효율적인광촉매산화 (TiO2-UV photocatalysis) 유도와식중독균살균효과 장혜진ㆍ이소연ㆍ이다영ㆍ배민지ㆍ김진희국민대학교 멘토 : 오세욱국민대학교 초록 본연구는기존의오폐수살균처리목적으로사용되고있는 TiO 2 -UV 광촉매살균기술을식품가공산업에응용하기위하여우선적으로효율적이고안정적인 TiO 2 -UV 광촉매산화유도조건을파악하고자하였다. TiO 2 와 UV light에의해만들어진라디컬은미생물의 DNA와세포막을공격하여살균효과를나타내었다. TiO 2 의표면적과 UV light의조사량에따라만들어지는라디컬의양이다르므로 2가지변수를조합하여가장효과적인살균처리조건을설정하였다. 실험결과 Salmonella Typhimurium이 10 6-7 CFU/mL 존재할때, UV-C 0.8 mw/cm 2 를조사하였을경우 0.9 log CFU/mL 감소하였고, O 2 가충분하도록 purging을해준후 TiO 2 가코팅된 bead를첨가하여 stirring 하면서 1.6 mw/cm 2 의 UV-C를처리하였을때 4.4 log CFU/mL 감소하였다. 따라서기존의 UV 살균방법에 TiO 2 광촉매산화를접목시킴으로살균력이 3.5 log CFU/mL 수준으로나타나 100배이상향상되었다. 따라서충분한양의 O 2 가존재하는조건에서 TiO 2 -coated bead를첨가한후 UV-C를조사할경우가장효율적인살균처리가가능함을알수있었다. 이러한기술은식품가공산업에서는오렌지주스와같은식음료가공산업에효과적으로적용될수있을것으로판단되었다. 키워드 : TiO 2 -UV 광촉매, Salmonella Typhimurium reduction Ⅰ. 서론최근광물리및유체물리학을기초로식품가공기술이빠르게발달된결과식품의부가가치를증진시킬수있는비열처 리살균기술이활발하게연구및응용되고있다 (Chen, Y., 2013). UV 살균기술은설비와공정이경제적임에따라식품및환경분야에폭넓게사용되고있으나가공식품의미생물안전성을보장할수준의살균능력을보이지못하고있다 (Kolch, 159
WISET 주니어과학기술논문집 A., 1999). UV 살균기술에접목하여사용할수있는 TiO2-UV 광촉매살균기술은액상에존재하는미생물에대한살균효율이뛰어나특히환경분야에서활발하게이용되고있다. TiO2-UV 광촉매살균기술은 UV 조사에의해 TiO2 표면에서발생하는살균력이우수한 ROS에기인하며또한생성된 ROS는잔류하지않아화학적으로안전한살균기술이다 (Wu, P., 2010) (Hashimoto, K., 2005). 수있다. 따라서 본 연구에서는 식품 살균에 적용할 수 있는 TiO 2 -UV 광촉매 살균기술을개발하기위하여효율적이고 안정적인 TiO 2 -UV 광촉매산화유도 조건설정을파악하고자하였다. TiO 2 coating 된 bead를사용하여표면적을 높이고자 하였으며 산소 포화에 따른 살균효과측정, UV 처리방법에따른 살균 효과를 측정하여 식품분야에서의 친환경적인살균기술로써적용가능성을 타진하고자하였다. Ⅱ. 실험및방법 1. 이론 가. UV-TiO₂ 광촉매살균기작 그림 1. TiO₂- UV 광촉매살균기작현재오폐수살균처리를목적으로하는 TiO 2 -UV 광촉매살균기술이상용화되어있으나식품가공분야에서그연구가미진한실정이다. 상용화된 TiO 2 -UV 광촉매살균기술은오폐수처리를위해설계되어식품가공에적용이어려움은물론평면구조로설계되어산화반응이제한적이다. TiO 2 -UV 광촉매산화및살균효율은접촉되는 TiO 2 film의표면적에비례한다 (Amano, F., 2010). 따라서 TiO 2 가코팅된 bead를이용할경우접촉면적을극대화할수있어식중독균에대한살균효율을증진시킬 TiO₂- UV 광촉매는비가열적처리방법으로서초고압의단점을극복할수있는기술로알려져있다. TiO₂- UV 광촉매는 vegetative microbes와 bacterial endospores의 DNA와세포막을공격하여불활성시킨다. 세포막이손상된미생물은높은압력에취약하기때문에 TiO₂- UV 광촉매기술과초고압기술을병합하면효과적인살균이가능하다 (Chai, 2014). 나. 광촉매살균처리방법 (1) Ochiai이소개한방법으로 160
