KR20070004216A - Method for sterilizing microorganisms using supercritical carbon dioxide - Google Patents

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Abstract

A method for sterilizing microorganisms with super-critical carbon dioxide is provided to obtain satisfactory result of efficient extinction for microorganisms even when pressure and temperature as processing factors are relatively low in level by employing supercritical carbon dioxide with principle of extracting constitutional elements at low temperature without alteration of pH effect and shape of cells. The method comprises the steps of: entering a sample reactor at a setup temperature above supercritical temperature of 31.1deg.C; introducing liquid carbon dioxide into the reactor through a duct and pressurizing the reactor above supercritical pressure of 73.8 bar through a pump; closing a valve to maintain the desired temperature and pressure for a constant time in order to extinct microorganisms; opening the valve after the constant time, to remove supercritical carbon dioxide and to keep internal condition of the reactor under ordinary pressure; and opening the reactor and give the sample without the microorganisms.

Description

초임계 이산화탄소를 이용한 미생물의 살균방법{Method for sterilizing microorganisms using supercritical carbon dioxide}Method for sterilizing microorganisms using supercritical carbon dioxide}

도 1은 초임계 이산화탄소를 이용한 미생물 처리 공정 설비를 나타낸 것이다.1 shows a microbial treatment process facility using supercritical carbon dioxide.

도 2는 수정된 Gompertz 식으로 나타낸 미생물의 사멸곡선과 계수들을 나타낸 것이다.Figure 2 shows the killing curves and coefficients of microorganisms in the modified Gompertz equation.

도 3은 40℃에서 Listeria monocytogenes에 초임계 이산화탄소를 처리하였을 때 처리시간에 따른 압력의 효과를 나타낸 것이다. 각 처리시간에서의 평균값을 Exp(Experimental)으로 나타내었고, 이를 Gompertz 식으로 계산하여 구한 사멸 곡선은 Cal(Calculated)로 나타내었다.Figure 3 shows the effect of the pressure according to the treatment time when supercritical carbon dioxide treatment in Listeria monocytogenes at 40 ℃. The mean value at each treatment time was expressed as Exp (Experimental), and the death curve obtained by calculating it by the Gompertz equation was expressed as Cal (Calculated).

도 4는 40℃에서 Salmonella typhymurium에 초임계 이산화탄소를 처리하였을 때 처리시간에 따른 미생물 사멸률에 대한 압력의 효과를 나타낸 것이다. Figure 4 shows the effect of the pressure on the rate of microbial death according to the treatment time when supercritical carbon dioxide treatment in Salmonella typhymurium at 40 ℃.

도 5는 40℃에서 Escherichia coli O157:H7에 초임계 이산화탄소를 처리하였을 때 처리시간에 따른 미생물 사멸률에 대한 압력의 효과를 나타낸 것이다. Figure 5 shows the effect of the pressure on the microbial killing rate with treatment time when treated with supercritical carbon dioxide in Escherichia coli O157: H7 at 40 ℃.

도 6은 40℃에서 Escherichia coli(Generic)에 초임계 이산화탄소를 처리하였을 때 처리시간에 따른 미생물 사멸률에 대한 압력의 효과를 나타낸 것이다. Figure 6 shows the effect of the pressure on the microbial killing rate with treatment time when treated with supercritical carbon dioxide in Escherichia coli (Generic) at 40 ℃.

도 7은 100bar에서 Listeria monocytogenes에 초임계 이산화탄소를 처리하였 을 때 처리시간에 따른 미생물 사멸률에 대한 온도의 효과를 나타낸 것이다. Figure 7 shows the effect of temperature on the rate of microbial killing with treatment time when supercritical carbon dioxide was treated in Listeria monocytogenes at 100 bar.

도 8은 100bar에서 Salmonella typhymurium에 초임계 이산화탄소를 처리하였을 때 처리시간에 따른 미생물 사멸률에 대한 온도의 효과를 나타낸 것이다. FIG. 8 shows the effect of temperature on microbial killing rate with treatment time when Salmonella typhymurium was treated with supercritical carbon dioxide at 100 bar.

도 9는 100bar에서 Escherichia coli O157:H7에 초임계 이산화탄소를 처리하였을 때 처리시간에 따른 미생물 사멸률에 대한 온도의 효과를 나타낸 것이다. Figure 9 shows the effect of temperature on the microbial killing rate with treatment time when treated with supercritical carbon dioxide in Escherichia coli O157: H7 at 100bar .

도 10은 100bar에서 Escherichia coli(Generic)에 초임계 이산화탄소를 처리하였을 때 처리시간에 따른 미생물 사멸률에 대한 온도의 효과를 나타낸 것이다. Figure 10 shows the effect of temperature on the rate of microbial killing with treatment time when treated with supercritical carbon dioxide in Escherichia coli (Generic) at 100bar .

도 11은 여러 압력과 온도 조건에서 E. coli(Generic)에 초임계 이산화탄소를 처리하였을 때 현탁액의 pH값을 처리 시간에 따라 나타낸 것이다.Figure 11 shows the pH value of the suspension according to the treatment time when treated with supercritical carbon dioxide in E. coli (Generic) under various pressure and temperature conditions.

도 12는 35℃, 100bar에서 Listeria monocytogenes에 초임계 이산화탄소를 처리하였을 때, 세포 형태의 변화를 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy)으로 촬영하여 비교한 것이다.Figure 12 is a comparison of the changes in cell morphology by scanning electron microscopy (Scanning Electron Microscopy) when the supercritical carbon dioxide treatment for Listeria monocytogenes at 35 ℃, 100bar.

도 13는 35℃, 100bar에서 Salmonella typhymurium에 초임계 이산화탄소를 처리하였을 때, 세포 형태의 변화를 주사전자현미경으로 촬영하여 비교한 것이다.Figure 13 is a comparison of the changes in cell morphology when scanning supercritical carbon dioxide in Salmonella typhymurium at 35 ℃, 100bar by scanning electron microscopy.

도 14은 35℃, 100bar에서 Escherichia coli O157:H7에 초임계 이산화탄소를 처리하였을 때, 세포 형태의 변화를 주사전자현미경으로 촬영하여 비교한 것이다.Figure 14 is a comparison of the changes in cell morphology when the supercritical carbon dioxide treatment of Escherichia coli O157: H7 at 35 ℃, 100bar by scanning electron microscopy.

도 15는 35℃, 100bar에서 Listeria monocytogenes에 초임계 이산화탄소를 처리하였을 때 처리 시간에 따른 현탁액의 흡광도 변화를 처리 후와 처리 전의 비로 나타낸 것이다.Figure 15 shows the change in absorbance of the suspension with treatment time when the Listeria monocytogenes was treated with Listeria monocytogenes at 35 ° C. and 100 bar as a ratio after and before treatment.

도 16은 35℃, 100bar에서 Salmonella typhymurium에 초임계 이산화탄소를 처리하였을 때 처리 시간에 따른 현탁액의 흡광도 변화를 처리 후와 처리 전의 비율로 나타낸 것이다.Figure 16 shows the change in absorbance of the suspension with treatment time when treated with supercritical carbon dioxide in Salmonella typhymurium at 35 ℃, 100bar as a ratio after and before treatment.

도 17은 35℃, 100bar에서 Escherichia coli O157:H7에 초임계 이산화탄소를 처리하였을 때 처리 시간에 따른 현탁액의 흡광도 변화를 처리 후와 처리 전의 비율로 나타낸 것이다.Figure 17 shows the change in absorbance of the suspension with treatment time when treated with Escherichia coli O157: H7 supercritical carbon dioxide at 35 ℃, 100bar as a ratio after and before treatment.

본 발명은 초임계 이산화탄소를 이용한 미생물의 효과적인 살균방법에 관한 것으로, 더 구체적으로는 실제 살균 시스템에서 초임계 이산화탄소 처리를 통해 주요 식중독 미생물을 효과적으로 사멸할 수 있는 수학적인 모델을 제시한다.The present invention relates to an effective sterilization method of microorganisms using supercritical carbon dioxide, and more particularly, to provide a mathematical model capable of effectively killing major food poisoning microorganisms through supercritical carbon dioxide treatment in an actual sterilization system.

식품 살균을 위해 가장 일반적으로 사용하는 가열공정은 식품의 영양소를 파괴시킬 뿐 아니라 향미 또는 조직감을 변성시키기는 문제점을 가지고 있다. 열처리를 포함하여 방사선처리, 저온저장, 발효, 절임, 건조, 가스치환 등의 방법들 또한 과거에 단독 혹은 복합적으로 이용해 왔던 방법들이다. 그러나 새로운 식중독 미생물이 발견되고 기존의 살균방법에 대한 저항성이 증가함에 따라 새로운 살균방법에 대한 연구가 절실하다. 또한 소비자들은 더욱 품질이 높고 영양성분이 파괴되지 않도록 최소한의 가공을 처리한 식품을 선호함에 따라 이를 공급하기 위한 비 가열 처리법 개발이 여러 측면에서 진행되고 있다. 특히 최근 수요가 늘고 있는 신선식품들은 사실상 가열처리법의 사용이 불가능한 실정이다.The most commonly used heating process for food sterilization has the problem that it not only destroys the nutrients of the food but also denatures the flavor or texture. Radiation, cold storage, fermentation, pickling, drying, and gas replacement, including heat treatment, have also been used in the past either alone or in combination. However, as new food poisoning microorganisms are discovered and resistance to existing sterilization methods increases, research on new sterilization methods is urgently needed. In addition, as consumers prefer foods that have been processed with a minimum of processing to ensure that they are of higher quality and no nutrients are destroyed, the development of non-heating treatments to supply them is in many ways. In particular, fresh foods, which are in increasing demand in recent years, are virtually impossible to use by heat treatment.

현재 연구되고 있는 비 가열 처리법에는 고수정압, 초고압, 펄스 전기장, 방사선, 천연 항균제 등이 있으나 설치비용, 안전성, 처리대상 효과 면에서 한계를 가지고 있는 것이 사실이다. 특히 고수정압 또는 초고압 처리의 경우 충분한 살균효과를 얻으면서 품질을 유지 또는 향상시키는 방법으로 연구되고는 있으나 매우 높은 압력에 견딜 수 있는 용기를 제조하는 기술적인 측면에서 상용화에 어려움을 겪고 있다.Non-heating methods currently being studied include high hydrostatic pressure, ultra high pressure, pulsed electric field, radiation, and natural antibacterial agents, but they have limitations in terms of installation cost, safety, and treatment target effects. In particular, high hydrostatic pressure or ultra high pressure treatment has been studied as a method of maintaining or improving the quality while obtaining sufficient sterilization effect, but it is difficult to commercialize in the technical aspect of manufacturing a container that can withstand a very high pressure.

한편 이산화탄소는 온도와 압력이 상온에 가까운 31.1℃ 그리고 비교적 고압이 아닌 73.8 bar의 임계점 이상에서 액체와 기체도 아닌 초임계 상태로 존재하게 된다. 이러한 초임계 이산화탄소는 기체와 같은 높은 확산도와 낮은 점도 및 액체와 같은 높은 밀도를 가지므로 용매적 특성이 뛰어나 여러 추출공정에서 이용되어왔다. 기존의 고압만을 이용한 살균 방법대신 이러한 초임계 이산화탄소를 식품살균에 응용하면 물리적인 효과뿐만 아니라 화학적 효과를 동시에 얻을 수 있으므로 적은 에너지로도 효과적으로 미생물을 사멸시킬 수 있다.On the other hand, carbon dioxide exists in a supercritical state, not liquid or gas, above the critical point of 31.1 ° C near the room temperature and 73.8 bar rather than relatively high pressure. Such supercritical carbon dioxide has been used in various extraction processes because of its high solvent-like properties because of its high diffusivity, low viscosity, and high density, such as liquid. If supercritical carbon dioxide is applied to food sterilization instead of the conventional sterilization method using only high pressure, it is possible to kill microorganisms effectively with less energy because it can simultaneously obtain not only physical effects but also chemical effects.

