이산화염소는 안정성의 문제로 주로 액상형태로 생성시킨다. 이것은 이산화염소의 물리적 특성중의 하나인 높은 용해도에 의한 것으로 20℃, 대기압하에서 용해도는 70g/L인 반면에 동일조건에서의 염소의 용해도는 7g/L이다. 액상의 이산화염소는 검붉은 색을 띠며 10g/L 이상의 농도에서는 폭발성이 있으므로 보관·운반이 어렵기 때문에 반드시 현장에서 제조하여야 한다. 이산화염소는 염소와는 달리 pH 2〜10의 범위에서 가수분해되지 않으며 용해된 기체로 존재한다.
또한 수용액상의 이산화염소는 매우 휘발성이 강하여 개방된 용기에서 불안정하기 때문에 공기와의 접촉시 빠르게 제거 될 수 있으며, 광원의 UV파장에 의해서도 분해 될 수 있다.
이산화염소의 생성은 주로 다음의 3가지 방식 즉, 염소산나트륨(sodium chlorite)를 염소가스(gaseous chlorine, Cl2(g)), 차아염소산(hypochlorous acid, HOCl) 또는 염산(hydrochloric acid, HCl)과 반응시켜 생성한다.
2NaClO2 + Cl2(g) = 2ClO2(g) + 2NaCl
2NaClO2 + HOCl = 2ClO2(g) + NaCl + NaOH
5NaClO2 + 4HCl = 4ClO2(g) + 5NaCl + 2H2O
상업적인 이산화염소 생성장치는 생성방법에 따라 달라진다. 대표적으로 가스상의 염소와 아염소산나트륨을 원료로 하여 생성하는 염소-아염소산염법, 염산과 같은 산, 차아염소산염 및 아염소산염을 원료로 하는 산-차아염소산염-아염소산염법, 염산과 같은 산과 아염소산염을 원료로 하는 산-아염소산염법 등이 있다.
염소-아염소산염법은 유지관리비가 저렴하고 95〜98%의 고수율의 이산화염소를 생성할 수 있으며 반응시간이 빠르고 부산물 생성량이 상대적으로 적고 중화설비를 필요로 하여 주로 중대규모의 처리시설에 적합하다.
산-차아염소산염-아염소산염법은 92〜98%의 비교적 높은 수율과 부산물 생성량이 적으나 원료탱크의 수가 많아 넓은 시설면적을 필요로 하며 공정 제어가 어렵다는 단점이 있다.
산-아염소산염법은 공정이 간단하고 유지관리비가 편리하며 소규모설비에 적합하나 생성수율이 80% 이하로 다소 낮은 편이며 반응속도가 늦어 부산물의 발생 비율이 상대적으로 높다는 단점이 있다.
이 외에도 전기화학적인 생성법이 있으나 유지관리가 편한 반면 전력소비량과 생성수율이 다소 낮은 편이다.
미국 식품의약국(FDA)에서는 염소-아염소산염법 등의 3가지의 발생방식으로 생성한 이산화염소수를 허용하고 있다. 국내에서는 옥시펌(Oxiperm), 벨로 존(Bello Zon) 등의 수입 발생장치외에도 (주)더존이엔티(주) 등의 시설업체가 국내기술로 개발한 발생장치가 있으며 주로 정수장이 하수처리장 등의 환경분야에 적용되고 있다. 식품공장의 위해미생물 저감 및 억제를 위한 살균소독에 있어서는 아직 Pilot 설비 적용단계이다.
이산화염소의 살균력은 높은 산화력에 의한 것이다. 이산화염소는 티로신(tyrosine), 메티오닐(methionyl) 또는 시스테인(cysteine)을 함유하는 단백질을 직접적으로 산화하는 것으로 추정하고 있다.
