기획특집
 
홈으로로그인회원가입사이트맵이메일
 
HOME 기획특집 기획특집
전시회 일정
국내전시일정
해외전시일정(상반기)
해외전시일정(하반기)
관련링크
관련협회
연구소
관련도서
관련 채용정보

Since 1991

제목 식품용 스마트 패키징의 개념 혁신 (2)
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2021/07/05 13:57

식품용 스마트 패키징의 개념 혁신

 

3. 액티브 패키징

 

3.6. 천연 제품에서 액티브 패키징용 제제

식품용 액티브 패키징 제조를 위한 천연 발생 제제 사용에 대해서는 활발한 연구가 이루어지고 있다. 소비자들은 천연 항산화제와 항균제가 합성물질보다 안전하다고 인식하고 있으며, 따라서 다양한 천연 화합물이 액티브 포장을 위해 제안되었으며 이 분야에 대한 과학계의 관심은 지속적으로 증가하고 있다.

 

3.6.1. 박테리오신과 효소

페디오신(Pediocins), 나이신(Nisins), 엔테로신(Enterocins), 사카신(Sakacins) 같은 박테리오신(bacteriocins)은 박테리아의 리보솜을 통한 합성으로 생성된 펩티드(peptides)로, 낮은 농도로도 항균 효과가 있어 식품산업에서 많은 주목을 받았다. 박테리오신은 주로 유산균으로 만든다. 따라서 이런 자연발생 화합물은 여러 가지 발효식품에 존재한다.

이 미생물들이 다수의 병원성 미생물 억제기능을 발휘하지만, 이 같은 작용에 대한 정확한 기제는 완벽하게 알려져 있지 않다. 각 균주에 의해 생성된 박테리오신은 이와 경쟁하는 박테리아에 대해서만 활성을 보인다. 이는 유래된 박테리아 세포가 여기서 나온 박테리오신에 대한 특정 면역 메커니즘이 있기 때문이다.

이 같은 작용의 메커니즘에는 활발한 연구가 아직 진행 중이다. 그 기제에는 세균 대사의 교란, 세포 내 표적과 상호작용, 핵산 및 단백질의 합성 억제, 항균 펩티드의 양이온 특성이 미생물 세포 표면흡착에 중요한 역할을 하는 세포 구성요소 형성 간섭 등을 포함한다.

유산균에 의해 생성된 박테리오신은 액티브 포장 활용에 적합한 특성이 있다. 실제로, 박테리오신은 일반적으로 안전한 것으로 인식되고 있다. 진핵세포나 소비자에게 어떤 작용이나 독성을 끼치지도 않고 소화효소 프로타제(protease)에 의해 비활성화되어 소비자의 장내 미생물에 거의 영향을 미치지 않으면서, 다수의 식품매개 병원균 및 부패균에 광범위한 항균작용을 보인다. 무미, 무취, 무색으로 음식의 관능적 특성에 변화를 초래하지 않는다.

끝으로, 광범위한 pH 및 온도 범위에서 활동성을 보인다. 이 점은 산업적 관점에서 중요한 역할이다. 기존의 용융 블렌딩 기술공정은 열 민감성 화합물에는 적합하지 않다. 나이신은 상업적 활용이 가능한 식품 그레이드 박테리오신, 리스테리아 모노사이토게네스(Listeria monocytogenes), 클로스트리디움 보툴리눔(Clostridium botulinum), 황색포도상구균(Staphylococcus aureus), 바킬루스(Bacillus) 등 그람 양성균을 억제하는 작용을 한다.

저온 살균 치즈나 액상계란 등에 사용할 수 있으며, 유제품, 계란, 야채, 육류, 생선, 음료 및 시리얼 제품을 비롯한 다양한 식품에서 상업적으로 이용하고 있다.

마이크로코커스 루테우스(Micrococcus luteus)에 대한 나이신의 항균작용은 상대적으로 높은 온도에서도 유지되는 것으로 알려져 있다. 실제로 폴리락틱산(PLA) 기반 필름의 경우 PLA 용융온도 이상으로 열을 가했을 때 항균 특성을 보이지만, 160°C에서는 활동력의 25%를 180°C에서는 5분 후 60% 이상 잃었다.

페디오신 또한 육류제품의 가공후 리스테리아 모노사이토게네스 감염을 막아줄 수 있는 놀라운 천연 바이오 방부제다. 나이신 그리고 페디오신 및 락티신 같은 기타 박테리오신은 몇 가지 균주의 예외적 경우를 제외하고는 곰팡이, 효모, 그람 음성균에는 효과가 없다. 에틸렌다이아민테트라아세트산(ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA)의 킬레이트제(chelating agents)를 첨가해 주면 식품포장에 사용된 박테리오신 효과를 높이는 것으로 나타났다.

