[식품화학실험]설탕의 결정화

실험 목적

설탕은 한 분자의 포도당과 한 분자의 과당으로 구성되며 식품제조에서는 대부분 결정형으로 이용된다. 친수성인 OH기를 가지고 있으므로 물에 용이하게 용해한다.

고포화란 어떤 용액이 포화상태를 넘어서 증가한 상태. 용액이 그 온도에서 용해도에 해당하는 양보다 많은 용질을 포함할 때(용액의 과포화)이다.과포화 상태는 불안전한 상태이기 때문에 결정화가 잘 일어날 수 있다. 가열 온도에 따라서의 점성이 달라지며, 당의 전화가 일어나고 이 전화량이 많아지면 갈색화가 일어나게 된다.

식품의 감미료로 쓰이는 당을 좀 더 활용적으로 하기 위하여 물리적 특성 중 결정성을 알아볼 필요가 있다. 결정은 시럽이라고 불리는 적절한 농도에 도달 했을 때 형성되기 시작한다. 당 중에 가장 대표적이라고 할 수 있는 설탕을 이용하여 이번 실험을 이행하였으며, 온도가 당의 결정에 미치는 영향과 고분자 입자가 설탕에 첨가 되었을 때 결정성에 미치는 영향을 확인하였다. 이러한 결정성을 파악하여 식품 제조시 당 결정화를 억제하기 위함이나 결정성을 이루어 이용할 수 있을 것 이다.

 

실험 결과 및 토의

 

실험 1. 온도에 따른 설탕 결정의 변화

Table1. 110℃에서 170℃온도까지 설탕 결정의 변화

온도	모양	색깔
110℃	실 모양 결정체와 아지랑이 모양을 형성하며 빠른 속도로 떨어진다.	무색
120℃	덩어리진 모양으로 실모양은 가라앉는다.	무색
130℃	가라앉으며 점도도 가려졌고 실 모양 그대로 굳어졌다.	연노랑
140℃	매우 강해짐을 알 수 있고 결정화가 매우 심해졌다. 가라앉은 즉시 바로 굳어졌다.	약간 진한노랑
150℃	떨어진 용액 그대로 가라앉았고 물 안에서 가지모양 그대로 굳어 있었다.	진노랑
160℃	갈변화가 일어났고 침지 후 결정화가 물 안에서 굳어진 상태로 움직임을 보였다.	연갈색
170℃	실 모양이 없어지고 당 용액을 넣는 순간 바로 굳어지며 비커 안에서 움직였다	진갈색

 

이 실험은 온도에 따른 설탕결정 형태를 확인하기 위해 10℃간격으로 냉수에 설탕용액을 떨어뜨려 모양변화를 관찰하였다. 110℃에서는 끓기 시작하여 결정성은 크지 않았으며,10℃씩 올라갈 때 마다 결정성이 커지는 것을 알 수 있다. 150℃와 170℃ 까지는 냉각수에 떨어지는 즉시 결정화가 되었다. 이는 용해도와 융점의 영향 때문이다. 용해시키는 물의 온도가 높아지면 모든 당의 용해도도 증가하게 된다. 

어떤 특정한 온도에서 녹을 수 있는 것보다 더 많은 용질을 갖고 있을 때를 과포화 용액이라 한다. 과포화 용액을 형성하기 위해서는 실온에서 이 용액을 끓는 온도까지 가열하여 설탕을 완전히 용해시킨다. 조심스럽게 방해하지 않고 실온까지 식히면 이 용액은 점점 포화상태에서 과포화상태로 된다. 과포화상태는 불안정하기 때문에 결정화가 잘 일어난다. 온도가 올라갈수록 용액이 농축되어 결정 형성이 쉬어지는 것이다. 또한 140℃ 까지는 흰색으로 덩어리가 생겼지만 계속 가열하면 점점 변화가 일어나 150℃가 되면 갈색화 반응을 일으킨다.

다음 Fig1을 참고하도록 하겠다.

110℃                                                 120℃                                     130℃

140℃                                                 150℃                                     160℃

170℃

Fig1.온도에 따른 설탕 결정의 변화(냉각수에 떨어뜨린 모양)

 

10℃씩 올라 갈 때마다 설탕용액 냉각수에 떨어뜨리고 결정 모양 변화를 관찰하였다. 130℃에서 내려오면서 뭉쳐져 덩어리모양으로 굳어지다가 다시 140℃에서는 실 모양으로 즉시 굳는 모습을 볼 수 있다. 150℃에서는 갈색화가 서서히 진행되었고 170℃에서는 진한 갈색으로 변하였다.

