다시마 추출 Alginate를 이용한 미생물 캡슐화제의 겔 형성능 및 생균력 비교 Comparison of the Gel Formation Ability and Stability of Encapsulated Microbial Inoculant Using Extractable Alginate from Sea Tangle원문보기
생균력 안정성이 보장되고 품질이 규격화된 농용 미생물제공급을 위하여 캡슐형 미생물제의 캡슐화 소재로 열수 추출법과 알칼리 추출법을 이용하여 다시마로부터 Na-alginate를 직접 추출하여 겔 형성능과 생균력을 검토하였다. 열수추출 alginate(HWEA)의 경우 5%의 고농도에서 겔 형성이 성공적으로 이루어진데 반해 알칼리추출 alginate(ASA)는 3% 농도에서 $992.1\;{\pm}\;0.2\;g/cm^2$의 강한 겔이 형성되는 특성을 보여 시판되고 있는 alginate(CA) 1.5% 농도의 겔과 유사한 겔 형성능을 나타내었다. 또한 ASA의 경우 추출 수율이 20%로 HWEA 보다 2배 이상 높게 나타났으며 현재 시판되고 있는 Na-alginate(CA)에 비해 비용이 11배 이상 저렴한 것으로 산출되었다. 이상의 결과로부터 ASA를 사용할 경우 값싼 비용으로 추출이 용이하며 저농도에서 겔형성능이 우수하여 최적의 농용 미생물 캡슐소재로 평가되었다. ASA 캡슐제의 생균력을 조사한 결과 81%의 생균력을 나타내어 고가의 CA 캡슐제와 동일한 생균력을 보장 할 수 있음이 입증되었다. 미세 캡슐 내 미생물 생존력을 보다 안정적으로 유지하기 위해 캡슐막의 효과를 나타낼 수 있는 보조제로 starch와 zeolite를 이용하여 생균력 증진효과를 검토한 결과 단일소재 ASA만으로 제조된 캡슐제보다 보조제를 혼합한 캡슐제 경우 세균과 효모는 생균수가 크게 증가되는 효과를 볼 수 있었다. 미생물 혼합 배양액과 상기의 최적 복합 캡슐소재를 혼합하여 캡슐화한 미생물제의 생균력을 측정한 결과 세균은 93%의 높은 생균력을 나타내었고 유산균과 효모의 경우 70% 이상의 생균력을 나타내어 본 연구를 통해 다시마로부터 직접 추출한 ASA가 고가의 시판품 alginate를 대체할 수 있는 농용 미생물 캡슐화 소재로 이용가능할 것으로 판단되었다.
생균력 안정성이 보장되고 품질이 규격화된 농용 미생물제공급을 위하여 캡슐형 미생물제의 캡슐화 소재로 열수 추출법과 알칼리 추출법을 이용하여 다시마로부터 Na-alginate를 직접 추출하여 겔 형성능과 생균력을 검토하였다. 열수추출 alginate(HWEA)의 경우 5%의 고농도에서 겔 형성이 성공적으로 이루어진데 반해 알칼리추출 alginate(ASA)는 3% 농도에서 $992.1\;{\pm}\;0.2\;g/cm^2$의 강한 겔이 형성되는 특성을 보여 시판되고 있는 alginate(CA) 1.5% 농도의 겔과 유사한 겔 형성능을 나타내었다. 또한 ASA의 경우 추출 수율이 20%로 HWEA 보다 2배 이상 높게 나타났으며 현재 시판되고 있는 Na-alginate(CA)에 비해 비용이 11배 이상 저렴한 것으로 산출되었다. 이상의 결과로부터 ASA를 사용할 경우 값싼 비용으로 추출이 용이하며 저농도에서 겔형성능이 우수하여 최적의 농용 미생물 캡슐소재로 평가되었다. ASA 캡슐제의 생균력을 조사한 결과 81%의 생균력을 나타내어 고가의 CA 캡슐제와 동일한 생균력을 보장 할 수 있음이 입증되었다. 미세 캡슐 내 미생물 생존력을 보다 안정적으로 유지하기 위해 캡슐막의 효과를 나타낼 수 있는 보조제로 starch와 zeolite를 이용하여 생균력 증진효과를 검토한 결과 단일소재 ASA만으로 제조된 캡슐제보다 보조제를 혼합한 캡슐제 경우 세균과 효모는 생균수가 크게 증가되는 효과를 볼 수 있었다. 미생물 혼합 배양액과 상기의 최적 복합 캡슐소재를 혼합하여 캡슐화한 미생물제의 생균력을 측정한 결과 세균은 93%의 높은 생균력을 나타내었고 유산균과 효모의 경우 70% 이상의 생균력을 나타내어 본 연구를 통해 다시마로부터 직접 추출한 ASA가 고가의 시판품 alginate를 대체할 수 있는 농용 미생물 캡슐화 소재로 이용가능할 것으로 판단되었다.
