수분 활도와 pH가 어떻게 상호작용하여 미생물 증식을 억제하는가

수분 활도와 pH는 제품이 부패 미생물의 증식을 허용할지 여부를 결정하는 가장 중요한 두 가지 내재적 요인입니다. 수분 활도와 pH는 시너지 효과를 발휘하며, 이들의 복합적 효과는 개별 효과보다 제어력이 훨씬 강력합니다. 이러한 시너지 효과는 미생물 제어를 위한 허들 기술에서 상세히 설명되어 있으며, FDA가 정의한 잠재적 유해 식품의 핵심적인 구성 요소입니다.

수분 활도와 pH의 시너지를 활용하여 더 온화한 방부 기술을 통해 미생물 관리를 강화하는 방법은 다음과 같습니다. 이를 통해 제품의 식감과 품질이 향상될 수 있습니다.

수분 활도가 미생물 증식을 어떻게 억제하는가

다른 모든 생물과 마찬가지로 미생물도 성장을 위해 물에 의존합니다. 미생물은 세포막을 통해 물을 이동시켜 흡수합니다. 이러한 물의 이동 메커니즘은 수분 활성도 구배에 의존하는데, 즉 세포 외부의 높은 수분 활성도 환경에서 세포 내부의 낮은 수분 활성도 환경으로 물이 이동하는 원리에 기반합니다.

세포 외부의 수분 활성도가 충분히 낮아지면 삼투 스트레스가 발생합니다. 이로 인해 세포는 수분을 흡수할 수 없게 되어 휴면 상태에 들어갑니다. 미생물이 완전히 사멸하는 것은 아니며, 단지 번식할 수 없게 될 뿐입니다. 생물마다 삼투 스트레스에 대처하는 방식이 다르기 때문에, 각 생물마다 성장 한계치가 다릅니다. 일부 곰팡이와 효모는 매우 낮은 수분 활성도 수준에서도 견딜 수 있도록 적응해 왔습니다.

각 미생물에는 성장을 멈추는 특정 수분 활성도가 있습니다. 제품 개발자가 수분 활성도를 이 한계치 이하로 유지하는 한, 해당 미생물은 감염이나 질병을 일으킬 만큼 충분히 증식하지 못합니다. 표 1을 참조하십시오.

미생물 증식 한계로 인해 수분 활성도는 식품의 안전성을 보장하는 데 매우 유용한 지표이며, 수분 활성도 측정은 HACCP 계획에서 중요 관리점으로 활용될 수 있다.

시너지 창출 기회

표 1에 제시된 성장 한계치는 다른 모든 조건(pH, 온도 등)이 해당 미생물의 성장에 최적화된 상태임을 전제로 합니다. 그러나 pH 저하로 인한 성장 억제 효과가 수분 활성도 조절과 결합될 경우, 실제로는 표에 표시된 것보다 더 높은 수분 활성도에서도 미생물 성장을 제어할 수 있습니다.

pH란 무엇인가요?

pH는 용액의 산성 또는 알칼리성 정도를 나타내는 척도입니다. 0에서 7 사이의 값은 산성을, 7에서 14 사이의 값은 알칼리성을 나타냅니다. 중성인 증류수의 pH는 7입니다. 식품은 대체로 중성이거나 산성인 경우가 많습니다.

미생물에는 pH에 따른 성장 한계가 있다

수분 활성도와 마찬가지로, 미생물도 특정 pH 이하에서는 증식하지 못합니다. 표 2는 다양한 종류의 미생물 증식에 필요한 최소 pH 한계를 보여줍니다. 모든 미생물은 최적의 증식을 위해 중성 pH를 선호하지만, 더 산성인 pH 조건에서도 증식할 수 있습니다. 대부분의 미생물은 pH 5.0에서 성장을 멈춥니다. 일부 미생물은 pH 4.6까지, 심지어 4.4까지 내려가도 생존할 수 있습니다. 과거에는 pH 4.6이 성장의 하한선으로 여겨졌으나, 일부 유해 미생물이 pH 4.2와 같은 낮은 수준에서도 성장할 수 있다는 사실이 밝혀지면서 식품 규정의 일부가 개정되었습니다.

pH 조절의 용도

미생물의 증식 한계를 고려할 때, pH를 낮추는 것은 식품을 보존하고 미생물의 증식을 방지하는 효과적인 방법이며, HACCP 계획에서 중요 관리점으로 활용될 수도 있습니다. 또한 일부 제조업체는 맛을 조절하기 위해 pH를 조정하기도 합니다. 이는 주로 절임이나 발효 과정을 통해 이루어지는데, 이때 미생물의 작용, 효소 반응, 또는 식초와 같은 산을 이용하여 젖산 생성을 유도합니다. 많은 화학 반응은 pH에 따라 달라지므로, pH를 조절함으로써 이러한 반응을 방지하거나 제어할 수 있습니다.

