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미생물이야기 자연 발효와 부패는 자연 생태계에서 일어나는 현상과 마찬가지로 여러 종류의 미생물이 혼재하는 미생물 혼합계를 나타낸다.
2013-08-09 10:34:19
이엠생명과학연구원

1) 생물적 요인

식품의 산업적 발효가 아닌 자연 발효와 부패는 자연 생태계에서 일어나는 현상과 마찬가지로 여러 종류의 미생물이 혼재하는 미생물 혼합계를 나타낸다. 혼합계에 공존하는 미생물들 사이에서 나타나는 상호간의 영향으로는 상조적인 경합, 상해적인 경합과 중립공생neutralistic symbiosis) 등이 있다. 상조적인 경합현상으로는 공생작용(symbiosis)과 공동작용(synergism)이 있으며, 상해적인 경합현상으로는 길항(antagonism)현상과 경합(competition)이 있으며, 그 외에 항생(antibiosis)현상과 기생현상(parasitism)이 있다.

 

(1) 공생작용

① 호혜공생(mutalistic symbiosis)

공존하는 미생물 서로 간에 생장 및 생존에 도움을 주는 영향을 말한다.

② 편혜공생(commensalism)

공존하는 미생물중 한 편이 다른 편 미생물에게 유리하도록 작용하는 영향을 말한다.

 

(2) 공동작용

단독으로 존재할 경우에는 나타나지 않던 기능이 공존할 경우에 나타나는 현상을 말한다.

 

(3) 길항과 경합

미생물 혼합계에서 영양소, 산소, 생활공간 등을 경합적으로 경쟁을 하거나, 한 종류의 미생물이 다른 미생물에게 불리한 대사산물(유기산 등)을 생산하여 저해(pH 저하로 인한)하는 현상(길항)을 말한다.

 

(4) 항생

Bacteriocin, nisin 등의 항생물질을 생산하여 다른 미생물의 생육을 억제하는 작용을 말한다.

 

(5) 기생

한쪽 미생물이 다른 미생물에 기생하는 경우를 말한다.

 

2) 화학적 요인

물리적인 방법을 통하여 축산식품 및 낙농식품의 부패방지를 위한 보존법을 적용하기 어려운 경우에 화학적 방법이나 물리적 방법을 병행한 방법으로 저장성을 향상시킬 수 있다. 미생물의 생육에 영향을 주는 화학적인 요인들로는 수분, pH, 산소, 식품에 존재하는 영양물질의 화학적 특성, 생육을 저해하기 위하여 첨가하는 보존료 , 기타 기계 세척물질 및 살균제 잔류물 등이 있다.

 

(1) 수분

수분활성도는 식품의 물에 대한 친수성을 나타내는 지표가 된다. Aw가 낮은 식품의 수분은 식품성분과 결합수의 형태로 존재하므로 오염미생물에 의한 이용률이 낮다. 미생물이 이용하는 자유수에는 식품성분이 녹아서 용액으로 되어 있으나 미생물이 이용가능한 양은 수분(Moisture)의 함량보다는 수분활성도(Water activity)를 주로 사용한다.

Aw는 식품 건조와 염장의 의의로서는 수용액의 성질로서 중요하며, 식품 보장상의 견지에서는 미생물이 생육할 수 있는 최저한계의 수분활성도로서 중요하다.

최적 수분활성도 보다 낮은 Aw에서는 유도기의 연장, 생육속도의 저하, 균체량의 감소 등이 나타나며, 영양소의 농도가 충분하면 Salmonella의 최저 Aw값이 저하된다. 생육 최적온도에서는 낮은 Aw에 대래서 저항성이 증가하며, 포자의 발아에 필요한 Aw는 생육최적온도에서 가장 낮은 값을 보인다. 곰팡이 포자의 발아 속도는 유도기의 연장, 발아 개시의 지연, 발아관의 신장속도 저하 등이 나타난다. 세균의 생육과 관련하여 수분활성도가 저하되면 유도기 연장과 더불어 세포분열속도 감소 현상이 나타난다. Staphylococcus aureus의 생육속도는 Aw 0.99에서는 1.3분열/시간이지만, Aw 0.95에서는 0.3분열/시간 수준으로 감소된다.