그러나 최근에는 표준 페디오코커스 액시딜락티시(Pediococcus acidilactici) 배양균에서 추출된 박테리오신과 그 분리체 엔테로코커스 패시움(Enterococcus faecium)은 그람 양성 및 그람 음성 박테리아 모두에 대해 항균작용을 보인다는 사실이 밝혀졌다.

또한 바이셀라 헬레니카 BCC 7293(Weissella hellenica BCC 7293)에서 얻은 신종 박테로이신인 박테로이신 7293과 폴리락틱산/톱밥 입자를 혼합한 필름은 베트남 메기(pangasius fish) 살고기에서 그람 양성균(Listeria monocytogenes and Staphylococcus aureus) 및 그람 음성균(Pseudomonas aeruginosa, Aeromonas hydrophila, Escherichia coli and Salmonella Typhimurium) 등 모두의 생장을 억제하는 것으로 보고됐다. 또한 박테리오신은 다른 박테리오신이나 다른 방부제 또는 페놀 화합물과 결합해 사용했을 때 추가적 효과 또는 시너지 효과를 나타내기도 한다.

효소 또한 식품포장에 항균제로 사용한다. 특히, 리소자임(lysozyme)은 박테리아에만 존재하는 특이한 세포구조에 대해 작용하는 자연발생적 효소다. 세균의 세포벽 구조를 파괴해 세포의 분해를 초래한다. 이 효소는 그람 양성 박테리아에 항균작용을 보이지만, 그람 음성 박테리아에 대해서는 작용하지 않는다.

하지만 EDTA 같은 킬레이트제를 첨가하면 그람 음성 박테리아의 항균작용 감수성도 향상시킬 수 있다. 활성제로 사용할 수 있는 또 다른 효소는 포도당산화효소(Glucose oxidase)다. 포도당과 산소로부터 과산화수소를 만들어내는 반응제품은 항균력을 지니고 있다. 그러나 이 효소를 포장에 사용하는 것은 효소의 비용이 반응에 필요한 만큼 포도당이 충분치 않아 제한적으로 사용하고 있다.

박테리오신과 효소는 액티브 패키징 소재 표면에 코팅하거나 고정화해 폴리머 매트릭스에 직접 통합하는 방식으로 사용했다. 첫 번째 방법은 항균작용의 상실가능성 때문에 열 처리를 안했을 때, 탄수화물 및 단백질 같은 생분해성 폴리머와 함께 쓰인다. 또 다른 방법은, 펩티드 용액에 필름을 담그거나 접촉시키거나 용매 캐스팅 코팅 작업을 할 수 있다. 효소는 고온에 대해 내성이 낮기 때문에 고정화를 통해 항균포장에 효소를 적용하면 박테리오신의 안정성을 향상시킨다.

 

3.6.2. 식물성 화학물질

천연식품 방부제 가운데 에센셜 오일 및 식물, 허브, 향신료 등에서 얻은 기타 추출물들은 뛰어난 항균 및 항산화 능력을 발휘할 수 있으므로 특히 주목해야 한다.

에센셜 오일은 저분자량 아로마 화합물 함량이 높기 때문에 휘발성 물질이다. 이 물질들은 식물의 이차 대사 산물로 생물학적으로 생성되며, 세균 효소 시스템, 유전물질 및 세포막 인지질 이중층(cell membrane phospholipid bilayers)에 손상을 유발하는 고농도(최고 85%) 페놀 화합물에 의한 항균작용을 발휘한다.

항균제로서 에센셜 오일 및 그 성분을 사용할 때 주요 단점은 높은 농도가 필요하다는 점이다. 식물과 향신료에서 추출한 에센셜 오일 대부분은 일반적으로 안전한 것으로 분류되지만, 이 제품들의 강한 향미가 식품의 관능적 특징에 변화를 일으킬 수 있다. 따라서 식품에 직접 첨가하기 보다는 필름에 포함시켜 사용하는 것이 나은 방법이 될 수 있다.

액티브 패키징 적용에 가능한 에센셜 오일의 천연 공급원은 마늘, 계피, 레몬 그라스, 오레가노, 로즈마리, 백리향, 베르가못 등이 있다. 에센셜 오일을 함유한 항산화 및 항균 포장재는 블렌딩 또는 용매 캐스팅 기술을 통해 포장재에 직접 혼합해 만들 수 있다.

또 다른 방법으로는 포장재의 흡착 또는 코팅을 통해 에센셜 오일을 첨가할 수 있다. 또한, 에센셜 오일을 흡착시키거나 내장한 캐리어를 포장 내 헤드스페이스에서 능동성 화합물을 지속적으로 방출하는 소형 항균백 제조에 사용하거나, 가스 형태의 에센셜 오일로 포장 전체를 충전해 가스치환포장을 만들 수도 있다.

