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량하 황보
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1 Food Engineering Progress Vol. 14, No. 3. pp. 229~234 (2010.8) 효소형 Time-Temperature Integrator 를이용한쇠고기의부패확인 이중용 이승주 홍광원 * 동국대학교식품공학과 Use of Commercial Enzymatic Time Temperature Integrator for Monitoring Spoilage of Ground Beef Jung-Young Lee, Seung-Ju Lee, and Kwang-Won Hong* Department of Food Science and Technology, Dongguk University Abstract The applicability of a commercial enzymatic time-temperature integrator (TTI) for monitoring spoilage of ground beef was investigated under isothermal storage condition at different temperatures. The volatile basic nitrogen (VBN) value was used as a spoilage index for ground beef. The time taken to reach the spoilage of ground beef stored at 4, 10, 15, 20, and 25 o C were 168, 114, 60, 48, and 24 hrs, respectively. However, these quality losses of beef were not coincided with the endpoints of the three different C-type TTIs (C-1, C-4, and C-7). In order to match the TTI response to the quality loss of beef, some ingredients such as enzyme and substrate solutions were extracted from C-1TTI and remixed with different amount of them in the tubes to constitute the modified TTIs. The responses of the modified CM-1 TTI were very close to the quality loss of beef stored at 20 and 25 o C, but not at other temperatures tested. The response of the other modified CM-2 TTI was only matched to the quality loss of beef stored at 15 o C. Therefore, systematic kinetic studies of food spoilage and the TTI response are required to apply the TTI as a quality indicator for a specific food. Key words: time temperature integrator, VBN, beef, spoilage 서 최근식품의안전과품질에대한소비자들의관심이증가함에따라저장또는유통조건에따라품질의변화를실시간으로나타낼수있는 time-temperature integrator (TTI) 가다양한식품에적용되고있다 (Bin et al., 1991). TTI란식품의저장및유통중제품이노출된시간-온도이력을정량적으로나타내는일종의센서이다 (Lee & Lee, 2008). TTI는식품포장에부착되어온도변화에따라화학적, 물리적, 효소적, 그리고미생물학적작용을통해 TTI 의색이변화하거나색이확산함으로써육안으로관찰이가능하다 (Guiavarc`h et al., 2004). 