도체 냉각의 원리

식육과학

도체 냉각의 원리

Meat marketer 2025. 5. 11. 02:52

도체 냉각의 원리

CARCASS CHILLING -PRINCIPLES

Peter M. Husband

도축 후 도체 고기를 냉각하는 가장 큰 목적은 보존이다.
현대의 생산 및 유통 시스템은 냉장 보관과 콜드체인 유지에 기반하고 있다.
오늘날과 같은 환경에서 냉장이 없다면 소규모 지역 생산자조차 시장의 요구를 충족시키기 어렵다는 것은 분명하다.

하지만 냉장은 단순히 보존 수단으로만 생각할 수 없다.
냉장은 고기의 부패를 막는 것 이상의 효과를 가진다.
예를 들어, 냉장은 다음과 같은 다양한 측면에서 고기에 영향을 미칠 수 있다.

육질 (질김, 연도)에 영향
중량 손실과 관련된 제품 수율에 영향
육색의 강도와 안정성 결정
지방의 경도 또는 뼈 발골의 용이성(boneability) 조절 (특히 지방층이 두꺼운 경우)
물론, 여전히 가장 중요한 보존 역할을 담당

도체 냉각의 원칙은 이 다섯 가지 요소에 의해 결정된다.
따라서 도체 냉각을 제대로 이해하려면 이 요소들이 작용하는 메커니즘을 알아야 한다.

도축 후 24~48시간 동안, 근육은 다양한 생화학적·생리학적 변화를 겪으며 고기로 변화한다.
바로 이 시기에 냉장이 이루어지기 때문에 냉각 과정은 이러한 변화와 최종 제품 품질에 매우 큰 영향을 준다.

이 짧은 시간 동안 많은 변화가 일어난다.
48시간이 지난 시점에는 위에서 언급한 다섯 가지 제품 특성 중 네 가지가 이미 결정된다.
냉장 시스템의 역할은 이후부터는 단순히 고기를 보존하는 것으로 전환된다.

이 논문은 도체 냉각 원리를 두 가지 관점에서 설명한다.

도축 후 육질 변화와 냉각의 영향

냉각이 육질과 미생물 성장에 어떤 영향을 미치는지 논의

대형 도체의 실용적 냉각 및 냉동 관리

수율, 육색, 뼈 냄새(bone taint), 지방 경화(hard fat) 문제에 대한 논의

이 두 가지 접근법은 냉장 관리의 중요성과 책임을 올바른 관점에서 이해하는 데 도움을 줄 것이다.

1. 고기의 사후 변화 (Post-mortem Changes in Meat)

앞서 언급한 대로 냉장이 고기에 어떤 영향을 미치는지를 이해하기 위해서는,
먼저 고기의 구조와 사후 변화 자체를 이해해야 한다.

고기 구조 (Meat Structure)

고기는 **근섬유(fibres)**로 구성되어 있으며, 이들은 **결합조직(connective tissue)**의 막으로 둘러싸여 있다.
결합조직은 주로 **콜라겐(collagen)**이라는 구조 단백질로 이루어져 있다.

근섬유 자체는 **액틴(actin)**과 **마이오신(myosin)**이라는 단백질로 구성되어 있으며,
이들은 **질서 있는 반복적인 배열(sequence)**을 이루고 있다.

**액틴과 마이오신은 수축 단백질(contractile proteins)**이라고도 하며,
근육의 움직임을 담당한다.
동물이 살아 있을 때 근육을 움직이면, 액틴과 마이오신 필라멘트가 서로 상대적으로 이동한다.
근육이 이완될 때도 같은 방식으로 작용한다.
이 과정은 Figure 1에 설명되어 있다.

근육의 이러한 지속적인 **수축과 이완은 글리코겐(glycogen)**이라는 근육 전분에서 얻는 에너지를 통해 이루어지며,
글리코겐은 동물이 휴식 중일 때 다시 저장된다.

Rigor (사후강직)

도축 후 고기에서 일어나는 변화 중 하나는 rigor(사후강직) 과정에서의 변화이다.
이 과정 중 액틴과 마이오신 필라멘트가 화학적 결합으로 연결된다.

이 결합이 형성되면, 두 필라멘트는 더 이상 상대적으로 움직일 수 없게 되어 근육이 고정되고 늘어날 수 없게 된다.
이를 **"in rigor(사후강직 상태)"**라고 부른다.

rigor 상태가 되면, 액틴-마이오신 단위(sarcomere)의 길이가 고정된다.
이는 Figure 2에 설명되어 있다.

이 sarcomere 길이는 고기의 연도(tenderness) 또는 **질김(toughness)**을 결정하는 주요 지표로 작용한다.

고기의 연도 (Meat Tenderness)

고기가 **연하다(tender)**고 정의되려면,
고기를 물었을 때 과도한 힘을 들이지 않고 근섬유 다발을 절단할 수 있어야 한다.
이때 필요한 압력의 정도는 sarcomere(근절) 길이에 의해 결정된다.

근육이 rigor(사후강직) 상태로 들어갈 때,
액틴과 마이오신 필라멘트가 서로 "휴식 상태" 위치에 있으면 적절한 sarcomere 길이가 형성되어 부드러운 고기가 된다.
이 경우 근섬유 다발을 쉽게 절단할 수 있다.

반대로, rigor가 시작되기 전에 근육이 수축한 상태라면,
근섬유 다발은 동일하게 결합하지만 sarcomere 길이는 짧아진다.
이렇게 되면 필라멘트들이 조밀하게 뭉쳐 밀도가 높아지고,
결과적으로 질긴 고기가 된다.
이를 Figure 3에서 설명하고 있다.

Cold Shortening (냉수축)

근육이 냉각되면, rigor가 완전히 진행되기 전에 낮은 온도에 노출되면 자연스럽게 근섬유가 수축하려는 경향이 있다.
이 현상을 cold shortening(냉수축) 또는 **cold toughening(냉수축 경화)**라고 하며,
특히 4세 이하 도축 동물의 고기에서 가장 중요한 질김 원인이다.

