2018년 식품안전기사실기(필답형) 1회차 기출문제 정답·해설 페이지

○ 희석액 : 멸균생리식염수, 멸균인산완충희석액

○ 지방이 많은 검체에 넣는 첨가물 : Tween 80

[해설]

미생물 시험의 결과는 시험용액을 어떻게 만들었느냐에 크게 좌우된다. 「식품의 기준 및 규격」(식품공전) 일반시험법의 미생물시험법은 시험용액을 만들 때 쓰는 희석액으로 멸균생리식염수와 멸균인산완충희석액을 든다.

· 멸균생리식염수(0.85~0.9 % NaCl) — 세균 세포와 삼투압을 맞춰 준다. 증류수를 그대로 쓰면 세포가 물을 빨아들여 터지므로 균수가 실제보다 적게 나온다.

· 멸균인산완충희석액 — 삼투압에 더해 pH까지 잡아 준다. 산성이나 알칼리성 검체를 희석하는 동안 균이 손상되는 것을 막는다.

· Tween 80(폴리소르베이트 80) — 비이온 계면활성제다. 버터·유지가공품처럼 지방이 많은 검체는 지방이 덩어리져 균을 가두므로 희석해도 균이 고르게 퍼지지 않는다. Tween 80을 넣으면 지방이 유화되어 갇혀 있던 균이 풀려 나와 균수를 제대로 잴 수 있다.

이 밖에 희석 과정 내내 무균조작을 지키고, 균질과 희석은 균이 죽거나 늘어나지 않도록 가능한 한 낮은 온도에서 빠르게 끝내는 것이 원칙이다.

20 %

[해설]

습부율은 시료 밀가루의 무게에 대해 씻어 낸 젖은 글루텐이 차지하는 비율이다.

$\text{습부율}(\%) = \dfrac{\text{습부량}}{\text{시료 무게}} \times 100$

$= \dfrac{4\ \mathrm{g}}{20\ \mathrm{g}} \times 100 =$$20\ \%$

반죽에 넣은 물 10 mL는 이 계산에 쓰이지 않는다. 글루텐을 뭉치게 하려고 넣는 물일 뿐이고, 분모는 언제나 밀가루의 무게이기 때문이다.

습부율은 밀가루의 단백질(글루텐) 함량을 가늠하는 지표로, 대체로 강력분이 35 % 이상, 중력분 25~35 %, 박력분 25 % 이하다. 젖은 글루텐은 제 무게의 두세 배쯤 되는 물을 머금고 있어, 이를 말려 재는 건부율은 습부율의 약 $\dfrac{1}{3}$이 된다.

$\text{건부율}(\%) \fallingdotseq \dfrac{\text{습부율}(\%)}{3}$

글루텐이 많을수록 반죽의 탄력과 신장성이 커지므로 이 값으로 밀가루를 강력분·중력분·박력분으로 나누어 제빵용·제면용·제과용으로 갈라 쓴다.

· 뜻 — 이미 먹어 온 기존 식품을 기준으로 삼아 유전자변형식품을 나란히 비교하여 의미 있는 차이가 없으면 기존 식품과 같은 수준으로 안전하다고 판단하는 국제식품규격위원회(Codex)의 안전성 심사 원칙

· 비교·평가 요인 : ① 삽입된 유전자와 그 발현 산물의 특성 및 성분 조성 ② 독성 ③ 알레르기 유발성

[해설]

어떤 식품도 '절대적으로 안전하다'고 증명할 수는 없다. 더구나 유전자변형식품은 먹어 본 이력이 없어 절대 평가가 불가능하다. 그래서 국제식품규격위원회(Codex Alimentarius Commission)가 채택한 것이 비교 평가 원칙, 곧 실질적 동등성이다. 오랫동안 안전하게 먹어 온 대응 기존 식품(comparator)을 기준선으로 두고, 유전자를 넣어 달라진 부분만 집중해 따진다.

① 삽입 유전자와 발현 산물의 특성·성분 조성 — 어떤 유전자를 어디서 가져와 어떻게 넣었는지, 무슨 단백질을 새로 만드는지, 주요 영양성분과 항영양인자·고유 독성물질의 조성이 기존 품종의 범위 안에 있는지를 본다.

