6-8. 생물 고분자물질 발효 - 생물고분자(Biopolymer)  생물학적으로 합성,  생물학적으로 분해

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1 6-8. 생물 고분자물질 발효 - 생물고분자(Biopolymer)  생물학적으로 합성,  생물학적으로 분해
   생물학적으로 합성,    생물학적으로 분해   : 생체에서 유도된 모든 고분자물질 - 다당류, 고분자유기산, 고분자 펩타이드, 단백질, 핵산 등 - 생물학적인 고찰    대부분의 미생물/미세조류  다당류 생산(세포내/외)    외부로부터 자신을 보호할 목적      에너지원/충격완화/고착/건조방지 등      원생동물/bacterophage/병원성세균 항체보호/감염기작의 신호물질    다양한 화합물과 결합 (다가양이온, 단백질, 생합성물질, 무기염류 등)      황함유다당류        : 항바이러스 효과        : 황이온의 음전하 +바이러스의 표면의 양전하 = 바이러스의 침입을 방해          : 역전사효소활성저해(HIV)         다가 양이온성 다당        : interferon의 생성을 촉진            예) 헤파린(종양형성억제, 항응고제)

2 - 산업적 관심   : 세포외 분비성 다당류      수용성, 무독성의 특징      식품, 의약품, 화장품 등의 점도조절제, 유화안정제, 표면장력조절, 점착능, 윤활능, 필름형성능, 현탁제, 수분조절제 등에 응용      ○ 식품 : 식품의 가공/보존을 위한 첨가제      ○ 농업분야 : 토양보수, 육모용 종자, 식물재배용 배지를 위한 고형제      ○ 화장품 : 보습, 피부개선을 위한 기능성 첨가물      ○ 의학분야 : 렌즈, 인공관절, 피부피복제, 생리활성제, 약물전달체, 대용혈청재제 등      ○ 산업적 : 섬유, 필름, 종이, 페인트, 인크 등 첨가제      ○ 화학공학분야 : 물질분리, 농축소재 등      ○ 반도체분야 : 집적회로의 광저항성 및 초전도복합소재   - 현재 연구된 종류(표 6-37)   : 미생물 세포내 에너지 저장물질로 축척(polyester)되는 bioplastics

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4 1. Xanthan gum - 생산균주 : Xanthanomonase campestris 등 - 조성 : Glucose, mannose, glucuronic acid, acetate, pyruvate로 구성된 반복구조         : pyruvate 단위의 수와 분자량 (점도에 영향을 미침) - 공업적 제조     → 탄소원 : 포도당, 설탕, 옥수수전분 가수분해물 2~4%    → 질소원 : Yeast extract, peptone, NH4NO3, 요소 0.05~0.1%    → 무기염류 및 생육인자    → pH 7.0    → 2일 배양 후 점도증가가 뚜렷한 나타난다. - 정제     → 배양액(드럼건조기, 분무건조기) →분말화    → 식품용 : 200cps로 희석 → 여과/원심분리 → 균체제거 → methanol 또는 isopropanol로 침전 → 건조 → 분말화 cps: centipoise =

5 - 용도    1) 식품 : 점도증가 또는 켈형성을 위한 아이스크림, 밀크쉐이크, 피자소스, 인스턴트스프, 냉동식품, 가공치즈, 통조림 등            : 0.05~0.5%로 첨가    2) 공업용 : 석유체취, 법랑제품, 페인트, 화장품, 의약품 등 광범위하게 이용 2. Curdlan - Alcaligenes faecalis var myxogenes - β-1,3 glucan    → Succinoglucan의 구성 : glucose, 10% succinic acid, galactose    → Curdlan의 구성 : β-1,3 glycoside 결합 - 배양    → 8% glucose 배지에서 80시간배양 40g/L 수율    → 불용성으로 배양기간 동안 점성이 증가하지 않음 - 물을 20배 배유할 수 있으며    → 가열시 54~60℃에서 녹아 투명    →        80℃이상 : 겔강도 증가 - 용도 : 켈 여과, 담체, 친화성크로마토그래피용, 식품용겔화제 등 이용

6 3. Pullulan - 생성균주 : Aureobasidium pullulans    → α-1,4와 수개의 α-1,6 glycoside 결합 → glucan - 기질과 배양조건에 의존    → 수율과 분자량 5x104 ~4x106  - 배양    → 전분, glucose, 설탕을 탄소원       : 배양 (pH 5~6, 7일) → 1.5~4x106 고분자량              (pH 7~8,    ) → 5~10x104 저분자량    → 전분가수분해물을 10%함유한 탄소원       : 75%수율을 얻음    - 용도    → 수용성, 체내효소에 의해 소화되지 않음    → 저칼로리 식품원료로 이용    → 접착제, 산화방지용 포장재로 식품, 화장품, 의약품에 이용

