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ISSN : 1229-1153(Print)
ISSN : 2465-9223(Online)
Journal of Food Hygiene and Safety Vol.35 No.3 pp.205-212
DOI : https://doi.org/10.13103/JFHS.2020.35.3.205

The Effects of Edible Coating and Hurdle-Technology on Quality Maintenance and Shelf-Life Extension of Seafood

Ji Hye Baek, So-Young Lee, Se-Wook Oh*
Department of Food and Nutrition, Kookmin University, Seoul, Korea
*Correspondence to: Se-Wook Oh, Department of Food and Nutrition, Kookmin University, Seoul 02727, Korea Tel: +82-2-910-5778; Fax: +82-2-910-5249 E-mail: swoh@kookmin.ac.kr
March 31, 2020 April 28, 2020 May 15, 2020

Abstract


Foodborne diseases occur frequently and have various being related to the intake of contaminated foods. Seafood products are susceptible to contamination due to higher water content and microorganisms, which combine to give them a short shelf-life. Various approaches have been applied to overcome this problem. Edible coatings that are also biodegradable and biocompatible have been discussed as one of the applicable solutions. These coatings can actually help to maintain seafood quality by inhibiting the growth of microorganisms and delaying the loss of moisture. This paper presents the effects of various natural bio-polymers, antimicrobial substances and physical sterilization techniques such as gamma irradiation, ultraviolet (UV) sterilization, and light-emitting diode (LED) sterilization on seafood coatings.



식용 코팅 및 허들기술이 수산물의 품질 유지와 저장성 연장에 미치는 영향

백 지혜, 이 소영, 오 세욱*
국민대학교 식품영양학과

초록


    현대사회에서는 식생활 패턴 변화, 단체급식 증가, ready to eat (RTE) 식품 소비 증가, 수산물 소비 증가 등 다양 한 원인으로 인한 식중독 발생이 증가하고 있다. 식중독 발생은 규모 면에서도 집단화와 대형화되고 있는 실정이 며, 오염된 식품 섭취와 밀접한 관련을 가진다1). 식품은 생산단계에서 분뇨 퇴비, 야생동물 및 가축의 분변, 감염 된 근로자, 용기 및 도구 등에 오염될 수 있다2). 또한, 가 공, 유통, 저장 등과 같은 과정에서 Escherichia coli O157:H7, Salmonella spp., Listeria monocytogenes와 같은 병원성 미생물에 의한 오염이 발생할 수 있으므로, 병원 성 미생물을 제어하는 것이 식품의 품질과 안전성을 유지 하는데 중요하다3-5).

    우리나라의 수산물 소비는 점차 증가하고 있으며, 사회 와 경제가 발전함에 따라 수산물의 품질을 중요시하는 추 세이다6). 수산물은 미생물이 빠르게 생장하고 생화학적 반 응이 진행되며 자가 효소로 인한 분해가 일어난다. 이러 한 현상은 수산물의 급속한 품질 변화를 초래하여 저장 기한이 감소되고 또한 식중독 발생을 야기할 수 있다7). 이 에 따라 냉장 또는 냉동으로 저장되는 수산물의 품질을 유지하기 위해 물리적인 살균 방법, 고농도의 CO2 사용, 합성 화합물을 사용하는 등 오염과 부패를 억제할 수 있 는 다양한 연구들이 진행되었다8-11). 합성 화합물의 사용은 저장 기간 중 수산물의 품질을 유지하는 데 효과적일 수 있지만 잠재적인 독성으로 인해 제한적인 반면에, 가식성 이 있으면서 독성이 없는 장점을 가지는 식용 코팅에 대 한 관심이 계속적으로 높아지고 있다12-15).

    식용 코팅은 다당류, 단백질 및 지질을 포함한 다양한 원료로부터 제조될 수 있으며, 식품에 직접 적용하여 코 팅하거나 필름의 형태로 만들어져 사용될 수도 있다. 주 로 산소와 물에 대한 장벽으로 작용하여 산화 반응을 늦 추고 수분 손실을 지연시킨다. 또한 미생물의 생장과 지 질 산화를 감소시킬 수 있고, 견고성을 유지하는 등 저장 기간 동안 식품의 품질을 유지하며 외관을 개선할 수 있 다. 또한, 식용 코팅은 식품 표면에서 단순히 보존제로서 의 역할만 하는 것이 아니라 항균성 화합물 및 항산화제 의 담체로서도 작용할 수 있기 때문에 몇몇 연구결과에는 식용 코팅과 병합되어 사용되었다. 그 외에도 물리적인 살 균 기술인 light emitting diode (LED), ultraviolet (UV), 감 마선(gamma) 조사 등과 병합하는 등 식용 코팅 효과의 시 너지를 높이려는 연구가 계속해서 진행되고 있다16-20).