수축 정도, 즉 고기의 질김 정도는 근육이 얼마만큼 수축을 허용했느냐에 따라 달라진다.

근육의 수축을 막는 방법으로는 다음과 같은 방법들이 있다.

(a) conditioning 또는 controlled cooling (조절 냉각)
(b) 근육의 물리적 고정 (physical restraint)
(c) 전기 자극 (electrical stimulation)

cold shortening이 발생한 근육은 조밀하고 단단한 조직을 형성하게 되며,
결과적으로 절단하기 매우 어렵고 매우 질긴 고기가 된다.

Figure 1: 근육 구조 – 액틴과 마이오신 필라멘트 (Muscle structure – actin and myosin filaments)

이 그림은 **근육의 기본 단위인 sarcomere(근절)**를 단순화하여 나타낸 것이다.
근섬유의 미세 구조를 이해하는 데 중요한 도식이다.

구성 요소 설명

Z-Line (Z선)
- sarcomere의 양 끝 경계선 역할을 한다.
- 액틴 필라멘트가 Z-Line에 고정되어 있다.
Actin Filament (액틴 필라멘트)
- 얇은 선으로 표시
- 수축 단백질 중 하나
- Z-Line에서 중앙으로 뻗어나온다.
Myosin Filament (마이오신 필라멘트)
- 굵고 짧은 선으로 표시
- 수축 단백질 중 또 다른 주요 성분
- sarcomere의 중앙에 위치하며, 액틴 필라멘트 사이로 들어가 있다.

기능적 의미

근육이 수축할 때 액틴과 마이오신 필라멘트가 서로 미끄러지듯 이동한다.
이 sliding filament 구조가 근육 수축과 이완의 기본 원리이다.
도축 후 rigor 과정에서는 액틴과 마이오신이 고정 결합되어 더 이상 움직이지 않고 근육의 길이와 고기의 연도(tenderness)를 결정하게 된다.

Figure 2: 사후강직 상태의 근육 – sarcomere 길이 (Muscle in rigor – sarcomere length)

이 그림은 **rigor 상태(사후강직 상태)**에 들어간 **근육 섬유(sarcomere)**의 구조를 나타낸다.

구조 설명

Z-Line (Z선)
- sarcomere의 양쪽 끝을 형성한다.
- 액틴 필라멘트가 Z-Line에 부착되어 있다.
**Actin Filament (액틴 필라멘트)**와 Myosin Filament (마이오신 필라멘트)
- 그림에서 보면 액틴 필라멘트와 마이오신 필라멘트가 서로 깊숙이 겹쳐진 상태다.
- 이는 rigor 상태, 즉 도축 후 고기의 근육이 더 이상 움직이지 않고 고정된 상태를 나타낸다.
Sarcomere Length (사코미어 길이)
- 두 Z-Line 사이의 거리
- 고기의 연도(tenderness) 또는 질김(toughness)을 결정하는 중요한 지표

의미와 작용

근육이 휴식 상태에서 rigor에 들어가면,
적절한 sarcomere 길이가 유지되어 부드러운 고기가 된다.
cold shortening이나 heat shortening 등으로 인해 rigor 전 근육이 수축하면,
sarcomere 길이가 짧아지고, 결과적으로 더 조밀하고 질긴 고기가 된다.
Figure 2는 rigor 상태에서 고기의 근육 단위가 고정되었음을 시각적으로 보여주는 그림이다.

Figure 3: 냉수축된 근육 (Cold Shortened Muscle)

이 그림은 **cold shortening(냉수축)**이 발생한 근육의 sarcomere 구조를 나타낸다.

구조 설명

Z-Line (Z선)
- 두 Z-Line 사이의 sarcomere 길이가 매우 짧아진 상태로 표시
- cold shortening으로 인해 근육이 비정상적으로 수축했다는 것을 보여줌
Actin Filament (액틴 필라멘트), Myosin Filament (마이오신 필라멘트)
- 필라멘트들이 과도하게 밀집되어 조밀한 구조를 형성
Shortened Sarcomere Length (짧아진 사코미어 길이)
- Figure 2보다 sarcomere 길이가 현저하게 짧음

의미와 작용

**rigor(사후강직)**가 시작되기 전에 근육이 너무 빨리 냉각되면,
근섬유가 수축 → cold shortening 현상 발생
cold shortening이 일어나면 근섬유가 매우 조밀하고 단단한 조직을 이루어
고기의 질감이 매우 질기고, 씹기에 불편해진다.
이는 냉각 속도 관리 실패 또는 pH 6.0 이상 상태에서 12°C 이하로 온도가 떨어졌을 때 발생할 가능성이 크다.

3개 도표의 비교 의미

Figure 1: 정상 구조 → 수축 전 근섬유
Figure 2: 정상 rigor 상태 → 적절한 sarcomere 길이
Figure 3: cold shortening 발생 → 비정상적 수축과 짧아진 sarcomere → 질긴 고기

근육 구조 변화 비교표

Figure 1: 근육 섬유가 자연스러운 상태 → 완벽한 부드러움
Figure 2: 정상적인 사후강직 → 적절한 연도 유지
Figure 3: 냉수축으로 과도한 수축 → 매우 질긴 고기

cold shortening 예방이 도축 및 냉각 과정에서 육질 보존의 핵심이라는 것을 잘 보여준다.

고기 경도와 근육 수축 정도의 관계

고기가 얼마나 질기게 될지는 근육 수축 정도에 따라 결정된다.

20% 이하의 수축은 고기의 연도(tenderness)에 전혀 부정적인 영향을 주지 않는다.
20%를 초과하는 수축은 고기의 질김이 점차 증가한다.
40% 수축 시 고기는 **최대 경도(maximum toughness)**에 도달한다.
40% 이상 수축 시에는 오히려 경도가 다소 감소하는 경향을 보인다.

