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문제 정의
- 본 연구에서는 회분식 PEF 살균의 후속 연구로써 7개의 전극을 직렬 배열한 중용량 다중전극 PEF 처리장치를 사용하여 고전압 펄스 전기장에 의한 약주 존재 미생물의 PEF 사멸 특성을 조사하고 저장성 향상을 위한 PEF 처리 조건을 확립함으로써 약주 고유의 향^ 특성을 유지하면서 저장성이 부여된 약주를 생산할 수 있는 기술을 개발하고자 하였으며, PEF 처리 약주의 관능적 품질을 가열 살균한 약주와 비교하였다.
제안 방법
- 이상의 결과로부터 높은 전기장세기에서 Dpef-value가 가장 큰 젖산균을 기준으로 PNSU(probability of nonsterile uniO개념"을 도입하여 비병원성 중 온균에 대한 PNSU = 1(/을 기준으로 약주의 살균에 필요한 PEF 처리 시간을 산출하였다. 약주의 상업적 살균에 필요한 펄스 수는 전기장세기 40kV/cm에서는 24, 930회, 50 kV/cm에서는 13, 140회로서, 주파수를 1,500Hz로 고정하여 처리할 경우 필요한 recycle 수는 40kV/cm에서는 약 16회, 50 kV/cm에서는 약 9회가 필요한 것으로 나타났다.
- 7개의 전극을 직렬로 배열한 다중전극고전압 펄스 전기장(PEF) 처리장치를 사용하여 전기장세기와 주파수를 달리한 square wave 펄스(너비 1로 약주의 연속 살균을 시도하였다. 살균전 약주의 총균수는 L88X1O3~2.
- 0 ml*으로 고정하여 1회 통과시켜 처리하거나 2회 이상 재순환하여 실시하였다. PEF 처리 조건에 따른 약주 존재 미생물의 사멸 현상을 조사하였다.
- 가열 살균 이론의 D 값에 해당하는 약주의 PEF 살균시 미생물 수를 1/10로 낮추는 데 필요한 주파수(Hz)를 나타내는 %값 및 처리시간(㎲)을 나타내는 Dm*값은 전기장세기별로 주파수 및 처리 시간에 따른 log(s)를 작도하여 얻어지는 각각의 직선의 기울기의 역수로 계산하였다.
- 무처리 약주와 약주의 PEF 처리 및 열처리(6VC, 30 min) 후의 색택은 색차계(Minolta CR-200, Minolta Camera Co., Japan)를 사용하여 L 값, a 값, b 값을 측정하고 색차(AE)를 계산하였다. 색도 측정은 시료를 직경 5 cm 폴리플로필렌 petri dish에 가득 채워 cover를 덮은 후 cover 위에서 standard white plate를 배경으로 하여 측정하였으며, 색차계의 보정은 시료를 채우지 않은 petri dish를 standard white plate 위에 놓고 실시하였다.
- , Japan)를 사용하여 L 값, a 값, b 값을 측정하고 색차(AE)를 계산하였다. 색도 측정은 시료를 직경 5 cm 폴리플로필렌 petri dish에 가득 채워 cover를 덮은 후 cover 위에서 standard white plate를 배경으로 하여 측정하였으며, 색차계의 보정은 시료를 채우지 않은 petri dish를 standard white plate 위에 놓고 실시하였다.
- 약주의 PEF 살균은 L 차 반응에 속하였으므로 가열 살균 이론을 적용하여 해석하고자 하였다. 즉 가열 살균이론의 D값에 해당하는 약주의 PEF 살균시 미생물 수를 1/1。로 낮추는 데 필요한 주파수(Hz)를 나타내는 Dh값을 계산하여 Table 1에 나타내었다.
