Effect of intense pulsed light (IPL) treatment on the microbial inactivation and change of vitamin D2 content of shiitake mushroom (Lentinula edodes) processed foods

Abstract

Mushrooms have been widely used as food and medicine. Recently, they are receiving attention as high-value foods. Among them, shiitake mushrooms are known to a nutritious food rich in protein, unsaturated fat, minerals, and dietary fiber, and to have various functions such as anticancer, immune enhancement, and anti-inflammatory effects. Furthermore, it is known that ergosterol, a precursor of vitamin D2, is abundant in the shiitake mushroom and can only be satisfied through food or pharmaceutical intake as it cannot be produced within the body. Shiitake mushrooms are usually processed and consumed in the form of dried powder, pills, or other forms, and especially in the case of shiitake mushroom pills, it is important to control microorganisms as it is consumed with water without heat treatment. In this study, we used a self-designed pilot-scale IPL equipment to determine the microbial sterilization effect of the shiitake mushroom pills, which is known as a high-value food, and to confirm the quality changes after sterilization treatment. When shiitake mushrooms are treated with ultraviolet radiation, ergosterol is converted to vitamin D2. Intense pulsed light (IPL) is a non-thermal sterilization technology that utilizes light, including ultraviolet, visible, and near-infrared radiation (200 - 1100 nm). Using both pilot-scale and laboratory-scale IPL equipment, the conversion effect of ergosterol to vitamin D2 was confirmed with the aim of enhancing the nutritional value of shiitake mushroom processed foods, using shiitake mushroom powder and pills, which are representative processed foods of shiitake mushrooms, in this study. The pilot-scale IPL equipment was used to apply three designs based on the assembled quartz pipe type (straight or curved) and lamp position (upper & side lamp or two side lamps) to sterilize the shiitake mushroom pills, and at the same time, the change in the content of vitamin D2 was investigated. The initial total bacteria count in the shiitake mushroom pills was 4.30 x 104 CFU/g, and vitamin D2 was not detected. A sample of 100 g was treated with the IPL with power supply voltage (2800 - 4000 V) and treatment time (1 - 20 min), and the energy fluence received by the sample was 0.12 - 0.14 J/cm2·pulse. As the IPL voltage and treatment time increased under all treatment conditions, the microbial reduction effect also increased, which can be attributed to the increase in total energy fluence received by the sample. When using the upper & side lamps to treat the IPL depending on the pipe type, the maximum 0.56 log reduction occurred in the straight pipe, but the maximum 0.79 log reduction occurred in the curved pipe. The vitamin D2 content increased up to a maximum of 14.86 μg/g in the straight pipe and 16.80 μg/g in the curved pipe. This is because when using the curved pipe, the sample was exposed to light emitted from the side lamps for a longer time and over a larger surface area. Furthermore, when processing the IPL according to the lamp position fixing the curved pipe, the use of two side lamps resulted in a microbial inactivation of 0.68 log reduction. Receiving two light exposures at different positions had a greater impact on the microbial inactivation effect than receiving twice the amount of light in the same position. The result showed that when the total energy fluence was the same, a higher number of pulses resulted in a higher microbial reduction effect. When observing the physical characteristic changes that could affect the quality of the food, statistically significant differences were not observed in the surface temperature, color, and moisture content of the sample after IPL treatment under 4000 V that showed the maximum sterilization effect. For small particle size powders, there were limitations in applying pilot-scale IPL equipment. Therefore, laboratory-scale