KR20070111446A - 식품 및 다른 바이오물질을 열처리하는 방법 및 장치그리고 그에 따라 제조된 생산품 - Google Patents

식품 및 다른 바이오물질을 열처리하는 방법 및 장치그리고 그에 따라 제조된 생산품 Download PDF

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KR20070111446A
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케네스 알. 스워첼
조십 시뮤노빅
밴 덴 트루엉
게리 딘 카트라이트
파블로 코로넬
칸디얀 푸타랏 샌딥
데이빗 엘 패럿
Original Assignee
노쓰 캐롤라이나 스테이트 유니버시티
유나이티드 스테이츠 오브 어메리카, 에즈 리프레젠티드 바이 더 디파트먼트 오브 애그리컬쳐
인더스트리얼 마이크로웨이브 시스템즈, 엘.엘.씨
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Abstract

전자기 복사를 이용하여 흐름가능한 물질을 열처리하는 방법과 그 장치, 그리고 이로써 얻어지는 식품과 물질들이 제공된다. 또한, 바이오물질의 연속적인 흐름 열처리 방법, 상기 방법을 수행하는 장치, 상기 방법 및/또는 방법을 사용하여 얻어진 생산품이 제공된다.
상온유통, 미생물, 열 처리, 마이크로파, RF

Description

식품 및 다른 바이오물질을 열처리하는 방법 및 장치 그리고 그에 따라 제조된 생산품{METHODS AND APPARATUSES FOR THERMAL TREATMENT OF FOODS AND OTHER BIOMATERIALS, AND PRODUCTS OBTAINED THEREBY}
여기에 개시된 내용은 전자기 복사(electromagnetic radiation)를 이용한 흐를 수 있는 물질(flowable materials)을 열적 처리하기 위한 방법 및 장치에 관하고, 그것에 의해 얻어진 식품 및 물질에 관한다. 더욱 자세하게는, 여기에 개시된 내용은 바이오물질(biomaterials)의 연속 흐름 열처리(continuous flow thermal treatment)의 방법, 이를 수행하기 위한 장치 및 상기 방법 및/또는 장치를 이용해 제조된 생산품에 관한다.
공중에 판매하기 위해서, 식품은 식품원료(foodstuffs)가 수확되고 소비자에게 판매되는 사이에 일어날 수 있는 미생물의 성장을 최소화하기 위해 처리될 필요가 있다. 상기 목적으로 상업적으로 이용 가능한 몇 가지 일반적인 방법이 있다. 가장 널리 이용되는 것은 적당한 온도로 충분한 시간 동안 물질을 가열하여 식품 내에 존재할 수 있고 저장 온도에서 성장하고 발아할 수 있는 포자(spores) 및/또는 어떤 미생물들(microorganisms)을 죽이거나 혹은 비활성화하는 방법이다. 예컨대, 우유는 통상 우유 내에서 발견되는 박테리아의 수준을 감소하기 위해 일반적으 로 살균된다. 이는 살균 공정을 수행하지 않는 것보다 더 오래 우유를 안전하게 저장할 수 있게 한다. 일반적으로, 바이오물질이 가열된 챔버를 통과하는 간접 가열(indirect heating) 방법이 사용된다. 챔버 가열 온도는 어떤 열에 민감한 살균은 60℃를 초과하는 온도로 100℃까지, 물질이 상업적으로 무균으로 되게 하기 위해 150℃까지 이를 수 있다. 상기 가열된 챔버 내에 바이오물질이 존재하고 있어, 바이오물질의 온도는 주위 챔버와 동일한 온도에 도달하기까지 증가한다. 그러나, 많은 식품원료 및 다른 바이오물질은 맛, 미적 외관, 영양소 레벨(level) 또는 다른 특징에 있어서 열에 의해 부정적으로 영향받는 결과, 이들 물질이 처리될 수 있는 방법들이 제한된다.
부가적으로, 가열된 표면에 노출된 많은 바이오물질은 열 흐름의 감소, 실행시간(run time)의 증가를 야기하는 상기 가열된 표면상에서 탈것이고, 실행시간이 증가하고 가열된 재료가 생산품에 축적되고(builds up) 사라질수록(flakes off) 상기 생산품의 맛을 떨어트릴 수 있다.
예컨대, 식품 산업에 있어서 고구마의 이용은 뿌리를 퓨레(puree)로 가공하는 것을 포함하는 데, 이 고구마 퓨레는 냉동되거나 캔에 저장되어 종종 1년의 유효기간(year-round availability)이 가능하다. 상기 고구마 퓨레(SPP)는 다양한 생산품의 원료로 사용될 수 있다. 이는 유아식(baby food), 캐서롤(casseroles), 푸딩(puddings), 파이(pies), 케이크(cakes), 빵(bread), 재구성된 프라이(restructured fries), 패티(patties), 스프(soups) 및 음료(beverages)를 포함할 수 있다(Truong, 1992; Truong et al., 1995; Woolfe, 1992).
SPP의 냉동 저장은 잘 알려진 방법이지만, 냉동 퓨레는 사용 전에 장시간 불완전한 해동 처리가 있을 뿐만 아니라, 냉동 유통(frozen distribution) 및 저장에 상당한 투자가 필요하다. 캔 퓨레는 전형적으로, 특히 규격 사이즈 패키지로 가공될 때 과잉의 열 처리를 필요로 하고, 저장 공간의 이용이 좋지않고, 빈 패키지 처리뿐만 아니라, 생산품의 다루기, 개봉 및 분배에 어려움이 있다. 퓨레의 열악한 열 침투 특성으로 인해, 캔 포장된 고구마는 121℃에서 2시간 넘게 레토르트되어(retorted), 캔 중앙에서 벽 가장자리로 캔 내의 생산품의 질이 변할 수 있다. 특히 가장자리에서, 생산품은 종종 심각하게 과도하게 가공되어 어두운 변색 및 탄 맛이 나게된다. 따라서, 유용한 캔 사이즈는 캔 사이즈 넘버 10으로 제한되고(즉, 13 컵 정도의 량), 이 사이즈 제한은 식품 가공 산업에서 캔 포장된 고구마 퓨레 응용품을 넓히는데 큰 장애이다. 긁힌 표면 열 교환기(scraped surface heat exchanger) 또는 플래쉬 살균 처리(flash sterilization treatment)와 같은 다른 열 가공 기술 또한 SPP의 낮은 열 확산계수(thermal diffusivity)로 인한 제한이 있다(Smith et al., 1982). 파시나 등은(Fasina et al.) (2003)은 SPP가 3x10-7 m2/s의 열 확산계수를 갖고 0.54 W/mㆍK 의 열전도율(thermal conductivity)을 갖는다고 보고했다. SPP의 낮은 열 확산계수는 통상의 열 가공 방법으로 필요한 살균 레벨에 다다르기 위해서는 매우 오랜 시간을 끌게 된다. 이는 SPP 내의 영양소를 파괴하고 열악한 생산품의 질을 초래하게 된다.
따라서, 식품 및 다른 바이오물질을 열적으로 처리하기 위한 효과적인 방법 이 이 기술 분야에서 오랫동안 소망했고 계속해서 필요로 하고 있다. 여기에 개시된 내용은 이러한 필요 및 기술 분야의 다른 필요에 대해 초점을 맞춘다.
발명의 개요
이 개요(summary)는 여기에 개시된 내용의 몇몇 실시 예들을 나열한다. 많은 경우에 이 실시 예들의 다양화 및 변경을 나열한다. 이 개요는 단지 수많은 다양한 실시 예들의 예시에 불과하다. 주어진 실시 예의 하나 또는 그 이상의 특징의 언급은 마찬가지로 예시적인 것이다. 이런 실시 예는 전형적으로 언급된 특징을 갖거나 갖지않을 수 있고; 마찬가지로, 본 개요에 언급 여부와 무관하게 이런 특징들은 여기에 개시된 내용의 다른 실시 예들에 적용될 수 있다. 부가적인 반복을 피하기 위해, 이 개요는 모든 가능한 특징의 조합을 나열 혹은 제안하지 않는다.
여기에 개시된 내용은 흐름가능 물질을 연속 흐름으로 열처리 장치를 통해 통과시키는 동안 상기 흐름가능 물질을 열처리하기 위한 공정을 제공한다. 몇몇 실시 예들에서, 상기 공정은 (a) 적어도 일부가 전자기 복사를 투과하는 도관을 통해 흐름가능 물질이 연속적으로 통과하는 단계, (b) 전자기 복사를 투과하는 상기 도관의 적어도 일부를 노출함으로써 상기 흐름가능 물질을 가열하는 단계 및 (c) 상기 흐름가능 물질의 적어도 일부에 있어서 열 균등화를 제공하기 위해 상기 흐름가능 물질을 혼합하는 단계를 포함한다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 흐름가능 물질은 일정한 유량속도로 흐를 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 물질의 유동은 일정한 가열 파워 입력에 의하거나, 가열 출구에서 일정한 질량 평균 온도를 가질 수 있다.
몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 흐름가능 물질은 레올로지 특성, 유전성 및 열 물성(thermophysical property) 또는 이들의 결합 중 적어도 하나에 기초하여 선택될 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 흐름가능 물질은 바이오물질일 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 바이오물질은 식품 바이오물질일 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 식품 바이오물질은 레올로지 특성, 유전성 및 열 물성 또는 이들의 결합 중 적어도 하나에 기초하여 선택될 수 있다.
여기에 개시된 대상의 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 가열하는 단계는 상기 흐름가능 물질에서 적어도 1℉/sec 또는 0.5℃/sec로 평균 벌크 온도의 증가 속도를 초래할 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 하나 또는 그 이상의 부가적인 가열 단계를 포함할 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 부가적인 가열 단계는 상기 흐름가능 물질에 있어서 적어도 1℉/sec 또는 0.5℃/sec로 평균 벌크 온도의 증가 속도를 초래하는 상기 가열에 선행하거나, 동반하거나 또는 뒤따를 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 가열하는 단계는 상기 흐름가능 물질을 상기 흐름가능 물질 자체의 최대 온도 레벨을 초과하는 온도를 갖는 표면과 접촉하는 것에 의한 가열을 실질적으로 배제할 수 있다.
여기서 개시된 내용의 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 전자기 복사는 약 1 X 10-4 m 또는 그 보다 큰 파장을 가질 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 전자기 복사는 약 3 X 1012 wave/sec 또는 이 보다 작은 주파수를 가질 수 있다.
여기에 개시된 내용의 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 혼합하는 단계는 상기 가열하는 단계 전, 상기 가열하는 단계 중, 상기 가열하는 단계 후 일 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 혼합하는 단계는 상기 흐름가능 물질이 흐르는 단면의 형태를 변형하여 이루어질 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 혼합하는 단계는 수동적으로, 능동적으로 또는 능동 및 수동 모두에 의해 일어날 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 혼합하는 단계는 수동, 능동 또는 상기 수동 및 상기 능동 혼합 소자의 어떤 결합을 이용하여 수행될 수 있고, 상기 혼합 소자는 고온의 상기 흐름가능 물질 영역 및 저온의 상기 흐름가능 물질 영역 사이의 열 교환 및 물질적 접촉을 증가시키고, 상기 열 교환 및 상기 물리적 접촉은 상기 혼합 소자 없이는 일어날 수 없다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 혼합 소자가 없는 경우의 상기 흐름가능 물질을 가로질러 온도 분배 변화(표준 편차)에 비교하여, 상기 혼합하는 단계는 상기 흐름가능 물질을 가로질러 온도 분배 변화(표준 편차)에 있어서 적어도 10%의 감소를 제공할 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 공정은 전자기 복사에 노출되는 상기 도관의 일부인 입구의 하나 또는 그 이상의 지점, 내부의 하나 또는 그 이상의 지점, 하나 또는 그 이상의 출구 및 이들의 결합을 포함하는 그룹에서 선택된 위치에 상기 혼합 소자를 배치하는 단계를 포함할 수 있다.
여기에 개시된 내용의 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 흐름가능 물질은 가열된 표면에 영향을 받지 않을 수 있다. 그러므로, 바이오물질가 타들어가는 가열기 섹션이 없고, 간접 가열 시스템에 관하여 유익한 공정 런 타임을 가져올 수 있다.
몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 가열하는 단계 및 상기 혼합하는 단계는 상기 흐름가능 물질의 살균 및 저온살균 중 하나를 하기 위해 충분한 시간 동안 충분한 온도를 제공할 수 있다.
몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 공정은 냉장 저장을 위해 상기 흐름가능 물질을 패키징하는 단계를 더 포함할 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 공정은 상기 흐름가능 물질을 무균으로 패키징하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기에 개시된 내용의 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 흐름가능 물질이 접촉하는 표면은 상기 흐름가능 물질을 도입하기 전에 살균될 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 공정은 미리 정해진 시간 동안 미리 정해진 온도에서 상기 흐름가능 물질을 홀딩하는 단계, 냉각하는 단계 및 살균된 패키지에 무균 상태에서 상기 흐름가능 물질을 패키징하는 단계 및 밀봉하는 단계를 포함할 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 흐름가능 물질과 접촉하는 패키지 표면을 동시에 살균하기 위해 상압 및 가압 상태 중 하나의 조건하에서 비살균 패키지 내로 미리 정해진 온도레벨에서 상기 흐름가능 물질이 채워지고 이후 상기 패키지가 밀봉될 수 있다.
여기에 개시된 내용은 또한 앞서 개시된 공정에 의해 생산된 생산품을 제공한다.
여기에 개시된 내용은 또한, 참조 식품 또는 바이오물질을 위해 미리 정해진 처리 온도보다 높게 유지되는 온도를 갖는 표면과 상기 참조 식품 또는 바이오물질을 접촉하는 단계를 포함하는 열처리 방법을 사용하여 살균된 상기 참조 식품 또는 바이오물질와 비교하여 더 오래 보존되는 하나 또는 그 이상의 품질 특성을 갖는 상업적으로 살균된 식품 또는 바이오물질을 제공할 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 품질 특성은 약 25℃에서 적어도 12주 저장되는 동안 보존될 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상이 품질 특성은 영양소 함량, 색, 기질, 맛 및 일반적 외관을 포함하는 그룹에서 선택될 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 식품 또는 바이오물질은 밀봉, 상온유통 및 밀봉과 상온유통 모두 중 하나일 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 식품 또는 바이오물질은 고구마 또는 화이트(e.g., Irish) 감자일 수 있다.
여기에 개시된 내용은 또한, 참조 식품 또는 바이오물질을 위해 미리 정해진 처리 온도보다 높게 유지되는 온도를 갖는 표면과 상기 참조 식품 또는 바이오물질을 접촉하는 단계를 포함하는 열처리 방법을 사용하여 살균된 상기 참조 식품 또는 바이오물질와 비교하여 더 크게 보존되는 하나 또는 그 이상의 품질 특성을 갖는 상업적으로 살균된 식품 또는 바이오물질을 제공할 수 있다. 이때, (i) 식품 또는 바이오물질은 밀봉된 것, 상온유통인 것 및 밀봉된 것 및 상온유통인 것 모두 중 하나이고, (ii) 상기 식품 또는 바이오물질은 고구마 또는 화이트(e.g., Irish) 감자이고, (iii) 패키지 내에서 상기 식품 또는 바이오물질의 부피는 타입 10 캔 내에 수용할 수 있는 식품 또는 바이오물질의 부피를 초과한다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 부가적인 산 성분이 상기 패키지에 부가되지 않았다.
여기에 개시된 내용은 또한, 동일 타입의 처리되지 않은 식품 또는 바이오물질의 품질 프로파일과 실질적으로 맞는 하나 또는 그 이상의 품질 특성을 포함하는 품질 프로파일을 갖는 상업적으로 살균되고 상온유통되는 열처리된 식품 또는 바이오물질을 제공할 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 품질 특성은 영양소 함량, 색, 기질, 맛 및 일반적 외관을 포함하는 그룹에서 선택될 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 식품 또는 바이오물질은 밀봉 패키지된 것일 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 식품 또는 바이오물질은 고구마 또는 화이트(e.g., Irish) 감자일 수 있다.
여기에 개시된 내용은 또한, 동일 타입의 처리되지 않은 식품 또는 바이오물질의 품질 프로파일과 실질적으로 맞는 하나 또는 그 이상의 품질 특성을 포함하는 품질 프로파일을 갖는 상업적으로 살균되고 상온유통되는 열처리된 식품 또는 바이오물질을 제공할 수 있다. 이때, (i) 열 처리된 식품 또는 바이오물질은 상업적으로 살균된 것 및 상온유통인 것일 수 있고, (ii) 상기 식품 또는 바이오물질은 고구마 또는 화이트(e.g., Irish) 감자이고, (iii) 상기 패키지 내에서 상기 식품 또는 바이오물질의 부피는 타입 10 캔 내에 수용할 수 있는 식품 또는 바이오물질의 부피를 초과한다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 부가적인 산 성분이 상기 패키지에 부가될 수 없다.
여기에 개시된 내용은 또한, 흐름가능 물질을 열 처리하기 위한 장치를 제공한다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 장치는 (a) 적어도 일부가 전자기 복사에 투과성이고, 흐름가능 물질을 수용하기 위한 도관, (b) 상기 도관의 적어도 일부에 전자기 복사를 제공하기 위한 소자 및 (c) 상기 흐름가능 물질의 적어도 일부에 열 균등화를 제공하기 위해 상기 도관 내 또는 상기 도관을 따라 배치된 혼합 구조물을 포함할 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 전자기 복사는 약 1 X 10-4 m 또는 그 이상의 파장에서 제공될 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 전자기 복사는 약 3 X 1012 wave/sec 또는 그 이하의 주파수에서 제공될 수 있다.
여기에 개시된 내용의 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 혼합 구조물은 상기 도관의 변형되는 단면 형태를 포함할 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 혼합 구조물은 하나 또는 그 이상의 수동 혼합 구조물, 하나 또는 그 이상의 능동 혼합 구조물 또는 둘 다를 포함할 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 장치는 수동, 능동 또는 수동 및 능동 모두의 혼합 구조물 중 어느 조합을 포함하고, 상기 혼합 구조물은 고온 레벨의 흐름가능 물질 영역 및 저온 레벨의 상기 흐름가능 물질 영역 사이의 물리적 접촉 및 열 교환을 증가시키고, 상기 물리적 접촉 및 상기 열 교환은 상기 혼합 구조물 없이 일어날 수 없다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 혼합 구조물이 없는 상기 흐름가능 물질을 가로지른 온도 분배 변화(표준 편차)에 비교하여, 상기 혼합 구조물은 상기 흐름가능 물질을 가로지른 온도 분배 변화(표준 편차)에 있어서 적어도 10%의 감소를 제공할 수 있다.
여기에 개시된 내용의 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 장치는 전자기 복사에 노출되는 상기 도관의 일부인 입구의 하나 또는 그 이상의 지점, 내부의 하나 또는 그 이상의 지점, 하나 또는 그 이상의 출구 및 이들의 결합을 포함하는 그룹에서 선택된 위치에 상기 혼합 구조물을 포함할 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 장치는 상기 도관을 통해 일정한 유량 속도로 흐름을 조절하기 위한 제어 소자를 포함할 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 장치는 상기 도관을 통해 적어도 약 0.25gal/min의 부피 유량 속도로 흐름을 조절하기 위한 제어 소자를 포함할 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 장치는 상기 도관 내에서 흐름가능 물질을 가열하여 상기 흐름가능 물질에 있어서 적어도 1℉/sec 또는 0.5℃/sec로 평균 벌크 온도의 증가 속도가 일어날 수 있도록 하는 전자기 복사를 제공하기 위해 상기 소자의 파워 레벨을 조절하기 위한 제어 소자를 포함할 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 장치는 흐름가능 물질을 가열하는 것은 상기 흐름가능 물질 자체의 최대 온도 레벨을 초과하는 온도를 갖는 표면과 상기 흐름가능 물질을 접촉하는 것에 의한 가열이 실질적으로 배제되고, 상기 도관을 가열하는 것보다 높은 속도로 상기 도관 내의 흐름가능 물질을 가열하는 전자기 복사를 제공하기 위해 상기 소자의 파워 레벨을 조절하기 위한 제어 소자를 포함할 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 장치는 전자기 복사를 제공하기 위한 상기 소자의 파워 레벨을 일정하게 유지될 수 있도록 조절하기 위한 제어 소자를 포함할 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 장치는 전자기 복사를 제공하기 위해 상기 소자의 파워 레벨을 조절하기 위한 제어 소자를 포함하고, 상기 파워 레벨은 미리 정해진 질량 유속에서 상기 유동성의 바이오물질의 미리 정해진 열 처리를 제공하기 위해 미리 정해진 레벨로 맞춰지도록 자동적으로 또는 메뉴얼로 미리 설정될 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 장치는 냉장 저장을 위한 상기 흐름가능 물질을 패키징하는 것, 상기 흐름가능 물질을 무균상태에서 패키징하는 것 및, 상기 냉장 저장을 위한 상기 흐름가능 물질을 패키징하는 것 및 상기 흐름가능 물질을 무균상태에서 패키징하는 것 모두 중 하나를 위한 패키징 소자를 포함할 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 장치는 상기 도관과 유체 소통을 위해 맞춰진 홀드 튜브를 포함할 수 있다. 그리고, 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 장치는 상기 흐름가능 물질의 도입 전에 상업적으로 살균된 상기 흐름가능 물질 접촉 표면을 가질 수 있다.
따라서, 여기에 개시된 내용의 목적은 흐름가능 물질을 열적으로 처리하기 위한 방법을 제공하는 것이다. 이 목적 및 다른 목적은 여기에 개시된 내용에 의해 전체적으로 또는 부분적으로 달성될 수 있다.
앞서 언급된 목적, 다른 목적 및 개시된 내용의 이점은 여기에 개시된 발명의 상세한 설명 및 제한되지 않는 실시 예들을 숙지함으로써 당업자에게 자명할 것이다.
I. 일반적인 고려사항(General Considerations)
연속 흐름(flow) 마이크로파(microwave) 가열은 빠르고 효과적인 가열을 제공하는 식품 가공에 있어서 하나의 유망 기술이다. 이 기술을 이용한 유제품의 균일한 가열은 이전의 실험에서 입증되었다(Coronel et al. 2003). 마이크로파를 이용한 식품의 가열은 물질의 유전성(dielectric properities)에 의해 지배된다. 고구마 퓨레(SPP)의 유전성은 Fasina et al. , 2003에 의해 보고된 바와 같이, 연속 흐름 마이크로파 가열 시스템을 이용한 가공에 유망한 것으로 확인된 다른 생산품들과 유사한 범위 내에 있다(Coronel et al., 2004). 몇몇 실시 예들에 있어서, 여기에 개시된 내용은 우선 연속 흐름 마이크로파 가열 시스템에 의해 가공된 무균 패키지되고 상온유통(shelf stable) 야채 퓨레 및 이를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
여기에 개시된 내용은 일군의 새로운 생산품 뿐만 아니라 공정을 제공한다. 상기 공정은 물질(펌프로 이동시킬 수 있는 식품 또는 다른 바이오물질) 수송, 전자기 에너지에 대한 노출 및 능동 또는 수동 온도 균등화(equalization)에 의해 온도 조절의 독특한 조합들이다. 언급한 온도 균등화는, 마이크로파(MW) 및/또는 고주파(RF) 투과 물질로 만들어진 튜브 및 챔버를 통해 펌핑하는 동안 전자기 에너지 필드(RF 또는 MW 주파수 범위)로 유동하고 있는 식품 또는 다른 바이오물질을 노출시킴으로써 달성되는 빠른 온도 증가 단계에 선행하거나 동시에 진행하거나 후속에 진행함으로써, 이차적인 수단의 열 균등화를 제공한다.
MW 및/또는 RF 에너지-투과성 챔버 또는 튜브를 통해 물질이 수송(펌핑)되는 동안 전자기 에너지 필드에의 상기 노출은 단일 또는 복수의 단계에서 이루어질 수 있으며, 적어도 하나의 단계는 1F/s 또는 0.5℃/s 의 평균 벌크 온도 증가를 초래한다.
몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 처리되는 물질은 챔버/튜브를 통해 수송(펌핑)되고, 최소 온도 증가 비율은 적어도 0.25gal/min의 부피 유량비에서 효과적이나, 다른 유량 비 또한 적용될 수 있다.
기계적 온도 균등화 단계는 정적 또는 동적 혼합 디바이스들의 임의의 조합에 의해 이루어질 수 있고, 이는 고온의 연속적으로 유동하는 물질 영역 및 저온의 물질 영역 또는 스트림 사이의 물리적 접촉 및 열 교환을 증가시켜 이루어지며, 이는 상기 혼합 요소 도입 없이는 보통 일어나지 않는다. 기계적 온도 균등화 단계는 앞서 언급된 상기 전자기 에너지 필드에 노출 하기 전에, 노출과 동시에 또는 노출 후에 진행하는 처리 또는 디바이스의 단독적 또는 임의의 조합에 의해 수행될 수 있다. 상기 기계적 혼합 단계는 상기 전자기 에너지 노출 단계(MW 및/또는 RF-투과 챔버/튜브)의 도입, 중간 및/또는 배출 단계에서 수행된 혼합 요소(능동 또는 수동, 선행, 동시 및 후속 수행) 없는 온도 분포 변화(표준 편차)와 비교하였을 때 상기 물질을 통과하는 온도 분포 변화(표준 편차)(standard deviation)에 있어서 적어도 10%의 감소를 낳는다.
