설탕 > 포도당 > 소금

[해설]

수분활성도는 용액에 들어 있는 물의 몰분율로 결정된다(라울의 법칙).

$A_w = \dfrac{n_w}{n_w + n_s}$  ($n_w$ : 물의 몰수, $n_s$ : 용질의 몰수)

질량 백분율이 같다면 분자량이 큰 용질일수록 몰수가 적어 물의 몰분율이 커지고, 그만큼 수분활성도가 높게 나온다. 세 용질의 분자량은 설탕 342, 포도당 180, 소금 58.5 이므로 같은 무게를 녹였을 때 용질 입자 수는 설탕이 가장 적다.

게다가 소금은 전해질이라 물속에서 $\mathrm{Na^+}$ 와 $\mathrm{Cl^-}$ 로 해리해 입자 수가 약 2배가 된다. 그래서 수분을 붙드는 힘이 가장 커 수분활성도가 가장 낮다.

결국 순서는 설탕 > 포도당 > 소금 이 된다. 같은 이유로 식품의 저장성을 위해 수분활성도를 낮출 때는 분자량이 작은 소금이 설탕보다 훨씬 효율이 좋다.

60 %

[해설]

건조 전 무게를 100 g 으로 놓고 변하지 않는 고형분을 기준으로 푼다.

건조 전 : 수분 80 g, 고형분 20 g

건조 후 무게를 $W$ 라 하면 고형분 20 g 이 전체의 50 % 를 차지하므로

$\dfrac{20}{W} = 0.5 \;\Rightarrow\; W = 40\ \mathrm{g}$

줄어든 무게 : $100 - 40 = 60\ \mathrm{g}$

$\dfrac{60}{100} \times 100 = \mathbf{60\ \%}$

수분 함량이 80 % → 50 % 로 '30 % 포인트' 내려갔다고 해서 무게가 30 % 줄어든 것이 아니다. 수분 함량은 전체 무게에 대한 비율이라 분모가 함께 줄기 때문에, 반드시 고형분을 고정해 놓고 계산해야 한다.

(1) 건조

(2) 수분활성도가 낮아져 미생물의 증식이 억제되고, 반응에 쓸 물이 줄어 효소 활성도 떨어진다.

(3) 부패·변패 미생물의 증식과 효소반응이 함께 억제되어 품질 저하가 느려지기 때문

[해설]

보기에서 물을 수증기로 바꾸어 날려 보내는 조작은 건조뿐이다. 나머지는 원리가 다르다.

· 동결 : 물을 얼음으로 바꾸는 상변화(응고)로, 물을 계 밖으로 내보내지 않는다.

· 한외여과 · 역삼투 : 막을 이용해 물과 용질을 갈라내는 막분리로, 상변화가 없다.

· 응축 : 수증기를 물로 되돌리는 과정이므로 증발의 반대다.

미생물과 효소에 미치는 영향 — 건조로 자유수가 빠져나가면 수분활성도가 낮아진다. 미생물은 저마다 증식에 필요한 최저 수분활성도가 있어(세균 0.90, 효모 0.88, 곰팡이 0.80 부근) 그 아래로 내려가면 증식하지 못하고, 세포가 탈수되어 생리활동이 멈춘다. 효소도 반응에 참여할 물이 없어지고 자신의 입체구조가 흐트러져 활성이 크게 떨어진다.

저장성이 향상되는 이유 — 식품을 상하게 하는 두 축인 미생물의 증식과 효소반응이 동시에 억제되므로, 부패·산패는 물론 효소적 갈변이나 지질·단백질 분해 같은 품질 저하 반응까지 함께 느려진다. 다만 효소는 완전히 파괴된 것이 아니라 활성이 억제된 상태이므로, 다시 물을 만나면 되살아날 수 있다. 그래서 건조 전 데치기(blanching) 로 효소를 미리 불활성화하는 공정을 둔다.