IPL and ultraviolet equipment were applied to confirm the changes in the content of vitamin D2 in the shiitake mushroom powder by intense pulsed light and ultraviolet. The initial vitamin D2 content in the shiitake mushroom powder was 4.18 μg/g, and 3 g of the sample was treated for different processing times (5, 10, 20, 30, 40, 60 min). In the case of IPL, the energy fluence received by the sample under power supply voltage conditions (1000 - 1800 V) was 0.12 - 0.19 J/cm2·s. For UV, continuous light with an energy fluence of 0.04 J/cm2·s was used. After processing, vitamin D2 was extracted and the optimal condition for vitamin D2 was observed when the sample was treated with IPL for 1800 V and 30 minutes, with a concentration of 100.82 μg/g. When compared with the control group that was not treated with light, vitamin D2 increased up to about 24 times, confirming that IPL had a greater effect on vitamin D2 enhancement than UV. Therefore, it was demonstrated that IPL sterilization technology was effective for microbial reduction in shiitake mushroom pills and for helping the increase of vitamin D2 content in processed mushroom food. With increased investment and research into health functional materials and foods, there has been a growing interest in high-value foods. As a non-thermal sterilization technology, IPL sterilization is expected to be applied not only in the food industry but also in the biotech industry in the future. ;버섯은 담자균류로 고대부터 식용과 약재로 널리 이용되어 왔으며 최근 고부가 가치 식품으로 주목받고 있다. 그 중 표고 버섯은 단백질, 불포화 지방, 미네랄, 식이 섬유 등이 풍부한 식품으로써 항암, 항염증, 면역 등 여러 가지 기능성을 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 또한 표고 버섯은 인체 내에서 생성될 수 없어 식품 또는 의약품을 통해 섭취해야만 충족할 수 있는 비타민 D2의 전구체인 ergosterol을 많이 함유하고 있다. 표고 버섯은 주로 건조 분말, 환 등 형태로 가공되어 섭취되며 특히 표고버섯 환의 경우 가열 처리 없이 물과 함께 섭취되므로 미생물을 제어하는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는 자체 제작한 pilot-scale IPL 장비를 사용하여 고부가 가치 식품인 표고 버섯환의 품질 저하를 최소화하면서 미생물 살균 효과를 파악하였다. 또한 표고버섯에 자외선을 처리할 경우 ergosterol 성분이 비타민 D2로 전환되는 것으로 알려져 있다. 광펄스는 자외선, 가시광선, 근적외선 (200 - 1100 nm)을 포함하는 빛을 이용하는 비가열 살균 기술이다. Pilot-scale과 lab-scale IPL 장비를 사용하여 표고버섯 가공 식품의 영양적 강화를 목표로 ergosterol의 비타민 D2로의 전환 효과를 확인하였고, 본 실험에서는 표고버섯의 대표적인 가공식품인 버섯 환과 버섯 분말을 이용했다. Pilot-scale IPL 장비의 경우, 조립된 석영 파이프 형태(직선형, 곡선형)와 램프 위치(상부램프&사이드 램프, 사이드램프 2개)에 따라 3가지 디자인을 적용하여 표고버섯 환의 살균을 진행했으며 동시에 표고버섯 환에 함유된 비타민 D2의 함량 변화를 확인했다. 표고버섯 환에 존재하는 초기 일반세균 수는 4.30 х 104 CFU/g이며, 비타민 D2는 검출되지 않았다. 100 g의 시료를 power supply 전압(2800 - 4000 V), 처리 시간 (1, 3, 5, 7, 10, 15, 20 min)으로 설정하여 광펄스 처리했으며, 이 때 시료가 받는 energy fluence는 0.12 - 0.14 J/cm2·pulse 이었다. 모든 처리 조건에서 IPL 전압과 처리 시간이 증가할수록 미생물 저감 효과가 증가했고 이는 시료가 받는 총 에너지 밀도가 증가했기 때문이라고 할 수 있다. 상부&사이드 램프를 사용하여 파이프 유형에 따라 광펄스를 처리한 경우, 직선형 파이프에서 최대 0.56 log reduction이 일어났지만, 곡선형 파이프에서 최대 0.79 log reduction이 일어났다. 비타민 D2 함량은 직선형 파이프에서 최대 14.86 μg/g 증가했고, 곡선형 파이프에서 최대 16.80 μg/g 증가했다. 이는 곡선형 파이프를 사용했을 때, 시료가 side 램프에서 방출되는 빛에 노출되는 시간과 표면적이 증가했기 때문이다. 또한 곡선형 파이프를 사용하여 램프의 위치에 따라 광펄스를 처리한 경우, 사이드램프 2개를 사용했을 때 최대 0.68 log reduction이 관찰됐다. 같은 위치에서 시료가 한번에 2배의 빛을 조사받는 것보다 서로 다른 위치에서 2번의 빛을 조사받는 것이 시료의 미생물 저감화 효과에 더 큰 영향을 미쳤다. 이러한 처리의 결과는 총 에너지 밀도가 동일하다면 펄스 수가 많을수록 미생물 저감 효과가 높게 나타났기 때문이라고 할 수 있다. 식품의 품질에 영향을 줄 수 있는 물리적 특성 변화를 관찰했을 때, 최대 살균 효과를 보인 처리 조건 하에서 광펄스 처리 후, 시료의 표면 온도, 색도, 수분 함량 변화에서 통계적으로 유의적인 차이를 보이지 않았다. 입자가 작은 분말의 경우 pilot-scale IPL 장비를 적용하기에 한계가 있었다. 따라서 버섯 분말을 시료로 하여 광펄스와 자외선 처리에 의한 시료 내 비타민 D2 함량 변화를 확인하기 위해 lab-scale IPL 장비와 자외선 램프를 적용했다. 표고버섯 분말의 초기 비타민 D2 함량은 4.18 μg/g 이며 3 g의 시료를 처리 시간 (5, 10, 20, 30, 40, 60 min)으로 설정했다. 광펄스의 경우, power supply 전압(1000 - 1800 V) 조건에서 시료가 받는 energy fluence는 0.12-0.19 J/cm2·s 이었으며, 자외선의 경우, 0.04 J/cm2·s의 energy fluence를 가지는 연속적인 빛을 조사했다. 처리 후 비타민 D2를 추출한 결과, 비타민 D2의 최적 조건은 광펄스 1800 V, 30 분 처리했을 때 나타났으며 함량은 100.82 μg/g 였다. 빛을 처리하지 않은 대조군과 비교했을 때, 비타민 D2는 최대 약 24배 증가하여 광펄스가 자외선보다 비타민 D2 증가 효과가 더 큰 영향을 미쳤음을 확인했다. 따라서 광펄스 살균 기술이 표고 버섯환의 미생물 저감화에 효과적이었으며, 버섯 가공 식품의 비타민 D2 함량 증가를 극대화하는데 효과적임을 증명했다. 건강기능성 소재와 식품에 많은 투자와 연구가 진행되면서 고부가가치 식품에 대한 관심이 높아졌다. 비가열 살균 기술로서 광펄스 살균 기술은 추후 식품 산업 이외에 바이오 산업에서도 적용되어 산업적 발전을 이룰 것이라 생각한다.