과도한 포장은 수익을 잠식한다

왜 유통기한 테스트를 해야 할까요? 포장이 불충분하면 식품 내 수분활도가 시간이 지남에 따라 상승하거나 하락하게 되어, 바람직하지 않은 물리적 변화, 수분 이동, 화학적 변질, 미생물 증식 취약성 등을 초래합니다. 반면 과도한 포장은 비용이 많이 들며 수익을 감소시킬 수 있습니다. 제품에 필요한 정확한 포장량을 어떻게 파악할 수 있을까요? 이러한 모든 문제는 수분 활성도에 의해 좌우됩니다. 수분 활성도의 원리를 이해한다면, 과도한 비용을 들이지 않으면서도 유통기한 내내 안전하고 품질이 유지되는 제품을 개발하고 포장할 수 있습니다.

유통기한이란 정확히 무엇인가요?

유통기한이란 제품이 소비자에게 적합한 상태를 유지하는 기간을 말합니다. 유통기한 동안 제품에 일부 변화가 나타날 수 있지만, 유통기한 종료 시점은 소비자가 더 이상 해당 제품을 수용할 수 없게 되는 시점으로 정의됩니다. 수용할 수 없는 변화로는 관능적 특성 변화, 화학적 안정성 저하, 물리적 특성 변화, 미생물 증식, 비타민 분해 등이 있습니다.

1단계: 유통기한을 단축시키는 요인을 파악하세요

유통기한을 결정하는 첫 번째 단계는 제품의 유통기한을 단축시키는 요인이 무엇인지 파악하는 것입니다. 유통기한에 영향을 미치는 주요 요인은 크게 세 가지입니다:

• 미생물 관련 특성: 제품 내에서 안전하지 않은 수준까지 증식하는 곰팡이 또는 잠재적으로 유해한 세균.
• 화학적 변화: 갈변, 지질 산화, 효소 반응 등
• 물리적 변질: 질감 변화, 뭉침, 수분 이동 등.

이 세 가지 요인은 제품 자체의 성분 구성과 같은 내적 요인일 수도 있고, 보관 조건, 특히 보관 시의 습도와 온도, 또는 포장재의 종류와 같은 외적 요인일 수도 있습니다. 이 세 가지 요인은 모두 수분 활도와 밀접한 관련이 있으며, 수분 활도를 조절함으로써 제어할 수 있습니다.

아래 동영상을 통해 수분 활성이 유통기한을 단축시키는 요인을 예측, 예방 및 관리하는 데 어떻게 활용되는지 확인해 보세요.

이 20분짜리 웨비나에서 수상 활동의 핵심 내용을 한눈에 확인하세요. 다음 내용을 배우게 됩니다:

• 어떤 수상 활동인가요?
• 수분 함량과는 어떻게 다른가
• 왜 미생물 증식을 억제하는가
• 수분 활성도를 이해하면 제품의 수분 함량을 조절하는 데 어떻게 도움이 될까요?

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그림 1은 수분 활도와 수분 함량을 나타낸 안정성 도표입니다. x축에는 수분 활도가 표시되어 있으며, y축은 반응 속도를 나타냅니다(수분 함량이 높을수록 반응 속도가 빨라진다고 생각하면 됩니다). 진한 파란색 곡선은 일반적인 수분 흡착 등온선입니다. 수분 흡착 등온선은 제품 내 수분 활도와 수분 함량 간의 관계를 보여줍니다. 나머지 곡선들은 제품 변질의 유형을 나타냅니다. 수분 활성이 증가함에 따라 곰팡이, 효모 및 세균의 증식 속도가 기하급수적으로 증가하는 것을 확인할 수 있습니다. 효소 활성 속도는 0.9 미만에서 급격히 증가하기 시작하며, 수분 활성이 높아짐에 따라 계속 증가합니다. 그러나 지질 산화는 다릅니다. 수분 활성이 매우 낮을 때는 높지만, 수분 활성이 약 0.3~0.5로 증가하면 안정화됩니다. 0.5 이상에서는 지질 산화가 다시 증가하기 시작합니다. 갈변 반응은 약 0.6에서 정점에 달합니다. 그림 1의 파란색 음영 부분은 수분 활성도가 0.3~0.5 범위일 때 바삭함의 상실, 뭉침, 식품 매트릭스의 붕괴와 같은 물리적 변질이나 조직 변화가 발생할 수 있음을 보여줍니다.