- 약주의 PEF 살균은 pulse width 1 |is인 square wave 형태의 펄스를 발생시켜 전기장세기 20~50kV/ cm, 주파수는 3OO~150OHz로 처리하였으며 유속을 1.0 ml*으로 고정하여 1회 통과시켜 처리하거나 2회 이상 재순환하여 실시하였다. PEF 처리 조건에 따른 약주 존재 미생물의 사멸 현상을 조사하였다.
- 약주의 PEF 처리는 연세대학교 생명공학과에서 제작한 직렬 배열 다중전극 PEF 처리시스템을 사용하여 실시하였다. 본 PEF 처리시스템은 Fig.
- 값은 전기장세기에 대한 log(DpEF-value)을 작도하여 얻어진 직선의 기울기의 역수로부터 계산하였다. 즉 DPEF 값을 1/10로 단축하는 데 필요한 전기장세기 증가량을 ZPEF값으로 정의하고 미생물 종류별로 비교하였다.
- 총균은 plate count agar(Difco, USA)에, 젖산균은 Rogosa SL agar(Difco, USA)에、효모는 malt extract agar(Difco, USA)에 희석배율 별로 도 말하여 총균과 젖산균은 37℃에서. 효모는 30℃에서 48시간 배양한 후 colony 수를 측정하였다 생균수를 colony forming unit(CFU)/mI로 나타낸 후 아래식과 같이 초기 미생물수(N0)에 대한 PEF 처리 후의 미생물수(N)의 비로 생존율(s)을 계산하였다.
대상 데이터
- K 양조 공사에서 제조한 이양주로써 상온에서 일주일 이상 숙성하여 압착여과한 후규 조토로 여과한 비살균 약주를 사용하였다.
- 1과 같이 pulse generator, thyratron driver, treatment chamber, oscilloscopes. 구성되었으며, treatment chamber는 직렬로 연결된 7개의 전극이 삽입된 treatment cell(처리부 피 0.025 mL/cell)로 구성하였다 (Fig. 1).
- 약주의 PEF 처리는 연세대학교 생명공학과에서 제작한 직렬 배열 다중전극 PEF 처리시스템을 사용하여 실시하였다. 본 PEF 처리시스템은 Fig. 1과 같이 pulse generator, thyratron driver, treatment chamber, oscilloscopes. 구성되었으며, treatment chamber는 직렬로 연결된 7개의 전극이 삽입된 treatment cell(처리부 피 0.
데이터처리
- 무처리한 약주와 65P에서 30분간 가열 처리한 약주와 PEF 처리한 약주의 색, 풍미, 종합적 기호도 둥관능적 품질을 9명의 패널을 대상으로 9점 채점법"” 으로 관능검사를 실시하여 평가하였으며 관능검사 결과는 SAS""를 사용하여 시료 간 유의차를 분석하였다.
이론/모형
- PEF 처리 후 약주의 미생물 수는 평판 배양법으로 측정하였다. 총균은 plate count agar(Difco, USA)에, 젖산균은 Rogosa SL agar(Difco, USA)에、효모는 malt extract agar(Difco, USA)에 희석배율 별로 도 말하여 총균과 젖산균은 37℃에서.
성능/효과
- 약주를 유량 ImL/s의 속도로 PEF 장치에 투입하여 처리한 결과 미생물 사멸기구는 1차 반응으로 해석될 수 있었고, 주파수 및 전기장세기가 증가함에 따라 살균율이 높아졌다. DHZ 및 DPEF값은 전기장세기가 증가함에 따라 감소하였으며, 효모는 세균에 비하여 낮은 값을 보였다. 젖산균은 30kV/cm이하의 전기장에서는 일반 호기성 세균에 비하여 낮은 Dpg값을 보였으나, 40kV/cm 이상에서는 높은 DPEF값을 나타냈다.
- 6 kV/cm로 일반 호기성 세균의 전기장세기에 대한 의존성이 가장 큰 것으로 나타났다. PEF 처리에 의한 약주의 색택 변화는 열처리에 비하여 미미하였으며, PEF 살균약주의 품질은 가열 살균 약주에 비하여 월등히 우수하였다. 약주를 본 연구에서 사용한 PEF 장치에 2회 통과시킬 경우 상업적 살균이 달성되었다.