캐스팅을 통해 에센셜 오일을 친수성 물질로 도포하는 것은 주로 유화 또는 균질화 기술로 이루어지며, 이로써 미세한 입자의 에멀젼이 생성되고 건조 후에는 미세한 지질 방울들이 폴리머 매트릭스에 내장되어 남게 된다. 또한, 피커링 에멀젼(Pickering emulsions)이라는 바이오폴리머 안정화 에멀젼(biopolymer-stabilized emulsions)은 이와 동일한 목적으로 사용되는 지속성 높은 전달 수단이다.

여기서는 계면활성제를 고형 입자로 대체해 오일을 첨가하는 O/W 에멀젼 또는 오일에 물을 넣는 W/O 에멀젼을 안정화시키는 방법이 사용된다. 미세한 에센셜 오일 방울을 둘러싼 고형막이 수성 물질과 접촉을 차단시켜 더 높은 유착 안정성, 높은 첨가용량, 보다 지속성 높은 활성제 방출을 가능케 해줄 뿐 아니라 외부 환경으로부터의 보호, 특히 산화 방지 효과가 있다.

에센셜 오일을 사용한 액티브 패키징 솔루션과 관련해 고려해야 할 중요한 특징은 에센셜 오일이 필름에 일으킬 수 있는 변화로 인해 발생하는 에센셜 오일과 포장재료 간의 상호작용이다. 예를 들어, 유청 단백질 분리체(whey protein isolate)와 셀룰로오스 나노섬유로 만든 바이오 나노 복합소재에 백리향 에센셜 오일을 첨가하면 수증기 투과성 감소와 필름 투명성 감소가 발생하고, 백리향 에센셜 오일로 얻은 필름은 대조샘플에 비해 강도와 탄성이 떨어진다는 실험 결과가 있다.

또한, 글리세롤 가소화된 카사바 전분기반의 레몬그라스 에센셜 오일을 에멀젼화시켜 첨가해 배합하면 필름의 색채 특성, 열안정성, 수분 차폐능력, 기계적 물성 등을 개선할 수 있다.

식물과 향신료에서 얻은 여러 가지 천연 추출물을 사용한 액티브 패키징도 개발됐다. 순수한 기준의 천연 항산화제가 다양한 기술로 액티브 필름 생산에 사용된 바 있다. 예를 들어, 용매로 기능성 필름 제조를 위해 폴리비닐 알코올(PVA)에 갈산과 퀘르세틴을 첨가하기도 했고, 퀘르세틴-전분기반 복합체를 키토산 젤라틴 소재 필름에 포함시킨 사례도 있고, 케르세틴을 초임계 이산화탄소 흡착을 통해 옥수수 전분과 알긴산칼슘 에어로겔에 흡착시킨 사례와 초임계 CO2 함침법을 통해 α-토코페롤을 폴리에틸렌 테레프탈레이트/폴리프로필렌(PET/PP) 필름에 첨가한 경우도 있으며, 폴리(L-락틱산) (PLLA)과 토코페롤 및 레스베라트롤을 함유한 항산화 혼합물을 필름으로 가공한 경우도 있다.

페놀 화합물 같은 천연물질 항산화 및 항균 특성은 여러 문헌에 잘 알려져 있다. 많은 식물, 허브 및 향신료는 추출물에 풍부한 양의 페놀 산, 카로티노이드 및 폴리페놀을 함유하고 있어 잠재적인 항산화 공급원이다. 이 성분들은 포장재에 첨가할 수 있으며, 결과적으로 식품 보관 수명을 연장할 수 있다.

페놀 화합물의 자유 라디칼 소거는 주로 두 가지 메커니즘으로 제공한다. 전자는 항산화제에 의한 H 원자 이동을 포함하고 두 번째는 1 전자 이동을 통해 각각 비 반응성 페녹실라디칼(phenoxy radical) 또는 안정한 라디칼 양이온을 형성한다. 산화 연쇄 반응을 억제하는 단일 항산화 능력은 분자의 구조, 컨쥬게이션(conjugation, 또는 공액[共?), 공명(resonance) 효과 등에 따라 달라진다.

매우 강력한 항산화제는 카로티노이드로 이 항산화제는 단일항 상태의 분자산소, 페록시 라디칼(peroxyl radicals) 제거 작용, 물리적 소광(physical quenching) 등 라디칼과 단일항 산소의 생성에 관여해 전자적으로 들뜬 상태에 있는 분자의 효과적 비활성화제다. 페놀 화합물의 항균작용은 모든 세균 세포에 대한 응집 효과(aggregatory effect), 세포질 막의 불안정화, 세포막의 투과성부여(permeabilization), 세포 외 미생물 효소의 억제, 미생물 생장에 필요한 기질 박탈, 미생물 대사에 대한 직접 작용 등 여러 가지 메커니즘을 통해 설명된다.

최근에는 갈색조류 및 규조류에 의해 생성된 카로티노이드 일종인 후코잔틴(fucoxanthin)의 항균작용이 입증되기도 했다. 일부 연구에서는 여러 가지 카로티노이드가 혼합물 또는 추출물로 동시에 존재할 때 동일한 양의 단일 화합물에 비해 천연 화합물의 시너지 효과가 발휘되고 이 화합물의 항산화 및 항균작용 모두가 증가된다는 점이 밝혀졌다.

