미생물 중 색소를 생성하는 종류로서는 Aspergillus awanori, Aspergillus niger, M onascus sp. 등이 알려져 있다. 이중에서 Monascus sp.가 생성하는 적색색소는 천년이상 중국과 동남아시아에서 식품에 널리 사용되어 인체에 대한 안정성이 검증이 되었고 최근 연구논문의 결과도 이를 입증하고 있다. 1890년대 후반부터 연구되기 시작하여, 현재 일본, 중국, 대만 등을 중심으로 활발한 연구활동과 제품생산이 이루어져 왔다. 국내에서는 Monascus 적색색소의 연구와 기초적인 실용화 연구가 수행되어 왔으나 아직 상업화기술은 개발되어 있지 않아 전량 수입에 의존하고 있는 실정이다. 따라서 천연소재에 대한 급격한 수요증가가 예측되고 천연소재를 국산화하기 위한 기초연구, 대량생산기술연구 및 소재 응용기술연구 등이 절실히 요구된다. 현재까지 미생물을 이용한 천연색소의 생산은 색소를 생산하는 미생물의 분리, 색소의 ...
미생물 중 색소를 생성하는 종류로서는 Aspergillus awanori, Aspergillus niger, M onascus sp. 등이 알려져 있다. 이중에서 Monascus sp.가 생성하는 적색색소는 천년이상 중국과 동남아시아에서 식품에 널리 사용되어 인체에 대한 안정성이 검증이 되었고 최근 연구논문의 결과도 이를 입증하고 있다. 1890년대 후반부터 연구되기 시작하여, 현재 일본, 중국, 대만 등을 중심으로 활발한 연구활동과 제품생산이 이루어져 왔다. 국내에서는 Monascus 적색색소의 연구와 기초적인 실용화 연구가 수행되어 왔으나 아직 상업화기술은 개발되어 있지 않아 전량 수입에 의존하고 있는 실정이다. 따라서 천연소재에 대한 급격한 수요증가가 예측되고 천연소재를 국산화하기 위한 기초연구, 대량생산기술연구 및 소재 응용기술연구 등이 절실히 요구된다. 현재까지 미생물을 이용한 천연색소의 생산은 색소를 생산하는 미생물의 분리, 색소의 구조분석 및 색소 생산에 관여하는 생합성 경로에 관한 연구들이 대부분으로 산업화에 관한 연구는 매우 부족한 형편이다. 따라서 본 연구에서는 액체 배양을 통하여 색소의 생산을 위한 최적배지를 확립 후 생물 반응기를 이용하여 배양조건이 색소생산에 미치는 영향을 조사함으로써 대량 생산을 위한 기초 데이터를 확립하였다. 첫째, 다량의 균체 생산 및 적색 색소생산성 향상을 위하여 최적 배지 조성 및 생산 조건을 확립하였다. 비 적색색소 생산성(A_495nm/g)및 경제성을 바탕으로 탄소원으로 30 g/L의 glucose와 질소원으로는 1.5 g/L의 monosodium glutamate(MSG)를 선별하였다. 과량의 포도당을 첨가할 경우 ethanol생성의 대사과정이 활성을 가져 이차대산물이 감소하는 호기적 발효 (respirofermentative metabolism)가 일어나게 된다. 따라서, 탄소 소비 속도를 낮추기 위해 탄소원을 저농도로 지속적으로 투입하는 유가식 배양을 통하여 ethanol 생산량을 최소화시키며, 2차 탄소원을 자화 속도가 낮은 lactose를 선별하였다. 배양 중 첨가할 trace metal 인 Fe^2+ 및 질소원의 최적 첨가시간은 배양 초기 및 84시간으로 조사되었다. 둘째, 최적 배지 조성 및 배양 조건을 기반으로 생물 반응기 운전 시 pH 및 DO(dissolved oxygen)의 조절을 통하여 적색 색소생성량을 증가시키고자 하였다. 최적의 통기량(aeration)인 포화 용존 산소를 80%로 유지하는 과정에서 pH를 조절하여 적색색소 생산성을 향상 시켰다. pH를 5.5로 유지시키며 배양한 경우에는 1.4와 1.9배의 균체 및 적색 색소가 생산되었다. 특히, 생성된 전체 색소 및 세포 외 색소는 산성조건에서는 황색색소가 우세하며, 중성조건에서는 적색색소의 생성이 우세하다는 사실을 확인 할 수 있었다. 따라서, pH 변화를 통하여 적색 색소 및 세포 외 적색 색소 합성의 유도를 시도하였으며 pH 4.0에서 7.0으로의 변화를 주었을 때 최대의 수용성 적색색소를 유도하였다. 본 결과는 홍색색소 생성에 적합한 pH 4.0에서 다량의 홍색색소를 생산한 후 적색색소 생성에 적합한 pH 7.0으로의 변화를 통하여 다량의 수용성 적색 색소를 유도한 결과라고 사료된다. 셋째, 최적의 통기량(aeration)과 pH 조절상태에서 최적 농도의 glutamate와 trace metal을 적정시간에 첨가하는 유가식 배양을 이용하여 고농도의 균체 생산량과 적색색소의 생산성을 극대화하기 위한 생물반응기 운전전략을 확립하였다. 용존산소량의 80%를 유지하면서 pH 5.5를 유지하는 과정에서 amino acid 인 37.5mM의 glutamate와 trace metal인 Fe^2+을 배양 초기와 84시간 후에 첨가하며 lactose를 feeding하는 유가식 배양을 수행하였다. 유가식 배양을 통하여 균체 및 적색색소 그리고 수용성 적색색소를 2.5, 2.4 및 7.1 배를 향상 시켰다.
