화공과 생기부(세특)주제
급속냉동식품의 화학적 구조와 유통기한의 수학이론
일상 생활에서 활용되는 물질, 제품, 기술 등이 모두 화학 및 수학적 지식과 원리로 이루어져 있습니다. 이런 이유로 화학과 수학은 깊이 연결되어 있으며, 그 연관성을 보여주는 보고서 주제로는 “급속냉동을 통한 음식의 효과적인 보존 방법”이 있습니다.
이 주제에서는 냉동 식품이 어떻게 보존될 수 있는지, 냉동 효과에 대한 화학적 원리와 수학적 계산 등을 다룰 수 있습니다. 예를 들어, 화학적 원리로는 냉동이 진행될 때 얼어붙는 원리, 상온보다 냉동온도에서 물질의 화학반응이 일어나지 않는 점 등이 있습니다. 수학적 계산으로는, 냉동온도와 저장 온도 변화에 따른 냉동 효과, 냉동실의 크기, 전원 용량 등을 계산할 수 있습니다.
이처럼 화학과 수학의 원리를 활용하여 일상생활에 기여하는 기술 등을 연구하고 분석하는 보고서를 작성하면, 깊이 있는 지식과 인사이트를 학생들에게 공유하면서 좋은 탐구주제로 볼 수 있습니다.
급속냉동의 원리
급속냉동은 음식물을 신선한 상태로 보존하며, 맛과 영양소를 최대한 유지할 수 있는 방법 중 하나입니다. 냉동 과정에서는 화학적 문제와 열역학적 문제를 해결할 수 있는 수학적 방법이 사용됩니다.
급속냉동의 원리는 다음과 같습니다.
냉동은 환경온도보다 낮은 온도에서 물질을 극성분자인 물분자의 결합을 원심력과 부분압계면인 잠금으로 이루어진 고체구조로 변신시켜 보존하는 방법입니다.
급속냉동은 말 그대로 매우 빠르게(-50℃ 이하) 냉동하여 음식물 안의 물분자가 결정화되어 극성을 잃게 되어, 물 분자 간의 결합이 얼어붙어 영구적으로 음식물의 기호와 영양도를 보존하는 방식입니다.
수용액을 급속냉동하면, 수분분자가 고체상(얼어붙은 형태)로 변하면서, 결정에 의해 생기는 압력이 분자구조를 압축시켜주게 되고 결정화로 수용액의 농도를 높일수 있다는 장점이 있습니다.
이렇게 고체상태의 평균온도 수십도 이하로 급속냉동을 하면, 수분이 결정화되면서 노화 및 국소열화를 막아주어 음식의 식감, 맛, 향이 그대로 보존됩니다.
구조식으로 설명해보겠습니다.
구조식으로 설명하면, 물에서는 수소 원자가 산소 원자와 결합하여 이온결합을 형성합니다. 즉, 수소 원자가 산소 원자보다 전자를 적게 가지고 있기 때문에, 수소 원자는 산소 원자에서 전자를 끌어당겨서 국소적으로 양전하를 보유하게 됩니다. 이때 수소 원자와 양전하를 가지게 된 산소 원자 사이에는 수소 결합이 형성되며, 매우 강한 결합을 이룹니다.
급속냉동시 물분자가 결정화되면서, 수소 결합이 바로 얼어붙는 원리입니다. 이 과정에서 물분자들 간의 전자 수준이 적당하게 낮아지므로 운동에너지인 열도 줄어들어 반응성이 낮아지게 됩니다. 이러한 이유로 결정화된 얼음이 있는 경우에는 생물학적 반응성이 낮아지게 됩니다.
따라서 급속냉동으로 얼려진 음식물 안에 이화학적 반응이 일어나지 않아서 상온보다 오래 보관할 수 있습니다.
급속동결시 빙결정에 대한 이론
출처 : 물류신문 급속냉동관련 기사중 도표
급속동결제품의 신선도 유지의 원리는 세포조직안의 수분이 유리(遊離)되지 않고 동결되어서 화학적반응이 일어나지 않기에 신선한 상태가 유지되는 것을 말합니다.
식품의 동결은 0도~-5도 범위에서 진행되는데 이 온도에서 약 80%의 일반냉동식품이 동결됩니다. 이 부분을 “최대 빙결정 생성대”라고 말합니다.
2014 식품냉장냉동학 서적의 내용을 인용하면 <세포의 염류가 녹아있는 세포조직의 공정점은 적어도 -55도 이하로 급속냉동을 해야한다고 합니다.>
-55도 이상에서 일반냉동을 진행한다면 세포내 수분이 천천히 동결되면서 세포를 압박하고 손상시켜서 식품에서 물이 발생되고, 이때 식품의 화학적 반응, 그리고 수용성 성분(염류 단백질 비타민 미네랄 등) 이 나오게 됩니다.
