[국내논문]압출떡의 유통기한 연장을 위한 LED 조사의 Bacillus cereus 억제 효과 및 LED의 배열에 따른 빛의 조사 패턴 시뮬레이션 Effect of LED light on the inactivation of Bacillus cereus for extending shelf-life of extruded rice cake and simulation of the patterns of LED irradiation by various arrays of LEDs원문보기
본 연구에서는 460 nm 파장의 청색 가시광선을 압출 떡의 표면에 조사하기 위하여 장치의 최적 디자인을 시뮬레이션을 통하여 확인하고 청색광이 압출 떡의 표면에서 식품 위해균인 B. cereus group에 미치는 영향을 확인하였다. LED 장치에서 광원모듈의 세 가지 배열(centered, cross, evenly spaced) 및 광원과 샘플 표면 사이의 거리(22, 32, 42 mm)에 따른 조사 면적에서 빛의 세기 패턴을 시뮬레이션을 통하여 계산하고, Petri factor를 통하여 균일도를 확인하였다. LED 배열의 균일도는 evenly spaced 배열에서 가장 균일한 패턴을 보였으며, 광원과의 거리가 32 및 42 mm일 경우 Petri factor가 0.9 이상으로 높은 균일도를 나타내었다. 떡볶이 떡에 LED 청색광을 조사한 경우 24 h 후 균 수가 초기 균 수에 비하여 감소하였으며, LED를 조사하지 않은 대조군에서는 초기 균 수가 증가하여 1.21 log CFU/g의 차이를 보였다. LED 조사 시 광원과 샘플의 거리가 증가할수록 Petri factor는 증가하나 감균 효과가 낮아지는 결과를 나타내었다. 따라서 Petri factor가 0.9 이상임을 만족하는 evenly spaced 배열의 32 mm 거리가 떡의 유통기한 연장을 위한 LED 장치의 디자인에 적합함을 확인하였다.
본 연구에서는 460 nm 파장의 청색 가시광선을 압출 떡의 표면에 조사하기 위하여 장치의 최적 디자인을 시뮬레이션을 통하여 확인하고 청색광이 압출 떡의 표면에서 식품 위해균인 B. cereus group에 미치는 영향을 확인하였다. LED 장치에서 광원모듈의 세 가지 배열(centered, cross, evenly spaced) 및 광원과 샘플 표면 사이의 거리(22, 32, 42 mm)에 따른 조사 면적에서 빛의 세기 패턴을 시뮬레이션을 통하여 계산하고, Petri factor를 통하여 균일도를 확인하였다. LED 배열의 균일도는 evenly spaced 배열에서 가장 균일한 패턴을 보였으며, 광원과의 거리가 32 및 42 mm일 경우 Petri factor가 0.9 이상으로 높은 균일도를 나타내었다. 떡볶이 떡에 LED 청색광을 조사한 경우 24 h 후 균 수가 초기 균 수에 비하여 감소하였으며, LED를 조사하지 않은 대조군에서는 초기 균 수가 증가하여 1.21 log CFU/g의 차이를 보였다. LED 조사 시 광원과 샘플의 거리가 증가할수록 Petri factor는 증가하나 감균 효과가 낮아지는 결과를 나타내었다. 따라서 Petri factor가 0.9 이상임을 만족하는 evenly spaced 배열의 32 mm 거리가 떡의 유통기한 연장을 위한 LED 장치의 디자인에 적합함을 확인하였다.
The optimum design of LED device for irradiation of 460 nm blue light on extruded rice cake using simulation and the effect of the blue light on the inactivation of Bacillus cereus (B. cereus) group on the rice cake were investigated. The irradiated light intensity patterns on the surface area of th...
The optimum design of LED device for irradiation of 460 nm blue light on extruded rice cake using simulation and the effect of the blue light on the inactivation of Bacillus cereus (B. cereus) group on the rice cake were investigated. The irradiated light intensity patterns on the surface area of the sample were simulated with three different LED arrays (centered, cross, and evenly spaced) and at various distances (22, 32, 42 mm) between the LED modules and the sample. In addition, the uniformity was calculated as Petri factor. The evenly spaced array resulted the most uniform light intensity pattern in the simulation, and the Petri factor of 32 and 42 mm of the distances showed higher than 0.9, which represents the ideal uniformity of LED device. The bacterial population of the rice cake decreased to less than the initial bacterial population during exposure to LED blue light, whereas the bacterial population of the control sample increased. The bacterial count of the rice cake after blue light irradiation for 24 h was 1.21 log CFU/g lower than the control sample. Petri factor increased with increase of the distance between the light source and sample, however, the reduction rate of B. cereus group decreased. Therefore, the design of LED device, that represented the Petri factor higher than 0.9 and inactivated the population of B. cereus group, with evenly spaced and 32 mm of distance between the light source and sample was suitable for extending shelf-life of rice cake.