미생물 중 색소를 생성하는 종류로서는 Aspergillus awanori, Aspergillus niger, M onascus sp. 등이 알려져 있다. 이중에서 Monascus sp.가 생성하는 적색색소는 천년이상 중국과 동남아시아에서 식품에 널리 사용되어 인체에 대한 안정성이 검증이 되었고 최근 연구논문의 결과도 이를 입증하고 있다. 1890년대 후반부터 연구되기 시작하여, 현재 일본, 중국, 대만 등을 중심으로 활발한 연구활동과 제품생산이 이루어져 왔다. 국내에서는 Monascus 적색색소의 연구와 기초적인 실용화 연구가 수행되어 왔으나 아직 상업화기술은 개발되어 있지 않아 전량 수입에 의존하고 있는 실정이다. 따라서 천연소재에 대한 급격한 수요증가가 예측되고 천연소재를 국산화하기 위한 기초연구, 대량생산기술연구 및 소재 응용기술연구 등이 절실히 요구된다. 현재까지 미생물을 이용한 천연색소의 생산은 색소를 생산하는 미생물의 분리, 색소의 구조분석 및 색소 생산에 관여하는 생합성 경로에 관한 연구들이 대부분으로 산업화에 관한 연구는 매우 부족한 형편이다. 따라서 본 연구에서는 액체 배양을 통하여 색소의 생산을 위한 최적배지를 확립 후 생물 반응기를 이용하여 배양조건이 색소생산에 미치는 영향을 조사함으로써 대량 생산을 위한 기초 데이터를 확립하였다. 첫째, 다량의 균체 생산 및 적색 색소생산성 향상을 위하여 최적 배지 조성 및 생산 조건을 확립하였다. 비 적색색소 생산성(A_495nm/g)및 경제성을 바탕으로 탄소원으로 30 g/L의 glucose와 질소원으로는 1.5 g/L의 monosodium glutamate(MSG)를 선별하였다. 과량의 포도당을 첨가할 경우 ethanol생성의 대사과정이 활성을 가져 이차대산물이 감소하는 호기적 발효 (respirofermentative metabolism)가 일어나게 된다. 따라서, 탄소 소비 속도를 낮추기 위해 탄소원을 저농도로 지속적으로 투입하는 유가식 배양을 통하여 ethanol 생산량을 최소화시키며, 2차 탄소원을 자화 속도가 낮은 lactose를 선별하였다. 배양 중 첨가할 trace metal 인 Fe^2+ 및 질소원의 최적 첨가시간은 배양 초기 및 84시간으로 조사되었다. 둘째, 최적 배지 조성 및 배양 조건을 기반으로 생물 반응기 운전 시 pH 및 DO(dissolved oxygen)의 조절을 통하여 적색 색소생성량을 증가시키고자 하였다. 최적의 통기량(aeration)인 포화 용존 산소를 80%로 유지하는 과정에서 pH를 조절하여 적색색소 생산성을 향상 시켰다. pH를 5.5로 유지시키며 배양한 경우에는 1.4와 1.9배의 균체 및 적색 색소가 생산되었다. 특히, 생성된 전체 색소 및 세포 외 색소는 산성조건에서는 황색색소가 우세하며, 중성조건에서는 적색색소의 생성이 우세하다는 사실을 확인 할 수 있었다. 따라서, pH 변화를 통하여 적색 색소 및 세포 외 적색 색소 합성의 유도를 시도하였으며 pH 4.0에서 7.0으로의 변화를 주었을 때 최대의 수용성 적색색소를 유도하였다. 본 결과는 홍색색소 생성에 적합한 pH 4.0에서 다량의 홍색색소를 생산한 후 적색색소 생성에 적합한 pH 7.0으로의 변화를 통하여 다량의 수용성 적색 색소를 유도한 결과라고 사료된다. 셋째, 최적의 통기량(aeration)과 pH 조절상태에서 최적 농도의 glutamate와 trace metal을 적정시간에 첨가하는 유가식 배양을 이용하여 고농도의 균체 생산량과 적색색소의 생산성을 극대화하기 위한 생물반응기 운전전략을 확립하였다. 용존산소량의 80%를 유지하면서 pH 5.5를 유지하는 과정에서 amino acid 인 37.5mM의 glutamate와 trace metal인 Fe^2+을 배양 초기와 84시간 후에 첨가하며 lactose를 feeding하는 유가식 배양을 수행하였다. 유가식 배양을 통하여 균체 및 적색색소 그리고 수용성 적색색소를 2.5, 2.4 및 7.1 배를 향상 시켰다.
A variety of microorganisms producing pigments are Aspergillus awanori, Aspergillus niger and Monascus sp.. Especially, Monascus pigments have been used in various foods as a natural coloring agent for many East Asian countries. Recently, many kinds of synthetic dyestuff have been found to be hazard...
A variety of microorganisms producing pigments are Aspergillus awanori, Aspergillus niger and Monascus sp.. Especially, Monascus pigments have been used in various foods as a natural coloring agent for many East Asian countries. Recently, many kinds of synthetic dyestuff have been found to be hazardous for human health. In many countries only limited kinds of such dyestuff are permitted for use in food processing. Therefore, there is a need to develop alternative source of natural food colorants such as Monascus pigment. Monascus pigments are currently accomplished to research and develop commercially in China, Japan and Taiwan as commonly used food colorants. However, because of the insufficiency of industrial technologies, these pigments have been imported entirely despite of the increasing public concern and demand on natural food colorant for safety in our country. Therefore, modern bioprocess technology, which is heavily