따라서 공정점 이하의 온도 -55도 에서 급속냉동을 진행하여야 하며 이것이 급속냉동의 이론입니다.
급속냉동기술의 수학적 예시
냉동실 크기 및 전원 용량 계산: 일정한 온도와 습도를 유지하기 위해서는 냉동실의 크기에 따라 필요한 전원 용량을 잘 계산해야 합니다.
보존 기간 예측: 냉장, 냉동으로 보존했을 때 음식물의 수명은 얼마나 될까요? 급속냉동의 효과와 예상 수명 계산법에 대해서 설명합니다.
냉동실 크기 및 전원 용량 계산
급속냉동을 진행하기 위해서는 충분한 크기의 냉동실과 전원 용량이 필요합니다. 냉동실의 크기 및 전원 용량을 계산하는 공식은 다음과 같습니다.
(1) 냉동실 크기 계산
냉동실의 크기는 보관할 음식물의 종류와 양, 보관 기간 등에 따라 다를 수 있습니다. 따라서, 냉동실의 크기를 계산하는 공식은 다음과 같습니다.
냉동실의 면적(㎡) = 보관할 음식물의 양(kg) ÷ 각 음식물의 열화 열량(kJ/kg) ÷ 음식물의 저장 온도(℃)차이 ÷ 보관일(d) ÷ 냉동실에서 개시되는 음식물의 거리(m)²
※ 저장 온도 차이는 냉동실 내부와 외부 온도 차이를 의미합니다.
(2) 전원 용량 계산
전원 용량은 냉동실의 크기와 동시에 작동하는 다른 전기기기 등에 따라 달라집니다. 따라서, 전원 용량을 계산하는 공식은 다음과 같습니다.
전원 용량(kW) = 냉동실의 전력(W) ÷ 1000(W)
보존 기간 예측
급속냉동으로 음식물을 보존할 경우, 일반적인 냉동보다 오래 보존됩니다. 보존 기간을 예측하기 위해서는 급속냉동으로 음식물의 온도를 빠르게 낮춘 다음, 보관 온도와 보관 방법 등을 고려하여 보존 기간을 계산합니다.
음식물의 보존 기간을 예측하는 공식은 다음과 같습니다.
보존 기간(d) = 음식물의 보존 기간(일반적으로 표시된 유통기한) × 급속냉동으로 음식물의 온도를 빠르게 낮춘 비율
예를 들어, 우유 10리터를 보관하기 위한 냉동실을 구성해야 하는 경우, 각 우유의 열화 열량은 2800 kJ/kg 이며, 저장 온도는 -20℃으로 설정된다고 가정하면, 면적을 다음과 같이 계산할 수 있습니다.
면적(㎡) = 10(kg) ÷ 2800(kJ/kg) ÷ 20(℃)차이 ÷ 7(d) ÷ 1(m)² = 0.0005(㎡)
따라서, 우유 10리터를 보관하는 냉동실의 최소 면적은 약 0.0005㎡입니다. 전원 용량으로는, 냉동실의 전력이 500W이라고 가정하면, 전원 용량을 다음과 같이 계산할 수 있습니다.
전원 용량(kW) = 500(W) ÷ 1000 = 0.5(kW)
보존 기간을 예측하기 위해서는, 급속냉동으로 음식물의 온도를 3배 정도 빠르게 낮춘다고 가정할 경우에 보존 기간을 계산해 볼 수 있습니다. 예를 들어, 일반적인 유통기한이 14일인 유제품을 급속냉동으로 보존할 경우 보존 기간은 약 42일 정도로 예측할 수 있습니다.
유통기한 연장에 대한 수학과 화학적 관점
유통기한 연장은 많은 화학적, 미생물학적 요인들이 관여되어 있습니다. 먼저, 수학적인 측면에서는 냉장 보관과 기타 방법과 비교하여 보관 기간을 계산합니다. 급속냉동은 음식물 내 세포에 묶인 물분자를 신속하게 결정화시키고 세포막 오염 물질 수준을 낮추어 먹는 사람의 건강에 유리한 환경을 만들어줍니다. 이렇게 한번 냉동시켜서 보관하게 되면 미생물 증식이 일어나지 않아 약 2~3배의 더 긴 유통 기간이 가능합니다.
보통 음식물은 일정한 pH와 수분, 온도 등의 화학적 환경에서 가장 적합하게 보관되어야 합니다. 이러한 환경에서는 음식물 내의 미생물이 빠르게 번식하고, 이를 제어하기 위해 다양한 화학 물질들을 사용하곤 합니다. 하지만, 이러한 화학 물질들은 인체에 매우 해로운 물질들이며, 방부제나 항생제 등도 혹여나 다량으로 섭취하면 인체에 악영향을 줄 수 있습니다.
