Biofilm formation and cross-contamination of Staphylococcus aureus under simulated milk processing surface = 모의 우유 가공 표면에서의 황색포도상구균 바이오필름 형성 및 교차 오염

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Milk processing surface provide conditions that allow Staphylococcus aureus to form biofilms, leading to persistent risks to food safety. This study aimed to investigate the factors influencing the biofilm formation and cross-contamination potential of S. aureus biofilm in milk processing surface. In the present study, biofilms were developed on stainless steel surfaces under different nutritional conditions, tryptone soy broth (TSB), milk, and phosphate-buffered saline (PBS), and assessed for cross-contamination under nutrient conditions (milk and PBS) hydrodynamic conditions (static and dynamic) and surface materials (glass, polyethylene, and polyethylene terephthalate). The total viable cell of biofilm followed the order TSB, milk, and PBS, while the extracellular polymeric substances were most abundant in the biofilm formed in milk media. An atomic force microscopy analysis revealed that the biofilm formed in milk media showed thicker, rougher, and multilayered structures than biofilm formed other media. In cross-contamination, the highest transfer rate was observed in biofilms formed in milk media, which had the lowest cell surface hydrophobicity. In liquid media, higher transfer rates were observed by milk than by PBS, and lipids and proteins influenced transfer. Transfer rates were higher under dynamic conditions. The highest transfer rate was observed on polyethylene surfaces, which had the highest roughness. It was found that biofilm formation was influenced by nutrient composition. The cross-contamination of S. aureus biofilm is governed by the combined effects of nutrient, hydrodynamic, and surface microtopography. Furthermore, these findings provide valuable insights for the development of effective hygiene and sanitation strategies to control biofilm-related contamination in the milk industry.

국문 초록 (Abstract)

우유 가공 환경은 황색포도상구균이 바이오필름을 형성할 수 있는 환경을 제공하여 식품 안전에 지속적인 위험을 초래한다. 본 연구는 우유 가공 환경에서 황색포도상구균의 바이오필름 형성 및 교차 오염 가능성에 영향을 미치는 요인을 조사하는 것을 목표로 했다. 본 연구에서는 다양한 영양 조건, 트립톤 대두 배지(TSB), 우유, 인산완충식염수(PBS)의 스테인리스 스틸 표면에 바이오필름을 형성하고, 영양 조건(우유 및 PBS), 유체 역학 조건(정적 및 동적), 그리고 표면 재질(유리, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트)에서 교차 오염을 평가하였다. 바이오필름의 총 생존 세포 수는 TSB, 우유, PBS 순이었고, 세포외 고분자 물질은 우유에서 형성된 바이오필름에서 가장 풍부했다. 원자간력현미경(AFM) 분석 결과, 우유에서 형성된 바이오필름은 세포외고분자물질에 의해 두껍고 거칠며 다층 구조를 보였다. 교차 오염에서, 우유에서 형성된 바이오필름에서 가장 높은 전이율이 관찰되었는데, 이는 세포 표면 소수성이 가장 낮았기 때문이다. 액체 배지에서는 PBS보다 우유에서 더 높은 전이율이 관찰되었으며, 지질과 단백질이 전이에 영향을 미쳤다. 동적 조건에서 전이율이 더 높게 나타났다. 폴리에틸렌 표면에서 가장 높은 전이율이 관찰되었는데, 폴리에틸렌 표면은 거칠기가 가장 높았기 때문이다. 바이오필름 형성은 영양소 구성에 영향을 받는 것으로 나타났다. 황색포도상구균 바이오필름의 교차 오염은 영양소, 유체 역학, 그리고 표면 미세 지형의 복합적인 영향에 의해 좌우된다. 더 나아가, 이러한 연구 결과는 우유 산업에서 바이오필름 관련 오염을 제어하기 위한 효과적인 위생 및 위생 관리 전략 개발에 귀중한 통찰력을 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• 1 Introduction 1
• 2 Materials and methods 3
• 2.1 Bacterial strains 3
• 2.2 Biofilm formation 3
• 2.3 Quantitative analysis of biofilm formation 3
• 2.3.1 Crystal violet assay 3
• 2.3.2 Quantification of viable cells 4
• 2.3.3 MTT assay 4
• 2.4 EPS components analysis 5
• 2.5. Microbial adhesion assay to hydrocarbons (MATH) assay 5
• 2.6 Cross-contamination 6
• 2.6.1 Cross-contamination to liquid: static, dynamic conditions 6
• 2.6.2 Cross-contamination to solid surfaces: Glass, PE, PET 7
• 2.7 Atomic force microscopy analysis 8
• 2.7.1 AFM analysis of S. aureus biofilms 8
• 2.7.2 AFM analysis of coupon surface roughness 8
• 2.8 Statistical analysis 8
• 3. Result 10
• 3.1. Effect of temperature on biofilm formation 10
• 3.2. Time-dependent biofilm formation 12
• 3.2.1. Cultivable counts of biofilms 12
• 3.2.2. Quantification of viable cells in biofilms 12
• 3.3. Quantification of EPS 15
• 3.4. Evaluation of CSH 17
• 3.5. Surface topography of the biofilms 19
• 3.6. Evaluation of biofilm cross-contamination 21
• 3.6.1. Cross-contamination of biofilms by PBS and milk 21
• 3.6.2. Cross-contamination of biofilms on solid coupons 21
• 3.7. Surface microtopography analysis 25
• 4. Discussion 27
• 5 Conclusion 33
• References 34
• 국문요약 40