우유 미생물학(Milk microbiology)

1. 낙농미생물학

우유가 건강한 젖소의 유선(mammary glands)에서 합성될 때에는 거의 무균 상태이다. 젖소는 인간처럼 천연의 세균 저장처로서, 이러한 세균의 대부분은 인간에게 피해를 주지

않는다. 그러나 소에게는 아무런 영향도 주지 않으면서 건강하게 보일 수도 있지만 일부

세균은 인체에 해로운 작용을 하게 된다.

우유는 착유 도중이나 이후에 세균에 오염되기도 한다. 젖소와 인간의 유선은 세균 감염에

의해서 유방염(mastitis)이라고 하는 염증이 발생하게 된다. 유방염에 감염되면 유방과 우유

중에 다량의 세균이 존재하게 된다. 질병을 유발시키는 미생물인 병원성 세균은 소의 분변을

통해서 전파되어 유방과 유두의 외곽, 침구 등의 농장 환경 및 착유기 등을 오염시키게 된다.

이러한 세균의 최적 성장 조건은 각기 다르다. 우유에는 포유류의 성장에 중요한 영양성분이

함유되어 있기 때문에, 우유는 또한 많은 다른 세균의 성장을 위한 이상적인 생육배지이기도

하다. 온도는 세균의 성장에 중요한 역할을 한다. 대부분의 세균이 체온에서 성장하는 것을

선호하지만, 냉장온도 등의 낮은 온도에서도 느린 속도로 성장하게 된다.

낙농미생물학 분야는 거대하고 다양하다. 유제품 중의 세균은 질병이나 변패의 원인이 될 수

있다. 일부 유산균은 발효유와 치즈 등의 제품을 생산하는 발효를 위해서 특별히 우유에

첨가되기도 한다. 인체 건강에 대한 중요성 때문에 병원성 세균에 대한 논의가 활발하게

진행되고 있다.

우유 유래의 병원성 세균에 의한 인체 질병은 일반적으로 원유 또는 신선 치즈처럼 원유로

만든 제품의 소비와 연계되어 있다. 지난 20 년 동안 유제품의 소비로 인한 식인성 질환은

주로 Salmonella enterica, Listeria monocytogenes, Campylobacter jejuni, 그리고

E. coli O157 과 연관되었다. 이들 세균은 E. coli O157:H7 분석을 위한 유조차 시료에서

미국 온타리오와 캐나다에서 0.87%, 위스콘신에서는 10%가 분리되었다.

위생적인 착유 조건 하에서 건강한 젖소에서 생산된 우유일지라도 병원성 세균에 오염될

위험성이 있기 때문에 우유를 소비하기 이전에 살균하여 병원성 세균을 사멸시키면 위해 1

미생물의 오염으로 인한 질병을 예방할 수 있다. 때로는 인간의 질병이 살균 유제품과

연계되기도 하지만 이러한 경우는 대개 살균 이후의 환경적인 제품 오염이나 부적절한

살균의 결과라고 할 수 있다.

2. 원유 및 살균유의 미생물 기준

뉴욕 주의 우유 기준인 New York Ag and Markets(2006)은 FDA 의 살균유 조례

(Pasteurized Milk Ordinance, PMO, 2009)에 정의된 기준을 기반으로 하고 있다. 유제품에 대한 규정은 미국의 주마다 다양하며 일부 주에서는 다른 기준을 가지고 있다.

종류 검사항목 최대 허용량

1 등급 우유용

예비 살균유

총균수100,000/ml 이하(단일 목장유)

300,000/ml 이하(혼합유)

체세포수 750,000/ml 이하

항생제 불검출

1 등급 살균유총균수 20,000/ml

대장균군(Coliforms) 10/ml 이하

원유

총균수 30,000/ml

체세포수 750,000/ml 이하

항생제 불검출

3. 원유 및 살균유의 미생물 검사

1) 세균수 계측

총균수는 32℃에서 48 시간 동안 배양한 표준한천배지(Standard Methods Agar)에서

생육하여 계수 가능한 집락을 형성한 시료 중에 존재하는 세균의 숫자이다.

