Influence of Drying Techniques and Encapsulation Materials on the Antibacterial Activity of Lactiplantibacillus plantarum Cell-Free Supernatants

식품 안전은 끊임없는 전쟁이며, 세계 인구가 증가하고 환경이 변화함에 따라 더욱 복잡해지고 있습니다. 수십 년 동안 식품 산업은 부패를 막고 유해한 세균을 죽이기 위해 화학 보존제에 의존해 왔지만, 소비자들은 점점 더 천연 대안을 찾고 있습니다. 자연은 이미 요거트나 사워크라우트와 같은 발효 식품에서 발견되는 유익한 미생물 그룹인 젖산균이라는 강력한 방어 수단을 제공하고 있습니다. 이 박테리아는 단순히 음식을 새콤하게 만들 뿐만 아니라, 위험한 병원균의 성장을 저지할 수 있는 천연 화학 물질의 혼합물을 생성합니다. 그러나 이러한 유익한 화학 물질은 매우 취약합니다. 열, 빛 또는 산소에 노출되면 분해될 수 있어, 실용적이고 유통 기한이 긴 방식으로 사용하기 어렵습니다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 씨앗이 단단한 껍질에 의해 보호받는 것과 매우 유사하게, 이 섬세한 물질들을 보호용 껍질로 감싸는 '캡슐화(encapsulation)'라는 기술에 주목했습니다. 과제는 적절한 껍질 재료와 내부의 활성 성분을 파괴하지 않고 혼합물을 건조할 수 있는 적절한 방법을 찾는 데 있습니다.

최근 한 연구에서 연구진은 Lactiplantibacillus plantarum이라 불리는 특정 박테리아 균주의 항균력을 보존하는 최선의 방법을 찾고자 했습니다. 이 미생물은 부패 및 질병을 일으키는 박테리아와 싸우는 화합물이 풍가득한 액체, 즉 세포 무형성 상등액(cell-free supernatant)을 생성하는 것으로 유명합니다. 연구팀은 두 가지 서로 다른 건조 방식인 뜨거운 공기를 사용하여 물을 빠르게 증발시키는 분무 건조(spray drying)와 얼음을 직접 기체로 바꾸어 물을 제거하는 동결 건조(freeze-drying)가 액체의 살균 능력에 어떤 영향을 미치는지 알아보고자 했습니다. 또한 그들은 두 가지 다른 보호 코팅제인 전분으로 만든 가루인 말토덱스트린(maltodextrin)과 우유에서 추출한 단백질인 카제인나트륨(sodium caseinate)을 테스트했습니다. 목표는 어떤 조합이 특히 생선 부패를 일으키는 박테리아와 인간에게 식중독을 일으키는 박테리아에 대해 항균력을 가장 강력하게 유지하는지 확인하는 것이었습니다.

연구진은 먼저 박테리아로부터 얻은 원액의 화학적 구성을 분석했습니다. 그들은 이 액체가 침입자와 싸우기 위해 박테리아가 사용하는 무기인 유기산, 페놀, 탄화수소를 포함한 16가지 성분을 포함하고 있음을 발견했습니다. 가장 풍부한 성분은 페놀의 일종과 식초의 날카로운 냄새를 주는 성분인 아세트산이었습니다. 액체의 강도를 테스트하기 위해 팀은 일곱 가지 서로 다른 버전을 만들었습니다. 일부는 원액 상태로 남겨두었고, 다른 것들은 분무 건조 또는 동결 건조를 통해 건조되었습니다. 건조된 샘플들은 말토덱스트린 또는 카제인나트륨으로 코팅되었습니다. 연구진은 이 샘플들을 Staphylococcus aureus(황색포도상구균, 흔한 식중독의 원인)와 Vibrio vulnificus(비브리오 불니피쿠스), Photobacterium damselae(포토박테리움 담셀리)와 같이 생선을 부패시키는 여러 종류의 박테리아를 포함한 라인업에 대해 테스트했습니다.

