식품, 식품영양학, 식품 공무원, 농학과 농축산식품이용학 3. 미생물

제3장 미생물

 

▣ 학습목표

1. 생물계 분류 상의 미생물의 위치

2. 미생물 번식속도 표현방법과 미생물의 대강의 번식속도

3. 미생물 번식에 필요한 조건들과, 그 조건들이 식품관리 및 가공에서 중요한 의미를 가지는 이유

4. 세균, 효모, 곰팡이 들의 대표적인 특성

5. 발효식품제조에 사용되는 주요 미생물의 이름

 

▣ 강의의 흐름

미생물의 이해(생물계에서의 위치)

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미생물과 농축산식품의 관계에서 미생물 번식이 가지는 중요성

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미생물 번식 조건

↓

번식조건의 조절에 의한 미생물 제어 방법 제시

↓

농축산식품과 관련이 많은 미생물군의 특성

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▣ 주요용어

진핵세포 : 진화된 세포로서, 세포내에 여러가지 기관이 독립되어 있고 기능이 분화되어 있 음

진핵생물 : 진핵세포로 구성된 생물체

원핵세포 : 진화가 덜 된 세포로서, 세포내 기관이 간단하여 기능이 분화되어 있지 않음

원핵생물 : 원핵세포로 구성된 생물체

박테리아 : 원핵생물로서 세포내 소기관은 핵과 ribosome뿐이며 핵막이 존재하지 않고 ribosome의 침강상수는 70S 임

고세균 : 세포구조는 전형적인 원핵세포의 형태이기 때문에 원핵생물로 분류되는 생물체로 서 유전정보 체계의 일부는 진핵생물과 유사한 점이 있음

바이러스 : 숙주세포의 도움을 받아 번식할 수 있는 생물과 무생물 중간 성질을 가지고 있 는 집단

진균류 : 진핵생물로서 세포벽이 동물 및 식물과 다르다. 효모와 곰팡이가 진균류 임.

효모 : 진균류에 속하는 미생물로서 단세포 혹은 출아로 번식함

곰팡이 : 진균류에 속하는 미생물로서 포자로 번식하고 균사로 생장함

세대기간 : 개체수가 2배로 증가하는데 필요한 기간

호기성 생물 : 에너지 생산대사에 산소가 필요한 생물

혐기성 생물 : 에너지 생산대사에 산소를 이용하지 않는 생물체로서 산소가 존재하면 사멸 함

통성혐기성 생물 : 에너지생산대사에 산소가 절대적으로 필요하지 않은 생물체. 즉 산소를 이용할 수도 있고 산소를 이용하지 않을 수도 있으며, 산소를 이용하지 않는 생물 체의 경우산소가 존재해도 사멸하지 않음

수분활동도 : 특정온도에서 용액의 증기압을 순수한 용매의 증기압으로 나눈 값으로서, 용 액에서 용매가 용질과 결합되어 있는 정도를 나타내는 지표이다. 이는 특정 환경에 서 생물체가 이용할 수 있는 수분의 량을 많고 적음을 나타내는 지표 이기도 하다. 용매 mole수/(용질 mole수+용매 mole수) 로 구할 수 있음

초고온균 : 80℃ 이상에서 생존, 번식할 수 있고 적정 온도가 80℃ 이상 인 미생물

고온균 : 55℃ 이상에서 생존, 번식할 수 있고 적정 온도가 5-60℃ 이상 인 미생물

중온균 : 55℃ 이상에서 번식하지 않고 적정 온도가 25-37℃ 인 미생물

저온균 : 10℃ 이하에서 번식할 수 있고 적정 온도가 10-20℃ 인 미생물

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1. 미생물의 생물계에서의 위치

미생물은 크기가 1mm이하의 생물체들의 통칭이었으나 현미경과 생물학의 발달로 세포구조가 규명됨에 따라 세포구조에 근거한 생물 분류상에서 미생물의 생물군이 결정되었다. 조류(algae), 진균류(fungi), 원핵생물을 미생물로 인정한다. virus는 생물체는 아니나 미생물 과 함께 취급한다. 진균류에 효모와 곰팡이가 속해 있다. 농축산식품에서 중요한 것은 진균류, 박테리아, virus이다.

2. 미생물의 표기

일반적으로 속, 종을 표기하며 strain을 표기하는 경우도 있다. 속, 종은 이태릭 체로, 속의 첫 글자는 대문자로 표기한다.

 

화면 2

미생물과 농축산식품

 

 

1. 부패

오염된 미생물이 조절되지 않은 상태에서 번식하면 농축산식품을 부패 시킨다.

2. 발효식품

선별된 발효미생물이 조절되는 상태에서 번식하면 발효식품을 생산 할 수 있다.

