식품과 관련된 미생물 특히 박테리아는 완전히 다른 두 가지 분류로 나눈다. 한 가지는 병원성균으로 식중독과 같은 질병을 일으키는 균이며, 또 다른 한 가지 부류는 부패균으로 식품의 부패를 일으켜 불쾌한 냄새, 맛의 변화, 질감 등에 변화를 가져오는 것이다.

최상의 식품 보존방법은 신선도를 유지하면서 이러한 미생물의 증식을 최대한 억제시키는 것이다. 이러한 보존방법을 달성하는데 사용되는 기술이 허들기술(Hurdle Technology)이다. 이것은 마치 육상 100미터 허들경기와 같다. 허들이 많을수록 골인지점에 도달하는데 걸리는 시간이 길어지는 것과 마찬가지로 미생물의 증식에 장애가 되는 다양한 환경들을 식품 내에 조성함으로써 이들의 증식을 최대한 늦추는 방법이다. 이러한 허들은 상호간 상승작용을 나타낸다. 예를 들어 하나의 허들효과를 10이라하고 또 다른 허들의 효과를 15라 가정해 보자. 그러면 이들 두 가지 허들을 함께 사용할 경우 허들의 효과는 산술적 덧셈인 10+15의 25가 되는 것이 아니라 상승효과를 나타내 25보다 훨씬 높은 효과를 나타낸다는 것이다. 이로써 식품의 보존기간을 효율적으로 연장할 수 있으며 또한 식품의 신선도도 최대한 유지할 수 있는 것이다. 

 식품과 관련된 대부분의 박테리아는 중온성(mesophiles)으로 25℃에서 40℃에서 성장 및 증식을 하며 최적의 온도는 대부분의 경우 37℃이다. 이는 아마도 동물의 신체에서 성장 및 증식을 하기 위해 진화를 통해 동물의 체온과 같아진 것으로 추정된다. 이러한 최적의 온도를 포함한 최적의 조건에서 대장균과 같은 박테리아의 경우는 2배로 증식하는데 20분 밖에 걸리지 않아 온도는 미생물 번식과 매우 밀접한 관계가 있다.

미생물이 활발히 증식할 수 있는 온도범위를 “위험온도 범위(Danger Zoen)”라 하며 대략 15℃~52℃가 이에 속한다. 예를 들어 바실러스 세레우스는 토양세균의 일종으로 자연계에 널리 분포하므로 농작물을 비롯한 대부분의 식품에 오염되어 있다. 따라서 거의 모든 종류의 식품이 B. cereus 식중독과 연관이 있다고 할 수 있으며 이 균은 산소 조건에서 잘 증식하는 호기성 세균으로 7～49℃에서 발육하며, 최적온도는 28～35℃, 위험온도 범위는 15℃~43℃이다.

식품 특히 육류 관련 병원성 미생물의 경우는 위험온도 범위를 4℃~60℃로 보다 폭넓게 규정하고 있다. 5℃~15℃에서는 많은 박테리아가 생존하며 일부는 증식을 한다. 0℃~5℃는 냉장온도로 식품에 부패를 일으키는 박테리아들이 매우 느리게 성장하며 극히 몇몇 병원성 박테리아의 경우도 느리게 성장할 수 있다. 0℃ 이하의 온도에서는 거의 모든 박테리아가 대사작용이 멈춰 성장이나 증식을 멈추게 된다. 대장균의 경우는 이러한 온도에서 대사작용이 비활성화되어 증식을 할 수 없다.

 따라서 미생물 증식이 염려되는 식품들은 5℃ 이하나 60℃ 이상에서 보관하는 것이 안전하다. 미국의 경우 냉장고 고장이나 전기공급 중단 등으로 냉장고가 2시간 이상 정상 가동하지 못해 4℃를 2시간 이상 유지하지 못할 경우에는 식품 섭취를 금지하며, 영국의 경우는 8℃ 이하나 63℃ 이상에서의 보관을 요구하며 이러한 온도를 유지하지 못할 경우 4시간 이내에 판매되거나 소진시켜야 한다. 식품을 가열한 후 냉각시킬 때에는 최대한 빠르게 5℃ 이하로 도달하게 해야 하며, 60℃에서 21℃까지 식히는 경우는 최대 2시간 이내로, 21℃에서 5℃로 식히는 데에는 최대 4시간을 넘겨서는 안된다. 또한 식힌 음식을 덮일 때에는 최대한 빠른 시간 안에 60℃에 이르게 해야 하며 이는 2시간 안에 이루어져야 한다.

 세균의 성장을 늦추는 것 이외에 사멸시킬 수도 있다. 열처리에 의한 살균방법으로는 65도에서 30분간, 70~80도에서 15분 정도 처리하는 것이다. 그러나 다른 허들을 하나이상 같이 사용하면 살균온도를 줄이거나 시간을 단축할 있다.