이에 본 발명자들은 식품에 존재하는 식중독 미생물을 효과적으로 사멸시키기 위해 기존의 고온, 고압을 이용하는 방법 대신 상대적으로 낮은 온도와 압력에서 초임계 점을 갖는 이산화탄소의 물리화학적 성질을 이용하였다. 즉, 식중독 미생물 현탁액에 초임계 이산화탄소를 처리하여 사멸시키고, 처리 조건에 따른 각 미생물의 사멸효과를 적절히 반영할 수 있는 수식을 이용하여 사멸경향을 속도론적으로 분석하였으며, 미생물의 사멸을 유발하는 주요 메커니즘을 체계화하여 식중독 미생물을 완전히 사멸시키기 위한 효과적인 최소 처리 조건을 확립함으로써 본 발 명을 완성하였다.Therefore, the present inventors used the physicochemical properties of carbon dioxide having supercritical points at relatively low temperature and pressure in order to effectively kill food poisoning microorganisms present in food. In other words, by treating supercritical carbon dioxide in the suspension of food poisoning microorganisms and killing them, the killing trend was analyzed kinetically using a formula that can adequately reflect the killing effect of each microorganism according to the treatment conditions. The present invention has been accomplished by systemizing mechanisms to establish effective minimum processing conditions for the complete killing of foodborne organisms.

따라서 본 발명의 목적은 액체식품을 비롯한 모든 식품에서 초임계 이산화탄소를 이용하여 식중독 미생물을 효과적으로 사멸시킴과 동시에 영양가 파괴 및 관능적인 변화를 최소화하여 안전하고 신선한 식품을 생산할 수 있는 효과적인 미생물의 살균방법을 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to effectively kill food poisoning microorganisms by using supercritical carbon dioxide in all foods including liquid foods, and to effectively destroy microorganisms and minimize sensory changes and to produce safe and fresh foods. To provide.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 초임계 이산화탄소를 이용하여 미생물을 사멸시키는 방법에 있어서, 하기 공정들을 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 살균방법을 제공한다:In order to achieve the object of the present invention, the present invention provides a method for sterilizing microorganisms, comprising the following steps in a method for killing microorganisms using supercritical carbon dioxide:

a) 시료를 초임계 점(31.1℃) 이상의 온도가 설정된 반응기에 넣는 공정;a) placing the sample in a reactor having a temperature above the supercritical point (31.1 ° C.);

b) 반응기를 닫고 냉각기를 거친 액체 이산화탄소를 도관을 통해 반응기에 투입하고 펌프를 통해 반응기에 초임계 점(73.8bar) 이상의 압력까지 가압하는 공정;b) closing the reactor and introducing liquid carbon dioxide, which has undergone a cooler, into the reactor through a conduit and pressurizing the reactor to a pressure above the supercritical point (73.8 bar) by means of a pump;

c) 목표 미생물이 완전히 사멸하기 위해 필요한 시간 동안 밸브를 닫아 압력과 온도를 유지하는 공정;c) maintaining the pressure and temperature by closing the valve for the time necessary to completely kill the target microorganism;

d) 필요한 시간이 경과하면 밸브를 열어 초임계 이산화탄소를 제거해 반응기 내부를 상압으로 하는 공정; 및d) opening the valve to remove supercritical carbon dioxide when the required time has elapsed and returning the reactor to atmospheric pressure; And

e) 반응기를 열어 생 목표 미생물이 존재하지 않는 시료를 얻는 공정.e) opening the reactor to obtain a sample free of live target microorganisms.

본 발명의 살균방법에 있어서, 상기 시료는 액체 또는 고체일 수 있으며, 반 응기에 직접 넣거나 뚜껑이 느슨하게 닫힌 용기에 담긴 채로 반응기에 넣을 수도 있다.In the sterilization method of the present invention, the sample may be a liquid or a solid, and may be directly placed in the reactor or may be placed in a reactor while the lid is in a loosely closed container.

본 발명의 살균방법에 있어서, 상기 목표 미생물은 어떤 미생물일 수도 있으나, 바람직하게는 Listera monocytogenes, Salmonella typhymurium, Escherichia coil O157:H7과 같은 식중독 미생물인 것을 특징으로 한다.In the sterilization method of the present invention, the target microorganism may be any microorganism, but preferably, it is a food poisoning microorganism such as Listera monocytogenes, Salmonella typhymurium, Escherichia coil O157: H7.

본 발명의 살균방법에 있어서, 상기 목표 미생물이 주요 식중독 미생물인 Listeria monocytogenes인 경우 33-37℃, 95-105bar의 초임계 이산화탄소에서 23-27분간 처리하거나, 38-42℃, 75-85bar의 초임계 이산화탄소에서 13-17분간 처리하는 것을 특징으로 한다. 상기 온도 및 압력조건이 해당 미생물을 완전히 사멸시키기 위한 효과적인 최소처리조건이다.In the sterilization method of the present invention, when the target microorganism is Listeria monocytogenes , which is a major food poisoning microorganism, it is treated with 23-27 minutes at 33-37 ° C. and 95-105 bar supercritical carbon dioxide, or 38-42 ° C., 75-85 bar seconds. Characterized in 13-17 minutes in critical carbon dioxide. The temperature and pressure conditions are effective minimum treatment conditions for the complete killing of the microorganism.

본 발명의 살균방법에 있어서, 상기 목표 미생물이 주요 식중독 미생물인 Salmonella typhymurium인 경우 33-37℃, 95-105bar의 초임계 이산화탄소에서 18-22분간 처리하거나, 38-42℃, 75-85bar의 초임계 이산화탄소에서 13-17분간 처리하는 것을 특징으로 한다. 상기 온도 및 압력조건이 해당 미생물을 완전히 사멸시키기 위한 효과적인 최소처리조건이다.In the sterilization method of the present invention, when the target microorganism is Salmonella typhymurium which is the main food poisoning microorganism, the treatment is performed at 33-37 ° C. and 95-105 bar supercritical carbon dioxide for 18-22 minutes, or at 38-42 ° C. and 75-85 bar seconds. Characterized in 13-17 minutes in critical carbon dioxide. The temperature and pressure conditions are effective minimum treatment conditions for the complete killing of the microorganism.

본 발명의 살균방법에 있어서, 상기 목표 미생물이 주요 식중독 미생물인 Escherichia coli O157:H7 또는 지표 미생물인 Escherichia coli(Generic)인 경우 33-37℃, 95-105bar의 초임계 이산화탄소에서 28-32분간 처리하거나, 38-42℃, 75-85bar의 초임계 이산화탄소에서 18-22분간 처리하는 것을 특징으로 한다. 상기 온도 및 압력조건이 해당 미생물을 완전히 사멸시키기 위한 효과적인 최소처리조건이 다.In the sterilization method of the present invention, when the target microorganism is Escherichia coli O157: H7, which is a major food poisoning microorganism, or Escherichia coli (Generic), which is an indicator microorganism, treatment is performed at 33-37 ° C. and 95-105 bar supercritical carbon dioxide for 28-32 minutes. Or, 38-42 ℃, characterized in that the treatment for 18-22 minutes in supercritical carbon dioxide of 75-85bar. The temperature and pressure conditions are effective minimum treatment conditions for complete killing of the microorganism.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 초임계 이산화탄소의 처리 시간(x축)에 따른 미생물의 상용로그 감소수준(y축)을 하기 식 ⑥의 변형된 Gompertz식에 적용하여 미생물의 사멸곡선을 구하고, Levenberg-Marquardt의 비선형 최소 방각법(nonlinear least square method)을 통하여 계수 A(최대사멸수준), k dm (최대사멸속도), λ(사멸유도시간) 값을 얻고, 상기 계수들로부터 미생물의 사멸화 경향 및 저항성을 판단하는 것을 포함하는 초임계 이산화탄소에 대한 미생물의 저항성 분석방법을 제공한다.In order to achieve another object of the present invention, the present invention is applied to the modified Gompertz equation of the following formula ⑥ by applying the reduced log level (y-axis) of the microorganism according to the treatment time (x-axis) of the supercritical carbon dioxide to kill the microorganisms The curves were obtained, and coefficients A (maximum killing level) , k dm (maximum killing rate) , and λ (killing induction time) were obtained through the nonlinear least square method of Levenberg-Marquardt. It provides a method for analyzing the resistance of microorganisms to supercritical carbon dioxide, including determining the tendency and resistance of the microorganisms to die.

Figure 112005036054962-PAT00001
- 식 ⑥
Figure 112005036054962-PAT00001
-Equation

식 ⑥에서, y는 미생물의 상용로그 감소비율(N/N0), t는 초임계 이산화탄소의 처리시간, λ는 초임계 이산화탄소 처리 후 낮은 사멸속도를 특징으로 하면서 사멸속도가 급격히 증가하기 전까지의 소요시간(사멸유도시간), k dm 는 초기단계를 지나 미생물수가 급격히 감소하는 구간의 기울기의 음수값(최대사멸속도), A는 일부 저항성이 높은 미생물을 제외하고 거의 모든 미생물이 사멸 되는 수준과 초기균수에 대한 비율의 상용로그(최대사멸수준)이다.In equation ⑥, y is the rate of reduction of the commercial log of the microorganism (N / N 0 ), t is the treatment time of supercritical carbon dioxide, λ is the low killing rate after supercritical carbon dioxide treatment, and until the killing rate increases rapidly. K dm is the negative value (maximum killing rate) of the slope of the section where the number of microorganisms rapidly decreases through the initial stage, and A is the level at which almost all microorganisms are killed except for some resistant microorganisms. The commercial logarithm of the ratio to the initial bacterial count (maximum killing level).

본 발명의 저항석 분석방법에서, Levenberg-Marquardt의 비선형 최소 방각법이란 Levenberg-Marquardt algorithm을 통해 RSS(Residual Sum of Squares)를 최소화하는 가장 적합한 회귀관계를 구하는 통계학적 방법으로서, 당업계에 알려진 SigmaPlot 2.0과 같은 통계학적 프로그램을 통해 상기 분석방법의 1, 2단계가 동시에 수행될 수 있다. 일반적으로 일부 저항성이 있는 미생물을 제외하고 거의 모든 미생물이 사멸하는데 걸리는 시간(t t ) 및λ값이 증가하고, k dm 값이 감소할수록 초임계 이산화탄소에 대한 저항성이 크다고 할 수 있으나, 미생물이 모두 사멸하는데 걸리는 시간(t t )이 유사할 때는 저항성에 의해 λ값이 증가하더라도 k dm 값은 증가하는 경향을 보일 수도 있다.In the resistance analysis method of the present invention, Levenberg-Marquardt nonlinear least square method is a statistical method to obtain the most suitable regression relationship to minimize the RSS (Residual Sum of Squares) through the Levenberg-Marquardt algorithm, SigmaPlot known in the art Through a statistical program such as 2.0, steps 1 and 2 of the analysis method may be simultaneously performed. In general, with the exception of some resistant microorganisms, the time taken for nearly all microorganisms to kill ( t t ) and λ increases, and as the k dm values decrease, the resistance to supercritical carbon dioxide is greater. When the time taken to kill t t is similar, k dm may tend to increase even if λ increases due to resistance.

