사랑과 열정으로 더불어 함께 하는 세상 만들기 - 율촌재단(栗村財團)

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(1)대용량 회분식 및 연속식 광펄스 살균시스템을 이용한 분말 및 액상식품의 비가열 살균. 정 명 수. 이화여자대학교 식품공학과. 1. 서론 1.1. 연 구 의 목 적  식품의 안전성 및 보존성을 효과적으로 향상시키기 위하여 위해 세균을 제거하거나 유통 중 생육을 억제하는 방법으로 식품업계에서는 전통적으로 가열, 건조, 냉동 등의 물리적 방법이나 식품 보존제의 첨가와 같은 화학적 방법을 사용하고 있음.  그러나 이러한 기술들은 라면 스프, 고춧가루, 쌀 등 분말 신선식품 및 생수, 막걸리, 녹차 음 료 등 기능성 액상식품의 살균에는 적용하기 어려울 뿐만 아니라 식품 고유의 가치를 떨어뜨 리는 요인이 되며, 식품 보존제의 사용에 있어서도 소비자들의 가공식품에 대한 기대수준이 높 아짐에 따라 그 사용한도가 점차 제한되고 있음.  비가열 분말 및 액상식품의 경우 제조 공정의 특성상 멸균된 식품이 될 수 없으므로 소비자가 섭취하기 이전에 위생적인 안전성에 각별한 관리가 필요한 실정임.  이러한 문제점을 해결하기 위해 세계적으로 여러 가지 비열처리 기술에 대한 연구와 실용화가 이루어지고 있으나, 각종 비가열 살균기술들이 동시에 모든 종류의 식품살균에 적용될 수 없다 는 단점을 가지고 있음.  본 연구팀은 이미 실험실 규모의 광펄스 살균시스템을 이용하여 비가열 식품에서 특히 문제가 되고 있는 위해세균의 저감화 및 여러 신선식품에 대한 광펄스 기술의 살균효과에 대한 기초. 대용량 회분식 및 연속식 광펄스 살균시스템을 이용한 분말 및 액상식품의 비가열 살균. 49.

(2) 연구결과를 확보하고 있음.  또한, 본 연구팀은 전기 전자 관련 기업체와의 공동연구를 통해 최근 산업적 모델로서의 적용 이 가능한 대용량 회분식 및 연속식 광펄스 살균시스템을 개발하였고, 대용량 시스템에서의 광 펄스 연구를 위한 시스템 구축을 완료함.  따라서 본 과제는 실험실 규모의 광펄스 살균시스템에서 획득된 위해세균에 대한 살균효과 및 작동 인자가 대용량 회분식 및 연속식 광펄스 살균시스템에서도 동일하게 적용되는지를 우선 검증하고자 함.  동시에 라면 스프, 카레 분말, 고춧가루, 조미료 등 분말식품 및 생수, 막걸리, 녹차 음료, 과 일주스 등 기능성 액상식품의 살균에 영향을 미치는 다양한 작동 인자들을 최적화함으로써 실 제 식품공정 및 산업에 적용할 수 있는 광펄스 살균 기술 및 시스템의 실용화 기반을 마련하 고자 함.. 1.2. 연 구 의 배 경  21세기에 들어서면서 사람들은 건강, 환경, 자연을 중시하고 지키려는 흐름이 두드러지고 있 음. 그리고 현재 사람들에게 많이 발생하는 비만, 성인병, 암 등의 질병이 점차 증가함에 따라 어떻게 건강을 유지하고 질병을 예방할 것인가에 대한 관심이 더욱 증대되고 있고 특히 건강 에 대한 패러다임도 과거 “질병치료형”에서 “질병예방형”의 개념으로 바뀌면서 보다 삶의 질 을 높일 수 있는 건강에 대한 관심이 더더욱 증폭되고 있음.  그 선두에 자연건강을 지향하는 각종 생식, 건조스프 및 영·유아식 등 비가열 분말 신선식품 들이 이의 영양학적 잠재가치 혹은 질병예방 효과를 가진 자연주의 음식문화로 인식되고 있음.  특히 세계의 장수마을이나 특수식사를 섭취하고 있는 종교인이나 특수 집단에서는 심장병, 당 뇨병 등의 성인병이 적게 발생하는데 이에 대한 연구 및 관심이 증가하고 있으며, 이러한 사람 들은 주로 생식과 채식을 섭취하고 현대인들이 주로 섭취하는 인스턴트 식품이나 과다한 육식 을 섭취하지 않음으로서 현대인들의 식생활에 의하여 발생하는 성인병을 예방할 수 있을 것으 로 보고 있음.  비가열 분말 신선식품은 정제도가 낮은 곡류나 과채류를 원료로 하고 가열 등의 물리적 가공 을 최소화함으로써 식물성 원료에 함유되어 있는 단백질, 탄수화물, 식이섬유, 비타민, 미네랄, 효소, 엽록소 등의 각종 영양소 및 기능성 물질을 최대한 보존하여 이를 섭취하였을 때 유효한 생리적 기능성을 기대할 수 있도록 구성된 식품임.. 50. 2012년 기초연구과제총서.

(3)  또한, 막걸리 및 녹차 음료와 같은 기능성 액상 식품의 경우도 분말 신선식품과 마찬가지로 다 양한 유용 미생물 및 생리 활성 물질을 포함하고 있으므로 비가열 살균공정의 적용은 이들 기 능성 식품의 품질 및 가치 상승의 측면에서 매우 중요한 사안임.  따라서 이들 비가열 분말 및 액상식품은 기존 곡류 가공식품과는 구분되는 일종의 건강식품으 로 인식되고 있으며, 건강지향의 자연식, 채식 등의 식문화 확산과 더불어 최근 그 소비량이 급속히 증가하는 추세에 있음.  비가열 분말 신선식품은 유통기간 연장을 위한 가열살균을 하지 않으며 섭취 시에도 조리를 하지 않고 물이나 우유에 희석하여 음용하거나 원료로서 식품가공에 직접 첨가하는 경우가 대 부분이므로 분말의 원료 및 제조공정에서 혼입된 유해한 미생물에 의해 식성병해를 일으킬 가 능성이 매우 큼.  또한 제조된 완제품에 살균 목적의 첨가물도 포함되지 않으므로 다른 어떤 가공식품보다 위생 적 처리공정과 절대적인 냉장 유통 및 단기간에 소비할 수 있는 유통구조가 요구되며, 이러한 점이 비가열 분말 및 액상식품 산업의 확대를 가로막는 가장 큰 장애 요인으로 작용하고 있음.  비가열 분말 신선식품의 원료인 곡류와 과채류 등에는 각 원료에 따라 차이는 크지만 곰팡이,. Bacillus, Pseudomonas 등의 토양미생물이 102~105 cfu/g 내외로 분포하며 병원성 미생물 의 분포 가능성도 높은 것으로 보고되고 있으며 소비자 단체의 조사에 의하면 일부 시판생식 에서 식중독균인 Bacillus cereus가 검출되었고, 포자형성균과 대장균군도 검출되어 이들 제품 들의 미생물학적 안전성에 대한 문제가 제기된 바 있음.  또한 이들에 대한 관련 법규 및 규격 설정이 미흡한 상태로 무분별한 제품 가공 및. 판매로. E. coli, Listeria 등 채소류에 특이적인 식중독균으로부터 소비자의 안전성이 위협받게 될 것 으로 예상됨.  현재 비가열 분말 신선식품의 제조 공정 중 미생물의 생육을 억제할 수 있는 유일한 공정은 최조 원료의 세척처리 공정에 한하고 있음. 따라서 가능한 생산지 (농장)에서부터 외부 오염원 을 최대 차단한 상태로 제조 공장 내 입고되어야 하며, 입고 후 최단 기간 내 제조해야 하는 제조상의 어려움을 지니게 됨.  따라서 이들 비가열 분말 및 액상 신선식품산업의 가장 우선적인 관심사항은 이들의 품질 및 위생기준의 설정과 안전성 확보를 위한 위해 미생물 저감화 또는 살균 기술의 개발임.  현재 식품산업에서 실용화를 위해 연구되고 있는 비열처리 가공기술 중 대표적인 물리적 방법 으로는 초고압 (high hydrostatic pressure), 고전압 펄스 전기장 (high voltage pulsed electric field), 진동 자기장 (oscillating magnetic fields), 조사법 (ionizing radiation), 광 펄스 (high-intensity pulsed light), 광촉매 산화반응 (photocatalytic oxidation) 등이 있으. 대용량 회분식 및 연속식 광펄스 살균시스템을 이용한 분말 및 액상식품의 비가열 살균. 51.