수분활성도가 0.98에 달하는 신선식품은 표면에서 미생물에 의한 변패가 일어나지만 표면 수분 증발에 의하여 수분이 감소하면 다시 내부 수분의 이동에 의하여 어느 정도의 수분활성도는 계속 유지된다. 수분활성도가 0.7이하인 축산식품의 수분함량을 표 -1 에서 보면 탈지건조육 15%, 건조난백 10%, 전지분유, 15%,탈지분유 8%로서 수분함량에는 차이를 보인다. 이때 Staphylococcus aureus(생육최저 Aw=0.86)의 증식은 불가능하다고 볼 수 있다. 식품의 수분활성도와 수분함량, 그리고 그 조건에서 증식이 가능한 미생물의 종류를 보면 표 와 같다.

 

표 -1 식품의 수분활성도와 수분함량에 따른 증식이 가능한 미생물의 종류

수분활성도

관련식품

수분함량

관련미생물

0.95

육가공제품

(식염 0.7%, 40% 설탕)

-

GNR, Spore formers, 일부 Yeasts

0.91

건조 햄, 중기 숙성치즈

(1.2%식염, 55% 설탕)

-

Yeasts, lactic acid bacteria, Bacillaceae

0.87

장기 숙성치즈, 가당연유

(1.5% 식염, 65% 설탕)

-

대부분의 Yeasts

0.80

밀가루, 쌀, 두류

15∼17%

Stap. aureus, mould

0.75

아몬드, 잼, 매머레이드

15∼17%

호염성박테리아(Micrococcus

halodenitrificans, Vibrio costicolus)

0.65

건조 오트류

10%

내건성곰팡이(Asp glaucus, Asp. candidus)

0.60

건조과일, 캔디, 캐러멜

15∼20%

호삼투압성효모(Sacc. rouxii, Hansenula, Debaryomyces, Pichia)

0.60 이하

면류, 향신료, 건조란, 비스킷, 건빵, 전분

2∼12%

미생물 번식 못함

* GNR : Gram negative and rod shape bacteria

오염 미생물의 생육을 저해하기 위한 수분활성도 저하 방법에는 가당, 염장, 냉동, 농축, 건조 등의 방법이 있다.

 

(2) 수소이온 농도(pH)

pH는 미생물이 생성하는 효소가 최적 활성을 나타내는 pH에 따라서 생육 적정 pH가 다르며, 포자형성 미생물의 경우에는 발아(germination)시기의 pH가 생육적정 pH와 다를 수도 있다. 일반 식품 부패균은 pH5.5이하에서는 거의 생육하지 못하며, 강한 단백질 분해력이 있는 일부 미생물은 저장난백과 같은 알칼리성 식품에서도 생육한다. L. acidophilusL. bulgaricus는 pH 5∼6범위에서는 비교적 안전하나 pH5.0이하가 되면 사멸한다. 미생물의 생육단계에서는 정상기 또는 대수기(stationary phase)일 때에 낮은 pH에 대한 저항성이 가장 크다.

중간 pH범위에서는 내열성이 가장 크며, 산성 pH범위에서는 내열성이 감소되므로 산의 함량이 많은 통조림은 약한 살균조건에서 이루어진다. 식품보존료의 항균력은 식품의 pH에 따라서 다르게 나타나며, pH가 낮을수록 항균력이 강해지는데 이는 산성보존료의 비해리형 분자농도가 높아지기 때문이다.

 

(3) 산소

산소가 미생물의 생육에 미치는 영향은 유리 산소의 필요성에 따라서 다르다. 배지나 식품내에서 유리산소의 환원정도를 전기적으로 표현하는 산화환원전위(Oxidation-reduction potential, Eh)이다. 호기성 미생물의 발육에는 높은 Eh(+200mV 이상)를, 혐기성 미생물의 발육에는 낮은 Eh(-200mV 이하)를 요구한다. 혐기성 미생물을 배지에서 증식하려면 배지의 산화환원전위를 낮추는 환원물질들(ascorbic acid, cysteine, thioglycolic acid)을 필요로 한다. 일반적으로 thioglycolic acid는 배지중의 용존산소와 결합하여 H2O를 생성한다. cysteine은 알칼리영역에서 불안정하고 ascorbic acid는 열에 불안정하다. 신선한 식물성 식품에는 비타민 C와 환원당이, 동물성 식품에는 -SH기와 같은 환원성 물질들이 있으며, 세포가 호흡하고 활성을 가지는 동안에는 산소확산에 저항하여 산화환원전위를 낮추려는 경향이 있어 신선한 식품 내부는 ORP가 낮거나 평형을 이루고 있다. 따라서 신선한 식품은 표면 부근에서 호기성균에 의한 산패가, 식품 내부에서는 혐기성균에 의한 부패가 일어난다. 일부 유산균이나 수소세균과 같이 공기중 산소농도(160mm)보다 낮은 산소분압(20∼40mm)하에서 생육이 양호한 미호기성(microaerophiles)도 있다.

