Inactivation effect of Bacillus subtilis spores by controlling treatment factors of intense pulsed light (IPL)

Abstract

Intense pulsed light (IPL) is an effective non-thermal sterilization method for surface disinfection to reduce or eliminate spore or putrefactive bacteria. IPL treatment factors affecting spore inactivation are various and the effect of IPL treatment can vary due to the interaction of several factors. This study aims to investigate the lethality efficiency of IPL on Bacillus subtilis KCCM 11315 spore according to the treatment factors. IPL treatment factors affecting the inactivation of B. subtilis KCCM 11315 spores were set to four factors such as distance (8, 13, 18 cm), pulse width (0.5, 1.3, 2.1 ms), DC voltage (1000, 1200, 1400 V), and treatment time (10, 20, 30 s). The IPL treatment device consisted of a power supply, a cooling system to prevent the lamp from overheating, and a treatment chamber that contained the lamp, a fan for ventilation, and a shelf with the adjustable distance to the lamp. Microbial suspensions with the initial density of 107 – 108 CFU/ml were spread on the PCA plates and the IPL treatments were performed by a xenon flash lamp. Experimental results showed that all four factors had considerable influence on the spore inactivation rate and the effect of each factor on the inactivation of B. subtilis spore was different. Pulse width had the largest main effect among the four factors followed by distance, treatment time, DC voltage. The optimal treatment condition that maximized the inactivation rate considering all four factors was 8 cm distance, 2.1 ms pulse width, 1000 V DC voltage, and 30 s treatment time, reaching a 6.01 log reduction. This study showed that when individual factors worked at the same time, the main effect of each factor was different and the maximum treatment conditions for each factor might not be optimal. If the use of IPL treatment in the food industry is considered, the optimal treatment effect will be obtained by considering the influence of the inactivation factors.;식품에 존재할 수 있는 미생물학적인 위해 요소를 제어하고 식품의 안전성과 저장성을 높이기 위해서 식품의 살균 처리는 필수적이다. 살균 처리 기술은 크게 가열 살균 처리 기술과 비가열 살균 처리 기술로 나눌 수 있고 비가열 살균 처리 기술은 식품의 품질 변화를 최소화하면서 안전성을 높일 수 있다는 측면에서 각광받고 있다. 광펄스는 200 – 1100 nm 영역의 넓은 파장대를 이용하는 비가열 살균 처리 기술로 높은 살균력을 가진다고 알려져 있다. 본 연구에서는 광펄스 처리 요인에 따른 Bacillus subtilis 포자의 불활성화 효과를 알아보고자 하였다. 광펄스 처리 요인으로 거리 (8, 13, 18 cm), 펄스 폭 (0.5, 1.3, 2.1 ms), 전압 (1000, 1200, 1400 V), 처리 시간 (10, 20, 30 s) 조건을 설정하였고 처리 조건에 따른 광펄스 저감 효과를 확인하고자 하였다. 거리가 짧을수록, 펄스 폭, 전압, 처리 시간이 증가할수록 포자의 사멸 효과가 증가하는 경향을 보였다. 4가지 처리 요인의 주효과도를 비교하였을 때, 펄스 폭, 거리, 처리 시간, 전압 순으로 주효과도의 크기가 컸다. 처리 조건 내에서 4가지 처리 요인을 모두 고려하였을 때, 최적 처리 조건은 반응표면 분석법 중 Box-Behnken 설계법으로 구하였다. 통계 분석 결과 거리 8 cm, 펄스 폭 2.1 ms, 전압 1000 V, 처리 시간 30 s 일 때 최적 처리 조건으로 나타났다. Bacillus subtilis 영양세포의 불활성화율은 포자에 비해 상당히 크게 나타났고 이를 통해 포자가 영양세포보다 저항성이 강한 것을 확인할 수 있었다. 또한, 광펄스 처리가 열처리보다 포자 불활성화에 더 효과적인 것을 알 수 있었다. 결과적으로 광펄스 처리 요인에 따라 포자의 불활성화에 미치는 효과의 정도가 다르고 여러 처리 요인들을 고려하였을 때 최적 처리 조건은 단일 요인만 고려하였을 때의 최적 조건과 달라질 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 광펄스를 이용하여 포자를 효과적으로 저감화할 수 있다는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구를 통해 저항성이 강한 포자를 비가열 살균 기술인 광펄스를 이용하여 저감화 할 수 있다는 가능성을 확인하였고, 광펄스 처리에 영향을 미치는 처리 요인들을 고려한 최적 조건을 설정하여 저감화 효과를 최대로 할 수 있었다. 실제 식품 산업에 광펄스를 적용할 때 처리 요인들을 고려하여 최적 살균 조건을 확립하면 품질과 안전을 모두 만족시키는 살균 시스템을 설계할 수 있을 것이다.