    이에 따라 본 연구는 수산물에 사용되는 식용 코팅의 성분에 대한 특성 및 응용에 대하여 조사하였으며 또한 코팅에 화학적 항균 물질 및 항산화제와 물리적 살균 기 술을 병합한 허들 기술(hurdle technology)에 대하여 분석 하였다.

    식용 코팅에 이용되는 소재 및 특성

    다당류

    다당류는 중합체에 의해 식품의 수분 손실을 지연시켜 일반적으로 식품의 물리적, 화학적 및 관능적인 특성을 유 지할 수 있다21). 식용 코팅에 주로 사용되는 다당류로는 알긴산 나트륨(sodium alginate), 키토산(chitosan), 카라기 난(carrageenan), 아라비아고무(gum arabic) 등과 같은 복 합다당류나 해초 추출물이 이용된다16,21,22).

    Na 또는 K 등 염의 형태인 알긴산(alginate)은 해조류에 함유되는 다당류의 일종으로, 다시마에서 추출되는 방법 에 따라 화학적 성질의 변화를 일으키며 분자량 및 입자 의 형태에 따라 다양한 물성을 보인다23). 식품산업에서 알 긴산(alginate)은 필름 및 코팅의 형태로 미생물의 생육을 억제시켜 부패를 방지하기 위해 주로 과일이나 수산물 표 면에 코팅 되어 다양하게 이용되고 있다24-26). Neetoo 등27)L. monocytogenes를 인위적으로 접종 한 연어를 알긴 산(alginate)으로 코팅한 뒤 22°C에서 6일 동안 또한 4°C 에서 30일 동안 보관한 결과 두 처리구의 L. monocytogenes 의 성장을 유의적으로 억제 시켰다고 하였다. Costa 등28) 또한 굴을 4±1°C에서 보관하였을 때 굴의 저장 기한인 57 시간에 비해 코팅한 굴은 106시간으로 2.5배 이상 증가하 였다고 보고하였으며, 알긴산(alginate) 코팅은 미생물의 성 장을 억제함과 동시에 수산물의 수분 손실을 막아 저장 기한을 연장할 수 있다고 하였다.

    키토산(chitosan)은 게, 가재, 새우 껍질 등 자연계에 풍 부하게 존재하는 천연 고분자물질인 키틴(chitin)을 탈아세 틸화한 다당류다. 이는 고밀도의 양전하를 띤 고분자 전 해질 구조로 항암 작용, 면역 작용, 항균 활성 등 다양한 생리 활성을 나타내어 식품의 보호막으로써 미생물학적, 화학적 품질유지를 가능하게 하므로 코팅제로 이용될 수 있다26,30). Fan 등31)에 의하면 저장 초기에 total viable count 가 2.9 log CFU/g 인 잉어를 -3°C에 보관한 경우 25일째 이후에 허용치인 7.0 log CFU/g 를 초과하였지만, 키토산 (chitosan)으로 코팅 한 잉어는 30일까지 허용치를 초과하 지 않았다고 하였다. Ojagh 등32) 또한 초기 total viable count가 3.86 log CFU/g 인 송어를 4°C에서 보관한 경우, 12일째 이후 7.88 log CFU/g에 도달하여 허용치를 초과하 였지만, 키토산(chitosan) 코팅 후 보관한 송어는 16일까지 허용치를 초과하지 않았다고 하였다.

    카라기난(carrageenan)은 홍조류의 아이리쉬 모스(irish moss)를 열수 추출하여 얻어지는 다당류로서 겔 형성 능 력과 안정성, 코팅 및 필름 형성 능력이 뛰어나기 때문에 미생물의 성장을 억제시켜 저장 기한을 증가 시킬 수 있 다고 알려져 있다33-36). Volpe 등22)에 따르면 코팅하지 않 은 송어는 4°C에서 보관 후 6일째에 허용치를 초과하였지 만 카라기난(carrageenan) 코팅 한 송어는 12일째까지 허 용치를 초과하지 않았다고 하였다.

