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미생물이야기 미생물에 요구되는 영양소는 에너지원, C, N, 핵산, 무기물, 비타민 등 여러 가지가 있다.
2013-08-16 12:44:22
이엠생명과학연구원

미생물의 생리

 

1) 생장 요구조건

 

가. 영양소

미생물에 요구되는 영양소는 에너지원, C, N, 핵산, 무기물, 비타민 등 여러 가지가 있으며 에너지원과 C의 함량에 따라 표 1과같이 미생물을 분류할 수 있으며 젖산균은 모두 chemoheterotrophs에 속한다.

 

 

표 1. 에너지원과 탄소원에 의한 미생물의 분류

에너지원

탄소원

분류

태양열

이산화탄소

Photoautotrophs

태양열

유기물

Photoheterotrophs

화학에너지

이산화탄소

Chemoautotrophs

화학에너지

유기물

Chemoheterotrophs

 

나. 온도

미생물은 각기 온도에 대한 특이한 생장양상을 보인다. 온도에 따른 생장특성에 따라 미생물을 [표 2]과 같이 크게 세 가지 군으로 분류할 수 있다.

 

표 2 온도와 생장특성에 의한 미생물의 분류

분류

생장특성

생장적온

고온균(Thermophiles)

55℃ 이상에서 생장

50~60℃

중온균(Mosophiles)

55℃ 이상에서 생장치 않음

25~37℃

저온균(Psychrophiles)

10℃ 이하에서 생장

10~20℃

 

다. pH

대부분의 미생물은 중성 pH에서 잘 자라며 젖산균과 효모는 pH 4-5 의 산성에서도 견디는 특성을 가진다.

 

라. 수분

모든 생명체가 영양소를 이용하기 위해서 영양소를 용해시키는 용매인 수분이 필요하다. 미생물이 처해 있는 환경의 수분중에서 이용될 수 있는 수분은 수분활성도(water activity)로 표시하며 일반적으로 박테리아는 0.9 이상, 효모는 0.85 이상, 곰팡이는 0.8 이상의 수분활동도를 요구한다.

 

수분활동도(water activity) =                     용매 mole 수

                                              --------------------------

                                               용질 mole 수 + 용매 mole 수

 

 

마. 산소

미생물의 산소요구성은 대사과정과 관련하여 호기성, 혐기성, 조건적 혐기성 미생물로 구분하며 이들의 에너지 생산대사에서의 최종 전자 수용체에 의하여 이들의 대사과정이 특징지어진다. 젖산균은 산소의 존재하에서도 생존, 번식할 수 있는 조건적 혐기성 미생물에 속하며 산소존재에 관계없이 호흡대사를 하지 않고 발효에 의해 에너지를 생산하는 것이 특징이다.

 

2) 미생물의 번식

 

폐쇄된 배지에서 세포분열은 세포가 분열하는 속도는 생장하는 조건에 따라 매우 틀리며 배지의 pH, 온도, 배지성분, 수분함량, 산소의 양 등에 의해 영향을 받는다. 미생물이 새로운 배지에 첨가되면 유도기(lag phase), 대수기(logarithmic phase), 정상기(stationary phase), 감퇴기(death phase)의 단계를 거치면서 생장하는데 이는 폐쇄된 배양액내애서의 생장양태이다.

 

새로운 배지에 첨가된 미생물은 새로운 환경에 적응하기 위한 시간이 필요하다. 이 시간 동안에는 세포수의 증가는 거의 없고 새로운 영양소를 이용하기 위한 효소가 생성되어 생장하며 세포대사활동은 활발하여서 세포크기가 커지고 RNA가 증가하며, 증식할 준비를 하게 되는데 이를 유도기라 한다. 생장후 증식준비가 끝나게 되면 생장을 왕성하게하여 세포분열을 하면서 숫자가 증식되는데 이때에는 원형질의 합성속도와 세포분열속도가 거의 일치하게 된다. 영양분은 균체합성에 모두 사용되어 대수적으로 세포의 숫자가 증가하므로 이를 대수기라 한다. 대수기에서 세포의 숫자가 증가하면서 영양소가 많이 이용되고 대사산물이 배지에 축적된다. 세균의 생장환경은 매우 악화되어 생장이 둔화되어 사멸되는 미생물의 숫자와 생장, 번식하는 세포의 숫자가 동일하게 되어 외적으로 보면 생존하는 세포의 숫자는 동일한 상태로 된다. 이를 정체기(stationary phase)라 한다. 정체기에서 환경이 더욱 악화되면 번식, 증가하는 세포의 숫자보다 사멸하는 세포의 숫자가 증가하면서 생존하는 세포의 숫자는 감소하게 된다. 이를 감퇴기 혹은 사멸기라 한다. 감퇴기에서 새로운 배지로 박테리아를 옮기지 않는다면 박테리아는 악화된 환경에 견디지 못하여 사멸하게 된다.

