새로운 식품살균기술

[카우보이]

우리나라 식품공전에 우유를 포함한 대부분의 식품살균은 가열살균을 기본으로 규정해 놓았다.

옛 부터 가열에 의한 살균은 전통적인 살균의 방식이었으나, 식품의 재료를 살균함에 있어 잃는 것이 많은 것은

어쩔 수 없는 현실이다.  식품 고유의 품질과 물성 그리고 풍미를 유지하면서 효율적으로 식품을 살균할 수 있는

방법들이 연구되고 있다. 그 중에 주목 받고 있는 식품의 살균 방식이 바로 고압살균이다.

먼저 식품가공을 위한 고압살균 방식에는 어떠한 것들이 있는지를 살펴보고, 그 다음으로 그런 살균법에 따라

식품을 가공 이용하는 방식에 관하여 리포트 형식으로 설명하고자 한다.

식품가공을 위한 고압처리기술

가. 서론

대부분의 가공식품은 가열 또는 비가열 살균처리에 의해 저장이 가능하도록 만들어지는데, 일반적으로 가열처리는 미생물의 생육을 억제하는 효과 뿐 아니라 식품 자체의 품질에도 영향을 미칠 수 있다. 이에 반해 최근에 주목받고 있는 비가열처리는 식품의 품질에는 거의 영향을 미치지 않으면서 기존 가열 살균공정을 대체 또는 부분적으로 대신할 수 있는 방식이다. 식품의 살균을 목적으로 연구되고 있는 비가열처리법에는 전자기조사, 전자파조사, 이온화조사, 광펄스, 초고압, Co2처리, 천연항균제, 항균성 효소의 이용등이 있는데, 그 가운데에서도 고압관련 처리기술은 미생물 및 효소의 불활성화에 매우 뛰어난 효과를 갖고 있어 고품질의 제품생산이 가능하므로 식품산업에서 중요성이 날로 부각되고 있다.

이러한 고도 압력처리기술은 압력을 가하는 방법에 따라 기체가압(gas pressurization)과 정수압(hydrostatic pressurization)처리로 구분할 수 있다. 기체 가압처리는 미생물을 수십기압 이상의 압력으로 가압하여 균체내에 기체를 용해시킨 후 대기압 까지 감압하는 방법으로 가압시 세포내에 용해된 기체가 감압시에 급속히 세포 외부로 방출됨으로서 세포의 기능적 손실을 유발하여 살균효과를 볼수 있다. 이 방법에서 사용하는 기체는 물에 대한 용해도가 높은 CO2나 NO2가 가장 효과적이고, 30-40℃의 처리온도에서도 충분한 균체 파괴가 가능하며, 건조상태 보다 습윤상태의 세포에 처리했을 때 매우 효과적인 것으로 밝혀졌다.

한편 고도 정수압 또는 초고압처리란 일정한 온도에서 제품전체에 균일하게 높은 압력(static pressure)을 가하는 공정기술로서 특히 식품산업에서 이용가능한 초고압처리는 isostatic pressing 기술로서 식품에 대해 상대적으로 낮은 온도에서 높은 정수 압력을 가하는 것이다. 4000-9000atm의 초고압에서 효소와 미생물은 불활성화되지만 식품의 향미는 거의 영향을 받지 않으며, 또한 압력이 식품 전체에 균일하게 가해지므로 국부적인 변질 가능성 없이 균일한 상태로 식품을 보관할 수 있다.

나. 미생물에 대한 기체 가압처리 효과

1. 미생물 세포 파괴

기체 가압 및 순간 감압처리를 처음 시도한 Fraser의 연구 이후 Foster등은 폭발 감압장치를 자체 고안하여 세균의 파괴에 적용하였다. N2 기체를 이용하여 1740psi로 75분간 가압한 다음 순간적으로 폭발 감압시켰을 때 원심분리에 의한 파괴세포의 측정결과 Serratia marcescens(붉은 색소를 생산하는 잡세균의 일종)는32-59%, Brucella abortus와 Staphylococcus aureus(황색포도상구균)는 10-25% 가량의 균체가 파괴되는 것을 알 수 있었다. 이러한 기체 가압 및 순간 감압처리에 의한 미생물 세포파괴 기작은 순간 감압처리에 따라 세포가 물리적으로 파괴되는 것 같다는 연구가 있다.