7 4. Scleroglucan (스클로글루칸)
- 생산균주 : Sclerotium glucanicum, S. delphinii, S. rodfsii, S. libertiana, Helotium sp. - 구조 : β-6,1 결합을 측쇄로하고 β-1,3 결합으로 형성된 glucan          : 세포외에 축척, 중성다당류    - 용도 : 수용성, 점착성, 고온 및 광범위 pH에서 pseudoplastic의 성질          : 식품의 코팅제, 젤화제 5. dextran - 균주 : Leuconostoc mesenteroide L. dextranium - 배양 : 설탕을 탄소원으로 하여 배양         : dextransucrase를 사용하기도 함 6. Cyclodextrin (CD) - 전분 + Cyclodextrin glucanotransferase(CGTase) 작용     : α-1,4 결합으로 이루어진 환상구조 화합물을 형성

8 - 구조   → Glucose 6개 결합 : α-CD   → Glucose 7개 결합 : β-CD    → Glucose 8개 결합 : γ-CD  - CGTase 생산균주   → Bacillus macerans, B. megaterium, B. circulans, B. stearothermophillus      Klebsiella pneumoniae 등 - CD 생성과정 그림 6.55 - 용도     → 환상구조의 내부-소수성, 외부-친수성    → 소수성 화합물이 내부에 포접되어 안정한 화합물을 형성    → 휘발성물질의 안정화, 산화 및 광분해물질의 보호, 물리화학적 성질의 변화        화학반응성 변화, 난용성물질의 유화, 분말화 등의 기능    → 식품, 화장품, 의약품, 노약 등에 적용    → 물에 잘 녹지 않아 포도당, 맥아당을 이용 분지 CD를 만들어  수용성을 증가

9 7. Alginate - D-mannuronic acid, L-guluronic acid로 구성(β-1,4) - Azotobater vinelandii : uronic acid의 비율을 조절 - 해조류의 것과는 차이 - 식품용으로 대부분 이용되고 있으며 일부 제지공업에서 이용    8. Hyaluronic acid - D-glucuronic acid, N-acetyl glucosamine이 상호결합 - 직쇄상의 무색 투명한 고점도 다당체 저분자물질(화장품), 고분자물질(의약품) 9. Levan - Bacillus 속, Streptococcus 속 - 분자량 5,000 정도로 선상의 fructan(β-2,6) - B. polymyxa 로부터 설탕을 기질로 배양 - 용도 : 대용혈액

10 6.8.2 플라스틱성 생물고분자 - 생체합성, 생분해 특성으로 수술봉합체로 사용 - 인공심장, 인공신장, 인공수정체 등의 의료용으로 사용가능성이 높음 - 포장용 필름 대체소재 - PHB(poly-β-hydroxybutyrate), 유사체인 PHA(poly-β-hydroxyalkanoate) 계열의 polyester와 polyactide 등 - Alcaligenes eutrophus  PHB/PHV의 공중합체(Copolymer)를 생산 - A. eutrophus   → propionic acid +pentanoicacid를 탄소원 → 3HB와 3HV 공중합체   → butyric acid를 탄소원 → 3HB, 4HB 공중합체 - Protomonas extorquens   → 메탄올을 이용 → 건조중량 60%의 PHB 생산   → 유가배양법 → 160g/L - Methylobacterium organophilum   → 질소와 칼륨을 결핍 → 58% PHB를 생산

11 6-9. 효소 - 미생물  여러 종류의 효소를 생산 - 효소의 산업적 적용
1898년 Takamine  A. oryzae를 이용 Takadiastase를 소화효소로 생산 - 미생물을 이용한 효소생산의 장점 → 동식물에 비하여 계절적인 영향을 받지 않음 → 미생물육종을 통하여 짧은 시간내에 대량배양이 가능 → 제조원가가 저렴하고 다양한 종류를 생산할 수 있음. - 효소생산공정의 개발 → 고정화 기술(효소의 안전성/연속사용) → 유전자조작기술과 단백질공학기술의 발달로 효소의 생산성과 안정성이 증대 → 다양화와 대규모화가 가능 - 적용분야 → 식품, 피혁, 섬유, 의약품, 화장품, 세제, 바이오센서, 공해처리, 연료전지 등 이용성 증대

