Inactivation of microorganisms on seeds by intense pulsed light (IPL) without loss of seed viability

Abstract

Consumers have consumed fresh seed sprouts largely because of their many benefits such as protein, minerals and vitamins, and low in fat. In addition, seed sprouts are economically advantageous, because they could be harvested within one week of cultivation. The production of seed sprouts has been increasing, recently. However, despite of many benefits, food-borne diseases associated with raw seed sprouts have been risen in the last few years. The source of food-borne disease is thought to originate from seeds contaminated by pathogenic bacteria. So, Intense Pulsed Light (IPL), a non-thermal processing method, is an effective alternative for seed to enhance microbial safety without impairing the germination and growth capability. The aim of this study was i ) to determine the effects of IPL treatment on microbial level reduction of Radish (Raphanus sativus L.), Pak choi (Brassica campestris L. ssp. chinensis Jusl.), Alfalfa (Medicago sativa) and Wheat (Triticum aestivum) seed, ii) to determine the correlation between microbial population reduction and surface roughness of seed, and finally iii) to investigate the viability of radish and pak-choi seeds such as germination rate of seed and lengths of sprouts every 24 h during 5 days after germination. After total fluences of 37.80 J/cm2, radish, pak-choi, alfalfa and wheat seeds showed 1.39, 1.50, 1.60 and 1.11 log reductions of total aerobic mesophilic bacteria, respectively. The tR values for radish, pak-choi, alfalfa and wheat, which indicates resistance to IPL treatment, were 24.50, 20.81, 15.62, and 33.72 J/cm2, respectively. The results showed that the most resistant to IPL treatment is wheat seeds, the least of which is alfalfa seeds. The resistances to IPL treatment is associated with surface roughens of seeds. The Pearson coefficient (ρ) between tR and Rq was 0.809 (p < 0.01), showing a positive correlation between tR and Rq value. A crevice on rough surface could provide shelters for microorganism and to shield them against IPL treatment. At 3th day of germination, the average germination rates of radish and pak-choi seeds treated by all IPL treatment conditions were over 85%, which is considered as an acceptable criterion for seed germination. Also, at the 5th day of germination, the average shoot and root length of radish and pak-choi sprouts by IPL was non-significant, compared to untreated seeds. So, IPL is a promising food processing method for enhancing the microbial safety and viability of sprouts seed.;최근 건강을 중요시하는 추세로, 새싹 채소 식품 수요가 급격히 증가하고 있다. 그러나 날것으로 섭취하거나 약하게 조리되는 새싹채소의 조리 특성상, 새싹 채소로 인한 식중독 사고 또한 증가하고 있다. 이에 대한 방안으로 1999년, 미국 FDA는 20,000 ppm의 염소화합물 15분 침종으로 새싹 채소 종자 소독을 권고하였다. 그러나, 염소화합물 중 chlorine이 수분 속의 유기물질과 결합하여 THM(Trihalomethanes)이라는 발암물질을 유발할 수 있다는 연구결과가 보고되었다. 이는 소비자들의 불신을 야기하고 관련 산업 노동자들의 건강을 위협할 가능성이 있다. 또한, 염소화합물 종자 살균은 새싹 채소 종자의 발아율 감소로 이어져 새싹채소의 품질 저하 등의 문제점을 초래할 수 있다. 때문에 기존 새싹채소 종자 살균 처리를 대체할 만한 친환경적인 살균 기술의 필요성이 증대되고 있다. 이러한 친환경 살균 기술 중, 광펄스 기술(Intense Pulsed Light, IPL)은 200 - 1100 nm의 전 파장대의 빛을 이용하여 식품 표면의 미생물을 제어하는 비가열살균법이다. 이는 기존의 빛 살균법인 UV 살균과는 달리 광펄스 처리된 미생물은 광회복 능력이 감소하여, UV 살균보다 더 높은 살균 효과를 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 기존의 종자 살균법을 대체하기 위해, 광펄스 기술을 이용하여 새싹채소 중 기호도가 높은 무순, 청경채, 알파파 그리고 밀 새싹 채소 종자를 이용해 새싹 종자의 광펄스 살균실험을 진행하였다. 또한, 종자의 형태학적 특징과 광펄스 저항성과의 관련성, 그리고 광펄스 처리가 종자의 생장력에 미치는 영향을 알아보았다. 총 1200–2400 V 사이의 전압에서 2 Hz로 최대 180 s 간 종자를 처리한 결과, 처리 시간과 전압이 높을수록, 더 높은 살균 효과를 확인했다. 이를 통해 광펄스 처리가 종자 표면 미생물 살균에 효과적이라고 판단하였다. 또한, 종자의 형태학적 특징과 광펄스 저항성과의 관련성을 알아보기 위해, Weibull model 식을 이용하여 살균 저항성을 나타내는 tR 값을 측정하였다. tR 값을 비교한 결과, 알파파, 청경채, 무순, 그리고 밀의 순서로 광펄스 저항성이 높아짐을 확인하였다. 이에 대한 원인은, 종자의 형태학적 특징 중 하나인 표면 거칠기와 관련이 있었다. 거친 표면으로 인해 형성되는 작은 틈이 종자 표면의 미생물을 빛으로부터 보호할 수 있기 때문이다. 종자 간의 표면 거칠기와 광펄스 저항성의 Pearson coefficient (ρ)은 0.809 (p < 0.01)로 두 요인간의 유의적인 상관관계를 보임을 확인했다. 또한, 종자의 생장력을 알아보기 위해 종자의 발아율과 성장률을 측정하였다. 발아 3일 차에서 모든 처리 조건의 종자 발아율이 85% 이상으로, 정상적 발아 기준을 충족했음을 확인하였다. 줄기와 뿌리 길이를 통해 알아본 종자의 성장률 또한 대조군과 처리군과의 유의적 차이를 보이지 않았다. 따라서 광펄스 살균으로 인한 종자의 생장력 감소는 발생하지 않았다. 결론적으로, 광펄스 살균으로 인해, 새싹 채소 종자의 미생물적 안전성 확보와 품질을 유지할 수 있음을 확인하였다. 또한 광펄스 처리에 있어 시료의 형태학적 특성에 대한 연관성을 파악하여, 추후 광펄스 적용 연구에 도움을 줄 수 있다고 판단된다. 광펄스를 이용한 새싹채소 종자 살균과 관련한 연구를 지속해서 한다면, 광펄스는 추후 새싹 채소 관련 식품 산업에서 훌륭한 대체 살균 방법이 될 수 있다고 기대한다.