플라즈마 활성수의 살균 효과 및 응용

학위논문 (박사) -- 서울대학교 대학원 : 농업생명과학대학 농생명공학부, 2021. 2. 조철훈.최근 살균 및 소독제로서 플라즈마 활성수를 다양한 형태로 응용하는 연구들이 진행되고 있다. 특히 실용적인 측면에서 플라즈마 활성수를 스프레이 및 버블 등의 형태로 응용하거나 초음파와 같은 다른 기술들을 접목하여 살균 효율을 증진시키기 위해 노력하고 있다. 따라서, 본 연구에서는 플라즈마 활성수의 활용성을 증진시키기 위한 응용과 각각의 살균 기작을 구명하기 위하여 1) 아크 방전 플라즈마에 의해 생성된 플라즈마 활성 분무액의 병원성 미생물 살균효과 및 살균 기작을 조사하고, 2) 플라즈마 버블의 살모넬라 티피뮤리움(Salmonella Typhimurium) 살균에 기여하는 핵심 활성종과 유기물의 영향을 확인하고, 3) 스테인리스 강 표면에 접종된 황색포도상구균(Staphylococcus aureus)에 대하여 청색광과 플라즈마 활성수가 시너지 살균작용을 나타낼 수 있는지를 검증하였다. 실험 Ⅰ에서는 아크 방전 플라즈마에 의해 생성된 플라즈마 활성 분무액의 리스테리아 모노사이토제네스(Listeria monocytogenes) 및 대장균 O157:H7 (Escherichia coli O157:H7)에 대한 살균 효과와 살균 기작을 조사하였다. 플라즈마 방전을 위해 0.9% NaCl (w/v) 용액을 급수로 사용하였다. 플라즈마 활성 분무액은 주로 과산화수소와 하이포아염소산이온으로 구성되어 병원성 미생물에 대한 살균작용에 기여하는 것으로 사료된다. L. monocytogenes와 E. coli O157:H7을 각각 플라즈마 활성 분무액에 반응시킬 경우 5분 이내에 각각 3 및 4 log 수준만큼 살균되었다. 반면, 플라즈마 활성 분무액을 1분 처리하였을 경우 L. monocytogenes는 0.58 log 살균되었으나, E. coli O157:H7은 4.13 log 살균되어 서로 다른 살균양상을 나타내었다. DNA-결합 형광 염료인 SYTO 9 및 propidium iodide (PI)를 사용하여 미생물 세포막의 온전성 변화를 측정한 결과, 플라즈마 활성 분무액을 5분 처리하였을 경우 대다수의 L. monocytogenes 및 E. coli O157:H7 세포들이 PI와 반응하여 세포벽과 세포막이 손상되었음을 확인할 수 있었다. 반면, 플라즈마 활성 분무액을 1분 처리하였을 경우에는 E. coli O157:H7 세포에 비하여 L. monocytogenes 세포의 세포막 손상이 적었다. 투과전자현미경 분석 결과 L. monocytogenes 및 E. coli O157:H7 모두 플라즈마 활성 분무액 처리에 의하여 세포 내 물질들이 일부 변성되거나 세포 외부로 누출되는 현상의 형태학적 변화를 확인할 수 있었다. 플라즈마 활성 분무액 내 화학종들이 세포 외 구조물을 통과하거나 손상을 입혀 세포 내 물질들에 영향을 미칠 수 있으며 L. monocytogenes가 E. coli O157:H7과 비교하여 상대적으로 플라즈마 활성 분무액에 덜 민감한 것으로 사료된다. 실험 Ⅱ에서는 저온 플라즈마 버블의 S. Typhimurium 살균작용에 기여하는 핵심 활성종과 유기물의 영향을 조사하였다. 플라즈마는 유전체 장벽 방전을 통해 발생시켰으며, 오존이 주요하게 발생되어 버블의 형태로 용액(400 mL)에 주입되었다. S. Typhimurium 생균수는 플라즈마 버블의 처리시간이 늘어남에 따라 유의적으로 감소하여 처리시간 5분 기준으로 약 5.29 log 살균되었다. 핵심 활성종을 구명하기 위하여 오존가스 제거 장치(ozone destruction unit)와 유리기 포촉제(radical scavenger)를 사용하여 검증시험을 진행하였다. 실험 결과, S. Typhimurium 살균작용에는 일중항산소가 주요하게 기여하고, 이러한 일중항산소의 생성에는 오존으로부터 생성되는 초과산화물 음이온 라디칼의 존재가 필수적인 것으로 사료된다. 육추출물과 펩톤으로 구성된 유기물을 농도별(0, 0.005, 0.05, 0.1, 그리고 0.5 g/L)로 준비하여 S. Typhimurium을 접종한 후 플라즈마 버블을 5, 10, 15, 20, 25, 그리고 30분 처리한 결과 살균 효율은 유기물 농도 의존적으로 감소하였으나, 일부 농도 조건을 제외하면 더 긴 처리시간을 통하여 성공적인 살균작용을 나타낼 수 있었다. 실험 Ⅲ에서는 스테인리스 강 표면에 접종된 S. aureus에 대하여 청색광 처리가 플라즈마 활성수의 살균 효율을 증진시킬 수 있는지를 조사하였다. 청색광 처리는 발광 다이오드(중심파장, 466 nm; 광도, 18.74 mW/cm2)를 이용하였고, 플라즈마 활성수 처리는 캡슐화된 대기압 플라즈마 발생기(2.2 kHz, 4.2 kV)를 이용하였다. 스타필로잔틴에 청색광을 처리하였을 경우 460 nm 흡광도 값은 조사량(0, 30, 60, 90, 그리고 150 J/cm2)이 증가할수록 유의적으로 감소하였으며, 150 J/cm2 조건에서 완전히 투명해졌다. 청색광(150 J/cm2)과 플라즈마 활성수(10분)를 S. aureus 현탁액에 복합 처리하였을 경우 약 2.70 log 살균되었으며 이는 플라즈마 활성수 단일 처리군과 비교하여 약 40배 수준이었다. 또한, 플라즈마 방전 종료 후 10분간 방치시킨 결과 S. aureus 생균수는 복합 처리군에서 검출되지 않아(검출한계, 1 log CFU/mL) 대조군 대비 6.66 log 이상의 살균효과를 나타내었다. S. aureus 세포에 대한 청색광(150 J/cm2) 단일처리에 의해 260 및 280 nm 흡광도 값이 증가하여 세포막 섭동에 의한 세포 내 물질의 누출 가능성을 확인하였으며 손상된 세포막만 통과할 수 있는 SYTOXTM green의 침투에 의한 형광 신호의 증가를 마찬가지로 확인할 수 있었다. S. aureus가 접종된 스테인리스 강에 대해서도 마찬가지로 청색광(150 J/cm2)과 플라즈마 활성수(15분) 복합 처리에 의한 시너지 살균 효과를 확인할 수 있었다. 본 연구 결과, 병원성 미생물을 제어하기 위하여 플라즈마 활성수를 분무액 및 버블의 형태로 응용할 수 있었고, 또 다른 비가열 기술인 청색광에 응용하여 플라즈마 활성수의 활용성 증진의 가능성을 확인하였고, 각각의 살균 기작을 검증하였다. 