Improving microbial inactivation effect for seed and powdered food using scale-up intense pulsed light (IPL) device

Abstract

The aim of this study is to inactivate high resistant microorganisms in seed and powdered food using self-designed pilot-scale intense pulsed light (IPL) device. Sesame seed, ground black pepper, ground red pepper, and embryo bud of rice were used for the sample. Normally due to its low Aw activity, irregular food surface, and opaqueness, powdered food is not easy to control microbial problems during food processing. IPL is an effective and fast method to substitute thermal sterilization for non-thermal sterilization treatment. For the chamber development, controlling temperature of the chamber inside, sample velocity, and minimizing the sample production was considered. Temperature of the air inside the chamber was not increased more than 3.5ºC even after the maximum treatment condition. Sample velocity was controlled by changing the blower level for not breaking the sample granules. Also, sample flow was designed to be cyclonic. For the lamps, CP 3939 xenon lamp are attached to both sides of the self-designed cyclone type of pilot-scale IPL device, which emits more light energy to sample during treatment. Since xenon gas is used in IPL lamp, the emission spectra ranges from 200 to 1100 nm which includes UV, sunlight, and infrared light. Each lamp was connected to different power supply, but treatment condition was same (DC voltage; 1800, 2600, 3400, 4200 V, pulse duty; 0.5-1.0 ms, frequency; 2 Hz, treatment time; 60, 120, 180, 240, 300 s). Using this device, the reductions of 0.45, 0.66, and 0.88 log CFU/mL were achieved for ground black pepper, red pepper, and embryo bud of rice, respectively under the total energy fluence of 12.31 J/cm2. Moreover, maximum 3.07 log reductions were achieved for sesame seed sample under the total energy fluence of 11.26 J/cm2. After IPL treatment, color change, water activity, moisture content analysis of the samples were conducted to compare with the untreated control sample. Significant differences were not observed between control and treated sample. Therefore, the application of IPL treatment may be considered as a feasible sterilization method for seed and powdered food.;본 연구에서는 분말 식품을 위한 양산화 살균 장치를 개발하고자 하였다. 분말식품은 재배, 수확 중 다량의 세균, 곰팡이, 특히 내열성 포자 등에 노출되어 식중독이나 식품 품질 저하를 일으킬 수 있는 문제가 있기 때문에 식품 품질은 유지하면서 미생물을 제어할 수 있는 방법으로 광펄스(IPL) 살균 기술을 적용하고자 한다. 지금까지는 가열 살균이나 방사선 조사와 같은 방법으로 분말식품 내 미생물을 제어해왔기 때문에 빛 기반의 비가열 살균 기술인 광펄스를 이용하여 다양한 분말식품의 적용이 필요하다고 판단하였고, 본 실험에서는 참깨, 후춧가루, 고춧가루, 쌀눈을 이용해 실험을 진행하였다. 개발된 장치는 power supply, 2개의 xenon lamp, treatment chamber로 구성되어있다. 장치는 샘플이 같은 시간 동안 최대한 많은 양의 빛을 받아 효과를 높일 수 있도록 제작하였고, 샘플 흐름 측면에서는 cyclonic flow로 chamber 내부에서 샘플이 직선으로 떨어지는 것 보다 오래 머물고, 뭉쳐서 이동하지 않게 하였다. 또한, 4가지 샘플의 물리적 특성이 달라 blower와 rotary valve의 velocity, rotation speed 조절을 통해 장치 내의 샘플 흐름 속도 및 양을 조절할 수 있게 하면서 샘플 특성에 맞는 처리 조건을 설정하였다. 특히 참깨의 경우 경도가 낮아 처리 중 장치 내에서 깨지고 갈리면서 기름이 나오는 문제점이 있었기 때문에 blower는 7.4 m/s로 하였고, 나머지 3개의 샘플은 이러한 문제점이 없어 10.5 m/s의 속도로 설정하였다. Rotary valve는 4가지 샘플 모두 20 rpm으로 설정하였다. 처리 시 power supply는 1800-4200 V, 1-5 min의 조건을 두고 모든 실험은 3반복으로 진행하였다. 처리가 완료된 샘플은 PCA배지를 이용해 도말 하여 처리 전 후의 균 수 변화를 확인하였고, 그 결과 참깨, 쌀눈, 고춧가루, 후춧가루 순으로 미생물 저감 효과가 좋았으며, 순서대로 3.07, 0.88, 0.61, 0.45 log reduction을 보였다. 이러한 처리 결과는 두 가지 측면으로 설명될 수 있다. 첫 번째, macro측면으로는 샘플의 차이를 보았을 때, grinding 여부에 따라 샘플 표면의 morphology가 달라지고, 불규칙한 cracks 사이로 미생물이 숨을 공간을 제공해 shadow effect가 발생하여 미생물 저감화의 격차를 주었다. 또한, 어두운 색을 가진 샘플일수록 UV absorption으로 인해 inactivation 효과가 줄어들었다고 할 수 있다. 두 번째, micro측면으로는 샘플 마다 다른 내재 미생물의 차이로 영양세포와 mold보다 비교적 저항성이 높은 내열성 포자가 많은 후춧가루와 같은 샘플에서 저감화 효과가 낮게 일어났음. 미생물학적 변화 외에도 관능적 특성에 영향을 줄 수 있는 물리적 변화 역시 중요한 부분인데, 4가지 샘플의 색도, 수분활성도, 수분 함량 변화 역시 통계 처리 결과 유의적 차이가 거의 없었음을 확인할 수 있었다. 이러한 모든 것들을 고려했을 때 하루 최대 900 kg가까이의 샘플을 처리할 수 있는 pilot-scale의 분말식품 광펄스 살균 장치를 개발하였다는 점에서 큰 산업적 의의를 가진다. 참깨와 같이 높은 저감화 효과를 보인 샘플에는 확대 적용하고, 내열성 포자가 많은 향신료나 다른 분말식품의 경우 또 다른 비가열 살균 기술을 병합한 장치를 개발하여 효과를 개선시킬 수 있을 것으로 사료된다. 또한, 광펄스는 미국에서는 이미 승인된 기술이지만 아직 한국의 식품 공전 상에 등재된 기준은 없기에 본 연구를 통해 광펄스 기술의 상용화를 이루는데 기여할 수 있을 것이라 기대한다.