    아카시아 나무의 줄기나 가지에서 분비되는 아라비아고 무(gum arabic) 또한 천연 기원의 다당류로 유화, 코팅 및 필름 형성 특성을 가지고 있어서 식품에 존재하는 미생물 의 생장을 억제하여 코팅제로 식품산업에서 광범위하게 이 용되고 있다37,38). Cai 등39)에 따르면 아라비아고무(gum arabic) 로 코팅 후 4°C에서 16일 동안 보관한 도미의 total volatile basic nitrogen (TVB-N) 값은 저장 종료 후, 25 mg N/100 g 미만이지만 코팅하지 않은 도미는 최대 허용치인 30 mg N/ 100 g을 초과 하였다고 하였다.

    단백질과 지질

    단백질 코팅은 산소와 이산화탄소를 차단하여 산화를 방 지하고, 수분, 가스, 향료 등의 투과를 저해할 수 있는 우수 한 특성을 가진다. 또한, 쉽게 분해될 수 있어 환경친화적 인 성질을 가진다고 보고된다40,41). 그 예로, 옥수수 단백질 (zein)은 산화 방지 목적으로 견과류의 코팅제로 많이 사용 되었으며42,43), 콜라겐(collagen), 젤라틴(gelatin), 유청단백질 (whey protein) 등이 수산물 코팅에 이용되었다8,9,15,40,44).

    Wang 등44)에 따르면 콜라겐(collagen)을 연어에 코팅하 여 15일 동안 4±1°C에서 보관하여 비교하였다. 콜라겐 (collagen)은 분자 외부에 친수성 카르복실기(hydrophilic carboxyl)와 수산기(hydroxyl groups)가 존재하여 콜라겐과 수분 사이에 수소결합이 형성되어 수분을 보유할 수 있고, 수분의 증발 또한 차단할 수 있기 때문에 코팅 되지 않은 연어의 무게 손실은 코팅된 연어에 비해서 2배 이상 높았 다. 또한, 미생물 분석 결과 초기 균수가 1.2 log CFU/g 인 연어는 보관 15일 이후에 8.3 log CFU/g 증가한 반면 에, 코팅 된 연어는 3.2 log CFU/g 증가하였다고 하였다. Ahmad 등15)에 따르면 젤라틴(gelatin)으로 코팅한 농어를 4°C에서 12일 동안 보관하였을 때, 코팅하지 않은 농어와 비교하여 total viable count가 약 2 log CFU/g 감소하였으 며, 젤라틴 펩타이드(gelatin peptide)가 여러 미생물에 대 해 항균 활성을 보였다고 하였다. Rodriguez-Turienzo 등8) 은 유청단백질(whey protein)로 코팅한 연어를 -20°C에서 4개월 동안 보관하였을 때 해동 수율을 향상시켰다고 하 였고, Motalebi 등9) 또한, 유청 단백질(whey protein)로 코 팅한 정어리를 -18°C에서 6개월 동안 보관하였을 때 총 박테리아 수, 과산화물가, 유리지방산, TVB-N 등이 코팅 하지 않은 정어리와 유의한 차이가 있었다고 하였다(P<0.05).

    각 단백질에는 고유한 친수성-소수성 균형이 존재하여 필름 형성 특성과 친수성 표면에 대한 접착성을 가질 수 있기 때문에, 콜라겐(collagen), 유청단백질(whey protein), 젤라틴(gelatin)과 같은 단백질이 식용 코팅제로 사용되면 pH, TVB-N 등을 감소시킬 수 있으며, 수분손실을 지연 시킬 수 있다8,9,15,44).