(4) 며, 화학적인 방법에는 이산화탄소, 박테리오신, oxidizer, alcohol, 염소소독, 전해수, 오존수 등에 의한 살균 등이 있음.  그러나 이러한 기술들은 각각 대상 식품에 따라 그 적용 식품분야가 다르며 동시에 모든 식품 분야에 적용할 수 없다는 단점을 가지고 있으며, 건조스프, 고춧가루, 생식 및 영·유아식의 경우 효과적인 살균 방법에 대한 연구가 거의 없는 실정임.  따라서 현재의 가열살균 기술로는 적용하기 힘든 비가열 분말 신선식품에 대한 맞춤형 적용연 구는 식품업계의 고충을 해결해 주기 위한 이유에서뿐만 아니라 소비자들에 보다 안전한 식품 을 제공하여 자국민의 건전한 식문화를 창달하기 위한 대승적인 차원에서도 하루속히 이루어져 야 할 것으로 사료됨.  광펄스 기술은 “intensed light pulse”, “pulsed white light (WHL)”, “broad-spectrum white light” 등 여러 가지 이름으로 불림. 광펄스에서 사용되는 빛의 영역은 170 - 2600 nm의 범위로서 자외선 (UV) 영역뿐만 아니라 근적외선 (NIR) 영역까지 포함한다는 점에서 기 존의 UV 살균과는 구별되며, 그에 비해 월등히 높은 살균력을 가지는 것으로 알려지고 있음. 2.  광펄스 처리 시 0.01 - 50 J/cm 범위의 에너지밀도 (energy density)를 가지는 pulse가 1 µs - 0.1 s의 간격으로 1 ~ 20회의 flash 형태로 물질에 가해지며, 광원으로는 일반적으로 450 torr 정도의 압력으로 Xenon이 채워진 clear fused quartz tube가 사용됨.  이 기술의 근본적인 원리는 전 파장의 강한 빛을 아주 짧은 시간 안에 가하여 식품의 표면을 sterilizing시키거나 표면 미생물 수를 감소시키는데 있으며, 제품의 유통기한을 연장하고 품질 을 높이기 위한 목적으로 사용되며 식품표면의 살균뿐만 아니라 포장재나 투명한 약품의 살균 에도 사용될 수 있음.  광펄스 기술의 살균력은 빛의 파장, 강렬한 정도, pulse의 수와 주기, 시료와 광원 사이의 거 리와 포장재와 식품의 종류, 액체시료의 경우 투명도, 색 등에 의해서 결정되며 제품의 종류와 살균하려는 면적에 따라 lamp의 수와 배치, pulse 주기가 달라짐.  광펄스 기술에 의한 미생물 사멸 기구는 아직 구체적인 이론이 정립되지 않았으나 기존의 UV 살균의 경우와 마찬가지로 빛을 쪼여 세포의 DNA 구조를 파괴함으로써 미생물이 사멸되는 것 으로 보고 있음. 다만 UV 살균의 경우 손상된 DNA가 특정 환경에서 cell repair system을 발동시켜 정상 상태로 회복될 수 있는 확률이 매우 큰 반면, 광펄스 살균은 UV 살균보다 월 등히 큰 손상을 주어 미생물이 회복될 수 있는 확률을 훨씬 낮추어 주기 때문에 UV 살균법에 비해 효과적으로 미생물을 제어할 수 있는 것으로 알려져 있음.. 52. 2012년 기초연구과제총서.

(5) 1.3. 국 내 ㆍ 외 연 구 동 향  현재 국내에서는 광펄스 기술에 대한 연구가 매우 미미한 실정이지만, 미국 등 일부 선진국에 서는 광펄스 기술을 포장재, 식품, 약품 등의 표면 살균에 소규모로는 일부 적용하고 있으며 대용량으로의 산업화를 서두르고 있음. 따라서 광펄스 살균기술의 적극적 연구 개발을 통한 국 제적 기술력의 우위 선점과 비가열 살균기술의 국제적 경쟁력의 강화가 요구됨.  Lactobacillus platarum, Lactobacillus brevis, Leuconostoc mesenteroids, Pediococcus. pentosaceus를 대상으로 한 연구는 15 - 25 kV, 1500 ㎲로 처리하였을 때 빛의 세기에 상 관없이 7 log 정도의 사멸율을 나타내었고, 시료 표면의 온도상승은 5℃ 미만으로 거의 나타 나지 않았다고 함.  국내에서 식품에 대한 전자빔 조사기술은 거의 적용되지 않고 있고 일부 소규모 연구진에 의 해서 인삼분말, 녹차, 고추장 분말, 계육가슴살 등 연구가 진행되고 있는 상황임.  현재 국내에 광펄스 살균 장치의 생산이나 산업적 적용 예는 아직 없으며, 대용량 광펄스 살균 장치의 개발 사례 또한 없음. 최근 본 연구팀을 중심으로 광펄스 살균 기술에 대한 다양한 연 구가 진행되고 있으며, 점차 살균 대상 미생물 및 식품의 범위를 확대하고 있는 상황임.  해외의 경우 광펄스 살균에 대한 약 20여 편 이상의 논문이 발표되고 있음.  발표된 논문에서는 병원성 미생물에 대한 살균효과가 일부 이루어지고 있으며, 일반적인 미생 물 (yeast)에 대한 살균 효과에 대한 연구가 이루어지고 있음.  특허로는 Dunn 등이 1991년에 US Patent로 등록한 ‘Methods for preservation of foodstuffs’가 있으며, 특허내용은 광펄스를 이용하여 식품에 존재하는 미생물과 효소를 불활 성화하는 방법, 기구, 포장 등과 관련된 일반적인 사항임.  미국의 Purepulse사에서 1997년에 물의 살균에 연속식 처리시스템에 대한 개념도와 bench scale의 시스템이 설치된 것으로 보고되었으나 그 후 실제 시스템에 대한 설명이 이루어진 적 이 없음.  현재 Maxwell사에서 PureBright 시스템이라는 광펄스 살균장치를 개발하여 pharmaceutical 제품의 살균에 응용하여 batch system을 상용화하였으나, 식품용으로 판매되고 있는 시스템 은 현재 전무하며, 의약품 살균이외에 산업적 적용은 초기 단계로 판단됨.  미국 FDA에서는 광펄스 살균 기술의 사용 권고 기준을 마련해 놓았음 (Food and Drug Administration Issues Approval for Pulsed UV Light in the Production, Processing and Handling of Food [Code 21CFR179.41]).. 대용량 회분식 및 연속식 광펄스 살균시스템을 이용한 분말 및 액상식품의 비가열 살균. 53.

(6) 1.4. 연 구 의 목 표  실험실 규모의 광펄스 살균시스템에 의한 대표적 병원성 위해세균의 저감화 효과 및 각종 식 품 및 식품 원료의 살균 효과에 대해 구축된 데이터베이스를 이용하여 산업적 모델로서 적용 가능한 대용량 회분식 및 연속식 광펄스 살균시스템의 살균 효과를 비교 검증하고자 함.  대용량 회분식 및 연속식 광펄스 살균시스템을 이용하여 살균 모델식품으로서 라면 스프, 고춧 가루, 쌀 등 분말 신선식품 및 생수, 막걸리, 녹차 음료 등 기능성 액상식품의 살균에 영향을 미치는 다양한 인자들을 최적화하고, 이를 바탕으로 실제 식품공정에 적용할 수 있는 비가열 광펄스 살균 기술의 이론적 배경 확립 및 산업화 공정을 위한 시스템의 실용화 기반을 마련하 고자 함.. 2. 실험방법 2.1. 연 구 의 내 용  실험실 규모의 광펄스 살균시스템을 통해 구축된 살균효과 데이터베이스를 바탕으로 식품 및 식품 원료에서 문제시 되고 있는 대표적 병원성 위해세균인 Escherichia coli O157:H7,. Listeria monocytogenes, Bacillus cereus, Pseudomonas aeruginosa 등에 대한 대용량 회 분식 및 연속식 광펄스 살균시스템의 살균효과를 비교 검토함.  실험실. 규모의. 광펄스. 살균시스템과. 대용량. 광펄스. 살균시스템의. 미생물. 사멸. 기작. (mechanism)을 전자현미경을 통한 세포구조 파괴 연구 및 세포내 거대분자의 세포외 유출 연 구 등 생리학적인 방법으로 비교 분석함으로써 대용량 광펄스 살균시스템을 식품의 산업적 살 균공정에 적용시킬 수 있는 학문적 또는 이론적 배경을 확립함.  실제 시장에 유통되고 있는 라면 스프, 고춧가루, 카레분말, 조미료 등 비가열 분말식품 및 생 수, 막걸리, 녹차 음료, 과일주스, 우유 등 기능성 액상식품을 모델식품으로 선정하여 대용량 회분식 및 연속식 광펄스 살균시스템에 의한 살균효과를 검토하고, 실험실 규모의 광펄스 살균 시스템과의 살균 효율을 비교 분석함.  식품의 종류에 따른 광펄스 처리 조건을 설정하기 위해 실험실 규모의 광펄스 살균시스템에서 power supply의 종류에 따른 빛의 전압, 펄스 폭, 에너지밀도, 일반 세균 (Pseudomonas. aeruginosa)에 대한 살균도 등 스펙을 측정함과 동시에 현 power supply의 스펙 분석 및 식. 54. 2012년 기초연구과제총서.