- PEF 처리한 약주를 열처리(65℃(2, 30분)한약주와 비교하여 실시한 관능검사 결과 Table 5와 같이 색, 풍미, 종합적 기호도에서 모두 PEF 처리한 약주가 월둥히 우수하여 PEF 살균은 약주의 품질을 유지하며 저장성을 향상시킬 수 있는 기술임을 확인하였다.
- CFU/mL이었고, 효모는 l.VSXlO-'-ZJQXlO4 CFU/mL이었으며, 젖산균은 1.55X]03~2.85X104 CFU/mL 값을 보여 약주에 존재하는 세균은 젖산균이 주종을 이루고 있었다.
- 젖산균은 30kV/cm이하의 전기장에서는 일반 호기성 세균에 비하여 낮은 Dpg값을 보였으나, 40kV/cm 이상에서는 높은 DPEF값을 나타냈다. 미생물 종류별 ZPEF값은 일반 호기성 세균 39.4kV/cm, 젖산균 49.3 kV/cm, 효모 47.6 kV/cm로 일반 호기성 세균의 전기장세기에 대한 의존성이 가장 큰 것으로 나타났다. PEF 처리에 의한 약주의 색택 변화는 열처리에 비하여 미미하였으며, PEF 살균약주의 품질은 가열 살균 약주에 비하여 월등히 우수하였다.
- 일반 세균의 경우 균수가 1/10로 감소되는데 소!요되는 주파수는 20 kV/ cm에서는 6, 600Hz가 필요하였으며, 30kV/cm에서는 3, 600 Hz, 40kV/cm에서는 1320 Hz, 50kV/cm에서는 1, 180 Hz의 처리가 필요한 것으로 나타나, 전기장 세 기가 증가함에 따라 감소하였다. 미생물에 따라서는 세균의 Dh기:이 효모에 비하여 높았으나 그 차이는 전기장세기가 증가함에 따라 줄어드는 양상을 보였다. 이는 효모의 크기가 세균보다 크고, 미생물의 크기가 중가함에 따라 동일한 전기장세기에서 세포막내외의 전위차가 커져 효모의 사멸율이 증대되는 것으로 설명되어질 수 있다[5-8].
- 3)은 누적 처리 시간 및 전기장세기에 비례하여 사멸율이 증가하였다. 반면에 효모(Fig. 4)는 30 kV/cm에서의 사멸율은 20 kV/cm에서와 미미한 차이를 보였으나 40 kV/cm에서의 살균 효과는 30 kV/cm에 비하여 크게 중가하였으며 50 kV/cm에서는 40 kV/cm에 비하여 약간 증가하는 것으로 나타났다. 젖산균(Fig.
- 효모의 DPEF값은 세균에 비하여 낮은 값을 보여 효모가 PEF 살균에 더욱 민감함을 알 수 있었다. 약 주산패의 원인균으로 알려진 젖산균의 DPEF값은 전기장 세기 20~30 kV/cm에서는 일반 세균보다 낮은 값을 보였으나 전기장세기가 40-50 kV/cm로 증가하면 일반세균에 비하여 높은 값을 보여 높은 전기장에서의 PEF에 대한 저항성이 큰 것으로 나타났다.
- 약주를 유량 1 mL/s의 속도로 다중전극 PEF 장치에 투입하여 처리한 결과 Fig. 2과 같이 사멸기구는 1차 반응으로 해석될 수 있었고, 주파수 및 전기장세기가 중가함에 살균율이 높아져 기존의 연구결과와 같은 경향을 보였다
- 85X10, CFU/mL이었다. 약주를 유량 ImL/s의 속도로 PEF 장치에 투입하여 처리한 결과 미생물 사멸기구는 1차 반응으로 해석될 수 있었고, 주파수 및 전기장세기가 증가함에 따라 살균율이 높아졌다. DHZ 및 DPEF값은 전기장세기가 증가함에 따라 감소하였으며, 효모는 세균에 비하여 낮은 값을 보였다.
