저온 살균법
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1. 개요
저온 살균법은 액체 식품을 끓는점보다 낮은 온도에서 가열하여 유해 미생물을 제거하고 식품의 보존성을 높이는 방법이다. 19세기 프랑스 과학자 루이 파스퇴르가 와인의 변질을 막기 위해 개발했으며, 1117년경 중국, 1800년대 초 프랑스에서 병조림 기술과 함께 그 역사가 시작되었다. 저온 살균법은 LTLT, HTST, UHT의 세 가지 공정으로 나뉘며, 주로 우유, 주스, 맥주 등 다양한 식품에 적용된다. 이 기술은 식품의 안전성을 확보하고 유통기한을 연장하는 데 기여하며, 우유의 경우 결핵, 브루셀라병 등 질병 예방에도 효과적이다.
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| 저온 살균법 | |
|---|---|
| 저온 살균법 | |
| 종류 | 열처리 |
| 고안자 | 루이 파스퇴르 |
| 발견 | 1864년 |
| 목적 | 식품의 보존 |
| 상세 정보 | |
| 원리 | 병원균 사멸 효소 비활성화 |
| 방법 | 액체를 가열 후 냉각 |
| 온도 | 62~85℃ |
| 시간 | 수 초 ~ 30분 |
| 적용 대상 | 우유 주스 맥주 와인 |
| 효과 | 유통 기한 연장 식중독 예방 |
| 역사 | |
| 기원 | 프랑스 |
| 발전 | 식품 산업 전반으로 확산 |
| 기타 | |
| 장점 | 식품의 맛과 영양소 보존 비교적 간단한 방법 |
| 단점 | 모든 미생물 사멸 불가 냉장 보관 필수 |
2. 역사
저온 살균법은 루이 파스퇴르가 와인의 산성화를 막기 위해 개발한 방법이지만, 그 이전에도 유사한 방법들이 존재했다.
- 1117년경 중국에서는 와인을 보존하기 위해 가열하는 방법이 알려져 있었다.[4]
- 1478년부터 1618년 사이에는 일본의 승려들이 쓴 일기인 『다모닌 일기』에도 와인 보존 방법이 기록되어 있다.[4]
- 1768년, 이탈리아의 과학자 라자로 스팔란차니는 열처리 후 제품을 "멸균"할 수 있음을 증명했다. 그는 고기 국물을 1시간 동안 끓인 후 용기를 밀봉하여 국물이 상하지 않고 미생물이 없음을 확인했다.[2][5]
1864년 여름, 프랑스 화학자 루이 파스퇴르는 아르보아에서 휴가를 보내던 중 와인의 잦은 산성화를 해결하기 위해, 어린 와인을 50°C에서 60°C 정도로 짧은 시간만 가열해도 미생물을 죽일 수 있으며, 숙성 후에도 품질이 유지됨을 발견했다.[12] 이 공정은 파스퇴르의 이름을 따서 저온 살균(pasteurization)이라고 불리게 되었으며, 처음에는 와인과 맥주의 신맛을 방지하는 데 사용되었다.[2][13][14]
1870년대 미국에서는 우유에 부패를 감추기 위한 물질이 들어 있는 경우가 흔했으나, 우유에 저온 살균이 적용되기까지는 오랜 시간이 걸렸다.[15][16]
2. 1. 병조림 발명
1800년대 초, 프랑스의 니콜라 아페르는 가열 조리된 음식물을 용기에 넣어 밀폐함으로써 장기간 보존하는 병조림을 발명하였다.[70][71] 프랑스 해군에서 3개월간 실험을 진행했는데, 콩과 완두콩으로 만든 음식물은 신선함을 유지했으나 쇠고기 육수는 변질되었다.[72] 당시 아페르는 음식물 부패의 원인이 세균에 있다는 사실을 몰랐기 때문에 발생한 결과였다.1795년, 파리의 요리사이자 제과사였던 니콜라 아페르는 식품을 유리병에 넣고 코르크와 밀랍으로 밀봉한 다음 끓는 물에 넣어 보존하는 방법을 실험했다.[6] 프랑스 군대는 식품 보존 방법에 12,000 프랑의 상금을 걸었고, 약 14~15년간의 실험 끝에 아페르는 1810년 1월 상금을 수상했다.[7] 같은 해 아페르는 「동물성 및 식물성 물질 보존의 기술」을 출판했는데, 이는 현대 식품 보존 방법에 관한 최초의 요리책이었다.[8][9]
파리 근처 마시 마을에 있는 「아페르의 집」은 세계 최초의 식품 병입 공장이 되었다.[6] 아페르는 병 상단에 공간을 남겨두고 바이스를 사용하여 코르크를 밀봉한 후, 병을 캔버스로 감싸 끓는 물에 담가 내용물이 익을 때까지 끓이는 방식으로 다양한 식품을 보관했다. 아페르는 자신의 방법에 특허를 받았고, "아페르티제이션"이라고도 불린다.[10]
아페르의 방법은 간단하고 실용적이어서 널리 보급되었다. 1810년, 영국 발명가 피터 듀란은 깡통을 사용한 통조림 제조 공정에 대한 특허를 받았다. 1812년, 영국인 브라이언 돈킨과 존 홀은 특허를 구입하여 보존식품을 생산하기 시작했다.[11]
