[논문]ZnO 나노입자와 자몽씨추출물을 첨가한 아가복합필름의 자외선차단 및 항균특성

김연호; 방영주; 윤기선; 임종환

doi:10.20909/kopast.2019.25.3.69

ZnO 나노입자와 자몽씨추출물을 첨가한 아가복합필름의 자외선차단 및 항균특성
UV Barrier and Antimicrobial Activity of Agar-based Composite Films Incorporated with ZnO Nanoparticles and Grapefruit Seeds Extract 원문보기

한국포장학회지= Korean Journal of Packaging Science & Technology, v.25 no.3, 2019년, pp.69 - 77

김연호 (경희대학교 식품영양학과) , 방영주 (경희대학교 식품영양학과) , 윤기선 (경희대학교 식품영양학과) , 임종환 (경희대학교 식품영양학과)

초록
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자몽씨추출물(GSE)과 ZnONP을 아가필름에 동시에 첨가하여 다기능성 복합필름을제조하였다. Agar/GSE/ZnONP복합필름은 특히 자외선차단성과 항균성에 대한 시너지 효과를 나타냈다. 광 차단성은 자외선 파장범위인 280 nm와 가시광선 파장범위인 660 nm에서 유의적인 차이를 보이며 크게 나타났다. 자외선차단성은 agar/GSE와 agar/ZnONP 필름에 비해 agar/ZnONP^3%/GSE^5% 필름에서의 크게 상승하여 GSE와 ZnONP의 시너지 효과를 확인할 수 있었다. 항균성으로는 그람양성균인 L. monocytogenes와 그람음성균인 E. coli O157: H7 모두 agar/ZnONP^3%/GSE^5% 필름에서 강한 항균성 및 시너지 효과가 있었다. 자외선 차단성과 항균성은 포장식품의 안전성을 확보하고 유통기한을 연장시키는데 필수적인 특성으로 agar/ZnONP3%/GSE5% 필름은 식품의 유통기한 연장과 식품의 안전성을 위한 포장필름으로 활용 가치가 높을 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Agar-based nanocomposite films were prepared by incorporation of zinc oxide nanoparticles (ZnONP) and grapefruit seed extract (GSE). The composite films were characterized using FT-IR, UV-visible spectroscopy and thermalgravimetric analysis (TGA). The composite films showed light absorption peaks at 220 and 380 nm, characteristic for GSE and ZnONP, respectively. The UV-light transmittance of the agar film was markedly reduced from 54.4 ± 1.3% to 5.8 ± 2.5% with little sacrifice of transparency when 3 wt% ZnONP and 5 wt% GSE were added. The mechanical and water vapor barrier properties increased slightly though they were not significant statistically by the addition of ZnONP and GSE. The nanocomposite films showed stronger antibacterial activity against L. monocytogenes than E. coli O157: H7 and the antibacterial activity was affected by bacterial types as well as concentrations of ZnONP and GSE. The nano-composite film incorporated with 3 wt% of ZnONP and 5 wt% of GSE exhibited strong antibacterial activity against Listeria monocytogenes and E. coli O157: H7. The results indicate that 3 wt% of ZnONP and 5 wt% of GSE are the optimal concentrations for producing functional agar/ZnONP/GSE composite films.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 아가필름에 ZnO 나노 입자와 GSE를 복합적으로 사용하여 항균성과 자외선 차단성이 증진된 나노복합포장재를 제조하여 생분해성의 기능성 포장재를 개발하고자 하였다.