또한, 근육이 너무 높은 온도에서 rigor 상태에 들어가면 어느 정도 수축이 발생한다.
그러나 이때의 수축 정도는 cold shortening에서 발생하는 수축에 비해 훨씬 적다.

**rigor로의 전환에 가장 적합한 온도(optimum temperature)**는 15°C이다.
이는 Figure 4에서 설명되어 있다.

Figure 4: rigor 전 근육 온도가 근육 수축에 미치는 영향

(Effect of pre-rigor temperature on muscle shortening, unrestrained muscle)

그래프 구성

X축 : Muscle Temperature (근육 온도, °C)
Y축 : % Shortening (근육 수축률, %)

주요 해석

0~5°C
- 근육 온도가 매우 낮으면 cold shortening이 발생 → 수축률 최대 40%
- 고기 경도가 극대화 → 매우 질김
5~15°C
- 온도가 상승할수록 수축률이 감소
- 15°C 부근에서 수축률 최소 (최적 상태) → 고기의 연도가 가장 좋음
15~35°C
- 온도가 다시 상승하면 서서히 수축률 증가
- heat shortening 위험 존재
- 하지만 cold shortening보다는 수축 정도가 훨씬 적다
35°C 이상
- 근육 수축률이 약 20% 수준으로 증가
- 여전히 cold shortening보다 경미

근육 온도 15°C가 rigor 시작에 가장 이상적
→ cold shortening도, heat shortening도 최소화
도축 후 냉각 관리는 고기 품질을 결정하는 핵심
→ 너무 낮은 온도(0~5°C) → cold shortening (극심한 질김)
→ 너무 높은 온도(35°C 이상) → heat shortening 위험

Cold Shortening(냉수축) 방지 방법

Conditioning (조절 냉각)

Cold shortening은 **controlled cooling(조절된 냉각)**으로 예방할 수 있다.
이를 위해 도체의 냉각 속도를 조절해 rigor 이전의 근육 온도가 근육 수축을 유발하는 온도 이하로 내려가지 않도록 해야 한다.

효과적인 conditioning은 도축 후 10시간 이내에 도체의 어떤 근육도 12°C 이하로 떨어지지 않게 유지하는 것이다.

무겁고 잘 비육된 소 도체는 가벼운 도체보다 냉각 속도가 느리지만,
그렇다고 해서 cold shortening이 완전히 방지된다고 볼 수는 없다.
특히 striploin, cube roll 등 단면이 얇고 표면에 가까운 근육은 일반적인 냉장 과정에서도
10시간 내 12°C 이하로 떨어질 위험이 있다.
또한 대형 부위의 표면 근육도 동일한 문제가 발생할 수 있다.

따라서 conditiong은 이러한 근육들이 10시간 동안 12°C 이상을 유지하도록 해야 하며,
이를 위해서는 무거운 도체의 둔부 부위(butt)의 냉각 시간이 지나치게 길어질 수 있다.
이로 인해 발생할 수 있는 **bone taint(뼈 냄새 문제)**는 추후 논의될 예정이다.

**소형 도체(small stock)**의 경우는 냉장 조건을 유지하는 것이 비교적 쉽지만,
대량의 대형 도체를 conditioning 하는 경우 공간 제약이 큰 문제로 작용할 수 있다.

Muscle Restraint (근육 고정)

근육 수축은 **물리적 고정(physical restraint)**으로도 방지할 수 있다.
가장 실용적인 방법은 도체의 골격 구조에 근육을 늘어뜨려 걸어두는 것이다.
이렇게 하면 근육이 물리적으로 늘어난 상태로 유지되어 수축할 수 없게 된다.

이 원리를 적용한 대표적인 방법이 바로 Tenderstretch 기법이다.
이 방법은 일부 생산자에 의해 사용되고 있지만, 산업 전반에서는 널리 선호되지는 않는다.

Electrical Stimulation (전기 자극)

도체에 **변형된 펄스 전류(modified pulsed electric current)**를 가하면,
**cold shortening(냉수축)**을 유발하는 에너지원 자체를 제거할 수 있다.

이 전류로 적절히 자극된 근육은 빠르게 rigor 상태로 들어가며,
이는 근육 pH의 급격한 감소로 확인된다.

이 과정은 흔히 **accelerated conditioning(가속 조절 냉각)**이라고 불린다.
왜냐하면 pH가 빠르게 6.0 이하로 떨어지기 때문에,
효율적인 냉각 과정에서도 근육 온도가 12°C 이하로 떨어지기 전에 pH가 감소하게 되어
cold shortening이 방지되기 때문이다.

전기 자극은 고유의 고기 연도를 유지하는 방법으로 산업 현장에서 널리 사용되고 있다.
이 방법에 대한 더 자세한 설명은 후속 논문에서 다루어질 예정이다.

Hot Boning (도체의 hot boning 처리)

**Hot boning(도체의 warm 상태에서 뼈를 발골)**은 오랫동안 육류 가공업계에서 선택지로 존재해 왔다.
일부 기업들은 이 방법의 효율성과 장점을 인식하고 있고,
해외 일부 국가에서는 광범위하게 활용되고 있다.

Hot boning의 장점

도축 → 발골 공정을 중단 없이 연속 진행 가능
→ 별도의 중간 냉각 과정이 불필요
냉각 시설 및 에너지 비용 절감
→ 소 도체의 약 30%가 뼈인데,
기존 방식에서는 뼈를 냉각하고 다음 날 렌더링 시 다시 가열해야 해 이중 에너지 소모가 발생

Hot boning의 단점

그러나 hot boning은 cold shortening 측면에서 큰 단점이 있다.
기존 냉각에서는 도체의 뼈대가 근육을 고정시켜 과도한 cold shortening을 방지한다.
하지만 hot boning에서는 뼈대가 제거되어
근육을 고정할 물리적 지지체가 없어져 냉각 시 심각한 cold shortening과 경화가 발생할 위험이 크다.

**제조용 고기(manufacturing meat)**는 이후에 **분쇄(comminution)**나 칼로 찢는 tenderising을 통해
근육 구조를 파괴하여 경화 문제를 해결하기 때문에 cold shortening이 큰 문제가 되지 않는다.

