KR20220095427A - 저온 플라즈마 및 초음파 기반의 신규한 식품의 살균 방법 - Google Patents

저온 플라즈마 및 초음파 기반의 신규한 식품의 살균 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저온 플라즈마를 기반으로 하되, 저온 플라즈마와 초음파의 관계를 이용한 신규한 저온 플라즈마 기반의 식품 살균 방법에 관한 것으로, 식품을 살균 챔버 내부에 도입하는 단계; 초음파를 발생시켜 살균하는 단계; 및 살균 챔버 내부로 저온 플라즈마를 발생시켜 살균하는 단계;를 포함하는 식품 살균 방법으로, 미생물 살균효과와 동시에 분체 식품의 관능적 특성과 영양학적 특성을 보존 혹은 향상시킬 수 있는 신규한 식품 살균 방법을 제공한다.

Description

저온 플라즈마 및 초음파 기반의 신규한 식품의 살균 방법{A novel method of sterilization of food based on cold plasma and ultrasound}
본 명세서는 저온 플라즈마를 기반으로 하되, 저온 플라즈마와 초음파의 관계를 이용한 신규한 저온 플라즈마 기반의 식품 살균 방법에 관한 것이다
일반적으로, 가열 살균은 전통적인 살균방식으로 살균에는 효과적이지만 처리 중 식품으로 유입되는 열에 의해 식품의 영양학적 특성, 관능적 특성, 그리고 기능성을 감소시킬 수 있다. 식품에 유입되는 열을 최소화하여 열에 의한 부정적인 영향을 줄이면서도 미생물을 저해하고 효소의 작용을 억제하여 식품의 품질 저하를 감소시키는 식품의 비열처리(nonthermal food preservation method)에 관한 연구가 식품 과학분야에서 활발히 연구되어 왔다.
비가열 살균은 방사선 조사, 초고압 처리, pulsed electric field 처리, 자외선 조사를 포함한다. 각각의 이들 비열처리 공정 기술은 비약의 발전을 해 왔지만, 그들을 사용해 다양한 상업적 제품들을 생산하기에는 아직도 궁극적으로 해결해야 하는 문제들이 있다. 방사선 조사의 경우 소비자의 비선호, 초고압 처리의 경우 연속식(또는 반연속식) 공정의 고비용 등이 그 예가 될 수 있다.
최근 식품의 비가열 살균 방법으로 비열 플라즈마 혹은 저온 플라즈마(cold plasma) 처리에 관심이 모아지고 있다. 플라즈마는 자유 전자, 여기원자와 분자, 라디칼, 광자 등을 포함하는 이온화된 가스로서 미생물 세포막의 지질을 산화시키거나 아미노산 또는 핵산의 변화를 일으켜 미생물을 사멸시키거나 해를 입힐 수 있다.
하지만, 현재 연구되고 있는 비열 플라즈마 장비들은 플라즈마 처리만으로 식품의 살균 효과가 크지 않았다.
따라서, 식품에 있어 효과적인 살균을 통해 식품 자체의 관능적 특성, 이화학적 특성에 영향을 주지 않으면서 식품을 살균하는 신규한 살균 방법에 대한 연구가 절실한 실정이다.
KR공개특허 10-2011-0047812 A KR공개특허 10-2010-0102883 A KR공개특허 10-2013-0128915 A KR공개특허 10-2017-0111077 A KR공개특허 10-2015-0074674 A KR공개특허 10-2013-0135589 A KR등록특허 10-1419386 JP공개특허 2018-029520 JP공개특허 2012-532610 JP공개특허 2007-521819 JP공개특허 2006-333824 중국특허 CN 107223845 미국특허 US 8372460
이에 본 발명자들은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 연구를 거듭한 끝에 본 발명에 이르게 되었다.
이에 본 발명의 일측면은, 기존의 CP 살균법, 초음파 살균법에 비하여 현저히 우수한 살균 효과를 보이는 신규한 식품의 살균 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 보다 분명해 질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.
본 발명의 일측면은 저온 플라즈마 및 초음파 기반의 식품의 살균 방법에 있어서, (a) 식품을 살균 챔버 내부에 도입하는 단계; (b) 식품이 도입된 살균 챔버 내부로 초음파을 발생시켜 살균하는 단계; 및 (c) 베리어 유전체 방전(Dielectric Barrier Discharge, DBD)을 통해 식품이 도입된 살균 챔버 내부로 저온 플라즈마(cold plasma)를 발생시켜 살균하는 단계; 를 포함하며, 상기 (b) 단계의 초음파는 500 내지 900 W의 전력조건에서 발생하며, 상기 (c) 단계의 저온 플라즈마는 10 내지 20 kV의 전압 조건에서 발생하는, 저온 플라즈마 및 초음파 기반의 식품의 살균 방법을 제공한다.