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18 1. Amylase - 전분을 구성하는 amylose(α-1,4 결합된 포도당), amylopectin(α-1,4와 α-1,6 의 가지형 복합체), glycogen 등    → α-1,4 glucoside 결합 또는 α-1,6결합을 가수분해하는 효소 - α-amylase, β-amylase, glucoamylase, pullulanase 등 가. α-amylase  - 전분의 α-1,4 glucoside 결합을 분해(endo)하나 α-1,6결합은 작용하지 않음  포도당, 엿당, matotriose 생성 - 전분의 점도 감소 →dextrin, maltose, glucose - 타액, 취액, 맥아 등에 존재 - Bacillus subtilis 등 세균과 Aspergillus 속 곰팡이등에 많이 존재

19  1) 세균 amylase - Bacillus subtilis, B. mesentericus, B. amyloliquefaciens 등 - 배지    → 대두박 5%, 전분 1.5%, (NH4)2HPO4 1.2%, KCl 0.01%, MgSO47H2O 0.01%, pH 7.0    → 35~37℃ 통기교반배양 - 정제: CaCl2+규조토 → 청징여과액(Ca amylase의 내열성을 증가 그 외 Na, Cl) - 최적 pH 5.8~6.4 - 호발제, 술덧의 액화, 물엿이나 포도당의 제조에서  전분의 고온액화(83~88℃)에 이용   2) 곰팡이 amylase - Aspergillus oryzae    → 전분 8%, NaNO3 1.2%, K2HPO4 0.1%, MgSO47H2O 0.1%, KCl 0.05%, FeSO4 0.03% Mg(NO3)2 0.08%, Mg(H2PO4)2 0.05% malt extract 2%    → 28~30℃, 3~4일배양 - A. niger (내산성 amylase, pH 2.0)

20 나) β-amylase - 전분의 α-1,4 결합을 비환원성 말단으로부터 β-maltose를 생성    → α-1,6 결합의 분기점에서 정지    → 다량의 맥아당과 β-limite dextrin 생성    → 환원당 증가, 점도저하가 뚜렷하지 않음, 요오드반응시 적갈색 - 고구마, 맥아, 소맥, 대두에 존재 - Bacillus polymyxa, B. cereus, B. megaterium, Streptomyces pracus - 세균성 β-amylase는 식물성보다 내열성이 높음(70℃) - 최적 pH 7.0 - 안정화에 Ca 가 필요치 않음 나. Glucoamylase - 전분의 비활성 말단 → 포도당단위로 α-1,4결합을 차례로 분해                        → β-1,6도 분해 - A. niger, A. oryzae, A. awamori, Rhizopus delemar 등     A. niger : 전분을 70~80%을 분해  Rhizopus delemar: 전분을 100%분해 - 최근 열에 안정한 세균을 이용하여 생산성을 개선

21 다. Isoamylase (Pullulanse, R 효소)
- Amylopectin, glycogen 의 α-1,6 결합을 특이적으로 분해     직쇄의 dextrin을 생성 - 요오드반응 : 적자색 → 청색으로 변화 - 효모에서 처음발견, 식물의 효소(R-enzyme라 칭함) - Aerobacter aerogenes : pullulane에 작용(α-1,6을 절단)

22 라. Cyclodextrin glycosyltransferase(CGTase, Bacillus macerans의 amylase)
- 전분에 작용하여 α-1,4 결합을 분해     → 6~8개의 CD를 생성(Cyclization)    → 새로운 α-1,4결합을 가지는 CD를 만든는 일종의 전이효소 - 전분이외의 당 수용체(A)가 존재시     → 전이반응에 의해 CD가 개열하여    → A를 4위탄소 -OH에 전이시켜 α-1,4결합을 유도(Coupling) - 직쇄의 oligo 당간의 불균질화 반응을 촉매(Disproportionation) - 효소의 개환반응을 이용 새로운 당전이 제품을 개발

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24 마. Cellulase - Cellulose의 β-1,4 결합을 가수분해 - 3종의 복합체를 형성하여 작용  endo-β-1,4-glucanse(EG: Cx-효소)      exo-β-1,4-glucanse(cellobiohydrolase; CBH:C1gth)     β-glucosidase(Celloviase)   - 수용성 cellulose 인 CMC를 가수분해하는 효소: CMCase(Cx 효소)    Cellulose을 분해하는 효소 C1효소(단독으로 작용하지 못함) - 균주 : Tricoderma viride, A. niger, Irpex lacteus, Fusarium moniliform 등 - Cellulase 제제     hemicellulose, pectinase, protease가 복합체로 되어 있음 - 응용  전분제조, 대두단백추출, 해조류로부터 한천의 추출, 곡류 및 두류의 탈피, 소화제, 사료가공 등에 이용 바. hemicellulase - hemicellulose 식물의 세포벽에 존재, 알카리로 추출되는 다당류의 총칭 - 이를 분해하는 효소 hemicellulase     → xylanase, galactanase, mannase, arabinose 4종으로 분류 - 공업적으로는 hemicellulase 제제는 없고 다른 효소에 함유