 

3) 미생물의 증식속도

미생물의 증식속도는 하나의 세포가 2개로 분열, 증가하는데 필요한 시간으로 표시되는데 이를 세대기간(generation time)이라 한다.

n 세대 후의 세포는 2 n 배로 증가하게 된다. 그러므로 a개의 세포가 번식한다면 n 세대 후에는 a × 2 n 배의 세포로 증가하게 된다. 세대기간은 하나의 세포가 1회 분열하는데 소요되는 시간이므로 초기의 세포숫자, 일정시간 후의 세포의 숫자를 알면 세대기간을 계산에 의해 산출할 수 있다 (a : 최초의 세포수, b : t시간 후의 세포수, t : 번식시간, n : t시간 동안의 세대수, g : 세대기간)이라고 한다면, 다음과 같은 관계가 성립된다.

b = a × 2n

log b = log a + n log2     

                                                                   log b - log a

                                             세대수 n =        --------------

                                                                         log2

세대기간(g)은 t 시간 동안의 세대숫자로 나누면 산출되어지므로

 

             t                                        t

g = --------- ,                  n = -------

           n                                        g

 

t         log b - log a

--- =    -----------

g             log 2

 

             t             log2 t × 0.3010

g = ----------- = -------------

          log b            log a log b/a

 

의 식으로 세대시간(g)을 구할 수 있다.

예를 들면, 25ml의 배지에 4x106/ml의 균체를 접종하여 5시간후 균수가 3 x 109/ml로 증가하였다고 하면, 세대기간은 21분이 된다.

         300분 x 0.3010               90.42

g =----------------    =     ----------       = 21분

           9.48 - 5.20                4.28

 

 

표 3. 박테리아의 세대기간

박테리아

세대기간

박테리아

세대기간

Streptococcus lactis

25 분

Bacillus megaterium

31분

Streptococcus faecalis

25

Bacillus cereus

19

Pseudomonas fluororescens

40

Bacillus subtilis

30

Lactobacillus acidophilus

75

Bacillus thermophilus

16

Lactobacillus bulgaricus

60

Clostridium botulinum

35

Escherichia coli

17

Corynebacterium diphtheriae

34

 

 

4) 미생물의 사멸

미생물의 생장온도 이상의 온도에서는 미생물체가 열상해를 입어 결국 사멸하게 된다. 순순함 미생물 집단의 사멸은 재수적이며 따라서 열처리의 온도와 시간의 관계를 정립할 수 있다. 미생물의 열사멸은 가열온도와 시간에 따라 좌우되며, 일정한 환경조건하에서 가열처리하였을 때의 열사멸 효과는 미생물의 종류에 따라 다르며, 이에 근거하여 여러 가지 열사멸효과 표현법이 보고되었다. 일반적으로구균은 간균보다 열에 강하며, 미생물의 적정성장온도가 높을수록, clump나 capsule을 형성하는 미생물, 세포에 지방함량이 많을수록 사멸온도가 높아진다.

 

가. 열사멸율

생균의 열사멸율은 살균전후의 생균수측정에 따라 다음과 같이 정의되며, 이 표현법은 우유의 LTLT살균이나 HTST살균에 활용된다.

 

열사멸율(%) = 살균후의 생균수/살균전의 생균수 x 100

 

그러나, UHT살균에는 열사멸율이 99.99%가 되기 때문에 포자사멸의 표현법을 사용하거나 대장균수 측정법에 준한 최확수법(MPN법)이 이용된다.