2. 미생물 살균

기체 가압 및 순간 감압처리에 의한 미생물세포 파괴라는 관점에서 방향을 바꿔서 미생물 자체의 살균 측면에서 기체(주로 CO2) 가압처리시 조절인자를 달리하여 살균효과를 검토한 연구들이 보고되고 있다. CO2가압처리는 열에 불안정한 물질의 안전한 살균방법으로 매우 가치가 높은 것으로 평가되고 있다. CO2가압시 온도, pH, 수분함량, 처리시간등의 조절인자가 미생물 살균에 미치는 영향도 체계적으로 연구되었다. 또한 초임계 및 준임계 CO2를 가압하여 미생물을 살균하면 세포벽을 파괴하지 않고도 미생물을 사멸시킬 수 있는 새로운 개념의 살균법도 연구되었다.

3. 기체가압처리의 살균기작

고압 CO2에 의한 미생물 살균기작은 아직 까지 분명하게 밝혀지지는 않았지만 현재 까지의 연구결과를 바탕으로 다음 같이 추론 할 수 있다. 즉 미생물 세포를 CO2로 가압하면 압력조건에 따라 다량의 CO2분자가 세포내에 용해되고 용해된 CO2는 세포 내부 pH를 저하시켜 pH구배(proton gradient)를 붕괴시킴으로서 미생물의 생존에 필요한 특정 효소의 활성을 떨어트리거나 필수 대사과정을 억제하는 한편 세포막 자체를 손상시켜 생리적 평형을 파괴하는 치명적 효과를 미치는 것으로 이해된다.

다. 미생물에 대한 초고압처리 효과

1. 형태학적 변화

초고압으로 처리한 미생물에서 발견할 수 있는 가장 큰 변화는 필라멘트의 형성이다. E.coli(대장균)의 경우 270-400atm 범위의 압력에서 매우 긴 필라멘트를 생성하는 성질을 나타내었다.

2. 미생물 사멸

일정 수준의 고압처리는 미생물의 성장과 증식을 감소시키나 매우 높은 초고압은 완전히 불활성화 시킨다. 이러한 미생물의 증식 지연 및 사멸을 유발하는 역치압력은 미생물의 종류에 따라 달라질 수 있다. E.coli는 100-500atm에서 성장과 증식이 지연된다. 우유에서 발견되는 L. monocytogenes(리스테리아균)은 3400atm의 압력에서 UHT우유는 80분내에, 생우유는 60분내에 생균수가 6log cycle만큼 감소하였다. 원유속의 박테리아는 1000Mpa압력 35℃에서 1800분 처리하였을 때 거의 사멸되었다.

3. 포자사멸

식품의 가공 및 저장에 있어서 가장 어려운 공정중 하나가 바로 세균포자의 살균이다. 초고압처리시 포자의 사멸효과는 온도에 의해 크게 좌우되며, 그 외에 pH, 수분활성도, 이온강도 등에 의해서도 영향 받는다. 캔우유 제품에서 발견되는 내열성 포자의 경우 실제 공장에서는 121℃에서 20분간 가열처리하여 살균하지만 이러한 열처리는 색변화 및 카제인의 응고를 유발하여 제품의 품질을 떨어트린다. 따라서 가열과 고압을 적절히 병용처리하면 제품의 품질을 최대한 보존하면서 효과적인 살균이 가능하다. 또한 초고압처리에 있어 펄스화 또는 진동방식의 가압은 연속적인 처리방식 보다 포자를 살균하는데 더욱 효과적이다.

4. 초고압처리 영향인자

초고압처리에 의한 미생물 살균은 배지의 pH, 구성성분, 삼투압, 온도 등에 의해 영향을 받는다. 구성성분에 의한 영향이란 필수아미노산이나 비타민이 있을 때에 비해 영양소가 없는 염용액에서 균체의 내압성이 더 낮아 진다는 것이다.

