물의 특성과 경도, 상태, 물과 식품의 분산계

1. 물의 특성

물은 한 개의 산소 원자에 두 개의 수소 원자가 공유 결합한 형태로 존재한다. 물 분자는 중성의 상태나 전기음성도의 차이로 분자 내의 전하의 분포 상태는 균형을 이루지 않아 산소 원자는 음전하를 띠고, 수소 분자는 양전하를 띠고 있다. 따라서 쌍 극성을 가지고 있어 어떠한 물체이든 이온화된 것과는 상호 간에 인력을 형성하며, 이는 물 분자 간에도 이루어진다. 물 분자 간 이루어진 수소 결합은 자체적으로는 약하지만 물은 수많은 수소 결합으로 존재하기에 이를 분해하기 위해서는 많은 에너지가 필요하다. 물은 자연적으로 온도와 압력에 따라 액체, 기체 및 고체의 상태로 존재한다. 각각 설명해 보자면, 대기압 상태에서 0~100℃에서 액체 상태로 존재하는데 약한 수소 결합으로 결합하여 있어 자유로이 이동하면서 유동성을 갖는다. 물의 온도가 내려가면 물 분자의 활동 상태가 약화하며 부피도 감소한다. 4℃부터 물 분자 간에 일정한 수소 결합의 패턴을 가지고 0℃로 더 내려가면 결정화되기 시작하는데 이것을 얼음이라 부른다. 이 결정은 격자 상태의 육면체를 형성하고 그 내부에는 공간이 생기게 되며 이에 따라 1/11만큼의 부피가 더 증가하게 된다. 같은 중량의 물이라도 고체상태인 얼음 내부의 공간으로 비중이 가벼워 액체 상태인 물 위에 뜨게 된다. 마지막으로 물의 증발(기화)은 온도와 습도의 영향을 받는데 물의 온도가 올라가면 물 분자의 운동에너지가 증가하고 100℃ 이상이 되면 증발하는 물 분자들에 의해 압력이 형성되어 증기압이 대기압보다 커지며 일부의 물 분자는 표면에서 대기 중으로 증발하게 된다. 이때 물의 부피가 증가하게 되며 습도가 높은 상태에서는 증기압이 낮아 수분의 증발은 더 늦어진다.

2. 물의 경도

물은 무기염의 존재에 따라 연수와 경수로 구분된다. 연수에는 미네랄이 거의 존재하지 않으나 경수에는 다양한 미네랄이 존재한다. 경수는 염의 성분에 따라 일시적인 경수와 영구적인 경수로 나눌 수 있다. 일시적인 경수를 끓이게 되면 칼슘, 마그네슘, 철분의 중탄산염이 침전하여 연수가 된다. 영구적인 경수는 물을 끓여도 침전되지 않은 칼슘, 마그네슘, 황산염을 함유하고 있다. 경수의 무기염은 식품의 조리에 영향을 주는데 마른 콩을 경수에 넣고 조리할 경우 칼슘에 의해 수화나 연화가 지연되며 쉽게 물러지지 않는다. 또 차의 경우 경수의 염과 차의 타닌 상호작용으로 혼탁해진다.

3. 식품 중의 물의 상태

식품 중에서의 물은 2가지 형태로 존재하는데 먼저 식품을 구성하는 물질과 결합하여 그 일부를 구성하는 결합수는 압력을 가해 압착하여도 제거되지 않으며 용매로 작용하지 못한다. 0℃ 이하에서도 쉽게 얼지 않으며 효소의 활성화나 미생물의 생육에도 이용되지 못한다. 유리수는 식품 성분 중의 염류, 당류, 수용성 단백질, 비타민과 같은 가용성 물질을 녹여 용액의 상태로 만들거나 전분, 지질과 같은 불용성 물질을 물속에 분산시켜 교질상태를 형성하므로 조직 내에서 자유스럽게 분리되어 자유수라고도 한다. 0℃ 이하에서 쉽게 동결하여 얼음 결정을 형성하고 건조시키면 쉽게 증발하며 미생물이 이용할 수 있다.

4. 물과 식품의 분산계

물은 조리 과정 등에서 식품 내에 함유된 여러 가지 수용성 성분들을 용해시키거나 단백질, 전분, 지질, 펙틴과 같은 불용성 물질을 분산시켜 분산액을 만들기도 한다. 따라서 물이 주 성분인 식품은 물과 함께 여러가지 종류의 성분들이 다양한 상태로 혼합된 분산 상태로 존재하며, 이를 분산계라고 한다. 진용액은 소금이나 설탕과 같은 아주 작은 분자나 이온은 물에 용해된 것이다. 진 용액을 형성할 때 용해도는 용질의 종류에 따라 다르고 온도와 같은 외적 조건에서도 달라진다. 예를 들자면, 설탕은 물의 온도가 증가함에 다라 용해도가 증가하지만, 탄산의 경우 물의 온도가 낮을 수록 용해도가 증가한다. 진용액은 순수한 물과 진 용액 사이에 투과성 막이 있을때 진 용액의 용질이 이 막을 통과해 물의 농도가 진 용액의 농도와 같아지는 확산과 반투과성 막에서 물은 통과시키나 용질은 통과시키지 못할때 물의 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 막을 통과하여 양쪽의 농도를 같게하려는 삼투 현상의 특성을 가진다. 진 용액의 비점은 순수한 물보다 높다. 또한 빙점은 순수한 물보다 낮다. 분산질이 용해되거나 침전되지 않고 분산 상태로 존재하는 것을 교질 용액이라고 한다. 우유, 두유, 전분물 같은 것이 대표적이다. 교질 용액은 분산질보다 바쁘게 움직이는 분산매에 의해 활발한 운동을 하게되는 브라운 운동과 양전하나 음전하를 띤 분산질 입자가 일정한 용액 내에서 동일한 전하를 띠고 입자 상호간 반발하여 안정성을 가지며, 분산질 입자는 수소 결합에 의해 물과 결합하여 여러 겹의 물층으로 둘러싸여 서로간 접촉하기 어려운 수화를 통해 안전성을 가진다. 교질 용액을 형성하는 분산질은 분산질 이외의 용액 내에 존재하는 모든 이물질을 표면에 흡착하는 성질이 있다. 이는 표면적이 큰 분산질 입자가 표면장력을 형성하여 흡착하려는 성질이 생기는 것으로 교질 용액의 이러한 흡착성을 이용하여 국물의 이물질을 흡착하여 맑게하거나, 소금을 흡착하여 간을 약하게 할 수 있다. 현탁액은 분산질의 크기가 크기 때문에 물에 용해되지 않으며 교질 용액처럼 분산 상태를 이루기도 매우 불안정한 용액이다. 계속된 운동성을 부여하면 현탁액으로 존재하지만 그대로 두면 중력에 의해 분산매와 분산질이 중력에 의해 분리되게 된다. 현탁액은 확산의 성질도 없어 비점과 빙점에 영향을 주지 않는다.