동결건조 기술의 비밀? 물의 상평형 곡선과 삼중점

 

[목차]

 

예전에 이롬의 생식에 대해 소개한 포스팅을 한 적이 있다. 그때 모든 원재료를 동결건조하기 때문에 식품의 영양소가 파괴되지 않는다는 점을 강조했다. 대체 동결건조식품은 무엇이길래 영양소가 파괴되지 않는 걸까? 영양동결건조식품은 생각보다 쉽게 찾아볼 수 있다. 대표적인 예로 인스턴트 커피, 컵라면 등이 있다.

 

• 이롬 생식에 대한 내용이 궁금하다면? 이롬 생식 직접 먹어본 후기

건조의 의미

'동결'이란 '얼린다'는 뜻이고, '건조'는 '말린다', 즉 수분을 제거한다는 뜻이다. 동결건조란 얼려서 수분을 제거하는 기술을 의미한다. 보통 우리가 건조시킬 때는 '열'을 이용한다. 젖은 머리를 말릴 때는 헤어드라이기를 사용하면 빠르게 머리를 말릴 수 있다. 말랭이 같이 말린 음식을 만들 때도 뜨거운 바람으로 식품의 수분을 제거하는 식품 건조기가 사용된다.

 

하지만, 열을 가해 건조하는 방식은 단점이 있다. 수분을 제거하면서 동시에 열로 인해 물질의 성질 자체가 변형되어 버리는 것이다. 단백질은 40도가 넘어가면 굳어져버린다. 비타민, 무기질 등 미량 영양소 역시 열을 가하면 파괴되고 만다. 뿐만 아니라 가열과 동시에 그 특유의 맛과 향이 사라지는 경우가 많았다. 그래서 사람들은 가열하지 않고 수분을 증발시키길 원했다. 그래서 나온 방법이 동결건조다. 이걸 이해하기 위해서는 먼저 압력과 온도에 따른 물질의 상태에 대해 이해해야 한다.

 

물의 3가지 상태

물은 3가지 상태가 있다. 1기압을 기준으로 0도 이하의 온도에서는 얼음(고체), 100도 이상에서는 수증기(기체), 그 사이의 온도에서는 물(액체) 상태로 존재한다. 우리가 물질에서 수분을 제거하려면 기체 상태로 만들면 된다. 1기압에서는 물에 열을 가해 수증기로 만드는 방법밖에 없어보인다.

 

드라이아이스와 승화

하지만, 드라이아이스를 생각해보자. 가끔 냉동 식품의 택배를 받으면 드라이아이스가 동봉되어 있다. 그걸 공기 중에 그냥 두면 어느 순간 사라져버린다. 그것도 아주 깨끗하게. 그 이유는 무엇일까?

드라이아이스는 이산화탄소를 낮은 온도에서 얼린 거다. 이 드라이아이스가 실온(약 25도)에서는 기체다. 공기 중의 이산화탄소가 너무 많아져서 기후변화가 심각하다고들 이야기하지 않나? 우리가 살고 있는 1기압 실온 상태에서 이산화탄소는 무조건 기체다. 그래서 드라이아이스는 액체 상태가 되지 않고 바로 기체 상태로 '승화'한다.

 

물의 상평형 곡선

물 역시 드라이아이스처럼 고체 상태에서 바로 기체 상태가 될 수 있다! 어떻게? 바로 압력 조건을 바꿔주면 된다. 압력 조건이 바뀌면 물도 이산화탄소처럼 승화 현상이 나타난다. 특정한 압력과 온도에서 물의 상태가 달라지기 때문이다. 이걸 그래프로 나타낸 것을 물의 상평형 곡선이라 부른다.

물의 상평형 곡선

 

위 그림에서 볼 때, 우리가 사는 세상에서 일어나는 일을 나타내는 건 A이다. 1기압에서는 0도에서 물이 얼고, 100도에서 물이 끓는다. 0도에서 100도로 온도가 변화하면 물은 얼음에서 물, 물에서 수증기로 상태가 변화한다.

 

하지만, 기압 조건을 서서히 낮춰주면 물의 끓는 점이 급격히 낮아진다. 그러다 기압이 낮아져 특정 수준이 되면 두 그래프가 서로 만나게 된다. 이 지점을 물의 삼중점(triple point)이라 부른다. 이 경우 고체, 액체, 기체가 모두 공존하게 된다. 얼음이 떠있으면서 동시에 물이 끓는 현상이 나타난다.

 

동결건조 원리와 장점

그보다 낮은 기압 조건에서는 물은 액체로 존재하지 못한다. 화살표 B와 같이 얼음에서 바로 기체로 변하는 것이다. 이걸 한마디로 말하면 물은 0.006기압 0.01도 이하에서 승화한다고 말할 수 있다. 이게 바로 동결건조가 일어나는 원리이다. 진공에 가까운 낮은 압력에서는 열을 가하지 않아도 물을 수증기로 만들어 건조시킬 수 있는 것이다. 열을 가해서 건조시키는 방법은 식품을 맛과 형태를 변형시킨다. 동결건조식품은 영양소가 파괴되지 않고, 맛도 상대적으로 크게 변하지 않는다. 이 상태에서 수분을 제거할 수 있다니 신기하지 않은가?

 

 

여기까지 동결건조 기술의 원리에 대해 알아보았다. 흔하게 먹는 음식에도 이런 과학적 원리가 숨어있다는 사실이 재미있지 않은가? 알고 보면 간단한 과학적 원리가 우리 삶에 이런 영향을 미치고 있다는 사실을 인지하지 못하고 사는 것 같다. 일상적인 것들 속에 숨은 원리부터 이해한다면 세상을 좀더 올바르게 이해하는데 도움이 되지 않을까?