초음파 기술을 이용한 세균 포자의 불활성화에 관한 연구

초음파 기술을 이용한 세균 포자의 불활성화에 관한 연구

초음파는 20kHz보다 큰 주파수를 갖는 음파입니다. 이는 액체 매체에서 분자 진동을 유발하여 파괴적인 물리적 효과를 초래할 수 있습니다. 친환경적이고 안전하며 무공해 특성으로 인해 초음파는 현재 소포, 유화, 추출, 폐기물 처리 등 식품 가공 분야에서 널리 사용되고 있습니다. Lynnet al. 수영장에서 초음파에 노출된 물고기가 죽은 것을 발견했습니다. 추가 연구를 통해 초음파의 생물학적 효과가 밝혀졌으며 이를 살균에 적용하는 연구도 진행되었습니다. 고강도 초음파 처리는 미생물과 그 포자를 비활성화하는 동시에 식품 품질을 최대한 보존하는 동시에 전통적인 열처리 방법의 변화 방향을 나타냅니다.

초음파 캐비테이션 메커니즘

초음파가 액체 매질에서 전파되면 작은 기포(캐비테이션 기포)가 형성됩니다. 지속적인 초음파 작용으로 이러한 기포는 에너지를 축적하고 성장합니다. 에너지가 캐비테이션 기포 파열 임계값에 도달하면 캐비테이션 기포가 터지면서 순간적인 고온(5500K)과 고압(50MPa)이 발생하여 캐비테이션 효과가 형성됩니다. 캐비테이션 효과는 초음파의 주요 효과로 간주됩니다.

캐비테이션에는 두 가지 유형이 있으며 각각 다른 기능을 가지고 있습니다. 한 가지 유형은 정상 상태 캐비테이션입니다. 초음파 진동 하에서 작은 기포가 형성되고 대칭적인 팽창과 관성 압축이 발생합니다. 기포 직경은 증가하고, 수천 번의 주기 후에 기포의 크기는 파열되지 않고 평형 크기를 중심으로 진동합니다. 기포 진동으로 인한 캐비테이션 효과로 인해 주변 유체가 회전하여 마이크로빔이 생성됩니다. 이 현상을 울트라 마이크로빔이라고 합니다. 다른 유형은 일시적인 캐비테이션입니다. 고전력(진폭) 조건에서 액체에 존재하는 미세 가스 핵 캐비테이션 기포는 초음파 작용에 따라 진동합니다. 팽창하는 동안 압력은 유체 증기압보다 낮아지므로 기포가 더 커집니다. 압축하는 동안 기포가 수축하고 내용물이 액화됩니다. 기포 면적이 증가하기 때문에 내용물이 다시 유체로 완전히 액화될 수 없습니다. 이 시점에서 한 사이클이 완료됩니다. 특정 압축 주기에서 기포벽이 초음파와 공명하면 기포가 파열되어 순간적인 고온(5500K)과 고압(50MPa)이 발생하여 매우 강한 전단력이 발생하고 해당 영역에 난류가 발생할 수 있습니다.

초음파 살균 효과

연구 결과에 따르면 초음파의 진폭, 강도, 빈도, 노출 시간 및 처리 온도가 모두 미생물에 미치는 영향에 영향을 미치지만 각 매개변수의 영향 범위는 아직 조사 중입니다. Soleimanzadeh 등의 연구. 고진폭 초음파는 박테리아 세포벽과 막의 파괴를 증가시켜 진폭이 증가함에 따라 황색포도상구균에 대한 초음파의 살균 효과를 증가시키는 것으로 나타났습니다. 또한, 초음파 듀티 사이클(초음파 시간 대 간격 시간의 비율)이 멸균 효과에 미치는 영향을 조사한 결과, 듀티 사이클이 7:3일 때 프로브에서 생성된 캐비테이션 기포가 보다 효과적으로 분해되어 캐비테이션 효과를 발생시켜 최고의 멸균 결과를 얻을 수 있어 최고의 멸균 효과를 나타내는 것으로 나타났습니다. 점도, pH 값, 미생물의 종류도 초음파의 살균 효과에 어느 정도 영향을 미칩니다. 미생물종과 초음파 민감도와의 관계에 대한 연구는 제한적이며 통일된 결론 없이 다양한 의견이 존재한다. Chandrapalaet al. 초음파에 대한 미생물의 민감도는 세포 크기 및 표면 구조와 관련이 있다고 믿습니다. 박테리아는 진균보다 더 민감하고, 혐기성 박테리아는 호기성 박테리아보다 더 민감하며, 간균은 구균보다 더 민감합니다. 그러나 Cameron et al. 초음파의 살균 효과는 박테리아의 크기와 모양과 직접적인 관련이 없다는 것이 밝혀졌습니다. 그람양성균과 그람음성균을 비교하면, 그람양성균은 세포벽이 더 두껍고 펩티도글리칸 층이 더 조밀하기 때문에 초음파에 더 강한 반면, 그람음성균은 초음파 치료에 더 민감합니다.