2) 대장균군(Coliform) 계수

대장균군 균수는 32℃에서 24 시간 동안 배양한 Violet Red Bile Agar 에서 성장하여 계수

가능한 독특한 집락을 형성한 시료 중의 집락수이다. 대장균군은 일반적으로 분변이나

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환경으로부터 오염된 식품에만 존재한다.

3) 체세포수(Somatic cell count)

체세포는 감염에 대항하는 혈액 세포로서 우유 중에 자연적으로 존재한다. 유선의 감염으로

인하여 유방염이 발생하면 체세포수가 증가한다. 체세포수는 직접적인 현미경 검사나

체세포를 계측할 수 있도록 설계된 전자기기를 이용하여 계측한다.

4. 우유 중의 관심 미생물

우유 중에 존재하는 주요 미생물의 질병 특성 및 세부적인 내용은 아래와 같다.

세균 종류 질병 및 증상 유발원

C. jejuni 장염(gastroenteritis) - 설사, 복통, 발열 장관 및 분변

C. burnetii Q 열(Q fever) - 오한, 발열, 허약, 두통, 심내막염(endocarditis)

감염된 소, 양, 염소

E. coli O157:H7 장염 - 용혈성 요독 증후군(hemolytic uremic syndrome, HUS), 설사, 복통, 혈류성 설사, 신장 장애, 사망

장관 및 분변

L. monocytogenes리스테리아증(listeriosis) - 유사감기 증상, 유산, 사산, 태아 사망, 자발적 유산

물, 토양, 환경

M. bovis or M. tuberculosis 결핵(tuberculosis) - 폐 질환 감염 동물

M. paratuberculosis 요네병(Johne's disease) - 인간의 크론병

(Crohn's disease)과의 연계는 미확인감염 동물

Salmonella spp. 장염(gastroenteritis) - 장티프스성 발열

(typhoid fever), 설사, 멀미, 발열분변 및 환경

Y. enterocolitica 장염(gastroenteritis) - 설사, 맹장염 환경, 물, 감염 동물

1) 브루셀라균(Brucella spp.)

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브루셀라균은 소, 양, 염소 등 대부분의 동물에서 발견되는데, 살균에 의해서 사멸된다. 브루셀라균은 독감과 유사한 증상을 야기시키는데, 여기에는 발열, 발한, 두통, 요통과

신체적 약화 등이 포함된다. 어떤 경우에는 장기적인 발열, 관절통과 피로 증상이 발생하기도

한다.

2) Campylobacter jejuni

C. jejuni 는 소, 가금류 및 야생조류의 장관, 유방, 배설물 및 오염된 식수원에서 발견되는데, 살균에 의해서 사멸된다. C. jejuni 는 미국에서 설사성 질환을 야기시키는 가장 흔한 세균성

원인 중의 하나이다. 이러한 질병은 산발적으로 발생하며 종종 대규모 발병 및 확산도

가능하다. C. jejuni 는 일반적으로 노출 후 2~5 일째에 질병을 일으키며 전형적으로 5~10일동안 지속된다. 캄필로박터증(campylobacteriosis)의 증상에는 설사, 혈류성 설사, 복통, 경련, 멀미, 구토 및 발열 등이 있다. 캄필로박터증 환자는 일반적으로 체액 및 전해질 교체

이외의 특별한 치료 없이도 회복이 가능하다.

면역체계가 손상된 일부 사람의 경우에는 C. jejuni 감염이 Guillan-Barré 증후군 및 Reiter 증후군 등의 더욱 심각한 질병으로 이어질 수 있다. Guillan-Barré 증후군은 일시적으로

신경근육을 마비시키는 질병으로서 감염의 20%는 장기적인 장애를 야기시키며 사망에 이를

수도 있다. Reiter 증후군은 활동성 관절염으로서 복합 관절, 특히 무릎 관절에 영향을

미치게 된다. C. jejuni 의 발생은 매우 광범위하다. C. jejuni 는 미국 여러 주의 원유

시료에서 발견되었는데 이는 C. jejuni 가 도처에 동시적으로 존재하는 미생물이라는 것을

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추정할 수 있게 한다. 이러한 연구 결과, 0.4~12.3%의 우유 저장고에서 C. jejuni 가

발견되었다.

