KR20170116741A - 고전압 펄스 전기장 및 저온 장시간 살균 처리를 이용한 우유의 살균 방법 - Google Patents

고전압 펄스 전기장 및 저온 장시간 살균 처리를 이용한 우유의 살균 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고전압 펄스 전기장 및 저온 장시간 살균 처리를 이용한 우유의 살균 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고전압 펄스 전기장 및 저온 장시간 살균의 병합 처리에 의하여 우유의 유통기간 및 품질특성을 증진시킬 수 있도록 한 고전압 펄스 전기장 및 저온 장시간 살균 처리를 이용한 우유의 살균 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 우유의 살균 처리 공정을 저온 장시간(LTLT) 살균 공정 외에 고전압 펄스 전기장(high-vloltage pulsed electric fiels, PEF)에 의한 살균 처리 공정을 병합 진행함으로써, 우유에 포함된 미생물 생균수를 추가로 살균할 수 있는 등 살균 효과를 극대화시킬 수 있고, 그에 따라 우유의 유통기간 연장 및 품질 증진을 도모할 수 있는 고전압 펄스 전기장 및 저온 장시간 살균 처리를 이용한 우유의 살균 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

고전압 펄스 전기장 및 저온 장시간 살균 처리를 이용한 우유의 살균 방법{Pasteurization method of milk using PEF and LTLT}
본 발명은 고전압 펄스 전기장 및 저온 장시간 살균 처리를 이용한 우유의 살균 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고전압 펄스 전기장 및 저온 장시간 살균의 병합 처리에 의하여 우유의 유통기간 및 품질특성을 증진시킬 수 있도록 한 고전압 펄스 전기장 및 저온 장시간 살균 처리를 이용한 우유의 살균 방법에 관한 것이다.
첨부한 도 14는 종래의 우유 제조 과정을 나타낸 공정도이다.
먼저, 우유를 제조하기 위한 원유를 자사와 계약된 목장에서 탱크로리(7℃ 이하)를 이용하여 이송한 후, 공장내 싸일로 탱크(7℃ 이하)에 저장한다.
이렇게 이송 저장된 원유는 목장별 및 탱크로리별로 세균수, 체세포수, 항생제 검사, 알코올 테스트 등의 과정을 거쳐서 위생등급이 결정된 후, 자사기준의 적합 여부를 확인하여 우유 제조를 위한 제품으로 사용된다.
이어서, 균질 공정을 위한 예열 공정이 진행되는 바, 균질전 예열 공정을 하는 것은 균질을 위한 최적의 온도조건이 60℃ 내외이기 때문이다.
연이어, 균질 공정이 진행되는데, 이 균질 공정은 원유 성분 중 포함된 유지방구를 잘게 부셔주면서 크림층이 생기는 것을 방지하기 위한 공정이다.
다음으로, 저온 장시간(LTLT : Low Temperature Long Time) 살균 공정(예, 약 63~ 65℃에서 30분간 살균)을 이용한 우유 살균 처리가 진행된 후, 냉각기를 이용하여 냉각 공정과, 충전기를 이용한 우유 충전 공정, 포장 공정 등을 통하여 최종 우유 제품이 완성된다.
이렇게 최종 출시된 우유는 그 유통기간이 지나면, 내열성균, 대장균, 부패세균 등에 의하여 쉽게 변질되는 바, 이러한 점을 감안하여 우유의 신선한 상태를 장시간 유지시킬 수 있는 유통기간 연장 및 품질 증진 방안이 연구 개발되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 우유의 살균 처리 공정을 저온 장시간(LTLT) 살균 공정 외에 고전압 펄스 전기장(high-vloltage pulsed electric fiels, PEF)에 의한 살균 처리 공정을 병합 진행함으로써, 우유에 포함된 미생물 생균수를 추가로 살균할 수 있는 등 살균 효과를 극대화시킬 수 있고, 그에 따라 우유의 유통기간 연장 및 품질 증진을 도모할 수 있는 고전압 펄스 전기장 및 저온 장시간 살균 처리를 이용한 우유의 살균 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 원유에 대한 예열 단계을 마친 우유의 살균 공정을 진행할 때, 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리에 의한 살균 공정과, 저온 장시간(LTLT) 살균 공정을 연속 공정으로 병합 진행하는 것을 특징으로 하는 고전압 펄스 전기장 및 저온 장시간 살균 처리를 이용한 우유의 살균 방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리에 의한 살균 공정은 예열 단계 후의 우유 초기온도, 유속, 처리조 관내압력을 소정의 설정 수준으로 유지하는 동시에 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리시의 펄스세기(kV/cm), 펄스주기(Hz)를 변화시키면서 진행되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리에 의한 살균 공정은 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리 후의 우유 처리온도가 저온 장시간(LTLT) 살균 공정의 기준온도 범위가 되도록 진행되는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리 후의 우유 처리온도가 저온 장시간(LTLT) 살균 공정의 기준온도 범위가 되도록 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리를 위한 예열 단계 후의 우유 초기온도를 비롯하여 펄스세기, 펄스주기, 펄스폭, 우유 유속이 최적으로 설정되는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 우유의 살균 처리 공정을 고전압 펄스 전기장(high-vloltage pulsed electric fiels, PEF)에 의한 살균 처리 공정과 저온 장시간(LTLT) 살균 공정을 연속으로 병합 진행함으로써, 우유에 포함된 미생물 생균수를 추가로 살균할 수 있는 등 살균 및 멸균 효과를 극대화시킬 수 있다.