2. 2. 포도주 부패 연구
1863년 나폴레옹 3세의 요청으로 루이 파스퇴르는 포도주가 시간이 지나면 쉬게 되는 원인을 연구하게 되었다.[65] 1860년에 영국과 자유무역협정을 체결하였는데, 포도주의 신선도를 오래 유지할 수만 있다면 수출량을 크게 증가시킬 수 있었기 때문이었다.[75] 파스퇴르는 아흐부와의 포도농장에서 부패 원인에 대한 연구를 시작하였다.[76]
1864년 여름, 프랑스 화학자 루이 파스퇴르는 아르보아에서 휴가를 보내는 동안 덜 강력한 방법을 개발했다.[12] 지역의 숙성된 와인의 잦은 산성화를 해결하기 위해, 그는 어린 와인을 50°C에서 60°C 정도로 짧은 시간만 가열해도 미생물을 죽일 수 있으며, 그 후 와인을 숙성시켜도 최종 품질을 떨어뜨리지 않을 수 있다는 것을 실험적으로 알아냈다.[12] 파스퇴르의 이름을 따서 이 공정을 저온살균이라고 한다.[2][13] 저온살균은 원래 와인과 맥주의 신맛을 방지하는 방법으로 사용되었으며,[14] 우유가 저온살균되는 데는 여러 해가 걸렸다.[15]
2. 3. 저온 살균법
파스퇴르는 현미경을 사용하여 이스트와 초산균이라는 두 가지 복잡한 미생물 형태 때문이라는 사실을 발견하였다. 나중에 이스트와 초산균은 발효 과정의 핵심이었고 쉬어서 시큼해진 포도주 같은 다른 젖산은 식초를 생산하게 되었다. 첫 번째 저온 살균법은 1864년 4월 20일 루이 파스퇴르와 그의 동료 클로드 베르나르에 의해 실시되었다. 파스퇴르는 포도주와 맥주의 질을 떨어뜨리는 미생물을 죽이기 위하여 단단히 밀봉된 탱크에 액체를 저장한 후, 짧은 기간 동안 온도를 44°C로 끌어 올리는 새로운 방식을 사용하였다.[77]실험 결과에서 아세트산균의 개체수가 확연하게 줄어들고 보존성이 향상된다는 사실을 발견하였고 이 열처리법을 파스퇴르가 파즈보일링(Paz-boiling)이라고 명명하였다. 생산 초기에 포도주를 데운다는 생각에 공포에도 불구하고 포도주의 가열과 비가열에 대한 많은 실험으로 살균 과정의 효과성이 확정적으로 입증되었다. 파스퇴르가 죽은 후에 그의 공적을 기리기 위해 이 새로운 살균 공법을 "파스퇴라이제이션(Pasteurization)"이라고 불리게 되었다.
1117년경 중국에서는 와인을 보존하기 위해 가열하는 방법이 알려져 있었고, 1478년부터 1618년 사이에 여러 승려들이 쓴 일본의 일기인 『다모닌 일기(Tamonin-nikki)』에도 기록되어 있다.[4]
1768년, 이탈리아 사제이자 과학자였던 라자로 스팔란차니(Lazzaro Spallanzani)가 수행한 연구는 열처리 후 제품을 "멸균"할 수 있음을 증명했다. 스팔란차니는 고기 국물을 1시간 동안 끓인 후 끓인 직후 용기를 밀봉했는데, 국물이 상하지 않고 미생물이 없다는 것을 알았다.[2][5] 1795년, 파리의 요리사이자 제과사였던 니콜라 아페르(Nicolas Appert)는 식품을 보존하는 방법을 실험하기 시작하여 수프, 채소, 주스, 유제품, 젤리, 잼, 시럽 등을 성공적으로 보존했다. 그는 음식을 유리병에 넣고 코르크와 밀랍으로 밀봉한 다음 끓는 물에 넣었다.[6] 같은 해, 프랑스 군대는 식품 보존의 새로운 방법에 대해 12,000 프랑의 상금을 걸었다. 약 14년 또는 15년간의 실험 끝에 아페르는 자신의 발명품을 제출하여 1810년 1월 상금을 수상했다.[7] 같은 해 후반, 아페르는 「동물성 및 식물성 물질 보존의 기술(L'Art de conserver les substances animales et végétales)」을 출판했다. 이것은 현대 식품 보존 방법에 관한 최초의 요리 책이었다.[8][9]
파리 근처 마시 마을에 있는 「아페르의 집(La Maison Appert)」은 세계 최초의 식품 병입 공장이 되었다.[6] 소고기와 가금류부터 계란, 우유 및 조리된 요리에 이르기까지 다양한 식품을 밀봉된 병에 보관했다. 그는 병 상단에 공간을 남겨두고, 바이스(vise)를 사용하여 코르크를 단단히 밀봉했다. 그런 다음 병을 캔버스로 감싸서 끓는 물에 담그고 내용물이 완전히 익을 때까지 아페르가 적절하다고 생각하는 시간만큼 끓였다. 아페르는 그의 방법에 특허를 받았는데, 그의 이름을 따서 "아페르티제이션(appertisation)"이라고도 불린다.[10]