3) Coxiella burnetii

C. burnetii 는 전세계적으로 대부분의 동물에서 발견되며 우유 및 소, 염소, 양의 소변 및

배설물에 분포되어 있다. C. burnetii 는 내열성이 가장 강한 포자 비형성 병원성 세균으로서

우유 중에서 발견되기 때문에 이들 세균을 사멸시키기 위해서 특별히 설계된 우유

살균조건이 설정되어 있다.

C. burnetii 는 Q 열(Q fever)을 야기시키는데, 갑작스런 고열, 심한 두통, 멀미, 구토, 설사, 복통, 가슴 통증, 오한, 발한, 인후염, 기침, 그리고 불안감 등의 증상을 특징으로 하는 질병을

일으킨다. 고열은 1~2 주 동안 지속되기도 한다. C. burnetii 는 사망을 초래할 수도 있지만

대부분의 환자는 특별한 치료 없이도 회복이 가능하다. 2001~2003 년 시행된 미국 북동부, 중서부와 서부 지역의 원유 시료에서 C. burnetii 가 94% 이상 검출되었다.

4) 대장균(E. coli O157:H7)

대장균은 분변 중의 대장균군(coliforms)으로 간주된다. 대부분의 대장균은 질병을

야기시키지 않으며 건강한 인간과 동물의 장관에 생존하고 있다. 대장균은 소의 장관과

분변에서 발견되는데, 살균에 의해서 사멸된다. 대장균은 인체 질병의 원인이 되는 독소를

생성한다. 5

질병의 증상에는 혈류성 설사와 복부 경련이 포함된다. 특히 어린아이의 경우에는 대장균

감염이 용혈성 요독 증후군(hemolytic uremic syndrome)을 유발시켜 적혈구 파괴, 신장의 손상, 피로 등을 야기시키며 때로는 사망에 이르기도 한다. E. coli O157:H7 과 시가

독소(Shiga toxin)를 생성하는 대장균의 발생이 미국 일부 지역의 원유 저장고 시료에서

보고되었다. E. coli O157:H7 은 원유 저장고 시료의 0.87~10% 수준으로 발견되었다.

5) Listeria monocytogenes

L. monocytogenes 는 토양과 물에서 발견되며 다양한 환경 자원으로부터 분리된다. L.

monocytogenes 는 살균에 의해서 사멸되지만 살균 후 식품이 오염되는 경우에는 냉장

온도에서도 성장할 수 있다. 이로 인한 질병은 산발적 사건으로 일어날 수 있지만 대규모

발발도 가능하다. L. monocytogenes 는 일반적으로 임산부, 신생아, 노인, 면역체계가

손상된 환자의 질병을 초래하지만 건강한 어른과 아이도 감염될 수 있다.

리스테리아증(listeriosis)의 증상에는 독감과 유사한 증상, 발열, 근육통, 목 경직, 두통, 패혈증, 수막염, 유산, 사산, 조산, 기형 또는 사망 등이 포함된다. 미국에서 수행된 실험

결과, 원유 저장고의 12% 이상의 시료에서 L. monocytogenes 가 발견되었다.

6) Mycobacterium bovis 와 Mycobacterium tuberculosis

M. bovis 와 M. tuberculosis 는 전세계적으로 감염된 가축에서 발견되는데, 이들 미생물은

모두 살균에 의해서 사멸된다. M. bovis 와 M. tuberculosis 는 결핵 및 폐 질환을 6

야기시킨다. 역사적으로 우유가 결핵의 일반적인 근원이라고 알려져 있지만 오늘날

미국에서 결핵은 거의 발병되지 않고 있다. 결핵은 세계적으로 많은 지역에서 관심을 가지고

있는 질병이다. M. paratuberculosis 는 소의 요네병(Johne’s disease)을 일으키는데, M.

paratuberculosis 는 인체 장 질환인 크론병(Crohn’s disease)과 연관되어 있는 것으로

추정되지만 입증되지 않고 있다.

7) 살모넬라균(Salmonella spp.)

