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1. 서론 미생물 (microorganism) : 인간의육안으로는관찰이어려운작은생물 : micro + organism 2
미생물학의시작 Anton van Leeuwenhoek : 네덜란드상인 - 1673, 초기현미경발명 - 1683, 세균언급논문발표 3
2. 미생물분류 원핵세포 ( 원핵미생물 ) 핵막이없으므로핵의구조가없음 비교적단순한구조 세균등 진핵세포 ( 진핵미생물 ) 뚜렷한핵막과세포기관 : 세포질과핵이구분 복잡한구조를가진진화된세포 동식물, 조류 ( 원핵조류제외 ), 균류, 원생동물등 바이러스 ( 비세포성미생물 ) 세포의구조가아님 DNA 또는 RNA 등의유전물질이단백질껍질에싸여있는단순형태 4
1) 생물체로서의미생물의특징 성장을위한영양분의흡수, 소화 소화산물의배설 독립적생식능력 환경변화에대한적응능력 자극에대한반응능력 생물계구성원의공통특징 2) 미생물분류 - Ait Aristotle s tl time(b.c (BC4 th century) : two kingdom( 계 ) -> Animalia( 동물계 ) + Plantae( 식물계 ) - Von Leuwenhoek 미생물발견 - 1866, Ernst H. Heckel : 미생물을포함하는새로운 Protista kingdom 제안 - 새로운용어 protist ( 원생생물, protistos 에서유래 ) 제안 - 모든진균류, 여러미생물포함 5
Five kingdoms - 20세기세포생물학의발전 -> 분류체계에대한의문제기 - 1969, Robert H. Whittaker( 코넬대학 ) 5 분류체계제안 1. Monera( 원핵생물계 ) : 모든구성원은원핵생물이며세균포함 2. Protista( 원생생물계 ) : protozoa( 원생생물 ), slime mold( 점균류 ), single-cell algae - 구성원은모두 eukaryotes - 생활사중어느시기에편모를가짐 3. Fungi( 진균계 ) : 독특한화학조성의세포벽을가진비광합성 eukaryotes - fungi, yeast 4. Plantae( 식물계 ) : 전통적식물포함 5. Animalia( 동물계 ): 전통적동물계 - virus 는분류시스템에서제외 6
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Three Domains ( 세영역에의한분류 ) - 1980년대 Carl Woese (Univ. of Illinois) -> three-domain system 개발 - 현대분자생물학및생화학적기술에근거 1) Archaea( 원시세균영역 ) : archaea bacteria ( 고세균 ) 포함 2) Eubacteria( 진정세균영역 ) : 전통적세균포함 3) Eukarya( 진핵생물영역 ): 나머지모두포함 - Archaea 와 Eubacteria의차이점 -> ribosome 내의 RNA 형태 (70S but different structure) -> 세포벽의구성성분 (pseudopeptidoglycan) -> 특정항생물질에대한민감성 -> 극한의생활환경 ( 고온, 호산성, 절대적혐기성, 극호염 ) -> 세포막구조 : ether-linked branched FA 8
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3) 미생물명명법 (1) Nomenclature ( 명명법 ) - 주어진개체에이름을붙이는방법 - 1700년대 Carl von Linne 처음시작 - 분류법과밀접하게관련 - 분류체계 : species( 종 ) > genus( 속 ) > family( 과 ) > order( 목 ) > class( 강 ) > phylum( 문 ) > division( 류 ) > kingdom( 계 ) > Domain species - a group of closely related organisms - in microorganism : 70% identical of DNA or mutual content by experienced researchers - plant and animal : a group of organisms that interbreed with one another and produce new members, which are similar to the parents and are fertile ex) 고양이, 사자, 호랑이 -> species 고양이속 (genus) 고양이과 (family) -> 고양이속 ( 사자 ) + 팬더속 ( 팬더 ) 10