0.02 N 과망간산칼륨용액 1 mL 에 해당하는 칼슘의 양(mg)

[해설]

이 시험은 칼슘을 수산칼슘($\mathrm{CaC_2O_4}$)으로 침전시킨 뒤 황산에 녹여, 나온 수산이온을 과망간산칼륨으로 적정하는 간접 적정이다. 반응식에서 보듯 적정으로 알아내는 것은 수산이온의 당량이고, 수산이온의 당량은 곧 칼슘의 당량과 같다.

칼슘은 원자량이 40.08 이고 2가 이온이므로 1 당량은 $\dfrac{40.08}{2} = 20.04\ \mathrm{mg/meq}$ 이다. 0.02 N 용액 1 mL 에 들어 있는 당량수는 0.02 meq 이므로

$\dfrac{40.08}{2} \times 0.02 = 0.4008\ \mathrm{mg}$

즉 0.4008 은 0.02 N 과망간산칼륨용액 1 mL 가 대응하는 칼슘의 무게(mg) 를 뜻하는 역가 환산계수 다. 그래서 소비량 $(b-a)$ 에 역가 $F$ 를 곱해 보정한 실제 소비 mL 수에 이 값을 곱하면 검액 속 칼슘의 mg 수가 나오고, 여기에 희석배수 $V$ 를 곱하고 채취량 $S$ 로 나누어 함량으로 환산한다.

① 펙틴

② 당

③ 산

④ 컵법

⑤ 스푼법

⑥ 온도계법

[해설]

젤리화의 3요소 는 펙틴 · 당 · 산 이며, 셋이 적정 범위 안에 함께 있어야 겔이 만들어진다. 일반적인 적정 조건은 펙틴 1~1.5 %, 당 60~65 %, 산 0.3 % 내외(pH 3 부근)이다.

원리는 이렇다. 펙틴은 카복실기가 해리해 음전하를 띠므로 사슬끼리 서로 밀어낸다. 여기에 산을 넣어 pH 를 낮추면 해리가 억제되어 반발력이 사라지고, 당이 펙틴 주위의 물 분자를 끌어가 탈수시키면 펙틴 사슬끼리 결합해 그물 구조를 만든다. 이 그물에 물이 갇히면서 겔이 된다.

젤리점 판정법

① 컵법 : 끓인 잼을 찬물이 담긴 컵에 떨어뜨려 흩어지지 않고 덩어리째 가라앉으면 완성으로 본다.

② 스푼법 : 스푼으로 떠서 기울였을 때 주르르 흐르지 않고 시럽이 갈라지며 떨어지면 완성으로 본다.

③ 온도계법 : 끓는 온도가 104~105 ℃ 에 이르면 완성으로 본다.

이 밖에 당도계로 가용성 고형분(약 65 °Bx)을 재는 방법이 있으나, 문제에서 제외하라고 했으므로 답에서 뺀다.

40 mL

[해설]

희석은 용매만 더하는 조작이므로 용질의 양(당량수)은 변하지 않는다. 따라서 희석 전후로 농도와 부피의 곱이 같다.

$N_1 V_1 = N_2 V_2$

$10\ \mathrm{N} \times V_1 = 2\ \mathrm{N} \times 200\ \mathrm{mL}$

$V_1 = \dfrac{2 \times 200}{10} =$$40\ \mathrm{mL}$

실제 조작은 10 N 염산 40 mL를 취해 물을 넣어 전체를 200 mL로 정용한다(물을 먼저 넣고 산을 천천히 붓는다). 물 160 mL를 더한다고 표현할 수 있으나, 정확히는 최종 부피를 200 mL에 맞추는 것이 원칙이다.

$\text{조지방}(\%) = \dfrac{W_1 - W_0}{S} \times 100$

[해설]

「식품의 기준 및 규격」(식품공전) 일반시험법의 조지방 정량 중 에테르추출법(속슬렛법) 의 계산식이다.

속슬렛 장치로 검체의 지방을 에테르에 녹여 추출한 뒤 용매를 날리고 플라스크를 건조·항량하면, 플라스크의 늘어난 무게가 곧 추출된 지방의 무게 가 된다.

