pissn 2384-0269 eissn 2508-3635 J. Milk Sci. Biotechnol. 2017;35(2):121-133 https://doi.org/10.22424/jmsb.2017.35.2.121 ARTICLE 우유의열처리가우유품질과영양가에미치는영향 : Ⅲ. 우유열처리에의한병원균사멸효과 1 문용일 정지윤 2 오세종 2* 1 우석대학교동물자원식품학과, 2 전남대학교동물자원학부 * Effects of Heat Treatment on the Nutritional Quality of Milk Ⅲ. Effect of Heat Treatment on Killing Pathogens in Milk Yong-II Moon 1, Ji Yun Jung 2, and Sejong Oh 2* 1 Dept. of Animal Source Foods, Wooseok University, Wanju, Korea 2 Division of Animal Science, Chonnam National University, Gwangju, Korea Abstract A small amount of milk is sold as 'untreated' or raw in the US; the two most commonly used heat-treatments for milk sold in retail markets are pasteurization (LTLT, low-temperature long time; HTST, high-temperature short time) and sterilization (UHT, ultra-high temperature). These treatments extend the shelf life of milk. The main purpose of heat treatment is to reduce pathogenic and perishable microbial populations, inactivate enzymes, and minimize chemical reactions and physical changes. Milk UHT processing combined with aseptic packaging has been introduced to produce shelf-stable products with less chemical damage than sterile milk in containers. Two basic principles of UHT treatment distinguish this method from in-container sterilization. First, for the same germicidal effect, HTST treatments (as in UHT) use less chemicals than cold-long treatment (as in in-container sterilization). This is because Q10, the relative change in the reaction rate with a temperature change of 10 C, is lower than the chemical change during bacterial killing. Based on Q10 values of 3 and 10, the chemical change at 145 C for the same germicidal effect is only 2.7% at 115 C. The second principle is that the need to inactivate thermophilic bacterial spores (Bacillus cereus and Clostridium perfringens, etc.) determines the minimum time and temperature, while determining the maximum time and temperature at which undesirable chemical changes such as undesirable flavors, color changes, and vitamin breakdown should be minimized. Received: June 15, 2017 Revised: June 19, 2017 Accepted: June 25, 2017 *Corresponding author : Sejong Oh, Division of Animal Science, Chonnam National University, Gwangju, Korea. Tel : +82-62-530-2116, Fax : +82-62-530-2129, E-mail : soh@chonnam.ac.kr Keywords bacterial spore, thermoduric microorganism, Clostridium, low temperature long time(ltlt), ultra high temperature(uht) 서론 우유의살균은우유안전을향상시키는효과적인방법이지만, 최근까지미국에서살균되지않은우유의 섭취로공공보건문제가발생하고있다는사실에조금은놀라지않을수없다. 살균되지않은우유의 섭취는 Campylobacter spp., Shiga toxin-producing Escherichia coli, Salmonella enterica serotype Typhimurium 과같은여러병원균에의한심각한질병과관련이있다. This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/ licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Copyright 2017 Korean Society of Milk Science and Biotechnology. 121