이러한 이유로, 식품 관련 용도의 폴리머에서, 단일 화합물보다는 천연 추출물을 포함하는 액티브 패키징에 대한 연구가 학계의 더 큰 관심을 끌고 있다. 또한, 커피찌꺼기, 사과껍질, 포도씨 및 껍질, 토마토 폐기물, 기름을 짜낸 올리브 찌꺼기 등 농식품산업 잔류물은 여전히 액티브 패키징을 목적으로 회수할 수 있는 항산화 화합물이 풍부해 폐기물 자원화가 가능하다.

천연 추출물을 함유한 식품에 유효한 패키징의 최근 솔루션 사례들을 표 3에 정리했다.

 

3.6.3. 기술적 문제점 및 해결책

천연 항산화제의 주요 단점 가운데 하나는 산소, 열, 빛에 대한 민감성이다. 이 문제로 항산화 작용에 손실이 유발될 수 있다. 특히, 열 민감성은 그 추출 방법뿐 아니라 포장 제조기법까지 모두 영향을 미친다. 초임계 보조 추출법, 초음파 보조 추출법, 마이크로파 보조 추출, 용매를 사용하지 않는 마이크로파 보조 추출, 가압 액체 추출, 고압고온 추출, 펄스 전기장 보조 추출 등 천연 원천으로부터 전술한 화합물을 보다 효율적이고 친환경적으로 회수해내는 공정들 덕분에 그에 대한 효과적 해결책을 찾을 수 있다.

두 번째 문제는 활성제의 캡슐화 과정에서 대두될 수 있다. 캡슐화 공정은 활성제를 캐리어 즉 담체물질에 붙잡아 두어 외부환경 및 응력으로부터 보호한다. 캡슐화와 관련된 몇 가지 장점은, 약물의 용해로도 조절이 가능하기 때문에, 그 전달량을 제어할 수 있고, 적당한 피막물질을 선택할 수 있어 불쾌한 냄새와 맛을 차폐할 수 있으며, 생체활성 분자작용을 확장할 수도 있다. 또한 식품용 액티브 패키징을 위한 화합물의 캡슐화는 포장재 폴리머와 활성제 간의 적합성을 개선하고 그 유용성을 높이는 동시에, 식품의 관능 특성 변화를 최소화해 법적 규제 준수를 위해서도 활용할 수 있다.

Becerril et al.에 의해 최근에 보고 된 바와 같이 활성제의 캡슐화는 여러 기술에 의해 달성될 수 있다. 예를 들어 간장 레시틴, 유청 단백질 분리체 미세입자를 분무 건조에 의해 유게놀(eugenol)과 함께 정제 올레산을 첨가하거나 첨가하지 않은 상태로 압축성형을 통해 옥수수 전분 필름에 통합시키는 방법도 있다. 제인을 전기방사해 얻은 나노섬유를 이용해 갈산, 커큐민, 로즈 힙 시드 오일, β-카로틴 등을 캡슐화하는 방법도 있고, 미세조류에서 얻은 페놀을 키토산/PEO 나노섬유로 캡슐화해 그 항균작용 능력을 보존하기도 한다.

또 다른 방법으로 제인 미세입자를 항산화 루테올린 캡슐화에 사용하기도 하며, 리포솜 나노입자도 항균작용을 지닌 추출물의 효율성 높은 담체로 널리 쓰이고 있다. 뿐만 아니라, 박테리오신의 항균작용을 캡슐화해 강화시킬 수 있다. 이는 복잡한 식품 시스템을 불활성화시켰을 때 발생하는 항균 작용 저하를 줄이는 데 도움된다.

가장 많이 사용하는 유망한 기술은 사이클로덱스트린(cyclodextrins)이다. 이는 α-1,4 글리코사이드 결합으로 연결된 α-d-글루코피라노오스 고리 올리고머족으로 식품용 액티브 패키징 가공에서 널리 사용한다. 사이클로덱스트린을 이용한 능동성 화합물의 캡슐화 향상을 위해서는, 폭넓은 pH와 온도에서 안정성을 유지하는 3차원 네트워크 범위로 나노구조화 교차결합된 사이클로덱스트린 폴리머를 통해 얻은 사이클로덱스트린 나노스폰지를 사용한다. 이 기술은 액티브 포장 제조기술의 새로운 지평을 열어 주는 것으로 평가받고 있다. 

3.7. 상변화 물질

냉장식품을 비롯한 많은 제품들의 콜드체인 유지가 식품의 안전과 품질 보장을 위해 중요하다. 기존의 포장재는 열적 완충 능력이 낮아 일반적으로 잘못된 보관 또는 운송조건에 대한 효과적 대처에 적합하지 않다. 상변화 물질(PCM, phase change materials)은 원치않는 온도변화를 방지해 그에 따라 식품에 초래되는 미생물이나 물리적 및 화학적 변질을 예방하거나 늦출 수 있다. 따라서 1차 포장에 직접 포함되는 물질로 큰 관심을 불러일으켰다.

