KR20160113111A - 부패성 재료의 과냉각 방법 - Google Patents

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Abstract

식료품과 같은 부패성 제품은 얼음 결정화 없이 빙점 이하 온도까지 냉각함에 의해 보존될 수 있다. 본 발명에서는 부패성 제품에 펄스 전기장 및 진동 자기장이 적용하면서, 부패성 제품은 물의 빙점 이하 온도까지 냉각된다. 또한, 부패성 제품을 과냉각하기 위한 장치가 제공되고, 펄스 전기장 발생기 및 진동 자기장 발생기를 포함한다.

Description

부패성 재료의 과냉각 방법{METHOD OF SUPERCOOLING PERISHABLE MATERIALS}
본 발명은 일반적으로 식품 또는 조직과 같은 부패성 재료(perishable materials)의 보존 분야에 관한 것이다. 더 상세하게, 본 발명은 제품의 빙점 아래 온도에서 저장되어 있는 동안 식료품의 신선도를 보존할 수 있는 식품 보존에 대한 방법 및 장치에 대한 몇몇 측면에 관한 것이다. 다른 측면에서, 본 발명은 인간의 기관 및 기타 조직을 포함하는 생물학적 산물과 같은 다른 형태의 부패성 물질의 저장 및 보존에 응용할 수 있다.
공중 건강에 있어서 식료품 보존은 중요한 측면이 있다. 여러 가지 식품 보존 방법들 중에서, 냉동식품은 오염시키는 미생물종으로 인한 분해 과정 및 미생물종의 성장을 느리게 한다. 오랜 저장 기간 이상으로 식료품의 안전성을 보장하고, 식품의 품질을 유지하는데 있어서 동결은 가장 효과적인 방법 중의 하나이다. 그러한 효과에도 불구하고, 동결 및 해동 과정은 식품의 품질과 관한 중요한 문제를 제기하고 있다. 예를 들어, 동결 과정 동안에 얼음 결정 및 성장은 구조적인 파열 및 삼투압 변화 같이, 육류, 생선, 과일 및 채소에서의 조직 구조에 대해 비가역적인 손상을 초래할 수 있다. 또한, 동결 및 해동 과정 동안 식료품에서 발생하는 관찰된 다른 변화들로는 색깔, 맛 및 신선도 같은 식품의 감각적인 성질에서의 변화를 포함한다. 과도하게 연장된 동결에 영향을 받은 식료품은 또한 지방질 산화, 단백질 변성, 얼음 재결정화 및 수분량에서의 변화를 겪게 된다. 이러한 식료품의 품질에 대한 저하 효과는 식료품 내에서 얼음 결정의 형성, 성장 및 분포에 의해 원인이 된 식료품에 대한 구조적인 손상의 정도와 직접적인 관련이 있다. 동결 식료품과 연관된 그러한 문제들은 저장 기간 동안에 식료품 내에서 얼음 결정의 형성 및 성장을 제어하는 것이 중요한 것임을 보여준다.
이러한 중요한 쟁점들을 극복하기 위해서, 동결 기술은 물 성질의 조작 기술을 기반으로 개발되고 있다. 대부분의 이 개발들은 즉각적인 핵생성에 의해 빠른 물의 동결을 유도하거나, 외부 스트레스 적용을 통해 얼음 결정의 크기를 제어하는 것을 목적으로 하고 있다. 이 목적을 위해, 여러 연구들은 다양한 조건 및 처리 방법으로 과냉각 현상을 조사하고 있다. 전기장이 가해진 과냉각 용액을 또한 연구하고 있다. 그러나 어떤 연구도 늘어난 저장 기간 동안 동결 온도에서 식료품의 과냉각 상태를 연장하는 방법을 평가하지 못하고 있다.
식품의 과냉각 상태 및 이식 용도로 적출된 기관 같이, 식품 및 부패성 물질들의 과냉각 상태를 효과적으로 연장하는 방법 및 장치는 이익이 될 것이고, 동결 및 해동과 관련된 대부분의 문제들을 피하면서, 부패성 물질의 더 온전한 저장 및 이송을 할 수 있을 것이다.
본 발명은 2013년 12월 10일에 출원된 미국 특허 가출원 번호 제 61914270에 우선권을 주장한다. 또한 이의 전체를 포함하여 본 발명에서 기술한다.
본 발명은 식량 농업 국립 연구소(National Institute of Food and Agriculture)에 의해 부여된 승인 번호 2009-65503-05786 및 2014-67017-21650인 정부 지원으로 완성되었다. 정부는 본 발명에 일정한 권리를 갖는다.
부패성 제품에서 과냉각상태에 도달 및 유지하는 방법이 여기에 개시된다. 또한 여기에서 개시된 방법에 따른 그러한 제품을 과냉각할 수 있는 장치가 개시된다. 이 방법들 및 장치는 식료품 및 기관 같은 생물학적 조직을 포함하여 다양한 부패성 재료 및/또는 재료에 적용될 수 있다.
몇몇 측면에서, 용기에 있는 부패성 제품을 과냉각하는 방법들이 제공된다. 부패성 제품에 진동 자기장을 적용하면서, 약 0℃ 내지 약 -20℃의 범위의 온도까지 부패성 제품은 냉각될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 펄스 전기장은 제품을 냉각하는 동안에도 또한 적용된다. 일단 냉각되면 진동 자기장과 펄스 전기장은 제품에 적용되는 상태가 된다. 요구된 기간 동안 제품은 과냉각온도에서 유지될 수 있다. 몇몇 실시예에서 제품은 약 -4℃ 내지 약 -7℃ 의 범위에서 냉각될 수 있다. 몇몇 실시예에서 어떤 얼음 결정도 과냉각된 제품에서 형성되지 않는다.
펄스 전기장(pulsed electric field)은 펄스 사각 형상의 파형으로 제공될 수 있고, 적어도 20kHz의 주파수 대역에서 제공될 수 있다. 제품이 용기 내부의 중앙에 위치에서 측정했을 때, 진동 자기장(oscillating magnetic field)은 약 50 내지 500 mT의 범위의 자기장 세기일 수 있다.
몇몇 실시예에서, 부패성 제품은 식료품, 기관, 조직, 바이오 제품, 배양셀, 줄기세포, 배아, 피, 반응성 용액 및 불안정한 화학 시약으로부터 선택될 수 있다. 몇몇 실시예에서 부패성 제품은 과냉각 온도에서 저장 후에 의도한 목적에 맞게 적합한 상태로 남는다.
몇몇 실시예에서, 식료품의 빙점 아래의 온도에서 식료품의 보존 방법이 제공된다. 이 방법으로는 바람직하게 식료품이 동결되지 않는다. 진동 자기장이 적용되는 동안 식료품은 빙점 아래의 온도까지 냉각된다. 몇몇 실시예에서 식료품의 냉각동안 펄스 전기장이 또한 제공된다. 진동 자기장과 펄스 전기장이 조합을 적용하는 동안, 식품은 빙점 아래의 온도에서 유지된다.
몇몇 실시예에서, 식료품은 닭, 소고기 또는 생선 같은 고기류를 포함한다. 몇몇 실시예에서 식료품은 채소를 포함한다. 상술한 바와 같은 조건에서 이러한 식료품은 24시간 이상, 72시간 이상, 심지어는 2주 이상 동안 보존 될 수 있다.
몇몇 실시예에서 보존되지 않는 상태의 식료품에 대비하여 식료품의 색깔, 육즙 손실 또는 유연성(tenderness) 중에서 하나 이상의 심각한 변화는 없다. 몇몇 실시예에서 동결된 식료품에 대비하여 보존된 식료품의 하나 이상의 특성은 유지된다.
펄스 전기장은 사각형상의 파형으로 제공될 수 있다. 몇몇 실시예에서 사각형상의 파형은 약 0.2 내지 약 0.8의 듀티 사이클(duty cycle)로 제공된다. 보존 과정 동안 하나 이상의 듀티 사이클이 제공될 수 있다. 예를 들어, 0.2, 0.5 및 0.8의 듀티 사이클이 제공될 수 있다. 진동 자기장의 세기는 약 50 내지 500 mT일 수 있다.
몇몇 실시예에서 기관을 보존하는 방법이 제공된다. 기관은 진동 자기장이 적용되는 동안 0℃ 아래의 온도에서 과냉각된다. 몇몇 실시예에서 펄스 전기장이 냉각 과정 동안에 제공될 수 있다. 동결 없이 과냉각 온도에서 기관을 유지하기위해 진동 자기장과 펄스 전기장의 조합이 제공된다. 몇몇 실시예에서 진동 자기장과 펄스 전기장이 계속해서 적용되면서, 24시간 이상 0℃ 아래의 온도에서 기관은 유지하게 된다. 바람직하게 기관은 저장 후에 의도된 목적을 위해 실행 가능하게 남는다.
다른 측면에서, 식품, 기관 및 조직과 같은 부패성 제품을 과냉각하기 위해 사용될 수 있는 장치가 제공된다. 몇몇 실시예에서 장치는 한 개 이상의 부패성 제품을 보관하기 위한 용기(container), 펄스 전기장 발생기(pulsed electric field generator) 및 진동 자기장 발생기(oscillating magnetic field generator)로 구성한다. 진동 전기장 발생기는 용기 내에 있는 부패성 제품과 접촉하기위해 배치된 적어도 두 개의 전극을 구성하고 있다. 진동 자기장 발생기는 용기 내에 진동 자기장을 발생하기 위해 배치된다.
몇몇 실시예에서 진동 전기장 발생기는 펄스 사각형상의 파형을 제공하도록 제어된다. 예를 들어, 진동 전기장 발생기는 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated-gate bipolar transistor, IGBT)에 의해 제어될 수 있다.
몇몇 실시예에서 진동 자기장 발생기는 용기의 각 측면에 4개의 솔레노이드 코일을 구성하고 있다.
몇몇 실시예에서 장치는 휴대 가능하고, 냉각을 위해 분리 동결 장치 속에 놓일 수 있다. 몇몇 실시예에서 장치는 냉장기 또는 동결기의 부품이다. 몇몇 실시예에서 장치는 0℃ 내지 약 -20℃ 범위에서 같이, 요구된 온도까지 용기 내부의 온도를 감소시키기 위한 요소들을 구성한다.