결과는 박테리아의 힘을 보존하기 위한 전투에서 명확한 승자를 보여주었습니다. 동결 건조되고 카제인나트륨으로 코팅된 샘플이 박테리아 성장을 막는 데 가장 효과적인 것으로 증명되었습니다. Staphylococcus aureus가 있는 플레이트에 놓였을 때, 이 특정 혼합물은 박테리아가 자랄 수 없는 구역인 저지대(zone of inhibition)를 23.67mm 너비로 형성했습니다. 이는 24.67mm의 저지대를 형성한 건조되지 않은 원액의 성능에 거의 근접한 수치였습니다. 반면, 분무 건조된 샘플은 일반적으로 성능이 떨어졌으며, 특히 말토덱스트린으로 코팅되었을 때 그러했습니다. 예를 들어, 코팅이 없는 분무 건조 버전은 생선 부패 박테리아를 막는 데 어려움을 겪으며 11.50mm만큼 작은 저지대를 형성했습니다. 이 연구는 동결 건조의 부드러운 특성이 우유 단백질의 보호 특성과 결다면, 섬세한 항균 화합물을 온전히 유지하는 데 도움이 된다는 점을 시사합니다.

연구진은 또한 박테리아의 성장을 막거나 완전히 죽이는 데 정확히 얼마만큼의 물질이 필요한지도 측정했습니다. 그들은 동결 건조되고 단백질이 코팅된 샘플이 효과를 내기 위해 가장 적은 양을 필요로 한다는 것을 발견했습니다. 생선 부패 박테리아인 Photobacterium damselae에 대해서, 이 특정 혼합물은 12.5mg/mL만큼 낮은 농도에서도 성장을 막을 수 있었습니다. 인간 병원균인 Staphylococcus aureus에 대해서도 동일한 혼합물은 100mg/mL의 농도에서 박테리아를 죽일 수 있었습니다. 이와 비교하여, 분무 건조된 샘플은 동일한 결과를 얻기 위해 종종 훨씬 높은 농도를 필요로 했으며, 어떤 경우에는 테스트된 가장 높은 농도에서도 박테리아가 전혀 죽지 않았습니다. 이 연구는 분무 건조가 산업적 용도로는 더 저렴하고 빠르지만, 적절한 코팅을 사용하지 않으면 동결 건조보다 활성 화합물을 더 많이 손상시킬 수 있음을 나타냅니다.

건조된 분말의 물리적 구조를 살펴보는 것은 더 많은 단서를 제공했습니다. 강력한 현미경으로 관찰했을 때, 분무 건조된 입자들은 작은 구형이었으며 일부는 주름져 있거나 덩어리로 뭉쳐 있었습니다. 그러나 동결 건조된 샘플은 달랐습니다. 말토덱스트린으로 코팅된 것들은 매끄럽고 연결된 층 형태를 띠었으며, 단백질로 코팅된 것들은 평평하고 부서지기 쉬운 형태였습니다. 이러한 물리적 차이는 왜 동결 건조된 단백질 코팅 샘플이 그렇게 잘 작동했는지를 설명해 줄 가능성이 높습니다. 단백질 코팅의 구조가 전분 기반의 코팅보다 건조 과정의 가혹한 조건으로부터 활성 화학 물질을 더 잘 보호했을 것입니다. 연구는 두 건조 방식 모두 각자의 용도가 있지만, 코팅 재료의 선택이 결정적이라고 결론지었습니다. 카제인나트륨은 동결 건조를 위한 우수한 방패로서 박테리아 액체의 생물학적 활성을 보존하는 반면, 말토덱스트린은 분무 건조가 유일한 옵션일 경우 더 나은 선택이 될 수 있습니다. 이 작업은 합성 화학 물질에 의존하지 않고 식품을 안전하게 유지할 수 있는 천연 보존제를 개발하기 위한 명확한 경로를 제시합니다.