25 Exo – type Exo – type

26 Invertase (β-fructofuranosidase, 1940년대 개발, )
- sucrose = glucose + fructose  가수분해하는 효소    → fructose 측면에서 절단하는 β-fructosidase (Saccharomyces cerevisiae)    → glucose 측면에서 절단하는 α-glucosidase - 식품공업에서는 전자를 이용 - 설탕을 분해한 전화당은 설탕보다 용해도가 높고 당의 결정석출을 방지이며                           식품의 수분을 유지 - 적용 : 초콜릿, 양갱, 아이스크림, 인공벌꿀제조에 이용 Lactase(β-galactosidase) - Lactose = glucose + galactose (가수분해) A. niger, A. oryzae, Kluyeromyces marxianus, S. fragilis, S. lactis, C. spherica, C. pseudotropicalis 효모가 생성하는 효소의 최적 pH 6~7(cellulose acetate fiber에 고정) Aspergillus 속 이 생성하는 최적 pH 3~4(silica에 고정)  유청의 처리에 유용 -응용: 빵의 개량, 저유당유의 제조, 아이스크림에서 유당결정을 감소

27 Melibiase(α-galactosidase)
- Meliviose, Raffinose, starchyose 당류에서 α-D-galactoside를 가수분해 - Mortiella vinacea - 제당공업에서 설탕의 결정화를 방해하는    → raffinose = 설탕과 galactose로 분해 → 설탕 수율을 향상 Naringinase - 쓴맛이 강한 감귤류에서 쓴맛의 주원료인 naringin - Naringinase에 의해 rhamnose + glucose의 α-1,2결합을 가수분해      rhamnose + naringenin-7-glucoside                  galactosidase에 의해 glucose + naringenin 분해 - A. niger, A. oryzae, Coniothyrium diplodiella 등

28 Hesperisinase - Hesperidin은 밀감류에 함유되어 있는 비타민 P 군 - 과즙과 통조림 제조시 백탁의 원인 - Hesperisinase 에 의해 백탁을 방지 - 최적 pH 3.5, 최적온도 60℃, 안정 3.0~8.5

29 Protease 가) 종류 - 최적 pH에 의한 분류     산성, 중성, 알카리성 - 작용위치     endopeptidase : 중간에 작용 두개의 pepetide를 생성, proteinase라함     exopeptidase : 말단의 아미노기(aminopeptidase) 또는 카복실기 (Carboxypeptidase)에 작용                 : dipeptidase는 dipeptide에 만 작용 - 활성양식     serine protease : serine 잔기가 효소활성에 관여     thiol protease : thiolrl(SH기)가 효소활성에 관여     금속 protease : 효소활성에 작용하는 금속을 함유

30   나) 미생물 단백질분해효소   - 곰팡이 단백질분해효소     → 산성, 중성, 알카리성 분류     → A. oryzae : 3종을 모두 생성, 배지의 pH에 따라 생성     → A. niger, saitoi, awamori 등 내산성의 산성 protease 생성   - 세균 단백질분해효소     → B. subtilis : 생성되는 protease를 subtilisin라 함                   (중성과 알카리성)   - 방선균 단백질분해효소     → S. griseus : 단백질분해효소는 최적 pH 7~8, Ca에 안정, 소염작용   - 적용     → 제과, 제빵, 고기의 연화, 수산가공, 조미료의 제조,        청주-맥주의 혼탁제거, 된장-간장의 소양제조, 소화제, 피혁가공,        세제, 소염제 등에 활용

31 미생물 응유효소   - 단백질을 응고시키는 작용   - 치즈제조시 사용   - Mucor pusillus Lindt, Endothia parasitica 등 Pectinase   - 고등식물에 널리 분포   - 식물조직의 것은 냉수에서는 불용성, 온수에서 가용성 (protopectin)     - pectin의 구성(그림 6-65)

32   - pectinase (3종의 효소가 상호작용)
    → protopectinase : 불용성의 천연 pectin을 가용성 pectin     → pectin esterase : methyl ester를 분해 (pectinic acid)     → polygalacturinase : α-1,4 결합을 가수분해 (endo, exo-form)   - Aspergillus niger, wentii, saitoi 등   - 적용     → 과즙의 청징제, 착즙시 수득량 증가에 이용, 젤리제조에 이용 Lipase   - 중성지방을 지방산과 glycerin으로 가수분해   - A. niger, Candida cylindeacea 등   - 반응속도     → 기질과 물의 계면의 면적에 지배     → 소화제, 세제, 지방산제조, 유제품에 작용     → 우유에 지방산함량을 증가 유제품의 방향을 풍부하게 하는 효과