둘째, 우유의 살균 처리 공정을 고전압 펄스 전기장(high-vloltage pulsed electric fiels, PEF)에 의한 살균 처리 공정과 저온 장시간(LTLT) 살균 공정을 연속으로 병합 진행함으로써, 살균효과를 극대화시킴과 더불어 우유의 유통기간 연장 및 품질 증진을 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 고전압 펄스 전기장 처리를 위한 설비 구조로서, (a) 는 평행 플레이트(Parallel plate) 방식, (b)는 동축(Co-axial) 방식, (c)는 코-리니어(Co-linear) 방식, (d)는 코-리니어(Co-linear) 방식의 전극(electrode)을 실제 시스템 내부에 설치한 모습을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 실험예 결과로서, 초기온도 35℃ 에서 PEF 단독처리군(P1, P2, P3), LTLT 단독처리군(L), PEF-LTLT 병합처리군(PL1, PL2, PL3) 처리에 의한 우유 중 E. coli 사멸 효과를 나타낸 그래프,
도 3은 본 발명의 실험예 결과로서, 초기온도 35℃ 에서 PEF 단독처리군(P1, P2, P3), LTLT 단독처리군(L), PEF-LTLT 병합처리군(PL1, PL2, PL3) 처리에 의한 우유 중 Geobacillus stearothermophilus 사멸 효과를 나타낸 그래프,
도 4는 본 발명의 실험예 결과로서, 초기온도 45℃ 에서 PEF 단독처리군(P1, P2, P3), LTLT 단독처리군(L), PEF-LTLT 병합처리군(PL1, PL2, PL3) 처리에 의한 우유 중 Geobacillus stearothermophilus 사멸 효과를 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명의 실험예 결과로서, 초기온도 35℃ 에서 PEF 단독처리군(P1, P2, P3), LTLT 단독처리군(L), PEF-LTLT 병합처리군(PL1, PL2, PL3) 처리에 의한 우유 중 Streptococcus thermophilus 사멸 효과를 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명의 실험예 결과로서, 초기온도 45℃ 에서 PEF 단독처리군(P1, P2, P3), LTLT 단독처리군(L), PEF-LTLT 병합처리군(PL1, PL2, PL3) 처리에 의한 우유 중 Streptococcus thermophilus 사멸 효과를 나타낸 그래프,
도 7은 본 발명의 실험예 결과로서, 초기온도 35℃ 에서 PEF 단독처리, LTLT 단독처리, PEF-LTLT 병합처리에 의한 원유 중 저장온도 4℃에서의 일반세균수와 대장균군의 변화를 나타낸 그래프,
도 8은 본 발명의 실험예 결과로서, 초기온도 35℃ 에서 PEF 단독처리, LTLT 단독처리, PEF-LTLT 병합처리에 의한 원유 중 저장온도 10℃에서의 일반세균수와 대장균군의 변화를 나타낸 그래프,
도 9는 본 발명에 따른 초기온도 45°C 에서 PEF 단독처리, LTLT 단독처리, PEF-LTLT 병합처리에 의한 원유 중 저장온도 4℃에서의 일반세균수와 대장균군의 변화를 나타낸 그래프,
도 10은 본 발명의 실험예 결과로서, 초기온도 45℃ 에서 PEF 단독처리, LTLT 단독처리, PEF-LTLT 병합처리에 의한 원유 중 저장온도 10℃에서의 일반세균수와 대장균군의 변화를 나타낸 그래프,
도 11은 본 발명의 실험예 결과로서, 초기온도 35℃ 에서 PEF 단독처리, LTLT 단독처리, PEF-LTLT 병합처리 후 저장온도별(4℃, 10℃) 우유의 산도변화를 나타낸 그래프,
도 12는 본 발명의 실험예 결과로서, 초기온도 45℃ 에서 PEF 단독처리, LTLT 단독처리, PEF-LTLT 병합처리 후 저장온도별(4°C, 10°C) 우유의 산도변화를 나타낸 그래프,
도 13은 본 발명에 따른 고전압 펄스 전기장 및 저온 장시간 살균 처리 공정을 포함하는 우유 제조 공정도,
도 14는 종래의 우유 제조 공정을 도시한 공정도.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 우유의 살균 처리 공정을 고전압 펄스 전기장(PEF)에 의한 살균 공정과 저온 장시간(LTLT) 살균 공정을 연속적으로 병합 진행하여, 우유에 포함된 미생물 생균수를 추가로 살균할 수 있는 등 살균 효과를 극대화시킬 수 있고, 그에 따라 우유의 유통기간 연장 및 품질 증진을 도모할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
이를 위해, 상기 고전압 펄스 전기장(PEF)에 의한 살균 공정과 저온 장시간(LTLT) 살균 공정의 연속 처리를 위하여, 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리 후의 우유 처리온도(Outlet temperature)를 저온 장시간(LTLT) 살균 공정의 기준온도 범위(63~65℃)가 되도록 예열단계의 초기온도를 비롯하여 고전압 펄스 전기장 처리시의 펄스세기 및 펄스주기를 최적의 조건으로 설정한다.
또한, 상기 고전압 펄스 전기장(PEF)에 의한 살균 공정용 설비는 기존의 생산라인에 펄스공급장치(Pulse generator)와 펄스처리 챔버를 끼워 넣는 단순한 작업을 통해서 구축될 수 있다.
도 1에서 보듯이, 고전압 펄스 전기장(PEF)에 의한 살균 공정용 설비로서, 제품(우유)에 펄스를 인가하는 펄스 처리조(treatment chamber)는 평행 플레이트(Parallel plate) 방식의 처리조(도 1 (a) 참조)와, 동축(Co-axial) 방식의 처리조(도 1 (b) 참조)와, 코-리니어(Co-linear) 방식의 처리조(도 1 (c) 참조) 등이 사용될 수 있다.
