1. 서 론
그리스어의 ozein이라는 어원을 갖고 있는 오존은 대기중에서 광화학 반응에 의해 생성되며 지상 20~30km의 성층권에 다량으로 존재한다. 오존은 산소가 있는 상태에서 자외선을 쪼일 때 생성되는 것으로, 산소 원자 3개가 결합한 분자이며 공기중에서 반감기는 16시간, 수중에서는 pH 7, 농도 3ppm일때 반감기가 약 30분 정도로 매우 짧은 특성이 있다. 오존의 살균효과에 대하여는 옛날부터 알려져 있고 이를 실용화하기 위한 연구가 과거 30년 이상 계속되어 왔다.1)
오존은 일반적으로 세균, 대장균, 효모, 바이러스 등에 유효하다. 오존에 의한 살균 메카니즘을 살펴보면 오존은 분해되어 산소와 발생기산소를 생성하는데 이 발생기 산소가 세포벽과 세포막에 작용해 지질의 이중결합과 반응함으로서 세포막을 파괴하고 sulfur hydroxyl group 효소를 파괴한다. 이와 같은 작용으로 세포내의 DNA(deoxyribonucleic acid)에 약간의 손상을 줌에 따라 변이, 사멸을 초래한다. 또한 이것은 세균의 세포막을 통과하여 흡수계 효소를 손상시키어 세포의 동화작용을 정지시켜 살균하는 염소계 약제에 비해 살균속도가 매우 빠르게 된다.2) 이러한 오존은 식품원료의 잔류농약분해, 제조공정 중 미생물 제어와 유통과정 중 신선도 유지를 목적으로 이용되고 있으며, 식품제조 용수 중에 중금속의 산화, 유기물의 분해에도 적용되고 있다. 오존은 기체 상태로 가공실, 냉장고 내에서 세균을 불활성 화하는데 이용하며, 물에 용해시켜 식품, 조리기 등을 소독, 세정하거나 오존수를 얼음으로 만들어 저온 보관용에 사용한다.3~7)
오존은 대기 환경기준에 규정된 물질 중 가장 유해한 오염 물질로 알려져 있으며, 오존이 인체에 미치는 영향은 시각 장애와 폐기능 장애의 유발 등이며, 천식을 일으키게 하기도 한다(Table 1).
Table. 1 오존의 농도에 따른 인체에 대한 영향8)
오존 농도
(ppm) |
인체에 대한 영향 |
0.01~0.02 |
다소 냄새를 느낌(곧 무감각해짐) |
0.1 |
뚜렷한 냄새가 느껴지고, 코와 인후부에 자극 |
0.2~0.5 |
3~6시간 노출로 시각이 저하 |
1~2 |
상부기도에 뚜렷한 자극을 느낌 |
5~10
|
2시간 노출되면 두통, 가슴압박, 갈증을 느끼며 반복하여 노출시 만성 중독 |
15~20 |
맥박 증가, 몸에 통증, 마취증상이 나타나며 계속하여 노출시 폐수종 |
20 |
작은 동물은 2시간 이내에 사망 |
50 |
인간은 1시간 내 생명이 위험한 상태로 됨 |
오존은 산소로 구성되어 있기 때문에 분해하게 되면 산소로 돌아가므로 오존 처리시 염소계 산화제와 같은 유해한 반응 생성물을 잔류시키지 않으며, 독성은 염소가스 만큼 강하지 않기 때문에 취급이 염소보다 용이하다. 또한 산소로 이루어져 있기 때문에 오존의 원료는 대기 중에 있으므로 전력 소비만으로도 쉽게 제조할 수 있고, 조작이 용이하다. 오존은 어떠한 농도를 초과하면 인체에 유독하여 취급에 주의를 요하지만 오존 특유의 독특한 악취가 있기 때문에 누출 등의 사고 발견이 쉽다(0.02~0.05ppm에서 식별 가능).9)
본 연구에서는 인기 상품인 전주비빔밥의 포장화에 따른 보존 기간의 연장을 위해 비빔밥 재료인 채소의 살균과 제조 공정 중 조리실과 포장실의 살균에 오존 및 오존수를 이용하였다.
2. 관련 이론
가. 오존
오존생성을 위해서는 우선 공기중에 있는 산소를 분해시켜야 하는데, 이겻은 산소분자의 결합에너지보다 큰 에너지를 공급하면 분해할 수 있다. 많은 종류의 램프 중에서 저압수은램프가 오존생성에 적합한 단파장의 자외선을 잘 방사하기 때문에 오존발생기로 주로 사용되고 있다(Fig. 1).
자외선에 의한 오존생성은 다음 식(1), (2), (3)를 따른다.
여기에서, h는 플랑크상수, υ는 진동수(λ의 역수), +M은 금속 등의 다른 분자이다.
인공적 자외선에 의해 발생하는 오존농도는 다음에 보이는 평형상태에 의해 상한 값이 결정된다.
