유동 초고압 공정을 이용한 오렌지 주스의 보존성 향상

12°Bx 이상인 발렌시아 품종의 오렌지를 수확 후 바로 착즙하고 급속 냉동하여 제조된 오렌지 주스 제품(Fresh Frozen Natalie's Orange Juice, Orchid Island Juice Co., Fort Pierce, FL, USA)을 본 연구의 주스 재료로 사용하 였다.

DHP 장비(D.O.S. Inc., Siheung, Korea)는 기본적으로 유 압에 의해 구동되는 장비로서 유압동력 펌프부(너비×직경× 높이: 0.7×0.6×1.2 m)와 시료가 투입되고 처리되는 구동부 (너비×직경×높이: 0.8×0.65×0.25 m)로 구성되어 있다. 구동 부는 가열판 열교환기(Woori Tech, Seoul, Korea)의 장착으 로 주입온도 조절이 가능한 주입탱크, 유압식 실린더, Z 형태 처리 챔버, 냉각용 열교환기(D.O.S. Inc.), 그리고 프 로그램 가능 로직 제어기(PLC) 상자로 구성되어 있다. 주 스는 항온수조를 이용하여 1.5분간 35°C까지 선 가열 된 후 주입탱크의 열교환기를 이용해 50, 60, 그리고 70°C로 가열되었다. 주스 시료가 50, 60, 그리고 70°C로 가열되는 데까지는 각각 3, 7, 그리고 12분이 소요되었다. 주스의 배 출온도는 냉각용 열교환기를 이용해 조절되었고 모든 시료 들의 배출온도는 8.0±0.6°C이었다.

오렌지 주스 내 존재한 토착 미생물이 열처리와 DHP 처리(단일 또는 열병합)에 의해 얼마나 저해되는지를 측정 하였다. 열처리와 DHP 처리 전의 오렌지 주스는 37°C의 배양기(VS-1203P1, Vision Scientific Co., Bucheon, Korea) 에서 이틀간 방치되었고, 7.4-7.9 log CFU/mL의 중온 호기 성 미생물 수를 가졌다. 열처리에 의한 주스 내 토착 미생 물의 저해 효과를 알아보기 위해 오렌지 주스를 기존 오렌 지 주스 열처리 조건 중 하나인 90°C, 1분 조건(Sánchez- Moreno et al., 2003)으로 고압증기 멸균기(JSAC-60, JS Research Inc., Gongju, Korea)를 이용해 처리하여 열처리 주스를 준비하였다. 단일 DHP 처리를 통한 오렌지 주스의 토착 미생물 저해 효과를 알아보기 위하여 주입온도 20°C 의 오렌지 주스를 205MPa의 압력으로 1, 2, 3 패스 처리 한 시료를 준비하였고(단일 DHP 처리 주스), 열처리와 병 합된 DHP 처리의 효과를 알아보기 위하여 50, 60, 70°C 주입온도에서 205MPa 압력으로 3 패스 처리한 시료를 준 비하였다(열병합 DHP 처리 주스). 상대적으로 열 유입이 적은 50°C를 이용한 병합 처리에서는 3 패스뿐만 아니라 1과 2 패스 모두 사용하여 처리 시간의 영향을 관찰하려 하였다. 주스의 주입온도는 상기 기술된 방법에 따라 조절 되었다. DHP 처리 효과를 제외하고 열처리만의 효과를 알 아보기 위해서 시료 주입온도를 20, 50, 60, 그리고 70°C 로 맞춘 후 압력 처리 없이 3 패스 처리하였다.

단일 DHP 처리, 열병합 DHP 처리, 열처리 주스를 0.1% peptone water로 희석한 후에 plate count ager (PCA)와 plate dextrose ager (PDA)배지에 평판도말 하여 각각 중온 호기성 미생물과 효모 및 곰팡이를 계수하였다. PCA 배지는 37°C에서 48시간 동안 배양 하였고, PDA 배 지는 25°C에서 3일간 배양하였다. PCA, PDA, peptone water 모두 Difco Laboratories (Detroit, MI, USA)에서 구 매하였다.