· 추출된 조지방의 무게 : $W_1 - W_0$

· 이를 검체 채취량으로 나누고 100 을 곱해 백분율로 환산 : $\dfrac{W_1 - W_0}{S} \times 100$

이 값을 '조'지방 이라 부르는 것은, 에테르에 녹아 나온 것이 중성지방만이 아니라 인지질 · 색소 · 지용성 비타민 · 왁스 등 유기용매 가용성 성분을 모두 포함하기 때문이다. 그래서 빈 플라스크 무게 $W_0$ 를 잴 때와 추출 후 $W_1$ 을 잴 때 모두 같은 조건에서 건조·냉각하여 항량으로 만드는 것이 정확도의 관건이다.

169일

[해설]

① 25 ℃ 에서의 반응속도상수 — 아레니우스 식에 대입한다. $T_1 = 294\ \mathrm{K}$, $T_2 = 298\ \mathrm{K}$.

$\ln \dfrac{k_2}{0.00157} = -\dfrac{3332}{1.987}\left(\dfrac{1}{298} - \dfrac{1}{294}\right) = 0.0766$

$k_2 = 0.00157 \times e^{0.0766} = 1.6949 \times 10^{-3}\ \mathrm{/day}$

② 75 % 로 줄어들 때까지의 시간 — 1차 반응식에서 $[A]/[A]_0 = 0.75$ 이므로

$\ln 0.75 = -k_2 t \;\Rightarrow\; t = \dfrac{-\ln 0.75}{1.6949 \times 10^{-3}} = \dfrac{0.2877}{1.6949 \times 10^{-3}} = 169.7\ \mathrm{day}$

소수점 이하를 버리므로 보존기한은 169일 이다.

일부 교재는 $k_2$ 를 $1.69 \times 10^{-3}$ 으로 반올림해 넣어 170.4일 → 170일로 싣고 있으나, 이는 중간값을 미리 반올림해 생긴 오차다. 반올림하지 않고 계산하면 169.7일이므로 버림하면 169일이 맞다. 이런 유형은 중간 계산값을 끝까지 유효숫자를 살려 끌고 가야 한다.

① 최소량

② 은폐

③ 영양강화제

[해설]

「식품첨가물의 기준 및 규격」(식품첨가물공전)의 일반사용기준이 담고 있는 세 가지 원칙이다.

① 최소량 원칙(quantum satis) — 첨가물은 목적한 효과를 얻을 수 있는 최소한만 쓴다. 안전성이 확인된 첨가물이라도 섭취량이 늘면 위해 가능성이 커지므로, 기술적으로 필요한 양을 넘겨 쓰지 않도록 못 박은 것이다.

② 은폐 금지 — 상한 원료나 비위생적인 공정을 첨가물로 가려 소비자를 속이는 데 쓸 수 없다. 첨가물은 품질을 보완하는 수단이지 결함을 감추는 수단이 아니다.

③ 영양강화제 — 비타민·무기질처럼 영양성분을 보충하는 첨가물로, 영양학적 품질을 유지·개선하는 데 써야 한다. 다만 강화가 지나치면 특정 영양소의 과잉 섭취나 불균형을 부를 수 있어 이를 금지하고 있다. 제조용제는 제조 공정을 돕는 첨가물이므로 영양 관련 조항의 대상이 아니다.

명칭 : 제1급감염병

해당 감염병 : 보툴리눔독소증, 야토병, 신종인플루엔자

[해설]

「감염병의 예방 및 관리에 관한 법률」 제2조(정의)의 제1급감염병 에 대한 설명이다. 신고 시점과 격리 수준이 분류의 핵심 기준이라는 점을 잡아야 한다.

보기에 섞여 있는 콜레라 · 파라티푸스 · 세균성이질은 식품매개 감염병이라 1급으로 착각하기 쉬우나 제2급감염병 이다. 반대로 보툴리눔독소증과 야토병은 생물테러에 이용될 수 있어 제1급으로 분류된다.

(1) $D_{150} = 3$ : 150 ℃ 에서 균수를 90 %(1/10)로 줄이는 데 3분이 걸린다.

(2) $z = 5$ : D값을 1/10 로 줄이려면 가열온도를 5 ℃ 올려야 한다.