본 발명의 일측면에 있어서, 상기 (b) 및 (c) 단계는 1분 내지 50분의 시간 범위 내에서 동시에 식품에 처리되는 것인, 저온 플라즈마 및 초음파 기반의 식품의 살균 방법을 제공한다.
본 발명의 일측면에 있어서, 상기 (b) 단계의 초음파 살균을 1분 내지 20분 진행한 후, 상기 (c) 단계의 저온 플라즈마 살균을 1분 내지 30분의 시간 범위로 순차적으로 처리하는, 저온 플라즈마 및 초음파 기반의 식품의 살균 방법을 제공한다.
본 발명의 일측면에 있어서, 상기 (b) 단계의 초음파 살균을 1분 내지 20분 진행한 후, 상기 (b) 단계의 초음파 살균과 상기 (c) 단계의 저온 플라즈마 살균을 1분 내지 30분의 시간 범위 내에서 동시에 처리하는, 저온 플라즈마 및 초음파 기반의 식품의 살균 방법을 제공한다.
본 발명의 일측면에 있어서, 상기 방법은 (d) 살균 챔버 외부의 온도를 조절하는 냉각부에 의해 살균 챔버 내부의 온도를 유지하는 단계를 더 포함하는, 저온 플라즈마 및 초음파 기반의 식품의 살균 방법을 제공한다.
본 발명의 일측면에 있어서, 상기 (a) 단계에서 식품은 액상에 포함된 형태로 살균 챔버 내부로 도입되거나, 상기 (a) 단계에서 살균 챔버 내부에 액상이 채워진 상태에서 식품이 도입되는 것인, 저온 플라즈마 및 초음파 기반의 식품의 살균 방법을 제공한다.
본 발명의 일측면에 있어서, 상기 (b) 단계 처리시 살균 챔버의 액상을 와류시키거나 버블을 발생시키는 공정을 추가로 포함하는, 저온 플라즈마 및 초음파 기반의 식품의 살균 방법을 제공한다.
본 발명의 일측면에 있어서, 상기 (c) 단계의 저온 플라즈마는 플라즈마 발생 기체가 포함된 플라즈마 발생부로부터 살균챔버 내부로 도입되는, 저온 플라즈마 및 초음파 기반의 식품의 살균 방법을 제공한다.
본 발명의 일측면에 있어서, 상기 (b) 단계의 초음파는 살균 챔버 내부로 도입된 초음파 진동자에 발생하며, 상기 초음파는 주파수 10 내지 30 KHz 및 전력 300 내지 1000 W 의 조건에서 발생하는, 저온 플라즈마 및 초음파 기반의 식품의 살균 방법을 제공한다.
본 발명의 일측면에 있어서, 상기 식품은 분체화 되지 않은 식품인, 저온 플라즈마 및 초음파 기반의 식품의 살균 방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 식품의 살균 방법은 CP 및 초음파 처리로 인한 미생물 살균효과와 동시에 식품의 관능적 특성과 영양학적 특성을 보존 혹은 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 식품의 살균 방법은 살균 효과를 최대한으로 발휘하면서도 실용적인 살균 공정을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 식품의 살균 방법은 식품으로의 열 유입을 최소화 시킬 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 식품의 살균 방법은 처리 시간이 짧아 식품 가공 공정의 효율을 높일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 식품의 살균 방법은 식품에 포함된 토착 세균, 식품 외부에서 감염된 외부 감염균 모두를 효과적으로 살균할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 식품의 살균 방법은 초음파 살균과 저온 플라즈마 살균을 병합하여 처리함으로 인해 이들 각각을 처리하는 경우에 비하여 우수한 시너지적 효과가 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 식품의 살균 방법은 초음파 살균에 의해 액상에 포함된 식품의 자체적인 살균 이외에 식품 외부에 붙어있는 이물질등을 제거할 수 있으며, 상기 이물질이 제거되어 식품외부표면이 드러난 식품은 저열 플라즈마에 의해 효과적인 살균이 가능하다.