The optimum design of LED device for irradiation of 460 nm blue light on extruded rice cake using simulation and the effect of the blue light on the inactivation of Bacillus cereus (B. cereus) group on the rice cake were investigated. The irradiated light intensity patterns on the surface area of the sample were simulated with three different LED arrays (centered, cross, and evenly spaced) and at various distances (22, 32, 42 mm) between the LED modules and the sample. In addition, the uniformity was calculated as Petri factor. The evenly spaced array resulted the most uniform light intensity pattern in the simulation, and the Petri factor of 32 and 42 mm of the distances showed higher than 0.9, which represents the ideal uniformity of LED device. The bacterial population of the rice cake decreased to less than the initial bacterial population during exposure to LED blue light, whereas the bacterial population of the control sample increased. The bacterial count of the rice cake after blue light irradiation for 24 h was 1.21 log CFU/g lower than the control sample. Petri factor increased with increase of the distance between the light source and sample, however, the reduction rate of B. cereus group decreased. Therefore, the design of LED device, that represented the Petri factor higher than 0.9 and inactivated the population of B. cereus group, with evenly spaced and 32 mm of distance between the light source and sample was suitable for extending shelf-life of rice cake.
이러한 LED 장치에서 LED 모듈의 배열에 따른 조사 효과를 확인하기 위하여 광학 모델링 또는 시뮬레이션이 유용하게 이용될 수 있다[16,17]. 따라서 본 연구에서는 LED 장치가 식품 표면에 균일하게 청색광을 조사할 수 있는 LED 배열을 시뮬레이션을 통하여 결정하고, 이를 대표적인 압출 떡인 떡볶이 떡의 표면에 적용하여 청색광이 떡볶이 떡 표면의 식품 위해균 억제에 미치는 영향을 확인하고자 한다.
제안 방법
LED 장치가 떡 표면에서 B. cereus group의 균 수에 미치는 영향을 확인하기 위하여 2, 4, 8, 12, 16, 24 h 동안 빛을 조사하였으며, LED 장치에 의하여 떡볶이 떡 표면 온도가 2 h 후 4 ℃에서 9 ℃까지 증가하고 24 h까지 9 ℃로 유지되는 것을 확인하였다. 따라서 대조군은 온도 상승 효과를 제외한 LED 빛의 효과를 비교하기 위하여 9 ℃의 인큐베이터 내에서 LED 조사 실험군과 동일 시간 동안 보관하며 샘플링을 진행하였다.
LED 장치에 부착된 9개의 LED 모듈의 배열(array) 및 광원과 샘플의 거리에 따라 달라지는 빛의 조사 세기와 패턴을 시뮬레이션하였다. LED 모듈의 배열을 Fig.
따라서 대조군은 온도 상승 효과를 제외한 LED 빛의 효과를 비교하기 위하여 9 ℃의 인큐베이터 내에서 LED 조사 실험군과 동일 시간 동안 보관하며 샘플링을 진행하였다. 또한, LED와 떡 표면 사이의 거리에 의한 빛 세기 변화 효과를 확인하기 위하여 LED와 떡 표면 사이의 거리가 22, 32, 42 mm가 되도록 장치의 높이를 조절하여 세 가지 높이에서 LED 조사에 따른 균 수 변화를 확인하였다. 떡의 균 수는 떡볶이 떡 10 g에 0.
대상 데이터
본 실험에 사용된 떡볶이 떡의 제조를 위하여 미분(Nongshim Flour Mills Co., Asan, Korea)과 소금(CJ Cheiljedang, Seoul, Korea)을 시중에서 구입하여 이용하였다. 재료는 4 ℃의 온도에서 보관하며 이용하였다.
압출떡에 청색광을 조사하기 위하여 파장 460 nm, 크기 3×3 mm의 LED 광원 LD-CQAR (Osram, München, Germany)을 이용하였다. LED 조사 장치는 식품의 저장, 유통 및 진열을 목적으로 설계하였으며, 이에 따라 인체에 미치는 영향이 적으면서 균의 억제에 효과가 있는 것으로 알려져 있는 460 nm 파장의 광원을 선택하였다.
데이터처리
본 연구에서 수행된 모든 실험은 3회 이상 반복측정을 하였으며, 데이터는 SPSS (SPSS Statistics 21, IBM, Armonk, NY,USA) 소프트웨어를 이용하여 분산분석(ANOVA)으로 유의성을 분석하였다(p <0.05).
이론/모형
cereus) group을 기준으로 확인하기 위하여, 떡볶이 떡을 제조한 후 2 h 동안 25 ℃에서 냉각한 후 떡으로부터 균을 분리하였다. B. cereus group의 분리는 식품 공전(고시 제2011-20호) 및 Kim 등[19]의 방법으로 수행하였다. 떡을 희석하여 분쇄한 현탁액을 MYP(mannitol egg yolk polymyxin) agar (Difco, Detroit, Michigan, USA) 배지에 도말하여 배양한 후 colony 중 혼탁한 분홍색 환을 형성하는 colony를 선별하였다.
