케첩을 먹으려고 병을 거꾸로 세웠는데도 바로 나오지 않아 병을 몇 번 흔들거나 두드려본 경험이 있을 것입니다. 그런데 어느 순간 케첩이 갑자기 쏟아져 나오기 시작합니다.
처음에는 나오지 않던 케첩이 왜 갑자기 흐르는 것일까요?
단순히 케첩이 ‘너무 걸쭉하기 때문’이라고 생각하기 쉽지만, 실제로는 조금 더 흥미로운 물리적 특성이 숨어 있습니다. 케첩은 일반적인 물이나 식용유처럼 힘을 가하는 정도에 따라 점도가 거의 일정하게 유지되는 액체와 달리, 힘을 가하는 방식에 따라 흐르는 특성이 달라지는 비뉴턴 유체(non-Newtonian fluid)의 대표적인 식품으로 연구되어 왔습니다.
특히 케첩은 외부에서 힘을 가하면 흐르기 쉬워지는 전단박화(shear thinning) 특성을 나타내며, 일정한 힘이 가해지기 전까지 흐름이 쉽게 시작되지 않는 **항복응력(yield stress)**과 관련된 거동도 보입니다. 실제 케첩의 유변학적 특성을 조사한 연구에서는 다양한 케첩이 비뉴턴성, 전단박화 거동을 나타내는 것으로 보고됐습니다.
물처럼 흐르지 않는 케첩
물을 컵에 담아 거꾸로 뒤집으면 바로 아래쪽으로 흐릅니다. 물의 점도가 비교적 낮고, 흐름을 시작하는 데 특별히 큰 힘이 필요하지 않기 때문입니다.
반면 케첩은 병을 뒤집는 것만으로는 쉽게 움직이지 않을 수 있습니다.
케첩 안에는 토마토에서 유래한 고형분과 여러 성분이 분산되어 있고, 제품의 배합과 제조 과정에 따라 내부에 일정한 구조가 형성됩니다. 이러한 구조는 케첩이 가만히 있을 때 흐르는 것을 어렵게 만들 수 있습니다.
따라서 케첩을 거꾸로 놓으면 중력에 의해 아래쪽으로 힘이 작용하지만, 그 힘만으로는 처음부터 쉽게 흐르지 않을 수 있습니다.
이때 등장하는 개념이 항복응력입니다.
항복응력은 물질이 흐르기 시작하기 위해 어느 정도 이상의 힘을 필요로 하는 특성을 설명할 때 사용되는 개념입니다. 케첩에서는 일정 수준 이상의 전단력이 가해져야 본격적인 흐름이 시작되는 특성이 관찰됩니다. 연구에서도 케첩이 항복응력을 가지는 비뉴턴성 반고체 식품으로 설명되고 있습니다.
흔들면 갑자기 잘 나오는 이유
그렇다면 케첩 병을 흔들거나 입구 주변을 두드리면 왜 갑자기 잘 나올까요?
핵심은 전단력(shear force)입니다.
케첩을 흔들거나 병을 기울인 상태에서 움직이면 케첩 내부에 힘이 가해지고, 케첩을 구성하는 구조가 변하면서 흐르기 쉬운 상태로 바뀔 수 있습니다.
이때 나타나는 대표적인 특성이 전단박화입니다.
전단박화란 물질에 가해지는 전단 속도가 증가할수록 겉보기 점도가 감소하는 현상을 말합니다. 쉽게 표현하면 세게 움직일수록 상대적으로 잘 흐르는 성질입니다.
케첩을 숟가락으로 천천히 떠보면 상당히 걸쭉하지만, 병을 흔들거나 압력을 가하면 상대적으로 쉽게 움직이는 이유를 이 현상과 연결해서 이해할 수 있습니다.
실제 연구에서 케첩의 유동 특성을 분석한 결과, 여러 케첩 시료가 전단 속도가 증가할수록 점도가 감소하는 전단박화 거동을 보였습니다.
즉, 케첩이 갑자기 묽어지는 것이 아니라 힘을 받는 조건에서 흐름에 대한 저항이 상대적으로 감소하는 것입니다.