식품의 과냉각 상태 및 이식 용도로 적출된 기관 같이, 식품 및 부패성 물질들의 과냉각 상태를 효과적으로 연장하는 방법 및 장치는 이익이 될 것이고, 동결 및 해동과 관련된 대부분의 문제들을 피하면서, 부패성 물질의 더 온전한 저장 및 이송을 할 수 있을 것이다.
도 1의 (a) 및 (b)는 보통 냉각 과정(도 1a) 및 과냉각 상태 도달되고 연장되고 있는 때(도 2(b))에서 시간에 따른 예상 온도 프로파일(profile)을 도시하고 있다.
도 2의 (a) 내지 (c)는 부패성 재료를 과냉각하기 위한 장치의 실시예이다.
도 3의 (a) 및 (b)는 몇몇 실시예에 따른 접촉 전극의 여러 가지 구성이 있는 장치의 보관용 칸 부분을 도시하고 있다. 도 3(a)는 측면 전극을 도시한 것이고(평면도), 도 3(b)는 바닥 전극을 도시한 것(평면도)이다.
도 4는 본 발명의 과냉각 동안 OMF 및 PEF의 단계별 제어를 표시한다.
도 5는 부패성 제품을 과냉각하는 데 사용하기 위한 장치의 실시예를 설명하는 개략도를 나타내고 있다.
도 6(a)는 평가예1의 실험에서 사용된 몇몇 실시예에 따른 장치의 개략도를 보여준다.
도 6(b)는 예를 들어, 도 6(a)의 시스템에서 이용 가능한 PEF(pulsed electric field ) 및 OMF가 있는 과냉각 큐브(cube) 장치의 3차원 투시도를 제공한다.
도 7(a) 및 (b)는 냉각 과정 동안에 닭가슴살의 (i) 과냉각과 (ii) 상전이로 구성되어 있는 전기적인 성질을 보여준다. 도 7(a)는 냉각 과정 동안의 전류 변화를 보여준다. 도 7(b)는 온도의 함수로서 닭가슴살의 전기 전도도을 보여준다. 원 형상의 표시는 상전이 동안에 전기 전도도의 변화를 나타낸다.
도 8(a) 및 (b)는 전략적으로 조합된 PEF 및 OMF 처리에 의한 닭가슴살의 냉각률의 수정 상태를 보여준다. 도 8(a)는 300초 동안 0.8, 120초 동안 0.5 및 90초 동안 0.2의 듀티 사이클 시퀀스(duty cycle sequences)인 사각 형상의 파형으로 된 펄스 전기장(pulsed electric field )을 보여준다. 또한, 도 8(b)는 0.2의 듀티 사이클이 적용될 때, OMF 처리가 되고 있는 닭가슴살의 해당 온도 프로파일을 보여준다.
도 9는 온도 -7±0.5℃에서 저장된 닭가슴살의 온도 프로파일을 보여준다. 제어군(control)은 완전하게 동결되고, -6.5℃의 온도에 도달되었다. 조합된 PEF 및 OMF 처리를 경험한 샘플은 전체 평가 시기 동안 과냉각 상태에 있었다.
도 10의 (a) 내지 (c)는 다른 저장 조건에서의 닭가슴살 샘플의 현미경 이미지를 보여준다. 도 10(a)는 4℃에서 냉장된 닭고기에 대한 현미경이미지이고, 도 10(b)는 -7℃에서 동결된 닭고기에 대한 현미경이미지이고, 도 10(c)는 -7℃에서 PEF 및 OMF 조합에 의해 과냉각된 닭고기에 대한 현미경 이미지이다.
도 11은 2주 동안 -4℃에서 과냉각된 소고기의 온도 프로파일을 보여준다. PEF 및 OMF의 적용 없이 제어군 소고기 샘플은 2 시간 지나서 냉각되었다.
식료품, 기관, 조직 및 다른 부패성 물질들의 저장 및/또는 보존의 향상된 방법들이 요구되고 있다. 부패성 제품에 대해 과냉각 상태에 도달하고 유지하는 방법이 여기에 개시된다. 과냉각을 제어하기 위해 펄스 전기장(pulsed electric field, PEF)과 진동 자기장(oscillating magnetic field, OMF)의 조합이 부패성 재료에 적용될 수 있다. 펄스 전기장 기술과 진동 자기장 기술의 조합은 물 분자의 이동도에 상당하게 영향을 준다. 이 조합을 사용했을 때, 물 분자의 연속적인 방향전환 및 유도된 진동으로 안정한 과냉각된 재료들을 얻을 수 있고, 이들에 의해 얼음 형성을 억제하게 된다.
몇몇 실시예에서, 식료품과 같은 부패성 제품을 과냉각하는 방법은 부패성 제품에 펄스 전기장과 진동 자기장을 적용하면서 빙점 아래 온도까지 부패성 제품을 냉각하는 것으로 구성된다. 부패성 제품이 과냉각 상태에서 저장되어 있는 동안, 펄스 전기장 및 진동 자기장을 유지한다. 몇몇 실시예에서 과냉각 상태에 있는 제품은 동결되지 않는다. 몇몇 실시예에서 부패성 제품은 물을 포함하고 있는 제품이다.
몇몇 실시예에서 부패성 제품은 처음에 진동 자기장이 가해지는 동안에 냉각된다. 몇몇 실시예에서 이 때 펄스 전기장은 적용되지 않는다. 예를 들어, 아래에 더 자세하게 기술된 것처럼, 진동 자기장이 적용되는 동안 제품은 장치 속에 배치됨으로써 과냉각될 수 있다. 일단 제품이 과냉각 온도에 도달되면, 펄스 전기장은 추가되고, 이어서 부패성 제품이 과냉각 온도에서 저장 되는 동안은 펄스 전기장과 진동 자기장의 조합이 유지된다. 진동 자기장이 적용되고, 펄스 전기장이 꺼져 있는 때를 첫째 상(first phase)으로 언급될 수 있고, 진동 자기장과 펄스 전기장이 제공되는 시간 동안을 두 번째 상(second phase)으로 언급될 수 있다. 이의 실시예를 도 4에서 도시하고 있다. 몇몇 실시예에서 진동 자기장이 적용되는 동안 제품은 냉각되고, 온도가 안정화 될 때 추가로 펄스 전기장이 적용된다. 몇몇 실시예에서 진동 자기장이 적용되는 동안 제품은 냉각되고, 요구된 온도에 도달되었을 때 펄스 전기장이 추가된다. 예를 들어, 제품이 저장되어질 온도에 도달되었을 때, 펄스 전기장이 추가될 수 있다. 몇몇 실시예에서 온도는 약 -1℃ 내지 약 -20℃ 범위일 수 있고, 예를 들어 약 -7℃ 또는 약 -8℃일 수 있다. 몇몇 실시예에서 진동 자기장 및 펄스 전기장이 적용되는 동안 제품은 냉각되고, 저장되는 동안에도 두 개 모두 유지된다.
펄스 전기장 및 진동 자기장의 사용으로 부패성 제품 내에 얼음 결정의 핵생성을 억제하고, 제품은 동결 없이 과냉각 상태에 도달하게 된다. 지속되는 저장 주기 동안에 과냉각상태로 부패성 제품을 유지하기 위해 펄스 전기장 및 진동 자기장은 유지될 수 있다. 이에 따라 제품의 품질을 유지할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 제품의 동결 온도보다 낮은 선정된 온도까지 부패성 제품은 냉각된다. 몇몇 실시예에서 부패성 제품은 물의 동결 온도 또는 0℃ 보다 낮은 선정된 온도까지 냉각된다. 몇몇 실시예에서 선정된 온도는 -1℃ 내지 -20℃ 범위일 수 있다. 몇몇 실시예에서 -4℃ 내지 -8℃ 범위의 온도가 보통으로 적용될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 펄스 전기장은 사각형상의 파형으로 적용된다. 몇몇 실시예에서 사각 형상의 파형은 약 0 내지 약 100 kHz의주파수를 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서 주파수는 약 20 kHz 또는 그 이상이다.
몇몇 실시예에서, 사각형상의 파형은 약 0.1 내지 약 0.9의 범위의 듀티 사이클, 더욱 바람직하게 약 0.2 내지 약 0.8의 듀티 사이클로 제공될 수 있다. 몇몇 실시예에서 0.2, 0.5 또는 0.8의 듀티 사이클이 사용된다. 몇몇 실시예에서 0.5의 듀티 사이클이 사용된다.
몇몇 실시예에서, 부패성 제품에 펄스 전기장이 적용되는 동안 한 번 이상 듀티 사이클이 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서 듀티 사이클의 혼합된 시퀀스가 사용된다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서 0.2, 0.5 및 0.8의 듀티 사이클 사용된다.
한 번 이상 듀티 사이클이 사용될 때, 각 듀티 사이클은 요구된 시간 길이 동안 수행된다. 몇몇 실시예에서 약 1초 내지 약 1000초 또는 그 이상의 시간 동안 한 번 이상의 듀티 사이클이 적용될 수 있다. 몇몇 실시예에서 약 50초 내지 500초 또는 그 이상의 시간 동안 한 번 이상의 듀티 사이클이 적용될 수 있다. 몇몇 실시예에서 90초 동안 한 번 이상의 듀티 사이클이 적용된다. 몇몇 실시예에서 120초 동안 한 번 이상의 듀티 사이클이 적용된다. 몇몇 실시예에서 300초 동안 한 번 이상의 듀티 사이클이 적용된다.
몇몇 실시예에서, 한 번 이상의 듀티 사이클이 동일한 시간 길이로 적용 된다. 예를 들어, PEF가 제공되는 전체 시간 동안, 각 듀티 사이클은 동일한 시간 길이 동안 수행될 수 있다. 몇몇 실시예에서 각 듀티 사이클은 다른 시간 길이 동안 수행된다.
특정한 시간 길이에 대해 적용된 듀티 사이클의 시퀀스는 또한 PEF 적용 동안 한 번 이상 반복될 수 있다. 몇몇 실시예에서 0.8, 0.5 및 0.2의 듀티 사이클 시퀀스를 가진 PEF는 각각 300초, 120초 및 90초 동안 부패성 물질에 적용된다. 과냉각 상태에 있는 부패성 물질을 유지하기위해 시퀀스는 반복될 수 있다. 몇몇 실시예에서 과냉각에 적합하고, 물을 포함하는 부패성 물질의 과냉각 상태를 유지하기에 적합한 듀티 사이클 시퀀스는 300초 주기 동안 시퀀스 0.8, 120초 주기 동안 0.5 및 120초 주기 동안 0.2를 따라간다.
