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문제 정의
- 고전압 펄스전기장(pulsed electric field, PEF) 처리는 비가열 살균 기술로서 살균 중 식품 내 열 유입을 최소화할 목적으로 개발되었다. PEF 처리는 식품에 수만 볼트 이상의 전압을 순간적으로 식품에 가함으로써 식품에 존재하는 미생물의 세포막에 비가역적인 손상을 일으켜 미생물을 저해시킨다(8).
- 최근 국내에서도 실험실 규모 이상의 PEF 장비를 이용한 식품 가공 연구가 진행되고 있으나 아직 이를 이용한 주스 살균에 대한 연구가 부족한 실정이다. 따라서 본 연구의 목적은 국산 대표 주스인 감귤 주스와 당근 주스를 파일럿 규모의 PEF 처리를 이용하여 살균하면서 최적 처리 조건을 결정하고, 신선 주스의 품질과 최적 조건에서 살균된 주스의 품질을 비교하여 PEF로 살균된 주스의 품질을 평가하는 것이었다.
가설 설정
- 1)Tinlet, E, t, and Wspec are inlet temperature, electric field strength, total treatment time, and specific energy, respectively.
- 2)Values with different letter superscripts in each column are significantly different each other at p<0.05.
제안 방법
- PEF 처리 전 감귤 주스와 당근 주스를 25° C의 배양기(VS1203P1, Vision Scientific Co., Bucheon, Korea)에서 3-5일간 방치하여 토착 미생물을 증식시켰다(6.6-7.0 log CFU/mL).
- PEF 처리에 의한 감귤 주스와 당근 주스 내의 중온 호기성 세균과 효모 및 곰팡이의 저해도를 측정하였다. PEF 처리 전 감귤 주스와 당근 주스를 25° C의 배양기(VS1203P1, Vision Scientific Co.
- 감귤 주스는 25°C로 주입하여 15-23 kV/cm의 전기장 세기로 23-211 μs의 시간 동안 PEF 처리하였고, 당근 주스는 25°C로 주입하여 14 kV/cm로 170-198 μs 동안 처리하였다.
- 감귤 주스와 당근 주스의 전기전도도(electric conductivity)는 각각 0.39와 0.70 S/m이었고, 두 주스의 처리는 처리 중 절연파괴(dielectric breakdown)가 일어나지 않으며 처리 후 주스의 품온이 각각 62와 65°C를 넘지 않는 조건에서 이루어졌다.
- 당도는 휴대용 디지털 당도계(PAL-1, ATAGO, Tokyo, Japan)를 이용하여 측정하였고, pH는 피에이치미터(FiveEasyTM Plus, Mettler Toledo, Schwerzenbach, Switzerland)를 이용하여 측정하였다.
- 모든 실험은 2회 반복하였고, 1회마다 색은 5회 그리고 나머지 분석에서는 3회씩 반복 측정하였다. 실험을 통해 얻은 데이터들은 SPSS (Ver.
- 분석 시료의 주입량은 20 μL이었고, UV-Vis 검출기(G1315B, Agilent Technologies)를 이용하여 450 nm의 파장에서 베타카로텐을 검출하였다.
- 분석 시료의 주입량은 20 μL이었고, UVVis 검출기(G1315B, Agilent Technologies)를 이용하여 254 nm의 파장에서 비타민 C를 검출하였다.
- 비처리 주스와 PEF 처리 주스는 멸균된 0.1% (w/w) 펩톤수로희석 후 평판우무(plate count agar, PCA)배지와 감자포도당우무(potato dextrose agar, PDA)배지에 평판도말 하였다. 평판우무배지와 감자포도당우무배지는 각각 37°C에서 1-2일간 그리고 25°C에서 3-5일간 배양되었고 배양 후 각각의 배지에서 중온 호기성 세균과 효모 및 곰팡이를 계수하였다.
- 시료 100 μL와 0.4mM DPPH 100 μL를 96-웰 플레이트에서 혼합한 후 암소에서 30분 동안 반응시킨 후 분광광도계(SpectraMax M3, Molecular Devices)를 이용하여 517 nm의 파장에서 반응물의 흡광도를 측정하였다.