살모넬라균은 인체에 질병을 야기시키는 원인이 되는 몇 가지 균주를 포함하고 있는데, 가장

일반적인 혈청형은 S. enteriditis 및 S. typhimurium 이다. 살모넬라균은 인간을 포함한

모든 온혈동물의 장관에서 발견되는데, 살균에 의해서 사멸된다. 살모넬라균은 노출 12~72시간 이후에 전개되는 질병을 유발시키며, 4~7 일동안 지속된다.

살모넬라증(salmonellosis)의 증상에는 설사, 복부 경련과 발열 등이 있다. 대부분의

사람들은 체액 및 전해질 교체 이외의 다른 치료 없이도 회복이 가능하다. 그러나 증상이

심각한 경우에는 입원이 필요하다. 소수의 사람들은 복합 관절, 특히 무릎 관절에 영향을

미치는 활동성 관절염인 Reiter 증후군으로 전개되기도 한다. 살모넬라균은 미국에서

수행된 실험 결과, 원유 저장고의 시료에서 0.17~8.9% 수준으로 발견되었다.

8) Yersinia enterocolitica

Y. enterocolitica 는 농장 동물 중에서도 특히 돼지의 장과 환경에서 발견된다. Y. 7

enterocolitica 는 살균에 의해서 사멸되지만 살균 후 식품이 오염되는 경우에는 냉장

온도에서도 성장할 수 있다. Y. enterocolitica 는 발열, 복통, 설사 증상 등을 수반하는

질병을 유발시킨다. 미국에서 수행된 실험 결과, Y. enterocolitica 는 원유 저장탱크

시료에서 1.2~18% 수준으로 발견되었다. 이 중 48.1%에 해당되는 Y. enterocolitica 는

모두 환경에서 유래된 비병원성 균주로 확인되었다.

5. 기타 중요한 세균

1) 대장균군(Coliforms)

대장균군은 온혈동물의 장내에서 발견되는 거대 세균군이다. 대부분의 대장균군은

비병원성이지만, 그들의 존재는 보통 분변으로부터의 오염을 나타낸다. 대장균군은 살균에

의해서 사멸된다. 미국에서 수행된 실험 결과, 원유 저장탱크의 62~95% 수준에서

대장균군이 발견되었는데, 이는 이들 세균이 미살균유에 산재해 있다고 추정할 수 있다.

2) 내냉성(psychrotrophic) 세균

내냉성 세균은 세균의 특정 유형이 아니며 7℃ 이하에서 성장할 수 있는 세균을 지칭한다. 이들 내냉성 세균이 유제품에서 관심을 끄는 것은 냉장 온도에서 생육하여 변질에 의한

이상취를 발생하기 때문이다. 가장 일반적인 내냉성 세균은 Pseudomonas 이다. 이러한

미생물은 살균에 의해서 사멸되지만, 살균 후 오염된 우유에서도 발견된다. L.

monocytogenes, Y. enterocolitica, E. coli 와 Bacillus 등 일부 균주의 세균성 병원균은

내냉성 세균이다.

6. 유방염과 체세포

1) 유방염(mastitis)

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유방염은 일반적으로 미생물 감염에 의한 유방의 염증작용이다. 유방염은 인간을 포함한

모든 포유동물에서 발생할 수 있다. 대부분의 미생물이 감염을 일으킬 수 있으며, 이들은

모두 오염된 물, 토양, 침구류 등의 환경요인 및 감염된 젖소 등의 전염성 원천으로부터

전파될 수 있다. 이들 미생물은 유방에 들어가 증식하는데, 이들 세균은 착유 과정 중에

유방을 통과하기 때문에 우유 내로 인입될 수 있다.

소의 유방염은 우유 중의 병원성 세균과 변패성 세균의 근원이 될 수 있다. 유방염에 감염된

젖소의 우유는 일반적으로 감염되지 않은 젖소에서 생성된 우유보다 높은 총균수 및

체세포수를 가지고 있다. 따라서 우유의 품질 지표로서 세균수나 체세포수 계측방법이

낙농가와 제조자에 의해서 사용되고 있다. 일반적으로 계수가 높을수록 우유 품질은

낮아지게 된다.