몇몇 실시예에서, 펄스 전기장은 약 0.6 V/cm 내지 약 10 V/cm 범위의 세기를 가진다.
몇몇 실시예에서, 부패성 제품을 받치고 있는 체임버(chamber)의 중앙에서 측정했을 때, 진동 자기장은 약 50 내지 500 mT(milliTesla)의 세기를 가진다. 몇몇 실시예에서 진동 자기장은 체임버의 중앙에서 약 50 내지 약 150 mT의 세기를 가진다.
여기에서 설명된 방법들은 얼음 결정 형성을 지연시킬 수 있다. 몇몇 실시예에서 과냉각 동안 또는 과냉각 상태로 유지되고 있는 동안에 부패성 제품은 동결 되지 않는다. 그러나 그것은 여기에서 설명된 PEF 및 OMF에 영향을 받지 않는다. 몇몇 실시예에서 부패성 재료는 동일한 시간량 동안 동일한 온도에서 유지되고 있는 동일한 타입의 제품 보다 덜 동결되고, 하지만 그것은 여기에서 설명된 PEF 및 OMF에 영향을 받지 않은 것이다. 몇몇 실시예에서 과냉각된 부패성 제품 내에서 어떤 얼음 결정도 형성되지 않는다. 몇몇 실시예에서 펄스 전기장 및 진동 자기장 둘 다의 적용이 없이 유사한 조건 아래에 동일한 타입의 부패성 제품에 형성된 것보다 더 미세한 얼음 결정들이 과냉각된 부패성 제품에서 형성된다. 몇몇 실시예에서 형성될 수 있는 어떤 얼음 결정도 부패성 제품의 감각적 성질 및/또는 의도된 사용에 부정적으로 영향을 미치지 않는다.
몇몇 실시예에서 펄스 전기장 및 진동 자기장을 적용하는 것을 계속하는 동안에 부패성 제품은 적어도 24시간 동안 과냉각 상태로 유지된다. 몇몇 실시예에서 펄스 전기장 및 진동 자기장을 적용하는 것을 계속하는 동안에 부패성 제품은 적어도 72시간 동안 과냉각 상태로 유지된다. 몇몇 실시예에서 계속해서 펄스 전기장 및 진동 자기장이 적용되는 동안 부패성 제품는 적어도 2주 동안 과냉각 상태로 유지된다. 몇몇 실시예에서 부패성 제품은 한 달 이상 과냉각 상태로 유지된다. 몇몇 실시예에서 부패성 제품은 과냉각 상태로 유지되는 시간 동안 동결되지 않는다.
상술한 바와 같이, 여기에 기술한 방법들은 과냉각 상태에서 식료품을 유지함으로써 식료품 보존에 적용될 수 있다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 과냉각 상태에서 식료품을 유지하는 방법들은 약 0℃ 내지 약 -20℃, 또는 약 -4℃ 내지 약 -7℃와 같은 빙점 아래의 온도 범위까지 식료품을 냉각에 의해 식료품을 과냉각하고, 그 동안에 진동 자기장을 적용하고, 몇몇 실시예에서 상술한 바와 같이 과냉각하는 동안 식료품에 펄스 전기장을 적용하는 것으로 구성되어 있다. 조합된 펄스 전기장 및 진동 자기장을 식료품에 적용하는 동안 식료품의 온도는 약 -4℃ 내지 약 -7℃의 범위 내에서 유지될 수 있다. 몇몇 실시예에서 적어도 24시간 또는 적어도 72시간 동안 온도는 유지된다. 몇몇 실시예에서 온도는 2주 이상 유지된다.
몇몇 실시예에서 식료품의 품질이 초기 신선한 제품 상태로부터 크게 변화하지 않는 정도로 식료품은 보존된다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서 설명된 방법을 사용하여 보존되어온 육류 조각으로부터의 육즙 손실 정도는 신선한 육류 조각에서의 육즙 손실 정도와 크게 다르지 않다. 유사하게, 몇몇 실시예에서 육류 조각에서처럼 과냉각 과정 후에 식품의 유연성에 있어서 의미 있는 변화가 없다. 즉, 설명된 것처럼 처리되어 온 육류 조각 또는 다른 식품과 신선한 상태의 동일한 육류 또는 식품의 유연성에 있어서 의미 있는 차이가 없다. 몇몇 실시예에서 신선한 식품과 설명된 것처럼 보존 되어온 동일한 식품 사이에는 어떤 구조적인 차이도 관측되지 않는다. 몇몇 실시예에서 설명된 것처럼 보존 되어 온 식품(또는 다른 제품)과 신선한 동일 식품(또는 다른 제품) 사이에는 색깔에서 어떤 변화도 없다.
또한, 적출 후 및 이식 또는 다른 사용에 앞서서 기관 또는 다른 조직을 보존하는데 여기서 설명된 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 기관 또는 조직들은 인간 또는 동물로부터 생긴 것일 수 있다. 몇몇 실시예에서 기관은 이식을 위해 사용될 인간의 기관이다. 이러한 방법으로 이송, 저장 및 준비과정 동안에 기관 또는 조직의 품질이 유지될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 본질적으로 상술한 바와 같이, 과냉각상태에서 기관 또는 다른 조직을 유지하는 방법들은 인간의 기관 또는 조직에 대해 진동 자기장(그리고 몇몇 실시예에서는 펄스 전기장) 을 적용하는 동안, 기관 또는 조직을 약 0℃ 내지 약 -20℃ 범위 또는 약 -4℃ 내지 약 -7℃ 범위에서와 같은 빙점 아래의 온도까지 과냉각하는 것으로 구성된다. 기관 또는 조직에 펄스 전기장 및 진동 자기장이 적용되는 동안, 기관 또는 조직의 온도는 약 -4℃ 내지 -7℃의 범위 내에서 연장된 시간 동안 유지될 수 있다. 몇몇 실시예에서 온도는 적어도 24시간 또는 적어도 72시간 동안 유지된다. 몇몇 실시예에서 온도는 2주 이상 유지된다. 바람직하게 기관 또는 조직은 과냉각 상태로 유지되는 전체 시간에 의도된 사용을 위해 사용 가능한 상태로 남게 된다.
몇몇 실시예에서 본 발명의 방법들은 바이오로직스(biologics), 배양셀, 줄기 세포, 피(blood), 반응성 용액 및 불안정한 화학 시약과 같은 다른 타입의 물질들을 보존하기 위해 사용될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 부패성 제품들을 과냉각하기 위한 상술된 방법들을 이행하는 데 사용될 수 있는 장치가 제공된다. 전형적으로 장치는 한 개 이상의 부패성 제품을 저장할 수 있는 용기; 용기 내에 놓여 있는 한 개 이상의 부패성 제품을 접촉하기 위해 배치된 전극들을 포함하는 한 개 이상의 펄스 전기장 발생기 및 용기 내부에 진동 자기장을 형성하기 위해 배치된 한 개 이상의 진동 자기장 발생기로 이루어진다. 그러한 장치의 여러 가지 실시예들이 아래에 더 상세히 기술된다.
몇몇 실시예에서, 냉장고 또는 다른 냉장 또는 동결 장치는 여기에 기술한 바와 같이(과냉각 장치) 식료품을 과냉각하기 위한 장치로 이루어진다. 예를 들어, 장치는 냉장고 또는 동결기 내부에 서랍 또는 보관용 칸으로 제공될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 기관을 과냉각하기 위한 장치는 한 개 이상의 기관을 저장할 수 있는 용기, 한 개 이상의 기관을 접촉하기 위해 배치된 전극들과 그곳에 전기장을 유도할 수 있는 것으로 구성된 펄스 전기장 발생기 및 용기 내부에 진동 자기장을 형성할 수 있는 진동 자기장 발생기로 이루어져 있다. 장치는 더 커다란 냉장고 또는 동결기 또는 다른 장치의 부품일 수 있다. 몇몇 실시예에서 장치는 휴대 가능하고, 냉각을 위해 큰 냉장고 또는 동결기 안에 놓을 수 있다. 몇몇 실시예에서 장치는 휴대 가능하고 냉각 부품들 및 과냉각 부품으로 구성되어 있다.
과냉각
과냉각 현상은 얼음 결정 과정의 맥락으로 이해될 수 있다. 얼음 결정은 연속적인 3단계로 나누어질 수 있다; 얼음의 빙결점까지 액상을 냉각, 상변이 동안 결정의 잠열을 제거 및 마지막 저장 온도까지 고체 제품을 냉각하는 3단계이다. 과냉각 과정에서, 임계 핵생성 지점까지 동결 온도 아래에서 물냉각은 감열(sensible heat)을 제거하여 도달된다. 얼음 핵 생성은 확률적인 과정이다. 핵 생성 지점에서의 온도와 표준 빙점에서의 온도 사이의 음의 차이값은 과냉각 정도에 따른 참조가 된다. 압력, 온도, 부피 및 과냉각의 특정한 온도 후에 냉각률 등의 시스템의 물리적인 조건에 따라, 갑자기 물 결정의 핵생성이 발생한다. 그 후에 얼음 결정은 더욱 조밀해지고 벌크 얼음 결정으로 결정화로 진행한다.
도 1은 벌크 얼음 결정과 연장된 과냉각 상태 사이의 차이를 도시한다. 도 1(a)는 초기 냉각은 제어군을 핵생성이 빠르게 일어나는 0℃이하 온도로 진행된 제어군의 온도 프로파일을 보여준다. 고체 결정 형태로의 변환은 빙결 온도에서의 등온 과정이다. 환경에 맞추어 결정의 온도가 평형에 도달할 때까지, 한 번 결정화된 것은 완전한 얼음 샘플 냉각품이다. 반대로, 도 1(b)는 여기에 설명한 것처럼 과냉각 상태에서 보존된 샘플을 보여준다. 샘플이 빙점 온도 아래까지 냉각되었지만, 얼음 결정의 핵생성이 일어나는 대신에 샘플은 빙점 온도 아래에서 액체 상태로 남아있는 것을 온도 프로파일은 보여준다.