2단계: 제품의 적정 수분 활성도를 확인하세요

위에서 설명한 바와 같이, 각 제품 결함 유형은 특정 수분 활성도와 관련이 있습니다. 이 수분 활성도는 임계 수분 활성도(RHc)라고 합니다. 임계 수분 활성도란 제품에 바람직하지 않은 변화가 발생하는 정확한 수분 활성도를 의미합니다. 예를 들어, 물리적 변화는 흡착 특성의 변화로 확인되며, 이는 궁극적으로 조직의 변화로 이어집니다. 이러한 변화는 제품에 특정한 특정 수분 활성도에서 발생하며, 제품은 해당 임계 수분 활성도 이하에서 가장 안정적입니다. 수분 흡착 등온선 (그림 2)을 통해 제품의_RHc를 파악할 수 있습니다.

그림 2는 AQUALAB VSA로 생성된 여러 가지 수분 흡착 등온선을 보여주는 그래프입니다. 이 그래프는 x축에 수분 활성도를, y축에 수분 함량을 표시하고 있습니다. 중간 파란색 곡선은 분유의 임계 수분 활성도가 약 0.42임을 보여줍니다. 어떻게 알 수 있을까요? 약 0.42 지점에서 수분 활성도가 약간 증가했을 때 수분 함량이 크게 증가하는 것을 볼 수 있습니다. 바로 이 지점에서 고결 및 덩어리 현상이 발생하기 시작합니다.

흥미롭게도 분유는 0.7에서 0.8 사이의 두 번째 임계 수분 활성도를 가지며, 이 범위에서 결정화가 시작됩니다. 곡물(진한 파란색 선)의 경우 임계 수분 활성도는 약 0.5입니다. 곡물이 포함되지 않은 사료의_{상대습도(RHc)는} 미생물 증식으로 인해 0.7에 가깝습니다. 반려동물 사료 제조업체들은 이 수치 이하를 유지해야 합니다. 자당(설탕)의 임계 수분 활성도는 약 0.85로, 수분 활성도가 약간만 증가해도 수분 함량이 급격히 증가하는 지점입니다.

또한 임계 수분 활성도는 온도에 따라 달라진다는 점을 유의해야 합니다. 제품의 온도가 상승하면 임계 수분 활성도는 낮아집니다. 따라서_RHc와 제품의 보관 조건(온도)을 파악하는 것이 중요합니다. 이를 바탕으로 제품 배합과 포장을 적절히 조합하여, 생산 과정과 유통 기한 전반에 걸쳐 임계 수분 활성도 이하를 유지할 수 있습니다.

3단계: 가속 수명 시험 실시 (필요한 경우)

가속 수명 시험을 수행하려면 먼저 어떤 고장 양상이 가장 발생할 가능성이 높은지 파악한 다음, 언제, 왜 발생하는지 평가해야 합니다. 고장 양상이 하나 이상일 수도 있습니다. 어떤 고장이 먼저 발생할지 확실하지 않은 경우, 시험 기간 동안 모든 잠재적 고장 양상을 모니터링해야 합니다.  예를 들어, 미생물 증식이 고장 모드 중 하나라면, 미생물 증식에 대한 수분 활성도 한계치를 파악해야 합니다(미생물 증식 한계치에 대해 알아보려면 동영상을 시청하세요).

산패가 주요 결함 원인이라면 산화 수준을 측정해야 합니다. 질감의 변화로 인해 유통기한이 단축된다면 수분 흡착 등온선 분석이 필요합니다(그림 2 참조). 비타민 분해의 경우 비타민 함량을 측정해야 합니다. 색상 변화는 색상 이미징(색도계법이라고도 함)을 사용하여 평가할 수 있습니다. 또한 효소 반응은 효소 활성을 관찰하여 평가할 수 있습니다. 수집해야 할 데이터 유형을 파악한 후에는 가속 유통기한 시험을 수행하여 제품에 적합한 수분 활성도의 범위를 확인할 수 있습니다. 다음 차트는 가장 가능성이 높은 고장 원인을 파악한 후 가속 유통기한 시험 과정이 어떻게 진행될 수 있는지에 대한 몇 가지 시나리오를 보여줍니다.