실험결과 높은 온도에서 설탕을 융해 시킬수록 굳는 속도가 빠르다는 것을 알 수 있었다. 온도가 높아지면 설탕액 수분이 증발되고 포화상태에서 과포화상태로 형태가 변한다. 과포화상태는 결정성을 나타낼수 있으며 쉽게 덩어리 질 수 있다. 이번 실험을 통해 온도변화에 따른 모양은 포화상태가 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다.

 

실험 2. 설탕의 결정 형성에 미치는 영향

쉽게 깨물 수 있고 설탕 결정이 질서정연하게 널리 분포된 캔디를 결정형 캔디라고 말한다. 그 중 Fondant는 가장 대표적인 결정형 캔디이다. 수없이 많은 설탕결정이 형성되어 만들어진 것이므로 단단하거나 질기지 않고 씹으면 아무런 저항 없이 끊어진다. 그리고 씹을 나위 없이 입과 혀에서 녹고 입천장에 문질러 보면 마치 치약을 문지르듯이 약간 점성이 있으면서 전혀 껄껄하지 않다.

비결정형 캔디인 캐러멜은 설탕 외에 황설탕, 콘시럽, 우유, 크림, 버터 등 설탕 결정의 성장을 방해하는 물질들이 원료가 되기 때문에 설탕 결정이 되지 않는다.

결정형 캔디를 만드는 목적은 결정화를 조절하여 곱고 부드러운 텍스쳐를 갖도록 하는 것이다. 캔디를 과포화 시키고 50℃이하로 냉각시키는 동안 용액 내에는 어떠한 핵도 존재하면 안 된다. 이 때 캔디가 냉각되는 동안 팬의 가장자리에 설탕 결정이 생기지 않게 하는 이유가 바로 이것이다. 만약 원하는 정도의 과포화가 되기 전에 결정화가 생긴다면 즉시 교반해야한다.

 

Table2. 설탕의 결정 형성에 미치는 요인에 따른 형태

	처리구	중량(g)	경도	결정모양
A	설탕	200	사탕 같은 단단한 결정	흰색의 고형물질로 처음엔 물컹거리지만 굳어지면서 단단하고 약간 거친 덩어리가 된다. 문지르면 부스러짐.
	증류수	100
B	설탕	200	부드러운 사탕 같음	A 보다는 부드러운 젤과 같음. 물엿과 같이 끈적거리고 문지르면 늘어짐.
	cream of tartar	0.6
	증류수	100

Fig2.첨가한 물질에 따라 형성된 설탕 결정 (왼쪽부터 (A) 설탕 (B)설탕+cream of tratar)

설탕의 결정 형성에 대하여 두가지 다른 첨가물로 결정형성에 미치는 영향을 알아보는 실험을 하여 위의 표와 같은 결과를 얻을 수 있었다. A는 40℃까지 식힌 후 나무주걱으로 용액을 저어주면서 결정화 시킨 것으로 단단하고 거친 덩어리와 만지면 잘 부서지는 결정을 얻을 수 있었다.

B는 cream of tartar산이 결정에 미치는 영향을 실험한 것으로 결정의 중간에 빈공간이 있는 것을 발견할 수 있으며 결정은 대조구보다 더 부드럽다는 것을 확인할 수 있다. 이는 설탕의 비환원당으로서의 특성 때문이다. 설탕은 산에 의해 쉽게 가수분해 되어 포도당과 과당의 혼합물이 되는데 서로 같은 입자들 끼리 결합하며 주걱으로 저어주면 결정 속도가 느려져 결정을 형성하면 부드러운 결정이 된다. 즉 산이 포함된 물질은 포도당과 과당의 결정 형성을 방해하는데 이때 중간에 조그만 구멍들이 생기며 단당류는 이당류보다 분자가 작기 때문에 결정도 작고 더 부드럽게 되는 것이다.

시간상 못한 C(설탕+증류수+물엿)는 A보다는 부드러운 감촉을 표면의 결정 모양도 덜 거칠것으로 예상된다. 왜냐하면 물엿이라는 외부의 입자가 설탕 내부에 들어오면 결정이 형성되는 것을 막아주기 때문에 미세하고 결정이 부드럽게 생기기 때문이다.