물분자가 얼음 핵생성으로 되는 임계 크기의 클러스터를 형성되지 않도록 하여, 물 함유 재료는 과냉각 상태로 유지될 수 있고. 그래서 물의 빙결 상태로 상전이하는 것을 방해하게 된다. 또는, 재료 내에서 얼음 결정의 형성은 제어될 수 있는데, 단지 부패성 물질에 손상이 가지 않는 작은 얼음 결정이 생기도록 하는 것이다. 물 분자의 다이폴 구조(dipole structure)로 인해, 전기장은 물을 함유한 물질에 적용될 수 있고, 다양한 형태의 파형, 주파수, 중간펄스(interpulse) 지속 시간(듀티 레이쇼, duty ratio) 및 전기장 세기는 전기장의 방향으로 방전 및 물분자의 재배열을 제어하기 위해 조정될 수 있다. 유사하게 물의 반자성 성질로 인해 자기장은 물의 분자간 구조에 대해 큰 영향을 준다.
현재의 방법으로 샘플의 냉각은 여러 가지 냉장고 또는 동결기로 수행될 수 있다. 몇몇 실시예에서 과냉각장치는 냉장고, 동결기 또는 다른 냉동 장치의 부품이다. 예를 들어, 과냉각장치는 냉장고, 동결기 또는 다른 냉동 장치에서 서랍 또는 보관칸의 형태로 취할 수 있다. 몇몇 실시예에서 과냉각장치는 냉장고, 동결기 또는 다른 냉동 장치 속에 놓이게 된다.
상업적인 냉장고 및 동결기는 이용 가능하고 요구된 온도를 선택할 수 있게 여러 가지 온도 제어기를 갖추고 있다. 적합한 상업적 동결기의 비제한적인 예로는 제너럴 일렉트릭(GE)의 상자형 동결기인 FCM7SUWW (GE, Inc., Fairfield, CT)가 있다.
디지털 및 아날로그 온도 제어기들이 온도를 선정하는데 이용될 수 있다. 온도제어기의 적절한 비제한적인 예로는 존슨 콘트롤(Johnson Controls)사의 A419 디지털 온도 제어기(Milwaukee, WI)가 있다.
사용될 수 있는 다른 냉각 방법으로는 극저온 액체(예를 들어 질소) 및 고체 이산화탄소(드라이 아이스)의 사용을 포함한다. 부패성 물질들을 냉각하는 다른 방법들은 숙련된 당업자에게는 명백할 것이다.
펄스 전기장(Pulsed Electric Field, PEF)
유한한 시간 주기 내에서 전기 에너지의 빠른 방전으로 펄스 전기장은 발생된다. 그러한 펄스들은 파형으로 알려진 패턴을 따르고, 그것은 전기적인 전류가 시간에 대해 변화하는 방식을 나타낸다. 전류에 대한 보통 파형은 사각 형상의 파동, 사인 파동, 램프형 파동, 톱니형 파동 및 삼각형 파동을 포함한다. 사각형상의 파형에서, 파동의 진폭은 고정된 최소값과 최대값 사이에 있는 안정된 주파수에서 번갈아 가며 생기고, 최소값과 최대값에서 동일한 지속 시간을 갖는다. 상술한 바와 같이 몇몇 실시예에서 PEF를 부패성 제품에 적용하는 데 사각형상의 파형이 사용된다.
간단히 상술한 바와 같이 파형을 갖는 것에 더하여 펄스 전기장은 듀티 사이클을 따를 수 있다. 듀티 사이클은 시그널이 활성화된 주어진 주기 내에서 시간의 분수(fraction)이다. 그래서, 듀티 사이클은 0과 1 사이의 범위에 있다. 듀티사이클은 다음의 관계식
Figure pct00001
에 의해 표현되고, D는 듀티 사이클이고, t는 시그널이 활성화되어 있는 시간이고, P는 시그널이 이동된 전체 주기이다. 듀티 사이클은 주어진 시간 주기에 대해 패킷(packets)으로 전기에너지의 요구된 양을 이동하기 위해 프로그램될 수 있다. 그러한 듀티 사이클은 D와 P가 시퀀스 진행에 따라 변화되는 시퀀스를 따르기 위해 더 프로그램될 수 있다. 물을 포함하는 부패성 물질들에 있어서 과냉각 및 과냉각 상태를 유지하는 것을 위한 적합한 듀티 사이클 시퀀스의 비제한적인 예는 300초 주기에 대한 시퀀스 0.8, 120초 주기에 대한 시퀀스 0.5 및 90초 주기에 대한 시퀀스 0.2를 따르게 된다. 물을 포함하는 부패성 물질들에 있어서 과냉각 및 과냉각 상태를 유지하는 것을 위한 듀티 사이클 시퀀스의 다른 비제한적인 예는 300초 주기에 대한 시퀀스 0.8, 120초 주기에 대한 시퀀스 0.5 및 90초 주기에 대한 시퀀스 0.2를 따르게 된다. 시퀀스는 정의된 지속 시간 동안 또는 무제한 적으로 반복될 수 있다.
펄스 전기장을 발생하기 위해 사용되는 전원 공급 장치(power supply)는 기술적으로 잘 알려져 있고 상업적으로 이용 가능하다. 전원 공급 장치는 고주파 교류(AC)로 전원 공급 장치를 충전하는 커패시터(capacitor)일 수 있다. 적합한 전원 공급 장치의 비제한적인 예로는 IRAMX20UP60A와 같은, 집적된 게이트 바이폴라 트랜지스터 (integrated-gate-bipolar-transistor)를 기반으로 한 전원 공급 장치(IGBT)이고, 인터내셔널 렉터파이어(International Rectifier, El Segundo, CA)로부터 이용할 수 있다.
전원 공급 장치와 연결된 전극들은 용기 내부에 놓여있는 부패성 물질과 직접적으로 접촉되도록 배치되어 있다. 적합한 전극 재료들은 스테인리스 스틸, 티타늄, 금 및 은을 포함하나, 이에 한정하지는 않는다. 전극들은 판형, 갈래형(prongs) 및 전도성 필름의 다양한 형상으로 형성될 수 있지만, 이에 한정하지는 않는다. 냉각 공기의 순환을 강화하기 위해 다중 홀을 가진 전극으로 설계될 수 있다. 예시 전극은 도 3에 도시되어 있다. 예를 들어, 도 3(a)에서 도시된 측면 전극 또는 도 3(b)에서 도시된 바닥 전극과 같이, 식품 또는 다른 부패성 재료의 타입에 따라 다른 타입의 전극들이 선택될 수 있다.
전원 공급 장치는 입력 전압을 제공 할 수 있다. 적합하고 비제한적인 피크투피크(peak-to-peak) 전압 설정은 약 5 V이다. 적합하고 비제한적인 전원 공급 장치에 의해 제공된 전기적 전류는 약 0.04 A까지 상승할 수 있다. 전원 공급 장치에 의해 생성된 전류는 작동 주파수에 의해 특징지어질 수 있다. 과냉각에 적용되는 펄스 전기장에 대한 적합하고 비제한적인 주파수의 예로는 20 kHz 가 있다.
펄스 전기장은 기능 발생기(function generators)를 사용하여 제어 될 수 있다. 적합한 기능 발생기는 상업적으로 이용 가능하고 당 업계에 잘 알려져 있다. 적합한 기능 발생기의 비제한적인 예에는 에질런트 테크놀러지사의 33220A가 있다(Agilent Technologies, Santa Clara, CA). 기능 발생기는 여러 가지의 듀티 사이클 및 작동 주파수를 가진 사각의 파형을 제어한다.
진동 자기장(Oscillating Magnetic Fields, OMF)
본 발명에 기재된 바와 같이 진동 자기장은 부패성 물질에 적용될 수 있다. 예를 들어, 진동 자기장은 하나 이상의 전자석 또는 영구 자석이 있는 전자석의 조합에 의해 발생될 수 있다. 적합한 영구 자석의 비제한적인 예는 상업적으로 이용 가능한 NdFeB(neodymium magnet, NIB 또는 Neo magnet으로 부름) 영구 자석이다 (N52, DX88-N52, K & J Magnetics, Inc. Jamison, PA). 자석 와이어(e.g., 22 AWG, EIS, Inc., Atlanta, GA) 에 충전과 방전을 번갈아 시행함에 의한 전자석 기능의 적합한 비제한적인 예는 철심에 코일을 감는 것이다(e.g., VIMVAR, Ed Fagan, Inc., Franklin Lakes, NJ). 진동 자기장을 생산하기위한 적합한 시스템의 예들은 부패성 물질의 한 측면에 배치된 한 개의 전자석, 부패성 물질의 양측에 배치된 두 개의 전자석 또는 부패성 물질의 양측에 배치된 전자석과 영구자석을 포함하지만, 이에 한정하지는 않는다. 몇몇 실시예에서 1세트 이상의 전자석이 사용될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서 부패성 물질을 담고 있는 용기의 각 측면에 4개의 전자석이 배치될 수 있다.
펄스 전기장처럼, 펄스 자기장은 기능 발생기 및 전자석에 대한 전원 공급 장치로 생성 될 수 있다. 적합한 전원 공급 장치들은 상업적으로 이용 가능하고, 예를 들어 상술한 바와 같이 있을 수 있다. 진동 자기장은 입력 전압에 따라 기능 발생기를 통해 조정되는 데, 입력 전압은 1Hz의 주파수에서 50 내지 150V의 범위일 수 있다. 진동 자기장의 적합하고 비제한적인 예로는 -150 mT 내지 150 mT의 범위에 있는 세기인 펄스 자기장이다. 다른 비제한적인 예는 조합된 영구 자석 및 초당 50 내지 500 mT로 진동되는 전자석 의한 자속밀도를 포함한다. 당업자에게 여기서 언급된 자기장 밀도는 저장 용기의 중앙에서 측정된 밀도라고 인식될 것이다.
부패성 재료를 과냉각하기 위한 장치
부패성 물질을 과냉각하기 위한 장치는 재료 각각의 빙점 아래 온도에서 상당한 얼음 결정화 없이 부패성 물질을 보존하는데 사용될 수 있다.