플라즈마 활성수는 다양한 형태로 응용될 수 있으며, 병원성 미생물에 대한 플라즈마 활성수의 명확한 살균 기작을 구명함으로써 식품 산업을 포함하여 다양한 분야에서 유망한 살균·소독제로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.Overall Summary A series of research results have been reported for the possible application of plasma-activated water (PAW) as a highly effective measure of pasteurization process. In the application perspective, there are various approaches including addition of chlorine, spray, micro- or nano-bubbles, and ultrasound-assisted synergy to make more effective and feasible. In addition, it is very important to understand the mechanism of action of the PAW in different forms of application. Therefore, the present experiments were conducted 1) to investigate the bactericidal effect and its mechanism of plasma-activated droplets generated from arc discharge plasma, 2) to identify the key reactive species and influence of organic matter for inactivating Salmonella Typhimurium by plasma bubbles, and 3) to confirm the possibility of synergistic bactericidal action between blue light and PAW against Staphylococcus aureus on stainless steel surfaces. Experiment I. Antimicrobial effects and mechanism of plasma-activated droplets produced from arc discharge plasma on Listeria monocytogenes and Escherichia coli O157:H7 In this study, the antimicrobial effects of plasma-activated droplet (PAD) produced from arc discharge plasma on planktonic Listeria monocytogenes and Escherichia coli O157:H7 was investigated. NaCl (0.9%, w/v) was used as the feeding solution for the plasma discharge. The inactivation mechanism of the PAD treatment was also investigated. PAD mainly contains H2O2 and OCl-, which play a significant role in the inactivation process against L. monocytogenes and E. coli O157:H7. The population of L. monocytogenes and E. coli O157:H7 was significantly reduced by approximately 3 and 4 log units, respectively, within 5 min of PAD exposure. However, the bactericidal effects of PAD against L. monocytogenes and E. coli O157:H7 showed different trends by showing 0.58 and 4.13 log reductions, respectively, after 1 min of PAD exposure time. The change of membrane integrity was evaluated using two DNA-binding fluorescence dyes, SYTO 9 and propidium iodide (PI). The breakage of the cell wall and membrane of both microorganisms was evidenced by the uptake of PI by cells after 5 min of PAD exposure, but the effect was less in L. monocytogenes compared to E. coli O157:H7 after 1 min of PAD exposure time. The transmission electron microscopy results clearly showed morphological changes in both microorganisms, including denaturation or leakage of intracellular materials as a consequence of PAD treatment. These findings suggest that PAD-induced chemical species can eventually affect the intracellular materials of bacterial cells by passing through or attacking the cell envelope. In addition, L. monocytogenes is less susceptible to PAD compared with E. coli O157:H7. Experiment II. Inactivation of Salmonella Typhimurium by non-thermal plasma bubbles: Exploring the key reactive species and influence of organic matter The key reactive species generated by non-thermal plasma bubbles for the inactivation of Salmonella Typhimurium and the effects of organic