For the purpose of developing a high quality agricultural microbial inoculant, methods and materials for improving encapsulation were investigated. Preparation of capsule was conducted by improving extrusion system with micro-nozzle and peristaltic pump. The sodium alginate was selected because of i...
For the purpose of developing a high quality agricultural microbial inoculant, methods and materials for improving encapsulation were investigated. Preparation of capsule was conducted by improving extrusion system with micro-nozzle and peristaltic pump. The sodium alginate was selected because of its cheapness, stability of cells, and gel formation ability. The yields, physical properties and gel formation abilities of extractable alginate from sea tangle were investigated by hot water extractable and alkali soluble methods. The extraction yields of hot water extractable alginate (HWEA) and alkali soluble alginate (ASA) from sea tangle were 8 and 20%, respectively. The HWEA was almost not viscous even in 1.5% of the sample solution, whereas the ASA was very highly viscous in above 3% sample solution. The gel formation ability of each samples varied from 1.5% to 5% and the ASA showed a good gel formation ability at 3% solution as commercial alginate (CA). The soil microbial inoculant, Bacillus thuringiensis, Bacillus subtilis, Lactobacillus plantarum and Geotrichum candidum encapsulated sodium alginate with starch and zeolite for stabilizer. The survivability of encapsulated soil microbial inoculant using alginate without stabilizer appeared to be 66, 52, 70 and 50%, respectively. Inclusion of starch and zeolite with alginate bead increased viabilities in Bacillus sp. and Geotrichum candidum by 81-83% and 89%, respectively.
For the purpose of developing a high quality agricultural microbial inoculant, methods and materials for improving encapsulation were investigated. Preparation of capsule was conducted by improving extrusion system with micro-nozzle and peristaltic pump. The sodium alginate was selected because of its cheapness, stability of cells, and gel formation ability. The yields, physical properties and gel formation abilities of extractable alginate from sea tangle were investigated by hot water extractable and alkali soluble methods. The extraction yields of hot water extractable alginate (HWEA) and alkali soluble alginate (ASA) from sea tangle were 8 and 20%, respectively. The HWEA was almost not viscous even in 1.5% of the sample solution, whereas the ASA was very highly viscous in above 3% sample solution. The gel formation ability of each samples varied from 1.5% to 5% and the ASA showed a good gel formation ability at 3% solution as commercial alginate (CA). The soil microbial inoculant, Bacillus thuringiensis, Bacillus subtilis, Lactobacillus plantarum and Geotrichum candidum encapsulated sodium alginate with starch and zeolite for stabilizer. The survivability of encapsulated soil microbial inoculant using alginate without stabilizer appeared to be 66, 52, 70 and 50%, respectively. Inclusion of starch and zeolite with alginate bead increased viabilities in Bacillus sp. and Geotrichum candidum by 81-83% and 89%, respectively.
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문제 정의
식품용 미생물 캡슐제의 경우 미세 캡슐 내 미생물 생존력을 유지하는 캡슐막의 효과를 나타낼 수 있는 보조제로 키토산 및 starch와 같은 고가의 보조제를 사용하고 있다11,17). 본 실험에서는 농용 미생물제의 생균력을 높일 수 있는 보조제로서 저렴한 가격으로 구입이 용이한 starch와 농용 미생물 흡착제로 광범위하게 사용되는 zeolite 를 보조제로 사용한 캡슐제와 ASA 단일소재로 제조된 캡슐의 생균 수를 비교, 검토하였다18).
본 연구에서는 농업용 미생물 캡슐화제 제조에 가장 적합한 소재로 확인된 Na-alginate를 국내산 다시마로부터 직접 추출하여 물리적 특성 및 겔 형성능 그리고 캡슐화 후의 미생물 생균력 등을 시판용 alginate와 비교하여 캡슐화 소재로서의 사용 가능성을 검토하였다.
제안 방법
ASA 캡슐화제의 생균력을 검토하기 위하여 ASA 3.0% 농도와 유사한 겔 형성능을 나타낸 시판용 alginate(CA)로 조제된 캡슐제와 생균력을 비교하였다. Bacillus thuringiensise: 사용하여 캡슐화 직후 생균 수를 측정하고 실온에서 보존하며 30일 경과한 후 각 캡슐제의 생균수를 측정한 결과 1.
