Antibacterial characterization of erythorbyl laurate against heat-treated spore of Geobacillus stearothermophilus

Abstract

식품 산업에서 미생물 오염은 식품의 품질을 저하시키기에 매우 중대한 문제이다. 특히 호열성 포자는 높은 내열성을 지녀 열을 통한 살균처리에서 살아남아 식품의 오염을 유발할 수 있다. 식품 산업에서는 호열성 포자를 제어하기 위해 다양한 방법을 사용하고 있으며 그 중 첨가물의 사용은 그 중 가장 널리 이용되는 방법이다. Erythorbyl laurate (EL)은 친수성의 erythorbic acid와 소수성의 lauric acid가 lipase 효소에 의해 esterification을 통해 결합된 양친매성 물질로 항산화, 항균, 유화 특성을 갖는 다기능성 유화제이다. 선행 연구를 통해 EL이 다양한 그람 양성 식품유해균에 대한 항균 활성을 나타냈으며 EL이 세포막에 작용하여 항균력을 나타냄을 확인하였다. 현재 산업에서 포자를 제어하기 위해 첨가 중인 자당지방산에스테르와 양친매성 구조와 항균 기작이 유사하기에 EL 또한 포자를 제어할 수 있을 것으로 예상하였다. 수중유적형 유화계에서는 EL의 용해도 차이로 인해 수상계에서와 항균 활성이 다르게 나타날 수 있으며 호열성 포자가 오염되기 쉬운 온장 보관하는 제품들 중 유화-제형의 제품이 다수 존재하기에 EL의 식품 산업 적용을 위해 수상계와 수중유적형 유화계에서 각각 항균 활성을 측정하였다. 수상계에서 호열성 포자형성균인 Geobacillus stearothermophilus에 대한 EL의 항균 활성을 측정한 결과 균에 대해서는 200 ppm의 EL 처리 시 3.0-log reduction 효과를 나타냈으며 열 충격을 받은 포자에 대해서는 200 ppm의 EL 처리 시 초기 농도가 유지되었다. 포자가 발아하지 못한다면 한천 배지에 도말 되기 전까지 포자 상태를 유지하기에 하나의 포자가 하나의 콜로니를 형성하게 된다. 만약 200 ppm의 EL 처리에서 포자가 발아했다면 발아된 균이 사멸하기 때문에 포자 농도가 감소했을 것이다. 따라서 200 ppm의 EL 처리는 균에 대해서는 최소 사멸 농도이며 열 충격을 받은 포자에 대해서는 포자의 발아를 억제하는 농도임을 나타낸다. 반면 수중유적형 유화계에서는 1,500 ppm의 EL 처리 시 균에 대해서는 3.0-log reduction을 나타냈으며 열 충격을 받은 포자에 대해서는 2,000 ppm의 EL 처리 시 초기 농도를 유지하였으며 7,500 ppm의 EL 처리 시 포자 농도에 2.7-log reduction을 나타냈다. 이는 1,500 ppm의 처리가 균에 대해서는 최소 사멸 농도이며 열 충격을 받은 포자에 대해서는 2,000 ppm의 처리가 발아를 억제하는 농도임을 나타낸다. 반면 7,500 ppm의 EL은 발아되지 않은 포자에 미친 영향이기에 이는 포자를 사멸시키는 농도이다. 수상계와 수중유적형 유화계에서 항균 활성을 비교하면 균 사멸 농도와 열 충격을 받은 포자 발아 억제 농도에서 수중유적형 유화계에서 항균 활성 농도가 7.5-10.0배 높은 것을 확인할 수 있다. 이는 수중유적형 유화계의 항균 활성이 수상계보다 낮은 것을 의미하며 이 차이는 수중유적형 유화계에서 EL의 세포막에 대한 접촉 기회 감소와 세포막과의 hydrophobic interaction이 감소되어 나타난 것으로 추론된다. EL의 항균 활성이 포자에 대한 활성이 맞는지 확인하기 위해 포자가 발아할 때 방출되는 DPA를 검출하는 실험을 진행하였다. 그 결과 EL 처리 농도가 증가함에 따라 DPA 방출량이 줄어드는 것을 확인했으며 이는 EL 처리 농도에 따라 열 충격을 받은 포자의 발아를 억제하는 것을 의미하기에 EL이 포자에 작용함을 나타낸다. 식품산업에 적용 가능성을 평가하기 위해 실제 판매되는 캔 밀크커피에 EL을 첨가 후 항균 활성을 확인한 결과 EL 처리 농도에 따라 농도 비례적인 포자 저감화 효과를 확인했으며 그 효과가 온장고 보관 권장 기간인 14일 동안 유지됨을 확인할 수 있었다. 본 논문에서는 erythorbyl laurate의 호열성 포자에 대한 항균력이 수상계보다 수중유적형 유화계에서 떨어졌지만 수중유적형 유화계에서도 그 활성이 여전히 유지됨을 확인하였으며 EL이 포자 발아 억제에 작용함을 밝혔다. 또한 제품 실험을 통해 erythorbyl laurate를 식품 산업에 적용 가능함을 확인하였으며, 이는 상용화를 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 예상된다.

Erythorbyl laurate (EL), an amphiphilic substance produced by lipase-catalyzed esterification with erythorbic acid and lauric acid, is a multifunctional emulsifier having antioxidant, antibacterial, and emulsifying properties. The bacteriostatic and bactericidal effects of EL against Gram-positive foodborne bacteria have been demonstrated, but its antibacterial activity against thermophilic bacteria and spores, including in an emulsion system, has not. EL is structurally similar to sucrose fatty acid esters and the antibacterial property of EL is also similar to that of sucrose fatty acid esters. Since the antibacterial activity of sucrose fatty ester was confirmed against thermophilic spores, EL was expected to have antibacterial activity. The antibacterial activity of EL against Geobacillus stearothermophilus in aqueous medium and an oil-in-water (O/W) emulsion was evaluated. Antibacterial activity was verified based on dipicolinic acid (DPA) release. The relevance of EL for the food industry was determined in an antibacterial assay in canned milk coffee. The bactericidal concentrations of EL against vegetative cells were 200 ppm in the aqueous system and 1,500 ppm in the O/W emulsion. EL inhibited heat shocked spore germination at concentrations of 200 ppm in the aqueous system and 2,000 ppm in the O/W emulsion. Sporicidal effects in the O/W emulsion were achieved with 7,500 ppm. In DPA assay, increasing concentrations of EL decreased DPA release, indicating that germination of heat shocked spore was inhibited. The antibacterial activity of EL in canned milk coffee showed that the number of viable heat shocked spores decreased with increasing EL concentration. Furthermore, the antibacterial effect was maintained for 14 days.