도 2의 (a) 내지 (c)는 과냉각을 위한 장치(1)의 비제한적인 실시예에서 설명하고 있는 3차원적인 투시도를 보여준다. 장치(1)은 과냉각 보관칸(2)를 포함하고, 하나 이상의 부패성 물질들은 연장된 과냉각 상태에서 과냉각 및 저장을 위해 보관칸(2)에 배치될 수 있다. 냉각 보관칸의 크기는 처리될 부패성 물질의 형태 및 크기에 따라 선택될 수 있다. 진동 자기장(OMF) 발생기는 과냉각 보관칸(2)의 외부 양측면(4, 5)에 배치된, 부착된 히트싱크(3)와 함께 솔레노이드 코일(6, 7)을 포함하고, 냉각 보관칸의 중앙에서 평가된 것으로 확정된 세기로 진동 자기장을 생성할 수 있다. OMF는 양측면(4, 5)에 배치된 솔레노이드 코일(6, 7)로부터 발생된다. 몇몇 실시예에서 장치는(보여지지 않음) OMG 발생기 제어를 위한 제어기를 포함한다. 몇몇 실시예에서 제어기는 50 내지 500 mT 범위로 용기(2)에서 OMF를 발생하기 위해 설정된다. OMF는 입력 전압에 따라 조정된다. 몇몇 실시예에서 입력 전압은 1 Hz 주파수에서 50 내지 150 V의 범위에 있다. 몇몇 실시예에서 서 과냉각 보관칸(2)의 중앙에서 평가된 OMF 세기는 50 내지 500 mT 범위에 있다.
장치(1)는 부패성 물질에 펄스 전기장(PEF)를 적용하기 위해 사용되는 펄스 전기장 발생기를 더 포함한다. 도 3(a) 및 (b)는 부패성 물질을 접촉하기 위해 사용될 수 있는 전극들의 실시예를 보여준다. 부패성 물질은 냉각 보관칸(2)에 배치되고 전극들(8, 9)에 연결된다. 스프링(20, 21) 및 측면 전극 지지체(22, 23)는 보관칸(2)에서 부패성 물질과의 접촉을 유지되는데 사용될 수 있다. 일실시예에서 도 3(a)에 도시되고, 접촉 전극들(8, 9)은 각각 용기(2)의 내부 양측면(11, 12)에 배치된다. 다른 실시예에서 도 3(b)에 도시되고, 패턴화된 접촉 전극들(10, 30)은 내부 바닥면(13)에 배치된다. 벤트 홀들(25)은 용기(2)의 하나 이상의 면에 제공될 수 있다.
장치는 펄스 전기장(PEF) 발생기를 제어하는 제어기를 포함한다. 여기에 설명된 것처럼, 몇몇 실시예에서 제어기는 사각형상의 파형으로 전송된 펄스 전기장(PEF)을 제공하도록 설정된다. 프로그램된 듀티 사이클을 가진 고주파(20Hz)에서 사각형상의 파형으로 전송된 펄스 전기장(PEF)의 예는 도 4에서 보여준다. 이러한 비제한적인 예에서, 진동 자기장(OMF)은 켜지고, 펄스 전기장(PEF)은 꺼지는 페이즈 I(phase I) 동안, 초기 식품 온도로부터 과냉각 온도까지 냉각은 감쇠한다. 페이즈 II에서(과냉각에 도달된 직후에) 프로그램된 듀티 사이클로 적용되는 진동 자기장(OMF) 및 펄스 전기장(PEF)은 식료품의 과냉각 온도를 유지하는데 사용된다.
도 5는 장치(1)의 개략도의 실시예를 보여준다. 진동 자기장(OMF)를 위한 절연된 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated-gate bipolar transistor, IGBT) 전원 공급 장치(15)와 연결된 가변 변압기(14)는 솔레노이드 코일(6, 7)에 전원 공급을 제공하고, 이에 의해 냉각 보관칸(2)의 중앙에 진동 자기장을 발생한다. 마찬가지로 가변 변압기(17)로 연결된 절연된 게이트 바이폴라 트랜지스터(16)(보이지는 않지만)는 접촉 전극을 통하여 부패성 물질에 펄스 전기장(PEF)을 제공한다. 온도 및 전기장 세기의 평가는 열전대(19)를 이용하여 데이터 수집 시스템(Data Acquisition System)(18)을 통해 획득될 수 있다.
여기에 설명된 것처럼 과냉각 장치는 상업적인 냉장고 또는 빙결 유닛의 부품으로 포함될 수 있다. 예를 들어, 냉장 유닛 또는 빙결 유닛의 빌트인 부품(built-in part)일 수 있다. 그러한 구성에서, 장치는 과냉각 저장 보관칸으로써 기능할 수 있다. 몇몇 실시예에서 과냉각 저장 보관칸은 제거될 수 있다. 몇몇 실시예에서 장치는 독립적으로 제작될 수 있다. 예를 들어, 장치는 휴대 가능하고, 냉장 유닛 또는 빙결 유닛 속에 배치될 수 있다. 빙결기는 과냉각 과정을 시작하기 위해 요구된 온도로 설정될 수 있다.
예시들(EXAMPLES)
평가예1
닭고기의 과냉각 상태 연장 방법
1.1 실험 절차
대부분의 연결 조직 및 과지방이 있는 신선한 닭가슴살 샘플은 손질되었고, 손질된 닭가슴살은 1.5 인치 × 1.5 인치 × 0.75인치의 정방형 블록(cubic block)들로 절단되었다. 모든 샘플은 칭량되고, 실험 전에 표면에서의 탈수를 피하기 위해 폴리에틸렌(polyethylene, PE) 필름으로 감싸진다.
펄스 전기장(PEF), 진동 자기장(OMF) 및 실시간 온도, 전류 및 전압 평가 장치(도 6(a))로 구성하여 과냉각 시스템을 설계하고, 제작하였다. 한 쌍의 티타늄 플레이트 전극과 평행으로 설치된 과냉각 큐브(1.5인치 × 1.5 인치 × 1.5인치)는 영구 자석과 전자석 사이에 있는 샘플홀더 위에 조립된다(도 6(b)). 효율적인 냉각 공기 순환을 위해, 다중 홀이 있는 플레이트로 과냉각 큐브를 설계하였다. NdFeB 영구자석의 블록을 사용하여 자기력( magnet (N52, Dx88-N52, K&J Magnetics, Inc., Jamison, PA; size: 2" by 2" by 1")을 적용하였고, 철심(VIMVAR, Ed Fagan, Inc., Franklin Lakes, NJ)에 감긴 자석 와이어(22 AWG, EIS, Inc., Atlanta, GA)에 충전 및 방전을 교대로 반복함에 의해 전자석을 적용한다. 전기장 및 자기장을 인가하도록 제작된 과냉각 유닛은 상업적인 상자형 빙결기(FCM7SUWW, GE, Inc., Fairfield, CT) 속에 놓인다.
진동 자기장(OMF)은 -150 mT 내지 150 mT 범위의 세기로 펄스 타입의 자기장으로 발생된다. 인가된 전압 및 펄스 듀티 사이클은 각각 30V 및 0.01이었고, 인가 주파수는 1Hz이었다. 영구자석 및 전자석에 의한 조합된 자속 밀도는 과냉각 큐브 중앙에서 초당 50 내지 150 mT 사이에서 진동되었다. 펄스 전기장은 IGBT(IRAMX20UP60A, International Rectifier, El Segundo, CA) 기반의 전원 공급 장치를 사용하여 발생되었다. 기능 발생기(33220A, Agilent Technologies, Santa Clara, CA)는 여러가지 듀티 사이클(D) 및 작동 주파수를 가진 사각 형상의 파형을 제어하는데 사용되었다. 셀의 중앙에 정렬된 K-타입의 열전대 와이어 (PP-K-24S, Omega Engineering, Inc., Stamford, CT) 및 데이터 수집 유닛(DAQ, Agilent 39704A, Agilent Technologies, Inc., Palo Alto, CA)은 모니터링에 사용되었고, 인가된 전압 및 전류, 빙결기 안에 있는 샘플 및 공기의 온도값을 수집하는데 사용되었다. 데이터는 1초 간격으로 스캔(scan)되고 전송된다. 출력 시그널은 디지털 오실로스코우프(Model TDS2014; Tektronix, Beaverton, OR)로 모니터링 되고, 두 자석 사이의 자속밀도는 휴대용 테슬라미터(4060.50 AE Teslameter, Frederiksen, Inc. Ølgod, Denmark)로 측정된다. 빙결기 온도는 디지털 온도 제어기(A419, Johnson Controls, Inc., Milwaukee, WI)로 제어된다.
식품 샘플의 전기 전도성을 측정하기 위해 셀이 제작되었다. 과냉각된 닭가슴살의 전기 전도성을 측정하기 위해, 샘플은 -7±0.5℃에서 작동하는 빙결기에 있는 두 개 전극 사이에 놓여지고, 두 전극들에 접촉된다. 온도에 따른 전기 전도도의 변화를 통해, 인가전압 및 전류는 결정되고, 요구된 냉각 온도 프로파일을 위해 테스트 되었다. 샘플들의 수집된 전기 전도도는 다음 식에 의해 계산된다:
Figure pct00002
L은 두 전극 사이의 거리이고(m), A는 내부의 크로스 섹션 면적(m2)이고, V는 인가 전압(V)이고, I는 측정된 전류(A)이다. 0℃에서 상전이가 시작하는 온도까지 수집되어 획득된 데이터로부터, 테스트된 식품 재료의 전기 전도도를 온도에 대해 도시하고, 측정된 전기전도도의 온도 의존성은 선형 방정식으로 설명된다:
Figure pct00003
계단 형상의 냉각률을 발생시키기 위해, 세 개의 다른 듀티 사이클인 0.2, 0.5 및 0.8을 펄스 전기장(PEF) 처리에 사용한다. 20 kHz 의 주파수에서 입력 전압(5 Vp-p, peak-to-peak 전압)이 최대 듀티 사이클(0.8)에서조차 전기적 전도의 가열 없이 설정되었다; 최대 전류는 0.032A로 평가되었다. 샘플의 과냉각 상태를 개시하기 위한 목적으로, 과냉각 상태에서 전류가 최소값에 도달할 때까지 듀티 사이클 0.5로 5V의 Vp-p값이 샘플에 적용되었다. 닭가슴살의 냉각률에 대해 0.8 , 0.5 및 0.2 의 듀티 사이클 시퀀스를 가질때 펄스 전기장(PEF)의 효과가 탐구되었다. 듀티 사이클 시퀀스의 인가된 주기는 각각 300 초, 120 초 및 90 초이다. 얼음 핵 생성 을 억제하기 위해, 진동 자기장(OMF)은 단지 0.2의 펄스 전기장(PEF) 듀티 사이클로 인가된다. 이 프로토콜을 사용할 때, 샘플이 냉동실 온도인 -7±0.5℃에 도달 할 때까지, 계단 형태의 냉각률 제어는 반복되었다. 4개의 실험들이 재현성을 확인하기 위해 수행된다.