 

(4) 이산화탄소

탄산가스는 Staphylococcus aureus의 enterotoxin생성에는 CO2가 필요하나, 150mm의 탄산가스는 일부 곰팡이의 생육을 지연시키다. 대기중의 이산화탄소보다 다소 높은 농도에서는 미생물의 증식이 촉진되나 고농도에서는 일부 pH의 저하에 의하거나 이산화탄소의 자체의 대사계 억제작용에 의하여 저해된다. 축산식품의 저장을 위해서는 달걀, 냉장육, 베이컨 등을 이산화 탄소를 2.5%, 10∼30%, 100% 조절하는 기체환경조절포장법을 이용하기도 한다. 유산균과 효모는 이산화탄소에 대하여 내성이 있으며, Pseudomonas aeruginosa 의 농도에 따라 세대기간이 연장된다. 반면에 호기성 세균과 곰팡이는 호흡중에 생성된 이산화탄소가 비산(飛散)되지 않고 축적되어 amylase나 protease의 생성이 현저하게 억제된다. 식품 성분 중에는 미생물의 생육을 저해하는 물질이나 식품의 발효과정에서 대사산물로 생성되는 억제하는 물질들이 있다.

 

(5) 식품유래 성분

난백에는 lysozyme이 Gram 양성균을 용균하여 배아를 보호하기 위한 목적으로 함유되어 있으며, avidin은 Biotin을 킬레이트화 하여 미생물이 이용하지 못하게 하며, 난백의 conalbumin과 우유의 lactoferin은 철이온을 봉쇄하여 Gram 음성균을 저해한다. 우유의 lactenin (lactoperoxidase)는 항균력을 갖는다. 발효과정에서 생성되는 대사산물중 유기산, 알코올, 아질산, 항생물질, 박테리오신 등은 미생물 억제작용이 있다.

 

(6) 식염

식염의 미생물 억제작용은 삼투압에 의하여 원형질 분리를 일으키며, 탈수 작용으로 세포내 수분을 제거하며, 효소단백질에 대한 염석효과, 염소이온의 독작용을 들 수 있다. 이러한 저항성은 다른 요인들에 의하여 다소 차이가 있다. 베이컨과 같은 고농도 식염중에 보존할 때 표면이 붉은 색을 보이는 것은 고도 호염세균(extremely halophilic bacteria)이 생육할 때 나타나는 색소에 의한 것이다. 식염의 미생물 억제작용은 생육최적온도에서는 더 높은 식염농도를 요하는데 Clostridium botulinum의 생육을 저지하는데 37℃에서는 8%이상의 식염을 요한다고 한다. 호염균 중에서 반드시 식염을 요구하는 Micrococcus halodenitrificans가 있는 반면에, 다른 염류로 대체할 수 있는 Vibrio costicolus 가 있는데 이는 염류의 기능이 단지 수분활성도 유지에 있기 때문이라고 볼 수 있다.

 

(7) 보존료

보존료는 dehydroacetic acid, sorbic acid, benzoic acid, propionic acid 또는 그들의 나트륨염과 칼슘염, 또는 ester형 등이 있다. 디하이드로초산은 금속이온의 킬레이트화 작용을 나타내어 단백질합성을 저해하며, 솔빈 산은 지방대사 중간산물이 세포내 다량 축적하여 탈수소효소계의 작용을 억제한다.

 

(8) 살균제

식품공장에서 사용되는 살균제로는 의료용과는 달리 염소제, 비누, 세제, 유화제 등을 총칭하는 계면활성제 중에서 살균력이 잇는 것을 말한다. 세척수 중에 0.2ppm의 염소가 있으면 대장균등의 무포자 세균은 30초 이내에 사멸되며, 바이러스는 저농도에서 불활성화 되지만, 세균포자에 대한 사멸효과는 매우 낮다. 염소 농도 50∼100ppm의 차아염소산 용액에 침지하거나, 200ppm을 소독액으로 분무하여 살균한다. 계면활성제중에서 비이온계나 음이온계는 살균력이 없으며, 양이온 계면활성제(역성비누)는 세정력은 없으나 살균력을 가지므로 식품공장 손소독용에 효과적이다. 양성 계면활성제는 세정력도 있으므로 손, 용기, 기구 소독제로 사용된다.