Moon et al. 사실, 유럽과북미에서우유를살균해야한다는거세대한법제화 가이루어진이후에, 유제품에사용되는원유를반드시살균해야 한다는규정은미국의미시간주에서 1948 년에처음제정되었다. 1987 년미국식품의약국 (FDA) 은살균하지않은우유의전국적판 매 (Interstate sale) 를금지시켰다. 그렇지만 State 에서의판매를 규제하는법률은각주마다다른데, 비살균우유의전국판매에대 한규제는완전금지에서농장이나소매판매점 (retail outlet) 의판 매허용까지다양하다. 비살균우유의판매가불법인주에서도 cow-share 나 herd-share agreement( 협정 ) 을통해구할수있 는데, cow-share agreement 는구매자가생산된우유의비율에 대한대가로구매자가위탁사육료를목부에게지불하는제도이다. 비살균우유음용이보건상의문제가있음에도불구하고, 비살균 우유에대한수요가증가하고있는점은흥미로운일이다. 미국에 서비살균우유로인한발병건수는 2007~2009 년 30 건에서 2010~2012 년 51 건으로증가했으며, Campylobacter spp. 로인 한발병이가장높았다 (77%). 우유의열처리가우유품질과영양가에미치는영향 의세번째장 은 우유열처리에의한병원균사멸효과 라는제목으로중앙대학 교윤영호교수가작성하였다. 원유및우유에존재하는병원성세 균에의하여발생되는질병에대한내용과열처리효과에대한연 구결과들이자세하게제시되어있어, 후학들이공부하기에충분한 가치가있다고판단된다. 그러나본문내용중에서학문후속세대 들이이해하기어려웠던것은가감하여재작성하였으며, 원전에인 용문헌이자세하게기술되어있지않았기때문에, 논문재작성시 일일이찾아학술지인용문헌형식으로바꾸었지만, 찾을수없었 Fig. 1. Outbreaks associated with nonpasteurized milk, by etiologic agent and year, United States, 2007~2012. Three outbreaks involved multiple pathogens: Campylobacter spp. and Salmonella enterica serotype Typhimurium; Shiga toxin producing Escherichia coli O157:H7 and Campylobacter and Cryptosporidium. E. coli serogroups: O157 (10 outbreaks), O111 (1 outbreak), O26: H11 (1 outbreak), O157:H7 and O121 (1 outbreak). 던논문은부득이하게삭제했음을밝혀둔다. 본론 우유를매개체로하여병원균이전염되는예가 1900년대이후여러가지경로를통하여나타나는것이확인되었으며, 이러한우유매개성질병과병원균의전염과정에관한많은연구결과가보고되어있다 (Bryan, 1983). 우유매개성질병의발생은대부분의경우, 열처리되지않은생유음용과연관하여나타났다. 이는대부분의병원성미생물은저온살균및열처리과정에서살멸된다는사실을확인해주는것이다. 오늘날에도우유매개성질병과그병원체로중요시되는것은 Salmonellosis, Campylobacteriosis, Staphylococus 중독증, Brucellosis, Yersiniosis 등이있다. 이들을중심으로하여과거에문제시되었던우유매개성질병의병원균이열처리에대한저항성과저온살균의가열살멸효과에관하여고찰하기로한다. 우유매개성질병과병원체 우유매개성질병은그발생빈도를기준하여, 1) 근래에중요시되는질병과그병원체, 2) 과거에관심이집중되었던우유매개성질병과그병원체, 3) 우유매개는희소하게나타나는질병과병원체로구분될수있다. 1900년대초기로부터 1945년기간중에는주로생유음용과연관되어질병이발생되었으나, 그이후대부분의우유는살균되었으므로발생률은급격히감소하였다. 우유의저온살균은 1900년대초기에공중보건학적으로여러문헌에보고되었지만, 널리보급되지는않았다. 미국의경우, 미국보건성에의해발표된우유처리규정은 1924년에제정발표되었고, 그이후부터저온살균이국가적차원에서강조되었다. 1950년대이후에는생유와연관된질병발생건수가극히소수이지만이기간에도발생보고는있으며, 개인적기호에따라열처리하지않은우유음용을선호하기때문인것으로판단된다. Table 1에는 10년을주기로하여미국에있어서우유매개성질병발생빈도를나타내었으며, 여기에제시된뚜렷한경향은 1900년부터 1940년까지는장티프스가우유매개성주요질병이었으나, 그후 20년간그발생률은급격한감소를나타내어 1960년이후에는장티프스발생이우유와연관하여발생되었다는보고는없었다. 1900년으로부터 1930년기간에발생빈도가두번째로높았던질병은연쇄상구균감염증 ( 성홍열 ) 이었으나, 그이후이질병발생도 122 J. Milk Sci. Biotechnol. Vol. 35, No. 2
우유의열처리가우유품질과영양가에미치는영향 :. 우유열처리에의한병원균사멸효과 Table 1. Percent of reported milk-borne diseases by decade(usa) Disease 1900~1909 1910~1919 1920~1929 1930~1939 1940~1949 1950~1959 1960~1969 1970~1979 1980~1982 Arizonosis 1 Botulism 1 <1 1 1 Brucellosis 1 8 4 9 1 Campylobacteriosis <1 3 40 Diphtheria 8 2 4 1 1 Escherichia coli diarrhea 1 Haverhill fever <1 Hepatitis A <1 2 1 Histamine intoxication 1 Iron intoxication 1 Milk sickness <1 Petroleum poisoning 2 Poliomyetilis <1 <1 <1 Pseudomonas aeruginosa infection <1 Q fever 1 Salmonellosis 1 3 2 7 21 28 41 50 Shigellosis 1 2 4 3 Staphylococcal intoxication 8 26 50 30 5 Streptococcal intoxication 45 15 18 27 8 Toxoplasmosis 1 Typhoid fever 78 80 68 50 17 3 Yersiniosis 1 Unknown etiology <1 1 3 8 26 17 31 41 감소하여현재에는거의발생보고가없는상태이며, 디프테리아는간혹발생사례가보고되었으나 1946년이후에는나타나지않았다. 포도상구균성식중독증과살모넬라감염증및병원균을알지못하는질병등이근래에는관심의대상이되었는데, 주로아이스크림, 분유, 치즈등이이질병발생과연관된것을확인할수있었다 (Bryan, 1983). 살모넬라균증과병인체를알수없는위장염이 1970 년대에서중요한생유매개성질병으로확인된바있으며, Campylobacteriosis 도중요한질병으로부상하였다. 1970년대에우유매개성질병발생에있어매개체로작용한우유및유제품의종류는 Table 2에제시되었다. 가정에서제조한 ice cream에는계란을첨가하는데이기간중 Salmonella 감염증발생과가장높은빈도로연관성이있는것이확인되었다. 치즈와생유가빈번하게질병매개유제품으로지적되었고, 일반적으로우유로표시된것은생유를지칭하며저온살균유와 chocolate milk는부적절한살균을했거나살균이후 2차오염되었을것으로판단되었다. 우유열처리에의한병원균사멸효과 1. 주요원유매개성질병병원체의내열성과사멸효과살모넬라감염증 (Salmonellosis): 살모넬라감염증이우유매개성 J. Milk Sci. Biotechnol. Vol. 35, No. 2 123
