Synergistic bactericidal effect and its mechanisms of clove oil and encapsulated atmospheric pressure plasma against Escherichia coli O157:H7 and Staphylococcus aureus

Abstract

The synergistic bactericidal effect and its mechanism of clove oil and encapsulated atmospheric pressure plasma (EAP) against Escherichia coli O157:H7 and Staphylococcus aureus were investigated. The bactericidal effect of the combined treatment was also confirmed using inoculated beef jerky. For both pathogens, clove oil and EAP single treatments resulted in less than 3.0-log reductions, whereas the combined treatment resulted in more than 7.5-log reductions. The disc-diffusion assay and gas chromatography-mass spectrometry showed no changes in both the clear zone diameter and chemical composition of clove oil before and after the EAP treatment. Significant changes in cell membrane permeability and morphological shapes via the combined treatment of clove oil and EAP were evidenced by UV absorption, confocal laser scanning microscopy, and transmission electron microscopy. The synergistic bactericidal effects of clove oil and EAP against both pathogens were also observed in inoculated beef jerky, but less for S. aureus due to differences in its outer cell membrane structure. These findings indicated that the synergistic bactericidal effects between clove oil and EAP may be due to the increased susceptibility of the bacteria to EAP by clove oil, rather than an alteration of antibacterial activity of clove oil itself via EAP.

육류 제품의 소비가 계속하여 증가함에 따라 식중독 발생은 지속적으로 문제가 되고 있다. 식중독을 유발하는 병원균 오염은 육류 제품의 생산, 가공, 포장, 유통 및 소비를 포함하는 모든 과정에서 발생할 수 있다. 병원성대장균과 황색포도상구균은 인간에게 심각한 복통, 설사, 발열 및 구토를 동반하는 식중독을 발생시키는 주요 박테리아이다. 따라서 이러한 병원균을 제어하기 위해 다양한 노력들이 이루어지고 있다. 전통적인 가열 미생물 제어 기술은 육류 제품의 영양가 및 관능 품질에 부정적인 영향을 미치기 때문에 육류 산업에서 비가열 미생물 제어 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 광펄스, 방사선 조사, 초고압, 초음파 및 자외선 조사를 포함하여 여러 가지 비가열 미생물 제어 기술이 있지만 설치에 고비용이 발생하고 소비자의 부정적인 인식 때문에 최근 비교적 새로운 기술인 저온 대기압 플라즈마의 활용 가능성이 주목을 받고 있다. 플라즈마는 물질의 제 4상태로, 자유 라디칼, 전자기장, 자외선 및 하전 입자를 포함한 활성종을 생성하여 미생물을 비활성화 시킬 수 있다. 저온 대기압 플라즈마의 장점은 가열살균 기술에 비해 육제품의 영양이나 품질에 부정적인 영향을 미치지 않으면서 다른 비가열살균 기술에 비해 상대적으로 설치비용이 저렴하고 작동이 쉽다는 것이다. 유전체 장벽 방전을 통해 저온 플라즈마를 발생시켜 미생물을 제어 할 수 있는 가능성이 다양한 연구를 통해 확인되었다. 저온 대기압 플라즈마는 앞서 언급 된 바와 같이 많은 이점을 갖지만, 식품에서 식중독 발생 병원균을 완전히 제어하기에는 한계가 있다. 따라서, 효과적으로 식품내 유해 미생물을 제거하기 위해 에센셜오일, 박테리오파지 및 젖산과 같은 효과적이고 안전한 항박테리아제와 플라즈마를 병용처리 하여 미생물 제어 효과를 증진시키고자 하는 노력들이 이루어져왔다. 에센셜오일 중에서 정향오일은 미국 FDA로부터 'generally recognized as safe (GRAS)'로 승인되었으며 항진균, 항산화 및 항 아플라톡신 등의 효과가 있다고 밝혀져 있다. 그러나, 고농도로 사용될 때 많은 비용이 발생하고 특유의 강한 향 및 독성 가능성의 문제가 있다. 따라서, 저농도의 정향오일과 저온 대기압 플라즈마의 병용처리를 통해 살균효과를 증진시키고자 하는 일부 연구가 수행되었지만, 그 메커니즘은 완전히 밝혀지지 않았다. 따라서, 본 연구의 목적은 (1) 정향오일과 저온 대기압 플라즈마(EAP)의 병용처리를 통한 병원성대장균과 황색포도상구균에 대한 시너지 살균효과와 그 메커니즘을 밝히고, (2) 육포에 적용하여 식품에서의 적용가능성을 확인하는 것이었다. 두 병원균에 있어서, 정향오일과 EAP의 단일처리는 3.0-log 이하의 살균효과를 가졌지만, 병용처리시 7.5-log 이상의 살균효과를 보였다. 한천내확산법 및 가스 크로마토그래프 질량분석계로 확인한 결과, EAP 처리 전후 정향오일의 미생물 생장 저해 직경과 화학적 구성에서 유의적인 차이를 나타내지 않았다. 하지만, 정향오일과 EAP의 병용처리시 세포의 막투과성 및 형태학적 모양의 현저한 변화가 분광광도계, 공초점레이저주사현미경 및 투과전자현미경에 의해 입증되었다. 두 병원균이 접종된 육포에서도 정향오일과 EAP의 병용처리에 의한 시너지 살균효과가 관찰되었지만 외부 세포막 구조의 차이로 인해 황색포도상구균에서의 살균효과가 더 적었다. 결론적으로 정향오일과 EAP 병용처리시 플라즈마가 정향오일의 항균 활성을 증가시킨 것이 아닌, 정향오일이 박테리아의 세포막과 세포벽에 일차적 손상을 가하여 박테리아의 플라즈마에 대한 감수성을 증가시켜 시너지 살균 효과를 나타내는 것으로 사료된다.