상기 평행 플레이트 방식의 처리조는 사각 단면의 파이프로 구비되며, 그 내부에 우유가 흐를 때, 일측 전극판에서 타측 전극판으로 펄스를 인가하여 우유에 대한 펄스 처리가 이루어진다.
상기 동축(Co-axial) 방식의 처리조는 중공파이프와 중실파이프가 겹쳐진 형태로 구비되며, 중공파이프와 중실파이프 사이 공간을 통하여 우유가 흐를 때, 중실파이프쪽에서 중공파이프쪽으로 펄스를 인가하여 우유에 대한 펄스 처리가 이루어진다.
상기 코-리니어(Co-linear) 방식의 처리조는 하나의 중공파이프 형태로 구비되며, 그 내부를 통하여 우유가 흐를 때, 자기장 형태로 펄스를 인가하여 우유에 대한 펄스 처리가 이루어진다.
바람직하게는, 상기 코-리니어(Co-linear)방식의 처리조는 도 1의 (d)에서 보듯이 우유의 흐름성 및 우유의 변질 방지 등을 고려하여 중공파이프의 내부에는 어떠한 구조체도 없도록 하고, 중공파이프의 외경부에 펄스 인가용 전극을 별도로 장착하도록 하며, 이때 중공파이프의 단면 즉, 처리조의 단면 지름은 약 1~4cm로 설정될 수 있다.
이때, 상기 코-리니어(Co-linear)방식의 처리조를 구성하는 중공파이프의 외경부에 펄스 인가용 전극을 포함하는 펄스처리장치로서, 최대 200 L/hr의 처리용량을 갖는 파일럿 스케일의 펄스처리장치인 5 kW급 펄스공급장치가 사용될 수 있고, 그 밖에 살균 목적의 사용시 최대 5.0 톤/hr의 처리가 가능한 산업용 80 kW급 펄스공급장치도 적용할 수 있다.
여기서, 본 발명에 따른 고전압 펄스 전기장 및 저온 장시간 살균 처리 공정을 포함하는 우유 제조 공정을 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 13은 본 발명에 따른 고전압 펄스 전기장 및 저온 장시간 살균 처리 공정을 포함하는 우유 제조 공정도를 나타낸다.
전술한 바와 같이, 먼저 원유를 탱크로리(7℃ 이하)를 이용하여 이송한 후, 공장내 싸일로 탱크(7℃ 이하)에 저장하고, 균질 공정을 위한 예열 단계를 진행한다.
본 발명에 따르면, 상기 예열 단계 후 고전압 펄스 전기장(PEF)에 의한 살균 공정과 저온 장시간(LTLT) 살균 공정이 연속 공정으로 진행된다.
즉, 상기 예열 공정 후, 고전압 펄스 전기장(PEF)에 의한 살균 공정이 먼저 진행된 후, 곧바로 살균 공정과 저온 장시간(LTLT) 살균 공정이 진행된다.
이때, 상기 고전압 펄스 전기장(PEF)에 의한 살균 처리 후의 처리조를 빠져나가는 우유 처리온도(Outlet temperature)를 저온 장시간(LTLT) 살균 공정의 기준온도 범위(63~65℃)가 되도록 예열 단계의 초기온도를 비롯하여 고전압 펄스 전기장 처리시의 펄스세기(kV/cm) 및 펄스주기(Hz)를 최적의 조건으로 설정한다.
이렇게 상기 고전압 펄스 전기장(PEF)에 의한 살균 공정과 저온 장시간(LTLT) 살균 공정(예, 약 63~ 65℃에서 30분간 살균)이 연속적으로 진행되는 우유 살균 처리가 진행된 후, 냉각기를 이용하여 냉각 공정과, 충전기를 이용한 우유 충전 공정, 포장 공정 등을 통하여 최종 우유 제품이 완성된다.
상기와 같이 예열 단계 후, 고전압 펄스 전기장(PEF)에 의한 살균 공정과 저온 장시간(LTLT) 살균 공정을 연속 공정으로 진행할 때, 고전압 펄스 전기장(PEF)을 통과한 우유 샘플의 처리온도를 65℃ 이하로 유지해야 하며, 이는 저온 장시간(LTLT) 살균 공정이 약 63~ 65℃에서 진행되어야 하기 때문이다.
따라서, 상기 고전압 펄스 전기장(PEF)에 의한 살균 처리 후의 처리조를 빠져나가는 우유 처리온도(Outlet temperature)를 저온 장시간(LTLT) 살균 공정의 기준온도 범위(63~65℃)가 되도록 해야 하며, 이를 위해 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리를 위한 우유 샘플의 초기온도(원유 예열 단계 후 우유 초기온도 즉, 고전압 펄스 전기장 처리가 이루어지기 위하여 예열 단계를 마친 우유의 초기온도), 그리고 펄스세기, 펄스주기, 펄스폭, 유속 등을 최적으로 설정해야 한다.
여기서, 본 발명에 따른 고전압 펄스 전기장 및 저온 장시간 살균 처리를 이용한 우유의 살균 방법을 실시예를 통해 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
실시예1
본 발명의 실시예1에 따르면, 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리를 위한 우유 샘플의 초기온도 즉, 예열 단계 후의 초기온도 25℃로 설정하고, 유속(30L/hr), 관내압력(1기압)을 유지하는 동시에 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리시의 펄스세기(kV/cm), 펄스주기(Hz)를 변화시키면서 고전압 펄스 전기장(PEF)에 의한 살균 공정과 저온 장시간(LTLT) 살균 공정을 연속 공정으로 진행하였다.
그리고, 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리 후의 우유 온도 즉, 고전압 펄스 전기장(PEF)에 의한 살균 처리 후의 처리조를 빠져나가는 우유 처리온도(Outlet temperature) 변화를 측정하였는 바, 그 결과는 표 1에 기재된 바와 같다.
