[논문]회전형 저온 플라즈마 시스템을 이용한 분말식품의 균일한 살균 연구

김명찬; 박덕모; 한진수; 우인봉; 김동후; 장성은; 윤찬석; 김인

doi:10.9799/ksfan.2018.31.2.301

회전형 저온 플라즈마 시스템을 이용한 분말식품의 균일한 살균 연구
A Study of Homogeneous Sterilization of Micro-sized Food Powder by Rotatable Low-Temperature Plasma System 원문보기

한국식품영양학회지 = The Korean journal of food and nutrition, v.31 no.2, 2018년, pp.301 - 307

김명찬 ((주)셀로닉스) , 박덕모 ((주)셀로닉스) , 한진수 (국가식품클러스터지원센터) , 우인봉 (국가식품클러스터지원센터) , 김동후 (국가식품클러스터지원센터) , 장성은 (국가식품클러스터지원센터) , 윤찬석 (국가식품클러스터지원센터) , 김인 ((주)셀로닉스)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a relatively effective process is used to sterilize Escherichia coli on the surface of micro-sized calcium citrate powder using nitrogen and argon as process gases in a low-temperature vacuum plasma treatment. The purpose of this study is to confirm and to introduce the effectiveness of homogeneous surface treatment for the sterilization of fine inorganic powder by the rotatable low-temperature RF plasma system designed by ourselves. The results of the test using 3M petrifilm showed that there were no remarkable spots in the case of the surface of plasma treated powder, whereas the untreated powder showed many blue spots, which indicating that the E. coli was alive. After 5 days, in the same samples, the blue spots were seen to be larger and darker than before, while the plasma-treated powder showed no changes. The results from FE-SEM analysis showed that the E. coli was damaged and/or destroyed by reactive species generated in the plasma space, resulting in the E. coli being sterilized. Furthermore, the sterilization effects according to the selected parameters ($N_2$ and Ar; flow rate 30 and 50 sccm) adapted in this study were mutually similar, regardless of such different process parameters, and this indicates that homogeneous treatment of powder surfaces could be more effective than conventional methods. Therefore, the plasma apparatus used in this study may be a practical method to use in a powerful sterilization process in powder-type food.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 분말 처리에 적합한 저온 플라즈마 전극 및 챔버를 고안하여 대표적인 식중독 균인 대장균을 대상으로 플라즈마 살균 능력을 평가하고자 하였으며, 특히 분말식품의 균일한 살균 효과에 대해 소개하고자 한다.
본 연구에서 사용된 구연산 칼슘(calcium citrate, Gadot Bio- chemical Industries LTD) 분말은 칼슘강화제로 체내 칼슘 흡수력이 우수한 건강보조식품 성분 중의 하나로, 수백 미크론 크기이며, 수분에 대한 용해도가 상대적으로 낮아 액상 대장균 접종 시 분말의 표면성분 용해를 최소화하기 위해 선정되었다.
본 연구결과를 통해서 온도에 민감한 식품 분말을 대상으로 30℃ 이하에서 균일한 살균이 가능하다는 것을 확인할 수 있었으며, 저온 회전형 플라즈마 장치는 분말형 식품의 대장균 살균뿐만 아니라, 기타 유해균의 균일한 살균에도 적용이 가능할 것으로 예상되므로 미크론 크기 분말의 본래 식품영양을 유지하고 치밀한 위생유지 기술을 확보하기 위해 많은 추가 연구가 필요할 것으로 사료된다. 본 연구에서 사용한 분변에는 대장균뿐만 아니라, 다종의 타 세균도 함께 존재하지만, 모든 종류의 세균에 대한 살균 공정 조건을 동시에 확립하기에는 무리가 따르므로, 우선 가장 흔한 유해 미생물인 대장균을 대상으로 실험하였으며, 이후 연구에서 타 미생물에 대한 살균 효과를 다루고자 한다.
본 연구에서는 분말식품의 살균처리를 위해 저온 회전형 플라즈마 장치를 이용하여 대장균(E. coli)에 대한 살균 효과를 살펴보았다. 대장균에 접종된 구연산 칼슘 분말에서는 배양 후 대장균에 의해 형성된 푸른 점이 나타났으나, 플라즈마 처리 후에는 관찰되지 않았고, 질소와 아르곤 각각의 유량에 따른 살균 효과는 유사하게 나타났다.