 

 

*세대기간의 계산

 

n 세대 후의 개체수 = 최초개체수×2n

log(n 세대 후의 개체수) = log(최초개체수) + nlog2

n = [log(n 세대 후의 개체수) - log(최초개체수)]/log2

세대기간 = 번식시간/n

= 번식시간/{[log(n 세대 후의 개체수) - log(최초개체수)]/log2}

 

 

 

최초의 개체 수와 n 세대 후의 개체수를 알면 세대기간을 계산 할 수 있다. 여기서 n세대라 함은 번식이 이루어진 시간과 동일하다. 즉 최초의 개체수와 일정시간동안 번식이 실시된 후의 개체수를 알 면 세대기간을 구할 수 있다.

  

 

*세대기간

  

 

 

세대기간은 생물체에 따라, 환경에 따라 다르다. 세균의 경우 일반적으로 30분 내외이며 효모는 이보다 다소 느리다.

 

 

*미생물 번식에 필요한 조건

 

대사원료

영양소(에너지원, 탄소원, 질소원), 산소

환경

온도, pH, 수분

 

 

1. 영양소

에너지 생산, 세포물질 합성 원료이다.

2. 산소

에너지 생산대사에 산소 필요 여부가 미생물에 따라 다르다.

3. 온도

대사반응에 필요로 하는 에너지의 크기와 대사반응을 주도하는 효소의 열에 대한 안정성 이 생물체 마다 다르다.

4. pH

대사반응 원료 및 효소는 pH에 따라 하전 양태가 다르다. 생물체에 따라 대사반응에 적절한 하전의 정도가 다르기 때문에 pH가 각 생물체의 번식과 밀접한 관계를 가진다.

5. 수분

생물체의 세포액은 수분을 용매로 하는 수용액이며 모든 대사반응은 수용액에서 진행된다. 그러므로 생물체 세포액의 수분함량이 적절하게 유지될수 있는 환경이 필요하다.

 

 

*에너지원, 탄소원

 

  

 

식품과 관련한 미생물은 모두 유기물에 축적되어 있는 화학에너지와 유기물의 탄소를 이용하는 chemoheterotrops 이다.

 

 

*산소

 

분류	산소이용성	산소유해성	미생물
호기성 통성혐기성   혐기성	이용 이용 이용하지 않음 이용하지 않음	무해 무해 무해 유해	곰팡이 E. coli, 효모 Lactobacillus Clostridium

설명

호기성 대사가 혐기성 대사 보다 에너지 생산량이 매우 많기 때문에 호기성 미생물의 번식속도가 빠르며 식품 부패의 주 원인이다.

멸균통조림이 부패하는 것은 포자를 형성하는 혐기성 세균이 원인이다.

 

 

*온 도

분류	번식가능온도	적온	미생물
초고온균 고온균 중온균 저온균	80℃ 이상 55℃ 이상 55℃ 이하 10℃ 이하	80℃ 이상 50-60℃ 25-37℃ 10-20℃	Thermus Bacillus stearothermophilus E. coli Pseudomonas

 

 

설명

온대지방의 상온은 일반적으로 25℃ 근처이기 때문에 우리나라의 식품에 오염되는 미생물은 중온성이 가장 많고, 식품의 부패원인도 주로 중온성 세균이다. 냉장고에 식품을 보관했을 때 부패 원인균은 저온성 미생물이다.

 

 

  pH

 

 

 

설명

일반적으로 세균은 중성에서 번식을 잘하며, 효모와 곰팡이는 산성에서도 번식을 잘 한다.

 

 

 

  수 분

 

수분활성도(water activity, Aw)

용매 mole수/(용매 mole수+용질 mole수)

 

 

 

설명

수분활성도는 용액에서 용질이 용매와 화학결합을 하고 있지 않는 자유수분 의 함량에 대한 척도이다. 생물체가 번식할 수 있는 조건에 기여하는 수분은 자유수분이다. 곰팡이는 세균과 효모에 비해 번식에 필요한 최전 수분활성도가 낮기 때문에 건조식품의 표면에서 번식할 수 있다.

 

 

*미생물 번식

 

 

 

설명

1. 식품에서 미생물이 번식하는 양태는 폐쇄된 배지에서 미생물이 번식하는 것과 동일형태이다.

2. 폐쇄된 배지에서 미생물의 번식

① 유도기

미생물이 새로운 환경에 적응하는 시기이며 번식속도가 매우 느리다.

② 대수기

적응이 완료되어 번식이 2세대수의 대수적으로 매우 빠르게 진행되는 시기이다. 미생물의 생존기간에 한계가 있기 때문에 사멸하는 미생물도 존재한다.