- , Vernon Hills, IL, USA)를 이용하여 시간당 30 L의 유속으로 흘려보냈고, 시료가 이동하는 관(내경 10 mm)을 27±2와 45±1°C로 설정한 항온수조에 통과시켜 시료의 주입 온도를 25±2와 40±2°C로 조절하였다. 시료 온도는 배출구에서 배출되는 시료의 품온을 열전기쌍(Center 305, Shanghai Total Meter Co. Ltd., Shanghai, China)으로 측정하였다. 그리고 처리된 주스는 즉시 멸균 튜브(50 mL Conical tube, SPL Co.
- 시료는 연동 펌프(H-07553-70, Cole-Parmer Instrument Co., Vernon Hills, IL, USA)를 이용하여 시간당 30 L의 유속으로 흘려보냈고, 시료가 이동하는 관(내경 10 mm)을 27±2와 45±1°C로 설정한 항온수조에 통과시켜 시료의 주입 온도를 25±2와 40±2°C로 조절하였다.
- 시료는 원심분리기(Supra 22k, Hanil Science Industrial Co., Gangneung, Korea)를 이용하여 4°C에서 10,000×g로 20분 동안 원심분리하였고, 분리된 상등액을 0.45 μm 주사기 필터(6750-2504, Whatman Co., Piscataway, NJ, USA)로 여과하여 분석 시료를 준비하였다.
- 주스 3 mL를 페트리접시(내경 35 mm)에 담고 표준 백색판에 올려놓은 후 색차계(Minolta Chroma Meter CR-400, Minolta Camera Co., Osaka, Japan)를 이용하여 주스의 Hunter L (lightness, 명도), a (redness, 적색도), b (yellowness, 황색도)를 측정하였다. 색차계는 표준 백색판(L =94.
- 주스의 주입 온도의 살균 효과에 대한 영향을 확인하기 위하여 감귤 주스와 당근 주스의 온도를 상기 서술한 방법을 통해 40°C로 조절하였고 이 후 감귤 주스는 20 kV/cm로 129 μs 동안 처리하였고, 당근 주스는 13 kV/cm로 124 μs 동안 처리하였다.
- 컬럼은 Symmetry C18 (5 μm, 내경 4.6 mm×250 mm, Waters Co., MA, USA)을 사용하였고, 분석 온도는 컬럼 오븐(G1316A, Agilent Technologies)을 이용하여 23±2°C로 유지하였다.
- 컬럼은 Symmetry C18 (5 μm, 내경 4.6 mm×250 mm, Waters Co., MA, USA)을 사용하였고, 분석 온도는 컬럼 오븐(G1316A, Agilent Technologies)을 이용하여 30±2°C로 유지하였다.
- 평판우무배지와 감자포도당우무배지는 각각 37°C에서 1-2일간 그리고 25°C에서 3-5일간 배양되었고 배양 후 각각의 배지에서 중온 호기성 세균과 효모 및 곰팡이를 계수하였다.
대상 데이터
- , MA, USA)을 사용하였고, 분석 온도는 컬럼 오븐(G1316A, Agilent Technologies)을 이용하여 23±2°C로 유지하였다. 아스코르브산 표준물질(ascorbic acid)은 Sigma-Aldrich Co. (St. Louis, MO, USA)에서 구입하였다.
- 제주산 감귤과 당근을 착즙 후 농축하여 제조한 60°Bx의 감귤 주스 농축액(Ilhae Co., ltd., Jeju, Korea)과 35°Bx의 당근 주스 농축액(Ilhae Co., Ltd.)을 −20°C 이하에서 냉동 저장하였고, PEF 처리 전 감귤 주스 농축액과 당근 주스 농축액을 각각 11과 7° Bx에 맞춰 증류수로 희석하여 주스 시료를 준비하였다.
- 평판우무배지와 감자포도당우무배지는 각각 37°C에서 1-2일간 그리고 25°C에서 3-5일간 배양되었고 배양 후 각각의 배지에서 중온 호기성 세균과 효모 및 곰팡이를 계수하였다. 평판우무, 감자포도당우무, 그리고 펩톤수는 Difco Laboratories (Detroit, MI, USA)에서 구입하였다.
