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제목 식품용 스마트 패키징의 혁신 동향
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2021/06/03 18:29

식품용 스마트 패키징의 혁신 동향

 

1. 액티브 패키징과 지능형 패키징

 

전통적인 식품 패키징은 식품에 가해지는 환경의 부정적 작용을 지연시키기 위해 설계된 수동적 차폐물, 즉 패시브 배리어(passive barriers)라 할 수 있다. 반면, 최근의 식품 패키징은 제품을 담고, 보호하고 판매하는 수동적 역할 외에도 패키징을 통해(가공 및 보관 과정에서) 식품의 보존에 있어 역동적인 역할을 함으로써 유통망 전 과정에서 식품의 안전성과 품질을 유지할 수 있도록 하는 능동적 기능을 특징으로 한다. 달리 말하면, 식품과 접촉하는 전통적 포장 소재는 가능한 한 불활성이어야 한다는 것이 안전성을 위한 핵심 목표의 하나다. 반면, 혁신적 패키징 시스템 개념은 포장과 내부 환경 간의 유용한 상호작용을 기반으로 포장 내의 식품을 능동적으로 보호하는 역할을 한다.

혁신적 패키징 기술을 설명하기 위해 ‘액티브(active)’, ‘인터랙티브(interactive)’, ‘스마트(smart)’, ‘똑똑한(clever)’, ‘지능형(intelligent)’, ‘지시계(indicators)’ 등 여러가지 용어가 사용되고 있다. 하지만 이 용어들은 명확한 정의를 담고 있지 못한 경우가 많고 어떤 문헌에서는 원칙없이 섞어 사용되기도 한다. 따라서 그 의미를 명확히 구별하는 것이 중요하다.

지능형 패키징과 액티브 패키징은 식품포장에 대해 새로운 접근을 시작했다는 점은 공통점이 있지만 매우 다른 개념이다. 주요 차이점은 지능형 포장은 포장된 제품의 상태를 모니터링하는 것 이외의 다른 작용을 통해 식품에 직접적 효과를 미치지 않는다는 점이다. 반면, 액티브 패키징은 유통기한을 늘릴 수 있도록 식품을 둘러싸고 있는 환경에 효과를 미친다.

따라서 액티브 패키징은 모종의 작용을 수행하는 요소라면, 지능형 패키징은 정보를 감지하고 공유하는 요소다. 지능형 패키징과 액티브 패키징은 거의 필연적으로 시너지 효과를 발휘함으로써 이른바 “스마트” 패키징을 만들어 낼 수 있다.

혁신적 패키징 생산을 위한 제조기술을 고려할 때, 대부분의 경우 포장이 압출, 사출성형, 사출 연신 블로우몰딩, 캐스팅, 블로운 필름, 열성형, 발포, 블렌딩 및 컴파운딩 등 기존 방식으로 생산된다는 점을 고려해야 한다. 활성 요소는 폴리머 기반 포장재 매트릭스나 필름에 곧바로 통합될 수 있으며, 그렇지 않은 경우 봉지나 패드를 패키징에 삽입할 수도 있다. 반면 지능형 요소는 1차 포장 또는 2차 포장 내에 통합될 수 있다. 하지만 패키징의 구성 및 구조 상에서 대두되는 발전을 따르는 폴리머 패키징 제조혁신도 흥미로운 일이다.

시장의 관점에서 볼 때, 유럽시장은 액티브 패키징 및 지능형 패키징이 차지하는 위상이 여러 해외시장, 특히 이러한 제품이 널리 상용화되고 있는 일본, 미국 및 오스트레일리아보다 훨씬 뒤처져 있다. 이 같은 간극은 유럽지역의 매우 엄격한 식품포장 관련 규제에 기인하는 부분이 적지 않다. 현재까지 유럽에서 식품 포장용 지능형 및 액티브 소재만을 다루는 유일한 규정은 Regulation 450/2009로서, 식품과 접촉하는 소재로서의 액티브 및 지능형 소재의 사용 및 승인에 대한 구체적 요건을 정하고 있다.