(2) Binomial i and common names - binomial name ( 이명법 ) : name of genus + species modifier = one name -ex) Escherichia coli Escherichia : 미생물체가속하는속의이름미생물을발견한과학자의이름에서따옴 (1888, Theodor Eschrich) coli : 미생물을처음발견한장소 colon ( 대장 ) 에서유래 - 속명의첫글자는대문자, 나머지와종수식어는소문자 - 항상이탤릭체혹은밑줄 - 동일한글에서중복사용할때 -> 2회째부터속명의첫글자는첫자만대문자 ex) E. coli - 종의정확한이름은 binomial name 임 Escherichia coli Escherichia( 속 ) + coli ( 종 ) common name - frequently used in conversation - Streptococcus pneumoniae -> pneumococcus various strains and subspecies : added to the binomial - Escherichia coli O157:H7 11
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4) Microscope - 1276, Rodger Bacon -> magnifying lens - 1620, Galileo Galilei -> 현미경제작 - 1673, Anton van Leewenhoek -> 미생물관찰 -200 배확대 Light Microscope( 광학현미경 ) - eyepiece lens( 대안렌즈 ) - objective lens( 대물렌즈 ) - substage condenser( 집광기 ) - 순환형대물렌즈세트 - 고배율의경우 immersion oil 사용 -> 렌즈를통과하는빛의양증가 13
Immersion oil 사용원리 14
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Other types of microscope - fluorescence microscope - electron microscope - transmission EM (TEM) : 20,000,000 times magnification - scanning EM (SEM) : 100,000 times 16
3. 미생물의종류와특성 1) 세균 (bacteria) 단세포, 원핵세포 크기 : 0.2~10 m, 일반적으로 0.5~3 m 단순구조 : 세포막, 세포벽, 핵물질, 리보솜등포함 이분법 (binary fission) 으로증식 환경과식품에널리분포하며식품의부패와식중독사고의주요요인 17
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2) 미생물염색 - most microbes are too small to be seen - bacterial cytoplasm is transparent - fixation : 세포의내외부구조를보존하여 slide에부착 * 물리적고정 - Slide에세균도말 -> 건조 -> 열처리 - 전체적형태유지, 내부구조변형 * 화학적고정 - 세포내부구조형태유지 -화학고정액사용 -> 단백질, lipid, 탄수화물과반응 -> 분자활성정지 -> 불용화, 고정화 - Ethanol, Acetic acid, Formaldehyde, d Glutaldehyde ld d - simple staining - Gram staining : Gram positive, Gram negative 19
물리적세균고정방법 20
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(a) Clostridium perfringens(x800), (b) Staphylococcus aureus(x1000) (c) Escherichia coli(x500) (d) Neisseria gonorrhoeae(x1000) 23
3) 세균의구조 - cell wall, cell membrane - cytoplasm (ribosome, plasmid, nucleoid, granul - flagella, pilli - glycocalyx gy y 24
Spore (endospore) -> unique form of bacterium formed when stress is encountered -> extraordinary resistant to stress -> contains chromosome, two cell membrane, cortex, spore coat, exosporium -> Bacillus, Clostridium -> 250 million years old spore -> bioterrorism -> Bacillus anthracis Structure of spore Vegetation of spore 25
Formation of bacterial spore 26
4) 세균생식 - binary fission -> takes a few seconds - replicates DNA to yield two identical chromosomes - one generation : 20 min for E. coli -> cover the face of the Earth a foot thick in 36 hrs -> last day of the world?? 27