Out Voltage
(%)		 Frequency
(Hz)		 Field strength
(kV/cm)		 Energy
(kJ/L)		 O.T.
(℃)
25 25 6.6 10.8 26.8
50 6.9 24.4 29.3
75 6.9 39.0 32.3
90 6.9 48.2 34.1
100 6.9 54.3 35.2
110 6.9 60.5 36.2
125 6.9 68.6 37.4
140 6.9 79.6 39.5
150 6.9 84.6 40.5
30 25 8.1 17.3 29.3
50 8.3 38.4 32.5
75 8.3 61.7 35.9
90 8.2 76.2 39.7
100 8.2 82.8 41.5
110 8.1 92.5 43.4
125 8.1 106.8 45.9
140 8.0 121.0 48.1
150 8.0 130.8 50.3
35 25 9.4 24.2 32.6
50 9.5 53.6 37.3
75 9.5 85.4 42.5
90 9.4 105.0 45.9
100 9.3 119.0 48.9
110 9.3 132.5 51.6
125 9.2 146.7 54.2
140 9.2 165.9 57.3
150 9.1 178.9 59.7
40 25 10.6 31.8 35.3
50 10.7 73.7 42.3
75 10.6 116.9 49.4
90 10.5 143.2 53.9
100 10.5 160.8 57.1
110 10.3 178.5 60.5
125 10.2 199.2 64.7
140 10.1 224.6 69.3
150 10.1 233.4 71.0
45 25 11.7 40.6 40.7
50 11.8 93.4 47.9
75 11.7 147.3 57.3
90 11.5 180.7 63.0
100 11.4 203.0 66.5
110 11.3 217.3 69.0
125 11.2 247.6 72.2
140 11.1 270.7 75.0
150 - Flash over N.D.
50 25 12.8 53.8 44.4
50 12.8 128.5 55.3
75 12.5 200.9 67.8
90 - Flash over N.D.
100 - Flash over N.D.
110 - Flash over N.D.
125 - Flash over N.D.
140 - Flash over N.D.
150 - Flash over N.D.
위의 표 1에서 보듯이, 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리를 위한 우유 샘플의 초기온도 즉, 예열 단계 후의 초기온도를 설정함에 있어서, 초기온도 25℃ 에서 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리 후의 우유 처리온도(Outlet temperature)가 상승함을 확인할 수 있었다.
또한, 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리시 펄스세기와 펄스주기의 증가에 따라 펄스에너지(kJ/L)도 증가함을 확인할 수 있었고, 결국 펄스에너지의 증가에 따라 우유 시료의 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리 후의 우유 처리온도(Outlet temperature)가 상승함을 확인할 수 있었다.
위의 표 1에서, Flash over로 표시된 처리조건은 펄스에너지가 과도하게 전달되어, 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리를 위한 처리조(PEF treatment chamber) 내부로 스파크가 형성되고, 처리 후의 우유 처리온도가 저온 장시간(LTLT) 살균 공정에 부적절하게 70℃ 이상의 고온으로 상승하는 등, 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리에 적합하지 않은 조건임을 알 수 있었다.
이와 같이, 상기 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리시 펄스에너지 증가에 따라 처리 후 우유의 처리온도가 증가함을 활인할 수 있었다.
즉, 일정한 펄스에너지에 도달하기 위해 다양한 조합의 펄스세기와 펄스주기가 존재하는데, 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리 이후 우유의 처리온도는 펄스세기와 펄스주기를 포함한 변수인 펄스에너지 값에 비례하여 증가함을 알 수 있었다.
예를 들어, 상기 펄스에너지가 50 kJ/L인 경우, 우유 시료의 온도가 초기온도 25℃에서 처리온도 35℃ 부근으로 증가하고, 펄스에너지가 100 kJ/L인 경우, 우유 시료의 온도가 초기온도 25℃에서 처리온도 45℃ 까지 상승하였으며, 그리고 펄스에너지가 150 kJ/L인 경우, 우유 시료의 온도가 초기온도 25℃에서 처리온도 55℃ 까지 상승함을 확인할 수 있었다.
특히, 상기 펄스에너지가 200 kJ/L인 조건에서 우유 시료의 온도가 초기온도 25℃에서 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리 이후의 처리온도 65℃ 까지 도달함을 확인할 수 있었는 바, 이는 초기온도 25℃의 조건에서 우유를 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리할 경우 펄스에너지 200 kJ/L 이하의 펄스처리 조건을 적용해야만 처리온도가 저온 장시간(LTLT) 살균 공정에서 필요한 온도(예, 약 63~ 65℃)를 상회하지 않을 것으로 판단할 수 있는 근거를 나타낸다.
실시예2
본 발명의 실시예2에 따르면, 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리를 위한 우유 샘플의 초기온도 즉, 예열 단계 후의 초기온도 35℃로 설정하고, 유속(30L/hr), 관내압력(1기압)을 유지하는 동시에 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리시의 펄스세기(kV/cm), 펄스주기(Hz)를 변화시키면서 고전압 펄스 전기장(PEF)에 의한 살균 공정과 저온 장시간(LTLT) 살균 공정을 연속 공정으로 진행하였다.
그리고, 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리 후의 우유 온도 즉, 고전압 펄스 전기장(PEF)에 의한 살균 처리 후의 처리조를 빠져나가는 우유 처리온도(Outlet temperature) 변화를 측정하였는 바, 그 결과는 표 2에 기재된 바와 같다.
Out Voltage
(%)		 Frequency
(Hz)		 Field strength
(kV/cm)		 Energy
(kJ/L)		 O.T.