개시된 공정은 또한 살균을 위해 필요한 온도 증가를 얻기 위해 수행되는 가열된 표면 없다는 점에서 독특하다. 이는 통상의 공정 조건하에서 가공된 재료가 직접적으로 접촉하는 일부 및 모든 표면의 온도는 생산품 질량 그것 자체 내에서는 최대 온도 레벨을 결코 초과하지 않는다는 것을 의미한다.
모든 나열된 처리(treatment) 및 디바이스는 상업적으로 허용되는 무균성(sterility)을 얻기 위해 필요한 적당한 온도 및/또는 시간-온도 히스토리 레벨의 확인 전에 수행된다. 다음의 묘사된 과정들에 따르면, 식품 또는 다른 바이오물질은 (a) 미리 지정된 시간 동안 미리 지정된 온도 레벨 또는 범위에 유지되고(전형적으로 무균 공정 시스템의 홀드-튜브 섹션을 이용), 냉각되고 이전에 분리하여 살균된 패키지로 무균 상태에서 패키지 및 밀봉되거나; (b) 물질 그 자체뿐만 아니라 살균되는 식품 또는 다른 바이오물질과 접촉하는 패키지 표면을 동시에 살균하기 위해 상압 또는 가압 상태에서 비살균(non-sterile) 패키지로 뜨겁게(미리 지정된 온도 레벨) 채워질 수 있다. 이 경우 상기 패키지는 내용물이 여전히 뜨거운 상태에서 밀봉된다.
상기 두 경우에서 제조된 밀봉 패키지되고, 상온유통의, 상업적으로 허용되는 무균 생산품은 독특한 화학적 물리적 특성을 갖는 식품 또는 다른 바이오물질을 포함한다: 영양소 내용, 색상, 기질(texture), 맛 및 일반적 외관과 같은 품질 특징은 상기 생산품들이 다른 상업적으로 이용 가능한 방법(뜨거운 표면의 통상의 열 교환 원리를 수행하는 다른 형태의 열 교환기뿐만 아니라, 인팩(in-pack) 살균, 튜브 열 교환기 내의 튜브를 포함하는 통상의/간접 연속 흐름 가열 방법(indirect continuous flow heating methods)을 이용한 핫-필링(hot-filling), 긁힌 표면 열 교환기)을 이용하여 살균되었을 때보다 훨씬 더 보존된다. 참조 식품 또는 다른 바이오물질을 위한 미리 지정된 처리 온도보다 지속적으로 높은 온도의 표면을 갖는 상기 참조 식품 또는 다른 바이오물질의 접촉을 포함하는 열 처리 방법을 이용하여 살균된 참조 식품 또는 다른 바이오물질와 비교하였을 때, 하나 또는 품질 특성들은 몇몇 실시 예들에서 적어도 5%, 몇몇 실시 예들에서는 적어도 10%, 몇몇 실시 예들에서는 적어도 15%, 몇몇 실시 예들에서는 적어도 20%, 몇몇 실시 예들에서는 적어도 25%, 몇몇 실시 예들에서 적어도 30% 또는 그 이상 보존될 수 있다.
여기에 개시된 내용은 통상의 열 처리 공정(회분식 또는 연속 공정)을 이용한 살균된 생산품과 비교하였을 때 품질 저하는 최소화하고 영양소 유지는 최대화하는 반면, 빠르게 식품 및 다른 바이오물질을 살균할 수 있는 이용가능하고 새롭게 개발된 가공 요소의 조합을 이용하는 새로운 공정을 제공한다. 패키지 사이즈 및 수득된 생산품의 범위는 1회분부터 대용량 패키지까지의 범위일 수 있다(예컨대, 100 갈론 또는 그 이상). 상기 생산품 품질은 패키지 사이즈 범위, 가공 및 생산된 생산품에 걸쳐 균일하게 높다. 이는 넓은 범위의 잠재적인 가공된 물질 및 시장과 양립할 수 있는 산출된 생산품 및 공정을 만들고, 소비자에게 직접 또는 다른 생산품을 위한 부가적인 가공을 위한 수출 시장뿐만 아니라, 부가적인 가공, 기관 공급(institutional distribution)(식당, 카페테리아, 병원 등)을 포함한다.
여기에 개시되 내용은 열 처리되고, 상온유통의 상업적으로 살균된 식품 및 바이오물질 생산품의 생산을 위한 열 공정 및 처리 전달 조건을 정의한다. 설명되는 방법에 의한 상기 생산품 및 재료는 산성이 높거나 또는 낮을 수 있다. 개시된 내용은 탄수화물(carbohydrates) 및/또는 단백질을 고량 함유하는 점성의 식품 및 다른 바이오물질에 적용할 때 가장 큰 이익을 제공한다.
여기에 개시된 내용은 또한 관통하여 흐르는 투과성의 챔버 또는 튜브(transparent flow-through chamber or tube)를 통한 연속 흐름 수송 중에 전자기(MW 및/또는 RF 또는, RF 및/또는 MW로 정의된 범위의 주파수의 결합) 에너지에 단일 또는 복수의 노출에 의한 가열 전에, 상기 가열과 동시에 및/또는 상기 가열 후속에 온도 균등화의 수단으로써 능동 및/또는 정적 혼합 요소를 도입한다.
상온유통의 상업적으로 살균된 생산품의 생산을 위한 빠른 살균을 하기 위해 필요한 온도 레벨 및 온도 레벨 분배를 위한 개시된 기술은 간접 가열 및 가열된 표면을 갖는 식품 또는 다른 바이오물질과 접촉에 의한 열 교환에 일차적으로 의존한다. 이는 열 교환의 낮은 교환비율 및 벌크 물질 온도 증가의 낮은 비율을 초래하고, 뜨거운 표면에 노출되는 시간이 연장되고, 이와 관련하여 영양소 함유량, 맛, 색, 일반적 외관 및 기질과 같은 품질 특성의 감소가 확장한다. 종종 바이오물질은 열 교환기 표면으로 타 들어가고, 이는 열전달 및 공정 실행시간을 감소하게 한다. 물질로 타 들어간 것을 벗겨내는 것은 또한 맛이 없는 생산품을 가져온다. 매우 제한된 수의 경우에, 좀더 빠른 열 전달은 생산품으로의 스팀 주입 또는 과열된 스팀 환경으로 생산품을 주입하는 것에 의한 과열된 스팀으로 처리된 물질의 직접적인 접촉에 의해 이루어질 수 있다. 두 경우에 있어서, 물질의 조성은 부정적으로 영향받고 생산품으로부터 부가된 수분의 후속 제거가 필요하다. 부가적으로, 이 방법들은 필요한 빠른 가열을 위해 필요한 빠른 열 소실이 가능하도록 매우 높은 계수의 열 확산도를 갖는 적은 수의 그룹의 생산품에만 적용할 수 있다. 부유되는 고체 입자를 갖는 두껍고, 점도가 높거나 동종의 물질을 위해 이 방법들은 적용할 수 없다.
몇몇 실시 예들에 있어서, 개시된 내용의 하나의 구성요소는 고량의 탄수화물 및/또는 고량의 단백질을 갖는 점성이 있거나 약한 젤 물질의 그룹이고 개시된 살균 과정을 수행함으로써 얻은 항복 스트레스(yield stress)를 갖는 전단 박리화(shear thinning)를 나타내는 생산품들이다; 특히 상온유통의 탄수화물 및/또는 단백질을 고량 함유하는 생산품. 이 생산품들의 독특한 특성은 물질에 따라 다양할 수 있으나 여기에 몇몇 공통되는 요소들이 있다:
ㆍ생산품은 가공 및 패키지 단계 동안 연속적인 수송 모드가 되도록 펌프가능한 상태에 있다.
ㆍ개시된 내용을 수행함으로써 얻어진 살균되고 상온유통인 생산품의 유지된 품질 속성 및 특성은 어떤 다른 현재 이용가능한 가공 및 보존 절차에 의해 얻어진 생산품 및 물질의 경우보다 본래 물질 속성 및 특성에 가깝다. 이 속성 및 특성들은 단백질 분해/변성(degradation/denaturation)(최소)의 비율일 수 있다; 색, 점도, 기질, 맛 및/또는 영양소 함량 유지 비율(최대) 및/또는 앞서 밝힌 기준 밖의 원하지 않는 화학적 물리적 변화의 비율(최소). 가공된 물질에 따라, 이 기준들은 열에 민감한 비타민(비타민 C/아스코로브산;β-카로틴/비타민 A; 티아민; 기타등등.) 또는 자연적으로 발생하는 색소 및/또는 항산화제(엽록소, 카로티노이드(carotenoids), 안토시아닌(anthocyanins) 등)와 같은 다양한 화학적 성분의 유지에 의할 수 있다.
ㆍ패키지 사이즈 및 모양(현재 이용가능한 유사한 상온유통인 생산품의 경우 제외)과 무관하게, 유지된 속성(attributes) 및 특성(characteristics)의 높은 레벨은 패키지된 환경(i.e., 이 특성들의 다양성 및 범위는 패키지 내의 모든 지점에서 최소이다.) 전반적으로 균일하다.
최근, 식품 및 다른 바이오물질의 연속 흐름 스트림에 대한 빠른 열 처리를 위한 새로운 첨단(sophisticated) 디바이스에 대해 알려진바 있다. 옴성(ohmic), 전기가열(electroheating), RF 및 MW 에너지를 이용하는 빠른 가열과 같은 처리들 모두는 가공된 물질로의 원하는 레벨 및 비율의 열 전달에 필요한 속도 및 효율을 요구한다.
가능하게 가장 첨단의 진보된 이런 형태의 일군의 디바이스는 특허된 실린더형 MW 가열기/반응기(Industrial Microwave Systems of Morrisville, North Carolina, United States of America)이다. 이 디바이스들은 가열기/반응기 배출구(exposure cavity)로 배출되는 물질 내의 균일한 가열 비율 및 온도 분배를 위해 선택된 타겟 물질에 세심하게 매치된 구조에 중점을 둔 구성(fabrication of proprietary) 및 정밀한 모델링을 이용하여 제작되었다.
불행히도, 선택된 일련의 물성에 대한 디자인의 정밀한 커플링은 이론적인 면에 있어서 매우 명확하고 인상적인 기술적 이익이 있는 반면, 응용면에 있어서 이 기술의 가장 특징적인 단점을 나타낸다; 이는 시간이 지날수록 더 넓은 산업 및 상업적 수행에 있어서 가장 큰 장애가 될 수 있다.
이유는 복합적이다. 단일의 엄격하게(tight) 정의된 일련의 조건에서 단일 물질에 대해 이론적으로 완벽한(균일한) 온도 분배의 달성이 바람직하지만, 그 같은 잘 정의된 물성 조건 및 엄격하게 정의된 조건은 실제 식품 및 다른 바이오물질 가공에 있어서 거의 일어나지 않는다.
프로세서(processor)가 목적하는 가능한 아주 넓은 범위로부터 아주 좁게 정의된 물질을 수용하기 위해서 공정(process) 라인의 분해 및 재결합을 필요로 하는 분리되고 개별적인 많은 반응기/가열기에 투자하는 대안은 매우 비용이 많이 들고 번거로울 수 있다.
연속 흐름 MW 및/또는 RF 처리의 수행에 있어서 고려되어야할 특성 및 공정 변수 조건은 매우 많으며, 다른 조건들, 예를 들어 온도, 수행된 전단율(shear rates) 및 공정 중에 물질 내에서 발생하는 물리적 화학적 변화와 상호 의존적일 수 있는 데, 다음을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다:
ㆍ물질의 유전성(dielectric properties)(MW에서 열로 전환되는 비율 및 효율을 결정하는 특성)은 온도, 조성 및 수반하는 물리적 화학적 변화에 의존적이다. 식품 및 다른 바이오물질들이 다양한 조성을 가진다는 것이 잘 알려져 있다. 따라서 심지어 처리가 특정 세트의 물성에 완전히 정합(match)하더라도, 지역적 계절적 기후뿐만 아니라, 성장 조건, 경작 관행(cultivation practices), 경작 형태, 계절, 해충(pest)의 존재 여부에 의한 자연적 변화는 물질의 조성에 영향을 미치고 따라서 결과 정합(match), 효율 및 MW 및/또는 RF 품질에 영향을 미칠 수 있다.
ㆍ의도한 응용 디바이스 디자인은 전형적으로 단일의 또는 좁은 범위의 유전성(공정 중에 노출이 단일의 또는 좁은 온도 범위에 기초한 것으로 가정)에 집중된다. 그러나, 가열 중에 나타난 온도 차이는 공정 요소의 디자인에서 가정한 범위를 훨씬 초과하였다. 이는 온도 균일도의 감소 및 생산품 형태에 대한 온도 분배 변화의 확장과 디자인 중에 고려되지 않은 온도 범위의 확장뿐만 아니라 에너지 커플링 효율에 있어 감소에 이르게 한다.
ㆍ가열 중에 그리고 가열 후에 생산품의 흐름 분배(distribution)는 온도 범위, 부피 및 질량 유량 비, 그리고 점도 및 기질과 같은 수송되는 물질의 물리적 특성에 의존한다. 대부분 경우에 이 특성들은 온도 및 전단율에 모두 의존적이다. 층류 및 난류 흐름 프로파일의 전형적인 사례에 더하여, 증가된 온도 및 전단율에 의한 점도의 감소 및 지역적 가열에 의한 물질의 채널링을 포함하는 중간의 독특한 흐름 분배 시나리오가 있다. 이는 결국, 가열 모델 접근법을 위해 선택된 좁은 일련의 조건을 이용하는 잘 조절되는 살균 공정에 합리적으로 적용되고 편입될 수 없는, 아주 복잡한 일련의 발생되는 조건들 및 잠재적인 조건들을 초래한다.
ㆍ살균된 식품 및 다른 바이오 물질들은 살균 레벨의 열 처리에 노출되는 중에 매우 많고 다양한 화학적 물리적 변화를 겪는다. 이는 식품 및 다른 바이오물질 내에 있는 다양한 바이오 폴리머 및 거대 분자(macromolecule) 구조로부터 수분을 흡수 및 배출하는 것을 포함한다 (단백질, 탄수화물 및 다당류 분자와 결합된 수분). 이 수분은 pH, 온도, 용질 또는 고체의 농도, 주위 환경의 이온 강도 등을 포함하나 이에 제한되지 않는 다양한 조건에 기초하여 결합하거나 방출될 수 있다. 가공된 물질의 유전체(dielectric), 흐름 및 방열(heat dissipation) 특성에 영향을 미치는 부가적은 변화는 단백질의 펼쳐짐 및 변성(unfolding and denaturation), 겔의 형성 및 붕괴(펙틴 및 겔상의 녹말), 액체 구성 성분의 용해 및 응결(solidification)과 같은 물리적 상태의 변화를 포함한다. 마지막으로, 화학 변화 및 반응은 물리적으로 특히 유전성뿐 아니라 열 에너지의 생성(발열) 또는 소모(흡열)를 초래하는 것에 영향을 미친다. 부가적으로 물질 내에서 관련된 온도 증가 및/또는 감소를 초래하고, 이는 가열 공정 및 그 자체의 방법과는 관계되지 않는다.
종합하면, 나열되고 부가된 인자 및 변수 모두는 좁게 정의되고 의도된 전략 디바이스들이 이 변화들이 존재하지 않거나 최소인 경우 또는 열 확산성 또는 자연적인 흐름의 난류(natural flow turbulence)가 매우 커서 동시 온도 균등화 영향을 흐름에 제공할 수 있는 경우에 제한되도록 할 수 있다. 불행히도, 이런 물질들은 RF 또는 MW 가열 유닛과 같은 정교하고 고가의 살균 장치에 투자하는 비용의 정당화에 못 미치는 낮은 가치를 가지며, 다른 가능한 수단에 의해 쉽고 더 경제적으로 가공될 수 있다.
더욱이, 현재 가능한 모델링 및 시뮬레이션 기술 및 컴퓨팅 장치는 단지 나열된 변화에 대한 대략적인 값 정도만을 제공할 수 있다. 매우 가치있는 정보 및 이해는 장치의 정교함이 증가하고 더 많은 구성요소가 시뮬레이션으로 집약될수록 이런 모델로부터 얻을 수 있다. 그러나, 이들은 이런 복잡한 공정들을 적절하게 해석하기 위해 필요한 모든 요소 및 변수들을 처리하는 충분하고 포괄적인 기초를 제공하기에는 여전히 부족하다.
개시된 내용은 따라서 이런 고려들에 대한 실질적인 해답을 나타낸다. 에너지 강조 디바이스의 단일 형태 또는 구성 디자인 사용을 유지하면서, 더 넓은 범위의 조작 조건 및 더 넓은 목적 범위의 잠재적 물질 하에서 공정에 부가적인 혼합 및 온도 균등화 디바이스를 병합함으로써, 적어도 두 개의 이점을 얻을 수 있다. 예컨대, 전자기 에너지 필드에 노출하는 것에 의한 가열 이전에, 동시에 또는 가열 후에 수행되는 온도 균등화 공정 공정을 위한 접근법으로서 정적 또는 동적인 기계적 혼합을 수행함으로써, 개시된 내용은 목적하는 가공된 생산품의 범위, 온도 범위, 유량비 및 분배 조건을 확장하기 위한 실제적 전략을 제공하고 부가적으로 앞서 나열한 모든 변수 및 이벤트로부터의 영향을 균등화하고 수용할 수 있고; (b) 동적 또는 정적 혼합과 결합하였을 때, 상기 방법 및 고비용 지향 구조들(expensive focusing structures)의 실행은 수용할 수 있는 균일도 및 분배 조건에서 살균 레벨 온도의 빠른 도달하는 데 있어서 중요하지 않다. 언급된 다른 방법으로, 여기 묘사된 장치 및 방법은 전자기 에너지 노출에 중점적이거나 그렇지 않은 다른 응용가능성의 범위를 확장할 수 있고 빠른 살균속도 및 효과 전달을 확장할 수 있다.
많은 수의 다양한 식품 및 다른 바이오물질들은 개시된 공정 및 장치들과 양립할 수 있다. 퓨레 및 균질 과일은 산이 많은(high-acid) 물질의 살균 보존을 위한 적당한 온도 레벨(95-100℃)로 처리될 수 있고 뜨겁거나 차갑게 채워지거나 무균 조건에서 채워질 수 있다.
공정 중의 정적 또는 동적 혼합을 사용하여 발생하는 온도 분배들 및 이들 분배들을 처리할 필요를 평가하고 나타내기 위한 재순환된 가열 기술(recirculated heating technique)을 이용하여, 공동 발명자에 의해, 50개 이상의 서로 다른 식품 및 바이오물질을 위한 예비적인 데이타가 산출되었다.
다음의 특허 및 특허 출원의 개시된 내용은 본 명세서에 포함된다: 미국특허번호 6,797,929; 6,583,395; 6,406,727; 6,265,702; 6,121 ,594; 6,087,642; 및 5,998,774; 미국특허출원공개번호 20030205576 및 20010035407; 및 PCT 국제특허출원공개번호 WO0143508; WO 0184889; 및 WO 0036879.
II . 정의( Definitions )
다음의 용어들은 이 기술이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 잘 이해될 것으로 사료되고, 다음의 정의들은 청구된 내용을 용이하게 설명하도록 한다.
오래전부터 확립된 특허법 관행 이후, 청구범위를 포함하여, 여기서 사용된 단수를 가리키는 용어는 하나 또는 그 이상을 나라낼 수 있다.
여기서 사용된 "약"이라는 용어는, 값(value) 또는 양(amount)을 나타낼 때, 예컨대, 다른 측정에 상대적으로, 어떤 실시 예에서는 ±20%, 어떤 실시 예에서는 ±10%, 어떤 실시 예에서는 ±5%, 어떤 실시 예에서는 ±1%, 어떤 실시 예에서는 ±0.1%의 특정 값 또는 양으로부터의 편차를 포함하고, 상기 편차는 적당하다.
여기서 사용된, "현저한"은 둘 또는 그 이상의 실체(entity) 사이의 무작위적이 아닌 결합이 있는 확률의 통계적인 분석에 관한다. 관계가 "현저한" 것인지 아닌지 결정하기 위해, 통계적인 데이타 처리가 몇몇 실시 예들에서 "p-값(p-value)"로 표현된 확률을 계산하기 위해 수행될 수 있다. 작성자가 정의한 제한점(cutoff point) 아래로 떨어지는 상기 p-값은 현저한 것으로 간주된다. 몇몇 실시 예들에 있어서, p-값은 0.05 이하, 몇몇 실시 예들에 있어서는 0.01 미만, 몇몇 실시 예들에 있어서는 0.005 미만, 몇몇 실시 예들에 있어서는 0.001 미만이고, 이는 현저한 것으로 간주된다.
개시된 내용은 흐름가능 물질(flowable material)의 열적 처리를 위한 연속 흐름 방법을 제공한다. 여기서 사용된 것과 같이, "흐름가능 물질"이라는 용어는 하나의 지점에서 다른 지점으로 실질적으로 균일한 방법으로 흐를 수 있는 어떤 물질을 나타낸다. 예컨대, 몇몇 실시 예들에 있어서, 흐름가능 물질은 한 장소에서 다른 장소로 층류로 이동할 수 있다. 어떤 실시 예에 있어서, 흐름가능 물질은 항복 응력(yield stress)으로 묘사되는 전단 박리화(shear thinning) 또는 전단 농후화(shear thickening)인 매우 점도가 높거나/반 고형의 물질을 포함한다.
어떤 실시 예에 있어서,바이오물질은 상기 바이오물질의 레올로지(rheological property), 유전성(dielectric property) 및 열물성(thermophysical property)에 기초하여 선택된다. 어떤 실시 예에 있어서, 상기 바이오물질은 높은 녹말 함유량, 높은 단백질 함유량, 높은 고체 함유량, 높은 점도(예컨대, 통상의 열 처리 공정에서 원하지 않는 약 25℃에서의 점도) 및 낮은 열 전도도(예컨대, 1 W/mㆍK 미만)를 포함하는 그룹에서 선택된 하나 또는 그 이상의 특성을 갖는다. 어떤 실시 예에 있어서, 상기 바이오물질은 두꺼운 야채 퓨레, 바이오물질의 약한 젤 및 이와 같은 것을 포함한다. 고구마 퓨레를 포함하여 두껍고/점성의 식품 또는 바이오물질들의 대표적인 흐름 특성 및 항복응력은 표 1 및 2에 나타난다.
표 1
25℃에서 다양한 식품 바이오물질의 흐름 특성
식품 생산품 고상(%) 결지성 계수(K) flow behavior index (n) 일드 스트레스 (Pa)
고구마 퓨레 A1 16 18.8 0.39 89
고구마 퓨레 B2 20 13.39 0.25 10
유아식, 바나나 (거버) 15 28 0.59 28
유아식, 복숭아 16 1.4 0.6 13
배 퓨레 18 2.3 0.49 3.5
배 퓨레 45.7 35.5 0.48 33.9
사과 소스 11 11.6 0.34 11.6
사과 소스 18 34 0.42 34
토마토 페이스트 30 208 0.27 206
1Coronel et. al., 2004. 에 보고된 공동 발명자의 데이타.
2Kyerreme et. al., 1999. 에 보고.
표 2
유동성 식품의 항응복력 (Yield Stress of Fluid Foods)
생산품 σ0(Pa) 측정 방법 소스
케찹 22.8 외삽법 Ofoli et. al., 1987
머스타드 34.0 외삽법 Ofoli et. al., 1987
미라클 윕 54.3 외삽법 Ofoli et. al., 1987
살구 퓨레 17.4 외삽법 Ofoli et. al., 1987
밀크 초코렛 10.9 외삽법 Ofoli et. al., 1987
다진 생선 페이스트 1600-2300 외삽법 Nakayama et. al., 1980
마요네즈 24.8-26.9 흐르기 시작하는 스트레스 De Kee et. al., 1980
케찹 15.4-16 흐르기 시작하는 스트레스 De Kee et. al., 1980
토마토 페이스트 83.9-84.9 흐르기 시작하는 스트레스 De Kee et. al., 1980
날고기 배터 17.9 외삽법 Toledo et. al., 1977
토마토 퓨레 23.0 스트레스 디케이 Charm, 1962
사과소스 58.6 스트레스 디케이 Charm, 1962
토마토 페이스트 107-035 스퀴징 플로우 Campanella & Pelegi, 1987
케찹 18-30 스퀴징 플로우 Campanella & Pelegi, 1987
머스타드 52-78 스퀴징 플로우 Campanella & Pelegi, 1987
마요네즈 81-91 스퀴징 플로우 Campanella & Pelegi, 1987
사과소스 45-87 스퀴징 플로우 Campanella & Pelegi, 1987
사과소스 46-82 베인(vane) 방법 Qui & Rao, 1988
케찹 26-30 베인(vane) 방법 Missaire et. al., 1990
스파게티 소스 24-28 베인(vane) 방법 Missaire et. al., 1990
토마토 퓨레 25-34 베인(vane) 방법 Missaire et. al., 1990
호박 필링 20 베인(vane) 방법 Missaire et. al., 1990
사과소스 38-46 베인(vane) 방법 Missaire et. al., 1990
유아식, 배 49 베인(vane) 방법 Missaire et. al., 1990
유아식, 복숭아 25 베인(vane) 방법 Missaire et. al., 1990
유아식, 당근 71 베인(vane) 방법 Missaire et. al., 1990
Steffe, 1996. 참조.