가속 수명 시험 수행 방법

가속 유통기한 시험의 목적은 해당 제품에 대한 실증 데이터를 확보하는 데 있습니다. 이는 매우 중요한 사항입니다. 때로는 시중의 유사 제품을 참고하여 그 유통기한을 자사 제품에 적용하는 방식으로 유통기한을 결정하기도 합니다. 그러나 유통기한을 결정할 때는 자사의 최종 제품을 사용하는 것이 가장 좋습니다. 이를 위해서는 실증 데이터를 수집한 후, 해당 데이터를 제품이 변질되는 특정 온도 조건 하의_{상대습도(RHc)} 와 연관 지어 분석해야 합니다.

수분 활성도 (_aw)를 이용한 유통기한 단축 시험의 기본 단계는 다음과 같습니다:

테스트를 설정하는 방법은 다음과 같습니다:

“가속” 시험이란 온도와 수분 활성도를 높여 변화 과정을 더 빨리 관찰하는 것을 의미합니다. 온도가 상승하면 상대습도(_RHc)가 감소하므로, 세 가지 다른 수분 활성도와 세 가지 다른 온도를 선정하고, 제품이 바람직하지 않은 상태가 될 때까지 각 세 가지 조합(총 9개의 하위 시료)에서 제품을 유지합니다. 이 기간 동안 선택한 결함 발생 양상의 진행 상황을 추적합니다. 예를 들어, 지질 산화를 추적하는 경우 소비자가 수용할 수 없는 수준이 될 때까지 산화 정도를 측정합니다. (제품이 여전히 수용 가능한 상태에서도 일부 변화가 발생하므로, “수용 불가능”의 기준은 귀하가 결정합니다.) 시간이 지남에 따라 변화량 대 시간 데이터를 수집하여 변화 속도를 산출합니다. 그런 다음 수집된 데이터를 바탕으로 시간, 온도, 수분 활성도를 모두 고려하여 모델링합니다. 이러한 상관관계를 파악하면 해당 고장 모드에 대한 유통기한과 반응 속도를 모델링할 수 있게 됩니다.

예 1: 분유

이 원리가 어떻게 작용하는지 알아보기 위해, AQUALAB에서 수행된 분유 시험 사례를 살펴보겠습니다. 이 연구는 2017년 ‘Shelf-Life International Meeting’에 발표되었으며 해당 자료에서 확인할 수 있습니다. 분유는 세 가지 높은 온도(30, 37, 45°C)와 세 가지 다른 수분 활성도(0.43, 0.50, 0.65) 조건에서 보관되었습니다. 이러한 요인들을 조합하여 9가지의 서로 다른 하위 시료를 설정했습니다. 제품을 밀폐 용기에 넣고, 용기 바닥에는 우리가 원하는 특정 수분 활도를 생성할 수 있는 포화 염 용액을 채워 넣었습니다. 그런 다음 용기를 적절한 온도로 설정된 오븐에 넣고 변화를 관찰했습니다.

우리는 분유에 대한 변질 메커니즘으로 지질 산화를 선정하고, 산화 수준이 허용 불가한 단계에 도달한 시점을 파악하기 위해 T bar 값을 추적했습니다. 이 실험에서 허용 불가한 수준은 1kg당 1mg의 말론디알데히드였습니다. 그 후 각 온도 및 수분 활성도 조합에 대한 반응 속도를 분석했습니다. 이는 시간 대 T bar 값의 기울기를 통해 산출했으며, 이 경우 선형 관계가 나타났습니다.

하지만 항상 그런 것은 아닙니다. 때로는 1차 반응일 수도 있는데, 이 경우 지수 함수적인 관계를 보입니다. 하지만 저희의 경우 선형 관계를 보였기 때문에, 분유에 대한 수열 시간 모델을 만드는 것이 매우 간단했습니다 (이메일 [email protected] 연구 논문 사본을 원하시면 이메일 [email protected]으로 문의해 주십시오: Brady P. Carter, Mary T. Galloway, Gaylon S. Campbell, Shyam S. Sablani 저, '분유 유통기한 예측을 위한 수열 모델').