(℃)
25 25 6.6 10.8 26.8
50 6.9 24.4 29.3
75 6.9 39.0 32.3
90 6.9 48.2 34.1
100 6.9 54.3 35.2
110 6.9 60.5 36.2
125 6.9 68.6 37.4
140 6.9 79.6 39.5
150 6.9 84.6 40.5
30 25 8.1 17.3 29.3
50 8.3 38.4 32.5
75 8.3 61.7 35.9
90 8.2 76.2 39.7
100 8.2 82.8 41.5
110 8.1 92.5 43.4
125 8.1 106.8 45.9
140 8.0 121.0 48.1
150 8.0 130.8 50.3
35 25 9.4 24.2 32.6
50 9.5 53.6 37.3
75 9.5 85.4 42.5
90 9.4 105.0 45.9
100 9.3 119.0 48.9
110 9.3 132.5 51.6
125 9.2 146.7 54.2
140 9.2 165.9 57.3
150 9.1 178.9 59.7
40 25 10.6 31.8 35.3
50 10.7 73.7 42.3
75 10.6 116.9 49.4
90 10.5 143.2 53.9
100 10.5 160.8 57.1
110 10.3 178.5 60.5
125 10.2 199.2 64.7
140 10.1 224.6 69.3
150 10.1 233.4 71.0
45 25 11.7 40.6 40.7
50 11.8 93.4 47.9
75 11.7 147.3 57.3
90 11.5 180.7 63.0
100 11.4 203.0 66.5
110 11.3 217.3 69.0
125 11.2 247.6 72.2
140 11.1 270.7 75.0
150 - Flash over N.D.
50 25 12.8 53.8 44.4
50 12.8 128.5 55.3
75 12.5 200.9 67.8
90 - Flash over N.D.
100 - Flash over N.D.
110 - Flash over N.D.
125 - Flash over N.D.
140 - Flash over N.D.
150 - Flash over N.D.
위의 표 2에서 보듯이, 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리를 위한 우유 샘플의 초기온도 즉, 예열 단계 후의 초기온도를 설정함에 있어서, 초기온도 35℃ 에서도 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리 후의 우유 처리온도(Outlet temperature)가 상승함을 확인할 수 있었다.
예를 들어, 상기 펄스에너지가 100 kJ/L인 경우, 우유 시료의 온도가 초기온도 35℃에서 처리온도 50℃ 부근까지 상승하고, 펄스에너지가 125 kJ/L인 경우, 우유 시료의 온도가 초기온도 35℃에서 처리온도 50℃ 부근까지 상승함을 확인할 수 있었다.
특히, 상기 펄스에너지가 175 kJ/L인 조건에서 우유 시료의 온도가 초기온도 35℃에서 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리 이후의 처리온도 65℃ 까지 도달함을 확인할 수 있었는 바, 이는 초기온도 35℃의 조건에서 우유를 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리할 경우 펄스에너지 175 kJ/L 이하의 펄스처리 조건을 적용해야만 처리온도가 저온 장시간(LTLT) 살균 공정에서 필요한 온도(예, 약 63~ 65℃)를 상회하지 않을 것으로 판단할 수 있는 근거를 나타낸다.
또한, 실시예2에 따른 초기온도 35℃의 조건을 사용할 경우, 실시예1에 따른 25℃ 조건에 비하여 초기온도가 높기 때문에 상대적으로 낮은 펄스에너지를 사용하여야 함을 확인할 수 있었다.
실시예3
본 발명의 실시예3에 따르면, 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리를 위한 우유 샘플의 초기온도 즉, 예열 단계 후의 초기온도 45℃로 설정하고, 유속(30L/hr), 관내압력(1기압)을 유지하는 동시에 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리시의 펄스세기(kV/cm), 펄스주기(Hz)를 변화시키면서 고전압 펄스 전기장(PEF)에 의한 살균 공정과 저온 장시간(LTLT) 살균 공정을 연속 공정으로 진행하였다.
그리고, 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리 후의 우유 온도 즉, 고전압 펄스 전기장(PEF)에 의한 살균 처리 후의 처리조를 빠져나가는 우유 처리온도(Outlet temperature) 변화를 측정하였는 바, 그 결과는 표 3에 기재된 바와 같다.
Out Voltage
(%)		 Frequency
(Hz)		 Field strength
(kV/cm)		 Energy
(kJ/L)		 O.T.
(℃)
25 25 6.2 12.9 43.5
50 6.4 28.5 46.4
75 6.4 45.1 49.3
90 6.4 55.4 51.5
100 6.4 62.2 52.6
110 6.4 69.0 53.4
125 6.3 79.8 56.2
140 6.3 86.7 57.4
150 6.3 93.4 58.2
30 25 7.4 19.1 47.1
50 7.7 41.7 48.6
75 7.7 68.4 53.2
90 7.7 83.7 55.8
100 7.6 93.5 58.0
110 7.6 104.1 60.0
125 7.6 115.2 62.4
140 7.5 129.8 63.5
150 7.5 139.6 65.4
35 25 8.8 27.1 48.6
50 8.9 59.1 52.3
75 8.9 92.7 59.1
90 8.8 113.2 62.4
100 8.7 127.8 65.7
110 8.7 136.8 68.2
125 8.6 156.7 71.6
140 8.5 176.5 75.2
150 8.5 189.6 76.2
40 25 10.0 35.6 51.2
50 10.0 77.5 58.3
75 9.9 120.9 65.5
90 9.8 148.2 70.1
100 9.7 165.5 73.2
110 9.6 183.0 76.3
125 9.5 209.1 80.7
140 9.5 234.4 84.2
150 9.4 251.1 86.4
45 25 11.1 46.3 54.2
50 11.1 104.3 62.5
75 - Flash over N.D.
90 - Flash over N.D.
100 - Flash over N.D.
110 - Flash over N.D.
125 - Flash over N.D.