PCM은 특정 온도에서 상변화하는 물질이다. 고체 상태에서 액체로 또는 그 반대로 변화해 잠열을 흡수 또는 방출한다. PCM은 주로 열 에너지 저장, 건설 및 텍스타일 분야에서 여러 해 동안 사용해 왔다. 식품 부문에서는 최근에 사용하기 시작했다. 그 응용 분야가 무엇이든, 상변화 물질은 그림 2에 간략하게 나타낸 열적, 물리적, 운동적 물성을 지니는 동시에 경제적인 면도 충족시켜야 한다.

PCM이 요구하는 주요 특성인 융점 및 융해열의 파라미터는 시차주사열량측정법(示差走査熱量測定法, differential scanning calorimetry, DSC) 및 시차열분석(示差熱分析, differential thermal analysis, DTA) 같은 측정 기술을 통해 정밀하게 확인할 수 있다.

일반적으로 PCM은 유기물질, 무기물질 그리고 공융(共融, eutectic) 물질 등 세 그룹으로 분류할 수 있다. 유기물질은 다시 파라핀계 물질과 비파라핀계 물질로 나눌 수 있다. 가장 많이 사용되는 파라핀 물질은 선형 사슬(예: n-도데칸, n-트리데칸 등)을 지닌 n-알케인의 혼합물로 주로 이루어진 파라핀 왁스다.

이 물질들은 화학적으로 불활성이며, 비독성, 비부식성에 부피 변화가 작고 증기 압력이 낮을 뿐 아니라, 안전하고 예측가능한 거동을 보인다. 하지만 파라핀은 통상 열 전도성이 낮고, 인화성을 띈다. 이러한 문제는 탄소 나노튜브와 같이 보다 안정적 기반 물질의 외부 쉘에 파라핀을 캡슐화함으로써 해결할 수 있다.

식품포장의 파라핀 사용에 관해서는, 일부 단축(uniaxial) 및 동축(coaxial) 전기방사 기법을 사용해 제인을 원료로 한 바이오폴리머 매트릭스로 도데칸을 캡슐화한 최적화된 스마트포장 기술도 개발되어 있다. 특히 동축 전기방사 기법에서 캡슐화된 물질의 초냉각 효과를 감소시키기 위해 핵제(테트라코세인)를 추가하면 최상의 결과를 얻을 수 있다고 알려져 있다.

그러나 순수 알케인을 사용하면 비용이 매우 높기 때문에, 다양한 분자량을 지닌 알케인 혼합물이 용융온도 조절을 위해 일반적으로 사용된다. 비파라핀계 물질에는 지방산(미리스트산[myristic acid], 팔미트산[palmitic acid], 라우르산[lauric acid], 스테아르산[stearic acid] 및 이들의 혼합물), 당알코올(예: 자일리톨, D-소르비톨, D-만니톨), 글리콜(예: 폴리에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜) 등이 포함된다.

특히 지방산은 융점이 같고, 초냉각 현상이 없으며, 자가 핵형성 거동, 낮은 부피변화, 높은 잠열, 화학적 안정성 및 비독성 등 식품 용도로 연구가 가장 많이 이루어졌던 화합물이다. 이 물질의 가장 큰 문제는 높은 비용이다. 또한 약간의 부식 특성을 지니고 있고, 불쾌한 냄새도 난다. 하지만 식품 보관용기 적용을 위한 상변화 물질로 팔미트산 사용을 통해 PCM을 사용하지 않은 동일 시스템보다 더 나은 열 에너지 저장이 가능하다. 당알코올과 소금 수화물이 제공하는 에너지 밀도는 파라핀과 지방산이 제공하는 그것도 보다 훨씬 높다.

무기 PCM은 주로 금속(예: 갈륨, 인듐, 비스무트) 및 소금 수화물(예: 인산 수산화 칼륨 인산염 헥사하이드레이트, 염화 마그네슘 헥사하이드레이트)로 나뉜다. 이 그룹에 속하는 물질들은 유기 PCM보다 더 높은 상변화 엔탈피를 지니고 있지만, 핵 형성력, 부식, 상분리 로 인한 초냉각을 보인다. 예를 들어, 소금 수화물은 문이 열려있거나 전기가 부족할 때 상용 냉동고의 열 성능 개선을 위해 사용할 수 있다. 물에 용해된 질산염 나트륨 성분의 상용 소금 수화물 PCM은 전기 공급 없는 상태에서도 3시간 동안 냉동고 내부온도를 거의 일정한 수준으로 유지할 수 있었고, 이를 통해 부패하기 쉬운 식품의 수송 및 저장에서 이러한 화합물의 잠재력이 확인됐다.