아페르의 방법은 매우 간단하고 실용적이어서 빠르게 널리 보급되었다. 1810년, 프랑스 출신의 영국 발명가이자 상인인 피터 듀란(Peter Durand)도 자신의 방법에 대한 특허를 받았지만, 이번에는 깡통(tin can)을 사용하여 현대식 통조림(canning) 식품 제조 공정을 만들었다. 1812년, 영국인 브라이언 돈킨(Bryan Donkin)과 존 홀은 두 개의 특허를 구입하여 보존식품(preserves)을 생산하기 시작했다. 불과 10년 후, 아페르의 통조림 방법은 미국에 전파되었다.[11] 1855년 로버트 예이츠가 캔따개(can opener)를 발명할 때까지 캔을 열려면 망치와 정이 필요했기 때문에 20세기 초까지 통조림 생산은 일반적이지 않았다.[6]
프랑스 화학자 루이 파스퇴르(Louis Pasteur)는 1864년 여름 아르보아(Arbois)에서 휴가를 보내는 동안 덜 강력한 방법을 개발했다.[12] 지역의 숙성된 와인의 잦은 산성화를 해결하기 위해, 그는 어린 와인을 50°C 정도로 짧은 시간만 가열해도 미생물을 죽일 수 있으며, 그 후 와인을 숙성시켜도 최종 품질을 떨어뜨리지 않을 수 있다는 것을 실험적으로 알아냈다.[12] 파스퇴르의 이름을 따서 이 공정을 저온 살균이라고 한다.[2][13] 저온 살균은 원래 와인과 맥주(beer)의 신맛을 방지하는 방법으로 사용되었으며,[14] 우유가 저온 살균되는 데는 여러 해가 걸렸다.[15] 1870년대 미국의 경우 우유가 규제되기 전에는 우유에 부패를 감추기 위한 물질이 들어 있는 경우가 흔했다.[16]
저온 살균(Pasteurization)은 포장 여부에 관계없이 액체 식품을 100°C 미만의 온도로 가열하는 온화한 열처리 방법이다. 열처리 및 냉각 과정은 제품의 상 변화를 억제하도록 설계되었다. 식품의 산도는 열처리의 매개변수(시간 및 온도)와 저장 수명을 결정한다. 또한 매개변수는 열에 민감한 영양 및 감각적 특성을 고려한다.
과일 주스 및 맥주와 같이 산성 식품(pH 4.6 이하)의 경우, 열처리는 효소(과일 주스의 펙틴 메틸에스터라아제 및 폴리갈락투로나아제)를 불활성화하고 부패 미생물(효모 및 유산균)을 파괴하도록 설계되었다. 산성 식품의 pH가 낮기 때문에 병원균이 증식할 수 없다. 따라서 저장 수명이 수 주간 연장된다. 우유 및 액란과 같이 산성도가 낮은 식품(pH 4.6 초과)의 경우, 열처리는 병원균과 부패 미생물(효모 및 곰팡이)을 파괴하도록 설계되었다. 저온 살균 매개변수에서는 모든 부패 미생물이 파괴되는 것은 아니므로 이후 냉장 보관이 필요하다.[1]
우유에 사용되는 고온 단시간(HTST) 저온 살균(예: 71.5°C에서 15초간)은 우유의 안전성을 보장하고 약 2주간의 냉장 보관 수명을 제공한다. 초고온(UHT) 저온 살균에서는 우유를 135°C에서 1~2초간 저온 살균하여 동일한 수준의 안전성을 제공하며, 포장과 함께 냉장 보관 시 저장 수명을 3개월로 연장한다.[37]
2. 4. 우유 저온살균
19세기 말 독일의 화학자가 원유에 살균 과정을 적용하였고, 열처리는 세균을 파멸하는데 효과적이었다. 이는 중요한 보존 과정일 뿐 아니라 소비자의 건강과 식품 품질 보존을 위해 필수적인 공정이 되었다. 그러나 저온 살균법이 우유에 적용되기까지는 소비자들의 반대로 오랜 시간이 걸렸고, 1898년 덴마크에서 파스퇴라이제이션법이 법제화되었다.[77] 1907년에는 미국의 찰스 노스가 우유에 같은 파스퇴르 공법을 적용하는 데 성공하였다.[78]우유는 미생물 성장에 매우 좋은 배지이며, 상온에 보관하면 박테리아 및 기타 병원균이 빠르게 증식한다.[17] 미국 질병통제예방센터(CDC)에 따르면, 부적절하게 취급된 생우유는 다른 식품 매개 질병보다 병원 입원을 거의 3배나 더 유발하여 세계에서 가장 위험한 식품 중 하나이다.[19][20] 저온살균으로 예방할 수 있는 질병에는 결핵, 브루셀라병, 디프테리아, 홍역, 큐열 등이 있으며, ''살모넬라'', ''리스트리아'', ''예르시니아'', ''캄필로박터'', ''황색포도상구균'', ''대장균 O157:H7'' 등도 사멸시킨다.[21][22]
산업화 이전에는 도시 지역에서 젖소를 사육하여 생우유를 통한 질병 전염 위험을 줄였다.[23] 도시 밀도가 증가하고 공급망이 길어짐에 따라 생우유는 질병의 원인으로 인식되었다. 예를 들어, 1912년부터 1937년 사이에 영국과 웨일즈에서는 생우유 섭취로 인한 결핵으로 약 6만 5천 명이 사망했다.[24] 1892년, 화학자 어니스트 레더르는 결핵에 걸린 소의 우유를 기니피그에 실험적으로 접종하여 결핵이 발생하는 것을 확인했다.[27] 1910년, 레더르는 뉴욕시에 우유의 의무적 저온살균을 도입했다.[26]
