식품제조공정 내 미생물학적 위해요소를 제어하기 위한살균기술의 적용 = Application of Sterilization Technologies for the Control of Microbiological Hazards in Food Manufacturing Processes

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In food manufacturing processes, water used for washing, soaking, dilution, and cooling serves as an essential resource but also a major route for microbial cross-contamination. Consequently, there is growing demand for disinfection technologies that are efficient, leave minimal residues, and can be readily integrated into existing processing lines. Ultraviolet (UV) disinfection has gained attention as a non-thermal technology that provides rapid microbial inactivation without generating chemical by-products. In the fresh produce sector, the need for alternatives to conventional sodium hypochlorite—whose efficacy is compromised by pH fluctuations, organic load, and the formation of disinfection by-products—has also increased. Slightly acidic hypochlorous acid water (SAHW) is considered a suitable candidate for fresh produce sanitation because it maintains a high proportion of available chlorine in the form of HOCl, which has strong antimicrobial activity and low residual toxicity.
This study evaluated two disinfection technologies aimed at controlling microbiological hazards in food manufacturing environments: (1) UV disinfection for the inactivation of diverse microorganisms present in process water, and (2) SAHW treatment for reducing microbial loads on fresh produce surfaces. Both technologies were assessed at laboratory scale and under real processing conditions.
A collimated beam test was first conducted using E. coli, S. Typhimurium, S. aureus, L. monocytogenes, Bacillus subtilis spores, and MS-2 bacteriophage. Most bacteria exhibited > 3-log reductions at approximately 20 mJ/cm2, whereas MS-2 bacteriophage required a considerably higher UV dose (> 70 mJ/cm2), confirming substantial variation in UV sensitivity among microorganisms. UV transmittance was identified as a key determinant of inactivation efficiency, while the influence of general water quality parameters was limited. Bio-dosimetry tests using 11W and 30W UV reactors further demonstrated a typical decline in inactivation efficiency with increasing flow rate. Based on these results, the required UV doses were calculated for reactors of different sizes and operational conditions, providing essential data for the design and management of process-water treatment systems. Spiking tests conducted in an actual food manufacturing facility showed that the inactivation patterns observed in the laboratory were reproducible under real-world conditions.
SAHW disinfection performance was also examined. E. coli, S. aureus, S. Typhimurium, and L. monocytogenes were reduced by more than 5 logs within 5 seconds, and even B. subtilis spores—typically more resistant—showed >4-log reduction within 5 minutes. These results highlight the strong antimicrobial activity of HOCl, which predominates under slightly acidic conditions (pH 5.0–6.5). In lettuce washing trials, SAHW demonstrated microbial reduction comparable to or greater than that of sodium hypochlorite for both total bacteria and heat-resistant spores, while minimizing quality deterioration and suppressing microbial growth during storage. Sensory evaluation and electronic-nose analysis revealed that SAHW-treated lettuce maintained higher freshness in terms of color, odor, appearance, and texture. The treatment also preserved a strong green-color profile, further supporting its quality-retention capability.
Overall, this study demonstrates that UV disinfection and SAHW are both effective technologies for microbial control in process water and fresh produce, with strong potential for application at laboratory and industrial scales. The findings provide technical evidence to enhance microbiological hazard management in food manufacturing processes and offer foundational data for advancing food safety management systems.

국문 초록 (Abstract)