Moon et al. Table 2. Milk and milk products reported as vehicles of disease outbreaks 1970~1979(USA) Salmonellosis Staphylococcal intoxication Campylobacteriosis Escherichia coli diarrhea Yersiniosis Arizonosis Brucellosis Hepatitis A Toxoplasmosis Petroleum poisoning Histamine intoxication Iron poisoning Unknown Total Raw milk 3 1 1 2 7 Milk, unspecified 1 1 1 8 12 Certified milk 2 1 3 Pasteurized milk 2 2 Chocolate milk 1 1 1 3 Milk formula 1 1 Powdered milk 2 1 3 Butter 1 2 3 Whipped butter 1 1 Whipped topping 1 1 Cheese 1 1 1 1 10 14 Sour cream 1 1 Cheese puff 1 1 Milk shake mix 2 2 Ice cream 26 1 1 12 40 Unspecified, dairy product 1 1 2 Human milk 2 2 Total 40 5 3 1 1 1 1 1 1 2 1 1 40 98 으로발생하는경우는우유를열처리또는끓이지않고섭취하는지역에서빈번히발생한다. 그러므로생유와특급우유 (certified milk) 가매개체로판명되었고때에따라살균유, 분유, Cheddar cheese 도연관되는경우가있다. Salmonella dlublin, Salmonella newbrunswick, Salmonella geiderberg, Salmonella derby 등이병원균으로분리되었다. 우유중에이병원체가오염되는경로는사료또는우사내의환경으로부터감염되어분변으로배설하게되며, 소의피부와유방이이병원체로오염되어우유로이행되어재오염되는경우도있다. 열처리에의한 Salmonella 의사멸효과는 55 에서 60분간, 60 에서 15~20분간가열할때사멸된다. 전지유에서 Salmonella 는 62.8 에서 3.6~5.7 초이내에사멸하고, 65.6 에서 1.1~1.8 초, 68.3 에서는 0.28~0.52 초가열에의해사멸한다 (Read et al., 1968). Salmonella 균주중에서가장열저항성이높은균주는 Salmonella Senftenberg 775 W로서 65.5 에서 34초, 68 에서 10초, 71.7 에서 1.2초, 73.9 에서 0.55초가열할때사멸한다. 따라서모든살모넬라균주가사멸함에있어 62.8 에서 18.4초만가열하더라도충분한살균효과가있을것으로판단된다. Salmonella sp. 를포함한여러종류의병원성비포자형성세균의가열살멸조건과그내열성은 Fig. 2에나타내었다 (Kessler, 1981). 또한 UHT 열처리과정에서포자사멸조건과내열성에관하여제시되어있다. 켐피로박터감염증 (Campylobacteriosis): 이질병은미국, 영국, 스코트랜드, 캐나다에서우유에의해매개되어발생된보고가있으며주로생유와특급우유가매개체로작용된것으로밝혀졌다. 발생된환자의분변에서 Campylobacter jejuni가분리되었고병 124 J. Milk Sci. Biotechnol. Vol. 35, No. 2
우유의열처리가우유품질과영양가에미치는영향 :. 우유열처리에의한병원균사멸효과 는 1.3~4.5 분, C. intestinalis 는 1.0~3.7 분이라고보고하였다. C. fetus subsp. jejuni 5균주를 48 50, 53 및 55 에서사멸시키는데소요시간을측정한결과는 Table 3에제시된바와같으며, 균주에따라 55 에 D value가 0.74~1.0 분으로차이를내었다 (Doyle and Roman, 1981). Fig. 2. Time-temperature diagram of the heating of milk(modified from Kessler, 1975). P: long-time pasteurization, HTST: high-temperature-short time pasteurization, VHT: very-high-temperature pasteurization, UHT: ultra-high-temperature treatment, ST: sterilization, B.st: decimal reduction of Bacillus stearothermophilus in milk (Miller and Kandler, 1967), B.c: decimal reduction of Bacillus cereus in milk(miller and Kandler, 1967). 원체로확인되었다. 많은종류의포유동물이 C. jejuni 에감염될 수있으며, 이병원체가사람, 소, 면양, 돼지, 닭, 야생조류의분변 에서분리된바있다. 또한이병원체는계육, 해수, 담수등에서도 분리된바있어이를통해서유우혹은우유에로오염될수있다. Campylobacter jejuni 는 56 에서 5 분간가열하면사멸되므로 저온살균과정에서충분히사멸효과가나타날수있다 (Waterman, 1982). C. jejuni 는가열에대하여민감하여 55 에서 D 치는 peptone 중 에서 2.25 분이고, C. fetus subsp. jejuni 의탈지유중에서사멸성 향에관한실험 (Doyleetal, 1981) 에서 48 에서 D 치가 7.2~12.8 분, 55 에서 0.74~1.0 분이었으며, 우유중에오염도가높을때 열처리조건을 55 에서 10 분간가열하면충분히살균되는것으로 확인하였다. Gill 등 (1981) 에의하면이병원균이 9 10 3 ~2.3 10 6 /ml 수준 으로오염된생유를고온단시간살균법 (HTST) 으로처리될때충분 한살균효과를얻은것으로확인하였고, Christopher 등 (1982) 은탈지유중에서 C. jejuni 와 C. intestinalis 는 60 에서 1 분 가열에대하여생존하지못하였고, 50 에서 D value 는 C. jejuni 포도상구균성식중독 (Staphylococcal intoxication): 착유이후 바로냉각하지않은생유나저온살균이보편화되기이전의우유, 산양으로부터착유된생유가포도상구균성식중독을일으키는매 체가된것으로확인된바있다. 