5) 세균배지 - macronutrients : C, H, O, N, S, P, K, Ca, Mg, Fe - micronutrients : Mn, Zn, Co, Mo, Ni, Cu - nutritional balance is important - culture medium : source of energy, C, N, essential nutrients -> broth : liquid form vs agar : solid - defined medium : all defined nutrients - complex medium : contains undefined ingredients (yeast ext., peptone, beef ext.) - selective M : cultivate specific type of bacteria - enriched M : require specific nutrients for growth, ex) blood agar pure culture : culture of a single species of microorganism colony : 동일한미생물의집단체 -> CFU (colony forming unit) 28
Use of an enriched medium 29
다양한 Colony 형태 30
6) Population Growth ( 군체성장 ) - bacteria increase their population as the cells undergo binary fission - growth curve : shows the growth of a microbial population over a period of time 31
Doubling time(generation i time) ) 결정 - 대수기에서이분법으로분열하는세포수의 2 배증가시간 N o = 초기의세포수 N t = 시간 t 에서의세포수 n = t 시간동안의세대수 N t = N o x 2 n 양변에 log 를취하면 -> log N t = log N o + n log2 Log N t - log N o Log N t - log N o n = = = Log 2 0.301 Log N t /N o 0.301 평균생장율상수 K = n/t ( 단위시간당세대수 ) K = Log N t /N o 0.301t Doubling time -> N t = 2N o 일때의시간g로표현 Log 2 K = = 1/g g = 1/k 0.301g Ex) 초기세포수 :10 3, 10 시간배양후세포수 10 9 일때 K = Log N t - log N o 0.301t Log 10 9 - log 10 3 = = 2.0세대 /hr (0.301)(10hr) g = 1/k = hr/2.0 세대 = 30min/ 세대
7) 식품위생관련세균 (1) Bacillus 속 - 아포 (endospore) 를형성하는간균은내열성이강하며호기성또는통성혐기성의아포를형성하는그람양성간균이며중온성균도있고, 호열성균도있다. - 토양, 공기등사람의생활환경에널리분포하고있으며, 포자는 135 에서수분 ~ 수십분가열해도생존, 가열처리한식품을부패시키는균도존재 - 대표적인균종 : B. subtilis, B. licheniformis, B. cereus, B. anthracis, B. stearothermophilus (2) Micrococcus 속 - 그람양성의호기성구균으로비수용성인황색또는백색의비수용성물질을생성한다. Bacillus 다음으로많이분포, - 단백질분해력이강한동시에내염성이강해 3~5% 식염배지에서증식 33
(3) Clostridium 속 - 그람양성간균으로내열성이강한아포형성, 중온성과호열성균포함. - 토양에널리분포되어있고절대혐기성균으로통조림식품이나, 햄, 소시지등에서문제를일으켜악취발생. - Clostridium botulinum : 포자의내열성이강하고, 균종에따라강한독소를생산하므로, 통조림살균의제일큰목적이이균의포자를죽이는데있다. - 대표적인균종 : Clostridium botulinum, C. perfringens, C. tetani, C. thermosaccharoolyticum (4) Psedomonas 속 - 편모를가진그람음성호기성간균 - 물을중심으로널리분포되어있어어패류에대표적인부패균 - 0 저온에서잘자라고단백질, 유지의분해력이강해어패류, 우유, 달걀등의가장중요한부패세균 - 대표적인균종 : P. fluorescens, p. aeruginosa 34
식품과 미생물 (5) Listeria 속 - 그람 양성의 통성 혐기성 균으로 주모성 편모로 이동 - 아이스크림이나 수산냉동품 등에서 검출 - 대표적인 균종 : L. L monocytogenes 35
(6) Vibrio 속 - 그람음성균으로균이증식할때 Na + 을요구하는호염성균과 Na + 이없는 담수에서도증식할수있는비호염성균으로구분. - 현재 30여종이분리, 이중사람의건강과관계있는종은 10여종 - 해수온도가 15 이상되면급격하게증가 - 대표적인균종 : V. parahaemolyticus, V. vulnificus, V. cholera, V. mimicus, V. cholerae non O1 36