식품제조공정에서 사용되는 식품용수는 세척, 침지, 희석, 냉각 등 다양한 단계에서 필수적으로 활용되며, 이 과정에서 미생물 교차오염의 주요 매개체가 될 수 있다. 이에 따라 잔류물이 적고 효율적이며, 공정 적용성이 높은 소독 기술의 필요성이 꾸준히 증가하고 있다. 자외선 (UV) 소독은 화학적 부산물을 생성하지 않으면서 단시간에 높은 살균력을 제공하는 비열처리 기반 기술로 주목받고 있으며, 신선 농산물 분야에서는 기존 차아염소산나트륨 소독제가 가지는 pH 민감성, 유기물에 의한 효능 저하, 소독 부산물 생성 문제를 보완할 수 있는 대체 기술이 요구되고 있다. 미산성 차아염소산수 (Slightly Acidic Hypochlorous Acid Water, SAHW)는 살균력이 가장 높은 HOCl 형태의 유효염소가 안정적으로 존재하고 잔류 독성이 낮아 신선 농산물 세척 및 살균에 적합한 기술로 평가되고 있다. 본 연구에서는 식품제조공정에서 발생할 수 있는 미생물학적 위해요소를 효과적으로 제어하기 위해 두 가지 살균 기술, 즉 ① 식품용수 내 다양한 미생물을 불활성화하기 위한 자외선 소독기술, ② 신선 농산물 표면의 미생물을 제어하기 위한 미산성 차아염소산수 소독기술을 실험실 규모 및 실제 공정 환경에서 다각적으로 평가하였다.
우선, Collimated beam test를 통해 E. coli, S. Typhimurium, S. aureus, L. monocytogenes, B. subtilis spore, MS-2 bacteriophage 등 여러 미생물을 대상으로 자외선 불활성화 특성을 조사한 결과, 대부분의 세균은 약 20 mJ/cm2에서 3 log 이상의 감소를 보였으나 MS-2 bacteriophage는 70 mJ/cm2 이상의 높은 UV dose를 요구하여 미생물별 UV 민감도가 크게 상이함을 확인하였다. 또한 자외선 투과도는 불활성화 효율에 결정적으로 영향을 미치는 인자로 나타난 반면, 일반적인 수질 항목의 영향은 제한적이었다. 이와 더불어 Bio-dosimetry test를 수행하여 11W 및 30W UV 반응기에서 유량 증가에 따라 불활성화 효율이 저하되는 일반적인 특성을 확인하였다. 이를 기반으로 반응기 규모 및 운전 조건별 요구 UV dose를 산출하였으며, 이는 향후 식품용수 처리 시스템의 설계와 운영 기준 설정을 위한 핵심 자료가 될 수 있다. 식품제조공장에서 실시한 spiking test 결과 또한 실험실에서 얻은 불활성화 경향이 실제 공정에서도 재현됨을 확인하였다.
한편, 미산성 차아염소산수의 소독 성능을 평가한 결과 E. coli, S. aureus, S. Typhimurium, L. monocytogenes은 5초 이내에 5 log 이상 불활성화되었으며, 상대적으로 제어하기 힘든 B. subtilis spore도 5분 내에 4 log 이상 감소하였다. 이러한 높은 살균력은 미산성 조건 (pH 5.0~6.5)에서 생성되는 HOCl의 우수한 살균 메커니즘에 기인하는 것으로 판단된다. 양상추를 대상으로 한 세척 실험에서도 SAHW는 일반세균, 내열성 포자에 대해 차아염소산나트륨 대비 동등하거나 우수한 저감 효과를 나타냈으며, 저장 기간 동안 품질 저하를 최소화하고 미생물 증식을 효과적으로 억제하였다. 관능평가와 전자눈 분석에서도 SAHW 처리군은 색·냄새·형태·촉감 등 대부분 항목에서 높은 신선도 유지 능력을 보였으며, 녹색 계열 색상 분포가 우세하게 나타나 품질 유지 측면에서도 탁월한 성능을 확인하였다.
종합적으로, 본 연구는 자외선 소독기술과 미산성 차아염소산수가 식품용수와 신선 농산물의 미생물 제어에 모두 효과적이며, 실험실 및 현장 수준에서의 적용 가능성이 높음을 입증하였다. 이러한 결과는 식품제조공정에서의 미생물학적 위해요소 관리 강화를 위한 기술적 근거를 제공하며, 향후 식품 안전관리 시스템 고도화를 위한 기반 자료로 활용될 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract iv
• List of Figures vii
• List of Tables x
• I. 서론 1
• 1. 연구 배경 1
• 2. 연구 목적 및 필요성 3
• Ⅱ. 이론적 배경 4
• 1. 식품용 살균제 4
• 1) 일반사항 4
• 2) 식품용 살균제의 종류 4
• 3) 종류별 사용기준 5
• 4) 식품용 살균제의 올바른 선택 기준 5
• 5) 식품용 살균제의 올바른 사용방법 5
• 6) 식품용 살균제의 종류별 특성 5
• 2. 자외선 소독 11
• 1) 자외선의 범위 11
• 2) 자외선에 의한 미생물의 불활성화 메커니즘 11
• 3) Collimated beam test & Bio-dosimetry test 13
• Ⅲ. 재료 및 방법 15
• 1. 지표 미생물의 배양 및 분석 15
• 1) 미생물 배양 및 stock 제조 15
• 2) 미생물 분석 18
• 3) MS-2 bacteriophage의 배양 및 stock 제조 & 분석방법 18
• 2. 자외선 소독에 의한 미생물의 불활성화 20
• 1) 실험 장치 20
• 2) 미생물의 불활성화 실험 21
• 3. 미산성 차아염소산수에 의한 미생물의 불활성화 24
• 1) 실험 장치 24
• 2) 양상추 전처리 24
• 3) 미생물의 불활성화 실험 24
• 4) 저장기간 경과에 따른 총균수 변화 25
• 5) 관능적 특성 평가 25
• Ⅳ. 결과 및 고찰 28
• 1. 식품용수 살균을 위한 자외선 소독기술의 평가 28
• 1) Collimated beam test 28
• 2) Bio-dosimetry test 40
• 3) 식품제조공장 대상 현장 평가 (spiking test) 40
• 2. 신선 농산물 표면에 존재하는 미생물 제어를 위한 미산성 차아염소산수의 효율 평가 50
• 1) 미산성 차아염소산수에 의한 미생물별 불활성화 효율 평가 50
• 2) 양상추 대상 미산성 차아염소산수의 살균 효율 평가 50
• 3) 양상추 대상 미산성 차아염소산수 처리에 따른 총균수 변화 53
• 4) 양상추 대상 미산성 차아염소산수 처리에 따른 관능학적 품질 평가 56
• Ⅴ. 결론 69
• 인용문헌 71
• 요약 75