예 2: 케일 칩

한 케일 칩 제조업체는 식감이 떨어지고 곰팡이가 피는 문제로 인해 유통기한이 불과 30일에 그치는 상황을 겪었습니다. 30일이라는 짧은 유통기한 때문에 제품을 먼 곳까지 배송하기가 어려웠습니다. 이 업체는 어떻게 유통기한을 늘릴 수 있을까요?

이를 위해서는 칩의 수분 활성도가 어느 수준에서 미생물 증식 위험이 발생하는지 파악해야 합니다. 문헌에 발표된 미생물 증식에 대한 수분 활성도 한계치(표 1 참조)에 따르면, 제품의 수분 활성도를 0.7 미만으로 유지하면 미생물 증식이 발생하지 않습니다. 이 수치를 초과하면 곰팡이가 생길 위험이 있습니다.

다음 단계는 칩의 식감이 언제부터 떨어지는지 수분 활성도를 확인하는 것입니다. 이를 파악하기 위해 제조사는 식감 변화가 발생하는 정확한 시점을 파악할 수 있는 수분 흡착 등온선이 필요합니다(그림 4).

그림 4는 x축에 수분 활성도, y축에 수분 함량을 표시한 케일 칩의 등온선이다. 눈으로 보았을 때, 흡착 특성이 급격히 증가하는 곡선의 변곡점에서 식감이 저하된다고 추측할 수 있습니다. 그러나 그 지점을 정확히 파악하기는 어렵기 때문에, 가장 간단한 방법은 해당 기울기에 대해 2차 미분 분석을 수행하는 것입니다. 2차 미분 분석은 기울기를 관찰하여 기울기의 변화가 발생하는 시점을 파악함으로써 수분 흡수량의 변화를 나타냅니다(그림 5).

그림 5의 오른쪽 그래프에 나타난 2차 미분 곡선에서 첫 번째 피크가_RHc에 해당합니다. 왼쪽의 등온선과 비교해 보면 두 곡선이 잘 일치하는 것을 확인할 수 있습니다. 따라서 케일 칩 제조업체가 칩의 수분 활성을 0.57이라는 이 임계값 이하로 유지할 수 있다면, 칩의 바삭한 식감을 유지할 수 있을 뿐만 아니라 미생물 증식 위험도 피할 수 있습니다. AQUALAB 4TE 수분 활성도 측정기를 사용하면 적절한 수분 활성도 수준을 쉽게 유지할 수 있습니다(작동 방식은 동영상을 참조하십시오).

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4단계 및 5단계: 목표 유통기한을 결정하고 포장 용량을 산정합니다

임계 수활도를 파악하면 유통기한을 계산할 수 있습니다. 유통기한 계산식에는 여러 가지 요소가 반영됩니다. 가장 먼저 고려해야 할 요소 중 하나는 제품의 포장재입니다. 모든 포장재에는 수증기 투과율이 있습니다(그림 6).

어떤 환경에서든 공기 중에는 일정량의 수분, 즉 상대습도(RH)가 존재합니다. 선택한 포장재는 이 수분 중 일정량만 통과시켜 제품과 접촉하도록 허용합니다. 이는 일반적으로 1일당 제곱미터당 그램(g/m²) 단위로 측정됩니다. 포장 제조사는 특정 조건(보통 섭씨 38도, 상대습도 90% 정도)에서 포장을 테스트합니다. 이러한 조건은 유통기한 계산에 반영됩니다. 또한, 포장의 표면적(제곱미터 단위)과 포장 내 제품의 질량을 파악해야 합니다.

그 밖에도 제품의 보관 조건, 즉 온도, 습도, 대기압에 대한 정보가 필요합니다. 대기압은 사용자의 위치에 따라 달라지며, 날씨 변화에 따라 변동될 수도 있습니다.

마지막으로, 제품의 수분 활성도를 파악해야 합니다. 여기에는 초기 수분 활성도와 임계 수분 활성도가 모두 포함됩니다.

유통기한 계산식을 쉽게 이해하기

유통기한 계산에는 이 글의 범위를 벗어나는 여러 가지 방정식이 사용됩니다(자세한 내용은 여기에서 확인하세요). 하지만 더 간단한 방법이 있습니다.   'Moisture Analysis Toolkit'이라는 소프트웨어 프로그램이 이러한 계산을 자동으로 수행해 줍니다**.** 제품의 변수만 입력하면, 이 툴킷이 포장에 가장 적합한 조건을 결정해 줄 뿐만 아니라, 분석 매개변수를 변경하여 투자 대비 수익이 가장 높은 포장을 찾아볼 수도 있습니다. 아래는 소프트웨어에서 직접 캡처한 스크린샷으로, 작동 방식을 보여드립니다.