발생하는 오존농도는 원료와 공기 혹은 산소의 건조상태, 석영유리의 재질(184.9nm의 강도와 관여한다), 발생기의 길이, 풍량 등에 의해 달라진다.10~12)
Fig. 1. UV lamp에 의한 오존발생.
나. 오존수
오존분해에 대해서는 초기의 Weiss(1935), Stumm 1954)들의 연구에서 라디칼 연속반응이 관여하고 있다는 것을 밝혔으며, Staehelin, Buhler, 등은 이들의 연구결과를 기초로 하여 물리화학적인 관점에서 오존의 자기분해과정과 각 단계에서의 구성요소인 라디칼의 동정 및 존
재를 예측하고, 기본반응의 결정 및 반응속도상수의 측정 및 추정을 하여 SBH모델이라고 불리우는 오존의 자기분해모델을 구축했다(Table. 2).13)
Table 2. 오존수의 분해 메커니즘(SBH Model)13)
Initiation |
O3 + OH- ⇒ HO2․ + O2-․ |
Propagation |
HO2․ ⇔ H+ + O2-․
O3 + O2-․⇒ O3-․ + O2
O3-․ +H+ ⇔ HO3․
HO3․ ⇒ OH․ + O2
OH․ + O3 ⇒ HO4․
HO4․ ⇒ HO2․ + O2 |
Termination |
HO4․ + HO4․ ⇒ H2O2 + 2O3
HO4․ + HO3․ ⇒ H2O2 + 2O3 + O2 |
3. 재료 및 방법
가. 오존을 이용한 식품 공장 내 부유미생물 살균
실험을 실시한 공장은 조리실, 나물 포장실, 국 포장실로 나뉘어 있으며, 각각에 오존발생 장치(Fig. 2)를 설치하였다. 오존발생장치는 (주)한국오존텍 제품이며, 오존발생량은 0.5g/hr이다. 0.1ppm 이상의 오존은 인체에도 큰 독성이 있으므로 작업자가 작업을 하지 않는 시간에만 오존발생장치를 1시간 정도 가동하여 오존 농도를 측정하였다. 오존 농도는 휴대용 ozone detector(OX-TX 12, OLDHAM)를 사용하여 측정하였다. 식품 공장 내 부유 미생물의 측정은, PCA배지를 5분 동안 개방한 후 34℃에서 2~3일간 배양기에 배양하고 colony counter로 집락수를 계산하여 측정했다.
Fig. 2. UV 램프를 이용한 오존 발생기.
(①전원, ②안정기, ③공기, ④팬, ⑤UV 램프, ⑥오존과 공기).
Table. 3 오존수 발생장치.
발 생 량 |
14~16g/hr |
농 도 |
4.2wt% |
전 원 |
220V single |
소비전력 |
1.1kW |
산소요구량 |
4.5~5ℓ/min |
크 기 |
550×370×850 |
무 게 |
58kg |
나. 오존수를 이용한 지하수의 미생물 살균과 채소의 부착 세균 살균
오존수 발생장치((주)오조네이처, Table 3)를 물탱크(5ton)에 연결하여 1시간 가동한 후 오존수 농도를 측정하였다. 용존 오존의 농도는 indigo colormetric method를 이용하였으며 이 방법은 다음과 같다. 먼저 100㎖ 용량 플라스크에 indigo 시약 10㎖를 투입하고 오존수로 100㎖를 정량 했다. 이를 600nm에서 분광광도계로 측정하여 다음 계산식에 의하여 산출하였다14).
오존수를 이용한 비빔밥 재료의 부착 세균 살균 실험을 위한 재료로는 시중에서 판매하는 무와 콩나물을 사용하였다. 오존수 처리 전 준비된 채소들을 일반지하수에 수세하고 비빔밥 재료에 맞게 잘게 썰었다. 그리고 이것을 오존수에 5분, 10분, 15분간 세척한 후 각각에 대해 5g의 sample을 채취하였다. 채취된 시료에 45g의 생리식염수를 넣고 잘게 분쇄, 균질화시켰다. 균질화 된 시료 100㎕를 PCA 배지에 plating 하고 34℃ 배양기에 2~3일간 배양시켜 colony counter로 집락수를 계산하였다.
4. 결과 및 고찰
가. 오존을 이용한 식품 공장 내 부유 미생물 살균
Fig. 3은 오존발생기를 50분 동한 가동한 후 공장 내의 오존 농도 변화를 나타낸 그래프이다. 오존 발생기의 50분 가동으로도 0.3ppm 이상의 고농도를 얻을 수 있었으며, 가동을 멈춘 후 3시간 이상이 지나야만 작업 가능한 농도에 도달함을 알 수 있었다. 오존 발생기 가동 후 공기 중 부유 미생물은 관찰되지 않았다. 이는 아직 가동 전 공장이라 사람의 접근이 적고 공기 정화 시설이 잘되어 있어 공기 중 부유 미생물이 적었으며, 오존에 의해 완전한 살균이 이루어졌기 때문이라 여겨진다.
Fig. 3. 오존발생장치를 50분 동한 가동한 후 공기 중 오존농도의 변화.