Continuous type( 그림 2.) 이있다. 이방법은 UV lamp 주위로시료를연속적으로흐르게하여 UV light이시료와가깝게접촉할수있도록처리하는방식이다 (Ochiai,2012). 2. 실험방법가. 특정파장의 UV 선별우선적으로살모넬라에우수한살균력을나타내는파장을찾기위하여 UV-A, UV-B, UV-C 파장을각각 10 7 CFU/mL 수준의 Salmonella Typhimurium에조사하면서시간별로 agar plate에접종하여살아있는미생물수를계수하여측정하였다. 나. Bead coating 그림 2. Continuous type (Ochiai, 2012) (2) Kim이소개한방법으로 Batch type( 그림 3.) 이다. 이방법은한공간에시료를채운후 UV light을조사하는방법으로계속적으로형성되는라디컬이시료와만나살균되도록처리하는방식이다 (Kim, 2009). 액체내에서부유되는특성이우수한재질로 Acrylic bead( 그림 4) 를선택하였다. Titanium(IV) Oxide (Sigma-Aldrich co.) 를 bead의표면에붙여주기위하여 binder로 Polyvinyl Butyral(PVB) Resin (Sigma-Aldrich co.) 을사용하였다. 그림 4. Acrylic bead 그림 3. Batch type (Kim, 2009) 이후, Titanium Oxide 가벗겨지지않도 161
WISET 주니어과학기술논문집 록코팅을하였다. 코팅제는 EtOH에 TiO 2 4g과 PVB 3g (a), TiO 2 4g과 PVB 4g (b) 을넣어총볼륨 100mL인 solution을만들어서각각 bead를 coating하였다 ( 그림 5). (a) 그림 6. TiO 2 -coated bead 다. TiO2-coated bead와 UV-C 조사에의한살균력 (b) TiO 2 -coated bead의존재유무에따른살균력과 UV-C lamp 수에따른살균력을보고자하였다. 10 6 CFU/mL 수준의 Salmonella Typhimurium을접종한증류수에 TiO 2 -coated bead를넣고 stirring 해주면서 UV-C lamp 1개와 2개를각각조사하여주면서시간별로 agar plate에접종하여살균력을측정하였다. 대조구로는다. TiO 2 -coated bead를넣지않고위와동일한방법으로실험해보았다. 그림 5. EtOH에 TiO 2 와 PVB를섞어만든코팅제 이후, 철제망에 acrylic bead를담고준비된 solution에여러번 dipping하여 coating 처리한후 Dry oven(50 ) 에넣어 4시간건조하였다 ( 그림 6). 그림 7. UV-C lamp with TiO 2 -coated bead 162
라. O2 purging에의한살균력증류수에충분한산소를공급하여라디컬형성을극대화시키고자하였다. Air compressor을사용하여증류수에 30분동안 O 2 purging을하였다 ( 그림 8). 이후지속적으로 O 2 purging을하면서 Salmonella Typhimurium을접종하여살균력을측정하였다. 감소하였다. UV-C의경우 150초조사후 6.3 log CFU/mL 감소하여가장높은살균력을나타내었다 ( 그림 9). S. Typhimurium (log CFU/mL) 8 7 6 5 4 3 2 1 UV-A UV-B UV-C 0 0 30 60 90 120 150 Time (sec) 그림 9. 시간에따른 UV-A, UV-B, UV-C의살균효과 2. Bead coating 그림 8. O 2 purging by air compressor Ⅲ. 