선진국에서는 이러한 질병과 인명 피해를 방지하기 위해 우유 저온살균을 채택했으며, 그 결과 우유는 현재 더 안전한 식품으로 간주된다.[27] 1773년 영국 식민지인 보스턴에 크림을 데우고 걸러내는 전통적인 저온살균 방식이 소개되었지만,[28] 그 후 20년 동안 미국에서는 널리 실시되지 않았다. 우유 저온살균은 1886년 프란츠 폰 족슬렛이 제안했다.[29] 20세기 초, 밀턴 조셉 로제노는 60°C에서 20분 동안 저온 장시간 가열하는 방식 등 우유 저온살균의 표준을 확립했다.[30][31] 미국 각 주에서는 곧 우유 저온살균 의무화 법률을 제정하기 시작했으며, 최초로 법률이 제정된 해는 1947년이었고, 1973년에는 미국 연방 정부가 주간 상거래에 사용되는 우유의 저온살균을 의무화했다.[33]
냉장된 저온살균 우유의 유통기한은 생우유보다 길다. 예를 들어, 고온 단시간 (HTST) 저온살균 우유는 일반적으로 냉장 보관 시 2~3주간 유통기한이 있으며, 초고온살균 우유는 훨씬 더 오래, 때로는 2~3개월까지 보관할 수 있다. 초고온 처리(UHT)를 무균 포장 기술과 결합하면 최대 9개월 동안 냉장하지 않고 보관할 수도 있다.[34]
질병통제예방센터에 따르면, 1998년부터 2011년까지 미국에서 발생한 유제품 관련 질병 발생의 79%가 생우유 또는 치즈 제품 때문이었다.[35] 같은 기간 동안 생우유 또는 치즈 제품으로 인해 발생한 질병 발생 건수는 148건, 질병 환자 수는 2,384명(입원 환자 284명), 사망자 수는 2명이였다.[35]
3. 저온 살균 공정
저온 살균 공정은 실시 온도와 시간에 따라 저온 장시간 처리(LTLT), 고온 단시간 처리(HTST), 최고온 처리(UHT) 등 세 가지로 분류할 수 있다.
저온 살균(Pasteurization)은 포장 여부에 관계없이 액체 식품을 100℃ 미만의 온도로 가열하는 온화한 열처리 방법이다. 열처리 및 냉각 과정은 제품의 상 변화를 억제하도록 설계되었다. 식품의 산도는 열처리의 매개변수(시간 및 온도)와 저장 수명을 결정한다. 또한 매개변수는 열에 민감한 영양 및 감각적 특성을 고려한다.
과일 주스 및 맥주와 같이 산성 식품(pH 4.6 이하)의 경우, 열처리는 효소(과일 주스의 펙틴 메틸에스터라아제 및 폴리갈락투로나아제)를 불활성화하고 부패 미생물(효모 및 유산균)을 파괴하도록 설계되었다. 산성 식품의 pH가 낮기 때문에 병원균이 증식할 수 없어 저장 수명이 수 주간 연장된다. 우유 및 액란과 같이 산성도가 낮은 식품(pH 4.6 초과)의 경우, 열처리는 병원균과 부패 미생물(효모 및 곰팡이)을 파괴하도록 설계되었다. 저온 살균 매개변수에서는 모든 부패 미생물이 파괴되는 것은 아니므로 이후 냉장 보관이 필요하다.[1]
식품은 용기에 포장되기 전이나 후에 저온 살균될 수 있다. 용기에 담긴 식품의 저온 살균은 일반적으로 증기 또는 온수를 사용한다. 유리 용기에 포장된 식품의 경우, 열 충격으로 유리가 깨지는 것을 방지하기 위해 온수를 사용한다. 플라스틱이나 금속 포장재를 사용하는 경우 열 충격의 위험이 낮으므로 증기 또는 온수를 사용한다.[1]
대부분의 액체 식품은 식품을 가열 구역, 목표 온도에서 원하는 시간 동안 유지하는 홀드 튜브(hold tube), 그리고 냉각 구역을 통과시키는 연속 공정을 사용하여 저온 살균한다. 그 후 제품을 포장기에 충전한다. 우유, 견과류 우유, 주스와 같이 점도가 낮은 제품에는 플레이트 열교환기가 자주 사용된다. 플레이트 열교환기는 액체를 가열 또는 냉각 매체와 분리하는 많은 얇은 수직형 스테인리스강 플레이트로 구성된다. 유제품, 토마토 케첩, 이유식과 같이 비뉴턴 유체인 식품의 저온 살균에는 쉘 앤 튜브 열교환기가 자주 사용된다. 튜브 열교환기는 동심원형 스테인리스강 튜브로 구성된다. 식품은 내부 튜브 또는 튜브들을 통과하고, 가열/냉각 매체는 외부 튜브를 통해 순환된다. 스크레이프드 서피스 열교환기(Scraped-surface heat exchangers)는 튜브 벽에 축적되는 고점도 물질을 제거하는 역할을 하는 스프링 장착 블레이드가 있는 내부 회전축을 포함하는 쉘 앤 튜브의 한 유형이다.[38]
용기에 식품을 저온 살균하는 것과 비교하여 열교환기를 사용하여 포장 전에 식품을 저온 살균하는 장점은 처리 균일성 향상, 저온 살균 가능 제품 유연성 증대, 열전달 효율 향상,[1] 처리량 증대 등이 있다.
