냉동·냉장 식품의 보관상태 감시표식 시스템 개발 = Development of storage condition monitoring system for frozen and refrigerated foods

국문 초록 (Abstract)

Ⅰ. 연구개발 목적 및 필요성
최근 냉동·냉장식품의 보관 상태 감시에 대한 소비자의 관심이 높아지고 있음. 냉장·냉동식품은 생산 후 유통 과정에서 일정한 보관 온도를 유지하여야 하나 최종 소비 단계에 있는 소비자는 이를 선별할 수 있는 명확한 판단 기준이 없음. 이러한 소비자의 욕구를 충족시키고, 냉동·냉장식품의 안전관리 수준을 높이고자 식품의 보관 상태에 대한 감시표식 시스템인 time-temperature indicator (TTI) 연구를 수행하였음.
Ⅱ. 연구개발 내용 및 범위
- 다양한 TTI 소재 및 국내·외 기술현황에 대한 자료를 조사·분석함.
- 후보 TTI 소재의 온도감응 및 확산 특성에 대하여 연구하고 최적 TTI 소재를 선정하며, 시제품 생산을 위한 세부 조성 및 특성을 연구함.
- 실제 유통되는 냉장·냉동식품의 저장 조건을 조사하여, 개발된 TTI 시제품을 실제 유통 조건에서 적용하는 실용화 연구를 함.
Ⅲ. 연구개발 결과
TTI 온도감응 확산 소재 선정 및 분석
- 온도감응 확산 유기소재를 선정하고 분석하기 위하여 지방산 oleic acid (O)와 linoleic acid (L)의 혼합비율을 변화시키면서 녹는점을 측정한 결과 O/L 비율이 높을수록 녹는점이 높아짐을 알 수 있었음.
- 지방산 시스템의 온도감응 특성을 differential scanning calorimetry (DSC)를 이용하여 측정하였으며, 지방산 ester인 methylated oleic acid가 녹는점 11.51°C로 냉장식품용 TTI 온도감응 확산 소재로 적합하였음.
지방산 ester의 온도감응 확산 특성
- 선정된 지방산 ester의 온도감응 확산 특성을 연구하기 위하여 10, 15, 20°C 3가지 등온조건에서 TTI 샘플의 온도감응 확산 반응 패턴을 측정한 결과, 시간에 따른 확산거리(diffusion distance)는 다음 그림과 같은 온도 의존적 양상을 보였음.
지방산 ester를 이용한 TTI 실용화 연구 1 - 저장온도에 따른 미생물 생육 변화
- 냉장식품인 명일엽녹즙과 김밥, 냉동식품인 햄버거패티를 대상으로 등온조건에서 TTI diffusion distance와 미생물 생육속도를 측정하였음.
- 온도가 높을수록 TTI diffusion distance가 빠르게 증가되었고, 아래 그래프와 같이 미생물 총균 수 변화와 온도의존적 상관관계를 보였음.
- 변온조건에서 실험은 각 냉동·냉장식품의 적정 저장온도와 상온에서 반복 교차 저장하면서 실험 하였으며, 등온조건 결과와 유사하게 TTI diffusion distance와 미생물 총균수는 온도가 높을수록 증가속도가 높아짐을 알 수 있었음.
지방산 ester를 이용한 TTI 실용화 연구 2 - Prototype 시제품 적용 연구
- 앞선 여러 온도조건에서 TTI와 미생물 생육 상태의 상관관계를 알아본 실험 결과를 바탕으로 각 냉동·냉장식품에 적합한 prototype TTI 시제품을 제작하였음.
- 시제품은 각각의 식품 겉포장에 부착하고 소비자가 식품을 소비할 때까지 식품의 환경온도 변화를 가상으로 설정하여 normal, mild, worst 3가지 유형의 변온조건 시나리오를 설정하여, 냉동·냉장식품이 장시간 상온(25°C)에 노출되어 미생물 총균수가 10⁵～10⁶ log CFU/mL에 도달하였을 때 TTI에 양성(positive)으로 적절하게 표시되는지 확인하였음.