본 발명의 분석방법에 있어서, 바람직하게는 같은 압력의 초임계 이산화탄소에서 계산된 온도별 미생물의 k dm 값을 하기 식 ⑧의 Arrhenius 식에 적용하여 미생물별 사멸에 대한 활성화 에너지(E d )를 구하고, 상기 활성화 에너지(E d )값으로부터 미생물의 초임계 이산화탄소 살균 시 온도에 대한 의존성과 사멸에 대한 저항성을 판단하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 활성화 에너지(E d )가 클수록 초임계 이산화탄소 처리 시 온도에 의한 영향을 많이 받는 미생물임을 의미한다.In the analysis method of the present invention, the activation energy ( E d ) for the killing of each microorganism is obtained by applying the k dm value of the temperature-specific microorganisms calculated in supercritical carbon dioxide at the same pressure to the Arrhenius equation of Equation (8) below. It is characterized in that it further comprises determining the dependence on temperature and resistance to death during the supercritical carbon dioxide sterilization of microorganisms from the activation energy ( E d ) value. The greater the activation energy ( E d ), the more microorganisms affected by temperature during supercritical carbon dioxide treatment.

k dm = αexp(-E d /RT) - 식 ⑧ k dm = αexp (-E d / RT) -equation

식 ⑧에서, k dm 는 온도별 미생물의 불활성화 속도상수이고, α는 빈도인자(frequency factor)이고, E d 는 초임계 이산화탄소에 대한 미생물 사멸에 대한 활성화 에너지(activation energy for microbial inactivation)이고, R(기체상수)은 8.31447 J K-1 mol-1이고, T는 절대온도이다.In equation (8), k dm is the temperature inactivation rate constant of the microorganism by temperature, α is the frequency factor, E d is the activation energy for microbial inactivation for supercritical carbon dioxide, R (gas constant) is 8.31447 JK -1 mol -1 and T is the absolute temperature.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 상기 본 발명의 분석방법에 따라 초임계 이산화탄소 처리의 각 온도 및 압력에 따른 미생물의 사멸화 경향 및 저항성을 구하고, 상기에서 얻어진 결과로부터 원하는 미생물의 사멸수준을 얻기 위한 최소처리조건을 판단하는 것을 포함하는 미생물 살균을 위한 초임계 이산화탄소의 최소처리조건 확립 방법을 제공한다.In order to achieve another object of the present invention, the present invention obtains the killing tendency and resistance of the microorganism according to the temperature and pressure of the supercritical carbon dioxide treatment according to the analysis method of the present invention, and from the results obtained above It provides a method for establishing the minimum treatment conditions for supercritical carbon dioxide for microbial sterilization, including determining the minimum treatment conditions for obtaining killing levels.

본 발명의 확립방법에 있어서, 초임계 이산화탄소 처리 후 현탁액의 pH 측정, 주사전자현미경을 통한 미생물 세포의 물리적인 변형 관찰, 또는 현탁액의 흡광도 측정을 통한 단백질 및 핵산의 추출 여부 확인 등의 추가적인 실험을 통해 초임계 이산화탄소에 의한 각 미생물 사멸의 주요 메커니즘을 미생물생리학적 및 물리화학적으로 분석할 수 있으며, 이들 분석결과를 초임계 이산화탄소의 최소처리조건 확립에 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명에서 제시하지 않은 다른 종의 미생물 사멸화뿐만 아니라 수분함량, pH, 영양성분 등의 조건이 다양한 여러 식품 및 의료용구의 살균에 초임계 이산화탄소를 적용할 수 있는 근거 및 공정변수를 위한 기초자료를 제시할 수 있다.In the establishment method of the present invention, further experiments such as measuring the pH of the suspension after supercritical carbon dioxide treatment, observing physical modification of the microbial cells by scanning electron microscopy, or confirming the extraction of proteins and nucleic acids by measuring the absorbance of the suspension, etc. Through this analysis, the main mechanisms of microbial killing by supercritical carbon dioxide can be analyzed microbiologically, physiologically and physicochemically, and these results can be used to establish the minimum treatment conditions for supercritical carbon dioxide. Therefore, the supercritical carbon dioxide can be applied to sterilization of various foods and medical devices with various conditions such as moisture content, pH, nutrients, etc. as well as microbial killing of other species not presented in the present invention. Basic data can be presented.

본 발명의 확립방법에 있어서, 최소처리조건이란 원하는 미생물의 사멸수준을 얻기 위한 최소의 온도, 압력 및 시간 조건을 의미하며, 최소 온도 및 압력은 상기 실험결과로부터 직접 얻을 수 있으며, 최소 시간은 본 발명의 방법에 따라 초임계 이산화탄소 처리의 각 온도 및 압력에 따른 미생물의 사멸화 경향을 구하고, 계수 A, k dm , λ값을 하기 식 ⑦에 적용하여 모든 미생물을 사멸시키기 위한 최소 처리 시간을 결정할 수 있다.In the method of establishing the present invention, the minimum treatment condition means a minimum temperature, pressure and time condition for obtaining a desired level of killing of microorganisms, and the minimum temperature and pressure can be directly obtained from the above test results, and the minimum time is According to the method of the present invention, the tendency of killing microorganisms according to the temperature and pressure of supercritical carbon dioxide treatment is determined, and the coefficients A , k dm and λ are applied to the following equation ⑦ to determine the minimum treatment time for killing all microorganisms. Can be.

Figure 112005036054962-PAT00002
- 식 ⑦
Figure 112005036054962-PAT00002
-Equation ⑦

이때, 특정 압력과 온도의 초임계 상태에서 사멸시키고자하는 특정 미생물 수준(Ns)의 초기균수(N0)에 대한 비율의 상용로그 값(LogNs/N0)을 식 ⑦의 A에 대입하면 이에 필요한 처리 시간을 계산할 수 있다.At this time, substituting the initial bacteria count (N 0) logarithm value (LogN s / N 0) of the ratio for a particular microbial class (N s) of death in the supercritical state at a specific pressure and temperature and characters on A of formula ⑦ This can calculate the processing time required for this.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명은 초임계 이산화탄소를 이용하여 미생물을 사멸시키는 방법에 있어서, 미생물 현탁액을 온도가 설정된 반응기에 넣고 초임계 이산화탄소를 가하여 사멸에 필요한 시간동안 정치시킨 후, 초임계 이산화탄소를 상압으로 제거하여 살균된 현탁액을 얻는 공정과, 현탁액에서 각 공정 변수에 따른 미생물의 사멸 수준을 참조 예4에 제시된 변형된 Gompertz 식에 대입하여 사멸곡선을 작성하고, 이를 근거로 각 균의 초임계 이산화탄소에 대한 저항성을 비교 분석하는 방법과, 여러 추가적인 실험을 통해 밝혀 낸 초임계 이산화탄소에 의한 미생물 사멸의 주요 메커니즘과 위에서 제시한 실험결과를 바탕으로 확립 된 식중독 미생물을 효과적으로 완전히 사멸시키는 것을 목표로 하는 초임계 이산화탄소의 최소 처리 조건을 그 특징으로 한다.In the method for killing microorganisms using supercritical carbon dioxide, the microbial suspension is placed in a reactor having a temperature set, and the supercritical carbon dioxide is added and allowed to die for a period of time necessary for killing. Using the process of obtaining the suspension and the killing level of microorganisms according to each process variable in the suspension, the modified Gompertz equation shown in Example 4 was used to prepare a death curve, and based on this, the resistance of each bacteria to supercritical carbon dioxide was compared. Minimal treatment of supercritical carbon dioxide aimed at effectively and completely killing food poisoning microorganisms established on the basis of the analytical methods, the main mechanisms of microcritical killing by supercritical carbon dioxide revealed through several additional experiments, and the experimental results presented above. The condition is characterized by that.

선별된 목표 유해 식품미생물의 배양액을 2800rpm에서 20분간 세 차례 원심분리하여 상등액을 제거하고 0.85% 생리식염수(pH6.5)에 현탁시켜 총균수가 107-108 가 되도록 조정한다. 이를 잘 혼합한 후 5mL 초저온냉동용 튜브에 미생물 현탁액을 2mL 씩만 넣어 초임계 이산화탄소 처리 시 넘치지 않도록 한다. 이때 따로 1mL을 취하여 초기균수 동정을 위해 사용한다.Centrifuge the selected target harmful food microorganisms three times at 2800 rpm for 20 minutes to remove the supernatant and suspend in 0.85% saline (pH 6.5) to adjust the total bacterial count to 10 7 -10 8 . After mixing well, add 2 mL of the microbial suspension to the 5 mL cryogenic freezing tube to avoid overflow during supercritical carbon dioxide treatment. At this time, take 1mL separately and use it for initial bacterial count identification.

[도 1]의 초임계 이산화탄소를 이용한 미생물 처리 공정 설비는 다음과 같은 구성으로 되어있는 초임계 이산화탄소 추출장치로부터 설계된다. 순도 99.9%의 이산화탄소 실린더(1), 냉각기(2), 주사식 펌프(3), 조용매 실린더(4), 조용매 펌프(5), 항온기(6), 순환 펌프(7), 제어 장치(8), 추출기(9), 제1분리기(10), 제2분리기(11). 본 발명에서는 10과 11을 차단한 채 9의 추출기만을 미생물 현탁액을 처리하기 위한 고압 반응기로 하고, 조용매를 사용하지 않으므로 4와 5는 제외한다. 고압 반응기(9)는 내부 용량 150mL로 304 스테인레스로 재질로 최대 6300psi, 80oC까지 견딜 수 있고 볼트를 이용해 개폐한다. 실린더(1)로부터 공급되는 이산화탄소는 99.5%의 순도를 가진 액체 이산화탄소로 싸이폰 실린더로부터 공급된다.The microbial treatment process facility using the supercritical carbon dioxide of FIG. 1 is designed from a supercritical carbon dioxide extracting apparatus having the following configuration. 99.9% purity carbon dioxide cylinder (1), cooler (2), injection pump (3), cosolvent cylinder (4), cosolvent pump (5), thermostat (6), circulation pump (7), control device ( 8), extractor (9), first separator (10), second separator (11). In the present invention, only the extractor of 9 while blocking the 10 and 11 is used as a high pressure reactor for treating the microbial suspension, and 4 and 5 are excluded because no solvent is used. The high pressure reactor (9) withstands up to 6300 psi, 80 o C in 304 stainless steel with an internal capacity of 150 mL and is opened and closed with bolts. The carbon dioxide supplied from the cylinder 1 is supplied from the cyphon cylinder with liquid carbon dioxide having a purity of 99.5%.

반응기가 항온기에 의해 설정된 온도로 맞춰지면, 위에서 제조한 시료를 압력차에 의한 튜브의 파손을 막기 위하여 뚜껑을 느슨히 닫은 채로 반응기에 넣고 렌치를 이용해 볼트를 완전히 잠근다. 반응기의 아래쪽 도관을 통해 액체 이산화탄소가 냉각기를 거쳐 펌프에 의해 주입되고 특정 압력 수준에 도달하면, [도 1]에 나와 있는 밸브 V-1, V-2를 잠궈 반응기 내의 압력을 일정시간동안 유지한다. 처리 시간이 경과하면 즉시 V-3를 열어 초임계 이산화탄소를 제거하여 반응기 내부를 상압으로 한다. 이때 약 1분 정도의 시간이 소요되도록 하고, 그 즉시 시료를 꺼내어 생균수를 측정한다. 각 처리 후에는 추출기를 70%(v/v) 에탄올로 세척하고 다음 실험을 수행하며 각 처리에 대한 실험은 3번 반복된다.When the reactor is set to the temperature set by the thermostat, the sample prepared above is placed in the reactor with the lid loosely closed to prevent breakage of the tube due to the pressure difference, and the bolt is completely locked by a wrench. When liquid carbon dioxide is injected by a pump through a cooler through the bottom conduit of the reactor and reaches a certain pressure level, the valves V-1 and V-2 shown in FIG. 1 are closed to maintain the pressure in the reactor for a certain time. . After the treatment time has elapsed, V-3 is immediately opened to remove supercritical carbon dioxide and the reactor is brought to atmospheric pressure. At this time, it takes about 1 minute, take the sample immediately and measure the number of viable cells. After each treatment the extractor was washed with 70% (v / v) ethanol and the next experiment was carried out and the experiment for each treatment was repeated three times.