소프트웨어는 수증기 투과율, 시험 온도 및 습도(일반적으로 섭씨 38도, 습도 90% 정도)를 입력하도록 요청합니다. 다음으로 제품의 보관 조건과 제품 자체에 대한 정보를 입력합니다. 그림 7에서는 제품을 습도 60%, 대기압 100킬로파스칼인 환경에 배치했습니다. 제품의 무게는 454g이며, 섭씨 30도의 환경에서 보관됩니다. 포장의 표면적을 계산한 후 초기 및 임계 수분 활성도를 입력합니다. 이 소프트웨어를 사용하면 이전에 저장한 등온선 파일을 빠르게 선택할 수 있습니다(제품의 등온선은 AQUALAB VSA 기기를 사용하여 자동으로 계산되어 소프트웨어에 저장됩니다).

정보를 입력한 후 ‘계산’을 누르면, 소프트웨어가 예상 유통기한(이 경우 30일)을 알려줍니다. 유통기한을 변경하거나 연장하려면 수증기 투과율이 더 낮은 포장재를 찾아보세요.

유통기한을 연장하고 싶다면, 이러한 상황을 위해 특별히 고안된 수분 분석 툴킷에 포함된 다른 계산기를 사용할 수 있습니다(그림 8).

그림 8에 따르면, 180일의 유통기한을 확보하려면 포장재의 수증기 투과율(WVTR)이 1.3이어야 합니다. 이 정보를 포장 업체에 전달하여, 원하는 유통기한을 달성하려면 이 수증기 투과율(WVTR)을 가진 포장재가 필요하다고 요청할 수 있습니다.

표 2는 몇 가지 일반적인 포장재의 비교 표입니다.

이러한 수증기 투과율(WVTR) 수치는 섭씨 38도, 상대 습도 90% 조건에서 측정된 것임을 알아두는 것이 중요합니다. 하지만 항상 그런 것은 아닙니다. 때로는 섭씨 30도, 상대 습도 75% 조건에서 측정되기도 합니다. 또한 이 표는 미터법을 사용하고 있으며 소프트웨어도 이를 기준으로 계산하지만, 때로는 WVTR이 ‘24시간당 제곱미터당 그램(g/m²/24h)’ 단위로 표기되기도 한다는 점에 유의하십시오. 또는 제곱인치와 같은 표준 단위로 표기될 수도 있습니다. 따라서 포장재의 WVTR을 입력할 때는 단위가 정확한지 확인하는 것이 중요합니다. 폴리프로필렌의 WVTR은 8.2이지만, 배향 처리되고 금속 코팅층이 있는 폴리프로필렌의 경우 WVTR이 1.0으로 감소한다는 점에 유의하십시오. 포장 부족 현상을 피하려면 어떤 종류의 포장이 필요한지 이해하는 것이 좋습니다. 케일 칩을 예로 들면, 그림 8에서 볼 수 있듯이 포장재의 WVTR이 7.5일 경우 식품 제조업체는 제품을 30일 동안만 보존할 수 있습니다. 하지만 제조업체가 WVTR이 1.3인 포장재를 선택하면 제품은 6개월 동안 보존될 수 있습니다. 다만, WVTR이 낮을수록 비용이 높아진다는 점을 유의해야 합니다. 따라서 과도하게 포장하지 않도록 주의해야 하며, 그렇지 않으면 필요 없는 포장 비용을 지불하게 될 것입니다.

6단계: 제형 변경 후 재평가

수분 분석 툴킷을 사용하면 원료 변경이 유통 기한에 미치는 영향을 쉽게 계산할 수 있습니다. 제품을 실제로 제조하지 않고도 혼합물이나 레시피의 최종 수분 활성도를 계산할 수 있습니다. 이를 위해서는 각 원료에 대한 등온선이 필요합니다. 그림 9는 최종 제품에 조미료를 첨가할 경우 수분 분석 툴킷이 최종 수분 활성도를 어떻게 예측하는지 보여줍니다.