reliant on fundamental research such as assay of pigment structure, metabolic pathway and so on, needs to be applied to allow the development of more efficiency for large scale bioreactors and operation policies in industrial scale. In these studies, we can contribute to process model for applying industrial bioprocess technology to natural pigment production by cultivation of Monascus sp. under submerged culture. First, using 30g/L glucose and 1.5g/L MSG(monosodium glutamate) as the carbon and nitrogen source respectively, we developed a chemically-defined medium that could support the rapid and extensive production of the biomass and pigments. A high glucose concentration led to low growth rate, pigment synthesis and considerable ethanol production. In addition to either initial suitable glucose concentration or the use of controlled lactose feeding in fed-batch systems, the use of slowly metabolized carbon and energy substrates may be used to minimize ethanol formation. We also found that the time to adding the precursor amino acid and trace metal was optimal at 84 hrs and beginning of fermentation for red pigment formation. Second, after development of the optimal medium composition and cultural condition, batch-culture in jar fermenter were used to determine the optimal culture conditions for the production of the red pigments by controlling pH and DO(dissolved oxygen) in submerged culture. The level of the dissolved oxygen concentration were significantly increased the metabolic production at the DO 80%. And then pH of 5.5 increased the productivity of biomass and pigment by a factor of 1.4 and 1.9 compared with controlling DO 80%. In a pH range of 4.0 to 8.5, neutral pH favored the production of red pigment and pigment excretion into the medium, whereas the yellow pigment production was favored in acidic pH. A controlled pH change from 4.0 to 7.0 resulted in the highest water-soluble red pigment production. these results indicate that water-soluble red pigment is derived from chemical transformation of orange precursors formed at pH 4.0 to red pigment formed at pH 7.0. Third, based on the optimal production conditions by addition of trace metal and nitrogen source in the batch culture process, fed-batch cultures in jar fermenters were carried out in which three kind of nutrient feeding strategies were applied. When trace metal and MSG were added at the beginning and after 60hr of fermentation in fed-batch culture, respectively, cell concentration, red pigments and water-soluble red pigment was 2.5, 2.4 and 7.1 times higher than that of batch culture. A controlling pH change from 4.0 to 7.0 resulted in a very favorable effect on excretion of the pigments in fed-batch culture, whereas water-soluble red pigment was not achieved effectively as previously results.