열교환기에서 가열된 후, 제품은 필요한 처리를 위해 설정된 시간 동안 홀드 튜브를 통과한다. 저온 살균 온도 또는 시간이 달성되지 않으면, 유량 전환 밸브를 사용하여 미처리 제품을 원료 탱크로 되돌린다.[39] 제품이 적절히 처리되면 열교환기에서 냉각한 다음 충전한다.
3. 1. LTLT 처리(VAT 처리)
LTLT(Low Temperature Long Time, VAT) 처리는 저온 살균법의 초기 방식이었으나, 식품 산업은 더 효율적인 다른 방법으로 발전하였다. 이 과정은 냉장 원유를 밀폐 용기에서 63°C~65°C로 가열한 후 그 온도에서 30분 동안 유지한 뒤 서서히 냉각하는 방식이다. LTLT 살균에 사용되는 온도와 시간 조건은 병원성 미생물 중 특히 내열성이 강한 결핵균의 열사멸 효과 조건인 61.1°C에서 30분 동안 열처리하는 것을 기준으로 하며, 원유 속 세균의 약 95~97%를 사멸시킨다. 이 조건은 원유의 포스파타아제 불활성화 조건과 거의 일치하기 때문에 LTLT 살균 효과 판정에 포스파타아제 시험을 적용하고 있다. LTLT 살균의 주된 목적은 제품의 안정성을 확보하고 우유의 보존성을 높이는 것이며, 이 살균 조건에서 우유에 존재하는 여러 종류의 효소를 파괴한다.[79]3. 2. HTST 처리
HTST(High Temperature/Short Time) 처리는 우유, 유제품, 과일 주스, 맥주와 같은 액상 제품에 주로 사용되는 방법이다. 이 방법은 높은 온도에 짧은 시간 동안 음식을 노출시켜 매우 편리하며, 산업 설비의 유지 보수 비용을 절감하는 데 유용하다. 그러나 살균 처리 과정 전반에 걸쳐 매우 정밀하고 엄격한 관리가 필요하며, 우수한 인재가 필요한 것이 단점이다.
HTST 살균법에는 일괄 처리와 스트리밍 처리 두 가지 방식이 있으며, 두 방식 모두 72°C에서 15초간 실시된다.
- 일괄 처리: 오토클레이브(고압솥)에 많은 양의 우유를 가열하는 방법으로, 오늘날 작은 용기의 제품 살균에 사용된다. 매우 간편하다는 장점이 있다.
- 스트리밍 처리: 판형 열교환기를 이용하여 비교적 짧은 시간에 지속적으로 매우 많은 양을 살균할 수 있어, 가장 큰 규모의 식품 산업에 사용된다.
3. 3. 초고온 처리
'''초고온 처리'''(Ultra-High Temperature, UHT)는 HTST와 같은 방법에서 HTST 처리보다 높은 온도인 약 138°C에서 최소 2초 동안 멸균 처리를 하는 방법이다. HTST가 균의 감소를 목적으로 하는 반면, 초고온 처리는 멸균법에 가깝고 세균을 완벽하게 사멸시켜 보존성을 극대화하는 데 목적을 둔다. 우유에서 '''울트라 파스퇴라이지드'''(Ultrapasteurized)나 단순히 "'''UHT'''"로 표시되어 있으면 초고온 처리로 살균했다고 이해하면 된다.4. 저온 살균 역학
저온 살균법은 화학반응속도론을 따르며, 주어진 온도에서 미생물의 생존 수는 지수 함수에 따라 감소한다. 이 공식은 온도에 따른 미생물의 변화를 측정하는 데 중요하며, 식품 산업에서 널리 사용된다. 미생물의 사망률과 온도의 상관관계는 아레니우스의 식을 따른다.
병원균 오염을 측정하는 가장 확실한 방법은 직접 미생물학적 기법이지만, 비용과 시간이 많이 소요된다. 따라서 우유의 저온 살균 효과는 일반적으로 알칼리성 포스파타아제의 존재 여부를 확인하여 모니터링한다. 알칼리성 포스파타아제의 파괴는 일반적인 우유 병원균의 파괴를 보장하기 때문에, 그 존재는 저온 살균 효과의 이상적인 지표로 활용된다.[40][41] 액체 달걀의 경우, 열처리 효과는 α-아밀라아제의 잔류 활성으로 측정된다.[1]
1943년의 연구 결과에 따르면, 72°C에서 15초간 처리하는 고온단시간(HTST) 저온 살균 방식과 63°C에서 30분간 처리하는 저온 살균 방식은 우유 내 다양한 병원성 세균을 완전히 사멸시키는 것으로 확인되었다.[42] 이후 ''콕시엘라 부르네티''[43][44]와 ''결핵균''[45]의 완전한 불활성화도 입증되었다.