② 독성 — 새로 발현된 단백질이나 대사산물이 알려진 독소와 구조가 닮았는지, 동물시험에서 이상이 나타나는지를 확인한다.

③ 알레르기 유발성 — 알려진 알레르겐과 아미노산 서열이 비슷한지, 소화액에서 분해되는지, 열과 산에 견디는지를 본다.

비교 결과 차이가 없으면 기존 식품과 같은 수준으로 안전하다고 보고, 차이가 드러난 항목이 있으면 그 부분만 따로 독성시험 등을 거쳐 확인한다. 자료에 따라서는 영양성(섭취 시 영양적 가치와 체내 대사의 변화)을 따로 세워 네 가지로 적기도 하는데, 항목을 어떻게 묶느냐의 차이일 뿐 검토 내용은 같다. 요구가 3가지이면 위와 같이 묶어 답하면 된다.

우리나라도 유럽연합·일본과 마찬가지로 이 원칙에 따라 안전성 심사를 한다. 예전에는 유전자재조합식품·유전자조작식품 등으로 불렸으나 현재 법령 용어는 유전자변형식품으로 일원화되어 있다.

(1) 오븐라이즈 — 반죽 속이 아직 60 ℃에 이르지 못한 동안 살아 있는 효모가 계속 이산화탄소를 내어 부피가 천천히 커지는 단계(투입 뒤 0~5분)

(2) 오븐스프링 — 열로 효모 활성과 기체 팽창이 한꺼번에 커져 부피가 처음의 1/3가량 급히 부풀어 오르는 단계(투입 뒤 5~8분)

(3) 원인 — ① 반죽 속 기체의 열팽창 ② 효모가 죽기 전까지 이어지는 잔여 발효 ③ 수분과 알코올의 급격한 기화

[해설]

굽기 초기에 반죽이 커지는 힘은 새로 만들어지는 기체와 이미 들어 있던 기체의 팽창에서 나온다. 반죽 온도가 오르는 순서를 따라가면 두 현상이 갈린다.

· 반죽 속 온도가 60 ℃에 이르기 전에는 효모가 아직 살아 있어 발효를 이어 간다. 온도가 오를수록 효소 반응이 빨라져 이산화탄소 발생량도 늘고, 반죽은 서서히 부푼다 — 오븐라이즈다.

· 곧이어 반죽 안의 이산화탄소·수증기·에탄올 증기가 한꺼번에 팽창하면서 부피가 급격히 커진다 — 오븐스프링이다. 이때 늘어나는 부피는 대체로 처음 부피의 3분의 1 정도다.

따라서 두 현상을 만드는 원인은 기체의 열팽창, 효모의 잔여 발효로 생기는 이산화탄소, 수분·알코올의 기화 세 가지로 정리된다(에탄올은 약 79 ℃에서 끓어 증기로 바뀐다).

60 ℃를 넘어서면 효모가 죽어 발효가 멎고(이스트 킬), 전분이 호화하고 글루텐 단백질이 굳으면서 늘어난 부피가 그대로 고정된다. 팽창이 멈추는 것은 기체가 빠져서가 아니라 반죽 구조가 굳어 더 늘어나지 못하기 때문이다.

○ E.I(전자충격 이온화) : 높은 에너지(약 70 eV)의 전자를 시료 분자에 직접 충돌시켜 전자를 떼어 내는 직접·경성 이온화. 단편이온이 많이 생겨 구조 해석에 유리하다.

○ C.I(화학 이온화) : 시약기체를 먼저 이온화하고 그 이온이 시료 분자와 반응하게 하는 간접·연성 이온화. 단편화가 적어 분자량 확인에 유리하다.

[해설]

질량분석은 이온화 → 질량 대 전하비(m/z) 분리 → 검출 순서로 이루어지고, 장치도 이온화부·질량분석부·검출부로 나뉜다. 두 방식은 이 가운데 첫 단계를 어떻게 하느냐의 차이이며, 둘 다 시료를 기체 상태로 넣는다는 점은 같다.

· E.I는 필라멘트에서 나온 전자를 약 70 eV로 가속해 시료 분자에 부딪친다. 분자가 전자 하나를 잃고 분자이온(M^+·)이 되는데, 결합을 끊기에 남을 만큼 에너지가 커서 분자이온이 여러 단편이온으로 쪼개진다. 조각 무늬(fragmentation pattern)가 물질마다 재현성 있게 나오므로 표준 스펙트럼 라이브러리 검색이 가능하고, GC-MS에서 가장 널리 쓰인다. 대신 분자이온이 약하거나 아예 보이지 않아 분자량을 놓칠 수 있다.

