발색제의 기능과 기작 그리고 오해들

인간이 가장 오랫동안 사용한 식품첨가물중 하나인 "발색제"에 대한 이야기 입니다.

 

 발색제(color retention agent, color fixative)는 식품의 색을 유지, 안정화 또는 강화시키는 식품첨가물로 아질산염과 질산염이 있다. 질산염은 아질산염으로 환원된 뒤 발색 작용을 한다. 신선한 육류는 일반적으로 선명한 붉은색을 띤다. 하지만 시간이 지나며 적갈색을 거쳐 갈색이 된다. 갈변된 육류는 상품의 가치가 떨어지므로 발색제를 사용하여 변색을 방지한다. 우리나라에서 사용이 허가된 아질산염에는 아질산나트륨이 있고 질산염에는 질산나트륨 및 질산칼륨이 있다. 질산이온은 체내에서 아질산이온으로 환원된다. 우리나라에서 사용이 허가된 모든 발색제는 일본, 미국, EU 및 Codex에도 지정이 되어 있다. 우리나라의 기준은 타 국가들보다 엄격한 편으로 미국, EU 및 Codex에 지정되어 있는 아질산칼륨은 우리나라에는 지정되어 있지 않다. 이 3가지 품목은 명칭과 용도를 함께 표시해 주어야 한다. 발색용은 발색제로, 보존용은 보존료로 표시해야 한다.

 질산염은 육류의 숙성과 보존을 위하여 수백 년 동안 사용되었다. 서양에서는 오래전부터 육류 염지(curing)를 하였다. 이때 초석 (saltpeter)을 사용하였고, 이 초석에 질산염이 함유되어 있어 육류의 색을 보존할 수 있다. 육류의 선홍색은 헤모글로빈(hemoglobin)이나 미오글로빈(myoglobin) 때문에 나타난다. 이 색소가 산화되면 메트헤모글로빈(methemoglobin) 또는 메트 미오글로빈(metmyoglobin) 이 되어 갈색으로 변한다. 이때 아질산(HNO2)이 분해되어 생성된 산화질소(NO, nitric oxide)가 헤모글로빈이나 미오글로빈과 결합하여 나이트로소헤모글로빈(nitrosohemoglobin) 또는 나이트로소미오글로빈(nitrosomyoglobin)을 생성하여 선홍색이 유지된다.

 아질산염은 육가공 제품의 선홍색을 유지시켜 주는 발색제 작용 외에 여러 작용을 한다. 식중독균인 클로스트리듐 보툴리늄(Clostridium botulinum) 균의 생육을 억제하여 보존제로서 역할을 하며 , 산화를 방지하여 지방 산패를 지연시켜 풍미를 좋게 하고, 지방질 산화를 억제하는 작용도 가지고 있다. 아질산염은 아미노산 등 2급 아민과 산성 조건에서 가열에 의해 나이트로사민(nitrosamine)을 생성한다. 이때 생성되는 나이트로사민이 발암성이 있다고 하지만 증거가 충분하지 않다. 나이트로사민은 국제암연구소 발암물질 분류 등급에 따르면 그룹 2B(인체 발암성에 대한 중거가 제한적이고 동물 발암성에 대한 중거도 불충분한 경우)에 속하여 있다. 또한 실제로 섭취된 아질산이 나이트로사민으로 전환되는 비율은 아주 낮은 것으로 연구 및 보고되고 있다. 또한 비타민C나 에리토브산등의 산화방지제를 첨가하여 나이트로사민의 생성을 억제 및 방지할 수 있다. 현재 아질산염을 대체할 수 있는 식품첨가물은 없다. 아질산염은 맹독의 독성물질을 생성하는 보툴리눔균으로 부터 발생하는 보툴리누스 중독(botulism)에 의한 식중독의 위험성을 줄이는 가장 효과적인 물질이며 그 이득이 매우 크다. 때문에 나이트로사민에 의한 위험성보다 사용을 통한 안전성 확보가 훨씬 크기 때문에 위해와 이익의 균형(risk-benefitbalance)에 의해 계속 사용한다.