그러나 가공용 부위에서 고부가가치 부위를 따로 분리할 경우,
그 부위는 cold shortening 영향을 받지 않도록 조리 및 가공 방식이 맞는 시장으로 출하해야 한다.

만약 고기의 연도(tenderness)가 중요한 경우,
hot boning 작업과 함께 반드시 효과적인 전기 자극을 병행해야 한다.

2. Ageing (숙성)

**숙성(ageing)**은 고기의 연도를 향상시키는 또 다른 방법이다.
이 경우 냉장은 **고기의 저장기간(shelflife)**을 확보하고,
숙성에 필요한 시간을 제공하는 역할만 한다.

일반적으로 고기의 숙성은 **진공 포장(vacuum packing)**과 함께 이루어지며,
특히 수출용 고기에서 많이 사용된다.

숙성은 **효소 작용(enzymic process)**을 통해 근섬유를 절단하게 되어 고기를 부드럽게 만든다.
냉장 자체가 숙성을 직접 일으키지는 않지만,
온도는 숙성 속도에 직접적인 영향을 준다.
온도가 높을수록 ageing 속도가 더 빠르다.

하지만 숙은 다음과 같은 경우 효과가 제한적이다.

동물의 나이로 인한 질김 (예: 결합조직 증가로 인한 질김)
극심한 cold shortening으로 인한 질김
전기 자극 없이 hot boning 처리된 고기

이러한 경우 후숙을 해도 고기의 연도가 충분히 개선되지 않는다.

3. Freezing (냉동)

hot boning 처리되고 전기 자극을 받지 않은 고기를 rigor 전(pre-rigor)에 냉동할 경우,
cold shortening 현상은 발생하지 않는다.
이는 고기가 냉동 상태에서 고정되어 근육이 더 이상 수축할 수 없기 때문이다.

냉동 상태에서도 rigor 과정은 매우 느리게 진행되며,
냉동 보관 기간이 충분히 길 경우,
**cold shortening 및 이후의 경화(toughening)**를 방지할 수 있다.

그러나 pre-rigor 상태에서 냉동한 고기를 단기간 또는 중기(짧은~중간 기간) 내에 해동하면
thaw shortening(해동 수축) 현상이 발생한다.

thaw shortening은 cold shortening보다 더 심각한 수축을 유발하며,
**과도한 수분 손실(weep)**과 함께 발생한다.
이로 인해 고기는 극도로 질긴 상태가 된다.

또한, thaw shortening으로 인해 40% 이상의 수축이 일어날 경우,
섬유 구조가 심하게 손상되어 오히려 고기가 더 부드럽게 느껴질 수 있다.
하지만 이 경우에는 엄청난 수분 손실이 동반되어 제품 품질이 크게 저하된다.

4. Micro-organisms and Meat (미생물과 육류)

도축 후 근육에서 일어나는 변화 중 또 하나 중요한 부분은 미생물의 행동이다.

가죽이나 모피(hide 또는 pelt)가 제거되는 시점까지 근육 조직은 사실상 무균 상태다.
이후 도체에 오염되는 박테리아는 다음과 같은 경로로 도체로 전이된다.

가죽 또는 모피
가공 장비
작업자의 손

도체가 오염되는 정도는 작업 방식과 작업장 및 작업자 위생 수준에 매우 크게 좌우된다.
불가피하게 발생하는 배경 박테리아 오염을 얼마나 통제할 수 있는지는 냉장 시스템의 관리와 운영 수준에 달려 있다.
적절한 냉장 관리는 고기의 유통기한(shelf life)을 연장하는 데 핵심적이다.
냉장 관리와 관련된 **bone taint(뼈 냄새 문제)**에 대한 내용은 별도로 다룰 예정이다.

도체 오염 정도와 부패 속도는 다음 요소에 영향을 받는다.

온도 (temperature)
수분 활성도 (water activity)
미생물 수 (numbers of micro-organisms)

이 세 가지 요소는 모두 냉장 시스템의 영향을 많이 받는다.

미생물 성장 과정

미생물(박테리아, 효모, 곰팡이 등)은 새로운 표면에 도착하자마자 곧바로 증식하지 않는다.
처음에는 새로운 환경(영양, 수분, 온도 등)에 적응하는 **지연 단계(lag phase)**를 거친다.

온도와 수분 수준이 불리한 조건이면

lag phase가 길어지고,
최종 성장 속도도 감소한다.

결과적으로 육류의 유통기한이 연장되는 효과가 있다.
이 내용은 Figure 5에서 시각적으로 설명된다.

Temperature (온도)

냉장고 환경에서 작은 온도 차이가 미생물 성장에 미치는 영향을 제대로 이해하는 것이 매우 중요하다.

10°C 이상의 온도에서는 예를 들어 2°C의 변화가 있어도
미생물 성장 속도나 육류의 유통기한(shelf life)에 거의 영향이 없다.
반면, 2°C에서 보관되어야 할 고기를 4°C에서 보관하면
유통기한이 절반으로 단축된다.
이는 2°C → 4°C로 온도가 오를 경우
부패 미생물(spoilage micro-organisms)의 성장 속도가 두 배가 되기 때문이다.
2°C → 0°C로 떨어질 경우,
성장 속도 감소 효과는 더욱 커지며,
0°C → -1°C로 더 낮추면 성장 속도가 다시 절반 가까이 감소한다.

Figure 5는 온도 변화가 부패 미생물의 성장 속도에 미치는 영향을 시각적으로 보여준다.

CSIRO에서는 수출용 **진공 포장 냉장육(vacuum-packed chilled meat)**의 최적 유통기한을 확보하기 위해
**sub-zero chilling(영하 냉장)**을 권장하고 있다.

육류 냉장에서 온도의 또 다른 중요한 역할은,
고기에서 흔히 발견되는 병원성 미생물의 성장을 억제하는 데 있다.