이 글의 목적은 각종 액티브 패키징 및 지능형 패키징에 대한 명확한 정의와 분류, 그리고 관련 제조기술에서 상용 분야에 관한 정보를 제공하기 위해 식품포장의 최근 혁신을 개괄하는 것이다. 본 연구에 소상히 다룬 모든 범주의 액티브 패키징 및 지능형 패키징에 관한 포괄적 도식은 그림 1에서 보는 바와 같다. 이를 바탕으로 포장식품과 관련해 두 가지 유형의 패키징이 수행하는 서로 다른 기능을 연역해 볼 수 있다.

2. 정의 및 규정

 

유럽의 액티브 패키징 및 지능형 패키징은 총이행한계량(OML: overall migration limits), 특정이행한계량(SML: specific migration limits) 및 독성 특성에 대한 평가를 포함하는 식품접촉물질에 대한 법률을 준수해야 한다.

특히, 규정 1935/2004/EC 제3항은 식품과 직간접적으로 접촉하는 모든 물질이나 물건은 정상적이고 예측 가능한 조건하에서 그 구성 성분이 식품의 구성을 변화시키거나 식품의 관능적 특성을 악화시킬 수 있는 인체 건강 상의 위험을 일으킬 수 있는 정도의 양으로 식품으로 이행(migration)하지 않도록 우수제조관리 기준에 따라 제조되어야 한다고 정하고 있다.

물질 범주에 따라 국가 및 국제적 특수 규정들이 만들어져 있으며, 그 가운데 규정 (EU) No. 10/2011 및 이 앞의 규정을 개정 또는 수정한 규정 (EU) 2016/1416이 포장 분야와 이해관계가 크다. 또한, 규정 1935/2004/EC 제4항에서는 지능형 물질이 소비자를 오도할 수 있는 식품의 상태 정보를 제공하지 않을 것임을 나타내야 한다고 규정하고 있다.

EU 위원회 규정 450/2009/EC는 식품과 접촉하도록 제조된 액티브 및 지능형 물질을 구체적으로 다루고 있다. 특히 지능형 패키징 시스템이 그 성분을 식품으로 방출해서는 안 된다고 강조하고 있다. 지능형 성분은 포장 외부에 배치해야 하며 식품과 접촉은 물질의 이행을 방지하는 기능성 차폐물을 사용해 막아야 한다고 규정하고 있다.

기능성 차폐물은 정의된 바의 기준과 정한 바의 이행한계량 범위 내에서 승인되지 않은 물질을 사용할 수 있도록 해준다. 나아가, 나노입자와 같은 기술 채택과 관련된 위험성은 그 기술의 사용과 식품 및 인체 건강 사이에 발생할 수 있는 상호작용이 구체적으로 분석되어야 한다고 지시되어 있다. 액티브 패키징과 관련해, 제5항은 능동적 기능을 가진 식품포장에 추가될 수 있는 성분을 승인된 물질 목록에 등재해야 한다고 밝히고 있다.

목록에 등재된 모든 물질에 대해 유럽식품안전청(EFSA)은 활성제(active agent)의 이행, 그 활성제에 반응한 제품의 이행 및 독성 특성평가를 포함한 위험 및 안전 평가를 수행했다. 일반적으로 액티브 패키징은 비이행성 및 이행성으로 분류할 수 있다. 전자는 활성제의 작용이 포장에서 식품으로 비휘발성 또는 휘발성 화합물의 의도적인 이행 없이 수행됨을 의미한다.

그럼에도 불구하고, 포장 내의 활성제는 식품으로 방출되도록 의도되어 있을 수 있다. 이 경우 해당 포장의 허용 이행총량을 초과할 수 있으므로, 규정은 두 가지 예외를 암시하고 있다. 실제로, 능동적 기능이 수동형 물질이 지닌 명확한 특징이 아니라면, 방출된 활성제의 양은 총이행량 평가에 포함해서는 안 된다.

또한, 식품 내에서 활성물질이 차지하는 농도가 관련 식품법을 준수하는 범위 내에 있지만, 방출된 활성물질의 이행이 특정이행한계량을 초과할 수도 있다. 더불어, 식품에 의도적으로 방출되거나 기술적 효과를 지닌 활성물질은 직접 식품첨가제와 관련한 규정 1333/2008/EC를 준수해야 한다.