140 - Flash over N.D.
150 - Flash over N.D.
위의 표 3에서 보듯이, 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리를 위한 우유 샘플의 초기온도 즉, 예열 단계 후의 초기온도를 설정함에 있어서, 초기온도 45℃ 에서도 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리 후의 우유 처리온도(Outlet temperature)가 상승함을 확인할 수 있었고, 실시예1 및 2와 마찬가지로 펄스에너지 증가에 따라 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리 후의 처리온도가 증가함을 확인할 수 있었다.
특히, 본 발명의 실시예3에 따른 초기온도 45℃의 경우, 높은 초기온도로 인해 비교적 낮은 펄스처리에 의해서도 그 처리온도가 저온 장시간(LTLT) 살균 공정에서 필요한 온도(예, 약 63~ 65℃)에 도달함을 알 수 있었다.
예를 들어, 상기 펄스에너지가 80 kJ/L인 경우, 우유 시료의 온도가 초기온도 45℃에서 처리온도 55℃ 부근까지 상승하고, 펄스에너지가 120 kJ/L 정도면 저온 장시간(LTLT) 살균 공정에 적합한 처리온도인 65℃ 정도까지 우유 시료의 온도가 상승함을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명의 실시예3에 따른 초기온도 45℃의 조건을 사용할 경우, 고전압 펄스 전기장 처리 이후 우유 시료의 처리온도를 저온 장시간(LTLT) 살균 공정에 필요한 처리온도 이하로 유지하기 위해서는 상기 펄스에너지를 120 kJ/L 정도 사용되어야 함을 알 수 있었다.
이와 같은 실시예 1 내지 실시예3을 통하여, 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리 공정 및 저온 장시간(LTLT) 처리 공정을 연속적으로 진행하는 병합 살균 공정 확립을 위하여, 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리조건을 확립할 수 있다.
즉, 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리 공정시 초기온도를 25℃, 35℃, 45℃로 설정하고, 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리 후의 우유시료 온도를 저온 장시간(LTLT) 처리에 필요한 온도인 65℃ 이하로 유지하는 조건 검색을 위해 총 162개 이상의 조합을 갖는 펄스세기(kV/cm), 펄스주기(Hz) 조건을 확인할 수 있고, 각각의 초기온도에서 최대의 펄스 에너지를 가할 수 있는 조건을 확립할 수 있다.
한편, 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리의 경우, 많은 종류의 미생물들이 10 kV/cm의 펄스세기 이상에서 살균(사멸)이 시작되는 바, 이에 펄스세기 및 펄스주기 조합 중 펄스세기 변화가 고전압 펄스 전기장(PEF)에 의한 살균 공정과 저온 장시간(LTLT) 살균 공정을 연속적으로 병합 진행할 때, 고전압 펄스 전기장(PEF)에 의한 살균 공정의 펄스처리 조건으로 부합할 것으로 판단할 수 있다.
여기서, 본 발명의 고전압 펄스 전기장(PEF)에 의한 살균 공정과 저온 장시간(LTLT) 살균 공정을 병합 처리할 때의 미생물 살균 효과에 대한 검증 실험예를 설명하면 다음과 같다.
실험예1 : PEF-LTLT 병합 처리에 의한 미생물 살균효과 검증
우선, 상기한 실시예1 내지 실시예 3에 의거, 25℃, 35℃, 45℃의 초기온도에서 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리 후 우유시료의 처리온도가 저온 장시간(LTLT) 살균 공정에 필요한 처리온도가 되도록 다음의 표 4 내지 6과 같이 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리 조건을 설정하였다.
다음의 표 4는 실시예1에 의거 초기온도 25℃에서의 고전압 펄스 전기장 처리 조건을 나타내고, 표 5는 실시예2에 의거 초기온도 35℃에서의 고전압 펄스 전기장 처리 조건을 나타내며, 표 6은 실시예3에 의거 초기온도 45℃에서의 고전압 펄스 전기장 처리 조건을 나타낸다.
Out Voltage(%) Field strength(Kv/cm) Frequency(Hz) Energy(kj/L) Outlet Temperature(℃)
25 6.8 360 199.2 63.0
35 9.6 175 202.2 63.6
45 12.1 110 215.7 64.6
Out Voltage(%) Field strength(Kv/cm) Frequency(Hz) Energy(kj/L) Outlet Temperature(℃)
25 6.9 325 182.5 63.9
35 9.6 155 180.7 64.6
45 12.1 90 178.1 64.8
Out Voltage(%) Field strength(Kv/cm) Frequency(Hz) Energy(kj/L) Outlet Temperature(℃)
25 6.7 290 172.2 63.9
35 9.2 135 163.2 64.3
45 11.9 70 141.4 64.9
위의 표 4 내지 표 6에서 보듯이, 각각의 초기온도(25℃, 35℃, 45℃ 등)별 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리조건 중 인가전압 수준(25%,35%,45%)별 펄스세기를 각각 6.7~7.0, 9.2~9.6, 11.9~12.1 kVv/cm에 도달하게 하고, 펄스주기(Hz)를 펄스세기에 따라 조절함으로써, 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리후의 우유 처리온도가 65℃를 넘지 않도록 하였다.
따라서, 초기온도 25℃의 경우, 초기온도 35℃ 및 45℃에 비해 다소 높은 펄스주기로 처리하는 것이 가능하다.
또한, 시험균주가 접종된 우유 시료의 저온 장시간(LTLT) 살균 처리는 우유 시료를 멸균 파우치(PE Pouch)에 옮긴 다음, 65℃의 항온수조에 30분간 정치시키는 방법을 사용하였다.
