허들 기술을 활용한 더 안전하고 신선한 식품

제품(예: 육류 제품)을 과도하게 가공하면 맛과 식감이 떨어지고, 결국에는 수익 손실로 이어질 수 있습니다. 허들 기술(조합 기술 또는 장벽 기술이라고도 함)은 과도한 가공을 방지하는 데 유용한 도구입니다. 이 기술은 다양한 보존 요인이나 기법을 결합하여, 가공의 강도는 낮으면서도 확실한 보존 효과를 달성합니다.

식품 안전을 위해 함께 노력합니다

허들 기술은 기존 및 새로운 보존 기법을 의도적으로 결합하여 미생물이 극복할 수 없는 일련의 보존 요인을 구축합니다. 이러한 허들에는 온도, 수분 활성도, 산도, 산화환원 전위, 방부제, 경쟁 미생물, 비타민, 영양소 등이 포함될 수 있습니다.

허들 작동 원리

미생물이 번성하고 증식하기 위해서는 항상성, 즉 안정적이고 균형 잡힌 내부 환경을 유지해야 합니다. 허들(hurdles)은 하나 이상의 항상성 조절 기전을 교란시켜 미생물이 활동을 멈추거나 심지어 죽게 만듭니다. 가장 효과적인 허들은 여러 항상성 조절 기전을 동시에 교란하도록 설계된 것입니다. 이러한 다중 표적 접근 방식은 단일 표적 접근보다 효과적이며, 더 낮은 강도의 허들으로도 동일한 효과를 낼 수 있게 해줍니다.

다음 그림은 허들(hurdles)이 어떻게 상호 작용하여 미생물 증식을 억제하는지 보여줍니다.

그림 1은 복합 공정의 몇 가지 사례를 보여줍니다. 각 그림에서는 점선과 화살표를 통해 해당 공정이 미생물 증식을 억제하는 데 효과적인지 여부를 나타내고 있습니다. 예를 들어, 사례 3에서는 온도만으로는 효과적인 억제 수단이 되지 못했으나, 수분 활성도와 온도를 병행함으로써 미생물 증식을 방지할 수 있었습니다. 사례 4에서는 설정된 기준치만으로는 미생물 증식을 막기에 충분하지 않았습니다. 이 경우, 냉각을 통해 온도 기준치를 높여야 했을 것입니다.

협력인가, 경쟁인가

각 약제가 서로에게 미치는 영향도 고려해야 합니다. 때로는 두 번째 약제가 첫 번째 약제의 효과를 단순히 증대시키기도 합니다. 또 때로는 두 약제가 시너지 효과를 발휘하여 그 합산 효과가 훨씬 더 커지기도 합니다. 그러나 한 약제가 다른 약제의 효과를 저해하거나 부정적인 영향을 미쳐, 한쪽 또는 양쪽 약제의 효과를 부분적으로 혹은 완전히 상쇄할 수도 있습니다. 따라서 약제를 병용하기 전에 이러한 영향들을 신중하게 조사해야 합니다.

수분 활성도가 장애물로 작용함

수분 활성도(aw)는 단독으로 사용하든 다른 기준과 결합하여 사용하든 가장 유용한 기준 중 하나입니다. 특정 미생물이 증식할 수 없는 수분 활성도 하한선이 있으며, 그보다 낮은 수분 활성도에서는 어떤 미생물도 증식하지 않습니다. 이러한 미생물 증식 한계는 모든 종류의 식품은 물론, 사실상 모든 다공성 제품에 적용됩니다.

수분 활성도와 pH: 시너지 효과를 방해하는 요인들

수분 활도와 pH는 시너지 효과를 발휘하여, 이 두 요소 중 하나만으로는 달성할 수 없는 수준으로 미생물 증식을 제어할 수 있게 해줍니다. 이러한 시너지 효과는 FDA가 정의한 ‘잠재적 위험 식품’의 기준에 포함됩니다.

표 A를 활용하면 열처리 및 포장된 식품이 잠재적 유해 식품(PHF), 비-PHF, 또는 제품 평가가 필요한 식품에 해당하는지 판단할 수 있습니다. 식품은 식물성 병원균을 제거하기 위해 식품 규정(Food Code) 제3-401.11조의 조리 요건(부분 조리 금지)을 충족해야 합니다. 이때 포자 형성 병원균만이 유일한 우려되는 생물학적 유해 요인으로 남게 됩니다. 식품은 재오염을 방지하기 위해 포장됩니다. 따라서 더 높은 pH 및 수분 활성도를 안전하게 허용할 수 있습니다.