matter on the inactivation efficacy were investigated. Plasma, which is primarily composed of ozone (O3), was generated by dielectric barrier discharge and injected into a solution as a bubble. The population of viable S. Typhimurium decreased in proportion to the treatment time, resulting in a 5.29 log reduction after 5 min of treatment. Verification tests to specify key reactive species were conducted using an O3 destruction unit and reactive oxygen species scavengers. The results indicated that singlet oxygen (1O2) contributes substantially to the inactivation of S. Typhimurium, and that the presence of superoxide anion radicals (O2·-) from O3 is essential for the production of 1O2. When a S. Typhimurium suspension containing organic matter (final concentration: 0, 0.005, 0.05, 0.1, and 0.5 g/L), consisting of beef extract and peptone, was treated with plasma bubbles for 5, 10, 15, 20, 25, and 30 min, respectively, the potential of the plasma bubbles for inactivating S. Typhimurium successfully was verified with longer contact time, despite organic matter attenuating the inactivation efficiency in a dose-dependent manner. Experiment III. Blue light promotes bactericidal action of plasma- activated water against Staphylococcus aureus on stainless steel surfaces The study was conducted to investigate the effects of blue light on the enhancement of bactericidal effect of plasma-activated water (PAW) against Staphylococcus aureus on stainless steel surfaces by inducing the photolysis of staphyloxanthin (STX). A light-emitting diode (LED; central emission wavelength, 466 nm; light intensity, 18.74 mW/cm2) was used for blue light treatment, and encapsulated atmospheric pressure plasma generator (2.2 kHz, 4.2 kV) was applied for PAW treatment. When STX extract was treated with blue light (0, 30, 60, 90, and 150 J/cm2), the absorbance value at 460 nm significantly decreased in a dose-dependent manner, and became completely transparent at dose of 150 J/cm2. After combined treatment with blue light (150 J/cm2) and PAW (10 min), the surviving population of S. aureus decreased by 2.70 log CFU/mL, which was about 40 times higher than that after plasma single treatment. In addition, 10 min of post plasma treatment in combined treatment group showed more than 6.66 log CFU/mL reduction compared to the control group, resulting in non-detectable levels (detection limit: 1 log CFU/mL). Blue light (150 J/cm2) treatment increased the absorbance values at 260 and 280 nm, indicating the possibility of damage to cell membranes, which was also identified by an increase in the SYTOXTM green fluorescence signal. The synergistic bactericidal effect of blue light (150 J/cm2) and PAW (15 min) against S. aureus was also observed in stainless steel coupons.Overall Summary i Contents vi List of Tables x List of Figures xi List of Abbreviations xv Chapter I. General introduction 1.1. Food safety 1 1.1.1. Definition 1 1.1.2. Foodborne disease 2 1.2. Plasma-activated water (PAW) 5 1.2.1. Definition 5 1.2.2. PAW for microbial inactivation 7 1.2.2.1. Factors involved in microbial inactivation 7 1.2.2.2. Mechanisms of microbial inactivation 9 Chapter