식품을 보존하는 기법에는 진공포장, 가스치환포장, 탈(脫)산소제 봉입포장, 건조식품포장, 어셉틱 충전포장, 액체 열충전포장, 레토르트 식품포장 등 다양한 방법이 있다.

이들 식품 보존기법에 사용되는 용기에는 각종 기능 및 특성이 요구되나, 그 중에서도 가스배리어성은 특히 중요하다. 산소가 식품에 미치는 영향에는 먼저 산화에 의한 식품의 화학적 변화, 즉 식품의 품질열화를 들 수 있다.

식품 품질열화의 대표적인 것으로는 불포화지방산 등의 산화에 의한 풍미 저하, 페놀류 등의 산화에 의한 변색 및 냄새의 변화, 아스코르빈산의 산화 등에 의한 영양가의 감소 등이 있다.

또한 산소는 호기성 세균 및 곰팡이의 번식을 촉진시켜 식품의 미생물에 의한 변패를 진행시킨다. 탄산가스를 사용하는 가스치환포장 및 탄산가스를 포함하는 음료 등에서는 탄산가스가 포장 밖으로 투과되어 잃어버리지 않기 위해 가스배리어성이 필요하다.

가스 배리어 포장의 필요성

식품 및 음료의 용기로서는 금속 캔 및 유리 용기도 사용되나, 플라스틱 포장 재료가 가장 일반적으로 사용되고 있다. 금속 및 유리의 산소, 탄소가스, 질소 등의 가스를 투과시키지 않는 특성 즉, 가스배리어성은 완전하다.

그러나 플라스틱 재료는 가스배리어성이 완벽하지 않고, 플라스틱의 종류에 따라 그 정도는 크게 다르다. 따라서 플라스틱 포장 재료의 경우, 가스배리어성을 확보하기 위한 포장설계가 필요하다. 일반적인 수법으로 가스배리어성이 양호한 재료를 가스배리어 층으로 사용하는 다층구성의 포장 재료를 적용하고 있다.


플라스틱의 가스 투과성

- 필름 안의 가스 투과정도와 가스 투과식

플라스틱 등의 필름 양측에 기체의 압력차가 있는 경우, 혹은 양측의 전체적인 압력은 동등하나 어떤 기체에 관해서는 분압에 차가 있는 경우, 분압이 높은 측(고압측)에서 분압이 낮은 측(저압측)으로 기체가 이동하는 현상을 볼 수 있다.

이처럼 기체가 투과하는 기구(메커니즘)에는 두 가지 타입이 있다. 그 중 하나는 필름에 지름 1nm이상의 구멍이 있어, 이 구멍을 통과하여 기체가 이동하는 타입이다.

이 타입의 투과는 모세관류(毛細管流)타입에서 점성류(粘性流 하겐·포아즈이유流)로, 핀홀이 있는 알루미늄 포일 및 필름 혹은 종이 등의 다공질(多孔質) 물질을 투과할 때 일어난다.

다른 한 가지 타입은 기체분자가 실질적으로 구멍이 없는 필름을 형성하고 있는 고분자쇄의 열운동에 기초한 분자간격(프리볼륨)을 통과하여 이동하는 타입으로, 이는 점성 확산류(粘性 擴散流)이다. 이 타입의 투과는 플라스틱 필름 안을 기체가 투과하는 경우에 볼 수 있다.

핀홀이 없는 플라스틱 필름과 같은 비(非)다공질 필름 안의 기체 투과 과정을 살펴보면, 먼저 기체가 필름에 접촉하여 바로 필름의 표면에 녹는다(용해과정). 다음으로 기체의 용해로 생긴 농도 구배(勾配)에 의해 기체가 필름 안에 퍼지고(확산과정), 필름의 다른 면에 도달한다.

이 상태는 아직 비정상 상태이다. 그 후 확산의 진행으로 필름 안의 기체 농도 구배는 두께의 방향에 직선이 되어 정상상태가 된다. 이 단계부터 기체가 탈착해가는 속도가 일정해진다.

이와 같이 플라스틱 필름을 투과하는 기체의 양을 결정하는 인자는 기체의 필름으로의 용해 용이함과 필름 안에서의 확산의 용이함이다. 상세한 식의 유도는 생략하나, 기체의 투과계수(P)는 용해도계수(S)와 확산계수(D)의 곱으로 얻어진다. 즉, P=D·S이다.

비(非)다공질 필름을 구성하는 폴리머 중에는 고분자쇄의 열운동에 의해 작은 분자 간격(cavity)이 형성된다. 이 분자간격의 용적은 프리볼륨이라 불리지만 비(非)다공질 필름 안에서 기체분자가 확산할 경우, 기체분자는 이 폴리머의 분자간격을 통해 이동해 간다.

이와 같은 활성 확산의 경우, 가스투과의 구동력은 농도 구배로, 필름을 구성하는 폴리머의 화학구조와 투과하는 기체분자의 화학구조에 의존하며 온도에 크게 영향을 미친다.

가스배리어 필름 포장에서는 다층의 래미네이트 필름이 일반적으로 사용되지만, 이처럼 다층 필름을 통과하여 가스가 투과하는 경우, 다층 필름 전체 외관의 투과계수 P는 각 층을 구성하는 것의 두께 및 투과계수를 각각 l1, l2, … ln, p1, p2 …pn로 하면 다음과 같은 식이 얻어진다.

l/P=l1/p1 + l2/p2 +… +ln/pn

여기에서 l=l1 +l2 +…+ln이다.

관용적으로 가장 잘 이용되는 투과계수의 단위는 ㎤(STP)·cm/㎠·sec·cmHg이다. STP는 표준상태, 즉 0℃, 1기압의 상태를 의미한다. 기체의 투과량은 필름의 두께에 반비례하나, 압력법, 동압법(전극법) 등의 각종 측정법으로 측정한 샘플 필름의 기체투과율에는 샘플 필름의 두께를 명시하여 두께 인자가 들어가지 않는 ㎤(STP)/㎡·24hr·atm의 단위가 일반적으로 사용되고 있다.

(자료 : "기능성 포장" / 도서출판(주)포장산업)