수분활성도(Aw)

 일정한 온도와 시간 동안 순수 물(pure water)의 부분 증기압력을 ‘1’이라 하고 이에 비교해 특정 식품내 수분의 부분 증기압력의 정도를 나타내는 것이 수분활성도이다. 식품내 수분은 두 가지 종류가 있다. 결합수(bound water)와 자유수(free water)다. 이 중 미생물이 사용할 수 있는 수분이 자유수이며 자유수의 정도를 지표로 나타낸 것이 수분활성도다. 즉, 미생물의 증식은 식품내에 존재하는 수분 함량에 의해 결정되는 것이 아니라 자유수의 함량에 의해 결정된다. 즉, 높은 수분활성도가 미생물의 성장 및 증식을 돕는다. 수분활성도의 예를 보면 순수 물의 경우 1.0, 수돗물 0.99, 우유나 주스 0.97, 포화 소금물 0.75, 건조시킨 과일 0.6, 실내공기 0.5~0.7이다. 박테리아의 경우 수분활성도가 0.91이상 조건, 곰팡이의 경우는 수분활성도가 0.7이상에서 최적의 성장과 증식을 할 수 있어 곰팡이는 박테리아보다 건조한 조건에서도 증식이 가능하며, 수분활성도가 0.5이하에서는 모든 미생물이 사멸하게 된다. 살모넬라 식중독균의 경우 성장 및 증식을 위한 수분활성도는 0.93이상이며, 대장균의 경우는 0.95이상이며 이들의 증식을 억제할 수 있는 수분활성도는 0.8이하다. 수분활성도가 낮을 경우 미생물은 증식을 멈추게 되며 즉시 사멸되지 않고 이들을 사멸시키기 위해서는 시간을 필요로 한다.

수소이온농도(pH)

 식품보존에 있어 가장 대표적인 허들 중 하나로 가장 널리 사용되고 있다.

 식품과 관련된 박테리아의 대부분은 호중성(neutrophils)으로 생존 가능한 pH는 4.0~10.0이며 pH 5.5~8.5에서는 성장 및 증식을 하며 pH 6.5~7.5가 최적의 조건이다. 예를 들어 살모넬라 균의 경우 적정 pH는 7.0~7.5이며 생존 가능한 pH는 4.2 이상이다. 식품 중 pH가 4.5 이하이면 비교적 미생물로부터 안전하다고 볼 수 있으며 pH가 4.5 이상이면 미생물의 번식에 매우 취약하다고 볼 수 있다.

 곰팡이의 경우는 보다 넓은 범위의 pH에서 생존 가능하나 pH5.0~6.0인 약산성 조건에서 가장 번성할 수 있다.

 식품의 pH를 낮추는 방법은 유기산 등을 넣어 pH를 낮추는 것으로 이에 대한 실제적이며 자세한 내용은 뒤에서 언급할 예정이다.

산화환원전위(redox potential)

화학반응에서 전자를 주는지, 받는지에 대한 용어이다. 그러나 식품보전과 관련해서는 미생물이 산소를 사용할 수 있는지 없는지의 여부라 보면 된다. 즉 산소를 제거하면 산화환원전위를 낮추게 된다는 의미로 즉 미생물의 증식을 억제할 수 있다는 것이다.

 곰팡이의 경우 산소를 제거하면 생장을 멈추고 포자를 생성한다. 박테리아의 경우는 산소를 제거할 경우 편성호기성균(strict aerobic bacteria)은 생존이 불가능해 사멸하거나 포자를 생성한다. 한편 통성혐기성균(facultative bacteria)은 산소가 존재하는 경우 자신이 섭취한 영양성분으로부터 가장 효율적으로 에너지를 생산할 수 있으나 산소가 없는 상태에서는 영양성분으로부터 에너지를 효율적으로 생산할 수 밖에 없어 생장 및 증식이 더디게 된다. 산소의 이러한 효율성으로 인해 고생대에 지구에 산소가 축적되었을 때 바다에서 이를 이용하는 다양한 생물체들이 급격히 늘어났으며 이것이 바로 캄브리아기 대폭발(cambrian explosion)이다.

 산소를 제거하는 방법에는 포장내 공기를 제거하여 진공으로 만드는 방법, 이산화탄소나 질소 가스를 넣는 방법, 공기가 존재하는 상태에서 탈산소제를 넣는 방법 등이 있다.

진공포장방법은 식품의 형태를 심하게 망가뜨릴 수 있어 잘 사용되지 않는 방법이며, 질소나 이산화탄소 가스를 공기 대신 충진하는 방법은 가장 많이 사용되고 있으나 설비를 요하는 것으로 많은 비용을 요구해 본론에서는 제외한다.

일반적으로 산소를 제거하는 방법으로 사용되는 탈산소제는 주성분이 철분으로 산소와의 결합력이 매우 강해 쉽게 식품 포장내의 산소를 제거할 수 있다. 철분은 산소와의 결합력이 매우 강하다. 우리가 호흡하는 공기 중 산소도 혈액내 헤모글로빈의 철 성분과 결합해서 체내 필요한 조직에 공급하는 것이다. 지구 초기에 남조류(cyanobacteria)에 의해 생성된 산소도 바다에 녹아있던 철 성분과 제일 먼저 결합했다. 산소와 결합한 철은 산화철이 되어 해저에 쌓이게 되었으며 이것이 오늘날의 철광산이다. 따라서 제품 포장내에 충분한 탈산소제를 넣어 주는 것이 바람직하다.