마이크로 구조 분석
다른 조건(4℃에서 냉장 (제어-), -7℃에서 동결 (제어+) 및 -7℃에서 조합된 PEF 및 OMF에 의한 과냉각)하에서의 닭가슴살 샘플의 현미경 구조가 도립 현미경(Leica-DMIL, Wetzlar, Germany)을 이용하여 연구되고, 셀 모폴로지에서의 변화가 평가된다. 잘게 절단된 닭가슴살 샘플은 -80℃에서 이소부탄으로 동결되었다. 일련의 10 ㅅm두께의 관상단(coronal sections)은 라이카 CM 1900 저온 유지 장치(Leica Microsystems Buffalo Grove, I L)로 만들어냈다. 세포 내 얼음 결정 및 세포 외 얼음 결정에 의한 구조적인 변화는 동등 수준의 원형 지름으로 육류의 단면 영역에서 관측된 공동(cavity) 사이즈에 의해 평가된다.
육즙 손실(Drip loss)
육즙은 동결 해동된 육류(육즙)와 냉장 또는 과냉각된 육류(진물)로부터의 삼출물(exudates)을 설명하는데 사용된다. Ngapo et al에 의해 앞서 설명된 방법에 따라서 육즙 손실은 측정되고(1999, "Freezing and thawing rate effects on drip loss from samples of pork." Meat Sci. 53, 149-158), 이것은 육즙손실 측정을 위한 방법을 개시하는 제한된 목적을 위해 본 발명에서 참고로 인용 된다. 신선한 육류 샘플은 닭가슴살이 덩이로 썰어진 후 30분 내에 측정된다; 펄스 전기장(PEF) 및 진동 자기장(OMF) 처리되고 해동된 샘플의 육즙 손실은 4시간 동안 냉장 저장(0~4℃)된 후에 측정된다. 5개의 샘플이 동결, 해동 및 저장의 각 조합에 대해 사용되었다. 샘플은 약 0.5인치 길이의 6개의 큐브로 나누어진다. 샘플들은 나일론 메쉬(mesh)를 사용해서 지지되고, 90분 동안 40 × g에서 원심분리 된다. 육즙손실은 다음과 같이 측정되었다:
Figure pct00004
색깔 측정
샘플 처리들이 닭가슴살의 외관에 어떤 부정적인 효과를 가지고 있는지 결정하기위해, 색깔 분석 기기로 수행하였다. Hunter L* (lightness), a* (redness-greenness) 및 b* (yellowness-blueness) 값들은 칼라 미터를 사용하여 측정되었다. 알짜(net) 색깔 편차(ΔE)는 다음 식으로 계산되었다. 하기 식에서 아랫문자 1 및 2는 각각 처리 전후의 색깔 성분 표시로 참조된다.
Figure pct00005
질감 분석(Texture analysis)
30분 동안 75℃ 수조에서 조리 후에, Barbanti 및 Pasquini에 의해 설명된 것처럼, 약간의 수정을 하여 TA-XT2 질감 분석기(Stable Micro Systems, Godalming, UK)를 사용했을 때, 전단력에 의해 질감(texture)을 평가한다(2005, "Influence of cooking conditions on cooking loss and tenderness of raw and marinated chicken breast meat." LWT-Food Sci. Technol. 38, 895-901, 질감 분석 방법의 제한된 목적을 위해 참고문헌으로 여기에 인용된 내용). 조작 변수는 50% 절단 길이에 대해 5mm/s의 크로스 헤드 속도(cross-head speed)에서 적용된 25kg 최대 셀 로드이다. 결과는 전단력(샘플 N개)으로 표현되고, 4 개의 평가는 각 샘플에 대해 수행되었다.
pH 측정
닭가슴살의 pH값은 5g샘플을 5ml 물로 균질화 하여 결정되었다. 캘리브레이션 후에 프로브 전극의 직접적인 삽입으로 디지털 pH미터(Mettler Toledo, Columbus, OH)를 사용하여 pH를 측정하였다. pH 측정은 4개 동일 복제품의 평균으로부터 계산되었다.
지방질 산화 측정(Lipid oxidation measurement)
TBARS(Thiobarbituric acid reactive substances)는 저장 동안 근육 식품에서의 산화 변화를 나타낸다. 날것의 닭가슴살 샘플에서 TBARS의 양은 McDonald 및 Hultin (1987), Sayer외 연구자(2001)의 수행 방법을 사용했을 때 각 시험에 대해 3회로 결정된다. 샘플(1g)은 플라스틱 백(ZipLoc, SC Johnson, USA)으로 칭량되고, 10ml 탈이온수로 균질화된다. 부분 표본(1ml)의 샘플이 2ml의 TCA/TBA(trichloroacetic acid/thiobarbituric acid)에 추가되고, TCA/TBA는 15% TCA (w/v), 0.25M HCl 속에 있는 0.375% TBA (w/v), 에탄올로 준비된 2% butylated hydroxytoluene (BHT) (w/v) 3 ml 및 이것들의 완전하게 혼합된 구성이다. 혼합물은 90℃ 수조 속에 15분 동안 휘저어지고 배양되었다. 샘플은 10분 동안 상온으로 냉각하고, 10분 동안 1000g로 원심분리 하였다. 결과로 나온 상청액(supernatant solution)의 흡광도가 가시광 광도계(Thermo Scientific GENESYS20, Thermo Fisher Scientific, Inc., Rochester, NY)로 532 nm에서 측정된다. TBARS 값은 1.56 x 105M-1cm-1의 몰 흡광 계수(molar extinction coefficient)를 사용하여 계산되었고, 육류 샘플의 mg malondialdehyde (MDA)/kg로 표현되었다. 지방질 산화의 측정을 위해, 4개의 동일 샘플이 수행되었다.
통계 분석(Statistical analysis)
이 연구의 결과는 샘플 처리들 사이의 시험 변수들의 평균들 사이에 차이점의 중요성을 시험하기 위한 평균, 표준에러 및 ANOVA(analysis of variance) 루틴으로 표현된다(P< 0.05).
1.2 결과들
PEF 및 OMF 조합
날것인 닭가슴살의 전류 측정 결과는 동결 과정 동안에 전류값이 변화하고 있는 것을 보여 준다. 샘플의 감소하는 온도는 선형적으로 전기적 전하의 흐름량에서의 감소를 촉발한다(도 7(a)). 게다가 -3℃ 전후로 가파른 선형 추세의 편향이 있다. 닭가슴살의 전류값에서 중요한 변화는 닭가슴살 샘플 내부에 얼음 핵생성을 표시한다. 이러한 관찰은 온도의 함수인 전기전도도 변화의 결과에 의해 확인되었다. 얼음 핵생성이 발생하기 전에, 선형적인 상호 관계가 관측된다(R2=0.969, 도 7(b)). 반대로, 전기전도도와 온도사이에는 어떤 중요한 상호 관계도 핵생성 후에 보이지 않는다.
닭고기 샘플에서 과냉각 상태의 전기전도도는 도 7(b)에서 또한 주어진다. 갑작스런 얼음 핵생성 전에 -1 내지 -3℃ 범위의 온도에서 과냉각이 발견되었다. 과냉각 상태에 있는 샘플의 전기 전도도는 충분히 높은 선형적인 상관관계(R2=0.969)를 나타내는데, 이것은 온도의 선형적인 함수인 얼지 않은 상태의 전기전도도와 동일한 선형 추세로 결론지을 수 있다. 과냉각 온도 범위에서 전기전도도 감소는 샘플의 전류 감소의 원인이 되고, 핵생성이 발생하기 전에, 과냉각 닭가슴살의 최소 전기전도도 및 전류는 각각 0.580 S/m 및 0.024A 로 평가되었다.
안정적인 과냉각의 전체 제어를 위해, 3개의 듀티 사이클의 시퀀스로 된 펄스 전기장(PEF)을 사용하여 계단 형태의 냉각률이 설계된다.(도 8(a)). 듀티 사이클 0.8, 0.5 및 0.2인 펄스 전기장(PEF)은 각각 300, 120 및 90초의 다른 주기에서 연속적으로 적용하도록 최적화된다(각각 t 1 ,t 2 및 t 3 , 도 8(a)).
각각 다른 듀티 사이클에서 펄스 전기장(PEF) 처리의 온도 프로파일은 도 8(b)에서 보여진다. 결과적으로 최대 듀티 사이클 0.8에서는 일정한 샘플 온도로 된 것이 보여질 수 있다. 듀티 사이클의 감소는 -0.l2℃/min까지 닭가슴살 샘플의 냉각률 증가를 유발한다. 이 데이터는 듀티 사이클 시퀀스가 계단 형상의 온도 분포에 이르게 하는 냉각률의 변화를 가져오는 것을 나타낸다.
그래서 PEF 및 OMF의 조합은 현저한 전기적 간섭 없이 성공적으로 얼음 핵생성을 방지한다.(도 8(b))
과냉각 연장에 대한 개발된 PEF 및 OMF 조합의 효과
도 9는 개발된 프로토콜을 사용했을 때 조합된 펄스 전기장(PEF) 및 진동 자기장(OMF) 처리하에서 온도가 시간의 함수임을 보여준다. 제안된 펄스 전기장(PEF) 및 진동 자기장(OMF) 처리 프로토콜의 비교를 위해서, 어떤 처리도 하지 않은 닭가슴살을 제어군으로 이용한다. 제어군이 동결되기 전에는 조합된 PEF 및 OMF로 처리된 샘플과 제어군의 냉각률이 동일하게 진행되었음을 볼 수 있다. 이 주기 동안, 과냉각 상태에 도달한 상태에서 전류가 최소가 되었을 때(0.024A), 조합된 PEF 및 OMF 처리의 효과로 인해 샘플은 제어군으로부터 분기된다. 그러므로 개발된 PEF 및 OMF 처리는 열효과보다는 물분자들의 상호작용에 기반을 두고 있는 것으로 결론지을 수 있다.