5. 세포 미세구조의 변화

세포막은 외부환경 변화에 가장 민감하게 영향을 받는 부분으로 이온성 용질의 확산을 선택적으로 제한하는 보호막이며, receptor, 효소 및 이온통로의 지지대 역할을 하며, 세포내부의 신호체계에 필요한 lipid precursor(지질 전구체)를 제공하며, 세포의 형태 유지등 여러 가지 중요한 기능을 수행한다. 이러한 세포막은 초고압처리에 의해 구성 단백질이 변성되고 인지질의 크기가 감소되는데, 단백질 변성은 세포 생육에 필수적인 아미노산의 흡수를 억제한다. 특히 초고압처리는 세포막의 투과성을 증대시켜 세포내액의 누출량을 늘임으로서 세포의 고유 기능을 중단시키면서 세포벽이 비가역적으로 분해되어 결과적으로 세포가 사멸되는 것으로 이해된다.

라. 결 론

비가열 식품살균법으로서의 고압처리기술은 식품이 본래 지니고 있는 영양성분과 향미를 그대로 유지하면서 효소를 불활성화 시킴으로서 신선한 풍미와 조직감을 거의 그대로 지킬 수 있다. 특히 초고압처리는 식품의보존 뿐만 아니라 식품의 물성, 기능적 특성을 향상 시키는데도 이용 가능하다. 실제로 기체 가압처리는 최근 생산장비가 보급되고 있는 초임계 유체 추출장치를 일부 개조하여 고 부가가치 액상 식품이나 생물소재의 살균장치로 이용할 수 있을 것이다. 이에 반해 초고압처리는 아직 까지 매우 높은 고압에 견딜 수 있는 압력용기를 제조하는 기술적인 측면에서 다소 어려움이 있어 초고압 처리기술을 상용화 하는데 어려움이 있는 실정이다.

식품분야에서의 고압기술의 이용

1. 고압기술의 발전

박테리아등의 생물체가 고압하에서 활성이 감소된다는 보고가 약 100년전에 있었으며, 1914년 Bridgman은 고압하에서 계란 알부민의 응고화현상을 발견하였다. 이러한 발견 이후 압력이 유기생명체에 미치는 영향에 관한 연구가 진척되어 왔으나, 새로운 식품가공기술로서의 본격적인 연구는 1986년 교토대학의 Hayashi박사에 의하여 시작되었다.

식품분야에서 사용되는 압력은 0.1Mpa(0,1Mpa=105pa=1bar=0.9869기압=14.5psi)정도의 증류장치로부터 0.2Mpa 전후의 가압솥, 0.3-0.5Mpa 정도의 레토르트장치, 5Mpa정도의 압출성형기, 7.5Mpa정도의 초임계 가스 추출장치, 100Mpa정도의 균질기 등으로 사용되고 있는데, 초고압 식품가공은 300-900Mpa 정도의 압력을 사용한다. 높은 정수압하에서 식품의 물리적 및 생화학적 변화를 이용하기 위하여 비교적 낮은 온도(상온-250℃)에서 액체를 압력매체로 하여 분말재료를 성형하는 CIP(Cold Isostatic Pressing)성형법을 사용한다. CIP성형법은 미세한 분말재료를 고무로 된 용기에 충진하여 밀봉 후 고압용기내에서 정수압을 가한다. 이러한 과정에서 분말은 겉보기 체적이 40-50% 감소되어 치밀하고 균일한 성형체가 된다. 초고압 식품가공은 CIP를 식품에 적용한 기술로서 수분함량이 높거나 액상인 식품은 고압하에서 압축률이 거의 물과 같은 10%정도이다. 계란을 물에 넣어서 피스톤을 눌러 압력을 가하면 물이 압력매체가 되어 계란의 내부에도 순식간에 높은 정수압의 환경에 놓이게 된다. 일정시간 후 감압하게되면 계란의 난백과 난황은 응고된다. 이러한 계란의 가압실험을 통하여 고압하에서 계란의 외형이 파손되지 않고 단백질이 응고되는 것이 입증된 것이다.

2. 식품에서 고압기술의 응용분야

원래 압력(P)은 온도(T)처럼 하나의 에너지량으로 존재하며, 물질의 상태를 변화시키는 열역학적 인자로서의 T와 동일하게 P도 이용될 수 있다. 따라서 열처리에 의하여 얻는 효과를 압력처리에 의해서도 동일하게 기대할 수 있다. 한편, 열처리의 경우 고유결합이 파괴되나, 가열을 병용하지 않은 고압처리에서는 공유결합의 절단 및 생성은 일어나지 않는다. 비공유결합만 영향 받는다. 따라서 상온에서 고압처리시 식품 고유의 풍미 및 영양성분의 파괴나 이취발생이 일어나지 않는다. 식품 및 생물재료에서의 압력의 효과는 100 Mpa이상에서 볼수 있으며, 미생물의 사멸, 효소반응 속도의 변화, 효소의 가역적 및 비가역적 불활성화, 단백질의 젤화 및 전분의 호화 등의 현상들이 보통 100-600Mpa 범위내에서 나타난다. 이러한 현상들을 식품분야에 응용하면 식품의 보존성향상, 미생물 오염방지, 효소반응의 제어, 효소의 불활성화, 식품발효의 조절, 조직감 개선, 조리 등 다양한 방면에 응용될 수 있다.