이식(grafting) 및 고정(immobilization)과 같은 기술을 사용해 활성물질에 통합된 이미 승인된 물질의 경우, 화학 반응, 분해 또는 부패 발생이 예상된다면 제조업체의 안전평가 수행 및 물질 안정성 검증이 요구된다. 또한, 활성화 물질은 소비자를 오도해서는 안 되며(예: 식품 부패를 은폐하는 것), 활성화 물질의 비식용 부분을 실수로 섭취하는 것을 방지하기 위해 “먹지 마시오”라는 문장이나 기호를 라벨에 표시해야 한다.

다른 법적 영역권을 고려하면, 유럽과는 다른 접근 방식이 관찰된다. 일본시장의 경우 액티브 및 지능형 패키징이 이미 확고하게 자리를 잡았지만, 이 두 가지 범주의 포장과 관련된 구체적인 규정은 여전히 부재한 상태다. 실제로, 액티브 및 지능형 패키징 안전성 보장을 위한 법적 장치는 1947년에 만들어진 일본 식품위생법과 2003년의 식품안전기본법이다.

일반적으로 일본시장에 액티브 및 지능형 패키징을 도입하기 위해, 유럽연합이나 미국과 같은 외국 규정의 준수를 포함해 위험성 평가 기준이 채택된다. 식품 접촉물질에 대한 미국 규제안의 경우, 유독성 평가 절차는 노출 평가만을 요구하고 있어 유럽 규정에 비해 크게 간소화되어 있다.

액티브 및 지능형 패키징은 기존의 포장과 거의 동일하게 간주된다. 식품 접촉물질은 미국식품의약국(FDA)이 연방 식품, 의약품 및 화장품법에 따라 “식품 첨가물”로 간주되는 경우 시장에 내놓기 전에 규제 당국의 허가를 받아야 하지만, 액티브 또는 지능형 패키징에 사용된 소재가 식품에 어떤 물질을 첨가하거나 식품에 기술적 효과를 내기 위한 것이 아닌 한(이른바 “간접 첨가제”), 이런 성분에 대한 구체적 규정이 존재하지 않아서, 단순히 다른 모든 식품 접촉 물질과 동일하게 규정된다. 

한편 캐나다의 식품포장 규제시스템은 높은 안전기준을 기반으로 하고 있으며 미국 시스템과 유사하다. 두 나라의 시스템 간의 중요한 차이점은, 식품 첨가물로 간주되지 않지만 법적으로는 건강제품 및 식품 관리원(HPFB)의 사전 허가가 요구되는 식품포장 성분의 이행과 관련된 것이다.

3. 액티브 패키징

 

식품용 액티브 패키징이란 식품 또는 식품을 둘러싼 환경과 상호작용하여 제품 유통기한을 늘리는 것을 목표로 함으로써, 고전적으로 포장이 맡은 기능을 개선함을 의미한다. “활성물질 및 활성재(active materials and articles)”에 대한 상세한 정의가 유럽 규정 450/2009/EC에 나와 있다.

이에 따르면 활성물질 및 활성재란 “포장된 식품 또는 식품을 둘러싼 환경에 물질을 방출하거나 그로부터 물질을 흡수하는 성분을 함유하도록 설계된” 것이다. 실제로 기존 식품포장은 일반적으로 환경오염으로부터 분리해 식품을 보호하는 수동적 차폐물로 의도된 반면, 액티브 패키징은 식품 보존을 강화하는 포장물질의 활성작용을 촉진한다.

이 같은 활성작용은 식품 보존에 중추적인 역할을 할 수 있는 화합물의 흡수, 배출 또는 방출 역할을 하기 위해 수동형 차폐물에 첨가되는 포장 물질 또는 활성제가 지닌 특정 기능 덕분일 수 있다. 따라서, 액티브 패키징의 주 목적은 미생물 및 화학물질에 의한 오염방지뿐 아니라 식품의 시각적 관능적 특성을 유지하는 것이기도 하다.

표 1은 다음 단락에서 다룰 시중에 나와 있는 식품용 액티브 패키징의 여러 범주에 해당하는 구체적 예를 들어 보여주고 있다.

 

3.1. 습기 조절제

습기 흡수제는 과도한 습기를 조절하는 작용을 하는 비이행성 액티브 패키징이다. 포장공정 중 갇힌 습기, 온도 변화로 인한 습기 방출, 신선제품의 호흡, 포장의 낮은 투습성 등 여러 가지 원인 때문에 포장 내에 수분 함량이 높아질 수 있다. 과도한 수분은 특히 건조식품에서 식품 품질에 원치 않는 변화를 일으키는 미생물 증식을 촉진하기 때문에 식품의 유통기한을 단축시킨다.