PEF 및 OMF 처리된 샘플은 과냉각상태(어떤 얼음 핵생성도 없음)로 남고, 반면에 제어군은 완전하게 동결된다. PEF 및 OMF 조합 하에 있는 닭가슴살 샘플에 대한 어떤 빙결점도 없기 때문에 PEF 및 OMF 처리된 닭가슴살 샘플의 과냉각 정도는 제어군에 대한 동결기 온도 및 동결점 사이의 온도차에 의해 평가된다. PEF 및 OMF 처리를 한 닭가슴살의 과냉각의 평균 온도는 5.6±0.2℃이고, 제어군은 1.6±l.4℃이다. 모든 경우에, 개발된 PEF 및 OMF 처리가 된 샘플에 대한 갑작스런 얼음 핵생성이 조금도 없었다. 그러므로 개발된 PEF 및 OMF 조합을 이용한 제어 전략은 닭가슴살 샘플에 있어서 과냉각상태를 유지하는데 효과적이고 적용 가능하다.
닭가슴살의 미세 구조에 대한 개발된 PEF 및 OMF조합의 효과
과냉각상태에 있는 샘플 조직의 구조는 광학현미경에 의해 도시되고, 샘플 처리 후에 닭가슴살의 대표적인 이미지의 현미경 사진은 도 10의 (a) 내지 (c)에서 보여준다. 광학현미경 이미지를 보면, 냉장된 육류는 조밀한 섬유조직을 유지하고, 어떤 기공도 조직 사이에 관찰되지 않는다. 한편, 샘플이 동결될 때, 얼음 결정은 약간의 기공 및 조직의 뒤틀림의 원인이 된다. 동결 상태에서 짧은 시간 동안 있을 때에도, 완전하게 동결된 샘플은 심각한 손상을 보여준다. 공동(cavity)의 원형 지름은 대략 204±70 ㎛로 측정된다. 전체 단면 면적에서 공동 크기는 여러 가지가 있고, 많은 동결 크랙이 진행된다. 과냉각 상태에 있는 육류(도 10(c))에 해당하는 광학이미지는 냉장된(동결되지 않은) 샘플에서 나타나는 상태와 유사하고, 구조적인 손상 및 셀 파열은 거의 보이지 않는다.
과냉각된 닭가슴살의 품질에 대한 PEF 및 OMF 조합의 효과
육즙손실, 색깔, 조직, pH 및 지방질 산화를 포함하는 품질 변수는 과냉각된 닭가슴살 샘플에 대한 품질 변화를 평가하기 위해 측정되었다. 품질요소에 대한 비교에서, 초기 4℃에서 닭가슴살 샘플의 품질 평가는 제어군으로 고려되었다. 표1은 품질 변수가 다른 냉각 온도 저장 조건에 따라 변화하는 것을 보여준다: 신선한 조건, 12시간 동안 4℃에서 냉장된 조건, 12시간동안 동결된 조건 및 과냉각된 조건이다.
초기값(4℃에서 초기, 제어), 냉장(12시간 동안 4℃에서 냉장, 제어-), 결빙(12시간동안 -7℃에서 동결 및 4시간 동안 4℃에서 해동, 각각 제어+) 및 과냉각(12시간 동안 -7℃에서 과냉각)에 대한 닭가슴살 샘플의 물리적 변화 및 화학적 변화의 평균값(± 표준편차)
변수
(Parameter)		 초기
(Initial)		 냉장된 것
(Refrigerated)		 동결된 것
(Frozen)		 과냉각된 것(Supercooled)
육즙손실
(Drip loss)
(%)		 0.83 ± 0.14a 0.85 ± 0.06a 1.74 ± 0.17b 0.79 ± 0.10a
색깔 변화
(Color change)
(ΔE)		 N/A 0.35 ± 0.03a 0.32 ± 0.02a 0.33 ± 0.04a
조직
(Texture)
(N)		 27.24 ± 1.68a,b 26.77 ± 1.25a 25.67 ± 1.44c 27.30 ± 1.36b
pH 6.40 ± 0.01a 6.41 ± 0.01a 6.40 ± 0.02a 6.40 ± 0.01a
TBARS
(mg MDA/kg meat)		 0.26 ± 0.03a,b 0.29 ± 0.02b 0.26 ± 0.01a 0.26 ± 0.01a
*각 열에서, 각 셀에 있는 다르고 작은 문자들은 0.05 수준에서 중요한 차이를 나타낸다.
육즙손실에 있어서, 신선한 닭가슴살, 냉장된 닭가슴살 및 과냉각된 닭가슴살에 대한 이 값은 크게 다르지 않다. -7℃에서 동결된 닭가슴살은 얼음 결정 생성에 의한 근원섬유 수축 및 근육 세포 손상을 나타내는 육즙손실에 있어서 증가를 보여준다. 동결 저장 후에 닭가슴살의 광학이미지는 도 10(b)에서 보이고, 동결 저장 동안에 얼음 결정의 성장으로 주요한 구조적 손상이 근육섬유에서 발생한 것을 확인할 수 있다. 그러므로 물 유지량에서의 손실 정도는 육즙손실로부터 관측될 수 있는 경향이거나 유사할 것이다.
전단력 결과는 동결된 닭가슴살의 유연성이 크게 감소했음을 보여준다(P < 0.05). 유연성의 손실에서의 기본 메커니즘은 얼음 결정 형성에 의한 근육 섬유의 분해 및 구조적 완전성의 상실로부터 추론된다. 셀 외부의 얼음 결정의 형성은 물리적인 구조에 지장을 주어, 근원섬유 크게 끊어지는 것 및 유연성 손실 결과가 된다. 반대로, 냉장 및 과냉각된 닭가슴살은 초기 샘플만큼 부드러웠다(P > 0.05).
닭고기 샘플에서 TBARS의 측정은 이차적인 산화 생성물인 말론다이 알데하이드(MDA)의 양을 보여준다. 냉장 닭 가슴살의 TBARS 값은 다른 조건에 저장된 것보다 상당히 높았다. TBARS의 억제 정도는 냉장 조건과 비교할 때 동결 또는 과냉각 조건의 경우는 차이값이 최대로 20%인 것으로 평가된다. 이것은 0 도 이하의 온도 저장은 닭가슴살의 지방질 산화를 줄이는 데 효과적이라는 것을 나타낸다.
상기 시험들으로부터, 과냉각된 닭가슴살 샘플은 신선한 닭 제품의 초기 품질을 유지했다. 전체적으로 현재 연구의 결과는 과냉각 상태를 연장하기위한 PEF 및 OMF 조합의 전략은 부패성 재료의 만족스런 장기간 저장을 달성하면서 초기 품질을 유지하기위해 적용가능하다.
평가예2
과냉각 상태에서 육류 제품의 저장
닭, 소고기, 돼지고기, 생선 또는 다른 동물로 이루어진 육류 제품 중에서 적어도 어느 하나를 선택하여 본 발명의 장치의 냉각칸에 넣었다. 이어서 장치는 내부온도가 약 -8℃로 제어되고 있는 동결기로 이송되었다. 동결기에 놓았을 때, PEF 및 OMF의 조합 적용을 개시한다. PEF 및 OMF에 대한 프로그램된 듀티 사이클은 전체 저장 기간 내내 냉각과정 동안 계속해서 반복된다. 육류 제품은 약 2주 동안 결과적으로 과냉각 상태로 저장된다(도 11). 육류 제품은 유지되어 신선육 대비 색깔, 육즙손실 또는 유연성에 있어서 두드러진 변화는 없다.
평가예3
과냉각 상태에서 생물체 기관의 저장
상술한 바와 같이 생물체의 기관은 장치의 냉각 보관칸에 놓인다. 이어서 장치는 약 0℃ 내지 -20℃로 제어되고, -7℃의 내부 온도 상태인 동결기로 이송된다. 동결기 속에 놓이자마자, 장치는 기관에 대해 조합된 PEF 및 OMF를 적용하는데 이용되어서, 과냉각 상태로 유지된다. 생물체의 기관은 결과적으로 과냉각 상태로 보관되고, 과냉각 과정의 결과로서 구조 또는 기능 면에서의 어떤 변화도 없다.
1: 장치 2: 과냉각보관칸, 냉각보관칸 또는 용기
3: 히트 싱크(heat sink) 4, 5: 외부 양측면
6, 7: 솔레노이드 코일 8, 9: 전극
10, 30: 접촉 전극 11, 12: 용기 내부 양측면
13: 내부 바닥면 14: 가변 변압기
15: IGBT 전원 공급 장치 16: 절연된 게이트 바이폴라 트랜지스터
17: 가변 변압기 18: 데이터수집 시스템
19: 열전대 20, 21: 스프링
22, 23: 측면 전극 지지체 25: 벤트 홀

Claims (32)

  1. 용기 내에서 부패성 제품을 과냉각하는 방법에 있어서,
    상기 부패성 제품에 진동 자기장을 적용하면서 0℃ 내지 -20℃ 의 범위의 온도에서 상기 부패성 제품을 냉각하는 단계; 및
    동시에 상기 부패성 제품의 빙점 아래의 온도를 유지하면서 상기 부패성 제품에 상기 진동 자기장 및 펄스 전기장을 적용하는 단계를 포함하는 부패성 제품의 과냉각 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부패성 제품은 식료품인 것을 특징으로 하는 부패성 제품의 과냉각 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 부패성 제품은 육류 제품인 것을 특징으로 하는 부패성 제품의 과냉각 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 부패성 제품은 기관 또는 조직인 것을 특징으로 하는 부패성 제품의 과냉각 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 부패성 제품는 -4℃ 내지 -7℃ 범위의 온도에서 냉각된 것을 특징으로 하는 부패성 제품의 과냉각 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 펄스 전기장은 펄스 사각형상의 파형으로 제공되는 것을 특징으로 하는 부패성 제품의 과냉각 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 펄스 사각형상의 파형은 적어도 20kHz인 진동수로 제공되는 것을 특징으로 하는 부패성 제품의 과냉각 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 용기의 내부 중앙부에서 측정했을 때 상기 진동 자기장은 50 내지 500 mT의 세기인 것을 특징으로 하는 부패성 제품의 과냉각 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    과냉각된 상기 부패성 제품 내에 얼음 결정이 형성되지 않은 것을 특징으로 하는 부패성 제품의 과냉각 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    냉각 동안에 상기 펄스 전기장을 상기 부패성 제품에 더 적용하는 것을 특징으로 하는 부패성 제품의 과냉각 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 부패성 제품은 상기 식료품들, 상기 기관들, 상기 조직들, 생물들, 세포 배양들, 줄기세포들, 배아들, 피, 반응성 용액들 및 불안정한 화학 시약들로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 부패성 제품의 과냉각 방법.