이와 같이, 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리와 저온 장시간(LTLT) 살균 처리를 병합 진행한 이후, 대조군과 각각의 처리를 마친 우유시료를 멸균 링거액(Ringer’s solution)에 단계 희석하여, 한천배지(Nutrient agar(Difco사))에 도말한 후, 36℃에서 24시간 배양 후 균수를 계수하였다.
한편, 비교예로서 살균 공정을 위의 조건으로 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리 과정으로 단독 진행하거나, 저온 장시간(LTLT) 살균 처리 과정으로 단독 진행하였다.
이러한 실험예1에 따른 결과는 첨부한 도 7 내지 도 10의 그래프로 나타낸 바와 같다.
도 7은 본 발명의 실험예1 결과로서, 초기온도 35℃ 에서 PEF 단독처리, LTLT 단독처리, PEF-LTLT 병합처리에 의한 원유 중 저장온도 4℃에서의 일반세균수와, 대장균군의 변화(아래쪽 그래프 참조)를 나타낸 그래프이고, 도 8은 본 발명의 실험예 결과로서, 초기온도 35℃ 에서 PEF 단독처리, LTLT 단독처리, PEF-LTLT 병합처리에 의한 원유 중 저장온도 10℃에서의 일반세균수와, 대장균군의 변화(아래쪽 그래프 참조)를 나타낸 그래프이며, 또한 도 9는 본 발명에 따른 초기온도 45°C 에서 PEF 단독처리, LTLT 단독처리, PEF-LTLT 병합처리에 의한 원유 중 저장온도 4℃에서의 일반세균수와, 대장균군의 변화(아래쪽 그래프 참조)를 나타낸 그래프이고, 도 10은 본 발명의 실험예 결과로서, 초기온도 45℃ 에서 PEF 단독처리, LTLT 단독처리, PEF-LTLT 병합처리에 의한 원유 중 저장온도 10℃에서의 일반세균수와, 대장균군의 변화(아래쪽 그래프 참조)를 나타낸 그래프를 나타낸다.
도 7 내지 도 10에서 보듯이, PEF-LTLT 병합처리한 경우 즉, 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리 과정과 저온 장시간(LTLT) 살균 처리 과정을 연속 공정으로 진행한 경우 PEF 단독처리 및 LTLT 단독처리에 비하여 일반세균수 및 대장균수가 현저히 줄어듬을 확인할 수 있었다.
좀 더 구체적으로, 위와 같은 실험예1을 통하여, 멸균 우유의 위생지표균인 대장균은 PEF-LTLT 병합 처리 공정에 의해 6 decimal reductions 이상의 살균효과가 있고, 내열성균인 Geobacillus stearothermophilus 의 경우에는 LTLT 단독처리시 2.5 decimal reductions의 살균효과에 불과하지만 PEF-LTLT 병합처리의 경우 초기온도 35℃에서 4.0 decimal reductions의 향상된 살균효과를 나타내며, 초기온도 45℃에서는 4.6 decimal reductions의 더욱 향상된 살균효과를 확인할 수 있었다.
결과적으로, 기존의 저온 장시간(LTLT) 살균 처리 과정 대비 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리 과정과 저온 장시간(LTLT) 살균 처리 과정을 병합 처리하는 경우 보다 높은 살균도를 나타냄을 알 수 있었다.
실험예2 : PEF-LTLT 병합 처리에 의한 우유의 유통기한 연장 효과 검증
PEF 단독 및 LTLT 단독 처리외에 본 발명의 PEF-LTLT 병합처리 공정에서의 살균효과를 확인하기 위해 살균되지 않은 원유를 시료로 사용하여 유통기한 설정실험을 진행하였다.
이에, PEF-LTLT 병합처리의 살균효과를 확인함과 아울러 유통기한 연장 효과를 검증하고자 살균되지 않은 원유를 시료로 사용하여, 상기한 실험예1과 같이 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리 과정과 저온 장시간(LTLT) 살균 처리 과정을 연속 공정으로 진행하였다.
실험예2에서의 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리조건은 최대의 살균 효과를 보인 초기온도 35℃에서의 조건(아래 표 7 참조)과 초기온도 45℃에서의 조건(아래 표 8 참조)을 적용하였다.
조건 Field strength(Kv/cm) Pulse width(us) Frequency(Hz) Energy(kj/L)
PEF 12.2 30 90 177.4
조건 Field strength(Kv/cm) Pulse width(us) Frequency(Hz) Energy(kj/L)
PEF 12.2 30 70 136.1
이러한 실험예2에 따른 결과는 첨부한 도 2 내지 도 6의 그래프로 나타낸 바와 같다.
도 2는 본 발명의 실험예2 결과로서, 초기온도 35℃ 에서 PEF 단독처리군(P1, P2, P3), LTLT 단독처리군(L), PEF-LTLT 병합처리군(PL1, PL2, PL3) 처리에 의한 우유 중 E. coli 사멸 효과를 나타낸 그래프이고, 도 3은 본 발명의 실험예2 결과로서, 초기온도 35℃ 에서 PEF 단독처리군(P1, P2, P3), LTLT 단독처리군(L), PEF-LTLT 병합처리군(PL1, PL2, PL3) 처리에 의한 우유 중 Geobacillus stearothermophilus 사멸 효과를 나타낸 그래프이며, 또한 도 4는 본 발명의 실험예2 결과로서, 초기온도 45℃ 에서 PEF 단독처리군(P1, P2, P3), LTLT 단독처리군(L), PEF-LTLT 병합처리군(PL1, PL2, PL3) 처리에 의한 우유 중 Geobacillus stearothermophilus 사멸 효과를 나타낸 그래프이고, 도 5는 본 발명의 실험예2 결과로서, 초기온도 35℃ 에서 PEF 단독처리군(P1, P2, P3), LTLT 단독처리군(L), PEF-LTLT 병합처리군(PL1, PL2, PL3) 처리에 의한 우유 중 Streptococcus thermophilus 사멸 효과를 나타낸 그래프이며, 도 6은 본 발명의 실험예2 결과로서, 초기온도 45℃ 에서 PEF 단독처리군(P1, P2, P3), LTLT 단독처리군(L), PEF-LTLT 병합처리군(PL1, PL2, PL3) 처리에 의한 우유 중 Streptococcus thermophilus 사멸 효과를 나타낸 그래프이다.
