Surface Energy and Microstructure of Fresh and Processed Foods and Their Relation to Foreign Matters Adhesion

Abstract

Food surface properties, such as wettability and microstructure, are primarily responsible for the adhesion of foreign matters (particulate matters, pesticides, microorganisms, etc.) to foods. Among the foreign matters, air pollution caused by particulate matters (PM) has become a global issue. PM is known to threaten human health by causing respiratory and cardiovascular disease. PM can be introduced to human gastrointestinal tract through food intake, causing inflammation and changes in gut microbiota. Even at low PM concentrations, prolonged exposure to PM can cause significant accumulation of PM in food surfaces is expected to be strongly influenced by properties of food surfaces, but few studies have been reported. Fresh foods are perishable, therefore, postharvest technology is required to reduce quality loss during storage and retail process. Commonly used food packaging material is chemical synthesized and their non-degradable characteristics cause environmental issues. Edible coating is an alternative material, a thin material attached to the surface forming a barrier and functioning as a physical protectant. This paper examines surface properties that may affect the interaction between foreign matters, PM and edible coating solution, and food surfaces, including surface wettability and surface microstructure. Understanding the adhesion of PM onto food surfaces can provide useful guidance for classifying foreign matter-interactive foods and controlling food chains to ensure food safety against PM or an efficient use of resources to prevent any waste or product loss. Six popular food products (perilla, scallion, bell pepper, red lettuce, sundae, and laver) were analyzed. To determine the SFE, static contact angles of six liquids (water, diiodomethane, 2-propanol, ethylene glycol, formamide, and glycerol) were measured and analyzed with OWRK (Owens, Wendt, Rabel and Kaelble) and Zisman methods. To quantify the microstructure, amplitude and distance roughness parameters, such as arithmetical mean height (Ra and Sa), root mean square height (Rq and Sq), maximum height (Rz and Sz), and mean width of profile elements (RSm), were measured by confocal laser scanning microscopy. Laver and sundae showed highSFE (45.5 ~ 58.7 mN/m), while scallion tail had the lowest value (17.6 mN/m), indicating that sundae had the strongest tendency to interact with foreign matters among the tested foods and scallion tail had the lowest tendency. The red lettuce (adaxial) showed relatively high amplitude roughness, whereas the laver, perilla (adaxial), and bell pepper were low. Distance parameters were high at scallion tail and low at perilla adaxial. The adhesion of PM and chitosan solution to the real food surfaces were determined by the amount of adsorbed PM on the surface and the wettability of coating solution, respectively, followed by statistical analysis to correlate the adhesion and the food surface properties. The result shows that the PM adhesion on the food surface was mainly affected by the surface microstructre, more specifically, mean width between the surface elements. The results obtained in this study provide a useful information to understand the surface characteristics and their effects on the foreign matter adhesion which can be a guideline to ensure food safety related to contamination of PM, a potential risk to human health, and efficient use of resources to prevent any waste or product loss.

젖음성 및 미세구조와 같은 식품 표면 특성은 외부물질(미세먼지, 농약, 미생물 등)의 식품 흡착에 주요한 역할을 한다. 외부물질 중 미세먼지로 인한 대기오염이 세계적인 이슈가 되고 있으며 미세먼지는 호흡기 질환과 심혈관 질환을 유발하여 인간의 건강을 위협하는 것으로 알려져 있다. 미세먼지는 음식 섭취를 통해 인간의 위장관에 유입될 수 있고 염증과 장내미생물군의 변화시킬 수 있다. 미세먼지는 낮은 농도에서도 장시간 노출 시 식품표면에 상당한 양이 축적될 수 있고, 이는 식품표면의 특성에 큰 영향을 받을 것으로 예상되지만, 관련 연구는 거의 보고된 바 없다. 신선식품은 부패하기 쉬워 수확 후 관리기술을 이용하여 저장 및 소매 과정에서 품질 손실을 줄이는 것이 필요하다. 흔히 사용하는 식품 포장재는 화학 합성 물질이며 분해되지 않아 환경 문제를 일으킨다. 이를 대체가능한 식용 코팅은 얇은 물질이 표면에 부착하여 장벽을 형성하고 물리적 보호 기능을 가진다. 본 논문은 표면 젖음성 및 표면 미세구조를 포함하여 미세먼지 및 식용 코팅과 같은 외부물질과 식품 표면 간의 상호작용에 영향을 미칠 수 있는 표면 특성을 조사한다. 미세먼지의 식품 표면 부착에 대한 이해는 미세먼지 상호작용 식품 표면을 분류하고 식품 체인을 조절 가능하게 하여 미세먼지에 대한 식품 안전 확보 또는 효과적인 자원 사용 및 제품 손실을 방지하는 데 유용한 지침을 제공할 수 있다. 많이 소비되는 6가지 식품(깻잎, 대파, 피망, 적상추, 순대, 김)이 분석됐다. 6개 액체(물, 다이오도메탄, 2-프로판올, 에틸렌글리콜, 포름아미드, 글리세롤)의 정적 접촉각을 측정 후 OWRK(Owens, Wendt, Rabel, Kaelle) 및 Zisman 방법을 사용하여 식품표면에너지(SFE)를 구하였다. 미세구조 정량화를 위해 산술 평균 높이(Ra 및 Sa), 제곱 평균 제곱근 높이(Rq 및 Sq), 최대 높이(Rz 및 Sz), 프로필 요소의 평균 너비(RSm)와 같은 진폭 및 거리 거칠기 파라미터를 공초점 레이저 스캐닝 현미경으로 측정하였다. 김과 순대의 SFE(45.5~58.7 mN/m)가 높았고, 대파 하단은 가장 낮은 값(17.6mN/m)을 보여 순대는 검사 대상 식품 중 이물질과의 상호작용 성향이 가장 강했고 대파하단은 성향이 낮았다. 적상추(앞면)는 상대적으로 진폭 거칠기가 높았고 김, 깻잎, 피망은 낮았다. 거리 매개변수는 대파 하단이 높고 깻잎(앞면)이 낮았다. 실제 식품표면에 대한 미세먼지와 키토산 용액의 흡착은 각각 표면에 흡착된 미세먼지의 양과 코팅 용액의 젖음 정도를 측정하였고, 통계적 분석을 통해 흡착과 식품표면 특성의 상관성을 확인하였다. 그 결과는 식품 표면의 미세먼지 접착이 표면 미세 구조, 더 구체적으로는 표면 요소 사이의 평균 너비의 영향을 주로 받았음을 보여준다. 본 연구에서 얻은 결과는 식품 표면 특성이 외부물질 흡착에 미치는 영향을 이해하는 데 유용한 정보를 제공하여 잠재적 위험이 되는 미세먼지 오염에 대한 식품 안전성의 확보, 효율적인 자원 사용과 제품 손실을 줄이는 데 지침이 될 수 있다.