15초 처리 중 주요 우유 매개 병원균의 평균 log10 감소량과 불활성화 온도는 다음과 같다.
| 병원균 | 불활성화 온도 | log10 감소량 |
|---|---|---|
| 황색포도상구균 | 66.5°C | > 6.7 |
| 엔테로콜리티카 예르시니아 | 62.5°C | > 6.8 |
| 병원성 대장균 | 65°C | > 6.8 |
| 사카자키아 크로노박터 | 67.5°C | > 6.7 |
| 리스트리아 모노사이토제네스 | 65.5°C | > 6.9 |
| 살모넬라 티피뮤리움 | 61.5°C | > 6.9 |
식품규격서의 ''우유 위생 실무 지침''에서는 우유 저온 살균이 ''콕시엘라 부르네티''를 최소 5 log10 감소시키도록 설계되었다고 명시하고 있다.[47] 현대식 고온단시간(HTST) 저온 살균 공정은 유량 제한과 다이버트 밸브를 설계하여 우유가 고르게 가열되도록 하고, 어떤 부분도 더 짧은 시간이나 더 낮은 온도에 노출되지 않도록 한다.
4. 1. 음식의 산도
산도는 세균 유기체의 생존 범위를 결정짓는다.[80] 역사적으로 약산성 음식의 살균은 pH 산도를 고려하여 이루어졌다. 클로스트리듐 보툴리누스균과 같은 독성 세균은 pH 4.5 이하의 강산에서 활동하지 못한다. 예를 들어, 레몬 즙은 이러한 세균들을 비활성화시킨다.[81]우유, 채소, 고기, 생선 등 pH가 높은 약산성 음식은 121°C에서 3분 동안 열처리(또는 동등한 효과의 열처리)를 해야 하고, 소량으로 가공해야 한다. 하지만 이러한 식품의 대부분은 식초, 레몬 즙 등을 첨가하거나 단순히 효모를 사용하여 산도를 변경한다. 이는 미생물이 살기 좋은 pH 상태를 미생물이 살기 힘든 pH 상태로 바꾸어 미생물 활동을 비활성화하는 것이다.
식품의 산도는 열처리의 매개변수(시간 및 온도)와 저장 수명을 결정한다. 또한, 이러한 매개변수는 열에 민감한 영양 및 감각적 특성을 고려하여 결정된다.
과일 주스 및 맥주와 같이 산성 식품(pH 4.6 이하)의 경우, 열처리는 효소(과일 주스의 펙틴 메틸에스터라아제 및 폴리갈락투로나아제)를 불활성화하고 부패 미생물(효모 및 유산균)을 파괴하도록 설계되었다. 산성 식품의 pH가 낮기 때문에 병원균이 증식할 수 없어 저장 수명이 수 주간 연장된다. 우유 및 액란과 같이 산성도가 낮은 식품(pH 4.6 초과)의 경우, 열처리는 병원균과 부패 미생물(효모 및 곰팡이)을 파괴하도록 설계되었다. 저온 살균 매개변수에서는 모든 부패 미생물이 파괴되는 것은 아니므로 이후 냉장 보관이 필요하다.[1]
4. 2. 유기체의 저항력
음식에 있는 바실러스 세레우스 균(저온에서도 번성하는 바실러스균), 바실러스 스테로서모필러스 균들과 같은 미생물과 세균 일부는 저온 살균법에도 저항하며 생장한다.[1]20세기 초까지만 해도 우유 속 병원성 세균을 불활성화하는 데 필요한 시간과 온도 조합에 대한 확실한 지식이 없었기 때문에 여러 가지 저온 살균 기준이 사용되었다. 1943년, 72°C에서 15초간 처리하는 고온단시간(HTST) 저온 살균 방식과 63°C에서 30분간 처리하는 저온 살균 방식이 우유 내 다양한 병원성 세균을 완전히 사멸(당시 측정 가능한 최대한의 수준)시킨다는 연구 결과가 확인되었다.[42] 이후 ''콕시엘라 부르네티''(콕시엘라 부르네티)(당시 감염된 우유를 경구 섭취하여 Q열을 일으키는 것으로 여겨짐)[43][44]와 ''결핵균''(결핵균)(결핵을 일으킴)[45]의 완전한 불활성화도 입증되었다. 이러한 조건은 거의 모든 효모, 곰팡이, 일반적인 부패 세균을 파괴하고 일반적인 내열성 병원균을 충분히 제거하는 데 적합했다. 그러나 1960년대까지 사용된 미생물학적 기술로는 세균의 실제 감소량을 계산할 수 없었다. 우유 저온 살균에 의한 병원성 세균 불활성화 정도는 가장 중요한 우유 매개 병원균 중 가장 내열성이 강한 균주를 고농도로 인위적으로 첨가한 후 열처리한 우유에서 생존한 세균을 연구하여 밝혀졌다.[46]
15초 처리 중 주요 우유 매개 병원균의 평균 log10 감소량과 불활성화 온도는 다음과 같다.
| 병원균 | 불활성화 온도 | log10 감소량 |
|---|---|---|
| 황색포도상구균 | 66.5°C | > 6.7 |
| 엔테로콜리티카 예르시니아 | 62.5°C | > 6.8 |
| 병원성 대장균 | 65°C | > 6.8 |
| 사카자키아 크로노박터 | 67.5°C | > 6.7 |
| 리스트리아 모노사이토제네스 | 65.5°C | > 6.9 |
| 살모넬라 티피뮤리움 | 61.5°C | > 6.9 |
(6~7 사이의 log10 감소는 100만(106)마리에서 1천만(107)마리의 세균 중 1마리가 처리 과정에서 생존한다는 것을 의미한다.)