드물게나타나는예로서열처리한 후재오염되어발병한예도있으며분무건조된분유에의해서포 도상구균감염증이발병예가있고, 치즈, 아이스크림, 버터도매개 체로작용한예가보고된바있다. Staphylococcus aureus 가대표적인병원균으로확인되었고이 병원균은유우의유방과유관 (teat canal) 에서도자주발견된다. 이는또한유방염의원인균이되며우유유제품이이병원균에의해 오염되는경로는낙농가공공장의종업원들의손이나콧물에의해 오염되며, 이병원체의감염에의한증상이나타남에있어서는충 분한량의 enterotoxin 이생산되어야한다. 이병원균의열저항성은낮은수준이며 100 균주를 65 에 3 분간 가열할때생존하는균주는 3 균주에불과하였고 63~64 에서 30 분가열할때에는완전히사멸한다. Enterotoxin 을생산하는배양 조건은원유중에서 23 에 24 시간, 살균유에서는 12 시간배양하 면독소생산이가능한것으로보고한바있다 (Bonzovic, 1963). 또한 coagulase 를생산하는 Staphylococcus 5 균주를우유중에 서가열할때 60 에서 18 분, 63 에서 5 분, 66 에서 2 분, 71.6 에서 1 분가열하면사멸하였고, 열저항성과병원성은상관관계가 있음을확인하였다. 우유에서분리된 Staphylococcus aueus 를 우유에배양하고가열처리할때 60 에서 D value 는 0.87 분이고, 염류를함유하는배지에서 D value 는 0.62 분이었으며, 이병원 Table 3. D-values for different strains of C. fetus subsp. jejuni as determinedat different temperatures D value (min) at 48 50 53 55 F R I - CF 3 12.8 5.4 1.57 0.74 F R I - CF 6 7.2 4.7 1.83 1.00 F R I - CF 8 7.7 3.5 1.85 0.93 F R I - CF 12 12.8 4.4 1.56 1.00 F R I - CF 16 11.7 5.1 1.95 0.86 J. Milk Sci. Biotechnol. Vol. 35, No. 2 125
Moon et al. 균은가열시작직후로부터가열손상을입으며, 온도증가에따라가열충격도증가하며, 70 에도달하면가열손상과사멸이병행하는것으로확인하였다. 또한 Z value는 9.46 로확인하였다 (Firstenber 등, 1977). 생유중에서 enterotoxin 을생산함에있어서 S. aureus 를 10 3 ~ 10 5 /ml 농도로접종한후 6~8 시간이후에는 enterotoxin 이측정가능한농도에이르기까지생산되었으나, 61 에서 18초간저온살균처리된우유에같은수준으로접종한경우에는생균수가 4~6시간이후에 1.2 10 6 /ml 수준에도달하고독소가생산되어열처리된우유에서성장이생유의경우보다용이한것으로확인되었다. S. aureus 는 enterotoxin 을생산함으로구토를수반하는증상을보이며독소가섭취되면위장벽을자극하고, 설사증상도나타나지만그원인은밝혀지지않았다. S. aureus 가생산하는 enterotoxin은분자량 25,000~35,000 dalton의단순단백질로서열에대한안정성은비교적높다. Enterotoxin B가 A, D보다열저항성이높으나, ph에큰영향을받으며, enterotoxin B를완충용액에서 110 8분가열시불활성화되었으나, beef broth 에서파괴시키는데에는 110 에서 60분이소요되었다. Beef broth 중에서가열파괴시간이연장되는현상은단백질의보호작용에기인된것으로보인다 (Lee, 1977). 브루셀라증 (Brucellosis): 열처리하지않은산양유로만든 cheese 가브루셀라증과연관이있는사례가보고되었으며, 특히, Mexico 지역에서생산된산양유 cheese 가문제시되고있다. 젖소, 유산양, 물소유젖을생산하는동물이 Brucella 의보균자가될수있으며, 이병원균은임신된암컷의자궁과비유중에있는동물의유선에집합되어있어감염된동물은수년간비유를통하여 Brucella를배출하게된다. Brucella 는감염된가축과접촉하거나, 배설물, 먼지등에의해오염되며, 이들은생유중에여러시간동안생존이가능하고 cheese 에서는수주일간생존한다. Brucella abortus 에오염된원유를 63 에서 30분간저온장시간살균과 HTST(72 15초 ) 처리한후 guinea pig에접종하여혈청학적실험과세균학적실험을병행한결과, 음성으로확인되어소비자에게안전하다는사실이확인되었다 (Heever et al., 1982). Foster 등 (1953) 의연구에서 Brucella abortus 2308이우유에오염되어있을때 142 F에서 23분, 161 F에서 45초간가열될때살멸되었다고보고하였다. Yersinia 증 (Yersiniosis): 생유를매개체로하여맹장염과증상이 유사한장염이발생한예가보고되었으며, chocolate milk도매개체의역할을한예가보고된바있다. Yersinia enterocolitica 에의하여장염증상이나타나지만 Yersinia pseudotuberculosis 에의하여패혈증과설사및용혈성증상이나타나기도한다. 동물이 Y. enterocolitica 감염된경우는자주보고되고있으며개울물에도이병원균이오염된예가있어우유도이러한감염원에의하여오염된것으로추정하고있다. Y. enterocolitica 를인위적으로우유에첨가한다음저온살균한후시료를평가한결과, 100 시료중단지 1개의시료에서만분리가능하였으므로저온살균에의하여살균이효과적으로이루어진다는사실이확인되었다. 1) 과거의주요우유매개성질병병원체의내열성과사멸효과장티프스 : Salmonella 에의해발병되는질환을그병상에따라 4 종류로구분되며, 이증상은개별적으로나타나기도하나동시에나타나는경우도있다. 증상이특징적으로나타나지않는회복기의증상이있고장티프스와파라티프스의경우와같이고열증상을수반하는경우도있으며, 식중독증상에서나타나는장염증상과패혈증의증상을보이는것등이다. 장티프스는우유에저온살균이보편화되기이전시기에는우유를매개체로하여빈발했던질병이며, 그병원체는 Salmonella Typhi 이다. 장티프스에이환되었던사람이나이병원균의 carrier 인사람혹은가족중장티프스환자를간호하던사람이감염원이될수있고, 보균자들이젖소의착유또는우유용기를취급함으로인하여우유에 2차오염된다. 이와다른오염원으로우유용기및기구를세척하는물을통하여오염되는예도있으며, 환자의가정으로부터환수된우유병을통하여오염될수도있다. Salmonella Typhi 를열처리된우유에오염시키고, 열내성을조사한결과를보면전지유에 101 균주의장티프스균을접종한후 71 에서 19초간, 85 에서 12초간가열할때 100 균주가사멸하는효과를확인할수있었던것으로보고된바있다. 성홍열 (Scarlet fever): 우유에의해매개된성홍열발생보고는미국에서있었으며, 저온살균이보편화되기이전에는전세계적으로발생된바있다. 이병원균이우유에오염되는경로는유방염에이환된유우의유방과유두등에서착유시원유로이행하게된다. 사람이 carrier 가되어소에 A형유방염이발생되는예가있으며, 이경우환축은많은수의연쇄상구균 (streptococci) 을우유로방출하게된다. 이러한우유를열처리하지않고마시게되면발병하게되는것이다. 126 J. Milk Sci. Biotechnol. Vol. 35, No. 2