(7) 품 살균 효과의 결과를 바탕으로 현 광펄스 살균시스템의 단점을 보완함으로써 식품 살균에 더욱 효율적인 새로운 광펄스 시스템을 구축함.  선정된 모델식품에 대한 대용량 회분식 및 연속식 광펄스 살균시스템의 살균효과에 영향을 미 치는 다양한 주요 공정요소 (처리 에너지밀도, 총 투입 에너지, 처리 시간, 램프와 시료간의 거리, 램프 간의 간격, 단일 및 다중 램프의 광펄스 변화)를 최적화하고, 이를 바탕으로 실제 식품공정에 적용할 수 있는 비가열 광펄스 살균 기술의 이론적 배경 확립 및 산업화 공정을 위한 시스템의 실용화 기반을 마련함.. 2.2 연 구 의 방 법  대용량 광펄스 살균시스템의 살균효과 검증을 위한 생균수 측정 - Escherichia coli O157:H7, Listeria monocytogenes, Bacillus cereus, Pseudomonas. aeruginosa 등의 균주 배양을 위해 TSB (Tryptic soy broth) 배지를 사용하였음. - 각 위해세균의 최적 생육조건에서 대수증식기 후반까지 배양하여 균을 수거하고 4℃에서 보 관 후 예측된 희석배수에서 균체 희석을 통한 TSA spreading을 행함. - IPL 처리 전후의 시료를 37℃ incubator에서 48시간 동안 배양 후 생균수 측정.  대용량 광펄스 살균시스템 - 광펄스 살균시스템은 pilot-scale로 자체 설계 및 제작되었으며, 효과적인 살균을 위해 시료 에 가해지는 에너지를 고려하여 액상식품용 power 및 분말식품용 power를 각각 별도로 제 작하였음. - 광펄스 처리를 위해 사용한 광원(lamp)은 59 kPa의 압력으로 Xenon을 충진한 quartz 재질의 Heraeus Noblight Series를 사용하였으며, lamp의 크기는 147 mm × 7.14 mm임 [그림 1].. [그림 1] 광펄스 처리 시스템에 사용된 Xenon lamp.. 대용량 회분식 및 연속식 광펄스 살균시스템을 이용한 분말 및 액상식품의 비가열 살균. 55.

(8)  액상식품의 처리를 위한 대용량 광펄스 살균시스템의 전체 플랜트 구성은 파워시스템, chamber, pump, controller로 구성됨 [그림 2].. [그림 2] 액상처리 대용량 광펄스 살균시스템의 플랜트 구성.  대용량 광펄스 살균시스템을 이용한 액상식품의 살균을 위한 액상 chamber는 [그림 3]와 같 으며, 표시된 빨간 사각 box는 [그림 4]과 같이 batch type과 [그림 5]와 같이 continuous type의 독립적인 cell을 장착하여 처리하도록 설계되었음.. [그림 3] 전체적인 액상 chamber의 구성. 56. 2012년 기초연구과제총서.

(9) Batch type cell. 10mm batch. 50mm batch. [그림 4] 액상 chamber의 batch type cells. Continuous type cell. 10mm관 타입. 5mm관 타입. [그림 5] 액상 chamber의 continuous type cells. 대용량 회분식 및 연속식 광펄스 살균시스템을 이용한 분말 및 액상식품의 비가열 살균. 57.

(10)  분말식품의 처리를 위한 대용량 광펄스 살균시스템의 전체 플랜트 구성은 파워시스템, chamber, controller로 구성되었으며 [그림 6], 분말 pilot plant의 내부 및 chamber의 모습 은 [그림 7]과 같이 설계되었음.. [그림 6] 분말처리 대용량 광펄스 살균시스템의 플랜트 구성. [그림 7] 분말처리 대용량 광펄스 살균시스템의 내부 및 chamber. 58. 2012년 기초연구과제총서.

(11)  오프라인으로 터치스크린을 통해 컨트롤할 수 있으며 통신을 통해 원격으로 제어할 수 있는 원격제어 모니터링 [그림 8]을 구성하였고, 개별 및 전체 셋팅 [그림 9]이 가능하도록 시스템 을 구축하였음.. [그림 8] 모니터링 및 통신 제어 프로그램. [그림 9] 전체 시스템 셋팅 프로그램.  대용량 광펄스 살균시스템에 의한 미생물 사멸기구의 생리학적 연구 - 모델 위해세균을 이용한 사멸기구를 연구 - 전자현미경(TEM)에 의한 세포막 및 세포내 소기관 등 세포 구조 파괴 측정 - 세포 내 단백질 등 거대분자의 세포 외 유출도 측정 - 포자 형성 등 세포 발달과정에 미치는 영향 연구 - 소형 광펄스 살균시스템과의 세포 파괴도 비교. 대용량 회분식 및 연속식 광펄스 살균시스템을 이용한 분말 및 액상식품의 비가열 살균. 59.

(12)  모델 식품에 대한 광펄스 기술의 적용 시험 - 시장 유통 라면 스프, 고춧가루, 쌀 등 비가열 분말식품의 선정 - 생수, 막걸리, 녹차 음료 등 기능성 액상식품의 선정 - 실험실 규모의 광펄스 살균시스템과의 살균 효율을 비교 분석 - 위해 세균 저감화 효과 확인: 위해 세균별, 제품 종류별 - 대용량 광펄스 살균의 주요공정요소 및 공정조건의 분석과 최적화 - 처리 에너지 밀도, 총 투입 에너지, 처리 시간, 램프와 시료간의 거리 검토 - 램프 간의 간격, 단일 및 다중 램프의 광펄스 변화 검토 - Scale-up에 필요한 사항들의 체계적 정리 및 실용화를 위한 기초자료 마련. 3. 결과 및 고찰 3.1. 대 용 량 광 펄 스 살 균 시 스 템 에 의 한 위 해 세 균 의 살 균 효 과 비 교 검 증 3.1.1. E. coli O157:H7과 Listeria monocytogenes에 대한 살균효과 검증  위해세균 E. coli O157:H7과 Listeria monocytogenes에 대한 살균효과 검증이 batch type 2. pilot-scale IPL system에서 처리조건을 5 Hz, 1.55에서 8.75 mJ/cm /s로 에너지밀도를 달리하여 수행되었으며, 결과는 [그림 10]에서 보는 것과 같이, 살균시스템의 에너지 밀도가 높아질수록, 처리 시간이 길어질수록 높은 사멸률을 나타냄. 2.  [그림 10A]와 같이, E. coli O157:H7의 경우는 1.55 mJ/cm /s의 에너지밀도에서 5 Hz, 2. 180초 동안 처리 후 대략 4 log 정도의 사멸 결과를 얻었으며, 8.75 mJ/cm /s의 에너지 밀 도에서 5 Hz, 150초 동안 처리 후 대략 6 log 정도의 사멸 효과를 확인함. 2.  또한, [그림 10B]에서와 같이, Listeria monocytogenes의 경우는 1.55 mJ/cm /s의 에너지 밀도에서 5 Hz, 300초 동안 처리 후 대략 3.5 log 정도의 사멸 결과를 얻었으며, 8.75 2. mJ/cm /s의 에너지 밀도에서 5 Hz, 180초 동안 처리 후 대략 6 log 정도의 사멸 효과를 확 인함.. 60. 2012년 기초연구과제총서.

(13) [그림 10] 광펄스 살균시스템에 의한 E. coli O157:H7 (A)과 L. monocytogenes (B)의 살균 3.1.2. Bacillus cereus와 Pseudomonas aeruginosa에 대한 살균효과 검증  위해세균 Bacillus cereus와 Pseudomonas aeruginosa에 대한 살균효과 검증이 batch type pilot-scale IPL system에서 수행되었으며, 결과는 [그림 11]에서 보는 것과 같이, 에너지 밀 도가 높아질수록, 그리고 처리 시간이 길어질수록 높은 사멸률을 나타냄.  [그림 11A]와 같이, 위해세균 Bacillus cereus의 경우 1.55 mJ/cm2/s의 에너지밀도에서 5 Hz, 150초 동안 처리 후 대략 2.5 log 정도의 사멸 결과를 얻었으며, 8.75 mJ/cm2/s의 에 너지 밀도에서 5 Hz, 150초 동안 처리 후 대략 5.5 log 정도의 사멸 효과를 확인함.  또한, [그림 11B]와 같이, 위해세균 Pseudomonas aeruginosa에 대한 살균효과 검증 결과, 1.55 mJ/cm2/s의 에너지밀도에서 5 Hz, 210초 동안 처리 후 대략 4.5 log 정도의 사멸 결 2. 과를 얻었으며, 8.75 mJ/cm /s의 에너지밀도에서 5 Hz, 150초 동안 처리 후 대략 6 log의 사멸 효과를 확인함.. 대용량 회분식 및 연속식 광펄스 살균시스템을 이용한 분말 및 액상식품의 비가열 살균. 61.