유방염에 걸린 소의 우유는 이상취를 띠게 되는데 건강한 젖소의 우유보다 신속하게

유지방과 단백질이 분해된다. 미국의 1 등급 살균유 조례(Grade A Pasteurized Milk Ordinance, 2005)에는 총균수 등의 세균수 뿐만 아니라 체세포수 및 항생제 잔류량 등의

우유 품질관리와 인간의 건강 매개변수 등이 명시되어 있다.

유방염에 걸린 소는 일반적으로 감염의 확산을 제어해야 하고, 해당 목장에서 생산된 우유의

품질을 보증할 수 있도록 집단으로부터 격리하여야 한다. 일부 목장에서는 유방염에 걸린

소를 항생제로 감염 치료를 하기도 한다. 이때 항생제 치료를 받은 소의 우유는 건강한

소에서 수집된 우유의 오염을 방지하기 위해서 폐기 또는 별도의 탱크에 보관하여야 한다. 항생제 치료를 받은 소의 우유를 인간이 소비해서는 안 된다.

2) 체세포(Somatic cell)

체세포는 보통 leukocytes 로 알려진 백혈구 세포로서 통상적으로 우유 중에 존재한다. 대부분의 유방염 감염기간 동안에 유방 내의 체세포수가 증가하여 소가 감염에 대항할 수

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있도록 도와 준다. 감염에 대항하는 데에 있어서 각기 다른 기능을 가지고 있는 체세포에는

여러 종류가 있다. 체세포에는 지방과 단백질을 분해하는 효소가 포함되어 있기 때문에, 유방염 감염기간 동안에 체세포수가 증가하면 우유 중에 존재하는 파괴 효소의 양을

증가시켜 유지방과 단백질의 분해 속도를 증가시키게 된다.

7. 우유의 항균 활성

1) 락토페린(Lactoferrin)

락토페린은 우유, 타액, 그리고 포유류의 기타 체액에서 발견되는 철 결합 단백질이다. 정제된 락토페린은 E. coli O157:H7, L. monocytogenes 및 식인성 병원성 세균 및 변패성

세균에 대한 항균 활성을 가지고 있는 것으로 밝혀졌다. 현재 95% 이상 정제된 락토페린이

탈지유와 치즈 유청으로부터 상업적 규모로 생산되고 있다.

우유 중의 천연 락토페린 함량은 낮지만, 다량의 우유 및 유청은 락토페린 생산을 위한

훌륭한 재료 공급원이라고 할 수 있다. 정제 기술은 원유 중에 존재할지도 모르는 세균과

바이러스를 불활성화시키기 위하여 고온 살균공정(90~100℃, 5~10 분)을 사용한다. 따라서 음료용 우유에 사용되는 살균 조건은 락토페린의 활성을 파괴하지 않는다. 정제된

락토페린은 유아용 조제분유, 우유, 발효유 및 영양보조제에 상업적으로 사용된다. 음료용

우유에 자연적으로 존재하는 락토페린의 전형적인 농도는 0.1g/kg 이다.

2) Lactoperoxidase

Lactoperoxidase 는 우유 중에서 발견되는 열 안정성이 가장 높은 효소 중의 하나이다. Lactoperoxidase 는 과산화수소 및 thiocyanate 와 결합되었을 때 항균 활성을 나타낸다. Lactoperoxidase 시스템은 냉장시설을 사용할 수 없는 국가에서 원유의 유통기한을

연장하고 변질을 줄이기 위해서 사용된다. Lactoperoxidase 시스템은 냉장 온도의 원유

중에서 L. monocytogenes 의 성장을 감소시키는 데에 효과적인 것으로 밝혀졌다.

원유 중의 lactoperoxidase 는 우유 중에 존재하는 병원성 세균에 의한 질병 발생을

억제하는 것으로 추정된다. 그러나 lactoperoxidase 의 항균 효과를 달성하기 위한

시스템을 활성화하기 위해서는 과산화수소와 thiocyanate 를 우유에 첨가하여야 한다. 왜냐

하면 후자의 화합물은 원유에 자연적으로 존재하지 않기 때문이다. 따라서 lactoperoxidase

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시스템 자체가 신선한 원유 중의 병원성 세균의 제어에 크게 기여한다고 볼 수는 없다.

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