Effect of environmental water activity and selective wavelength on microbial inactivation by intense pulsed light (IPL)

Abstract

Intense pulsed light (IPL) is a non-thermal processing in which food is irradiated food with short intense light pulses to inactivate pathogens. The light emitted by IPL covers a broad spectrum of ranging from 180 to 1100 nm. Several factors can affect the efficiency of IPL, these include the biological factors of microorganisms, operational factors of IPL, and intrinsic factors of foods. In the present study, two factors that could affect the inactivation efficiency of IPL were assessed. First, the effect of the water activity (aw) of food, i.e., environmental aw, on IPL inactivation was examined. In general, aw of food is closely related to microbial resistance during thermal and non-thermal processing. Therefore, the inactivation efficiency of IPL according to environmental aw was examined by irradiating three different microorganisms (Gram-negative bacteria, Gram-positive bacteria, and yeast) in Sodium chloride solutions with five different aw levels (0.99-0.80). The sensitivity of the microbial strains to IPL treatment varied according to environmental aw. Salmonella Enteritidis (a Gram-negative bacteria) showed a faster decrease with lower aw. On the other hand, Staphylococcus aureus (a Gram-positive bacteria) showed the opposite result, while Saccharomyces cerevisiae (a yeast) showed no significant correlation with environmental aw. The variation in resistance according to the aw levels may be attributed to the difference in sensitivity of each microorganism to osmotic pressure which is related to the aw of solutions. To identify the causes of the different tendencies, the same experiments were conducted using Escherichia coli (a Gram-negative bacteria) and Clostridium perfringens (a Gram-positive bacteria). Moreover, changes in microbial cells under each aw condition were assessed using transmission electron microscopy (TEM). It was assumed that the differences in inactivation patterns of the microorganisms following IPL treatment could be attributed to the differences in their adaptability to aw and osmotic pressure and to the structure of their cell wall. Second, the effect of each selective wavelength, i.e., specific spectrum with is selected from entire spectrum of IPL, on microbial inactivation was assessed to understand the mechanisms of IPL. To identify the attributing spectra for the germicidal effect of IPL, specific wavelength ranges were selected. Following this, the microbial suspensions were irradiated with the corresponding selective wavelengths. The inactivation efficiency was found to differ according to the spectrum of the irradiated light, and the sensitivity to each spectrum slightly differed for each microorganism. No significant microbial reduction was noted when the samples were treated with 400F to 900F, which is the selective wavelength covers a spectrum