- Worst 시나리오에서 아래 그래프와 같이 상온에 장시간 노출되었을 경우 미생물의 생육 속도는 급격하게 증가하여 식품 변패가 진행되었고, 이 때 아래 사진과 같이 TTI 시제품에 붉은 선이 표시되었음.
- 반면 적절한 보관온도 상태를 유지한 normal, mild 시나리오에서는 식품의 미생물 총균수가 10⁵ log CFU/mL에 도달하지 않았고 TTI 시제품에 붉은 선 표시가 되지 않았음.
- 따라서 본 연구에서 개발한 냉동·냉장 식품의 보관상태 감시표식 시스템은 소비자에게 식품의 보관 상태에 대하여 적절하고 정확한 정보를 제공하고 있음을 확인함.○ 연구목표 : 냉동 ㆍ 냉장 식품의 보관온도 감시표식에 적합한 유기 소재를 선정하고, 선정된 유기소재의 최적 조건을 확립한다. 연구결과 최적 유기소재로 제작된 TTI 시제품을 다양한 온도 조건에 적용하여 냉동 ㆍ 냉장 식품의 유통과정에서의 보관상태 감시 가능 여부에 관하여 확인하는 실험을 수행한다.
○ 연구내용 : 보관 온도 감시표식 소재를 개발 및 선정하기 위한 구체적인 목표를 확립하고 후보 유기 소재의 문헌 조사 및 분석을 시행하였다. 이를 위하여 유기소재 선정을 위한 온도 감응 특성을 연구하고 온도-시간에 따른 최적화된 diffusion based TTI 제품을 개발하도록 하였다. 아울러 냉장 ㆍ 냉동 식품의 실제 유통 요구 조건을 조사 ㆍ 분석하고 이에 따라 다양한 온도 조건에서 미생물 생육 정도와 TTI의 작동여부의 상관관계를 파악하여 식품을 구매하 는 소비자가 쉽고 간편하게 식품의 보관상태를 확인할 수 있도록 하는 시스템을 개발하고 자 하였다.
○ 연구성과(응용분야 및 활용범위포함) : 최적의 유기소재로 선정된 지방산 ester의 온도감응 확산 특성을 연구한 결과 여러 온도 에 따른 확산 거리의 관계를 확인하였고, 실제 판매되고 있는 냉동 ? 냉장 식품을 대상으로 등온 및 변온 조건에서 실험하여 미생물 생육 상태와 TTI의 확산 특성의 상관성을 파악하 였다. 이로써 냉동 ㆍ 냉장식품의 보관 상태를 확인할 수 있는 최적화된 TTI의 시제품의 제작 이 가능하게 되었으며 식품을 실제로 소비하는 가상의 시나리오를 설정하여 TTI 시제품의 이용가능성을 확인하였다. 이러한 연구 결과를 바탕으로 향후 논문발표 및 학술대회 발표, 특허출원, 언론홍보, 제도화 등 다양한 성과를 낼 수 있을 것으로 기대된다.○ 연구목표 : 보관 온도 감시표식 시스템 산업화 연구를 위하여 안정된 구조의 TTI 온도감응 확산 원재료를 확보하고 자동화 생산이 가능한 구조의 감시표식 시스템 설계하여 낮은 제조원가를 유도한다. 또한 제품이 안정성 및 균일성을 갖도록 하여 향후 산업화 과정에서 발생할 문제점을 최소화하도록 한다.
○ 연구내용 : 부직포, 여과지 및 젤 관련등 TTI 온도감응 확산 소재를 확보하고 최적의 유기소재 흡착제(carrier)를 선정하여 구조 및 특성을 연구하였다. 또한 이동용제로 사용될 지방산의 과산화물 생성에 따른 이동시간 지연 문제 해결을 위한 연구를 하여 최적의 감시표식 시스템 시제품을 제작하였다. 이렇게 최적 구조로 설계된 제품을 합지, 성형, 부착, 열접착, 재단 등을 통해 제작하였으며 판매중인 식품에 대해 적용, 오작동을 확인하고 문제점을 검토하였다. 이어서 시제품의 가혹, 가속 및 장기보존시험 및 적용시험 등을 통해 안정성과 균일성에 대한 연구를 시행하기 위한 계획을 세우고 감시표식 시스템의 산업화를 위한 생산성 및 경제성 연구에 접어들게 되었다.
