Inhibition Effect of Bacillus subtilis on 365nm UV-LED Irradiation According to Packaging Materials

포장재 조건에 따른 365 nm UV-LED 조사의 Bacillus subtilis 생육 억제 효과

이다혜¹, 정소미², 쉬시아오통¹, 김꽃봉우리², 안동현¹*

1부경대학교식품공학과/식품연구소

2부경대학교수산과학연구소

Received: December 12, 2018 / Revised: February 14, 2019 / Accepted: February 27, 2019

서 론

식품산업에서유해미생물을원인으로한식품의부패와 변질은세균성식중독을유발하고^, 이로인해식품안전성에 대한위협과큰경제적손실을야기시킨다^. 특히^, 가공식품 의경우가공^, 저장및유통과정에서미생물오염으로인한 식품의부패와변질가능성이높기때문에철저한살균처리 와위생적관리로식품의안전성을확보하는것이중요하다

[1]. 식품중열에취약하거나민감한제품또는가열처리가

불가능한제품의경우는비가열살균기술을적용해야하는 데^, 전자기선은이러한식품의살균방법으로유용하게사용

되고있다^. 또한전자기선은의료도구의살균^, 화학산업및

병원방사선치료등다양한산업에서사용되고있다^{[2, 3].}

전자기스펙트럼중자외선^(UV)은 ¹⁰⁰−^{400 nm} 범위의파 장으로^, 특히살균효과가뛰어난것으로알려져있다^{. UV} 는 파장의 길이에 따라 크게 ^{UV-A (315}−400 nm), UV-B (280−315 nm), UV-C (100−²⁸⁰⁾로구분되는데^[4], 현재식품

의살균및소독에주로사용되고있는것은 ^UV-C 영역의

파장으로저압수은램프를사용하고있다^. 하지만저압수 은램프는빛에너지와열에너지가동시에발생해소비전 력면에서비효율적이고^, 인체에유해한 ^UV가방사되기때 문에 노출 시위험하다는 단점이 있다[5]. Light-emitting diode (LED)는가장효율이높은광원으로알려져있다^[2].

LED는열이발생하지않아에너지손실이적고^, 인체에유

해한 ^UV가방사되지않을뿐만아니라램프의수명이길어 유지비용이적다는장점이있어저압수은램프의단점을보 Inhibition Effect of Bacillus subtilis on 365 nm UV-LED Irradiation According to Packaging Materials

Da-Hye Lee¹, So-Mi Jeong², Xiaotong Xu¹, Koth-Bong-Woo-Ri Kim², and Dong-Hyun Ahn¹*

1Department of Food Science and Technology/Institute of Food Science, ²Institute of Fisheries Sciences, Pukyong National University, Busan 48513, Republic of Korea

The use of ultraviolet (UV) spectroscopy for foods is known to have a microbial inhibitory effect. UV-A hav- ing a longer wavelength than UV-C can be used for continuous or intermittent UV irradiation of food stored in containers or packages. Because UV-LED can be used effectively at a low price, this study reported the effect of UV-A 365 nm-LED on inhibiting Bacillus subtilis in accordance with the packaging conditions employed in daily use. The packaging materials were linear low-density polyethylene (LLD-PE), nylon/low density polyethylene (LDPE), polystyrene, and glass. When all packaging materials were treated with 365 nm UV-LED, B. subtilis was observed to remain inactive for 30−60 min. Further, compared with the control (-log 5), the survival rate of B. subtilis was -log 2.0−2.5 for nylon/LDPE and -log 2.58−3.61 for LLD- PE. These packaging materials showed an excellent inhibitory effect regardless of their thickness. Typi- cally, a decrease in the viable cell count of more than 3 log indicates a 99.9% bactericidal effect. These results suggest that 365 nm UV-LED permeated the packaging material and inhibited bacterial growth.

Keywords: Ultraviolet light-emitting diode, B. subtilis, bactericidal control effect

*Corresponding author

Tel: +82-51-629-5831, Fax: +82-51-629-5824 E-mail: [email protected]

© 2019, The Korean Society for Microbiology and Biotechnology

완할수있다^[5].