멸균된 폴리프로필렌 튜브 (15 mL) (SPL 50015 conical tube, SPL Life Sciences Co., Pocheon, Korea)에 단일 DHP 처리 주스, 열병합 DHP 처리 주스, 열처리 주스, 그 리고 DHP 처리와 열처리 모두 하지 않은 오렌지 주스(무 처리 주스)를 공기층이 최소가 되도록 충전한 후 4°C에서 저장하면서 저장 0, 7, 14, 21, 28, 35, 49, 그리고 63일 차에 주스의 미생물 저장 안정성, 비타민 C 함량, 색, 당 도, pH를 측정하고 비교하였다. 열처리는 ‘토착 미생물 저 해 실험’에서 사용한 조건과 동일하게 이루어졌고, 단일 DHP 처리는 주입온도가 20°C인 주스를 205MPa 압력으 로 3 패스 처리하여 이루어졌으며, 열병합 DHP 처리는 주 입온도가 50°C인 주스를 205MPa 압력으로 3 패스 처리 하여 수행되었다.

미생물 저장 안정성은 저장 중 오렌지 주스 내 존재하는 중온 호기성 미생물 수와 효모 및 곰팡이 수를 ‘토착 미생 물 저해 실험’에서 설명된 방법과 동일한 방법을 통해 구 하여 결정되었다.

High-performance liquid chromatography (HPLC, Agilent 1100 series, Agilent Technologies, Santa Clara, CA, USA) 를 이용하여 Kim et al. (2004)의 방법으로 측정하였다. 오 렌지 주스를 22°C에서 10분간 12,500 g로 원심분리(Supra 22K, Hanil Science Industrial, Incheon, Korea)하여 얻은 상층액을 0.45 μm filter (Whatman 6750-2504 syringe filter, Piscataway, NJ, USA)를 통해 여과한 후 비타민 C 분석 시료로 사용하였다. 분석 시료 20 μL를 0.6 mL/분으 로 흐르는 5 mM tetrabutylammonium phosphate:acetonitrile (75:25 v/v) 이동상에 주입하여 UV-Vis detector (G1315B, Agilent Technologies)로 254 nm 파장에서 분석하였다. Column (Symmetry^® C18, 5 μm, 4.6 mm×250 mm I.D, Waters Co., Milford, MA, USA)은 column oven (G1316A, Agilent Technologies)을 이용하여 25±2°C의 온도로 유지시 켰다.

색차계(Minolta Chroma Meter CR-400, Minolta Camera Co., Osaka, Japan)의 측정부위에 오렌지 주스 시료 3 mL 을 채운 petri dish (35 mm 직경)를 올리고 그 위에 표준 백색판(Calibration Plate CR-400)을 올린 후 Hunter L*, a*, b* 값을 측정하였다. 색차계 측정에는 D65와 10o가 이 용되었다. 오렌지 주스 시료의 색은 L* 값을 이용해 비교 되었다(Min et al., 2003a).

주스 시료의 당도는 휴대용 디지털 당도계(PAL-1, ATAGO, Tokyo, Japan)를 이용하여 측정하였고, pH는 pH meter (FiveEasy^TM Plus, Mettler Toledo, Schwerzenbach, Switzerland)를 이용하여 측정하였다.

기존의 열처리를 이용하여 오렌지 주스를 처리하였을 때 토착 호기성 미생물과 효모 및 곰팡이가 모두 7 log CFU/ mL 이상 저해되었다(최소검출한계: 10 CFU/mL). 주입온 도 20°C의 오렌지 주스를 DHP를 이용하여 압력처리 없이 단순히 1, 2, 또는 3 패스 통과시켰을 때 미생물 수는 패 스의 횟수와 상관없이 처리 전의 미생물 수와 유의적으로 차이가 나지 않았다(p>0.05). 오렌지 주스의 주입온도를 50, 60, 그리고 70°C로 조절하여 압력처리 없이 DHP 처리 장치에서 1, 2, 또는 3 패스 통과시켰을 경우에도, 오렌지 주스 내 토착 미생물 수는 패스의 횟수와 상관없이 처리 전과 유사하였으며(p>0.05), 각각 7.7±0.1, 2.5±0.9, 그리고 2.4±0.1 CFU/mL이었다(데이터 미포함). 이것은 초기 주스 온도 조절은 미생물 저해에 직접적인 영향을 미치지만 주 스를 압력처리 없이 단순히 DHP 처리 장비에 통과시키는 것은 미생물 저해에 영향을 주지 않는다는 것을 의미한다.

