Relationship between microbial morphology and inactivation by intense pulsed light (IPL)

Abstract

식품산업에서는 일반적으로 미생물적인 위해 요소를 제어하기 위해 식품을 가열처리하지만, 가열처리 후에는 식품의 영양성분 파괴, 식감 변화, 향기 성분 손실 등의 품질 손상이 일어난다는 단점이 있다. 더욱이 최소 가공식품에 대한 수요가 증가하고 있기 때문에 식품산업에서는 기존의 가열처리를 대체할만한 비열 가공기술에 대한 연구가 진행 중이다. 광펄스 기술(Intense Pulsed Light, IPL)은 비열 가공기술 중 하나로 식품에 빛을 조사하여 미생물을 제어하는 기술로, 170 - 1100 nm의 전 파장대의 빛을 사용한다는 점에서 기존의 UV 살균과 구별되며 그에 비해 월등히 높은 살균력을 가지는 것으로 알려지고 있다. 본 연구에서는 식품에 많이 존재하는 6가지 병원성 균(Bacillus cereus, Clostridium perfringens, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Salmonella enteritidis, 그리고 Shigella sonnei)의 살균 지표가 될 수 있는 D_(v) 값(특정 전압에서 미생물 수가 1/10로 감소하는데 걸리는 시간) 및 z 값(D_(v) 값을 1/10로 줄이기 위해 올려야 하는 전압)에 대한 정보를 파악하고 미생물의 형태학적 특징이 광펄스 민감도에 어떻게 반응하는지 알아보았다. 800–1800 V 사이의 전압에서 5 Hz로 최대 150 s 간 처리한 결과, 처리 voltage가 높을수록, 처리 시간이 길어질수록 더 높은 사멸률을 보였기 때문에 광펄스 처리가 미생물 사멸에 효과적이라는 결론을 내렸다. 또한 D_(v) 값과 z값의 동일 집단 분석을 실시한 결과, 미생물에 따라 빛에 대한 저항성이 다르게 도출되었으며 저항성은 B. cereus, S. sonnei, S. enteritidis, S. aureus, C. perfringens, P. aeruginosa 로 갈수록 낮아졌다. 이에 대한 미생물의 형태학적 원인으로는 세포의 사이즈, 세포 부피 당 표면적, 세포벽 두께 그리고 부피 당 표면적과 세포벽 두께와의 관계가 있었으나 어느 것과도 큰 상관관계를 보이지 않았고 그나마 세포벽의 두께와 관련있었다. 결과적으로 광펄스가 미생물의 민감도에 영향을 주는 요인은 찾기 힘들었지만, 살균 지표를 통해 광펄스 공정 과정에 특정 미생물을 사멸하기 위해 얼마나 긴 시간 동안 처리해야 하는지 도움을 줄 수 있었다. 가열살균으로는 식품의 safety와 quality를 만족하기엔 무리가 있지만, 광펄스 비가열 살균 시스템을 통해 이 둘을 만족할 수 있었으며 이는 혁신적 미래 식품 개발을 주도할 것이다.;The objective of this study was to clarify the inactivation efficiencies of intense pulsed light (IPL) on six types of microorganism and determine the relationship between their morphological characteristics such as cell surface area per volume and cell wall thickness. We applied the plate count method (PCM) to measure the degree of microbial inactivation for IPL at various voltages and treatment times. The PCM revealed that inactivation occurred for all microbial suspensions, by up to 7-log CFU/mL. We calculated D_(v) values (time required to inactivate 90% of the viable cells) and z values (lamp voltage rise required for a 1-log reduction of D_(v) values) for lamp voltage ranges from 800 to 1800 V (corresponding to pulse intensities of 0.00–0.18 J/cm2/s). The D_(v) values of Bacillus cereus, Clostridium perfringens, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Salmonella enteritidis, and Shigella sonnei for IPL treatment at 1800 V (0.18 J/cm2/s) were 3.293, 1.207, 0.782, 0.995, 0.768 and 2.032 s, respectively; the corresponding D_(v) values at 800 V (0.04 J/cm2/s) were 19.338, 9.931, 10.847, 7.900, 10.092 and 13.393 s, while the z values were 1240, 1239, 922, 1189, 945 and 1115 V. The variations in the sensitivity to light may be related to differences in the microbial cell size, cell surface area per volume, cell wall thickness or both of them. Besides, the cell wall thickness and other morphological factors were measured using transmission electron microscopy (TEM). Experiments and empirical models were introduced for the four morphological cases (microbial cell size, cell surface area per volume, cell wall thickness and relationship between cell wall thickness and cell surface area per volume), but it was difficult to find their correlation with sensitivity to IPL.