Development of pilot-scale intense pulsed light (IPL) device and modeling for microbial inactivation of dried seed foods

Abstract

The aim of this study was to measure the bactericidal effect of two types of pilot-scale intense pulsed light (IPL) device constructed in our laboratory. Sesame seeds, in which the initial microbial load was 104 - 105 CFU/g, were treated by laboratory-scale IPL treatment at a total fluence of 45.42 J/cm2 and 0.99 log microbial reduction was achieved. We observed 1.02 log reduction when adding the mixing step during the IPL treatment so it was concluded that combining a mixing process and powerful IPL is essential to decontaminate sesame seeds well. Based on preliminary experimental results using a laboratory-scale IPL device, a pilot-scale IPL device in which the sample is placed in a cyclonic flow was designed and constructed in our laboratory. The xenon lamp and power supply were also upgraded. This modified device achieved a 1.46 log reduction at a total fluence of 44.96 J/cm2. Changing the material of the treatment chamber from acrylic to stainless steel induced light reflections that resulted in improvement of the decontamination efficiency. The maximum decontamination level, however, was not significantly different and it would be attributed to the shadow effect associated with the properties of the sesame seed surface, which has many hollows and cracks. The trend of sterilization effect and surface properties were similar for cassia seeds and glutinous millet, in which the initial microbial loads were 103–104 and 102–103 CFU/g, respectively. The maximum reductions in the microbial loads of the sesame seeds, cassia seeds, and glutinous millet were 1.29, 0.85, and 0.66, respectively, when using the cyclone-type IPL, and 0.76, 2.63, and 0.55 log when using the belt-type IPL device. The belt-type device was particularly suitable for cassia seeds because the mesh surface of belt circulated cassia seeds well. Therefore, it is important to choose a device that is designed to allow the sample to circulate more effectively depending on their size or physical characteristics. The water activity, moisture content, and color of either sample did not change significantly during IPL treatment. We also measured and calculated several physical properties of the samples, and found that the initial density of microbes (CFU/mm2) affects the bactericidal effects. Using the total fluences and initial density of microbes, empirical model was developed to predict the cell reduction on seed foods treated with IPL. IPL could be a useful alternative technology for heat sterilization, but further studies using various samples with different initial microbe densities are needed to test its feasibility for commercial applications.;이 연구의 목표는 대용량의 분말 식품을 살균 처리 할 수 있는 pilot-scale intense pulsed light(IPL) 장치를 제작하고 이를 이용하여 다양한 분말의 미생물 저감 효과를 파악하는 것이었다. Laboratory-scale IPL 장치를 이용해 예비실험 한 결과, 효과적인 분말 살균을 위해서는 더욱 높은 광원의 에너지와 분말의 표면이 최대한으로 광원에 노출될 수 있는 챔버가 필수적이었다. Xenon lamp와 power supply의 업그레이드를 통해 광원의 에너지를 높였고, cyclone-type과 belt-type의 챔버를 제작하여 분말이 원활하게 구르면서 이동하도록 하였다. Cyclone-type 장치는 챔버 내부를 진공상태로 만들어 분말이 cyclone 형태를 띠며 이동하도록 했으며 이를 통해 초기 균 수가 104-105 CFU/g 인 참깨의 살균 효과가 최고 44.96 J/cm2의 total fluence에서 최고 1.46 log 로 나타남을 확인하였다. 이는 laboratory-scale 장치로 사용했을 때 최고 0.99 log 의 저감 효과를 보인 것에 비해 높은 수치이며 따라서 cyclone-type IPL 장치는 분말 식품을 효과적으로 순환시키며 미생물을 살균시킨다고 할 수 있다. Cyclone-type IPL 장치는 초반에 챔버 내부에서 샘플의 이동경로를 파악하기 위해 아크릴로 제작되었으나 실제 산업적 적용을 위해 스테인리스 재질로 다시 제작되었다. 재질 변경으로 인해 광원 에너지가 외부로 노출되지 않아 챔버 내부에서 에너지의 세기가 증가하는 효과가 나타나 (최고 에너지밀도가 44.96 J/cm2 에서 56.46 J/cm2으로 증가함) 미생물 저감 효과의 상승을 기대했으나, 최고 미생물 살균 효과는 1.29 log로 큰 변화가 없는 것으로 나타났다. 재질의 변화로 인해 분말 식품에 전해지는 광원 에너지가 증가했음에도 불구하고 미생물 저감 효과가 비슷한 이유는 분말 식품의 표면적 특성 때문이다. SEM 측정을 통해 분말 식품은 상당히 울퉁불퉁하며 미생물이 충분히 숨을 수 있는 틈이나 결이 존재하는 것을 확인하였다. 해당 장치를 이용하여 결명자와 차조의 미생물 저감 효과도 분석하였는데, 각각의 초기 균 수는 103-104 와 102-103 CFU/g 이었으며 최고 살균 효과는 각각 0.85 와 0.66 log로 나타났다. 본 연구에서는 cyclone-type 장치 외에도 바닥면이 mesh로 구성된 belt-type 장치도 제작하였다. 장치에 연결된 모터에 의해 분말장치는 mesh 바닥 위를 구르면서 이동하게 되는데 해당 장치를 이용하여 최고 53.58 J/cm2 로 처리했을 때 참깨, 결명자, 차조의 미생물 저감 효과는 각각 0.76, 2.63, 0.55 log로 나타났다. Cyclone-type 장치와 비교했을 때 결명자의 살균 효과는 크게 늘었고 참깨와 차조의 살균 효과는 줄어든 것을 알 수 있는데, 이것은 belt-type의 mesh 바닥 때문이다. 바닥면이 결명자를 더욱 잘 구르도록 하였으며 이것으로 더욱 많은 결명자의 표면이 광원에 노출되는 효과를 보였다. 하지만 바닥면의 mesh 간격이 참깨와 차조가 이동하기에는 부적합했기 때문에 바닥에 끼이거나 아래로 빠져버려 살균 처리가 원활하게 진행되지 못했다. 따라서 식품의 크기나 유형에 따라 적합한 디자인의 IPL 장치를 사용하는 것이 중요하다. IPL은 식품의 원래 상태를 유지하면서 미생물을 살균 시키는 기술이며 본 연구를 통해 참깨, 결명자, 차조의 수분함량, 수분활성도, 색도 차이에 유의적인 차이를 보이지 않음으로써 비가열 살균 기술로서의 잠재력을 다시 한 번 보여주었다. 해당 기술의 실제 산업적 적용을 위해 참깨, 결명자, 차조의 물리적 특성을 측정하였으며, 여러 특성 중 표면적 당 존재하는 미생물 수(initial density of microbes, CFU/mm2)가 살균 효과에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 본 연구에서는 참깨, 결명자, 차조의 initial density of microbes 값과 total fluence 값을 이용해서 반응표면분석을 실시하였으며 modeling을 통해 이 두가지 요인으로 미생물 저감 효과를 예측할 수 있는 식을 구축하였다. 예측식에 대한 검증은 녹두를 이용하여 실시하였으며 계산식을 통한 예측 값이 실제 값보다 살짝 높았으나 대체적으로 비례관계를 보이는 것을 확인하였다. 본 연구를 통해 광펄스 살균 기술이 분말 식품의 비살균 살균 기술 발전에 한걸음 다가갔음을 확인하였고 앞으로 더욱 다양한 물리적 특성을 가진 분말 식품의 살균 처리를 통한 data 수집을 통해 이상적인 예측식을 만들어 냄으로써 실제 산업적 적용 발전에 이바지할 수 있을 것으로 사료된다.