단일 DHP 처리와 열병합 DHP 처리의 오렌지 주스 내 토착 호기성 미생물과 효모 및 곰팡이 저해에 대한 영향을 각각 Fig. 1과 2에 나타내었다. 단일 DHP 처리를 이용하 여 주입온도가 20°C인 오렌지 주스를 205MPa 압력으로 3 패스 조건으로 처리하였을 때 주스의 호기성 미생물과 효모 및 곰팡이는 각각 4.2±0.2 log CFU/mL과 4.1±0.2 log CFU/mL 저해되었다(Figs. 1, 2). 이를 통해 단일 DHP 처 리가 열처리보다 오렌지 주스의 호기성 미생물과 효모 및 곰팡이를 저해시키는 효과가 상대적으로 낮다는 것을 알 수 있었다. 주입온도가 20°C인 오렌지 주스 시료를 205 MPa 압력에서 단일 DHP 처리할 때 패스 횟수가 1에서 3 으로 증가하면서 호기성 미생물과 효모 및 곰팡이의 저해 정도 또한 증가하였다(Figs. 1, 2). Patrignani et al. (2010) 또한 DHP를 이용하여 100MPa 압력에서 8 패스 조건으 로 당근 주스와 살구 주스를 처리했을 때 패스 횟수 증가 와 함께 미생물 저해 정도가 증가하였다고 보고하였는데, 이는 패스가 증가할수록 시료의 DHP 처리 시간이 증가하 기 때문으로 설명될 수 있다.

Fig. 1. Effects of the dynamic high pressure (DHP) treatments and the conventional heating on the inhibition of total aerobic microbe in orange juice. Different letters on the top of each column indicate the differences at the significant level of 0.05.

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Fig. 2. Effects of the dynamic high pressure (DHP) treatments and the conventional heating on the inhibition of yeast and mold in orange juice. Different letters on the top of each column indicate the differences at the significant level of 0.05.

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오렌지 주스를 205MPa 압력에서 각각 1, 2, 3 패스 처 리 할 때 주스의 주입온도가 20°C에서 50°C로 증가할 경 우 미생물 저해 정도도 유의적으로 증가하는 것을 알 수 있었다(p<0.05) (Figs. 1, 2). 오렌지 주스를 단독 DHP 처 리를 통해 20°C의 주입온도에서 1 패스 처리하였을 때와 50°C의 주입온도에서 열병합 DHP 처리를 통해 1 패스 처 리하였을 경우를 비교하였을 때, 호기성미생물과 효모 및 곰팡이의 저해 정도가 각각 2.2와 2.9 log CFU/mL로 증가 하였다(p<0.05) (Figs. 1, 2). 이를 통해 시료 주입 온도가 열병합 DHP 처리의 미생물 저해 효과를 결정하는 주요 변인임을 알 수 있었다. 3 패스 DHP 처리에서 주입온도를 20°C에서 50°C로 증가시켰을 때 미생물 저해 정도가 유의 적으로 증가하였다(p<0.05) (Figs. 1, 2). 그러나 이미 50°C 에서 미생물이 충분히 저해되었기 때문에 60°C와 70°C에 서는 주입 온도의 상승에 따른 미생물 저해 증가를 확인할 수 없었다(Figs. 1, 2). 주입온도 50, 60, 또는 70°C의 오렌 지 주스를 205MPa 압력으로 3 패스 처리하였을 때 모두 7 log CFU/mL 이상의 토착 미생물 저해를 보여(최소검출 한계: 10 CFU/mL) (Figs. 1, 2) DHP 처리가 이들 온도에 서의 열처리와 병합되었을 때 기존의 열처리(90°C, 1분)와 비슷한 수준으로 주스의 토착 미생물을 저해한다는 것을 알 수 있었다. Ferragut et al. (2015) 또한 아몬드 음료를 열병합 DHP 처리(투입온도 55°C, 200 MPa)하였을 때 열 처리(90°C, 90초)를 통해 얻어진 토착 미생물 저해 수준과 유사한 수준의 저해 효과를 보았다고 보고하였다.

