액체가 굳을 수 있는 원리는 무엇인가요?

Question

안녕하세요.

일상 생활을 하다보면 콜라 같은 액체는 먹다 튀었을때 시간이 지나면 굳는데요. 과일의 즙도 마친가지 인것 같구요. 이런 액체들이 굳는 원인이 되는 성분이나 원리는 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요, 올곧은꽃무지224님. 이중철 전문가입니다.

먼저, 콜라나 과일즙 같은 음료가 흘렀을 때, 시간이 지나면서 굳는 현상은 용매인 수분이 공기 중으로 증발하면서 내부에 녹아 있던 당분과 유기산 같은 용질의 농도가 급격히 높아지고, 당 분자 간의 강력한 수소결합과 유리전이 현상으로 인해 고체 피막을 형성하기 때문이랍니다.

■ 수분 증발에 따른 용질 농축과 수소결합 네트워크 형성

콜라나 주스는 대부분 물로 이루어져 있지만, 그 속에는 액체 부피의 약 10퍼센트 이상에 달하는 포도당, 과당, 자당 같은 당류와 색소, 산미료 등의 용질이 균일하게 녹아 있습니다. 바닥이나 식탁에 튄 액체는 공기와의 접촉 표면적이 넓어져 물 분자가 기화되는 증발 작용이 매우 빠르게 일어나는데요. 수분이 사라질수록 용액 내 당 분자들의 거리가 극도로 좁아지며 점성이 치솟게 됩니다. 이 과정에서 당 분자마다 풍부하게 붙어 있는 하이드록시기(-OH)들 사이에 강력한 분자 간 인력인 수소결합이 사방으로 촘촘하게 작용하면서, 끈적끈적한 상태를 거쳐 점차 단단한 그물망 구조로 굳어지게 됩니다.

■ 비결정질 유리전이와 펙틴 성분의 겔화 작용

특히 과일즙이나 탄산음료의 당분은 수분이 빠르게 빠져나갈 때 규칙적인 결정을 형성할 시간적 여유가 없어, 분자들이 불규칙하게 엉킨 채 고체처럼 굳는 유리전이 과정을 거칩니다. 마치 사탕을 만들 때처럼 끈적한 시럽 상태에서 수분이 완전히 마르며 단단하고 투명한 무정형 고체 피막으로 굳어버리는 원리인데요. 또한 과일즙의 경우에는 식물 세포벽 구성 성분인 펙틴이라는 복합 다당류가 함께 들어 있습니다. 펙틴은 과일 속 유기산과 당분이 존재하는 산성 환경에서 수분이 줄어들면 분자 사슬끼리 서로 얽혀 젤리처럼 굳어지는 겔화 반응을 일으키기 때문에, 콜라보다 훨씬 쫀득하거나 질긴 잔여물 형태로 굳어 남게 되거든요.

정리하자면,

음료가 굳는 이유는 용매인 물이 증발하면서 고농도로 남은 당류 분자들이 강력한 수소결합을 형성하고 유리전이를 거쳐 비결정질 고체로 변하기 때문이며, 과일즙의 경우 펙틴의 겔화 현상까지 더해져 끈적이거나 딱딱한 고체 막으로 굳어지게 되는 것이랍니다.

※ 질문자님을 포함하여 소중한 분들의 건강, 재산과 안전을 지키고, 혹시나 발생할 수 있을 다양한 문제 상황에 놓이지 않기 위해서라도 저를 포함하여 다양한 토픽에서 활동하는 모든 전문가분들의 아하 지식커뮤니티에서의 답변은 예외 없이 참고 용도로만 유용하게 활용하시기 바랍니다.😉