UV는미생물에포함되어있는물분자를수산기라디칼이

생성되도록하여 ^DNA 가닥에손상을일으키고^{, DNA} 구조 를파괴함으로써세포를사멸하는원리로미생물을살균하

는것으로알려져있다^[6]. 또한 ^UV는파장이짧을수록더

많은에너지를낼수있어광화학산화과정을유도할확률 이더높아진다^[7]. 따라서 ^UV-C는 ^UV 영역중가장많은에 너지를낼수있어살균효과가가장뛰어나지만^, 단파장이 기때문에투과력이비교적약해제품표면의미생물에만영

향을미칠수있다^{. UV-A} 또한세포내에슈퍼옥사이드라

디칼^, 수산기라디칼및과산화수소라디칼등의활성산소종

(ROS)을생성하여미생물의 ^DNA 사슬을손상시켜미생물

을사멸한다고알려져있다^[8−^10]. 그러나 ^UV-A는파장이 길어식품내부까지침투할수있어식품내부에있는미생 물에영향을미칠수있다^{. Mori} 등^[8]은수산업에서 ^UV-A (365 nm)를이용한물살균시스템을연구한바있고, Lante 등^[11]은과일과채소의절단면에 UV-A (390 nm)를조사하

는방법을식품공정의전처리에적용하여 ^UV-A의살균효

과를입증하였다^. 하지만식품산업및가정에서흔히사용

되고있는식품포장재를대상으로한 ^UV-A의살균효과에

관한연구는아직미흡한실정이다^.

따라서본연구에서는식품살균의유효성을유지하고^, 식 품안전성을확보하기위해각종식품포장재와 365 nm UV- LED를이용하여Bacillus subtilis의생육억제효과를조사

하였고, 365 nm UV-LED를이용한효과적인살균처리기

술의산업적이용가치를제시하고자하였다^.

재료 및 방법

시험 균주 및 배지

본실험에서사용한균주는한국미생물보존센터^(Korean Culture Center of Microorganisms, Korea)에서 Bacillus subtilis를분양받아사용하였다^.

365 nm UV-LED 광원

실험에사용된 ^UV-LED 소자는 ^{365 nm} 단일파장이며^, 실 험장비는가로 ^{26 cm,} 세로 ^{13.5 cm} 크기의판을제작한후 판하부에 ^LED 소자 ⁴⁰개를가로^, 세로 ^{2 cm} 간격으로부 착하여제작하였다^. 전류전원은 AC adapter (0−^{8 A, 0}−^{24 V)} 를이용하여공급하였으며^, 전압은 ^{24 V}로설정하였다^.

365 nm UV-LED 조사 시 포장재의 조건에 따른 B. subtilis 의 생육 억제 효과

균주를 ^{5 ml}의 nutrient broth (NB; Acumedia Co., USA)에접종해 ³⁵℃에서 ²⁴시간 ¹차배양하였고^{, 1}차배양

한균주 ¹⁰⁰ µ^l를취해 nutrient agar (NA) 배지에도말하였 다^. 균주를도말한배지에 365 nm UV-LED 램프를사용하 여조사하였고^, 램프와배지와의거리는 ^{4.5 cm,} 조사강도 는 ^{25 W/cm2}의조건에서진행하였다^. B. subtilis에조사시

petri dish 위에유리를덮어조사하였으며^, 실험에사용한

유리의두께는 ^2.0 ± 0.1 mm, 3 mm, 5 mm로달리하였다^. 다양한포장재질중식품산업에흔히사용되는포장재질 세가지를선택하였다^. 가정용랩은크린랩사의선상저밀도 폴리에틸렌^(LLD-PE)으로두께가 ^{10 nm}인것을사용하였 다^. 진공포장지의경우^, 외부 재질은나일론^, 내부 재질은

LDPE로구성된적층포장지로두께가 ⁹⁰ µ^m인것을사용

하였다^. 플라스틱은 Crystal-grade polystyrene (PS)로두께가 0.78 mm인것을사용하였다^. 조사시간은 ³⁰분^{, 60}분^{, 120}분^, 180분으로하였고^, 조사시배지표면의온도는 ³⁰−³⁵℃로 일정하게유지하였다^. 조사가끝난뒤 petri dish의뚜껑을 닫고광재활성화를 방지하기위해 어두운곳에두었다가, 35℃에서 ¹⁸시간배양하여형성된집락수를계수하였다^. 집 락수를계수하여희석배수를곱하였고^{, log} 값을취한균생 존비율을아래식을이용해계산하였다^.