    지질은 식품에서의 수분 전달을 제한하기 위해 소수성 물질에 기초하여 사용되어 왔다. 그러나, 지질은 생물이 생산하는 고분자 물질인 다당류와 단백질과 같은 일반적 인 바이오 폴리머(biopolymer)가 아니며, 구조 특성상 응 집성을 가지고 있기 때문에 독립적인 코팅을 형성하기 어 렵다45,46). 하지만, 일반적인 바이오 폴리머(biopolymer)를 기반으로 한 식용 코팅에 지질을 융합하면 응집력, 소수 성, 유연성이 증가하여 수분 장벽이 향상될 수 있기 때문 에 미생물학적 안정성을 높이는데 활용될 수 있으며, 가 공된 수산물이나 신선한 수산물의 색상, 질감, 향미를 향 상시키는데 사용될 수도 있다47,48).

    코팅에 적용되는 허들 기술(hurdle technology)

    항균 물질과 항산화제

    일반적인 다당류나 단백질 재료로 수산물을 코팅하면 저 장 기한 동안 미생물의 성장을 억제 시키고, 수분 손실을 감소시켜 견고성을 유지하는 등 식품의 품질을 유지 및 향상시킬 수 있다8,12). 하지만, 식용 코팅은 식품 표면에서 단순히 보존제로서의 역할만 하는 것이 아니라 항균성 화 합물 및 항산화제의 담체로서도 작용할 수 있기 때문에 이를 활용한 연구가 많이 보고된다19,25,44,49,50).

    Table 1은 식용 코팅과 항균성 물질과 항산화제를 병합 한 일부 선행연구결과를 정리한 것이다.

    Lu 등25)은 가물치에 3%의 알긴산(alginate) 용액과 아미 노산으로 이루어진 펩티드(peptide) 분자로서 유해 세균에 대해 강한 살균력을 가지고 있는 항균 물질인 니신(nisin), 킬레이트제(chelator)인 EDTA를 병합하여 코팅한 후 4±1°C 에서 보관하였다. 초기 total psychrophilic counts의 값이 2.98 log CFU/g 이고, total viable count가 4.28 log CFU/ g 인 가물치는 보관 7일째 최대 허용치인 7 log CFU/g 를 초과하였지만, 코팅한 가물치의 total psychrophilic counts 와 total viable count는 각각 6.62 log CFU/g, 6.88 log CFU/g 였다고 하였다. 그 외에도 pH와 수분 손실 등 코 팅한 가물치와 유의한 차이가 있었다고 하였다(P<0.05). Song 등49)은 지방 산화 및 효소 억제를 억제하는 천연 항 산화제로서 금속 이온을 킬레이트화(chelation) 시킬 수 있 고, 식품의 pH, 수분 활성 및 조성에 영향을 줄 수 있는 vitamin C와 폴리하이드록시(polyhydroxy) 유기물질의 일종 으로 활성산소(free radical)를 제거할 수 있는 특성을 가진 차 폴리페놀(tea polyphenols)을 각각 알긴산(alginate)과 병 합하여 도미에 코팅하였다. 21일동안 4±1°C에서 보관하여 비교하였을 때, 코팅 되지 않은 도미와 비교하여 코팅된 도 미가 화학적 손상이 감소하였으며 일반적인 어류의 전반적 인 관능적 품질을 개선할 수 있었다고 하였다. Kim 등19) 또 한, 알긴산(alginate)과 키토산(chitosan) 코팅 용액에 카테킨 (catechins), 에피케틴(epicatechin), 테트라메릭 프로시아니딘 (tetrameric procyanidins)과 같은 성분들이 함유되어 있어 항 산화 작용을 일으킬 수 있는 천연 항균 물질인 자몽종자 추출물을 병합하여 새우에 코팅 처리 후 15일 동안 4°C에 서 보관하였다. 그 결과, 코팅하지 않은 새우와 비교하여 2 log CFU/g 만큼 세균수가 감소된 것을 확인하였으며, 식용 코팅과 자몽종자추출물의 병합 처리가 미생물의 성 장과 TVB-N의 형성을 억제하는데 효과적이라고 보고하 였다. Wang 등44)은 콜라겐(collagen)에 항산화제로 라이소 자임(lysozyme)을 농도 별(0.1 g, 0.3 g, 0.5 g, 0.7 g)로 첨 가 후 연어에 코팅하여 4±1°C에서 보관하였다. 초기 균 수가 1.2 log CFU/g 이었던 연어는 8.3 log CFU/g 증가 한 반면에 코팅 된 연어는 3.1 log CFU/g 증가하였고, 라 이소자임(lysozyme)의 농도가 증가함에 따라 파열 강도 (breaking strength) 및 견고성을 증가시킬 수 있었다고 하 였다. 이는 라이소자임(lysozyme)이 세균의 세포벽을 가수 분해하여 투과성을 증가시키고 세포를 파괴 시키기 때문 이라고 하였다.