본 발명의 일 측면에 따른 식품의 살균 방법은 가공되기 전의 이물질이 포함된 농수산식품 혹은 액상에 포함될 수 있는 식품에 그 효과가 충분하지 못한 기존의 저온 플라즈마 식품 살균법의 한계를 극복할 수 있는 신규한 초음파-저온 플라즈마 식품 살균법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 식품의 살균 방법은 비닐하우스 혹은 나지에서 재배되어 세척 혹은 가공되지 않은 식품을 최종 소비자에게 전달하기 까지 많은 살균 공정을 거쳐야 하는 번거로움을 극복할 수 있는 효과를 제공한다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본원발명 살균 방법의 일측면을 구현한 장치의 개념도이다. 그러나, 본원발명의 범위가 도 1에 의해 제한되는 것은 아니다.
달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 성분, 반응 조건, 성분의 함량을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범 위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 더 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 지적되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다.
본 명세서에 있어서, 범위가 변수에 대해 기재되는 경우, 상기 변수는 상기 범위의 기재된 종료점들을 포함하는 기재된 범위 내의 모든 값들을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 예를 들면, "5 내지 10"의 범위는 5, 6, 7, 8, 9, 및 10의 값들뿐만 아니라 6 내지 10, 7 내지 10, 6 내지 9, 7 내지 9 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 5.5, 6.5, 7.5, 5.5 내지 8.5 및 6.5 내지 9 등과 같은 기재된 범위의 범주에 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다. 또한 예를 들면, "10% 내지 30%"의 범위는 10%, 11%, 12%, 13% 등의 값들과 30%까지를 포함하는 모든 정수들뿐만 아니라 10% 내지 15%, 12% 내지 18%, 20% 내지 30% 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 10.5%, 15.5%, 25.5% 등과 같이 기재된 범위의 범주 내의 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
Cold Plasma(비열 플라즈마)는 기체 일부가 전리된 가스 형태의 물질로서 상온에서 온도의 높은 상승 없이 형성되는 플라즈마이다. 이와 같은 특성때문에 ‘cold’라는 단어가 이름에 사용된다. 식품의 CP 처리는 비가열 미생물 저해 기술로서, 최근 미국, 일본, 그리고 유럽을 포함한 전 세계에서 연구가 활발히 진행되고 있다. CP 처리는 기존 미생물 처리에 비해 식품으로의 열 유입이 최소화되고, 처리 시간이 짧으며, 물 사용이 없는 기술로서의 장점을 가지고 있다. CP를 생성하기 위해 주로 corona discharge, plasma jet, microwave discharge, 그리고 dielectric barrier discharge (DBD) 방법들이 사용되고 있으나, 본 발명의 일측면에서는 DBD를 이용하여 CP를 발생시킨다.
대기 중의 공기를 plasma 형성 가스로 사용하면서 대기압에서 작동하는 DBD set-up을 통해 형성된 CP (atmospheric DBD CP)는 atomic oxygen, ozone, singlet oxygen, metastable oxygen molecules, peroxide, superoxide, hydroxyl radicals, nitric oxide, 그리고 nitrogen dioxide와 같은 reactive oxygen species와 reactive nitrogen species를 가지고 있고, 그 외 free radical, UV photon, electron, ion, atom들을 포함하고 있다. DBD CP가 식품에 조사될 때 이러한 다양한 reactive species들이 식품에 존재하는 미생물의 세포막 구성 물질들과 세포 물질들에 다양한 형태로 작용함으로써 미생물을 저해시킨다. 현재 많이 인용되는 미생물 저해 메커니즘으로 UV photon에 의한 화학결합 파괴, free radical과 excited molecule들의 미생물 세포 유입, 그리고 free radical의 세포막에 대한 직접적인 충돌(‘etching’)에 의한 화학결합 파괴와 세포막 erosion이 있다. 그러나, CP 내 reactive species들은 plasma를 형성하기 위해 사용된 공정 파라미터들, 예를 들어, 가스 종류, 에너지 양 등의 따라 종류와 농도가 다양하며 식품의 살균에 영향을 주게 된다. 본원발명 일측면에 따른 DBD CP 처리는 상압에서 대기 중 공기를 plasma 형성 가스로 사용할 수 있다는 큰 장점이 있다. 따라서, 운용 시 높은 경제성을 보일 수 있다.
그러나, 상기 비열 플라즈마는 어느 정도 세척이 완료된 식품 혹은 분체화되어 플라즈마에 포하된 reactive species 들의 접근이 용이한 대상에 효과가 좋았다는 한계가 있다. 즉, 비닐하우스나 나지에서 바로 재배되고, 세척이 완전하지 않은 농수산물 혹은 식품의 경우 저온 플라즈마의 살균효과가 떨어지는 단점이 있었다. 이에, 본원발명의 발명자들은 더 효과적인 기존 저온 플라즈마의 장점을 살리면서 효과적으로 상기와 같은 식품들의 살균을 위해 초음파 살균의 방식을 병합하였다.