결과및토론 1. S. Typhimurium 살균을위한특정파장의 UV 선별조사시간에따른 UV-A, UV-B, UV-C 각각의살균력을 30초간격으로측정하였다. UV-A의경우 150초동안 S. Typhimurium은거의감소하지않았다. UV-B의경우조사 60초부터감소하기시작하여 150초후에는 2.2 log CFU/mL Titanium(IV) Oxide를 acrylic bead의표면에고정시키기위한 binder(pvb) 의농도와 TiO 2 와의적정비율을설정하였다. TiO 2 4g과 PVB 3g을넣고만든코팅제는고르게표면에고정되지못하고부분적으로 coating 되었다 (a). TiO 2 4g과 PVB 4g을넣어만든코팅제는 acrylic bead의표면에고르게고정되었으며벗겨지는현상도없었다 (b). 163
WISET 주니어과학기술논문집 (a) (b) 7 그림 10. Binder(PVB) 와 TiO 2 의비율에따른코팅효과 S. Typhimurium (log CFU/mL) 6 5 4 3 2 1 1 UV-C lamp 1 UV-C lamp with TiO 2 balls 2 UV-C lamp 2 UV-C lamp with TiO 2 balls 3. TiO2가코팅된 Bead의존재유무와 UV-C 조사에너지에따른살균효과 TiO 2 -coated bead의존재유무에따른살균력과 UV-C lamp 수에따른살균력을측정하였다. 1개의 UV-C lamp를사용하여살균력을측정하였을때는 TiO 2 -coated bead의존재유무에차이가없는것으로측정되었다. 그러나 UV-C lamp를 2개사용하여살균력을측정한경우 TiO 2 -coated bead가첨가된것이 TiO 2 -coated bead가첨가되지않은것에비하여 0.42 log CFU/mL 더감소하는효과가있었다. 또한 UV-C lamp를 2개사용한것이 1개사용한것보다약 2.6 log CFU/mL 더감소하였다 ( 그림 11). 0 0 5 10 15 20 25 30 Time (sec) 그림 11. TiO2-coated bead의유무와 UV-C lamp 수에따른살균효과 4. O2 purging의광촉매산화반응증가에의한살균효과증진 UV light이 TiO 2 와만나라디컬을형성할때, 충분한산소가존재할경우더많은라디컬을형성하여살균효과를향상시키는지알아보고자하였다. 30분 O 2 purging한후, 용존산소량은 purging 전 8 ppm에서 purging 후 10 ppm으로증가하였다. 지속적으로 O 2 purging을해주면서 Salmonella Typhimurium을접종하여살균력을측정하여보았다. O 2 purging을한처리구가 0.7 log CFU/mL 높은살균효과를나타내었다 ( 그림 12). 164
S. Typhimurium (log CFU/mL) 7 6 5 4 3 2 No-purging with TiO 2 balls 1 Purging with TiO 2 balls 0 0 5 10 15 20 25 30 Time (sec) 그림 12. O 2 purging에따른살균효과 5. UV-C light 살균시스템구조개선을위한제안 균시스템을구성하는것이바람직하다고생각되었다. Reduced cell (log CFU/mL) 5 4 3 2 1 0 1 UV-C lamp 2 UV-C lamp 2 UV-C+TiO22 UV-C+TiO2+O2 그림 13. 살균처리방식에따른 S. Typhimurium 감소율 UV-C lamp 1개를사용하여 S. Typhimurium 살균력을측정하였을때는조사 30초에 0.9 log CFU/mL이감소하였다. UV-C lamp의수를늘려 2개를사용하여살균력을측정하였을때는조사 30초에 3.6 log CFU/mL 감소하였다. UV-C lamp 2개에 TiO 2 -coated bead를첨가하여살균력을측정하였을때는조사 30초에 4.0 log CFU/mL이감소하였다. O 2 purging을해준후 UV-C lamp 2개에 TiO 2 -coated bead를첨가하여측정한것은 4.4 log CFU/mL 감소하여가장큰살균력을나타내었다 ( 그림 13). 