7장. 그 밖의 발효법 식용과 사료용 미생물 - 미생물균체 - 단백질원으로서 미생물균체 - 유지자원으로서 미생물균체

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1 7장. 그 밖의 발효법 식용과 사료용 미생물 - 미생물균체 - 단백질원으로서 미생물균체 - 유지자원으로서 미생물균체
7장. 그 밖의 발효법 식용과 사료용 미생물 - 미생물균체 - 단백질원으로서 미생물균체 - 유지자원으로서 미생물균체 - 단세포조류 - 식용버섯 2. 빵효모의 생산 3. 미생물의 특수한 이용 - 폐수처리, 미생물정련, 미생물분해 4. 바이오센서 5. 미생물화학전지 6. 미생물정량법

2 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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4 (2) 단백질원으로서의 미생물군체   • 주된 식사료 단백질 : 고등식물, 동물로부터 공급    • 인구증가에 따른 단백질원의 부족      단백질 활용/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

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

6 • 산업적 응용     → 비스켓, 크래커, 파이 등 → 균체첨가(영양효율증대)     → 탄화수소이용 SCP의 경우 안전성 확보가 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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8     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

9     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

10   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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13   (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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15 (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

16   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

17     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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19 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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21 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

22 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

23        ○ 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

24      : 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)              2) 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

25   ○ 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)

26 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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28    ○ 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)

29 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)

30 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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