· C.I는 이온화실에 메탄·이소부탄·암모니아 같은 시약기체를 많이 넣고 먼저 이온화시킨다. 만들어진 시약이온이 시료 분자와 이온-분자 반응(주로 양성자 전달)을 일으켜 (M+H)⁺ 같은 이온을 만든다. 전달되는 에너지가 작아 단편화가 거의 없고 분자이온 계열이 뚜렷해, 분자량을 확인하는 데 적합하다. 다만 조각 정보가 적어 구조 해석에는 불리하다.

정리하면 구조를 알고 싶으면 E.I, 분자량을 알고 싶으면 C.I이며, 실무에서는 두 방식을 함께 걸어 서로 보완한다.

① 환원형 비타민 C(AA, ascorbic acid)

② 산화형 비타민 C(DHAA, dehydroascorbic acid)

③ 황산($\mathrm{H_2SO_4}$)

[해설]

식품 속 비타민 C는 환원형(AA)과 산화형(DHAA)이 섞여 있고 둘 다 생리활성을 가지므로, 총 비타민 C를 재려면 두 형태를 한쪽으로 모아 한꺼번에 정량해야 한다. 2,4-DNPH 비색법은 발색이 산화형에서만 일어나므로 환원형을 산화형으로 바꾸는 쪽을 택한다.

· 메타인산 추출 — 산성으로 유지해 추출하는 동안 비타민 C가 산화·분해되는 것을 막고, 방해가 되는 단백질을 침전시킨다.

· DCP로 산화 — 추출한 환원형(AA)을 산화형(DHAA)으로 모두 바꾼다. 이로써 원래 있던 DHAA와 합쳐 총량이 된다.

· 2,4-DNPH 반응 — DHAA의 카보닐기와 반응해 적색 오사존을 만든다.

· 황산으로 탈수 — 오사존을 등적색 무수물로 바꾸어 색을 안정시킨다. 이 상태에서 520 nm 흡광도를 재고 표준용액의 검량선과 견주어 함량을 구한다.

비타민 C는 빛·열·산소·금속이온에 약하므로 시험 내내 저온·차광을 유지하고 시료를 빨리 처리해야 한다.

(1) 5대

(2) 4대

[해설]

기계 1대가 하루에 처리할 수 있는 양을 먼저 구하고, 처리해야 할 총량을 그 값으로 나눈다. 가공할 양은 $11\ \mathrm{ton} = 11{,}000\ \mathrm{kg}$이다.

(1) 8시간 가동

· 1대의 배치 횟수 : $\dfrac{8 \times 60\ \mathrm{min}}{40\ \mathrm{min}} = 12\ \text{batch}$

· 1대의 처리량 : $12 \times 200 = 2{,}400\ \mathrm{kg}$

· 필요 대수 : $\dfrac{11{,}000}{2{,}400} = 4.58$ → 5대

(2) 10시간 가동

· 1대의 배치 횟수 : $\dfrac{10 \times 60\ \mathrm{min}}{40\ \mathrm{min}} = 15\ \text{batch}$

· 1대의 처리량 : $15 \times 200 = 3{,}000\ \mathrm{kg}$

· 필요 대수 : $\dfrac{11{,}000}{3{,}000} = 3.67$ → 4대

기계 대수는 정수여야 하고 모자라면 물량을 다 처리하지 못하므로 소수점 이하는 반드시 올린다. 4.58대를 4대로 내리면 8시간에 9,600 kg밖에 처리하지 못해 1,400 kg이 남는다. 가동시간을 8시간에서 10시간으로 늘리면 대수를 하나 줄일 수 있다는 점도 함께 읽어 두면 좋다. 설비 투자와 가동비를 견주는 공장 설계의 기본 계산이다.