참조 예4에 제시된 대로 시간(t)에 따른 미생물의 상용로그 감소비율(Log(N/N0), y)을 변형된 Gompertz식에 적용하면 각 미생물의 처리 조건 별 사멸곡선 및 계수들의 값을 얻을 수 있다(N0= 초기 균 수, N=처리 후 균 수). λ값은 초임계 이산화탄소를 미생물에 처리하였는데도 감소 수준이 1Log 미만으로 매우 낮은 구간으로 도달하는데 소요되는 시간을 의미한다. 초기단계를 지나 미생물수가 급격히 감소하는 구간은 거의 직선에 가까우며 이때의 기울기를 -k dm 으로 나타낸다. 또한 A값은 일부 저항성이 높은 미생물을 제외하고 거의 모든 미생물이 사멸 된 수준, 즉 초기 균수에 -Log를 취한 값과 유사하므로 큰 의미를 갖지 않지만, λk dm 값은 미생물의 초임계 이산화탄소에 저항성을 비교하기 위한 중요한 근거가 된다. A의 최대값을 -Log(N0max)으로 제한하고 사멸경향을 변형된 Gompertz 식에 일치시키면 일반적으로 초임계 이산화탄소에 대한 저항성이 클수록 λ값이 증가하고, k dm 값이 감소한다고 볼 수 있으나 미생물이 모두 사멸하는데 걸리는 시간이 유사할 때는 저항성에 의해 λ값이 증가하더라도 k dm 값은 증가하는 경향을 보인다(이때 N0max는 최대 초기균수).By applying the log reduction ratio (Log (N / N 0 ), y ) of microorganisms over time ( t ) to the modified Gompertz equation, as shown in Reference Example 4, the values of the kill curves and coefficients for each microorganism's treatment conditions are determined. Can be obtained (N 0 = initial number of bacteria, N = number of bacteria after treatment). The λ value represents the time taken for the reduction level to reach very low intervals of less than 1 Log even after the supercritical carbon dioxide has been treated with the microorganism. The period of rapid decrease of microbial count after the initial stage is almost straight and the slope is represented by- k dm . In addition, the A value does not have much significance since it is similar to the level at which almost all microorganisms are killed, i.e., the value of -Log at the initial bacterial count, except for some highly resistant microorganisms, but the λ and k dm values do not depend on the supercritical It is an important basis for comparing resistance. Limiting the maximum value of A to -Log (N 0max ) and matching the killing trend to the modified Gompertz equation, the higher the resistance to supercritical carbon dioxide, the higher the λ value and the lower the k dm value. When the time taken to kill them is similar, k dm tends to increase even if λ increases due to resistance (where N 0max is the maximum initial bacterial count).

CO2는 가압 하에서 용해되어 탄산(H2CO3, 약산)을 형성한다. 또한 탄산은 아 래와 같이 bicarbonate(HCO3 -)와 carbonate(CO3 2-)로 이온화 되므로 초임계 이산화탄소를 처리 한 후 미생물 현탁액은 처리 전의 현탁액 보다 낮은 pH값을 갖게 된다.CO 2 dissolves under pressure to form carbonic acid (H 2 CO 3 , weak acid). Further acid is below and as bicarbonate (HCO 3 -) and carbonate (CO 3 2-) to the second because after processing the supercritical carbon dioxide microorganism suspension ionization will have a pH value lower than the suspension prior to processing.

Figure 112005036054962-PAT00003
Figure 112005036054962-PAT00003

미생물은 보통 균주에 따라 생장을 위한 최적 pH값을 갖는다. 대부분의 박테리아의 경우 최적 pH는 보통 6.8-7.2 사이이고, 최소 pH 4.0-4.5에서도 생존할 수 있는 것으로 알려져 있지만 그보다 낮은 pH는 미생물 세포막에 있는 단백질 구조를 변형시키고 효소 활성을 억제한다. 이에 비해 세포 내부의 pH는 항상 수소이온펌프를 통해 pH 7.0에 가깝게 유지되어야 한다. 해리되지 않은 상태의 산은 인지질 세포막을 통과할 수 있으므로 중성인 세포 내부로 들어가면 해리되어 수소이온을 내놓게 되는데 이때, 세포의 수소이온펌프가 수용할 수 있는 농도를 초과하게 되면 세포 내부의 pH는 감소하고 세포 내부의 효소 및 DNA 등의 핵산에 영향을 미쳐 결국 세포가 사멸하기에 이른다. 특히 초임계 이산화탄소는 높은 용해도와 확산도로 인해 초임계 처리 시 현탁액 뿐 아니라 세포 내부의 pH까지 낮아지는 효과를 얻을 수 있으며 이는 처리 전, 후 미생물 현탁액의 pH 측정을 통해 간접적으로 확인할 수 있다. 초임계 처리 된 미생물 현탁액은 상압으로 감압하자마자 용해되어있던 이산화탄소가 기체로 전환되기 시작하므로 반응기에서 꺼내는 즉시 pH meter를 이용해 pH를 측정하도록 하고 각 처리 조건에 따라 3번 반복하여 측정한다.Microorganisms usually have optimum pH values for growth, depending on the strain. For most bacteria, the optimal pH is usually between 6.8 and 7.2, and is known to survive at least pH 4.0 to 4.5, but lower pH modifies the protein structure on the microbial cell membrane and inhibits enzyme activity. In comparison, the pH inside the cell should always be kept close to pH 7.0 through a hydrogen ion pump. As the acid in the undissociated state can pass through the phospholipid cell membrane, when it enters the neutral cell, it dissociates to give hydrogen ions. When the hydrogen ion pump exceeds the concentration that the cell can accept, the pH inside the cell decreases. It affects nucleic acids such as enzymes and DNA inside the cell, leading to cell death. In particular, supercritical carbon dioxide can obtain the effect of lowering the pH inside the cell as well as the suspension during supercritical treatment due to the high solubility and diffusion, which can be confirmed indirectly by measuring the pH of the microbial suspension before and after the treatment. As soon as the supercritical microbial suspension is decompressed to atmospheric pressure, dissolved carbon dioxide begins to be converted to gas, so the pH meter is measured using a pH meter immediately after taking out of the reactor.

초임계 이산화탄소를 처리하였거나 혹은 처리하지 않은 상태의 미생물 현탁액을 원심분리하여 균만 회수한 후 주사전자현미경을 위한 전처리를 거쳐 세포의 물리적 변형을 관찰한다. 이때, 처리하지 않은 세포와 처리 후의 세포 형태를 비교하여 전처리에 의한 변형을 제외하고, 초임계 이산화탄소에 의한 변형만을 고려한다. The microbial suspensions treated with or without supercritical carbon dioxide are centrifuged to recover only the bacteria, and then subjected to pretreatment for scanning electron microscopy to observe the physical deformation of the cells. In this case, only the deformation by supercritical carbon dioxide is considered except for the modification by pretreatment by comparing the untreated cells with the cell types after treatment.

세포의 물리화학적인 변형은 또한 세포 내부물질의 유출을 야기한다. 초임계 이산화탄소의 처리 전, 후 미생물 현탁액을 원심분리하여 상등액만을 취해 흡광도를 측정한다. 이때 생리식염수로 영점을 조정하고 처리 전 상등액의 흡광도 값에 대한 처리 후 상등액의 흡광도 값의 비를 결과로 한다. 260nm에서 흡광도를 측정하면 세포 내부로부터 DNA, RNA 등 핵산관련 생체물질의 유출을 관찰할 수 있고, 280nm에서의 흡광도 측정값을 비교하면 세포 내부 혹은 세포막으로부터 단백질이나 아미노산의 유출정도를 비교할 수 있다.Physicochemical modifications of cells also cause the outflow of cellular internals. Before and after the treatment of supercritical carbon dioxide, the microbial suspension is centrifuged to take only the supernatant and measure the absorbance. At this time, adjust the zero point with physiological saline and take the ratio of the absorbance value of the supernatant after treatment to the absorbance value of the supernatant before treatment. By measuring the absorbance at 260 nm, the outflow of biological material such as DNA and RNA from the cell can be observed. By comparing the measured absorbance at 280 nm, the degree of protein or amino acid leakage can be compared from the cell or the cell membrane.

상기 추가적인 실험을 통해 밝혀낼 수 있듯이 초임계 이산화탄소는 물리화학적으로 세포 내외의 산성화에 따른 세포막과 대사관련 중요 효소의 불활성화, 내압에 의한 세포의 물리적인 파괴, 세포벽 지질과 세포 내 구성성분의 추출 등 복잡한 메커니즘을 통해 미생물이 사멸되도록 작용하므로 단순히 대수증식(exponential growth) 모델에 적용하는 것 보다는, Gompertz 모델에 적용했을 때 사멸경향을 더 잘 표현할 수 있다. 그러므로 Gompertz 모델의 실험결과를 바탕으로 초임계 이산화탄소를 이용해 식중독 미생물을 완전히 사멸시키기 위한 효과적인 최소 처리 조건을 확립할 수 있다.As can be seen from the above additional experiments, supercritical carbon dioxide is physically and chemically inactivated by membranes and metabolism-related enzymes due to acidification inside and outside the cells, physical destruction of cells by internal pressure, extraction of cell wall lipids and components within cells. These mechanisms allow the microorganisms to die through complex mechanisms, so they can better express the killing trend when applied to the Gompertz model, rather than simply applied to the exponential growth model. Therefore, based on experimental results from the Gompertz model, supercritical carbon dioxide can be used to establish effective minimum processing conditions for complete killing of foodborne organisms.

이에 본 발명을 주요 식중독 미생물과 지표 미생물에 대한 실시 예에 의거하여 더욱 구체적으로 설명하는 바, 본 발명이 실시 예에 한정되는 것은 아니며 저항성을 가진 미생물이나 포자 생성 미생물에도 적용가능하다.Therefore, the present invention will be described in more detail based on the embodiments of the main food poisoning microorganisms and indicator microorganisms, but the present invention is not limited to the embodiments, and is applicable to microorganisms or spore-producing microorganisms with resistance.

참조 예1: 초임계 이산화탄소 살균에 응용할 주요 식중독 미생물의 선정Reference Example 1: Selection of Major Food Poisoning Microorganisms for Supercritical Carbon Dioxide Sterilization

주요 식중독 미생물 중 그람양성균인 Listeria monocytogenes와 그람음성균인 Salmonella typhymurium, Escherichia coli O157:H7, Escherichia coli(Generic)을 처리대상으로 선정하였고, 각 균마다 [표 1]에 제시된 세 개의 균주를 혼합하여 미생물 현탁액을 제조함으로써 같은 종 내의 균 사이에서도 초임계 이산화탄소에 대한 저항성에 차이가 있을 수 있음을 고려하였다.Among the major food poisoning microorganisms, Gram-positive bacteria Listeria monocytogenes and Gram-negative bacteria Salmonella typhymurium, Escherichia coli O157: H7, Escherichia coli (Generic) were selected for treatment, and each of the three strains shown in Table 1 was mixed. By preparing the suspension, it was considered that there may be a difference in resistance to supercritical carbon dioxide even among bacteria in the same species.

[표 1] 초임계 이산화탄소를 이용한 불활성화 공정에 적용된 목표 식품 유해미생물[Table 1] Target food harmful microorganisms applied to inactivation process using supercritical carbon dioxide

Figure 112005036054962-PAT00004
Figure 112005036054962-PAT00004

1ATCC: American Type Culture Collection (Manassas, VA, USA) 1 ATCC: American Type Culture Collection (Manassas, VA, USA)

2WSU: Food Science and Human Nutrition Bacteria Collection at Washington State University (Pullman, WA, USA) 2 WSU: Food Science and Human Nutrition Bacteria Collection at Washington State University (Pullman, WA, USA)

참조 예2: 초임계 이산화탄소의 처리 조건 설정Reference Example 2: Setting Treatment Conditions for Supercritical Carbon Dioxide

초임계 이산화탄소의 물리화학적 특성을 이용하여 효과적으로 미생물을 사멸시킬 수 있도록 공정변수를 설정하고자 하였다. 초임계 이산화탄소의 임계점인 31.1℃, 73.8bar 이상에서, 실제 식품의 품질의 저하를 고려하여 결정된 공정변수(압력, 온도, 시간)는 다음과 같고 같은 조건에서 3번 반복 처리하였다.Using the physicochemical properties of supercritical carbon dioxide, we tried to set process variables to effectively kill microorganisms. At 31.1 ° C and 73.8 bar or more, the critical point of supercritical carbon dioxide, the process variables (pressure, temperature, time) determined in consideration of deterioration of the actual food quality were as follows and were repeated three times under the same conditions.