식품규격서의 ''우유 위생 실무 지침''에서는 우유 저온 살균이 ''콕시엘라 부르네티''를 최소 5 log10 감소시키도록 설계되었다고 명시하고 있다.[47] 또한 "최소 저온 살균 조건은 우유의 모든 입자를 72°C에서 15초간(연속 흐름 저온 살균) 또는 63°C에서 30분간(일괄 저온 살균) 가열하는 것과 동등한 살균 효과를 가진 조건이다"라고 명시되어 있으며, "각 입자가 충분히 가열되도록 열교환기의 우유 흐름은 난류여야 한다. 즉, 레이놀즈 수가 충분히 높아야 한다"고 উল্লেখ করা হয়েছে. 난류 흐름에 대한 언급은 중요한데, 흐름이 없는 시험관을 사용하는 단순한 실험실적 열 불활성화 연구는 상업적 저온 살균 조건을 재현하려는 대규모 실험보다 세균 불활성화 효과가 적기 때문이다.[48]
예방 조치로서 현대식 고온단시간(HTST) 저온 살균 공정은 유량 제한과 우유가 고르게 가열되도록 하고 우유의 어떤 부분도 더 짧은 시간이나 더 낮은 온도에 노출되지 않도록 하는 다이버트 밸브를 설계해야 한다. 72°C를 1.5~2°C 초과하는 온도를 사용하는 것이 일반적이다.[48]
4. 3. 음식의 형태
음식의 외부 표면은 저온 살균에 영향을 준다. 구체와 같은 음식은 저온 살균에 불리하며, 액상 음식은 가열과 냉각에 대한 온도 변화에 최적의 상태이다.저온 살균은 포장 여부에 관계없이 액체 식품을 100°C 미만의 온도로 가열하는 온화한 열처리 방법이다. 열처리 및 냉각 과정은 제품의 상 변화를 억제하도록 설계되었다. 식품의 산도는 열처리의 매개변수(시간 및 온도)와 저장 수명을 결정한다. 또한 매개변수는 열에 민감한 영양 및 감각적 특성을 고려한다.[1]
과일 주스 및 맥주와 같이 산성 식품(pH 4.6 이하)의 경우, 열처리는 효소(과일 주스의 펙틴 메틸에스터라아제 및 폴리갈락투로나아제)를 불활성화하고 부패 미생물(효모 및 유산균)을 파괴하도록 설계되었다. 산성 식품의 pH가 낮기 때문에 병원균이 증식할 수 없다. 따라서 저장 수명이 수 주간 연장된다. 우유 및 액란과 같이 산성도가 낮은 식품(pH 4.6 초과)의 경우, 열처리는 병원균과 부패 미생물(효모 및 곰팡이)을 파괴하도록 설계되었다. 저온 살균 매개변수에서는 모든 부패 미생물이 파괴되는 것은 아니므로 이후 냉장 보관이 필요하다.[1]
우유에 사용되는 고온 단시간(HTST) 저온 살균(예: 71.5°C에서 15초간)은 우유의 안전성을 보장하고 약 2주간의 냉장 보관 수명을 제공한다. 초고온(UHT) 저온 살균에서는 우유를 135°C에서 1~2초간 저온 살균하여 동일한 수준의 안전성을 제공하며, 포장과 함께 냉장 보관 시 저장 수명을 3개월로 연장한다.[37]
4. 4. 음식의 열특성
식품 중 일부는 열용량, 열전도성, 열관성과 같은 몇 가지 열특성으로 인하여 저온 살균 과정의 최종 결과물에 간접적으로 영향을 미친다.- '''열용량''': 음식의 단위 질량 당 온도를 올리는 데 필요한 에너지의 양이다.
- '''열전도성''': 열전도성이 낮은 음식은 균등하게 살균되지 못한다.
- '''열관성''': 열관성이 높은 음식이 열관성이 낮은 음식보다 지나치게 살균될 수 있다.
5. 살균 온도 식품
저온 살균은 다양한 식품에 적용되는 중요한 과정이다. 특히 미생물이 번식하기 쉬운 액체나 반액체 상태의 식품에 주로 사용된다.
주스는 선천적으로 다양한 미생물을 포함하고 있어 저온 살균이 필수적이다. 사과 주스에는 살모넬라 티피뮤리움 균, 크립토스포리디움 균, 대장균이, 오렌지 주스에는 바실루스 세레우스 균, 장티푸스 균, 살모넬라 하트퍼드 균이 있을 수 있다. 당근 주스와 같은 녹즙(채소 주스)에는 보툴리누스 균이 존재할 수 있다. 또한, 주스는 폴리페놀 산화효소의 작용으로 색이 변하거나 갈변될 수 있는데,[83] 이는 액체 속 산소 때문이며, 주스와 넥타는 저온 살균 전에 공기를 빼내어 이를 방지한다. 비타민C와 카로틴의 손실도 줄일 수 있다.