① 산화효소 불활성화 — 갈변과 이취·영양성분 손실을 막는다

② 조직 연화 — 뒤이은 충전·성형·건조가 쉬워진다

③ 표면 미생물 감소 — 초기 오염 균수를 낮춘다

[해설]

데치기는 90~100 ℃의 열탕이나 증기로 원료를 짧게(보통 1~5분) 가열한 뒤 곧바로 냉각하는 예비 열처리다. 살균이 목적인 본가열과 달리 효소를 죽이는 것이 첫째 목적이다.

데치기의 목적을 모두 펼치면 다음과 같다. 답안에는 이 가운데 3가지를 들면 된다.

· 효소 불활성화 — 폴리페놀 산화효소(갈변), 퍼옥시데이스·리폭시제네이스(이취·비타민 파괴)를 잡는다. 데치기가 충분했는지는 가장 내열성이 큰 퍼옥시데이스의 활성이 사라졌는지로 확인한다.

· 조직 연화 — 세포막이 손상되고 펙틴이 일부 풀려 부드러워진다.

· 미생물 수 감소 — 표면에 붙은 영양세포가 상당수 죽는다.

· 조직 속 공기 제거에 따른 부피 감소 — 통조림에서는 충전량이 늘고 산소가 빠져 산화와 캔 내면 부식이 줄며, 냉동식품에서는 포장 부피가 준다.

· 박피가 쉬워짐 — 껍질과 과육 사이가 헐거워진다.

· 색 안정 — 세포 사이 공기가 빠지면서 녹색 채소의 색이 오히려 선명해지고, 갈변이 억제된다.

다만 수용성 비타민과 무기질이 데침물로 빠져나가는 손실이 있으므로 시간과 온도를 필요한 만큼만 잡고, 끝나면 즉시 냉수·냉풍으로 식혀 잔열에 의한 과열을 막는다.

(1) 조단백질 함량(%) = 총질소 함량(%) × 질소계수

(2) 밤 — 질소계수는 단백질 100 g에 든 질소의 양(%)의 역수에 100을 곱한 값이므로, 계수가 가장 작은 밤의 단백질이 질소를 가장 많이 품고 있다.

[해설]

킬달법은 시료의 질소를 정량한 다음 여기에 계수를 곱해 단백질 양으로 환산한다. 「식품의 기준 및 규격」(식품공전) 일반시험법의 총질소·조단백질 시험에서도 계산은 다음 꼴이다.

$\text{조단백질}(\%) = \text{총질소}(\%) \times f$

여기서 $f$가 질소계수(단백질 환산계수)다. 단백질 속 질소 비율이 평균 16 %라는 데서 나온 일반 계수가

$f = \dfrac{100}{16} = 6.25$

이며, 식품마다 아미노산 조성이 달라 질소 비율이 다르므로 계수도 따로 정해 쓴다. 곧

$f = \dfrac{100}{\text{단백질 중 질소함량}(\%)} \quad \Rightarrow \quad \text{단백질 중 질소함량}(\%) = \dfrac{100}{f}$

이므로 계수가 작을수록 그 단백질에 든 질소 비율이 높다. 주어진 값을 넣으면

· 쌀 : $\dfrac{100}{5.95} = 16.81\ \%$

· 메밀 : $\dfrac{100}{6.31} = 15.85\ \%$

· 밤 : $\dfrac{100}{5.30} = \mathbf{18.87\ \%}$

세 시료 가운데 단백질 중 질소 비율이 가장 높은 것은 밤이다. 아르지닌·히스티딘·라이신처럼 곁사슬에 질소를 더 가진 아미노산이 많을수록 단백질의 질소 비율이 올라가고, 그만큼 질소계수는 작아진다.

같은 질소량이라도 계수가 다르면 환산되는 단백질 양이 달라지므로, 계수를 곱한다는 점(나누는 것이 아니다)과 시료에 맞는 계수를 쓴다는 점을 함께 기억해 두면 된다.

(1) 액체 식품 : 용기 중심축 위, 바닥에서 전체 높이의 약 1/3 되는 지점 — 열이 대류로 전달되어 데워진 액체가 위로 올라가고 찬 액체가 아래에 머무르므로 냉점이 중심보다 아래로 내려간다.

(2) 고체 식품 : 용기의 기하학적 중심(중심축 위 높이의 1/2 지점) — 열이 전도로만 전달되어 바깥 면에서 안쪽으로 고르게 들어가므로 가장 먼 중심이 마지막에 데워진다.