- 약주의 PEF 살균시 미생물별 ZPEF 값은 젖산균, 효모, 일반세균 순으로 감소하였으며, 따라서 일반 세균의 살균시간의 전기장세기에 대한 의존성이 가장 큰 것으로 나타났고, 효모, 젖산균 순으로 -의존성이 감소하였다.
- 즉 가열 살균이론의 D값에 해당하는 약주의 PEF 살균시 미생물 수를 1/1。로 낮추는 데 필요한 주파수(Hz)를 나타내는 Dh값을 계산하여 Table 1에 나타내었다. 일반 세균의 경우 균수가 1/10로 감소되는데 소!요되는 주파수는 20 kV/ cm에서는 6, 600Hz가 필요하였으며, 30kV/cm에서는 3, 600 Hz, 40kV/cm에서는 1320 Hz, 50kV/cm에서는 1, 180 Hz의 처리가 필요한 것으로 나타나, 전기장 세 기가 증가함에 따라 감소하였다. 미생물에 따라서는 세균의 Dh기:이 효모에 비하여 높았으나 그 차이는 전기장세기가 증가함에 따라 줄어드는 양상을 보였다.
- 이상의 다중전극 PEF 살균 결과를 소규모 연속식 PEF 살균 결과(5)와 비교할 때 살균효과의 상승이 있었으며, 특히 20 kV/cm에서는 뚜렷한 향상이 확인되었다. 이는 처리 시간은 동일하지만 본장치에서 약주에 존재하는 미생물이 펄스 전기장에 연속적으로 노출되는 회수가 더 많으므로 소규모 연속식 PEF 살균장치와 비교할 때 처리효과가 높은 것으로 생각된다.
- 이는 처리 시간은 동일하지만 본장치에서 약주에 존재하는 미생물이 펄스 전기장에 연속적으로 노출되는 회수가 더 많으므로 소규모 연속식 PEF 살균장치와 비교할 때 처리효과가 높은 것으로 생각된다. 한편 본 장치의 누적 처리 시간에 따른 살균 효과는 회분식 PEF 살균(6)과 비교하면 다소 낮은 편이었으나 살균에 소요되는 시간을 현저하게 줄일 수 있어 실용성이 개선된 것으로 평가되었다.
- 전 기장 세기 20 kV/cm에서 일반 세균은 1, 154 ns 처리하면 1 log 감소시킬 수 있었으며 전기장세기가 증가함에 따라 DpE! 값은 감소하여 50 kV/cm에서는 2063이 소요되는 것으로 나타났다. 효모의 DPEF값은 세균에 비하여 낮은 값을 보여 효모가 PEF 살균에 더욱 민감함을 알 수 있었다. 약 주산패의 원인균으로 알려진 젖산균의 DPEF값은 전기장 세기 20~30 kV/cm에서는 일반 세균보다 낮은 값을 보였으나 전기장세기가 40-50 kV/cm로 증가하면 일반세균에 비하여 높은 값을 보여 높은 전기장에서의 PEF에 대한 저항성이 큰 것으로 나타났다.
후속연구
- 8과 같이 2 cycle 이상에서는 거의 모든 미생물이 사멸됨을 알 수 있었으며 3 cycle 이상에서의 사멸 효과는 크게 중가되지 않았다. 그러나 이는 PEF 처리 후 시료의 회수가 무균조건에서 이루어지지 않았기 때문에 생기는 2차 오염으로 생각되며, 따라서 PEF 살균과 무균 포장 공정이 결합되어야만 상업적 살균 제품을 생산할 수 있음을 의미하며 PEF 처리한 식품의 무균 포장 공정에 대한 연구가 필수적일 것으로 생각된다.
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