예를 들어,

**Salmonella(살모넬라)**와 **E. coli(대장균)**는 8°C 이하에서는 성장하지 않는다 (Figure 5 참조).
**Staphylococcus(황색포도상구균)**는
- 낮은 냉장 온도에서도 성장은 가능하지만,
- 10°C 이하에서는 독소를 생성하지 못한다.

이러한 점에서 적절한 냉장 온도 유지는
병원성 미생물로 인한 식중독 및 위생 문제를 효과적으로 억제하는 방법이다.

Figure 5: 온도가 Pseudomonas와 Salmonella 성장에 미치는 영향

(Effect of temperature on the growth of Pseudomonas and Salmonella)

그래프 구성

X축 : Time to Spoil (부패까지 걸리는 시간, 일)
Y축 : Temperature (온도, °C)
Salmonella : 점선 (- - -)
Pseudomonas : 점+선 (+ + +)

주요 해석

Salmonella
- 8°C 이하에서는 거의 성장하지 않음 → 부패까지 시간 연장
- 온도가 낮아질수록 부패까지의 시간 증가
- 예를 들어, 12°C에서는 약 3일 만에 부패, 2°C에서는 약 10일 이상
Pseudomonas
- 일반적인 부패균으로, Salmonella보다 온도 변화에 더 민감
- 온도가 낮아지면 성장 속도가 급격히 감소
- 12°C에서는 약 2일 만에 부패, 0°C에서는 10일 이상으로 연장

온도가 낮을수록 부패 속도가 느려지고 shelf life(유통기한)가 연장됨
Salmonella, Pseudomonas 모두 저온에서 증식 억제
**sub-zero chilling(영하 냉장)**은 수출용 육류의 shelf life 확보에 매우 효과적

sub-zero chilling (영하 냉장)

sub-zero chilling은 육류를 0°C 이하(-1°C ~ -2°C 정도)의 낮은 온도에서 냉장하는 기술이다.
**급속 냉동(freezing)**과는 다르며, 육류가 얼지 않도록 정밀하게 온도를 유지한다.

목적과 장점

미생물 성장 억제
- 대부분의 부패균 및 병원균(예: Pseudomonas, Salmonella)의 성장 속도가 극도로 느려진다.
- 육류의 유통기한(shelf life)을 획기적으로 연장할 수 있다.
품질 유지
- 일반 냉장(2~4°C)에 비해 육즙 손실, 색 변화, 지방 산패 등의 품질 저하가 감소한다.
- 냉동이 아니므로 **육류의 조직 손상(freezer burn)**이 발생하지 않는다.
**수출용 고품질 진공포장육(vacuum-packed chilled meat)**의 장거리 운송 시 효과적

원리

육류는 -1.5°C 전후에서 완전히 얼지 않음
이 범위에서 세포막 파괴 없이 안정적으로 보관 가능
**CSIRO(호주과학원)**에서 세계적으로 권장하는 방식

주의점

정밀한 온도 제어가 필수
-2°C 이하로 내려가면 고기 내부에 미세한 얼음 결정이 형성되어 품질 손상이 일어날 수 있음

Water Activity (수분 활성도)

단순한 수분 함량 자체는 미생물 성장에 직접적인 영향을 주지 않는다.
중요한 것은 수분의 이용 가능성, 즉 **water activity(수분 활성도)**이다.

일반적으로 표면이 습한 고기는 건조한 고기보다 미생물 성장이 훨씬 잘 일어난다.

water activity는 **lag phase(성장 지연 단계)**와 이후의 성장 속도 모두에 영향을 주며,
이 영향은 온도의 영향과 유사하다.

표면 수분과 shelf life

육류의 shelf life를 연장하려면 도체나 고기의 표면이 가급적 건조한 상태를 유지해야 한다.
그러나 과도한 건조는 바람직하지 않다. 그 이유는 다음과 같다.

수율 감소 → 수분 증발로 인해 중량 손실 발생
품질 저하 → 표면이 너무 마르면 색이 어두워지고 보기 안 좋아짐

따라서 좋은 냉장 관리에서는 반드시 균형을 맞추는 것이 중요하다.

과도한 수분은 제거해야 하지만,
필요 이상으로 표면이 과도하게 건조되지 않도록 주의해야 한다.

Number of Micro-organisms (미생물 수)

도체가 냉장고로 들어갈 때는 불가피하게 일정량의 미생물이 표면에 존재한다.
하지만 적절한 냉장 관리를 하면 이 미생물 수를 효과적으로 억제할 수 있다.

실제로 효율적인 냉장 시스템에서는
24시간 냉장 후 도체 표면의 미생물 수가 감소하는 효과가 있다.

하지만 냉장고 위생 관리가 제대로 되지 않으면 오히려 오염이 심해질 수 있다.

**플레넘(air plenum)**이나
FDC units(냉각기 코일) 등은
곰팡이 등 미생물에 심하게 오염될 수 있다.

이 오염된 미생물들은 공기 흐름 또는 **FDC 유닛에서 튄 응결수(물방울)**를 통해
도체 표면으로 전이될 수 있다.

Carcass Washing (도체 세척)

도체 표면의 수분 공급원 중 하나인 **도체 세척(carcass washing)**은
가능하면 최소화하거나 아예 제거하는 것이 바람직하다.

도체 세척은 특히 **수출용 도체 가공장(export plants)**에서
오랜 기간 동안 표준 공정의 일부로 시행되어 왔다.
하지만 최근에는 도체 세척이 품질에 부정적인 영향을 미칠 수 있다는 사실이 알려지고 있다.

도체 세척의 문제점

도체 세척의 주요 목적은 표면 오염물질을 제거하는 것이다.
그러나 실제로는 국소적인 오염을 도체 전체로 퍼뜨릴 위험이 존재한다.
또한 세척으로 인해 도체 표면이 전체적으로 습해져,
미생물 성장에 더 유리한 환경을 조성하게 된다.