II. Antimicrobial effects and mechanism of plasma-activated droplets produced from arc discharge plasma on Listeria monocytogenes and Escherichia coli O157:H 7 2.1. Introduction 18 2.2. Material and methods 21 2.2.1. Plasma source and preparation of PAD. 21 2.2.2. Chemical measurement in PAD 24 2.2.3. Bacterial strain and culture conditions 25 2.2.4. Analysis of the antibacterial ability of PAD 26 2.2.5. Determination of cell membrane integrity 27 2.2.6. Transmission electron microscopy 27 2.2.7. Statistical analysis 28 2.3. Results and discussion 30 2.3.1. Chemical characterization of PAD 30 2.3.2. Bacterial viable count 38 2.3.3. Membrane integrity 41 2.3.4. Morphological analysis 43 2.4. Conclusion 45 Chapter III. Inactivation of Salmonella Typhimurium by non-thermal plasma bubbles: Exploring the key reactive species and the influence of organic matter 3.1. Introduction 54 3.2. Material and methods 59 3.2.1. Plasma generator and plasma-bubbling system 59 3.2.2. The generation of plasma bubbles 62 3.2.3. Measurement of gaseous O3 and nitrogen oxides (NO/NOx) 65 3.2.4. Chemical measurement in PAW 65 3.2.5. Bacterial strain and culture conditions 66 3.2.6. Plasma bubble treatment of the bacterial suspension and assessment of bacterial inactivation 66 3.2.7. Application of reactive oxygen species (ROS) scavengers and O3 destruction unit 67 3.2.8. Statistical analysis 68 3.3. Results and discussion 69 3.3.1. Physicochemical characterization of plasma 69 3.3.2. Bactericidal effects of plasma bubbles and contributions of reactive species 74 3.3.3. The role of gaseous O3 on the bactericidal action of plasma bubbles and generation of key reactive species 77 3.3.4. Effects of organic matter on the inactivation efficacy of plasma bubbles 82 3.4. Conclusion 86 Chapter IV. Blue light promotes bactericidal action of plasma-activated water against Staphylococcus aureus on stainless steel surfaces 4.1. Introduction 94 4.2. Material and methods 98 4.2.1. Bacterial strains, culture, and preparation 98 4.2.2. Blue light source 98 4.2.3. Encapsulated atmospheric pressure plasma 102 4.2.4. Synergistic bactericidal effect of blue light and PAW 104 4.2.4.1. Carotenoids extraction and its absorption intensity 104 4.2.4.2. Assessment of synergy between blue light and PAW 104 4.2.4.3. Measurement of nucleic acid and protein leakage 107 4.2.4.4. Determination of cell membrane integrity 107 4.2.5. Synergistic bactericidal effect of blue light and PAW on coupon 108 4.2.5.1. Preparation and inoculation of surfaces 108 4.2.5.2. Bactericidal effects of blue light and PAW on coupon 108 4.2.5.3. Microbial analysis 108 4.2.6. Statistical analysis 109 4.3. Results and discussion 110 4.3.1. Reactive species in gas phase 110 4.3.2. Photobleaching of STX extract and S. aureus 112 4.3.3. Bactericidal effects of infividual and combined treatment of blue light and PAW 115 4.3.4. The leakage of intracellular nucleic acid and protein 117 4.3.5. Determination of bacterial cell membrane damage 119 4.3.6. Bactericidal effects of blue light and PAW on stainless steel coupon 121 4.4. Conclusion 123 Chapter V. Overall conclusion 132 Overall Summary in Korean 133Docto

