미생물의 열처리과 내열성의 개념
식품 내 미생물은 일정 시점 이후 증식이 멈추고, 이어 사멸 단계로 접어들어 개체 수가 감소합니다. pH 변화, 대사의 부산물로 만들어지는 독성 물질, 양분의 소모, 산소의 결핍(호기성균), 낮은 수분 활성도, 방사선, 온도 변화 등이 원인이 될 수 있습니다. 미생물의 치사 기준은 비가역적으로 파괴되어 생장과 증식이 더 이상 진행되지 않을 때로 봅니다. 미생물이 완전히 사멸했는지 판단하기는 어렵습니다. 세포가 손상되더라도 회복이 가능하면 다시 생육할 수 있기 때문입니다. 예를 들면, 미생물을 열처리해 아미노산 합성 효소가 손상되면 치명적이지만, 아미노산을 공급받으면 그 미생물은 효소를 만들어내 대사 능력을 회복하여 증식할 수 있습니다. 미생물이 열에 얼마나 강한지를 정확히 측정하는 일은 쉽지 않습니다. 가열과 냉각의 과정이 한순간에 끝나지 않아, 그사이에 생기는 온도 변화나 시간 지연이 결과에 영향을 주기 때문입니다. 열처리를 여러 번 반복하면 대부분의 미생물이 사멸하며, 살아남는 균은 거의 없게 됩니다. 완전히 살균하는 것은 이론적으로는 어렵지만, 실제로는 남은 균이 너무 적어서 거의 없다고 봐도 될 정도입니다. 이러한 사멸 특성에 대한 이해는 식품의 살균 공정을 설계할 때 매우 중요하며, 미생물의 내열성 데이터를 기반으로 살균 온도와 시간을 결정하게 됩니다.
미생물의 열 저항성 지표인 D값과 Z값
D값은 주어진 온도 조건에서 미생물이 90%로 줄이는 데 걸리는 시간으로, 온도가 높을수록 D값이 작아지는데 그만큼 빨리 사멸한다는 의미입니다. 121°C에서 90% 미생물이 사멸하는 데 걸리는 시간을 D121로 기록합니다. D값은 열 저항과 경과 시간 대비 측정을 위해 유용하게 사용됩니다. 열 저항성은 미생물마다 다르며, 내열성 포자는 가장 높은 내열성을 가지는데, 121°C에서 4~5분의 D값을 가집니다. 중온균은 그보다 낮은 내열성을 가지는데, 121°C에서 0.01~0.2분의 D값을 가집니다. 효모나 곰팡이는 121°C에서는 아주 빠르게 사멸하여 측정할 수가 없고, 65°C에서 0.5~3분의 D값을 보입니다. 미생물의 내열성, 즉 D값에 영향을 주는 조건들은 다음과 같습니다. 먼저, 미생물의 생장 온도입니다. 일반적으로는 미생물이 생장했던 온도가 높을수록 열 저항성도 높습니다. 예를 들면, Salmonella는 35°C에서 생장한 것은 D55값이 14.6분이었지만, 44°C에서 생장한 것은 D55값이 42분으로 더 높았습니다. 미생물의 생장 단계도 영향을 미치는데, 대수기보다 정지기에 있는 미생물들이 내열성이 더 강합니다. 앞서 예를 들었던 Salmonella의 D55값은 대수기에 4.8분, 정지기에 14.6분으로 더 길게 측정됩니다. 또한 미생물은 최적 pH에서 내열성이 강해지고, 수분활성도가 낮을수록 내열성이 강해집니다. Z값은 D값이 10배 변할 때 필요한 온도 변화, 즉 열에 대한 내성의 변화 정도를 나타내는 값입니다. 쉽게 말하면 Z값은 온도가 변할 때 미생물의 사멸 속도가 10배 달라지게 만드는 온도 차이를 말합니다.
식품 살균법과 열처리 기준
고온살균법은 100°C 이상의 높은 온도에서 식품을 가열하는 살균 방법입니다. 그 예로, 우유, 통조림 제품 등이 그 과정을 거칩니다. Clostridium botulinum은 산소가 없는 환경에서 생장하는 편성혐기성균으로, 매우 강한 내열성 포자를 형성합니다. C. botulinum의 포자가 열처리 후 생존하면, 통조림 속 혐기 환경에서 발아하여 독소를 생성할 수 있습니다. 이를 감안하여 pH 4.5 이상으로 산도가 낮은 통조림 식품에서는 포자를 10^12배 감소시키는 수준을 안전 기준으로 합니다. C. botulinum은 D121값이 0.21분이므로 최저 열처리는 2.52분(0.21x12)이 필요합니다. 이는 10^12개의 통조림이 각각에 포자 1개가 있었다면, 열처리 후 단 하나의 포자만 생존할 확률이라는 의미입니다. 즉, C. botulinum이 생존이 불가능해져 제품의 안전을 보장하는 것입니다. 실제로 가열시간을 정할 때는 통조림 내 포장되는 식품의 성분과 통조림의 크기를 고려해야 합니다. 저온살균법은 주로 60~80°C의 비교적 낮은 온도에서 식품을 가열하는 살균 방법입니다. 대표적으로, 아이스크림, 우유, 액상 달걀 등이 그 과정을 거칩니다. 우유는 HTST 방식으로 71.1°C에서 15초 이상 처리하는데, 이 과정은 그람 음성 부패균을 제거하여 저장성을 높이는 부가적 효과를 제공합니다.