오렌지 주스에 열처리를 한 후 DHP 처리를 하는 열병 합 DHP 처리는 토착 미생물 저해에 있어서 상승효과를 보여주었다. 열병합 DHP (50°C 주입온도, 205MPa 처리 압력) 처리로 1, 2, 3 패스 처리하여 얻은 호기성 미생물의 저해 정도(3.5±1.2, 5.3±1.2, 7.5±0.2 log CFU/mL)는 주입 온도 50°C에서 압력처리 없이 DHP에 통과하여 얻은 호기 성미생물 저해 정도(0.2±0.1 log CFU/mL)를 단일 DHP (205 MPa) 처리로 1, 2, 3 패스 처리하여 얻은 호기성 미 생물의 저해 정도(1.3±0.5, 2.5±0.6, 4.2±0.2 log CFU/mL) 에 각각 합한 것(~1.5, ~2.7, ~4.4 log CFU/mL) 보다 컸다 (Fig. 1). 이러한 상승효과는 효모 및 곰팡이 저해 결과에 서도 볼 수 있었다(Fig. 2). 단일 DHP 처리에 비해 열병합 된 DHP 처리의 미생물 저해가 효과적인 이유는 미생물이 열에 먼저 노출되면서 미생물 세포벽과 내부에 변성이 일 어나고 압력에 대한 저항성이 낮아져(Pflug et al., 2001) DHP 처리의 물리적 작용(Diels et al., 2005)에 대해 취약 해졌기 때문으로 사료되었다.

단일 DHP 처리, 열병합 DHP 처리, 열처리의 저장 중 오렌지 주스의 중온 호기성 미생물과 효모 및 곰팡이의 수 에 대한 영향을 Table 1에 나타내었다. 저장 기간 중 중온 호기성 미생물 수와 효모 및 곰팡이 수가 유사한 것을 보 아(Table 1), 대부분의 호기성 미생물이 효모 및 곰팡이인 것을 알 수 있었다. 저장 기간 중 단일 DHP 처리는 열처 리 보다 오렌지 주스의 토착 미생물 저해 효과가 낮았지만 열병합 DHP 처리는 열처리와 동등한 저해 효과를 보였다 (Table 1). 무처리 주스의 호기성 미생물과 효모 및 곰팡이 의 수들보다 단일 DHP 처리한 오렌지 주스의 미생물 수 들이 각 저장 기간에서 유의적으로 적게 나타났으므로 DHP 처리가 오렌지의 미생물 안정성을 높인다는 것을 알 수 있었다. DHP 처리 시료에서 미생물 안정성이 증가하는 것은 DHP 처리로 인해 세포가 손상된 미생물들이 냉장환 경에서의 증식과 회복하는 기능을 상실하였기 때문으로 판 단되었다(Patrignani et al., 2010). 본 결과를 통해 DHP 처 리가 기존에 오렌지 주스의 미생물 안정성을 증가시키기 위해 사용되어왔던 열처리 살균을 대체할 새로운 살균 기 술임을 확인할 수 있었다. Velázquez-Estrada et al. (2012) 도 오렌지 주스를 DHP (200 또는 300MPa 압력) 처리 또 는 열처리(90°C, 1분)한 후 4°C에 저장하였을 때, 200 MPa에서 처리된 주스는 아무 처리도 하지 않은 주스보다 미생물 안정성이 높았고, 300MPa에서 처리된 주스는 열 처리 오렌지 주스와 동등한 미생물 안정성을 보였다고 보 고하면서 DHP 처리를 오렌지 주스 살균에 사용될 수 있 는 새로운 기술로서 제시하였다.