공시균주 배양액에 ASA와 HWEA를 다양한 농도로 첨가하여 캡슐화한 미생물 제의 형태학적 특징을 해부현미경 (Leica zoom 2000, X35) 하에서 관찰하였다. ASA의 경우 3.
다시마 추출 alginate의 특성 비교.
다양한 농도의 alginate® 첨가하여 형성된 bead의 강도는 Fudoh Rheometer(RT-30100, Fudoh kogyo Co., Ltd., Japan)을 사용하여 plate type 판을 5 cm/min의 속도로 시료 두께가 50%까지 압축하여 측정하였다씨 Alginate 추출물의 녹는점은 1% 수용액을 이용해 5℃에서 40℃ 까지 1℃ 간격으로 온도를 올리면서 각 추출물의 녹는 온도를 측정하였다. 또한, 형태관찰을 위해 공시균주 배양액에 다양한 농도의 alginate를 첨가하여 형성된 bead를 약 24시간 자연 건조하여 캡슐을 고정한 후 해부현미경 (Leica zoom 2000)과 위상차 현미경 (Leica IV/97, Wetzlar Germany)을 사용하여 형태를 관찰 하였다.
, Japan)을 사용하여 plate type 판을 5 cm/min의 속도로 시료 두께가 50%까지 압축하여 측정하였다씨 Alginate 추출물의 녹는점은 1% 수용액을 이용해 5℃에서 40℃ 까지 1℃ 간격으로 온도를 올리면서 각 추출물의 녹는 온도를 측정하였다. 또한, 형태관찰을 위해 공시균주 배양액에 다양한 농도의 alginate를 첨가하여 형성된 bead를 약 24시간 자연 건조하여 캡슐을 고정한 후 해부현미경 (Leica zoom 2000)과 위상차 현미경 (Leica IV/97, Wetzlar Germany)을 사용하여 형태를 관찰 하였다.
미생물 캡슐화제의 제조는 선행연구에서 제시한 Extmsiorf에 주로 사용하는 고속의 자동분사방식 (air atomizing device) 대신에 저속의 연동펌프를 이용한 micro-nozzle 방식의 캡슐화 장치를 설계, 제작하여 본 실험에서 사용하였으며, bead 형성을 위한 경화제로는. 1.
어려운 실정이다. 본 실험에서는 Na-alginate 캡슐 소재의 경제적 측면과 효율성을 고려하여 국내산 다시마(Lamonaria japonic)부터 고온의 열수를 이용하여 가용성 물질들을 분리시키는 열수추출법 (hot-water extract; HWE)과 N&C0를 사용하여 다시마를 가수분해하여 분리하는 알칼리추출법 (alkali soluble; AS)을 이용하여 추출된 Na-alginate의 특성을 비교, 검토하였다.
상기의 겔 형성능 검토 결과 최적 조건으로 선발된 3%의 ASA 단일소재로 제조된 미생물 캡슐화제와 3%의 ASA에 1.0% 농도의 starch 및 zeolite를 보조제로 혼합하여 제조한 캡슐제의 생균력을 비교하였다. ASA 단일소재의 경우 세균(3 turingiensis, B.
세균배 양에는 육즙영 양배지 (peptone 10 g, NaCl 5 g, beef extract 10 g, D.W 1,000 ml, pH 7.0)를 사용하였고, Lactobacilluse 경우 유산균 선택배지로 이용되고 있는 MRS broth (MRS, Difco Laboratories, US A)를 사용하였다. 방선균은 전용 배지인 SCA(Starch Casein Agar, starch 10 g, casein 1 g, MgSO4 - 7H2O 1.
복합 미생물 캡슐제의 생균력. 유기물 분해 우수 미생물로 선발* 된 공시균주인 세균 Bacillus thuringiensis KS1A-9, Bacillus subtilis CK-27, 유산균 Lactobacillus plantarum SH-1 그리고 효모 Geotrichum candidum GA-1의 배양 농축액과 캡슐화 최적 조건인 3%의 ASA와 1%의 starch 그리고 zeolite를 혼합하여 복합미생물 캡슐화제를 제조하여 120일 후 생균력을측정하였다. 캡슐화한 직후 NB배지를 이용하여 세균수를 측정한 결과 8.
천연 다시마로부터 alginate의 추출은 Nishide 등이12)제시한 방법을 변형하여 열수추출 알긴산(hot-water extractable alginate; HWEA)법과 알칼리 가용성 알긴산(alkali soluble alginate; ASA) 추출법을 사용하였다. HWEA법은 건조다시마(Lamonaria japonica) 분말을 3.