제안 방법

coli)을 고의적으로 구연산 칼슘에 오염시켜 살균 대상 분말로 사용하였다. 구연산 칼슘 분말 표면을 멸균 생리 식염수로 희석된 분변 혼합액으로 접종하고, 그 혼합액을 시험용지(3M Petrifilm E. coli/Coliform Count Plate) 위에 1 mL씩 접종하여 35℃에서 24시간 배양한 후 대장균에 기인된 푸른색 점을 계수하였다. 각 조건별로 시험용지는 두 장씩(Fig.
4 참조) 사용하였다. 또한 분변 혼합액에 접종된 분말을 플라즈마 처리한 후, 상기와 동일한 절차로 실험한 후 그 결과를 서로 비교 분석하였다.
챔버 내의 온도 상승을 막고 전극 가열에 의한 분말 손상을 줄이기 위해 튜브형 전극관에 18~20℃의 냉각수를 지속적으로 순환시켰다. 또한, 분말의 구름(rolling)을 향상시켜 균일한 살균을 유도하기 위해 회전 챔버 내벽을 요철 형태로 가공하였다. 교류전원으로 RF 파워 서플라이(13.
본 연구에서는 구연산 칼슘 분말의 표면 거칠기 영향이 없는 순수한 대장균만의 표면 이미지로 사멸 형상을 확인하기 위해 평판형의 스테인리스 스틸 금속판 위에 대장균 원액을 떨어뜨린 후 Fig. 5의 N₂ 50 sccm의 조건과 동일한 조건에서 플라즈마 처리하여 SEM 분석을 시도하였다(Fig. 6). 일반적인 대장균의 형상(Shintani 등 2010; Morent & De Geyter 2011)과 비교하면, 플라즈마 살균처리 후의 대장균은 Fig.
5. 미생물 형상 분석

분말의 플라즈마 살균 처리 후 대장균 사멸효과를 이미지로 확인하기 위해 살균처리 전, 후 분말을 멸균 생리 식염수로 혼합/교반하고 그 혼합액으로 접종된 분말을 알루미늄 호일에 올려 진공건조기에 넣고 진공 챔버를 100 mTorr로 감압하여 1시간 건조 후 FE-SEM 장비(JSM-7100F(ZEOL), Japan)를 이용하여 분말 표면에 존재하는 대장균의 사멸 형상을 확인하였다. 전자현미경의 X선에 의한 손상을 방지하기 위해 빔 세기를 최대한 줄였고, 대장균이 손상되어 잘못된 결과를 획득할 수 있으므로 샘플을 스퍼터링 장치로 전처리는 하지 않고 분석하였다.
살균실험을 수행하기에 앞서, 챔버 내에 안정적인 플라즈마와 저온이 유지되는 플라즈마 생성조건을 미리 확인하였으며, 그 결과 챔버 내 압력 100 mTorr, 살균시간 30분, 챔버 회전속도 5 rpm, 인가전압 RF 50 W, 처리 분말량 200 g(1 batch 기준)으로 일부 공정변수들을 고정하였고, 질소와 아르곤 가스 각각에 대해 30 및 50 sccm의 유량 변화를 조건으로 실험하였다. 실험 중 챔버 내 온도는 30℃ 이하로 유지되었다.
, Korea)로 유량을 조절하였다. 전극은 스테인리스 스틸 관으로 가공하였고, 챔버 회전 시 요철 부위에서 떨어지는 분말이 전극에 방해 받지 않고 떨어지도록 링형태로 제작하였다. 챔버 내부로 열전대 센서를 장착하여 플라즈마 생성 전, 후 온도를 측정하였고, 튜브형 샤워헤드 하부에 1 mm 폭의 슬릿을 통해 공정가스가 챔버 내부로 도입되고 튜브형 전극 주위에서 플라즈마가 생성되어 분말 표면과 접촉하면서 살균 반응이 진행된다.
분말의 플라즈마 살균 처리 후 대장균 사멸효과를 이미지로 확인하기 위해 살균처리 전, 후 분말을 멸균 생리 식염수로 혼합/교반하고 그 혼합액으로 접종된 분말을 알루미늄 호일에 올려 진공건조기에 넣고 진공 챔버를 100 mTorr로 감압하여 1시간 건조 후 FE-SEM 장비(JSM-7100F(ZEOL), Japan)를 이용하여 분말 표면에 존재하는 대장균의 사멸 형상을 확인하였다. 전자현미경의 X선에 의한 손상을 방지하기 위해 빔 세기를 최대한 줄였고, 대장균이 손상되어 잘못된 결과를 획득할 수 있으므로 샘플을 스퍼터링 장치로 전처리는 하지 않고 분석하였다. 본 연구에서 진행한 실험 절차는 Fig.
전극은 스테인리스 스틸 관으로 가공하였고, 챔버 회전 시 요철 부위에서 떨어지는 분말이 전극에 방해 받지 않고 떨어지도록 링형태로 제작하였다. 챔버 내부로 열전대 센서를 장착하여 플라즈마 생성 전, 후 온도를 측정하였고, 튜브형 샤워헤드 하부에 1 mm 폭의 슬릿을 통해 공정가스가 챔버 내부로 도입되고 튜브형 전극 주위에서 플라즈마가 생성되어 분말 표면과 접촉하면서 살균 반응이 진행된다. Fig.