단일 DHP 처리, 열병합 DHP 처리, 열처리의 저장 중 오렌지 주스의 비타민 C 농도 유지에 대한 영향을 Fig. 3 에 나타내었다. 저장 0일(처리 직후)의 무처리 주스와 단일 DHP 또는 열병합 DHP 처리 주스의 비타민 C 농도는 서 로 차이가 없었다(p>0.05) (Fig. 3). 반면에 열처리 주스의 비타민 C 농도는 무처리 주스에 비해 28% 감소되었음을 알 수 있었다(p<0.05) (Fig. 3). 열에 의해 파괴되는 비타민 C는 공정 중 열 유입 정도가 클수록 높다(Polydera et al., 2003). 단일 DHP와 열병합 DHP 처리 중에는 열유입이 크지 않아 비타민 C가 파괴되지 않았던 것으로 사료되었 고 이를 통해 단일 DHP와 열병합 DHP 처리가 오렌지 주 스의 비타민 C 파괴를 줄이는 주스 살균 방법으로 적용될 수 있음을 알 수 있었다. 유사한 결과가 Suárez-Jacobo et al. (2011)에 의해 보고되었는데, DHP (투입온도 20°C, 300 MPa) 처리된 사과 주스가 열처리(90°C, 4분)된 사과 주스 보다 비타민 C 함량이 유의적으로 높았다.

Fig. 3. Effects of the dynamic high pressure (DHP) treatments and the conventional heating on the vitamin C retention in orange juice during storage at 4°C for 63 days. DHP treatment pressure and pass number were 205 MPa and 3, respectively. Temperatures for DHP treatment only and heating-combined DHP treatment were 20 and 50°C, respectively. Conventional heating temperature and time were 90°C and 1 min, respectively. The retention was determined based on the concentration of vitamin C in untreated orange juice on day 0.

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그러나 단일 DHP 또는 열병합 DHP 처리 주스의 초기 높은 비타민 C 농도는 저장 중 유지되지 않았고 저장 7일 부터 이들 주스들의 비타민 C 농도는 열처리 주스 및 무 처리 주스의 비타민 C 농도와 유의적으로 차이가 나지 않 게 되었다(p>0.05) (Fig. 3). 이것은 주스 비타민 C 저감의 주원인이 되는 산화(Buttery et al., 1990; Braddock, 1999) 가 포장된 주스 내에서 많이 일어나 가공 방법에 의한 비 타민 C 농도 차이를 압도하였기 때문으로 생각되었다. 따 라서 질소 치환이나 산소투과율이 낮은 포장재 사용 등 포 장 내 존재하는 산소 농도를 낮추는 방법들을 적용하면 단 일 DHP 또는 열병합 DHP 처리 주스의 초기 높은 비타민 C 농도를 저장 중 유지시키는데 도움이 될 것으로 사료되 었다(Min et al., 2003b).

단일 DHP 처리, 열병합 DHP 처리, 열처리의 저장 중 오렌지 주스의 Hunter L* (밝기)에 대한 영향을 Fig. 4에 나타내었다. 0일의 단일 DHP 또는 열병합 DHP 처리 주 스의 밝기는 무처리 주스와 비교하여 상승하였다(p<0.05). 저장 기간 동안 단일 DHP 또는 열병합 DHP 처리 주스는 열처리 주스보다 높은 밝기를 유지하였다(p<0.05) (Fig. 4). 오렌지 주스 내에 펙틴 물질과 펙틴-단백질 결합물들이 서 로 응집되어 존재하는데 이러한 응집물들이 분리되면 주스 의 밝기가 증가된다(Karaçam et al., 2015). DHP 처리는 주스 내 응집물들을 분리시키고(deagglomeration) 펙틴과 같은 고분자 물질을 저분자화(depolymerization) 시킬 수 있으므로(Lopez-Sanchez et al., 2011), 주스의 밝기를 증가 시킬 수 있었을 것으로 생각되었다.