[해설]

D값(가열치사시간) 은 일정한 온도로 가열할 때 생균수를 90 % 감소(1/10 로 감소)시키는 데 걸리는 시간(분)이다. 아래첨자는 그 기준 온도를 뜻하므로 $D_{150} = 3$ 은 150 ℃ 에서 3분이라는 의미가 된다.

z값 은 D값을 1/10 또는 10배로 바꾸는 데 필요한 온도 차이(℃) 다. $z = 5$ 이면 온도를 5 ℃ 올릴 때마다 필요한 살균시간이 1/10 로 줄고, 5 ℃ 내릴 때마다 10배로 늘어난다.

두 값의 관계는 다음 식으로 정리된다.

$D_T = D_{150} \times 10^{(150 - T)/z}$

이 식에 넣어 보면 온도에 따른 살균시간은 다음과 같다.

z값이 작을수록 온도를 조금만 올려도 살균효과가 급격히 커진다는 뜻이므로, 고온단시간(HTST)·초고온(UHT) 살균의 이론적 근거가 된다.

감소

[해설]

유리전이온도($T_g$)는 무정형 고체가 딱딱한 유리상(glassy) 에서 물렁한 고무상(rubbery) 으로 바뀌는 온도다.

물은 식품 고분자 사이에 끼어들어 사슬끼리의 결합을 느슨하게 만드는 가소제(plasticizer) 로 작용한다. 따라서 수분활성도(또는 수분 함량)가 높아지면 분자의 운동성이 커져 더 낮은 온도에서도 고무상으로 넘어가므로 유리전이온도는 낮아진다(감소한다).

실무적으로도 중요한 성질이다. 분말·과자류가 습기를 먹으면 $T_g$ 가 저장온도 아래로 내려가면서 고무상이 되어 굳음(caking)·눅눅해짐·갈변 같은 품질 저하가 빨라진다. 그래서 건조식품은 $T_g$ 가 보관온도보다 충분히 높게 유지되도록 수분을 관리한다.

4 mg/kg

[해설]

① 시험용액의 농도 — 크로마토그램의 피크 넓이는 농도에 비례하므로 표준액과 비례식을 세운다.

$5\ \mathrm{mg/kg} : 125 = x : 50 \;\Rightarrow\; x = \dfrac{5 \times 50}{125} = 2\ \mathrm{mg/kg}$

② 희석배수 보정 — 시료 5 g 을 10 mL(밀도 1.00 g/mL 이므로 10 g)로 정용했으므로 시험용액은 원시료를 2배로 묽힌 것이다.

$2\ \mathrm{mg/kg} \times \dfrac{10}{5} = \mathbf{4}\ \mathrm{mg/kg}$

기기가 읽은 값은 어디까지나 시험용액의 농도라는 점을 잊지 말아야 한다. 여기에 희석배수를 곱해 되돌려야 시료 자체의 함량이 된다. 밀도를 1.00 g/mL 로 준 것은 부피(mL)를 무게(g)로 바꾸어 mg/kg 단위를 맞추기 위한 조건이다.

① 120

② 4

③ 4.6

[해설]

「식품의 기준 및 규격」(식품공전) 제4. 장기보존식품의 기준 및 규격 중 통·병조림식품 및 레토르트식품의 제조·가공기준에 규정된 내용이다.

120 ℃ · 4분 은 Clostridium botulinum 아포를 겨냥한 기준이다. 이 균의 아포는 내열성이 매우 커서 저산성 · 혐기 조건인 밀봉 용기 안에서 살아남으면 치명적인 신경독소를 만든다. 그래서 상업적 무균 상태를 얻기 위한 최소 열처리 조건을 이렇게 못 박아 두었다.

pH 4.6 은 저산성식품과 산성식품을 가르는 경계다. Clostridium botulinum 은 pH 4.6 이하에서는 증식하지 못하므로, pH 4.6 을 초과하는 저산성식품만 고온·고압 멸균과 기록 보관 의무의 대상이 된다. 반대로 pH 4.6 이하인 산성식품은 100 ℃ 이하의 살균만으로도 안전성을 확보할 수 있다.

