[우주 기술과 응용] 음식 보존의 최전선 진공포장, 지구에서 우주까지

우리는 왜 식품을 포장할까? 신선한 채소나 생선, 조리되어 나오는 음식 등을 제외하면 우리가 접하는 대부분의 먹을 것은 포장되어 있다. 기본적으로 포장은 제품을 보호하고, 취급의 편의성 제공을 목적으로 한다. 식품의 보호는 식품이 오염되는 것을 막고 오랫동안 섭취 가능한 상태가 되도록 보존하는 것이다. 여기에는 물리적, 생화학적 작용이 기저 원인으로 관여한다. 취급 편의성은 운송, 보관, 하역 및 진열 등을 위한 것뿐만 아니라 식품의 섭취와 처리에도 중요한 역할을 한다.

지구를 떠나 우주 환경에 놓이는 우주식량은 어떤 측면에서 포장이 필요할까? 먼저 가장 기본적인 기능인 보존성 향상을 생각해 보자. 우주 임무는 장기간 진행된다. 따라서 오랫동안 보관 가능한 형태 또는 상태여야 한다. 신선도 및 영양가가 가능한 길게 유지되어야 한다. 우주는 지구와 다르게 생존에 필요한 열량과 영양소, 비타민 등을 얻을 방법이 극단적으로 제한된다. 우주에서 농사를 짓지 않는 이상은 음식을 구할 방법이 없고 가져간 음식으로 해결해야만 한다. 따라서 우주식량의 장기 보존성은 절대적이다. 부패가 일어나지 않도록 식품에 대한 미생물의 활동이 철저히 제한되어야 한다.

포장은 우주선의 전자 기계들을 보호하기 위해서도 필요하다. 음식 부스러기나 국물 등이 우주선 내부를 떠다니다 전자장치의 틈새로 회로 등에 유입이 되면 오작동이 발생할 수 있으며 정교한 태엽과 같이 작동 중인 우주선에 이와 같은 사건은 치명적이고 결과적으로 우주 비행사들의 생명을 위협할 수 있다. 따라서 가능한 완전 밀봉 상태가 요구된다. 보관·섭취의 편리성도 있다. 우주선의 적재 부피는 한정적이며, 무게당 운반비용도 아주 높다. 최근 발사체의 재사용으로 비용을 획기적으로 낮춘 스페이스X의 팰컷 9 로켓도 kg당 2700달러(약 376만 원)가 든다고 한다. 포장의 형태에 따라 섭취하는 방식이 달라질 수 있으므로 포장은 제한된 활동 환경을 갖는 우주선 내부에서의 식사 방식을 결정짓는다.

이러한 요구조건들을 만족시켜주는 것이 ‘진공포장 기술’이다. 진공포장 기술의 핵심 메커니즘은 무엇일까? 포장 용기의 모든 공기를 추출하고 밀봉하여 고도로 감압된 상태(진공상태)를 유지하는 것이다. 이를 통해 산소와의 접촉을 최소화하여 산화 반응을 억제시킨다. 지방은 산화 반응이 일어나면 지방산과 글리세린으로 분해되고 과산화수소, 알데하이드, 카르본산 등이 생성되며 특유의 불쾌한 냄새가 난다. 과일이나 채소의 절단된 단면에 산화 반응이 일어나면 산화효소가 작용하여 갈변이 일어나고 영양소가 파괴된다. 공기 중 박테리아, 효모, 곰팡이 등의 미생물은 대사 작용을 통해 식품의 성분을 분해하여 식품의 맛, 질감, 냄새를 변화시킨다. 앞서 설명한 산화 반응은 또한 미생물의 증식을 촉진시킨다. 산화와 미생물의 콜라보가 식품의 부패를 가속화시킨다.