여기서 사용된 바와 같이, "열(적으로) 처리(하는)"이라는 용어 및 이의 문법적 변형은 흐름가능 물질(예컨대, 바이오물질)을 시간이 지남에 따라 또는 혼합하면서 전자기 복사에 노출되어 모든 흐름가능 물질의 온도가 적절한 레벨로 증가하여 처리를 달성하는 조건에 노출되는 것을 가리킨다. 어떤 실시 예에 있어서, 열 처리는 바이오물질을 저온 살균(pasteurize) 또는 살균(sterilize)하기 위해 디자인된다.
여기서 사용된 바와 같이, "저온 살균" 및 "저온 살균된"이라는 용어는 바이오물질을 먹을 수 있거나 그렇지 않으면 감염, 예컨대, 살모넬라(Salmonella), 리스테리아(Listeria), 또는 다른 병원성 미생물(pathogenic microorganisms)의 위협 없이 대상에 투여하기 위해 처리되는 바이오물질 내에 포함된 충분한 병원성 미생물을 죽이기에 충분한 처리를 나타낸다. 저온 살균은 모든 실재적인 응용을 위해서, 냉장 조건 하에서 병원성 미생물이 재생산하거나 자랄 수 없는 상태가 되도록 하는 처리로 생각될 수 있다. 저온 살균 방법은 생산품 내의 박테리아에 있어서, 어떤 실시 예에서는 적어도 4 로그 사이클(log cycle) 감소를 초래하고, 어떤 실시 예에서는 적어도 6 로그 사이클 감소, 어떤 실시 예에서는 적어도 9 로그 사이클 감소를 초래한다.
여기서 사용된 바와 같이, "울트라 저온 살균"(ultrapasteurization)이라는 용어는 이전에 알려진 저온 살균 방법을 이용하여 얻을 수 있는 것보다 훨씬 더 큰 대기 또는 냉장 조건(어는점 이상 4℃ 미만)하에서 판매가능 보관 수명(salable shelf life)을 갖는 저온 살균된 생산품을 야기하는 저온 살균을 나타낸다. 참조, 미국특허번호 4,808,425 (여기서 인용된 모든 특허의 내용은 본 명세서에 포함된다). 여기서 사용된 바와 같이, "판매가능 보관 수명"(salable shelf life)이라는 어구는, 소비자를 끌 수 없는 생산품을 만들 정도까지 저장 중에 변화할 수 있는 어떤 특성이 생산품을 변형하기 전에, 생산품이 저장될 수 있고 그리고/또는 소비자에게 판매될 수 있도록 하는 충분한 시간을 가리킨다. 생산품의 저장 중에 변화할 수 있는 대표적인 특성은 색 레벨, 점도 레벨, 맛 특성, 향기 및 미생물의 레벨을 포함하나, 이에 한정되지는 않는다. 따라서, 울트라 저온 살균 방법은 연장된 판매가능 보관 수명 생산품을 생산한다: 예컨대, 어떤 실시 예에 있어서는 10일 이상, 어떤 실시 예에 있어서는 14일 이상, 어떤 실시 예에 있어서는 4 내지 6주, 어떤 실시 예에 있어서는 36주 또는 그 이상에 이르는 판매가능 보관 수명을 갖는 생산품.
어떤 실시 예에 있어서, 울트라 저온 살균은 a) 바이오물질의 도입 전에 가공 유닛의 접촉 표면 영역(contact surface area)을 살균하는 단계, b) 비록 상업적으로 살균하는 범위의 처리가 사용될 수 있을지라도, 보통의 저온 살균보다는 크고 상업적인 살균으로 간주되는 것보다는 작게 바이오물질에 열처리를 제공하는 단계, c) 연장된 보관 수명(Extended Shelf Life:ESL) 필터 및/또는 무균 필터(aseptic filler) 내에서 패키지하는 단계 및 d) 저장 중에 냉장하에서 생산품을 유지하는 단계를 나타낸다. 울트라 저온 살균된 생산품은 생산하기 위해 미국 식품 의약안정청(US Food and Drug Administration:FDA)으로부터 승인레터('no rejection letter) 필요로하는 저-산성(low-acid) 상온유통인 생산품으로 간주되지는 않지만 냉장보관되어야 하고 보관 수명의 제한이 있다.
어떤 실시 예에 있어서, 열 처리는 상온유통인 바이오물질을 낳는다. 여기서 사용된 바와 같이, "상온유통인(shelf stable)"이라는 용어는 여기서 묘사된 것과 같은 열 처리 없는 동일한 바이오물질와 비교할 때 손상 또는 미생물의 성장 없이 상온에서 연장된 시간 동안 저장될 수 있는 바이오물질을 나타낸다. 상온유통인 바이오물질은 상온에서 어떤 실시 예에 있어서는 10일 이상, 어떤 실시 예에 있어서는 14일 이상, 어떤 실시 예에 있어서는 4 내지 6주, 어떤 실시 예에 있어서는 36주 또는 그 이상에 이르기까지 손상 또는 미생물의 성장 없이 저장될 수 있다. 상온유통인 살균 생산품이 1년 이상의 보관 수명을 갖는 것은 일반적인 것이 아니다.
상온유통 및 상업적인 살균은 개시된 내용의 목적을 위해 상호교환적으로 사용될 수 있다. 요소들은 a) 바이오물질의 도입 전에 가공 유닛의 접촉 표면 영역(contact surface area)을 살균하는 단계, b) 통계적인 제한 내에서, 상온으로 미생물 및 그들의 포자의 성장을 위한 위험을 제거하는 바이오물질에 열처리를 제공하는 단계, c) 무균 필터(aseptic filler)를 이용하여 용기를 밀봉하여 패키지하는 단계 및 d) 분배 저장 중에 상온에서 생산품을 유지하는 단계를 포함한다. 저-산성(Low-acid) 상온유통인 생산품은 생산하기 위해 미국 식품 의약안정청(US Food and Drug Administration:FDA)으로부터 승인 레터(no rejection letter)를 필요로한다.
"상온유통(shelf stable)" 및 "판매가능 보관 수명(salable shelf life)"은 상호교환적인 용어일 필요는 없다. 예컨대, 생산품은 판매가능 보관 수명을 초과하는 기간 동안 상온유통될 수 있다. 시간이 지날수록 생산품에 일어날 수 있는 어떤 변화가 미생물의 성장에 관련되지 않고 판매가능 보관 수명에 부정적으로 영향을 미칠 수 있는 점을 생각하면, 생산품의 판매가능 보관 수명은 전형적으로 상온유통인 기간보다 짧다.
"무균 패키징(aseptic packaging)" 또는 무균 필터에서 패키지된이라는 용어는 생산품 그 자체에 의해 운반되는 미생물 및 그들의 포자 이외의 미생물 및 그들의 포자들을 배제하는 것을 의미한다. 무균 패키징 필터는 생산 실행(production runs) 전에 미리 살균된다. 어떤 실시 예에 있어서, 상기 무균 패키징 물질은 열 처리된 바이오물질의 도입 전에 미리 살균된다.
"바이오물질(biomaterial)"라는 용어는 단백질, 녹말 또는 설탕과 같은 생물학적 성분을 포함하는 어떤 물질을 의미한다. 대표적인 바이오물질은 연속 흐름 열 처리과 같은 열 공정을 이용한 가공을 받을 수 있는 것들이다. 어떤 실시 예에 있어서, 바이오물질은 식품 또는 식품 생산품이다.
"바이오물질(biomaterial)"라는 용어는 또한, 만약 어떤 환경적 조건에 노출된다면, 또는 표준 특성 또는 품질에 다다르기 위해 적당하게 처리되지 않는다면, 표준 품질 또는 특성으로부터 벗어날 여지가 있는 고체 또는 유체 물질 또는 생산품을 나타내는 것을 의미한다. 어떤 실시 예에 있어서, "바이오물질"는 식품 물질을 나타낸다. "바이오물질"라는 용어는 따라서 또한 소비자에게 소개되거나 소비자에 의해 섭취되는 물질 또는 생산품을 포함하는 것을 의미한다.
예컨대, 식품 및 다른 바이오물질들은 표준 품질 또는 특성으로부터 벗어날 여지가 있다. 만약 패키지 내의 상기 식품 또는 바이오물질이 적당하게 냉장되지 않거나 상기 식품 또는 바이오물질 내의 미생물 및 이들이 포자를 죽일 수 있을 정도로 충분하게 열 처리되지 않으면 패키지 내에 있는 상기 식품 또는 바이오물질에서 미생물 성장이 일어날 수 있다. 미생물의 성장은 표준 특성으로부터 상기 식품 또는 바이오물질의 특성을 벗어나게 할 수 있다. 예컨대, 미생물의 성장은 상기 식품 또는 바이오물질을 포함하는 패키지 내에 가스(gas)를 생성할 수 있다. 상기 가스, 주로 미생물의 대사 과정(microbial metabolic processes)에서 생성된 이산화탄소(carbon dioxide)는 동일 패키지 내의 상기 식품 또는 바이오물질의 표준 특성으로부터 벗어남을 나타낸다. 이런 가스들은 동일 패키지 내의 표준 품질 식품 또는 바이오물질 내에 있어서는 안 된다. 더 나아가, 상기 미생물의 성장 그것 자체가 상기 표준에서 벗어날 수 있다. 즉, 미생물의 성장이 없을 수 있다.
"바이오물질"의 다른 예들은 약학제제(pharmaceuticals), 혈액 및 혈액 생산품 및 샴푸와 같은 개인 위생품(personal health product)을 포함한다. 샴푸와 같은 개인 위생품은 소비자에 의해 섭취되지 않지만, 이들은 주로 단백질과 같은 생물학적 구송요소를 포함한다.
"특성(characteristic)"이라는 용어에 의해, 이는 상기 바이오물질 또는 바이오물질을 위한 패키지의 특징을 의미한다. 특히, 상기 용어 "특성"은 상기 바이오물질 또는 패키지가 소비자에 의해 사용 또는 소비되는 것이 적당한지 결정하는 상기 바이오물질 또는 바이오물질 패키지의 특징을 묘사하는 의미를 가진다. "품질 속성(quality attribute)"이라는 용어는 주어진 바이오물질에 바람직한 여기에 개시된 어떤 특성을 포함할 수 있다. "품질 프로파일(quality profile)"이라는 용어는 따라서 주어진 바이오물질에 바람직한 여기에 개시된 특성의 결합 또는 품질 속성을 나타낼 수 있다.
"표준 특성(standard characteristic)"이라는 용어는 소비자에 의한 사용에 적당하다는 것을 나타내는 상기 바이오물질 및/또는 바이오물질을 위한 패키지의 특성을 의미한다. 어떤 실시 예에 있어서, 용어 "표준 특성(standard characteristic)"은 비교될 수 있는 미지의 특성에 대한 주어진 특성의 표준 또는 품질 레벨을 의미할 수 있다.
예컨대, 상기 바이오물질의 상기 특성 및 상기 표준 특성은 각각 상기 바이오물질의 조성물의 특성을 포함할 수 있다. 여기서 사용된 바와 같이, "특성(characteristic)"은 상기 바이오물질에 변화가 있을 때, 소비자를 위해 처리된 바이오물질의 바람직한 상태에 영향을 미치는 상기 바이오물질의 특성을 나타내려고 하는 "품질 속성(quality attribute)"일 수 있다. 대표적인 품질 속성은 영양소 함유량, 색, 기질, 맛, 일반적 외관, 지방 함유량, 수분 조성 및 이들의 결합을 포함하나 이에 제한되지는 않는다.
여기서 사용된 바와 같이, 용어 "열 균등화(thermal equalization)"는 주어진 영역 (예컨대, 단면)을 통해 바이오물질의 온도가 실질적으로 균일한 조건을 나타낸다. 따라서, "열 균등화(thermal equalization)"는 상기 주어진 영역을 가로질러 상기 온도 분배 변화가 최소화되는 상태이다. 상기 주어진 영역의 온도가 어떤 일련의 온도 변화 범위 내에 있을 필요는 없더라도, 열 균등화는 어떤 실시 예에 있어서는 20℃ 이상을 넘지않고, 어떤 실시 예에 있어서는 15℃ 이상을 넘지않고, 어떤 실시 예에 있어서는 10℃ 이상을 넘지않고, 어떤 실시 예에 있어서는 8℃ 이상을 넘지않고, 어떤 실시 예에 있어서는 6℃ 이상을 넘지않고, 어떤 실시 예에 있어서는 5℃ 이상을 넘지않고, 어떤 실시 예에 있어서는 3℃ 이상을 넘지않고, 어떤 실시 예에 있어서는 1℃ 이상을 넘지않는 온도 변화 내일 수 있다. 또는 열 균등화는 주어진 영역 (예컨대, 단면)을 통해 % 변화(percent variability)로 표현될 수 있다. 따라서, % 변화는 상기 주어진 영역 내에서, 어떤 실시 예에 있어서는 20% 이하, 어떤 실시 예에 있어서는 15% 이하, 어떤 실시 예에 있어서는 10% 이하, 어떤 실시 예에 있어서는 8% 이하, 어떤 실시 예에 있어서는 5% 이하, 어떤 실시 예에 있어서는 3% 이하, 어떤 실시 예에 있어서는 2% 이하, 어떤 실시 예에 있어서는 1% 이하로 나타나는 최고 및 최저 온도 차이를 포함할 수 있다.
어떤 실시 예에 있어서, 열 균등화는 상기 주어진 영역 내의 어떤 장소에서도 상기 바이오물질의 중요한 특성에 부정적인 영향을 미치지 않으면서 열 처리하는 목적을 실질적으로 달성할 수 있는 최소 온도와 같은 실질적으로 작은 온도차를 포함한다.
어떤 실시 예에 있어서, 흐름가능 물질을 혼합하는 것은 열 균등화를 촉진한다. 어떤 실시 예에 있어서, 혼합은 전자기 에너지에 가열/노출을 선행, 동시에 또는 후속에 진행하면서, 도관을 통과하여 흐르는 영역 단면의 프로파일 및/또는 면적 사이즈, 모양의 정적 또는 동적 변화에 의해 이루어진다. 모양은 원형, 타원형, 삼각형 등으로 변화할 수 있는 도관의 단면 형상을 나타낸다; 프로파일에서 변화는 단일 또는 복수의 혼합 바(mixing bars), 샤프트(shafts) 및 다른 돌출부(protrusions)와 같은 삽입물을 포함하여 나타날 수 있다; 면적 사이즈는 서로 다른 단면 및/또는 혼합 바 또는 고정된 흐름 돌출부의 부착에 의한 통과하여 흐르는 면적의 변화뿐만 아니라, 상기 도관을 통과하여 흐르는 직경의 증가 또는 감소를 나타낼 수 있다.
기술 분야에서 알려진 바와 같이, 용어 "밀봉한(hermetically sealed)"은 물질(예를 들어 바이오물질)을 포함하는 패키지가 미생물 및 그 포자를 배제하도록 봉함(sealing)되는 어떤 봉함 공정을 의미한다. 바이오물질의 경우에, 상기 바이오물질은 미생물 및 그 포자를 제거하기 위해 봉함(sealing) 전에 열적 또는 다른 방법으로 처리된다. 패키지 내에 적절하게 밀봉되고 적절하게 처리된 바이오물질은, 필요로하는 적당한 저장 조건이 실행된다는 가정하에, 연장된 기간 동안 소비자에 의한 소비 또는 다른 사용을 위한 알맞은 상태로 남아있을 수 있다. 따라서, 용어 "밀봉된 패키지(hermetically sealed package)" 또는 선택적으로, 용어 "밀봉된(hermetically packaged)"은 연장된 기간 동안 소비자에 의해 소비 또는 다른 사용을 위해 알맞게 패키지 내에 포함된 바이오 물질을 저장하는 봉함을 갖는 패키지로써 더 정의될 수 있다.
용어 "살균(sterilizing, sterilization)", 및 이의 문법적인 변형어는 어떤 조건 하에서 성장할 수 있는 생존가능한 유기체 또는 포자가 없는 (유기체 또는 포자가 최적의 실험실 조건에서 분리될 수 없고 성장될 수 없는) 생산품을 의미한다. 어떤 실시 예에 있어서, 상업적 살균 생산품은 요구된다. 용어 "상업적으로 살균한(commercially sterile)"은 생산품이 분배 및 냉장 되지 않은 상온에서 저장되고자 할 때, 생산품 내에서 성장할 수 있는 미생물 및/또는 포자가 생산품에 없도록 하는 처리 및/또는 다른 성분과의 결합 또는 단독의 충분한 열 처리에 의한 조건을 의미한다. 상업적으로 살균된 생산품은 어떤 조건에서 발아 및 성장할 수 있는 포자를 가질 수 있으나, 생산품을 위한 저장 조건에서는 그렇지 않다. 상업적으로 살균된 생산품에서 성장한 포자가 발병시키는 경우는 없을 것이다.
용어 "열성(thermal property)"은, 물질(예를 들면, 바이오물질)이 열을 받아들이거나 배출하는 방식에 관련하여 흐름가능 물질(예를 들어, 바이오물질)의 어떤 성질을 가리킨다. 열성의 예시들은 열 전도도(thermal conductivity) 또는 열 침투 속도(rate of heat penetration), 냉각 속도, 온도 및 이들의 결합을 포함하나 이에 제한되지 않는다. 대표적인 열성은 열 침투 속도 및 냉각 속도를 포함하는 온도 변화 속도를 포함한다.
여기에 개시된 내용은 연속 흐름 처리에 적용될 수 있다. 여기서 사용된 바와 같이, "연속 흐름 처리(continuous flow treatment)"는 사용되는 처리 장치 내에서 생산품의 연속 흐름이 유지되는 방법을 나타낸다. 내부에서 연속적인 생산품의 흐름이 유지되는 연속 흐름 열 처리 장치(Continuous flow thermal processing equipment)는 가열, 유지 및 냉각 섹션을 포함할 수 있다.
당량점 방법(equivalent point method)은 연속 흐름 처리가 사용될 때 개시된 내용을 실행하는데에 적용되는 열 처리를 평가하는 데에 사용될 수 있다. 이 방법은 연속 흐름 장치의 생산품에 의해 받은 전체 열 처리를 기술한다. 연속 흐름 가열 중의 생산품에 대한 열 효과를 분석하기 위한 당량점 방법을 이용하기 위한 과정이 이전에 약술되었고(Swartzel, 1982; Swartzel, 1986; 미국특허번호 4,808,425) 당업자에게 알려졌다.
어떤 실시 예에 있어서, 여기서 개시된 내용은 마이크로파 및 단파 수신( 즉, 주파수 약 500 KHz 내지 110 MHz의 라디오파(radio wave); 또는 파장 약 1 미터 내지 104 미터의 라디오파)과 결합한 전자기 스펙트럼의 부분을 이용한다. 특히, 여기에 개시된 내용은 높은 주파수의 전자기 복사를 이용한다. 여기서 사용된 바와 같이, 어구 "고 주파 전자기 복사(High Frequency Electromagnetic Radiation:HFER)"는 라디오 주파수 및 마이크로파를 포함하여 이 기술분야에서 이해되는 전자기 복사를 나타낸다. 따라서, HFER은 약 3 X 1012 wave/sec 또는 이하의 주파수를 가질 수 있고, 어떤 실시 예에 있어서는, 약 15 MHz 내지 300 GHz일 수 있다. HFER은 약 1 X 10-4 m 또는 이보다 큰 파장, 어떤 실시 예에 있어서는, 약 1mm 내지 20m 의 파장을 가질 수 있다. 교류는 전자기파를 생성하고 이 전자기파는 이동하는 매개체의 고유 속도에서 이동하는 원하는 주파수 및 파장을 가진다. 주어진 흐름가능 물질(예를 들어, 바이오물질) 내의 특정 파의 파장(λ)은 상수인 주파수 f(제너레이터의 함수) 및 생산품 내의 파(wave)의 속도에 의존하는 v 로 부터 결정된다.
어떤 실시 예에 있어서, 개시된 내용은 마이크로파 가열을 포함한다. 마이크로파 가열을 위해 적용된 주파수는 마이크로파로 정의되는 전체 범위의 주파수를 포함한다. 미국에서는 산업용 가열 제품을 위해 단지 4개의 특정 주파수 밴드가 사용된다. 상기 4개의 밴드는 연방통신위원회(Federal Communications Commission)에 의해 할당되었고 ISM(Industrial-Scientific-Medical) 주파수로 불린다. 이 밴드는 915 MHz, 2450 MHz, 5800 MHz, 및 24,125 MHz 주파수이다. 산업용 마이크로파 장치의 사용자는 선택된 4개 밴드에서 무한 파워(unlimited power)를 생성하도록 허가된다. 따라서, 레이더 및 통신 주파수와 간섭하지 않는다. 개시된 내용이 ISM 주파수 가열의 제품을 구체화할 수 있는 반면, 개시된 내용은 이 선택된 주파수에 제한되지 않는다.
개시된 내용은 처리되는 생산품 내에서, 생산품의 기능을 손상시키지 않고 미생물을 파괴할 수 있고 바이오물질과 직접 접촉하는 표면에 생산품 증착을 없애거나 감소를 낳는 열을 생성하도록 HFER을 이용한다. 통상의 가열 공정과 같이, 전자기파를 이용한 미생물 불활성화는 열 효과에 기인할 수 있고, 미생물의 생화학적 성분 및 전자기장 간의 알려진 상호작용 및 이들의 결합으로부터의 열 효과를 포함할 수 있다. 참조 예를 들어, Adey, 1989. 그러나, 열을 생성하는 전자기파는 일반적으로 통상의 열만을 이용하여 생성되는 것과 유사한 레벨에서 미생물의 파괴를 낳는다. 참조 예를 들어, Goldblith, 1975.
개시된 내용에서, HFER은 흐름가능 물질(예를 들어, 바이오물질)과 상호작용하므로 열로 전환된다. 전자기 에너지의 흡수는 흡수 매개체(absorbing medium)의 분자의 운동 에너지를 증가시키고, 흡수 매개체의 온도를 증가시킨다. 열은 가열되는 생산품 내에서 생성되기 때문에, 열 전달 표면으로써 작용하는 가열된 표면과의 접촉은 필요로 하지 않는다. 따라서, HFER 처리를 이용할 때, 가열된 표면과의 접촉에서 바이오물질의 오염(fouling) 또는 연소(burning)는 감소 되거나 제거된다. 이는 연속 흐름 장치에서, 장치의 세정이 필요하기 전에, 공정 실행 시간(run-times)을 연장시킬 수 있고 더 높은 생산품의 처리량(through-put)을 달성함으로써 더 큰 효율을 낳을 수 있다. 반면, 우수한 기능성을 갖는 생산품을 생산할 수 있고 잠재적으로 맛을 떨어트릴 수 있는 열 교환기 벽에 부착되는 타고 편상된(flaked off) 물질을 제거할 수 있다.
간접적인 열 교환기를 이용하는 대부분의 연속 흐름 처리 공정은 흐름가능 물질(예를 들어, 바이오물질)을 통해 효과적으로 열 전달을 하기 위해 높은 전단 흐름(shear flow)인 난류를 최대화하도록 설계된다. HFER 가열에 있어서, 연속 흐름 처리 장치가 상기 바이오물질의 흐름 특성에 대해 덜 고려하여 설계되도록, 액체와 동일한 속도에서 미립자 물질이 가열한다. 단백질에서의 전단 응력(Shear stress)은 감소될 수 있고, 바이오물질로부터 매우 균질한 액체를 만들어야 할 필요가 제거될 수 있다. 따라서, 낮은 전단 펌프(shear pumps)가 연속 흐름 장치에서 개시된 내용을 실행하기 위해 적용될 수 있다.
HFER 가열은 가열기 디자인 및 조절이 가열되는 물질의 특정 전기 전도도에 의존하지 않는다는 점에서 오믹 가열(ohmic heating)과 구별된다. 예컨대, 서로 다른 바이오물질은 실질적으로 다른 전기 전도율(electrical conductance)을 가질 수 있으므로 동일한 오믹 가열기로 이들을 가열하는 것은 매우 어렵다. 반면, 여기에 개시된 내용에 따른 HFER 공정 및 장치는 각 생산품을 동일하게 효과적으로 가열할 수 있어야 한다. HFER 가열은 자유 라디칼을 만들지 않고, 높은 에너지의 이온화 복사(high energy ionizing radiation)가 다양한 바이오물질을 처리할 때 나타나는 맛의 저하를 초래하지 않는다.
여기에 개시된 내용을 수행하도록 원하는 주파수의 전자기파를 생성하기 위한 어떠한 방법도용될 수 있다. 고 주파의 라디오파 또는 마이크로파를 형성할 수 있는 어떠한 상업용 또는 산업용 제너레이터라도 사용될 수 있다. 제너레이터는 생산 또는 온도를 증가시키기 위해 평행하게 또는 시리즈로 연결될 수 있다. 제너레이터는 원하는 전자기 발광을 위한 표준에 맞도록 조화롭게(harmonically) 억제되거나 구성될 수 있다.
