Application of superheated steam for inactivation of Staphylococcus aureus in biofilm

Abstract

Biofilms have emerged as problems in food industry because of ability to form on food or food-contact surface in various conditions when surface bacteria were not properly removed Staphylococcus aureus which is one of prevalent pathogens in food industry can develop biofilm structure onto abiotic surfaces, causing cross-contamination. In comparison to 15 and 25℃ which maintain relatively consistent population over 7.0 log CFU/cm2, cell population at 37℃ increased in day 1 followed by constant decline. Thermal treatment inactivated 5-log population of biofilm cells when treated with 10 s at all conditions except for 25℃ in day 5. Also, when treated with non-thermal treatment, ca 1-log of biofilm cells was eliminated at 25℃ in day 5 while it resulted in over 2-log reduction in the other experimental conditions. To account for these phenomena, we conducted EPS quantification experiment using 96-well and stainless steel. In 96-well experiment, we found that highest amount of polysaccharide was secreted at the temperature of 25℃, while total biomass and protein contents produced at 37℃ was greatest. However, previous studies show that main component for EPS secreted by S. aureus is polysaccharide. Thus, we could conclude that biofilm formed at 25℃ for 5 days exhibited highest resistance to thermal and nonthermal treatment due to enhanced ability for exopolysaccharide secretion. We investigated the effect of saturated steam (SS) at 100°C and superheated steam (SHS) at 125°C and 150°C for inactivation of S. aureus biofilm in 4 types of coupons (STS No.4, STS 2B, HDPE, PP). We also identify material properties of each type of coupons to develop material factors affecting steam treatment. In all types of coupon, higher temperature and more superheated steam accomplished higher log reduction and need less time to reach below detection limit. S. aureus biofilm in steel type coupon is more susceptible than plastic type coupons under steam treatment. In this study two surface properties, which is roughness and hydrophobicity, did not have a significant effect on inactivation of biofilm in coupons by steam treatment. In contrast, thermal conductivity and thermal diffusivity had similar tendency of inactivation. S. aureus biofilm in higher thermal conductivity coupons were susceptible when steam was applied. Therefore, SHS treatment could be used to inactivate S. aureus biofilm in food-accessible surfaces and treatment time depended on the thermal conductivity of surfaces.

표면에 세균이 적절히 제거 되지 않았을 경우, 다양한 환경 조건에서도 균이 바이오필름을 형성하며 특히 식품 산업에서 식품이나 식품 접촉면에 형성할 수 있어 문제로 대두되고있다. 이 때, 식품 산업에서 중요한 병원균 중 하나인 황색포도상구균은 표면에 바이오필름을 형성할 수 있는 대표균 중 하나 이며, 이에 따른 교차 오염의 위험이 있다. 황색포도상구균을 15°C, 25°C 그리고 37°C 에서 5일 동안 바이오필름을 형성시키면서 균의 수 변화를 확인한 결과, 15°C나 25°C에서는 7.0 log CFU/cm2이상의 상대적으로 일정한 값을 가지며, 37°C에서는 1일 째에 폭발적으로 증가하지만 그 이후 계속 감소하였다. 증기처리로 열 저항성을 확인한 결과, 5일 차에 25°C를 제외한 모든 조건에서 10 초간 처리하였을 때, 5 로그 이상 균이 저감화 되었다. 또한 차아염소산나트륨 10 ppm으로 비 열처리를 하였을 때, 25°C에서는 약 1 로그의 균 저감화를 보였지만 나머지 조건에서는 2 로그 이상이 저감화 되었다. 이러한 현상을 설명하기 위해 96-well 실험에서 25°C에서 다당류의 분비량이 가장 많았으며, 37°C에서는 생산된 총 바이오매스와 단백질의 함량이 가장 높았다. 하지만 이전 연구에서도 밝혀진 바로는 황색포도상구균이 분비하는 EPS의 주성분이 다당류였다. 따라서 우리는 25°C에서 5일 동안 형성된 바이오필름이 외부에 다당류를 가장 많이 분비하여 외부 자극에 대한 저항성을 갖춘 것이라고 해석할 수 있었다. 이어 우리는 4 종류의 쿠폰 (스테인리스 강 No.4, 스테인리스 강 2B, 고밀도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌)에서 황색포도상구균이 바이오필름을 형성하였을 때 이를 100°C의 포화 증기와 125°C, 150°C의 초고온 과열 증기로 불활성화하는 실험을 진행하였다. 또한 증기 처리에 영향을 미치는 물질적인 요인을 밝히기 위해 각 유형의 쿠폰에 거칠기와 소수성 그리고 열전도도를 측정하였다. 모든 종류의 쿠폰에서 더 높은 온도와 더 많이 과열된 증기가 높은 균의 로그 저감화를 보였고 검출 한계 이하로 도달하는데 걸리는 시간 또한 짧았다. 증기 처리를 스틸 계열의 쿠폰에서 형성된 바이오필름에 하는 것이 플라스티 계열의 쿠폰보다 내부의 균을 더 빠르게 저감화 할 수 있었다. 본 연구에서 표면의 거칠기와 소수성은 증기 처리로 쿠폰위에 형성된 바이오필름을 불활성화하는데 영향을 미치지 않았다. 반면, 열전도도나 열확산율은 증기로 여러 재질위의 바이오필름을 제어하는 것과 가장 유사한 경향을 보였다. 높은 열전도도를 가진 쿠폰일수록 저감화 효과가 더 잘 일어났다. 라서 황색포도상구균이 바이오필름을 형성하여 이를 제어할 때 초고온 과열증기를 활용할 수 있고, 그 처리시간은 열전도도에 따라 달라질 수 있다.