이때 요구되는 것이 적절한 빛, 열, 습기다. 빛 에너지가 식품 분자에 흡수되면 높아진 에너지로 인해 화학반응이 일어나 지방산의 산패가 발생하고, 비타민이 분해되며, 단백질의 상태변화가 일어난다. 열은 미생물의 성장 속도를 가속화시킨다. Q10 법칙에 따르면 온도가 10도 상승하면 화학반응 및 미생물 성장 속도는 2~3배 증가한다. 습기는 미생물이 이용할 수 있는 유리 부분을 높여 미생물 증식을 촉진시키고 음식물 속 효소의 활성도를 높여 단백질, 지방, 탄수화물의 분해를 촉진한다. 일반적으로 산소 농도가 1% 미만이면 미생물의 번식 속도가 급격히 감소하며, 0.5% 미만이면 대부분의 미생물 증식이 억제된다.

식품의 장기 보존에 적합하고, 무게와 부피를 최소화시키는 진공포장은 구체적으로 어떻게 진행되는 것일까? 먼저 식품을 냉각시킨다. 식품 특성에 따라 다르나 일반적으로 2~4도 사이로 냉각시킨다. 액체는 진공상태가 되면 끓는점이 낮아져 증발이 급격히 발생한다. 따라서 냉각을 통해 식품 내 수분의 증발을 방지하고 식품 수분의 손실과 그로 인한 조직 파괴를 예방한다. 또한 미생물의 증식 속도를 감소시켜 포장 중 발생할 미생물 오염을 최소화한다. 다음으로 포장재에 식품을 넣고 공기를 제거한다. 챔버(일종의 밀폐된 공간)에 식품을 넣은 포장재를 두고 진공 펌프로 챔버 내부 공기를 제거하여 포장재와 식품의 공기를 완전히 제거한다. 선택적으로 제품의 형태, 색상, 구조 등을 유지하기 위한 용도로 불활성 가스나 보존용 가스를 주입할 수도 있다. 공기 제거 후 열접착 방식으로 포장재를 밀봉한다. 마지막으로 챔버 내부 압력을 대기압으로 점진적으로 맞춘다. 급작스런 압력 차이로 포장재 및 식품의 파손을 방지하기 위한 것이다.

우주식량을 위한 진공포장과 일반적인 진공포장 사이에는 어떤 차이가 있을까? 포장재가 다르다. 일반적인 진공포장은 폴리에틸렌과 나일론 등의 비교적 간단한 다층 필름을 사용하여 저비용으로 산소와 습기를 차단하나, 우주식량의 경우 다층 구조의 폴리이미드, 알루미늄 호일 등으로 이루어진 특수한 고강도 고내구성을 갖는 필름을 사용한다. 기밀성에서도 차이가 난다. 일반 진공포장의 잔류 산소는 2~5% 수준이나 우주 진공포장은 1% 미만으로 완전진공 상태를 요구한다. 무게 최소화의 정도도 다르다. 일반 진공포장은 무게보다 내구성에 중점을 두고 포장을 설계하지만 우주 진공포장은 로켓 발사 및 운반에 따른 비용을 최소화하기 위해 완전 경량화에 초점을 둔다.

우주 공간은 산소가 없으며 거의 진공상태로 압력이 0에 가깝고, 중력이 거의 존재하지 않으며, 태양 직사광이 있는 곳(120도)과 없는 곳(-150도)의 온도 차이가 무려 270도가 난다. 지구인이 살 수도 없는, 맨몸으로는 존립 자체가 불가능한 공간인 것이다. 이러한 극한의 환경에서 우주선의 보호를 받으며 그 안에서 생존하고 임무를 수행해야 하는 우주 비행사들에게 있어 진공포장 기술은 먹거리를 제공하는 최전선의 기술이라 할 수 있다. 동일한 기술이라도 환경의 차이가 발생하면 고려사항과 요구사항이 달라지게 된다. 진공포장 기술 역시도 기술 자체보다 그 기술이 적용되는 환경을 이해하는 것이 기술을 더 깊이 이해할 수 있는 지름길이다.

이영두 공학박사