도 2 내지 도 6에서 보듯이, 위와 같은 실험예2를 통한 살균 처리 직후 살균 효과는 PEF(약 1.5 log reduction) < LTLT(약 2.0 log reduction) < PEF-LTLT(약 2.5 log reduction)의 순서로 살균효과가 있었다.
실험예3 : PEF-LTLT 병합 처리에 의한 우유의 산도 변화 측정
위의 실험예2를 마친 시료를 각각 4℃ 및 10℃에서 저장하여 일정 기일후 산도 변화를 측정하여 세균수 변화를 파악하였으며, 그 결과는 첨부한 도 11a,11b 및 도 12a,12b의 그래프에 나타낸 바와 같다.
상기 시료를 4℃에서 저장시, PEF 단독처리의 경우 12일째 일반 세균수가 1.0 × 104CFU/mL에 접근하며 유통한계에 근접한 수치로 검출되었고, LTLT 대조군과 PEF-LTLT병합 처리군에서는 15일 이후에도 기준균수 이하로 머물러 있음을 알 수 있었다.
또한, 상기 시료를 10℃에서 저장시, LTLT 단독처리군의 경우 약 11일 후 기준균수에 도달하였고, PEF-LTLT 병합 처리군은 가장 안정적인 미생물 특성을 보이며 약 13일 후 유통 기준균수에 도달하였는 바, 이는 LTLT 단독처리대비 2일(18%) 유통기한 연장을 기대할 수 있는 것을 의미한다.

Claims (11)

  1. 원유에 대한 예열 단계을 마친 우유의 살균 공정을 진행할 때, 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리에 의한 살균 공정과, 저온 장시간(LTLT) 살균 공정을 연속 공정으로 병합 진행하는 것을 특징으로 하는 고전압 펄스 전기장 및 저온 장시간 살균 처리를 이용한 우유의 살균 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리에 의한 살균 공정은 예열 단계 후의 우유 초기온도, 유속, 처리조 관내압력을 소정의 설정 수준으로 유지하는 동시에 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리시의 펄스세기(kV/cm), 펄스주기(Hz)를 변화시키면서 진행되는 것을 특징으로 하는 고전압 펄스 전기장 및 저온 장시간 살균 처리를 이용한 우유의 살균 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리에 의한 살균 공정은 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리 후의 우유 처리온도가 저온 장시간(LTLT) 살균 공정의 기준온도 범위가 되도록 진행되는 것을 특징으로 하는 고전압 펄스 전기장 및 저온 장시간 살균 처리를 이용한 우유의 살균 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리 후의 우유 처리온도가 저온 장시간(LTLT) 살균 공정의 기준온도 범위가 되도록 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리를 위한 예열 단계 후의 우유 초기온도를 비롯하여 펄스세기, 펄스주기, 펄스폭, 우유 유속이 최적으로 설정되는 것을 특징으로 하는 고전압 펄스 전기장 및 저온 장시간 살균 처리를 이용한 우유의 살균 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 예열 단계 후의 우유 초기온도는 25℃~45℃로 설정되는 것을 특징으로 하는 고전압 펄스 전기장 및 저온 장시간 살균 처리를 이용한 우유의 살균 방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 펄스세기 및 펄스주기는 초기온도에 따라 달리 설정되는 것을 특징으로 하는 고전압 펄스 전기장 및 저온 장시간 살균 처리를 이용한 우유의 살균 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 초기온도가 25℃이면, 펄스세기는 6.8 ~ 12.2 kV/cm에 도달되게 설정되고, 펄스주기(Hz)는 360 ~ 110 Hz로 설정되는 것을 특징으로 하는 고전압 펄스 전기장 및 저온 장시간 살균 처리를 이용한 우유의 살균 방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 초기온도가 35℃이면, 펄스세기는 6.9 ~ 12.2 kV/cm에 도달되게 설정되고, 펄스주기(Hz)는 90 ~ 325 Hz로 설정되는 것을 특징으로 하는 고전압 펄스 전기장 및 저온 장시간 살균 처리를 이용한 우유의 살균 방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 초기온도가 45℃이면, 펄스세기는 6.7 ~ 12.2 kV/cm에 도달되게 설정되고, 펄스주기(Hz)는 70 ~ 290 Hz로 설정되는 것을 특징으로 하는 고전압 펄스 전기장 및 저온 장시간 살균 처리를 이용한 우유의 살균 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리에 의한 살균 공정은 제품(우유)에 펄스를 인가하는 펄스 처리조(treatment chamber)를 이용하되, 평행 플레이트(Parallel plate) 방식의 처리조와, 동축(Co-axial) 방식의 처리조와, 코-리니어(Co-linear) 방식의 처리조 중 선택된 어느 하나를 이용하여 진행되는 것을 특징으로 하는 고전압 펄스 전기장 및 저온 장시간 살균 처리를 이용한 우유의 살균 방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 고전압 펄스 전기장(PEF) 처리에 의한 살균 공정후에 연속 진행되는 저온 장시간(LTLT) 살균 공정은 기준온도범위 63~ 65℃에서 30분간 진행되는 것을 특징으로 하는 고전압 펄스 전기장 및 저온 장시간 살균 처리를 이용한 우유의 살균 방법.
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