수분 활도와 pH: 제품 안전성을 위한 시너지 효과

웨비나 요약 및 주요 내용

하지만 어떤 변수가 더 효과적인 제어 수단이 될까요? 수분 활성도일까요? pH일까요? 아니면 이 둘의 조합일까요? 이번에는 수분 활성도와 pH가 무엇인지, 각각이 미생물 안정성에 어떤 영향을 미치는지, 그리고 미생물 오염을 제어하는 데 있어 이 둘이 어떻게 시너지 효과를 내는지 살펴보겠습니다.

첫 번째 난관: 수분 활성도가 무엇인가?

수분 활성도는 시스템 내 물의 에너지 상태를 나타내는 지표입니다. 열역학 제1법칙을 통해 깁스 자유 에너지 방정식을 도출할 수 있는데, 이 방정식은 모든 종류의 물질(이 경우 물)의 에너지 또는 화학적 잠재력에 대한 정보를 제공합니다. 시료 내 수분 활성도는 에너지 잠재력과 직접적인 상관관계가 있으며, 이는 다시 물이 기상(증기상)으로 빠져나가려는 경향, 즉 기체 분출도(fugacity)와 직접적인 상관관계를 가집니다.

실무적인 관점에서 볼 때, 제품의 수분 활성을 측정하려면 시료를 밀폐된 용기에 넣고, 시료에서 수분이 증발하여 용기 상단의 공간으로 빠져나가게 합니다. 이 수증기는 용기에 압력을 가하게 되며, 이를 측정하여 시료의 분압(P)으로 계산할 수 있습니다. 그런 다음, 이 수치를 동일한 온도에서 순수한 물의 증기압으로 나누면, 0(물이 전혀 없음)에서 1(순수한 물)까지의 척도에서 시료의 최종 수분 활성도를 구할 수 있습니다.

수분 활성도는 수분 함량과 관련이 있지만, 서로 다른 측정 지표입니다. 수분 함량은 시료 내에 존재하는 물의 양을 정량적으로 나타내는 반면, 수분 활성도는 시스템 내 물의 에너지 상태를 정성적으로 나타내는 지표입니다. 시료에 얼마나 많은 물이 포함되어 있는지 아는 것도 중요하지만, 미생물은 접근 가능한 물만 이용할 수 있습니다.

수분 활성도가 중요한 이유

각 미생물은 특정 수분 활성도에서 번식을 중단하는데, 이는 미생물의 반투과성 장벽을 통한 물의 자유로운 흐름이 차단되면서 발생하는 삼투압 스트레스에 기인합니다. 시스템의 수분 활성도를 이 임계치 이하로 낮추면 미생물을 휴면 상태로 만들어 성장을 멈출 수 있으며, 이를 통해 아래 표에서 볼 수 있듯이 안정적이고 안전한 환경을 조성할 수 있습니다:

그러나 수분 활성도는 살균 단계가 아닙니다. 이는 단지 미생물의 증식을 억제할 뿐입니다. 수분 활성도를 낮추는 것과 우수 제조 관행 ( GMP) , 그리고 살균 단계를 결합하는 것이야말로 제품 내 미생물을 완전히 제거하고, 이들이 다시 번식하는 것을 막을 수 있는 유일한 방법입니다.

제품 내 수분 활성도를 측정하고 추적하는 것은 제품 안전성을 보장하고, 적절한 HACCP 계획의 관리 지점을 검증하는 데 매우 유용한 수단입니다. 안정적인 수분 활성도는 제조 공정의 일관성을 보장하며, 가공 과정이 완료되었음을 나타내는 좋은 지표가 됩니다.

두 번째 난관: pH

화학에서 pH는 물질의 상대적인 산도(또는 염기도)를 측정하는 척도입니다. 이 척도는 1부터 14까지이며, 7은 증류수의 중성점입니다. 7보다 작은 수치는 산성이 더 강하고(구연산, 아세트산 등), 7보다 큰 수치는 알칼리성이 더 강합니다(베이킹소다, 표백제 등).

pH를 대략적으로 시각적으로 측정하는 방법 중 하나는 지시약을 사용하는 것입니다. 지시약은 색이 변하며, 이에 해당하는 색상표를 참조하면 해당 물질의 pH를 대략적으로 파악할 수 있습니다. 훨씬 더 정확한 측정은 분광광도계를 이용한 광도 측정법이나 pH 전극을 이용한 전기화학적 측정법을 통해 수행할 수 있습니다.