나. 오존수를 이용한 지하수의 미생물 살균과 채소의 부착 세균 살균
오존수 발생장치는 고농도와 저농도로 운전할 수 있었는데 저농도 운전에 대한 오존수 농도 변화를 Fig. 4에 나타내었다. 오존수 발생장치를 1시간 동한 가동한 후 시간에 따른 용존 오존농도 변화를 나타낸 것이다.고농도로 오존수 발생장치를 가동한 경우 수중 오존 농도는 0.6~0.7ppm을 유지하였고, 저 농도의 경우는 0.5~0.6ppm 농도를 유지하였다.
일반 지하수를 오존수로 살균하였을 때 미생물의 감소정도를 알아보았다. 일반 지하수에서는 210cfu/ml의 균이 관찰되었으며, 오존수로 살균한 지하수에는 균이 나타나지 않았다(Table 4). 또 무와 콩나물을 오존수로 수세시간을 달리하여 부착세균의 살균 정도를 실험하였다. 실험 결과 Fig. 5에서 보여주는 바와 같이 오존처리 시간이 길수록 미생물이 전반적으로 감소하는 경향을 나타냈다. 무의 경우 오존수 농도 0.773ppm에서 15분 처리하였을 경우 대조구 36×102에서 10.9×102로 약 70%의 감소율을 나타냈고, 콩나물은 오존수 농도 0.320ppm에서 61×105에서 19×105으로 69%의 감소율을 보였다.
Fig. 4. 저농도로 오존수 발생장치를 1시간 가동한 후 오존수 농도 변화.
Table 4. 일반지하수와 오존수의 미생물 수
|
미생물 수(cfu/ml) |
일반지하수 |
210 |
오존수 |
0 |
Fig. 5.무와 콩나물에 대한 오존수 처리 효과.
5. 결론
오존은 살균력이 크고, 2차 오염물질을 남기지 않는다는 장점 때문에 그 사용이 넓다. 이번 실험은 오존을 저장식품 원재료의 초기균 살균에 이용하고, 또한 작업장 내에 오존발생장치를 달아 무균 상태가 되도록 하여 식품의 저장기간을 연장하는데 있다. 실험결과 오존수로 수세한 무와 콩나물이 일반 지하수로 수세한 것보다 70%에 가까운 살균율을 보였으며, 오존발생장치를 설치 한 작업장 내에 균이 발견되지 않았다. (주)고려자연식품에서는 포장용 전주비빔밥을 시판중이며, 오존발생기를 공장 내 공기 정화에 이용하고 비빔밥의 주재료인 채소의 살균에 오존수를 이용하고 있다(Fig. 6).
Fig. 6. 포장용 전주 비빔밥.
감사의 글
본 연구는 2000년도(제8차) 산학연 공동기술개발 전북지역 컨소시엄의 수행에 의한 연구결과이며, 이에 감사 드립니다.
참고문헌
1. 김윤정, “수삼저장을 위한 오존 전처리에 관한 연구”, 서울대학교 석사학위논문, 1995
2. 최해연, “오존을 이용한 냉장식품의 저장성 향상에 관한 연구”, 숙명여자대학교 석사학위논문, 1999
3. 稻毛 正治, 食品の安定性と オゾン熏蒸システム(1996), 化學工學會誌, 3月号, 61-62.
4. 內藤 茂三, オゾンによる食品工場環境の殺菌(1999), 月刊フードケミカル, pp. 46-53.
5. 橫關 正直, オゾンによる環境消毒の一, 二例(1995), クリーンテクノロ誌, 11, 55-59.
6. N. K. Hunt, B. J. Marinas, Kinetics of Escherichia coli inactivation with ozone(1997), Wat. Res. 31, pp. 1355-1362.
7. W. J. Kowalski, W. P. Bahnfleth, and T.S Whittam, Bactericidal effect of high airborne ozone concentrations on Escherichia coli and Staphylococcus aureus(1998), OZONE SCIENCE & ENGINEERING, 20, pp. 205-221.
8. 김광영, 식품산업에의 오존의 이용(Ⅰ)(1993), 식품기술, 6, pp. 85-91.
9. 강혜진, “오존에 의한 미생물 살균효과에 관한 연구”, 한양대학교, 1995
10. 藤田 恭生, 小林 悟朗, 紫外線式オゾン脫臭器『エアプロデュースデ』(1998), 建設設備と配管工事, pp. 52-55.
11. 강천수, 송현직외 4명, Lamp형 오존발생기에 관한 연구(1995), 한국조명․전기설비학회, pp. 25-28.
12. 김상구, 송현직외 4명, Lamp형 오존발생기의 試作 및 特性에 관한 연구(1996), 한국조명․전기설비학회, pp. 62-71.
13. http://www.ozonature.com
14. 문준식, “오존처리가 어묵의 오염미생물 제거 및 저장성에 미치는 영향, 경상대학교 석사학위논문, 1998
▶ 원문 : http://www.daegu.go.kr/file/ANNOUNCE-01630/upload/전북대학교-정봉우(논문).hwp
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