3. 고압처리에 의한 식품의 물성 변화

단백질 및 다당류의 압력처리는 가열처리와는 다른 독특한 물성을 나타냄으로서 압력처리에 의해서 지금 까지 없던 새로운 식품소재가 만들어 질 수 있다. 단백질의 대다수는 가열에 의해 변성되어 부드러운 겔을 형성하게 되는데, 가열에 의한 겔화에는 색상 및 풍미의 변화가 발생되나 고압처리한 겔은 본래의 색을 유지하고, 풍미의 변화가 적으며, 부착성, 신전성, 및 탄력성 등의 특이한 물성을 얻을 수 있다.

고압처리 계란은 소화성이 우수하며, 비타민이 보존되고, 선명한 색상과 독특한 물성을 나타낸다. 어묵을 만드는 고기풀을 고압처리 한 결과 200Mpa 이상에서 겔이 제조되었고, 400Mpa에서 파단강도가 최대가 되어 가열젤 보다 강도가 높았고, 조직과 색상이 우수한 독특한 겔이었다. 또한 대두 단백질, 축육도 가압에 의해 고유의 풍미를 그대로 간직하고 미끄러운 독특한 겔을 간단히 만들 수 있다.

Suzuki 등은 사후강직 후의 식육을 100-300Mpa로 고압처리 한 결과 통상의 숙성과는 다른 방식으로 육의 연화 숙성이 촉진되는 것을 보고하였다. 상온에서 수시간 고압처리한 전분은 300-400Mpa에서 옥수수 전분은 400-500Mpa에서 amylase가 분해되기 쉬운 현태로 변화한다.

식품에의 초 고압분야에서 최초로 실용화된 상품은 고압가공 쨈이다. 고압 쨈은 과실,설탕, 팩틴 등의 혼합물을 상온에서 플라스틱등의 유연한 용기에 충진.밀봉한 후 고압처리 만으로 제조된다. 즉 고압처리로 과실, 설탕, 팩틴등의 혼합물의 젤리화가 촉진되고, 과육에 당액이 침투되며, 살균이 동시에 이루어진다. 이와 같이 제조된 고압 쨈은 전과정이 무가열로 이루어지므로 가열제품에서 불 수 있는 내용물의 열변성, 열분해 등이 발생되지 않고, 과일 본래의 신선한 향기와 색이 유지된다.

4. 식품저장에의 이용

물에 2000기압의 압력을 가하면 동결점이 -20℃ 까지 하강하는 부동결수 영역이 존재하는 점을 이용하여 부동결 상태에서의 식품의 장기간 저장, 동결식품의 가압하에서의 해동, 고압.저온에서의 급속동결이 가능해 진다.

Hayashi등은 마쇄한 쇠고기를 200Mpa에서 9일 간 보존한 결과 pseudomonas 같은 세균수가 감소되었고, 해동시 drip의 발생량도 적었으며, 식육 및 식육제품의 품질저하의 원인인 유산균도 살균되었다. 고압하에서의 부동결 저장법은 동결보관이 어려운 식품 및 동결.해동에 의하여 심각하게 품질이 저하되는 경우에 유효한 방법이며, 식품 분야뿐만 아니라 수혈용 혈액의 보존, 장기 보존 등 의약품 분야에도 적용이 가능하다.

5. 고압처리에 의한 식품의 살균

식품에 대한 고압살균의 연구로는 이미 19세기에, 상온에서 우유를 690Mpa 10분 처리한 결과 우유속의 미생물이 1/105 - 1/106로 감소 되었고, 52℃에서 550Mpa 60분 처리한 우유는 3주간 부패되지 않았다는 보고가 있다.

