Application of a 222-nm Krypton-Chlorine excilamp to control Alicyclobacillus acidoterrestris spores

Abstract

Alicyclobacillus acidoterrestris spores, which have high resistance to thermal treatment and can germinate even at low pH, are very troublesome in the juice industry. UV technology, a nonthermal treatment, can be an excellent means to control heat-resistant A. acidoterrestris spores in place of thermal treatment. However, the traditionally applied UV sources are lamps that contain mercury (Hg), which is harmful to humans and the environment; thus, there is a need to apply novel UV technology without the use of Hg. In response to this issue, excilamps, an Hg-free UV source, have been actively studied. However, no studies have been conducted applying this technique to control A. acidoterrestris spores. The aim of this study was to investigate the sporicidal effect of a krypton-chlorine (KrCl) excilamp against A. acidoterrestris spores and to compare its inactivation mechanism to that of a conventional UV lamp containing mercury (Hg). The inactivation effect of the KrCl excilamp was not significantly different from that of the Hg UV lamp for A. acidoterrestris spores in apple juice despite the 222-nm wavelength of the KrCl excilamp having a higher absorption coefficient in apple juice than the 254-nm wavelength of the Hg UV lamp; this is because KrCl excilamps have a fundamentally greater inactivation effect than Hg UV lamps, which is confirmed under ideal conditions (phosphate-buffered saline). The inactivation mechanism analysis revealed that the DNA damage induced by the KrCl excilamp was not significantly different (P > 0.05) from that induced by the Hg UV lamp, while the KrCl excilamp caused significantly higher (P < 0.05) lipid peroxidation incidence and permeability change in the inner membrane of A. acidoterrestris spores than did the Hg UV lamp. Meanwhile, the KrCl excilamp did not generate significant (P > 0.05) intracellular reactive oxygen species, indicating that the KrCl excilamp causes damage only through the direct absorption of UV light. In addition, after KrCl excilamp treatment with a dose of 2,011 mJ/cm2 to reduce A. acidoterrestris spores in apple juice by 5 logs, there were no significant (P > 0.05) changes in quality parameters such as color (L*, a*, and b*), total phenolic compounds, and DPPH (2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl) free radical scavenging activity. Therefore, the results of this study, which applied a KrCl excilamp for the control of A. acidoterrestris spores and elucidated the inactivation principle, are expected to be utilized as important basic data for application to actual industry or conducting further studies.

열처리에 대한 내성이 높고 낮은 산성환경에서 발아할 수 있는 Alicyclobacillus acidoterrestris spore는 주스산업에서 매우 중요하게 관리되어야 하는 균 중의 하나이다. 적절히 제거되지 않았을 경우, 균은 증식하여 불쾌한 화학 냄새를 발생시키는 구아이아콜을 형성하여 제품의 상업적 가치를 현저하게 떨어뜨리기 때문이다. 본 연구의 목적은 A. acidoterrestris spore를 제어하는 기술로써 크립톤-염소 (KrCl) 엑시램프와 수은 (Hg)을 포함하는 자외선 (Ultraviolet, UV) 램프의 효과를 비교하고 저감화 메커니즘에 대하여 알아보고자 한다. 먼저 사과주스에서 A. acidoterrestris spore에 대한 222-nm KrCl 엑시램프와 254-nm 수은 자외선램프의 효과를 비교해보았다. 사과주스에서 KrCl 엑시램프의 222-nm 파장이 수은 자외선 램프의 254-nm 파장보다 더 잘 흡수됨에도 불구하고, A. acidoterrestris spore를 제어하는 효과는 두 처리 간에 유의미한 (P > 0.05) 차이는 없었다. 즉, 사과주스에서 높은 흡광계수 (absorption coefficient)를 가짐에도 불구하고 KrCl 엑시램프의 저감화 효과가 뛰어남을 알 수 있었다. 이는 이상적인 조건인 인산 완충 식염수 (phosphate buffered saline)에서도 확인되었다. 222-nm KrCl 엑시램프의 저감화 기작은 세포막과 DNA손상을 분석함으로써 조사되었다. KrCl 엑시램프는 세포막의 지질과산화를 발생시켜 세포막 손상을 유도한 것으로 나타났다. 그러나 세포막의 지질과산화는 222-nm의 활성산소 (reactive oxygen species, ROS)의 생성이 없음으로 보아 직접적인 빛 흡수에 의해 유도되었음을 알 수 있었다. 222-nm KrCl 엑시 램프도 254-nm 수은 자외선 램프와 유의미하게 (P > 0.05) 다르지 않은 DNA 데미지를 발생시켰다. 게다가 KrCl 엑시 램프로 사과주스의 A. acidoterrestris spore를 5로그 만큼 저감화하는 동안 사과주스의 유의적인 (P > 0.05) 품질 변화는 나타나지 않았다. 따라서 본 연구는 222-nm KrCl 엑시 램프가 A. acidoterrestris spore를 제어하기 위한 수단으로 적용될 수 있음을 제시하였다. 또한 제어 원리의 분석 결과는 식품 산업 및 관련된 추후 연구를 수행하기에 중요한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 예상된다.