따라서 빈칸은 차례로 120 ℃, 4분, pH 4.6 이다.

0.98

[해설]

수분활성도 계산에는 물에 녹아 몰분율에 영향을 주는 성분만 넣는다. 지질과 비타민 A 는 지용성(소수성)이라 수용액상에 녹지 않으므로 용질 몰수에서 제외한다. 수용성인 포도당과 비타민 C 만 계산에 들어간다.

수분 함량 : $100 - (10 + 3 + 1 + 20) = 66\ \%$

각 성분의 몰수 : $n_w = \dfrac{66}{18} = 3.667$, $n_{\text{포도당}} = \dfrac{10}{180} = 0.0556$, $n_{\text{비타민 C}} = \dfrac{3}{176} = 0.0170$

$A_w = \dfrac{3.667}{3.667 + 0.0556 + 0.0170} = 0.9806$

따라서 수분활성도는 0.98 이다. 비타민 A 와 지질 조건은 수분 함량을 구하는 데만 쓰이고, 분모·분자의 몰수에는 들어가지 않는다는 점이 이 문제의 핵심이다.

① 식품군

② 식품종

③ 식품유형

[해설]

「식품의 기준 및 규격」 제1. 총칙의 일반원칙에 규정된 분류 체계다. 위에서 아래로 식품군(대분류) → 식품종(중분류) → 식품유형(소분류) 순으로 좁아진다.

· 식품군 : 원재료와 산업적 분류를 고려한 가장 큰 묶음으로, '제5. 식품별 기준 및 규격'의 대분류 항목이다(음료류, 조미식품 등).

· 식품종 : 제조방법과 소비용도를 고려해 식품군을 다시 나눈 것이다(다류, 과일·채소류음료, 식초, 햄류 등).

· 식품유형 : 시장 상황과 소비자 인식을 반영해 원료·용도·섭취형태·성상 등에 따라 식품종을 더 세분한 것이다(농축과·채즙, 과·채주스, 발효식초, 희석초산 등).

예를 들면 음료류(식품군) → 과일·채소류음료(식품종) → 과·채주스(식품유형)로 좁혀진다.

이 체계가 중요한 이유는 규격과 표시가 식품유형 단위로 적용되기 때문이다. 어떤 제품의 식품유형이 정해져야 그에 맞는 기준·규격과 표시사항이 확정된다.

(1) 0.56 kg

(2) 0.3 kg

(3) 0.14 kg

[해설]

건조는 물만 빠져나가는 조작이므로 고형분의 절대량은 변하지 않는다. 이 점을 기준으로 물질수지를 세운다.

건조 전 수분 : $1\ \mathrm{kg} \times 0.70 = 0.7\ \mathrm{kg}$, 건조 전 고형분 : $1\ \mathrm{kg} \times 0.30 = 0.3\ \mathrm{kg}$

(1) 날아간 수분 : $0.7 \times 0.80 = \mathbf{0.56}\ \mathrm{kg}$

(2) 건조 후 고형분 : 물만 빠졌으므로 그대로 0.3 kg

(3) 건조 후 수분 : $0.7 - 0.56 = \mathbf{0.14}\ \mathrm{kg}$

참고로 건조 후 제품 무게는 $0.3 + 0.14 = 0.44\ \mathrm{kg}$ 이고, 이때 수분 함량은 $\dfrac{0.14}{0.44} \times 100 = 31.8\ \%$ 로 낮아진다. '수분의 80 % 를 건조'는 제품 무게의 80 % 가 아니라 수분량의 80 % 라는 뜻임에 주의한다.

① 온도

② 수분

③ pH

열변성에 의한 변화 : 수소결합·소수성 상호작용 등 비공유결합이 끊어져 3차·4차 구조가 풀리고, 용해도가 떨어져 응고·침전한다.

[해설]

열변성은 펩타이드결합(1차 구조)은 그대로 둔 채, 그 위의 입체구조를 붙들고 있던 수소결합·소수성 상호작용·이온결합 같은 비공유결합이 끊어지는 현상이다. 그 결과 3차·4차 구조가 풀려 소수성 잔기가 바깥으로 드러나고, 분자끼리 엉겨 용해도 감소 → 응고·침전 으로 이어진다. 점도 증가, 효소단백질의 활성 상실, 소화율 증가도 함께 나타난다.