[표2] 압력변수에 대한 초임계 이산화탄소의 처리 조건Table 2: Treatment Conditions of Supercritical Carbon Dioxide for Pressure Variables

Figure 112005036054962-PAT00005
Figure 112005036054962-PAT00005

[표3] 온도변수에 대한 초임계 이산화탄소의 처리 조건[Table 3] Treatment of Supercritical Carbon Dioxide for Temperature Variables

Figure 112005036054962-PAT00006
Figure 112005036054962-PAT00006

참조 예3: 미생물 현탁액의 처리 전, 후 생균수 측정Reference Example 3: Determination of viable cell count before and after treatment of microbial suspension

처리 전과 처리 후의 시료를 각각 1mL씩 취하여 생리식염수로 적절히 희석하거나 희석하지 않은 채로 0.1mL을 취하여 각 균에 적합한 선택배지에 도말하였다. 37℃에서 24시간 배양하여 콜로니 수를 측정하고 이를 두 번 반복한 값의 평균을 계산하여 실험 결과로 하였다. 각 균에 사용한 선택배지는 다음의 [표 4]와 같다.1 mL of each sample was treated before and after the treatment and 0.1 mL was taken with or without dilution with physiological saline and plated on a suitable medium for each bacterium. Incubate at 37 ℃ for 24 hours to determine the number of colonies and to calculate the average of the two repeated values as the experimental results. The selective medium used for each bacterium is shown in the following [Table 4].

[표 4] 각 균의 콜로니 수를 측정하기 위한 선택배지 및 선별방법[Table 4] Selection medium and screening method for measuring the number of colonies of each bacteria

Figure 112005036054962-PAT00007
Figure 112005036054962-PAT00007

참조 예4: 변형된 Gompertzt식의 유도와 이를 이용한 초임계 이산화탄소에 의한 미생물 사멸속도 분석방법의 결정Reference Example 4: Derivation of Modified Gompertzt Equation and Determination of Analytical Method for Microbial Death by Supercritical Carbon Dioxide

아래 식 ①의 Gompertz 식을 변형하여 a, b, c와 같은 수학적인 계수를 생물학적 의미를 갖는 값(A, k dm , λ)으로 바꾸는 과정은 다음과 같다.The process of converting mathematical coefficients such as a, b, c into biologically meaningful values ( A , k dm , λ ) by modifying the Gompertz equation of Equation ① below is as follows.

Figure 112005036054962-PAT00008
- 식 ①
Figure 112005036054962-PAT00008
-Equation

양변을 t에 대해 미분하면,Differentiate both sides with t ,

Figure 112005036054962-PAT00009
Figure 112005036054962-PAT00009

양변을 t에 대해 다시 미분하면,Differentiate both sides again with respect to t

Figure 112005036054962-PAT00010
Figure 112005036054962-PAT00010

Figure 112005036054962-PAT00011
일 때의 시간을 t i 라 하면, t=t i 에서 변곡점(inflection point)을 지나므로,
Figure 112005036054962-PAT00011
If the time at is t i , we pass the inflection point at t = t i ,

Figure 112005036054962-PAT00012
Figure 112005036054962-PAT00012

t=t i 에서의 접선의 기울기는 최대 사멸속도(k dm )의 음수값이므로, The slope of the tangent at t = t i is a negative value for the maximum kill rate ( k dm ),

Figure 112005036054962-PAT00013
- 식 ②
Figure 112005036054962-PAT00013
-Equation

t=t i 일 때, when t = t i ,

Figure 112005036054962-PAT00014
Figure 112005036054962-PAT00014

그러므로 변곡점에서의 접선의 방정식은,Therefore, the tangent equation at the inflection point is

Figure 112005036054962-PAT00015
- 식 ③
Figure 112005036054962-PAT00015
-Equation

접선의 방정식의 t축 절편(y=0일 때)은 사멸유도시간(λ)으로 정의될 수 있고,The t- axis intercept (when y = 0 ) of the equation of the tangent can be defined as the death induction time ( λ ),

Figure 112005036054962-PAT00016
- 식 ④
Figure 112005036054962-PAT00016
-Equation

식 ②와 식 ④을 연립하면,If you combine equation ② and equation ④,

Figure 112005036054962-PAT00017
- 식 ⑤
Figure 112005036054962-PAT00017
-Equation

식 ②와 식 ⑤를 식 ①에 대입하면, Substituting equation ② and equation ⑤ into equation ①,

Figure 112005036054962-PAT00018
Figure 112005036054962-PAT00018

Figure 112005036054962-PAT00019
일 때,
Figure 112005036054962-PAT00020
이므로 a=A(asymtote)
Figure 112005036054962-PAT00019
when,
Figure 112005036054962-PAT00020
A = A (asymtote)

Figure 112005036054962-PAT00021
- 식 ⑥
Figure 112005036054962-PAT00021
-Equation

결론적으로 상기 식 ⑥에서 y는 미생물의 로그 감소수준(y=Log(N/N0), N0= 초기 균 수, N=처리 후 균 수)이고, t는 처리시간, λ는 초임계 이산화탄소 처리 후 낮은 사멸속도를 특징으로 하면서 사멸속도가 급격히 증가하기 전까지의 소요시간(사멸유도시간), k dm 는 초기단계를 지나 미생물수가 급격히 감소하는 구간의 기울기의 음수값(최대사멸속도), A는 일부 저항성이 높은 미생물을 제외하고 거의 모든 미생물이 사멸 되는 수준과 초기균수에 대한 비율의 상용로그(최대사멸수준)이다.In conclusion, in the above formula ⑥, y is the log reduction level of the microorganism ( y = Log (N / N 0 ), N 0 = initial number of bacteria, N = number of bacteria after treatment), t is the treatment time, λ is supercritical carbon dioxide Characterized by a low killing rate after treatment, the time required before the killing rate increases rapidly (killing induction time), k dm is a negative value (maximum killing rate) of the slope of the section where the number of microorganisms rapidly decreases through the initial stage, A Is the commercial log (maximum killing level) of the level at which almost all microorganisms are killed and the percentage of initial bacterial counts, except for some highly resistant microorganisms.

온도와 압력 변수에 따른 각각의 처리에서, 시간에 따른 y값을 상기 식 ⑥에 적용하여 비선형 최소방각법(nonlinear least square method)을 통해 통계적으로 분석한다. 비선형 최소방각법은 Levenberg-Marquardt algorithm을 통해 RSS(Residual Sum of Squares)를 최소화하는 가장 적합한 회귀관계를 구하는 방법으로 이를 통해 [도 2]와 같은 사멸곡선과 계수 A, k dm , λ 및 R2(Regression coefficient), RSS등이 결정된다. 이러한 과정은 모두 SigmaPlot 2.0(Jandel Scientific, San Francisco, CA, USA)을 통해 수행될 수 있다.In each treatment according to temperature and pressure variables, the y-value over time is applied statistically by nonlinear least square method by applying to the above equation (6). The nonlinear least square method is a method of obtaining the most suitable regression relationship that minimizes the RSS (Residual Sum of Squares) through the Levenberg-Marquardt algorithm. Through this, the death curve and coefficients A , k dm , λ and R 2 (Regression coefficient), RSS and the like are determined. All of these processes can be performed via SigmaPlot 2.0 (Jandel Scientific, San Francisco, CA, USA).

③의 접선의 방정식에서 y=a일 때의 t값은 일부 저항성이 있는 미생물을 제외하고 거의 모든 미생물이 사멸하는데 걸리는 시간(t t )으로 정의되고,In the tangent equation of (3), the value of t when y = a is defined as the time ( t t ) that almost all of the microorganisms die except for some resistant microorganisms.

Figure 112005036054962-PAT00022
- 식 ⑦
Figure 112005036054962-PAT00022
-Equation ⑦

특정 압력과 온도의 초임계 상태에서 사멸시키고자하는 특정 미생물 수준(Ns)의 초기균수(N0)에 대한 비율의 상용로그 값(LogNs/N0)을 식 ⑦의 A에 대입하면 이에 필요한 처리 시간을 계산할 수 있다.Substituting the logarithmic log value (LogN s / N 0 ) of the ratio of the initial microbial count (N 0 ) of the specific microbial level (N s ) to be killed in a supercritical state at a certain pressure and temperature into A in equation ⑦ The required processing time can be calculated.

실시 예1Example 1

참조 예1에서 제시한 균주를 참조 예2의 표2에서 설정한 압력변수의 처리 조건에 따라 초임계 이산화탄소를 처리하여 참조 예3의 방법으로 생균수를 측정하고 참조 예4에 제시된 수식에 측정값을 대입하면 도 3-6과 같은 그래프를 얻을 수 있다. 이때 각 처리에 대한 세 번의 생균수 측정 결과를 직접 수식에 적용하였고, 점으로 표시한 것은 세 번 반복에 대한 평균값과 이에 따른 표준오차 값이다. 또한 위에서 나타낸 도 3-6의 그래프를 통해 구한 각 계수 값이 아래 표 5에 제시되어 있다. Supercritical carbon dioxide was treated according to the treatment conditions of the pressure variables set in Table 2 of Reference Example 2, and the viable cell count was measured by the method of Reference Example 3, and the measured value in the formula shown in Reference Example 4 was used. Substituting can obtain a graph as shown in Figs. 3-6. At this time, the three viable cell counts for each treatment were directly applied to the formula, and the dots indicate the mean values and the standard error values for the three repetitions. In addition, the coefficient values obtained through the graphs of FIGS. 3-6 shown above are shown in Table 5 below.

Listeria monocytogenes의 경우 각 압력 처리에서 모든 균이 사멸하는데 15분의 시간이 소요되었다. 80bar의 처리 시 λ값이 7분 이상이었기 때문에 k dm 이 상 대적으로 높게 나온 경우를 제외하고 나머지 100, 120, 150 bar에서 λ값은 약 2.4~3.4분, k dm 값은 약 0.8~0.9로 유사한 경향을 보였다. 특히 100bar에 비하여 120bar에서 λ값이 1분 감소하였고 150bar에서 k dm 값이 0.1만큼 증가하여 압력이 증가할 수 록 더욱 빠른 속도로 생균수가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. Listeria monocytogenes took 15 minutes to kill all bacteria at each pressure treatment. Since the λ value was more than 7 minutes at 80 bar treatment, the λ value was about 2.4 ~ 3.4 minutes and the k dm value was about 0.8 ~ 0.9 at the remaining 100, 120, 150 bar except when the k dm was relatively high. There was a similar trend. In particular, the λ value was reduced by 1 minute at 120 bar compared to 100 bar, and the k dm value was increased by 0.1 at 150 bar, and the viable cell count was decreased at a faster rate as the pressure increased.

Salmonella typhymurium의 경우도 각 압력 처리에서 모든 균이 사멸하는데 15분이 소요되었다. 80, 100, 120bar의 압력 처리에서 λ값은 4.34, 3.99, 2.45분으로 계속 감소하였고, k dm 값은 약 1로 매우 유사하였다. 150bar의 처리에서는 그 미만의 처리에서 보다 k dm 값이 약 0.5만큼 증가하였으나 λ값은 오히려 증가하였고 이는 10분 동안 처리한 경우 거의 모든 균이 사멸하였음에도 일부 저항성이 있는 미생물이 살아남아 이러한 현상이 사멸곡선의 급격한 변곡에 반영되었기 때문이다. Salmonella typhymurium also took 15 minutes to kill all bacteria at each pressure treatment. At 80, 100, and 120 bar pressure treatments, the λ values continued to decrease to 4.34, 3.99 and 2.45 minutes, and the k dm values were very similar at about 1. At 150 bar treatment, the k dm value increased by about 0.5 than that at the lower treatment, but the λ value was increased. After 10 minutes of treatment, some resistant microorganisms survived even though almost all bacteria died. Because it is reflected in the sudden inflection of

Escherichia coli O157:H7의 경우 모든 균이 사멸하는데 걸리는 시간은 80, 100bar의 압력을 120, 150bar로 증가시켜 처리하였을 때, 20분에서 15분으로 감소하였다. 압력이 80, 100, 120bar로 증가할수록 k dm 값은 0.85, 0.83, 1.69로 증가하였고, λ값은 7.44, 8.43, 8.22분으로 감소하여 더욱 빠르게 사멸함을 확인할 수 있었다. 그러나 120bar와 150bar의 처리 간에는 사멸효과에서 큰 차이가 없었다. In the case of Escherichia coli O157: H7, the time taken to kill all bacteria was reduced from 20 minutes to 15 minutes when treated with increasing pressures of 80 and 100 bar to 120 and 150 bar. As the pressure increased to 80, 100, 120 bar, the k dm value increased to 0.85, 0.83, 1.69, and the λ value decreased to 7.44, 8.43, 8.22 minutes, and the death was faster. However, there was no significant difference in killing effect between treatments of 120 bar and 150 bar.