이는 대사에 관여하는 효소(metabolic enzyme)나 막 단백질(membrane protein)의 구조적으로 중요한 영역을 손상시킨다. 일차적인 살균소독 메카니즘에서는 아미노산인 시스테인, 트립토판(tryptophan) 및 타이로신(tyrosine)을 쉽게 산화시키지만 바이러스의 RNA까지는 산화시키지 않는다.
이차적인 메카니즘은 생리적 기능에 대한 것으로 단백질 합성을 저해한다는 것이었으나, 최근의 연구 결과에서는 외막의 투과성(permeability of outer membrane)을 저해한다는 연구 결과도 보고된 바 있다. 이산화염소는 pH 8.5에서도 이온화되지 않아 살균력이 지속되며 일반적으로는 5〜32oC의 범위에서 온도상승에 따라 살균력이 증가한다.
이산화염소는 연구의 초기 단계부터 정수처리를 중심으로 연구가 진행되어 식품의 전처리 또는 식품미생물과 관련된 연구가 상대적으로 부족한 편이다. 관련된 다수의 연구에서 식품 유래의 병원성 미생물과 부패에 관여하는 미생물의 영양세포과 포자에 대해 효과적인 살균소독제로 평가되었다. 이산화염소로 처리한 고초균(B. subtilis)이 초기 단계의 포자 발아는 일어나지만 맹아(outgrowth)가 발생하지는 않는다는 연구결과가 보고되어 있으며 이는 막손상에 의한 것으로 추정하고 있다.
대장균(Escherichia coli), 포도상구균(Staphylococcus aureus), 고초균 등의 세균의 불활성화 속도에 차이가 발생하는 것은 미생물의 펩티도글리칸 구조의 차이로 인해 이산화염소에 대해 가지는 저항성이 다르기 때문이다.
원료 농수산물 또는 전처리에 대한 연구 결과를 살펴보면 이산화염소 가스가 주스 저장 탱크 표면의 미생물을 106 CFU/cm2 이상 효과적으로 감소시킬 수 있었으며, 105 CFU/cm2의 피망(green pepper) 표면을 이산화염소 가스로 감소시킬 수 있다고 하였다.
또한 이산화염소 가스 7.2mg/L로 10분, 또는 3.3mg/L로 20~30분 처리로 105log의 미생물군수 감소 효과가 있음을 보고하였다. 회분식 또는 연속식 이산화염소 가스 처리에서 딸기에 3.0 mg/L의 이산화염소 처리로 5 log 이상의 E. coli O157:H7과 리스테리아 모노사이토제니스(L. monocytogenes)의 감균효과가 보고된 바 있다.
한편, 200ppm의 이산화염소수, 0.5% 염화 세틸피리디늄(cetylpryridinium chloride), 2% 젖산(lactic acid) 및 10% 트리소듐 포스페이트(trisodium phosphate)의 병용처리에 따른 쇠고기의 품질 변화를 검토한 결과 미생물 감균 효과뿐만이 아니라 쇠고기의 품질수명을 연장하는 효과도 있다고 하였다. 가금육의 냉각수로 이산화염소수를 사용한 결과 5ppm의 이산화염소가 34ppm의 염소보다 효과적이었다는 연구결과가 있다.
연구자들이나 대상 식품, 실험조건, 사용농도 등에 따라 살균력에 대한 결과는 다소의 차이가 있으나 이산화염소수는 신선 과실이나 채소류에서 2log CFU/g 수준, 이산화염소는 2〜5log CFU/g 수준의 살균력을 가지는 것으로 평가되는 것이 일반적이다.
또한, 음용수 처리에서는 폴리오 바이러스(Poliovirus)I형, 콕사키바이러스(Coxsackie)B1형, 아데노바이러스(Adenovirus) 7형 등의 바이러스와 조류 및 동물성 플랑크톤의 살균에 염소를 대체할 수 있는 효과적인 살균소독제로 평가되었다. HAV(Hepatitis A virus)의 불활성화는 5‘NTR의 상실 또는 항원성(antigenicity)의 파괴에 기인한 것으로 추정하고 있다.