케첩은 ‘비뉴턴 유체’다
여기서 비뉴턴 유체라는 개념을 이해하면 케첩의 특성이 더욱 분명해집니다.
물처럼 일반적인 조건에서 점도가 비교적 일정하게 유지되는 유체와 달리, 비뉴턴 유체는 외부에서 가해지는 힘이나 전단 속도에 따라 흐름 특성이 달라질 수 있습니다.
케첩뿐만 아니라 요구르트, 소스, 일부 드레싱과 같은 식품에서도 이러한 복잡한 유동 특성이 나타날 수 있습니다.
케첩 연구에서는 실제 유동 특성을 설명하기 위해 단순한 점도 값 하나만 사용하는 것이 아니라 Power-law 모델이나 Herschel-Bulkley 모델 같은 유변학적 모델을 활용하기도 합니다. 이는 케첩의 흐름이 일반적인 물과 같은 단순한 형태가 아니기 때문입니다.
따라서 “케첩의 점도는 얼마인가?”라는 질문만으로는 케첩의 모든 흐름 특성을 설명하기 어렵습니다.
어떤 속도로 움직이는지, 얼마나 큰 힘을 가하는지, 온도가 어떤지에 따라 흐르는 모습이 달라질 수 있기 때문입니다.
케첩의 온도도 흐름에 영향을 준다
케첩을 냉장고에서 꺼냈을 때와 실온에 오래 두었을 때 흐르는 정도가 다르게 느껴지는 것도 이러한 물리적 특성과 관련이 있습니다.
식품의 점도와 유동 특성은 온도의 영향을 받을 수 있습니다. 케첩을 대상으로 한 연구에서도 온도 변화에 따라 유변학적 특성이 달라지는 것으로 나타났습니다.
일반적으로 많은 식품 시스템에서는 온도가 올라가면서 흐름이 쉬워지는 방향으로 변화할 수 있지만, 실제 변화 정도는 제품의 조성이나 구조에 따라 달라집니다.
따라서 “케첩은 따뜻하게 하면 무조건 묽어진다”처럼 단정하기보다는 온도 변화가 케첩의 점도와 흐름 특성에 영향을 줄 수 있다고 이해하는 것이 정확합니다.
식품첨가물은 케첩의 흐름에 어떤 역할을 할까?
이제 식품첨가물과 연결해 볼 수 있습니다.
케첩에는 제품에 따라 증점제나 안정화 목적으로 사용되는 성분이 들어갈 수 있습니다. 국제식품규격위원회(Codex)의 식품첨가물 분류에서 증점제(thickener)는 식품의 점도를 증가시키는 기능을 가진 첨가물로 정의됩니다.
또한 Codex의 식품분류에서는 케첩을 ‘비유화 소스(non-emulsified sauces)’ 범주에 포함하고 있으며, 이 범주에 해당하는 식품에 적용될 수 있는 식품첨가물 규정을 별도로 제시하고 있습니다.
실제 연구에서도 잔탄검, 구아검, CMC와 같은 하이드로콜로이드가 케첩의 유변학적 특성에 어떤 영향을 미치는지 조사한 사례가 있습니다. 연구에서는 첨가되는 하이드로콜로이드의 종류와 농도, 온도에 따라 케첩의 일관성 계수와 항복 특성 등이 달라졌습니다.
하지만 여기서 주의할 점이 있습니다.
모든 케첩에 같은 증점제가 들어가는 것은 아닙니다.
제품마다 원재료와 제조법이 다르며, 실제 사용 여부와 사용 기준도 제품과 국가의 규정에 따라 달라질 수 있습니다. 따라서 특정 제품에 어떤 식품첨가물이 들어 있는지 확인하려면 해당 제품의 원재료명 표시를 직접 확인하는 것이 가장 정확합니다.
케첩은 왜 ‘흐르다 멈추는’ 모습을 보일까?
케첩의 또 다른 흥미로운 특징은 흐르기 시작한 뒤에도 물처럼 계속 같은 속도로 흘러내리지 않는다는 점입니다.
케첩의 내부 구조는 외부에서 받는 힘과 시간에 따라 달라질 수 있기 때문에, 흐름을 멈추거나 힘의 조건이 달라지면 다시 상대적으로 움직임이 어려운 상태로 돌아가는 특성이 나타날 수 있습니다.