개시된 내용의 방법을 실행하기 위해 사용되는 장치 내에서, 처리되는 생산품 및 HFRW 제너레이터 사이에 삽입되는 구조물은 전자기 복사를 투과하는 물질로 만들어진다. 여기서 사용된 바와 같이, 어구 "전자기 복사를 투과하는(transparent to electromagnetic radiation)"은 전자기 복사(예컨대, 라디오 주파수 또는 마이크로파)가 상기 물질을 통해 실질적으로 통과하는 물질의 특성을 나타낸다. 유사하게, 용어 "방사선 투과성의(radiolucent)" 및 "마이크로파 투과성의(microwave transparent)"는 각각 라디오파 및 마이크로파에 의해 투과될 수 있는 물질을 나타낸다. 예컨대, 도 1에서 예시된 것과 같은 연속 흐름 장치에 있어서, HFRW 제너레이터에 인접한 바이오 물질을 수송하는 도관은 방사선 투과성 또는 마이크로파 투과성의 물질로 제조된다. 여기서 사용된 바와 같이, 상기 용어 "방사선 투과성의(radiolucent)"는 여기서 개시된 내용의 방법에서 사용되는 주파수의 라디오파를 필수적으로 투과하는 물질을 나타내며, 상기 물질이 다른 주파수의 전자기파에 침투될 수 있는지는 불필요하다. 유사하게, 용어 "마이크로파 투과성의(microwave transparent)"는 마이크로파에 대해 필수적으로 투과되는 물질을 나타낸다. 적당한 방사선투과성 및/또는 마이크로파 투과성 물질의 예는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene)(e.g., TEFLON™ 또는 HOSTAFLON™ 로 판매되는 생산품), 및 LEXAN™ 과 같은 폴리카보네이트 수지(polycarbonate resins), 또는 유리(e.g., KIMAX™ 강화 유리 공정 파이프(tempered glass process pipe))를 포함한다. 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 알 수 있는 것과 같이, 방사선 투과성 및/또는 마이크로파 투과성 물질의 사용은 단지 HFER에 바이오물질의 충분한 노출이 허여되도록 하는데 필요한 정도로만 요구된다.
개시된 내용의 방법과 함께 사용된 연속 흐름 장치에 있어서, 흐름가능 물질(e.g., 바이오물질)의 연속 흐름을 있게 하는 어떠한 디바이스도 개시된 내용을 수행하기 위해 사용될 수 있다. 비록 용적식 펌프(positive displacement pump)(타이밍 펌프)(timing pump)가 일반적으로 홀딩 섹션에서 생산품 흐름의 홀딩 시간을 정확하게 정의하기 위해 필요한 것이지만, 용적식 펌프는 상기 흐름을 형성하는데 사용할 수 있는 예시적인 펌프이다. 용적식 펌프는 원심 펌프(centrifugal pump)와 같은 다른 펌핑 디바이스와 결합하여 사용될 수 있다.
여기에 개시된 내용을 개괄하면, 장치를 관통하는 흐름가능 물질의 충분한 흐름이 형성되어야 상기 흐름가능 물질이 적당한 속도로 처리 장치를 통하여 운반된다는 것은 당업자에게 자명할 것이다. 흐름가능 물질(e.g., 바이오물질)의 흐름을 형성하기 위한 대표적인 디바이스는 중력식 유동 도관(gravity flow conduits) 및, SINE PUMPS™ (Sine Pumps, Curacao, Netherlands Antilles), auger type pumps, 또는 이들을 결합한 펌프와 같은 펌프를 포함하나, 이에 제한되지 않는다. Reversible thermal set carrier medium gels이 또한 사용될 수 있다(e.g., 메틸셀룰로오스 용액(methylcellulose solutions)).
개시된 내용의 방법 및 장치를 이용하면, 바이오물질을 40℉ 이하(그러나, 어는점 이상)의 온도에서 160℉이상(그러나, 쿠킹 온도(cooking temperatures) 이하)의 온도까지 처리할 수 있다. 아래에서 논의될 것과 같이, 이후, 해롭고 변패 박테리아(spoilage bacteria)를 파괴하기 위해 적당한 시간 동안 최종 온도에서 유지될 수 있다.
선택적 예열 단계가 흐름가능 물질(e.g., 바이오물질)을 예열하기 위해 HFER 처리 전에 120℉ 내지 155℉ 범위의 온도에서 적용될 수 있다. 예열 시스템(Preheating systems)은 플레이트(plate), 스웹(swept), 튜브 열 교환기(tube heat exchangers), 오믹 시스템(ohmic systems), 스팀 주입(steam injection), 온수 주입(hot water injection), 뜨거운 유체 식품 주입(hot fluid food injection)과 같은 통상적인 가열 시스템을 포함할 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
어떤 실시 예에 있어서, 공정 중에 흐름가능 물질에 의해 받은 전체 열 처리는 충분히 이루어져 생산품 내의 미생물학적 개체수를 만족수러운 수준까지 감소시킬 수 있어야 한다. 적당한 열 처리는 홀딩 타임을 미리 셋팅함으로써 용이하게 할 수 있다. 여기서 사용된 바와 같이, 용어 "홀딩 타임(holding time)"은 산업 분야에서 사용되는 원래의 의미를 가진다.
어떤 실시 예에 있어서, 상기 열 처리가 충분히 이루어져 상온 또는 냉장 상태에서 약 4주 내지 36 주, 및 어떤 실시 예에 있어서는 상온 또는 냉장 상태에서 약 8주 내지 36주의 보관 수명을 갖는 생산품을 생산한다. 여기서 사용된 것으로써, 용어 "냉장된(refrigerated)"은 어는점 이상, 4℃ 또는 그 이하에서 저장되는 것을 의미한다.
균일하게 처리된 흐름가능 물질(e.g., 바이오물질)을 생산하기 위해, 상기 흐름가능 물질(e.g., 바이오물질)의 각 유닛(unit)은 상기 동일한 열 처리를 충분히 받아야 한다. 이는 충분히 균일한 다른 조건과 함께, 흐름가능 물질(e.g., 바이오물질)의 각 유닛을 동일한 HFER 에너지에 노출하고, 혼합함으로써 개시된 내용에 따라 수행될 수 있다.
열 처리에 이어, 상기 생산품은 이후, 플레이트 열 교환기(plate heat exchangers), 스웹 표면 열 교환기(swept surface heat exchangers), 액체질소 주입(liquid nitrogen injection), 이산화탄소 기체 주입(CO2 gas injection) 또는 다른 불활성의 기체(inert gases) 주입, 또는 물 베스 내 액침(immersion in a water bath)과 같은 통상의 냉각 시스템에 의해 냉각될 수 있다. 그러나, 이에 제한되지는 않는다.
연속 흐름 장치의 요소는 스텐레스 스틸 튜빙(stainless steel tubing)과 같은 통상의 위생 재료(sanitary material)로 형성된 생산 라인에 의해 서로 연결된다.
미생물의 양이 감소된 생산품을 얻기 위해, 상기 처리 장치는 상기 바이오물질이 통과하기 전에 살균될 수 있다. 살균은 기존에 알려진 바와 같이, 상기 처리 장치를 통해 뜨거운 물을 압력하에 통과시킴으로써 수행될 수 있다. 결과적으로 뜨거운 물이 살균하기에 충분한 시간 동안, 온도 및 압력에서 생산품과 접촉하여 표면을 살균한다. 처리 장치를 살균하는 다른 방법이 또한 사용될 수 있다.
패키지되지 않은 흐름가능 물질(e.g., 바이오물질)은 처리 후에 무균 상태에서 패키지될 수 있다. "무균상태에서 패키지된(Aseptically packaged)"은, 상기 물질 자체에 의해 수송되는 것 이외의 미생물을, 만약 있다면, 배제하는 것을 의미한다. TETRA PAK™ TBA/9, TETRA PAK™ TR7-ESL, TETRA PAK™ Model AB-3-250 (Tetra-Pak Inc.의 모든 제품 가능, Vernon Hills, Illinois, United States of America), 및 Evergreen EQ-4 (Evergreen Packaging Equipment, Cedar Rapids, Iowa, United States of America)와 같은 무균상태에서 바이오물질을 패키지할 수 있는 적당한 장치가 상업적으로 이용가능하다. 또한, 이 단계를 수행함에 있어서 유용한 것은 미생물의 상당히 배제되게 패키지하는 산업상 "클린 필터"로 알려진장치이다. 그러나, 특히, 냉장 조건하에서 자랄 수 있는 다른 미생물 및 리스테리아균(Listeria)을 고려하면, 무균 필터에 의해 미생물이 더 크게 배제되는 것이 무균 필터를 바람직하게 만든다.
패키지되지 않은 흐름가능 물질을 위한 균질화 단계는 선택적으로 포함될 수 있다. 그러나, 일반적으로 필요로하지는 않는다. 여기서 사용된 상기 용어 "균질화(homogenization)"는 입자 사이즈를 감소하기 위해 생산품에 물질적 힘을 가하는 것을 의미한다. 이런 과정은 알려져 있으나, 다른 형태의 장치로 수행될 수 있다. 어떤 실시 예에 있어서, 이 균질화 단계는 약 500 p.s.i(lb/in2) 내지 3000 p.s.i 의 전체 압력하에서 균질화하는 장치와 수행될 수 있다.
도 37을 참조하면, 품질 프로파일(quality profile)의 다른 설명이 제공된다. 이는 시간이 0인 경우에 보여질 수 있는 개념에 대한 일부분에 속한다. 특히, 도 37은 MW 기술이 냉점(cold spot) 및 평균(bulk) 가열 모두에 매우 균일한 것을 보여준다. Co 값들은 Ea 값들(values)(상기 품질 요소(quality constituent) 범위 내에서 z 값들)과 함께 품질 펙터-디자인에 서로 관련한다. 따라서, 이 산업 기준은 시간이 0 일때 생산품에서의 품질 변화(예컨대, 품질 프로파일)를 나타내는데 사용될 수 있다. 상기 냉점(cold spot)은 또한 무균의 통상의 유동성의 생산품(예컨대, 퓨레가 전형적으로 층류로써 벌크로 가장 빠르게 흐른다 - 따라서 2x 가 선택적으로 사용될 수 있다.)에 대해 보여질 수 있다. 따라서, 여기 개시된 것처럼 통상의 무균 공정과 비교할 때, MW에 기초한 공정을 위해 노출되는 벌크 및 냉점을 위한 합법적인 최소 Fo 를 만족하는 것과 통조림 제조 어프로치(canning approache) 사이에 큰 차이점이 있다. 예컨대, 최소 Fo 값에 대한 통조림 제조 어프로치(2시간 가열 - #10 캔(can))에 있어서 냉점을 얻기 위한 벌크는 80 분이 될 것이다. 또한, 야채 퓨레를 통조림화하기 위해, 캔 사이즈 no. 10 에 대해 필요한 레토르트 시간은 121C에서 165분이고(Lopez 1987), Fo 값들은 더 긴 시간 주기(time period)를 가져야 한다.
보관 수명의 관점에서, 개시된 생산품이 이용 가능한 생산품(예컨대, 점도, 색, 향 및 관능 검사(trained sensory evaluation)에 기초하여, 시장에서 이용가능하게 통조림화되고 무균화된 통상적인 것과 비교하여 18개월을 동안 보관 안정적으로 남는다.)을 위한 산업 기준 내에 든다고 사료된다. 그러나, 도 37을 참조하면, 훨씬 높은 벌크(평균) 품질 유지력(quality retention)(Co 값에 기초 - 이 값은 100% 시간 0 원상태에 대한 예컨대, 95% 시간 0 처리된 품질 유지력에 대한 비로 나타낼 수 있다)을 갖는 시간 0에서 출발하고, 또한 대기 온도에 저장된 3개의 모든 방법에 있어서 품질의 동일한 속도 감소(kinetic degradation of quality)를 가정함으로써, 누구나 통상적인 통조림화된 생산품 및 통상적인 무균으로 가공된 생산품에 있어서, 벌크에 대해 시간 0 에서 30% 내지 50%의 손실이 발생됨을 알 수 있을 것이다. 따라서, 만약 상기 차이점이 저장되는 동안 동일하게 남는다면, 18 개월 레벨에서 품질은 여전히 여기에 개시된 내용의 생산품에 대해 만족스러워야할 것이고, 반면 통조림화(canned, 캔화)되고 통상적인 무균 방법에 대해서는 불량할 것이다.
도 37은 따라서 통조림화 및 통상의 무균 방법에 대한 MW의 장점을 나타낸다고 사료된다. 여기서 개시된 것으로써 MW 어프로치의 부가적인 장점은 공간 요구(e.g., < 1 ft MW 가열 튜브 vs. 250 ft 의 통상적인 기술)를 포함한다.
III . 장치( Apparatuses )
III .A. 처리장치( Treatment Apparatuses )
도면을 참조하면, 동일 참조번호는 명세서 전반적으로 동일 부분을 나타내고, 흐름가능 물질을 열 처리하기 위한 장치는 일반적으로 10으로써 나타낸다. 도 1, 9 및 10을 참조하면, 장치(10)는 바이오물질 표본(biomaterial preparation)(PR)이 로드되는 호퍼(hopper)(12)를 포함한다. 호퍼(12)는 펌프(14)와 흐름(또는 유체)이 연결되고, 펌프(14)는 장치(10)를 통해 바이오물질 표본(PR)의 흐름을 제공하도록 조절된다. 도 1, 9 및 10의 흐름의 방향은 제1 , 제2 및 제3 화살표(18, 30, 44)에 의해 지시된다.
도 1, 9 및 10을 참조하면, 장치(10)는 표본(PR)과 같은 흐름가능 물질을 받기 위한 도관(conduit)(15)을 포함할 수 있다. 도관(15)은 제1 내지 제10의 도관 섹션(conduit section)(16, 20, 22, 24, 26, 28, 32, 34, 36, 38)의 시리즈를 포함한다. 제3 및 제5 도관 섹션들(22, 26)은 전자기 복사(e.g., MW 및/또는 RF 복사)를 투과한다. 장치(10)는 또한 하나 또는 그 이상의 온도 센서들, 예컨대, 제1 내지 제9 온도 센서(T1 , T2, T3, T4, T5, T6, T7, T8, T9)를 포함하고, 이는 묘사된 바와 같이, 장치(10)를 통해 온도를 모니터하는데 사용된다.
도 1, 9 및 10을 참조하면, 장치(10)는 적어도 도관(15) 일부에 전자기 복사를 제공하기 위한 제1 및 제2 소자(40, 42)를 포함한다. 제1 및 제2 소자(device)(40, 42)는 제1 및 제2 제너레이터(generator)(G1, G2)를 포함하고, 제1 및 제2 가열기(heater)(H1, H2)를 각각 포함하고, 마이크로파(MW) 복사 및 라디오 주파수(RF) 복사와 같은, 그러나 이에 제한되지는 않는, 전자기 복사의 원하는 형태를 제공한다. 제2 소자(42)는 점선으로 보여지고 이는 선택적으로 도 9 및 10에 보여진 바와 같이 장치(10) 내에 포함된다. 제1 및 제2 소자(40, 42)는 MW/RF 화살표(제2 소자(42)를 위한 점선으로 보여진 화살표)가 보여주는 것과 같이, 제3 및 제5 도관 섹션(22, 26)으로 전자기 복사를 제공하도록 위치된다.
도 9를 참조하면, 전체 혼합 구조물(mixing structure)(M1)은 적어도 일부의 유동성의 표본(PR)에서 열 균등화를 제공하도록 제 2 내지 6 도관 섹션(20, 22, 24, 26, 28)을 따라 또는 그 내부에 배치된다. 도 10을 참조하면, 장치(10)는 전자기 복사를 투과하는 도관(15)의 제3 및 제5 도관 섹션(22, 26)에 있어서, 하나 또는 그 이상의 도입 지점(point of entry)(e.g., P1, P4), 하나 또는 그 이상의 내부 지점(P2, P5), 하나 또는 그 이상의 출구(exit)(P3, P6) 및 그 결합을 포함하나 이에 제한되지 않는 위치에 제1 내지 제5 혼합 구조물(M1' M2, M3, M4, M5)을 포함한다.
어떤 실시 예에 있어서, 혼합 구조물들(M1, M1', M2, M3, M4, M5)은 도관 섹션의 변형된 단면 형상을 포함할 수 있다. 어떤 실시 예에 있어서, 혼합 구조물들(M1, M1', M2, M3, M4, M5)은 하나 또는 그 이상의 수동 혼합 구조물, 하나 또는 그 이상의 능동 혼합 구조물 또는 둘 모두를 포함할 수 있다. 어떤 실시 예에 있어서, 혼합 구조물들(M1, M1', M2, M3, M4, M5)은 수동, 능동 또는, 수동 및 능동 모두의 혼합 구조물의 결합을 포함할 수 있고, 이는 고온 레벨을 갖는 표본(PR)의 영역 및 저온 레벨의 표본(PR)의 영역 사이의 물리적 접촉 및 열 교환을 증가키는 역활을 하고, 이는 상기 혼합 구조물이 없이는 일어날 수 없다. 어떤 실시 예에 있어서, 혼합 구조물들(M1, M1', M2, M3, M4, M5)은 상기 혼합 구조물들이 없는 경우와 비교하여 유동성의 표본(PR)을 가로지르는 온도 분배 변화(temperature distribution variability )(표준 편차)(standard deviation)에서 적어도 10%의 감소를 제공할 수 있다.
도 1, 9 및 10을 참조하면, 장치(10)은 제어 소자(CD)를 포함할 수 있다. 제어 소자(CD)는 도관(15)을 통한 흐름을 조절할 수 있다. 유량속도(flow rate)는 일정한 유량속도일 수 있다. 예컨대, 적어도 0.25gal/min의 부피 유량속도일 수 있다. 제어 소자(CD)는 전자기 복사를 제공하기 위해 제1 소자(40) 및/또는 제2 소자(42)의 파워 레벨을 조절할 수 있다. 예컨대, 상기 파워 레벨은 조절될 수 있고, 상기 도관 내에서의 흐름가능 물질의 가열은 상기 흐름가능 물질 내에서 적어도 1℉/sec 또는 0.5℃/sec의 평균 벌크 온도 증가 속도로 일어날 수 있다. 제어 소자(CD)는 전자기 복사를 제공하기 위해 제1 소자(40) 및/또는 제2 소자(42)의 파워 레벨을 조절할 수 있고, 도관(15) 내에서 표본(PR)의 가열은 도관(15)의 가열 보다 빠른 속도로 일어나고, 표본(PR)의 상기 가열은 유동성의 표본(PR) 자체의 최대 온도 레벨을 초과하는 온도를 갖는 도관(15)의 표면에 표본(PR)을 접촉하는 가열 은 배제된다. 제어 소자(CD)는 제1 소자(40) 및/또는 제2 소자(42)의 파워 레벨을 조절할 수 있고, 상기 파워 레벨은 일정하게 유지될 수 있다. 제어 소자(CD)는 제1 소자(40) 및/또는 제2 소자(42)의 파워 레벨을 조절할 수 있고 상기 파워 레벨은 미리 정해진 질량 유량 속도(mass flow rate)에서 흐름 가능한 바이오물질의 미리 정해진 열 처리를 제공하기 위해 미리 정해진 레벨에 맞춰지도록 자동적으로 또는 수동으로 조절될 수 있다. 관심있는 바이오물질에 따라, 여기에 개시된 내용을 통해, 여러 변화가 당업자에 의해 미리 결정될 수 있다.
도 1, 9 및 10을 참조하면, 장치(10)는 냉장 보관을 위한 유동성의 표본(PR) 패키징, 유동성의 표본(PR)의 무균 패키징 및, 이 둘 모두 중 하나를 위한 패키징 소자(packaging device)(PD)를 포함할 수 있다. 예로써, 장치(10)의 패키징 소자는 제7 도관 섹션(32)에 의한 것과 같이, 도관(15)과 흐름(flow 또는 fluid) 연결을 위해 적용된 홀드 튜브(hold tube)(HT); 제8 도관 섹션(34)에 의한 것과 같이, 홀드 튜브(HT)와 흐름(flow 또는 fluid) 연결을 위해 적용된 냉각 유닛(cooling unit)(CU); 제 9 도관 섹션(36)에 의한 것과 같이, 냉각 유닛(CU)과 흐름(flow 또는 fluid) 연결을 위해 적용된 필링 유닛(filling unit)(FU); 및 제 10 도관 섹션(38)에 의한 것과 같이, 냉각 유닛(CU) 흐름(flow 또는 fluid) 연결을 위해 적용된 저장 유닛(storage unit)(SU)을 포함할 수 있다. 선택적으로, 저장 유닛(SU)은 냉장된 저장 유닛이다. 선택적으로, 표본(PR)과 접촉할 홀드 튜브(HT), 냉각 유닛(CU), 필링 유닛(FU) 및 저장 유닛(SU)의 표면은 유동성의 표본(PR)의 도입전에 상업적으로 살균된다. 제어 소자(CD)는 패키징 소자(PD) 및 이의 구성요소를 위해 적당한 컨트롤 시그널을 제공할 수 있다. 도 15는 필링 유닛(FU)에 의해, 고구마 표본(SP)을 포함하는 살균된 백(SB)의 충전을 보여주는 사진이다.
도 13a 내지 13c를 참조하면, 제1 온도 센서(T1)이 개시된다. 제1 온도 센서(T1)은 단면 온도 분포를 모니터링하고 측정하기 위해 사용된다. 제1 온도 센서(T1)는 물질 흐름 방향에 대해 수직한 면적을 덮는 단면을 제공하는 단일 또는 복수의 다중 열전대 탐침(multi-point thermocouple probes)(TP)의 결합을 포함할 수 있다(도 9 및 10). 온도 탐침(Temperature probe)(TP)은 커플러(coupler)(CO)에 연결되고 이후 제어 소자(CD)와 통신하게 된다(도 9 및 10). 도 13c에서 보여진 실시 예에 있어서, 제1 온도센서(T1)는 제1 온도센서(T1)의 모니터링을 용이하게 하기 위해 사용될 수 있는 클램프 어셈블리(CA)를 더 포함한다. 중요한 지점(가열기 입구 및 출구, 및 혼합 요소 입구 및 출구)에서의 센싱 및 모니터링 도구를 위치시키고 이용하는 것은 균일도 및/또는 이의 부재를 기록 및 테스트하기 위해 사용되어 왔고 개시된 내용에 따라 온도 균등화를 얻기 위한 다양한 도구 및 혼합 기구의 효율을 나타내기 위해 사용되어 왔다.
도 14a 및 14b는 M1"에 따른 예시적인 혼합 소자의 개략도이다. 혼합 소자 M1"은 동시에 동일한 소자를 이용하여 앞서 나열된 모든 목적 지점(가열 전에, 동시에 및/또는 후속에, 도 9 및 10)에서 기계적인 혼합 효과를 제공할 수 있다. M1"은 혼합 요소(mixing element)를 포함하고, 기계적 혼합 효과는 상기 영역들을 통해 상기 혼합 요소를 연장시킴으로써 얻어질 수 있다. 상기 혼합 요소는 MW 또는 RF를 투과하는 물질로 만들어지고, 동시에 노출 영역 내에서 회전 및 궤도를 선회하는 움직임을 제공한다. 이는 어떤 구성도 정적이지 않다는 것을 확실하게 하고, 투과성의 튜브 또는 챔버 내에서 가열되거나 급속 가열(runaway heating)되는 것을 최소화한다.
도 14a를 참조하면, 가열되는 대상 물질(A')이 스텐레스 스틸의 굽은 튜브(stainless steel elbow-shaped tube)(101)를 통해 가열 세그먼트로 들어가고, 계속해서 마이크로파 투과성의 튜브 세그먼트(102)를 통하며, 이때 마이크로파 제품(microwave applicator)의 포커싱 구조물 또는 단순한 마이크로 웨이브 노출 영역 디자인(103)을 이용한 마이크로파에 의해 전달된 가열을 수행하며, 혼합 요소(109)인 단일 또는 복수의 마이크로파 투과성의 폴리머(제한되지는 않으나, TEFLON®, polyether ether ketone (PEEK), polysulfone, TPX® polymethylpentene (PMP), polycarbonate, 또는 ULTEM® polyetherimide와 같은 폴리머)와 혼합한다. 대상 물질(A')은 상기 마이크로파 노출 영역을 나가고, 스텐레스 스틸 또는 TEFLON®으로 싸여진 실린더형의 강자성(ferromagnetic) 혼합 코어(110)를 포함하는 직선형의 스텐레스 스틸 튜브 세그먼트(104)로 들어간다. 상기 단일 또는 복수의 혼합 요소(109)는 실린더형 시야계(perimeter)의 가장자리에 강자성 코어의 바닥에 부착된다. 스텐레스 스틸 스페이서 요소(111)는 실린더형 강자성 코어의 탑에 부착되고 상기 실린더형 코어의 수직 위치를 유지하고, 들어오는 물질의 윗방향으로 이동하는 밀기(push)와 4개 내지 8개의 외부의 방사형으로 위치하는 전자석 a-d 중 하나의 원심력(centrifugal pulling force)을 이용하는 요소의 수직위치를 유지한다. 전자석 a-d는 한번에 하나씩 켜지고 파워는 순환한다(단계 1-6이 계속적으로 반복된다.) 파워 및 컨트롤은 어떤 적당한 방법으로도 제공될 수 있고, 이는 도 9 및 10에 보여진 바와 같이 제어 소자(CD)를 통할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 이는 강자성 혼합 코어(110)의 방사상 및 회전(rotational) 움직임을 초래하고 또한 단일 또는 복수의 혼합 요소(109)의 궤도 선회(orbiting) 움직임뿐만 아니라 회전을 초래한다. 이는 경로를 따라 개별적 포인트에 어떤 시간동안 집중된 마이크로파 에너지 분배를 방해하지 않으면서 마이크로파 노출 영역 내에서 혼합 작용을 제공한다: 상기 흐름 경로의 직선형의 스텐레스 스틸 튜브 일부의 내부 시야계(perimeter)를 따른 이들의 위치뿐만 아니라 혼합 요소의 방사상의 위치는 일정하게 변한다. 이 위치의 변화 속도 및 그로 인한 혼합 작용의 속도는 1 내지 6까지 단게로 전자기 스위칭 속도를 증가 또는 감소함으로써 조절될 수 있다. 스텐레스 스틸 스페이서 요소(111)뿐만 아니라 실린더형의 강자성 혼합 코어(110)는 최종적으로 굽은 스텐레스 스틸 튜브 요소(105)로 들어가고 가열/혼합 공정 세그먼트로 나가는 흐름 물질(A")을 위한 부가적인 혼합을 제공한다. 선택적으로, 단일 또는 복수의 온도 모니터링 고정장치(fixture)(e.g. temperature sensors T1 et seq. as disclosed herein)가 얻어진 온도 증가 및 분배를 모니터하고 확인하기 위해, 가열기/혼합기 입구(112a) 및 출구(112b) 지점에 사용될 수 있다.