인자별로 보면 다음과 같다.

① 온도 — 대체로 60~70 ℃ 부근에서 변성이 시작되며, 온도가 높을수록 변성속도가 빨라진다.

② 수분 — 수분이 많으면 가열 시 물 분자의 운동이 활발해져 수소결합을 쉽게 끊으므로 낮은 온도에서도 변성이 잘 일어난다. 반대로 건조 상태에서는 훨씬 높은 온도가 필요하다.

③ pH — 등전점 부근에서는 분자 사이 반발력이 사라져 가장 잘 응고·침전한다. 등전점에서 멀어질수록 변성이 억제된다.

이 밖에 염류(전해질) 도 변성에 관여한다. 황산염·인산염·젖산염 등을 넣으면 변성속도가 빨라지고, 이온의 전하가 클수록 영향이 크다(두부 제조에서 응고제를 쓰는 원리). 다만 문제가 3가지를 요구했으므로 답안에는 대표적인 온도·수분·pH 를 쓰면 된다.

24,000 CFU/g

[해설]

「식품의 기준 및 규격」(식품공전) 일반시험법의 세균수 산출법을 쓴다. 먼저 집락수가 15~300 범위에 드는 평판만 계산에 넣는데, 232 · 244 · 33 · 28 이 모두 범위 안이므로 네 장을 전부 쓴다.

$N = \dfrac{\sum C}{\{(1 \times n_1) + (0.1 \times n_2)\} \times d}$

여기서 $\sum C$ 는 계산에 넣은 모든 평판의 집락수 합, $n_1$ 은 첫 번째 희석배수의 평판 수, $n_2$ 는 그다음 희석배수의 평판 수, $d$ 는 첫 번째 희석배수다.

$N = \dfrac{232 + 244 + 33 + 28}{\{(1 \times 2) + (0.1 \times 2)\} \times 10^{-2}} = \dfrac{537}{2.2 \times 10^{-2}} = 24{,}409$

세균수는 유효숫자 2단계로 반올림하여 보고하므로, 24,409 는 셋째 자리에서 반올림해 24,000 CFU/g 으로 적는다.

희석배수가 다른 평판을 함께 쓸 때 두 번째 희석의 평판에 0.1 을 곱하는 것은, 그 평판에 접종된 검체량이 첫 번째 희석 평판의 1/10 이기 때문이다.

① 잔류

② 용출

[해설]

기구 및 용기·포장의 재질별 규격은 재질마다 정의 → 잔류규격 → 용출규격 → 시험방법 순으로 짜여 있다. 두 규격은 보는 자리가 다르다.

· 잔류규격 : 재질(합성수지) 자체에 남아 있는 양을 재는 기준이다. 재료 무게당 농도이므로 단위가 mg/kg 이다. 단량체인 염화비닐, 안정제인 디부틸주석화합물, 가소제인 크레졸인산에스테르처럼 원료·첨가제에서 유래해 수지 안에 남는 물질이 대상이다.

· 용출규격 : 식품과 닿았을 때 침출용액으로 녹아 나오는 양을 재는 기준이다. 침출용액 부피당 농도이므로 단위가 mg/L 이다. 납, 총용출량, 프탈레이트류 등이 여기에 속하며, 이 표에는 과망간산칼륨소비량(10 mg/L 이하)도 함께 규정되어 있다.

따라서 ①은 잔류, ②는 용출 이다. 두 규격은 '재질 속에 남은 양'과 '식품으로 옮겨 나올 수 있는 양'을 각각 통제하는 것이므로 단위와 시험법(잔류시험 · 용출시험)이 서로 다르다는 점을 함께 기억해 두면 헷갈리지 않는다.

참고로 재질별 규격은 합성수지제, 가공셀룰로스제, 고무제, 종이제, 금속제, 목재류, 유리제, 도자기제, 법랑 및 옹기류, 전분제로 나누어 정하고 있다.