Log survival ratio = Log (Nt/N₀)

Nt : UV-LED를조사한샘플의집락수

N₀ : UV-LED를조사하지않은대조구의집락수

결 과

365 nm UV-LED 조사 시 LLD-PE(가정용 랩) 두께에 따른 B. subtilis의 생육 억제 효과

실험에 사용한 ^LLD-PE의 두께는 ^{10 nm}와 ^{20 nm}로^, 20 nm의경우 ^{10 nm}의 ^LLD-PE를두겹으로겹쳐서사용 하였다^{. LLD-PE}의두께에따른B. subtilis 생육억제효과 를 관찰한 결과(Fig. 1), 30분이 되는 시점에서 ^{10 nm}와 20 nm 두경우모두B. subtilis 생육이급격히감소하였으 며^, 그이후에도계속감소하는경향을보였다^. 총 ¹⁸⁰분동

안빛을조사하여생존율을 ^log 값으로나타낸결과^{, 10 nm}

두께에서는약 -log 2.58, 20 nm 두께에서는약 ^{-log 3.61}으 로B. subtilis에대한생육억제효과를보였다^. 하지만 ^LLD-

PE의두께에따른균생육억제효과의차이는미미한것으

로나타났다^.

365 nm UV-LED 조사 시 nylon/LDPE(진공포장지) 두께 에 따른 B. subtilis의 생육 억제 효과

본연구에서는포장재질을 Nylon/LDPE로하여 ^{90, 180,} 270 및 ³⁶⁰ µ^m의두께에서B. subtilis에대한생육억제정 도를관찰하였다^{(Fig. 2).} 조사시간이길어지는동안비슷한

폭으로생존율이감소하였다^. 총 ¹²⁰분동안빛을조사하여 생존율을 ^log 값으로나타낸결과^{, 90} µ^m에서는약 -log 2.75, 180 µ^m에서는 약 -log 2.78, 270 µ^m에서는 약 -log 2.81, 360 µ^m에서는약 ^{-log 2.97}로 Nylon/LDPE의두께차이는 생육억제효과에거의영향을미치지않았다^.

365 nm UV-LED 조사 시 PS (polystyrene) 두께에 따른 B.

subtilis의 생육 억제 효과

포장재로 ^PS를사용하여 ^{0.78 mm}와 ^{1.56 mm}의두께에 서B. subtilis에대한생육억제정도를관찰하였다^{(Fig. 3).}

0.78 mm의두께의경우^{, 60}분이되는시점에서B. subtilis 의생존율은약 ^{-log 2.30}으로 ³⁰분째의생존율인 ^{-log 0.48} 에비해약 ^{log 1.82}만큼크게감소하였다^. 시간에따라 B.

subtilis의생존율이점차감소하여 ¹⁸⁰분되는시점에서의

생존율은 약 ^{-log 3.29}로 ^{log 0.83}만큼 크게 감소하였다^.

1.56 mm의두께의경우^{, 30}분에서의생존률은약 -log 0.07, 60분에서는약 -log 1.07, 120분에는약 -log 1.27, 180분에는

약 ^{-log 1.33}으로시간이지날수록생존율은감소하였지만^,

0.78 mm의두께에비해감소폭이크게증가하지는않았다^.

최종 생존율 또한 약 ^{-log 1.33}으로 생육 억제 효과는

0.78 mm의두께에비해미미하였다^.

365 nm UV-LED 조사 시 유리 두께에 따른 B. subtilis의 생육 억제 효과

UV-A (320−^{400 nm)}는파장이길어실내유리를통과할 만큼투과력이뛰어나며^{, 4 mm} 두께의유리에 ^{UV-A (315}− 400 nm)를조사한연구결과^{, 7.4 W/cm2}의조사강도에서의

투과율이 ^74.3%로보고되어있다^[12]. 본연구에서는유리

두께별로^{(2, 3} 및 5 mm) 365 nm UV-LED를조사하여B.

subtilis에대한생육억제정도를관찰하였다^. 그결과^(Fig.

Fig. 1. Inactivation of B. subtilis by ultraviolet A (UV-A) light- emitting diode irradiation on LLD-PE packaging material with various thickness.

Fig. 2. Inactivation of B. subtilis by ultraviolet A (UV-A) light- emitting diode irradiation on nylon/LDPE packaging mate- rial with various thickness.