미생물 캡슐화제의 제조는 선행연구에서 제시한 Extmsiorf에 주로 사용하는 고속의 자동분사방식 (air atomizing device) 대신에 저속의 연동펌프를 이용한 micro-nozzle 방식의 캡슐화 장치를 설계, 제작하여 본 실험에서 사용하였으며, bead 형성을 위한 경화제로는. 1.5% CaCl2 용액을 이용하였다8,15).
0)하여 침전을 형성시킨 후, 침전물을 50% methanol과 10% NaOH로 중화, 정제하여 알긴산을 회수하였다""1. 대조 alginate는 바다말pyriferd) 에서 추출한 sodium alginate를 Sigma사(Sigma Co., Ltd., St. Louis, MO63103 USA)로부터 구입하여 사용하였다.
0)를 사용하였고, Lactobacilluse 경우 유산균 선택배지로 이용되고 있는 MRS broth (MRS, Difco Laboratories, US A)를 사용하였다. 방선균은 전용 배지인 SCA(Starch Casein Agar, starch 10 g, casein 1 g, MgSO4 - 7H2O 1.02 g, K2HPO4 0.5 g D.W 1,000 m/, pH 7.5-7.0) 배지를 사용하였으며, Geotrichum candidum GA-1 의 배양을 위해 PDA(Potato Dextrose Agar; Difco) 배지를 사용하였다.
캡슐화 재료는 시판품 Na-alginate(Sigma)와 상기 방법에서 얻어진 다시마 추출 alginate을 사용하였다. 미생물 캡슐화제의 제조는 선행연구에서 제시한 Extmsiorf에 주로 사용하는 고속의 자동분사방식 (air atomizing device) 대신에 저속의 연동펌프를 이용한 micro-nozzle 방식의 캡슐화 장치를 설계, 제작하여 본 실험에서 사용하였으며, bead 형성을 위한 경화제로는.
토양 미생물제 개발을 위하여 선행연구에서 국내토양 및 부숙 퇴비로부터 분리된 우수균주 Bacillus thuringiensis KS1A-9, Bacillus subtilis CK-27, Lactobacillus plantarum SH-1 그리고 Geotrichum candidum GA-1 을 캡슐화미생물제 균주로 사용하였다
이론/모형
미세캡슐을 제조한 후 캡슐 내 생존하는 생균 수 즉정은 Sultana 등의11) 방법에 따라 phosphate bufifer(pH 7.0) 캡슐제를 4P에서 24시간 동안 침지하고 용해시킨 다음, 상기의 평판배지에 도말하여 28℃에서 1주일간 배양한 후 형성된 집락수를 측정하였다. 생균수는 상용대수치(log cfh/g) 로나타내었다.
성능/효과
2 X 108 cfh/g로 30일이 지난 후는 약 79%의 생균력을 유지하였다. 3.0%-ASA 캡슐제 내 초기 생균수는 5.8 X 108 cfb/g로 30일이 지난 후 CA보다 2%가 높은 81% 생균력을 나타내었다 (Fig. 2). 이는 농용 미생물 캡슐제로 고가의 CA 대신 ASA를 사용하여도 겔 형성능이나 미생물 안정성 유지 측면에서 충분히 가능함이 입증하였다.
0% 농도의 starch 및 zeolite를 보조제로 혼합하여 제조한 캡슐제의 생균력을 비교하였다. ASA 단일소재의 경우 세균(3 turingiensis, B. subtilis)은 66% 및 55%의 생균력을 나타내었고, 유산균(Z. piantarum)^: 70%, 효모(G candidimp는 50%의 생균력을 나타낸 반면 보조제를 사용한 캡슐제의 생균력 조사 결과 세균은 81-83%의 생균력을 나타내었고 효모는 약 90%의 매우 높은 생균력을 나타내었다(Fig. 3).
ASA(alkali soluble alginate) 와 HWEA(hot-water extract alginate)의 추출수율을 비교한 결과 ASA의 경우 주줄 수율이 약 20%로 HVEA보다 2배 이상 높은 수율을 나타내었다. 또한 가격을 비교한 결과 시판용 Na-alginate의 경우 460원/g인 반면, 다시마(Lamonaria japonic) 가격과 시약의 가격을 고려하여 시판용 Na-alginated 11배 이상 저렴한 것으로 평가되었다 (Table 1).