 2005년도 우리나라의 아질산염 섭취량 조사 결과 ADI에 훨씬 못 미치게(ADI의 6.77%) 섭취하고 있어 우려할 수준은 아니다. 채소류에는 질산이 많이 들어 있고, 섭취한 질산은 체내에서 아질산으로 전환된다. 미국 성인의 경우 식품첨가물에서 유래하는 아질산염의 비율은 전체 노출량의 3%뿐이다. 나이트로사민은 생체 내(위 등)에서 생성되는 내인성 나이트로사민이 외인성보다 10배 이상 많다. 아질산염은 과채류, 질산염이나 아질산염에 오염된 물, 아질산염이 첨가된 육가공품 둥에 의해 노출된다. 이 중 노출의 90% 이상이 채소류를 통한 노출이다.

 

아질산염의 작용기작

 

 아질산염은 산성 pH에서 세균 억제에 효과적이다. pH가 7.0에서 6.0으로 환경이 변하면 클로스트리듐 보툴리늄에 대한 보존 효과가 10배 증가한다. 또한 아질산염은 혐기 조건에 서 더효과가 크다. 또한 환원제로도 첨가해주는 비타민C와 에리토브산은 클로스트리듐 보툴리늄의 생육 억제 효과를 증진시킨다. 아질산염은 클로스트리듐 보툴리늄 외에도 다른 미생물의 생육을 억제할 수 있다. 아질산염 200 ppm 농도에서 클로스트리듐 퍼프린젠스(C. perfringens)와 리스테리아 모노사이토 제네스(Listeria monocytogenes)의 생육을 억제하는 연구결과가 있다. 반면 살모넬라(Salmonella)나 대장균(E. coli)은 아질산염 400 ppm 농도에서도 생육하였다. 아질산염은 세포호흡에 관련된 효소의 활성을 불활성화 하여 생육억제 효과를 가진다. 아질산염은 사이토크롬 산화효소(cytochrome oxidase)의 제1 철(ferrous iron)을 제2 철(ferric iron) 형태로 산화시켜 능동 수송(active transport)과 산소 흡수(oxygen uptake)를 억제한다. 또한, 아질산염 으로부터 생성된 산화질소에 의해 전자 전달계 효소(pyruvate decarboxylase) 활성이 억제되어 미생물의 생육이 억제된다. 아질산염이 호기성 세균을 억제할 때는 사이토크롬 산화효소의 헴철(heme iron)에 결합한다.

 

아질산염을 사용하는 식품

 아질산염은 대부분의 육가공품에 사용되며 아질산염이 들어 있는 대표적인 육가공품으로 베이컨, 볼로냐소시지 (bologna sausage), 프랑크푸르트 소시지 (frankfurter sausage), 런천미트(luncheon meats), 발효소시지(fermented sausage)가 있다. 더불어 어류 및 가금제품(fish and poultry products)에도 사용된다. 질산나트륨은 유럽 치즈에서 클로스트리듐 타이로뷰티리쿰(C. tyrobutyricum) 또는 클로스트리듐 뷰티리쿰(C.buryricum )등의 균의 오염을 방지하기 위해 사용된다. 다량의 아질산염을 섭취하면 메트헤모글로빈이 생성되어 산소 운반 능력을 저하시키지만 소량 섭취 시에는 메트헤모글로빈 환원효소에 의하여 헤모글로빈이 되어 정상 기능을 회복할 수 있다. 영아는 메트헤모글로빈 환원효소가 부족하여 산소 운반능력이 떨어지고 청색증에 걸릴 수 있어 아질산염 은 3개월 미 만의 영아에게는 사용할 수 없다. 독성 관련 이슈로 아질산염이 직접적으로 암과 연관성이 있다는 연구가 보고되었다. 미국 FDA는 이에 대해 아질산염이 종양을 유발한다는 아무런 중거도 없다고 발표하였다. 또한, 채소, 과일 및 콩 등에 들어 있는 식물성 색소의 발색제로 황산 제일철, 황산동, 황산알루미늄 칼륨 및 황산알루미늄 암모늄이 사용된다.