(14) [그림 11] 광펄스 살균시스템을 이용한 B. cereus (A)와 P. aeruginosa (B)의 살균. 3.2. 대 용 량 광 펄 스 살 균 시 스 템 에 의 한 미 생 물 사 멸 기 작 의 비 교 분 석 3.2.1. Transmission electron microscopy (TEM)을 이용한 사멸기작 분석  광펄스 처리 전의 미생물과 lab-scale 및 pilot-scale IPL system을 이용한 광펄스 처리 후,. Bacillus cereus, Listeria monocytogenes, E. coli O157:H7, Pseudomonas aeruginosa의 미생물 형태학적 비교 분석을 통해 pilot-scale 광펄스 살균시스템의 세포 파괴효과를 lab-scale 처리 장치와 비교 검증하고자 하였음. 2.  세포 내부의 변화를 관찰하기 위해 광의 세기는 8.75 mJ/cm /s의 에너지밀도를 이용하였으 며, 300초 동안 처리 후 세포의 내부의 변화를 Transmission electron microscopy (TEM)을 이용하여 관찰하였음.  [그림 12]에서 보는 바와 같이 광펄스 처리를 하지 않은 control 세포는 세포벽과 세포막이 온 전하며, 세포 내 구성 물질이 고르게 존재하였으나, lab-scale 및 pilot-scale 광펄스 처리를 받은 세포들에서는 세포벽과 세포막의 구분이 불분명해졌으며, 세포 내 물질의 유실 및 세포막 부분의 파괴와 내용물의 외부 유출이 관찰됨.  이러한 세포벽과 세포막 손상에 의한 세포 내 물질 유출이 광펄스 사멸기작의 주요 요인인 것 으로 판단됨.. 62. 2012년 기초연구과제총서.

(15)  최종적으로, pilot-scale IPL system의 세포파괴 정도가 실험실 규모의 batch type 처리 장 치에 비해 결코 떨어지지 않으며, 거의 같은 형태의 세포벽 및 세포막 손상을 통해 세포 사멸 을 유도하는 것이 본 실험의 결과를 통해 검증됨 [그림 12].. (A). (B). (C). 1. 2. 3. 4. [그림 12] Lab-scale 및 pilot-scale 광펄스 처리를 통해 손상된 미생물 세포의 비교 분석. (A) control, (B) lab-scale IPL treatment, (C) pilot-scale IPL treatment. 1. Bacillus cereus, 2. Listeria monocytogenes, 3. E. coli O157:H7, 4. Pseudomonas aeruginosa.. 대용량 회분식 및 연속식 광펄스 살균시스템을 이용한 분말 및 액상식품의 비가열 살균. 63.

(16) 3.3. 분 말 식 품 에 대 한 대 용 량 회 분 식 광 펄 스 시 스 템 의 살 균 효 과 검 증 3.3.1. 카레분말(curry powder) 및 라면스프(ramen soup powder) 2.  88.87 mJ/cm /s의 에너지밀도를 가진 비가열 광펄스 살균시스템을 이용하여 카레분말에 존재 하는 Bacillus sp. 포함 총 균에 대한 살균 효과 검증이 수행되었음 [그림 13A].. [그림 13] 광펄스 살균시스템을 이용한 카레분말(A)과 라면스프(B)에서의 미생물 살균.  [그림 13A]에서 보는 바와 같이, 광펄스 살균시스템의 처리 시간이 600초까지 길어질수록 사 멸률의 증가가 관찰되었으며, 480초의 처리시간 후 대략 2.1 log reduction의 사멸 효과가 확 인되었음.  또한, 광펄스 살균시스템을 이용하여 국내 시판 라면에 포함된 라면스프에 존재하는 Bacillus sp. 포함 총 균에 대한 살균 효과 검증이 수행되었으며, 처리 시간에 따라 사멸률이 증가하는 것으로 관찰되었음 [그림 13B]. 2.  88.87 mJ/cm /s의 에너지밀도를 가진 광펄스를 600초 동안 처리하였으며, 처리시간 480초에 서 대략 2.0 log reduction의 사멸 효과가 확인되었음.. 64. 2012년 기초연구과제총서.

(17) 3.3.2. 조미료(seasoning) 및 생식(sengsik powder) 2.  국내 시판 조미료를 대상으로 88.87 mJ/cm /s의 에너지밀도를 가진 광펄스를 600초 동안 처 리하여 총균수에 대한 살균 효과 검증이 수행되었음.  [그림 14A]와 같이, 조미료에서는 360초의 광펄스 처리 후, 대략 2.0 log reduction의 사멸 효과가 관찰되었음.. [그림 14] 광펄스 살균시스템을 이용한 조미료(A)와 생식(B)에서의 미생물 살균. 2.  생식에 존재하는 Bacillus sp. 포함 총 균에 대한 살균효과가 88.87 mJ/cm /s의 에너지밀도 를 가진 광펄스를 600초 동안 처리함으로써 검증되었음.  [그림 14B]에서 보는 바와 같이, 480초의 광펄스 처리 후 생식에 존재하는 미생물에 대해 대 략 2.4 log reduction의 사멸 효과를 확인하였음.. 3.3.3. 분유(milk powder) 및 고춧가루(red pepper powder)  국내 시판 분유에 Bacillus sp.와 E. sakazakii 및 E. coli 등의 혼합균을 1.0 × 10. 3. 2. CFU/g 접종한 후, 88.87 mJ/cm /s의 에너지밀도를 가진 광펄스를 600초 동안 처리하여 분 유에 존재하는 총 균에 대한 살균효과를 검증하였음. [그림 15A]에서 보는 바와 같이 480초의 광펄스 처리 후 대략 1.9 log reduction의 사멸 효과가 확인되었음.. 대용량 회분식 및 연속식 광펄스 살균시스템을 이용한 분말 및 액상식품의 비가열 살균. 65.

(18)  또한, 고춧가루에 존재하는 총 균수에 대한 광펄스의 살균효과를 검증함. [그림 15B]에서와 같 2. 이, 광펄스 처리 시간이 600초까지 길어질수록 사멸률의 증가가 관찰되었으며, 88.87 mJ/cm /s 의 에너지밀도에서 360초의 처리 동안 대략 1.4 log reduction의 사멸 효과가 관찰됨.  고춧가루 시료에서 이전의 분말 시료들에 비해 낮은 사멸률이 관찰된 것은 고춧가루 입자의 크기가 균일하지 않고 구(球)의 형태를 갖고 있지 않아, 균일한 광펄스 처리가 제한된 것으로 사료됨.. [그림 15] 광펄스 살균시스템을 이용한 분유(A)와 고춧가루(B)에서의 미생물 살균. 3.4. 액 상 식 품 에 대 한 대 용 량 회 분 식 광 펄 스 시 스 템 의 살 균 효 과 검 증 3.4.1. 생수 (mineral water) 및 녹차 음료 (green tea beverage) 2.  생수에 접종된 위해세균 P. aeruginosa에 대한 살균효과 검증이 16.92 mJ/cm /s의 에너지 밀도에서 5초 동안 대용량 광펄스 살균시스템을 이용하여 수행되었으며, 실험 결과 2초 만에 7 log reduction의 사멸효과가 관찰되었음 [그림 16A].  생수와 같이 투명한 액상 식품의 경우 빛이 식품 내부로 투과되는 정도가 크기 때문에 높은 사멸 효과를 얻을 수 있는 것으로 사료됨.. 66. 2012년 기초연구과제총서.

(19) [그림 16] 광펄스 살균시스템을 이용한 생수(A)와 녹차 음료(B)에서의 미생물 살균.  회분식 광펄스 살균시스템을 이용하여 녹차 음료에 접종된 P. aeruginosa에 대한 살균 효과 검증이 수행되었으며, 처리 시간이 길어질수록 높은 사멸률이 관찰되었음. 2.  [그림 16B]에서 보여지는 것과 같이, 14.98 mJ/cm /s로 고정된 에너지밀도로 480초 동안 처 리하였을 때 대략 5.4 log의 사멸효과가 확인되었고, 600초 동안 처리하였을 때에는 대략 7 log reduction으로 균주가 거의 사멸된 것으로 확인하였음.. 3.4.2. 사과 주스 (apple juice) 및 오렌지 주스  국내 시판 사과 주스 및 오렌지 주스에 접종한 P. aeruginosa에 대한 살균효과 검증이 14.98 2. mJ/cm /s의 에너지밀도를 갖는 회분식 광펄스 살균시스템에서 수행되었음.  사과 주스의 경우는 [그림 17A]에서와 같이, 짧은 처리시간 동안 매우 효과적으로 균주의 사 멸이 관찰되었으며, 처리 시간이 길어질수록 높은 사멸 효과를 나타내었음. 120초 동안의 광 펄스 처리를 통해 대략 7 log 정도의 사멸 효과를 확인하였음. 2.  반면 오렌지 주스에서는 [그림 17B]에서와 같이, 14.98 mJ/cm /s의 에너지밀도에서 600초 동안의 광펄스 처리를 통해 약 1.0 log의 살균 효과만이 관찰되었음.. 대용량 회분식 및 연속식 광펄스 살균시스템을 이용한 분말 및 액상식품의 비가열 살균. 67.