산소가 없는 상태에서만 살아갈 수 있는 편성혐기성균도 있다. 편성혐기성균으로는 클로스트리디움 보툴리눔균(Clostridium botulinum)이 대표적이며 통조림에서 문제를 일으키기도 한다. 이 박테리아가 생산하는 보툴리눔균의 독소가 보톡스로 사람에게 있어 근육을 마비 또는 수축시키며, 이것을 다량으로 희석해 사용하는 것이 미용에 쓰이는 보톡스 주사다.

식품보존제는 multitarget preservation의 대표적 예로 아래의 설명에서 기술한다.

이제 이러한 허들들을 실제적으로 적용하는 방법을 살펴본다.

곰팡이

곰팡이는 박테리아에 비해 적은 수분이나 높은 산도에서도 증식이 가능해 억제하기가 힘들다. 그러나 곰팡이는 유기호흡을 하는 생물체로서 성장 및 증식에는 반드시 산소가 필요하다. 즉 산화환원전위의 허들을 사용하는 것이다. 산소 제거방법은 비교적 간단하다. 시중에 탈산소제가 판매되고 있다. 이들의 성분은 쇳가루로서 제품포장 내의 공기에 존재하는 산소와 결합해 녹슨 철로 변한다. 따라서 제품 포장 내에 곰팡이가 사용할 수 있는 산소를 최소화하게 된다. 그러므로 포장지는 공기에 대해 불투과성인 것이 좋으며 포장 시에는 최대한 공기를 줄여 공기 내에 존재하는 산소의 양을 최소화해야 한다. 그래야 탈산소제에 존재하는 철 성분들이 산소를 완벽하게 제거할 수 있다.

박테리아

박테리아를 포함한 미생물의 번식이나 생존을 억제하기 위해서는 그들에게 매우 불리한 환경을 만들어주는 것이 필요하다. 이러한 환경을 만드는 데에는 장애물 기술(hurdle technology)과 관련해 최소 4가지 방법이 알려져 있다. 이러한 4가지 방법은 박테리아와 관련해 항상성 유지(homeostasis), 대사적 고갈상태(metabolic exhaustion), 스트레스 반응(stress reaction), 다양한 식품보존제를 활용한 다방향 공격법(multitarget preservation)을 들 수 있다.

항상성 유지(Homeostasis)

미생물들을 포함한 모든 생물체들은 세포내 혹은 생물체 내에서 항상성을 유지해야 한다. 인간이 일정하게 체온을 유지해야 하는 것도 항성성의 일종이다. 미생물과 관련하여 대표적인 항상성은 세포내 수소이온농도(pH)를 일정하게 유지하는 것이다. 이러한 미생물의 항상성 유지를 파괴하는 방법들은 바로 허들(hurdle)을 사용하는 것이다. 이에 대한 좀 더 자세한 것은 대사적 고갈상태(metabolic exhaustion)에서 언급한다.

대사적 고갈상태(Metabolic exhaustion)

대부분의 미생물들은 좁은 pH범위에서 활발한 성장 및 증식을 한다. 그러나 이들은 보다 넓은 범위의 pH에서 생존이 가능하다. 예를 들어 대장균의 최적 pH는 6.0~7.0이지만 pH4.4~9.0에서 생존이 가능하다.

 일반적으로 식품내 pH는 4.6이하로 유지하는 것이 미생물의 증식을 줄일 수 있는 경계선이며, pH4.2 이하로 유지하는 바람직하다. 식품에 유기산 등을 첨가하여 수소이온농도가 높아지면 이들 수소이온은 미생물로 침투하게 된다. 이는 미생물 세포내 수소이온농도를 증가시켜 항상성을 무너뜨리게 된다. 이는 미생물 세포에서 일어나는 다양한 대사작용을 방해하여 미생물의 성장을 멈추거나 궁극적으로 사멸하게 된다. 따라서 미생물들은 세포내 일정한 수소이온농도를 유지하기 위하여 침투된 수소이온을 밖으로 내보내게 된다. 이때 미생물들은 이들 수소이온을 내보내기 위해 많은 에너지(ATP)를 사용하게 된다. 이는 결국 자신의 대사작용이나 증식에 사용되어야 할 에너지를 외부로부터 침입한 수소이온을 내보내는데 쓰게 돼 자신이 쓸 수 있는 에너지가 감소하거나 완전히 소진하게 된다. 자신이 쓸 수 있는 에너지가 크게 감소하면 미생물은 성장이나 증식을 거의 멈추게 되며, 에너지를 완전히 소진해 대사적 고갈상태가 되면 사멸하게 된다. 따라서 식품내 수소이온농도를 최대로 높이면 식품의 신선도를 유지하는데 도움이 된다.

 유기산은 식품제조과정에서 식품의 보존과 맛의 향상을 위해 거의 모든 식품에 첨가된다. 따라서 식품의 보존 측면에서 유기산의 활용법에 대해 좀더 살펴보자.

유기산들은 이와 같은 수소이온농도를 높여 미생물 세포내로 수소이온을 침투시킬 뿐만 아니라 미생물의 세포막에 손상을 가해 세포막에서 일어나는 물질의 운송체계(membrane transport system)를 망가뜨리게 하거나 세포막 손상이 너무 커서 세포내 내용물이 밖으로 나오게 돼 사멸하게 된다. 사멸이 되지 않은 경우에도 transport system 손상은 세포내로 흡수되는 물질들의 엄격한 선별 작업이 망가지게 되어 원치 않는 물질들도 자유롭게 침투하게 된다. 이는 곧 식품보존제와 같은 다른 허들이 미생물 세포내로 침투하는 것을 용이하게 하여 미생물을 보다 쉽게 사멸시킬 수 있다. 즉, 허들의 상승작용이 일어나는 것이다.