Fig. 3. Inactivation of B. subtilis by ultraviolet A (UV-A) light- emitting diode irradiation on crystal-grade polystyrene (PS) packaging material with various thickness.

Fig. 4. Inactivation of B. subtilis by ultraviolet A (UV-A) light- emitting diode irradiation on glass packaging material with various thickness.

4), 365 nm UV-LED 조사 후 ³⁰분째에 모든 조건의 B.

subtilis의생존율이급격히감소하였으며^, 이후계속해서

생존율이감소하는경향을보였다^. 이중감소폭이가장큰 것은 ^{3 mm}의두께로^, 시간이지날수록약 ^{log 0.5} 간격으로 꾸준히감소하였다^. 총 ¹⁸⁰분동안빛을조사하여B. subtilis

의생존율을 ^log 값으로나타낸결과^{, 2 mm} 두께에서는약

-log 2.75, 3 mm 두께에서는약 -log 2.97, 5 mm 두께에서는

약 ^{-log 1.84}로가장두꺼운유리에서가장낮은생육억제

효과를보였다^. 다른포장재질은B. subtilis의생존율이

-log 2−³인것에비해유리는 ^{-log 1}−²로B. subtilis의생존 율이더높게관찰되었고^{, UV-A}의경우^, 유리투과력이비 교적약한것으로확인되었다^.

고 찰

UV를이용한식품의살균처리기술및포장재에따른투

과력에 관한 연구는 주로 ^UV-C에 국한되어 있다^{. PET,}

PVC, PP 및 ^PE 재질의플라스틱필름에대한 ^{UV-C (200}−

280 nm)의투과율 및미생물사멸 효과에 관한연구^[13],

PET/PE (0.063 mm) 필름으로 감싼 PET/EVOH/PE

(0.4 mm) 트레이와 PA/PE (0.090 mm) 파우치포장에 ^UV-

C 조사후^, 저장기간동안미생물의증식유무에대한연구

[14] 등에의해 ^UV-C의미생물생육억제효과가식품의저

장중유통기한을향상시키는데기여한다고보고되고있다^. 본연구에이용된포장재들은일반적으로식품포장시가

장흔하게사용되고있다^{. LLD-PE}는레토르트파우치와가

정용랩으로유용하게사용되고있는포장재질이며^{, LD-PE} 는연포장용필름이나일회용장갑및봉지^, 마요네즈및케 찹류의연질성용기^, 우유나주스용종이팩등라미네이트 포장재내층으로주로사용된다^. 또한 ^PS는 PE, polypropylene

(PP) 등과함께식품포장에많이사용되는재료로무색투

명하고가벼워저온유통되는식품용트레이^, 병또는컵등 에사용된다^[15]. 본연구를통해 LLD-PE, nylon/LDPE 및 PS의포장재는 365 nm UV-LED 조사시^, B. subtilis의생존 율이 약 ^{-log 2}−³ 범위로확인되었다^. 이에 따라^{, 365 nm}

UV-LED 조사를일반적으로사용되고있는식품포장재에

적용할경우^, Bacillus subtilis를비롯한미생물생육억제 를통하여식품의저장및식품품질의향상을기대할수있 을것으로예측된다^. 반면유리포장재의경우^, B. subtilis의 생존율이약 ^{-log 1}−²의범위로앞서언급한 ³ 종류의포장

재에비해생존율이더높게나타났다^. 이에따라 ^UV-A의경

우^, 유리포장재에대한투과력이비교적약한것으로확인

되었다^{. UV-A}를식품산업에보다안전하고효과적으로이

용하기위해서는포장재의적용범위와조건및다양한미 생물에대한생육억제효과등에대한연구가계속적으로

진행되어져야할것으로사료된다^.

요 약

본연구에서는그람양성의호기성유포자세균중자연 계에널리분포되어식품에문제를일으키는대표적인균인 B. subtilis를대상으로 365 nm UV-LED의생육억제효과 를입증하였다^. 또한 365 nm UV-LED 조사시^, 식품포장재 로흔히사용되고있는유리, LLD-PE, Nylon/LDPE 및 ^PS

등의포장조건에따른B. subtilis 생육억제효과를확인하

였다^. 그결과^, B. subtilis의생육억제효과가가장뛰어난 재질은 Nylon/LDPE와 ^LLD-PE로확인되었고^, 대조구의생 존율인 ^{-log 5} 값과비교하여각각의생존율은약 ^{-log 2.5}− 2.9, -log 2.58−^3.61로나타났다^. 이때재질의두께가미생물 의생육에미치는영향은미미한것으로관찰되었고^, 포장