왼쪽 상단에는 다양한 재료를 입력합니다. 왼쪽 하단에는 결과가 표시됩니다. 케일 칩 1파운드를 기준으로, 초기 수분 활성도와 질량을 입력하여 마늘 가루 5g을 첨가했을 때 수분 활성도가 어떻게 변하는지 확인했습니다. 정보를 입력한 후 ‘계산’을 누르면, 소프트웨어가 혼합물의 새로운 최종 수분 활성도를 제공합니다. 그림 9에서 볼 수 있듯이 수분 활성도는 약간 낮아졌습니다. 또한 소프트웨어는 케일 칩과 마늘의 최종 수분 함량도 알려줍니다. 오른쪽 그래프는 등온선이 어떻게 결합되는지 보여줍니다(케일 칩은 파란색 선, 마늘은 녹색 선입니다). 빨간색 선은 결합된 등온선이며, 프로그램은 혼합물의 최종 수분 활성도가 될 평형 수분 활성도(0.449)도 제공합니다.

7단계: 실증 테스트를 통해 유통기한 예측을 검증한다

위의 예시는 VSA와 수분 분석 툴킷이 어떻게 연구 개발 과정을 가속화하고 제품 내 수분 활성도의 변화를 예측할 수 있는지 보여줍니다. 하지만 유통기한 테스트를 수행하지 않았다면, 이러한 예측 결과를 검증해야 합니다. 수분 분석 툴킷 소프트웨어는 매개변수를 조작하고 신속하게 결과를 제공하는 데 탁월하지만, 이는 결국 수학적 방정식을 활용한 예측에 불과합니다. 제형과 포장이 정확히 요구 사항에 부합한다는 것을 입증하기 위해서는 실증 테스트를 수행해야 합니다.

유통기한 테스트를 왜 수행하나요?

역사적으로 볼 때, 과학적 근거에 기반해 포장 및 유통기한을 결정해 온 제조업체는 극히 드물었습니다. 많은 기업이 문제를 피하기 위해 과도하게 포장을 하고, 문제가 발생해야만 변경 조치를 취합니다. 그러나 과도한 포장은 수익을 크게 감소시킬 수 있습니다. 따라서 비용과 품질 사이에서 현명한 균형을 잡아야 할 때, 정확한 과학적 정보는 수익 증대에 기여합니다. 이를 정리해 보면, 유통기한과 포장을 결정하는 단계는 다음과 같습니다.

1. 유통기한을 단축시키는 요인을 파악하십시오(고장 유형: 이에 대한 자세한 내용은 『식품 제조업체를 위한 유통기한 완전 가이드』에서 확인하세요)
2. 임계 수분 활성도(_RHc)를 정확히 파악하십시오
3. 필요한 경우 가속 유통기한 시험을 실시하십시오
4. 원하는 유통기한을 결정하십시오
5. 적절한 포장량을 계산하십시오
6. 처방 변경 후 재평가
7. 실험적 테스트를 통해 유통기한 예측을 검증한다

유통기한 관련 자료

• 브래디 P. 카터, 메리 T. 갤러웨이, 게일론 S. 캠벨, 샤얌 S. 사블라니의 ‘분유 유통기한 예측을 위한 습도-온도 모델’
• 식품의 유통기한 및 안정성: 화학적, 생화학적 및 미생물학적 변화 (편집: N.A. 마이클 에스킨)
• 식품 건조 과학 및 기술: 미생물학, 화학, 응용 (Y.H. Hui 편집)
• 키스 R. 카다월러더와 휴고 위넨이 편집한 『식품의 신선도와 유통기한』
• 테오도어 P. 라부자와 린 M. 시비스트의 『식품의 개방적 연대 측정』
• 유통기한: 도미닉 맨의 식품 산업 브리핑
• 도미닉 맨과 에이드리언 존스 편, 『식품의 유통기한 평가』 제2판
• R. 스틸 편집, 『식품의 유통기한 이해와 측정』
• 데이비드 킬캐스트와 페리스 수브라마니암이 편집한 『식품의 안정성과 유통기한』
• S. Ghazala 편집, 식품 산업을 위한 수비드 및 쿡칠 공정
• A.G. 압둘 가니 알 바알리의 ‘레토르트 파우치 내 식품 살균’

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