③ 정체기

영양소가 소모되고 대사산물이 축적되면 환경이 나빠져 사멸하는 미생물수가 증가한다. 정체기는 증가하는 미생물체의 수와 사멸하는 미생물수가 동일하여 생존 미생물 수가 일정하게 유지되는 시기이다.

④ 사멸기

환경이 나빠져 증가하는 미생물체의 수 보다 사멸하는 미생물수가 더 많아 생존 미생물 수가 감소하는 시기이다. 이 시기의 생존 미생물 수는 적으나 이미 상당량의 대사산물이 축적되어 있다.

 

화면 11

  미생물 조절

번식의 제어

번식조건 제어 : 온도, 수분활성도, pH, 산소, 허들기술

보존제 첨가 : sulphur dioxide(박테리아, 곰팡이, 효모)

Na-sorbate(박테리아, 곰팡이)

번식의 최적화

번식의 최대화 : 조건의 최적화

생산물의 최대화 : 조건의 적정화

사멸

멸균 : 121℃(습열), 15-20분

살균 : 최소한의 열처리

 

설명

1. 번식의 제어

냉장 및 냉동 보관 : 온도조절

건조, 염장 : 수분활성도 조절

산 발효 : pH 조절

진공, 질소충전 포장 : 산소 제거

허들 기술 : 미생물 번식 장애 조건을 두가지 이상 적용하기 때문에 극단적인 처리를 할 필요가 없어 비용이 적게 들고 식품성분에 대한 영향을 줄일 수 있다.

보존제 첨가 : 최소한의 량을 첨가해야 함

2. 번식의 최적화

번식의 최대화 : 모든 조건이 최적의 상태일때 번식이 최대화 할 수 있다.

생산의 최대화 : 생산되는 물질에 따라 생산량이 최대인 조건이 다르다.

3. 사멸

멸균 : 모든 미생물이 사멸되기는 하나 영양소 파괴, 유해물질 생성, 비용의 증가 등 의 문제가 있다.

살균 : 적당한 조건(냉장온도)에서 일정기간(소비자에 도달하기 까지의 유통기간) 보 관할 때 위생적 품질에 문제가 없을 정도로 가열함으로서 멸균이 가지는 문제 를 해결하는 방법이다.

 

화면 12

  박테리아

분류관련 특성

rDNA구조, 형태, 그람염색성, 생리적 특성

번식 조건

중성-약알칼리성, 중온, 높은 수분활성도

내환경 특성

포자형성 여부

주요 박테리아

E. coli, 젖산균

 

설명

1. 분류관련 특성

rDNA : 박테리라의 유전정보 중 ribosome의 유전정보가 종에 따라 일정하게 보존되 어있기 때문에 rDNA(ribosomal DNA)의 구조가 분류의 가장 정확한 근거로 사 용 된다.

형태 : 구균, 간균, 나선균

그람 염색성 : 세포벽의 성분에 따라 그람염색약에 의해 염색되는 색갈이 다르다. 그람 양성세균은 세포벽 외측이 peptidoglycan 으로 되어 있으며 푸른색으로 염색되고, 그람음성세균은 세포벽 외측이 lipopolysaccharide로 피복되어 있어 붉은 색으로 염색된다.

생리적 특성 : 번식 적정 환경, 당 이용성, 대사산물종류, 산소 이용성

2. 번식 조건

박테리아의 번식양태 및 조건은 매우 다양하나 일반적으로 중성-약 알칼리 pH에서 잘 번식하며, 중온성 미생물이 대부분을 차지한다.

3. 내환경 특성

박테리아의 포자는 건조, 고온에 사멸되지 않는다. Bacillus, Clostridium, Sporolactobacillus, Desulfomaculum, Sporosarcina 등은 환경이 나쁠때 포자를 형성하여 견디어 살아남으며, 환경이 호전되면 발아하여 vegetative cell로 전환하여 번식한다.

4. 주요 박테리아

E. coli는 동물의 대장에 존재하기 때문에 식품에 E. coli가 오염되어 있으면 동물의 분변이 오염되어 있음을 의미하기 때문에 위생적 품질이 심각하게 의심된다. 젖산균은 김치, 요구르트 등 젖산 발효식품을 제조하는 주 박테리아이다.

 

 

화면 13

곰 팡 이

분류관련 특성

형태 : 균사체, 자실체

번식 : 유성생식, 무성생식

번식환경 관련 특성

수분요구 : 낮음

pH : pH1.5-11

산소 : 호기성

주요곰팡이

  Aspergillus oryzae, Aspergillus kawachii, Rhizopus

 

설명

1. 분류관련 특성

형태 : 곰팡이는 영양생식기관인 자실체와 포자의 집합체로서 번식기관인 자실체로 구 성되어 있으며 이들의 형태가 분류의 정보로 이용된다.

