식품의 변질 원인과 갈변현상

■ 식품의 변질 원인

식품 재료 및 제품의 저장 시 발생하는 품질변화의 원인은 크게 미생물학적, 화학적, 물리적 원인에 의한 것으로 나눌 수 있다.
1. 미생물에 의한 식품의 품질변화
식품의 저장 중 미생물의 증식으로 인하여 식품 성분들의 분해와 독성 대사산물의 생성 등으로 식품 품질이 저하하게 된다.

1) 단백질은 미생물에 의해 amine, ammonia, indole, HS 등의 저분자 물질로 분해되어 악취를 발생하게 된다.
2) 지질은 주로 곰팡이의 lipase에 의해 carbonyl 화합물로 분해된다.
3) 탄수화물은 주로 효모나 곰팡이의 lipase에 의해 carbonyl 화합물로 분해된다. 또 미생물의 증식으로 식품의 변색이 발생하는데 이는 균체 내에 색소를 생성, 축적하거나 균체 외에 색소를 분비하는 경우이다. 보통 Pseudomonas는 형광색소를, Serratia marcescens는 적색 색소를, Rhodotorula는 도축육, 어유, 우유 등에서 적변을 일으킨다.

2. 화학적 원인에 의한 식품의 품질변화
1) 냉동 저장 시 품온 유지가 불안정하여 빙 결정이 성장함에 따라 염류 농축, 결합수의 이탈 등이 일어나며, 이로 인한 단백질의 냉동변성으로 품질이 저하된다.
2) 지방질 식품의 저장 시 포장 상태와 저장 조건의 미비로 인하여 지질의 산화가 일어나 식품에 이미, 이취는 물론 독성물질까지 생성된다. 포장 상태가 불량하여 외부 공기와 차단되지 못함으로써 유지의 자동산화가 발생할 수 있고, 저장 시 고온이나 빛에 의해서도 산화가 촉진된다. 또 어류의 동결 저장 중에 가수분해효소에 의한 지질의 가수분해가 일어난다.
3) 식품의 저장 시 발생하는 변색 반응으로 색소 화합물의 변화에 의한 것, 식품 성분 간의 반응에 의한 것 등을 들 수 있다.

3. 물리적 원인에 의한 식품의 품질변화
1) 육류나 과채류를 저장할 때 저장온도의 변화로 수분함량이 감소하게 되고, 심할 경우에는 표면 경화현상이 발생하며, 지질이나 단백질의 변성 및 분해를 촉진하게 된다.
2) 어류를 동결 저장하여 해동할 때 육질이 스펀지처럼 되어 고유의 물성이 변화하게 된다.

 

 

■식품의 갈변현상

 

식품의 갈변반응은 식품 자체에 함유되어 있는 색소가 빛이나 열, 그 밖의 작용으로 분해하여 퇴색하는 경우와 본래 무색이었던 식품성분 사이에 화학반응이 일어나서 유색물질을 생성하 는 경우가 있다. 갈변은 식품의 외관과 향미에 영향을 주며 영양가의 저하를 초래하고 식품의 품질을 저하시키는 반면 가끔은 향상시키는 경우도 있다.
갈변은 식품에 함유된 페놀류가 산화 중합하여 퇴색색소를 생성하는 반응으로 효소가 관여하 는 효소적 갈변과 식품 중의 카르보닐 화합물과 아미노산 등의 아미노 화합물의 반응과 같이 효소는 관여하지 않는 비효소적 갈변반응으로 크게 나눈다.

1. 효소적 갈변반응

식품의 효소적 갈변은 주로 polyphenols의 산화에 의해 일어난다. Polyphenols를 갖는 식물조직 중에 이것을 산화하는 효소가 들어 있어 서로 작용하여 갈변한다. 감자의 갈변반응은 tyrosinase에 의해 일어나는 것이며 홍차, 녹차 제조시의 갈변반응 polyphenol oxidase에 의해 발생하는 것이다.

1) Polyphenol oxidase
Polyphenol oxidase는 catechol 또는 catechol 유도체인 chlorogenic acid 등이 공기 중 산소에 의해 quinone 또는 그 유도체로 산화되는 반응을 촉매하고, quinone은 계속 산화, 중합 또는 축합되어 흑갈색의 melanin 색소를 형성한다. Polyphenol oxidase는 구리이온에 의하여 활성화되며 염소이온에 의하여 억제되며 최적 pH는 5~6이고, 식품 그 자체의 pH에 가깝다. 사과 • 살구 • 바나나 • 밤• 가지 등의 과일 과 야채류에서 볼 수 있는 갈변반응이다.

