식품미생물학 3강 미생물의 생육과 생육에 영향을 미치는 요인 I
1. 미생물의 영양원과 에너지원
영양원
: 에너지 생산 , 세포 구성성분 생합성에 필요한 물질
: 대량영양원 → 많은 양이 요구 : 미량영양원 → 극소량만 필요
미생물 증식에 필요한 세포 구성원소 : 대량원소 (macro element)
→ 탄소 (C), 질소 (N), 수소 (H), 산소 (O), 인 (P), 황 (S),
칼륨 (K), 칼슘 (Ca), 마그네슘 (Mg), 철 (Fe)
: 미량원소 (trace element)
→ 망간 (Mn), 아연 (Zn), 코발트 (Co), 몰리브데넘 (Mo), 니켈 (Ni), 구리 (Cu)
탄소 , 수소 , 산소 , 질소 , 황 , 인
: 탄수화물 , 지질 , 단백질 , 핵산의 구성성분 칼륨 : 효소활성
칼슘 : 내생포자의 내열성
마그네슘 : 효소의 조효소 , 리보솜 , 세포막의 안정화
철 : 사이토크롬 (cytochrome) 구성성분 , 조효소의 원소
미량원소 : 주로 생체반응 촉매 , 단백질 구조 유지 ( 안정화 )
1 탄소원
미생물 배지의 주요한 유기물
호흡 , 발효대사 과정을 통해 에너지 방출
독립영양생물 : 공기 중 이산화탄소 이용 , 무기물 산화작용으로 에너 지 얻어 포도당 합성
종속영양생물 : 유기분자를 탄소원으로 이용 미생물이 어떠한 탄소원을 이용하려면
① 이용하려는 탄소원이 세포막 통과
② 세포 내 물질을 필수 대사 중간물질로 변화시키는 효소 존재
③ 유도 효소가 필요할 때 균을 미리 그 물질에 적응
2 질소원
건조 세포의 12% ( 탄소 다음으로 많은 세포 구성성분 ) 단백질 , 핵산 , 세포의 구성성분
자연 상태의 질소는 유기물과 무기물의 두 가지 형태
: 이용할 수 있는 질소 성분은 유기물 형태
( 암모니아 (NH 3 ), 질산염 (NO 3- ))
미생물에 의한 질소 화합물 동화과정
: 암모늄 이온 (ammonium ion, NH 4+ ), 질산염
아미노산(amino acid) → 펩타이드(peptide) → 단백질
뉴클레오타이드(nucleotide) → 핵산 (nucleic acid: RNA, DNA)
3 무기염류
세포성분 , 조효소의 보조인자 , 세포 내 삼투압 조절 , 완충작용 황 (S)
: 황산염 (SO 42- ) 과 같은 산화 형태의 무기물을 흡수하여
생체 내에서 환원
: 황이 포함된 유기화합물 이용
: 아미노산 ( 시스테인 (cystein), 시스틴 (cystine), 메티오닌 (methionine) 등 ),
비타민 ( 바이오틴 (biotin), 티아민 (thiamine) ) 의 구성성분
인 (P)
: 생체 에너지 생성에 필수적인 인자
: 인화합물인 무기인이나 인산염 (PO 43- ) 형태로 흡수하여 이용
: 핵산과 인지질의 합성
: 아데노신삼인산 (ATP), 아데노신이인산 (ADP),
니코틴아마이드 아데닌 다이뉴클레오타이드 (NAD) 와 같은 조효소의 구성성분
3 무기염류
칼륨 (K)
: 단백질 합성에 관여하는 효소의 활성화를 위해 필요 : 균체 내 삼투압 , pH 조절
칼슘 (Ca)
:내생 포자의 내열성에 영향 : 유기산 중화
: 일부 효소의 활성화에 기여
3 무기염류
마그네슘 (Mg)
: 리보솜 , 세포막 , 핵산 등을 안정화
: 인산 전이효소의 보조인자 (cofactor) 로서 작용 : 엽록소의 구성성분
나트륨 (Na)
: 주로 해수미생물에게 내염성의 조절인자
철 (Fe)
: 호흡계에 작용하는 사이토크롬 (cytochrome), 카탈레이스 (catalase),
퍼옥 시데이스 (peroxidase) 등의 구성성분
: 연속적인 산화·환원 반응체계인 전자전달계에 필요한 성분
3 무기염류 - 미량영양소
망간 (Mn)
: 여 러 효소 활성에 관 여
아연 (Zn)
: 단백질 분해효소 등 효소의 구성성분
코발트 (Co)
: 시아노코발라민 (cyanocobalamine) 인 비타민 B 12 생성에 필요 몰리브데넘 (Mo)
: 초산염환원과 질소고정에 관여하는 효소의 보조인자
구리 (Cu)
: 산화·환원효소의 구성성분