(20) [그림 17] 광펄스를 이용한 사과 주스(A)와 오렌지 주스(B)에서의 미생물 살균.  처리 시간이 길어질수록 약간의 살균 효과가 관찰되기는 하였으나, 큰 폭의 사멸률은 확인할 수 없었으며, 이전의 광펄스 모델 식품이었던 생수, 녹차 음료, 그리고 사과 주스에 비해 매우 낮은 사멸률이 관찰된 것은 시료로 사용된 오렌지 주스의 불투명도에 기인한 것으로 판단됨.. 3.4.3. 우유(시유, milk) 및 원유(raw milk)  국내 시판 우유에 접종된 위해 세균 P. aeruginosa에 대한 살균효과 검증 및 살균되지 않은 원유에 존재하는 다양한 미생물에 대한 살균효과 검증이 대용량 회분식 광펄스 살균시스템에서 수행되었음 [그림 18].. [그림 18] 광펄스 살균시스템을 이용한 우유(A)와 원유(B)에서의 미생물 살균. 68. 2012년 기초연구과제총서.

(21) 2.  우유 시료에 대한 광펄스 살균효과 (에너지밀도 14.98 mJ/cm /s)는 [그림 18A]에서와 같이, 600초 동안 대략 1.02 log의 낮은 사멸 효과를 보였으며, 오렌지주스의 경우와 같이 시료의 불투명성에 의해 살균 효과가 낮은 것으로 사료됨. 2.  살균되지 않은 원유에 존재하는 미생물에 대한 살균효과 검증이 19.2 mJ/cm /s의 에너지밀도 를 가지는 신형 광펄스 살균시스템에서 수행되었으며, 결과는 [그림 18B]에서와 같이, 살균시 스템의 처리 시간에 따른 사멸 효과가 크지 않은 것으로 확인됨.  약 600초 동안의 광펄스 처리를 통해 1.5 log 정도의 사멸 효과를 확인하였으나, 우유 시료에 서와 같이 큰 폭의 사멸률은 관찰되지 않았음. 앞서 설명한 것과 마찬가지로 원유에서의 낮은 사멸률은 시료 자체의 불투명도에 기인한 것으로 사료됨.. 3.5. 분 말 식 품 에 대 한 대 용 량 연 속 식 광 펄 스 시 스 템 의 살 균 효 과 검 증 3.5.1. 카레분말 (curry powder) 및 라면스프 (ramen soup powder) 2.  121.13 mJ/cm /s의 에너지밀도를 가진 비가열 광펄스 살균시스템을 이용하여 카레분말에 존 재하는 Bacillus sp. 포함 총 균에 대한 살균 효과 검증이 수행되었음. [그림 19A]에서 보는 바와 같이, 연속식 광펄스 살균시스템의 처리 시간이 300초까지 길어질수록 사멸률의 증가가 관찰되었으나 미약한 수준임.. [그림 19] 광펄스 살균시스템을 이용한 카레분말(A)과 라면스프(B)에서의 미생물 살균. 대용량 회분식 및 연속식 광펄스 살균시스템을 이용한 분말 및 액상식품의 비가열 살균. 69.

(22)  또한, 연속식 광펄스 살균시스템을 이용하여 국내 시판 라면에 포함된 라면스프에 존재하는. Bacillus sp. 포함 총 균에 대한 살균 효과 검증이 수행되었음. 121.13 mJ/cm2/s의 에너지밀 도를 가진 광펄스를 300초 동안 처리하였으며, 처리 시간에 따라 사멸률이 증가하는 것으로 관찰되었으나 1 log 이하의 미약한 수준임 [그림 19B].. 3.5.2. 쌀 (rice) 및 생식 (sengsik powder) 2.  국내 시판 쌀을 대상으로 121.13 mJ/cm /s의 에너지밀도를 가진 광펄스를 연속식 살균시스 템에서 300초 동안 처리하여 총균수에 대한 살균 효과를 검증하였음. [그림 20A]와 같이, 광 펄스 처리 동안 매우 약한 사멸효과만이 관찰됨. 2.  생식에 존재하는 Bacillus sp. 포함 총 균에 대한 살균효과가 121.13 mJ/cm /s의 에너지밀 도를 가진 광펄스를 이용하여 연속식 살균시스템에서 300초 동안 처리함으로써 검증되었음.  [그림 20B]에서 보는 바와 같이, 180초의 광펄스 처리 후 생식에 존재하는 미생물에 대해 대 략 1.3 log reduction의 사멸 효과를 확인하였음.. [그림 20] 광펄스 살균시스템을 이용한 쌀(A)와 생식(B)에서의 미생물 살균. 70. 2012년 기초연구과제총서.

(23) 3.5.3. 파슬리 (parsley powder) 및 고춧가루 (red pepper powder) 2.  국내 시판 파슬리에 121.13 mJ/cm /s의 에너지밀도를 가진 광펄스를 연속식 살균시스템에서 300초 동안 처리하여 파슬리에 존재하는 총 균에 대한 살균효과를 검증하였으며 [그림 21A] 에서와 보는 바와 같이 대략 1 log 정도의 사멸 효과가 확인됨.. [그림 21] 광펄스 살균시스템을 이용한 파슬리(A)와 고춧가루(B)에서의 미생물 살균. 2.  고춧가루에 존재하는 총 균수에 대한 연속식 광펄스 살균시스템의 살균효과를 121.13 mJ/cm /s 의 에너지밀도에서 검증함. [그림 21B]에서와 같이, 광펄스 처리 시간이 300초까지 길어질수록 사멸률의 증가가 관찰되었으나 대략 0.4 log reduction의 미약한 사멸 효과가 관찰됨.. 3.6. 액 상 식 품 에 대 한 대 용 량 연 속 식 광 펄 스 시 스 템 의 살 균 효 과 검 증 3.6.1. 생수 (mineral water) 및 이온음료 (Isotonic beverage) 2.  생수에 접종된 위해세균 P. aeruginosa에 대한 살균효과 검증이 8.92 mJ/cm /s의 에너지 밀 도에서 5초 동안 대용량 광펄스 살균시스템에서 수행되었으며, 실험 결과 3초 이내에 7 log reduction의 사멸효과가 관찰되었음 [그림 22A].. 대용량 회분식 및 연속식 광펄스 살균시스템을 이용한 분말 및 액상식품의 비가열 살균. 71.

(24) 2.  국내 시판 이온 음료에 접종된 P. aeruginosa의 살균이 8.92 mJ/cm /s의 에너지밀도를 갖는 연속식 광펄스 살균시스템에서 수행되었으며 [그림 22B], 5초 이내에 7 log reduction의 사멸 효과를 얻을 수 있었음.  투명한 액상 식품의 경우 빛이 식품 내부로 투과되는 정도가 크기 때문에 단시간 내에 높은 사멸 효과를 얻을 수 있는 것으로 사료됨.. [그림 22] 광펄스 살균시스템을 이용한 생수(A)와 이온 음료(B)에서의 미생물 살균. 3.6.2. 녹차 음료 (green tea beverage)  대용량 연속식 광펄스 시스템을 이용하여 녹차 음료에 접종된 P. aeruginosa에 대한 살균 효 과 검증을 수행하였으며, 처리 시간이 길어질수록 높은 사멸률이 관찰되었음. 2.  [그림 23]에서 보여지는 것과 같이, 8.92 mJ/cm /s로 고정된 에너지밀도로 10분 동안 처리 하였을 때 대략 4.0 log의 사멸효과가 확인되었음. 이전 생수 등의 결과에 비해 상대적으로 낮은 사멸률이 관찰되었으며, 이러한 현상은 시료의 불투명도에 기인한 것으로 사료됨.. 72. 2012년 기초연구과제총서.

(25) [그림 23] 광펄스 살균시스템을 이용한 녹차 음료에서의 미생물 살균. 3.6.3 사과 주스 (apple juice) 및 오렌지 주스 (orange juice)  국내 시판 사과 주스 및 오렌지 주스에 접종한 P. aeruginosa에 대한 살균효과 검증이 8.92 2. mJ/cm /s의 에너지밀도를 갖는 연속식 광펄스 살균시스템에서 수행되었음.  사과 주스의 경우는 [그림 24A]에서와 같이, 짧은 처리시간 동안 매우 효과적으로 균주의 사 멸이 관찰되었으며, 처리 시간이 길어질수록 높은 사멸 효과를 나타내었음. 60초 동안의 광펄 스 처리를 통해 대략 7 log 정도의 사멸 효과를 확인하였음. 2.  반면 오렌지 주스에서는 [그림 24B]에서와 같이, 8.92 mJ/cm /s의 에너지밀도에서 600초 동 안의 광펄스 처리를 통해 약 1.0 log의 살균 효과만이 관찰되었음.. [그림 24] 광펄스를 이용한 사과 주스(A)와 오렌지 주스(B)에서의 미생물 살균 대용량 회분식 및 연속식 광펄스 살균시스템을 이용한 분말 및 액상식품의 비가열 살균. 73.

