유기산(Organic acid) Organic acid - R-COOH - acetic acid, lactic acid, citric acid gluconic acid : Ca or Fe염 - 결핍증 치료제 피혁산업 - 산성화제 itaconic acid : 접착제, 종이제품, 직물제조용, 플라스틱 – 중합체 제조용 - EMP(Embden-Meyerhof-Parnas) pathway HMP(Hexose monophosphate) shunt TCA(Tricarboxylic acid) cycle http://bioenv.sunchon.ac.kr

젖산(Lactic acid, CH3CHOHCOOH) 젖산의 이용 - Free Lactic acid 식품 : 식품보존제, 산미제, 반죽개선제제 mild acidic flavor, 식품 자체의 향미를 해치지 않음 물과 혼합이 쉬움, 미생물 억제 작용 산업용 : 피혁, 섬유, 세탁 - Lactate Ca-lactate : baking powder, Ca-fortified food Na, K-lactate : 담배의 습도 유지, 혹한시 윤활유 - Ester 수성, 유성 페인트 용제

젖산의 생성 Glucose –(EMP, HMP, TCA)→ Pyruvic acid Pyruvic acid + NADH + H+ -(lactate dehydrogenase)→ Latic acid + NAD+ 동물, 식물, 미생물에 의해 생성 근육 : L-형 젖산 생성 젖산균(Lactic acid bacteria) : L-, D-, DL-형(lactic acid racemease) 젖산 생산 곰팡이(Mold) Rhizopus oryzae, Mucor rouxii L- 형 젖산 생산

젖산균(Lactic acid bacteria) - 당류를 발효하여 젖산을 유일한 또는 중요한 발효산물로 대량 생산하여 세포 밖으로 배출하는 세균들 - 그람 양성의 간균 또는 구균 통성혐기성, 미소호기성, 내산소성 혐기성 또는 절대혐기성 Catalse(-), cytochrome(-) 영양요구성이 까다롭다(fastidious nutritional requirement) - 가성 젖산균(pseudo lactic acid bacteria) Escherichia coli

중요한 젖산균 속 - Lactobacillus - Leuconostoc - Lactococcus - Streptococcus - Pediococcus - Enterococcus - Bifidobacterium

동종젖산발효와 이종젖산발효 동종젖산발효(Homo-lactic fermentation) - 당류로부터 유일한 발효산물로 젖산을 생산하고 소량의 부산물 생산 - C6H12O6(glucose) → 2CH3CHOHCOOH(lactic acid) - Lactococcus 속, Streptococcus 속, Pediococcus 속, Enterococcus 속의 전부 일부의 Lactobacillus 속 : L. delbruekii, L. bulgaricus, L. acidophilus, L. plantarum, … http://home.sunchon.ac.kr/~bioenv/

이종젖산발효(Hetero-lactic fermentation) - 당류로부터 젖산을 중요한 발효산물로 생산하지만 ethanol, CO2 등도 함께 생산함 - C6H12O6 → CH3CHOHCOOH + C2H5OH + CO2 Leuconostoc 속 전부 일부 Lactobacillus 속 : L. brevis, L. kefir, L. pentaoaceticus - Bifidobacterium 속 : acetic acid와 lactic acid를 3:2의 비율로 생성 가성젖산발효 : Escherichia coli - 2C6H12O6 + H2O → 2CH3CHOHCOOH + C2H5OH + CH3COOH + 2CO2 + 2H2 http://home.sunchon.ac.kr/~bioenv/

세균과 곰팡이를 이용한 젖산 생산 비교 Short period Expensive raw material Less contamination (thermophilic LAB) L-, D-, DL-form Anaerobic fermentation Longer period Cheap raw material Only L-form Aerobic fermentation Easy separation of cells after fermentation