또한경제적이고냉장조건에서도식품의품질에온도이력이어떠한영향을미치는지모니터링할수있는간편한장치이다. 따라서 TTI는 Corresponding author: Kwang-Won Hong, Department of Food Science and Technology, Dongguk University College of Life Science and Biotechnology, Dongguk University, 26, 3 Pil-dong, Chung-gu, Seoul , Korea Tel: ; Fax: hkwon@dongguk.edu Received June 25, 2010; revised July 12, 2010; accepted July 14, 2010 론 시간-온도이력에따른식품의부패정도를판단할수있고, 유통및저장기간중유효기간이얼마나남아있는지예측하는데도유용하게이용할수있다 (Taoukis & Labuza, 1989a,b; Taoukis et al., 1999). TTI는온도에민감한유제품, 과일, 야채, 생선, 해산물, 육류등과같은냉장 냉동식품등다양한종류의식품에대하여외국에서적용된사례가많이보고되고있다 (Chen & Zall, 1987; Dolan et al., 1985; Bin et al., 1991; Giannakourou & Taoukis, 2002; Grisius et al., 1987; Labuza and Fu, 1995; Mistry & Kosikowski, 1983; Rice, 1989; Rodriguez & Zaritzki, 1983; Shellhammer & Singh, 1991; Singh & Wells, 1985; Singh & Wells, 1987; Tinker et al., 1985; Tucker et al., 2007; Claeys et al., 2003). 현재상업적으로사용되는 TTI는효소형, 고분자형, 확산형이주를이루고있다. 이중가장많이상용화되어있는 TTI는 VITSAB(VITSAB AB, Malmo, Sweden) 의효소형 TTI(Agerhem & Nilson, 1981; Blixt et al., 1977) 와착색화합물을만들어내는고분자형 Lifelines Freshness Monitor TTI(TempTime Inc., Morris Plains, NJ, USA) 이다 (Brody, 2001). VITSAB의 TTI는기질이효소에의해가수분해되어 ph 감소가일어나게되고이에따라색이변하 229

2 230 이중용 이승주 홍광원 는원리를기반으로하는효소형 TTI이다. 이는격벽에의해두공간으로나누어져있으며, 한쪽에는효소용액이들어있으며, 다른한쪽에는 ph 지시약과함께지질수용액이들어있다 (Taoukis, 2001). 사용목적에따라다양한종류의효소및기질을사용할수있으며, 두공간을나누고있는격벽의파괴에의해 TTI의활성화가시작된다 (Giannakourou et al., 2005). Lifelines Freshness Monitor TTI는고체상태로의중합반응원리를이용한것이다 (Fields & Prusik, 1983). 이고분자형 TTI는온도의증가에따라단량체인 diacetylene의중합반응이일어나색을나타내는결정형구조가된다. 색변화는광학레이저장치를이용하여측정할수있다 (Kerry et al., 2006, Taoukis, 2001). 확산형 TTI인 3M Monitor Mark(3M Co., St. Paul, MN, USA) 는심지를따라확산되는파란색염료인 ester의확산에의해반응이이루어지며 (Manske, 1973), ester의종류와농도에따라다양한온도범위와반응시간을결정할수있다 (Taoukis, 2001). 쇠고기의품질변화를예측할수있는인자로는 lactic acid bacteria(lab), Pseudomonas spp, ph, 육색변화, volatile basic nitrogen(vbn) 등여러품질지표가있다 (Byeon et al., 2009). 특히 VBN은식품의부패에따라생성되는각종아민류와암모니아의양을측정하는방법으로서육제품의신선도를평가하는중요한지표가된다 (Ko & Yang, 2001). 