본원발명의 일측면은 상기 저온 플라즈마 살균단계에 더하여 비가열 살균 방법으로 초음파 살균 단계를 더 포함한다.
초음파 살균은 초음파 진동자 혹은 초음파 발생부를 통하여 식품이 담수된 액상을 매질로 이용하여 이 매질에 미세 진동을 제공하는 초음파를 출력하여 발생되는 공동 현상을 통해 살균하는 방식이다. 일 구현예에서 본원발명의 살균챔버 내부에는 적어도 하나 이상의 측벽 또는 상하벽에 초음파를 발생시키는 초음파 진동자가 장착된다. 초음파 진동자는 초음파를 발생시켜 이 초음파 고유의 미세 진동에 의한 공동 현상에 의하여 농수산식품의 이물질을 세척함과 아울러 농약과 같은 잔류 물질을 닦아내는 역할을 수행한다. 이러한 초음파 진동자는 복수 개로 그룹 처리된 상태에서 살균챔버 내부의 일 측에 설치될 수 있는데, 예를 들어 살균챔버 내부의 어느 하나의 측벽 또는 양 측벽, 상부 또는 바닥면에 설치될 수 있으며 이 개수와 위치에 제한되지 않는다.
본 발명의 발명자들은 저온 플라즈마와 초음파를 사용하되, 이들이 특정 파라미터 조건 및 동시 처리 조건에서 살균 효과에 있어 예상치 못한 시너지 효과를 확인하다. 따라서, 새롭게 발명한 신규한 저온 플라즈마 기반의 식품의 살균방법을 제공하고자 한다.
이하에서는 본 발명의 다양한 측면을 설명한다.
본 발명의 일측면은 저온 플라즈마 및 초음파 기반의 식품의 살균 방법에 있어서, (a) 식품을 살균 챔버 내부에 도입하는 단계; (b) 식품이 도입된 살균 챔버 내부로 초음파을 발생시켜 살균하는 단계; 및 (c) 베리어 유전체 방전(Dielectric Barrier Discharge, DBD)을 통해 식품이 도입된 살균 챔버 내부로 저온 플라즈마(cold plasma)를 발생시켜 살균하는 단계; 를 포함하며, 상기 (b) 단계의 초음파는 500 내지 900 W의 전력조건에서 발생하며, 상기 (c) 단계의 저온 플라즈마는 10 내지 20 kV의 전압 조건에서 발생하는, 저온 플라즈마 및 초음파 기반의 식품의 살균 방법을 제공한다. 상기 처리 조건을 만족할 때 살균효과에 있어 예상치 못한 시너지 효과를 발생시킬수 있다.
본 발명의 일측면에 있어서, 상기 (b) 및 (c) 단계는 1분 내지 50분의 시간 범위 내에서 동시에 식품에 처리되는 것인, 저온 플라즈마 및 초음파 기반의 식품의 살균 방법을 제공한다. 상기 처리 조건을 만족할 때 살균효과에 있어 예상치 못한 시너지 효과를 발생시킬수 있다.
본 발명의 일측면에 있어서, 상기 (b) 단계의 초음파 살균을 1분 내지 20분 진행한 후, 상기 (c) 단계의 저온 플라즈마 살균을 1분 내지 30분의 시간 범위로 순차적으로 처리하는, 저온 플라즈마 및 초음파 기반의 식품의 살균 방법을 제공한다. 상기 처리 조건을 만족할 때 살균효과에 있어 예상치 못한 시너지 효과를 발생시킬수 있다.
본 발명의 일측면에 있어서, 상기 (b) 단계의 초음파 살균을 1분 내지 20분 진행한 후, 상기 (b) 단계의 초음파 살균과 상기 (c) 단계의 저온 플라즈마 살균을 1분 내지 30분의 시간 범위 내에서 동시에 처리하는, 저온 플라즈마 및 초음파 기반의 식품의 살균 방법을 제공한다. 상기 처리 조건을 만족할 때 살균효과에 있어 예상치 못한 시너지 효과를 발생시킬수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 살균 방법은 하기와 같은 기계적 장치에 의해 구동될 수 있다. 저온 플라즈마는 살균 챔버 상단, 중단 또는 하단의 저온 플라즈마 주입기를 통하여 발생된 저온 플라즈마르 제공한다. 저온 플라즈마는 플라즈마 발생가스인 공기, 아르곤, 헬륨, 질소 등의 가스에 의해 별도의 플라즈마 발생부에 의해 발생한다.