4 생장인자 : 비타민 , 아미노산 , 푸린 , 피리미딘
세포구성에 필요한 유기화합물 일부 개체들에서 미량만 요구
주로 비타민 (vitamin), 아미노산 (amino acid), 푸린 (purine), 피리미딘 (pyrimidine) 이 해당
스스로 합성 가능한 능력을 갖고 있는 미생물도 있지만 , 환경으로부터 영양분으로 공급해 주어야 함
5 독립영양균과 종속영양균
독립영양균 ( 자력영양균 , 광영양균 , 화학무기영양균 ) : 스스로 에너지를 생산할 수 있음
광합성균
: 광합성색소를 가지고 있음
: 태양에너지를 이용하여 ATP 를 합성하는 균
화학합성균
: 특정 무기물을 산화하여 에너지 획득
: 황세균 (sulfur bacteria), 철세균 (iron bacteria),
수소세균 (hydrogen bacteria), 질화세균 (nitrifying bacteria)
: 주로 원핵세포를 지닌 세균과 고세균에서 볼 수 있음
5 독립영양균과 종속영양균
종속영양균 ( 유기물영양균 , 화학유기영양균 ) : 스스로 에너지를 생산하지 못함
질소고정균
: 공기 중 질소인 무기질소를 이용하여 생육
: 아조토박터속 , 클로스트리듐속 , 근류균 ( Rhizobium ) 속 영양요구성이 무난한 균
: 탄소원 , 질소원 등 영양성분 공급 . 비타민 등 일부 생육인자 스스로 합성 : 대장균 ( Escherichia coli )
영양요구성이 까다로운 균
: 비타민과 아미노산 등 모든 영양분이 공급되어야 생육 : 유산균 (lactic acid bacteria)
2. 미생물의 생육에 영향을 미치는 인자
미생물 생육 요인
내적 요인 ( 내인성 인자 )
수분활성도 pH
삼투압
산화 - 환원전위
항균물질
미생물의 공존 및 길항작용 영양성분
용존산소량
외적 요인 ( 외인성 인자 )
온도
대기 기체 조성
상대습도
광선 ( 채광 )
2. 미생물의 생육에 영향을 미치는 인자
1 내적 요인
(1) 수분활성도
① 수분활성도 (A W ) 의 정의
미생물이 이용할 수 있는 물의 양
임의의 온도에서 그 식품이 갖는 수증기압 (P) 에 대한 그 온도에서 순수한 물이
갖는 최대 수증기압 (P 0 ) 의 비 평형상대습도를 100 으로 나눈 값
① 수분활성도 (A W ) 의 정의 순수한 물의 수분활성도 : 1
식품의 수분활성도 : 0 에서 1 사이
(∵ 식품에 존재하는 물은 얼음과 같은 결정형태 or 소금 , 설탕 등의 극성 성분과 전기화학적 결합
⇒ 평형상태를 유지하기 위한 식품의 수증기압이 감소하여
수분활성도 값이 낮아짐 )
수분활성도를 낮추어 미생물의 생육을 억제하는 가공법 : 건조 , 농축 , 염장 , 당절임 , 냉동
미생물에 따른 최소 생육 수분활성도
세균＞효모＞곰팡이＞호염성 세균＞내건성 곰팡이＞내삼투압성 효모
2. 미생물의 생육에 영향을 미치는 인자
1 내적 요인
(2) pH
미생물 생육에 영향을 미치는 주요한 요인 세균 : 최저 pH 4.0~4.5 ( 최적 pH 6.5~7.2)
효모 : pH 4.0~8.5 ( 최적 pH 4.0~4.5) 곰팡이 : pH 2.0~9.0 ( 최적 pH 3.0~3.5)
중성 pH 식품 ( 우유 , 육류 ) 에서는 세균에 의한 부패 발생
산성 pH 식품 ( 과일주스 ) 에서는 효모나 곰팡이에 의한 부패 발생
산성 미생물 (acidophile): pH 0~5.5 에서 생육하는 미생물 중성 미생물 (neutrophile): pH 5.5~8.0 에서 알칼리성 미생물 (alkalophile): pH 8.5~11.5 에서
극알칼리성 미생물 (extreme alkalophile): pH 10 이상에서 일부 세균은 낮은 pH 에 내성을 가지고 있어 산성 식품에서도 생육
[ex. 유산간균 ( Lactobacillus 속 ), 초산균 ( Acetobacter 속 )]
(3) 삼투압
대부분 미생물은 저삼투압 상태에서 증식
호삼투압균 (osmophile) : 높은 삼투압에서도 잘 자라는 균
호당미생물 (saccharophile)
: 설탕 농도 50% 이상의 고농도에서 생육할 수 있는 미생물 .