주로육류의부패정도를나타내는품질지표로알려진 VBN과상용화된 TTI의관계에대한연구및 TTI의한계점에대한연구는국내에서는매우미미한실정이다. 따라서본연구에서는국내에서쇠고기의품질변화에적합한새로운 TTI의개발에앞서현재시판되고있는효소형 TTI의특성을이해하기위해다양한온도조건에서 TTI 의색변화를테스트하고기존제품에서효소와기질량의변화가온도에따른종말점변화에미치는영향을검토하고자하였다. 동시에다양한온도하에서시간의경과에따른쇠고기의 VBN 함량과효소형 TTI의색변화와의관계를비교분석하여온도별쇠고기품질변화에적용가능한 TTI 사용조건을조사하였다. 재료및방법 쇠고기본연구에서는저렴하면서도등심과비슷한식감을주어소비자들이선호하는채끝을시료로사용하였다. 시료로사용된쇠고기의이력은강원도횡성군의축사에서 2년간사육되고도축되어 -2 o C-5 o C에서 20일정도보관된 1등급한우육을사용하였다. 쇠고기는사용직전믹서에갈아 5g을 Falcon tube에넣어실험온도에따라보관하며사용하였다. 효소형 TTI 본실험에서사용한 TTI는 VITSAB(VITSAB AB) 사의 C-type TTI로이제품은육제품및갈은쇠고기에주로사용되고있다. C-type은시간-온도이력에따라초기에녹색에서진한황색을거쳐종말점에도달하면적색으로색의변화가일어난다. C-type은 3개의 TTI(C-1, C-4 및 C-7) 로구성되어있으며 4 o C에서서로다른시간에각각종말점에도달하도록설계되어있다. 4 o C에서 C-1 type은 1일, C-4 type은 4일, C-7 type은 7일만에종말점에도달한다. 변형된 TTI의구성및 TTI 색변화측정변형된 TTI를구성하기위하여 C-1 TTI의주구성분인효소용액과기질-지시약이들어있는부분을각각멸균된 syringe를이용하여추출하였다. 변형시킨 TTI의반응이일어나도록 Eppendorf tube에추출한효소, 기질-지시약을일정비율로분주하고 vortex mixer를이용하여충분히혼합후, 10, 15, 20, 25 o C 항온배양기에보관하여재구성한 TTI의색변화를확인하였다. TTI의색변화는 Giannakourou et al.(2005) 의제시된방법에따라 I(Green), II(Yellowish-green), III(Yellowish-brown), IV (Brown) 및 V(Red) 총 5단계로등급화하여사용하였다. Volatile Basic Nitrogen(VBN) 측정휘발성염기태질소를 Conway법 (Conway, 1948) 을이용하여시료 5g에증류수 25 ml를넣고잘섞어 30분간침출후여과하여, 확산기덮개의갈아맞추는부분에는기밀제를고루발라주었다. 여과액에 5% 황산을사용하여 ph 4로중화시킨후확산기외실아래쪽에 1mL를넣었다. 확산기내실에 0.01 N 황산 1mL를가한뒤, 확산기외실윗쪽에탄산칼륨포화용액 1mL를넣고덮개를덮어외실의용액을섞어주었다. 이때외실과내실의용액이섞이지않게주의하여야한다. 25 o C에서 60분정치후황산용액에 Brunswik 시약을한방울떨어뜨린후, 0.01 N 수산화나트륨용액으로적정하여, 아래의식 (1) 로환산하였다. VBN(mg/%) = 0.14 (b-a) f W 여기서 a는본실험에서의적정치 (ml), b는공실험의적정치 (ml), d는희석배수, W는시료의양 (g), f는 0.01 N NaOH의역가를의미한다 ( 식품공전, 2002). 결과및고찰 100 d (1) 효소형 C-type TTI의특성본실험에서사용한효소형 TTI C-type은 3종류의 TTI 로이루어져있으며, 4 o C에서 C-1 TTI는 1일, C-4 TTI는