번식 : 두개의 포자 의 세포핵이 융합하여 새로운 포자가 형성되는 유성생식, 세포핵 의 융합 없이 분열하여 새로운 포자가 형성되는 무성생식이 있다.

2. 번식환경 관련 특성

수분요구 : 박테리아와 효모보다 낮다.

pH : 넓은 범위의 pH에서 번식을 하며 약산성에서 번식을 잘 한다.

산소 : 에너지 생산 대사에 산소가 반드시 필요하다.

3. 주요 곰팡이

Aspergillus oryzae : 된장, 간장, 청주, 약주 제조 곰팡이

Aspergillus kawachii, Rhizopus : 탁주 제조 곰팡이

 

화면 14

  효 모

분류관련 특성

형태 : 구형, 난형, 타원형, 원통형, 레몬형

번식 : 출아, 분열, 포자

번식 특성

산소 : 통성 혐기성

온도 : 중온성

pH : pH 2.5-8.0

에너지원 : 설탕 잘 이용

주요 효모

Saccharomyces cerevisae, Saccharomyces ellipsoides

 

설명

1. 분류관련 특성

구형 박테리아와 모양이 유사하나 5배 정도 크다.

2. 번식 특성

출아가 일반적인 방법이다.

혐기대사에 의해 알코올을 생산한다.

3. 주요 효모

Saccharomyces cerevisae : 맥주, 청주, 고량주

Saccharomyces ellipsoides : 포도주

 

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연습문제

1. 미생물로 인정되는 생물군을 제시하시오.(화면 1)

2. 식품을 부패시키는 생물군의 영양소 이용 상의 공통점을 제시하시오.(화면 6)

3. 허들기술의 장점은 무엇인가 ?(화면 11)

4. 살균이 멸균 보다 효과적인 방법인 이유는 무엇인가 ?(화면 11)

5. E. coli가 식품의 위생적 품질을 판단하는 중요한 지표가 되는 이유는 무엇인가 ?(화면 12)

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강의내용 정리

1. 미생물 군

① 생물계에서 조류, 진균류, 원핵생물, virus 를 미생물로 인정한다. virus는 생물체가 아니나 미생물로 분류하여 함께 취급한다.

② 식품에서 중요한 미생물은 원핵생물인 박테리아, 진균류인 곰팡이와, 효모 이다.

2. 미생물 번식 조건

① 미생물의 번식에 필요한 조건은 영양소, 온도, pH, 산소, 수분 등이다.

② 이들 중 한 가지라도 부적절하면 번식에 장애가 일어나기 때문에 번식조건을 조절화면 미생물의 번식을 제어 할 수 있다.

3. 폐쇄된 배지에서 미생물의 번식

① 영양소의 공급 및 대사산물의 제거가 지속적으로 되지 않는 폐쇄된 배지에서 미생물은 유도기, 대수기, 정체기, 사멸기의 단계로 번식한다.

② 사멸기에 이르러 미생물이 사멸 하여 생존하는 미생물의 수가 적어도 대사산물은 그대로 축적되어 있다. 이러한 이유 때문에 식품의 부패가 진행되면 품질이 계속 악화 한다.

4. 미생물 조절

① 미생물의 번식에 필요한 조건을 조절하면 미생물의 번식을 제어 할 수 있다.

② 번식조건을 두가지 이상 부적절하게 유지하면 극단적이 처리를 하지 않고서도 미생물의 번식을 제지 할 수 있다. 이를 허들기술이라 한다.

③ 미생물의 번식을 최대화 하기 위해서는 모든 조건을 최적으로 갖추어 주어야 한다.

④ 미생물이 특정 물질을 생산하기 위한 최적 조건은 미생물체 번식을 최대화 할 수 있는 조건과는 다르다.

⑤ 미생물을 사멸하는 방법은 멸균과 살균이 있는데 살균은 멸균법의 단점을 보완한 방법이다.

5. 식품관련 미생물군의 특성

① 박테리아의 특성은 매우 다양하나 중온성 박테리아가 많고, 중성 pH에서 잘 번식한다. 식품에서 중요한 박테리아는 E. coli와 젖산균이다.

② 곰팡이는 극히 일부를 제외하고는 호기성이며 번식할 수 있는 pH의 범위가 매우 넓고, 번식에 필요한 수분활성도가 낮다. 식품에서 중요한 곰팡이는 Aspergillus oryzae, 이다.

③ 효모는 통성혐기성이며 번식가능 pH의 범위가 곰팡이 보다는 좁으나 박테리아 보다는 넓다. 식품에서 중요한 효모는 Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces ellipsoides이다.

 

욕심 부리다가 제대로 당한 대륙녀 ㅋ

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