(26)  처리 시간이 길어질수록 약간의 살균 효과가 관찰되기는 하였으나, 큰 폭의 사멸률은 확인할 수 없었으며, 이전의 광펄스 모델 식품이었던 생수, 녹차 음료, 그리고 사과 주스에 비해 매우 낮은 사멸률이 관찰된 것은 시료로 사용된 오렌지 주스의 불투명도에 기인한 것으로 판단됨.. 3.6.4. 우유 (시유, milk)  국내 시판 우유에 접종된 위해 세균 P. aeruginosa에 대한 살균효과 검증이 대용량 연속식 광펄스 살균시스템에서 수행되었음 [그림 25].. [그림 25] 광펄스 살균시스템을 이용한 우유에서의 미생물 살균 2.  우유 시료에 대한 광펄스 살균효과 (에너지밀도 8.92 mJ/cm /s)는 [그림 25]에서와 같이, 600초 동안 대략 0.18 log의 낮은 사멸 효과를 보였으며, 오렌지주스의 경우와 같이 시료의 불투명성에 의해 살균 효과가 낮은 것으로 사료됨.. 74. 2012년 기초연구과제총서.

(27) 3.7. 대 용 량 광 펄 스 살 균 시 스 템 의 공 정 조 건 최 적 화  에너지 밀도의 크기에 따른 광펄스 살균시스템의 사멸효과를 파악하고 액상식품의 최적 살균 조건을 설정하기 위해 액상 식품을 대용량 광펄스 살균시스템에서 세 가지 조건의 에너지밀도 2. (8.92, 3.63, 0.52 mJ/cm /s)로 처리하였음.. 3.7.1. 생수(mineral water) 및 이온음료 (isotonic beverage). [그림 26] 광펄스 살균시스템을 이용한 생수(A)와 이온 음료(B)에서의 미생물 살균.  생수 및 이온 음료에 접종된 위해세균 P. aeruginosa에 대한 살균효과 검증이 8.92, 3.63, 2. 0.52 mJ/cm /s의 에너지밀도에서 10초 동안 대용량 광펄스 살균시스템에서 수행되었음.  두 액상 식품 모두 에너지 밀도가 커질수록 높은 사멸 효과를 얻을 수 있었으며, 가장 높은 2. 크기의 에너지 밀도에서 처리한 경우 생수는 3초 (총 26.76 mJ/cm 에너지 밀도), 이온 음료 2. 는 4초 (총 35.68 mJ/cm ) 만에 7 log reduction의 사멸 효과를 얻었음. 2. 2.  생수의 경우, 3.63 mJ/cm /s의 조건에서 7초 동안 처리했을 때 (총 25.41 mJ/cm 에너지밀 2. 도) 약 3.75 log reduction을 얻었는데, 이는 8.92 mJ/cm /s 의 에너지밀도로 3초간 처리했 2. 을 때 (총 26.76 mJ/cm 에너지밀도)의 사멸 정도에 비해 현저히 낮음.. 대용량 회분식 및 연속식 광펄스 살균시스템을 이용한 분말 및 액상식품의 비가열 살균. 75.

(28) 2. 2.  이온 음료 역시 8.92 mJ/cm /s의 에너지밀도로 4초 (총 35.68 mJ/cm ) 만에 7 log reduction 의 사멸 효과를 얻었으나 비슷한 에너지밀도 값을 갖는 3.63 mJ/cm2/s의 조건에서 10초 동안 2. 처리했을 때 (총 36.3 mJ/cm 에너지밀도)의 사멸 효과는 대략 2.82 log로 낮은 것이 확인됨.  에너지밀도는 전압과 시간으로 조절할 수 있으며, 같은 에너지밀도로 처리하는 경우 낮은 전압 에서 오랜 시간으로 식품을 처리하는 것 보다 높은 전압에서 단시간 처리하는 것이 더욱 높은 사멸 효과를 보임.. 3.7.2. 녹차 음료(green tea beverage). [그림 27] 광펄스 살균시스템을 이용한 녹차 음료에서의 미생물 살균  녹차 음료에 접종된 P. aeruginosa에 대한 광펄스 살균시스템 살균 효과 검증이 수행되었으 며 처리 시간이 길어질수록, 식품에 가하는 빛의 에너지밀도 값이 클수록 높은 사멸률이 관찰 되었음. 2.  [그림 27]에서 보여지는 것과 같이 8.92, 3.63, 0.52 mJ/cm /s로 고정된 에너지밀도로 10분 동안 처리하였을 때 대략 4.0, 2.5, 1.2 log의 사멸효과가 확인되었음.. 76. 2012년 기초연구과제총서.

(29) 3.7.3. 사과 주스(apple juice) 및 오렌지 주스(orange juice)  에너지밀도에 따른 국내 시판 사과 주스 및 오렌지 주스에 접종한 P. aeruginosa 의 살균효 2. 과 검증이 8.92, 3.63, 0.52 mJ/cm /s의 에너지밀도를 갖는 회분식 광펄스 살균시스템에서 수행되었음. 2.  사과 주스의 경우는 [그림 28A]에서와 같이, 8.92 mJ/cm /s 의 에너지밀도를 갖는 빛을 통 2. 해 짧은 처리 시간동안 매우 효과적인 사멸 효과를 확인하였으나, 3.63, 0.52 mJ/cm /s 의 에너지밀도로 150초 동안 처리 시에는 4.0, 2.3 log reduction의 사멸 효과를 얻었음. 2. 2.  3.63 mJ/cm /s의 에너지밀도로 150초 처리 (총 544.5 mJ/cm 에너지밀도)한 사과 주스 내 2. 균의 사멸 효과는 4.0 log인데 비해 총 에너지밀도의 값이 비슷한 8.92 mJ/cm /s의 빛으로 2. 60초 처리 (총 535.28 mJ/cm )한 경우 7 log reduction의 사멸 효과가 관찰됨. 2.  반면 오렌지 주스에서는 [그림 28B]에서와 같이, 8.92, 3.63, 0.52 mJ/cm /s의 에너지밀도 에서 600초 동안의 광펄스 처리를 통해 약 0.9, 0.2, 0.1 log의 살균 효과만이 관찰되었고 이 런 낮은 살균 효과는 오렌지 주스의 불투명도에서 기인한 것으로 파악됨. 특히 3.63, 0.52 2. mJ/cm /s 의 에너지밀도에서 처리한 경우 사멸 효과가 비슷하였음.. [그림 28] 광펄스를 이용한 사과 주스(A)와 오렌지 주스(B)에서의 미생물 살균  과일 주스의 경우 주스 내에 포함되어있는 비타민 등의 영양소가 광펄스의 빛에 의해 파괴될 가능성이 있으며, 장시간 처리 시 색 변화, 향미 성분 변화 등이 일어날 수 있으므로 강한 에 너지밀도 값을 갖는 광원을 단시간 처리하는 것이 효과적인 것으로 사료됨.. 대용량 회분식 및 연속식 광펄스 살균시스템을 이용한 분말 및 액상식품의 비가열 살균. 77.

(30) 3.7.4. 우유(시유, milk)  에너지 밀도의 크기에 따른 우유 시료의 광펄스 살균효과 (에너지밀도 8.92, 3.63, 0.52 2. mJ/cm /s) 검증 및 최적화가 [그림 29]와 같이 수행되었음.. [그림 29] 광펄스 살균시스템을 이용한 우유에서의 미생물 살균  모든 에너지밀도에서 600초의 광펄스 처리 동안 대략 0.02 - 0.18 log의 낮은 사멸 효과를 보였음. 이러한 결과는 살균에 관여하는 빛의 파장이 불투명한 우유를 통과하지 못하기 때문으 로 사료됨.  우유 내 단백질, 지방 성분이 장기간의 광펄스 처리 시 강한 빛에 의해 반응을 일으키면서 이 취발생, 색 변화 등의 우유 품질에 손상을 줄 가능성이 있기 때문에 단시간의 광펄스 처리 혹 은 다른 살균 기술과의 병합처리를 통해 살균하는 것이 바람직할 것으로 판단됨.. 78. 2012년 기초연구과제총서.

(31) 3.8. 대 용 량 광 펄 스 살 균 시 스 템 의 주 요 공 정 요 소 분 석 및 실 용 화 기 반 검 토 3.8.1. 분말식품용 power 및 액상식품용 power의 oscilloscope data  분말식품용 power의 oscilloscope data가 각 voltage 별로 측정됨 [그림 30(a)-(h)]. (a) 500 V. (b) 600 V. (c) 700 V. (d) 800 V. (e) 900 V. (f) 1000 V. 대용량 회분식 및 연속식 광펄스 살균시스템을 이용한 분말 및 액상식품의 비가열 살균. 79.

(32) (g) 1100 V. (h) 1200 V. [그림 30] 분말식품용 power의 oscilloscope data  액상식품용 power의 oscilloscope data가 각 voltage 별로 측정됨 [그림 31(a)-(h)].. 80. (a) 500 V. (b) 600 V. (c) 700 V. (d) 800 V. 2012년 기초연구과제총서.