제안 방법

GSE 용액은 GSE 10 g에 증류수 10 mL를 상온에서 10분간 교반하여 만든 후, 각 ZnONP 용액에 0.9 g의 glycerol과 80, 120, 200 µL의 GSE 용액을 각각 첨가하여 90℃ 온도에서 30분간 magnetic stirrer를 이용하여 혼합시켰다.
54 cm × 15 cm 크기로 절단한 후 Instron Universal Testing Machine (Model 5565, Instron Engineering Corporation, Canton, MA, USA)를 사용하여 인장강도(tensile strength; TS), 연신율(elongation at break; EB), 탄성률(elastic modulus; EM)을 측정하였다. 기계는 tensile mode로 설정하고 initial grip separation와 crosshead speed를 각각 50 mm와 50 mm/min으로 설정하였다³⁴⁾. TS는 maximum load (N)을 필름의 initial cross-sectional area (m²)로 나누어 계산하고 단위는 MPa로 표시하였다.
마이크로시린지를 사용하여 10 µL의 물을 필름 표면에 떨어뜨리고, 물방울의 접촉각을 임의의 5군데에서 측정하여 평균 값을 사용하였다.
coli O157: H7은 TSB에 10 µL를 접종한 후, shaking incubator (VS9480SR, Vision, Seoul, Korea)를 사용하여 36℃에서 24시간 동안 배양하였다. 배양된 각 균주는 멸균된 0.1% peptone water에 10진 희석법으로 5 log CFU/mL가 되도록 희석하고 50 mL BHI와 TSB에 다시 접종하였다. 접종된 균액에 100 mg의 필름을 넣고 36℃ shaking incubator에서 배양하면서 0, 3, 6, 9, 12시간에 L.
, Ansan, Korea)에 넣어 8시간 동안 보관하였다. 보관 중 1시간 마다 컵의 무게를 측정하였다. Water vapor transmission rate (WVTR)은 시간에 따른 컵의 무게 감소량의 기울기로 계산하였으며, 필름의 WVP는 아래 식에 의하여 계산하였다:
이를 위해 각 필름 시료를 정사각형 (7.5 cm × 7.5 cm) 크기로 자른 후, 높이 2.5 cm, 지름 6.8 cm인 WVP컵 안에 증류수 18 mL를 채운 후 필름으로 덮고 밀봉하였다.
필름의 광학특성을 빛의 흡광도를 통해 측정하여 조사하였다. 일정한 크기로 자른 필름 시료를 분광광도계의 magnetic cells 사이에 놓고 UV-visible spectrophotometer (Mecasys Optizen POP Series UV/Vis, Seoul, Korea)를 사용하여 흡광도를 200-700 nm 사이에서 측정하였다.
자몽씨추출물(GSE)과 ZnONP을 아가필름에 동시에 첨가하여 다기능성 복합필름을제조하였다. Agar/GSE/ZnONP복합필름은 특히 자외선차단성과 항균성에 대한 시너지 효과를 나타냈다.
전자주사현미경 (scanning electron microscopy; SEM)을 사용하여 필름 표면의 미세구조를 관찰하였다. 필름을 작게 잘라내어 SEM 시료 홀더에 부착시킨 후 5.
1% peptone water에 10진 희석법으로 5 log CFU/mL가 되도록 희석하고 50 mL BHI와 TSB에 다시 접종하였다. 접종된 균액에 100 mg의 필름을 넣고 36℃ shaking incubator에서 배양하면서 0, 3, 6, 9, 12시간에 L. monocytogenes는 TSA에 0.2% yeast가 첨가된 배지에, E. coli O157: H7는 TSA배지에 도말한 후, 36℃ 배양기(VS-1203P4S, Vision, Seoul, Korea)에 24시간 배양한 후 군락을 집계하였다.
기능성 아가필름은 solution casting 방법을 사용하여 제조하였다. 증류수 150 mL에 ZnO 나노입자를 0.04, 0.08, 0.12 g을 각각 첨가하며 12시간 동안 sonicator (FS 140 Ultra Cleaner, Fisher Scientific, Pittsburg, PA, USA)를 이용하여 분산시켰다. GSE 용액은 GSE 10 g에 증류수 10 mL를 상온에서 10분간 교반하여 만든 후, 각 ZnONP 용액에 0.
포장재 표면의 친수성이나 소수성 특성을 알 수 있는 포장재 표면에서 수분의 접촉각(WCA)을 측정하였다. 대조구인 agar 필름의 WCA 값은 38.