데이터처리
- 실험을 통해 얻은 데이터들은 SPSS (Ver. 23, SPSS Inc., Chicago, IL, USA)를 이용하여 일원 배치 분산분석(one-way ANOVA)을 실시하였고, Tukey 다중범위 검증(Tukey’s multiple range test)으로 사후분석을 실시하였다(α=0.05).
이론/모형
- 당근 주스의 베타카로텐은 Lin과 Chen(17)의 방법에 따라 추출하였고, Mestry 등(18)의 방법에 따라 HPLC (Agilent 110 series, Agilent Technologies)를 이용하여 정량 분석하였다. 주스 8mL과 에탄올-헥세인(4:3, v/v) 42 mL을 100 mL의 유리병에서 혼합한 후 진탕기(JSOS-500, JS Research Inc.
- 당근 주스의 총 카로테노이드 농도는 Zhou 등(15)의 방법에 따라 측정하였다. 카로테노이드를 추출하기 위해 분별 깔때기에 주스 2 mL과 추출 용매인 클로로폼-메탄올(2:1, v/v) 10 mL을 혼합하여 섞은 후 무수황산나트륨(Na2SO4)을 첨가하여 수상으로부터 유기상을 얻었다.
- 비타민 C 농도는 Kim 등(16)의 방법에 따라 고성능액체크로마토그래피(high performance liquid chromatography, HPLC, Agilent 110 Series, Agilent Technologies, Santa Clara, CA, USA)를 이용하여 정량 분석하였다. 분석 시료는 갈변도 측정과 동일한 방법으로 준비하였다.
- 산화방지능은 Blois(19)의 방법에 따라 2,2'-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) 라디칼 소거능으로 측정하였다.
- 주스의 갈변도는 Zhou 등(15)의 방법에 따라 측정하였다. 시료는 원심분리기(Supra 22k, Hanil Science Industrial Co.
성능/효과
- 1)Electric conductivity values for mandarin and carrot juice are 0.40 and 0.74 S/m, respectively.
- 1)The values for electric field strength and total treatment time at the optimum treatments were 23 kV/cm-104 μs and 20 kV/cm-75 μs for the treatments of mandarin juice at 25 and 40°C and 14 kV/cm-198 μs and 13 kV/cm-127 μs for the treatments of carrot juice at 25 and 40°C respectively.
- 9 log CFU/mL 저해시켜(Table 2) 이를 통해 전기장 세기가 미생물 저해 효과에 크게 영향을 미치는 주요 변수임을 알 수 있었다. 또한 15, 21, 그리고 23 kV/cm에서 처리 시간을 조절하여 약 160 kJ/L의 에너지 밀도로 처리한 결과, 전기장 세기가 높을수록 살균 효과가 증가하는 경향을 보였다(Table 2). 전기장 세기 증가가 가져다주는 살균 효과의 증가는 효모 및 곰팡이 저해에서도 보였다(Table 2).
- 또한 40°C의 처리는 25°C에서 23 kV/cm-104 μs로 처리한 결과와 비교하였을 때, 에너지 밀도가 약 1/2 수준임에도 불구하고 효모 및 곰팡이가 약 2 log CFU/mL 이상 더 많이 저해된 것을 알 수 있었다(Table 2).
- 상온 PEF와 중온 PEF 처리 모두 감귤 주스와 당근 주스의 이화학적·영양학적 특성에 크게 영향을 주지 않으면서도 상업적 살균에 적합한 미생물 저해 효과를 보여주었다. 본 연구는 파일럿 규모의 PEF 처리 장비를 이용하여 감귤 주스와 당근 주스를 살균하지 않은 주스의 품질을 유지하면서 살균할 수 있음을 보여주었다. 처리 시간, 전기장 세기, 그리고 주입 온도의 조절을 통해 최소의 에너지 사용으로 품질 보존과 동시에 최대의 미생물 저해 효과를 얻는 PEF 살균 공정 최적화가 다양한 주스 제품에 대하여 이루어 질 수 있을 것으로 전망한다.
- 이는 PEF 처리가 조건에 따라 카로테노이드를 파괴하거나 새로운 카로테노이드를 생성된다는 것을 의미한다(26). 본 연구에 사용된 PEF 처리 조건은 감귤 주스와 당근 주스의 카로테노이드 농도에 영향을 주지 않는 범위의 조건임을 확인할 수 있었다.