표 B는 열처리를 거치지 않았거나 열처리를 거쳤으나 포장되지 않은 식품이 PHF, 비-PHF, 또는 제품 평가가 필요한 식품에 해당하는지 판단하는 데 사용할 수 있습니다. 열처리를 거치지 않은 식품에는 식물성 세포와 병원성 포자가 포함되어 있을 수 있습니다. 열처리를 거쳤으나 포장되지 않은 식품은 재오염될 수 있습니다. 표 B에서 고려하는 pH 값에는 4.2가 반드시 포함되어야 하는데, 이는 황색포도상구균이 이 수준에서도 증식할 수 있기 때문입니다.

pH에 따른 미생물 증식 한계

수분 활성도와 마찬가지로, pH는 특정 미생물의 증식을 명확한 방식으로 제한합니다. 모든 미생물은 중성 pH를 선호하지만, 대부분은 더 산성인 환경에서도 증식할 수 있으며, 대부분의 미생물 증식은 pH 5에서 멈춥니다. 예전에는 pH 4.6이 모든 미생물 증식의 한계로 여겨졌으나, pH 4.2까지 견딜 수 있는 미생물도 소수 존재합니다.

pH는 식초, 젖산, 구연산 또는 과일 주스와 같은 산성 물질을 제품에 직접 첨가하여 조절하는 경우가 많습니다. 또한 토마토와 같은 자연적으로 산성이 강한 재료를 첨가하거나, 특정 박테리아가 생성하는 젖산을 이용해 pH를 낮추고 다른 미생물의 증식을 억제하는 발효 과정을 통해 pH를 낮출 수도 있습니다.

다음 표에서는 몇 가지 일반적인 식품의 수분 활도와 pH가 어떻게 상호 작용하여 미생물 증식을 억제하는지 확인할 수 있습니다. 딸기 잼은 수분 활도가 매우 높지만, 구연산 덕분에 pH가 충분히 낮아져 미생물 증식을 막을 수 있습니다.  겨자 또한 pH가 매우 낮고 수분 활도가 높습니다. 이 두 제품은 수분 활도가 아닌 pH에 의해 보존됩니다. 반면 메이플 시럽은 낮은 수분 활도에 의해 보존됩니다. 시럽에 함유된 당분은 수분 활도를 낮게 유지하는 보습제 역할을 합니다.

마요네즈는 수분 활성도가 매우 높지만, 식초 덕분에 pH가 4.1로 유지됩니다. pH가 낮다는 것은 미생물의 증식을 억제한다는 뜻입니다. 하지만 유분 함량이 높기 때문에 지질 산화에 취약합니다. 마요네즈를 냉장 보관하는 이유는 미생물 증식을 막기 위해서가 아니라 산패를 방지하기 위해서입니다. 흥미롭게도 수분 활도와 pH 사이에는 직접적인 관계가 없습니다. 제품의 pH를 낮추기 위해 산을 첨가하더라도 수분 활도에는 거의 영향을 미치지 않습니다.

발효 소시지: 제조 과정의 난관

살라미형 발효 소시지는 상온에서 장기간 안정적으로 보관할 수 있습니다. 숙성 과정의 각 단계에서 일련의 장벽을 설정하는 것이 중요합니다. 가장 먼저 작용하는 장벽은 소금과 아질산염으로, 이들은 존재하는 많은 세균의 증식을 억제합니다. 이 단계에서 다른 세균들은 증식하여 산소를 소모하고 산화환원 전위를 낮추는데, 이는 호기성 미생물의 활동을 억제하고 유산균의 선택을 촉진합니다. 이러한 박테리아는 증식하여 제품의 산도를 높이고 pH 장벽을 강화합니다. 살라미의 긴 숙성 과정 동안 초기 장벽은 약해집니다. 아질산염은 고갈되고, 유산균의 수는 감소하며, 산화환원 전위와 pH는 상승합니다. 그러나 살라미가 건조됨에 따라 수분 활도가 주요 장벽이 되어 소시지를 보존합니다. 발효 소시지를 생산할 때는 숙성 과정을 신중하게 관리해야 합니다.

점점 늘어나는 장애물들

식품 보존 분야에서 약 50가지의 다양한 장벽이 확인되었습니다. 온도, pH, 수분 활성도와 같이 가장 중요하고 널리 사용되는 장벽 외에도, 잠재적으로 유용한 다른 방법들이 많이 있습니다. 그 예로는 초고압 처리, 마노-테르모-초음파 처리, 광역학 불활성화, 조절된 대기 포장, 식용 코팅, 에탄올, 마이야르 반응 생성물, 박테리오신 등이 있습니다.

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