대상 데이터

분변에서 채취한 대장균(E. coli)을 고의적으로 구연산 칼슘에 오염시켜 살균 대상 분말로 사용하였다. 구연산 칼슘 분말 표면을 멸균 생리 식염수로 희석된 분변 혼합액으로 접종하고, 그 혼합액을 시험용지(3M Petrifilm E.
1(a)와 같다. 플라즈마 살균 장치는 원통형 챔버, 가스공급부, 교류전원부, 회전부, 진공라인부, 전극부로 구분되며, 자체 제작하였다. 플라즈마 활성을 위한 공정 가스로써 공기와 산소를 이용한 분말 살균 효과를 보고한 사례가 있으나(Azharonok 등 2011; Paskalov 2015), 본 연구에서는 비교적 취급이 용이하고, 안전한 고순도(99.
플라즈마 살균 장치는 원통형 챔버, 가스공급부, 교류전원부, 회전부, 진공라인부, 전극부로 구분되며, 자체 제작하였다. 플라즈마 활성을 위한 공정 가스로써 공기와 산소를 이용한 분말 살균 효과를 보고한 사례가 있으나(Azharonok 등 2011; Paskalov 2015), 본 연구에서는 비교적 취급이 용이하고, 안전한 고순도(99.999%) 질소와 아르곤으로 사용하였다. 챔버 내의 온도 상승을 막고 전극 가열에 의한 분말 손상을 줄이기 위해 튜브형 전극관에 18~20℃의 냉각수를 지속적으로 순환시켰다.