일 구현예에 있어서, 상기 저온 플라즈마의 발생 가스는 일반적인 공기가 바람직하다. 공기는 산소가 약 21% 포함된 대기 중 가스이다. 또한, 상기 저온 플라즈마의 발생은 DBD 방식으로 전압이 10 내지 20 kV의 전압조건 및 10 내지 50 mA의 전류 조건에서 발생할 수 있다. 바람직하게 상기 전압은 15kV 및 전류는 30mA가 바람직하다.
일 구현예에 있어서, 상기 발생된 저온 플라즈마는 가스주입기에 의해 살균챔버 내부로 도입될 수 있으며, 상기 가스주입기는 가스유속조절기(mass flow controller)를 구비할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 저온 플라즈마 처리는 전기장으로 형성된 라디칼, 전자 등이 직접적으로 세포벽과 세포내 거대분자에 작용하여 미생물을 사멸시키는 원리이다.
일 구현예에 있어서, 상기 초음파는 살균 챔버내부에 포함된 액상을 진동시키는 초음파 발생부를 포함할 수 있다. 상기 초음파 발생부는 초음파 진동자일 수 있다. 상기 초음파 발생에 의해 액상을 매질로 식품을 일차적으로 살균할 수 있으며, 식품의 외부에 묻어 있는 다양한 이물질을 떼어낼 수 있다.
이와 같은 초음파 및 저온 플라즈마 작용에 의하면, 사과, 배와 같은 대과류는 물론 베리, 포도와 같은 소과류 세척 에도 물리적 충격에 의한 손상을 방지하면서 우수한 세척력을 제공할 수 있는 이점을 가진다.
일 구현예에 있어서, 상기 저온 플라즈마 살균수단과 초음파 살균수단은 전극체와 전원부를 포함하는 광의의 마그네트론으로 구동할 수 있다. 상기 저온 플라즈마 살균수단의 전원부와 상기 초음파 살균수단의 전원부는 적어도 부분적으로 통합된 구성으로 할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면 제어수단이 상기 식품의 물성에 대응하여 상기 (b) 및 (c) 단계의 살균수단을 제어한다. 제어수단은 마이크로프로세서, 메모리, 입출력인터페이스를 탑재한 마이컴 회로의 제어기를 기반으로 할 수 있다.
본 발명의 일측면에 있어서, 상기 방법은 (d) 살균 챔버 외부의 온도를 조절하는 냉각부에 의해 살균 챔버 내부의 온도를 유지하는 단계를 더 포함하는, 저온 플라즈마 및 초음파 기반의 식품의 살균 방법을 제공한다.
일 구현예에 있어서, 상기 냉각부는 살균 챔버 외부를 감싸는 형태로 설치될 수 있다. 저온 플라즈마의 특성은 열을 최소로 발생시켜 식품이 가진 기존의 맛과 영양상태를 보존하면서 살균을 하는 것에 있다. 그러나, 초음파 살균을 하는 경우 불필요한 열이 발생할 수 있다. 따라서, 냉각부를 통해 살균 챔버 내부의 온도를 식품의 맛과 영양상태를 보존하면서, 저온 플라즈마의 장점을 상쇄하지 않은 온도로 유지하는 것이 필요하다. 바람직하게 상기 냉각부는 살균 챔버 내부의 온도를 20도씨 이하로 유지할 수 있다. 상기 냉각부는 chiller 기기를 사용하여 냉각수를 살균챔버 외부로 흘르게 할 수 있다. 상기 냉각수는 살균 챔버를 감싸는 형태의 용기로 구성될 수 있으며, 냉각수의 주입부와 배출부를 구비할 수 있다. 상기 냉각수의 온도는 조절부에 의해 조절될 수 있고, 살균챔버 내부의 미리 설정된 온도를 유지하기 위하여 냉각수의 온도, 유량 등을 조절할 수 있다.
본 발명의 일측면에 있어서, 상기 (a) 단계에서 식품은 액상에 포함된 형태로 살균 챔버 내부로 도입되거나, 상기 (a) 단계에서 살균 챔버 내부에 액상이 채워진 상태에서 식품이 도입되는 것인, 저온 플라즈마 및 초음파 기반의 식품의 살균 방법을 제공한다.
일 구현예에 있어서, 초음파는 액상을 매질로 식품에 전파된다. 따라서, 본원발명의 살균방법을 이용하기 위하여는 액상을 도입하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 초음파 발생기에 의해 발생되는 초음파를 식품으로 전달할 수 있는 매질이면 사용할 수 있다. 바람직하게 상기 매질은 액상이며, 더 바람직하게 상기 매질은 물이다.