33 Glucose oxidase Glucose isomerase
  - glucose를 산화 → glucono-δ-lactone(→gluconic acid)과 H2O2를 생성   - A. niger, Penicillium natatum   - 최적 pH 5.6~5.8, 온도 30~40도   - Glucose와 산소를 제거    → 계란분말제조, 과즙, 맥주, 청주, 기타 산화에 의한 식품의 갈변방지에 이용 Glucose isomerase   - D-glucose → D-fractose로 이성화하는 효소   - 감미도가 낮은 포도당시럽에서 감미도가 높은 과당시럽을 제조  초기 전환율 40~50%  잔류포도당을 이용하여 재반을 시킬 경우 80%까지 전환   - Bacillus coagulans, S. albus, S. boblilae 등   - 제과, 제빵, 통조림용 시럽 등 Catalase   - 과산화수소를 분해하는 기능     → 과산화수소 존재시 알코올이난 개미산 등의 산화를 촉매하는 효소   - Micrococcus lysodeikticus, Pse. spheroides 등   - 우유, 치즈, 어묵의 살균에 과산화수소를 이용     → 저장성 증대     → 잔존하는 과산화수소를 분해

34 Tannase Penicillinase - Tannin의 ester 결합이나 depside 결합을 분해
  - A. niger, A flavus, Penicillium glaucum 등   - 홍차나 맥주의 혼탁방지    Penicillinase   - 페니실린의 β-lactam 환을 파괴   - 페니실린이 함유된 젖소의 우유는 치즈제조시 starter의 발육을 저해     →페닌실린을 분해   - B. cereus, B. subtilis 등

35 7장. 그 밖의 발효법

36 식용 및 사료용 미생물 미생물 균체성분   • 성분 : 수분(70~80%), 단백질, 지질, 탄수화물, 핵산, 회분, 비타민(표 7.1)   • 균체의 성분 : 미생물에 따라 차이                : 배지조성                 : 배양조건, 생육시기 등      예) 배지성분의 C/N비(지질함량의 차이), 핵산함량(대수증식기 높음)   • 식ㆍ사료미생물(표 7.2)

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38 (2) 단백질원으로서의 미생물군체   • 주된 식사료 단백질 : 고등식물, 동물로부터 공급    • 인구증가에 따른 단백질원의 부족      단백질활용/아미노산 강화에 의한 영양효율개선요구      미생물 단백질(Single cell protein, SCP)        장점 1) 성장속도가 빠름, 2) 생산효율이 높고, 3)공업적 생산에 따른 부지절약, 4) 기후조건에 영향을 받지 않음        조건 1) 경제성, 2) 원료에 따라 적당한 균주선정, 3) 배지조성, 4) 배양장치, 배양방법 및 회수공정 등 확립, 5)안전성확보(미생물)   • 대표적인 SCP 생산균주 및 비교(표 7.3)      조단백질 : 세균(60~80%), 효모(50~70%), 곰팡이(50~60%), 조류담자균(50~60%)          : Lysine 높음

39     → n-Paraffin을 이용한 효모이용(15%)
       : 닭의 산란, 체중증가율 → 감소하지 않음        : 생존율, 수정률, 부화율 → 증가      → 담수어나 해수어 : 30%정도 첨가

40 • 산업적 응용     → 비스켓, 크래커, 파이 등 → 균체첨가(영양효율증대)     → 탄화수소이용 SCP의 경우 안전성확보가 중요     1) 아황산 펄프액을 이용한 효모생산        - 아황산펄프폐액: 흑갈색 점성(3%의 당) → 효모제조/폐액처리에 이용        - 종모 : Candida utilis, Candida utilis var major, C. tropicalis 등        - 배양기 : 통기교반(소포 Waldhof 형)        - 증식저해물질의 제거 → 아황산, 리그닌분해산물, FurFural 등 제거                              → 포기조 이용        - pH 유지 → 암모니아 첨가, pH 조절, 질소원으로 첨가        - 무기염류 → 과인산석회, KCl, MgSO4 등        - 배양온도 → 30℃        - 정제 : 원심분리 → 세척 → 건조

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42     2) 석유계 탄화수소를 이용한 균체생산        - 적용 효모, 곰팡이, 세균 등           : C. tropicans, C. lypolitica, C. inyermedia 등        - 기질           → 경유, n-paraffin(C16~18)             → 물에 불용성, 에멀젼형성증가 → 통기와 교반, 냉각, 산소공급요함        - 배양공정 : BP법, IFP법, Esso-Nestle 법 등        - 배양탱크 : Waldhof 형, Air-lift 형이 이용        - 회수 : 원심분리(16%농축) → 세척 → 농축(23%) → 분무건조     3) Methan을 이용한 균체생산        - 액화하기 어려워 운송에 문제, 폭발위험성 등        - 미생물 : Methylomonas methanica, Methylococcus capsulatus,                   Methylovibrio soengenii, Methanomonas margarritae        - Methan 산화효소에 의해 methanol로 전환            CH4 + O2 + XH2 → CH3OH + H2O + X