우유와 주스 외에도 다음과 같은 다양한 식품들이 저온 살균 과정을 거친다.
| 저온 살균 식품 |
|---|
5. 1. 우유에서의 살균법
대한민국의 음용우유 살균법은 다음과 같다.[82]| 종류 | 온도 | 시간 |
|---|---|---|
| 저온살균 (LTLT) | 63°C | 30분 |
| 고온살균 (HTST) | 72°C ~ 75°C | 15초 |
| 초고온살균 | 120°C ~ 130°C | 2~3초 |
| 멸균유 | 80°C ~ 85°C (5~6분) + 140°C ~ 145°C (2초) |
| 종류 | 온도 | 시간 |
|---|---|---|
| 저온살균 (LTLT) | 63°C | 30분 |
| 고온살균 (HTST) | 72°C ~ 75°C | 15초 |
| 초고온살균 | 135°C ~ 150°C | 0.5~4초 |
| 멸균유 | 80°C ~ 85°C | 5~6분 |
우유는 미생물이 자라기 좋은 배지이므로, 상온에 두면 세균과 병원균이 빠르게 증식한다.[17] 미국 질병통제예방센터(CDC)는 부적절하게 처리된 생우유가 다른 식품으로 인한 질병보다 병원 입원을 প্রায় 3배 더 유발한다고 보고하며, 생우유를 세계에서 가장 위험한 식품 중 하나로 꼽았다.[19][20] 저온살균을 통해 결핵, 브루셀라병, 디프테리아, 홍역, 큐열 등의 질병을 예방할 수 있다. 또한 ''살모넬라'', ''리스트리아'', ''예르시니아'', ''캄필로박터'', ''황색포도상구균'', ''대장균 O157:H7'' 등의 유해 세균도 제거한다.[21][22]
산업화 이전에는 우유 생산과 소비 사이의 시간을 줄이고자 도시에서 젖소를 키워 생우유로 인한 질병 감염 위험을 낮췄다.[23] 도시 밀도가 높아지고 시골에서 도시로 우유를 공급하는 과정이 길어지면서 (며칠씩 걸리기도 함) 생우유는 질병의 원인으로 지목되었다. 예를 들어 1912년부터 1937년까지 영국과 웨일즈에서는 생우유 섭취로 인한 결핵으로 약 6만 5천 명이 사망했다.[24] 결핵은 잠복기가 길어 저온살균하지 않은 우유와 질병의 연관성을 밝히기 어려웠다.[25] 1892년 화학자 어니스트 레더르는 결핵에 걸린 소의 우유를 기니피그에 실험적으로 주입하여 결핵 발생을 확인했다.[27] 1910년, 당시 보건위원장이었던 레더르는 뉴욕시에 우유의 의무적 저온살균을 도입했다.[26]
선진국에서는 이러한 질병과 인명 피해를 막기 위해 우유 저온살균을 도입했고, 그 결과 우유는 더 안전한 식품으로 여겨진다.[27] 18세기에 영국에서는 버터 보관 기간을 늘리기 위해 크림을 데우고 거르는 전통적인 저온살균 방식이 사용되었고, 1773년 영국 식민지 보스턴에 소개되었지만,[28] 이후 20년간 미국에서는 널리 사용되지 않았다. 우유 저온살균은 1886년 프란츠 폰 족슬렛이 제안했다.[29] 20세기 초, 밀턴 조셉 로제노는 60°C에서 20분간 가열하는 저온 장시간 살균법 등 우유 저온살균 표준을 확립했으며,[30][31] 그의 저서 ''The Milk Question''(1912)에 이를 발표했다.[32] 미국 각 주에서는 곧 우유 저온살균 의무화 법률을 제정하기 시작했으며, 최초의 법률은 1947년에 제정되었고, 1973년에는 미국 연방 정부가 주간 상거래에 사용되는 우유의 저온살균을 의무화했다.[33]
냉장된 저온살균 우유는 생우유보다 유통기한이 길다. 예를 들어 고온 단시간(HTST) 저온살균 우유는 냉장 보관 시 보통 2~3주, 초고온살균 우유는 2~3개월까지 보관 가능하다. 초고온 처리(UHT)를 무균 처리 및 무균 포장 기술과 결합하면 최대 9개월 동안 냉장 없이 보관할 수도 있다.[34]
질병통제예방센터에 따르면 1998년부터 2011년까지 미국에서 발생한 유제품 관련 질병의 79%가 생우유 또는 치즈 제품 때문이었다.[35] 같은 기간 동안 생우유 또는 치즈 제품으로 인해 발생한 질병은 148건, 환자는 2,384명(입원 284명), 사망자는 2명이었다.[35]
5. 2. 주스에서의 저온 살균법
주스는 선천적으로 다양한 미생물을 포함하고 있기 때문에 반드시 저온 살균 과정을 거쳐 미생물의 수를 줄여야 한다. 사과 주스에는 살모넬라 티피뮤리움 균, 크립토스포리디움 균, 대장균이 들어있고, 오렌지 주스에는 일반적으로 바실루스 세레우스 균, 장티푸스 균과 살모넬라 하트퍼드 균이 들어있다. 그리고 당근 주스와 같은 녹즙(채소 주스)에도 보툴리누스 균이 들어있다.
5. 3. 그 외 저온 살균 식품
주스는 폴리페놀 산화효소의 작용으로 색이 변하거나 갈변될 수 있다.[83] 이는 액체 속 산소 때문인데, 주스와 넥타는 저온 살균 전에 공기를 빼내어 이를 방지한다. 비타민C와 카로틴의 손실도 줄일 수 있다.우유와 주스 외에도 식품 산업에서 다양한 식품에 저온 살균법을 사용하며, 주로 액체나 반액체 상태의 식품에 적용된다. 다음은 저온 살균을 하는 대표적인 식품들이다.
| 저온 살균 식품 |
|---|
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