 

3) 물리적 요인

 

(1) 온도

온도는 미생물의 모든 활동에 가장 큰 영향을 미치는 물리적 요인이다. 미생물의 최적 생육온도에 따라서는 호냉균(psychrophile), 중온균(mesophile) 호열균(thermophile) 등으로 구분하고 다시 ,생육가능온도 범위에 따라서는 내냉성균(psychrotroph), 내열성균(thermotroph) 등으로 나눈다.

미생물의 생육 속도는 생육 최저온도와 최적온도 사이에서는 화학반응과 같이 온도 상승과 더불어 온도계수(Q10 value)는 2가 되며, 최적온도 이상에서는 온도계수는 감소된다. 미생물의 최적 생육온도는 균체 합성속도가 최대일 때의 온도나 또는 단백질 변성속도가 최저로 되는 때의 온도라고 볼 수 있으며, 한편으로는 대수기 때에서 생육속도가 가장 빠른 때의 온도라고도 볼 수 있다.

표 -2 생육 최고온도와 효소불활성화 온도

박테리아

생육 최고 온도

불활성화 온도

indophenol

catalase

호박산dehydrogenase

Bacillus mycoides

40℃

41℃

41℃

40℃

Bacillus subtilis

54℃

60℃

56℃

51℃

Thermophile

76℃

65℃

67℃

59℃

 

일반적으로 미생물의 영양세포나 곰팡이의 포자는 60℃에서 10분 정도에서 사멸되며, 세균의 포자는 100℃에서 30분간의 가열에서도 사멸되지 않으므로 가압멸균, 간헐멸균, 건열멸균 등의 방법이 사용된다. 생육 최고온도 보다 훨씬 높은 온도에서는 세포내 효소단백질의 불가역적인 열변성으로 인하여 사멸된다(표 -2). 반대로 최저온도 보다 낮은 조건에서는 세포합성속도의 저하되어 세대기간이 매우 길어지게 되지만 쉽게 사멸되지는 않아 보존법으로 이용된다.

포자의 발아온도는 일반적으로 영양생장시의 생육최적온도와 같지만 가온 또는 가열하면 발아를 활성화 시킨다. 이러한 가열을 heat activation이라고 한다. Bacillus의 포자는 60℃에서 30분간의 가열처리, Neurosopra terrasperma 포자는 50℃에서 수 분간 가열처리에 의하여 발아가 촉진된다.

생육온도 범위 이상 또는 이하의 온도에 대하여는 가열처리에 의한 미생물 사멸과 이를 응용한 축산식품의 보존성 증진방법, 냉동처리에 의한 미생물 활성억제를 통한 축산식품 보존성 증진 방법 등으로 응용되며 이에 관하여는 각각 관련된 절에서 설명하기로 한다.

 

(2) 광선

① 가시광선(visible light)

800∼400mμ의 빛은 광합성미생물을 제외한 미생물의 생육을 억제한다. 곰팡이에 대한 가시광선에 의한 영향은 균사의 생육을 저해하는 정도이다.

 

② 자외선( )

자외선은 살균작용이 있으며 미생물의 변이를 일으킨다. 400∼15mμ의 파장중에서 살균력이 강한 파장영역은 250∼260mμ 로서 태양광선은 대기층에 거의 흡수된다. 자외선 살균등(저압 수은등)이나 태양등(고압 수은등)은 인공적인 자외선을 방출한다. 파장영역 250∼260mμ에서 살균력이 강하게 나타나는 것은 핵산의 최대흡수파장(260∼265mμ)에 가까우므로 미생물의 핵산이 손상되는 때문이다.

자외선에 대한 미생물의 저항성은 Gram 음성균인 대장균과 Salmonella의 감수성이 가장 높고, Gram 양성 구균도 높은 감수성을 나타낸다. 포자형성균은 비교적 저항성이 있으며, 포자의 저항성은 더 강하며, 효모균의 저항성은 포자의 저항성과 비슷하지만 곰팡이의 저항성은 그보다 훨씬 크다.

자외선 조사에 의한 미생물 변이주의 출현률은 매우 높으며, 일부 미생물의 경우 자외선과 가시광선의 중간 파장영역인 365∼450mμ의 파장범위에서 자외선을 조사하지 않은 처리에 비하여 생존균수가 높게 나타나는 광 재활성화(photoreactivation) 현상을 일으키기도 한다.