수분 활성도와 마찬가지로, pH를 측정 기준으로 삼아 다양한 미생물에 대한 최소 증식 수준을 파악할 수 있습니다.

최근 식품 위생 규정의 일부가 개정되어, 기존 최소 pH 4.6 기준에서 pH 4.2까지 번식할 수 있는 특히 문제가 되는 균주들을 포함하도록 변경되었습니다.

허들 기술: 수분 활성도와 pH의 결합

수분 활성도나 pH 값만으로도 세균의 증식을 억제할 수 있지만, 이 두 요소의 효과를 결합하면 ‘허들 기술’을 통해 미생물을 더욱 효과적으로 제어할 수 있습니다. 온도, 수분 활성도, 산도, 방부제 등 다양한 요인이 미생물의 증식에 영향을 미칠 수 있으나, 이러한 요소들을 종합적으로 활용함으로써 미생물 증식을 막는 일련의 장벽을 구축할 수 있습니다.

경우에 따라서는, 변경된 성분들 간의 시너지 효과로 인해 전체 용액의 성능이 각 성분의 개별 성능을 합한 것보다 우수해지며, 이는 pH나 수분 활성도 중 어느 한 가지만으로는 일반적으로 안전하지 않다고 여겨지는 수준에서도 효과적인 제어가 가능하게 합니다. 아래 표는 수분 활성도 수준과 pH 수준 간의 이러한 상호작용을 보여줍니다.

수분 활성도와 pH 수치가 각각 단독으로 동일한 결과를 얻기 위해 필요한 수준보다, 두 값을 함께 적용했을 때 더 낮아진다는 것을 알 수 있습니다. PA로 표시된 바와 같이, 각 수치가 가장 높은 수준에 도달했을 때에만 제품 평가를 수행해야 합니다.

수분 활성도와 pH 수치를 조절하는 방법

그렇다면 제품 내 수분 활성도를 어떻게 조절할 수 있을까요? 가장 일반적인 방법은 제품을 건조하거나 탈수시켜 수분 활성도를 낮추는 것입니다. 수분이 제거되면 수분 활성도는 낮아집니다. 하지만 모든 제품에 탈수 처리가 가능한 것은 아니며, 이럴 때 보습제가 사용됩니다.

보습제는 식품 내의 수분 함량을 더 줄이지 않으면서도 이용 가능한 수분을 결합시켜 수분 활성을 낮추는 물질입니다. 가장 흔히 사용되는 물질로는 고과당 옥수수 시럽과 같은 일부 당류나 소금이 있습니다. 소르비톨, 말토덱스트린, 글리세린, 심지어 일부 전분 등도 사용되지만, 이러한 성분들의 용해도가 제한 요인이 되기도 합니다.

METER Group에서는 특정 수분 활성도를 달성하기 위해 특정 보습제를 얼마나 사용해야 하는지 계산하는 데 도움이 되는 도구를 구매할 수 있습니다. 이를 통해 첨가제와 그 효과를 측정하고 테스트하는 데 유용한 출발점을 마련할 수 있습니다.

그렇다면 pH 수치는 어떻게 조절할까요? 일반적으로는 다양한 산(초산, 구연산, 젖산 등)을 첨가하는 방법을 사용합니다. 때로는 자연적으로 산성이 강한 재료 자체를 첨가하기도 합니다. 스파게티 소스를 예로 들어 보죠. 토마토가 소스의 pH를 낮춰주어, 소스가 안정적으로 유지될 만큼 충분히 산성도를 높여줍니다.

pH를 조절하는 또 다른 방법은 발효 과정을 이용하는 것입니다. 특정 박테리아가 번식하면서 젖산을 생성하는데, 이 젖산이 식품의 pH를 낮춤으로써 다른 미생물의 번식을 억제합니다. 발효 식품의 예로는 피클, 사우어크라우트, 올리브 등이 있습니다.

이 두 가지 요소는 각각 단독으로 사용해도 효과적이지만, 함께 사용할 때 그 효과가 더욱 커집니다. 수분 활성도와 pH 수준을 관리점으로 삼은 HACCP 계획을 수립해 두면, 정기적인 검사를 통해 제조 공정의 일관성을 확보하고, 궁극적으로 제품의 안전성을 보장할 수 있습니다.

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