최근에는 자동화된 **도체 세척 장치(carcass wash cabinet)**가 널리 사용되고 있는데,
이 경우 과도한 물 사용으로 인해

환경오염 문제(폐수 발생 등)와
도체 오염 확산 문제가 동시에 발생할 수 있다.

권장되는 세척 방법

도체 세척은 꼭 필요한 부위에만 제한적으로 실시해야 한다.
특히, **도체 절단 과정에서 발생하는 뼛가루(bone dust)**로 오염된 부위가 주요 세척 대상이다.

사용하는 절단기 종류에 따라 세척 필요성도 다르다.

저속 원형 톱(low-speed circular saw), **손톱(handsaw)**을 사용할 경우
→ 뼛가루 발생이 적어 세척 필요성이 낮다.
반면 왕복식 톱(reciprocating saw), **고속 원형 톱(high-speed circular saw)**을 사용할 경우
→ 뼛가루가 많이 발생하여 추가적인 세척이 필수적이다.
**밴드톱(band saw)**을 사용할 경우에는
→ 뼛가루 대신 뼈 페이스트(bone paste) 형태로 생성되기 때문에
→ 간단한 제거만으로 충분하여 세척이 거의 필요하지 않다.

요약하면,
필요 없는 전체 세척은 지양하고,
오염된 부위만 선택적으로 세척하는 것이 육질 유지와 위생 관리 모두에 바람직하다.

5. 대형 도체의 냉각 및 냉동

대형 도체의 냉각과 냉동은 냉장 시스템과 이를 운영하는 관리자에게 특별한 과제를 제시한다.
대형 소 도체를 적절하게 냉각하기 위해서는 극단적인 조건이 요구되며,
그에 따라 발생하는 냉각 관련 문제들도 매우 심각할 수 있다.

수축(Shrink)과 육즙 유출(Weep)

**수축(shrink)**과 **육즙 유출(weep)**은 모두 냉각 속도에 의해 영향을 받는다.

도축 직후의 뜨거운 도체는 빠르게 냉각해야
→ 냉각 중 발생할 수 있는 수축과 육즙 손실을 최소화할 수 있다.
그러나 냉각 속도가 고기에 향후 진공포장 시 발생할 weep 손실에도 영향을 미친다.
- 느리게 냉각된 도체는 절단 후 **과도한 육즙 손실(weep)**이 발생할 가능성이 높다.

따라서 도체를 신속하게 냉각하는 것이 중요하다.

도축 후 10시간 이내에 둔부 근육의 온도를 최소 30°C 이하로 낮춰야 한다.
동시에 깊은 근육의 온도도 25°C 이하로 낮추는 것이 바람직하다.
이는 bone taint(뼈 냄새) 문제 예방과도 관련이 있다.

전기 자극과 냉각의 균형

대형 소 도체의 경우, 육질 연도를 유지하기 위해 전기 자극(electrical stimulation)이 필요할 수도, 필요하지 않을 수도 있다.

하지만 전기 자극을 사용하면서 냉각 속도가 충분히 빠르지 않으면,
**과도한 육즙 손실(weep)**과 육색 저하를 유발할 가능성이 커진다.

특히 느린 냉각 + 전기 자극 조합은
→ **PSE 현상(Pale, Soft, Exudative effect)**을 유발할 수 있다.
→ 이는 둔부 깊은 근육에서 과도한 수분 손실(weep)과 색 변화로 나타난다.

냉각과 전기 자극의 균형 필요

식육 가공장의 냉장 설비 용량을 고려하여 적절한 균형을 유지해야 한다.
가장 이상적인 방법은
→ 노출 부위의 근육 경화를 방지하기 위한 전기 자극과
→ 빠른 냉각을 병행하는 것이다.

이를 통해 대형 도체의 육질을 최적의 상태로 유지할 수 있다.

Meat Colour (육색)

육색과 지방색은 소비자가 시각적으로 판단할 때 가장 중요한 육질 지표 중 하나이다.
**지방색(fat colour)**은 주로 동물 자체의 상태에 의해 결정되지만,
**육색(meat colour)**은 냉각 환경의 영향을 매우 크게 받는다.

육색 변화의 원리

산소가 없는 상태에서는 고기가 **자주색(purple-red)**을 띤다.
→ 이는 갓 절단된 고기의 색이며, 미오글로빈(myoglobin) 색소에 의해 나타난다.
공기 중에 노출되면 미오글로빈이 **산소를 흡수하여 옥시미오글로빈(oxymyoglobin)**으로 변한다.
→ 이때 고기는 우리가 흔히 **신선한 고기에서 기대하는 선명한 붉은색(bright red)**을 띤다.
→ 이 과정을 blooming이라고 한다.
공기에 장시간 노출되면 색소가 **산화 형태인 메트미오글로빈(metmyoglobin)**으로 전환된다.
→ 이때 고기는 갈색 또는 회색으로 변하며,
→ 이는 **유통기한이 끝나가는 고기(stale meat)**에서 흔히 보이는 색이다.

이 세 가지 색소 변화의 관계는 Figure 6에서 도식적으로 설명되어 있다.

온도의 영향

이러한 색소 변화 속도와 최종 색상 강도는 온도에 의해 크게 좌우된다.

미오글로빈 → 옥시미오글로빈으로의 산소화 과정은
→ 저온에서는 속도가 느려지지만,
→ 최종 색의 선명도(intensity)는 높아진다.
0°C에서 잘 냉각된 고기의 경우,
→ 완전히 blooming된 색상을 얻으려면 최소 30분이 필요하다.
또한 이 온도에서는 옥시미오글로빈이 고기 표면에서 약 5mm 깊이까지 침투하여
→ 고기의 붉은 색상이 더욱 선명하게 표현된다.