필름 FT-IR 분석을 FT-IR spectroscopy (TENSOR 37 spectrophotometer with OPUS 6.0 software, Billerica, MA, USA)를 사용하여 측정하였다. 필름을 일정 크기(5×5 cm)로 자르고, 4000-500 cm^-1 에서 측정하였으며, 이때 FT-IR은 4 cm^-1로 분해되어 32 scan으로 기록하였다.
필름 표면의 친수성/소수성 여부를 판단하기 위해 water contact angle analyzer (model phoenix 150, surface Eletrooptics Co., Ltd., Kunpo, Korea)를 사용하여 수분접촉각 (water contact angle; WCA)를 측정하였다. 필름을 3 cm × 10 cm로 자른 후 black Teflon coated steel (7 cm × 11 cm)에 올려놓고 WCA analyzer에 고정시켰다.
필름을 일정 크기(5×5 cm)로 자르고, 4000-500 cm-1 에서 측정하였으며, 이때 FT-IR은 4 cm-1로 분해되어 32 scan으로 기록하였다.
전자주사현미경 (scanning electron microscopy; SEM)을 사용하여 필름 표면의 미세구조를 관찰하였다. 필름을 작게 잘라내어 SEM 시료 홀더에 부착시킨 후 5.0 kV의 가속전압을 가하여 FE-SEM (S-4800, Hitachi Co., Ltd., Matsuda, Tokyo, Japan)을 사용하여 분석하였다.
필름의 광투과도는 UV-visible spectrophotometer를 사용하여 UV 파장범위인 280 nm (T₂₈₀)와 가시광선 파장범위인 660 nm (T₆₆₀)에서 각각 측정하여 각각 필름의 자외선 차단성과 투명성의 지표로 사용하였다.
필름의 광학적 특성은 200-700 nm 파장의 빛을 필름에 투과시켜 측정하였으며, 그 결과는 Fig. 2에 보인 바와 같다. 대조구인 아가필름에서는 조사한 파장에서 peak가 없었으나 GSE와 ZnONP을 첨가한 필름에서는 220 nm와 380 nm에서 두 개의 흡광 peak가 나타났는데, 220 nm의 peak는 GSE의 페놀화합물에 기인하는 peak이며³⁶⁾, 380 nm에서의 peak는 ZnONP에 기인하는 peak이다³⁷⁾.
필름의 광학특성을 빛의 흡광도를 통해 측정하여 조사하였다. 일정한 크기로 자른 필름 시료를 분광광도계의 magnetic cells 사이에 놓고 UV-visible spectrophotometer (Mecasys Optizen POP Series UV/Vis, Seoul, Korea)를 사용하여 흡광도를 200-700 nm 사이에서 측정하였다.
필름의 기계적특성을 조사하기 위해 double blade cutter (model LB.02/A, Metrotec, S.A., San Sebastian, Spain)를 사용하여 필름시료를 2.54 cm × 15 cm 크기로 절단한 후 Instron Universal Testing Machine (Model 5565, Instron Engineering Corporation, Canton, MA, USA)를 사용하여 인장강도(tensile strength; TS), 연신율(elongation at break; EB), 탄성률(elastic modulus; EM)을 측정하였다.
필름의 배경으로 표준백색판 (L* = 97.75, a* = −0.49, b* = 1.96)을 사용하였으며, 필름의 5군데를 임의로 측정하여 평균을 계산하였다.
필름의 색도는 Chroma meter (Minolta, CR-200, Tokyo, Japan)을 사용하여 Hunter color 값 (L*, a*, b*)을 측정하였다. 필름의 배경으로 표준백색판 (L* = 97.
필름의 열 안전성은 thermogravimetric analyzer (Hi-res TGA 2950, TA Instrument, New Castle, DE, USA)를 이용하여 측정하였다. 알루미늄 팬에 필름을 놓고 10^oC/min 가열속도로 질소가스를 50 mL/min으로 흘려보내면서 30^oC에서 600^oC까지 가열하였다.
필름의 항균성을 그람 양성균 Listeria monocytogenes (ATCC 15313)과 그람 음성균 E. coli O157: H7 (NCTC 12079)을 사용하여 조사하였으며, 항균성실험은 Shankar 등의 방법을 변형하여 사용하였다³⁴⁾. L.