1). LED 장치의 광원 표면과 떡 표면 사이의 거리에 따른 빛의 세기는 light dependent resistor photocell (Luna Optoelectronics, Camarillo, CA, USA)를 이용하여 떡의 중심에서 lux 단위로 측정하였다.
성능/효과
5 미만으로 감소하여 불균일한 빛의 조사가 됨을 확인하였다. 따라서 본 연구에서의 LED 장치를 떡볶이 떡에 조사할 때 떡의 표면에 균일하게 빛을 조사하면서 미생물의 성장 억제 및 균을 감소시켜 유통기한을 연장시키기 위한 조건은 evenly spaced 배열의 32 mm 거리 조건이 적합함을 확인하였다.
청색광은 미생물의 내인성 광과민성 물질(endogenous photosensitizer)에 흡수되어 세포가 활성산소종(reactive oxygen species, ROS)을 생성하도록 하며, ROS는 세포 독성 반응으로 세포 구성 성분을 손상시켜 파괴시키는 역할을 한다[23-25]. 떡볶이 떡의 B. cereus group은 열저항성이 높고 포자를 생성하기 때문에 제어하기 어려운 균으로 알려져 있으나, 본 연구에서는 24 h의 저장 시간 동안 대조군(control) 대비 약 1.21 log CFU/g 낮은 균 수를 유지하여 저장 및 유통 시간에 따른 균 수의 증가를 억제하는 것을 확인할 수 있었다.
또한, Shin 등[15]은 UV 장치를 이용하여 Escherichia coli O157:H7, Salmonella enterica serovar Typhimurium, Listeria monocytogenes가 고체의 표면 및 액체 내에 있을 때 감균 효과를 확인하기 위하여 균일하게 빛을 조사하는 UV 모듈의 배열을 Petri factor로 최적화하였다. 본 연구를 통하여 가시광선을 이용한 식품 저장 장치에서도 UV와 유사하게 각 코너 및 LED 광원 사이의 거리를 일정하게 하였을 때 높은 Petri factor를 나타냄을 확인하였다.
후속연구
본 연구의 결과를 통하여 식품의 냉장 유통 시 청색 가시광선 장치가 유통기한의 연장에 이용됨을 확인할 수 있었다. 또한 균일하게 식품의 표면에 빛을 조사하는 최적의 LED 배열을 광학 시뮬레이션을 통하여 예측 및 설계할 수 있음을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
LED란 무엇인가?
최근 식품 표면에서의 병원성 미생물을 방지하고 초기 균의 생육을 억제하여 식품의 유통기한을 연장시키는 방법으로 식품의 품질에 영향을 미치지 않는 비가열가공기술인 LED (light emitting diode) 조사방법이 주목을 받고 있다[6]. LED는 p-타입과 n-타입의 반도체의 접합으로 빠르게 빛을 방출시키는 고효율의 광원으로, 작동 수명이 반영구적이고 크기가 작으며 방출하는 파장의 범위를 선택할 수 있는 장점이 있다[7]. 기존에는 살균, 폐수처리, 탈취 등을 위하여 100-400 nm 사이의 UV LED가 주로 이용되었으나 이는 효과가 뛰어난 반면 인체에 유해한 단점이 있다[8].
LED의 배열(centered, cross, evenly spaced) 및 광원과의 거리에 따른 빛의 조사 패턴은?
4). 광원이 장치의 중심에 위치할 경우(centered) 최대 빛의 세기가 세 가지 배열 중 가장 높은 값을 나타내었으나 detector의 면적 내에서 빛의 세기의 편차가 가장 높았다. 반면 균일하게 배열된(evenly spaced) LED의 시뮬레이션 결과 최대 빛의 세기는 세 가지 배열 중 가장 낮았으나, 샘플 면적 내 편차는 가장 낮은 값을 나타내었다. 광원과의 거리가 멀어짐에 따라서는 세 가지 배열 모두 빛의 세기가 감소하는 경향을 나타내었으며, 광원에서 샘플이 멀어질수록 빛의 세기 분포 패턴이 균일하게 변화함을 확인할 수 있었다.
LED의 장점은?
최근 식품 표면에서의 병원성 미생물을 방지하고 초기 균의 생육을 억제하여 식품의 유통기한을 연장시키는 방법으로 식품의 품질에 영향을 미치지 않는 비가열가공기술인 LED (light emitting diode) 조사방법이 주목을 받고 있다[6]. LED는 p-타입과 n-타입의 반도체의 접합으로 빠르게 빛을 방출시키는 고효율의 광원으로, 작동 수명이 반영구적이고 크기가 작으며 방출하는 파장의 범위를 선택할 수 있는 장점이 있다[7]. 기존에는 살균, 폐수처리, 탈취 등을 위하여 100-400 nm 사이의 UV LED가 주로 이용되었으나 이는 효과가 뛰어난 반면 인체에 유해한 단점이 있다[8].
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