액상 식품의 초음파 저온살균

초음파 저온살균은 E.coli, Pseudomonas fluorescens, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Bacillus coagulans, Anoxybacillus flavithermus 등 다양한 미생물을 불활성화하여 미생물에 의한 부패를 방지하고 식품과 음료의 장기 안정성을 확보하는 비열 멸균 공정입니다.

초음파 처리를 통한 식품 및 음료의 비열 저온살균

초음파 저온살균은 식품 부패를 유발하는 생물체와 효소를 파괴하거나 비활성화하는 데 사용되는 비열 대체 기술입니다. 초음파 처리는 통조림 식품, 우유, 유제품, 달걀, 주스, 알코올 함량이 낮은 음료 및 기타 액상 식품의 저온살균에 사용할 수 있습니다. 초음파 단독 처리뿐만 아니라 높은 온도 및 압력 조건과 초음파를 결합한 처리(열·압력 병용 초음파 처리라고 함)로도 주스, 우유, 유제품, 액란 및 기타 식품을 효율적으로 저온살균할 수 있습니다. 초음파는 처리된 식품의 영양 성분 함량과 물리적 특성에 악영향을 미치지 않으므로, 정교한 초음파 저온살균 처리는 기존 저온살균 기법보다 우수합니다. 액상 식품을 저온살균하기 위해 초음파 또는 열·압력 병용 초음파 처리를 사용하면 기존의 고온 단시간(HTST) 살균법보다 품질이 높고 영양이 풍부한 제품을 얻을 수 있습니다.
Beslar et al. (2015) 등의 연구에서는 초음파 처리가 수율, 추출, 혼탁도, 유변학적 특성, 색상 등의 품질 요소와 보존 기간을 개선하는 등 주스 가공에 상당한 이점을 제공할 수 있음을 확인했습니다.

서로 다른 온도에서 초음파 처리(UT)를 한 후와 동일한 온도에서 열처리(HT)를 한 후의 사과 주스 내 Escherichia coli (a) 및 Staphylococcus aureus (b)의 생존 곡선.
그림 및 연구: Baboli et al. 2015

초음파 저온살균은 어떻게 작용할까요?

초음파를 이용한 미생물의 불활성화 및 파괴는 비열 기술로, 주요 작동 원리가 열에 기반하지 않는다는 뜻입니다. 초음파 저온살균은 주로 음향 캐비테이션의 효과에 의해 이루어집니다. 음향 / 초음파 캐비테이션 현상은 미세한 캐비테이션 기포 내부와 주변에서 발생하는 국소적인 고온, 고압 및 각각의 온도차와 압력차로 알려져 있습니다. 또한 음향 캐비테이션은 매우 강력한 전단력, 액체 제트 및 난류를 생성합니다. 이러한 파괴력은 세포 천공 및 파쇄와 같이 미생물 세포에 광범위한 손상을 일으킵니다. 세포 천공 및 파쇄는 초음파 처리된 세포에서 나타나는 고유한 효과로, 주로 캐비테이션이 생성하는 액체 제트에 의해 발생합니다.

