Tracking Microbial Communities in Beef and its Surroundings Throughout the Supply Chain Based on High-throughput Sequencing

Abstract

Microbiological safety of beef is of paramount importance due to the potential presence of various bacteria, including spoilage-related and foodborne pathogens. Managing and preventing microbial contamination are critical aspects of maintaining food quality and safety, but it is challenging, given the presence of several possible sources of contamination from production to distribution. Furthermore, there is a lack of comprehensive understanding regarding the microbial dynamics in beef as it progresses through the supply chain. In this study, an in-depth investigation the microbiological ecology of cattle/beef and related environmental samples (n = 69) were conducted. To track and analyze shifts in the microbiome of cattle/beef and possible cross-contaminants throughout the entire supply chain, 16S rRNA gene sequencing was used. Changes in the microbiota of beef were noted at each stage, from cattle to end products during slaughter and processing. The main microorganisms found in cattle/beef were Pseudomonas (0.23-13.29%), Psychrobacter (4.30-15.10%), and Acinetobacter (0.02-50.05%), which are associated with spoilage, opportunistic pathogenicity, or antibiotic resistance, and Staphylococcus (11.41%) became prevalent in the final products. Notably, Acinetobacter (35.95%) and Pseudomonas (13.61%) dominated the slaughtered carcasses and slaughterhouse environment, underlining the importance of hygienic practices in the slaughterhouse to prevent further contamination. Similarities in taxonomy between cattle/beef and various environmental samples, as well as diversity analysis, indicated a substantial likelihood for microbial transmission. Source tracking pinpointed environmental samples that highly affected the microbiota of cattle/beef and assessed their impact. It was confirmed that the farm floor (48.46%), workers’ gloves (73.40%), and knives for halving carcasses (20.04%) in the slaughterhouse were primary contributors influencing the microbiome of cattle/beef at the farm, slaughterhouse, and processing plant, respectively. The present study elucidated key microorganisms in beef and its surroundings, along with identifying stages that necessitate rigorous safety management, and traced primary sources of cross-contamination based on metagenomic analysis. These findings revealed the changes in bacterial communities in cattle/beef based on stage and detected potential sources of contamination, providing insights for a better understanding and management of microbial transmission in beef production.;소고기는 부패와 식중독 원인균을 비롯한 다양한 세균을 내포할 수 있는 식품으로 알려져 있어 소고기의 안전성을 보장하기 위한 미생물학적 관리가 매우 중요하다. 미생물학적 오염을 관리하고 예방하는 것은 식품 품질과 안전을 유지하는 데 중요하지만 생산부터 유통까지 다양한 교차 오염 원인이 존재하므로 원인 규명에 어려움이 있다. 또한 소고기가 생산되어 소비자에게 유통되기까지 여러 과정을 거치면서 미생물 군집이 어떻게 변화하는 지에 대한 종합적인 이해는 아직 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 생산, 도축, 가공, 유통에 이르는 전 과정을 추적하여 수집한 총 69건의 소고기(소 표면, 도체, 가공 및 유통 제품) 및 유관 환경 시료(칼, 장갑, 바닥, 작업대 등)에 대하여 16S rRNA 기반 차세대 염기서열 분석을 통해 생산 단계에 따른 미생물 군집 변화를 관찰하고, 오염 경로를 추적하고자 하였다. 각 과정을 거치면서 소고기 미생물 군집 내 큰 변화가 관찰되었으며, 소(생산 단계), 도체(도축장), 소고기(육가공장, 식당)에서 발견된 주요 미생물은 부패, 기회 감염, 또는 항생제 내성과 관련된 Pseudomonas(0.23-13.29%), Psychrobacter(4.30-15.10%), Acinetobacter(0.02-50.05%)이었으며, 최종 제품(유통 단계) 에서는 Staphylococcus(11.41%)가 우세하였다. 특히, Acinetobacter(35.95%)와 Pseudomonas(13.61%)가 도체와 도축장 환경에서 큰 비중을 차지하고 있어, 도축장에서의 위생 관리가 미생물 오염을 방지에 중요함을 알 수 있었다. 소고기와 환경 시료 간 미생물 군집의 분류학적 유사성 및 다양성 분석 결과는 환경 시료로부터 소고기로의 미생물 전파 가능성을 시사하였다. 소고기 미생물 군집에 영향을 미치는 유관 환경 시료와 지점을 식별하고 그 영향을 정량적으로 평가하기 위해 SourceTracker를 활용하였다. 농장 바닥(48.46%), 도축장 작업자 장갑(73.40%), 그리고 도축장에서 도체를 자르는 칼(20.04%)이 각각 농장, 도축장, 및 육가공장에서 소/소고기의 미생물 군집에 큰 기여를 한 것으로 나타났다. 본 연구는 소고기 및 유관 환경에 분포하는 주요 미생물을 밝히고 식품 안전을 위해 관리가 필요한 지점과 교차 오염의 주요 원천이 될 수 있는 요인을 규명하였다. 이러한 결과는 생산 과정 중 소고기 미생물 군집의 총체적인 변화와 미생물 전파에 대한 심층적인 이해를 기반으로 소고기를 비롯한 육류 산업에서 미생물학적 오염을 방지하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.