재질에따라 365 nm UV-LED 투과력이다르다는것을확

인할수있었다^. 통상적으로 ^{log 3} 이상생균수가감소하면

99.9% 살균효과가있는것으로나타낼수있는데^, 본연구

를통해 365 nm UV-LED가흔히사용되고있는식품포장

재를투과하여균의생육억제에영향을줄수있음을확인 하였다^. 이러한결과를통해 365 nm UV-LED의사용이식 품보존과식품산업분야의응용기술로써잠재력이있음을 시사하는바이다^.

Acknowledgments

This work was supported by a Research Grant of Pukyung National University (2017 Year).

Conflict of Interest

The authors have no financial conflicts of interest to declare.

References

1. Kim JY, Chun HH, Song KB. 2008. Effect of UV-C irradiation on the quality of imported dried fish during storage. Korean J.

Food Preserv. 15: 922-926.

2. Moosekian SR, Jeong S, Marks BP, Ryser ET. 2012. X-ray irradia- tion as a microbial intervention strategy for food. Annu. Rev.

Food Sci. Technol. 3: 493-510.

3. Bintsis T, Litopoulou-Tzanetaki E, Robinson RK. 2000. Existing and potential applications of ultraviolet light in the food indus- try- a critical review. J. Sci. Food Agric. 80: 637-645.

4. Zhang J, Zivic N, Dumur F, Xiao P, Graff B, Fouassier JP, et al.

2014. UV-violet-blue LED induced polymerizations: Specific photoinitiating systems at 365, 385, 395 and 405 nm. Polymer 55: 6641-6648.

5. Alonso JM, Gacio D, Calleja AJ, Ribas J, Corominas EL. 2012. A study on LED retrofit solutions for low-voltage halogen cycle lamps. IEEE Trans. Ind. Appl. 48: 1673-1682.

6. Min J, Lee CW, Gu MB. 2003. Gamma-radiation dose-rate effects on DNA damage and toxicity in bacterial cells. Radiat.

Environ. Biophys. 42: 189-192.

7. Kim SH, Lee SW, Cho HG, Kim YH, Kim SO. 2014. TiO2-catalytic UV-LED photo-oxidation of cyanide contained in mine waste- water. J. Miner Soc. Korea 27: 223-233.

8. Mori M, Hamamoto A, Takahashi A, Nakano M, Wakikawa N, Tachibana S, et al. 2007. Development of a new water steriliza- tion device with a 365 nm UV-LED. Med. Biol. Eng. Comput. 45:

1237-1241.

9. Pourzand C, Tyrrell RM. 1999. Apoptosis, the role of oxidative stress and the example of solar UV radiation. Photochem. Pho- tobiol. 70: 380-390.

10. Petersen AB, Gniadecki R, Vicanova J, Thorn T, Wulf HC. 2000.

Hydrogen peroxide is responsible for UVA-induced DNA dam- age measured by alkaline comet assay in HaCaT keratinocytes.

J. Photochem. Photobiol. B. 59: 123-131.

11. Lante A, Tinello F, Nicoletto M. 2016. UV-A light treatment for controlling enzymatic browning of fresh-cut fruits. Innov. Food Sci. Emerg. Technol. 34: 141-147.

12. Duarte I, Rotter A, Malvestiti A, Silva M. 2009. The role of glass as a barrier against the transmission of ultraviolet radiation: An experimental study. Photodermatol. Photoimmunol. Photomed.

25: 181-184.

13. Ha JW, Back KH, Kim YH, Kang DH. 2016. Efficacy of UV-C irradi- ation for inactivation of food-borne pathogens on sliced cheese packaged with different types and thicknesses of plas- tic films. Food Microbiol. 57: 172-177.

14. Manzocco L, Plazzotta S, Maifreni M, Calligaris S, Anese M, Nicoli MC. 2015. Impact of UV-C light on storage quality of fresh-cut pineapple in two different packages. Food Sci. Tech- nol. 65: 1138-1143.

15. Ozen BF, Floros JD. 2001. Effects of emerging food processing techniques on the packaging materials. Trends Food Sci. Technol.

12: 60-67.