라디오파 가열 처리한 절단 배추의 미생물 불활성 모델링 및 절임 특성

본 실험에 사용한 배추(Brassica pekinensis L.) 시료는 2018년 7월 강원도 정선에서 수확한 ‘춘광’ 품종을 광주 남구 소재 농수산물 도매시장에서 구입 후 겉잎과 비가식 부위를 제거하여 준비하였다. 1차 정선한 배추 줄기 부위는 멸균 처리한 칼을 이용하여 가로 4±0.5 cm와 세로 3±0.5 cm 크기로 절단 후 배추의 가열 전처리와 염수 절임에 이용하였다.

라디오파와 열수 가열 처리를 위해 절단 배추 시료는 300 g을 칭량하여 멸균된 low-density polyethylene(LDPE) film bag에 각각 밀봉 포장 하였다. 라디오파 가열은 27.12 MHz 라디오파 가열 시스템(FRT-5, Yamamoto Vinita Corp., Ltd., Osaka, Japan)을 이용하여 시료와 상부 electrode의 간격을 40 mm로 설정하고 1,000과 1,500 W 출력에서 시료를 각각 1, 2와 3분 처리하였다. 열수 가열은 수온이 60±1과 70±1℃로 유지된 water bath(VS-1205SW1, Vision Scientific Corp., Bucheon, Korea)에 밀봉된 배추 시료를 각각 5, 10, 15와 20분 처리하였다. 가열 처리를 하지 않은 절단 배추를 대조구로 비교하였다.

라디오파와 열수 가열 처리에 따른 절단 배추의 미생물 수 변화를 분석하기 위해 시료 25 g은 0.85% 멸균 생리식염수 225 mL가 담긴 멸균 필터 stomacher bag에 넣은 후 stomacher(Bagmixer R400, Interscience Inc., Saint Nom, France)를 이용해 3분간 균질화 시켰다. 균질화 된 용액은 0.85% 멸균 생리식염수로 10배수 연속 희석한 후 희석액 1 mL를 각각의 배지에 분주하였다. 호기성 세균은 3M Petrifilm^TM aerobic count plate(Petrifilm AC, 3M Co., St. Paul, MN, USA)를 사용하여 37℃에서 48시간 배양 후 붉은 집락수를 계수하였다. 효모 및 곰팡이는 3M Petrifilm^TM yeast and mold count plate(Petrifilm YM, 3M Co.)를 사용하여 25℃에서 72시간 배양 후 녹푸른색 집락수를 계수하였다. 대장균군은 3M Petrifilm^TM coliform count plate(Petrifilm CC, 3M Co.)를 사용하여 37℃에서 24시간 배양 후 기포가 생성된 붉은 집락수를 계수하였다. 유산균은 de Man, Rogosa and Sharpe agar(MRS, Difo, Detroit, MI, USA)를 사용하여 37℃에서 48시간 혐기배양 후 노란 발색 반응을 나타낸 집락수를 계수하였다. 검출된 미생물 수는 시료 g당 colony forming unit(CFU)로 나타냈고 3회 반복하여 측정하였다.

라디오파와 열수 가열 처리에 의한 절단 배추에 호기성 세균, 효모 및 곰팡이, 대장균군과 유산균 불활성은 first-order kinetic과 Weibull 모델을 각각 이용하여 설명하였다. First-order kinetic 모델은 아래의 수식을 이용하였고 선형 inactivation curve에 유효하다(21).

N₀은 시료의 초기 미생물 수, N은 라디오파 가열 처리 후 시료의 미생물 수, K는 1차 반응 상수, H_t는 라디오파 또는 열수 가열 시간(분)을 각각 나타낸다. 한편 살균처리에 따른 microbial inactivation curve가 비선형을 나타날 때는 Weibull 모델이 적합하다(22). Weibull 모델은 아래의 수식을 이용하였으며 α와 β 값은 Microsoft Excel 2015에 non-linear least-squares regression 해 찾기 기능을 이용하여 분석하였다.