일 구현예에 있어서, 상기 액상에 추가적인 살균을 수행할 수 있는 항균성 물질이 포함될 수 있다. 상기 항균성 물질은 농수산식품의 살균 처리 기능을 제공하는 것으로, 인체에 악영향을 주지 않는 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 항균성 물질은 크게 천연물계와 화학적 합성물계로 구분될 수 있는데, 천연물계로는 키토산, 프로타민, 아미노 유기체 화합물, 녹차, 삼백초와 같은 식물 추출물, 천연광석, 세라믹, 알릴 이소티오시아네이트(Allylisothiocyanate) 등이 있으며, 화학적 합성물계로는 암모늄염과 유기 크롬, 구리화합물 등이 있다. 그러나 화학적 합성물계는 항균성이 우수하나 수질오염 및 독성 유발을 일으킬 수 있어 천연물계 항균성 물질을 이용하는 것이 보다 적합하다고 할 수 있다. 이러한 천연물계 항균성 물질 중 특히 알릴 이소티오시아네이트는 고추냉이 등 식물에 함유된 성분으로서, 균의 성장을 억제시키는 항균성이 뛰어난 물질이며 식품의 저장성을 높이기 위한 음식물의 용기 필름에 사용되는 물질이기도 한다. 항균성 물질은 액상 자체는 물론 액상 내에서의 세균 성장을 억제시켜 세균 번식을 방지함과 아울러 농수산식품에 잔류한 세균에 대한 살균력을 제공하는 기능을 수행한다.
본 발명의 일측면에 있어서, 상기 (b) 단계 처리시 살균 챔버의 액상을 와류시키거나 버블을 발생시키는 공정을 추가로 포함하는, 저온 플라즈마 및 초음파 기반의 식품의 살균 방법을 제공한다.
일 구현예에 있어서, 상기 와류를 발생시키는 공정은 와류 발생기에 의해 수행될 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 버블을 발생시키는 공정은 버블 발생기에 의해 수행될 수 있다.
와류 발생기는 살균챔버의 측벽에 복수 개로 형성된 토출구를 통하여 에어 또는 추가적인 액상의 물질을 분사함으로써 살균챔버 내부의 액상에서 와류를 발생시키는 기능을 제공한다. 이를 위해 와류 발생기는 살균챔버 내부의 일 측, 예를 들어 토출구가 설치된 측벽과 내통 연결된 살균챔버의 하부에 에어 펌프 내지 워터 펌프를 구비하는데, 에어 펌프인 경우 토출구를 통해 에어를 분사하고 워터 펌프인 경우 살균챔버 하부에 별도로 설치된 탱크에 저장된 워터를 토출구를 통해 분사할 수 있다. 와류 발생기는 워터 또는 공기를 매개로 물을 포함한 살균챔버 내부에서 와류를 발생시키는 기능을 수행한다.
본 발명의 일측면에 있어서, 상기 (c) 단계의 저온 플라즈마는 플라즈마 발생 기체가 포함된 플라즈마 발생부로부터 살균챔버 내부로 도입되는, 저온 플라즈마 및 초음파 기반의 식품의 살균 방법을 제공한다.
일 구현예에서, 상기 발생된 저온 플라즈마는 가스 주입기를 통해 살균챔버 내부로 주입될 수 있다. 상기 가스 주입기는 호스로 연결된 형태일 수 있다.
본 발명의 일측면에 있어서, 상기 (b) 단계의 초음파는 살균 챔버 내부로 도입된 초음파 진동자에 발생하며, 상기 초음파는 주파수 10 내지 30 KHz 및 전력 300 내지 1000 W 의 조건에서 발생하는, 저온 플라즈마 및 초음파 기반의 식품의 살균 방법을 제공한다. 상기 처리 조건을 만족할 때 살균효과에 있어 예상치 못한 시너지 효과를 발생시킬 수 있다.
본 발명의 일측면에 있어서, 상기 식품은 분체화 되지 않은 식품인, 저온 플라즈마 및 초음파 기반의 식품의 살균 방법을 제공한다.
일 구현예에 있어서, 상기 분체화 되지 않은 식품은 분체화된 식품을 제외한 식품일 수 있다. 일 구현예에서 분체 식품은 알갱이 형태의 식품인 쌀, 보리, 율무 등과, 파쇄물 형태의 식품인 고추가루 등, 가루형태의 식품류인 밀가루, 미숫가루 등과 같은 입자상 식품으로된 분체 식품 모두가 포함될 수 있다. 일 구현예에서, 상기 분체 식품은 쌀, 보리, 율무, 통후추, 고추가루, 밀가루 및 미숫가루 중 어느 하나 이상일 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 식품은 액상의 매질에서 초음파 살균이 가능한 식품일 수 있다. 바람직하게 상기 식품은 농수산물일 수 있다.