  12. 빙점 이하의 온도에서 식료품을 보존하는 방법에 있어서,
    상기 식료품에 진동 자기장을 적용하면서 빙점 이하의 온도까지 상기 식료품을 냉각하는 단계; 및
    상기 진동 자기장 및 펄스 전기장을 적용하는 요구된 시간 주기 동안 빙점 이하에서 상기 식료품을 유지하는 단계를 포함하는 부패성 제품의 과냉각 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 식료품은 한 조각 이상의 육류인 것을 특징으로 하는 부패성 제품의 과냉각 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 육류는 하나 이상의 닭, 소고기 및 생선으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 부패성 제품의 과냉각 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 식료품은 채소인 것을 특징으로 하는 부패성 제품의 과냉각 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 식료품은 24시간 이상 보존된 것을 특징으로 하는 부패성 제품의 과냉각 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    비보존된 식료품 대비하여 상기 식료품의 색깔, 육즙 손실 또는 유연성 중에 어느 하나도 상당한 변화가 없는 것을 특징으로 하는 부패성 제품의 과냉각 방법.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 냉각 동안에 상기 식료품에 상기 펄스 전기장을 더 적용하는 것을 특징으로 하는 부패성 제품의 과냉각 방법.
  19. 제12항에 있어서, 상기 펄스 전기장은 사각형상의 파형인 것을 특징으로 하는 부패성 제품의 과냉각 방법.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 사각 형상의 파형은 듀티 사이클이 0.2 내지 0.8의 범위인 것을 특징으로 하는 부패성 제품의 과냉각 방법.
  21. 제12항에 있어서,
    상기 사각 형상의 파형은 한 개 이상의 듀티 사이클인 것을 특징으로 하는 부패성 제품의 과냉각 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 사각 형상의 파형은 0.2, 0.5 및 0.8의 듀티 사이클로 제공되는 것을 특징으로 하는 부패성 제품의 과냉각 장치.
  23. 제12항에 있어서,
    상기 진동 자기장의 세기는 50 내지 500 mT의 범위인 것을 특징으로 하는 부패성 제품의 과냉각 방법.
  24. 기관을 보존하는 방법에 있어서,
    상기 기관에 진동 자기장을 적용하면서 0℃ 이하까지 상기 기관을 냉각하는 단계; 및
    연속적으로 상기 기관에 상기 진동 자기장 및 펄스 전기장을 적용하는 단계를 포함하는 부패성 제품의 과냉각 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 펄스 전기장은 펄스 사각형상의 파형인 것을 특징으로 하는 부패성 제품의 과냉각 방법.
  26. 제24항에 있어서, 상기 진동 자기장의 세기는 50 내지 500 mT의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 부패성 제품의 과냉각 방법.
  27. 제24항에 있어서, 상기 펄스 전기장과 상기 진동 자기장이 계속해서 적용되는 동안, 상기 기관은 0℃ 아래의 온도에서 24 시간 이상 유지되는 것을 특징으로 하는 부패성 제품의 과냉각 방법.
  28. 하나 이상의 부패성 제품을 과냉각하는 장치에 있어서,
    하나 이상의 상기 부패성 제품을 보관할 수 있는 용기;
    상기 용기 내부에 있는 하나 이상의 상기 부패성 제품을 접촉하도록 배치된 두 개 전극들을 포함하는 펄스 전기장 발생기; 및
    상기 용기 내부에 진동 자기장을 발생하기위해 배치된 진동 자기장 발생기를 포함하는 부패성 제품의 과냉각 장치.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 펄스 전기장 발생기는 펄스 사각형상의 파형을 제공되는 것을 특징으로 하는 부패성 제품의 과냉각 장치.
  30. 제28항에 있어서,
    상기 펄스 전기장 발생기는 절연된 게이트 전극 바이폴라 트랜지스터(insulated-gate bipolar transistor)인 것을 특징으로 하는 부패성 제품의 과냉각 장치.
  31. 제28항에 있어서,
    상기 진동 자기장 발생기는 상기 용기의 양 측면에 4개의 솔레이노드 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 부패성 제품의 과냉각 장치.
  32. 제28항에 있어서,
    상기 장치는 냉장고 또는 냉동기의 부품인 것을 특징으로 하는 부패성 제품의 과냉각 장치.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102266096B1 (ko) * 2020-01-07 2021-06-18 원광대학교산학협력단 품질의 변화가 최소화되도록 하여 해동 후 비빔밥 본연의 맛을 유지할 수 있는 냉동 비빔밥 제조방법

Families Citing this family (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3270708A4 (en) * 2015-03-20 2018-08-15 Optifreeze AB Apparatus and method for extending shelf life of a food product comprising water and soft tissue
DK3644728T3 (da) * 2017-06-28 2022-10-31 Sci Group As Frysning af biologisk materiale
US10588334B2 (en) * 2017-11-16 2020-03-17 Rlmb Group, Llc System and methods for supercooling perishable products
KR102063456B1 (ko) 2017-11-23 2020-01-09 한국식품연구원 유산균 생존율 및 저장안정성 향상을 위한 과냉각 저온 전처리 방법
CN112203527A (zh) 2018-11-13 2021-01-08 公益财团法人函馆地域产业振兴财团 降低了碘含量的干燥海带及其制造方法
RU2708555C1 (ru) * 2019-04-29 2019-12-09 Михаил Леонидович Галкин Способ хранения свежего охлажденного мяса
RU2733118C1 (ru) * 2019-09-03 2020-09-29 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный центр пищевых систем им. В.М. Горбатова" РАН Способ хранения продуктов животного происхождения в переохлажденном состоянии
CN111213707B (zh) * 2019-12-23 2023-04-11 安徽鲜森绿色食品有限公司 一种家禽冷冻保鲜的方法
FI129124B (en) * 2020-01-23 2021-07-30 Acoustic Extra Freezing Oy Device and method for controllable growth of crystals in a freezing process
US20210267224A1 (en) * 2020-02-27 2021-09-02 Independent Quality Foods, Llc Composition and process for long term preservation of food
KR102375921B1 (ko) * 2020-04-03 2022-03-17 사회복지법인 삼성생명공익재단 분리 장치 및 방법
KR20220043324A (ko) 2020-09-29 2022-04-05 (주)에어테크 과냉각고
CN114543409A (zh) * 2020-11-24 2022-05-27 北京大学 一种高品质速冻装置及速冻方法
KR20230130780A (ko) 2022-03-04 2023-09-12 엘지전자 주식회사 보관방법, 및 보관장치
US20240036404A1 (en) 2022-07-28 2024-02-01 Xerox Corporation System and method for metamaterial array-based field-shaping
US20240032551A1 (en) 2022-07-28 2024-02-01 Xerox Corporation Feedback-based device for nucleation control
US20240033701A1 (en) 2022-07-28 2024-02-01 Xerox Corporation System and method for feedback-based colloid phase change control
US20240035725A1 (en) 2022-07-28 2024-02-01 Xerox Corporation System and method for controlling crystallized forms of water
US20240034497A1 (en) * 2022-07-28 2024-02-01 Xerox Corporation Contact interfacing material receptacle
US20240035714A1 (en) 2022-07-28 2024-02-01 Xerox Corporation System and method for feedback-based nucleation control
US20240036528A1 (en) 2022-07-28 2024-02-01 Xerox Corporation System and method for feedback-based beverage supercooling

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001086967A (ja) * 1999-09-22 2001-04-03 Airtech Japan Ltd 磁場，電場の変動を利用した冷凍方法及び冷凍庫
JP2001137694A (ja) * 1999-11-16 2001-05-22 Lf Laboratory Kk 水又は生体の過冷却方法及び装置並びに炭酸ガスの吸収方法及び装置
US20050005611A1 (en) * 2001-11-01 2005-01-13 Norio Owada Highly-efficient freezing apparatus and highly-efficient freezing method

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2789604A1 (fr) * 1999-02-11 2000-08-18 Christian Nguyen Dispositif pour la conservation de matieres organiques
JP2004044889A (ja) * 2002-07-11 2004-02-12 Glocal:Kk 冷凍装置
JP4152695B2 (ja) * 2002-08-28 2008-09-17 株式会社アビー 高鮮度凍結生野菜の製造方法
AU2007351997B2 (en) * 2007-04-17 2010-05-20 Mitsubishi Electric Corporation Refrigerator and frozen food preservation method
US20100116151A1 (en) * 2008-11-07 2010-05-13 University Of Southern California Treatment of food must with low energy, short pulsed electric field
JP2011101602A (ja) * 2009-11-10 2011-05-26 Univ Of Tokyo 凍結方法
JP5418611B2 (ja) * 2011-04-21 2014-02-19 株式会社デンソー 粒子状物質検出装置の補正方法
US20130160467A1 (en) * 2011-12-22 2013-06-27 Electrolux Home Products, Inc. Refrigeration device with a region for storing food items in a generated field

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001086967A (ja) * 1999-09-22 2001-04-03 Airtech Japan Ltd 磁場，電場の変動を利用した冷凍方法及び冷凍庫
JP2001137694A (ja) * 1999-11-16 2001-05-22 Lf Laboratory Kk 水又は生体の過冷却方法及び装置並びに炭酸ガスの吸収方法及び装置
US20050005611A1 (en) * 2001-11-01 2005-01-13 Norio Owada Highly-efficient freezing apparatus and highly-efficient freezing method

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102266096B1 (ko) * 2020-01-07 2021-06-18 원광대학교산학협력단 품질의 변화가 최소화되도록 하여 해동 후 비빔밥 본연의 맛을 유지할 수 있는 냉동 비빔밥 제조방법

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