대상 데이터

(Seoul, Korea)에서 구매하였다. Glycerol과 zinc acetate는 Sigma-Aldrich Co. (St. Louis, MO, USA)에서, KOH와 NaOH 시약은 Duksan Pure Chemicals Co., Ltd. (Ansan, Gyeonggi-do, Korea)에서 구매하였다. 미생물 배지로 brain heart infusion broth (BHI), tryptic soy broth (TSB)과 agar 분말은 Duksan Pure chemicals Co.
(Ansan, Gyeonggi-do, Korea)에서 구매하였다. 미생물 배지로 brain heart infusion broth (BHI), tryptic soy broth (TSB)과 agar 분말은 Duksan Pure chemicals Co., Ltd (Ansan, Gyeonggi-do, Korea)에서 구매하여 사용하였다. 시험균주(Escherichia coli O157: H7 ATCC 43859, Listeria monocytogenes ATCC 15313)는 대한종균협회(the Korean Collection for Type Culture, KTCC, Seoul, Korea)에서 구입하였다.
, Ansan, Korea)에서 48시간 동안 수분함량을 조절한 후 실험에 사용하였다. 비교를 위해 GSE와 ZnONP을 제외고 제조한 아가필름을 대조구로 사용하였다.
, Ltd (Ansan, Gyeonggi-do, Korea)에서 구매하여 사용하였다. 시험균주(Escherichia coli O157: H7 ATCC 43859, Listeria monocytogenes ATCC 15313)는 대한종균협회(the Korean Collection for Type Culture, KTCC, Seoul, Korea)에서 구입하였다.
폴리머에 사용한 agar는 Fine Agar Co., Ltd. (Damyang, Jeonnam, Korea)에서 구매하였고, 자몽씨 추출물 (GSE, DF100)은 Komiphahram International Co., Ltd. (Seoul, Korea)에서 구매하였다. Glycerol과 zinc acetate는 Sigma-Aldrich Co.

데이터처리

Any two means in the same column followed by the same letter is not significantly (p > 0.05) different from Duncan’s multiple range test.
필름의 두께는 digital micrometer (Digimatic Micrometer, QuantuMike IP 65, Mitutoyo, Tokyo, Japan)를 사용하여 임의로 5군데를 측정한 후 그 평균값을 사용하였다.

이론/모형

ZnONP은 Shankar 등 방법에 따라 zinc acetate를 이용하여 합성하였다³³⁾. 농도가 1 mM인 1000 mL의 zinc acetate용액을 70℃가 되도록 가열하고, 1 M NaOH 또는 1 M KOH용액을 가하여 pH가 8부근이 되도록 한 후, 30분 동안 교반하면서 가열한 후, 하룻동안 침전 시키고 상등액을 제거하여 증류수로 4-5회, 에탄올로 2-3회 세척 후, 원심분리하여 침전물을 24시간 동안 150℃ 오븐에서 건조시켜 사용하였다.
기능성 아가필름은 solution casting 방법을 사용하여 제조하였다. 증류수 150 mL에 ZnO 나노입자를 0.
필름의 투습도(water vapor permeability; WVP)는 ASTM E96-95 표준 방법을 사용하여 Gennadios 등³⁵⁾의 방법에 따라 계산하였다. 이를 위해 각 필름 시료를 정사각형 (7.