() (7) Salmonella ll 속 - 그람음성, 아포를생성하지않는간균으로자연계에널리분포 - 현재약 2,000 여종이확인, 50 여종은식중독과관계가있으며 포유류, 조류, 파충류등에서검출. - 대표적인균종 : S. Typhi, S. Typhimurium, S. Enteritidis (8) Staphylococcus 속 - 장독소에의해식중독을일으키는독소형식중독균, 포도상구균 - 사람의피부에많이서식. 강한내열성 - 혐기적으로탄수화물을분해하지만산소가있는조건에서도잘자람, - 건조상태에서도저항성이강하여장기간생존하여식중독을일으키는데, 60 30분의가열로균은거의사멸되나식중독원인물질인장독소는 100, 60 분간가열해야파괴 (S. aureus) ) - 대표적인균종 : S. aureus 37
Staphylococcal toxin : -toxin - Alpha-toxin, also known as alpha-hemolysin (Hla), is the major cytotoxic age nt released by bacterium Staphylococcus aureus - Hemolysins are lipids and proteins that cause lysis of red blood cells by dest roying their cell membrane 38
(9) Proteus 속 - 그람음성간균으로요소를분해하는특징 - P. morgnii 는 histidine decarboxylase를가지고있어히스티딘을분해시켜히스타민을축적. - 알레르기성식중독을유발, 대표적인호기성부패세균으로냉장하지않은상온의동물성식품을주로부패시킴. 히스타민 : 외부자극 ( 스트레스, stress) 에대하여신체가빠른방어행위를하기 위하여분비하는유기물질중의하나 - 분비된부위의혈액량을늘린다. - 혈관을확장시킨다. - 모세혈관의투과성을높인다 39
(10) Escherichia 속 - 그람음성무아포성간균, 유당분해하여산과가스생산, 통성혐기성균 - 주로동물의대장내에서식, 대부분식중독을일으키지는않지만, 전염성설사증, 급성장염을일으키는대장균을병원성대장균이라고함 - 병원성대장균중독소를생성하여대장점막에궤양을유발하여조직을짓무르게하고출혈을유발시키는대장균 -> 장관출혈성대장균 (E. coli O157:H7) - 대표적인균종 : E. coli O157:H7 Shiga-like toxin : also known as verotoxin, is a toxin generated by some strains of Escherichia coli 40
2) 효모 (yeast) 진핵세포인진균류 (fungi) 의일종 구형혹은타원형, 간균의단세포크기 : 약 5~10 m 발아법 ( 출아법, budding) 으로증식 자연계에다수분포하며, 알코올제조및제빵등다양하게활용 41
식품관련효모 1 Saccharomyces 속 - 식품공업, 발효공업에관계가깊은효모 - 대표적효모 : Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces carlsbergensis 2 Candida 속 - 균종수가매우많으며, 세포는구형, 달걀형, 원통형등이다. - 대표적효모 : Candida mycoderma, Candida. krusei, Candida dd albicans 42
3) 곰팡이 (mold, mould) 진핵세포인진균류 (fungi) 의일종 다세포의사상균류 : 균사 (hypae) 가모여균사체 (mycelium) 을구성 외생포자 (exospore) 생성 건조한조건과넓은범위의 ph 에서생육가능 : 고염식품, 당절임식품, 산성식품등의부패에관여 곰팡이독소 (mycotoxin) 를생산하여식중독야기 43
식품위생관련곰팡이 1 Mucor속 - 토양, 퇴비, 과일등에잘발생하는곰팡이로집락은솜털모양 - 대표적곰팡이 : Mucor rouxii 2 Rhizopus 속 - 원예작물 ( 딸기, 귤, 채소등 ) 에증식하는변패의원인균 - 대표적곰팡이 : Rhizopus nigricans 3 Aspergillus 속 - 쌀, 밀가루, 콩등에배양하며탁주, 약주, 간장, 된장등을양조하는데이용, 누룩곰팡이라고도함 -대표적곰팡이 : Aspergillus oryzae, Aspergillus niger, Aspergillus flanus 4 Penicillium속 - 자연계에널리분포되고과일, 떡, 빵등에잘번식 - 대표적곰팡이 : Penicillium citrinum, Penicillium islandicum, Penicillium toxicalim, Penicillium expnsum, Penicillium italcum, Penicillium digitatum 44
5 Monascus 속 - 분홍색의색소인 monasc+orbine 을생성하므로균총이선명한홍색 / 분홍색을나타냄 - 대표적곰팡이 : Monascus purpureus, Monascus anka 45
