Antibacterial activity of caffeic acid combined with ultraviolet-A light against foodborne pathogens : application on fresh produce washing

Abstract

The aim of this study was to evaluate the antibacterial activity of caffeic acid (CA) which is a natural polyphenol, combined with ultraviolet-A (UV-A) light against the representative food-borne bacteria, Escherichia coli O157:H7, Salmonella Typhimurium and Listeria monocytogenes. The inactivation results were obtained depending on CA concentration, light wavelength and light dose. All pathogens were significantly (P < 0.05) reduced when treated with CA + UV-A, inactivating E. coli O157:H7 and S. Typhimurium to detection limit. To investigate the inactivation mechanism, measurement of polyphenol uptake by bacteria, membrane damage assessment, enzymatic activity assay, and transmission electron microscopy (TEM) were conducted. It was revealed that CA was significantly (P < 0.05) absorbed by bacterial cells, and UV-A light allowed higher uptake of CA for both pathogens. In the enzymatic activity assay, both pathogens showed a reduction in their activity by CA and a higher reduction occurred by CA + UV-A. Moreover, TEM images indicated that CA + UV-A treatment remarkably destructed intercellular structure. To further address the application on fresh produce washing, reusability of caffeic acid for CA + UV-A assisted washing, the effects of organic content and turbidity, and ability to inhibit cross-contamination as well as to inactivate inoculated pathogens were studied. As a result, CA was able to retain its antibacterial activity upon UV-A irradiation for three consecutive treatment cycles, by inactivating more than 6 log CFU/ml for each cycle. Also, CA + UV-A treatment was not noticeably affected by organic content and turbidity. Lastly, when apple slices were washed with CA + UV-A treatment, cross-contamination was controlled by significantly (P < 0.05) inhibiting E. coli O157:H7 and L. monocytogenes from attaching to surfaces and the remaining population in liquid after washing was not detected. Moreover, when both pathogens were inoculated onto surfaces and further subjected to CA + UV-A washing, they were reduced under detection limit for both apple and liquid. Therefore, this study suggests a possibility of caffeic acid + UV-A assisted washing to be applied in food industry, as it showed an effective antibacterial activity both in liquid and in actual washing process. Moreover, the established condition for an efficient inactivation, and examination data of inactivation mechanism would provide a baseline for further research regarding photodynamic inactivation.

이 연구의 목적은 자연에 존재하는 폴리페놀 물질 중 하나인 카페익산과 자외선A의 조합처리기술을 주제로, 대표적인 식중독균인 Escherichia coli O157:H7, Salmonella Typhimurium and Listeria monocytogenes에 대한 항균능력을 분석하는 것이다. 저감화 결과는 카페익산의 농도, 빛의 파장과 조사량에 대하여 제시되었으며, 세 종류 병원균 모두 카페익산 + 자외선A의 조합처리에 의해 유의미하게 (P < 0.05) 저감화 되었다. 특히, E. coli O157:H7과 S. Typhimurium은 검출한계 밑으로 감소하는 결과를 얻었다. 저감화 기작을 분석하기 위해, 균의 폴리페놀 흡수 정도와 세포막 파괴 정도, 효소 활성을 측정하였고 투과현미경을 사용해 세포구조를 관찰하였다. 그 결과 카페익산은 세균 세포에 의해 유의미한 수준 (P < 0.05) 으로 흡수되었고, 자외선A를 조합하였을 때 그 흡수 정도가 증가하였다. 또한 카페익산에 의해 효소 활성의 감소가 관찰되었으며, 카페익산 + 자외선A 조합처리에 의해 더 큰 감소가 확인되었다. 투과현미경을 통해 조합처리 시 세포막 내 구조가 현저하게 파괴되는 것을 알 수 있었다. 나아가 신선식품 세척 적용을 위해, 카페익산의 재사용 가능성과, 유기물 및 탁도의 영향, 그리고 교차오염방지 및 초기에 오염된 식품에서의 저감화 능력을 조사하였다. 그 결과 카페익산은 세 번의 연속적인 처리 이후에도 항균 활성을 유지하였고, 카페익산 + 자외선A 조합처리의 저감화 효율은 세척수 내의 유기물과 탁도에도 영향받지 않았다. 실제 사과를 이용한 카페익산 + 자외선A 조합 세척 실험을 하였을 때, 균이 사과 표면에 부착되는 정도를 유의미하게 (P < 0.05) 감소시킴으로써 교차오염을 방지하였고 세척수 내 잔여 미생물도 검출되지 않았다. 또한 사과 표면에 높은 농도의 균을 접종한 뒤 카페익산 + 자외선A를 조합한 세척 실험을 한 결과, 사과와 세척수 모두에서 균이 검출 한계 밑으로 감소하는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구는, 카페익산과 자외선A 조합처리 기술의 액체와 실제 식품 세척 과정 모두에서의 높은 저감화 효율을 통해, 해당 기술의 식품 산업에의 적용 가능성을 제시하는 연구이다. 또한 효율적인 저감화 조건과 저감화 기작의 분석 등은 추후 관련 연구에 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다.