The effect of microbial inactivation due to the combined wavelength and sequential treatment by intense pulsed light (IPL)

Abstract

Intense pulsed light (IPL) is one of the non-thermal processing technologies that inactivates pathogens by irradiating food with short and intense pulses. Light emitted from a xenon lamp has a wide spectrum ranging from 180 to 1100 nm. Microbial inactivation mechanism of IPL is not identified yet. The fundamental cause of microbial inactivation is like UV sterilization, but it is more likely to cause DNA structure and cell membrane destruction than UV sterilization, because IPL inactivation includes not only photochemical effects but also photothermal and photophysical effects. It is demonstrated that IPL-based inactivation is more effective than UV treatment alone. In addition, IPL treatment is more likely to hinder DNA repair than UV processing. DNA repair does not occur after IPL treatment, which explains its longer-lasting effect compared to UV. Therefore, in the present study, two kinds of IPL treatment were conducted to identify the microbial inactivation mechanism of IPL. Three microorganisms were used in the experiment: Salmonella Enteritidis (gram-negative bacteria), Staphylococcus aureus (gram-positive bacteria), and Saccharomyces cerevisiae (yeast). First, the effect of microbial inactivation due to the combined wavelength region of IPL was investigated. The treatment of ‘combined wavelength region’ means the IPL treatment of only two regions among the ultraviolet, visible light, and infrared regions. For irradiating selective two regions, optical filters were used. The treatments which include UV region generated significant microbial inactivation, e.g., ‘UV’, ‘UV+VL’, ‘UV+IR’, and IPL. However, the treatments which didn’t have UV region could show any microbial reduction, such as ‘VL+IR’ and ‘IR’. On the other hand, compared based on the energy fluence of UV region, IPL was the most effective inactivation method and ‘UV’ showed the lowest inactivation rate. This means visible light and infrared regions also contribute to the microbial inactivation. Furthermore, the higher the intensity of the VL or IR energy fluence, the greater the microbial inactivation. Second, ‘sequential treatment’ of the three wavelength regions was also conducted when they were treated not simultaneously but sequentially. In the case of S. Enteritidis and S.aureus, ‘(VL+IR)-UV’ showed more effective inactivation effects than ‘UV-(VL+IR)’ did. However, IPL, which UV, visible light, and IR were treated simultaneously, showed the most effective inactivation effect. ‘UV-(VL+IR)’ showed a lower inactivation rate because visible light activated CPD lyases which induce photoreactivation after DNA damage due to UV treatment. IPL had a higher inactivation efficiency than the sequential treatment. This implied that UV and the other regions made synergetic inactivation effect when they were treated simultaneously. In addition, in the cases of S. Enteritidis and S. aureus, they showed higher microbial inactivation reduction than S. cerevisiae did. S. cerevisiae was more resistant to IPL because it had a thicker cell wall and its cell size was bigger than bacteria, so other intracellular components absorbed the photons of light instead of DNA. Finally, because S. cerevisiae has a nucleus, light cannot directly affect DNA.;광펄스는 빛을 이용한 비가열 살균 방법으로 강렬하고 순간적인 펄스 형태로 빛에너지를 방출함으로써 병원성 미생물을 사멸시킨다. 제논 램프에서 180 ~ 1100 nm 파장의 빛이 방출되는데 광펄스의 명확한 미생물 사멸 기작은 밝혀지지 않았다. 자외선 영역의 광화학적 영향이 사멸의 가장 주요한 역할을 하는 것으로 알려져 있지만 가시광선과 적외선 영역 또한 미생물 사멸에 기여하는 바가 분명히 있다는 점에서 자외선 살균과는 구분된다. 세포의 DNA 손상 회복 시스템을 억제하고 세포막을 파괴시킨다는 면에서 광펄스가 더 효과적이다. 따라서, 본 연구에서는 크게 두 가지 실험을 통해 광펄스의 미생물 살균 메커니즘을 밝혀내기 위한 기초 데이터를 제공하려고 한다. 본 연구에는 Salmonella Enteritidis (그람음성균), Staphylococcus aureus (그람양성균), Saccharomyces cerevisiae (효모) 총 3가지 미생물이 사용되었고 최대 12 J/cm²의 에너지밀도를 처리하였다. 첫 번째로, 광펄스를 구성하고 있는 자외선, 가시광선, 적외선 세 가지 영역 중 두 가지 영역을 결합하여 동시에 처리했을 때의 미생물 살균 효율에 대한 연구를 진행했다. 샘플에 처리하고자 하는 빛의 영역만을 선별해내기 위해 광학 필터를 사용하였다. 예를 들어, 자외선과 가시광선 영역이 샘플이 처리되기 위해 필터를 투과하고 적외선 영역은 필터에 의해 걸러져 샘플에 처리되지 않은 경우는 ‘UV+VL’로 이름 붙였다. 광펄스, ‘UV+VL’, ‘UV+IR’, ‘UV+IR(less)’, ‘VL+IR’, ‘UV’, ‘IR’ 총 7가지 경우에 대한 미생물 살균 효율 실험을 진행하였다. 세 미생물 모두 UV 영역을 포함하지 않는 ‘VL+IR’, ‘IR’는 유의적인 미생물 감소 효과를 보이지 않았으며 ‘UV’의 살균 효율이 가장 좋았다. 그러나 UV 에너지 밀도 기준에서 광펄스의 미생물 감소 효과가 가장 뛰어났다. UV 에너지 밀도가 동일할 때, 같이 처리되는 가시광선과 적외선의 에너지 밀도가 증가할수록 미생물 감소 효과도 증가했다. 즉, 자외선 영역 없이는 미생물이 사멸되지 않으며 가시광선과 적외선 영역이 자외선과 동시에 처리가 될 경우, 자외선 영역만 처리가 될 경우보다 사멸 효율이 증가한다. 광펄스의 세 가지 영역이 동시에 처리가 되는 것이 아닌 순차적으로 처리가 되었을 때의 사멸효율을 알아보기 위해 자외선 영역(‘UV’)과 가시광선, 적외선 영역(‘VL+IR’)을 순차적으로 처리하였다. ‘VL+IR’을 먼저 처리하고 ‘UV’를 처리하는 UV 후처리 방법, ‘UV’를 먼저 처리하고 ‘VL+IR’ 을 처리하는 UV 선처리 방법과 광펄스 총 3가지 경우의 미생물 사멸 효율을 비교하였다. 처리되는 샘플이 받는 모든 에너지 양은 총 12 J/cm²로 동일하게 하였다. 결과적으로 세 미생물 모두 UV가 선처리 되는 경우 미생물 사멸 효율이 가장 낮았고 광펄스의 사멸 효율이 가장 높았다. 이로 인해 UV와 다른 파장 영역이 동시 처리될 경우에만 사멸 효율이 증가하는 시너지 효과가 나타나고, VL과 IR이 UV로 인한 세포 손상을 복구한다는 것을 확인하였다. Saccharomyces cerevisiae는 Salmonella Enteritidis와 Staphylococcus aureus 보다 낮은 살균 효율을 보였는데, 효모의 경우 세균보다 세포벽의 두께가 두껍고, 세포 크기가 크며 핵막을 가지기 때문에 빛이 DNA에 직접적으로 영향을 미치는 정도가 낮기 때문이다. 본 연구는 광펄스 파장 영역의 처리 방식에 따른 각 미생물의 살균 효율을 규명해 광펄스의 미생물 사멸 메커니즘과 산업적 적용을 위한 기초 데이터를 제공한다는 의의를 가진다. 추후 세포 및 DNA 구조 변화 분석을 통해 사멸 메커니즘을 더 면밀하게 조사해야 할 필요성이 있다.