이와 관련해 케첩은 전단박화뿐만 아니라 요변성(thixotropy)과 점탄성 같은 복합적인 유변학적 특성을 보이는 식품으로 연구되어 왔습니다. 연구에서는 케첩이 약한 겔과 유사한 특성을 나타낼 수 있다는 결과도 보고됐습니다.
여기서 ‘겔’이라는 표현은 젤리처럼 단단하게 굳었다는 의미가 아니라, 액체처럼 흐를 수 있으면서도 내부적으로 어느 정도 구조를 가진 식품의 물성을 설명하는 표현입니다.
병을 거꾸로 세우는 것만으로는 부족한 이유
결국 케첩 병을 거꾸로 세웠을 때 바로 나오지 않는 이유는 단순히 “케첩이 끈적해서”가 아닙니다.
케첩 내부에는 흐름에 저항하는 구조가 있고, 중력만으로는 그 구조를 충분히 변화시키지 못할 수 있습니다.
하지만 병을 흔들거나 눌러주면 케첩에 더 큰 전단력이 가해집니다. 그러면 케첩의 구조가 변화하면서 전단박화가 나타나고 흐르기 쉬운 상태가 됩니다.
그래서 우리가 흔히 하는 행동인 “케첩병을 흔들기”에는 나름의 물리학적 이유가 있는 것입니다.
이를 간단하게 정리하면 다음과 같습니다.
가만히 있음 → 내부 구조가 흐름을 억제 → 병을 거꾸로 세워도 쉽게 움직이지 않음 → 흔들거나 압력을 가함 → 전단력이 증가 → 전단박화 발생 → 케첩이 상대적으로 쉽게 흐름
이 과정이 케첩의 독특한 흐름을 이해하는 핵심입니다.
케첩 한 병에서 발견하는 식품 물리학
케첩은 우리 주변에서 쉽게 볼 수 있는 식품이지만, 그 안에는 식품과학에서 중요한 여러 개념이 들어 있습니다.
점도만으로 설명하기 어려운 비뉴턴 유체, 흐름을 시작하는 데 필요한 힘과 관련된 항복응력, 힘을 받을수록 상대적으로 흐르기 쉬워지는 전단박화, 그리고 시간에 따른 구조 변화와 관련된 요변성 등이 케첩의 흐름을 이해하는 데 활용됩니다.
여기에 식품첨가물은 제품의 점도나 조직을 원하는 특성에 맞게 조절하기 위한 기술적 수단으로 활용될 수 있습니다. Codex 역시 증점제를 식품의 점도를 증가시키는 기능을 가진 첨가물로 분류하고 있습니다.
결국 케첩이 병 안에서 쉽게 나오지 않는 현상은 단순한 ‘끈적임’의 문제가 아닙니다.
식품의 고형분과 미세구조, 점도, 항복응력, 전단박화, 온도, 그리고 필요한 경우 증점제 등의 배합이 함께 만들어내는 복합적인 물리 현상입니다.
평소에는 귀찮게 느껴졌던 “케첩병을 몇 번 두드려야 나오는 현상”도 자세히 들여다보면 식품의 흐름을 연구하는 유변학이라는 과학 분야와 연결되어 있습니다.
우리가 매일 사용하는 소스 한 병에도 식품첨가물과 식품의 물리학이 어떻게 만나는지 보여주는 흥미로운 사례가 숨어 있는 셈입니다.
참고한 주요 정보원
FAO/WHO Codex Alimentarius, General Standard for Food Additives Database (GSFA)
FAO/WHO Codex Alimentarius, Food Additive Functional Classes
FAO/WHO Codex Alimentarius, Food Category 12.6.2 – Non-emulsified sauces, including tomato ketchup
Koocheki et al., The rheological properties of ketchup as a function of different hydrocolloids and temperature, International Journal of Food Science & Technology, 2009.
Effect of Modified Starches on Rheological Properties of Ketchup, Food and Bioprocess Technology.
Effect of some hydrocolloids on the rheological properties of different formulated ketchups, Food Hydrocolloids.