[ex. 쉬조사카로마이세스 ( Schizosaccharomyces ) 속 , 아스퍼질러스 글라우커스 ( Aspergillus glaucus )]
호염미생물 (halophile)
: 소금 농도 15% 이상의 환경에서 생육하는 미생물 .
[ex. 할로박테륨 ( Halobacterium ) 속 , 할로코커스 ( Halococcus ) 속 ]
생육을 위한 최적 염분 농도에 따라서 : 비호염균 (nonhalophile), 저도호염균 (slight halophile),
중도호염균 (moderate halophile), 고도호염균 (extreme halophile)
소금에 대한 내성 : 곰팡이 > 효모 > 세균
(4) 식품 내 항균물질
자연유래 항균물질
: 달걀의 라이소자임 (lysozyme)
: 녹차 , 허브 등의 폴리페놀 (polyphenol) : 겨자 등에 있는 티오시안산염 (thiocyanate) 인위적 항균물질 : 살균 소독제
: 식품보존제 ( 방부제 ) : 항생제
(5) 공존 미생물
대부분 식품에는 여러 미생물이 존재
식품 내 영양분이나 산소와 같은
생육에 필요한 물질을 경쟁적으로 사용
특정 미생물이 생육하면서 배출하는 대사산물이 다른 미생물의 생육을 억제하거나 도와주는 작용
2 외적 요인
(1) 온도
미생물 생육에 영향을 미치는 주된 요인
미생물은 일정한 온도범위에서만 생육이나 증식이 가능 최적 생육온도에 따라 : 호냉균 ,
저온균 , 중온균 , 고온균
대부분 미생물은 저온에서 생육 저해 ⇒ 저온 ( 냉동 , 냉장 ) 에 식품 저장 ⇒ 식품의 저장성과 안전성 향상
저온균 (ex. 리스테리아 ) 은 냉장온도에서도 생육가능
고온균은 가열처리를 거친 통조림에서도 살아남아 식품을 부패
(2) 대기 기체 조성
산소요구도에 따라
편성호기성균 (obligate aerobes)
: 반드시 산소를 필요로 하는 미생물
[ 대부분의 곰팡이 , 조류 , 슈도모나스 ( Pseudomonas ), 초산균 ( Acetobacter )]
미호기성균 (microaerophiles)
: 생육을 위하여 반드시 산소가 있어야 하지만 높은 농도의 산소 (20%) 환경에서는 자랄 수 없고 ,
2~10% 정도의 산소 농도에서만 생육 가능한 미생물 [ 캄필로박터 ( Campylobacter ) 속 , 헬리코박터 파일로리 ( Helicobacter pylori )]
정리하기
미생물의 영양원으로는 탄소원, 질소원, 무기염류와 비타민, 아미노산, 푸린, 피리미딘 등의 생장인자가 있다. 미생물이 에너지를 획득하는 방식에 따라 스스로 에너지를 생산할 수 있는 독립영양균과 스스로 에너지를 생산하지 못하는 종속영양균으로 분류된다.
미생물의 생육에 영향을 미치는 인자로는 내적 요인인 수분활성도, pH, 삼투압, 항균물질, 공존 미생물 등과, 외적 요인인 온도, 대기 기체 조성, 상대습도, 광선 등이 있다.
수분활성도란 미생물이 이용할 수 있는 물의 양으로서 임의의 온도에서 그 식품이 갖는 수증기압(P)에 대한 그 온도에서 순수한 물이 갖는 최대 수증기압(P0)의 비로 나타낸다.
산소는 미생물 생육의 큰 영향을 미치는 환경인자로 미생물의 산소요구도에 따라 산소가 존재하는 환경에서 증식하는 편성호기성균과 산소가 있으면 증식하지 않는 편성혐기성균이 있으며, 산소 유무와 상관없이 증식하는 통성혐기성균, 생육을 위하여 반드시 산소가 있어야 하지만 높은 농도의 산소 환경에서는 자랄 수 없고 2-10% 정도 산소 농도에서만 생육 가능한 미호기성균이 있다.
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