- 본 연구에서는 PEF 처리 시간과 전기장 세기가 증가할수록 주스 내 토착 미생물 저해 효과가 상승함을 알 수 있었고, 또한 처리 주스의 주입 온도를 높여 40°C에서 PEF 처리했을 때 살균 효과가 높아짐을 확인하였다.
- 본 연구의 상온 PEF와 중온 PEF 처리 후 감귤 주스 내 비타민 C 농도가 각각 49.1±3.9와 48.5±2.9 mg/100 mL이었으므로 PEF 처리가 오렌지 주스와 같은 시트러스(citrus) 계열인 감귤 주스를 상업적으로 살균하는데 영양학적인 관점에서 적합함을 알 수 있었다.
- 살균 효과를 기준으로 전기장 세기와 처리 시간은 주입 온도 25°C(상온 PEF 처리)에서 감귤 주스와 당근 주스 각각 23 kV/cm-104 μs와 14 kV/cm-198 μs로 결정되었고, 주입 온도 40°C(중온 PEF 처리)에서 각각 20 kV/cm-75 μs와 13 kV/cm-127 μs로 결정되었다.
- 상온 PEF와 중온 PEF 처리 모두 감귤 주스와 당근 주스의 이화학적·영양학적 특성에 크게 영향을 주지 않으면서도 상업적 살균에 적합한 미생물 저해 효과를 보여주었다.
- 식품공전에 명시된 가공 과·채 주스의 세균 수 규격 기준(100 CFU/mL 이하) 이하이므로(25), 이 결과는 본 연구에서 사용된 파일럿 PEF 처리 장비를 가지고 제시된 조건으로 감귤 주스와 당근 주스를 처리하면 이들 주스를 상업적으로 살균하는데 적합하다는 것을 보여준다.
- 또한 15, 21, 그리고 23 kV/cm에서 처리 시간을 조절하여 약 160 kJ/L의 에너지 밀도로 처리한 결과, 전기장 세기가 높을수록 살균 효과가 증가하는 경향을 보였다(Table 2). 전기장 세기 증가가 가져다주는 살균 효과의 증가는 효모 및 곰팡이 저해에서도 보였다(Table 2). 전기장 세기가 미생물 저해에 미치는 영향은 앞서 발표된 연구 결과와 일치하였는데, Zhao 등(20)은 18.
- 전기장 세기에 따른 PEF 처리에 의한 미생물 저해 효과를 비교하기 위해 유사한 처리 시간을 갖는 21 kV/cm-113 μs와 23 kV/cm-104 μs로 감귤 주스를 PEF 처리하였을 때 중온 호기성 세균을 각각 1.5±0.4와 6.3±0.9 log CFU/mL 저해시켜(Table 2) 이를 통해 전기장 세기가 미생물 저해 효과에 크게 영향을 미치는 주요 변수임을 알 수 있었다.
- 주입 온도 25°C에서 처리 전기장과 상관없이 PEF 처리 시간이 길어질 때 중온 호기성 세균과 효모 및 곰팡이 모두의 저해 정도가 대체로 증가하는 경향을 볼 수 있었다.
- 주입 온도에 따른 PEF 처리의 미생물 저해 효과를 확인하기 위해 감귤 주스 주입 온도를 25°C와 40°C 둘로 하여 PEF 처리(21 kV/cm-113 μs)하였을 때, 처리시간이 38 μs 더 길고 에너지 밀도도 35 kJ/L 더 높은 25°C PEF 처리보다 40°C PEF 처리가 호기성 미생물의 경우 >5.2 log CFU/mL 그리고 효모 및 곰팡이의 경우 >5.2 log CFU/mL 더 많은 저해를 보여줬다(Table 2).
후속연구
- 본 연구는 파일럿 규모의 PEF 처리 장비를 이용하여 감귤 주스와 당근 주스를 살균하지 않은 주스의 품질을 유지하면서 살균할 수 있음을 보여주었다. 처리 시간, 전기장 세기, 그리고 주입 온도의 조절을 통해 최소의 에너지 사용으로 품질 보존과 동시에 최대의 미생물 저해 효과를 얻는 PEF 살균 공정 최적화가 다양한 주스 제품에 대하여 이루어 질 수 있을 것으로 전망한다.
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