식음료

여과의 역할을 이해함으로써 식품 안전 관리 능력 강화

글: Kathleen S. Berry*(Pall Corporation)
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HACCP1 원칙에 따라 관리되는 공정에서 식품 안전성은 사전 예방 프로그램을 적용하여 공정의 핵심 제어 지점을 분석, 파악, 제어, 모니터링, 시정, 검증 및 기록하는 방식으로 확보됩니다. 시스템의 핵심 제어 지점이 필요한 기능을 발휘하지 못할 경우 이는 곧 식품 안전을 위협하는 부작용을 야기할 수 있습니다. 공식 HACCP 절차가 없다고 해도, 공정 요건을 충족하는 장비를 신중하게 선택하여 유지관리하고 이 장비가 제대로 기능한다면 안전한 식료품을 생산할 수 있습니다. 

 

여과는 다양한 제조 과정에서 식료품을 결정적으로 보호할 수 있는 공정 단계입니다. 제품의 감각적 특성에만 영향을 미치는 거칠거나 가는 입자 제거용으로만 사용되는 여과도 있지만, 물리적, 화학적, 미생물학적 안전에 영향을 미치는 여과 단계도 있습니다.

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물리적 오염 물질 제거

물리적 안전성은 소비자에게 부상을 입힐 수 있는 입자가 없는 상태를 의미합니다. 파손된 UV 전등이나 유리 포장에서 떨어진 유리 조각 또는 이동식 부품이 있는 펌프나 장비에서 떨어진 플라스틱과 금속 파편을 예로 들 수 있습니다. 이러한 오염 물질이 들어갈 경우 제품 리콜로 인해 막대한 비용이 초래될 수 있습니다. 사전 예방식 방법으로 이러한 위험을 찾아내 제한할 수 있고, 품질 보증 프로그램의 일환으로 검출 장비를 사용하여 이러한 오염 물질을 찾아낼 수 있기는 하지만 마지막 배리어로서의 최종 폴리싱 여과 단계는 추가적인 안전 대책의 역할을 해낼 수 있습니다. 물리적 오염 물질로부터 보호할 수 있는 또 다른 영역은 주방의 증기 여과입니다. 많은 식품 공정에서 순간 가열과 조리, 장비의 제품 접촉 표면 소독 또는 멸균, 증기를 이용한 껍질 벗기기, CIP 시스템용 온수 생성 등에 직접 증기 주입 방식을 사용합니다. 증기 라인의 먼지와 찌꺼기 등의 입자를 제거해야 하는 요건이 있는데 이는 여과를 통해 달성됩니다2.

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화학적 오염 물질 제거

화학적 안전성이란 식료품에 원치 않는 화학적 오염 물질이 없는 상태를 말하며, 이러한 오염 물질로는 우연히 제품에 남아 있는 세제 또는 기타 통제되지 않은 식품 플랜트 케미컬 등이 있습니다.

기기 등급 수준의 공기 또는 "무입자" 용수를 사용해 작동해야 하는 케미컬 취급 장치의 오작동으로 인해 이러한 문제가 발생하는 경우, 적절한 유틸리티 여과를 통해 이러한 문제를 간접적이지만 효과적으로 예방할 수 있습니다.

매우 중요하며 점차 비중이 커지고 있는 다른 사항으로는 원치 않는 케미컬 구성 요소로부터 안전을 보장해야 하는 상황이 있는데, 이는 플랜트 장비 관련 식품 접촉 규정 준수를 확인하는 것과 연관이 있으며 여러한 장치에는 여과 장치가 포함됩니다. 기존 규정은 물론 급속히 늘어나는 글로벌 규정에 따르면 여과 장치에서 나온 원치 않는 추출물이 식품을 오염시켜 소비자 건강을 해치는 상황을 방지해야 합니다. 지속적으로 이러한 규정을 충족하고 규정 준수 내용을 기록하는 일은 여과 서비스 공급업자의 중요한 역할입니다.