미생물에 살균작용을 갖는 유기산(일반적 화학식 R-COOH)들의 pKa 값은3~5의 범위에 있다. pKa값이란 유기산이 해리상태(dissociated form)인 R-COO-와H+의 상태가 50%, 미해리상태(undissociated form)인R-COOH가 50%의 상태가 유지되는 pH를 일컫는다. 여기에서 해리된 수소이온은 위에서 언급한 대로 세포내로 침투해 미생물을 힘들게 한다. 그러나 수소이온의 세포내 침투는 그리 용이하지 않다. 이유는 미생물 세포막에 존재하는 transport system 때문이다. Gate와 channel로 구성된 transport system은 미생물이 필요로 하는 영양분이나 미량원소 등 자신의 성장과 증식에 필요로 하는 물질만을 엄격하게 선별해 세포내로 출입시키기 때문이다. 세포내 출입을 결정하는 지표들에는 분자의 크기나 모양, 전하(charge) 등 다양한 조건을 충족시켜야 한다. 따라서 수소이온과 같이 이온화된 상태의 분자가 크기가 작다 할지라도 세포막을 침투하기가 용이하지 않다. 여기에서의 전략은 비이온화 상태, 즉 미해리상태의 유기산을 미생물 세포내로 침투시킨 후 세포내에서 해리시켜 수소이온을 생성케 하는 것이다. 비이온화 상태의 유기산은 전하가 없어 소수성의 특성을 갖게 되며 따라서 보다 쉽게 세포막 내로 침투가 가능하다. 이를 위해서는 식품내 pH를 pKa 와 같거나 그 이하로 유지시키는 것이다.

셋째는 유기산들을 한 종류 이상 혼합해 사용하는 것이다. 한 종류의 유기산을 다량 사용하는 것, 즉 허들을 높이 쌓는 것보다는 여러 종류의 유기산들을 소량씩 혼합 사용하여 허들의 수를 늘리는 것이 훨씬 더 효과적이다. 이는 실제 유기산 각각이 미생물에 대해 작용하는 기작들이 다소 상이하기 때문이다. 이들 유기산들의 기작이 각각 왜 다른지는 연구가 되고 있지 못하다. 단지 유기산들을 혼합할 경우 효과가 더 좋기 때문에 유추할 수 있는 것이다. 연구가 되지 않는 이유는 간단하다. 꼭 필요하지 않기 때문이다. 인간을 위협하는 병원 미생물에 대한 항생제 개발만큼 절실하지 않기 때문이다. 이밖에 해리된 형태(R-COO-)의 유기산은 미생물의 DNA 합성을 방해해 또 다른 형태의 허들로 작용한다.

pH를 낮추는 산과 pH는 낮지 않으나 살균력을 갖는 유기산들을 혼합 사용하는 것이다. 이것이 실제로 사용되고 있는 것이다. 신맛을 증가시키지 않으면서 낮은 pH 즉, 높은 수소이온농도를 유지하는 것이 각 식품회사의 노우하우다. 여기에 유기산염들을 첨가하는 경우도 많다. 유기산염들의 조합만으로도 충분한 살균력을 낼 수 있다는 논문발표들이 많다. 이들 유기산염들의 살균기작은 알려지지 않다. 이들 유기산염들도 다양한 유기산염들을 소량씩 혼합하면 효과를 극대화 할 수 있다.

그러나 이들 유기산을 너무 많이 첨가하면 즉, 너무 높게 허들을 만들면 부작용도 있다. 밀가루를 사용하는 제품 특히 면류의 경우는 변성을 가져와 끈기가 줄어들어 현장에서는 삭는다는 표현을 쓴다. 다양한 허들들을 사용하는 것이 식품의 물리화학적 변화를 유도하지 않고 신선도를 유지하는 최선의 방법이다.

스트레스 반응(Stress Reactions)

 박테리아의 대응방법으로는 이러한 허들공격에 대응하여 자신들을 보호하는 단백질을 생산하는데 이를 Protective Stress Shock Proteins라 한다. 이러한 자신 보호단백질은 다양한 종류들이 있어 적재적소에 적합한 보호단백질을 생성해 대응한다. 이들이 이러한 자신 보호단백질을 생성할 경우 이들은 허들에 대한 저항성이 커지거나 심지어 병원성을 증가시키기도 한다.

 박테리아의 자신 보호단백질 생성을 유도하는 허들에는 열처리, 수소이온농도, 수분활성도, 주정알콜 같은 에탄올, 산소와 같은 산화유발화합물, 영양물질공급중단(starvation) 등등 다양하다.