도 14b를 참조하면, 가열되는 대상 물질(A')이 스텐레스 스틸의 굽은 튜브(stainless steel elbow-shaped tube)(101)를 통해 가열 세그먼트로 들어가고, 계속해서 마이크로파 투과성의 튜브 세그먼트(102)를 통하며, 이때 마이크로파 제품(microwave applicator)의 포커싱 구조물 또는 단순한 마이크로 웨이브 노출 영역 디자인(103)을 이용한 마이크로파에 의해 전달된 가열을 수행하며, 혼합 요소(109)인 단일 또는 복수의 마이크로파 투과성의 폴리머(제한되지는 않으나, TEFLON®, polyether ether ketone (PEEK), polysulfone, TPX® polymethylpentene (PMP), 또는 ULTEM® polyetherimide 포함)와 혼합한다. 대상 물질(A')은 상기 마이크로파 노출 영역을 나가고, 스텐레스 스틸 또는 TEFLON®으로 싸여진 실린더형의 강자성(ferromagnetic) 혼합 코어(110)를 포함하는 직선형의 스텐레스 스틸 튜브 세그먼트(104)로 들어간다: 상기 단일 또는 복수의 혼합 요소(109)는 실린더형 시야계(perimeter)의 가장자리에 강자성 코어의 바닥에 부착된다. 스텐레스 스틸 스페이서 요소(111)는 실린더형 강자성 코어의 탑에 부착되고 상기 실린더형 코어의 수직 위치를 유지하고, 들어오는 물질의 윗방향으로 이동하는 밀기(push)와 외부에 위치하는 강한 영구 자석(permanent magnet)(108)의 원심력을 이용하는 요소의 위치를 유지한다. 강한 영구 자석(108)은 전기모터 구동의 회전 요소(106)와 함께 스프로킷(sprocket), 벨트(belt) 또는 클러치 마찰(clutch-friction) 형태의 인터페이스를 통해 스텐레스 스틸 튜브 주위를 회전하도록 구동되는 도넛형태의 스테이지(107)의 시야계에 부착된다. 영구 자석(108)의 회전 운동은 강자성 혼합 코어(110)의 방사상 및 회전(rotational) 움직임을 초래하고 혼합 요소(109)의 궤도 선회(orbiting) 움직임뿐만 아니라 회전을 초래한다. 이는 경로를 따라 개별적 포인트에 어떤 시간동안 집중된 마이크로파 에너지 분배를 방해하지 않으면서 마이크로파 노출 영역 내에서 혼합 작용을 제공한다: 상기 흐름 경로의 직선형의 스텐레스 스틸 튜브 일부의 내부 시야계(perimeter)를 따른 이들이 위치뿐만 아니라 혼합 요소의 방사상 위치는 일정하게 변한다. 이 위치의 변화 속도 및 그로 인한 혼합 작용의 속도는 1 내지 6까지 단게로 전자기 스위칭 속도를 증가 또는 감소함으로써 조절될 수 있다. 스텐레스 스틸 스페이서 요소(111)뿐만 아니라 실린더형의 강자성 혼합 코어(110)는 최종적으로 굽은 스텐레스 스틸 튜브 요소(105)로 들어가고 가열/혼합 공정 세그먼트로 나가는 흐름 물질(A")을 위한 부가적인 혼합을 제공한다. 선택적으로, 단일 또는 복수의 온도 모니터링 고정장치(fixture)가 얻어진 온도 증가 및 분배를 모니터하고 확인하기 위해, 가열기/혼합기 입구(112a) 및 출구(112b) 지점에 사용될 수 있다.
III . B. 마이크로파 및/또는 라디오 주파수 투과 튜브( Microwave and / or Radio Frequency Transparent Tubes )
개시된 내용은 이전에는 식품, 음료, 화학약품 및 바이오물질의 마이크로파 열 가공 중에 통과튜브(flow-through tube)로서 실패를 야기하는 것으로 알려진 마이크로웨이브 투과성 복합관(composite tube) 및 위생적 피팅(sanitary fitting)을 위한 복합 집약된 디자인(composite integrated design)을 적용할 수 있다.
새로운 마이크로파(MW) 및 다른 비접촉 가열(non-contact heating)(예컨대, 라디오 주파수(RF)) 기술의 출현은 다소 높은 온도 및 압력, 매우 높은 에너지 밀도 및 단위 면적당 처리율(throughput) 조건 하의 시스템에서 사용될 수 있는 유체를 통과시키는(flow-through) 소자 및 어셈블리에 대해 요구해 왔다; 화학적으로 공격적인 처리를 거친 물질 성분(components)에서 고압, 팽창, 비틀림 및 진동의 물리적 스트레스 까지 높은 화학적 물리적 스트레스 및 임팩트.
식품, 음료, 화학약품 및 다른 바이오물질의 연속 흐름 열 처리를 위해 사용되는 유체를 통과시키는 소자 또는 캐비티(cavity)의 특성은 다양하고 매우 특징적일 수 있다. 다음의 바람직한 특성으로 구분될 수 있다:
1. 보편적인 작업 조건에서 매우 높은 마이크로파 투과성(매우 낮은 유전 손실 인자 및 탄젠트(tangent))
2. 감소 및 특성 변화없이 살균 레벨 온도를 견딜 수 있는 능력
3. 감소 및 특성 변화없이 살균 레벨 압력을 견딜 수 있는 능력
4. 감소 및 특성 변화없이 살균 레벨 압력에서 살균 레벨 온도를 견딜 수 있는 능력
5. 감소 및 특성 변화없이 가공된 물질의 화학적으로 공격적인 성분을 견딜 수 있는 능력
6. 감소 및 특성 변화없이, 공정 중에 규칙적으로 가해지는 치수(dimensional) 스트레스, 팽창(expansional) 스트레스, 열 스트레스, 진동 스트레스 및 임팩트 스트레스(impact stresse)를 견딜 수 있는 능력
7. 식품 또는 다른 바이오물질에 대한 FDA, USDA 및 약학적 제제(pharmaceutical regulation)의 충족 - 접촉 표면
8. 인-플레이스 세정 및 위생에 대한 3A 디자인 요건(3A design requirement)의 충족
몇몇 실시 예들에 있어서 나타날 수 있는 부가적인 특성은 다음을 포함한다:
1. 후속에 침전(deposition) 및/또는 실패를 이끌 수 있는 물질 내에서의 불완전성(imperfection)을 식별하기 위해 - 또한, 런(run) 중에 야기된 침전물(deposits) 또는 디펙트의 실제 공정 및 후 공정 식별 중에 가공된 물질의 원하지 않는 비등/섬광(boiling/flashing)을 식별하기 위한 가시광선 투과성
2. 고 광택(High gloss), 부드러우며 매끄러운(slick), 눌러붙지 않는(non-stick), 핀홀이 없는 물질 접촉 표면
3. 빠르고 쉬운 삽입 및 마이크로파 또는 RF 집중 구조물(레디에이터(radiator)/응축기(concentrator)/반응기/가열기)로 부터의 제거에 대한 능력
4. 존재하는 식품, 음료, 화학약품 및 바이오물질 공정 라인으로의 집약 가능성(전형적으로 트라이 클램프(tri-clamp) 또는 다른 피팅의 위생 형태와 같은, 표준 무균 인터페이스 요소 및 표준들)
일부 또는 모든 상기 이슈 및 고려 사항들을 적당하게 충족할 수 있는 쉽고 상업적으로 이용가능한 디바이스의 부족은 식품, 음료, 화학약품 및 다른 바이오물질의 연속 열 처리를 위한 발전된 마이크로파 및 RF 기술을 수행하는데 있어서 하나의 큰 장애로 전개되었다.
이전에, 4개 타입의 어셈블리/튜브가 고려되었다:
타입 1 : 스텐레스 스틸 크림프-온(crimp-on) 칼라 피팅/위생 인터페이스(트라이-클램프)로 각 말단에 고정된 반 투과성 리니어, 압축 드라운(extrusion-drawn) TEFLON® 튜브 피스를 포함하는 복합(3 피스) TEFLON® 튜브들. 이 어셈블리들은 화학적으로 공격적이거나 고온 성분들을 위해 탱크 액체 레벨 뷰포트(tank liquid-level view-ports)로써 전형적으로 사용되어왔다. 상기 어셈블리들은 상업적으로 구입되었고, 후속에 실험실 및 파일롯 플랜트에서 시험되었다.
타입 2: 스텐레스 스틸 스크류-온(screw-on) 또는 글루-온(glue-on) 칼라 피팅/위생 인터페이스(트라이 클램프)로 각 말단에 고정된 스무쓰 보어(smooth-bore) 세라믹 또는 유리 튜브를 포함하는 복합(3 피스) 유리 또는 세라믹 튜브들. 이 어셈블리들은 마이크로파 제작자의 순서 및 설명서에 따라 제작되었고 이어서 파일롯 플랜트에서 시험되었다.
타입 3: 위생 인터페이스를 포함하는 기계가공되거나 몰드된 말단 피팅들을 갖는 스무쓰 보어 세라믹 또는 유리 튜브를 포함하는 단일 피스 유리 또는 세라믹 튜브들(트라이-클램프). 이 어셈블리들은 마이크로파 제작자의 순서 및 설명에 따라 명확하게 제작되었으나 시험을 위해 이용가능하지는 않았다.
타입 4: 위생 인터페이스를 포함하는 기계가공되고 몰드된 말단 피팅을 갖는 기계가공된 부드러운 표면의 발전된 플라스틱 튜브를 포함하는 단일 피스 튜브들(트라이 클램프). 이 어셈블리들은 선택된 설명서에 따라 North Carolina State University Instrument Shop에서 제작되었고 완전히 시험되었다. 제작 물질은 Ultem 1000 (polyetherimide), polysulphone, polymethylpentene (TPX), 및 PEEK (polyetheretherketone), 또는 다른 적당한 마이크로파-투과성의 폴리머들을 포함하였다.
다음의 바람직한 특성들이 고려된 4개의 디자인 각각에 대해 식별되었다 - 각 타입에 대한 실패 모드들 또한 알려졌고, 이는 본 발명에 의해 제공되는 적당한 선택적인 해결책이 필요함을 으미한다:
타입 1: - 부드럽고, 눌러붙지 않는 표면(Smooth, non-stick surface)
- MW 투과성
- FDA, USDA, Pharma-compliant
- 일반 시장에서의 쉬운 구입
- 온도 저항(Temperature resistance)
- 대부분의 공격적인 화학약품에 대한 저항성
전형적인 실패 모드: 조작 온도에서 압력 변화
타입 2: - 부드럽고, 눌러붙지 않는 표면
- MW 투과성
- FDA, USDA, Pharma-compliant
- 온도 및 압력 저항
- 대부분의 공격적인 화학약품에 대한 저항성
전형적인 실패 모드: 서로 다른 열 팽창율에 기인한 스틸 및 세라믹 계면에서의 열 스트레스 균열(fractures), 임팩트 균열, 및 접착 파열(adhesive breakdown)
타입 3: - 부드럽고, 눌러붙지 않는 표면
- FDA, USDA, Pharma-compliant
- 온도 및 압력 저항
- 대부분의 공격적인 화학약품에 대한 저항성
예상된 실패 모드: 열 스트레스 균열(fractures), 임팩트 균열
타입 4: - 온도 및 압력 저항
- 비싸지 않은, 단일 피스 디자인
- FDA, USDA, Pharma-compliant
전형적인 실패 모드: 부드럽지 않은 표면에 기인한 물질 침전물(deposits), 침전물 영역(deposit locations)에서의 국부적 과열, 약한 계면에서의 스트레스 균열(클램프 피팅)
도 11a 내지 11e를 참조하면, 튜브들의 일련의 개략적인 도면이 도시된다. 대표적인 물질은 다음과 같이 요약될 수 있는 음영의 사용을 통해 일반적으로 보여진다: 검은색 음영(solid shading), 크림프-온 스텐레스 스틸 위생 피팅(crimp-on stainless steel sanitary fittings); 회색 음영, PTFE/압출 성형 PTFE(PTFE/extruded PTFE); 좁은 수평 및 수직 크로스 해칭, 울템(Ultem), 폴리설폰(polysulphone), 또는 PEEK 슬리브(sleeve); 사선 크로스 해칭, MW-투과성의 고품질 세라믹(MW-transparent high grade(alumia) ceramic); 넓은 수평선, 기계가공된 PTFE 세미-실린더(machined PTFE semi-cylinder); 좁은 수평선, 복층의 두꺼운 PTFE 필름(multiple layers of thick PTFE film).
도 11a 내지 11f를 참조하면, 어떤 실시 예에 있어서, 개시된 내용에 따른 튜브는 어셈블리 타입 1인 압력에 민감한 TEFLON® (or other smooth-surface compliant and microwave transparent material) 튜브 세그먼트 내벽(IW) 위로 놓여진 타입 4인 튜브 어셈블리(polyetherimide/Ultem, polysulphone, polymethylpentene (TPX), 또는 PEEK)의 온도 및 압력 저항 물질로 제작된 수축 실린더 슬리브(constricting cylindrical sleeve)(OSL)를 포함한다. 이 디자인은 부드러운 생산품-접촉 표면-TEFLON®을 야기한다. 그로 인해, 생산품 침전 실패, 압력 저항 특성에 있어서 멀티-폴드 증가(Ultem, polysulphone, polymethylpentene (TPX) 또는 PEEK) 및 위생 인터페이스 지점(SF)(스텐레스 스틸로 만들어진 클램프 피팅)에서 스트레스 균열 실패에 대한 고 저항성을 줄인다. 이는 4 피스(four-piece) 튜브 어셈블리를 야기할 수 있다(TEFLON® 내벽(IW); Ultem, polysulphone, polymethylpentene (TPX), 또는 PEEK 슬리브 및 2 크림프-온 스텐레스 스틸 위생 클램프 피팅(SF)).
도 11b를 참조하면, 어떤 실시 예에 있어서, 개시된 내용에 따른 튜브는 부드러운 생산품 접촉 표면을 제공하기 위한 TEFLON® (또는 다른 부드러운-표면 컴플라이언트 및 마이크로파 투과성의 물질)로 코팅된 내부 보어(bore) 표면(IW)을 갖는 타입 4 튜브 어셈블리(Ultem, polysulphone, polymethylpentene (TPX), 또는 PEEK)의 생산에 있어서 사용되는 발전된 폴리머들 중 하나로부터 제작된 단일 피스의 기계가공된 튜브를 포함한다. 이런 어셈블리는 위생 클램프 인터페이스에서 스트레스 균열에 다소 영향을 받기 쉬울 수 있으나, 이는 적당한 모니터링으로 조절할 수 있다.
이 대표적인 실시 예들에 부가적으로, 다양한 변형된 디자인이 조립될 수 있다. 예컨대, 부가적인 마이크로파 및/또는 라디오 주파수 투과성(MWRFT) 층 또는 슬리브를 포함할 수 있고, 크림프된 위생 피팅 용 선택적 물질을 포함할 수 있고, 기계가공되고 압출 성형되고 크림프된 구성요소를 포함할 수 있다.
여기서 개시된 내용은 부드러운 생산품-접촉 표면을 포함하는 대표적인 MWRFT 튜브 어셈블리이고, 이로 인해, 생산품의 침전(deposition) 실패, 압력 및 물리적 저항 특성에 있어서 멀티-폴드 증가 및 위생 인터페이스 지점(스텐레스 스틸로 만들어진 클램프 피팅)에서 스트레스 균열 실패에 대한 고 저항을 감소시킬 수 있다. 상기 대표적인 튜브들은 MWRFT 플로우-쓰루(flow-through) 튜브 어셈블리 실패의 빈도가 높다. 이 실패의 높은 빈도는 연속 흐름 마이크로파 가열/살균 기술의 더 넓은 응용에 대해 하나의 장애이다.
도 11c 및 11g를 참조하면, 어떤 실시 예에 있어서, MWRFT 컴포짓 튜브들은 MWRFT 고품질 폴리머 대신, 외부 MWRFT 층으로써 고품질 알루미나 세라믹 슬리브(CSL)를 적용한다. 이 층은 또한 내부 압출 성형된 TEFLON® 튜브 층(IW)에 압력을 방어할 수 있다. 도 11c 및 11g는 선택적으로 스텐레스 스틸을 포함하는 클램프 피팅(SF)을 포함하여 대표적인 실시 예의 구성성분들 및 이들의 예시적인 어셈블리 순서를 나타낸다.
도 11c 및 11g의 MWRFT 컴포짓 튜브의 실시 예는 제작되어왔고, 실험적으로 반 산업 규모의 생산 조건(60 KW 가열기 유닛, 100 내지 140℃ 범위에서 온도 증가조건에서 1-2 gal/min 유량)에서 시험되었다. 이 실시 예는 다른 이전의 시험된 튜브 어셈블리보다 훨씬 나은 성능으로 수행되었다. 예컨대, 상기 튜브는 14 연속되는 런 동안 사용되었고, 단속되는(intermittent) 런 시간으로는 전체적으로 50시간 보다 전체적으로 더 큰 수율을 갖는다.
이전에 시험에서, 다른 튜브 어셈블리들은 종종 한번 또는 두번의 사용 후에 실패했다. 더욱이, 도 11c 및 11g에 따른 어셈블리에 의해 겪은 상기 튜브 실패 모드들은 결코 큰 문제가 아니었다: i.e., 이 튜브들은 공정 진행 중에 결코 갈라지지 않았고 어떤 공정 물질도 공정 시스템으로부터 이탈되지 않았다(압력, 온도 및 침전 형성 및/또는 과열에 의한 다양한 크랙, 홀 및 찢어짐에 의해 종종 발생되는 리크가 있는 이전의 어셈블리에 반대됨).
그러나, 도 11c의 상기 튜브 어셈블리는 결국 사용기간 후에는 실패했다. 따라서, 사용기간의 모니터링하는 것이 타당하다. 튜브 실패는 처리된 물질의 입자를 포함하는 부유물, 이후의 내부 튜브 벽 침전, 과열 및 내부 튜브 표면에 국부화된 오염에 의할 수 있고, 결과 맛 및/또는 색은 처리된 물질 내에서 변할 수 있다. 상기 침전은 플로우-쓰루 튜브의 내부 표면에 형성되었다. 만약 상기 침전이 심각하다면, 확장되는 과열의 대상이 되고 상기 튜브 표면은 튜브 어셈블리를 사용할 수 없도록 영구적인 손상이 될 수 있다. 어떤 실시 예에 있어서, 단지 상기 어셈블리(내부 압출 성형된 TEFLON® 튜브(IW))의 하나의 구성요소가 실패하더라도, 전체 어셈블리가 종종 폐기될 필요가 있다. 때때로, 고품질의 세라믹 알루미나 외부층(CSL)은 재사용될 수 있으나, 새로운 구성요소와의 재 결합의 비용은 매우 클 수 있다.
튜브 실패는 또한 가열기 중지에 따른 냉각 충격(cold shock)에 기인할 수 있다. 이 경우에, 상기 실패는 가열 실행이 종료될 때 일어난다. 내부 및 외부 튜브 층들은 모두 130 - 140℃이상 가열된다. MW 가열기에 대한 파워는 꺼지나 공정 펌프는 튜빙을 통해 차가운 생산품을 계속해서 펌프하고 이는 탑/핫 말단에서 튜브 어셈블리의 외부 층의 크랙 및 냉각 충격을 야기한다. 심지어 하나의 구성요소가 실패하더라도(e.g., 외부 세라믹 튜브), 전체 어셈블리는 전형적으로 상기 어셈블리 내에서 사용된 과정으로 인해 폐기될 필요가 있다.
그러므로, 튜브 어셈블리의 실시 예들을 구성하기 위한 2개의 부가적인 목적은 다음과 같다:
1. 새로운 교체 구성요소를 포함하여 상기 튜브의 재결합뿐만 아니라 하나의 실패한 구성요소를 제거 및 교체하는 것을 간소화하기 위한 어셈블리 순서 및 공정의 변형
2. 파워 중단 및 저온에서 공정물질과 즉각적인 접촉에 의한 갑작스런 냉각뿐만 아니라 과열로부터 보호하기 위한 외부 세라믹 튜브층을 열적으로 격리
이 2개의 목적들은 도 11d 및 11h, 및 도 11e 및 11i에서 묘사된 실시 예들에 의해 달성되어왔다. 도 11d 및 11h에서 보여진 바와 같이, 미리 제작된, 상업적으로 이용가능한 3 피스(three-piece) 압출성형된 TEFLON® 시야 포트(sight-port)(IW)는 길이 방향으로 2개의 동일한 세미 실린더형 피스로 잘린 정밀 가공된 TEFLON® 튜브(SC)로 덮인다. 고품질의 세라믹 튜빙(CSL)의 외부층은 스텐레스 스틸 클램프(SF)위로 당겨지고 기계가공된 TEFLON®을 포함하는 2개의 튜브 반쪽들(SC) 주위로 당겨질 때, 2개의 반쪽들은 TEFLON®의 내부 튜브(IW)를 향해 가압되었다. 이는 내부 TEFLON® 튜브(IW)를 위한 적당한 압력 및 온도 방어를 확보하고, 쉬운 결합, 분리 및 손상되지 않은 구성요소의 재사용을 위한 부품 교체 뿐만 아니라 외부 세라믹층(CSL)에 대한 열적 방어를 확보한다.
도 11e 및 11i는 튜브 어셈블리의 다른 실시 예를 나타낸다. 튜브 및 복수개의 필름층의 외부 직경이 스텐레스 스틸 클램프(SF)의 외부 직경에 가까운 두께에 도달하기까지, 미리 제작된, 상업적으로 이용가능한 3 피스 압출성형된 TEFLON® 시야 포트(IW)는 그 외부 시야계(perimeter) 주위의 두꺼운 TEFLON® 필름(FL)을 굽음으로써 덮인다. 고품질의 세라믹 튜빙(CSL)의 외부층은 스텐레스 스틸 클램프(SF)위로 당겨지고 복층의 TEFLON® 필름(FL) 주위로 당겨질 때, 두꺼운 TEFLON® 필름(FL)의 손상된 층들은 TEFLON®의 내부 튜브(IW)를 향해 가압되었다. 이는 또한 내부 TEFLON® 튜브(IW)를 위한 적당한 압력 및 온도 방어를 확보하고, 쉬운 결합, 분리 및 손상되지 않은 구성요소의 재사용을 위한 부품 교체 뿐만 아니라 외부 세라믹층에 대한 열적 방어를 확보한다.
앞서 상세하게 설명된 실시 예들에 부가하여, 다양하게 변형된 디자인들이 결합될 수 있다. 예컨대, 부가적인 MWRFT 층들 또는 슬리브들을 포함할 수 있고, 크림프된 위생 피팅을 위한 선택적인 물질들을 포함할 수 있고 기계가공되고 압출성형되고 크림프된 구성요소의 결합을 포함할 수 있다.
요약하면, 여기에 개시된 내용은 부드러운 생산품 접촉 표면을 갖는 MWRFT 튜브 어셈블리이고, 이로 인해, 생산품의 침전(deposition) 실패, 압력 및 물리적 저항 특성에 있어서 멀티-폴드 증가 및 위생 인터페이스 지점(스텐레스 스틸로 만들어진 클램프 피팅)에서 스트레스 균열 실패에 대한 고 저항을 감소시킬 수 있다. 상기 개시된 튜브들은 다양한 인자들로 인해, MWRFT 플로우-쓰루(flow-through) 튜브 어셈블리 실패의 빈도가 높다. 이 실패의 높은 빈도는 연속 흐름 마이크로파 가열/살균 기술의 더 넓은 응용에 대해 하나의 장애이다.
도 1은 개시된 일 실시 예에 따른 열 처리 시스템의 개략도이다.
도 2는 915 및 2450 MHz 에서 고구마 퓨레(SPP)의 유전성(dielectric properties)을 나타내는 플랏이다.
도 3은 915 MHz 에서 최대 작동 직경(M.O.D)이 SPP에 대한 온도에 얼마나 연 관되는지 보여주는 그래프이다.
도 4는 5 kW 시험에 있어서, 가열 섹션 출구의 전형적인 온도 프로파일을 나타낸다.
도 5는 5 kW 시험에 있어서, SPP 샘플의 레올로지 특성(rheological properties)을 나타낸다.
도 6은 5 kW 시험에 있어서, SPP 샘플의 색 측정을 나타낸다.
도 7은 정적 혼합기(static mixer) 없는 60 kW 시험 중에 홀딩 튜브의 입구에서 전형적인 온도 프로파일을 나타낸다.