초음파 저온살균은 음향 캐비테이션과 그로 인한 유체역학적 전단력에 기반합니다

초음파 처리가 기존 저온살균보다 우수한 이유

식품 및 음료 산업에서는 미생물에 의한 변질을 방지하고 제품의 저장 수명과 안정성을 높이기 위해 세균, 효모, 곰팡이 등의 미생물을 불활성화하거나 사멸시키는 기존의 저온살균을 널리 사용합니다. 기존의 저온살균은 일반적으로 100°C (212°F) 미만의 높은 온도에서 짧은 시간 동안 처리하는 방식입니다. 정확한 온도와 처리 시간은 보통 해당 식품과 불활성화해야 하는 미생물에 맞춰 조정합니다. 저온살균 공정의 효과는 로그 감소로 측정하는 미생물 불활성화율에 따라 결정됩니다. 로그 감소는 특정 온도에서 특정 시간 동안 불활성화된 미생물의 백분율을 측정합니다. 온도 처리 조건과 미생물 불활성화율은 미생물의 종류뿐만 아니라 식품의 조성에도 영향을 받습니다. 기존의 열 기반 저온살균에는 불충분한 미생물 불활성화, 식품에 대한 부정적인 영향, 처리 제품 내부의 불균일한 가열 등 여러 단점이 있습니다. 저온살균 시간이 너무 짧거나 온도가 너무 낮아 가열이 불충분하면 로그 감소율이 낮아지고 이후 미생물에 의한 변질이 발생합니다. 과도한 열처리는 탄 맛과 같은 이취미를 유발하고 온도에 민감한 영양소를 파괴하여 영양 밀도를 낮추는 등 제품의 품질을 저하시킬 수 있습니다.

기존 저온살균의 단점

• 중요한 영양소를 파괴하거나 손상시킬 수 있음
• 이취미를 유발할 수 있음
• 높은 에너지 요구량
• 내열성 병원체 사멸에 효과적이지 않음
• 모든 식품에 적용할 수 있는 것은 아님

유제품의 초음파 저온살균

우유 및 유제품의 저온살균을 위한 초음파 처리, 열–초음파 처리 및 열–압력–초음파 처리에 관한 연구가 폭넓게 이루어져 왔습니다. 예를 들어, 처리 전 초기 접종량이 허용치보다 5× 높은 경우에도 초음파는 부패 미생물과 잠재적 병원체를 완전히 제거하거나 남아프리카공화국 및 영국의 우유 관련 법규에서 허용하는 수준까지 줄이는 것으로 나타났습니다. E. coli의 생균수는 10.0 min 동안 초음파 처리한 후 100% 감소했습니다. 또한 Pseudomonas fluorescens의 생균수는 6.0 min 후 100% 감소했으며, Listeria monocytogenes의 생균수는 10.0 min 후 99% 감소한 것으로 나타났습니다. (Cameron et al. 2009)
연구에서는 열–초음파 처리가 원유 전지유의 Listeria innocua와 중온성 세균을 불활성화할 수 있다는 점도 입증되었습니다. 초음파는 기존 열처리에 비해 pH와 젖산 함량에 중요한 변화 없이 처리 시간을 단축하면서 외관과 점조성을 개선하여, 우유의 저온살균 및 균질화에 활용할 수 있는 기술로 나타났습니다. 이러한 사실은 유제품 가공의 여러 측면에서 이점이 됩니다. (Bermúdez-Aguirre et al. 2009)

주스 및 과일 퓌레의 초음파 저온살균

사과 주스의 Escherichia coli와 Staphylococcus aureus를 불활성화하기 위해 효율적이고 신속한 대체 저온살균 기술로 초음파 저온살균이 적용되었습니다. 과육이 없는 사과 주스를 초음파로 처리했을 때, 5-log 감소에 필요한 시간은 E. coli의 경우 60degC에서 35 s였으며 S. aureus의 경우 62degC에서 30 s였습니다. 이 연구에서는 높은 과육 함량이 S. aureus에 대한 초음파의 치사 효과를 낮추는 반면 E. coli에는 유의한 영향을 미치지 않는 것으로 나타났지만, 압력을 가하지 않았다는 점에 유의해야 합니다. 높은 압력에서 초음파 처리를 하면 초음파 캐비테이션이 크게 강화되어 점도가 더 높은 액체에서 미생물 불활성화가 증대됩니다. 초음파 처리는 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) 라디칼 소거 활성으로 측정한 항산화 활성에는 유의한 영향을 미치지 않았지만, 총 페놀 함량은 유의하게 증가시켰습니다. 또한 이 처리로 균일성이 더 높고 더 안정적인 주스를 얻었습니다. (cf. Baboli et al. 2020)