이러한 자신 보호단백질을 생성할 경우 박테리아는 허들에 대한 저항성이 높아지거나 심지어 병원성이 증가하기도 한다. 또한 한가지 허들에 대한 저항성 증가는 다른 허들에 대한 저항성도 함께 증가시킬 수 있다(Cross-Tolerance). 예를 들어 유기산에 대응하여 박테리아는 자신 보호단백질을 생성하여 유기산에 대한 저항성을 증가시킬 수 있다. 유기산에 의한 박테리아의 대사적 고갈상태 유도방법은 많은 시간을 요한다. 유기산을 과량 첨가할 경우 박테리아는 대사적 고갈상태에 이르러 사멸하게 되는데 이에 요구되는 시간은 대략 6~8시간으로 매우 길다. 따라서 일부 박테리아들은 이러한 긴 시간 동안 충분한 보호단백질을 생성하여 사멸하지 않고 생존할 수 있다. 문제는 이러한 유기산에 대한 저항성을 획득한 박테리아는 열처리와 같은 다른 허들에 대해서도 높은 저항성을 얻게 된다는 것이다. 이러한 박테리아의 예로는 대장균O157:H7, 살모넬라, 리스테리아 등이 보고되고 있다. 열처리 또한 유기산에 대한 저항성을 증가시키게 된다. 이러한 유기산과 열처리에 대한 상호 저항성의 증가가 가장 문제가 되는 분야 중 하나가 오랜지 주스 같은 음료산업이다. 따라서 주스 생산시에는 일반적으로 요구되는 살균온도와 시간보다 훨씬 높은 온도와 긴 시간 동안 처리하게 된다.

 또 다른 예로는 온도 허들에 대해 병원성을 증가시키는 것으로 가장 대표적 예가 식중독 유발세균인 리스테리라균이다. 리스테리아균은 식품을 냉장보관, 유통할 경우 시간경과에 따라 증식할 뿐만 아니라 독성이 증가하게 된다. 저온이라는 허들에 대한 반응으로 독성을 증가시키는 것이다. 따라서 가열처리 하지 않은 육류를 함유하는 식품의 경우 냉장상태의 장기보관을 절대로 안심해서는 안된다.

 이러한 박테리아의 자신을 보호하는 단백질을 생산함으로써 허들을 무력화시키는 것에 대한 식품생산자의 전략은 무엇일까? 가급적 많은 종류의 허들을 동시에 설치(많은 허들을 가지고 있는 신명의 올사이드나 프리올과 같은 제품)하는 것이다. 각각 설치된 하나 하나의 허들에 대해 박테리아는 이에 대응해 각기 다른 자신 보호단백질들을 생성하려 할 것이다. 그러나 허들의 종류가 다양할 경우 이러한 허들을 감당할 만큼 다양한 많은 자신 보호단백질을 생성하기 위해서는 자신이 가지고 있는 모든 영양물질과 에너지원을 사용해야 한다. 이는 박테리아 자신의 대사고갈 상태에 이르게 돼 결국 사멸하게 된다. 이와 같이 다양한 허들을 동시에 사용하는 전략을 Multitarget Presservation이라 한다.

Multitarget Preservation

결론적으로 말해 효과적인 식품 보존방법으로는 지금까지 기술한 허들들로만은 부족하다는 것이다. 더 다양한 허들들이 존재해야만 효과적인 식품보존이 가능하다는 것이다. 다른 다양한 허들들로는 식품첨가물 보존제들을 들 수 있다. 식품보존제를 사용시에는 어떤 한 종류의 보존제를 다량으로 사용하는 것은 피해야 한다. 앞에서 언급한 허들들과 마찬가지로 어느 한 종류의 보존제를 다량 첨가하는 것은 식품의 신선도나 품질에 영향을 줄 수 있을 뿐만 아니라 미생물을 제어하는 데에도 효과적이지 못하다. 즉 한가지 허들을 중점적으로 사용한다는 것은 한 개의 허들 높이를 높이는 것이다. 박테리아는 높이 뛸 수 있다. 박테리아의 높이뛰기 능력은 균수로 대변된다. 즉, 식품내 균수가 많을수록 높이 뛸 수 있어 높은 허들을 용이하게 넘어가 식품의 변질, 부패를 가져올 수 있다는 것이다.

 식품첨가물 보존제는 제품의 특성에 따라 달리 하는 것이 바람직하다. 즉, 식품내의 단백질이나 지방함량에 따라 보존효과가 다를 수 있다.

 또한, 모든 보존제/살균제는 각각 좀 더 효과적으로 사멸시키는 미생물군이 따로 있다. 어떠한 살균제도 모든 미생물에 대해 동일한 살균효과를 가질 수는 없다. 어떤 살균제는 그람음성균(세포벽이 두꺼운 균)에 대해 좀 더 효과적인 살균작용을 나타내고 반대로 어떤 살균제는 그람양성균(세포벽이 얇은 균)에 대해 좀 더 효과적인 살균작용을 나타낸다.

 대부분의 보존제/살균제들은 미생물의 다른 부위들(targets)을 공격하며, 하나 이상의 부위를 공격하는 살균제도 있다. 주된 공격부위는 미생물의 세포막으로 세포막에 균열을 내거나(leaky)거나 파괴(disrupt)해 죽인다. 이 밖에도 살균제는 미생물의 효소나 단백질의 변성이나 합성억제, DNA의 합성을 방해해 사멸시킨다.