3 효소형 Time-Temperature Integrator 를이용한쇠고기의부패확인 231 Fig. 1. The end points of the C1-type ( ), C4-type ( ), and C7-type ( ) TTIs stored at different temperatures. Fig. 2. Plots of the VBN contents of ground beef stored at different temperatures. 4일, C-7 TTI는 7일만에종말점에도달하도록설계되어있다. 하지만쇠고기는저장이나유통과정중 4 o C가유지되지않고적정온도이상의다양한온도에노출될수있다. 따라서이 C-type의 TTI가 4 o C 이상의다른온도에노출되었을때, 종말점에도달하는시간이제시되지않아다른온도에서종말점에도달하는시간을확인하기위해 20 o C, 15 o C, 10 o C 및 4 o C, 총 4개의 steady state 조건에보관하면서각각종말점에도달하는시간을조사하였다. Fig. 1과같이 4 o C에서보관시 3 종류의 TTI가정해진시간에종말점에도달함을확인할수있었으며온도가증가할수록종말점에도달하는시간이감소하였다. 10 o C에보관한경우 C-1은약 22시간, C-4는 92시간, C-7는 150시간후에종말점에도달하였다. 15 o C에보관한경우 C-1은약 20시간, C-4는 82시간, C-7는 144시간후에종말점에도달하였다. 20 o C에서보관하였을때는 C-1은 10시간, C-4 는 74시간, C-7은 126시간에종말점에도달하였다. 이러한결과는온도가증가함에따라효소의활성이증가하여종말점에도달하는시간이단축되기때문인것으로보인다. VBN 함량과쇠고기의품질변화저장중의쇠고기는내재효소와미생물의작용으로인하여육단백질이저분자무기질소화합물인펩타이드와아미노산으로분해되어 VBN함량은상승한다 (Al-Masri et al., 2007). 일반적으로 VBN 함량이 mg% 이상일때관능적으로쇠고기가부패한것으로간주한다 (Kim et al., 1972). 식품공전 (2002) 에서도포장육의경우 VBN 함량을 20 mg% 이하로규정하고있다. C-type의 TTI를쇠고기의저장중품질변화확인에사용하기위해다양한온도에서쇠고기를보관하면서쇠고기의대표적품질지표인 VBN 함량을시간별로측정하였다. 분쇄한쇠고기 5g을각각의 Falcon tube에넣은다음, 25 o C, 20 o C, 15 o C, 10 o C, 4 o C로설정된항온배양기에저장하면 서일정시간간격으로꺼내어 VBN 함량을측정하면서동시에관능적으로부패냄새를확인하였다. 쇠고기의저장온도가 25 o C, 20 o C, 15 o C, 10 o C, 4 o C의경우 VBN 함량이 18 mg% 이상검출된시간은각각 24, 48, 60, 114, 168시간이었다 (Fig. 2). 온도가증가할수록쇠고기가부패하는데소요되는시간이급속히단축됨을알수있었으며 4 o C의경우 7일, 25 o C의경우하루만지나도부패하였다. 앞서언급한세종류의 C-type TTI들은, 4 o C에서 C-7 type을제외하고는실험한총 5개온도구간에서종말점인적색에도달한시간이 VBN 함량의측정을통한쇠고기의부패소요시간과일치하지않았다. 따라서 C-type TTI 기존의구성분형태로는 TTI의종말점색변화와쇠고기의부패시점을일치시킬수없으므로구성분의양적인변형을통하여 TTI를재구성하고이를쇠고기의품질변화지시계로이용하고자하였다. 온도별쇠고기의부패를나타내는맞춤형 TTI의구성 Giannakourou et al.(2005) 은시간-온도이력에따른 TTI 의색변화는색차계를이용한측정이나가시적인색변화를 6등급으로나누어측정한다고보고하였다. 본연구에서는 TTI의색변화를총 5등급으로하여 I(Green), II (Yellowish-green), III(Yellowish-brown), IV(Brown), V(Red) 로구분하였다. Fig. 3에서보는바와같이시간-온도이력에따른 TTI의색변화는식품이안전함을나타내는등급녹색에서식품이부패되었음을알리는등급종말점적색까지 5단계로나타내었다. 시간-온도이력에따른쇠고기의품질변화와 TTI의색변화가일치하는 TTI 지시계구성을위해 4 o C에서 1일만에종말점에도달하는 C-1 TTI를이용하였다. C-1 TTI는 C-4 와 C-7 TTI보다반응속도가빠르므로 4 o C보다높은온도조건에서반응시킬때효소의양을줄여가며사용이가능할것으로예상하여 C-1 TTI에들어있는효소와기질을

232 이중용 이승주 홍광원 Fig. 3. The grade and the color change process of enzymatic C- type TTI. G, green; Y.G, yellowish-green; Y.B, yellowish-brown; B, brown; R, red. 해체하여사용하였다.

