Influence of Pathogen Contamination on Beef Microbiota under Different Storage Temperatures

Abstract

Outbreaks of food poisoning due to the consumption of contaminated beef from fast-food chains are becoming more frequent. Pathogen contamination in beef influences its spoilage as well as the development of foodborne illness. Thus, the influence of pathogen contamination on beef microbiota should be analyzed to evaluate food safety. We analyzed the influence of pathogen contamination on the shift in microbiota and the interactions between the pathogen and indigenous microbes in beef stored under different conditions. Sixty beef samples were stored at 25 °C and 4 °C for 24 h, and the shifts in microbiota were analyzed using the MiSeq system. The influence of pathogen contamination on microbiota was analyzed by artificial contamination experiments with Escherichia coli FORC_044, which was isolated from the stool of a food poisoning patient in Korea. The bacterial amounts and the proportion of Escherichia were higher when the beef was stored at 25 °C. Artificially introduced Escherichia positively correlated with the indigenous microbes such as Pseudomonas, Brochothrix, Staphylococcus, Rahnella, and Rhizobium as determined by co-occurrence network analyses. Carnobacterium, a potential spoilage microbe, was negatively correlated with other microbes, including Escherichia. The predicted functions of altered microbiota showed that the pathways related to the process of spoilage including biosynthesis of acetic acid and lactic acid increased over time. The shift in pathways was more pronounced in contaminated beef stored at 25 °C. Carnobacterium, Lactobacillus, and Escherichia were the main genera contributing to the shift in the relative abundance of functional genes involved in the various spoilage pathways. Our results indicated that pathogen contamination could influence beef microbiota and mediate spoilage. This study extends our understanding of the beef microbiota and provides insights into the role of pathogen and storage conditions in meat spoilage.

소고기는 세계에서 가장 많이 소비되는 육류 중 하나로 식중독사고 또한 끊임없이 일어나고 있다. 식중독균은 소고기에 노출이 되었을 때 식중독뿐만 아니라 소고기의 부패를 유발할 수 있다. 따라서, 식품안전을 위해 식중독균이 소고기 마이크로바이옴에 미치는 영향을 연구할 필요가 있다. 본 연구에서는 서로 다른 보관 조건에서 식중독균에의 노출이 소고기 마이크로바이옴과 미생물 종간의 상호작용을 어떻게 변화시키는 지를 살펴보았다. 총 60개의 소고기 샘플을 4℃ 또는 25℃에서 24시간까지 보관하였으며, 마이크로바이옴의 변화는 MiSeq 시스템을 이용해서 분석하였다. 식중독균의 영향은 소고기에 Escherichia coli FORC_044를 인위적으로 노출시킴으로써 확인하였다. FORC_044는 한국에서 식중독환자의 분변에서 분리한 Enterohemorrhagic E. coli (EHEC)균주이다. 보관시간에 따른 Escherichia의 균수와 전체 마이크로바이옴에 대한 비율의 변화를 확인해 보았을 때, 25℃에서 보관하였을 때가 4℃에서 보관하였을 때보다 더욱 많이 증가하는 것을 알 수 있었다. 미생물 종간의 네트워크 분석결과 Escherichia는 Pseudomonas, Brochothrix, Staphylococcus, Rahnella와 Rhizobium과 같은 소고기 상재균들과 양의 관계를 가지고 있음을 확인하였다. 이와 반대로, 부패세균 중 하나인 Carnobacterium은 Escherichia를 비롯한 다른 소고기 상재균들과 음의 관계를 가지고 있었다. 보관 시간이 지남에 따라 마이크로바이옴이 나타내는 기능의 변화를 예측해보았을 때, 아세트산과 젖산을 생산하는 반응을 포함하는 부패과정이 점차 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 변화는 25℃에서 보관한 오염된소고기에서 가장 크게 나타났다. 이와 더불어, Carnobacterium, Lactobacillus와 Escherichia가 이러한 과정에 관여하는 유전자의 변화에 가장 주요한 속임을 확인하였다. 본 연구의 결과는 식중독균이 소고기 마이크로바이옴의 변화와 소고기의 부패에 관여한다는 것을 보여주고 있다. 본 연구는 소고기 마이크로바이옴에 대한 이해를 넓혀줄 것이며, 식중독균과 보관 조건이 소고기의 품질에 어떠한 영향을 미치는 지 알려줄 수 있을 것이다.