ASA와 HWEA® 0.5, 1.0, 1.5, 3.0 및 5.0%의 농도로 각각 첨가하여 겔 형성능을 검토한 결과 HWEA의 경우 1.5% 미만의 농도에서는 겔이 형성되지 않았고, 3.0% 이상의 농도에서 겔이 형성되기 시작하였으나 겔 강도가 미약하게 나타났으며, 5% 고농도에서는 821.7±0.2g/cm2의 견고한 겔 형성이 성공적으로 이루어졌다. ASA는 3.
0% 농도와 유사한 겔 형성능을 나타낸 시판용 alginate(CA)로 조제된 캡슐제와 생균력을 비교하였다. Bacillus thuringiensise: 사용하여 캡슐화 직후 생균 수를 측정하고 실온에서 보존하며 30일 경과한 후 각 캡슐제의 생균수를 측정한 결과 1.5%-CA 캡슐제 내 초기 생균수는 7.2 X 108 cfh/g로 30일이 지난 후는 약 79%의 생균력을 유지하였다. 3.
또한 가격을 비교한 결과 시판용 Na-alginate의 경우 460원/g인 반면, 다시마(Lamonaria japonic) 가격과 시약의 가격을 고려하여 시판용 Na-alginated 11배 이상 저렴한 것으로 평가되었다 (Table 1). 따라서 부가가치가 낮은 농용미생물제의 경제적 측면을 고려한다면 알칼리 추출법에 의해 다시마(Lamonaria japonic)로부터 Na-alginate를 추출한 ASA를 농용 미생물 캡슐화 소재로 이용하는 것이 매우 경제적이라고 판단되었다.
또한 가격을 비교한 결과 시판용 Na-alginate의 경우 460원/g인 반면, 다시마(Lamonaria japonic) 가격과 시약의 가격을 고려하여 시판용 Na-alginated 11배 이상 저렴한 것으로 평가되었다 (Table 1). 따라서 부가가치가 낮은 농용미생물제의 경제적 측면을 고려한다면 알칼리 추출법에 의해 다시마(Lamonaria japonic)로부터 Na-alginate를 추출한 ASA를 농용 미생물 캡슐화 소재로 이용하는 것이 매우 경제적이라고 판단되었다.
상기의 특성에 따라 음료수 제조 등 식품산업에 사용되는 Na-alginate는 점성이 낮은 HWEA의 효용가치가 높은데 반하여 16) 농용 미생물 캡슐제의 경우 강한 점성을 나타내고 겔 형성이 용이하며 낮은 온도에서도 쉽게 용해되는 ASA가 캡슐 소재로 사용하는 것이 적절할 것으로 평가되었다.
8x106 cWg의 생균 수를 나타내어 77%의 생균력을 나타내었다. 유산균 최적배지인 MRS 배지를 이용하여 유산균수를 측정한 결과 2xl05 cfh/g의 생균 수를 나타내어 71%의 생균력을 나타내어 세균에 비해 생균 수의 안정성이 다소 낮았다(Fig. 4).
이상 겔 형성능과 형태 비교를 통해 3% 농도의 ASA를 캡슐화 소재로 이용할 경우 견고한 겔 형성이 이루어짐이 확인되어 고농도의 HMEA를 사용하는 것보다 효율적으로 캡슐 화가 가능하다고 판단되었다.
유기물 분해 우수 미생물로 선발* 된 공시균주인 세균 Bacillus thuringiensis KS1A-9, Bacillus subtilis CK-27, 유산균 Lactobacillus plantarum SH-1 그리고 효모 Geotrichum candidum GA-1의 배양 농축액과 캡슐화 최적 조건인 3%의 ASA와 1%의 starch 그리고 zeolite를 혼합하여 복합미생물 캡슐화제를 제조하여 120일 후 생균력을측정하였다. 캡슐화한 직후 NB배지를 이용하여 세균수를 측정한 결과 8.2 x 107 cfh/g로 초기의 생균수에 비하여 약 93%의생균력을 나타내었고, 효모의 경우 9.8x106 cWg의 생균 수를 나타내어 77%의 생균력을 나타내었다. 유산균 최적배지인 MRS 배지를 이용하여 유산균수를 측정한 결과 2xl05 cfh/g의 생균 수를 나타내어 71%의 생균력을 나타내어 세균에 비해 생균 수의 안정성이 다소 낮았다(Fig.
후속연구
이상의 결과로부터 농용미생물의 생균력 증진을 위해 최적의 소재로 개발된 다시마 추출 alginate와 starch 및 zeolite를 복합소재로 하여 농용 미생물제를 캡슐화할 경우, 보다 안정한 미생물제 공급과 규격화된 품질보증 그리고 미생물제 생산성 확대가 가능할 것으로 기대된다.
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