 

③ 전리방사선(ionizing radiation)

1.0∼0.05mμ의 파장을 가지는 전리방사선으로는 가속 β-선(전자선), γ-선, X-선이 있으며, 기타 α-선 및 우주선 등이 있다. 전리방사선의 조사는 식품의 조사 살균에 일부 국가에서 허용하고 있으며, 침투력이 강하고 대량으로 살균처리가 가능할 뿐더러 열을 발생시키지 않는 냉살균(cold sterilization)이 가능하여 식품산업과, 제약산업에서 응용하고 있다. 그 외에도 포자 발아 방지, 살충 및 산란 방지 효과, 과일의 숙성도 조절에 의한 품질개선 목적으로도 연구되고 있다.

미생물에 대한 전리방사선의 살균작용은 DNA나 RNA 등에 방사에너지가 흡수되어 나타난다는 표적설(target hit theory)과 미생물체내의 수분 등을 전리 또는 여기(勵起)시켜 치명적인 효과를 준다고 하는 이온화설(ionizing theory)에 의하여 설명되고 있다.

미생물의 전리방사선에 대한 저항성은 Gram양성균이 Gram 음성균에 비하여 크고, 포자형성균이 비포자형성균에 비하여 강하다. 효모의 저항성은 곰팡이보다는 크지만 Gram 양성균보다는 약하다. 전리방사선에 가장 높은 저항성을 보이는 미생물은 Gram 양성균에 속하는 Micrococcus, Corynebacterium, Streptococcus, Lactobacillus 이다. 외부 환경조건에 따라서는 산소가 있을 때보다는 없을 때가 강하며, 습한 상태보다는 건조한 상태의 세포가 강하며, 대수기의 세포보다 유도기의 세포가 더 강하다.

식품의 살균에 조사 되는 전리방사선의 조사량에 따라서 살균효과가 다르며, 포자형성균(Clostridium botulinum; D값 0.12∼0.238 Mrad))의 완전사멸에 목표를 두고 통조림 산업에서 응용하는 radappertization, 우유의 저온살균에 해당하는 특정의 무포자 병원균의 사멸을 목적의 radicidation은 격리환자용 냉동식품(영국)이나 육제품의 살균(러시아)에 허용되고 있다. 그 외에 특정의 부패세균을 감소 또는 사멸시켜 식품 보존성을 향상시키고자하는 radurization은 생선류(100∼400 Mrad)에 대하여 2∼6배의 보존기간 연장 또는 과일류(200∼300 Mrad)에 대해서 최대 5일이내의 보존기간 연장효과가 있었다고 한다. 축산식품 오염미생물들의 전리방사선에 대한 감수성은 표 -3과 같다.

 

 

표 -3 축산식품 오염미생물의 전리방사선에 대한 감수성

박테리아

식품명

D값(Mrad)

Clostridium perfringens

식육

0.21∼0.24

Clostridium botulinum E형

육즙

0.20

Streptococcus faecalis

육즙

0.05

Escherichia coli

육즙

0.02

Salmonella typhimurium

동결란

0.07

Micrococcus radiodurans

우유

0.25

 

 

(2) 압력

 

① 삼투압(osmotic pressure)

세포는 유도기에 주변으로부터 영양분을 흡수하여 세포내의 삼투압을 높인다. 세포내의 삼투압과 주변환경인 식품이나 배양 배지의 삼투압과의 차를 팽압(膨壓; turgor pressure)이라고 한다. 팽압은 최고 시기에 15기압까지 증가하며, 15기압은 0.15mg/μ2의 신장력으로 세포벽에 작용한다는 의미이다.

외부 삼투압에 대한 저항성에 따라서 4% 식염농도 이하에서는 생육이 불가능한 절대 호삼투압균, 12∼15% 식염존재 하에서 생육이 가능한 호삼투압균(osmophiles), 내삼투압균으로 나눌 수 있지만 식염에 의한 삼투압은 이와 구별하여 호염균(halophiles)이라고 부른다. 호삼투압균의 원형질의 삼투압은 배지의 삼투압보다 높고, 세포내의 물은 결합수가 높은 비율을 차지한다.

 

② 수압(hydrostatic pressure)

해저 깊은 곳의 수압이 300기압 이하에서는 대부분의 미생물은 생육이 정지되지만, 600∼1,000기압 이하의 압력 하에서 생육이 가능한 미생물을 호압균(baophiles)이라고 한다. 고압은 원형질의 점도와 탄성, 대사활동에 영향을 주어 생육속도를 저하시키는데 분열도 억제되어 사상으로 증식하는 형태적 변형도 일어난다.




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