성능/효과

5는 플라즈마 처리 전 구연산 칼슘 분말(a, b)과 대장균 접종 후의 분말 표면(c, d), 그리고 플라즈마 살균 후 분말(e)의 SEM 분석을 통해 얻어진 표면 이미지들이다. 구연산 칼슘 분말의 표면은 각이 진 미세 결정을 포함하는 거친 표면구조를 나타냈으나, 대장균 접종 후 결정형 구조는 관찰되지 않고 대신 길고 둥근 모서리의 균들의 형상이 표면에서 확인되었다. 반면, 플라즈마 처리 후에는 결정형태도 아니고 둥글고 긴 형태의 균 이미지도 아닌, 표면 살균반응 후의 잔여물이 표면을 덮고 있는 것이 관찰되었다.
coli)에 대한 살균 효과를 살펴보았다. 대장균에 접종된 구연산 칼슘 분말에서는 배양 후 대장균에 의해 형성된 푸른 점이 나타났으나, 플라즈마 처리 후에는 관찰되지 않았고, 질소와 아르곤 각각의 유량에 따른 살균 효과는 유사하게 나타났다. 배양 후 5일 동안 방치된 플라즈마 미처리 샘플의 경우, 푸른색의 점 크기가 더욱 커지고 색깔이 짙어졌으나, 처리된 샘플에서는 방치 전과 거의 변화가 없었다.
따라서 본 실험의 결과들은 플라즈마 공간 내에서 분말의 균일한 살균처리가 가능하다는 것을 간접적으로 제시하고 있다.
특히, 분말 하나를 기준으로 봤을 때, 대장균에 의해 오염된 분말의 표면 전체에 균일한 플라즈마 처리 효과가 있다는 것으로 볼 수 있다. 또한 플라즈마 공정가스로 사용된 질소와 아르곤에 의한 대장균 살균효과의 차이를 구분하기는 어려웠으며, 각 가스의 유량 변화에도 유사한 살균효과를 보이므로 본 연구에서의 공정 조건이 분말 표면의 대장균 살균에 적합하게 설정되었다고 판단된다.
구연산 칼슘 분말의 표면은 각이 진 미세 결정을 포함하는 거친 표면구조를 나타냈으나, 대장균 접종 후 결정형 구조는 관찰되지 않고 대신 길고 둥근 모서리의 균들의 형상이 표면에서 확인되었다. 반면, 플라즈마 처리 후에는 결정형태도 아니고 둥글고 긴 형태의 균 이미지도 아닌, 표면 살균반응 후의 잔여물이 표면을 덮고 있는 것이 관찰되었다.
이 각각의 대장균에서 기인된 푸른색 점들 주위를 가스방울이 둘러싸고 있고, 그 이외의 부분은 전체적으로 대장균군의 존재를 의미하는 붉은 색을 띠며, 미세 가스방울이 형성되어 있는 것이 확인되었다. 반면, 플라즈마 처리 후의 모든 샘플에서는 미처리 샘플에서 관찰되는 푸른색 점이 나타나지 않았으며, 별다른 변화가 관찰되지 않은 것으로 보아, 대장균이 효과적으로 살균되었다는 것을 확인할 수 있다. 특히, 분말 하나를 기준으로 봤을 때, 대장균에 의해 오염된 분말의 표면 전체에 균일한 플라즈마 처리 효과가 있다는 것으로 볼 수 있다.
비교 사진을 보면, 대장균 혼합원액은 전체적으로 푸른색 또는 자색을 띄면서 미세한 가스 방울이 형성된 것이 관찰되었으나, 플라즈마 미처리 샘플은 대장균 혼합원액을 멸균 생리 식염수로 희석하여 상대적으로 대장균 밀도가 낮기 때문에 점 형태로 나타났다. 이 각각의 대장균에서 기인된 푸른색 점들 주위를 가스방울이 둘러싸고 있고, 그 이외의 부분은 전체적으로 대장균군의 존재를 의미하는 붉은 색을 띠며, 미세 가스방울이 형성되어 있는 것이 확인되었다.
비교 사진을 보면, 대장균 혼합원액은 전체적으로 푸른색 또는 자색을 띄면서 미세한 가스 방울이 형성된 것이 관찰되었으나, 플라즈마 미처리 샘플은 대장균 혼합원액을 멸균 생리 식염수로 희석하여 상대적으로 대장균 밀도가 낮기 때문에 점 형태로 나타났다. 이 각각의 대장균에서 기인된 푸른색 점들 주위를 가스방울이 둘러싸고 있고, 그 이외의 부분은 전체적으로 대장균군의 존재를 의미하는 붉은 색을 띠며, 미세 가스방울이 형성되어 있는 것이 확인되었다. 반면, 플라즈마 처리 후의 모든 샘플에서는 미처리 샘플에서 관찰되는 푸른색 점이 나타나지 않았으며, 별다른 변화가 관찰되지 않은 것으로 보아, 대장균이 효과적으로 살균되었다는 것을 확인할 수 있다.
배양 후 5일 동안 방치된 플라즈마 미처리 샘플의 경우, 푸른색의 점 크기가 더욱 커지고 색깔이 짙어졌으나, 처리된 샘플에서는 방치 전과 거의 변화가 없었다. 플라즈마 미처리 분말의 표면에서는 대장균 형상에서 기인된 둥글고 긴 형태의 이미지가 확인되었으나, 처리 후 분말의 표면에서는 그러한 형상 대신 대장균이 사멸된 잔유물의 이미지가 관찰되었다. 처리 후, 대장균은 부피가 축소되고 구멍이 나거나 파괴되어 균체 내부의 구성 물질이 외부로 드러난 사멸 형상을 보였다.