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미생물 처리 품질

미생물 처리 품질은 지금까지 여과를 통해 보호하는 가장 일반적인 식품 안전 요소입니다. 적절히 선택한 여과 장치를 적용함으로써 제품의 바이오 버든(Bioburden)을 줄이거나 제품을 상용 멸균할 수 있습니다. 예를 들어 무균 공정은 무균 서지 탱크와 충전기의 멸균 공기 필터가 공정 기간과 포장 단계에서 멸균 상태를 유지할 수 있느냐에 달려 있습니다. 또한 재료를 무균 상태로 멸균 환경에 주입하는 경우 멸균 액체 필터를 선택하여 미생물을 제거할 수 있습니다. 이때 열처리 방식을 사용하면 열에 민감한 재료가 고온으로 인해 파괴될 수 있습니다. 고온 처리 방식을 사용하지 않는 다양한 유형의 생수 어플리케이션의 경우 병입 단계 전의 멸균 여과 과정을 효과적으로 제어하는 관련 다운스트림 작업을 함께 사용하면 병 음료의 미생물 안전성이 보장됩니다. 특정 건조 분말 제품의 경우 제조 과정에서 이 분말과 접촉하는 공기의 적절한 여과를 통해 원치 않는 미생물을 줄이거나 제거할 수 있습니다. 이러한 미생물을 그냥 둘 경우 나중에 환원 형태로 번식할 수 있습니다.

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수질 보호

물은 식료품에서 발견되는 병원균의 주 원인이 되는 경우가 많습니다. 수자원이 계속 줄어들어 용수의 재사용과 재활용의 필요성이 높아지고 있는 상황에서 식료품 공장은 플랜트 수질에 특히 주의를 기울여야 하며 이러한 수질은 수원 및 이전의 사용 내력에 따라 달라집니다.

생산 플랜트 용수가 식품 재료와 직접 닿거나 장비 오작동으로 인해 오염을 일으킬 가능성이 있는 경우 용수 처리에 세심한 주의를 기울여야 합니다. 공정 용수는 최종 제품을 오염시킬 수 있는 미생물이나 기생충을 제거할 수 있도록 용도에 따라 적절히 여과해야 합니다. 특수한 안전상의 어려움과 관련된 예는 미가공 또는 최소한의 가공을 거친 신선 농산물 생산에서 찾아볼 수 있으며, 이때 세척이나 냉각 등 추수 후 처리 과정에서 사용되는 용수는 철저한 모니터링을 거쳐 품질 오염을 보장하고 교차 오염을 피해야 합니다. 여과는 미생물 수준을 확실히 통제해야 합니다.

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여과 성능 이해

여과의 제거율과 제거 성능에 관한 표준이 없으면 잘못된 필터 선택의 원인이 될 수 있습니다. 필터 잔류 등급은 "일반", "절대" 또는 미생물(또는 바이러스)로 표시됩니다. 일반 및 절대 잔류 등급은 입자만 제거하는 수준을 가리키므로 미생물 제거가 필수인 중요한 요건을 설명하는 데는 이용할 수 없습니다. 필터 제조업자가 명시하는 입자 제거 효율은 테스트로 결정되며, 이러한 테스트 결과에서는 대체로 미생물 형태와는 거의 관계가 없는 단단한 원형 입자인 정밀 또는 조립 테스트 입자 또는 라텍스 비드와 같은 표준화된 입자 제거 등급을 기록합니다. 일반 등급이든 절대 등급이든 입자 필터는 업스트림과 다운스트림 입자 수의 관계를 특정 입자 크기의 베타 비율로 표현하여 제거 효율을 표시합니다. 단일 통과 또는 다중 통과 챌린지 테스트, 입자 유형, 챌린지 테스트 물질의 양을 이용하는 것과 같이 이러한 데이터 생성을 위해 사용되는 방법들도 세밀히 관찰해야만 입자 등급 필터의 실제 성능을 파악할 수 있습니다.

여과 장비의 식품 접촉 규정 준수일반 필터는 오염 물질을 일부만 제거하므로 오염 제거 요건이 매우 중요한 상황에서는 절대 사용하면 안 됩니다. 이러한 필터는 잘해야 다운스트림 최종 필터의 사전 필터로 적합합니다. 일반 필터 범위 안에서도 제거 등급은 99% 제거 효율(베타 100 비율) 이하의 범위 어디에나 해당될 수 있습니다. 예를 들어 일반 필터는 제거 효율 범위가 60%밖에 되지 않으며, 이는 임의의 1마이크론 크기 안의 모든 입자 중 60%만 제거된다는 의미입니다. 또한 일반 등급 필터는 섬유질의 비고정 공극 구조 미디어로 구성되며, 이러한 미디어에서는 압력이 오르거나 변동이 심할 때 오염 물질이 떨어져 나오기 쉽습니다. 절대 등급 필터는 입자를 99.9% 제거하는 것으로 알고 있는 경우가 많지만 "절대"라는 용어는 종종 느슨하게 사용됩니다. 따라서 제거 효율과 구체적인 베타 제거 비율로 표현하는 것이 더 정확합니다. 99.9% 제거 효율이란 필터에 닿는 입자 1000개당 단 1개만 통과(베타 1000 비율)한다는 의미입니다. 중요한 어플리케이션에 사용되는 고급 절대 등급 필터는 임의의 마이크론당 입자 99.98%를 제거하며, 이는 필터에 닿는 입자 5000개당 단 1개만 통과(베타 5000 비율)한다는 의미입니다. 표 1은 이러한 개념을 알기 쉽게 보여 줍니다.