    이 외에도 일반 식용 코팅과 항균 물질과 항산화제를 병합한 코팅에 대한 지속적이고 활발한 연구가 계속적으 로 진행중이다24,30).

    물리적 살균 기술

    식용 코팅에 항균 활성을 보이는 물질을 병합하는 방법 이외에도 물리적 살균 방법을 식용 코팅과 병합하여 식품 의 안정성을 높이는 연구결과도 보고되고 있으며, 대표적 으로 LED, UV, 감마선 조사 등이 있다11,18,51).

    항산화제를 함유하고 있는 활성 코팅이 저선량(low doses) 의 감마선 조사와 결합하면 시너지 효과를 낼 수 있다고 하였다52-54). Ouattara 등18)은 새우에 유청단백질(whey protein), 백리향 기름(thyme oil), 계피 유래 추출물(transcinnamaldehyde) 을 병합하여 코팅 후, 감마선으로 조사하 여 4°C에서 보관하였다. 21일 이후, 새우에 인위적으로 접 종 한 Pseudomonas putida를 포함한 호기성 세균의 생장 을 억제 할 수 있었다고 하였으며, 대조구와 비교하여 감 마선 조사 단독 처리를 하였을 때는 5 일의 저장 기한이 연장 되었고, 항균 코팅 단독 처리는 9일의 저장 기한 연 장, 항균력을 가지는 코팅과 감마선 조사를 병합하였을 때 는 총 11일 이상의 저장 기한을 연장 시켰다고 하였다. 이 러한 방사선(ionizing radiation)의 세균 성장 억제는 DNA 손상 또는 막 투과성 및 다른 세포 기능들의 변화로 인해 나타난다고 한다55).

    UV는 중요한 물리적 저감 기술 기술의 하나로서 식품 표면의 오염 제거와 교차오염을 방지하는 등 식품 가공 산업에서 특히 중요하다56). UV는 UV-A, UV-B, UV-C 영 역이 존재하며, 일반적으로 살균을 위해 사용하는 파장 영 역은 200-280 nm인 UV-C 영역이다. 특히 254 nm 파장은 미생물의 DNA에 가장 치명적인 효과를 주는 파장으로 보 고되어 있다고 한다. 일반적으로 자외선이 조사되면 미생 물의 DNA가 파괴되기 때문에 식품의 매개 미생물들이 불 활성화 되어, UV 기술을 이용한 살균은 화학 살균제 또 는 보존제의 사용량을 줄이거나 없앨 수 있다57). Ozer 등 58)에 따르면, E. coli O157:H7과 L. monocytogenes를 인위 적으로 접종한 연어에 UV 조사를 하였을 때, 두 가지 균 주 모두 1 log CFU/g 이상 감소되었다고 하였다. Lin 등 59)은 키토산(chitosan) 코팅과 카라기난(carrageenan) 코팅 용액을 각각 용안(longan fruits)에 코팅하였다. 그 후 UV 조사하여 28°C에서 7일 동안 보관하였을 때 대조구와 비 교하여 용안(longan fruits)의 노화가 현저히 지연되었다고 하였다.

    LED는 광역학적 불활성화 현상에 의해서 미생물을 불활 성화 시키며 특히, 특정 파장인 400-470 nm은 세포 독성 반 응을 유발하여 세포 사멸을 유도한다고 보고되어 있다60-63). 이에 Sommers 등64)은 인위적으로 E. coli, Staphylococcus spp., L. monocytogenes를 접종한 가금류에 405 nm LED 를 10-20분 정도 조사하여 약 1 log CFU/g 감소시켰다고 하였다. 하지만 아직까지 LED 살균 기술과 식용 코팅을 병합한 연구들은 많지 않은 상황이다.