4 232 이중용 이승주 홍광원 Fig. 3. The grade and the color change process of enzymatic C- type TTI. G, green; Y.G, yellowish-green; Y.B, yellowish-brown; B, brown; R, red. 해체하여사용하였다. 총 4개의온도조건인 10, 15, 20, 25 o C에서쇠고기의부패시점에 TTI의색이종말점에도달할수있도록다양하게효소와기질의양에변화를주었다. 먼저 C-1 TTI의효소 65 µl와기질 140 µl를사용하여변형시킨 CM-1 지시계는 25 o C와 20 o C에보관된쇠고기의 VBN 함량이각각부패시점인 24시간과 48시간에도달하였을때색변화가등급인적색으로변하여 TTI 색변화와쇠고기의부패시점이일치하는것을확인하였다 (Fig. 4와 Fig. 5). 또한 C-1 TTI의효소 60 µl와기질 140 µl를사용하여변형시킨 CM-2 지시계는 Fig. 6에서보는것과같이 15 o C에서종말점색변화가쇠고기의부패시점인 60시간과일치하였다. 한편 10 o C의경우는다양하게효소의양을감소시켜실험을진행하였지만, VBN 함량으로결정된쇠고기의부패시점인 114시간정도에 TTI의색변화가종말점인등급에도달할수있는조건을찾을수없었다. 이는효소의양을감소시키면서변형된 TTI를구성하였을때, 효소의활성이저해를받거나효소농도가낮아기질과의반응이제한적인것으로추정된다. 일반적으로효소형 TTI의경우효소, 기 Fig. 5. VBN values of ground beef and color changes of the modified CM-1 TTI stored at 20 o C. Fig. 6. VBN values of ground beef and color changes of the modified CM-2 TTI stored at 15 o C. 질, 발색지시약이외에도안정제나동결방지제가포함되어효소의활성을유지시키는것으로알려져있다 (Guiavarc`h et al., 2004, Park et al., 1994). 본실험을통해서효소와기질량조절을통해변형된 TTI 지시계는일부온도에보관된쇠고기의품질변화를나타낼수있었으나다른온도에서는품질변화를일치시킬수없었다. 이는일반적으로상용화된 TTI가특정식품에대해다양한온도범위에서정확한품질변화를나타내는데는한계가있다는것을보여준다. 따라서시판되는 TTI 의현장적용을위해서는보다많은연구를통해특정식품의품질변화를다양한온도에서나타낼수있는맞춤형 TTI 지시계의개발이필요할것으로보인다. 요 약 Fig. 4. VBN values of ground beef and color changes of the modified CM-1 TTI stored at 25 o C. 시판되는효소형 TTI 를이용하여다양한온도에서보관중인간쇠고기의부패확인이가능한지조사하였다. 쇠고기의부패확인지표로는 volatile basic nitrogen(vbn) 을

5 효소형 Time-Temperature Integrator 를이용한쇠고기의부패확인 233 이용하였다. 실험온도 4, 10, 15, 20 및 25 o C에서쇠고기가부패하는데소요된시간은각각 168, 114, 60, 48 및 24시간이었다. 상기조건에서쇠고기의품질변화는본실험에사용한 3 종류의 C-type TTI(C-1, C-4, 및 C-7) 의반응종말점들과일치하지않았다. TTI의반응을쇠고기의품질변화에일치시키기위해 C-1 TTI로부터효소와기질성분을추출하여 Eppendorf tube에서서로다른양으로혼합하여변형된 TTI를구성하였다. 변형된 CM-1 TTI의반응은 20 o C와 25 o C에서쇠고기의품질변화와매우유사하였으나다른온도에서는일치하지않았다. 변형된 CM-2 TTI의반응은 15 o C에서만쇠고기의품질변화와일치하였다. 따라서 TTI를특정한식품의품질변화지시계로사용하기위해서는식품의부패와 TTI 반응에대한체계적인 kinetics 연구들이필요할것으로보인다. 감사의글 본연구는농림수산식품부에서주관하는농림기술개발연구과제의지원으로수행하였으며, 이에감사드립니다. 참고문헌 Agerhem H, Nilsson, HJ Substrate composition and use thereof. US patent 4,284,719. Al-Masri MR, Al-Bachir M Microbial load, acidity, lipid oxidation and volatile basic nitrogen of irradiated fish and meatbone meals. Bioresource Tech. 98: Bin FU, Taoukis PS, Labuza TP Predictive microbiology for monitoring spoilage of dairy products with time-temperature integrators. J. Food Sci. 56: Blixt KG, Tornmarck SIA, Juhlin R, Salenstedt KR, Tiru M Enzymatic substrate composition adsorbed on a carrier. US patent 4,043,871. Brody AL What s active about intelligent packaging? Food Technol. 5(6): Byeon KE, An SR, Shim SD, Lee JY, Hong KW, Min SG, Lee SJ Investigation on beef quality indicator of off-flavor development during storage. Korean J. Food Sci. Ani. Resour. 29: Chen JH, Zall RR Packaged milk, cream and cottage cheese can be monitored for freshness using polymer indicator labels. Dairy Food Sanit. 