α는 characteristic 처리시간, β는 shape parameter이다. D_r은 미생물 수 90% 감소에 필요한 가열처리 시간으로 아래의 수식을 이용하여 분석하였다.

절단 배추 시료의 중심부에 광섬유온도센서(FOTEMP4, Optocon AG, Dresden, Germany)를 삽입하고 라디오파와 열수 가열 중 처리 시간에 따른 온도 변화를 분석하였다. 라디오파와 열수 가열 처리 직후 절단 배추 표면온도 분포는 적외선 카메라(A655SC, FLIR Systems, Stockholm, Sweden)를 이용하여 측정하였다. 시료의 표면온도 하강과 측정오류를 최소화하기 위해 시료의 온도 측정은 20초 이내로 완료하였다. 또한 표면온도 편차는 직사각형 시료 바깥쪽으로부터 1.5 cm를 제외한 부분의 최고온도와 최저온도 차이로 분석하였다.

절단 배추의 절임을 위한 염수는 1차 증류수에 정제염(Hanju Corp., Ulsan, Korea)을 10% 농도로 첨가하여 준비하였다. 라디오파 또는 열수 가열 처리한 절단 배추는 10% 염수가 담긴 5 L 비커에 1:2(w/v) 비율로 침지시키고 15℃ incubator에서 4시간 동안 절임을 실시하였다. 절임 중 절단 배추의 염도는 Mohr 적정법을 이용하여 분석하였다. 마쇄한 배추 시료 1 g은 증류수로 50배 희석하여 여과하였다. 여과액 10 mL에 지시약 2% potassium chromate 1 mL를 가한 뒤 0.02 N AgNO₃ 용액으로 갈색이 되는 시점을 종말점으로 적정하였다. 0.02 N AgNO₃ 용액의 소비량을 통해 염도(%)를 계산하였다. 절단 배추의 수분함량은 시료 1 g을 aluminum weighting dish에 취한 후 적외선 수분측정기(MB45, Ohaus Co., Pine Brook NJ, USA)를 이용하여 측정하였다. 절단 배추의 경도는 texture analyzer(TA-XT2, Stable Micro System Ltd., Surrey, UK)를 사용하여 penetration test를 행하였다. Choi 등(4)의 선행 연구 방법을 참고하여 지름 2 mm cylindrical probe가 0.5 mm/s test speed와 10 mm 깊이로 배추 조직을 통과시킬 때 얻어지는 최대값을 측정하였다. 측정 횟수는 각 처리구 당 절단 배추 조각을 무작위로 10개 선발하여 반복 측정 후 평균값을 구하여 kg으로 나타내었다.

모든 실험은 3회 이상 반복하여 측정하였으며 실험 결과는 평균값±표준편차로 나타냈다. 처리평균 간의 유의성 검정은 SPSS(Statistical Package for the Social Science, Version 19, SPSS Inc., Chicago, IL, USA) program을 이용하여 p<0.05 수준에서 Duncan’s multiple range test 방법으로 다중비교를 실시하였다.

절임배추의 위생 상태와 품질에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 절임배추에 생육하는 미생물 수이다(23). 1,000과 1,500 W 라디오파 또는 60과 70℃ 열수 가열처리에 따른 절단 배추에 호기성 세균, 효모 및 곰팡이, 대장균군과 유산균의 생존곡선은 Fig. 1에 나타냈다. 본 연구에 사용한 배추 시료의 호기성 세균, 효모 및 곰팡이, 대장균군과 유산균의 분포는 2.55-5.29 log CFU/g의 수준으로 나타났다(data not shown). Oh 등(24)은 국산 배추의 재배기간 중 배추잎 표면에 Staphylococcus aureus와 B. cereus가 약 2.0-4.0 log CFU/g 수준으로 유지한 결과를 보고한 바 있다. 따라서 절임 전 배추 원료의 미생물 오염도를 낮출 있는 살균공정이 필요함 이 확인되었다.

Fig. 1. Effect of radio frequency at 1,000 (a) and 1,500 W (b), and hot water heating at 60 (c) and 70℃ (d) on the survival of pre-existing microorganisms on shredded kimchi cabbages. Each point represents the mean for triplicates and error bars show standard deviations.