43     4) Methanol        - Naphtha, Methane, 천연가스 등 원료로 합성        - SCP 생산을 위한 중요한 소재        - 문제: 한정된 자화미생물, 균체수득량 낮음,                methanol 또는 formaldehyde의 유해성        - 자화미생물 : Kloeckera Pichia, Hansenula, Candida, Saccharomyces 속        - 배지 : 일반적인 무기염류 + Corn steep liquor + 비타민 : MeOH (2~3%)        - 배양온도 : 30℃     5) Ethanol을 이용한 균체생산        - MeOH에 비하여 안전  Candida, Pichia, Saccharomyces 속         - 6% EtOH → 35g/L 수득율  Pichia(80%), Hansenula(73%)의 수득률 보고

44   6) Cellulose을 이용한 균체생산        - 재료 : 천연자원, 목재폐기물, 폐신문지 등 이용 EtOH 및 SCP 생산        - 가수분해에 이용하는 효소 : Cellulase 이용          • 세균(Cellulomonas, Actinomonas)          • 곰팡이(Trichoderma, penicillium, Thermoascus)        - 공업적 이용균주  Trichoderma reesei, T. koningii 등  (3) 유지자원으로서의 미생물 균체      - 유지함유 : 균체의 2~3%,  효율증대(건조체 60%)      - 주요 유지생산미생물 (표 7.5)      - 질소원농도, C/N비가 중요        : 탄소원 농도가 높고 질소원 결핍 → 유지생산율 증대      - 대수성장기 초~사멸기 → 최대 유지함량      - 유지조성: 중성유지, 유리지방산, 인지질 및 부검화물        • 구성지방산 (palmitic acid, stearic acid, oleic acid, linoleic acid 등)      - 최근 유용자원 : DHA, EPA 등 ω-3계열 

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47   (4) 단세포조류       - 우주항공식품으로 각광, 공해오염방지에 유용      - 주된 종류        : Chlorella pyrenoidosa, C. ellipsoidea, C. vulgaris 등        : Senedesmus, Spirulina      - 배양 : pH 5~7, 25℃, CO2공급(0.1~0.5%)      - 배양장치 : 옥외 배양지(식품/사료)                   밀폐배양장치(식품/화장품/의약용) 암배양(국내, 대상 클로렐라)      - 배양지 깊이 : 10~15cm      - 회수 : 원심분리→ 균체수확(상층액, 회귀)→ 세척 →농축 → 진공건조      - 영양적 가치        • 단백질 (40~50%), 지방(10~30%),          비타민 A, C 풍부 (그외 B12, 판토테인, 엽산, 콜린, 비오틴, VK, 무기질)        •  식사강화용 식품, 소화효율이 낮음(메탄올처리시 향상)

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49 (5) 식용버섯        자연채취 : 송이버섯        인공재배 : 느타리, 팽이, 만가닥, 표고, 목이, 양송이 등        약용버섯 : 영지, 상황, 아가리쿠스 등(건강보조 및 제약산업)     1) 식용버섯의 성분      - 수분(70~95%), 고형물(5~30%)      - 영양적 가치         : 조단백질(10~30%), 조지방(1~8%), 탄수화물(trehalose 5~10%)               : 탄수화물→ 맛과 자실체 형성에 중요한 인자         : 조섬유 (chitin 등)         : 미량성분 (비타민 B2, C, ergosterol, Provitamin D2)         : 항암작용 등 생리활성물질을 함유     2) 버섯의 생리상태       - 영양성분 섭취방법          : 사물기생균(낙엽, 나무 등 표고, 느타리, 목이, 팽이 등)                     (유기물이 많은 퇴비나 동물배설물 - 양송이버섯)         : 활물 기생균  송이버섯

50   3) 버섯의 배지        - 원목, 톱밥, 볏집, 퇴비 등        - 탄소원 : Cellulose, 리그닌        - 질소원 : 단백질, (그 외 쌀겨, 옥수수 등)        - 미량성분 : 티아민, 그와 비타민, 미량성분 등     4) 자실체의 발생과 환경조건        - 포자 → 발아 → 1차균사체 → 2차균사체 → 생육        - 조건 : 온도, 수분, 광선 등 환경조건       ① 온도 : 발사발육과 자실체 발생온도 (표 7.7)       ② 수분 : 자실체의 발육과 생육에 필수적(수분/습도)       ③ 광선 : 어두운 환경을 좋아한다.       ④ 산소/이산화탄소 : 균사나 어린버섯의 발육 → 산소를 요구