후속연구

처리 후, 대장균은 부피가 축소되고 구멍이 나거나 파괴되어 균체 내부의 구성 물질이 외부로 드러난 사멸 형상을 보였다. 본 연구결과를 통해서 온도에 민감한 식품 분말을 대상으로 30℃ 이하에서 균일한 살균이 가능하다는 것을 확인할 수 있었으며, 저온 회전형 플라즈마 장치는 분말형 식품의 대장균 살균뿐만 아니라, 기타 유해균의 균일한 살균에도 적용이 가능할 것으로 예상되므로 미크론 크기 분말의 본래 식품영양을 유지하고 치밀한 위생유지 기술을 확보하기 위해 많은 추가 연구가 필요할 것으로 사료된다. 본 연구에서 사용한 분변에는 대장균뿐만 아니라, 다종의 타 세균도 함께 존재하지만, 모든 종류의 세균에 대한 살균 공정 조건을 동시에 확립하기에는 무리가 따르므로, 우선 가장 흔한 유해 미생물인 대장균을 대상으로 실험하였으며, 이후 연구에서 타 미생물에 대한 살균 효과를 다루고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플라즈마 기술을 이용한 플라즈마 살균 메카니즘은?	최근 식품 분야로 응용범위를 넓히고 있는 플라즈마 기술은 가스분자가 전기 방전에 의해 이온, 라디칼, 여기입자, 전자, 고/저속 중성입자로 전환되어 공존하는 활성화된 상태를 이용하며, 또한 생성된 활성종이 안정화될 때 전자 에너지 수준에 따르는 다양한 파장의 전자기파를 방출한다(Park 등 2013). 플라즈마 살균 메카니즘은 ① UV 조사에 의한 유해 세균체의 DNA 및 세포질의 분자 구조 파괴, ② 광탈착(photodesorption), ③ 활성종에 의한 에칭(etching) 순서로 이뤄지며, UV 단독 조사보다는 플라즈마에 의한 복합적인 살균 방법이 더 우수하다는 연구결과도 발표되었다(Lisovskiy 등 2000; Moisan 등 2002).
	플라즈마 기술의 특징은 무엇인가?	최근 식품 분야로 응용범위를 넓히고 있는 플라즈마 기술은 가스분자가 전기 방전에 의해 이온, 라디칼, 여기입자, 전자, 고/저속 중성입자로 전환되어 공존하는 활성화된 상태를 이용하며, 또한 생성된 활성종이 안정화될 때 전자 에너지 수준에 따르는 다양한 파장의 전자기파를 방출한다(Park 등 2013). 플라즈마 살균 메카니즘은 ① UV 조사에 의한 유해 세균체의 DNA 및 세포질의 분자 구조 파괴, ② 광탈착(photodesorption), ③ 활성종에 의한 에칭(etching) 순서로 이뤄지며, UV 단독 조사보다는 플라즈마에 의한 복합적인 살균 방법이 더 우수하다는 연구결과도 발표되었다(Lisovskiy 등 2000; Moisan 등 2002).
	저온 회전형 플라즈마 장치를 이용한 플라즈마 분말 처리 유무에 따른 대장균의 살균 효과는 어떻게 나타나는가?	배양 후 5일 동안 방치된 플라즈마 미처리 샘플의 경우, 푸른색의 점 크기가 더욱 커지고 색깔이 짙어졌으나, 처리된 샘플에서는 방치 전과 거의 변화가 없었다. 플라즈마 미처리 분말의 표면에서는 대장균 형상에서 기인된 둥글고 긴 형태의 이미지가 확인되었으나, 처리 후 분말의 표면에서는 그러한 형상 대신 대장균이 사멸된 잔유물의 이미지가 관찰되었다. 처리 후, 대장균은 부피가 축소되고 구멍이 나거나 파괴되어 균체 내부의 구성 물질이 외부로 드러난 사멸 형상을 보였다. 본 연구결과를 통해서 온도에 민감한 식품 분말을 대상으로 30℃ 이하에서 균일한 살균이 가능하다는 것을 확인할 수 있었으며, 저온 회전형 플라즈마 장치는 분말형 식품의 대장균 살균뿐만 아니라, 기타 유해균의 균일한 살균에도 적용이 가능할 것으로 예상되므로 미크론 크기 분말의 본래 식품영양을 유지하고 치밀한 위생유지 기술을 확보하기 위해 많은 추가 연구가 필요할 것으로 사료된다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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