또한 신선 과일과 채소 포장필름에 물방울이나 김서림으로 인해 생선과 육류 포장 안에 물기가 보이면 소비자의 호감이 떨어지게 된다. 습기 흡수제의 주요 목적은 곰팡이, 효모 및 박테리아의 성장이나 부패를 억제할 수 있는 환경을 제공해주는 흡습성 기질 또는 물질을 사용해 식품 내 수분의 작용을 줄여주는 것이다.

수동형 시스템으로 쓰이는 일부 포장재는 그 자체의 흡습성 덕분에 습기 제거제 역할을 한다. 규정 450/2009/EC에 따르면, 자연 성분만으로 이 같이 작용할 뿐 의도적으로 특정 물질을 흡수하도록 설계되지 않은 이런 종류의 물질과 제품(예: 100% 셀룰로오스로 이루어진 패드)은 액티브 시스템으로 정의할 수 없다. 그럼에도 불구하고, 그러한 용도를 위해 설계된 성분을 함유하고 있는 경우라면, 액티브 패키징으로 정의할 수 있다.

습기 제거제(moisture scavengers)는 포장 내 상부 공간의 습도를 줄이는 역할을 하는 경우 “상대습도 조절장치(relative humidity controllers)”로 정의할 수 있는 반면, “습기 제거제(moisture remover)”는 일반적으로 신선제품 및 육류 포장의 밑바닥에서 배어나온 액체를 흡수한다.

표 2에 요약된 바와 같이, 시판되는 습기 흡수제의 예로는 흡수 패드, 흡수 시트, 흡수 트레이, 흡수 블랭킷 등이 있다. 그 구조는 고흡수성 폴리머, 실리카겔 기반 흡수제, 염화나트륨, 전분 코폴리머 등과 같은 능동성 물질이 그 사이에 담긴 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등을 소재로 한 두 겹의 미세 다공성 부직포 플라스틱 필름으로 이루어진다. 패키징 디자인은 활성제가 포장 가공 후에도 그 특성을 유지하는 동시에 플라스틱의 특성을 방해하는 일이 없도록 이루어져야 한다.

또한, 건조제를 담은 폴리머는 투수성이어야 한다. 그럼에도 불구하고, 수분함량이 높은 제품의 경우에는 식품의 원치 않는 건조를 피하기 위해 조심스럽게 습기 흡수제를 설계해야 한다. 산화칼슘, 염화칼슘, 분자체, 천연 점토, 실리카겔 등 건조제가 담긴 소형 봉지는 건조식품 포장과 같이 수분이 낮은 식품의 습도 조절에 사용된다. 또한, 습기 흡수물질은 폴리머 매트릭스 또는 패키징을 구성하는 두 층의 플라스틱 필름의 사이에 분산시켜 놓을 수 있다.

건조제로 사용되는 무기 화합물에는 습도가 증가함에 더 많은 양의 수분을 보유할 수 있는 실리카겔, 벤토나이트, 황산칼슘, 분자체 같은 물질, 또는 수분과 불가역적으로 반응해 그로부터 산화물을 만들어 내는 칼슘, 바륨, 산화마그네슘과 같은 금속 산화물도 포함된다. 유기물 기반 흡수제로는 과당, 소르비톨, 셀룰로오스, 변성 전분 등이 보고되어 있다. 식품 보존을 위한 건조제로 산화 그래핀 종이(graphene oxide papers)의 활용이 보고된 바도 있다.

 

3.2. 에틸렌 제거 시스템

에틸렌은 순수 불포화 탄화수소로서 무취 및 무색이다. 식물이 만들어 내는 천연 호르몬으로 식물의 성장 주기, 호흡률, 체세포배 발생, 씨앗 발아, 뿌리 생장 및 발달 등에 중요한 역할을 한다.

한편, 이러한 작용은 신선한 농산물을 시장에 내놓기 위해 필요한 적절한 숙성과정(예: 레몬의 최색[催色, degreening])을 가능케 해주지만, 다른 한편, 엽록소의 숙성 및 분해가 가속화되면서 신선 제품 수확 후 저장과정에서 품질저하 및 유통기한 단축을 초래할 수도 있다.