다양한 미생물의 불활성화 정도는 시스템에 따라 다르지만 많은 연구에서 초음파가 상당한 살균 효과를 갖는 것으로 나타났습니다. 초음파 치료만으로는 5(Ig(CFU/mL))의 살균 용량을 달성할 수 없습니다. 초음파는 다른 기술(열 처리, 압력, 압력과 결합된 열 처리, UV, 니신 및 전해수 등)과 상당한 시너지 효과를 내는 살균 효과를 갖습니다.

포자 불활성화를 위한 열처리와 초음파 결합에 대한 연구 진행

초음파 치료만으로는 포자를 비활성화하는 데 그다지 효과적이지는 않지만 포자 저항성을 크게 줄일 수 있습니다. 따라서 다른 살균 방법과 결합하면 포자 불활성화 효율을 크게 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어 열, 고압, 살균, UV 처리와 결합된 초음파는 모두 좋은 결과를 보여줍니다.

Khanalet al. *Bacillus cereus* 포자의 비활성화에 대한 초음파 치료와 초음파-열 복합 치료의 효과를 비교했습니다. 그 결과 초음파는 발아를 유도하여 일부 *Bacillus licheniformis* 포자의 저항성을 크게 감소시켰을 뿐만 아니라 포자를 비활성화시키는 것으로 나타났습니다. 초음파 단독 처리와 비교하여 초음파-열 처리를 병행하면 비활성화된 포자의 양이 크게 증가하여 포자 비활성화에 대한 초음파와 열 처리의 시너지 효과를 나타냅니다. Evelyn 등의 연구에서는 초음파에 의한 *Clostridium perfringens* 포자의 비활성화가 1차 운동 모델을 따른다는 사실을 보여주었습니다. 24kHz, 0.33W/g 초음파와 75℃에서 60분간 처리한 후 *Clostridium perfringens* 포자 수가 1.5(lg(CFU/mL)) 감소했습니다. 이 시점에서 포자 불활성화 곡선은 선형이 아니었지만 Weibull 모델에 잘 들어맞을 수 있었습니다. Fan Lihua 등의 연구에 따르면 초음파와 열 처리를 함께 사용하면 포자에 대한 시너지적인 비활성화 효과가 있는 것으로 나타났습니다. 동시에 피질, 포자 외피, 포자 내막 등 다양한 포자 구조를 손상시켜 세포 내 물질이 방출되어 포자가 비활성화됩니다. 초음파 복합열 처리 후 유지된 *Bacillus cereus* 포자는 정상적으로 발아할 수 있었지만 이후의 성장이 제한되어 ATP를 덜 합성하거나 전혀 합성하지 못했습니다. 이는 초음파 복합열 처리가 발아 후 성장 중에 일부 주요 대사 효소를 손상시켰음을 나타냅니다. 이는 포자의 습열 불활성화 메커니즘과 유사합니다. 또한, 초음파 복합열처리는 쌀죽, 쇠고기 페이스트, 치즈 페이스트의 *Bacillus cereus* 포자를 열처리 단독에 비해 각각 7배, 6배, 4배 정도 비활성화시키는 것으로 나타났습니다. 초음파 보조만으로도 열처리 강도를 크게 줄이고 에너지 소비를 줄이며 식품 품질을 유지할 수 있습니다.

식품 살균을 위한 초음파 복합 기술은 식품 품질을 크게 유지하고 기능성 성분의 파괴를 줄일 수 있어 광범위한 응용 가능성을 보여줍니다.