도 8은 정적 혼합기(static mixer)가 도입된 후 60 kW 시험 중에 홀딩 튜브의 입구에서 전형적인 온도 프로파일을 나타낸다.
도 9 및 10은 바이오물질을 열 처리하기 위해 사용되는 개시된 장치의 대표적인 실시 예의 양상을 나타내는 개략도들이다.
도 11a 내지 11i는 마이크로파 및 RF 투과성이고, 유체가 통과하는 튜브/챔버 및 이를 제조하는 방법의 실시 예에 대한 개략도들이다.
도 12는 2개의 집중된 실린더형 마이크로파 가열기/반응기(focused cylindrical microwave heaters/reactors)를 구비하는 설치된 2-스테이지 연속 흐름 마이크로파 가열기(two-stage continuous flow microwave heater)의 사진이다. - A, B 및 C는 각각 선행하거나, 수반되거나 또는 후행하는 혼합 도구(mixing implementation)의 위치를 나타낸다.
도 13a 내지 13c는 단면 온도 분포를 측정하고 모니터링하기 위한 도구의 그 림 및 사진 이미지들이다. 상기 도구는 물질이 흐르는 방향으로 수직한 면적을 덮는 단면을 제공하는 단일 또는 복수의 다중점 열전쌍 프루브(multi-point thermocouple probe)의 결합이다. 중요 위치(가열기 입구 및 출구 및, 혼합기 입구 및 출구)에 센싱 및 모니터링 도구를 배치하고 이용하는 것은 균일도 및/또는 그 유무를 시험하고 서류화하기 위해 사용되어왔고, 온도 균등화를 달성함에 있어서 다양한 혼합 도구의 효율성을 나타낸다.
도 14a 및 14b는 동일한 시간에 동일 소자를 사용하여, 앞서 언급된 목적 위치(가열기에 선행, 수반 및/또는 후행) 모두에 있어서 기계적 혼합 효과를 제공할 수 있는 예시적인 혼합 소자의 개략도이다. - 이는 상기 영역들으 통해 상기 혼합 성분을 연장함으로써 얻어 질 수 있다. 상기 혼합 성분은 MW 또는 RF 투과성의 물질로 제작되고 노출 영역 내에서 동시에 회전하고 선회하는 움직임을 제공한다. 이는 어떤 성분도 정지되어 있지 않을 것을 확실하게 하고, 상기 투과성의 튜브 또는 챔버 내에서 과열 및/또는 런어웨이 가열(runaway heating) 가능성을 최소화한다.
도 15는 미리 살균된 백에 무균 충전 조건에서 살균된 생산품을 충전하는 것을 보여주는 사진이다. 상기 생산품은 상온유통되는 것이 충분히 증명되었고 상온 저장 조건에서 4개월 저장 후 미생물이 없는 것이 확실하였다.
도 16은 점성이 매우 높고, 열악한 열 전도성 야채 균질 현탁액의 재순환된, 증가된 가열 런 중에 얻어진 온도 측정의 그래프이다: 고구마 퓨레.
도 17은 산업용 살균 레벨에 근접하는 조건의 유량 속도 및 온도 증가에서 기대되고 만날 수 있는 온도 분배를 설명하는 플랏이다. 상기 그래프는 60 kW 마이 크로파 가열 설비의 제1 스테이지 출구에서의 온도를 나타낸다. 온도 분배 및 편차는 상당하다. 만약 상기 바람직하지 않게 가열된 흐름 및 온도 분배가 수정되지 않은 형태로 제2 가열 스테이지로 유입되도록 하면, 극도의 온도 및 압력 조건, 및 해로운 장치 및 설비 오류를 낳을 가능성이 있다.
도 18은 상기 제1 정적(고정된) 혼합 설비(1st static mixer installation)를 통해 통과한 후 동일 흐름의 온도 분배 및 값을 나타내는 플랏이다. 온도 분배는 상당한 레벨에 다다랐고, 이는 오류 가능성에 대한 유려 없이 상기 제2 가열 스테이지로 물질 흐름을 도입하도록 할 수 있다.
도 19는 제2 가열 스테이지 출구의 단면에서 온도 분포를 나타내는 플랏이다. 제1 가열 스테이지 출구에서 기록된 분포보다 훨씬 좁아졌으나; 상기 분포는 여전히 상당히 크다. 벌크 물질 흐름을 위한 온도 증가의 정확한 전달에도 불구하고, 흐름 프로파일의 몇몇 영역은 의도된 살균 레벨 온도에 도달하지 못했다. 만약, 필수적인 혼합 단계 없이, 이 온도 분포가 홀드 섹션에 도입되면, 이 흐름 영역(낮은 온도)은 홀드 튜브 흐름 프로파일의 외부(차가운) 시야계(perimeter)와 접촉할 수 있거나, 접촉 상태로 있을 수 있고, 저장 중에 미생물에 의한 생산품 변질을 초래할 수 있다.
도 20은 제2 가열 스테이지 다음의 제2 정적 혼합기의 단면 출구에서 얻은 온도 분포의 그래프이다. 상기 분포는 분명히 효율적으로 최소화되었고 흐름 단면을 가로지르는 모든 모니터된 온도는 의도된 목적 살균 레벨 온도에 도달하거나 초과하였다. 이는 입구를 거쳐 홀드 튜브 섹션까지 공정 및 미리 정한 시간 동안 미 리 정한 살균 레벨 온도에서 물질을 홀딩하는 것의 안전한 지속을 고려한다. 따라서, 얻어진 생산품의 무균성 및 수반하는 상온유통성이 얻어진다.
도 21 내지 25는 처리하기 어려운, 고점성, 열악한 도전성의 다른 물질- 화이트(Irish) 감자 퓨레(i.e., 으깬 감자) - 에 대한 동등한 가공 및 온도 분포 프로파일 시퀀스를 나타내는 플랏이다. 첨부된 도면은 고구마 생산품에 대해 보여진 그림과 동등하다. - 이는 5 kW 설비를 이용한 재순환된 가열 후에 온도 분포를 포함하고(도 21), 2 스테이지 60 kW 설비의 제1 가열 스테이지의 출구에서 허용할 수 없는 넓은 온도 본포를 포함하고(도 22), 상기 제1 가열 스테이지를 다음의 정적 혼합기를 이용하는 긍정적인 효과 및 온도 변화 및 분포에 있어서 현저한 감소 결과를 포함하고(도 23); 상기 제2 가열 스테이지의 출구에서 온도의 상대적인 넓은 분포를 포함하고(도 24), 마지막으로, 상기 제2 정적 혼합 소자의 수행 후에 거의 완벽한 매우 좁은 온도 분포를 포함한다(도 25). 이는 조절되고, 잘 유지되는 좁은 온도 분포 조건하에서, 공정의 홀딩 섹션으로 물질의 유입을 허여하고, 우수한 공정 및 우수한 상업적 살균, 상온유통의 생산품을 제공한다.
도 26a 및 26b는 5 kW 마이크로파 유닛에 있어서 다양한 온도에서 처리된 당근 퓨레 샘플의 레올로지 특성(rheological properties)을 나타낸다.
도 26a는 주파수의 증가에 따라 모든 당근 퓨레 샘플의 동점성(η*)을 나타내고, 이는 의사가소성 행동(pseudoplastic behavior)을 보여준다. 도 26b는 물질이 약한 겔(weak gel)로써 분류될 수 있는 것을 나타내는, G" 보다 높은 G'를 갖는 당근 퓨레의 기계적 스펙트라(mechanical spectra)의 주파수 의존성을 나타낸다. 이 도면에 있어서, 구조적 네트워크를 해하지 않고 시험된 물질의 동점성(dynamic viscosity) 또는 복합점성(complex viscosity) 및 겔 강도(gel strength)를 모두 평가하도록 하는 작은 스트레인 진동(strain oscillatory) 시험이 샘플에 적용되었다. 이런 비파괴적인 레올로지 테스트는 샘플이 0.01에서 20 Hz의 주파수에서 서서히 진동 스윕(oscillatory sweep)된 것을 제외하고, 도 5에 있어서, 높은 전단율이 강화된 것과 같이, 동일한 스트레스 조절된 유량계(rheometer)(Reologica Instruments AB, Lund, Sweden)를 이용하여 수행되었다.
도 27a 및 27b는 60 kW 마이크로파 유닛에 있어서 다양한 온도에서 처리된 당근 퓨레 샘플의 레올로지 특성을 나타낸다.
도 27a는 주파수가 증가함에 따라 모든 당근 퓨레 샘플의 동점성(η*)에 있어서의 증가를 나타낸다. 도 27b는 물질이 약한 겔(weak gel)로써 분류될 수 있는 것을 나타내는, G" 보다 높은 G'를 갖는 당근 퓨레의 기계적 스펙트라(mechanical spectra)의 주파수 의존성을 나타낸다. 도 27a 및 27b는 또한 η* 및 G'에 있어서 현저한 증가에 의해 나타나는 본딩 및 겔 네트워크의 파괴를 보여준다. 당근 퓨레의 결지성(consistency) 및 겔 강도의 심각한 파괴가 30분 넘는 가열에서 관찰되었다.
도 28a 및 28b는 5 kW 마이크로파 유닛에 있어서 다양한 온도에서 처리된 푸른 완두콩 샘플의 레올로지 특성을 나타낸다.
도 28a는 주파수 증가에 따라, 모든 푸른 완두콩 퓨레 샘플의 동점성(η*)이 증가하는 것을 보여주고, 이는 의사가소성 행동(pseudoplastic behavior)을 보여준다. 도 28b는 상기 푸른 완두콩 퓨레가 약한 겔로 간주될 수 있음을 보여주고, 이는 그 기계적 스펙트라(mechanical spectra)가 G" 보다 큰 G'를 갖는 주파수 의존성을 나타내기 때문이다.
도 29a 및 29b는 60 kW 마이크로파 유닛에 있어서, 다양한 온도에서 처리된 푸른 완두콩 퓨레 샘플의 레올로지 특성을 나타낸다.
도 29a 및 29b는 당근 퓨레와 반대로, 가열되지 않은 샘플에 비해, 푸른 완두콩 퓨레의 η* 및 G' 가 초기에 75 - 110℃로 가열함에 따라 감소하였고, 이후, 높은 온도(120-130℃)에서 현저히 증가한 것을 보여준다. 이 경향은 또한 125℃ 까지 가열되고 6시간 동안 재순환된 샘플들에서 보여졌다.
도 30은 60 kW 시험에서 수집된 푸른 완두콩 퓨레 샘플을 위한 색 결정을 나타낸다. 도 30에 나타난 것과 같이, L* 값(lightness) 및 b* 값(yellowness)은 마이크로파 온도 및 시간(< 5% 감소)에 의해 약간 영향을 받았다. 그러나, 가열되지 않은 샘플을 참조하면, 125℃로 가열된 푸른 완두콩 퓨레의 초록색에서 손실(a* 값)은 약 30% 였다. 통상의 열 처리 공정에서와 같이 125℃에서 가열 시간을 증가하면, 비가열 샘플과 비교하여 상기 퓨레의 초록 색(a* values)은 38% 더 퇴화되었다.
도 31a 및 31b는 130℃로 마이크로파 처리되고 대기 상태에서, 무균 패키지 내에 저장된 고구마 퓨레의 레올로지 시험 결과를 나타낸다. 대기 상태에서 저장은 상기 퓨레의 레올로지 특성에 영향이 없었다. 상기 저장된 샘플들은 냉동 저장된 퓨레의 것들과 견줄만한 동점성(η*) 및 겔 강도(G)를 유지하였다.
도 32는 로컬 고구마 통조림공장(local sweetpotato cannery)에서 직접 구입한 냉동 및 통조림화된 퓨레(통조림화된 고구마 퓨레; 캔 사이즈 no. 10)와 비교하여 마이크로파 고구마 퓨레의 색 값을 나타낸다. 마이크로파 처리는 냉동 퓨레와 비교하여, 25%의 b* 값 (yellowness) 증가, 약간 감소된 a* 값(redness; < 1%) 및 L* 값(lightness; < 2%)을 초래하였다. 22℃에서 3개월간 무균 퓨레의 저장은 a* 및 L* 값들을 각각 2.2% 및 4.5% 더 감소시킨 반면, b* 값은 약 15% 냉동 퓨레보다 높았다. 상기 통조림화된 퓨레는 냉동 퓨레들보다 약 10.5% 및 7.5% 낮은 L* 값을 갖는 어두운 갈색을 가졌다.
도 33 내지 36은 비교된 모든 조건하에서 최악의 경우에 대한 색 퇴화 데이타 및 투영(color degradation data and projection)을 나타낸다.
도 37은 통상의 무균 처리 및 캔화 어프로치에 비교하여 여기에 개시된 MW 공정의 Fo 값 및 Co 값을 비교하는 개략적인 플랏이다.
도 38은 실시 예 10에 적용된 고온 색 퇴화 어셈블리(high-temperature color degradation assembly)의 개략도이다.
도 39는 실시 예 10에 설명된 실험 셋업의 사진이다.
도 40은 실시 예 10에 설명된 샘플 물질과 접촉하는 3 포인트 열전쌍 프루브(3-point thermocouple probe)를 포함하는 스마트 개스켓 포트(Smart gasket port)를 갖는 특별한 트라이-클램프(tri-clamp) 및 샘플 챔버 어셈블리를 보여주는 사진이다.
다음의 실시 예들은 개시된 내용의 모드들을 설명하기 위해 포함되어졌다. 다음의 실시 예들의 어떤 국면들은 개시된 내용을 실제적으로 잘 수행하기 위해 표시된 공동발명자에 의해 발견되거나 계획된 기술 또는 과정에 의해 묘사된다. 이 실시 예들은 공동 발명자의 기준 실시를 나타낸다. 개시된 내용 및 기술분야의 통상의 지식에 기초하여, 당업자는 다음의 실시 예들은 단지 예시적인 것이고, 다양한 변화, 변형 및 개조가 개시된 내용의 범위에서 벗어나는 것 없이 적용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
실시 예 1
고구마 퓨레 제조(Preparation of Sweetpotato Puree )( SPP )
Beauregard 품종(cultivar) 고구마가 5kW 마이크로파 유닛에서, 색 및 유동학(rheological) 분석 시험 및 유전성 측정을 위해, 노스 캐롤라이나 주립대학(Raleigh, North Carolina, United States of America), 식품 과학 학과, 과일 및 야채 파일롯 플랜트에서 제조되었다. 뿌리는 30℃에서 85-90% 상대습도로 7일 동안 큐어(cure)되었고, 13-16℃에서 80-90% 상대습도로 저장되었다. 퓨레는 이전에 묘사된 방법(Truong et al. 1994)으로 제조되었다. 뿌리는 세정되었고, 4분동안 5.5% NaOH의 끓는 용액(104℃)에서 알칼리액으로 껍질을 벗겨내었고(lye-peeled), 분리된 조직 및 알칼리액 잔유물을 제거하기 위해 로타리-릴 스프레이 세정기(rotary-reel sprayed washer) 내에서 완전히 세정되었다. 벗겨진 뿌리는 손으로 손질되었고(hand-trimmed) 상업적인 슬라이서(slicer)(Louis Allis Co. Slicer, Milwaukee, Wisconsin, United States of America)를 이용하여 0.95cm두께의 슬라이스로 잘라졌다. 상기 슬라이스들은 써모스크류 조리기(thermoscrew cooker)(Rietz Manufacturing Co., Santa Rosa, California, United States of America)에서 20분간 쪘고(steam), 0.15cm 스크린으로 맞춰진 해머 밀(hammer mill)(Model D, Fitzpatrick Co., Chicago, Illinois, United States of America)에서 분쇄되었다. 퓨레는 폴리에틸렌 백에 담아졌고, 사용될 때까지 -20℃에서 냉각 및 저장되었다.
60kW 마이크로파 유닛에서 시험 가동을 위해, Beauregard 품종의 냉동 고구마 퓨레가 브라이트 하베스트 스윗포테이토 컴퍼니, Inc.(Bright Harvest Sweetpotato Company, Inc.)(Clarksville, Arkansas, United States of America)에서 구매되었다. 실시 예들에서 사용된 모든 퓨레 샘플들은 80-82%의 수분을 포함하였다.
실시 예 2
유전성 측정( Measurement of Dielectric Properties )
개방형 동축 유전 프루브(open coaxial dielectric probe)(HP 85070B; Agilent Technologies, Palo Alto, California, United States of America)가 SPP 샘플의 유전성을 측정하기 위해 자동화된 네트워크 분석기(HP 8753C; Agilent Technologies)와 함께 사용되었다. 유전성은 300 내지 3000 MHz 주파수 범위에서 541 중간주파수(intermediate frequencies)와 함께 측정되었다. 상기 시스템은 제조사(Agilent 1998)에 의해 제공되는 메뉴얼 지침을 따르는 보정 시컨스(calibration sequence)를 이용하여 보정되었다. 샘플들(<100 g)은 원하는 온도(5℃ 간격으로 1O℃ 에서 145℃ 까지)에 도달하기까지 물 베스(Model RTE111 , Neslab Instruments Inc, Newington, New Hampshire, United States of America) 에서 가열되었다. 이후 샘플들은 유전성(dielectric properties)을 측정하기 위해 절연 블록 내에 놓여졌다. 상기 온도가 설정점(set point)의 2℃ 이내인 것이 확실한 것으로 유전성이 읽혀진 후 상기 온도는 다시 측정된다. 3번의 반복적인 측정이 각각의 동일한 복제된 샘플들(duplicated samples)에 대해 수행되었다.
실시 예 3
레올로지 시험( Rheoloqical Tests )
전단율(shear rate)의 함수로써 고구마 퓨레 점도의 일정한 속도의 측정이 콘 및 플레이트 지오메트리(cone and plate geometry)(C40 4)를 이용하는 스트레스텍 유량계(StressTech rheometer)(Reologica Instruments AB, Lund, Sweden)로 25℃에서 수행되었다. 전단율이 0.1/s 에서 300/s 까지 비스듬히 상승(ramp)하는 것으로써 점도가 기록되었다. 2번의 반복 측정이 각각의 복제된 샘플들에 대해 수행되었다.
실시 예 4
색 분석( Color Analysis )
샘플들의 목적하는 색들이 헌터 칼로리미터(Hunter colorimeter)(Hunter Associates Laboratory Inc., Reston, Virginia, United States of America)로 측정되었다. 결과들은 트라이-스티뮬러스(tri-stimulus) 값으로써 표현되었다: L* (lightness, 0은 블랙, 100은 화이트); a* (-a* = 초록색(greenness), + a* = 붉은색(redness)); 및 b* (-b = 푸른색(blueness), +b = 노란색(yellowness)). 참조 CIE, 1976. 장치(4570° geometry, D25 optical sensor)는 기준 화이트 레퍼런스 타일(standard white reference tile)에 대해 보정되었다(L* = 92.75, a* = -0.76, b* = -0.07). 상기 퓨레 샘플들은 뚜껑으로 덮인 60 x 15 mm 페트리 디쉬(Becton Dickinson Labware, Franklin Lakes, New Jersey, United States of America) 내에 채워졌다. 각 샘플에 대해 6번의 측정이 수행되었고, 평균값이 분석에 사용되었다.
실시 예 5
5 kW 마이크로파 유닛에서의 시험( Tests in a 5 kW Microwave Unit )
연속 흐름 마이크로파 가열 유닛(continuous flow microwave-heating unit)(Industrial Microwave Systems, Morrisville, North Carolina, United States of America)이 SPP 가공을 위해 사용되었다. 상기 유닛은 915 MHz에서 작동하는 5kW 마이크로파 제너레이터, 방향성 결합기(directional coupler)가 부착된 단면이 직사각형인 웨이브가드(waveguide) 및 특별히 디자인된 어플리케이터(applicator)를 포함하였다. 폴리테트라플루오로에틸렌 (polytetrafluoroethylene) (PTFE 또는 TEFLON®) 으로 만들어진 1.5"의 호칭직 경(nominal diameter)(0.038m ID)의 튜브가 어플리케이터의 중앙에 놓여졌다. 마이크로파에 대한 노출 영역은 길이로 0.125m 였다. 마이크로파 제너레이터에 의해 전달된 파워 및 다시 반사된 파워는 상기 방향성 결합체에 위치한 다이오드 및 랩뷰 소프트웨어(LabView software)(National Instruments Corp, Austin Texas, United States of America)의 소프트웨어를 이용하여 측정되었다. 이 소프트웨어는 또한 상기 제너레이터가 생산품에 전달하는 파워의 양을 조절한다.
10ℓ의 SPP가 0.5ℓ/min의 속도로 용적식 펌프(positive displacement pump)(Model MD012, Seepex GmbH+ Co, Bottrop, Germany)를 이용하여 펌프되었다. 다양한 반경 위치에서의 온도들이 Coronel et al . , 2003 에서 묘사된 배열의 열전쌍(thermocouple)을 이용하여 측정되었고, 데이타로거(datalogger)(Keithley DAS-16, Keithley Metrabyte, Taunton, Massachusetts, United States of America)를 이용하여 기록되었다. 상기 생산품이 상기 어플리케이터의 출구에서 필요한 중심선의 온도를 얻는 것을 확보하기 위해, 제너레이터의 파워는 컨트롤 소프트웨어를 이용하여 조절되었다. 상기 생산품은 이후 얼음물 베스에서 냉각되었고 샘플들은 후속 분석을 위해 채취되었다.
실시 예 6
60 kW 마이크로파 유닛에서의 시험( Test in the 60 kW Microwave Unit )
5 kW 유닛의 시험에서 얻어진 결과에 기초하여, 915 MHz에서 작동하는(도 12) 60 kW의 연속 흐름 마이크로파 가열 유닛(Industrial Microwave Systems, North Carolina, United States of America)에서의 시험을 위해 공정 조건이 설정 되었다. 상기 제너레이터에 의해 전달된 파워는 제조사에 의해 제공된 컨트롤 패널에 의해 모니터되었다. 도 1에서 보여진 바와 같이, 각각에 방향성 결합기를 포함하는, 2개의 섹션으로 분리되고 특별히 디자인된 2개의 어플리케이터를 향해 설치된 직사각형 단면의 웨이브가드에 의해, 상기 마이크로파는 생산품으로 전달되었다. PTFE 튜브(0.038 m ID)는 각 어플리케이터의 중심에 놓여졌고 상기 노출 영역들은 각 어플리케이터에서 길이가 0.2 m 였다.
용적식 펌프(Model A7000, Marlen Research Corp., Overland Park, Kansas, United States of America)는 상기 시스템을 통해 생산품을 펌프하기 위해 사용되었다. 온도는 상기 시스템의 입구, 각 어플리케이터의 입구 및 출구, 및 홀딩 튜브 출구에서 측정되었다. 상기 열전쌍의 배열은 Coronel et al . , 2003에 의해 설명되었다. 상기 온도는 데이타로깅 시스템(Datalogging system)(HP 3497A, Hewlett Packard, Palo Alto California, United States of America)을 이용하여 4초 간격으로 기록되었다. 상기 시스템 출구에서의 온도는 상기 마이크로파 시스템에 의해 생성된 파워를 조절함으로써 얻어졌다.
상기 시스템은 130℃로 가열되고 30분 동안 재순환된, NaCl 및 설탕(sugar)의 수용액을 이용하여 우선 살균되었다. 상기 생산품은 135-145℃로 가열되었고, 30초간 방치되었고, 난류 열 교환기에서 빠르게 냉각되었고, 이후 백-인-박스 유닛(Model PT.A.F., Astepo, Parma, Italy)을 이용하여 알루미늄-폴리에틸렌 적층 백(aluminum - polyethylene laminated bags)(Scholle Corp, Chicago, Illinois, United States of America)에 무균상태로 패키지되었다. 퓨레 백(puree bags)은 상 온(22℃)에 저장되었고 2개의 백이 1, 15 및 90일 후 미생물 분석을 위해 무작위로 취해졌다. 기준 플레이트 카운트 애시(standard plate count assay)가 상기 고구마 퓨레 샘플들 내의 전체 호기성 세균(aerobic bacteria)을 계산하기 위해 사용되었다. 50g 샘플들이 50㎖의 살균된 생리 식염수(physiological saline solution)(0.85 NaCl)를 포함하는 살균 필터 백으로 무균상태에서 수송되었고, 상기 백들은 160초 동안 고속으로 Tekmar stomacher (Model TR5T, Tekmar Co., Cincinnati, Ohio, United States of America)를 이용하여 불려졌다(macerate). 상기 stomacher 여과액의 적당한 희석물이 살균 생리 식염수를 이용하여 만들어졌고, 오토플레이트 4000 스피럴 플레이터(Autoplate 4000 spiral plater)(Spiral Biotech)를 이용하여 한쌍의 PCA 한천 플레이트로 스프레이되었다. 상기 PCA 플레이트는 접종되었고 전체 호기성 세균의 수를 세기 위해 48시간 동안 37℃에서 배양되었다. 샘플 희석물은 또한 효모/몰드(mold) 한천(agar) 플레이트 상에 스프레이되고 효모 및 몰드 집락(colony)을 세기위해 접종되었다. 매개체 제조는 다음의 표준 과정에 따라 수행되었다(DIFCO, 1998).
다양한 분석에 대해 데이타가 얻어졌다(SAS Institute, Gary, North Carolina, United States of America). 통계적 시험이 95%(p < 0.05) 신뢰범위에서 수행되었다.
