Effects of intense pulsed light (IPL) on indigenous microbes and ATP degradation for shelf-life extension in fish products

Abstract

Intense pulsed light (IPL) is a potential non-thermal sterilization technology using light with wavelength from the ultraviolet region to the near-infrared region (200 to 1100 nm). In this study, six types of fish were treated with IPL to confirm the reduction effect of microorganisms present in fish. The initial contamination levels of total aerobic bacteria on largehead hairtail (Trichiurus lepturus LINNAEUS), pointhead flounder (Cleisthenes pinetorum), Pacific chub mackerel (Scomber japonicus), red seabream (Pagrus major), olive flounder (Paralichthys olivaceus) and Atlantic salmon (Salmo salar) were 5.41, 6.42, 4.85, 6.29, 6.20, and 5.35 log10 CFU/g, respectively. Each of fish was cut into 5.5 cm (length) × 2.5 cm (width) × 0.5 ± 0.1 cm (thickness) fillets with sterilized scissors before the IPL treatment. The conditions of IPL were a frequency of 2 Hz and a pulse duration of 0.5 msec, and both sides of the fish fillets were treated IPL with a total energy fluences of 3.6-28.4 J/cm2 by adjusting the treatment time with 1-5 min. The inactivation levels of total aerobic bacteria of largehead hairtail (Trichiurus lepturus LINNAEUS), pointhead flounder (Cleisthenes pinetorum), Pacific chub mackerel (Scomber japonicus), red seabream (Pagrus major), olive flounder (Paralichthys olivaceus) and Atlantic salmon (Salmo salar) were shown 1.39, 1.41, 1.43, 1.37, 1.23, and 1.85 log reduction, respectively. Also, hypoxanthine ratio was measured to confirm the degree of decay by storage period according to energy fluences. After treating IPL with energy fluences of 5.7-28.4 J/cm2 and refrigerating at 4 ℃ for 15 days, K1 value and hypoxanthine ratio were calculated using HPLC (High Performance Liquid Chromatography) analysis. In all six species of fish, there was a section where the accumulation of hypoxanthine was delayed, and on day 10 of red seabream, there was a maximum reduction of 74.9% compared to control at 17.1 J/cm2. Meanwhile, irradiating excessively large energy fluences of IPL can rather promote deterioration of freshness in fish during storage period. Therefore, it is necessary to study optimization of treatment conditions that minimize the acceleration of ATP degradation in fish muscles due to overheating and photooxidation while maximizing the inactivation effect of microorganisms. In conclusion, it was proved that IPL non-thermal sterilization technology was effective in reducing the surface indigenous microorganisms of six kinds of fish and suppressing the autolytic ATP degradation process. It is expected that this study will provide new sterilization guidelines by improving the safety and quality of fish and further seafood products.;광펄스 (Intense pulsed light, IPL)는 자외선 영역에서 근적외선 영역 (200~1100 nm)까지의 파장의 빛을 이용한 비가열 살균 기술 방법이다. 본 연구에서는 어류에 존재하는 미생물의 저감 효과를 확인하기 위해 6종의 어류를 광펄스로 처리하였다. 갈치 (Tricichurus lepturus LINAEUS), 용가자미 (Cleisthenes pineetorum), 고등어 (Scomber japonicus), 참돔 (Pagrus major), 넙치 (Paralichthys olivaceus), 연어(Salmo salar)의 초기 총 호기성 세균의 오염 수준은 각각 5.41, 6.42, 4.85, 6.29, 6.20, 5.35 log10 CFU/g였다. 각 생선은 IPL 처리 전에 멸균 가위로 5.5 cm(길이) × 2.5 cm(폭) × 0.5 ± 0.1 cm(두께)로 절단하였다. 광펄스의 처리 조건은 주파수 2 Hz, 펄스 지속시간 0.5 msec로 설정하였으며, 생선 필렛의 양면을 1-5분으로 처리 시간을 조절하여 총 에너지 밀도 3.6-28.4 J/cm2로 처리하였다. 갈치, 용가자미, 고등어, 참돔, 넙치와 연어의 총 호기성 세균의 불활성화 수준은 각각 최대 1.39, 1.41, 1.43, 1.37, 1.23, 1.85 log 감소량을 보였다. 또한 에너지 밀도에 따른 저장 기간별 부패 정도를 확인하기 위해 K1 값과 hypoxanthine 비율을 측정하였다. 광펄스를 5.7-28.4 J/cm2의 에너지 밀도로 처리하고 4 ℃에서 15일간 냉장 보관한 후 고성능 액체 크로마토그래피를 이용해 ATP 관련 물질들을 정량한 결과, 모든 생선에서 IPL 처리 후 hypoxanthine의 비율이 감소하는 구간이 확인됐으며 10일째 참돔에서 최대 74.9% 감소하는 것을 보였다. 그러나 지나치게 큰 에너지 밀도의 빛을 조사하는 것은 오히려 저장 기간 동안 어류의 신선도 저하를 촉진시키기도 했다. 따라서 미생물의 사멸 효과는 최대화하면서 과열 및 광산화로 인한 ATP 분해로 어류의 부패가 가속화되는 것은 최소화하는 처리 조건의 최적화에 대한 연구가 이뤄져야 할 필요성이 있다. 결론적으로 광펄스 비가열 살균 기술이 6종의 어류의 표면 토착 미생물을 감소시키고 효소적 ATP 분해과정을 억제하는데 효과적임을 증명했다. 본 연구를 통해 어류, 더 나아가 수산물의 안전성과 품질을 향상시켜 새로운 살균 가이드라인을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.