51     5) 식용버섯의 생산       ① 표고버섯    : 참나무, 구멍, 톱밥 종균  6~12개월 후부터 년 2회 수확                     : 온실/비닐(연중재배)       ② 느타리버섯 : 원목재배, 볏집재배, 톱밥재배 등         ③ 팽이버섯   : 톱밥을 살겨와 섞어 병재배       ④ 양송이 : 볏집을 주원료로 한 퇴비를 이용하여 재배

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53 1) 당밀 : 탄소원 (사탕수수당밀, 사탕무우당밀) - 사탕수수당밀 : 50%이상의 당분(sucrose),
7.1.2 빵효모의 생산   발효빵→ 알콜발효→ 탄산가스 생성→ 밀가루에서 기포발생→ 빵의 향미, 품질향상   제형 : 압착효모, 건조효모         1. 원료    1) 당밀 : 탄소원 (사탕수수당밀, 사탕무우당밀)      - 사탕수수당밀        : 50%이상의 당분(sucrose),        : biotin, pantothenic acid, inositol, 비타민 B6, nicotinic acid, folic acid        : 폐당밀은 협잡물/콜로이드성 물질함유, 흑갈색 → 전 처리 필요        : 3~4배의 물로 희석 pH 6~7로 조정 가열, 침전하여 제거           상층액은 당밀 청징기→ 살균 → 원료로 사용    2) 부원료        : 사탕수수당밀 → 질소함량, 0.3~0.4%, 추가적인 질소원의 첨가가 필요        : 보리, 맥아, 맥근, 쌀겨, CSL, 요소 등 유기질소화합물        : 황산암모니움, 암모니아 수 등 무기질소        : 과인산석회, 인산암모늄 등 인산원

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55 2. 종효모의 배양     ○ 종효모 : Saccharomycess cerevisiae            1) 발효력이 강하여 밀가루반죽의 팽창력이 우수            2) 생화학적 성질이 일정            3) 물에 잘 분산            4) 자가소화에 대한 내성 및 보존성이 우수            5) 장기간에 걸쳐 외관이 손상되지 않음            6) 당밀배지에서 증식속도가 빠르고 수득률이 높음      ○ 보존균주 → 맥아즙, 25℃, 정치배양 → 당밀배지, 28℃에서 통기배양      ○ Scale up         : 순수사면배양 1백금이 → 10ml → 150ml → 10L →500L → 5t

56 3. 본 배양 효모 : 혐기적상태 → 알콜발효, 호기적 상태 → 증균 : 호흡열이 높아 냉각장치가 필수
  3. 본 배양     효모 : 혐기적상태 → 알콜발효, 호기적 상태 → 증균           : 호흡열이 높아 냉각장치가 필수            : 당 농도가 높으면 → 호기상태에서 알콜발효             당 농도가 낮으면 → 자가소화, 품질저하 → 최적 당농도 0.1% (0.5~1.0%)            : 질소원, 배양후기에 질소원 ↑, 보존성/내당성이 떨어짐             : 인산원, 인산원 ↓, 수득율 감소 ; 인산원 ↑, 발효력이 저하       ○ 증식속도           : 증식속도에 비례하여 당, 무기염의 첨가량을 조절하는 유가배양           : X2=X1eμ(t2-t1)   μ = log(x2/x1)/(t2-t1)               = log H x 2.303          예) 11시간 배양하여 종효모 200kg에서 1200kg의 효모를 얻을 경우 μ와 H               μ =log(1200/200)x2.303/(11) =0.1629, H = 1.177            - 성장률에 맞추어 당첨가량과 통기량을 증가            - 당의 공급, 0.16~0.18g 당/시간/g 생효모            - 최종단계의 성숙시 0.04g 당/시간/g 생효모

57        ○ 질소와 인의 첨가량           : 효모의 원소함량 N 6.5~7.5%, P:0.8~1.2%           당밀: 질소: 인 = 100:2.5~3.5:0.3~0.5           배지의 조성을 조정 한다        ○ 온도 - 최적온도 25~26℃, 30℃까지 허용        ○ pH - 3.5~4.5범위에서 배양(잡균의 성장을 억제)           - pH가 너무낮으면 효모가 착색           - 황산암모니아와 암모니아수를 적절히 조절하여 pH유지   4. 균체의 분리, 정형 및 포장      : 배양이 끝난 효모의 방치 → 자가분해      : 배양액(5~8%) → 원심분리(1/6~1/8) → 냉수로 세척(10℃) → 원심분리(3회반복)      : 균체 5℃이하로 냉각→ 압착여과기→ 압착(65~70% 수분)→ 정형→ 보관(0~4℃)        압착효모(Compressed yeast)   5. 건조빵효모      : 저수분에서 장기간 보존이 가능한 균주      : 질소가 적고, 탄수화물(trehalose)가 많이 축척된 종이 우수(질소기아 조작)      : 압착 →  입상 → 회전드럼건조,                  과립상 → 유동층건조                 분말상 → 분무건조