본 발명의 일측면에 있어서, 상기 살균 방법의 대상이 되는 식품은 특정 식품에 한정되는 것은 아니다. 살균 대상이 되는 식품은 토착 세균의 성장 가능성이 있는 모든 식품 및/또는 유해 병원균의 생착 및 성장 가능성이 있는 모든 식품에 적용될 수 있다.
본 발명의 일측면에 있어서, 상기 방법은 살균이 완료된 식품을 살균 챔버 외부로 배출하는 단계를 더 포함하는, 저온 플라즈마 및 초음파 기반의 식품의 살균 방법을 제공한다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실험예 1
실험의 목적
초음파(Ultrasound) 단독 처리와 air-cold plasma treated water 단독 처리, 그리고 ultrasound-cold plasma 병합 처리가 Escherichia coli 저해에 미치는 영향 확인 및 비교하기 위하여 하기와 같은 실험을 설계하였다.
물질 및 실험 방법
1. 시료 준비
-시험에 사용된 미생물은 Escherichia coli KCTC 1682 로 한국생명공학연구원 생물자원센터에서 분양받은 균주를 사용하였다.
-0.1% peptone water
2. 초음파 및 저온 플라즈마 처리 조건
- 초음파 발생 전력 : 700 W
- 초음파 발생 주파수 : 19.86 kHz
- 저온 플라즈마 생성 가스 : 공기 (산소 21%)
- 저온 플라즈마 생성 전압 : 15 kV
- 저온 플라즈마 생성 전류 : 30 mA
- 저온 플라즈마 flow rate 5 L/min (plasma가 잘 형성되는 flow rate로 고정)
- 처리 시간: 30분
- 냉각부(Chiller) 온도: 15 °C (ultrasound 작동시켰을 때 최고 26 °C)
3. 미생물 준비 및 ultrasound-cold plasma 병합 처리 후 미생물 분석
1) E. coli KCTC 1682를 tryptic soy broth에 37 °C 인큐베이터에서 24 h 동안 배양하여 overnight culture를 키운다.
2) 24 h 배양한 미생물을 5 mL씩 conical tube에 취한 후 0.1% (w/v) peptone water 5 mL로 cell을 원심분리(5,000 rpm, 5 분)하여 2번 washing한다.
3) Washing한 overnight culture 1 mL과 peptone water 899mL을 섞어 총 900mL의 접종원(약 6 log CFU/mL)을 만든다.
4) 접종원 5 mL을 15 mL conical tube에 옮겨 untreated sample을 취한다.
5) Untreated sample를 제외한 나머지 용액을 멸균된 처리 용기(1300mL)에 옮겨 저온 플라즈마 단독 처리, 초음파 단독 처리, 및 저온플라즈마 와 초음파 병합으로 처리한다.
6) 처리한 용액을 멸균된 비커에 옮겨 1시간 동안 상온에서 반응시킨다.
7) 상기 3) 내지 6)의 과정을 반복하여 처리한다.
8) 처리된 용액을 1시간 동안 상온에서 반응시키는 과정이 끝나면 pipet aid를 이용하여 내용을 잘 섞어 준 후 15 mL conical tube에 5 mL씩 옮겨 담아 treated sample을 취한다.
9) Untreated sample과 treated sample을 맥콩키 배지에 도말하여 분석한다.
10) 37 °C 인큐베이터에서 하루 배양시킨 후 colony counting한다.
실험결과
실험 결과는 표 1과 같았다. 표 1은 Air-cold plasma treated water 단독 처리와 ultrasound 단독처리, 그리고 ultrasound-cold plasma 병합처리의 Escherichia coli 저해율 비교 결과이다.
Treatment Cell population
(log CFU/mL)		 Microbial reduction
(log CFU/mL)
Untreated 6.0 ± 0.1 a -
Cold plasma (단독) 5.7 ± 0.1 b 0.3 ± 0.1 c
Ultrasound (단독) 5.3 ± 0.1 c 0.7 ± 0.1 b
Ultrasound-cold plasma
(병합)		 4.8 ± 0.1 d 1.2 ± 0.1 a
The results are expressed as the mean ± standard deviations. Means followed by the same lower-case letter within a column are significantly different (p<0.05, Tukey's multiple comparison test) between samples.