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1,000 W 라디오파 3분 처리는 절단 배추에 호기성 세균, 효모 및 곰팡이, 대장균군과 유산균 수를 각각 1.88, 1.04, 4.36과 2.62 log CFU/g 감소시켰다. 1,500 W 라디오파의 경우, 3분 처리 후 대장균군과 유산균 수는 각각 4.36와 4.31 log CFU/g까지 감소하였다. 반면 60과 70℃ 열수 5분 처리는 절단 배추에 존재하는 호기성 세균, 효모 및 곰팡이, 대장균군, 유산균 수를 효과적으로 감소시키지 못했다. 특히 호기성 세균은 60과 70℃ 열수 10분 처리까지 뚜렷한 감균효과를 보이지 않았다. 절단 배추에 대장균군과 유산균 수는 60℃ 열수 20분 처리로 각각 4.36과 2.95 log CFU/g까지 감소하였다. 또한 70℃ 열수 15분 처리는 절단 배추에 대장균군과 유산균 수는 4.36과 4.34 log CFU/g 감소시켰으며 이는 1,500 W 라디오파 3분 처리와 유사한 저해효과를 나타냈다. 이러한 결과는 절단 배추에 오염된 미생물 종류에 따라 미생물의 일정한 수를 사멸시키는데 필요한 가열 온도와 처리 시간이 다름을 입증하였다. Orsat 등(25)은 27.12 MHz 라디오파 가열 2분 이내 처리로 진공 포장한 ready-to-eat 당근에 오염된 호기성 세균을 효과적으로 감소시켰다고 보고하였는데 본 연구결과와 유사하였다. Lui 등(26)도 27.12 MHz 라디오파 처리가 채심에 호기성 세균수를 3 log CFU/g 이상 감소시킨 결과와 라디오파 가열 시스템의 챔버 내 시료가 위치한 상부와 하부 electrode 간격과 처리 시간에 따라 살균 효과 차이가 있음을 보고하였다. 따라서 27.12 MH 라디오파 유전가열은 열수 가열에 비해 절단 배추에 오염된 미생물 불활성에 소요되는 시간을 효과적으로 절감할 수 있는 것으로 판단된다.

라디오파와 열수 가열에 대한 절단 배추에 오염된 미생물의 저해 감수성을 알아보기 위해 라디오파와 열수 가열 처리에 따른 미생물 생존 곡선 결과를 first-order kinetic 모델과 Weibull 모델에 각각 적용시키고 모델들의 적합성을 확인하였다.

1,000 W 라디오파 가열에 따른 호기성 세균, 효모 및 곰팡이, 대장균군과 유산균 수 변화에 대한 Weibull 모델의 root mean square error(RMSE) 값은 각각 0, 0.12, 0.03과 0.06인 반면 first-order kinetic 모델의 RMSE 값은 0.32, 0.16, 0.84와 0.54로 나타났다(Table 1). 1,500 W 라디오파 가열에 따른 호기성 세균, 효모 및 곰팡이, 대장균군과 유산균의 생존곡선도 Weibull 모델의 RMSE 값이 0.01-0.29로 first-order kinetic 모델의 RMSE 값인 0.17-0.84와 비교하여대부분 작게 나타났다. 또한 1,000과 1,500 W 라디오파 가열 처리한 절단 배추의 미생물 생존곡선에 적용된 Weibull 모델 correlation coefficients(R²)는 0.93-1.00으로 first-order kinetic 모델의 0.79-0.97과 비교하여 이상적인 1에 가까운 값을 나타내었다. 따라서 1,000과 1,500 W 라디오파 가열 처리를 이용한 절단 배추에 호기성 세균, 효모 및 곰팡이, 대장균군과 유산균 불활성화 모델은 비선형 Weibull 모델이 first-order kinetic 모델에 비해 높은 적합성으로 나타냈다. 60과 70℃ 열수 가열에 따른 호기성 세균, 효모 및 곰팡이, 대장균군과 유산균의 생존곡선도 first-order kinetic 모델에 비해 Weibull 모델에서 낮은 RMSE 값과 높거나 같은 R²를 보여 비선형 모델이 더 적합하였다. Hu 등(27)은 27.12 MHz 라디오파 가열 처리에 따른 고춧가루에 접종된 Salmonella typhimurium 생존곡선이 Weibull 모델에 높은 적합성을 나타냈다고 보고한 바 있다. 27.12 MHz 라디오파와 열풍을 병합한 가열 방법을 이용한 밤에 인위적으로 오염시킨 Penicillium crustosum, Penicillium discolor와 Penicillium expansum의 사멸곡선의 경우도 Weibull 모델이 first-order kinetic 모델에 비해 높은 R²값을 보인 결과가 보고되었다(28).