우유의열처리가우유품질과영양가에미치는영향 :. 우유열처리에의한병원균사멸효과 Streptococcus pyogenes 가주요원인균이며, 이미생물은 56 에서 30분간가열시살멸되므로저온살균이적정하게이루어질경우살균된다. 디프테리아 : 저온살균이보급되기이전에는디프테리아발생이우유와연관되어나타난바있다. 목장에서일하는사람이 Corynebacterium diphtheriae 의 carrier 이거나환자일경우원유에 2차오염될수있다. 이병원균은가열에의하여쉽게사멸되는미생물로원유에오염된상태에서 58 에 10분간열처리로사멸한다. 우유중에서열내성을측정한결과를보면 143 F에서 0.064분, 161 F에서 0.096초이며, chocolate milk 중에서는 143 F에서 0.025분 161 F에서 0.02초로확인된바있다. 결핵 (Tuberculosis): 소결핵균 Mycobacterium bovis 는원유에의하여전파될수있으며, 인체내에침입한병원균은후두및장에침투하여경부임파절에서병변을생성케한다. 원유를매개체로하여 Mycobacterium bovis가사람에게로전파될수있다는증거가제시된바있으며, 그전파에영향을주는요인중에는유우중에감염을일으키는조건, 즉 M. bovis 가오염될수있는기회와원유중에존재하는미생물수, 원유의열처리여부및우유마시는습성등이있다. 많은수의결핵균에감염된동물의젖에는 M. bovis 가나타날수있으며, 이병원균은분변에서유래하여젖소의유방, 엉덩이, 꼬리등에도존재할수있다. 또한, 감염된유방이나호흡기에존재하는병원균으로부터오염될수도있다. 동물에서우유로오염된예는드물고, 열저항성을보면저온살균과정에서 M. bovis 의많은수가사멸한다. 액상유제품에서결핵균의가열에의한사멸연구 (Stemin, 1958) 에서 Mycobacterium tuberculosis 2균주를우유와 ice cream mix에가하고, 70 와 82 에서각각열처리하고, 일정한시간간격으로시료를채취하여 guinea pig에투여한결과가장미약한열처리를받은 70 에서 15초가열된시료에있어서도생존하지못했다. 고온단시간살균법에의한살균공정에서결핵균의사멸에관한실험결과 (Harrington, 1965) 에의하면저온장시간으로살균된 717시료와고온단시간으로 3,597 시료중에서결핵균생균수확인을위한 guinea pig 실험결과, 감염율은각각 1.1% 와 0.03% 로서고온단시간살균처리된시료의살균효율이높은것으로확인되었다. Mycobacterium tuberculosis, M. bovis, M. avium 과 M. fortitum 등을균종별로시험관내에서멸균된탈지유에오염시킨후 62.8 에서 30분, 71.7 에서 15초가열한후사멸효과를확인한결과모두사멸되었다. 이질 (Shigellosis): 우유와 cheese가원인이된이질의발병이보고된적이있는데, 우유및유제품에보균자로부터오염된후냉장하지않은상태에서수시간방치된제품을섭취하여발병된것으로확인되었다. Shigella dyseteriae, Sh. flexerni, Shigella sonnei 등이이질을일으키는병인균으로가열에의한사멸조건을조사한결과저온살균이확실하게수행된경우, 이들병원균은사멸되는것으로확인되었다 (Nevot et al., 1960). Shigella spp. 에대한열저항성에관한실험에서우유에 2 10 7 / ml 수준으로첨가한후 62 까지예비가열한다음 70, 74, 80 의항온수조에서 15초간가열하였다. 그후이병원균의생존성을평가한결과, 80 이상온도에서 15~20 초간열처리를하면 Shigella sonnei 가사멸되었다고보고하였다 (Milyanovski, 1970). 2) 희귀하게나타나는우유매개성질환병원체내열성과사멸효과보트리눔증 (Botulism): 미국에서발생된 5건의 botulinum 증중에 2건이우유와연관되어발병된것으로, botulinum 증은드물게는 Cottage cheese와 Neufachtel, Lieder kranz cheese 등에도발생되었고, Yoghurt 도매개체로작용되었을것으로인정되고있다. Clostridium botulinum 이주요병원균으로포자 (spore) 를형성하므로열내성이매우높아사멸시키기위해서는더높은수준의열처리가요구된다. Clostridium botulinum 의내열성은혈청형종류에따라다르게나타나는데 A~G 6종의혈청형중에서 E형이가장내열성이약하며 F형은가장내열성이강하고, A형과 B형은중간정도의내열성을나타낸다. 100 에서끓이는정도의열처리로 A형혹은 B형의포자를불활성화시키지는못하는데, 통상적으로저산성식품에서이병원균포자를살멸하기위하여 12D 처리를추천하며 121 에서가열하는것을권장하며, Cl. botulinum 의 D value는 100 에서 100~ 330분이다. Cl. botulinum 포자의열저항성은위에제시한바와같이큰변화폭을나타내고있으며열저항성에영향을주는요인을요약하면다음과같다. (1) 병원체세포의배양시간에의한영향 Esty 와 Myers(1922) 에의하면배양기간이짧은습도가높은상태의 Cl. botulinum 포자가오래배양된상태의포자보다열내성이높다. 또한 Sommer(1930) 의보고에의하면 4~8일배양후의 Cl. botulinum 포자의열저항성이가장높았다고하였으며, 비포자 J. Milk Sci. Biotechnol. Vol. 35, No. 2 127