전환성 과일(climacteric fruit)과 채소는 숙성과정에서 높은 양의 에틸렌, 알데히드 및 기타 가스를 발생시켜 숙성과정을 더욱 촉진한다. 액티브 시스템에 의해 포장 내 공기 중 에틸렌을 감소시키면 이들 제품의 원치 않는 숙성을 더디게 만들 수 있다. 포장 내에 단 1ppm의 에틸렌만 존재해도 전환성 과일의 숙성을 촉발시키기에 충분하다.

반대로, 비전환성 과일(체리, 딸기, 파인애플 등)은 숙성과정에서 에틸렌 가스가 필요치 않기 때문에 그 포장에 에틸렌 제거 시스템을 적용하는 경우는 별로 없다. 에틸렌의 제거는 물리적으로 분자를 흡수해 붙잡아주는 에틸렌 흡수제, 그리고 화학반응에 의해 작용하는 제거제에 의해 수행될 수 있다.

 

3.2.1. 에틸렌 흡수제

에틸렌 흡착제에는 실리카(silica), 제올라이트(zeolite), 몬모릴로나이트(montmorillonite), 클로이사이트(cloisite), 활성탄(activated carbon), 오야응회암(Japanese Oya clay) 등이 포함된다.

일반적으로 상용 에틸렌 흡수제는 작은 봉지에 담겨 포장 안에 삽입되거나 플라스틱 필름 구조 내에 통합해 사용하며, 신선 농산물 포장에 널리 사용된다. 최근 가공하지 않은 천연 할로이사이트 나노튜브(halloysite nanotubes) 대신 알칼리 원소를 흡착시켜 처리한 할로이사이트 나노튜브를 에틸렌 흡수제로 사용하는 연구도 발표된 바 있다.

알칼리 처리는 천연 할로이사이트 나노튜브의 세공(細孔) 크기를 늘려주어 더 많은 양의 에틸렌을 더욱 신속하게 흡착할 수 있도록 해준다. 또 이트리움(Yttrium) 처리 산화 그래핀의 특성을 활용한 새로운 흡수제의 설계를 위해 유용한 데이터를 제공하는 새로운 논문도 발표되었다.

 

3.2.2. 에틸렌 제거제

가장 널리 사용되는 에틸렌 제거제는 알루미나 또는 실리카겔 같은 불활성 매트릭스를 바탕으로 하여 과망간산칼륨(4-6%)으로 만들어진다. 이 화합물은 독성으로 인해 식품과 접촉하는 표면에는 사용하지 않고, 에틸렌 제거능력을 향상시키기 위해 미네랄이나 나노입자에 삽입해 투과성 소형 봉지에 담겨 사용하는 것이 일반적이다. 또한, KMnO4 기반 제거제는 튜브 필터, 블랭킷, 필름 형태로도 제공된다.

작용 메커니즘에는 에틸렌 가스의 산화를 통한 에틸렌 글리콜, 이산화탄소 및 물로의 변환을 수반한다. 나노입자는 표면활성 및 반응성이 높아 은, 이산화 티타늄, 산화아연, 구리 및 팔라듐을 이용한 광촉매 반응을 통해 에틸렌을 산화시켜 물과 이산화탄소로 바꾸는 데 사용할 수 있다.

최근에는 TiO2 나노입자에서 관찰되는 자연발생적 응집과 관련된 문제를 줄이고 에틸렌 제거능력과 항균 특성을 모두 갖춘 액티브 패키징 생산을 목표로 이산화 키토산-티타늄 나노복합소재 필름이 개발됐다. TiO2를 1% 함유한 키토산 필름은 적당한 수분 차폐능력 및 에틸렌 분해능력뿐 아니라 항균 작용까지 보여준다.

 

3.3. 이산화탄소 제거제

식품 포장 내의 이산화탄소의 존재는 일반적으로 유익하며, 이 점에 관해서는 다음 단락에서 자세히 다룰 예정이다. 그럼에도 불구하고, 이산화탄소가 과도하게 존재하면 식품 및 패키징에 바람직하지 않은 영향을 불러일으킬 수 있다. 과도한 이산화탄소는 제품 자체의 대사나 미생물 오염물질의 대사 때문일 수 있다.