○ 연구성과 : 현재 상용 유통 중인 부직포 및 여과지, 잉크젯전용지 등을 확보 지방산에 대한 흡착성과 확산성을 비교 분석한 결과 Micro Porous Film에 대한 전개성과 전개 방향에 대한 구조를 완성할 수 있었다. 지방산의 산화를 방지에 가장 적합한 항산화제 BHT와 BHA를 선정 지방산에 150 ppm/kg 첨가 시 항산화 효과가 적정한 것으로 확인하였으며 최적 감시표식 시스템의 시제품제작을 가능토록 하였다. 지방산 전개에 가장 효율적이고 안정적인 양방향 구조로 된 원형 TTI를 디자인하고 몰드를 제작하여 제조하고 여러 형태의 구조를 변경하여 연구를 진행하였다. 지방산을 TTI 개시전 까지 저장하는 포밍(Forming) 및 접합에 대한 구조 및 재질을 확보하는 연구도 시행하였다. 식품 등에 대한 적용 작동 확인 및 문제점 검토를 위하여 TTI 시제품(12°C)을 팩 및 용기에 부착한 결과 각 기울기 및 방향에 따른 작동에 문제가 없음을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Ⅰ. Objectives and importance of the research
Recently consumers' interest on monitoring system for frozen and refrigerated foods which need to be stored at appropriate storage temperature is increasing. However, consumers, who are at the last step of the distribution process, hardly obtain such informations on the storage conditions (temperature) of the products. To satisfy the consumers' demands and to increase safety management level of the frozen and refrigerated food industry, a time-temperature indicator (TTI) system was investigated.
Ⅱ. Contents and range of the research
- Data collection and analysis of various researches on the TTIs and their components.
- Selection of candidate organic materials appropriate for the TTI system and analysis of temperature-sensitive diffusion properties to develop a prototype TTI.
- Investigation of real storage conditions required for the frozen and refrigerated foods.
- Application of the prototype TTIs to real frozen and refrigerated foods.
Ⅲ. Results of the research
Selection of organic materials for the TTI system
- As oleic acid (O)/linoleic acid (L) ratio was increasing, the melting point of the O/L mixture was increased.
- Temperature-sensitive diffusion properties of fatty acid systems were measured using differential scanning calorimetry (DSC). Melting point of the methylated oleic acid was 11.51°C, indicating that the fatty acid ester is suitable for the TTI system.
Temperature-sensitive diffusion properties of the fatty acid ester
- Temperature-sensitive diffusion patterns of the fatty acid ester stored at 10, 15, 30°C were measured.
- Diffusion distance was temperature-dependent as a graph below.
Changes in microbial growth and temperature-sensitive diffusion of the TTI
- TTI diffusion distance and microbial growth rate were measured for the angelica juice, kimbab, and frozen hamburger patty at isothermal conditions.
- As the storage temperature was increased, TTI diffusion distance was rapidly increased.
Graphs below are showing the correlation of TTI diffusion distance and microbial growth rate.
- At dynamic storage temperature condition, i.e., repeated cross-storage at refrigerated (or frozen) temperature and room temeperature, TTI diffusion distance as well as microbial growth rate was increased as the isothermal results.
Application of the prototype TTI using fatty acid ester
- Prototype TTI appropriate for frozen and refrigerated foods was developed using the data obtained by previous researches.
- The prototype TTI was attached on the surface of package of the real products. Normal, mild, and worst scenario were established based on the dynamic storage temperature test.
- Prototype TTI indicated a positive result (showed a red band mark) when products were exposed at 25°C for long time (a worst scenario) and reached microbial count of 10⁵～10⁶ log CFU/mL. While the prototype TTI showed a negative result (no red band mark) when the products were exposed to normal and mild scenarios.
- The prototype TTI appeared to indicate accurate information on storage conditions (temperature) for the frozen and refrigerated foods.