Pasteurized Milk Quality Evaluation and Health Risk Assessment of Heavy Metals Using Monte Carlo Simulation and Sensitivity Analysis in Iran Market

기술 요약: 몬테카를로 시뮬레이션 및 민감도 분석을 이용한 이란 시장 내 살균 우유의 품질 평가 및 중금속 건강 위해성 평가

문제 제기
식품 안전은 공중 보건의 결정적인 요소이며, 특히 우유와 같은 필수 식이 성분의 화학적 오염 통제와 관련하여 매우 중요합니다. 우유는 주요 영양원인 동시에, 환경 오염, 산업 활동 및 가공 장비에서 기인하는 독성 중금속 및 메탈로이드(비소 등)의 잠재적 운반체 역할을 할 수 있습니다. 이란의 우유 소비량(연간 1인당 약 25.05kg)이 상당함에도 불구하고, 이란 시장에서 유통되는 상업용 살균 우유 브랜드의 중금속 함량과 그에 따른 건강 위해성을 종합적으로 평가하는 연구는 부족한 실정입니다. 기존 문헌은 주로 생우유나 제한된 종류의 금속에 집중해 왔으며, 상업용 살균 제품으로부터 발생하는 발암성 및 비발암성 노출 위험에 대한 구체적인 특성은 충분히 규명되지 않았습니다.

연구 방법론
본 연구는 중금속 오염 및 관련 건강 위해성을 평가하기 위해 엄격한 정량적 접근 방식을 채택하였습니다.

• 시료 채취: 이란 전역의 9개 주요 상업 브랜드로부터 총 216개의 살균 우유 시료를 수집하였습니다. 시료 설계는 2021년 겨울부터 2022년 가을까지의 4계절(겨움, 봄, 여름, 가을)을 포함하였습니다. 시료는 저지방(1%)과 전지(3%)의 두 가지 지방 함량 변형을 포함하며, 각각 108개의 시료를 확보하였습니다.
• 분석 기술: 산 분해 과정을 거친 후 유도 결합 플라즈마 발광 분광법(ICP-OES)을 사용하여 중금속(Fe, Al, Ni, Cu, Pb, Zn, Hg, Cd, Co, Cr, As)을 정량화하였습니다. 방법 검증을 위해 인증 표준 물질(CRM)과 회수율 확인(80–120%)을 수행하였습니다.
• 위해성 평가 모델:
  • 비발암성 위해성: 미국 환경보호청(US EPA) 가이드라인에 따라 추정 일일 섭취량(EDI), 위해 지수(THQ), 위해 지표(HI)를 사용하여 계산하였습니다.
  • 발암성 위해성: 암 발생 계수(OSF)를 사용하여 비소(As), 납(Pb), 수은(Hg)에 대한 발암성을 평가하였습니다.
  • 확률론적 모델링: 점 추정치에 내재된 불확실성을 해결하기 위해, Crystal Ball 소프트웨어를 통한 몬테카를로 시뮬레이션(10,000회 반복)을 활용하여 위험 분포를 모델링하였습니다.
  • 민감도 분석: 입력 변수(금속 농도, 섭취율, 체중, 노출 기간)가 최종 위해 결과에 미치는 상대적 영향력을 결정하기 위해 수행되었습니다.

주요 결과

• 오염 수준:
  • 카드뮴(Cd): 모든 시료에서 검출 한계 미만으로 나타났습니다.
  • 표준 초과: 납(Pb), 수은(Hg), 구리(Cu)의 평균 농도는 모든 계절에 걸쳐 세계보건기구(WHO) 및 식품농업기구(FAO)가 설정한 기준치를 초과했습니다. 구체적으로, Cu 농도는 가을과 겨울에 0.2 mg/L 제한치를 초과하였고, Pb는 19개 시료에서 0.02 mg/L 제한치를 초과하였으며, Hg는 검출된 모든 시료(100%)에서 0.01 mg/L 제한치를 초과하였습니다.
  • 계절적 변동: Al, As, Cr, Cu, Fe, Zn에서 유의미한 차이($p < 0.05$)가 관찰되었습니다. 대부분의 금속(Al, Cr, Cu, Fe, Zn)은 추운 계절(겨울/가을)에 높은 농도를 기록한 반면, 비소 농도는 봄에 정점에 도달했습니다.
  • 지방 함량: 저지방과 전지 우유 유형 간의 중금속 농도에는 유의미한 차이가 발견되지 않았습니다($p > 0.05$).
• 건강 위해성 평가:
  • 비발암성 위해성: 모든 계절에 걸쳐 어린이와 성인의 위해 지수(HI)가 임계값 1 미만($HI < 1$)으로 나타나, 해당 살균 우유 시료 섭취로 인한 유의미한 비발암성 위험은 없는 것으로 나타났습니다.
  • 발암성 위해성: 총 발암 위험(TCR)은 "중등도" 범위($10^{-4}$ ~ $10^{-6}$)에 속했습니다. 평균 확률 위험은 어린이의 경우 $1.41 \times 10^{-4}$, 성인의 경우 $6.7 \times 10^{-5}$였습니다. 이는 우유를 통한 중금속 노출로 인해 약 10,000명 중 1명의 어린이와 100,000명 중 7명의 성인이 암에 걸릴 수 있는 잠재적 위험을 시사합니다.
• 민감도 분석: 비소(As)가 발암 위험을 유발하는 데 가장 영향력 있는 변수로 식별되었으며, 두 연령층 모두에서 위험의 약 89%를 차지했습니다. 다른 매개변수들의 영향은 15% 미만이었습니다.

의의 및 주장
본 논문은 이란 시장의 살균 우유가 즉각적인 비발암성 위협을 가하지는 않지만, 중금속 오염으로 인해 잠재적인 중등도 암 위험이 존재한다고 주장합니다. 본 연구는 납, 수은, 구리와 같은 금속의 존재와 더불어, 매우 높은 영향력을 가진 비소가 해당 샘플들을 암 위험 측면에서 안전하지 않게 만든다는 점을 강조합니다.

저자들은 현재의 결과가 우유 및 유제품의 중금속 함량에 대한 지속적인 모니터링의 필요성을 강조한다고 결론지었습니다. 이러한 모니터링은 식품 안전을 유지할 뿐만 아니라, 인류 건강 증진을 목적으로 하는 의사결정을 뒷받침할 데이터 기반의 근거를 제공하는 데 필수적입니다. 본 연구는 확률론적 모델링을 이용한 발암성 위해성 평가를 통해 지역적 문헌의 공백을 메움으로써, 이란 내 상업적 우유 소비의 구체적인 건강 영향을 이해하는 데 있어 중요한 단계로 자리매김하고 있습니다.