표 1 - 입자 제거 성능

 
베타 비율1 유입 입자 수 잔류 입자 유출 입자 수 제거 효율2
베타 10 5000 4500 500 90%
베타 20 5000 4750 250 95%
베타 100 5000 4950 50 99%
베타 1000 5000 4995 5 99.9%
베타 5000 5000 4999 1 99.98%
 

 

   

 

1 베타 비율 = 유입 입자 수/유출 입자 수
2 제거 효율 = (유입 입자 수 – 유출 입자 수) x 100 / 유입 입자 수

이에 반해 미생물 검증 필터는 절대 등급 입자 필터보다 제거율이 훨씬 높습니다. 이러한 필터의 제거 효율은 필터의 성능을 표현하는 대략의 크기로 선택한 모델 미생물의 역가 감소로 나타냅니다. 검증된 미생물 등급 필터는 테스트의 성격을 보여 주는 성능 데이터, 즉 필터에 챌린지 테스트한 미생물의 양(챌린지 테스트의 수준이 성능에 영향을 미치기 때문), 미생물의 유형, 크기, 멸균 공기 필터 검증 시 테스트 환경의 공기 습도 및 유량으로 재입증해야 합니다. 또한 일부 필터 제조업자는 특정 액체에서 특정 미생물 유형과 필터의 제거 성능에 대한 데이터를 제공합니다. 필터의 실제 성능을 평가하려면 수행된 테스트의 성격을 꼼꼼히 분석해야 합니다. 이러한 이유로 필터 제조업체에게 검증 가이드를 요구하면 단순한 데이터시트에는 나타나지 않는 많은 정보를 알 수 있습니다.

바이오 버든(Bioburden) 감소 필터는 미생물 수준을 낮춥니다. 예를 들어 0.45마이크론 등급의 멤브레인 필터는 세라티아 마르세센스(Serratia marcescens)(0.45마이크론 등급 멤브레인 필터에 흔히 사용되는 모델 미생물)로 챌린지 테스트할 경우 106을 제거한다고 합니다. 표시된 제거 등급, 챌린지 테스트 수준, 테스트에 사용된 미생물의 유형에 대해 특별히 주의를 기울여야 합니다. 확실히 최종 여과액 품질은 유입되는 미생물 부하량과 해당 어플리케이션에 따라 큰 차이를 보입니다.

바이오 버든(Bioburden) 감소 필터가 식품 안전에 간접적으로 기여하는 상황을 예로 들면 이들의 효과적인 제거 성능을 통해 다운스트림 가열 장치에서 바람직한 전반적인 미생물 제거 효과가 달성되는 경우입니다. UHT 우유 가공 시 Crossflow 멤브레인 필터를 사용하면 무균 처리 장비의 업스트림에서 박테리아 포자를 줄일 수 있습니다.

UHT 장비에 대한 미생물 부하량을 낮추면 가열에 의한 품질 저하를 최소화할 뿐 아니라 전반적인 로그 감소 값 목표를 달성할 수 있습니다.

무균 처리로 생산되는 멸균 약품에 대한 2004 FDA 산업안내서3는 의약품에 대해 언급한 내용으로, 구속력 없는 권장 사항이기는 하지만 중요한 식품 산업 어플리케이션에도 적용할 수 있습니다. 여기서는 멸균 압축 가스에 완전성 테스트를 할 수 있는 소수성 멤브레인 필터를 사용하도록 되어 있습니다. 또한 멸균 등급 필터는 일반적으로 공극 크기가 0.2마이크론 이하여야 한다고 되어 있습니다. 이러한 필터는 결과적으로 유효 여과 범위 cm2당 특정 테스트 유기물 107개가 액체에 챌린지되는 최악의 생산 조건 하에서도 멸균 유출액이 만들어진다는 검증을 받아야 합니다. 이 목적으로 사용된 일반 모델 미생물은 Brevundimonas Diminuta ATCC 19146으로 평균 지름이 0.3마이크론이며 크기가 작아 선택된 것입니다. 일반적인 10인치 필터 카트리지의 여과 면적 기준에 비추어 이것은 1010이 넘는 역가 감소 또는 10이 넘는 로그 감소값(LRV)에 해당됩니다. 보존적 검증 방법의 경우 안전 마진이 이 요건을 넘어섭니다.