(33) (e) 900 V. (g) 1100 V. (f) 1000 V. (h) 1200 V. [그림 30] 액상식품용 power의 oscilloscope data  [그림 29]과 [그림 30]에서의 분말식품 및 액상식품용 power의 oscilloscope data는 각 power의 frequency를 10 Hz로 고정하여 측정되었음.  [그림 29]과 [그림 30]에서의 각 전압에 따른 oscilloscope의 파형 분석 결과, 분말식품용 power에 비해 액상식품용 power가 더 짧은 기간 동안 전기에너지를 lamp에 전달해 주는 것 을 확인할 수 있었음.  액상식품용 power의 경우, 설정된 voltage를 power supply에서 축전하고 있다가 정해진 frequency에 맞춰서 lamp에 정확히, 신속하게 그 에너지를 전달하는 능력이 뛰어났음. 이에 반해 분말식품용 power는 정해진 frequency에 정확히 에너지가 전달되지만 정해진 voltage가 순간적으로 전달되는 능력이 떨어지는 것을 확인할 수 있음.  설정된 1200 V의 입력전압에서 분말식품용 power [그림 29h]와 액상식품용 power [그림 30h]의 특성을 면밀히 검토한 결과, 분말식품용은 power의 작동과 동시에 1200 V의 에너지. 대용량 회분식 및 연속식 광펄스 살균시스템을 이용한 분말 및 액상식품의 비가열 살균. 81.

(34) 가 지속적으로 가해지는 반면, 액상식품용 power는 빛이 발생하는 구간에서 순간적으로 파워 가 발생하는 것을 확인할 수 있으며, 또한 펄스의 폭 (duty 비)에서 액상식품용에 비해 분말식 품용 power가 10배 정도 더 높은 것으로 관찰되었음.. 3.8.2. 분말식품용 power의 특성 분석  분말식품용 power의 각 voltage에 따른 spectrum 변화가 10 Hz의 고정된 frequency에서 분석되었음 [그림 31].  각 voltage에 따른 spectrum 및 에너지 밀도가 spectroradiometer를 이용하여 측정됨.. [그림 31] 분말식품용 power의 voltage에 따른 spectrum 변화..  Voltage가 높아질수록 에너지 밀도가 높아짐을 알 수 있으며 300-500 nm, 800-900 nm 에 서 에너지 밀도가 비교적 높아짐을 확인하였음.  분말식품용 power의 각 voltage 별 살균효과 검증이 Pseudomonas aeruginosa를 이용하여 수행되었음 [그림 32].. 82. 2012년 기초연구과제총서.

(35) [그림 32] 분말식품용 power의 voltage에 따른 살균효과.  분말식품용 power를 이용해 각 voltage 별 10 Hz, 30초의 처리조건에서 살균효과를 검증한 결과, 최고 1000 V에서 대략 5.3 log reduction이 관찰되었음.. 3.8.3. 액상식품용 power의 특성 분석  액상식품용 power의 각 voltage에 따른 spectrum 변화 및 에너지밀도가 2~15 Hz의 다양한 frequency에서 spectroradiometer를 이용하여 분석되었음 [그림 33-36].. [그림 33] 액상식품용 power의 2 Hz frequency에서 각 voltage에 따른 spectrum 변화.. 대용량 회분식 및 연속식 광펄스 살균시스템을 이용한 분말 및 액상식품의 비가열 살균. 83.

(36) [그림 34] 액상식품용 power의 5 Hz frequency에서 각 voltage에 따른 spectrum 변화.. [그림 35] 액상식품용 power의 10 Hz frequency에서 각 voltage에 따른 spectrum 변화.. 84. 2012년 기초연구과제총서.

(37) [그림 36] 액상식품용 power의 15 Hz frequency에서 각 voltage에 따른 spectrum 변화.  Voltage가 높아질수록 그리고 적용된 frequency가 높아질수록 에너지밀도가 상승하는 것을 확 인하였으며 특히 wavelength 400-500 nm, 800-900 nm 사이에 강한 에너지가 발생한다는 것을 확인함.  액상식품용 power의 각 voltage에 따른 spectrum 변화 및 에너지밀도가 0.3~1.3 ms의 다 양한 pulse width에서 spectroradiometer를 이용하여 분석되었음 [그림 37-41].. [그림 37] 액상식품용 power의 0.3 ms pulse width에서 voltage에 따른 spectrum 변화.. 대용량 회분식 및 연속식 광펄스 살균시스템을 이용한 분말 및 액상식품의 비가열 살균. 85.

(38) [그림 38] 액상식품용 power의 0.9 ms pulse width에서 voltage에 따른 spectrum 변화.. [그림 39] 액상식품용 power의 1.1 ms pulse width에서 voltage에 따른 spectrum 변화.. 86. 2012년 기초연구과제총서.

(39) [그림 40] 액상식품용 power의 1.2 ms pulse width에서 voltage에 따른 spectrum 변화.. [그림 41] 액상식품용 power의 1.3 ms pulse width에서 voltage에 따른 spectrum 변화.. 대용량 회분식 및 연속식 광펄스 살균시스템을 이용한 분말 및 액상식품의 비가열 살균. 87.

(40)  Pulse width 및 voltage의 변화에 따른 액상식품용 power의 에너지 밀도 및 spectrum을 분 석한 결과, 설정된 voltage가 높아질수록 그리고 pulse width가 증가할수록 에너지밀도가 상 승하는 것이 관찰됨.  액상식품용 power의 각 voltage 및 frequency에 따른 살균효과 검증이 Pseudomonas. aeruginosa를 이용하여 수행되었음 [그림 42-45].. [그림 42] 2 Hz frequency에서 액상식품용 power의 voltage와 처리시간에 따른 살균효과. [그림 43] 5 Hz frequency에서 액상식품용 power의 voltage와 처리시간에 따른 살균효과. 88. 2012년 기초연구과제총서.

(41) [그림 44] 10 Hz frequency에서 액상식품용 power의 voltage와 처리시간에 따른 살균효과. [그림 45] 15 Hz frequency에서 액상식품용 power의 voltage와 처리시간에 따른 살균효과. 대용량 회분식 및 연속식 광펄스 살균시스템을 이용한 분말 및 액상식품의 비가열 살균. 89.

(42)  [그림 42-45]와 같이, 액상식품용 power를 이용해서 각 voltage (500-1800 V), frequency (2-15 Hz), 그리고 처리시간 (30, 120, 300초)에 따른 P. aeruginosa의 살균효과를 검증한 결과, 대체로 설정 voltage와 frequency가 높아질수록, 그리고 처리시간이 길어질수록 높은 사멸효과가 관찰되었으며, 10 Hz의 frequency와 1500 V 이상의 voltage에서는 대략 6 log reduction의 세포 사멸이 관찰되었음.  1200 V의 전압에서 액상식품용 power의 pulse width 및 처리시간에 따른 살균효과 검증이. Pseudomonas aeruginosa를 이용하여 수행되었음 [그림 46].. [그림 46] 액상식품용 power의 pulse width 및 처리시간에 따른 살균효과  [그림 46]에서 보여지는 것과 같이, pulse width가 0.3 ms에서 1.3 ms로 증가함에 따라 대 략 1 log 정도의 사멸률 차이를 보였으나, 대체적으로 pulse width의 따른 사멸효과는 크지 않은 것으로 확인됨.. 90. 2012년 기초연구과제총서.

(43) 3.8.4. 액상식품용 power의 전류 특성  액상식품용 power의 전류와 전압 및 duty 비의 관계가 분석되었음 [그림 47(a)-(d)].. (a) 기본 Duty 비 ✕ 1 (최대 약 1600V). (b) 기본 Duty 비 ✕ 2 (최대 약 1500V). (c) 기본 Duty 비 ✕ 3 (최대 약 1200V). (d) 기본 Duty 비 ✕ 4 (최대 약 1000V). [그림 47] 액상식품용 power의 duty 비에 따른 출력전압의 변화  [그림 47]에서와 같이, V= IR로 duty 비는 전류와 관계있으며, 이에 따라 duty가 커짐에도 최대치의 voltage는 오히려 작아지는 것을 확인할 수 있음.  실제 식품산업 및 공정에 적용할 수 있는 대용량 광펄스 살균시스템의 실용화 기반 구축을 위 해 본 살균시스템의 핵심 장치인 power system을 분말식품용과 액상식품용으로 구분하여 빛 의 지속효과, voltage에 따른 spectrum과 펄스 폭 (pulse width) 및 에너지밀도의 변화, pulse width에 따른 살균효과의 차이, duty 비에 따른 voltage의 변화 등 주요 공정요소에 대한 분석 및 최적화를 수행하였음.. 대용량 회분식 및 연속식 광펄스 살균시스템을 이용한 분말 및 액상식품의 비가열 살균. 91.