 식품첨가물 보존제와 유사한 전략을 구사하는 살균제로는 결핵치료제와 에이즈치료제를 들 수 있다. 이들은 결핵균이나 에이즈 바이러스를 죽이는 살균제들을 다양하게 섞어 조제한다. 이들 미생물이 어떤 한 종류의 살균제에 돌연변이를 일으켜 생존할 경우라도 다른 살균제들이 존재해 이들 살균제 모두에게 돌연변이를 일으켜 생존할 수 있는 가능성은 낮기 때문이다. 이러한 치료법을 칵테일 요법이라 한다. 물론 후에는 다재내성을 보이는 경우도 있으나 이는 다른 유전자(MDR: Multi Drug Resistance)의 작용에서 오는 것으로 대표적 예가 슈퍼박테리아가 여기에 속하나 본 내용에서는 언급하지 않는다.

 지금부터 식품첨가물 보존제에 대한 설명은 신명 자사 제품을 예로 설명한다.

주정알코올

주정알코올을 최초로 증류를 통해 분리해 낸 사람은 8세기 중엽 이슬람의 화학자 아부 유수프 야쿱 이븐이며 알코올(Al Kulhul)이라 명명한 사람은 또 다른 이슬람 화학자 자비르 이븐 하이얀이다. 알코올에서 알(Al)은 관사다. 알의 가장 대표적 예는 알라(Allah)다. Al은 관사 Lah는 신이다. 그래서 알라는 유일무이한 신이라는 뜻이 된다. 이와 같은 증류기술은 십자군 전쟁 동안 유럽인에게 전해져서 위스키와 같은 증류주의 발전을 가져왔으며, 몽골은 세계정복과정에서 이러한 기술을 익혔다. 몽골의 쿠빌라이 정권이 고려를 침입, 예속화시키는 과정에서 고려에 증류기술이 전수되었다. 당시 몽골부대가 주둔하고 있던 곳 중 하나가 안동이다. 그래서 안동소주가 탄생하게 된 것이다. 현재 우리가 즐겨먹는 소주도 여기에서 기인한다.

 식품첨가물 보존제의 가장 대표적 예로 주정알코올을 들 수 있다. 에탄올인 주정알코올은 곰팡이균과 구균 박테리아에 보다 높은 살균작용을 나타낸다. 구균 박테리아는 박테리아의 모양이 공처럼 둥근형태라 구균이라 하며 대표적 구균으로는 황색포도상구균, 폐렴구균 등이 있다. 이러한 구균들은 주로 그람양성균으로 병원성을 가지고 있다.

 주정알콜의 화학적 구조는 물과 매우 유사하다. 따라서 미생물 세포내 침투가 다른 물질에 비해 용이하다. 세포내로 침투한 알코올은 효소와 같은 단백질을 변성(denaturation)시켜 세포내 대사과정을 멈추게 해 사멸시킨다. 또한 알코올은 인지질(Phospholipid)이 주성분인 세포막을 공격하게 된다. 이는 알코올이 친수성 뿐만 아니라 소수성 특징을 가지고 있어 지방성분에 대해 용해능력(solvent)이 있기 때문이다. 세포막을 공격해 세포막에 균열을 일으켜 세포내 물질들이 세포밖으로 배출시켜 죽이거나 다른 보존제의 세포내 침투를 용이하게 해준다. 이러한 주정알콜을 포함하고 있는 신명 제품으로는 프리올I(밀가루를 주원료로 사용하는 식품에 적용), 올사이드I(다양한 식품에 적용), 씨앰올I(기구등 살균소독제/산도조절제), 햅스세니솔(다양한 식품표면에 적용) 등이 있다.

 우리는 여러 가지 발효 주를 담근다. 그럼 이런 술의 농도는 어디까지 갈까? 발효 주는 대략 도수 15도를 넘지 못한다. 알코올 15% 이상에서는 효모를 비롯한 모든 미생물이 생존할 수 없다. 막걸리도, 포도주도, 맥주도 15도를 넘을 수 없다. 15도를 넘는 술은 모두 증류주다. 발효 주를 증류과정을 거쳐 농축시킨 후 물을 혼합해 만든다. 대표적인 술이 소주다. 순한 소주의 전쟁은 15도 안팎에서 멈추게 된다. 또한 우리는 담금 주 목적으로 판매되는 높은 도수의 술에 여러 가지 재료를 넣어 담금 주를 만든다. 가장 대표적인 것이 인삼주다. 그럼 얼마나 많은 인삼을 넣을 수 있을까? 인삼을 술에 넣은 후 술의 최종 알코올농도가 절대로 15도 이하로 떨어져서는 안된다. 미생물이 번식할 수 있기 때문이다. 즉 상하게 된다.