Air-cold plasma treated water 단독 처리했을 때와 ultrasound 단독처리했을 때, 그리고 ultraound-cold plasma 병합처리했을 때, 미생물 저해 정도는 처리하지 않은 시료보다 유의적으로 높은 저해를 보였음을 확인하였다(p<0.05).
Ultrasound-cold plasma 병합처리했을 때, 미생물 저해 정도는 air-cold plasma treated water 단독 처리 또는 ultrasound 단독처리했을 때보다 유의적으로 높은 저해를 보였다(p<0.05).
따라서, 저온 플라즈마와 초음파의 병합처리에 의한 미생물 저해 효과는 상기 각각을 단독 처리에 의한 저해 효과 합보다 컸고, 시너지적인 효과가 있음을 확인할 수 있었다.
결론
본 실험에서 ultrasound-cold plasma 병합 처리를 이용하여 처리 시간 별 Escherichia coli KCTC 1682 저해실험을 진행하였을 때, air-cold plasma treated water 단독 처리 또는 ultrasound 단독 처리를 이용하여 Escherichia coli KCTC 1682 저해실험을 진행하였을 때보다 유의적으로 높은 미생물 저해 정도를 보였다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징으로 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100 : 살균 챔버
110 : 식품이 포함된 처리 용액
200 : 초음파 파워 발생기
210 : 초음파 진동자(초음파 혼(horn))
300 : 저열 플라즈마 발생부
310 : 저열 플라즈마 파워 발생기
320 : 공기 탱크
330 : 유속 측정기
340 : 발생한 저열 플라즈마가 이동되는 호스
400 : 냉각기
410 : 냉각기 연결 호스

Claims (10)

  1. 저온 플라즈마 및 초음파 기반의 식품의 살균 방법에 있어서,
    (a) 식품을 살균 챔버 내부에 도입하는 단계;
    (b) 식품이 도입된 살균 챔버 내부로 초음파을 발생시켜 살균하는 단계; 및
    (c) 베리어 유전체 방전(Dielectric Barrier Discharge, DBD)을 통해 식품이 도입된 살균 챔버 내부로 저온 플라즈마(cold plasma)를 발생시켜 살균하는 단계; 를 포함하며,
    상기 (b) 단계의 초음파는 500 내지 900 W의 전력조건에서 발생하며,
    상기 (c) 단계의 저온 플라즈마는 10 내지 20 kV의 전압 조건에서 발생하는,
    저온 플라즈마 및 초음파 기반의 식품의 살균 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 (b) 및 (c) 단계는 1분 내지 50분의 시간 범위 내에서 동시에 식품에 처리되는 것인, 저온 플라즈마 및 초음파 기반의 식품의 살균 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 (b) 단계의 초음파 살균을 1분 내지 20분 진행한 후, 상기 (c) 단계의 저온 플라즈마 살균을 1분 내지 30분의 시간 범위로 순차적으로 처리하는, 저온 플라즈마 및 초음파 기반의 식품의 살균 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 (b) 단계의 초음파 살균을 1분 내지 20분 진행한 후, 상기 (b) 단계의 초음파 살균과 상기 (c) 단계의 저온 플라즈마 살균을 1분 내지 30분의 시간 범위 내에서 동시에 처리하는, 저온 플라즈마 및 초음파 기반의 식품의 살균 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 방법은 (d) 살균 챔버 외부의 온도를 조절하는 냉각부에 의해 살균 챔버 내부의 온도를 유지하는 단계를 더 포함하는, 저온 플라즈마 및 초음파 기반의 식품의 살균 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 식품은 액상에 포함된 형태로 살균 챔버 내부로 도입되거나, 또는
    상기 (a) 단계에서 살균 챔버 내부에 액상이 채워진 상태에서 식품이 도입되는 것인,
    저온 플라즈마 및 초음파 기반의 식품의 살균 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 (b) 단계 처리시 살균 챔버의 액상을 와류시키거나 버블을 발생시키는 공정을 추가로 포함하는, 저온 플라즈마 및 초음파 기반의 식품의 살균 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 (c) 단계의 저온 플라즈마는 플라즈마 발생 기체가 포함된 플라즈마 발생부로부터 살균챔버 내부로 도입되는,
    저온 플라즈마 및 초음파 기반의 식품의 살균 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 (b) 단계의 초음파는 살균 챔버 내부로 도입된 초음파 진동자에 발생하며,
    상기 초음파는 주파수 10 내지 30 KHz 및 전력 300 내지 1000 W 의 조건에서 발생하는,
    저온 플라즈마 및 초음파 기반의 식품의 살균 방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 식품은 분체화 되지 않은 식품인, 저온 플라즈마 및 초음파 기반의 식품의 살균 방법.
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