(44) 4. 요약  위해세균 E. coli O157:H7, Listeria monocytogenes, Bacillus cereus, Pseudomonas. aeruginosa에 대한 살균효과 검증이 batch type pilot-scale IPL system에서 에너지밀도를 달리하여 수행되었으며, 살균시스템의 에너지밀도가 높아질수록 그리고 처리 시간이 길어질수 록 높은 사멸률을 나타냄. 2.  8.75 mJ/cm /s의 에너지밀도에서 5 Hz의 조건으로 광펄스 처리한 경우, E. coli O157:H7 은 150초 동안 대략 6 log 정도의 사멸 효과를 나타내었으며, L. monocytogenes는 180초 동안 6 log, B. cereus는 150초 동안 5.5 log, 그리고 P. aeruginosa는 150초 동안 대략 6 log의 사멸 효과를 나타냄.  Pilot-scale 광펄스 살균시스템에 의한 세포 파괴효과 및 사멸기작 분석을 위하여 광펄스 처리 전 미생물과 lab-scale 및 pilot-scale IPL system을 이용한 광펄스 처리 후 미생물의 형태 학적 비교 분석이 Transmission electron microscopy (TEM)을 이용하여 수행되었음.  광펄스 처리를 하지 않은 control 세포는 세포벽과 세포막이 온전하며, 세포 내 구성 물질이 고르게 존재하였으나, lab-scale 및 pilot-scale 광펄스 처리를 받은 세포들에서는 세포벽과 세포막의 구분이 불분명해졌으며, 세포 내 물질의 유실 및 세포막 부분의 파괴와 내용물의 외 부 유출이 관찰됨.  이러한 세포벽과 세포막 손상에 의한 세포 내 물질 유출이 광펄스 사멸기작의 주요 요인인 것 으로 판단됨.  분말식품에 대한 대용량 회분식 광펄스 시스템의 살균효과 검증이 카레분말, 라면스프, 조미 료, 생식, 분유, 고춧가루 등의 모델식품을 이용하여 수행되었음.  카레분말 및 라면스프의 경우, 광펄스 살균시스템의 처리 시간이 길어질수록 사멸률의 증가가 관찰되었으며, 480초의 처리시간 후 두 시료 모두에서 대략 2.1 log reduction의 사멸 효과가 확인되었고, 조미료와 생식에서는 각각 360초와 480초의 광펄스 처리 후, 대략 2.0과 2.4 log reduction의 사멸 효과가 관찰되었음. 또한, 국내 시판 분유와 고춧가루에 대한 광펄스 처 리 결과, 각각 480초와 360초 동안 대략 1.9 log와 1.4 log reduction의 사멸 효과가 확인되 었음.  액상식품에 대한 대용량 회분식 광펄스 시스템의 살균효과 검증이 생수, 녹차 음료, 사과주스, 오렌지 주스, 우유 및 원유 등의 모델식품을 이용하여 수행되었음.  매우 투명한 액상식품인 생수의 경우, 대용량 광펄스 살균 처리의 2초 만에 7 log reduction의 사멸효과가 관찰되었으며, 녹차음료는 600초 동안 처리하였을 때 대략 7 log reduction의 사. 92. 2012년 기초연구과제총서.

(45) 멸이 확인됨. 국내 시판 사과 주스 및 오렌지 주스의 경우, 각각 120초와 600초 동안의 광펄 스 처리를 통해 대략 7.0 log와 1.0 log의 사멸 효과를 확인하였으며, 국내 시판 우유 및 원유 시료에 대한 광펄스 살균처리는 600초 동안 대략 1.0-1.5 log의 낮은 사멸 효과를 나타냄.  대용량 연속식 광펄스 시스템을 이용한 분말식품의 살균효과 검증이 카레분말, 라면스프, 쌀, 생식, 파슬리, 고춧가루 등의 모델식품을 이용하여 수행되었음.  국내 시판 카레분말 및 라면스프의 경우, 300초의 처리시간 동안 두 시료 모두에서 대략 1.0 log 이하의 사멸 효과가 확인되었고, 쌀과 생식에서는 각각 300초와 180초의 광펄스 처리 후, 대략 1.3 log의 사멸 효과가 관찰되었음. 또한, 파슬리와 고춧가루에 대한 광펄스 처리 결과, 300초 동안 각각 1.0 log와 0.4 log의 사멸 효과가 확인됨.  대용량 연속식 광펄스 시스템을 이용한 액상식품의 살균효과 검증이 생수, 이온음료, 녹차음 료, 사과 주스, 오렌지 주스, 우유 등의 모델식품을 이용하여 수행되었음.  투명한 액상식품인 생수와 이온 음료의 경우, 대용량 광펄스 살균 처리의 3초와 5초 동안 각 각 7 log reduction의 사멸효과가 관찰되었으며, 녹차음료는 10분 동안 처리하였을 때 대략 4 log의 사멸이 확인됨. 국내 시판 사과 주스 및 오렌지 주스의 경우, 각각 60초와 600초 동안 의 광펄스 처리를 통해 대략 7.0 log와 1.0 log의 사멸 효과를 확인하였으며, 국내 시판 우유 에 대한 광펄스 살균처리는 600초 동안 대략 1.0 log 이하의 낮은 사멸 효과를 나타냄.  대용량 광펄스 살균시스템의 공정조건 최적화가 세 가지 조건의 에너지밀도 (8.92, 3.63, 2. 0.52 mJ/cm /s)를 이용하여 다양한 모델식품에서 분석되었음. 생수 및 이온 음료의 경우, 2. 2. 8.92 mJ/cm /s에서 처리한 경우 생수는 3초 (총 26.76 mJ/cm 에너지밀도), 이온 음료는 4 2. 초 (총 35.68 mJ/cm ) 만에 7 log reduction의 사멸 효과를 얻었음.  녹차 음료의 경우, 8.92, 3.63, 0.52 mJ/cm2/s로 고정된 에너지밀도로 10분 동안 처리하였 을 때 대략 4.0, 2.5, 1.2 log의 사멸효과가 관찰되었고, 사과 주스의 경우는 8.92 mJ/cm2/s의 에너지밀도를 60초 동안(총 535.28 mJ/cm2) 처리하여 7.0 log의 사멸 효과를 확인하였으나, 오렌지 주스와 국내 시판 우유의 경우 모든 에너지밀도에서 600초의 광펄스 처 리 동안 대략 1.0 log의 낮은 사멸 효과를 나타냄.  에너지밀도는 전압과 시간으로 조절할 수 있으며, 같은 에너지밀도로 처리하는 경우 낮은 전압 에서 오랜 시간 식품을 처리하는 것 보다 높은 전압에서 단시간 처리하는 것이 더욱 높은 사 멸 효과를 보임.  실제 식품산업 및 공정에 적용할 수 있는 대용량 광펄스 살균시스템의 실용화 기반 구축을 위 해 본 살균시스템의 핵심 장치인 power system을 분말식품용과 액상식품용으로 구분하여 빛 의 지속효과, voltage에 따른 spectrum과 펄스 폭 (pulse width) 및 에너지밀도의 변화,. 대용량 회분식 및 연속식 광펄스 살균시스템을 이용한 분말 및 액상식품의 비가열 살균. 93.

(46) pulse width에 따른 살균효과의 차이, duty 비에 따른 voltage의 변화 등 주요 공정요소에 대한 분석 및 최적화를 수행하였음.  분말식품용 power 시스템은 작동과 동시에 에너지가 지속적으로 가해지는 반면, 액상식품용 power는 빛이 발생하는 구간에서 순간적으로 파워가 발생하는 것을 확인할 수 있었으며, 펄스 폭 (pulse width)에서 액상식품용에 비해 분말식품용 power가 10배 정도 더 높은 것으로 확 인함.  분말식품용 power의 각 voltage에 따른 spectrum 변화를 10 Hz에서 고정된 frequency로 분석한 결과, voltage가 높아질수록 에너지밀도가 높아짐을 알 수 있으며 300-500 nm, 800-900 nm 에서 에너지밀도가 비교적 높아짐을 확인하였고, 30초의 처리조건에서 살균효과 를 검증한 결과, 최고 1000 V에서 대략 5.3 log reduction이 관찰되었음.  액상식품용 power의 각 voltage에 따른 spectrum 변화를 분석한 결과 voltage가 높아질수록 그리고 적용된 frequency가 높아질수록 에너지밀도가 상승하는 것을 확인하였으며 특히 wavelength 400-500 nm, 800-900 nm 사이에 강한 에너지가 발생한다는 것을 확인함.  Pulse width 및 voltage의 변화에 따른 액상식품용 power의 에너지밀도 및 spectrum을 분 석한 결과, 설정된 voltage가 높아질수록 그리고 pulse width가 증가할수록 에너지 밀도가 상 승하는 것이 관찰되었고, 액상식품용 power를 이용해 각 voltage (500-1800 V), frequency (2-15 Hz), 그리고 처리시간 (30, 120, 300초)에 따른 P. aeruginosa의 살균효과를 검증한 결과, 설정 voltage와 frequency가 높아질수록, 그리고 처리시간이 길어질수록 6 log 이상의 높은 사멸효과가 관찰됨.  Pulse width가 0.3 ms에서 1.3 ms로 증가함에 따라 대략 1 log 정도의 사멸률 차이를 보였 으나, 대체적으로 pulse width에 따른 사멸효과는 크지 않은 것으로 확인되었고, duty가 커짐 에도 최대치의 voltage는 오히려 작아지는 것을 확인할 수 있었음.. 94. 2012년 기초연구과제총서.

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