CO2는 생체 시스템에서 발생하는 이화 반응(catabolic reactions)이 일으키는 주된 결과의 하나다. 예를 들어, 김치, 요구르트, 치즈, 된장 같이 저온살균 또는 살균처리를 하지 않은 포장된 발효식품은 보관 및 유통 중에도 미생물의 활동이 계속된다. 미생물 활동은 포장 내부에 CO2 수준을 높여 포장이 파열되거나, 변색, 향미의 변질, 조직 파괴 등 식품의 질감과 향미의 바람직하지 않은 변화로 이어질 수 있다.

과도한 이산화탄소에 의해 영향을 받을 수 있는 식품에는 감자, 양상추, 양파, 오이, 콜리플라워, 아티초크, 살구, 복숭아, 사과, 당근 등을 들 수 있다. 또한 볶은 커피는 다량의 이산화탄소 방출로 패키징이 파열될 수 있다. 일부 포장에서 CO2 투과성이 낮아 축적되는 문제를 해결하기 위해 소형 봉지 형태로 식품 패키징 내부에 집어넣는 제거제도 개발됐다.

다공성 봉지에 담긴 실리카겔 같은 산화칼슘과 수분공급제는 물과 산화칼슘 간의 반응을 가능케하여 수산화칼슘을 형성한다. 이는 최종적으로 CO2와 반응해 탄산칼슘을 만든다. 다른 흡수제로는 소형 봉지 또는 과립 형태의 수산화나트륨, 수산화칼륨 또는 비즈와 분말 형태의 물리적 흡수제(제오라이트, 활성탄) 등을 들 수 있다.

 

3.4. 항균 액티브 패키징

식품 유통기한은 미생물의 존재에 큰 영향을 받는다. 오염은 공급사슬의 모든 단계에서 식품이 환경에 노출될 때마다 발생할 수 있으며, 그 결과는 단순한 감각적 특징의 변질에서부터 소비자의 심각한 건강위험에 이르기까지 다양할 수 있다.

이 같은 문제의 예방을 위해 개발된 기술 가운데 항균포장은 식품 안전을 개선하고 식품 유통기한을 늘리는 동시에 음식물 쓰레기 및 경제적 손실을 줄이는 효과적인 도구가 될 수 있다. 패키징에 포함된 능동적 배출작용을 하는 물질은 화합물의 방출을 제어하는 것을 목표로 해, 적정 수준의 습도 유지, 유해한 미생물의 억제, 박테리아로 인한 부패방지 등을 달성할 수 있다.

 

3.4.1. 이산화탄소

이산화탄소는 여러 가지 미생물에 항균효과를 발휘하는 것으로 잘 알려져 있으며 식품 유통기한 연장을 위한 가스치환 포장(modified atmosphere packaging)에 사용된다. 그럼에도 불구하고 일부 포장재를 통과하는 CO2의 투과성이 산소보다 높고 식품에 용해될 수도 있기 때문에, CO2 농도를 원하는 수준으로 유지하고 패키징의 변형을 피하기 위해 이산화탄소 발생기가 필요하다. 이산화탄소의 항균작용은 온도가 낮아짐에 따라 증가하는 용해도 및 식품에 용해된 이산화탄소의 양과 밀접한 관련이 있으며, 식품포장에서는 포장 내 상부 공간의 가스 부분 압력에 비례한다. 신선제품의 경우 CO2 부분의 압력을 0.1 atm보다 높게 유지해주면 식품 표면의 호흡률과 미생물 생장을 억제할 수 있다.

세포 내 탄산산의 형성, 세포 내 pH 및 활성감소, 탈카르복실화(decarboxylation) 효소 즉 이산화탄소 분자를 제거하는 효소의 억제, 민감성 비(非) 탈카르복실화(decarboxylation) 효소의 비특이적 억제, 막(membrane)기능 억제 등은 모두 CO2 항균 작용을 통해 얻을 수 있는 기전이다.

