Microbial inactivation of sesame seeds (Sesamum indicum L.) using a pilot-scale intense pulsed light (IPL) device

Abstract

Intense pulsed light (IPL) is a non-thermal technology that utilizes the broad wavelength range of light including ultraviolet, visible light, and near-infrared (200–1100 nm). Compared to conventional thermal processing, IPL has no significant effect on the physical properties and nutrients of foods. The purpose of this study is to improve the microbial inactivation effect of sesame seeds using a self-designed pilot-scale IPL device. To this end, four versions of the IPL devices (ver. L, ver. C, ver. C+ (U+S), ver. C+ (S+S)) were applied, and the factors affecting the microbial inactivation effect were found. The initial contaminated levels of total aerobic bacteria and fungi (yeasts and molds) on sesame seeds were 1.30 × 106 and 1.98 × 104 CFU/g, respectively. The IPL treatment conditions were controlled: DC voltage (2800–4000 V), frequency (1–2 Hz), treatment time (1–20 min). The energy fluence per pulse was 0.12–0.15 J/cm2. The version of IPL device with the best inactivation effect was ver. C+ (U+S), and under treatment condition of 4000 V and 1 Hz for 20 min, total aerobic bacteria and fungi showed a 2.27 and 2.77 log reduction, respectively. This result is due to the increased time and surface area of the sample receiving light emitted from the side lamp by using curved cells with extended length. In addition, the location of the lamp also affected the microbial inactivation effect. Compared to ver. C+ (S+S) device using two side lamps, ver. C+ (U+S) using a upper lamp and a side lamp each had a higher inactivation effect. This is because placing the lamps in the same location causes the light from the lamps to offset each other, while placing the lamps in a different place increases the surface area for the sesame to receive light. Through this, it was confirmed that the shape and length of the sample movement path, and the location of the lamp in the IPL device affect the improvement of the microbial inactivation effect. In addition, the IPL treatment had no significant difference in the lignan content, water content, pH and sample temperature of the control and treated groups using ver. C+ (U+S) device under the 4000 V treatment condition. This study revealed that IPL is effective for reducing indigenous microbes in sesame seeds, and that the IPL treatment had no effect on the physicochemical properties. As most studies have not achieved a satisfactory IPL reduction effect on a large amount of low moisture foods, the results of this study suggest the potential development of IPL as an important microbial inactivation technology. ;광펄스는 자외선, 가시광선, 근적외선(200~1100 nm)을 포함한 넓은 파장 범위의 빛을 이용해 식품 표면의 위해미생물을 저감하는 비가열 살균기술이다. 광펄스는 기존의 열처리에 비해 식품의 물리화학적 특성을 최소화 할 수 있다. 본 연구의 목적은 자체 설계한 파일럿 규모의 광펄스 장치를 이용하여 참깨의 미생물 저감 효과를 향상시키는 것이다. 이를 위해 4가지 버전의 광펄스 장비(ver. L, ver. C, ver. C+(U+S), ver. C+(S+S))를 적용해 참깨의 살균을 진행하였고, 실험 결과 미생물 저감 효과에 영향을 미치는 인자를 확인했다. 참깨에 존재하는 일반세균과 진균류(효모 및 곰팡이)의 초기 오염 수준은 각각 1.30 × 106 CFU/g와 1.98 × 104 CFU/g로 나타났다. 광펄스 처리 조건은 직류 전압(2800–4000 V), 진동수(1–2 Hz), 처리 시간(1–20분)으로 설정했다. 펄스당 에너지 밀도는 0.12–0.15 J/cm2이었다. 미생물 저감 효과가 가장 좋은 광펄스 장치는 ver. C+(U+S) 장치이며, 4000 V, 1 Hz 조건에서 20분 처리 시 일반세균과 진균류는 각각 2.27, 2.77 log reduction을 보였다. 이러한 결과는 광펄스 장비에 길이가 연장된 곡선형 셀을 사용하여 사이드 램프로부터 방출되는 빛을 받는 샘플의 시간과 표면적이 증가했기 때문이다. 또한 램프의 위치는 미생물 불활성화 효과에도 영향을 미쳤다. 2개의 사이드 램프를 사용한 ver. C+(S+S) 장치와 비교했을 때, 상부 램프와 사이드 램프를 각 1개씩 사용한 ver. C+(U+S) 장치의 미생물 저감 효과가 더 높았다. 램프를 동일한 곳에 위치시킬 경우 램프로부터 발생하는 빛이 서로 상쇄 효과를 일으키는 반면, 램프를 다른 곳에 위치시킬 경우 참깨가 빛을 받을 수 있는 표면적이 증가하기 때문이다. 이를 통해 시료 이동 경로의 형태와 길이, 램프의 위치 등이 미생물 저감 효과의 향상에 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 또한 ver. C+(U+S) 장치를 사용해 4000 V 조건에서 광펄스 처리 시 대조군과 실험군의 리그난 함량, 수분 함량, pH, 시료의 표면 온도에 유의한 차이를 보이지 않았다. 본 연구는 광펄스 처리가 참깨의 토착 미생물 감소에 효과적이며, 물리화학적 특성에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 대부분의 연구들이 다량의 저수분식품에 대해 만족스러운 미생물 저감 효과를 얻지 못하고 있는 만큼, 본 연구의 결과는 중요한 미생물 불활성화 기술로서 IPL의 잠재적 발전 가능성을 시사하고 있다.