Escherichia coli(Generic)의 경우 모든 균이 사멸하는데 결리는 시간은 E. coli O157:H7과 동일하였다. 압력이 80, 100, 120bar로 증가할수록 k dm 값은 1.07, 1.24, 1.62로 증가하였고, λ값은 9.36, 9.01, 8.32분으로 감소하여 더욱 빠르게 사멸함을 확인할 수 있었다. 그러나 E. coli O157:H7와 마찬가지로 120bar와 150bar의 처리 간에는 사멸효과에 큰 차이가 없었다. In the case of Escherichia coli (Generic), all bacteria were killed, and the time to release was the same as that of E. coli O157: H7. As the pressure increased to 80, 100, and 120bar, the k dm values increased to 1.07, 1.24, and 1.62, and the λ values decreased to 9.36, 9.01, and 8.32 minutes. However, as in E. coli O157: H7, there was no significant difference in killing effect between 120 and 150 bar treatments.

처리 압력에 따라 결과를 비교해 보면, 100, 120, 150bar 모두에서 λ값은 유사하였지만, 그람 양성균인 L. monocytogenes가 그람 음성균인 S. typhimurium 에 비해 k dm 값이 낮았으며, 이는 그람 양성균의 두터운 세포벽 구조가 초임계 이산화탄소의 세포 내 흡수를 저해하는 것이 한 원인인 것으로 생각된다. 또한, 그람 음성균은 일반적으로 양성균에 비해 세포벽의 지질함량이 10-20% 가량 높아 비극성을 띄는 초임계 이산화탄소에 의해 이러한 세포벽의 구성성분인 lipoprotein, lipopolysaccharide 등이 추출이 이루어져 사멸효과가 신속히 나타났을 것으로 사료된다. 120bar와 150bar에서 E. coli(Generic)는 E. coli O157:H7에 비해 높은 사멸속도 뿐 아니라 낮은 λ값을 가지므로, Generic이 초임계 이산화탄소에 더 민감하다고 하겠다. 그러나 상대적으로 매우 높은 λ값에 의해 앞의 두 미생물과 k dm 값을 비교하기는 어렵다. 전체적으로 L. monocytogenesS. typhimurium의 총 사멸에 걸리는 시간은 모든 압력에서 15분으로 충분한 반면, E. coli(Generic)와 E. coli O157:H7은 최대 20분이 요구되며 λ값은 전자는 2~4분, 후자의 경우 최소 7분 이상 소요되는 것으로 미루어, 앞의 두 가지 미생물이 뒤의 두 가지 미생물보다 초임계 이산화탄소에 더욱 민감하다고 할 수 있다. 이는 단순히 상기 기술한 그람 양성과 그람 음성균의 구분으로 설명되지 않으며 이는 그만큼 복잡한 메커니즘에 의해 초임계 이산화탄소가 미생물 사멸을 일으키기 때문일 것으로 사료된다.Comparing the results according to the treatment pressure, the λ values were similar in all 100, 120 and 150 bar, but the gram positive bacteria L. monocytogenes had lower k dm values than the gram negative bacteria S. typhimurium , which is the thick cell wall of gram positive bacteria. One reason is that the structure inhibits the uptake of supercritical carbon dioxide into cells. In addition, Gram-negative bacteria are generally 10-20% higher in lipid content of cell walls than positive bacteria, and lipoproteins and lipopolysaccharides, which are constituents of these cell walls, are extracted by non-critical supercritical carbon dioxide. It is feed. At 120 and 150 bar, E. coli (Generic) has a higher killing rate and lower λ value than E. coli O157: H7, so Generic is more sensitive to supercritical carbon dioxide. However, it is difficult to compare k dm values with the previous two microorganisms due to their relatively high λ values. Overall, the time required for total killing of L. monocytogenes and S. typhimurium is sufficient for 15 minutes at all pressures, whereas E. coli (Generic) and E. coli O157: H7 require a maximum of 20 minutes and the λ value is 2 ~ It takes four minutes and at least seven minutes in the latter case, so that the first two microbes are more sensitive to supercritical carbon dioxide than the next two. This is not simply explained by the above-mentioned distinction between Gram-positive and Gram-negative bacteria, which may be because supercritical carbon dioxide causes microbial death by such a complicated mechanism.

[표 5] 40℃에서 초임계 처리 시 압력변수에 따른 각 미생물의 A, k dm , λ값 비교[Table 5] Comparison of A , k dm and λ values of each microorganism according to pressure variables during supercritical treatment at 40 ℃

Figure 112005036054962-PAT00023
Figure 112005036054962-PAT00023

실시 예2Example 2

참조 예1에서 제시한 균주를 참조 예2의 표3에서 설정한 온도변수의 처리 조건에 따라 실시 예1과 같이 수행하면 도 7-10과 같은 그래프를 얻을 수 있다. 또한 위에서 나타낸 도 7-10의 그래프를 통해 구한 각 계수 값이 아래 표 6에 제시되어 있다.When the strains presented in Reference Example 1 were carried out as in Example 1 according to the processing conditions of the temperature variables set in Table 3 of Reference Example 2, a graph as shown in FIGS. 7-10 can be obtained. In addition, the coefficient values obtained through the graphs of FIGS. 7-10 shown above are shown in Table 6 below.

Listeria monocytogenes의 경우 처리온도가 35℃, 40℃, 45℃로 증가할수록 모든 균이 사멸하는데 걸리는 시간은 25, 15, 10분으로 유의적으로 감소하였다. k dm 값 또한 처리온도 상승에 따라 0.46, 0.80, 1.80으로 증가하였고, λ값은 7분에서 4분 가까이 감소하여 온도가 증가할수록 빠른 속도로 사멸하는 것을 확인하였다. In case of Listeria monocytogenes , as the treatment temperature increased to 35 ℃, 40 ℃ and 45 ℃, the time to kill all bacteria was significantly reduced to 25, 15 and 10 minutes. The k dm value also increased to 0.46, 0.80, and 1.80 as the treatment temperature increased, and the λ value was decreased from 7 minutes to 4 minutes.

Salmonella typhymurium의 경우 처리온도가 35℃, 40℃, 45℃로 증가할수록 모든 균이 사멸하는데 걸리는 시간은 20, 15, 10분으로 감소하였다. k dm 값 또한 온도 증가에 따라 0.63, 1.18, 1.66으로 증가하였고, λ값은 5.84, 3.99, 2.91분으로 감소하여 온도가 증가할수록 빠른 속도로 사멸하는 것을 확인할 수 있었다. In Salmonella typhymurium , as the treatment temperature increased to 35 ℃, 40 ℃, and 45 ℃, the time taken for all bacteria was reduced to 20, 15 and 10 minutes. The k dm value also increased to 0.63, 1.18, and 1.66 as the temperature increased, and the λ value decreased to 5.84, 3.99, and 2.91 minutes.

Escherichia coli O157:H7의 경우 처리온도가 35℃, 40℃, 45℃로 증가할수록 모든 균이 사멸하는데 걸리는 시간은 30, 20, 15분으로 감소하였다. k dm 값 또한 온도 증가에 따라 0.97, 1.24, 1.62로 증가하였고, λ값은 15.74, 9.01, 5.06분으로 감소하여 온도가 증가할수록 빠른 속도로 사멸하는 것을 확인할 수 있었다. In case of Escherichia coli O157: H7, as the treatment temperature increased to 35 ℃, 40 ℃ and 45 ℃, the time taken to kill all bacteria was reduced to 30, 20 and 15 minutes. The k dm value was also increased to 0.97, 1.24, 1.62 with increasing temperature, and the λ value was decreased to 15.74, 9.01, 5.06 minutes.

Escherichia coli(Generic)의 경우도 처리온도가 35℃, 40℃, 45℃로 증가할수록 모든 균이 사멸하는데 걸리는 시간은 20, 15, 10분으로 감소하였다. k dm 값은 온도 증가에 따라 0.46, 0.83, 1.10으로 증가하였고, λ값은 12.57, 8.42, 5.53으로 감소하여 E. coli (Generic) 또한 온도가 증가할수록 빠른 속도로 사멸하는 것을 확인할 수 있었다. In the case of Escherichia coli (Generic), as the treatment temperature increased to 35 ℃, 40 ℃ and 45 ℃, the time taken to kill all bacteria was reduced to 20, 15 and 10 minutes. The k dm value increased to 0.46, 0.83 and 1.10 with increasing temperature, and the λ value decreased to 12.57, 8.42 and 5.53. E. coli (Generic) was also rapidly killed as the temperature increased.

[표 6] 100 bar에서 초임계 처리 시 온도변수에 따른 각 미생물의 A, k dm , λ값 비교[Table 6] Comparison of A , k dm , λ values of each microorganism according to temperature variables during supercritical treatment at 100 bar

Figure 112005036054962-PAT00024
Figure 112005036054962-PAT00024

같은 압력에서 온도별 미생물의 불활성화 속도상수(k dm )를 다음 Arrhenius 식에 적용하면 미생물별 사멸화에 대한 활성화 에너지(E d )를 구할 수 있다.The activation energy ( E d ) for microbial killing can be obtained by applying the inactivation rate constant ( k dm ) of microorganisms by temperature at the same pressure to the following Arrhenius equation.

|k dm | = αexp(-E d /RT) - 식 ⑧ | k dm | = αexp (-E d / RT) -equation

ln|kln | k dmdm | = lnα- (E| = lnα- (E dd /R) 1/T/ R) 1 / T

식 ⑧에서, k dm 는 온도별 미생물의 불활성화 속도상수이고, α는 빈도인자(frequency factor)이고, E d 는 초임계 이산화탄소에 대한 미생물 사멸에 대한 활성화 에너지(activation energy for microbial inactivation)이고, R(기체상수)은 8.31447 J K-1 mol-1이고, T는 절대온도이다.In equation (8), k dm is the temperature inactivation rate constant of the microorganism by temperature, α is the frequency factor, E d is the activation energy for microbial inactivation for supercritical carbon dioxide, R (gas constant) is 8.31447 JK -1 mol -1 and T is the absolute temperature.

상기 아레니우스식은 속도상수와 절대온도의 역수 사이에 로그함수 관계가 있음을 이용하여 미생물 사멸반응의 온도에 대한 민감도를 나타내는데 사용된다. 활성화에너지 값은 일정한 초임계압력에서 온도가 증가할 때 미생물의 사멸속도가 얼마나 민감하게 증가하느냐를 설명할 수 있으므로 활성화 에너지 값이 크면 초임계 이산화탄소 처리 시 온도에 민감하다고 할 수 있다.The Arrhenius equation is used to indicate the temperature sensitivity of the microbial killing reaction using the logarithmic relationship between the rate constant and the inverse of the absolute temperature. The activation energy value can explain how sensitively the killing rate of microorganisms increases with increasing temperature at a constant supercritical pressure. Therefore, a large activation energy value can be said to be sensitive to temperature during supercritical carbon dioxide treatment.

표 7은 100bar의 일정한 압력에서 온도를 달리하여 초임계 이산화탄소로 처리하였을 때 각 미생물별 불활성화 속도상수로부터 미생물 사멸반응에 대한 활성화 에너지와 빈도인자 및 R2(회귀계수)를 구한 결과이다. 활성화 에너지(E d )가 클수록 초임계 이산화탄소 처리 시 온도에 의한 영향을 많이 받는 미생물임을 의미한다. L. monocytogenes > S. typhimurium > E. coli(Generic) > E. coli O157:H7의 순서로 높은 활성화 에너지 값을 가지며, 온도의 증가에 민감하게 반응하여 불활성화 속도가 증가하였다. 이는 온도 증가가 초임계 이산화탄소의 확산도(diffusivity)를 증가시켜, 그람 양성균인 L. monocytogenes의 세포막을 효과적으로 투과할 수 있는 상태를 만들기 때문이고, 이러한 효과는 그람 음성균에서 상대적으로 낮다. 이처럼 일정압력에서 E d 값은 미생물을 초임계 이산화탄소로 사멸시킬 때 온도에 대한 의존성과 사멸에 대한 저항성을 나타내는 지표로 활용될 수 있을 것이다. Table 7 shows the activation energy, frequency factor, and R 2 (regression coefficient) for the microbial killing reaction from the inactivation rate constant for each microorganism when treated with supercritical carbon dioxide at different temperatures at a constant pressure of 100 bar. The larger the activation energy ( E d ), the more microorganisms affected by temperature during supercritical carbon dioxide treatment. In the order of L. monocytogenes > S. typhimurium > E. coli (Generic)> E. coli O157: H7, the activation energy was increased in response to the increase in temperature. This is because the increase in temperature increases the diffusivity of the supercritical carbon dioxide, which makes it possible to effectively penetrate the cell membrane of the Gram-positive bacteria L. monocytogenes , and this effect is relatively low in Gram-negative bacteria. As such, the value of E d at constant pressure may be used as an indicator of temperature dependence and resistance to death when microorganisms are killed by supercritical carbon dioxide.