2) Tyrosinase
Tyrosinase는 구리를 함유하는 효소로써 여러 가지 polyphenos과 monophenols에 작용하므로 polyphenol oxidase와 구별하여 monophenol oxidase로 구별한다. 감자에 함유된 아미노산인 tyrosine은 tyrosinase에 의해 산화되어 dihydroxyphenylalanine 을 거쳐 o- quinone phenyalanine이 되고 다시 산화하며 계속적인 축합 • 중합반응을 통하여 흑갈색의 melanin 색소를 형성한다. 감자에 함유된 이 효소는 수용성이므로 깍은 감자를 물에 담가 산소를 차단시키면 갈변이 방지된다.

2. 효소적 갈변억제
1) 갈변조건의 억제
효소적 갈변에는 효소, 기질, 산소의 3조건이 필요하므로 어느 하나가 작용하지 않도록 하면 갈변이 억제된다.
① 효소의 불활성화
  - 가열 : 효소는 복합단백질이므로 가열에 의해 쉽게 불활성화 된다. 야채나 과일류의 가공시 고온에서 적당시간 열처리를 하여 효소적 갈변의 억제를 꾀한다. 그러나 데 치면 이취의 발생, 질감의 변화, 연화 등의 문제가 발생할 수 있으므로 온도와 시간에 대한 주의가 필요하다.
  - 효소의 최적조건의 변화 : 효소는 최적의 pH • 온도 및 조건들을 가지는데 poly-phenol oxidase의 경우 pH 3.0 이하에서 활성이 상실되는데 온도는 -10°C 이하가 효과적이다. 식품의 pH를 낮출 때는 ascortbic acid가 바람직하며 가장 많이 사용된 다. 또한 polyphienolase는 소금에 의해 활성이 상당량 억제된다. 

② 산소의 제거
산소가 존재하지 않으면 일어나지 않으므로 밀폐용기에 식품을 넣고 공기를 제거하거 나 불활성가스로 대체시키면 억제할 수 있다.

③ 기질의 제거
페놀물질에서 하나의 OH기가 methoxy기로 치환된 물질은 polyphenolase의 기질이 될 수 없으므로 o-dihydroxy 구조를 효소에 의하여 methyl화시킨다.

2) 환원제의 효과
① 아황산가스와 아황산염은 효과적으로 억제한다. 아황산가스는 침투속도는 빠르나 취급 이 곤란하여 아황산염을 많이 사용한다. 아황산염은 quinone과 부가화합물을 형성하여 산화의 진행을 억제한다.
② SH(sysalceine, glutathione) 화합물은 quinone류와 부가화합물을 형성하여 산화의 진행을 막아준다.
③ 강한 환원력을 가진 산화방지물질로서 ascobic acid의 사용은 quinone을 원래의 diphenol로 전환시키나 자신은 산화되어 중합이나 갈변되지 않는다. 통조림의 윗부분에 존재하는 산소도 ascorbic acid를 첨가하면 상당량 감소된다.

3. 비효소적 갈변반응
1) Maillard 반응
2) Caramelization(카라멜화)
Amino compounds나 organic acid가 존재하지 않는 상황에서 주로 당류의 가열분해물, 또는 가열산화물에 의한 갈변반응을 caramelization이라 한다. 당류를 가열하면 설탕은 160~ 180°C, glucose는 147°C 에서 분해되기 시작하는데 설탕은 gucose와 fructose로 분해되고, 이어서 fructose는 탈수되어 hydroxymethyl furfural(HMF)이 되며, 이것이 중합되어 착색물 질이 생기는데 glucose는 fructose에 비하여 탈수되기 어려워서 caramel화가 잘 안 된다.
식품에 주는 영향은 가열, 가공시 색깔과 풍미(flavour)를 높인다. 당류의 카라멜 화에 필요한 최적 pH는 6.5~8.2이다.

(3) Ascorbic acid 산화에 의한 갈색화 반응
Ascorbic acid는 모든 야채와 과실류에 존재하여 그 환원력으로 인해 산화방지제, 항갈변제로 사용된다. 그러나 Ascorbic acid가 비가역적으로 산화하면 그 산화생성물이 자체적으로 갈변 반응을 수반하는 산화과정에 들어간다. pH는 2.0~3.5의 범위에서는 갈색화는 pH에 반비례하고, pH가 높을수록 갈색화는 잘 일어나지 않으며 감귤류 또는 기타 과실 주스나 농축물의 갈변에 중요한 역할을 한다.