Moon et al. 형성세포중에서도열저항성의변화를보였다. 내열성연쇄상구균에속하는미생물들은성장곡선중대수증식기초기에내열성이가장높았다고보고하였다. (2) 포자형성기간중의환경조건에따른영향 Williams 등 (1937) 은멸균또는살균된식육중에서생성된포자의내열성이원료육에서열처리받지않은상태로생성된포자보다약 3배정도내열성이강한것이확인되었고 Sugiyama(1951) 의보고에의하면 Cl. botulinum 은배지중에 Fe 2+ 및 Ca 2+ 의농도가일정한수준이하로감소된경우에는포자의열안정성이감소되는것을확인하였다. 또한장쇄지방산이존재하는경우포자의내열성은증가한다고보고하였다. Amaha 와 Odal(1957) 은망간과칼슘이 Bacillus coagulans 의내열성을증가시켰고최대내열성을확보하기위해서는적정량의망간및칼슘등 2가양이온이적절한수준으로존재해야한다고밝혔다. Sugiyama(1951) 는포자형성온도가포자의내열성에영향을미치며고온에서생성된포자는저온에서생성된포자보다열내성이높고, 또한호기성포자의경우포자의열내성이최대생육온도와연관되며최대생육온도가높은포자의내열성이높다고밝혔다. 자연적으로생성된포자는인위적으로유도시킨포자보다내열성이높은것으로나타났다. Soberheim 과 Mundel(1938) 의보고에의하면자연적으로생성된포자를함유하고있는토양에서인위적으로유도된포자의경우보다 6~8배장시간열처리가요구된다고하여, 포자의내열성은배지의물리적상태에따라서도큰차이를보이는것같다. 이는인위적으로유도시킨포자를대상으로실험한결과가실제공장환경에적용시킬때차이가나타날수있음을시사하는것이다. (3) 회수용배지의영향가열이후에병원균이배양될회수용배지의조성이가열살멸시간에큰영향을미칠수도있다. Williams 와 Reed(1942) 및 Sugiyama(1951) 의연구결과에의하면 Cl. botulinum 포자를열처리한후의회수조건및배양온도에따라내열성에영향을미친다고밝혔다. 즉 24, 27 및 31 에서각각배양된 Cl. botulinum 포자가 37 에서배양된것보다회수율이높았으며, 이러한사실은제품시험에있어중요한의의가있다. (4) ph의영향가열 media 의 ph는내열성에큰영향을미친다. Cl. botulinum 에있어서 ph 6.3~6.9 의범위에서가장높은내열성을보이는데, 대부분의포자형성미생물들은중성 ph에서내열성이높다 (Esty and Meyer, 1922). 수소이온농도의증가는통상내열성을감소시키는데, Lang(1935) 은 Cl. botulinum 포자의경우 ph 5.2~6.8 범위에서 ph와내열성간의상관관계는발견할수없었다는보고가있으며, ph가 4.9 일경우에는내열성의급격한감소가확인되었다고보고하였다. 또한 Xezones 와 Hutchings(1965) 는식품중에서 Cl. botulinum 포자의 ph에의한내열성변화를조사한결과, 열처리온도가낮은경우 ph의영향이내열성에크게미친다고보고하였다. (5) 염류의영향 Weiss(1921) 는 Cl. botulinum 포자의내열성이염류를 3% 존재함에따라감소하였고, 염류농도를증가함에따라열저항성은급격히감소한것으로발표되었다. 그러나염류농도에따른효과가이와는상반되게나타난예도있으며, Esty와 Meyer(1922) 에의하면 Cl. botulinum 의내열성은염류가 1~2% 존재함에따라증가하였고 8% 이상으로염류농도를상승시킨경우에는내열성이급격히감소하였다. Cameron(1951) 은 Cl. botulinum 포자의내열성이 110 이하의온도에서는염류에의하여열저항성저하가뚜렷이나타났으나, 110~112 온도범위에서는뚜렷한감소효과는없었다고하였다. 따라서염류의효과는농도, 현탁용배지의종류, 사용균주등에따라가변적이며, 이들이작용은염류에의한 ph의변화기타용질의해리정도의변화에기인된것으로판단된다. (6) 당류, 단백질등의존재에의한영향당류, 그리세롤기타비독성물질은미생물의가열에대한사멸효과에관하여연구한결과, 이러한물질이충분한농도로존재할경우사멸작용을감소시키는것으로나타났다. Sugiyama(1951) 의연구에의하면 Cl. botulinum 포자의열저항성은설탕이존재할경우증가하였으며 12.5% 정도의낮은농도로설탕이첨가되었을때에도약간의사멸을감소시켰다. Gelatin 이나유청고형분등단백질물질도미생물들에있어서열에대한보호작용이있는것으로보고된바있으며 (Anzulovic, 1932), Murray와 Headlee(1931) 는 peptone과같은유기물의양을증가시키면 ph 7.0에서 C. tetani 포자의가열사멸시간을연장하는효과가있음을보고하였고, 혐기성포자의열저항성에미치는성장촉진인자들의효과에관한연구를수행한결과, 중성의인산완충액에 100 ppm의 ascorbic acid를첨가함에따라 Clostridium spp. 의가열사멸시간을 24~36분연장시켰고, Vitamin K를첨가한경우열저항성감소효과를나타내었다. 128 J. Milk Sci. Biotechnol. Vol. 35, No. 2
우유의열처리가우유품질과영양가에미치는영향 :. 우유열처리에의한병원균사멸효과 (7) 지방의효과여러연구자의연구결과를종합하면, 지방이나유지에혼합되어있는병원균은물에혼합되어있는경우보다가열사멸이어렵다고보고한바있으며, Lang 등 (1935) 은이러한효과가 oil 매체의낮은열전도성에기인한다고주장했다. Oil에현탁된 Clostridium botulinum 포자는이미생물이일반적으로사멸되는조건에서도생존한다고보고한바있으나, Nichols (1940) 는우유또는크림중의지방함량이증가해도 Bacillus subtilis 포자의내열성은증가하지는않았다고하였다. (8) 억제물질의효과가열 media 중에억제물질이존재할경우가열저항성을감소시킬것으로예측할수있다. Michener 등 (1959) 은 Cl. sporogens 의열저항성에미치는 650종의물질에관하여연구한결과, ethyl oxide, diepoxy butane, 과산화수소, formaldehyde, dodecyl guanidine, hydrobromide, cetylmethylammonium bromide, 2 methyl-1,4-naphthoquinone, garlic oil 등은열저항성을감소키는것으로나타났다. 항생물질중에 subtilin 을 14 ppm으로첨가하였을때 Cl. botulinum 과 PA 3679 포자의열저항성의변화는대조구대비 47% 의열저항성을보였으며, Cl. botulinum 포자는동일한현탁액조건하에서대조구보다 63% 의열저항성를나타내었다. O Brien(1956) 은 pea puree에 subtilin 과 nisin을첨가한경우 Cl. botulinum 의 D value가감소하였다. 항생물질은포자의열저항성에영향을미치지도못하고포자의발아를방지하지도않으며발아이후에증식을억제하는물질로작용하므로억제할수있는농도를항상유지해주는것이매우중요하다고밝힌바있다. 이러한이유에근거하여항생물질을사용했더라도 Cl. botulinum 포자의불활성화를위한허용된최소열처리수준이하로낮추면안될것이다. E. coli 장염 : Camiemberti cheese 및 Brie cheese 가 Escherichia coli에의한장염 ( 설사 ) 발병에있어서주요원인균으로보고된바있다. 특히유아중에서이들 E. coli 장염발생률이높다. 사람이나동물은많은수의 E. coli 를분변으로배출하며, 이미생물은건강한동물젖이나유방염에걸린젖소, 우유제품및 cheese 에서도종종분리된다. 대장균군중에서열에대한내성이강한 20균주를분리한다음우유에접종하고, 62.8 에가열하고생존시간을측정한결과 1균주는 40분, 다른 1균주는 20분, 7균주는 10분간생존하였다. 우유중의대장균군가열사멸시간을측정한 Olson 등 (1952) 의연 구결과를보면, 분리된 139 균주의대장균을 135 F 에서사멸에도달하는시간이 5분이하부터 150분이상까지많은편차를나타내었다. Bacterium coli 형의세균이가장내열성이강한것으로확인되었고, 순수배양된 coliform 의가열사멸시간은오염된균수가많을수록시간은증가하였다. 병원성 E. coli 의저온살균유에존재여부에관한실험에서 Papavassiliou(1957) 는영국에서판매되는 375시료의저온살균유중에서병원성 E. coli 가분리되지않았으므로병원성 E. coli 는저온장시간살균처리에의해사멸된것으로생각되었으며, 내열성 coliform 은약 3.7% 정도존재하는것으로보고하였다. E. coli는 enterotoxin 을생산하는균주들도있지만, 독소를생산하지않는균주도있는데, 장점막에 E. coli 가침범하거나 enterotoxin 의작용에의하여설사를일으킨다. E. coli 가생산하는 toxin의가열에대한저항성을측정한결과, 60 에서 5분간가열한이후독성의활성은 1/3로감소하였고, 60 에서 15분가열에는 90% 가상실된것으로확인된바있다 (Mundell, 1975). Pseudomonas aeroginosa 장염 : Pseudomonas aeroginosa 는열에민감한 enterotoxin 을생산하며, 우유에존재하여장염을일으키는병원체로어린이에게빈번히발병하는것이특징이다. 이병원균은 Ps. fluoresence, Ps. putida 와함께형광성색소를형성하는특성이있어형광생성 Pseudomonas group으로분류되며, 토양, 물, 퇴비포유동물의장내용물에분포한다. 이들병원성미생물은생육하면서열안정성이높은 phytotoxin 과열에쉽게파괴되는 Exotoxin A를생성하며, 후자가장상피에괴저및출혈성병변을일으키는것으로확인되었다. 이미생물은 55 에 1시간가열될때사멸된다 (Parker, 1983). 리스테리아증 (Listeriosis): Listeria가식품을통해서인간에게감염되는지에관하여는확인되지않았으나, 원유가하나의원인이될수있을것으로고려되고있다. Potel(1953) 은유방염에걸린젖소에서착유된우유를음용한임산부가쌍태아를조산하였고, 이유산된태아는과립조직으로이루어진 multiple tumor 를가지며태아와우유로부터 Listeria monocytogenes를분리하는데성공하였다. Listeria 증은소에서도발견된바있고소에서분리된 L. monocytogenes 에관하여서술된바있다. 낙농가공제품중에서 L. monocytogenes 의내열성에관한연구를수행한 Bradshaw 등 (1987) 의보고에의하면, L. monocytogenes Scott A균주를 10 5 / ml의현탁액상태에서밀봉된 tube중에 52.2~79.4 온도에서여러가지시간으로가열하고 D value를측정한결과, 원유시료에 J. Milk Sci. Biotechnol. Vol. 35, No. 2 129
Moon et al. 서의 D value는 71.7 에서 0.9초, 멸균유에서의 D value는 2.7 초였다. Ice cream mix에서의 D value는 79.4 에서 0.5초인것으로나타났다. 액상유제품에서 Z value는 5.8~7.1 로나타나원유에적정한살균이이루어지면 L. monocytogenes 는생존이불가능한것으로확인된바있다. 54균주의 Listeria monocytogenes 를실험실및공장조건에서내열성실험결과실험실조건에서이균주의우유현탁액을모세관에밀봉하여 65 에서 35초, 75 에서 10초, 85 에서 20초가열할때사멸되었고, 85 에서실시된상업적순간살균법으로열처리한결과모든균주가사멸되었다 (Dedie and Schultz, 1957). Clostridium perfringens 장염 : 어린이설사의원인으로 Cl. perfringens 장염이기인된경우가있으며, C. perfringens 는우유에쉽게오염될수있고그포자는저온살균처리에도생존할수있을뿐아니라저온살균열처리로인하여포자를 gemination 시킬수있으며, 우유에는미생물이생육하기좋은많은영양소를함유하고있기때문에문제를일으킬수있다. 그러나열처리된우유를냉장하면포자와영양형세포의증식을방지할수있다. C. perfringens 의내열성은 90 에서 D value가 0.015분으로부터 8.71로변화폭이넓다. 또한 C. perfringens 는저온살균처리에의해살멸되지않으므로살균유에있어서미생물최초오염도를측정하는지표로활용될수있다. Bacillus cereus 장염 : 우유와아이스크림이 Bacillus cereus 에의한장염의발생원인으로확인된바있다. 어린이에있어이유형의장염발생보고가있으며, B. cereus 의오염원으로목장에서채취된토양시료에 10 5 ~10 6 /g의 B. cereus 가존재하는것으로확인되었고 (Labot et al., 1965), 목초중의오염도의 10 3 ~10 4 /g 수준이며세척된우유통의오염도는 10 2 ~10 6 /cm 2 로광범한차이를보였다. Bacillus cereus 의내열성을연구한결과를보면 (Lonscu et al., 1966), 58개의시료중 42개의시료최초오염도가 10⁵/mL 수준이며, 저온살균이후에도 80% 는생존하였다. Bacillus cereus 포자의발아에있어서열처리의영향을조사한결과, whey 첨가는포자발아를촉진시켰고, HTST 저온살균도포자의발아를촉진시키는것으로나타났다 (Wilkinson et al., 1973). Rajkowski(1987) 는 B. cereus 17균주의생화학적및생태학적특성을조사하였는데, 광물질이제거된물에서 100 에서 D value는 0.6~27 분이며 Z value는 7.4~14.5 분이었다. 열에의한이병원균의사멸효과를조사한결과 B. cereus 의오염수준이높을 때에는 UHT 와 HTST 처리에의하여도생존가능성이있다고주장 하였다. B. cereus 를포함한호기성포자형성미생물의물과우유에서사 멸시간을 Table 4 와 Table 5 에제시하였고, B. cereus 와다른 2 균주를 Capillary 방법에의하여 140 에서사멸성향을조사한결 과를 Fig. 3 에제시하였다 (Miller 와 Kandler 1967). Q fever: 원유에존재하며, 병원체는 Coxiella burnetti 이다 (Bryan, Table 4. Decimal reduction time (D in seconds) of spore suspensions in water and milk (Miller & Kandler, 1967) Temperature ( ) B. stearothermophilus B. subtilis B. cereus Water Milk Water Milk Water Milk 105 2857.0 2856.0 27.8 28.6 12.05 11.24 120 38.6 4.54 4.18 130 8.77 7.35 3.06 2.70 2.63 2.27 140 3.85 2.14 1.28 150 2.44 1.59 1.09 1.15 0.97 0.71 160 1.37 0.46 0.66 Table 5. Thermoresistance of Bacillus spores in a skim milk medium Organism Heating temperature F 203 207 212 Z value D value (mins) B. licheniformis A-1 17.76 6.40 2.85 6.4 B. licheniformis A-5 20.56 6.00 4.10 6.8 B. licheniformis ATCC 10716 12.10 6.00 2.87 7.8 (C) B. cereus 1 10.16 6.45 3.10 9.6 B. cereus 7 14.40 7.90 2.70 7.1 B. pumilus 4.03 1.65 0.875 7.5 B. cereus var. myccides 10.90 5.30 2.40 7.6 B. coagulans ATCC 7050 6.90 3.53 1.97 9.1 B. laterosporus 5.95 3.13 1.18 7.0 B. circulans 4.75 2.70 2.35 8.4 B. megaterium 9 6.50 2.70 2.35 8.4 B. sphaericus 7.60 4.20 2.25 9.1 130 J. Milk Sci. Biotechnol. Vol. 35, No. 2
우유의열처리가우유품질과영양가에미치는영향 :. 우유열처리에의한병원균사멸효과 Aflatoxin 은여러가지유형이우유중에나타날수있으나 aflatoxin B 1 이수산화된헝태인 aflatoxin M 1 형이다. 우유에오염된 Aflatoxin M 1 (AFM 1 ) 은시간경과에따라그농도는감소하여 0 에서 4일이경과하면 40%, 6일경과후에는 80% 가감소하였다 (Mc-kinney, 1973). 그러나 5 에서 1~3일간저장하는기간중 11~25% 감소율을나타내었다. Purchase 등 (1972) 의연구에의하면저온살균처리는우유중의 AFM 1 함유농도를저하시키며열처리온도가높을수록 aflatoxin 의불활성화는증가되며, 62 에서 30분간열처리할때불활성화된양은 32%, 72 및 80 에서 45초간 HTST 처리할때불활성화된독소함량은각각 45% 와 64% 였다고한다. 인위적으로 aflatoxin 를오염시킨우유를열처리한경우에는불활성화되지않았다는보고도있어주의가필요하다. 한편, UHT 처리시에는 AFM 1 이감소하는데 aflatoxin 에오염된원유를 1 kg/cm 2 의증기압 (121 ) 에서 20분간처리할때 80% 의 aflatoxin 불활성화가나타난것으로보고되었다 (Purchase et al., 1972). Fig. 3. Time-dependent inactivation of spores of Bacillus stearothermophilus, Bacillus subtilis and Bacillus cereus at 140 as determined with the capillary methed (Miller and Kandler, 1967). 1979). 원유가이질병을매개한다는근거는보체 (complement) 를결합시키는항체출현빈도가생유를전혀마시지않은사람의 혈청에서높게나타난다는사실에근거한것이다. 감염된소로부터 착유된생유를마시는것이나동물, 먼지, 곤충에접촉하는것이 가능한전염경로가될수있다. Coxiella burnetti 는 61.7 에서 30 분간가열할때에는생존하므로 62.8 에서 30 분, 71.7 에서 15 초정도가열하면사멸된다는사실이확인된바있다. Enright 등 (1957) 의조사결과, 우유시료 376 개중 14 개시료중 에 Coxiella burnetti 가존재함이확인되었고, 그오염수준은최 고 10 4 /ml 이며, 오염된생유를 143 F 에서 30 분가열시에는사 멸되지않았으나 145 F 로 30 분가열할때완전히사멸하였으며, HTST 열처리에서는 161 F 에서 15 초간가열해야완전히사멸한 다고보고하였다. Aflatoxin 중독증 : Aspergillus flavus 또는 Aspergillus parasiticus 가식품또는사료에존재하여성장하는과정에서독소가생 산되는데, 이독소를섭취하는경우사람또는가축에중독증상을 나타내게된다. 미국의경우 1978 년에우유에서 aflatoxin M 1 오염사고가보고된 예가있으며, 1981 년에도이와유사한사고가보고된바있다. 결론 우유중에오염되어사람에질병을일으킬수있는병원균들중의대부분은비포자형성균으로서열처리에의하여사멸되므로살균공정은유제품의안전성확보를위해긴요한공정이다. UHT 처리를할때에는포자형성균의포자까지사멸시키므로안전성과보존성증진을위하여중요한의미를갖는다. 병원성미생물의내열성은균의특성, age, ph, 염류, 당류, 단백질, 지방, 억제물질등의존재에따라영향을받는다. 우유살균과정에서 B. cereus 와 Cl. perfringens 는완전히파괴되지않지만우유의저온보존기간중에발아및증식하여발병에이르기에는불가능할것으로판단된다. References 1. Amaha, M. and Ordel, Z. J. 1957. Effect of divalent cations in the sporulation medium on the thermal death rate of Bacillus coagulans var. thermoacidurans. J. Bacteriol. 74(5):596-604. 2. Anzulovic, J. V. 1932. A study of Escherichia coli in ice cream. J. Bacteriol. 23:56-57. 3. Bradshaw, J. G., Peeler, J. T., Corwin, J. J., Hunt, J. M., Tierney, J. T., Larkin, E. P. and Twedt, R. M. 1985. Thermal resistance of Listeria monocytogenes in milk. J. Milk Sci. Biotechnol. Vol. 35, No. 2 131
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