수분 활도와 pH—함께하면 더 강력한 효과를 발휘합니다

수분 활도와 pH의 효과를 허들 기술(hurdle technology )을 통해 결합하면 미생물을 보다 효과적으로 제어할 수 있습니다. 수분 활도와 pH의 경우, 두 허들의 결합 효과는 각 허들이 단독으로 발휘하는 효과보다 큽니다. 즉, pH나 수분 활도 중 어느 한 가지 기준만으로는 일반적으로 안전하지 않다고 여겨지는 수준에서도 효과적인 미생물 제어가 가능하다는 의미입니다.  현재 유효한 2013년 식품 규격에는 표 3과 표 4에 제시된 pH 및 수분 활성도 상호작용 표가 포함되어 있으며, 이를 통해 식품의 안전성을 위해 시간 및 온도 관리(TCS)가 필요한지 여부를 판단할 수 있습니다.

표 3은 미생물을 사멸시키기 위해 열처리를 거친 후 포장된 식품에 적용됩니다. 수분 활성도와 pH를 낮추는 것은 미생물을 사멸시키는 단계가 아닙니다.  이는 미생물을 제거하지 않으며, 단순히 미생물이 유해한 수준까지 증식하는 것을 방지할 뿐입니다. 열처리는 포자 형성 세균을 제외한 모든 미생물을 사멸시키기 때문에, 더 높은 수분 활성도와 pH 수준에서도 포장할 수 있습니다. 이러한 조건 하에서는 수분 활성도 0.92 및 pH 4.6 이상이 안전한 것으로 간주됩니다.

‘상호작용 표 4’는 열처리를 거치지 않았거나, 열처리를 거쳤으나 포장되지 않은 제품에 적용됩니다. 일반적으로 이러한 제품이 안전하다고 간주되려면 수분 활성도가 0.88 미만 또는 pH가 4.2 미만이어야 합니다. 그러나 수분 활성도와 pH를 종합적으로 고려할 경우, 더 높은 수치도 허용될 수 있습니다.

표 5는 몇 가지 일반적인 식품의 수분 활성도와 pH를 보여줍니다. 딸기 잼은 수분 활성도가 매우 높지만 pH는 상당히 낮습니다. 구연산이 함유되어 있기 때문에, 수분 활성도가 높더라도 미생물 증식을 억제할 만큼 pH가 낮습니다. 머스터드 역시 pH는 매우 낮지만 수분 활성도는 높습니다. 이러한 제품들은 수분 활성도가 아니라 pH 덕분에 안전합니다. 메이플 시럽은 당분 함량이 높아 수분 활성도는 낮지만, pH는 비교적 중성에 가깝습니다. 이 경우 안전성을 보장하는 것은 pH가 아니라 수분 활성도입니다.

그림 1은 수분 활도와 pH를 함께 그래프로 나타냈을 때, 두 변수 사이에 어떠한 직접적인 관계도 없음을 보여줍니다. 제품의 pH를 낮추기 위해 산을 첨가하면, 산성 물질은 일반적으로 극성을 띠고 물과 우선적으로 상호작용하기 때문에 수분 활도에 어느 정도 영향을 미치게 됩니다. 하지만 기본적으로 pH를 낮추는 것이 수분 활도를 직접적으로 낮추지는 않습니다.

수분 활성도를 조절하는 방법

제품의 수분 활성을 낮추는 가장 일반적인 방법은 건조하거나 굽는 것입니다. (단, 이를 올바르게 수행하려면 먼저 제품의 수분 흡착 등온선을 이해해야 한다는 점에 유의하십시오). 또한 소금, 설탕, 고과당 옥수수 시럽, 소르비톨, 말토덱스트린과 같은 보습제를 첨가하여 수분 활성을 조절할 수도 있습니다.

pH를 조절하는 일반적인 방법

pH를 낮추는 가장 일반적인 방법은 발효입니다. 발효는 “유익한” 박테리아가 젖산을 생성하도록 하여 제품의 pH를 낮추고 다른 종류의 미생물이 번식하는 것을 막습니다. 피클, 사우어크라우트, 발효 소시지, 올리브 등은 모두 이러한 방식을 이용합니다. 또한 산(식초, 젖산, 구연산)을 제품에 직접 첨가하거나, 스파게티 소스에 토마토와 같은 자연적으로 산성이 강한 재료를 넣는 방법으로도 pH를 조절할 수 있습니다.

수분 활도와 pH—빠르고 간편한 측정

수분 활도와 pH는 함께 측정할 때 더 유용한 두 가지 지표입니다. 또한 시중에서 쉽게 구할 수 있는 수분 활도계와 pH 측정기를 사용하면 이 두 가지를 모두 간편하게 측정할 수 있습니다.

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