4) 바이러스 (virus) 살아있는세포가아님 크기가 0.02~0.30 m: 전자현미경으로만관찰가능 자체증식이불가능한기생미생물 DNA 또는 RNA 중하나의핵산을가지며단백질껍질이이를싸고있음 숙주특이성이강함 세균에기생하는바이러스 : 박테리오파지 (bacteriophage) 식품, 물, 환경등에오염된바이러스가인간에게전이하여식중독야기 46
식품위생관련바이러스노로바이러스 (Norovirus) - 장관계바이러스중의한종류로환자의분변을통해체외로배출되어지표수, 해수를통하여전파 - 주로급성장염을일으키며, 확산이잘되어 2,3차감염이많이발생 47
3. 식품위생의오염지표미생물 1) 총균수 ( 일반세균수 ) 식품에오염된미생물의총량 식품의건전성, 안전성등의종합적평가에이용 Plate count agar(pca) 와같은비선택배지 ( 일반목적배지 ) 로측정 2) 대장균군 (coliform) 35~37 37 에배양시유당 ( 젖당,lactose) 을분해하여산과가스를생성하는그람음성무아포성간균 Escherichia coli( 대장균 ), Citrobacter, Enterobacter, Klebsiella 속 분변오염의지표균으로식품안전성의지표균주로사용 하지만분변아니물, 토양등의환경이나채소등에서도발견 3) 대장균 (E. coli, fecal coli) 분변오염의지표균 EMB 또는 EC 배지를이용하여 44 에서배양하여검출 병원성균의오염에대한지표균으로사용 48
4) 장구균 (Enterococcus) 사람이나동물의장관에서식하는그람양성세균 Enterococcus faecalis, Enterococcus faceium이가장흔함 건조, 고온, 냉동등식품의가공과정에서도생존율이높아냉동식품, 건조식품, 가열식품등의검사에유용하게사용 대장균과같은근거로음식물의분변오염지표균으로이용 49
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4. 미생물의생육에영향을주는인자 1) 내인성인자 미생물의생육에영향을줄수있는식품의고유한특성 수분활성도 (A w ), ph, 산화 - 환원전위 (Eh), 영양성분, 자연항미생물성분, 보존제등의화학물질, 공존하는다른미생물의존재등 (1) () 수분활성도 (water acitivity, A w w) 결합하고있는않은자유수로미생물이사용할수있는물비율 0~1 ( 순수한물 A w = 1) 얼음과같은결정형태, 극성성분 ( 소금, 설탕등 ) 과의전기적화학결합은수분활성도를감소시킴 세균은 09 0.9, 효모는 08 0.8, 곰팡이는 06 0.6 이상의 A w 에서생육가능
(2) ph 미생물생육에영향을주는중요한인자 식품의 ph 에따라생육가능한미생물의종류와정도가달라짐 일반적으로세균 : 최저 ph 4.0~4.5, 최적 ph 6.5~7.2, 효모 : 가능 ph 4.0~8.5, 최적 ph 4.0~4.5, 곰팡이 : 가능 ph 2.0~9.0, 최적 ph 3.0~3.5
(3) 산환 - 환원전위 (oxidation-reduction potential, redox potential, Eh) 어떤물질이전자를잃고산화되거나환원되려는경향의강도 산화된상태 ( 전자를얻으려는경향 ) 은양 (+) 의값 : 호기성균생육 환원된상태 ( 전자를잃으려는경향 ) 은음 (-) 의값 : 혐기성균생육 (4) 자연적혹은인위적항균물질 식품에자연적으로존재하는항균물질 ( 자연유래항균물질 ) 은특정미생물의생육을지연혹은억제할수있음 자연유래항균물질의예 : 달걀- 라이소자임 (lysozyme), 녹차, 허브등식물- 폴리페놀 (polyphenol), 겨자- 티오시이아네이트 (thiocyanate) 식품가공과정에서첨가하는인위적인항균성화합물 ( 살균소독제, 보존제, 항생제등 ) 도미생물생육에영향
2) 외인성인자 (1) 온도 미생물의생육에영향을줄수있는유통 보관하는외부환경의조건 온도, 상대습도, 대기기체조성등 미생물은종류에따라생육가능온도범위및최적생육온도에차이가있음제한된온도의범위에서만생육, 따라서냉동, 냉장등을활용하여식품의저장성과안전성을향상시킬수있음하지만냉장온도에서생육하는병원성세균 ( 예 : Listeria monocytogenes) 등과같은저온균에대한관리가필요
(2) 상대습도 건조식품등식품의매우낮은수분활성도를가진경우상대습도에영향을받을수있음 따라서건조식품의경우, 외부의높은습도와접촉하지않도록밀봉하여보관하여야함 (3) 대기기체조성 포장식품의경우포장지내환경의대기기체조성이식품의미생물생육에영향을줌산소양을줄인진공이나기체조절포장 (modified atmosphere packaging, MAP) 법을활용하여식품의저장성을증가시킬수있음
5. 미생물에의한식품의변질 (1) 곡류 - 저장환경이좋지않거나수분이남아있는경우에미생물에의한부패발생 (2) 과채류 - 수분함량이풍부해미생물에의해일어나거나효소의활성에의해자가소화로써부패가시작 (3) 육류 - 단백질, 지질이효소에의해분해되어세균발육에이용 (4) 어류및어패류 - 수중세균이어류의표면아가미등에존재하여저장 / 운반중부패 (5) 우유및유제품 - 영양이풍부, 미생물성장에필요수분함유로대부분의미생물에의한부패 59
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