ranging from visible light to infrared, however, significant microbial reduction was noted when the samples treated with a selective wavelength in the ultraviolet (UV) region. In particular, the fastest microbial reduction was shown in the samples treated with 300F which has a selective wavelength around 300 nm. However, in terms of the energy fluence of the UV region, the control sample showed a much faster reduction than the samples treated with 300F for all the tested organisms. Thus, the UV spectrum is presumed to play a decisive role in initiating the inactivation of microorganisms during IPL treatment. Moreover, other spectra, such as visible light and infrared (IR), are expected to make a synergistic effect during IPL treatment, thereby increasing the inactivation efficiency of IPL. Furthermore, spectrum of visible light and IR may contribute to the photophysical effects of IPL treatment, such as cell rupture and cell structure changes, which are different from the continuous UV irradiation.;광펄스 (IPL)는 식품에 짧고 강한 빛 펄스를 조사하여 병원성균을 사멸시키는 비가열 살균 기술이다. 광펄스에서 방출되는 빛은 180 부터 1100 nm 까지의 넓은 스펙트럼을 가지고 있다. 미생물의 생물학적인 요인, 광펄스의 조작과 관련된 요인, 그리고 식품의 내재적인 요인은 광펄스의 살균 효율에 영향을 미칠 수 있다. 본 연구에서는 처리환경의 수분활성도 및 선별파장 (파장선폭)의 두가지 요인이 광펄스의 살균 효율에 미치는 영향을 조사하였다. 먼저, 식품의 수분활성도, 즉 처리되는 샘플의 수분활성도 환경이 광펄스 살균에 미치는 영향을 알아보았다. 일반적으로, 식품의 수분활성도는 살균 기술의 처리에 대한 미생물의 내성과 밀접하게 연관되어 있다. 따라서, 0.99부터 0.80까지 서로 다른 수분활성도를 가지고 있는 NaCl 수용액에 들어있는 미생물을 광펄스 처리함으로써 수분활성도 환경에 따른 광펄스의 살균 효율을 파악하였다. 실험에는 그람음성균, 그람양성균, 그리고 효모의 총 세 종의 미생물이 사용되었다. 그 결과, 세 종의 미생물 모두 수분활성도 환경에 따른 광펄스의 살균 경향이 각각 다르게 나타났다. Salmonella Enteritidis (그람음성균) 의 경우엔, 처리환경의 수분활성도가 낮을수록 더욱 더 높은 살균 효율을 나타낸 반면 Staphylococcus aureus (그람양성균)은 이와 반대로 수분활성도가 낮아질수록 살균효율 또한 낮아지는 결과를 나타냈다. 마지막으로, Saccharomyces cerevisiae (효모)는 수분활성도와 살균 효율 간에 별다른 상관관계를 나타내지 않았다. 이와 같은 수분활성도에 따른 살균 경향의 차이는 각 미생물의 삼투압에 대합 민감도 차이에서 비롯된 것으로 사료된다. 서로 다른 경향을 나타낸 것에 대한 원인을 파악하고자 그람음성균인 Escherichia coli, 그람양성균인 Clostridium perfringens을 사용하여 추가적인 실험을 진행하였으며, TEM을 이용하여 수분활성도 조건에 따라 미생물이 세포수준에서 변화가 있는지 확인하였다. 결과 고찰에서는, 수분활성도에 따라 각 미생물의 광펄스 살균 경향이 다른 것의 원인을 처리환경의 수분활성도 및 그에 따른 삼투압에 대한 각 미생물의 적응력과 세포벽의 두께 및 구조를 중심으로 고찰하였다. 다음으로, 광펄스의 살균 기작을 파악하고자 선별파장이 광펄스의 살균효율에 미치는 영향을 연구하였다. 광학필터를 사용하여 특정 파장 영역들을 선별하고, 그에 따른 선별파장을 미생물 suspension에 조사함으로써 광펄스의 살균력에 기여하는 스펙트럼을 확인하였다. 각 선별파장은 서로 다른 살균 효율을 나타내었으며, 각 선별파장에 대한 미생물 세 종의 민감도 또한 서로 달랐다. 400F 부터 900F 까지, 즉 가시광선 및 적외선 영역에 해당하는 선별파장을 처리했을 경우에는 별다른 미생물의 감소가 나타나지 않은 반면, UV 영역을 포함하고 있는 선별파장을 조사한 경우에는 유의적인 미생물 감소가 나타났다. 특히, 300 nm 주변의 파장을 선별하여 처리 (300F)한 샘플군에서 가장 빠른 미생물 감소가 나타났다. 하지만, UV 영역의 에너지 플루언스 만을 기준으로 300F 처리군과 Control (파장을 별도로 선별하지 않고 처리한 경우)을 비교하였을 경우엔, Control이 훨씬 더 높은 살균효율을 보였다. 또한, IPL의 전체 파장영역에서 UV 영역만을 제외한 빛을 샘플에 조사하였을 때에는 별다른 살균 효과가 나타나지 않았다. 이러한 결과를 토대로, IPL 처리에서 UV가 미생물의 사멸을 개시하는 데 있어 결정적인 역할을 하는 것을 알 수 있었다. 그 외의 가시광선 및 적외선 영역은 UV 영역과의 시너지 효과를 통해, IPL의 높은 살균효율에 기여하는 것으로 사료된다. 또한, 세포의 파열 및 구조 변화 등과 같은 기존의 continuous UV 처리와는 차별화되는 광펄스의 광물리적인 살균 기작에 대한 가시광선과 적외선 영역의 기여 가능성도 함께 고찰하였다.