Quality characteristics of rice noodles treated with cold plasma

쌀국수의 유통 안전성 확보를 위한 기초자료를 확보하기 위하여 최근 각광받고 있는 저온 플라즈마 처리에 의한 쌀국수의 품질 특성 분석을 하였다. 본 연구에서 이용한 플라즈마는 컨테이너형 유전격벽 플라즈마로 방전 가스는 공기를 활용하여 0, 5, 10 및 20분 처리하였고 미생물 감균효과, 색도, 경도 및 지질산패도 변화를 측정하였다. 쌀국수에 B. cereus 및 E. coli O157:H7을 접종한 후 20분간 플라즈마 처리 시 E. coli O157:H7은 2.75 log CFU/g 감소하였고, B. cereus는 검출되지 않았다. 색도 측정결과 플라즈마 처리에 의해 명도(L⁎), 적색도(a⁎) 및 황색도(b⁎) 모두 증가하였으며, 경도는 처리시간이 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였다. 하지만 플라즈마 처리에 의해 지질산화가 일어나는 경향을 보였다. 따라서 공기로 방전된 저온 플라즈마 기술은 쌀국수의 품질안전성을 개선될 것이라고 판단되나 관능적 품질 특성 개선을 위한 적합 플라즈마 모델 선정, 포장방법 개선 등의 후속연구가 필요하다고 판단된다. Cold plasma has been applied to improve quality of food product; however, studies on its effects on microbial and physicochemical qualities of rice noodles are rarely conducted. In this study, changes in the quality characteristics of rice noodles treated by cold plasma were determined. Cold plasma was generated in a square-shaped plastic container (250 W, 15 kHz, ambient air), and dielectric barrier discharge plasma treatments were applied to rice noodle samples for 0, 10, or 20 min. Rice noodles inoculated with either Bacillus cereus or Escherichia coli O157:H7 were subjected to plasma treatment for 20 min, and the approximate bacterial count reduction were 4.10 and 2.75 log CFU/g, respectively. The Hunter color values of the sample were increased after cold plasma treatment. Peroxide values and thiobarbituric acid reactive substance (TBARS) were increased with an increase in cold plasma treatment time. Futhermore, lipid oxidation was enhanced. Although further studies are warranted to evaluate changes in chemical qualities, such as lipid oxidation of rice noodles, induced by cold plasma, the results suggest that cold plasma can improve the microbial and physical qualities of rice noodles.N

연안 빅데이터 플랫폼 및 센터 구축 사업

추진 목표 ㅇ 연안 재난·재해 데이터의 체계적인 수집·통합·유지관리체계 마련하고 공공과 민간의 데이터 결합을 통한 데이터 가치화 및 생태계 조성을 통한 연안 분야 데이터 경제 활성화, 사회 현안 해결 新 데이터산업 육성체계 구축 추진 목적 및 중요성 ㅇ 기관별로 연안 분야 자료를 수집·관리 및 서비스 중으로 예측 정확도(78%), 기술 수준(75%)은 선진국(美 100% 등) 대비 저조 ㅇ 이에, 분산된 데이터의 체계적 수집 및 융·복합을 통해 데이터 활용의 효용성과 가치를 높이고 각종 연안 재난·재해로부터 국가 인프라를 보호하고, 국민 안전을 확보할 수 있는 민·관 융합형 연안 분야 빅데이터 플랫폼 구축사업 필요 ㅇ 빅데이터 기반의 산업‧경제 생태계 활성화로 4차 산업혁명 및 지능정보 시대 도래에 따른 연안 분야 재난 및 안전에 대한 국가적 대응체계 기반 마련 추진 내용 및 범위 ㅇ 연안 분야 플랫폼 운영기관 및 참여기업, 센터 등에서 생산·구축한 데이터 수집, 표준화, 품질진단, 가공 및 융합을 통한 플랫폼 연계체계 마련 ㅇ 일반사용자 및 전문가를 위한 데이터 분석 도구(공간분석, 시각화 서비스, 빅데이터 분석) 제공 ㅇ 유통 및 거래 운영계획 수립, 데이터 마켓 플레이스 구축 및 연안 분야 데이터 유통시스템 구축 ㅇ 대국민 혁신 서비스 개발 및 제공 ㅇ 스타트업 기업 지원, 빅데이터 공모전, 데이터 활용 교육, 데이터 거버넌스 활동 등 빅데이터 생태계 활성화 ㅇ 언론보도, 컨퍼런스 등 사업 성과 홍보를 위한 행사 진행 추진 성과 ㅇ 22년 1차년도 연안 빅데이터 플랫폼 구축 관련하여 플랫폼 및 센터간 공통 인프라 구축, 연계 체계 마련, 데이터 수집·저장·유통 등 라이프사이클 실시간 모니터링 체계 마련, 데이터 분석(공간분석, 시각화, 빅데이터 분석) 환경 제공, 데이터 유통·거래 체계를 구축 ㅇ 플랫폼 및 센터 가공·융합데이터 162종 개방 ㅇ 산학계 대상 수요조사, 자생화 방안 컨설팅, 빅데이터 플랫폼 런칭기념 데이 행사, 학술 대회 발표 및 지자체 산업계 네트워킹 행사(부산 해양신산업 오픈플랫폼) 참여를 통해 고객이 필요로 하는 신규 데이터 및 서비스를 파악 및 적용 ㅇ 연안 빅데이터 플랫폼의 안정적 시장 정착 및 데이터 구매 활성화를 위해 연안 빅데이터 플랫폼 홍보 활동 활용방안 및 기대효과 ㅇ 연안 분야 공공데이터와 민간데이터 간 연계·융합을 통한 데이터의 서비스 품질 제고 및 거래 활성화를 통한 수익 창출 ㅇ 빅데이터를 활용한 융·복합, 분석 및 가공을 통한 소비자 중심의 고부가가치 데이터 생산 및 혁신서비스 제공 및 활용 확대한국지능정보사회진흥원(NIA