Weibull 모델의 α와 β 파라미터는 호기성 세균, 효모 및 곰팡이, 대장균군과 유산균의 생존 곡선 형태를 설명한다. Weibull 모델의 α 값은 스케일 파라미터로서 온도 의존성을 가지고 있으며 α 파라미터 값의 대수는 온도와 선형적으로 관련된다(29). 1,500 W 라디오파 가열에 따른 호기성 세균, 효모 및 곰팡이, 대장균군과 유산균 수 변화 결과를 적용한 Weibull 모델의 α 값은 각각 1.29, 1.73, 1.36과 0.33분으로 나타났다. 반면 60℃ 열수 가열에 따른 효모 및 곰팡이의 생존곡선을 적용한 Weibull 모델의 α 값은 18.63분으로 가장 큰 값을 보였다. α 값의 변화는 미생물 생존 곡선의 기울기를 변화시키지만 형태에는 영향을 미치지 않는다(27).

한편 1,000과 1,500 W 라디오파 가열에 따른 호기성 세균, 효모 및 곰팡이, 대장균군과 유산균 생존곡선에 적용한 Weibull 모델의 β 값은 1.02-3.49로 1보다 크기 때문에 아래로 오목한 형태를 보인다. 또한 1,500 W 라디오파 가열에 따른 호기성 세균, 효모 및 곰팡이와 대장균군과 유산균의 Dr 값은 각각 1.92, 2.66, 1.81과 0.75분으로 나타났다. 따라서 1,500 W 라디오파 처리 3분 이내로 고춧가루에 존재하는 미생물 90% 이상 사멸이 가능하다고 판단된다.

70℃ 열수 가열의 효모 및 곰팡이 저해 결과를 적용한 Weibull 모델 β 값은 0.86으로 위로 볼록한 형태를 나타냈다. 또한 60과 70℃ 열수 가열에 따른 호기성 세균의 D_r 값은 각각 17.52와 12.42분으로 1,500 W 라디오파 가열의 D_r 값 1.92분과 비교하여 약 6.5배 이상 차이를 보였다.

1,000과 1,500 W 라디오파(3분)와 60과 70℃ 열수(20분) 가열 처리한 배추의 염수 절임 중 염도, 수분함량 및 경도 변화를 측정한 결과는 Table 3에 나타내었다.

배추의 염수 절임공정은 삼투작용으로 배추 조직 내에 NaCl 확산과 수분 유출이 동시에 발생하는데 절임배추의 일정 수준 이상의 염도는 부패미생물 생육을 억제한다(30,31). 또한 절임배추의 염도는 소비자가 구매를 결정하는데 중요한 지표이다. 라디오파 또는 열수 가열 처리는 절임 중 절단 배추의 염도 변화에 유의적인(p<0.05) 영향을 미쳤다(Table 3). 절임 1시간 후 1,000과 1,500 W 라디오파 처리한 절단 배추의 염도는 각각 3.02와 3.81%로 대조구(가열 처리하지 않은 절단 배추)의 2.40%와 유의적인(p<0.05) 차이를 나타냈다. 또한 절임 4시간 후 1,000과 1,500 W 라디오파와 60과 70℃ 열수 처리한 절단배추의 염도는 4.00-4.77%로 대조구에 비해 0.50-1.27% 높은 값을 보였다. 따라서 절임 전 배추 원료의 라디오파 급속가열 전처리는배추의 절임율을 높일 수 있을 것으로 판단된다.