끝으로, 공융 물질은 두 가지 이상 낮은 용융온도 물질성분으로 구성된다(예: 테트라데케인 + 옥타데케인, 라우르산 + 팔미트산, 물 + 폴리아크릴라미드). 다른 유형의 PCM에 비해 공융 물질의 주요 장점은 다른 중량 비율의 성분을 결합해 융점을 조절할 수 있다. 폴리(메틸 메타크릴레이트)를 쉘 물질로 사용한 에멀젼 중합화를 통해 캡슐화된 다양한 분자량을 가진 파라핀으로 구성한 마이크로/나노캡슐은 4가지 유형으로 분류하기도 한다. 이렇게 얻은 공융 혼합물은 우수한 화학적 안정성 및 열 안정성 그리고 뛰어난 열전도성을 보여, 식품 보관뿐 아니라 건설, 텍스타일, 의료 및 전자 분야 등에도 적합하다.

대부분의 PCM은 실온에서 액체 상태다. 때문에 포장재료에 곧바로 사용하기 어렵다. 이 문제 극복을 위해 폴리스티렌, 폴리(부틸 메타크레이트), 멜라민-우레아 포름알데히드, 그리고 폴리카프로락톤, 알긴산, 제인, 아라비아 검, 젤라틴 분말, 생분해성 폴리머 등 다양한 폴리머를 매트릭스로 삼아 PCM 캡슐화가 이루어졌다. 또한 캡슐화 기술은 액체 누출을 막아주고, 열 성능 손상을 방지하기 위해, 상 변이 중 부피 변화를 제어한다. 외부환경으로부터 PCM을 보호할 뿐 아니라, 부식 가능성이 있는 PCM의 경우는 외부환경을 보호하는 역할도 한다.

나아가 캡슐화를 통해 열 에너지의 방출 제어와 더 큰 면적으로 열 전달이 가능해 열 전달 효율을 증가시킬 수 있다. 일반적으로 캡슐화 기술은, 현탁중합(suspension polymerization), 에멀젼 중합, 현장 중합 및 계면 중합을 포함한 화학 방법론, 응집(coacervation), 졸-젤 캡슐화, 초임계 CO2 보조 등의 물리-화학적 방법론, 분무건조, 전기방사, 진공 함침 물리-기계적 방법론 등 세 가지 범주로 나눌 수 있다.

PCM은 1차 식품포장에 사용이 가능한 매우 흥미로운 화합물이 아닐 수 없다. 하지만 현재까지 이와 관련한 용도는 냉장용기나 앞서 말한 건설 및 텍스타일 분야에 비해 아직 본격적으로 활용하고 있지 못하다.

4. 지능형 패키징

 

지능형 패키징이라는 개념은 여러 관련 문헌에서 다양하게 정의하고 있다. 유럽위원회는 지능형 패키징을 “포장된 식품 또는 식품을 둘러싼 환경 상태를 모니터링하는 물질 및 물건”으로 정의한다. 또한 지능형 패키징은 유통기간 연장, 안전성 향상, 품질 보장, 정보 제공과 포장 내부 및 외부 환경의 변화를 모니터링을 통해 문제를 경고하기 위한 의사 결정이 가능하도록 정보전달 기능을 사용하는 과학 및 기술로 정의하기도 한다. 보다 자세히 정의하자면 지능형 패키징은 제품 안전성뿐만 아니라 자동적으로 제품을 식별하고 추적할 수 있도록 패키징 내부(예: 대사 산물) 또는 외부(예: 온도) 환경을 “정보”로 활용해 제품품질을 모니터링하는 포장 시스템이다.

지능형 패키징의 목적은 정보전달 능력에 있다. 패키징은 전체 공급사슬을 따라 끊임없이 제품과 함께 이동하므로 기본적으로 제품 상태에 관한 정보를 중단없이 전달할 수 있기 때문에 제품에 늘 가장 가까이 있다고 할 수 있다. 식품 및 포장의 무결성 상태에 대한 정보를 끊임없이 제공할 수 있는 새로운 지능형 패키징의 발전으로 불필요한 운송 및 물류 작업을 피하고 식품 폐기물을 줄일 수 있는 보다 안전하고 효율적인 공급사슬이 가능하다.

제품은 생산과정에서 주기적으로 미생물 및 화학물질 시험을 거치지만, 슈퍼마켓에 인도된 후에는 적절한 제어가 불가능한 경우가 많다. 지능형 패키징이 이 간극을 채울 수 있다. 지능형 패키징은 또한 식품 및 식품의 최종품질을 손상시킬 수 있는 위험요인을 제어, 감지, 방지, 감소 및 제거에 사용하는 ‘식품안전관리인증기준(HACCP)’과 ‘품질분석 및 위해요소제어(QACCP)’ 방법의 개선에도 기여할 수 있다.

