Antimicrobial effects and mechanisms of plasma-activated acetic acid against Salmonella Typhimurium and its application for chicken meat

Abstract

본 연구에서는 플라즈마 활성 초산(Plasma-activated acetic acid, PAAA)을 이용하여 Salmonella Typhimurium과 바이오필름(Biofilms)에 대한 살균력과 살균 기작을 확인하고, 실제 식품산업 현장의 적용 가능성을확인하기 위하여 처리 후 계육의 살균 및 이화학적 특성을 조사하였다. 실험은 다음과 같이 두 개의 실험으로 진행되었다. 첫번째 실험의 경우, Salmonella Typhimurium과 더불어 이를 이용해 형성시킨 바이오필름에 대한 플라즈마 활성 초산의 살균력을 확인하고 스캐빈저(Scavengers) 및 형광 발색 시약을 통해 살균 메커니즘을 확인하였다. 두번째 실험의 경우, 플라즈마 활성 초산을 처리한 계육(닭 스킨, 닭 가슴살 및 닭 북채)의 살균 및 이화학적(pH, 색도, 지질 산패도 및 전자현미경) 특성 분석을 진행하여 식품 산업에서 적용 가능성 여부를 확인하였다. 첫번째 실험 결과, 일반 현탁액 형태의 미생물에서 플라즈마 활성 초산의 최적 살균 조건을 확인하였는데, 플라즈마 방전 시간 20분, 미생물과의 배양시간 10분, 초산의 농도 0.2% (v/v)일 때 가장 최적 조건임을 확인하였다. 또한, 바이오필름에도 효과적인 살균 능력을 보였으며, 0.4% (v/v) 농도의 초산을 20분 방전시킨 플라즈마 활성 초산의 처리 10분 뒤에는 대조군(Control) 대비 4 log CFU/cm2의 감균효과를 나타내었다. 이에 대한 결 과는 공초점레이저주사현미경(CLSM)을 통해서도 확인할 수 있었다. 살균 메커니즘을 확인하기 위한 스캐빈저 검증 결과, 플라즈마 방전 전후로 수산화라디칼(OH), 과산화수소(H2O2), 일중항산소(1O2) 및 아질산염 이온(NO2-)들이 살균에 유의적으로 기여하는 것을 확인하였으며 이는 과산화질산염(ONOOH)의 중간 작용에 기인한 것으로 판단되었다. 즉, 과산화 수소와 아질산염 이온에 의해 과산화 질산염의 형성을 유도하였으며 이는 산성조건에서 분해되어 최종 수산화라디칼, 이산화질소 및 일중항산소의 형태로 미생물의 살균에 유의적인 영향을 미쳤을 것으로 판단된다. 이에 대한 결과는 플라즈마 활성 초산의 방치에 따른 과산화 질산염의 농도 및 방치시간에 따른 살균결과에서도 확인할 수 있었다. 두번째 실험 결과, 닭 스킨 살균실험에서 초산의 농도가 증가함에 따라 플라즈마 활성 초산의 살균효과도 증진되는 것을 확인하였으며, 최적 조건을 확인한 0.8% (v/v) 농도의 초산을 30분 플라즈마를 방전시켜 만든 플라즈마 활성 초산을 닭 가슴살 및 닭 북채에 10분 처리하였을 때, 대조군 대비 각각 2.33 및 2.75 log CFU/g 감균 효과를 확인하였다. 이를 통해 플 라즈마 활성 초산은 닭 스킨뿐만 아니라 닭 가슴살 및 닭 북채에서도 같은 농도의 일반 초산 (AA)보다 더 높은 살균력을 나타내는 것을 확인하였다. 또한 이화학적 특성 분석 중 pH 및 지질 산패도 (TBARS) 분석 결과, 닭가슴살 및 닭 북채에서 대조군 대비 처리군(0.8% AA 및 PAAA)에서 값이 유의적으로 감소했지만 AA와 PAAA 처리군들 사이에서 유의적인 차이를 확인할 수 없었다. 색도의 경우, 닭 가슴살 및 닭 북채에서 백색도 (L*)는증가하였지만 적색도 (a*) 및 황색도 (b*)값이 감소하였다. 닭북채에서는 대조군을 포함한 각 처리군 간 유의적인 차이를 확인할 수 없었다. 이는 각식육에 존재하는 헴 색소(Heme pigments)및 형태의 구성 차이에 기인한 것으로 사료되며, 처리군에 따른 결과의 차이는 초산 처리에 의한 xymyoglobin의 영향이 어느정도 작용했을 것으로 판단된다. 전자현미경 분석 결과, 대조군을 포함한 각 처리군 간 눈에 띄는 형태적 변화를 확인할 수 없었지만, 대조군 대비 처리군에서 미세한 기공들이 확인되었다. 하지만, 마찬가지로 AA와 PAAA 처리군들 사이에서 유의적인 차이를 확인할 수 없었다. 또한 휘발성 향 화합물의 결과에서도 닭 가슴살 및 닭 북채 모두 AA와 PAAA 처리군들 사이에서 유의적인 변화를 관찰할 수 없었다. 따라서 플라즈마 활성 초산은 계육에서 일반 초산 대비 이화학적 변화가 거의 없는 반면 살균력이 더 높은 것이 확인되었다. 본 연구 결과들을 통해 플라즈마 활성 초산은 유망한 기술로서 식품 산업에서의 효과적인 살균제의 역할을 담당할 수 있을 것으로 판단되지만, 산업적 응용 잠재력을 더 높이기 위한 추가적인 연구가 더욱 뒷받침이 되어야 할 것으로 사료된다.

We conducted research on plasma-activated acetic acid (PAAA) to improve the sterilization efficiency of each individual treatment of plasma-activated water (PAW) and acetic acid (AA) and apply it to poultry meats. PAAA was prepared by addition of different concentrations of AA into deionized water before plasma treatment. The aim of this study was to investigate growth-inhibitory activities of PAAA against Salmonella Typhimurium cells and biofilm and the underlying mechanisms, as well as identify the effect of PAAA on reduction of S. Typhimurium and quality traits of chicken meats.