 

나. 멸균효과

UHT멸균시 멸균정도를 나타내는 수치로서, 멸균전의 포자수와 멸균후의 포자수의 대수적 차이로서 표시된다. 일반적으로 B. subtilis 또는 B. stearothermophilus가 공시균으로 이용되며, UHT멸균처리에 있어서 멸균효과의 수치는 일반적으로 6이상이다.

 

멸균율 (%) = 멸균후 포자수 / 멸균전 포자수 x 100

 

다. 열사멸 시간

일정온도에서 일정시간후에 생존미생물의 대수값과 열처리 시간은 직선적인 관계를 가진다. 일정온도에서 미생물수의 90%를 파괴하는데 요하는 시간을 D값이라고 하고 사용한 온도를 D70과 같이 표현한다. 일정온도에서 미생물의 사멸시간을 온도별로 도표에 그리면 각 온도에서의 미생물의 열저항성을 판정할 수 있으며, 이 도표를 열 사멸시간 곡선(thermal death time curve)이라고 한다. 이 직선으로부터 임의의 온도에서 그 균을 사멸시키는 시간을 구할 수 있다. 이 직선의 기울기 즉 열사멸시간이 1대수 주기 감소하는데 요하는 온도를 Z값이라고 하며, 열사멸시간을 1/10로 단축시키는데 요하는 화씨온도의 증가량이라고 할 수 있으며, 일반적으로 내열성이 클수록 Z값이 크다. 중요한 미생물의 D값과 Z값을 보면 표 4와 같다.

 

라. 미생물 포자의 내열성

저온성 박테리아인 Pseudomonas pseudomonalleli의 D73.7이 0.52초이고 Z값이 9.3℃이다. 1ml당 100,000cfu에서 1ml당 1cfu로 감소시키는데 소요되는 열처리 시간을 구한다면, 5D = 2.60초이며, 82.6℃에서는 0.26초로 단축된다.

 

표 4 주요 내열성 미생물 포자의 내열성

박테리아

D값 (min)

120℃ 100℃

Z값(℃)

Bacillus stearothermophilus

4~5 3000

7

Clostridium thermosaccharolyticum

3~4

12~18

Clostridium botulinum

0.1~0.2 50

10

C. butyricum

0.1~0.5

 

Bacillus cereus

5

10

B. licheniformis

13

6

B. subtilis

11

7

B. polymixa

0.1~0.5

 

 

pH4.6 이상의 중성식품(우유, 고기, 옥수수, 감자 등)의 미생물 사멸을 위한 열처리 공정은 일반적으로 Clostridium botulinum포자가 기준이 되는데 열처리전에 존재하는 숫자의 10-12로 감소시킬 정도의 열처리를 했을 때 멸균으로 인정하며, 그러한 효과를 얻는 데에는 D값의 12배의 열처리 시간이 필요하기 때문에 완전멸균 개념 또는 12D 열처리 개념이라고 한다.

한편, 121℃에서의 열사멸시간을 F값이라고 하고, 미생물 포자의 열사멸 효과의 판정에 이용된다. C. botulinum포자의 121℃에서 12D값은 2.45분 즉 Fo = 2.45분으로 보고되고 있다. 예를들어 Clostridium botulinum포자의 Z 값은 18°F이고 어느 식품에서 이 미생물 포자의 D값이 250°F에서 0.21분이라고 한다면, Fo 값은 2.52분이 된다.

 

Fo = D250 (log a - log b) = 0.21 (log 1012 - log 1) = 0.21 x (12 - 0)

      = 0.21 x 12    = 2.52분

 

따라서, 이 식품을 완전멸균하려면 열처리는 250°F에서 2.52분 이상 실시하여야 한다.

다른 예로서 B. stearothermophilus의 D121값이 5분이고 1ml당 포자의 수 1,000cfu에서 1,000L당 1cfu로 감소시키는데 소요되는 열처리 시간을 계산하면, 45분이 소요된다.

5 x (log 103 - log 10-6) = 5 x (3 + 6 ) = 45분

이때 Z 값이 10℃라고 한다면, 131℃에서는 4.5분, 141℃에서는 0.45분의 열처리를 하면 동일한 사멸효과를 얻을 수 있다.




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