성능/효과

3에 나타난 바와 같다. FT-IR 분석 결과, 모든 필름은 FT-IR 패턴의 변화가 없이 동일한 peak를 나타내어, GSE와 ZnONP의 첨가가 아가필름의 구조에 영향을 미치지 않았음을 알 수 있다. 필름은 3330 cm^-1와 2933 cm^-1에서 peak가 형성되었는데, 이는 각각 hydroxyl group (OH), methane (C-H)에 의함을 알 수 있다¹³⁾.
GSE와 ZnONP를 첨가한 아가필름은 대조구인 아가필름에 비해 TS와 EM은 다소 증가하였으나 EB는 다소 감소하였는데, 통계적으로는 유의적인 차이를 나타내지는 않았다(p > 0.05).
GSE와 ZnONP에 의해 아가필름의 Hunter L* 값과 a* 값은 유의적으로 감소하였으며, Hunter b* 값은 유의적으로 증가하였다(p < 0.05).
GSE와 ZnONP의 첨가에 따라 광투과도는 유의적으로 감소하였는데(p < 0.05), 그 감소정도는 충진제의 농도가 증가할수록 커졌다.
GSE와 ZnONP의 첨가에 의해 아가필름의 WCA는 통계적으로 유의적인 차이를 보이지는 않았으나 다소 증가하였으며 (p > 0.05), agar/ZnONP3%/GSE5% 복합필름의 경우에는 WCA가 48.6 ± 1.3°로 control agar 필름에 비해 유의적으로 증가하였다(p < 0.05).
monocytogenes가 같은 조건에서 5 log CFU/mL가 감소하였음을 보고하였다³⁷⁾. Kanmani와 Rhimdml 결과와 비교하면 L. monocytogenes에서의 GSE와 ZnONP를 함께 사용하였을 때 ZnONP만을 단독으로 처리한 경우보다 더 크게 증가했음을 알 수 있다. 반면에 그람음성균인 E.
monocytogenes)에 대해 더 크게 나타났다. L. monocytogenes은 배양 12시간 후 agar/ZnONP^1%/GSE^2% 필름은 초기 집락 수보다 1 log CFU/mL 감소하였고, agar/ZnONP^2%/GSE^3% 필름은 2 log CFU/mL 감소하였고, 가장 높은 농도인 agar/ZnONP^3%/GSE^5%필름은 6 log CFU/mL 감소시켜 항균효과가 급증하는 것을 알 수 있었다. Kanmani와 Rhim은 agar/ZnONP 필름의 항균성을 조사하여 L.
Agar/GSE/ZnONP복합필름은 특히 자외선차단성과 항균성에 대한 시너지 효과를 나타냈다. 광 차단성은 자외선 파장범위인 280 nm와 가시광선 파장범위인 660 nm에서 유의적인 차이를 보이며 크게 나타났다. 자외선차단성은 agar/GSE와 agar/ZnONP 필름에 비해 agar/ZnONP3%/GSE5% 필름에서의 크게 상승하여 GSE와 ZnONP의 시너지 효과를 확인할 수 있었다.
coli O157: H7에 대해 항균성이 없었음을 의미한다. 반면에 GSE와 ZnONP을 첨가한 필름은 두 시험균주에 대해 뚜렷한 항균 특성을 나타냈는데, 그 항균성은 GSE와 ZnONP의 첨가농도에 비례하였으며 그람음성균 (E. coli O157: H7)보다는 그람양성균 (L. monocytogenes)에 대해 더 크게 나타났다. L.
Kanmani와 Rhim 역시 agar/GSE, agar/ZnONP 필름의 WVP가 대조구 아가필름의 WVP와 유의적 차이가 없음을 보고하었다^36,37). 본 연구에서 agar 필름에 GSE와 ZnONP를 동시에 첨가했을때 WVP에 대한 복합효과는 없었으며, 대조구 agar 필름과 agar/ZnONP/GSE 필름 모두 방습성이 낮았음을 알 수 있었다. 생분해성 PLA/PBAT 필름의 WVP 값이 (2.
0%로 유의적으로 증가했음을 보고하였다³⁷⁾. 본 연구에서는 GSE와 ZnONP를 동시에 아가에 첨가하여 복합필름을 제조했을 때 GSE에 함유된 글리세롤이 plasticizer의 역할을 하고 폴리페놀화합물에 의한 폴리머 매트릭스와의 결합력 증가에 의해 ZnONP의 첨가에 의한 결합력 감쇠를 완화시켜 대조구 필름과 같은 수준의 필름 물성을 보인 것으로 판단된다.
광 차단성은 자외선 파장범위인 280 nm와 가시광선 파장범위인 660 nm에서 유의적인 차이를 보이며 크게 나타났다. 자외선차단성은 agar/GSE와 agar/ZnONP 필름에 비해 agar/ZnONP3%/GSE5% 필름에서의 크게 상승하여 GSE와 ZnONP의 시너지 효과를 확인할 수 있었다. 항균성으로는 그람양성균인 L.
2°로 유의적으로 증가시켰는데, 이는 ZnONP의 소수성에 기인한다³⁷⁾. 즉, agar필름에 GSE 첨가는 아가필름의 친수성을 증가시키고, ZnONP의 첨가는 필름의 소수성을 증가시켰다. agar/ZnONP^3%/GSE^5% 복합필름의 WCA이 유의적으로 증가한 것은 ZnONP의 소수성이 GSE의 친수성보다 더 크게 작용하였기 때문이다.
모든 필름은 표면이 부드럽고 외관상의 결함이 없는 유연한 필름이 제조되었다. 필름 표면의 미세구조는 FE-SEM을 사용하여 관찰한 결과는 Fig. 1에서 보는 바와 같이 대조구 아가필름에서는 깨끗한 표면을 보였으며, ZnONP를 첨가한 경우 ZnONP의 농도가 높아질수록 표면에 흰색의 ZnONP이 많이 관찰되었으며, ZnONP의 입자는 균일하게 분산되어 있는 것을 확인하였다.
자외선차단성은 agar/GSE와 agar/ZnONP 필름에 비해 agar/ZnONP3%/GSE5% 필름에서의 크게 상승하여 GSE와 ZnONP의 시너지 효과를 확인할 수 있었다. 항균성으로는 그람양성균인 L. monocytogenes와 그람음성균인 E. coli O157: H7 모두 agar/ZnONP3%/GSE5% 필름에서 강한 항균성 및 시너지 효과가 있었다. 자외선 차단성과 항균성은 포장식품의 안전성을 확보하고 유통기한을 연장시키는데 필수적인 특성으로 agar/ZnONP3%/GSE5% 필름은 식품의 유통기한 연장과 식품의 안전성을 위한 포장필름으로 활용 가치가 높을 것으로 사료된다.