지방산에스테르(Fatty Acid Ester)

지방산에 글리세롤과 같은 알코올(화학적으로 -OH기를 갖는 화학물질)을 결합한 것을 일컫는다. 신명은 자당지방산에스테르를 사용한다. 자당은 글리세롤과 마찬가지로 -OH기를 갖는 알코올이다. 여기에서는 지방산에 집중할 필요가 있다. 지방산들은 종류에 따라 살균작용을 갖는 것들이 있다. 살균작용을 결정하는 것이 지방산을 이루는 탄소골격내 탄소의 숫자(길이)다. 최상의 살균작용을 갖는 탄소길이를 갖는 지방산의 선택이 필수적이다. 여기서 정확한 탄소 길이(숫자)는 형편상 비밀로 한다. 지방산들은 그람음성균이나 그람양성균의 차이없이 비교적 고른 살균력을 나타낸다. 살균력을 나타내는 기작은 지방산들은 소수성(hydrophobic, fat-loving)의 화학적 특성을 가져 미생물 세포막이나 세포벽을 주로 공격하게 된다. 미생물의 세포막이나 세포벽의 구성성분은 미생물 종류에 따라 차이를 나타낼 수 있다. 이는 미생물들의 소수성이 각각 다를 수 있다는 것이다. 이것에 대응하는 방법은 어떤 전략일까? 자당지방산에스테르의 경우는 친수성(hydrophilic, water-loving)을 갖는 자당의 숫자를 조정하는 것이다. 물론 자당(sucrose)이 한 개인 지방산에스테르가 주를 이루나 자당을 두 개, 세 개 붙여서 자당지방산에스테르가 갖는 소수성/친수성을 다양화하는 것이다. 이와 같이 소수성/친수성을 다양화해 다양한 박테리아를 공격할 수 있는 것이다. 신명이 사용하는 자당지방산에스테르는 이와 같은 것이다.

 지방산에스테르의 살균작용을 극대화하기 위해서는 고려할 사항이 있다. 지방산에스테르는 소수성이다. 그렇다면 박테리아를 가급적 소수성으로 만들면 보다 효과적으로 지방산에스테르의 공격이 용이할 것이다. 그렇다면 어떻게 하면 될까? 수소이온농도를 높이는 것이다. 산성의 조건에서 세포막의 인지질은 소수성을 최대한 갖게 된다. 그래서 신명의 프리올I은 식품내에서 지방산에스테르가 최적의 효과를 발휘하도록 산성조건을 갖추도록 조성되었다.

 지방산에스테를 포함하는 보존제는 지방 성분이 많은 식품에서는 잘 작용을 못할 수도 있다. 이유는 식품내 지방성분과 지방산에스테르가 서로 결합/반응할 수 있다는 것이다. 서로 소수성을 갖는 특성으로 인해 상호작용할 수 있으며 따라서 경우에 따라서는 지방산에스테르가 갖고 있는 고유의 살균작용을 효과적으로 발휘할 수 없을 수도 있다.

 따라서 지방산에스테르를 주성분 중 하나로 하는 신명의 프리올I은 상대적으로 지방 성분이 적은 밀가루나 쌀을 원료로 하는 제품(생면류, 빵류, 떡류) 등에서 제일 효과적으로 보존제의 역할을 한다고 판단된다. 프리올I 이외에도 자당지방산에스테르가 포함된 제품으로는 씨앰올I(기구등 살균소독제)가 있다.

 이러한 소수성/친수성의 다양화를 이용한 또 다른 제품이 있다. 신명의 대표적인 기구등의 살균소독제 포미다. 포미는 사급암모늄을 주원료로 하는 제품이다. 여기에서 소수성/친수성이 다른 사급암모늄들을 혼합 사용하는 것이다. 자당지방에스테르와는 달리 친수성을 갖는 사급암모늄 부문은 변화를 주지 않고 소수성을 갖는 탄화수소의 길이를 변화시켜 소수성을 점차적으로 늘려가는 것이다. 따라서 궁극적으로 다양한 친수성/소수성을 갖는 사급암모늄의 집단을 형성하게 되어 살균범위를 최대한 넓혔다고 할 수 있다.

비타민B1 라우릴황산염(Thiamine Dilaurylsulfate)

비타민B1과 같은 작용을 하여 영양강화제로 사용된다. 비타민B1 라우릴황산염은 음이온 계면활성제의 일종이다. 비타민B1라우릴황산염은 미생물에 침투 후 미생물효소들에 의해 비타민B1(thiamine)과 라우릴황산염(dilaurylsulfate)으로 분리된다. 분리된 라우릴황산염은 계면활성제 역할을 하면서 세포막의 지질을 파괴하여 세포를 사멸시키는 원리이다.

 비타민B1라우릴황산염의 특징은 소금의 존재하에서 살균력의 상승작용을 나타내며, 간장 등에서 번식하는 산막효모에 대해 높은 살균작용을 나타내는 독특한 특성을 지니고 있다. 보존제로서는 일본에서 개발돼 일본에서 폭넓게 사용되고 있는 보존제다. 물에는 거의 녹지 않는 단점을 가지고 있으나 유지류와는 잘 혼합된다.

 신명의 프리올I은 자당지방산에스테르와 비타민B1라우릴황산염을 주된 원료로 하고 있다. 비타민B1라우릴황산염의 단점인 물에 대한 매우 낮은 용해도를 기술적으로 해결하였다. 이는 식품에 적용시 식품 전체에 고르게 혼합될 수 있어 이들 성분이 갖는 보존효과를 극대화 할 수 있다.  신명제품으로는 프리올I이외에도 올사이드I(광범위한 식품보존제), 씨앰올I(기구등의 살균소독제 및 혼합제제)이 있다.