1,000과 1,500 W 라디오파 3분 처리 후 절단 배추의 수분함량은 각각 94.14와 93.84%, 60과 70℃ 열수 20분 가열 처리한 절단 배추는 각각 93.43과 93.38%로 나타나 대조구의 초기 수분함량 94.05%와 유의적(p<0.05) 차이를 보이지 않았다. 절임시간이 증가함에 따라 절단 배추의 수분함량은 감소하는 경향을 나타냈다. 그러나 절임 4시간 후 대조구의 수분함량은 89.50%로 1,000과 1,500 W 라디오파와 60과 70℃ 열수 처리구와 유의적(p<0.05) 차이를 나타내지 않았다.

가열 처리한 절단 배추의 경도를 측정한 결과(Table 3), 1,000과 1,500 W 라디오파 및 60과 70℃ 열수 처리한 절단 배추의 경도는 각각 0.69, 0.68, 0.67과 0.72 kg로 나타나 대조구에 비해 0.12-0.17 kg의 높은 값을 나타냈다. 저온 가열 처리는 펙틴질 세포벽 구조를 강화시키는 pectinesterase 활성을 유도하여 채소 조직의 경도를 증가시킨다(32). 한편 80℃ 이상의 고온에서 장시간 가열하면 배추의 세포막 파괴와 세포 팽창으로 조직 손상 현상이 발생하지만 60-70℃ 저온 열처리는 갈변반응에 관여하는 효소활성 억제와 미생물 감소시켜 저장 중 배추의 품질 변화를 방지할 수 있다(33). 절임 4시간 후 1,000과 1,500 W 라디오파 처리한 절단 배추의 경도는 0.78 kg이었으며 60과 70℃ 열수 처리한 절단 배추는 각각 0.72와 0.77 kg으로 대조구와 비교하여 유의적인(p<0.05) 차이가 없었다. 따라서 라디오파 또는 열수 가열 처리가 절단 절임배추의 경도에 부정적인 영향이 없음을 확인하였다.

라디오파와 열수 가열 처리시간에 따른 절단 배추의 내부온도 변화는 Fig. 2에 나타내었다. 1,000과 1,500 W 라디오파 3분 처리 후 절단 배추의 내부온도가 각각 58과 74℃까지 빠르게 증가하였다. 절단 배추의 내부온도가 65℃까지 도달하는데 70℃ 열수 처리는 11.88분 소요된 반면 1,500 W 라디오파 처리는 2.08분으로 가열 처리시간을 약 1/6배 수준으로 단축시킬 수 있었다. 본 연구결과 라디오파 유전가열은 배추에 물분자가 전계 방향이 바뀔 때 발생시키는 마찰에너지를 열원으로 이용하기 때문에 열수에 의한 열전도 방식보다 급속하게 온도를 상승시키는 것으로 판단된다. Ozturk 등(34)에서 27.12 MHz 라디오 가열 시 옥수수 가루에 열전달속도는 5.52℃/min으로 85℃ 열풍 가열의 12.71℃/min보다 빠르다고 보고한 결과는 본 연구 결과와 유사하였다. 1,000과 1,500 W 라디오파와 60과 70℃ 열수의 처리시간에 따른 절단 배추의 표면온도 분포 변화를 관찰한 결과는 Fig. 3에 제시하였다. 1,000과 1,500 W 라디오파 3분 가열 처리 후 절단 배추의 표면온도 편차는 각각 2.03과 2.37℃로 균일한 분포를 나타냈다. 반면 60과 70℃ 열수 20분 가열 처리된 절단 배추의 표면온도 편차는 각각 4.77과 7.23℃를 나타내 라디오파 가열 처리구에 비해 표면온도 분포가 불균일함을 확인하였다.

Fig. 2. Time-temperature profiles of shredded kimchi cabbage during radio frequency (a) and hot water (b) heating.

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Fig. 3. The surface thermal distributions of shredded kimchi cabbage after radio frequency (a) and hot water (b) heating.

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