A variety of microorganisms producing pigments are Aspergillus awanori, Aspergillus niger and Monascus sp.. Especially, Monascus pigments have been used in various foods as a natural coloring agent for many East Asian countries. Recently, many kinds of synthetic dyestuff have been found to be hazardous for human health. In many countries only limited kinds of such dyestuff are permitted for use in food processing. Therefore, there is a need to develop alternative source of natural food colorants such as Monascus pigment. Monascus pigments are currently accomplished to research and develop commercially in China, Japan and Taiwan as commonly used food colorants. However, because of the insufficiency of industrial technologies, these pigments have been imported entirely despite of the increasing public concern and demand on natural food colorant for safety in our country. Therefore, modern bioprocess technology, which is heavily reliant on fundamental research such as assay of pigment structure, metabolic pathway and so on, needs to be applied to allow the development of more efficiency for large scale bioreactors and operation policies in industrial scale. In these studies, we can contribute to process model for applying industrial bioprocess technology to natural pigment production by cultivation of Monascus sp. under submerged culture. First, using 30g/L glucose and 1.5g/L MSG(monosodium glutamate) as the carbon and nitrogen source respectively, we developed a chemically-defined medium that could support the rapid and extensive production of the biomass and pigments. A high glucose concentration led to low growth rate, pigment synthesis and considerable ethanol production. In addition to either initial suitable glucose concentration or the use of controlled lactose feeding in fed-batch systems, the use of slowly metabolized carbon and energy substrates may be used to minimize ethanol formation. We also found that the time to adding the precursor amino acid and trace metal was optimal at 84 hrs and beginning of fermentation for red pigment formation. Second, after development of the optimal medium composition and cultural condition, batch-culture in jar fermenter were used to determine the optimal culture conditions for the production of the red pigments by controlling pH and DO(dissolved oxygen) in submerged culture. The level of the dissolved oxygen concentration were significantly increased the metabolic production at the DO 80%. And then pH of 5.5 increased the productivity of biomass and pigment by a factor of 1.4 and 1.9 compared with controlling DO 80%. In a pH range of 4.0 to 8.5, neutral pH favored the production of red pigment and pigment excretion into the medium, whereas the yellow pigment production was favored in acidic pH. A controlled pH change from 4.0 to 7.0 resulted in the highest water-soluble red pigment production. these results indicate that water-soluble red pigment is derived from chemical transformation of orange precursors formed at pH 4.0 to red pigment formed at pH 7.0. Third, based on the optimal production conditions by addition of trace metal and nitrogen source in the batch culture process, fed-batch cultures in jar fermenters were carried out in which three kind of nutrient feeding strategies were applied. When trace metal and MSG were added at the beginning and after 60hr of fermentation in fed-batch culture, respectively, cell concentration, red pigments and water-soluble red pigment was 2.5, 2.4 and 7.1 times higher than that of batch culture. A controlling pH change from 4.0 to 7.0 resulted in a very favorable effect on excretion of the pigments in fed-batch culture, whereas water-soluble red pigment was not achieved effectively as previously results.
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