[표 7] 100bar의 초임계 이산화탄소 처리에서 각 미생물별 불활성화에너지(E d ), 빈 도인자 및(α), 회귀계수(R2)값[Table 7] Inactivation energy ( E d ), frequency factor and ( α ) and regression coefficient (R 2 ) of each microorganism in 100 bar supercritical carbon dioxide treatment

Figure 112005036054962-PAT00025
Figure 112005036054962-PAT00025

실시 예3Example 3

도 11에서는 E. coli(Generic)의 처리 전, 후 현탁액에 대해 pH를 측정한 결과를 나타내었다. 처리 전 미생물 현탁액의 pH가 평균 5.8이었고, 처리 후 pH는 처리 시간에 관계없이 처리 압력이나 온도에 따라 다르게 감소하였다. 같은 온도에서 압력이 높을수록 처리 후 pH는 크게 달라졌는데, 80bar로 처리했을 때, pH감소가 4.5에 그치는 반면 150 bar로 처리한 후에는 pH 4.0까지 낮아졌다. 특히 100bar의 압력 하에서 처리온도가 낮을수록 최종 pH가 낮았는데 이러한 결과는 초임계 이산화탄소의 용해도가 높은 압력과 낮은 온도에서 증가되기 때문이다.11 shows the results of measuring the pH of the suspension before and after treatment with E. coli (Generic). The average pH of the microbial suspension before treatment was 5.8 and the pH after treatment decreased differently with treatment pressure or temperature regardless of treatment time. At the same temperature, the higher the pressure, the greater the change in pH after treatment. At 80 bar, the pH was reduced to 4.5, but after 150 bar, it was reduced to pH 4.0. In particular, the lower the treatment temperature, under a pressure of 100 bar, the lower the final pH. This is because the solubility of supercritical carbon dioxide increases at higher pressures and lower temperatures.

실시 예4Example 4

도 12-14에서 주사전자현미경을 통해 관찰한 세포의 형태를 35℃, 100bar에서 모든 균이 사멸하는 시간까지 초임계 이산화탄소를 처리하기 전(왼쪽)과 처리 후(오른쪽)로 나누어 제시하였다. 그람 양성균인 Listeria monocytogenes의 경우 세포 형태가 그대로 유지된 반면, 그람 음성균인 Salmonella typhymuriumEscherichia coli O157:H7은 처리 전과는 달리 세포형태가 수축되고 세포막이 함입 되었음을 관찰할 수 있었다. 특히 S. typhymuriumE. coli O157:H7에 비해서도 세포막의 변형이 매우 컸으며 세포 내부 물질의 추출에 의한 것으로 여겨지는 작은 방울들이 세포막에 무수히 생성되어 있었다. 그러므로 초임계 이산화탄소에 의한 미생물의 사멸화 기작 중 세포 형태가 초임계 이산화탄소에 의해 물리적으로 변형된 것은 그람 음성균에 한정되었으며, 특히 S. typhymurium의 세포벽이 E. coli O157:H7에 비해 초임계 이산화탄소에 의한 변형의 정도가 더 심하였다. 이는 앞에서 기술한 바와 같이 세포벽의 지질함량이 그람 양성균에 비해 더 높은 그람 음성균의 lipoprotein, lipopolysaccharide 등과 같은 세포벽 성분이 비극성을 띄는 초임계 이산화탄소에 의해 용해 및 추출되어 일어난 현상으로 사료된다.In FIG. 12-14, the morphology of the cells observed through the scanning electron microscope was presented before and after treatment (left) and after treatment (right) with supercritical carbon dioxide at 35 ° C. and 100 bar until all bacteria were killed. Gram-positive bacteria, Listeria monocytogenes , remained intact, whereas gram-negative bacteria Salmonella typhymurium and Escherichia coli O157: H7 were contracted, and cell membranes were impregnated. In particular, S. typhymurium had a much higher deformation of the cell membrane than E. coli O157: H7, and numerous droplets were formed on the cell membrane which are thought to be due to the extraction of the intracellular material. Therefore, the morphological mechanism of cell death by supercritical carbon dioxide is limited to Gram-negative bacteria, and the cell wall of S. typhymurium is more sensitive to supercritical carbon dioxide than E. coli O157: H7. The degree of deformation was worse. As described above, it is thought that cell wall components such as lipoprotein and lipopolysaccharide of gram-negative bacteria having higher lipid content of cell wall than gram-positive bacteria were dissolved and extracted by non-critical supercritical carbon dioxide.

실시 예5Example 5

35℃, 100bar에서 처리한 세 종류의 식중독 미생물의 현탁액의 흡광도값을 도 15-17에 제시하였다. 그람 음성균인 Salmonella typhymuriumEscherichia coli O157:H7 모두에서 처리시간에 따라 260nm(DNA의 최대흡광 파장), 280nm(단백질의 최대흡광 파장)에서 흡광도가 증가하는 경향을 확인할 수 있었으나 그람 양성균인 Listeria monocytogenes의 경우는 260nm에서만 그러하였다. 특히 L. monocytogenesS. typhymurium은 15분과 20분 사이에서, E. coli O157:H7은 20분과 25분 사이에서 흡광도 값이 급격히 증가하였고, 이는 상기 처리 조건에서 각 균이 급격히 사멸하는 구간의 후반부를 포함한다. 그러므로 세포막이 초임계 이산화탄소에 의해 손상을 받아 급격히 사멸하기 시작한 이후에 세포 내부 구성성분인 단백질이나 DNA가 세포 밖으로 추출되어 나오는 것으로 생각된다. Absorbance values of suspensions of three kinds of food poisoning microorganisms treated at 35 ° C. and 100 bar are shown in FIGS. 15-17. In both Gram-negative bacteria Salmonella typhymurium and Escherichia coli O157: H7, the absorbance tended to increase at 260 nm (maximum absorption wavelength of DNA) and 280 nm (maximum absorption wavelength of protein) depending on the treatment time, but the Gram-positive bacteria Listeria monocytogenes The case was only at 260 nm. In particular, the absorbances of L. monocytogenes and S. typhymurium increased rapidly between 15 and 20 minutes, and E. coli O157: H7 between 20 and 25 minutes. It includes. Therefore, after the cell membrane is damaged by the supercritical carbon dioxide and begins to die rapidly, it is thought that protein or DNA, which is an internal component of the cell, is extracted from the cell.

실시 예6Example 6

사멸 초기 초임계 이산화탄소에 의한 인지질로 구성된 세포막의 손상은 상기 실시 예3에서 제시한 세포 내 외의 pH 감소에 의해 세포막의 기능을 저하시키고, 효소 및 단백질을 불활성화 시키는 것이 가장 큰 원인일 것으로 생각되고 이는 두꺼운 세포벽을 가지고 있어 물리적인 변형을 유발하지 않는 L. monocytogenes의 빠른 사멸속도의 근거가 된다. 또한 L. monocytogenes의 세포막은 초임계 이산화탄소의 친유성에 의해 세포막의 인지질이 추출되어 손상받기 시작할 수 있고 온도의 증가는 초임계 이산화탄소의 용해도를 낮추는 대신 확산도를 향상시키기 때문에 더 많은 세포막 인지질의 추출이 가능하게 된다. 이는 L. monocytogenes가 가장 온도에 가장 민감하게 반응했던 실험결과와 부합된다.The damage of the cell membrane composed of phospholipids by supercritical carbon dioxide at the early death is thought to be the biggest cause of deterioration of the function of the cell membrane and inactivation of enzymes and proteins by decreasing the pH inside and outside the cells presented in Example 3 above. This is the basis for the rapid killing rate of L. monocytogenes , which have a thick cell wall and do not cause physical deformation. In addition, the cell membranes of L. monocytogenes may be damaged by extraction of phospholipids by the lipophilic properties of supercritical carbon dioxide, and the increase of temperature improves the diffusion instead of reducing the solubility of supercritical carbon dioxide. It becomes possible. This is consistent with the experimental results in which L. monocytogenes reacted most sensitively to temperature.

S. typhymuriumE. coli(O157:H7, Generic)은 초임계 이산화탄소의 압력에 의한 물리적인 변형과 상기 pH저하효과 뿐 아니라 세포막의 인지질 및 세포벽의 지질성분 등의 추출 등 여러 요인이 함께 작용하여 사멸된다. 때문에 S. typhymurium은 실험한 미생물 중에서 모든 처리조건에 대해 가장 빠르게 사멸하는 결과를 나타내었으나 E. coli(O157:H7, Generic)는 모두 그람 음성균임에도 불구하고 초임계 이산화탄소에 강한 저항성을 보였다. λ값이 보통 7분 이상 요구되며 다른 미생물에 비해 온도에 민감도가 떨어지는 것으로 보아 초기에 미생물 사멸을 유발하는 요인 중 인지질의 추출효과 보다는 pH저하효과에 대한 저항성을 강하게 가지고 있는 것으로 생각되고 여기에는 아직 밝혀지지 않은 사멸기작이 포함되었을 수도 있다. S. typhymurium and E. coli (O157: H7, Generic) have several factors that work together such as the physical deformation caused by the pressure of supercritical carbon dioxide and the pH lowering effect, as well as the extraction of phospholipids of cell membranes and lipid components of cell walls. Is killed. Therefore, S. typhymurium showed the fastest killing for all treatment conditions among the tested microorganisms, but E. coli (O157: H7, Generic) showed strong resistance to supercritical carbon dioxide despite being Gram-negative. Since the λ value is usually required for more than 7 minutes and is less sensitive to temperature than other microorganisms, it is thought to have a stronger resistance to pH lowering effect than the extraction effect of phospholipid among the factors causing microbial death early on. An unknown mechanism of death may have been included.

실시 예 3-5를 통해 밝혀낸 초임계 이산화탄소에 의한 미생물 사멸의 주요 메커니즘과 실시 예1-2에서 얻어진 결과를 바탕으로 식중독 미생물을 8Log 이상 사멸시키기 위한 효과적인 최소 처리 시간을 표 8에 제시하였다.Table 8 shows the effective minimum treatment time for killing more than 8 Log of food poisoning microorganisms based on the main mechanism of microcritical killing by supercritical carbon dioxide revealed in Example 3-5 and the results obtained in Example 1-2.