Tanaka 등은 요구르트를 10-20℃에서 200-300Mpa로 10분간 고압처리한 결과 포장 후 일어나는 산생성(after-acidification)을 방지할 수 있었다. 특히 이 조건에서 생균수 및 조직감의 변화가 없었다는 것은 생균수가 줄지 않고도 산생성이 억제되는 고압의 효과라 할 수 있다.

순수배지에서 진행하는 미생물에대한 고압살균과 달리 식품과 같은 복잡한 계의 가압살균에는 여러 가지 고려가 필요하다. 특히 현재 식품위생법상의 살균기준이 대부분 가열살균을 전제로 하고 있기 때문에 가압살균의 실용화를 위하여 보다 진보된 연구가 필요하다.

Timson등은 우유를 13℃ 830Mpa로 40초부터 83분 까지 고압처리 후 내압성 미생물을 분리해 본 결과 미생물 포자임을 확인 하였다. 세균의 경우 압력 및 열, 방사능, 균질화에 대한 저항력은 영양세포에 비하여 포자가 압도적으로 강하다. 세균의 포자는 1200Mpa 이상의압력에 견디어 살아남을 수 있다. 그러나 가온을 병행하여 고압처리 할 경우 포자의 살균효과가 현저히 증가한다. 그러나 tyndallization이라는 간헐살균공정을 응용할 경우 보다 낮은온도(60℃)에서도 효과적인 포자의살균이 가능하다.

6. 고압처리에 의한 효소의 불활성화

과일 및 야채에 있어서 데치기(blanching)는 후속되는 공정에 앞서 산화효소들을 불활성화 시키기 위한 열처리이다. 또한 데치기는 식물 조직의 가스를 제거하며, 산소 농도를 낮추어 주며, 조직의 품온을 높이고 조직을 풀 죽게 하여 포장과 요리를 용이하게 해줄 뿐 아니라 어떤 경우에는 녹색 야채의 색상을 고정시켜준다. 이러한 데치기 처리의 지표가 되는 효소가 peroxidase이다. 한편 식품에 따라 열처리를 피하여야 할 경우가 있다. 즉 열에 의한 식품의 손상, 영양성분의 누출, 폐수의 축적에 의한 환경문제등을 고려하여 열처리 대신 고압처리로 해결할 수 있다.

현재 고압처리 기술을 효소의 불활성화에 응용하여 쓴맛을 제거한 자몽쥬스가 제품화 되었는데, 이 제품은 자몽쥬스 착즙액을 120-400Mpa로 고압처리하여 자몽쥬스의 쓴맛 성분인 lomonin 생성을 방지하였다. 이상과 같이 고압을 이용함으로서 일부 효소의 불활성화가 가능하며, 특히 이 방법은 열을 가하지 않기 때문에 향기성분이나 영양성분이 그대로 유지되는 장점이 있다.

7. 고압살균의 응용현황

세계적으로 가장 먼저 상품화된 초고압 응용식품은 일본의 고압쨈이다. 또한 1992년부터 발매된 밀감과즙은 고압살균쥬스로서 과즙 중의 곰팡이 효모는 400-500Mpa에서 사멸하였고, B. subtillis등 내압성 포자형성균은 잔존하나 과즙의 낮은 pH로 증식하기 어려워 문제가 되지 않았다. 현재 식품위생법상 과즙음료는 가열처리가 의무화되어 있어서 고압에 의한 1차 처리 후 저온 단시간의 열처리를 실시하고 있다.

고압살균의 실용화를 위해서는 고압처리에 의한 살균효과를 입증할 필요가 있으며, 효용적이고 실용적인 그리고 가격이 저렴한 고압처리 장치의 개발이 선행되어야 할 것으로 생각된다. 특히 우유 같은 액상 식품의 경우 각각의 고압용기에 관하여는 회분식 처리가 되지만, 액의 충진-가압-유지-감압-배출의 처리 사이클을 순차적으로 맞물리게 하여 여러개의 용기를 병렬 설치할 경우 전체적으로는 연속적인 처리가 가능해 진다. 또한 액체식품의 감압공정을 무균적으로 실시하여 무균 충진공정과 연계할 경우 보다 실용성이 높아질 수 있을 것으로 사려된다.

*참고문헌 :식품분야에서의 고압기술의 이용, 손경헌/제일제당 식품연구소