Fig. 4. Effects of the dynamic high pressure (DHP) treatments and the conventional heating on Hunter L (lightness) value of orange juice during storage at 4°C for 63 days. DHP treatment pressure and pass number were 205 MPa and 3, respectively. Temperatures for DHP treatment only and heating-combined DHP treatment were 20 and 50°C, respectively. Conventional heating temperature and time were 90°C and 1 min, respectively.

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처리 직후 그리고 저장 중 열처리 주스의 색이 무처리 주스의 색보다 어두운 것을 알 수 있었다(p<0.05) (Fig. 4). Cortés et al. (2008)은 가열처리로 인하여 오렌지 주스 내 아미노산의 아미노기와 환원당의 카보닐기가 축합하여 마 이야르(Maillard) 갈변현상이 일어나게 되어 밝기가 감소한 다고 보고하였다. 본 실험에서도 열처리 중 주스에 주입되 는 열에 의해서 갈변현상이 일어나 열처리 주스의 밝기가 감소한 것으로 사료되었다.

단일 DHP 처리, 열병합 DHP 처리, 열처리의 저장 중 오렌지 주스의 당도에 대한 영향을 Fig. 5에 나타내었다. 저장 0일의 단일 DHP 처리 주스와 열병합 DHP 처리 주 스의 당도는 각각 13.6±0.1과 13.8±0.1 °Bx로 무처리 주스 의 당도(13.4±0.1°Bx)와 열처리 주스의 당도(13.1±0.1 °Bx) 에 비해 높았다(p<0.05) (Fig. 5). Lopez-Sanchez et al. (2011) 또한 DHP를 이용하여 60 MPa 압력과 1 패스 조건 으로 처리한 당근, 브로콜리, 토마토 주스의 당도가 상승하 였다고 보고하였는데, 이러한 현상은 DHP 처리가 시료의 다당류 교차결합을 끊어 분해시켰기 때문으로 설명되었다 (Lopez-Sanchez et al., 2011). 구아검, 아라비아검, 하이드 록시에틸셀룰로오스와 같은 탄수화물 수용액 각각을 DHP 처리하였을 때 수용액 당도가 높아졌다는 보고도 있었다 (Villay et al. 2012). DHP 처리가 주스에 있는 펙틴과 같 은 다당류(Navarro et al., 2014)의 결합을 끊고 저분자 물 질들을 생성시켜 주스 당도를 높였을 것으로 사료되었다. 저장 중 단일 DHP 또는 열병합 DHP 처리 주스의 당도는 대체로 무처리 주스나 열처리 주스의 당도 보다 높게 유지 되었다(Fig. 5). 주스의 저장 중 당도 분석결과는 DHP 처 리를 이용하여 당도가 높은 오렌지 주스를 생산할 수 있음 을 보여주었다.

Fig. 5. Effects of the dynamic high pressure (DHP) treatments and the conventional heating on sugar content in orange juice during storage at 4°C for 63 days. DHP treatment pressure and pass number were 205 MPa and 3, respectively. Temperatures for DHP treatment only and heating-combined DHP treatment were 20 and 50°C, respectively. Conventional heating temperature and time were 90°C and 1 min, respectively.

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반면 저장 중 열처리 주스의 당도는 무처리 주스보다 전 반적으로 낮았다(Fig. 5). 오렌지 주스 내 마이야르 반응이 진행되면 비환원당이 반응에 사용되므로 주스의 당도가 감 소하게 되는데(Cortés et al., 2008), 본 연구의 색 결과에서 도 언급되었던 것처럼 열처리 주스에서 마이야르 반응이 진행되었을 수 있었을 것이고 이로 인해 밝기의 감소와 더 불어 당도의 감소도 일어났을 것으로 사료되었다.

무처리 주스, 단일 DHP 처리 주스, 열병합 DHP 처리 주스, 열처리 주스의 pH는 저장 중 각각 3.7±0.1, 3.7±0.1, 3.7±0.1, 3.7±0.1로 서로 유의적인 차이를 나타내지 않았으 며(p>0.05), 이로써 본 연구에 사용된 처리 방법들과 4°C 저장은 주스의 pH에 영향을 주지 않음을 알 수 있었다.