지능형 패키징 시스템의 주요 기술은 지시계(indicators), 센서(sensors), 데이터 캐리어(data carrier) 세 가지다. 지시계와 센서의 주요한 기능은 제품품질과 관련된 정보 제공이며, 데이터 캐리어는 공급사슬의 물류관리 업무와 관련이 더 크다. 이 시스템은 1차 패키징이나 2차 또는 3차 패키징의 안쪽 또는 바깥쪽에 자리하게 된다.

 

4.1. 지시계(Indicators)

지시계의 주요 기능은 특정 물질의 존재 또는 부재와 관련한 소비자를 위한 정보를 전달하거나, 두 가지 또는 그 이상의 구성물질 사이의 반응 여부를 나타내거나, 특정 물질의 농도를 모니터링하는 것이다. 이런 정보는 일반적으로 눈에 보이는 즉각적인 변화 형태를 신호로 변환해(예를 들어, 일직선 방향으로 달라지는 색상 강도 또는 색조 확산 등) 질적 또는 반(半)정량적 정보를 제공한다.

대부분의 경우 지시계에 요구되는 기본 특성은 이런 색상이나 색강도 변화의 비가역성이다. 지시계는 매우 일관된 종류의 지능형 패키징이다. 가장 많이 사용하는 분류방식은, 본 검토에서 사용하는 것으로, 제어되는 변수의 종류를 토대로, 시간-온도 지시계, 신선도 지시계, 가스 지시계 등 세 가지 큰 범주로 나누어 진다. 보다 일반적인 분류 방법은, 포장 상에 자리하는 지시계의 위치에 따라, 외부형 또는 내부형으로 분류한다.

 

4.1.1. 시간-온도 지시계

(Time-Temperature Indicators)

온도는 특히 부패하기 쉬운 제품의 유통기한을 모니터링하고 결정하는 데 중요한 요소다. 쉽게 부패하는 식품산업이 해결해야 할 주요과제 중 하나는 의도치 않은 온도 변화로 인한 식품품질을 보호하는 것이다. 공급사슬 전반에 걸친 온도 모니터링 및 제어는 부패하기 쉬운 식품품질과 안전 유지에 필수적이다. 온도 관리가 부정확하거나 제대로 통제하지 못하면 생산과정에서뿐 아니라 유통 사슬 도중에도 다량의 식품 폐기물을 만들어 낼 수 있다.

연구에 따르면 부패하기 쉬운 식품은 물류 과정에서 온도를 제대로 관리하지 않는 경우 최대 35% 제품 손실이 발생할 수 있다. 이러한 필요 충족을 위해 시간-온도 지시계(TTI)는 가치 높은 지원을 제공한다. 시간-온도 지시계는 냉장 및 냉동제품 같이 온도에 민감한 식품에 주로 사용한다.

또한 TTI는 저온살균 및 살균 공정 제어를 위해서도 사용된다. TTI의 분류방법은 다양하지만, 가장 명확하게는 부분 지시계(partial indicators)와 전체이력 지시계(full history indicators) 두 가지 범주로 나눌 수 있다. 부분 지시계는 미리 정한 바의 특정 임계 온도를 초과하지 않는 한 반응하지 않고, 해로울 수 있는 온도 조건만을 식별한다. 예를 들어 동결 또는 해동과정에서 미생물 생존이나 단백질 변성 가능성을 소비자에게 경고한다.

전체이력 지시계는 식품의 공급사슬 전체에 걸쳐 모든 온도에 계속 반응하며 제품의 전체유통에 관련된 측정값을 제공한다. 표 4에서 나타난 바와 같이 현재 시중에 나와있는 TTI들은 중합화, 용융 또는 산 기반 반응 등 물리적 변화내지 화학반응을 주로 포함하는 다양한 원리에 기초한 작동 메커니즘이다. 이는 일반적으로 기계적 변형, 색상 변화 또는 색 변동 등 가시적 반응을 통해 표현된다.

이 같은 종류들이 가장 일반적이지만, 생물학 반응에 기초한 효소를 활용한 종류도 있다. 이런 경우 TTI는 미생물, 포자 또는 효소의 생물학적 활동 변화를 감지하는 역할을 한다. 이런 변화속도는 제품의 변질 원인 반응과 유사하게 온도변화에 직접적으로 비례한다. 그러나 효소를 사용한 TTI는 높은 비용 및 효소의 불안정성 측면에서 아직 한계를 안고 있다. 일부에서는 효소의 안정성을 높이기 위해 전기방사 제인 섬유로 고정한 락케이스(laccase) 기반 TTI를 개발하기도 했다.

고형 캐리어에 고정시키는 방법은 안정성 개선을 위해 가장 많이 사용하는 전략이며, 전기방사로 만들어진 섬유막은 효소 고정에 활용할 수 있는 잠재력이 매우 크다. 보통 TTI는 용기 또는 각각의 소비자용 패키징에 부착된 소형의 자체 접착라벨 형태로 눈에 잘 띄고 쉽게 이해할 수 있다. 이런 시스템은 식품의 변질 정도 및 남은 유통기한과 빠르게 연결지을 수 있는 계량이 용이한 방식으로 시간-온도에 따른 변화를 나타낼 수 있어야 한다. 