CO2 방출과 O2 제거의 이중 작용을 하는 소형 봉지 또는 패드가 널리 사용되고 있다. 철탄산염(II)과 할로겐 금속이 촉매로 널리 사용된다. 철탄산염, 중탄산나트륨과 구연산의 조합, 또는 아스코르브산과 중탄산나트륨의 조합 등이 CO2 방출 시스템 구현을 위해 사용되는 상용 솔루션이다.

 

3.4.2. 에탄올

에탄올은 효모와 박테리아의 생장을 억제할 수 있는 항균제다. 특히 곰팡이에 효과적이며, 베이커리 제품에 직접 살포했을 때의 유통기간 연장 효과는 널리 입증됐다. 식품 그레이드 에탄올을 함유하고 있다가 방출하는 소형 봉지 또는 필름은 포장의 헤드 스페이스, 즉 내용물 상부공간에 존재하는 수증기를 에탄올로 바꾸어 준다. 에탄올 냄새를 가리기 위해 소형 봉지에 향미를 더해주는 경우도 있다.

에탄올을 발생시키는 주요 상용물질은 표 1에 나와 있다. 에탄올 방출률은 캐리어의 투수성, 소형 봉지가 함유한 에탄올의 양, 식품의 수분작용, 필름 소재의 에탄올 투과성 등에 따라 달라진다. 마지막의 경우 에탄올 내장 필름은 일반적으로 지속적인 방출을 제공하기 위해 추가 층을 만들어 주어야 한다.

최근에는 에탄올과 스테아르산나트륨 사이의 겔화 반응에 의해 얻어진 에탄올 겔을 디아토마이트에 흡착시켜 에탄올 배출물질의 방출능력을 향상시키는 방안도 제안되고 있다. 에탄올 방출물질의 주요 단점은 식품에의 흡수인데, 이는 제품가열이나 전자레인지 사용을 통해 미미한 값으로 감소될 수 있다. 가열하지 않고 소비하는 식품은 잔류 에탄올이 함유되어 규제와 관련한 문제가 있을 수 있다.

 

3.4.3. 방부제

포장 안쪽에 부착된 소형 봉지와 패드에 담긴 이산화염소와 이산화황은 항균작용을 하는 휘발성 제제다. 항균작용을 지닌 비휘발성 방부제에는 아세테이트, 소르베이트, 벤조산염, 프로피오산염 등과 같은 약한 산성 및 염분이 포함된다. 이 물질들은 해리되지 않은 형태로 플라즈마 막으로 운반되면서 항균작용을 발휘하고, 이는 플라즈마 막의 높은 pH로 인해 이온상태로 해리되어 플라즈마 막을 통과해 되돌아오지 못한다. 그 좋은 예로는 필름 소재에서 소르브산칼륨의 항진균 작용으로 이는 여러 연구를 통해 확인된 바 있다.

 

3.4.4. 무기 나노입자

또한 은, 구리, 금, 백금, 셀레늄의 금속 이온 및 TiO2, ZnO, MgO 및 CuO 등의 금속 산화물 이온으로 이루어진 무기물 나노입자는 흡착 패드 또는 플라스틱 필름에 이러한 물질들을 넣어 만드는 액티브 패키징에 사용된다.

정확한 작용 기제에 관해서는 아직 논쟁 중이지만, 그 항균작용은 주로 금속 이온의 방출과 미생물 세포의 벽과 막에 치명적인 손상을 유발하는 반응성 산소 종의 형성 덕분인 것으로 보인다. 나노입자의 작은 크기는 표면 대 부피 비율이 높다는 것을 의미한다. 이는 광촉매로 금속 반응성의 향상 및 금속 나노입자와 미생물 막 사이의 상호작용을 개선하는 결과를 낳는다.

최근에는 단일금속 소재의 나노입자에 비해 이종금속 또는 삼종금속 나노입자가 지닌 장점 및 식품 패키징 활용에 대한 검토가 이루어지고 있다. 이는 단일금속 나노입자에 비해 향상된 열 특성, 기계적 물성 및 가스 차폐성 그리고 더욱 강한 항균작용을 보이는 하이브리드 나노 구조물질이다.

그러나 이러한 무기물 나노입자는 식품 종류와 영향을 받게 되는 포장재 필름(차폐 특성, 투명성) 특성에 기초해 신중하게 선택해야 한다. 뿐만 아니라 현재 식품으로의 이행, 피부 접촉, 흡입으로 인한 인체 건강에 초래될 수 있는 독성 효과와 관련된 우려가 늘어나고 있으며, 이는 나노입자, 크기, 표면의 화학성질, 용해성 및 소수성 등 화학적 구성에 따라 달라질 수 있다.