실시 예 1-6의 논의( Discussion of Examples 1-6)
유전성(Dielectric Properties ). 여기에 개시된 고구마 퓨레의 유전성은 Fasina et al ., 2003에 의해 보고된 것과 비교되었고 도 2에 보여졌다. Fasina et al ., 2003에 제시된 유전성의 상호관련은 측정된 값 ε' (유전 상수(dielectric constant)) and ε" (손실 인자(loss factor))와 잘 부합하였다. 농산품(Sipahioglu and Barringer, 2003)에서 관찰된 조성 및 수분의 변화의 결과이기 쉬운 값 ε"에서, 차이점들은 더 현저하였다. 유전 상수에서의 온도의 영향은 915 및 2450 MHz 모두에 대해 유사하였으며 온도가 증가하면 ε'가 감소하였다. 915 MHz에 대해 10℃에서 71.5의 값을 갖고 95℃에서 60.8의 값을 갖으며, 2450 MHz에 대해 10℃에서 67.1의 값을 갖고 95℃에서 61.1의 값을 가졌다. 손실 인자는 증가하는 온도에 대해 ε" 이 증가하는 경향을 따랐다. 915 MHz에 대해 10℃에서 18.1의 값을 가졌고 95℃에서 26.7의 값을 가졌다. 그러나, 2450MHz에서 온도가 증가하면 ε"는 감소하여 10℃에서 18.4의 값을 가졌고 95℃에서 16.1의 값을 가졌다.
상기 어플리케이터에서 사용되는 튜브의 최대 작동 직경(Maximum Operating Diameter:MOD)은 Coronel & Simunovic , 2004에 의해 제안된 방법에 의해 계산되었다. 이는 실린더형 좌표에서 헬름홀츠 방적식(Helmholtz equation)의 해를 포함하고 결과는 도 3에 보여진다. 간단하게, 상기 마이크로파의 침투 깊이는 직경 38 mm(1.5 인치)를 갖는 실린더의 외부에 필드(E)가 일정하다고 간주하여 실린더형 좌표에서 침투 방정식을 풀어서 계산되었다. 미분 방정식이 헬름홀츠 타입의 방정식이었다:
▽2E + γ2E = 0
γ = α + jβ
경계조건( B.C.)
r = R E = E0
γ는 전파상수이고 α 및 β 는 다음과 같이 정의된다:
Figure 112007034213295-PCT00001
상기 방적식의 해는 다음 형태의 베셀 함수(Bessel function)로써 주어졌다:
E(r) = C1J0(γr) + C2Y0(γr)
상수들의 값은 물질의 유전성 및 튜브의 치수에 의존하였다. MOD는 다음에서 직경으로 간주되었다:
Er =o/Eo = 1.
따라서, 상기 최대 작동 직경(MOD)은 단면적을 가로지르는 필수적인 가열을 얻기위해 연속 흐름 공정에서 사용될 수 있는 최대 직경으로써 정의되었다. 이는 서로 다른 온도들에서 계산되었다. 915MHz에 대해, MOD가 10℃에서 0.22m의 값을 갖고 95℃에서 0.12m의 값을 가지며 온도에 따라 감소하는 것이 관찰될 수 있다. 온도와 함께 손실 인자에서의 증가는 열로의 에너지 전환을 더 효과적으로 만들고, 따라서, 침투 깊이 및 그에 따른 M.O.D.가 감소한다.(도 3)
5 kW 마이크로파 유닛에서의 시험( Tests in a 5 kW Microwave Unit ). 생산품 이, 홀딩 타임을 일정하게하고 중심선 출구 온도를 변화시키면서, 상기 5kW 마이크로파 유닛을 이용하여 처리되었다. 원하는 중심선 출구 온도는 110, 130, 및 14O℃였고, 이때 가열 섹션에서 노출 시간은 17초였으며 홀딩 타임은 90초 였다. 생산품은 얼음 물 베스에서 빠르게 냉각되었고 샘플들은 레올로지 성질 및 색 분석을 위해 취해졌다.
큰 온도 차가 어플리케이터의 중심 및 벽 사이에서 관찰되었다. 평균 출구 온도가 각각 80, 101 및 107℃인 경우에, 중심선의 출구 온도가 각각 110, 130 및 140℃인 것에 대한, 최대 및 최소 값의 차이는 35, 40 및 43℃였다. 도 4는 출구 온도가 110 및 130℃인 가열 섹션의 출구에서 튜브 단면의 온도 프로파일을 보여준다. 최대 온도는 튜브의 중심 가까이에서 얻어지고, 최소값은 벽 가까이서 얻어지는 것이 도 4에서 관찰될 수 있다.
서로 다른 중심선 출구 온도로 처리된 샘플의 레올로지 성질이 도 5에 보여진다. 모든 샘플들은 전단 박리화(shear-thinning) 거동을 나타내었다(i.e., 더 높은 전단율에서 더 낮은 점도). 레올로지 거동은 허셀-버클리 모델(Herschel-Bulkley model)(σ = σ0 + Kγn)을 이용하여 모델화되었다. Steffe, 1996.에 설명된 바와 같이, σ는 전단 응력(sheer stress)(Pa), σ0 은 is 일드 스트레스(yield stress), K는 결지성 지수(consistency index)(Pa sn), γ는 전단율(shear rate)(1/s), n은 flow behavior index이다. 변수들의 평균값은 다음과 같았다: 일 드 스트레스(σn)는 89.01 ± 2.67 Pa, 결지성 지수(K)는 18.78 ± 1.76 Pa, 평균 flow behavior index (n)는 0.39 ± 0.07. 도 5에 있어서, 서로 다른 SPP 샘플의 점도는 처리들 사이에 특징적인 차이를 나타내지 않는 것으로 보여질 수 있다.
다른 중심선 출구 온도에 상응하는 샘플의 색 측정이 도 6에 보여진다. 모든 샘플들은 b* 값 (노란색(yellowness); 110℃처리에 대해 5%, 130℃ 및 140℃ 처리에 대해 10%)에 있어서 증가를 나타내었고 a* 값(붉은색(redness); 110℃ 처리에 대해 9%, 130℃ 및 140℃ 처리에 대해 10.5%)에 있어서 감소를 나타내었다. 반면, L*(lightness) 값은 모든 처리에 대해 2% 변화되었다. 색에 있어서 전체 변화(ΔE)가 다음 방정식으로써 표현된다:
ΔE = (ΔL*2 + Δa*2 + Δb*2)1/2
ΔE 값들은 중심선 출구 온도 110, 130, 및 140℃에 대해 각각 10, 20, 및 20 였다.
60 kW 마이크로파 유닛에서의 시험( Tests in a 60 kW Microwave Unit ).
5 kW 마이크로파 유닛에서의 시험으로부터 모은 정보와 함께, 60 kW 유닛을 이용한 시험 런이 상온유통 생산품(shelf-stable product)을 얻기 위한 목적으로 파일롯 플랜트 실험으로써 수행되었다. 유량 속도는 4.0ℓ/min으로 맞춰졌고, 상온유통 생산품을 얻기 위해 필요한 홀딩 튜브의 출구에서의 중심선의 온도는 홀딩 타임 30 초(F0 = 30 분)에 135℃ 였다. 시스템에 의해 생성된 파워는 필요한 중심선 출구 온도를 얻기위해 조절되었다.
5 kW 시험에서 관찰된 바와 같이, 도 7에 보여진 것처럼, 튜브의 중심선(135℃) 및 벽(70℃) 사이의 온도차는 컸다. SPP의 높은 점도로 인해 홀딩 튜브 내에서 혼합이 일어나지 않았다. 그러므로, 벽에 가까운 생산품은 최소한의 열 처리를 받았다(F0 < 0.1 분). 그러나, 상기 생산품은 냉장보관되었고 30일 후에 미생물의 성장은 감지되지 않았다.
생산품 내에서 온도의 비균일성을 최소화하기 위해, 정적 혼합기가 상기 시스템의 각 마이크로파 어플리케이터의 출구에 구비되었다. 가열기의 출구에서 혼합은 열처리 및 생산품의 보관 수명을 향상시키기 위해 가열기의 출구에서 생산품 내의 온도차를 최소화하여야 한다. 제2 실험이 제2 가열기의 출구에서 140℃의 중심선 출구 온도로 수행되었고, 홀딩 타임은 30초 였다. 상기 중심선 온도는 홀딩 튜브의 말단에서 135℃의 최소 온도를 얻기 위해 증가되었다.
단면적을 관통하는 온도들은 생산품의 혼합으로 인해 더 균일하였다. 중심 및 벽의 온도 차는 제1 정적 혼합기 후에 48.4 에서 20.1℃로 감소되었고, 제2 정적 혼합기 후에 37.6 에서 11.7℃로 감소되었다. 홀딩 튜브의 입구에서, SPP는 도 8에 보여진 것과 같이, 최소 온도 135℃ 및 최대 온도 146.7℃ 의 온도 프로파일을 가졌다. 따라서, 가장 빠른 입자(튜브의 중심)는 가장 적은 열 처리를 받았다. 가장 빠른 유체 성분(중심)은 상온유통되어야 하는 생산품을 상업적으로 살균하도록 하는, F0 = 23분과 동일한 열 처리를 받았다. 최종 생산품의 미생물 시험이 미생물 의 파괴를 확인하기 위해 수행되었다. 미생물 시험은 1, 15 및 90일 후에 미생물이 존재하지 않는 전체 플레이트 수, 몰드 및 효모를 나타낸다.
결론( Conclusions ). 무균으로 패키지된 고구마 퓨레가 연속 흐름 마이크로파 가열 시스템을 이용하여 성공적으로 생산되었다. 유연한 플라스틱 컨테이너에 패키지된 상기 결과 생산품은 처리되지 않은 퓨레에 견줄만한 색 및 점도를 가졌고, 보관 안정적이었다. 이 공정은 몇몇 다른 야채 및 과일 퓨레에 적용될 수 있다.
실시 예 7
온도 균등화에서 혼합기의 영향( Effect of Mixers on Temperature Equalization )
앞서 설명된 바와 같이, SPP는 60 kW 유닛에서 처리되었고, 혼합 디바이스없이 제1 및 제2 가열기의 출구에서 열전쌍을 이용하여 상기 물질의 온도가 시험되었다. 도 17 및 19는 흐름 단면을 가로지른 열의 넓은 편차(variation)를 나타낸다. 상기 가열 스테이지에 수반하는 혼합 도구가 필요함이 온도 분배 측정에 의해 나타났고 이전 런(혼합 스테이지 없는 경우)에서 실패한 살균 결과에 의해 증명되었다.
정적 혼합기가 이후 장착되었고 실험이 계속되었다. 도 18 및 20은 흐름의 단면을 가로질러 온도 균등화가 훨씬 좁은 온도 분배에 의해 보여진 바와 같음을 나타낸다.
이 실험들은 화이트 감자 퓨레(i.e., 으깬 감자)를 이용해 반복되었다. 도 22 및 24는 혼합 디바이스 없는 제1 및 제2 가열기의 출구에서 온도 분배를 나타내고, 도 23 및 25는 흐름의 단면을 가로질러 온도 균등화가 훨씬 좁은 온도 분배에 의해 보여진 바와 같음을 나타낸다.
실시 예 8
푸른 완두콩, 당근 및 화이트 감자 퓨레의 처리( Treatment of Green Pea , Carrot, and White Potato Purees )
샘플 제조( Sample preparation ). 냉동된 푸른 완두콩 및 당근 퓨레는 Stahlbush Island Farm Inc. (Corvallis, Oregon, United States of America)로 부터 구입하였다. 냉장된 으깬 감자는 Reser's Fine Foods (Beaverton, Oregon, Unites State of America)에서 제공되었고, 으깬 감자 150 파운드 당 300g의 안토시아닌(anthocyanin) 용액(San Red YM-EX, San-Ei Gen F. F. I. Inc., New Jersey, United States of America) 및 7.5 리터의 물을 부가하여 자줏빛으로 만들었다. 상기 물질들은 고 전단 혼합기(Rotosolver Mixer model 112RS113 with a Baldor 7.5 HP, 1725 rpm motor controlled by a Woods Model WFC2007-5CHT AC Inverter from Admix, Manchester, New Hampshire, United States of America)를 이용하여 완전히 혼합되었다.
푸른 완두콩 및 당근 퓨레는 실시 예 5에 묘사된 바와 같이, 5 kW 마이크로파 유닛을 통해 통과되었다. 제너레이터의 파워는 어플리케이터의 출구에서 75℃, 100℃, 110℃, 120℃, 125℃ 및 130℃의 생산품의 중심선 온도를 얻기 위해 컨트롤 소프트웨어를 이용하여 조절되었다. 마이크로파 가열된 퓨레의 샘플들은 모아진 후, 즉시 얼음물 베스에서 냉각되었고 3-4일 이내의 후속 분석을 위해 4℃에서 저장되었다.
60 kW 마이크로파 유닛으로, 이 야채 퓨레들(푸른 완두콩, 단근 및 감자)이 실시 예 6과 같이 처리되었다. 단, 시스템은 무균 필터에 연결되지 않았다. 상기 마이크로파 가열된 퓨레는 연속적으로 60 kW 시스템 내에서 6시간 동안 재순환되었다. 이때, 중심선의 출구 온도는 125-130℃였다. 샘플들은 시간 간격을 두고 채취되었고 즉시 냉각되었으며 후속의 분석을 위해 4℃에서 저장되었다.
레올로지 시험( Rheological tests ). 역학적인 레올로지 시험(Dynamic rheological test)이 25℃에서 20 mm 평행 플레이트 형태의 스트레스텍 유량계(StressTech rheometer)(Reologica Instruments AB, Lund, Sweden)를 이용하여 수행되었다. 퓨레 샘플들은 유량계의 플레이트로 수송되었다. 상부 플레이트는 1.5 mm 간격을 갖도록 젤(gel) 상에서 낮아졌고 초과 물질은 주변에서부터 정리되었다. 상기 샘플들이 25℃에서 상기 플레이트 상에서 1분 동안 균형을 유지한 후, 작은 스트레인 오실레이토리 테스트(strain oscillatory testing)가 25℃에서 수행되었다. 상기 샘플은 0.01 내지 20 Hz의 주파수 범위에서 진동하여 스윕(oscillatory sweep)되었다. 상기 진동 스트레스는 2Pa에 맞춰졌고, 이는 시험되는 퓨레의 선형 점탄성(linear viscoelastic) 영역 내였다. 저장률(storage modulus) G', 손실률(loss modulus) G", 및 동점성(dynamic viscosity) η* 가 시험되었다. 2회의 반복 측정이 각 퓨레 샘플에 대해 수행되었다.
색 분석( Color Analysis ). 실시 예 4에서 묘사된 바와 같이, 색 분석이 수행되었다.
실시 예 8의 논의( Discussion of Example 8)
당근 퓨레 ( Carrot puree ). 5 kW 마이크로파 유닛에서 다양한 온도에서 처리된 당근 퓨레 샘플들의 레올로지 특성(rheological properties)은 도 26a 및 26b에서 보여진다. 모든 당근 퓨레 샘플의 동점성(η*)은 주파수를 증가시킴에 따라 감소하여(도 26a),의사가소성 행동(pseudoplastic behavior)을 보여준다. 당근 퓨레의 미케니컬 스펙트라(mechanical spectra)는 G" 보다 높은 G'와 함께 주파수 의존성(도 26b)을 보여주었다. 이는 상기 물질이 약한 젤(weak gel)로써 분류될 수 있음을 나타낸다. 75℃에서 130℃로 마이크로파 온도를 증가하는 것은 당근 퓨레의 동점성에 있어서 약간의 증가를 초래하였다.
마이크로파 온도의 영향은 젤 강도(gel strength)(G') 값에 있어서 더 분명하였다(도 26b). 이 현상은 셀 잔해(cell debris)에 결합된 탄수화물(carbohydrate) 성분이, 냉각시 더 많은 네트워크 형성을 초래하는 상기 퓨레의 액체 분(liquid fraction)에 해리(dissociation)되는 것에 기인한다. 흐름 행동에 있어서 마이크로파 온도의 이 영향 및 당근 퓨레의 겔화 특성은 만약 약간 증가된 결지성(consistency)을 원한다면, 프로세서에 유익할 수 있다. 상기 퓨레 점도 및 겔 강도가 가열되지 않은 퓨레의 점도 및 겔 강도로써 유지되어야하는 어떠한 상황에서도 마이크로파 처리 전에 상기 퓨레에 수분 레벨을 조절하는 것은 쉽게 수행될 수 있다.
60kW 유닛에 있어서 당근 퓨레를 재 순환하는 것에 의해 130℃에서 마이크로 파 제공 시간을 연장하는 것은 결합 및 겔 네트워크의 붕괴를 초래하였다. 이는 η* 및 G' 모두에 있어서 현저한 감소로 나타났다(도 27a 및 27b). 단근 퓨레의 결지성(consistency) 및 겔 강도의 심각한 붕괴가 가열 시간 30분이 지나서 관찰되었다. 상기 결과는 야채 퓨레의 통상의 열 처리에 있어서 필요한 장 시간의 공정 및 고온을 필요로 하는 당근 퓨레의 심각한 품질 손상을 나타내었다.
푸른 완두콩 퓨레 ( Green pea puree ). 푸른 완두콩 샘플들의 레올로지 특성이 상기 5kW 마이크로파 유닛에서 다양한 온도에서 처리되었고 이는 도 28에 나타난다. 모든 푸른 완두콩 퓨레 샘플들의 상기 동점성(η*)은 또한, 주파수가 증감함에 따라 감소하여(도 28a), 의사가소성 행동(pseudoplastic behavior)을 보여준다. 푸른 완두콩 퓨레의 미케니컬 스펙트라(mechanical spectra)는 G" 보다 높은 G'와 함께 주파수 의존성(도 26b)을 보여주기 때문에, 상기 푸른 완두콩 퓨레는 약한 겔(weak gel)로써 가주될 수 있다(도 28b).
당근 퓨레와 반대로, 가열하지 않은 샘플과 비교하여, 푸른 완두콩 퓨레의 η* 및 G'는 초기에 75℃에서 110℃로 가열함에 따라 감소하였다. 이후, 고온에서 현저하게 증가하였다(120-130℃). 이 경향은 또한 60kW 유닛 실험에서 수집된 샘플들 사이에서도 나타났다. 여기서, 푸른 완두콩 퓨레는 125℃까지 가열되었고 6시간 동안 재순환되었다(도 29). 이 현상은 젤라틴화(gelatinization) 및 멜팅을 위한 높은 에너지 주입을 필요로 하는, 높은 결정상태(crystallinity) 및 조밀한 분자 구조(Bogracheva et al ., 1998)를 갖는 완두 녹말의 높은 아밀로오즈 함량(35%) 및 그것의 C형 과립 구조에 기인할 수 있다. 여기서 설명된 마이크로파 기술로써 빠른 가열 고온 공정은 원하는 결지성(consistencies) 및 젤 특성을 갖는 생산품으로 상기 완두 퓨레를 가공함에 있어 유리할 것이다.
또한, 60kW 시험에서 수집된 상기 푸른 완두콩 샘플의 색이 결정되었다. 도 30에서 나타난 것과 같이, L* 값(lightness) 및 b* 값(노란 정도)이 마이크로파 제공 온도 및 시간에 약간 영향을 받았다(< 5% 감소). 그러나, 녹색의 손실(a* 값)이 가열되지 않은 샘플을 기준으로 125℃로 가열된 푸른 완두콩 퓨레에 대해 약 30%였다. 통상의 열 공정과 같이 125℃에서 가열 시간을 증가시킴으로써, 상기 퓨레의 녹색(a* 값)은 가열되지 않은 샘플과 비교하여 38% 더 감소하였다.
실시 예 9
마이크로파 처리된 SP 퓨레의 보관 안정성( Shelf Stability of Microwaved SP Purees )
Beauregard 품종의 냉동된 고구마 퓨레는 Bright Harvest Sweetpotato Company, Inc. (Clarksville, Arkansas, United States of America)에서 구입되었다. 해동된 퓨레는 60kW 유닛을 이용하여 살균되었고 실시 예 6에서 설명된 바와 같이 무균 패키지되었다. 무균 고구마 퓨레의 패키지는 상온(22℃)에서 저장되었고, 2개의 백(bag)이 1일, 2주, 3개월, 6개월 및 18개월 후에 미생물 분석을 위해 무작위로 취해졌다. 기준 플레이트 카운트 분석 평가(Standard plate count assay)가 상기 고구마 퓨레 샘플들에 있는 모든 호기성 박테리아, 효모 및 몰드 수를 세 기 위해 사용되었다(실시 예 6). 전체 호기성 박테리아, 효모 및 몰드에 대한 미생물 시험 결과는 22℃에서 1일, 2주, 3개월, 6개월 및 18개월 동안 저장된 상기 퓨레 샘플들에서 미생물의 성장이 없었음을 보여준다.
레올로지 시험 및 헌터 색 측정(Rheological tests & Hunter color measurements)이 푸른 완두콩 및 당근 퓨레들에 대해 실시 예 8에서와 같이 수행되었다. 도 31에서 나타난 바와 같이, 130℃에서의 고구마 퓨레의 마이크로파 처리 및 상온에서의 무균 패키지의 저장은 상기 퓨레의 레올로지 특성에 영향이 없었다. 상기 저장된 샘플들은 냉동 저장된 퓨레의 것과 견줄만한 동점성(η*) 및 겔 강도(G')를 유지하였다.
냉동 및 통조림화된 퓨레들(로컬 고구마 통조림 공장에서 직접 구입된 통조림화된 고구마 퓨레(캔 사이즈 no. 10): Bruce Foods Corporation, Wilson, North Carolina, United States of America)과 비교하여 마이크로파 처리된 고구마 퓨레의 색 값이 도 32에 보여진다. 냉동 퓨레와 비교하여, 마이크로파 가공은 b* 값에 있어서 25%(yellowness) 증가, a* 값에 있어서 약간의 감소(redness; < 1%), L* 값에 있어서 약간의 감소(lightness; < 2%)를 나타내었다. 22℃에서 3개월 동안의 무균 퓨레의 저장은 a* 값 및 L* 값에 대해 각각 2.2% 및 4.5% 더 감소하였고, 반면, b* 값은 냉동 퓨레보다 약 15% 높았다. 상기 통조림화된 퓨레는 냉동 퓨레보다 약 10.5% 및 7.5% 낮은 L* 값을 갖는 어두운 갈색이었다.
실시 예 10
색 퇴색 데이타 및 변질( Color Degradation Data and Projections )
여기서 개시된 빠른 가열 방법 및 장치의 장점을 묘사하기 위해, 색과 같은 생산품의 가장 민감한 품질 특성에 대한 일련의 실험 측정이 수행되었다.
색은 상기 패키지를 개봉하였을 때, 산업상 사용자, 요리사 및/또는 소비자가 이용할 수 있는 첫번째 품질 특성에 대한 증거이다. 이는 또한 많은 목적하는 물질(야채 및 과일 퓨레, 균질 현탁액(homogenates) 및 펄프(pulps))에 대한 가장 공정에 민감한 특성 중 하나이다. 목표로 하는 식품 또는 바이오물질가 공정 레벨 온도에서 열에 노출되었을 때, 이 민감도는 색 특성의 빠른 퇴색에 의해 나타난다. 감각 기관 이용(육안 검사) 및 기구 이용(색 측정)에 의해 평가된 상기 색은 처리 및 후속의 저장 중(밀봉 및 개봉된 상태 모두에 있어서)에 빠르고 종종 심각한 퇴보를 겪는다.
통상의 무균 급속 마이크로파 열 살균 중 노출되는 온도 중 대표적인 온도 레벨에서 색 퇴색을 측정하기 위해, 그리고 여기에 개시된 조건 및, 디바이스 및 과정의 조합하에서 독특한 실린더형 마이크로파 가열기 디바이스를 이용하여 얻은 열 처리의 속도에 의해 제공된 장점을 명확하게 증명하기 위해, 색 측정, 기록 및 비교의 새로운 방법이 발명되었다.
개략적인 고온 색 퇴색 어셈블리(high-temperature color degradation assembly)가 도 38에 도시되었다. 도 38의 왼쪽 부분은 이미지 및 온도 컨트롤 및 포착 장치이고, 도 38의 오른쪽 부분은 실시간으로 공정 온도에서 시험된 물질의 색 측정 및 이미지 포착을 가능하게 하는 이미지 포착 포트를 형성하기 위해 사용되는 컴포넌트를 보여준다.
온도레벨을 디지털 방식으로 조절할 수 있는 순환하는 오일 베스(circulating oil bath)(Model RTE 111 , Neslab Inc., Newington, NH, USA)를사용하여, 목적 물질을 포함하는 시험 챔버를 선택된 공정 온도 레벨로 예열하였다. 본 출원에 의해 개시된 마이크로파 무균 살균 시스템뿐만 아니라, 통상의 연속 흐름 무균 시스템의 실제 작동 조건(목적 온도)의 가장 대표적인 온도 레벨은 약 140℃이다. 그러므로, 오일 베스 시스템은 샘플을 포함하는 시험 챔버를 예열된 오일 베스 내에 잠기게 하기 전에 140℃로 예열되었다.
또한, 앞서 설명된 실험적 셋업은 도 39 및 40에 도시된다.