세균을 이용한 젖산 생산 생산균주 발효조 배지 젖산균 : 복잡한 영양요구성 정상젖산발효, 호열성 Lactobacillus delbruekii : 50℃, starch, glucose Lactobacillus casei, L. bulgaricus : 44℃, whey 발효조 내부식성 재질 : stainless steel with high Mo content 배지 젖산균 : 복잡한 영양요구성 탄소, 에너지원 : 설탕, 포도당, 유청(whey, lactose), molasses 전분(당화 필요함) 질소 및 기타 : malt, malt root, corn steep liquor * 배양 중 pH 유지(5.5 ~ 6.5) 위해 CaCO3 첨가 * 완전한 멸균 필요 없음 : 다량의 접종원 사용, 높은 배양 온도

발효 젖산의 회수 온도 : 45 ~ 50℃ pH : 5.5 ~ 6.5 (CaCO3 또는 Ca(OH)2로 유지) 기간 : 3~6일, 잔당 < 0.1%(12%)일 때 정지 젖산의 회수 CaCO3 첨가 → pH 10 ~ 11 → calcium lactate(soluble) 가열 : 균체 사멸, 단백질 침전, 잔당의 분해 냉각, 여과 H2SO4 첨가 : Ca-lactate + H2SO4 → Lactic acid + CaSO4(↓) 탈색(활성탄소), 여과, 농축

구연산(Citric acid) H2C-COOH 구연산의 이용 ı HOC-COOH - 식품 : 탄산음료, 과일쥬스, TCA 회로의 중간산물 Citrus fruit Aspergillus niger 구연산의 이용 - 식품 : 탄산음료, 과일쥬스, 잼, 젤리, 캔디, … - 플라스틱 : 저독성 식품포장용 - 화장품 : lotion, hair rinse, hair setting fluid - 의약품 : Fe-citrate - 페인트, 분해성 세제, 도금, 녹 제거, …

TCA(tricarboxylic acid) cycle에서 구연산 축적 - Acetyl-CoA ↑ Glucose → Pyruvic acid : EMP > HMP Pyruvic acid + CoA-SH → Acetyl-CoA + CO2 : pyruvate dehydrogenase complex - Pyruvate + CO2 → Oxaloacetate ↑ - Acetyl CoA + Oxaloacetate → Citric acid ↑ : citrate synthetase (condensing enzyme) - Citric acid → cis-Aconitate → Isocitrate↓ : aconitase - Isocitric acid → α-ketoglutarate + CO2 ↓ : isocitrate dehydrogenase

구연산 생산균주 From sugars From Hydrocarbons 탄화수소를 이용한 구연산 생산 Aspergillus niger, A. awamori, A. saitoi Penicillium citrinum Trichoderma viride (from cellulose & other polysaccharides) From Hydrocarbons Candida lipolytica, C. tropicalis Arthrobacter paraffineus 탄화수소를 이용한 구연산 생산 - 높은 수율 : C6H12O6 + 3/2 O2 → C6H8O7 + 2H2O (106.7%) 6CH2 + 9/2 O2 → C6H8O7 + 2H2O (228.7%) - 낮은 용해도, isocitrate 생산량 증가 (aconitase 저해제 및 저항성 변이주 사용)

구연산 발효 발효방법 배지 발효관리 고체배양, 액체 표면배양, 액침배양(submerged culture) - 당 함량이 높을 것 - 인산 함량이 낮을 것 - 질소원 함량이 낮을 것 - 미량 원소가 결핍될 것 : Fe, Zn, Mn, Cu, Mg, Mo 발효관리 - 통기 ↑ - pH : 5~7 → 2~4 → 2.0 이하 높으면 오염도 증가 구연산 생산 감소, oxalic acid & gluconic acid 생산

구연산 회수 - 균사체 및 oxalic acid 제거 CaO(석회) 첨가 및 여과 : 낮은 pH에서 Ca-oxalate 침전 구연산은 Monocalcium citrate(dissolved) - 구연산 침전 CaO 계속 첨가, pH 7.0 ~ 7.4, 70 ~ 90℃ 구연산은 Calcium citrate로 침전 - Calcium citrate 침전물 여과 분리 - 구연산 가용화 H2SO4 첨가 – CaSO4 침전물 제거, Citric acid 회수 - 활성탄소, 양이온 교환수지, 음이온 교환 수지 처리 - 수분 증발 및 결정화