육색과 미오글로빈 상태

Myoglobin (미오글로빈)
- 색상: 적자색 (red-purple)
- 상태: 신선하게 절단된 고기 (산소에 노출되기 전)
- 설명: 근육 내 기본 색소 단백질, 산소 결합 전 상태
Oxymyoglobin (옥시미오글로빈)
- 색상: 밝은 선홍색 (bright red)
- 상태: 신선하고 “bloomed” 상태의 고기
- 설명: 미오글로빈이 산소와 결합 → 소비자가 선호하는 고기의 붉은색
Metmyoglobin (메트미오글로빈)
- 색상: 갈색-회색 (brown-grey)
- 상태: 변색되고 오래된 고기
- 설명: 미오글로빈의 산화 → Fe²⁺ → Fe³⁺로 변하면서 변색

변화 과정

산소화(OXYGENATION): Myoglobin → Oxymyoglobin
산화(OXIDATION): Oxymyoglobin 또는 Myoglobin → Metmyoglobin
산소 제거 또는 환원 시 Metmyoglobin → Myoglobin으로 돌아갈 수 있음 (일부 조건에서만)

육색 변화의 의미

소비자는 bright red (옥시미오글로빈) 상태의 고기를 가장 신선하다고 인식.
**red-purple (myoglobin)**은 절단 직후 상태, 시간이 지나면서 빨리 선홍색으로 변함.
**brown-grey (metmyoglobin)**은 오래되어 변색되고 품질이 떨어졌다는 신호.

고기가 산소에 노출되면 미오글로빈이 산화되어 메트미오글로빈으로 변하는 경향이 나타난다. 그러나 이는 미오글로빈이 산소와 결합하여 옥시미오글로빈이 되는 산소화 반응과 혼동해서는 안 된다. 옥시미오글로빈으로의 산소화는 가역적인 반응이지만, 미오글로빈의 산화는 반드시 그렇지 않다. 초기에는 고기의 효소적 환원 능력이 갈색 또는 회색의 메트미오글로빈 형성을 억제하는 역할을 한다. 이 환원 능력이 유지되는 동안 고기는 붉은 색을 유지하지만, 환원 능력이 소진되면 되돌릴 수 없는 갈변 반응이 진행된다.

고기의 환원 효소 능력은 모든 긍정적 특성과 마찬가지로 낮은 온도에서 연장된다. 그러나 그 능력은 무한하지 않다. 초기의 빠른 냉각과 지속적인 저온 저장은 고기의 시각적 매력을 오랜 기간 유지하는 데 도움이 된다. 이는 색상이 중요한 기준이 되는 등급 평가에서도 분명히 긍정적인 영향을 미친다.

Two-toning

육색의 ‘붉은 정도’와 그 강도는 고기 단백질의 상태에 매우 크게 좌우된다. 단백질이 어느 정도 변성되면 고기의 빛 반사 특성이 변화하여 색이 창백해지는 경향이 있다. 이 현상의 가장 대표적인 예는 창백하고 수분이 많은 돼지고기, 즉 PSE (pale, soft, exudative) 돼지고기다. PSE는 돼지가 도축 전 스트레스를 받아 발생하지만, 여기서는 그 영향 자체가 중요하다. 도축 직후 근육 pH가 급격히 떨어지고, 높은 근육 온도와 낮은 pH의 조합으로 인해 고기 단백질이 변성된다. 극단적인 경우 색이 흐려지고 수분 보유 능력이 감소하여 고기가 ‘창백하고 수분이 많은’ 상태가 된다.

중량이 큰 소고기에 전기 자극을 가한 후 냉각이 충분히 빠르게 이루어지지 않으면, 전기 자극으로 인해 pH가 빠르게 하강하고, 여기에 엉덩이 부위의 온도가 지나치게 높게 유지되면서 일정 수준의 단백질 변성이 발생할 수 있다. 이 영향은 근육 중심부, 즉 상대적으로 온도가 높은 부위에서 더 크게 나타나며, 결과적으로 고기를 절단했을 때 투 톤(two-toning) 현상이 발생한다.

투 톤 현상은 고기의 효소적 환원 능력 상실이 가속화되면서 더 악화된다. 그 결과, 창백한 근육 부위에서 갈변이 더 빠르게 진행된다. 또한 갈변 현상은 창백한 배경색과 대비되어 더 두드러지게 보인다.

이러한 상황은 도축장 관리의 문제로 이어진다. 예를 들어 냉장 설비가 무거운 소고기 처리에서 용량 한계에 도달했을 경우, 전기 자극을 사용할지 여부에 대한 판단이 필요하다. 이 딜레마에 대해 단순한 정답은 없다. 연도(tenderness), 뼈 오염(bone taint), 육색, 수율 손실(shrink loss), 냉장 용량, 생산량 등 다양한 요소를 종합적으로 고려하여 최종 목표에 가장 적합한 선택을 해야 한다.

Bone taint(뼈 오염)

**Bone taint(뼈 오염)**은 다양한 작업자들이 여러 시점에서 경험해 온 문제다. 과거에는 대부분의 제품이 탈골 처리(boning) 되었기 때문에, 뼈 오염의 증거가 탈골 작업장에서 쉽게 발견되어 관리가 가능했다. 만약 발생 빈도가 기준을 넘으면, 보통 냉장 설비 문제로 원인이 추적되었고, 적절한 시정 조치를 취할 수 있었다.

그러나 최근에는 특정 시장을 겨냥해 곡물 사육(grain-fed) 및 초지 사육(grass-fed) 모두에서 중량이 큰 도체를 생산하는 경향이 강해졌다. 이로 인해 냉각 작업이 부적절할 경우 뼈 오염 발생 위험이 커지게 되었다. 특히 한국과 같이 **뼈 포함 분할육(bone-in quarter beef)**을 수입하는 시장에서는 문제가 더 커진다. 이 제품은 출고 전에 모든 부위를 드릴이나 칼로 깊은 근육·뼈 경계 부위까지 절단하지 않는 이상, 뼈 오염 여부를 확인할 방법이 없다.

또한 이러한 시장은 300kg 이상의 중량 도체를 요구하기 때문에, 적절한 냉각이 반드시 보장되어야 한다. 그렇지 않으면 뼈 오염의 위험이 더욱 심각해진다. 따라서 충분하고 효과적인 냉각 관리를 위한 적절한 조치가 필수적이다.