 

3.5. 합성 항산화제 및 산소 제거제

식품은 일반적으로 산소에 민감하다. 산소는 식품에 변색, 향미의 변질, 영양 특성의 저하 등 바람직하지 않은 관능성의 변화를 일으키고 미생물의 생장을 촉진한다. 따라서 식품포장의 헤드 스페이스의 산소함량을 최소화하는 것을 목표로 하는 전략이 매우 중요하다.

진공포장 및 가스치환 포장은 일부 식품의 유통기한 연장에 효과적임이 입증된 두 가지 방법이다. 그럼에도 불구하고 두 가지 방법 모두 시간이 지남에 따라 외부환경으로부터 산소가 투과되어 유입되는 것을 완전히 막을 수는 없으며 포장 내 산소량을 0.5~2 부피 % 수준으로 감소시킬 수 있을 뿐, 이 이하의 수준은 산소 제거제를 사용해야 한다.

산소 수준의 제어는 합성 항산화제와 산소 제거제를 사용해 달성할 수 있다. 산소 제거제는 소형 봉지, 병 뚜껑, 라벨, 플라스틱 필름, 트레이 등에 담겨 포장식품에 사용된다. 시중에 나와 있는 가장 널리 쓰이는 솔루션 중 하나는 화학반응에 의해 산소를 제거하는 금속 제거제다. 예를 들어, 철을 기반으로 한 제거제(철분말, 활성철, 철산화물, 철염)는 수분이나 루이스 산(Lewis acids)이 존재하면 금속의 산화가 감소한다. 활성탄, 염화나트륨 및 염화칼슘과 혼합된 나노철 입자를 사용해 철의 빠른 산화 속도를 더욱 높일 수 있다.

그러나 철을 기반으로 한 제거 시스템의 단점으로는 우발적 파손으로 인한 식품 오염 가능성, 공정에서 인라인으로 사용되는 금속 검출기의 간섭작용, 전자레인지를 사용한 가열이 어려운 점 등을 들 수 있다. 같은 목적으로 사용되는 다른 금속에는 수분 내의 수소 변환에 효율적 촉매로 작용하는 백금과 팔라듐이 있다.

이를 위해서는 분자 상태의 수소를 높은 압력으로 유지하기 위해 가스치환이 필요하고, 소량의 산소가 존재하는 상황에서 반응을 향상시키기 위해 금속 촉매가 사용된다. 그럼에도 불구하고, 수소의 가연성으로 인해 가스치환에서 수소를 사용했을 때는 제거할 수 있는 산소의 최대량에 제한이 있다.

한 가지 대안으로 수소화칼슘 또는 수소화붕소나트륨 같이 제어된 수소 방출이 가능하고, 병의 마개에 쉽게 삽입시킬 수 있는 수소 발생 화합물이 사용되지만, 이를 필름에 통합시키는 데는 어려움이 더 크다. 또한 구리나 아연, 마그네슘, 망간, 알루미늄, 티타늄 그리고 나노결정 티타늄 입자와 같은 산화가능 전이금속을 기반으로 하는 필름도 사용된다.

가장 일반적인 합성 항산화제는 디부틸히드록시톨루엔(butylated hydroxytoluene), 부틸하이드록시아니솔(butylated hydroxyanisole) 및 터셔리부틸하이드로퀴논(tert-butylhydroquinone) 그리고 프로필 몰식자산염(propyl gallate) 등 페놀 화합물로 이루어진다.

이들은 수소를 공여해 유리기(free radical)를 제거해준다. 그리고 지질 산화 방지를 위해 식품용 액티브 패키징에 널리 사용되므로, 지방 및 지방 함유 제품의 유통기간 향상을 위해 널리 활용되고 있다. 또한 이들 물질이 일반적으로 항산화제로 사용되지만, 항균 작용도 지니고 있다. 그러나 이 화합물들은 독성 및 발암 효과가 있을 수 있는 것으로 의심된다. 따라서 최근에는 천연 항산화제를 사용하는 방향으로 연구가 많이 이루어지고 있다.

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