[표 8] 식중독 미생물을 8Log 이상 사멸시키기 위한 효과적인 최소 처리 시간(분)TABLE 8 Effective minimum processing time (min) for killing food poisoning microorganisms above 8 Log

Figure 112005036054962-PAT00026
Figure 112005036054962-PAT00026

()*: 실제 5분 간격으로 수행한 초임계 이산화탄소 살균 실험에서, 8Log 이상 사멸효과를 보인 처리 시간() * : Treatment time with more than 8 Log killing time in supercritical carbon dioxide sterilization experiment conducted at actual 5-minute intervals

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 초임계 이산화탄소를 이용하는 공정은 초임계 이산화탄소의 물리적, 화학적 성질을 함께 이용하므로 중요 공정변수인 압력, 온도를 상대적으로 낮은 수준으로 하여도 충분한 결과를 얻을 수 있다는 장점이 있어 에너지 절감을 통해 공정의 경제성을 높일 수 있다. 특히 낮은 온도에서 pH효과 및 세포 형태의 변화 없이 구성성분을 추출하는 원리를 이용하므로 액상식품 뿐 아니라 신선식품의 표면 살균, 가공식품의 살균에 응용될 수 있을 뿐 아니라 그 효과가 뛰어나다는 점에서 의료용구의 멸균에도 적용할 수 있다. 또한 초임계 이산화탄소는 값이 저렴하면서 회수율이 높고, 독성이 없기 때문에 공정화에 있어 친환경적인 미래형 설비가 가능할 것이다. 특히, 본 발명은 초임계 이산화탄소 의 처리 조건, 대상 식품 및 목표 미생물에 따른 살균 효율성을 물리화학적 및 생물학적 조건을 복합적으로 고려할 수 있도록 미생물 사멸화의 메커니즘을 제시하였으며, 실제 살균 시스템에서 초임계 이산화탄소 처리를 통해 주요 식중독 미생물이 효과적으로 사멸됨을 수학적인 모델로 제시하였다. 또한, 본 발명은 여러 요인이 미생물의 사멸효과에 영향을 미치는 원인을 분석하여 체계화하였으며, 초임계 이산화탄소의 다양한 처리 조건에 따른 사멸경향을 수학적 모델화 하여 각 미생물간의 초임계 이산화탄소에 대한 저항성을 비교할 수 있는 근거를 제시하였다.As described above, according to the present invention, the process using supercritical carbon dioxide utilizes the physical and chemical properties of the supercritical carbon dioxide, so that sufficient results can be obtained even at relatively low levels of pressure and temperature, which are important process variables. This can save energy and increase the economics of the process. In particular, by using the principle of extracting the components at low temperature without changing the pH effect and cell type, it can be applied not only to liquid food but also to surface sterilization of fresh foods and processed foods. It can also be applied to sterilization of tools. In addition, since supercritical carbon dioxide is inexpensive, has a high recovery rate, and is not toxic, it will be an environmentally friendly future facility for the process. In particular, the present invention has proposed a mechanism of microbial killing to consider the physicochemical and biological conditions of the supercritical carbon dioxide treatment conditions, the food and the target microorganism sterilization efficiency in combination, the supercritical carbon dioxide treatment in actual sterilization system The mathematical model suggests the effective killing of major food poisoning microorganisms. In addition, the present invention has been systematically analyzed by analyzing the causes of various factors affecting the killing effect of microorganisms, by comparing the resistance of the supercritical carbon dioxide between the microorganisms by mathematically modeling the killing trends according to various treatment conditions of supercritical carbon dioxide. The evidence is presented.

Claims (10)

초임계 이산화탄소를 이용하여 미생물을 사멸시키는 방법에 있어서,In the method of killing microorganisms using supercritical carbon dioxide, a) 시료를 초임계 점(31.1℃) 이상의 온도가 설정된 반응기에 넣는 공정;a) placing the sample in a reactor having a temperature above the supercritical point (31.1 ° C.); b) 반응기를 닫고 냉각기를 거친 액체 이산화탄소를 도관을 통해 반응기에 투입하고 펌프를 통해 반응기에 초임계 점(73.8bar) 이상의 압력까지 가압하는 공정;b) closing the reactor and introducing liquid carbon dioxide, which has undergone a cooler, into the reactor through a conduit and pressurizing the reactor to a pressure above the supercritical point (73.8 bar) by means of a pump; c) 목표 미생물이 완전히 사멸하기 위해 필요한 시간 동안 밸브를 닫아 압력과 온도를 유지하는 공정;c) maintaining the pressure and temperature by closing the valve for the time necessary to completely kill the target microorganism; d) 필요한 시간이 경과하면 밸브를 열어 초임계 이산화탄소를 제거해 반응기 내부를 상압으로 하는 공정; 및d) opening the valve to remove supercritical carbon dioxide when the required time has elapsed and returning the reactor to atmospheric pressure; And e) 반응기를 열어 생 목표 미생물이 존재하지 않는 시료를 얻는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 살균방법.e) microbial sterilization method comprising the step of opening a reactor to obtain a sample free of live target microorganisms. 제 1항에 있어서, 상기 시료는 뚜껑이 느슨하게 닫힌 용기에 담긴 채로 반응기에 넣는 것을 특징으로 하는 살균방법.The sterilization method of claim 1, wherein the sample is placed in a reactor while the lid is in a loosely closed container. 제 1항에 있어서, 상기 목표 미생물은 식중독 미생물인 것을 특징으로 하는 살균방법.The method according to claim 1, wherein the target microorganism is a food poisoning microorganism. 제 1항에 있어서, 상기 목표 미생물이 주요 식중독 미생물인 Listeria monocytogenes인 경우 33-37℃, 95-105bar의 초임계 이산화탄소에서 23-27분간 처리하거나, 38-42℃, 75-85bar의 초임계 이산화탄소에서 13-17분간 처리하는 것을 특징으로 하는 살균방법.The method of claim 1, wherein the target microorganism is Listeria monocytogenes , the main food poisoning microorganism, 23-27 minutes at 33-37 ℃, 95-105 bar supercritical carbon dioxide, or 38-42 ℃, 75-85 bar supercritical carbon dioxide Sterilization method characterized in that the treatment for 13-17 minutes. 제 1항에 있어서, 상기 목표 미생물이 주요 식중독 미생물인 Salmonella typhymurium인 경우 33-37℃, 95-105bar의 초임계 이산화탄소에서 18-22분간 처리하거나, 38-42℃, 75-85bar의 초임계 이산화탄소에서 13-17분간 처리하는 것을 특징으로 하는 살균방법.The method according to claim 1, wherein the target microorganism is Salmonella typhymurium , which is a major food poisoning microorganism, treated at 33-37 ° C. and 95-105 bar supercritical carbon dioxide for 18-22 minutes, or 38-42 ° C. and 75-85 bar supercritical carbon dioxide. Sterilization method characterized in that the treatment for 13-17 minutes. 제 1항에 있어서, 상기 목표 미생물이 주요 식중독 미생물인 Escherichia coli O157:H7 또는 지표 미생물인 Escherichia coli(Generic)인 경우 33-37℃, 95-105bar의 초임계 이산화탄소에서 28-32분간 처리하거나, 38-42℃, 75-85bar의 초임계 이산화탄소에서 18-22분간 처리하는 것을 특징으로 하는 살균방법.The method of claim 1, wherein the target microorganism is Escherichia coli O157: H7 as the main food poisoning microorganism or Escherichia coli (Generic) as the indicator microorganism is treated for 28-32 minutes in supercritical carbon dioxide at 33-37 ℃, 95-105 bar, Sterilization method characterized in that the treatment for 18-22 minutes at 38-42 ℃, 75-85 bar supercritical carbon dioxide. 초임계 이산화탄소의 처리 시간(x축)에 따른 미생물의 상용로그 감소수준(y축)을 하기 식 ⑥의 변형된 Gompertz식에 적용하여 미생물의 사멸곡선을 구하고, Levenberg-Marquardt의 비선형 최소 방각법(nonlinear least square method)을 통하여 계수 A(최대사멸수준), k dm (최대사멸속도), λ(사멸유도시간) 값을 얻고, 상기 계수 들로부터 미생물의 사멸화 경향 및 저항성을 판단하는 것을 포함하는 초임계 이산화탄소에 대한 미생물의 저항성 분석방법:The microbial death curve is calculated by applying the log reduction level (y-axis) of microorganisms according to the treatment time (x-axis) of supercritical carbon dioxide to the modified Gompertz equation of Equation (6) below, nonlinear least square method to obtain coefficients A (maximum killing level) , k dm (maximum killing rate) , and λ (killing induction time), and to determine the killing tendency and resistance of microorganisms from the coefficients. Analysis of microorganisms' resistance to supercritical carbon dioxide:
Figure 112005036054962-PAT00027
- 식 ⑥
Figure 112005036054962-PAT00027
-Equation ⑥
식 ⑥에서, y는 미생물의 상용로그 감소비율(N/N0), t는 초임계 이산화탄소의 처리시간, λ는 초임계 이산화탄소 처리 후 낮은 사멸속도를 특징으로 하면서 사멸속도가 급격히 증가하기 전까지의 소요시간(사멸유도시간), k dm 는 초기단계를 지나 미생물수가 급격히 감소하는 구간의 기울기의 음수값(최대사멸속도), A는 일부 저항성이 높은 미생물을 제외하고 거의 모든 미생물이 사멸 되는 수준과 초기균수에 대한 비율의 상용로그(최대사멸수준)이다.In equation ⑥, y is the rate of reduction of the commercial log of the microorganism (N / N 0 ), t is the treatment time of supercritical carbon dioxide, λ is the low killing rate after supercritical carbon dioxide treatment, and until the killing rate increases rapidly. K dm is the negative value (maximum killing rate) of the slope of the section where the number of microorganisms rapidly decreases through the initial stage, and A is the level at which almost all microorganisms are killed except for some resistant microorganisms. The commercial logarithm of the ratio to the initial bacterial count (maximum killing level).
제 7항에 있어서, 변형된 Gompertz식에 적용하여 구한 같은 압력의 초임계 이산화탄소에서 계산된 온도별 미생물의 k dm 값을 하기 식 ⑧의 Arrhenius 식에 적용하여 미생물별 사멸에 대한 활성화 에너지(E d )를 구하고, 상기 활성화 에너지(E d ) 값으로부터 미생물의 초임계 이산화탄소 살균시 온도에 대한 의존성을 판단하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분석방법:The method according to claim 7, wherein the activation energy for the killing of each microorganism by applying the k dm value of the temperature-specific microorganisms calculated in the supercritical carbon dioxide of the same pressure obtained by the modified Gompertz equation ( E d) ) And the activation energy ( E d ) Analyzing the method further comprises determining the dependence of the temperature on the microbial supercritical carbon dioxide sterilization from the value: k dm = αexp(-E d /RT) - 식 ⑧ k dm = αexp (-E d / RT) -equation 식 ⑥에서, k dm 는 온도별 미생물의 불활성화 속도상수이고, α는 frequency factor(빈도인자)이고, E d 는 초임계 이산화탄소에 대한 미생물 사멸에 대한 활성화 에너지(E d )이고, R(기체상수)은 8.31447JK-1mol-1이고, T는 절대온도이다.In equation ⑥, k dm is the temperature inactivation rate constant of the microorganism by temperature, α is the frequency factor, E d is the activation energy for the killing of microorganisms against supercritical carbon dioxide ( E d ), and R (gas Constant) is 8.31447JK -1 mol -1 and T is the absolute temperature. 제 7항의 방법에 따라 초임계 이산화탄소 처리의 각 온도 및 압력에 따른 미생물의 사멸화 경향을 구하고, 계수 A, k dm , λ값을 하기 식 ⑦에 적용하여 모든 미생물을 사멸시키기 위한 최소 처리 시간(t t )을 결정하는 것을 포함하는 미생물 살균을 위한 초임계 이산화탄소의 최소처리조건 확립 방법:According to the method of claim 7, the tendency of killing microorganisms according to the temperature and pressure of supercritical carbon dioxide treatment is calculated, and the minimum treatment time for killing all microorganisms by applying the coefficients A , k dm and λ values to the following equation ⑦ Method of establishing the minimum treatment conditions for supercritical carbon dioxide for microbial sterilization comprising determining t t ):
Figure 112005036054962-PAT00028
- 식 ⑦
Figure 112005036054962-PAT00028
-Equation ⑦
제 9항에 있어서, 계수 k dm , λ값을 상기 식 ⑦에 대입한 후, 특정 압력과 온도의 초임계 상태에서 사멸시키고자하는 특정 미생물 수준(Ns)의 초기균수(N0)에 대한 비율의 상용로그 값(LogNs/N0)을 상기 식 ⑦의 A에 적용하여 이에 필요한 최소 처리 시간을 결정하는 것을 특징으로 하는 확립방법.10. The method according to claim 9, wherein after substituting the coefficients k dm and λ into Equation ⑦, the initial microbial count (N 0 ) of the specific microbial level (N s ) to be killed in the supercritical state at a specific pressure and temperature. And applying the common log value (LogN s / N 0 ) of the ratio to A of Equation (7) to determine the minimum processing time required for this.
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