미생물 제거 성능의 입자 제거도를 비교할 때 "절대 등급" 베타 5000 입자 제거 필터는 필터에 챌린지되는 입자에 대해 99.98%의 제거 효율을 보이지만, 멸균 등급 액체 필터는 필터에 가해지는 미생물에 대해 99.99999999%가 넘는 제거 효율을 보입니다. 표 2와 3은 필터의 미생물 제거 성능과 다운스트림 오염도와의 관계를 비교합니다.

표 2 - 미생물 제거 성능

 
역가 감소1(TR) Log Reduction Value(LRV, 로그 감소 값) 챌린지 수준2(CFU/cm2) 필터 면적(cm2) 유입 미생물 부하(CFU) 유출 미생물 부하(CFU) 제거 효율4
106  6 125/cm2 8000 106  1 99.9999%
106  6 1.25 x 105/cm2 8000 109  103  99.9999%
106  6 1.25 x 107/cm2 8000 1011  105  99.9999%
>1011 >11 1.25 x 107/cm2 8000 1011  0(멸균)3 >99.999999999%
 
1 역가 감소 = 유입 미생물 부하/유출 미생물 부하
2 집락 형성 단위(CFU)/cm2
3 유출액에 포함된 미생물이 0인 경우(멸균 유출액) 다운스트림 부하를 1로 하여 역가 감소 및 이에 따른 제거 효율을 계산합니다. 0으로는 나눌 수 없기 때문입니다.
4 제거 효율 = (유입 미생물 부하 – 유출 미생물 부하) x 100 / 유입 미생물 부하


표 3 - LRV 성능 및 오염률

 
Log Reduction Value(LRV, 로그 감소 값) 유입 미생물 부하(CFU/리터)
유출 미생물 부하(CFU/리터)
오염률
6 100000 0.1 1CFU/10리터
11 100000 0.000001 1CFU/1000000리터
 

2004 FDA 산업 안내서에는 또한 멸균 물질이 들어 있는 탱크와 같은 중요 장비의 공기 여과 시 멤브레인 필터를 사용하도록 되어 있으며, 필터는 멸균 경계 역할을 하거나 멸균 가스를 공급해야 한다고 설명되어 있습니다. HEPA4 필터는 주로 무균 처리실 여과용으로 언급되어 있으며 지름이 0.3마이크론이 넘는 가스 내 입자를 99.97% 제거하는 성능을 보입니다.

PDA 기술 보고서 40에는 가스의 멸균 여과5에 대한 중요한 어플리케이션이란 "공정 유체가 멸균 최종 제품이나 관련 장비의 중요한 표면과 직접 접촉하는" 어플리케이션이라고 설명되어 있습니다.

이처럼 중요한 어플리케이션에 사용되는 무균 가스 필터의 경우 제거 성능은 건조 가스뿐 아니라 습윤 가스에서도 유지되어야 합니다. 액체 박테리아 챌린지 테스트는 이러한 필터에 대한 최악의 상황을 나타냅니다. 여과 메커니즘 작동 방식으로 인해 가스 흐름에서 가스 분자의 브라운 운동(그림 1)이 발생하므로 필터 미디어에 혼입된 입자의 침해와 포집(그림 2, 3)이 액체가 필터를 통과할 때(그림 4)보다 훨씬 더 쉬워집니다. 이를 확산 포집이라고 부릅니다. 가스 여과는 항상 액체 여과보다 쉽기 때문에 가스의 특정 여과 제거율은 액체에서 동일한 필터의 성능보다 항상 더 높습니다. 예를 들어 미생물 검증 완료된 0.2마이크론의 멸균 등급 필터는 액체에서는 이 크기 범위의 박테리아를 제거하지만 가스에서는 바이러스처럼 훨씬 더 작은 입자(나노미터 크기 범위)를 제거합니다. 관련 사례로 3마이크론 입자 등급 액체 필터는 건조 가스에서 필터 성능이 더 우수하며 일반적으로 대략 1/5 - 1/10 크기 범위의 입자를 제거합니다.

파이프 안의 수분 응결, 변동이 큰 압력 또는 업스트림 공기 건조 장비의 오작동으로 인해 멸균 공기 필터가 축축해지면 액체에서의 제거 등급으로 환원됩니다(그림 4). 이러한 필터가 액체에서 충분한 박테리아 제거율을 보이는 것으로 검증되지 않은 경우 중요한 공기 어플리케이션에서 충분한 보호 성능이 발휘될지 알 수 없습니다. 소수성 필터를 사용하면 습기에 의한 공기 흐름 차단 위험이 방지되지만 필터마다 유형이나 필터 미디어 처리에 따라 소수성 정도가 다르기 때문에 소수성 필터는 성능이 모두 같고 오래 여러 차례 증기 사이클을 거친 후에도 계속 소수성을 유지할 것이라고 가정해서는 안 됩니다.