Code of Practice-Korean Beef

문제의 도체 크기와 한국 시장에서의 bone taint(뼈 오염) 문제를 고려할 때, 기존 **Export Meat Order No. 250(EMO 250)**의 기본 요건만으로는 충분한 안전성을 보장할 수 없다.

이에 따라 **호주 검역검사청(AQIS)**은 다음과 같은 지침을 개발했다.
**“대한민국 수출용 초지 사육 뼈 포함 분할육(Grass-fed bone-in Quarter Beef) 생산을 위한 최소 기준(Code of Practice)”**이다.

냉각과 관련된 이 지침의 주요 권고사항은 다음과 같다.
EMO 250(a)를 대신하여 다음의 요건을 적용한다.

(a) 도축 후 **20시간 이내에 엉덩이 깊은 부위(deep butt)의 온도를 16℃**로 낮춰야 한다.
또는
(b) 도축 후 **20시간 이내에 엉덩이 깊은 부위의 온도가 20℃**까지 낮아야 한다. 단, 이 **옵션 (b)**를 선택할 경우, 모든 냉장된 후지(hindquarters)에 대해 **관절 부위(acetabular area)의 근육을 깊게 절개하거나, 대퇴골 근위부(proximal femur)를 코어 테스트(core testing)**하여 **bone odour(뼈 냄새)**가 있는지 반드시 검사해야 한다. (첨부된 도표 참조)

전체 Code of Practice 문서와 bone taint 검사용 드릴링(drilling) 방법 세부사항은 AQIS로부터 제공받을 수 있다.

Initial Cooling Rate

**CSIRO(호주연방과학산업연구기구)**는 AQIS Code of Practice에서 제시한 사항 외에 추가로 다음과 같은 냉각 속도 기준을 권장한다.

도축 후 **초기 냉각 속도(initial chilling rate)**는 도축 후 10시간 이내에 엉덩이 깊은 부위(deep butt)의 온도가 30℃ 이하로 떨어지도록 해야 한다.

만약 도체의 엉덩이 깊은 부위 온도가

도축 후 10시간 이내에 30℃ 이하,
20시간 이내에 16℃ 이하

로 관리된다면, 일반적으로 발생하는 **bone taint(뼈 오염)**의 위험이 크게 감소한다.

Korean Bone Taint Test (한국식 Bone Taint 검사)

최근 한국에서는 **quarter beef(1/4 소 도체)**에서 **bone taint(뼈 냄새)**를 검사하는 보다 강도 높은 새로운 방식을 도입했다.
체인톱(chain-saw)으로 도체의 liaich bone 위쪽 둔부를 절단하고,
대퇴골(femur) 골수(bone marrow)를 채취하여 가열 후 냄새로 평가하는 방법이다.

이 방식은 기존 bone taint 문제를 새로운 차원으로 확대했으며,
호주 육류 산업에도 새로운 과제를 제시하고 있다.

문제의 원인과 연구 진행

근육 내 bone taint의 근본 원인은 아직 완전히 규명되지 않았다.
최근의 bone marrow 검사 추가는 해결해야 할 새로운 연구 과제를 더한 셈이다.

이에 따라 **호주에서는 예비 조사(preliminary investigation)**를 실시해

문제를 더 깊이 이해하고
산업계에 근육 및 골수에서의 냄새 발생 위험을 현저히 줄일 수 있는 권장 사항을 제시하고자 했다.

조사 결과,

골수에서의 bone taint 발생률이 근육보다 높았다.
하지만 Korean-type heavy beef(한국형 중량 소)의 둔부 온도가 빠르게 낮아질수록
→ 근육과 골수 모두에서 taint 발생률이 감소했다.

권장 냉각 기준

taint 발생 위험을 크게 낮추기 위해 다음과 같은 시간-온도 기준이 필요하다.

도축 후 10시간 이내
→ deep butt(둔부 깊은 근육) 온도를 30°C 이하로 낮출 것
도축 후 20시간 이내
→ 16°C 이하로 추가 냉각할 것

이는 곡물 사육(grain-fed) 소와 목초 사육(grass-fed) 소 모두에 적용된다.
두 그룹 모두 도체 중량이 비슷할 경우 bone taint 발생률에 차이가 없었기 때문이다.

Hard Fat (경성 지방 문제)

Hard fat(경성 지방) 문제는 수년간 산업계에서 지속적인 관심을 받아왔다.
최근 작업자 안전 문제가 대두되면서 이 문제의 중요성은 더욱 커졌고,
지속 가능한 해결책에 대한 요구도 증가했다.

현재 fat hardness gun(지방 경도 측정기, Sliding Pin Consistometer) 개발이 진행 중이며,
상용 프로토타입 단계에 도달했다.
또한, 냉장 사이클을 모니터링하고 조절하는 냉장 관리 방안 연구도 함께 이루어지고 있다.

이 연구의 구체적 내용과 권장 사항은 별도의 논문에서 자세히 설명될 예정이다.

6. 결론

도체 냉각의 원리는 단순히 고기의 유통기한(shelf life)을 연장하기 위한 냉각을 넘어선 의미를 가진다.
냉각과 냉장은 육질을 결정하는 다양한 요소들에 직접적인 영향을 미치는 과정이다.

호주 육류 산업의 복잡성이 증가함에 따라,
가공업체들은 위생(hygiene)과 육질(meat quality)에 대한 더욱 엄격한 기준을 충족해야 하는 요구에 직면해 있다.
이러한 요구에 대응하기 위해서는 관련된 모든 요인들을 충분히 이해하는 것이 필수적이다.

이후의 논문들에서는 도체 냉각과 관련된 다양한 고려사항을 보다 구체적으로 다룰 예정이며,
특히 **냉장 설비와 관련된 공학적 측면(engineering aspects)**에 중점을 두고 설명할 것이다.

본 논문은 이러한 시리즈 논문들에 앞서 **기본 원칙(ground rules)**을 제시하는 서론의 역할을 수행했다.