7: Claeys WL, Indrawati AM, Van L, Hendrickx ME Review : Are intrinsic TTIs for thermally processed milk applicable for high-pressure processing assessment? Innov. Food Sci. Emerg. Tech. 4: Conway EJ Microdiffusion analysis and volumetric error. Nature 161: 583 Dolan KD, Singh RP, Wells JH Evaluation of time-temperature related quality changes in ice cream during storage. J. Food Process. Pres. 9: Fields SC, Prusik T Time-temperature monitoring using solid-state chemical indicators. IIR Commission C2 preprints, 16th Intl. Cong. Refrig. pp Giannakourou MC, Koutsoumanis K, Nychas GJ, Taoukis PS Field evaluation of the application of time temperature integrators for monitoring fish quality in the chill chain. Int. J. Food Microbiol. 102: Giannakourou MC, Taoukis PS Systematic application of time temperature integrators as tools for control of frozen vegetable quality. J. Food Sci. 67: Grisius R, Wells JH, Barrett EL, Singh RP Correlation of time temperature indicator response with microbial growth in pasteurized milk. J. Food Process. Pres. 11: Guiavarc`h Y, Van LA, Zuber F, Hendrickx ME Development characterization and use of a high-performance enzymatic time-temperature integrator for the control of sterilization process impacts. Biotechnol. Bioeng. 88: Kerry JP, O Grady MN, Hogan SA Past, current and potential utilization of active and intelligent packaging systems for meat and muscle-based products : A review. Meat Sci. 74: Kim YJ, Park YK, Kong UY Studies on the preservation of raw beef by gamma radiation. Korean J. Food Sci. Technol. 4: Ko MS, Yang JB Effects of wrap and vacuum packaging on shelf life of chilled pork. Korean J. Food Nutr. 14: KFDA. Food code Korea Food and Drug Administration. Seoul, Korea, pp Labuza TP, Fu B Use of time temperature integrators, predictive microbiology and related technologies for assessing the extent and impact of temperature abuse on meat and poultry products. J. Food Safety 15: Lee JM, Lee SJ Kinetic modeling for predicting the qualities of beef and color of enzyme time-temperature integrator during storage. Food Eng. Prog. 12: Manske WJ The application of controlled fluid migration to temperature limit and time temperature integerators. IIR Commission C2 preprints, 16th Intl. Cong. Refrig. pp Mistry V, Kosikowski FV Use of time-temperature indicators as quality control devices for market milk. J. Food Protect. 46: Park KH, Yoon SH, Lee CH, Kim DY, Kim JW Timetemperature indicator using phospholipid-phospholipase system and application to storage of frozen pork. J. Food Sci. 59: Rice J Keeping time-temperature tabs on refrigerated foods. Food Processing 50: Rodriguez N, Zaritzky NE Development of time temperature integrator indicator for frozen beef. J. Food Sci. 48: Shellhammer TH, Singh RP Monitoring chemical and microbial changes of cottage cheese using a full history timetemperature indicator. J. Food Sci. 56: Singh RP, Wells JH Use of time-temperature indicators to monitor quality of frozen hamburger. Food Technol. 39(12): Singh RP, Wells JH Monitoring quality changes in stored frozen strawberries with time-temperature indicators. Int. J. Refrig. 10: Taoukis PS Modelling the use of time-temperature indica-

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04_이근원_21~27.hwp

04_이근원_21~27.hwp 1) KIGAS Vol. 16, No. 5, pp 21~27, 2012 (Journal of the Korean Institute of Gas) http://dx.doi.org/10.7842/kigas.2012.16.5.21 실험실의 사례 분석에 관한 연구 이근원 이정석 한국산업안전보건공단 산업안전보건연구원 (2012년 9월 5일 투고, 2012년 10월 19일