자몽종자추출물(Grape Seed Extract)

식물의 모든 종자들은 살균능력이 있다. 이러한 살균능력이 있어 봄까지 토양에서 부패하지 않고 견딜 수 있으며 토양 속에서 싹을 틔울 때 까지도 견딜 수 있는 것이다. 이런 살균능력이 강한 대표적 씨앗 중 하나가 자몽 씨앗(종자)이다. 자몽(grapefruit)의 원산지는 중국이며 grapefruit라는 이름은 네덜란드 단어 pompeon, 즉 big이라는 단어와, 자바어 limoes, 즉 lemon이라는 단어로부터 나왔다. 즉 big lemon, 커다란 레몬이라는 뜻이다.

 1979년 자몽씨앗이 퇴비더미 속에서도 썩지 않고 싱싱하게 보존되고 있다는 사실을 우연히 발견한 제이콥 하리쉬(Jacob Harich) 박사가 자몽씨앗을 부수어 추출한 물질이 뛰어난 살균력을 가지고 있다는 것을 발견함으로써 알려지기 시작했다.

 자몽종자추출물은 양이온 계면활성제로서 바이러스, 박테리아, 곰팡이 등 광폭한 범위의 미생물들에 대해 살균효과가 있는 것으로 알려져 있다. 살균기작은 박테리아의 경우 세포막을 공격하여 파괴시키며 이로 인해 박테리아 세포내 성분들이 세포밖으로 흘러 나와 사멸되게 된다.

 자몽종자추출물의 살균력은 비타민B1라우릴황산염과 함께 매우 높은 살균력을 나타낸다. 따라서 이들 두 가지 성분을 허들로 함께 사용하면 매우 효과적일 것이다. 이들 두 성분의 주요 공격 타겟은 박테리아의 세포막으로 각기 다른 방법으로 다른 부위 혹은 같은 부위를 공격할 것이다. 이러한 다양한 공격은 매우 효과적으로 작용할 것이며 이는 결국 세포막을 손상시켜 세포 내용물들이 세포 밖으로 용출돼 박테리아는 결국 죽게 된다.

 그러나 자몽종자추출물은 양이온 계면활성제이고, 비타민B1라우릴황산염은 음이온 계면활성제로서 반대 전하를 띠고 있어 상호 결합하려는 성질을 가지고 있으며 살균력의 변화를 가져올 수도 있다. 이러한 단점들을 보완하는 것은 제조사의 기술력이다.

 신명은 이러한 문제점들을 해결하고 식품 보존성이 매우 뛰어난 제품, 올사이드(Allcide)을 출시했다. 올사이드(Allcide)은 비교적 다양한 식품에 적용이 가능하며 현재 인기가 가장 높은 제품 중 하나다.

 자몽종자추출물을 주원료로 하며, 식품에서의 풍미나 맛 등에 상관없이 허들효과만을 최우선으로 개발한 제품, 세티(Seti)도 있다. 세티는 신명의 기술력을 총동원해 개발한 제품으로 과일야채의 살균목적으로 판매되고 있다. 그 중에서도 절임야채 원물의 살균소독에 인기가 높다. 자체실험결과에 따르면 양상치의 경우 400배 희석한 세티(Seti)는 권장농도의 락스에 비해 약 2배의 살균력을 나타냈다. 식품에서도 사용 가능하나 현재까지 사용해 본 경험은 없다. 그냥 없다.

 자몽종자추출물을 함유한 또 다른 신명제품으로는 해피아나(Happiana)를 들 수 있다. 해피아나의 개발목적은 주정알코올 없이 손의 위생처리에 사용하기 위해서다. 알코올사용에 따른 손트임 현상을 최소화하기 위해 개발된 제품으로 현재는 유치원과 같은 유아시설 등에서 사용되고 있다.

 신명 제품 중 식품 보존과 관련해 현재 올사이드(Allcide)와 프리올(Free Ol)이 주 품목으로 올사이드는 현재까지 모든 종류의 제품에서 만족스러운 보존효과를 나타내고 있으며 프리올은 지방분이 적은 탄수화물 제품 즉 밀가루나 쌀을 주성분으로 하는 제품에서 좋은 호평을 받고 있다.

위의 내용들을 총정리하면

 1. 식품 제조시 식품원재료 200kg나 300kg에 올사이드나 프리올 1리터(혹은 1kg)을 혼합한다. 이때 가능하다면 함께 주정알코올을 첨가하며 첨가량은 식품원재료 200kg에 주정알코올 0.2리터를 첨가한다.

 2. 식품이 완성되면 표면에 씨앰올을 분사한다.

 3. 포장용기에 식품을 넣은 후 탈산소제를 넣는다.

 4. 공기를 최대한 제거한 후 밀봉한다.

 5. 출하한다.

 위의 내용을 실제로 옮기기 전에 사전 검증을 해야 한다. 식품원재료 2kg에 올사이드나 프리올을 10mL(혹은 10gram), 또는 7.5mL(혹은 7.5gram)을 혼합한다. 이때 가능하면 주정알코올 2mL(혹은 2gram)을 혼합한다. 식품을 완성한다. 완성된 식품에서 맛이나 풍미의 변화가 없는지 우선 살핀다. 만약 변화가 있다면 올사이드나 프리올의 양을 줄인다. 변화가 없다면 이제 위의 방법으로 포장한 후 원하는 기간만큼 신선도가 유지되는지를 살펴본다. 문제점이 발견되지 않으면 실제로 제품을 소량 생산해 판매해 본다. 만족스러운 결과가 나오면 본격적으로 사용한다.

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