최소로 적은 양(빠른 예열을 위해)을 포함하기 위해 시험 챔버는 1.5 인치 직경의 스마트 개스켓(Smart Gasket)(Model G-TH-150-S-1, Rubber Fab, Andover, NJ, USA)으로부터 조립되었다; 이는 상기 시험 챔버 내에 포함된 물질의 부피를 정한다. 상기 개스켓은 상기 시험 물질 자체와 직접 접촉하도록 놓인 프루브 팁에 6mm 공간 내에 3개의 타입 T 열전쌍 리드들을 포함하는 피하 3 포인트 열전쌍 프루브(hypodermic three-point thermocouple probe)(Model MT-23/20(3), Physitemp Instruments, Inc., Clifton, NJ, USA)로 맞춰졌다. 상기 챔버 바닥은 트라이-클램프 개스켓 그루브(tri-clamp gasket groove)(Model 16AMP-2-1.5-T316L,Waukesha Cherry- Burrell, Delavan, Wl, USA)를 갖는 1.5 인치 스텐레스 스틸 위생 캡을 이용하여 형성되었다; 반면, 탑(top)은 포함된 샘플의 직경에 맞는 내부를 볼 수 있는 윈도우 직경을 갖는 퓨즈를 단 고온 유리 및 스틸로 만들어진 투명한 뷰 포트(Model Fuseview SS-15-FVTRI-FL, J. M. Canty Ltd, Dublin, Ireland)로 맞춰진다.
상기 3 포인트 열전쌍 프루브를 이용하여 획득된 온도는 12-채널 스캐닝 온도계(Model 692-000, Barnant Company, Barrington, IL1 USA)를 이용하여 측정되었고, 4초 마다 얻어졌으며 일종의 랩탑 컴퓨터의 시리얼 포트 연결을 이용하여 기록되었다. 상기 시스템의 전형적인 이미지가 도 40에 도시된다. 상기 이미지는 상기 샘플 물질과 접촉하는 3 포인트 열절쌍 프루브를 포함하는 스마트 개스켓 포트를 갖는 특별한 트라이-클램프를 포함하는 샘플 챔버 어셈블리를 보여준다. 256*256 픽셀 서브-샘플이 색 퇴색 분석에 사용되어온 샘플 표면을 나타내기 위해 하얗게 표시되었다.
샘플 챔버의 내부를 볼 수 있는 윈도우가 위를 보도록 위치되었다. 결과적으로 목적 물질의 정기적 이미지가 4초마다 디지털 카메라(Model D70, Nikon Instruments, Melville, NY, USA)에 의해 캡쳐될 수 있었다. 상기 이미지는 가공되지 않고 압축되지 않은 디지털 형태(Nikon Electronic Format)로 캡쳐되었고, 파일 압축없이 아도브 포토샵(Adobe Photoshop)으로 읽을 수 있는 TIF 파일 형태로 전환되었으며, 아도브 포토샵 소프트 웨어 버전 5.5로 옮겨져서 노출된 목적 물질의 256*256 픽셀 어레이를 포함하도록 잘라졌다. 상기 줄여진 부분 이미지들의 L, a, 및 b의 평균 색 값은 Photoshop Histogram Function을 이용하여 측정되었다. 공정 온도에 노출 시간에 대해 색 성분 L, a, 및 b의 값을 플랏하기 위해, 얻어진 값들은 이후 마이크로소프트 엑셀 프로그램(Microsoft Office 2000 Software package)의 차트 기능을 이용하여 140℃의 온도에서 챔버의 노출시간에 대해 플랏되었다.
마이크로소프트 엑셀 차트 기능 트랜드라인은 140℃에 대한 노출시간에 대해 선형 퇴화선(linear regression line)을 생성하기 위해 사용되었고 색 성분(L, a* 및 b*)의 퇴화를 나타내기 위해 산출되었다. 빠른 MW에 기초한 공정을 위한 홀드 시간뿐만 아니라 여기에 개시된 공정의 예열을 위한 노출 시간 중 기록상 가장 안 좋은 경우의 시간들이 통상의 무균 예열(1 gal/min 의 유량속도에서 튜브 열 교환기내에서 1.5 인치 내부 직경 튜브의 약 200 feet를 통해 펌프된 생산품)의 노출을 위한 가장 안 좋은 경우의 시간에 대해 계산된 값과 비교되었다. 동일한 홀드 시간 및 온도가 두 공정(MW에 기초한 예열 및 통상의 예열) 모두에 대해 가정되었다.
도 33 내지 36은 140℃ 온도의 오일 베스 예열에서 앞서 설명된 장치 및 방법론을 이용하여 수행된 실시간 색 퇴색 측정의 결과를 나타낸다.
도 33 내지 36(푸른 완두콩 퓨레, 당근 퓨레, 안토시아닌으로 염색된 화이트 감자 퓨레 및 고구마 퓨레) 각각에서, 표시된 공정 시간에 대한 색 품질을 나타내는 5개의 레퍼런스(reference)가 있다: 원 물질(raw material)(처리 전), MW 예열된 물질(MW 가열기 및 인라인 혼합기로부터 배출), MW 살균된 물질(홀드 튜브 세그먼트로부터 배출); 통상적인 예열(튜브 열 교환기내의 전형적인 튜브로부터 배출) 및 통상적인 살균(통상의 열 교환기를 이용하여 예열 후 홀드 튜브로부터 배출).
4개의 시험되고 설명된 물질 모두에 대해, 살균 레벨 온도에서 현저한 속도로 색 퇴화가 순간적으로 개시되고 빠르게 계속되는 것은 명백하다. 제안된 MW 또는 RF 에너지 소스를 이용하여 수행되는 빠른 가열의 장점은 이 플롯들로부터 분명하게 드러난다.
빠른 MW 또는 RF 예열에 제공된 물질의 색 품질은 최소로 퇴화되었고 거의 원 재료 물질에 동일하게 나타난 것으로 말할 수 있다. 최종 살균 온도에 생산품을 유지하는 데 소요되는 시간으로, 색 품질에 대해 약간의 퇴화적인 영향을 줄 수 있다; 그러나 통상적인 무균 예열 및 홀딩에 대한 최악의 경우에 비교할 때, 이 퇴화적인 변화는 최소한의 것이다.
가공된 물질의 초기 품질이 어떠하였는지와 상관없이 여기에 개시된 내용을 이용한 빠른 가열은 분명히 장점을 가지며(i.e. 통상의 예열에 의한 물질의 색 품질에 가해진 손상은 항상 빠른 가열에 의한 퇴화보다 현저히 더 클 것이다.) 홀딩중에 시간-온도 노출이 동일하다고 가정하면 2개의 누적되는 처리 사이의 차이는 분명하게 그리고 일관되게 여기서 설명된 빠른 MW/RF 가열을 지지한다.
다시 말해, 패키징시(시간 0) 제안된 MW/RF에 기초한 처리에 의해 보존된 생산품의 색 품질은 통상적으로 처리된 생산품보다 우월할 것이다.
색 품질 퇴화뿐만 아니라, 일반적으로 품질 퇴화는 패키지된 생산품이 저장되는 동안 계속될 것이다. 이 퇴화되는 과정의 속도 및 정도는 일반적으로 저장 조건 및 개봉전의 수송에 의존할 것이다. 그러므로, 만약 MW/RF 살균된 생산품 및 통 상적으로 무균 살균된 생산품 모두 동일한 일련의 후 패키징 저장, 수송 및 분배 조건의 대상이 되면; MW/RF 살균된 생산품은 일정한 품질을 유지하는 장점을 가질 것이다. 왜냐하면, 본래의 색 품질 성분이 패키징되어 있는 동안 보존되는 정도가 훨씬 크기 때문이다.
그러므로, 동일한 초기 조건(원 재료의 품질, 노출 및 남용 히스토리) 및 동일한 후반 조건(저장, 수송 및 분배)에서; 설명된 MW/RF 살균 방법에 의한 생산품은 상기 조건들과 무관하게 통상의 열 살균에 의한 생산품과 비교하여 우수한 품질을 가질 것이다.
참조문헌
명세서에 인용된 특허 및 비특허 문서를 포함하여 모든 참조문헌뿐만 아니라, 아래에 나열된 참조문헌이, 보충하고, 설명하고, 배경지식을 제공하고 또는 여기서 적용된 방법, 기술 및/또는 조성물을 지시하는 범위에 참조문헌으로 여기서 결합된다.
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Figure 112007034213295-PCT00003
Figure 112007034213295-PCT00004
개시된 내용의 다양한 세부 내용이 개시된 내용의 범위를 벗어나지 않는 한도에서 변화될 수 있다. 더욱이, 앞서 말한 묘사는 단순한 설명의 목적이고 본 발명을 제한하려는 것은 아니다.
식품원료(foodstuffs)의 수확에서 소비자에 대한 공급까지 상온유통시킬 수 있도록 미생물의 성장을 억제하기 위한 효과적인 열 처리 장치 및 방법을 제공하여 식품 산업에 이용될 수 있다.

Claims (59)

  1. (a) 적어도 일부가 전자기 복사를 투과하는 도관을 통해 흐름가능 물질이 연속적으로 통과하는 단계;
    (b) 전자기 복사를 투과하는 상기 도관의 적어도 일부를 노출함으로써 상기 흐름가능 물질을 가열하는 단계; 및
    (c) 상기 흐름가능 물질의 적어도 일부에 있어서 열 균등화를 제공하기 위해 상기 흐름가능 물질을 혼합하는 단계를 포함하고, 상기 흐름가능 물질은 열처리 장치를 통해 연속 흐르게 하는 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열적으로 처리하기 위한 공정.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 흐름가능 물질은 일정한 유량속도로 흐르는 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열적으로 처리하기 위한 공정.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열은 일정한 가열 파워 입력에 의하거나, 흐름 가능한 바이오물질을 위한 가열 출구에서 상기 흐름가능 물질은 일정한 질량 평균 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열적으로 처리하기 위한 공정.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 흐름가능 물질은 레올로지 특성, 유전성 및 열 물성(thermophysical property) 또는 이들의 결합 중 적어도 하나에 기초하여 선택되는 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열적으로 처리하기 위한 공정.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 흐름가능 물질은 바이오물질인 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열적으로 처리하기 위한 공정.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 바이오물질은 식품 바이오물질인 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열적으로 처리하기 위한 공정.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 식품 바이오물질은 레올로지 특성, 유전성 및 열 물성 또는 이들의 결합 중 적어도 하나에 기초하여 선택되는 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열적으로 처리하기 위한 공정.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열하는 단계는 상기 흐름가능 물질에 있어서, 적어도 1℉/sec 또는 0.5℃/sec로 평균 벌크 온도의 증가 속도를 초래하는 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열적으로 처리하기 위한 공정.
  9. 제 8 항에 있어서,
    하나 또는 그 이상의 부가적인 가열 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열적으로 처리하기 위한 공정.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 하나 또는 그 이상의 부가적인 가열 단계는 상기 흐름가능 물질에 있어서 적어도 1℉/sec 또는 0.5℃/sec로 평균 벌크 온도의 증가 속도를 초래하는 상기 가열에 선행하거나, 동반하거나 또는 뒤따르는 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열적으로 처리하기 위한 공정.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열하는 단계는 상기 흐름가능 물질 자체의 최대 온도 레벨을 초과하는 온도를 갖는 표면과 상기 흐름가능 물질을 접촉하는 것에 의한 가열이 실질적으로 배제된 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열적으로 처리하기 위한 공정.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자기 복사는 약 1 X 10-4 m 또는 그 보다 큰 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열적으로 처리하기 위한 공정.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자기 복사는 약 3 X 1012 wave/sec 또는 이 보다 작은 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열적으로 처리하기 위한 공정.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합하는 단계는 상기 가열하는 단계 전, 상기 가열하는 단계 중, 상기 가열하는 단계 후 및 이를 결합하여 일어나는 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열적으로 처리하기 위한 공정.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합하는 단계는 상기 흐름가능 물질이 흐르는 단면의 형태를 변형함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열적으로 처리하기 위한 공정.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합하는 단계는 수동적으로, 능동적으로 또는 능동 및 수동 모두에 의 해 일어나는 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열적으로 처리하기 위한 공정.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 흐름가능 바이오물질은 가열된 표면에 영향을 받지 않는 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열적으로 처리하기 위한 공정.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 혼합하는 단계는 적어도 하나의 수동, 능동 또는 상기 수동 및 상기 능동 혼합 소자를 이용하여 수행되고, 상기 혼합 소자는 고온의 상기 흐름가능 물질 영역 및 저온의 상기 흐름가능 물질 영역 사이의 열 교환 및 물리적 접촉을 증가시키고, 상기 열 교환 및 상기 물리적 접촉은 상기 혼합 소자 없이는 일어날 수 없는 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열적으로 처리하기 위한 공정.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 혼합 소자가 없는 경우의 상기 흐름가능 물질을 가로질러 온도 분배 변화에 비교하여, 상기 혼합하는 단계는 상기 흐름가능 물질을 가로질러 온도 분배 변화에 있어서 적어도 10%의 감소를 제공하는 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열적으로 처리하기 위한 공정.
  20. 제 18 항에 있어서,
    전자기 복사에 노출되는 상기 도관의 일부인 입구의 하나 또는 그 이상의 지점, 내부의 하나 또는 그 이상의 지점, 하나 또는 그 이상의 출구 및 이들의 결합을 포함하는 그룹에서 선택된 위치에 상기 혼합 소자를 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열적으로 처리하기 위한 공정.
  21. 제 1 항에 있어서,
    냉장 저장을 위해 상기 흐름가능 물질을 패키징하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열적으로 처리하기 위한 공정.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열하는 단계 및 상기 혼합하는 단계는 상기 흐름가능 물질의 살균 및 저온살균 중 하나를 하기 위해 충분한 시간 동안 충분한 온도를 제공하는 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열적으로 처리하기 위한 공정.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 흐름가능 물질을 무균으로 패키징하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열적으로 처리하기 위한 공정.
  24. 제 1 항에 있어서,
    상기 흐름가능 바이오물질이 접촉하는 표면은 상기 흐름가능 바이오물질을 도입하기 전에 살균되는 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열적으로 처리하기 위한 공정.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 흐름가능 물질을 미리 정해진 시간 동안 미리 정해진 온도에서 홀딩하는 단계, 살균된 패키지에 무균 상태에서 상기 흐름가능 물질을 냉각하는 단계, 패키징하는 단계 및 밀봉하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열적으로 처리하기 위한 공정.
  26. 제 22 항에 있어서,
    상기 흐름가능 물질과 접촉하는 패키지 표면을 동시에 살균하기 위해 대기압 및 가압 상태 중 하나의 조건하에서 비살균 패키지 내로 미리 정해진 온도레벨에서 상기 흐름가능 물질이 채워지고 이후 상기 패키지가 밀봉되는 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열적으로 처리하기 위한 공정.
  27. 제 1 항의 흐름가능 물질을 열적으로 처리하기 위한 공정에 따라 생산된 생산품.
  28. 참조 바이오물질을 위해 미리 정해진 처리 온도보다 높게 유지되는 온도를 갖는 표면과 상기 참조 바이오물질을 접촉하는 단계를 포함하는 열처리 방법을 사 용하여 살균된 상기 참조 바이오물질와 비교하여 더 크게 보존되는 하나 또는 그 이상의 품질 특성을 갖는 상업적으로 살균된 바이오물질.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 하나 또는 그 이상의 품질 특성은 약 25℃에서 적어도 12주 저장되는 동안 보존되는 것을 특징으로 하는 상업적으로 살균된 바이오물질.
  30. 제 28 항에 있어서,
    상기 하나 또는 그 이상이 품질 특성은 영양소 함량, 색, 기질, 맛 및 일반적 외관을 포함하는 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 상업적으로 살균된 바이오물질.
  31. 제 28 항에 있어서,
    상기 바이오물질은 밀봉하거나, 상온유통 및 밀봉과 상온유통 모두 중 하나인 것을 특징으로 하는 상업적으로 살균된 바이오물질.
  32. 제 28 항 내지 31 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오물질은 고구마인 것을 특징으로 하는 상업적으로 살균된 바이오물질.
  33. (i) 식품 바이오물질은 냉장용으로 패키지된 것, 밀봉된 것, 상온유통인 것, 냉장 및 상온유통으로 패키지된 것 모두, 및 밀봉 패키지 및 상온유통인 것 모두 중 하나이고;
    (ii) 상기 식품 바이오물질은 고구마 또는 화이트(e.g., Irish) 감자이고, 선택적으로 퓨레이며;
    열 처리 하에서 생산품을 더 안정적으로 하는 첨가제에 한정되지 않는 보존제 또는 산미료(acidulant)가 선택적으로 상기 바이오물질에 부가되지 않지만, 선택적으로 물, 염, 향신료, 조미료, 필링제(peeling agent) 및/또는 소디움 엑시드 피로포스페이트(sodium acid pyrophosphate) 및 다른 항갈변(anti-browning) 첨가제는 부가되거나 존재할 수 있고,
    참조 식품 바이오물질을 위해 미리 정해진 처리 온도보다 높게 유지되는 온도를 갖는 표면과 상기 참조 식품 바이오물질을 접촉하는 단계를 포함하는 열처리 방법을 사용하여 살균된 상기 참조 식품 바이오물질와 비교하여 더 크게 보존되는 하나 또는 그 이상의 품질 특성을 갖는 상업적으로 살균된 식품 바이오물질.
  34. 동일 타입의 처리되지 않은 식품 바이오물질의 품질 프로파일과 실질적으로 부합하는 하나 또는 그 이상의 품질 특성을 포함하는 품질 프로파일을 갖고, 상업적으로 살균되고 상온에서 안정하게 열처리된 식품 바이오물질.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 품질 특성은 영양소 함량, 색, 기질, 맛 및 일반적 외관을 포함하는 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 열처리된 식품 바이오물질.
  36. 제 35 항에 있어서,
    상기 식품 바이오물질은 밀봉 패키지된 것을 특징으로 하는 열처리된 식품 바이오물질.
  37. 제 34 항에 있어서,
    상기 식품 바이오물질은 고구마인 것을 특징으로 하는 열처리된 식품 바이오물질.
  38. (i) 열 처리된 식품 바이오물질은 상업적으로 살균된 것, 냉장용으로 패키지된 것, 밀봉하여 패키지된 것, 상온유통인 것 및 이들의 결합 중 하나인 것이고;
    (ii) 상기 식품 바이오물질은 고구마 또는 화이트(e.g., Irish) 감자이고, 선택적으로 퓨레이며;
    열 처리 하에서 생산품을 더 안정적으로 하는 첨가제에 한정되지 않는 보존제 또는 산미료(acidulant)가 선택적으로 상기 바이오 물질에 부가되지는 않지만, 선택적으로 물, 염, 향신료, 조미료, 필링제(peeling agent) 및/또는 소디움 엑시드 피로포스페이트(sodium acid pyrophosphate) 및 다른 항갈변(anti-browning) 첨가제는 부가되거나 존재할 수 있고
    동일 타입의 처리되지 않은 식품 바이오물질의 품질 프로파일과 실질적으로 부합하는 하나 또는 그 이상의 품질 특성을 포함하는 품질 프로파일을 갖고, 상업적으로 살균되고 상온유통되는 열처리된 식품 바이오물질.
  39. (a) 적어도 일부가 전자기 복사에 투과성이고, 흐름가능 물질을 수용하기 위한 도관;
    (b) 상기 도관의 적어도 일부에 전자기 복사를 제공하기 위한 소자; 및
    (c) 상기 흐름가능 물질의 적어도 일부에 열 균등화를 제공하기 위해 상기 도관 내 또는 상기 도관을 따라 배치된 혼합 구조물을 포함하는 흐름가능 물질을 열 처리하기 위한 장치.
  40. 제 39 항에 있어서,
    상기 전자기 복사는 약 1 X 10-4 m 또는 그 이상의 파장에서 제공될 수 있는 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열 처리하기 위한 장치.
  41. 제 39 항에 있어서,
    상기 전자기 복사는 약 3 X 1012 wave/sec 또는 그 이하의 주파수에서 제공될 수 있는 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열 처리하기 위한 장치.
  42. 제 39 항에 있어서,
    상기 혼합 구조물은 상기 도관의 변형되는 단면 형태를 포함하는 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열 처리하기 위한 장치.
  43. 제 39 항에 있어서,
    상기 혼합 구조물은 하나 또는 그 이상의 수동 혼합 구조물, 하나 또는 그 이상의 능동 혼합 구조물 또는 둘다를 포함하는 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열 처리하기 위한 장치.
  44. 제 43 항에 있어서,
    수동, 능동 또는 수동 및 능동 모두의 혼합 구조물의 조합을 포함하고, 상기 혼합 구조물은 고온 레벨의 흐름가능 물질 영역 및 저온 레벨의 상기 흐름가능 물질 영역 사이의 물리적 접촉 및 열 교환을 증가시키고, 상기 물리적 접촉 및 상기 열 교환은 상기 혼합 구조물 없이 일어날 수 없는 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열 처리하기 위한 장치.
  45. 제 43 항에 있어서,
    상기 혼합 구조물이 없는 상기 흐름가능 물질을 가로지른 온도 분배 변화(표준 편차)에 비교하여, 상기 혼합 구조물은 상기 흐름가능 물질을 가로지른 온도 분배 변화(표준 편차)에 있어서 적어도 10%의 감소를 제공하는 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열 처리하기 위한 장치.
  46. 제 43 항에 있어서,
    전자기 복사에 노출되는 상기 도관의 일부인 입구의 하나 또는 그 이상의 지점, 내부의 하나 또는 그 이상의 지점, 하나 또는 그 이상의 출구 및 이들의 결합을 포함하는 그룹에서 선택된 위치에 상기 혼합 구조물을 포함하는 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열 처리하기 위한 장치.
  47. 제 39 항에 있어서,
    상기 도관을 통해 일정한 유량 속도로 흐름을 조절하기 위한 제어 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열 처리하기 위한 장치.
  48. 제 39 항에 있어서,
    상기 도관을 통해 적어도 약 0.25gal/min의 부피 유량 속도로 흐름을 조절하기 위한 제어 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열 처리하기 위한 장치.
  49. 제 39 항에 있어서,
    상기 도관 내에서 흐름가능 물질을 가열하여 상기 흐름가능 물질에 있어서 적어도 1℉/sec 또는 0.5℃/sec로 평균 벌크 온도의 증가 속도가 일어날 수 있도록 하는 전자기 복사를 제공하기 위해 상기 소자의 파워 레벨을 조절하기 위한 제어 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열 처리하기 위한 장치.
  50. 제 39 항에 있어서,
    흐름가능 물질을 가열하는 것은 상기 흐름가능 물질 자체의 최대 온도 레벨을 초과하는 온도를 갖는 표면과 상기 흐름가능 물질을 접촉하는 것에 의한 가열이 실질적으로 배제되고, 상기 도관을 가열하는 것보다 높은 속도로 상기 도관 내의 흐름가능 물질을 가열하는 전자기 복사를 제공하기 위해 상기 소자의 파워 레벨을 조절하기 위한 제어 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열 처리하기 위한 장치.
  51. 제 39 항에 있어서,
    전자기 복사를 제공하기 위한 상기 소자의 파워 레벨을 일정하게 유지될 수 있도록 조절하기 위한 제어 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열 처리하기 위한 장치.
  52. 제 39 항에 있어서,
    전자기 복사를 제공하기 위해 상기 소자의 파워 레벨을 조절하기 위한 제어 소자를 포함하고, 상기 파워 레벨은 미리 정해진 질량 유속으로 흐르는 상기 흐름가능 바이오물질fdp 미리 정해진 열 처리를 제공하기 위해 미리 정해진 레벨로 맞 춰지도록 자동적으로 또는 메뉴얼로 미리 설정될 수 있는 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열 처리하기 위한 장치.
  53. 제 39 항에 있어서,
    냉장 저장을 위한 상기 흐름가능 물질을 패키징하는 것, 상기 흐름가능 물질을 무균상태에서 패키징하는 것 및, 상기 냉장 저장을 위한 상기 흐름가능 물질을 패키징하는 것 및 상기 흐름가능 물질을 무균상태에서 패키징하는 것 모두 중 하나를 위한 패키징 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열 처리하기 위한 장치.
  54. 제 39 항에 있어서,
    상기 도관과 유체 소통을 위해 맞춰진 홀드 튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열 처리하기 위한 장치.
  55. 제 39 항에 있어서,
    상기 흐름가능 물질의 도입 전에 상기 흐름가능 물질은 상업적으로 살균된 표면에 접촉되는 것을 특징으로 하는 흐름가능 물질을 열 처리하기 위한 장치.
  56. 제 33 항 또는 38 항에 있어서,
    상기 패키지는 어떠한 표준 사이즈도 될 수 있으며, 개개의 사이즈에 제한되 지 않도록 포함하는 것을 특징으로 하는 생산품.
  57. 제 33 항 또는 38 항에 있어서,
    상기 패키지 내에서 상기 식품 바이오물질의 부피는 타입 10 캔 내에 수용할 수 있는 식품 바이오물질의 부피를 초과하는 생산품.
  58. 열 처리에 대한 식품 바이오물질의 안정성을 향상시키는 첨가제에 한정되지 않는 보존제 또는 산미료(acidulant)가 상기 바이오 물질에 부가되지는 않지만, 선택적으로 물, 염, 향신료, 조미료, 필링제(peeling agent) 및/또는 소디움 엑시드 피로포스페이트(sodium acid pyrophosphate) 및 다른 항갈변(anti-browning) 첨가제는 부가되거나 존재할 수 있고, 고구마 또는 화이트 감자를 포함하고 보관 수명이 24 주 또는 그 이상인 상업적으로 살균된 상온유통의 식품 바이오물질.
  59. 제 58 항에 있어서,
    상기 식품 바이오물질은 퓨레인 것을 특징으로 하는 상업적으로 살균된 상온유통의 식품 바이오물질.
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