이번 실험에서 조마다 결정의 상태가 약간씩 달랐는데 이는 온도계에 의한 차이와 수분증발량의 차이인 것으로 추정된다. 설탕을 가열하는 과정에서 호일을 덮었는데 이 호일을 벗기는 시간에 따라서도 달랐다. 호일을 덮어서 계속 끓이게 되면 수분이 증발하지 못해 수분함량이 많아 결정이 석출되지 않았다. 농축된 설탕용액의 온도가 40℃정도로 식은 후 저어주면 미세한 결정이 형성된다. 이때 젓는 속도가 빠를수록 결정의 성장을 막아 미세하고 균일한 크기가 되는 결정형을 얻을 수 있다. 또한 용질인 설탕 이외에 다른 물질이 존재하면 결정체의 크기가 작아진다. 즉, 가열하는 동안 설탕이 가수분해 되어 전화당이 생기면 미세한 결정체가 생긴다.

 

실험 3. Peanut Brittle

비결정형 캔디는 결정형 캔디보다 더 높은 온도에서 처리하여 결정이 생기지 못하도록 하며 결정방해 물질을 넣거나 설탕 시럽의 농도를 고농도로 하여 결정이 없는 상태로 만든 것이다.

캐러멜(끈적거림), 타피(단단함), 브리틀(단단함), 머쉬멜로우(부풀린 것)등으로 분류가 된다. 이 캔디를 만드는데 중요한 점은 전혀 태우지 않고 당 시럽을 최종 온도까지 가열하는 데 있다. 이런 무정형 캔디는 전체에 균일하고 만족스런 금갈색을 반드시 가지되 조금이라도 어두운 색을 가져서는 안 된다. 풍미도 탄내를 가지지 않은 상쾌한 맛을 반드시 가져야 한다.

이런 무정형 캔디의 주된 문제는 대부분이 조리 과정 중의 실수에서 기인되는 것이지 냉각되는 캔디를 취급할 때 발생되지 않는다. 이점이 결정화 조절이 중요한 결정형 캔디와의 상이한 점이다. 무정형 캔디 제조의 성공 여부는 우수한 열전도성을 가진 두꺼운 소스팬의 사용, 캔디 전체의 동일한 가열을 위한 적절한 교반, 그리고 정확한 최종 온도에 달려있다.(온도계 주위로 공기분자가 포섭되지 않도록 함으로써 가능).

Fig3. Peanut Brittle

 

재료 : tablespoon, 베이킹소다, 1 teaspoon 바닐라, 1 tablespoon butter ,120ml 물, 240ml 물엿, 400g 설탕, 1/8 teaspoon 설탕

 

베이킹 팬에 parchment paper를 깔고 준비해둔다. 중간 사이즈 saucepan에 땅콩, 설탕, 소금, 물엿, 물을 붓고 설탕이 다 젖을 때까지 저어준다. 이때 medium-high 불로 타지 않도록 주의하면서 가열을 해준다. 팬 가장자리에 뭍은 설탕을 녹이기 위해서 1분간 뚜껑을 덮는다. 그런 다음 온도계를 밑바닥이 닿지 않도록 가장자리에 설치해 150℃까지 가열한다. 

이때까지도 계속 들러붙지 않도록 저어 주어야한다. 온도가 150 ℃가 되면 불을 끄고 베이킹 소다, 바닐라 가루, 버터를 넣고 약 30초간 재빠르게 젓고 곧바로 준비해 두었던 베이킹 팬에 붓는다. 우리조의 경우 캔디 전체에 동일한 가열을 하지 못하여서 위 사진3을 보면 알 수 있듯이 곳곳에 탄부분이 있다. 게다가 베이킹 소다의 정량을 잘못하여서 다른 조의 것에 비해서 베이킹 소다 맛이 강해 캔디보다는 달고나 맛에 가까웠다.

 

4. 실험 고찰

실험 1(온도에 따른 결정)와 2(첨가물에 따른 결정)를 종합해 볼 때 설탕의 당 결정현상은 반드시 과포화용액일 때만 나타나며, 용액이 농축될수록 핵의 형성을 촉진한다.

설탕은 산에 의해 가수분해 되어 부드럽고 작은 결정을 만든다. 외부의 입자가 설탕 내부에 들어오면 결정이 형성되는 것을 막아주기 때문에 결정이 부드러워 진다. 농축된 설탕용액의 온도가 40℃정도로 식은 후 저어주면 미세한 결정이 형성되는데 이때 강하게 저어줄수록 결정 형성이 늦어져 부드럽고 미세한 결정을 얻는다.

 

참고 문헌 

1. 식품화학, 김동훈, 탐구당, 1991

2. 식품과학(5판), 이경애 저, 라이프 사이언스