소수성은 CWST(임계 습윤 표면 장력)로 표현되며, 이것은 드롭 테스트와 액체와 고체 표면의 알려진 표면 장력의 접촉각 측정치로 결정됩니다. 필터 미디어의 CWST는 다인/cm로 측정되고 값이 적을수록 높은 소수성을 의미하며 구성 재질과 미디어 표면의 거친 정도에 따라 달라집니다.

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그림 1 - 가스 분자가 무작위 운동 또는 브라운 운동 상태에 있습니다.

그림 2 - 가스 안의 작은 입자나 에어로졸 액적이 운동하는 가스 분자에 부딪혀 흩어집니다.

그림 3 - 브라운 운동으로 인해 확산 포집은 건조 가스에서 이루어지는 주요 여과 메커니즘입니다. 필터 공극 크기보다 여러 배 작은 입자도 포집됩니다.

그림 4 - 습기가 있는 상태에서는 확산 포집이 일어나지 않습니다.

필터 완전성 모니터링

마지막으로, 필터 완전성에 대한 적절한 모니터링은 필터가 계속해서 예상대로 작동되는지 확인하기 위한 중요한 요소입니다. 필터 완전성 테스트 장치는 필터의 완전성 침해 사안 발생 여부를 측정하여 기록합니다. 이러한 완전성 테스트는 서브 마이크론 미생물 필터에서만 사용할 수 있습니다.

입자 필터 성능은 차압 장치에 의해 모니터링됩니다. 차압은 오염 물질이 늘어날수록 높아지므로 입자 제거 필터 전체에서 일정하게 지속적으로 상승하게 되어 있습니다. 갑자기 압력이 떨어지거나 더 이상 오르지 않을 경우 필터가 오염 물질을 그대로 내보내고 있거나 실제로 손상되었음을 나타내는 표지가 될 수 있습니다.

제약업계에서 미생물 필터는 사용 전과 후, 두 차례 모두 완전성 여부를 모니터링하는 경우가 많습니다. 식품 제조 공장에서는 여과 전후에 규칙적으로 완전성 테스트를 수행하지 않는 경우가 많지만 테스트를 통해 얻을 수 있는 가치를 고려해야 합니다. 사용 전 모니터링에서는 배송 또는 설치 중 손상 여부를 기록합니다. in situ 모니터링 또한 필터가 하우징에 설치된 후 우회 가능 상황이나 시스템 유출 여부를 기록할 수 있습니다. 사용 후 모니터링에서는 배치(batch) 완전성을 기록합니다. 그 외에도 필터를 증기 가열한 후 생산 공정이 시작되기 전에 필터의 완전성을 모니터링하는 특별한 경우도 있습니다. 증기 가열은 필터에 가장 큰 피해를 줄 수 있는 스트레스 상황이기 때문에 증기 가열 후의 완전성 테스트는 그만큼 가치가 있습니다.

완전성 테스트 장치(그림 5)는 액체 또는 가스 멤브레인 필터용으로 사용할 수 있도록 설계되어 있습니다. Depth 필터는 완전성 테스트를 할 수 없습니다. 처리 방식이 가장 간단한 액체 멤브레인 필터용과 좀더 특수한 절차가 필요한 가스 필터용 등 여러 유형의 완전성 테스트가 있습니다. 완전성 테스트의 가치는 미생물 제거 성능과 연관되어 있습니다.

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결론

요약하면 여과는 제조 공정의 중요한 단계로서 식품 안전에 영향을 미칩니다. 사용자는 여과 메커니즘과 여과 용어의 복잡성을 인식하고, 사용하는 다양한 여과 제품을 꼼꼼히 평가한 후, 여과 장치 제조업체의 입증된 전문성을 바탕으로 적절한 선택을 하도록 해야 합니다.

 

* K.S. Berry, 글로벌 마케팅 관리자, Pall 식품 및 음료 부문

 

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참고문헌 및 각주

 

1 위험 분석 핵심 제어 지점
2 3-A 주방의 증기 생성을 위한 허용된 관행, 609-03번
3 산업 지침: 무균 처리로 생산되는 멸균 의약품 - 현재의 모범 제조 사례(2004년 9월) 2004
4 고효율 미립자 공기
5 PDA 기술 보고서 40(TR 40), 가스 무균 여과

 

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