따라서 TiO2-coated bead를첨가하고충분한 O 2 를공급하면서 UV lamp를복수로사용하는것이가장살균효율이높음을알수있었으며이를바탕으로 UV-C light 살 Ⅳ. 결론효과적인 광촉매 살균 시스템을 구축하기 위하여 Salmonella Typhimurium을대상균으로하여다양한 살균실험을실시하였다. UV 파장에따라 조사량 차이가 나타나며 살균력 또한 차이가나타난다는보고 (Gregory F. K, 1987, Kuo F. L, 1997) 에 따라 우선적으로 UV-A, UV-B, UV-C 중 Salmonella Typhimurium에 효과적인 살균력을나타내는파장을찾아보았다. UV-C 조사 150초 동안 S. Typhimurium은 6.0 log CFU/mL가 감소하여가장큰살균력을나타내었다. UV-C의살균력향상을위하여 TiO 2 -UV 광촉매산화를접목시켜보았다. 165
WISET 주니어과학기술논문집 우선 TiO 2 를 접촉시키기 위한 방법으로 bead에 coating하여 액체에 부유시키기로하였다. 액체내부유력이 우수한것으로알려진 acrylic bead를 선정하여 실험에 사용하였다. 표면의 재질에 따라 TiO 2 의 Coating 방법이 다르기때문에 (Son H.S, 2003) TiO 2 를 bead에붙이기위한 binder로 Polyvinyl Butyral(PVB) Resin (Sigma-Aldrich co.) 을사용하였다. TiO 2 함량이낮을 경우, 조사된 UV 양에비해라디컬이 적은양생성된다는보고 ( 김중곤, 2001) 및 TiO 2 4% 농도에서 라디컬이 잘 형성된다는보고 (Cho M, 2004) 에따라 binder와의 적정비율을 설정하였다. 실험결과최종적으로 TiO 2 와 binder의 비율이 1:1일 때 가장 효과적으로 binding 된 것으로 판단되었다. 또한 Bead 표면에고르게도포하기위하여 dipping 방법으로 TiO 2 를 고정시켜 주었다. TiO 2 -coated bead를 Salmonella Typhimurium이접종된시료에첨가한 후 UV-C lamp 2개를조사하여광촉매 산화에 따른 살균력을 측정한 결과 30초에 3.6 log CFU/mL 감소하여 UV-C만을 30초조사하였을때보다 2.7 log CFU/mL 더 감소하여 향상된 살균력을나타내었다. TiO 2 -UV 광촉매 살균기술은 UV 조사에의해 TiO 2 표면에서발생하는 살균력이 있는 ROS에 기인한 다는 보고 (Wu, P., 2010) 에 따라 ROS의 발생을높이고자 O 2 purging을해주었다. 이결과, TiO 2 -UV light 조사에의한살균력인 3.6 log CFU/mL 보다높은 4.4 log CFU/mL 수준으로감소하여살균력이더욱향상되었음을알수있었다. 따라서 UV 살균방법에 TiO 2 광촉매산화를접목시킴으로최종적으로살균력은 3.5 log CFU/mL 향상되었음을알수있었다. 향후 TiO 2 의표면적으로증대시키는연구, 적정한 UV 처리기술에대한연구, O 2 의공급량및처리조건에대한연구를통하여더높은살균력을가진 TiO 2 -UV 광촉매산화기술구현이가능할것으로생각되었다. 최종적으로충분한 O 2 가존재할때, TiO 2 -coated bead를첨가하여 UV-C를조사할경우살균처리효과가증대되었음을알수있었다. 따라서이러한기술은오렌지주스와같은식음료가공산업에적용가능할것이라판단되었다. Ⅴ. 참고문헌 1. Chen. Y., Yu. L. J., Rupasinghe, H. V. J. Sci. Food Agric. 2013, 93: 981-986. 2. Kolch. A., Pollut. Eng. 1999, 31: 34. 3. Wu. P., Xie. R., Imlay. K., Shang. J. K., Environ. Sci. Technol. 2010, 44: 6992-6997. 4. Hashimoto. K., Irie. H., Fujishima. 166
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