[해설]

살균 조건은 용기 안에서 가장 늦게 데워지는 점을 기준으로 정한다. 그 점이 목표 온도·시간을 채워야 나머지 부분은 이미 충분히 가열된 셈이기 때문이다. 그래서 냉점의 위치는 열이 어떤 방식으로 전달되는지에 따라 갈린다.

· 액체 식품(주스·수프처럼 점도가 낮은 것)은 대류가 지배한다. 벽에서 데워진 액체는 가벼워져 올라가고 찬 액체는 가라앉아 순환이 생기므로, 온도가 가장 낮게 남는 부분이 아래쪽으로 밀린다. 실측상 그 지점은 바닥에서 전체 높이의 약 1/3이다.

· 고체 식품(육류·어육 연제품처럼 유동이 없는 것)은 전도만 일어난다. 열이 표면에서 안으로 차례로 옮겨 가므로 모든 면에서 가장 먼 기하학적 중심, 곧 높이의 1/2 되는 중심축 위 점이 냉점이 된다.

고형물과 액체가 함께 든 식품(고형분이 든 통조림)은 두 방식이 섞이므로 냉점이 중심과 1/3 지점 사이에 놓이며, 회전 살균기처럼 용기를 돌려 강제로 대류를 일으키면 냉점의 온도가 빨리 올라 살균 시간을 줄일 수 있다.

150.28

[해설]

이론단수 $N$은 칼럼의 분리 능력을 나타내는 값으로, 봉우리가 좁고 날카로울수록(같은 머무름시간이면 너비가 작을수록) 커진다. 봉우리를 가우스형으로 볼 때 반높이 너비 $W_{1/2}$로 구하는 식은 다음과 같다.

$N = 5.54\left(\dfrac{t_R}{W_{1/2}}\right)^{2}$

주어진 값을 대입하면

$N = 5.54 \times \left(\dfrac{12.5}{2.4}\right)^{2} = 5.54 \times 27.13 = \mathbf{150.28}$

계수 5.54는 $8\ln 2$에서 나온 값이고, 봉우리 바닥 너비 $W$를 쓰는 경우에는 $N = 16\left(\dfrac{t_R}{W}\right)^{2}$가 된다. 이론단수는 무차원이므로 머무름시간과 너비의 단위를 반드시 같게 맞춰 넣어야 한다(일부 교재에 반높이 너비가 초 단위로 실려 있으나, 머무름시간이 분이므로 분으로 읽어야 한다). 칼럼 길이 $L$을 이론단수로 나눈 $\mathrm{HETP} = \dfrac{L}{N}$은 이론단 하나의 높이로, 작을수록 성능이 좋다.

pH가 낮을수록 보존료가 전하를 띠지 않는 비해리형(HA)으로 존재하는 비율이 커지고, 비해리형은 지용성이어서 미생물의 세포막을 쉽게 통과해 세포 안에서 정균·살균 작용을 하기 때문이다.

[해설]

소르빈산·안식향산·프로피온산 같은 산형 보존료는 약산이므로 용액 속에서 다음 평형을 이룬다.

$\mathrm{HA} \rightleftharpoons \mathrm{H^+} + \mathrm{A^-}$

수소이온이 많아지면(pH 하강) 평형이 왼쪽으로 밀려 비해리형 HA가 늘고, 반대로 pH가 높으면 해리형 A^-가 늘어난다. 두 형태의 비는 다음과 같다.

$\dfrac{[\mathrm{A^-}]}{[\mathrm{HA}]} = 10^{\,\mathrm{pH}-\mathrm{p}K_a}$

· 해리형 A^-는 음전하를 띠어 인지질 이중층을 통과하지 못한다.

· 비해리형 HA는 전하가 없고 지용성이라 세포막을 그대로 통과한다. 세포 안은 바깥보다 pH가 높으므로 들어간 HA가 해리해 H⁺를 내놓고, 세포질 pH를 떨어뜨려 효소 활성과 물질 수송을 방해한다. 이것이 정균 작용이다.

그래서 산형 보존료는 pH가 낮은 식품일수록 적은 양으로 효과를 낸다. 산도가 낮은(pH가 높은) 식품에서는 대부분이 해리형으로 존재해 효과가 떨어지므로, 산도조절제를 함께 써서 pH를 낮추거나 다른 계열의 보존료를 쓴다.