그람양성균과 그람음성균의 초음파 불활성화

Listeria monocytogenes나 Staphylococcus aureus와 같은 그람양성균은 일반적으로 그람음성균보다 저항성이 높은 것으로 알려져 있으며, 세포벽이 더 두꺼워 PEF, HPP 및 가압 초음파 처리(MS)와 같은 저온 살균 기술에 더 오랜 처리 시간 동안 견딥니다. 그람음성균에는 외막과 세포질막이라는 두 개의 지질 세포막이 있고 그 사이에 얇은 펩티도글리칸 층이 있어 초음파 불활성화에 더 취약합니다. 반면 그람양성균에는 더 두꺼운 펩티도글리칸 벽과 단 하나의 지질막만 있어 저온 살균 처리에 대한 저항성이 더 높습니다. 과학적 연구에서는 고출력 초음파가 그람음성균과 그람양성균에 미치는 영향을 비교하여, 그람음성균에 더 강한 억제 효과가 있음을 확인했습니다. (Monsen et al. 2009 참조) 그람양성균에는 더 강한 초음파 조건, 즉 더 높은 진폭, 더 높은 온도, 더 높은 압력 및/또는 더 긴 초음파 처리 시간이 필요합니다. Hielscher Ultrasonics의 고출력 초음파 시스템은 매우 높은 진폭을 제공할 수 있으며, 고온 조건에서 가압 가능한 플로우 셀 반응기와 함께 작동할 수 있습니다. 이를 통해 강도 높은 초음파 처리 / 열·가압 초음파 처리가 가능하여 저항성이 매우 높은 균주까지 불활성화할 수 있습니다.

내열성 세균의 초음파 불활성화

내열성 세균은 저온 살균 공정에서 정도의 차이는 있지만 생존할 수 있는 세균입니다. 내열성 세균에는 Bacillus, Clostridium 및 장구균이 포함됩니다. “그러나 진폭 80%에서 10 min 동안 초음파 처리한 결과, 탈지유 내 B. coagulans와 A. flavithermus의 영양세포가 각각 4.53 및 4.26 로그만큼 불활성화되었습니다. 저온 살균(63도 C/30 min) 후 초음파 처리를 실시하는 병용 처리는 탈지유 내 약 log 6 cfu/mL의 이들 세포를 완전히 제거했습니다.” (Khanal et al. 2014)

고성능 초음파 저온 살균 장비

Hielscher Ultrasonics는 식품 및 음료 산업을 비롯한 여러 산업 분야에서 고출력 초음파를 적용해 온 오랜 경험을 보유하고 있습니다. 당사의 초음파 프로세서에는 세척이 용이한 소노트로드와 플로우 셀(접액부)이 장착되어 있습니다(정치 세정 CIP / 정치 멸균 SIP). Hielscher Ultrasonics의 산업용 초음파 프로세서는 매우 높은 진폭을 제공할 수 있습니다. 최대 200µm의 진폭으로 24/7 연속 운전을 손쉽게 수행할 수 있습니다. 높은 진폭은 저항성이 더 높은 미생물(예: 그람양성균)을 불활성화하는 데 중요합니다. 더 높은 진폭이 필요한 경우 맞춤형 초음파 소노트로드를 사용할 수 있습니다. 모든 소노트로드와 초음파 플로우 셀 반응기는 고온 및 고압 조건에서 작동할 수 있어 안정적인 열·가압 초음파 처리와 매우 효과적인 저온 살균이 가능합니다.
최첨단 기술, 고성능 및 정교한 소프트웨어를 갖춘 Hielscher Ultrasonics 장비는 식품 저온 살균 라인에서 믿고 사용할 수 있는 주력 장비입니다. 설치 면적이 작고 설치 방식이 다양하여 Hielscher 초음파 처리기를 기존 생산 라인에 손쉽게 통합하거나 추가 설치할 수 있습니다.
당사 초음파 저온 살균 시스템의 특징과 성능에 대해 자세히 알아보시려면 지금 문의해 주십시오. 고객님의 응용 분야에 대해 기꺼이 상담해 드리겠습니다!
아래 표는 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여 줍니다: