어 있다면 이것을 선으로 연결한다면 연속적으로 선을 그릴 수 있습니다.

그렇다면 고체 식품의 물성은 어떻게 나타날까요?

탄성이란 외부의 힘을 가하였을 때 잠깐 변형이 일어나더라도 그 힘을 제거하면 다시 원 상태로 복귀되는 성질입니다. 소성은 외부의 힘으로부터 변형된 물질이 그 힘이 제거되어도 다시 돌아가지 않는 특징입니다. 점탄성은 외부 힘을 가할 때 점성, 탄성이 동시에 나타나는 성질로, 식품에서는 밀가루 반죽이 가장 대표적입니다. 밀가루 반죽을 치대면 탄성을 나타내지만, 이것을 다시 밀대로 늘어뜨리면 늘어나면서 성형됩니다. 만약 밀가루 반죽에 탄성만 있었다면 밀대로 늘어뜨려도 다시 원상태로 되돌아와 원하는 모양으로 성형하는 것이 불가능하였을 것입니다.