후속연구

coli O157: H7 모두 agar/ZnONP3%/GSE5% 필름에서 강한 항균성 및 시너지 효과가 있었다. 자외선 차단성과 항균성은 포장식품의 안전성을 확보하고 유통기한을 연장시키는데 필수적인 특성으로 agar/ZnONP3%/GSE5% 필름은 식품의 유통기한 연장과 식품의 안전성을 위한 포장필름으로 활용 가치가 높을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	RTE 식품이란?	최근 1~2인 가구의 증가와 고령화가 가속됨에 따라 편리성을 추구하는 식생활로 변화되면서 대형마트, 편의점, 식품매장 등에서 즉석섭취식품류(Ready-to-eat food: RTE food)의 판매와 소비가 점차 증가하고 있다1). RTE 식품은 즉석섭취식품으로 구매 후 특별한 조리과정 없이 섭취가 가능한 식품이다. 신선식품의 수요 증가에 따라 최소한의 가공 처리와 합성 첨가물을 사용하여 식품의 안전과 품질 유지가 필연적으로 식품산업에서의 큰 관심을 보이고 있다2-3).
	GSE와 ZnONP를 함께 사용해야 그람양성균과 음성균에 대한 상승효과를 기대할 수 있는 이유는?	그람양성균과 그람음성균은 세포벽 구성이 상이한데, 그람양성균은 peptidoglycan의 다층으로 구성된 두꺼운 세포벽을 가졌지만, 그람음성균은 membrane으로 둘러 쌓인 얇은 peptidoglycan으로 구성되어 있다46). ZnONP은 그람양성균의 외부 세포벽에 직접 부착하고 파괴하여 세포를 사멸시킨다22). 그러나 그람음성균의 membrane은 ZnONP의 부착하기 어려운 지단백질, 지질 다당류, 인지질을 함유하고 있어 ZnONP의 세포막 파괴가 용이하지 않다47). 따라서 GSE와 ZnONP를 함께 사용하여 그람양성균과 음성균에 대한 상승효과를 기대할 수있다.
	즉석섭취식품류(Ready-to-eat food: RTE food)의 판매와 소비가 증가하고 있는 이유는?	최근 1~2인 가구의 증가와 고령화가 가속됨에 따라 편리성을 추구하는 식생활로 변화되면서 대형마트, 편의점, 식품매장 등에서 즉석섭취식품류(Ready-to-eat food: RTE food)의 판매와 소비가 점차 증가하고 있다1). RTE 식품은 즉석섭취식품으로 구매 후 특별한 조리과정 없이 섭취가 가능한 식품이다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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