하지만 급속냉동을 이용하면 음식물을 보존할 때 화학적인 방법이나 항생제 등의 사용 없이, 음식물에 함유된 미생물의 성장을 억제하고 보관 기간을 연장할 수 있습니다. 이는 미생물 자체가 활동을 멈추고, 음식물 내의 세포 막과 세포 자체가 파괴되어 세균 유전자의 변형이나 탄성을 상실해서 미생물 증식이 제어되기 때문입니다.
결론적으로, 수학적인 방법으로 보관 기간을 연장하고, 화학적인 방법이나 항생제 사용 없이 미생물 증식을 제어하는 급속냉동은 환경적, 건강적, 그리고 경제적으로 모두 우수한 방법이 될 수 있습니다. 그러나 그 효과를 일정하게 유지하기 위해서는, 냉동보관 시 소비자의 관리(np.차가 열리지 않는 자동냉장고 내)와 식품의 사용하기 전 방치 등을 제어해야 합니다.
유통기한 연장에 대한 수학적 이론 (로그함수)
급속냉동식품의 유통기한을 계산하는 수학적 이론은 해당 식품의 최종 보관 온도와 선 냉동시간에 영향을 받습니다.
식품의 보존 온도가 낮을수록 미생물의 증식이 늦어지게 되어 유통기한이 연장됩니다. 여기서는 예시로 ℃당 보존기간 연장량이 3일씩 연장된다고 가정합니다.
냉동 전 최종 보관 온도를 T_f로, 냉동 후 환경 온도를 T_i로, 최종 절대 온도를 T 최종으로, 선 냉동 시간을 t_r로 산출할 수 있습니다.
식물에 의해 분해되는 미생물률은 현재 온도에서 지수 함수적으로 변화하며, 법칙은 아래와 같습니다.
R=r(2-T/10)
R: 비례상수
r: 현재 온도(T)에서의 미생물률
T: 온도
2 : 능숙성모델의 고정값
10: 소수점 위의 수
위의 수식으로 계산한 미생물 유지시간이 지난 후 미생물 수는 sqrt(R x N_o²+N_i²)로 계산됩니다.
N_i : 초기 미생물
N_o : 적용 후 미생물
sqrt: 제곱근
따라서 유통기한은 아래의 수식으로 계산합니다.
유통 기한 = (kr/f) x ln ((sqrt(R x N_o²+N_i²))/N_i)
kr: 중요한 파라미터
f : 예측할 환경 복원 디자인 요소
ln : 로그 함수
위와 같은 수학적 이론을 이용하여 급속냉동식품의 유통기한을 계산할 수 있습니다. 단, 이론은 가정적이며 대상 식품에 따라 다른 값을 가질 수 있으므로, 정확한 계산을 위해서는 해당 식품의 특성에 따라 세심하게 적용해야 합니다.
일상 생활에서 활용되는 물질, 제품, 기술 등이 모두 화학 및 수학적 지식과 원리로 이루어져 있습니다. 이런 이유로 화학과 수학은 깊이 연결되어 있으며, 그 연관성을 보여주는 보고서 주제로는 “급속냉동을 통한 음식의 효과적인 보존 방법”이 있습니다.
이 주제에서는 냉동 식품이 어떻게 보존될 수 있는지, 냉동 효과에 대한 화학적 원리와 수학적 계산 등을 다룰 수 있습니다. 예를 들어, 화학적 원리로는 냉동이 진행될 때 얼어붙는 원리, 상온보다 냉동온도에서 물질의 화학반응이 일어나지 않는 점 등이 있습니다. 수학적 계산으로는, 냉동온도와 저장 온도 변화에 따른 냉동 효과, 냉동실의 크기, 전원 용량 등을 계산할 수 있습니다.
이처럼 화학과 수학의 원리를 활용하여 일상생활에 기여하는 기술 등을 연구하고 분석하는 보고서를 작성하면, 깊이 있는 지식과 인사이트를 제공할 수 있습니다.
온도에 대한 품질지표의 활성화 에너지 산출
출처 : 식약청 2008 유통기한 가이드라인 40페이지
첨부파일
2008식약청 유통기한 가이드라인.pdf
마무리
급속냉동은 다양한 과정의 원리와 수학적 방법이 사용되고 있습니다. 이를 토대로 음식물을 보존할 수 있는 기술적, 화학적 문제들을 해결했으며, 유통 가능 기간을 연장시켜 소비자들의 삶에 기여하고 있습니다. 따라서, 급속냉동은 화학 및 수학적 연구에 매우 중요한 응용 예시 중 하나입니다.
탐구 또는 실험주제로 일반냉동식품과 급속동결 냉동식품의 유통기한의 차이를 실제 조사해서 풀어나가는것을 시작으로 스토리를 꾸며나가시길 바랍니다.