    LED 살균 방법과 좋은 시너지 효과를 내게 할 수 있는 방안 중 하나는 감광제(photosensitizer)를 이용하는 것이다. 감광제는 무독성 염료와 가시광선을 사용하여 화학적,물 리적 변화를 일으키고 이러한 에너지를 이용하여 생성된 활성산소종(reactive oxygen species)은 세포 사멸을 일으 킨다65,66). Luksiene 등67)에 따르면, 400-480 nm의 LED 파 장은 미생물의 PDI (photodynamic inactivation)를 유도하 게 되고, 세균 세포가 빛에 노출되면 감광제인 내인성 포 르피린(porphyrin)이 반응하여, 활성산소종(reactive oxygen species)이 생성된다고 하였다67). Luksiene 등68)L. monocytogenes를 인위적으로 접종 한 딸기를 감광제 종류 중 하나인 클로로필린(chlorophyllin)에 5분 동안 침지 한 후 400 nm LED로 30분 동안 조사하였다. 처리된 딸기의 총 항산화 활성은 19% 증가하였으며, 접종한 균 98%, 효 모 86%, 곰팡이 97%가 억제되고, 2일의 저장 기한이 연 장되었다고 하였다. Josewin 등11)L. monocytogenes를 인 위적으로 접종한 연어에 리보플라빈(riboflavin)을 감광제 로 사용 후, 460 nm LED를 조사하여 세균 개체 수를 90% 감소시켰으며, 단독으로 LED 조사를 하였을 때 보다 리 보플라빈(riboflavin)을 투여한 후 LED 조사를 하였을 때 의 감소율이 현저히 높았다고 하였다.

    이 외에도 감광제 종류 중 하나인 엽록소(chlorophyll)를 담체로 사용하여 식품의 시각과 감각 특성에 미치는 영향 을 최소화하는 연구를 진행하는 등 감광제를 이용한 연구 들이 진행되고 있다69). 최근에도 UV와 코팅을 병합한 지 속적인 연구가 진행되고 있으며70), 식용 코팅에 나노 입자 를 적용하는 연구 등 식품의 품질을 유지시키기 위한 허 들 기술이 다수 보고되고 있다71-73).

    Conclusion

    수산물 품질을 신선하게 유지하고 또한 미생물 오염에 의한 식중독 위험을 낮추기 위해서 식용 코팅이 사용되고 있다. 특히 항균물질이나 항산화제를 식용 코팅에 첨가하 였을 때 효과적이라는 다양한 보고가 있다. 물리적 살균 기술에 감광제를 처리하였을 때 상승효과가 나타난다는 연구결과들이 보고되고 있지만, 수분함량이 비교적 높은 수산물은 살균 처리에 의해 수분 손실이 발생하여 감각적 특성들이 하락할 수 있다. 이를 보완하기 위한 식용 코팅 과의 병합 처리 기술이 소수 보고되고 있어 더 많은 연구 가 요구된다. 이 외에도 더 경제적이고 더 간편하게 수산 물의 품질을 유지하여 저장 기한을 늘릴 수 있는 다양한 허들 기술에 대한 연구가 필요하다.

    국문요약

    본 논문은 수산물에 사용되는 식용 코팅의 다양한 천연 성분에 대한 소재 및 특성에 대하여 조사하였으며, 화학 적 항균 물질 및 항산화제와 물리적 살균 기술을 병합한 허들 기술(hurdle technology)에 대하여 서술하였다. 다양 한 원인으로 인한 식중독 사고가 빈번히 발생하고 있으며 주된 원인은 오염된 식품의 섭취와 관련이 있다. 특히, 식 품 중에서도 수산물은 수분함량이 많고 미생물에 오염되 기 쉽기 때문에 저장 기한이 짧다. 이에 대한 해결방안으 로 여러 가지 대안들이 적용되고 있는데, 가식성을 가지 고 독성이 없는 장점을 가진 식용 코팅이 주목을 받고 있 다. 식용 코팅은 미생물의 성장을 억제하고 수분 손실을 지연시킴으로써 수산물의 품질을 유지할 수가 있다. 또한 항균 물질 및 항산화제를 첨가하거나 물리적인 살균 기술 과도 병합할 수 있다. 하지만 식용 코팅과의 병합 처리 기 술이 소수 보고되고 있어 다양한 허들 기술에 대한 연구 가 필요하다.

    Figure

    Table

    Results of previous studies on edible coatings containing antimicrobial agents

    Reference

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