 

4.1.2. 신선도 지시계

신선도 지시계는 보관 및 운송과정에서 식품품질을 모니터링할 수 있는 지능형 장치다. 신선도 저하는 유해한 조건 노출과 정해진 유통기간 이상의 경과 두 가지 모두 원인이 될 수 있다. 신선도 지시계는 온도 지시계와 달리 제품품질에 대한 직접적 정보를 제공해 표적 미생물로 인한 식품변질로 화학반응을 분석한다. 포도당, 유기산, 에탄올, 이산화탄소, 생체아민(biogenic amine), 휘발성 질소 화합물 또는 황 유도체 같은 대사 산물의 농도 변화는 미생물 생장 여부를 나타내 는 지표다. 따라서 신선도 지시계로 활용할 수 있다.

대부분의 경우 신선도 지시계는 제품의 변질로 인한 pH 변화에 민감한 염료 사용을 기반으로 pH가 변하면 지시계의 색상도 눈에 띄게 변화한다. 이러한 지시계는 신선식품, 과일 및 해산물 등을 포함한 다양한 제품포장에 응용할 수 있지만, 실제 출시 사례는 드물다. 유럽은 특히 그렇다. 이는 주로 음식과 접촉할 수 있는 물질과 관련된 입법 문제 때문이다.

표 5는 시중에 나와 있는 신선도 지시계의 몇 가지 예와 그 주요 기능을 보여준다.

대부분은 여러 가지 폴리머 매트릭스(예: 폴리프로필렌, 나일론 또는 셀룰로오스 필름)를 주로 브로모크레졸 퍼플(bromocresol purple), 브로모크레졸 그린(bromocresol green), 브로모페놀 블루(bromophenol blue), 메틸 레드(methyl red), 크레졸 레드(cresol red) 등 pH에 민감한 염료에 함침시켜 사용했다.

하지만 최근, 천연 염료의 사용 가능성도 모색되고 있다. 예를 들어 커큐민, 포도껍질, 비트뿌리 추출물 등을 시간 경과에 따라 대구 살코기의 신선도 저하 감지에 활용하는 방법이 연구됐다. 또는 옥수수 전분, 키토산 및 붉은 양배추 추출물 등을 기반으로한 시스템이 생선의 부패 측정을 위해 테스트가 이루어지기도 했다.

해산물을 위한 신선도 지시계는 식품이 부패할 때 형성되는 휘발성 아민인 총 휘발성 염기질소 성분(TVB-N)을 사용한다. 대신, 육류제품의 품질 측정에는 황화수소 지시계를 사용한다. 사실, 황화수소는 육류제품의 품질을 나타내는 데 속성으로 간주되는 미오글로빈(myoglobin)의 색상과 상관 관계를 지닌다. 이러한 감지 메커니즘은 대부분 색상변화 염료를 기반으로 하지만, 패키징의 염료 침투는 포장한 음식의 관능적 특성에 영향을 미칠 수 있다.

이런 문제를 피하기 위해, 일부 연구원들이 삼중 레이어로 구성된 신선도 지시계를 개발했다. 이 지시계는 식품과 접촉하는 부직포 고밀도 폴리에틸렌 소재 레이어, pH 변화에 민감한 염료인 바인딩 폴리머로 고정된 브로모크레솔 그린을 함유한 레이어, 저밀도 폴리에틸렌으로 외부 레이어를 구성한다.

이 지시계는 닭고기 부패를 포장내부의 염료 이행 없이, 휘발성 염기 질소와 CO2 농도 및 세균 수의 변화 작용으로 감지할 수 있어 간단하고 신뢰할 수 있는 안전성 높은 포장 솔루션을 제공한다. 보통 신선도 표시기는 패키징 필름에 인쇄하거나 라벨 형태로 포장필름 내부에 삽입해 보관 중 생성되는 물질과 반응한다.

이 범주의 지시계가 자주 발생시키는 문제는 잘못된 네거티브/포지티브에 관련이 있다. 첫 번째 경우는, 안전해 보이지만 실제로는 그렇지 않아 소비자의 건강에 위험을 초래하는 사례가 있고, 또 다른 경우는 위험하거나 상한 것처럼 보이지만 실제로는 상태가 양호한 사례로 불필요한 식품 폐기물을 발생시킨다. 이러한 의미에서, 지시계의 발전을 앞당기기 위해 표준 프로토콜 개발이 필요하다. 이는 특히 신선도 지시계의 산업적 규모로 개발하는 데 있어 그 필요성이 높다.

(다음호에 계속). 

작성자   비밀번호
20359   식품용 스마트 패키징의 혁신 동향 플라스틱코리아
20511   식품용 스마트 패키징의 개념 혁신 (3) 플라스틱코리아