58      : 최종제품의 함수량 - 7.5~8% (10%→보존성 저하, 5~6%→ 활성감소)
     : 보존 (저온)      : 사용시 1) 44℃의 온수를 4배가량 첨가(당, 식염을 이용, 균체내 glutathione의 용출방지)              ) 약 5분간 정치→ 수분을 흡수활성화   7-2. 미생물의 특수한 이용 1) 폐수처리   ○  호기적 처리법(활성오니)     : 응집상태의 호기적 미생물을 이용 유기물을 분해하고 오니를 침전시켜 상징액을 방류     : 미생물 - Bacillus, Pseudomonas, Aerobacter, Nitromonas, Nitrobacter 등              원생동물, 곰팡이 등     : 제약, 식품공장 등

59   ○ 살수여상법     : 여재에 미생물을 고정화하야 폐수를 살포하면 폐수중 유기물을 흡착 정화      : 여재(자갈, 코르크, 도기제 등)   ○ 혐기적 처리법     : 유기물의 농도가 높은 경우 혐기적 처리를 수행     : 유기산의 생성과 가스발생        - 메탄(60~65%), 탄산가스(30~35%), 기타(암모니아, 황하수소, 수소, 산소)      : 미생물 (Clostridium, Proteus, Pseudomonas, Bacillus, Streptococcus,               Methanococcus, Methanobacterium)

60 2) 미생물 정련     : 광석이나 유용한 금속을 용출시켜 효과적으로 회수하는 것을 미생물정련     : 동과 우라늄의 정련에 이용     : 광산폐수처리       - 산성폐 중의 제일철이온 → 미생물 → 제이철로 산화 → 철의 회수, 중화효과     3) 미생물분해     : 유기합성, 석유화학 등으로부터 신규합성물질 → 난분해성 → 오염    ○ 중성세제       - 하수나 하천, 항만에 유입 → 거품유발       - 중성세제인 alkyl benzene sulfornate(ABS) → 60~80%분해       - linear alkyl benzene sulfonate(LAS)로 쉽게 분해되는 소재로 변화       ○ 농약       - 제초제, 살균제, 살충제, 살서제 등은 난분해성, 비극성을 띠고 있어 잔류성이 높음       - 독성도가 높아 환경오염의 원인  농약분해미생물의 예 표 7.8    ○ 기타물질       - 유해성분인 phenol, cyan, nitril 등       - 합성고분자물질 PVC, PVA, PEG, PPG 등       - 발암성물질 아민류,       - 해수중의 석유, 석유성분 등

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62    ○ 미생물살충제       - 농작물에 성장하는 해충을 선택적으로 죽이는 미생물       - 미생물 선별시 고려사항          : 대량생산이 가능, 생존유지, 동식물에게 독성, 병원성이 없어야 한다.                     : 화학제보다 저렴          : 세균, 바이러스, 곰팡이, 원생동물 등 (표 7-9)

63 4. 바이오센서    : 각종 생체물질이 가지는 분자식별기능을 이용해서 화학물질을 예측하는 기구와 장치    : 효소, 면역, 미생물센서, 동식물 세포센서, 동식물 조직센서 등     : 미생물센서      - 특정화학물질을 자화, 분해, 합성하는 미생물      - 특정화학물질에 의해서 대사활성억제, 저해, 활성화되는 미생물을 선발      - 신호변환부와 조합하여 제작 (표7-10)

64 5. 미생물화학 전지    : 간단한 유기, 무기화합물을 영양원으로 하고      → 미생물의 작용에 의해 기질의 화학에너지를 얻어 전기에너지로 변환    : 고정화수소생성균(Citrobacter freundii) → 수소생성 → 연료전지 → 전기    : 그 외 광합성세균, 조류      → 광에너지 → 전기에너지로 전환하는 기술개발이 진행 중 6. 미생물 정량법    : 특정영양물질의 요구와 억제의 관계를 이용하여 물질을 정량하는 방법    : 물리적, 화학적인 방법으로 간단히 정량할 수 없는 물질의 정량에 적용      - 미량의 시료정량이 가능      - 특이성이 높음    : 아미노산, 비타민, 항생물질 등에 많이 적용    : 물질의 농도에 의존하여 미생물의 성장도를 비교하여 정규분포곡선을 이용하여 정량    : 대표적인 미생물과 정량방법 표 7-11

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