한국 전통발효식초로부터 분리된 Acetobacter sp. V6에 의한 bacterial cellulose (BC) 생산을 위한 최적 배지조성을 정치배양을 이용하여 조사한 후, 생성된 BC의 구조적 특성을 검토하였다. 탄소원으로 glucose 3%, 질소원으로 soytone 3%가 선정되었다. 또한 인산염은 $K_2HPO_4$ 0.8%였으며, 추가로 첨가한 $NaH_2PO_4$와 $KH_2PO_4$는 BC 생산 증가를 나타내지 못하였다. 보조탄소원으로 ethanol 0.4%에서 가장 높은 BC 생산성을 나타내었다. 최적 배지조성하에서 배양 8일만에 최대 44.7 g/$m^2$의 BC가 생산되었으며, 배양 8일경, BC pellicle의 두께는 약 1 cm였다. BC의 구조는 Fourier-transform infrared spectroscopy 및 X-ray diffractometer를 이용하여 조사하였다. 최적배지에서 생성된 BC는 전형적인 cellulose type I임을 알 수 있었으며, 식물성 셀룰로오스와 성분의 차이가 없었다. 또한 독특한 미세망상구조로 이루어져 있었고, 높은 결정성을 나타내어 식물유래 셀룰로오스와 다른 독특한 물성을 나타내는 것으로 추정되었다.
한국 전통발효식초로부터 분리된 Acetobacter sp. V6에 의한 bacterial cellulose (BC) 생산을 위한 최적 배지조성을 정치배양을 이용하여 조사한 후, 생성된 BC의 구조적 특성을 검토하였다. 탄소원으로 glucose 3%, 질소원으로 soytone 3%가 선정되었다. 또한 인산염은 $K_2HPO_4$ 0.8%였으며, 추가로 첨가한 $NaH_2PO_4$와 $KH_2PO_4$는 BC 생산 증가를 나타내지 못하였다. 보조탄소원으로 ethanol 0.4%에서 가장 높은 BC 생산성을 나타내었다. 최적 배지조성하에서 배양 8일만에 최대 44.7 g/$m^2$의 BC가 생산되었으며, 배양 8일경, BC pellicle의 두께는 약 1 cm였다. BC의 구조는 Fourier-transform infrared spectroscopy 및 X-ray diffractometer를 이용하여 조사하였다. 최적배지에서 생성된 BC는 전형적인 cellulose type I임을 알 수 있었으며, 식물성 셀룰로오스와 성분의 차이가 없었다. 또한 독특한 미세망상구조로 이루어져 있었고, 높은 결정성을 나타내어 식물유래 셀룰로오스와 다른 독특한 물성을 나타내는 것으로 추정되었다.
The optimal medium compositions for the production of bacterial cellulose (BC) by a Acetobacter sp. V6, which was isolated from the traditionally fermented vinegar in Korea, were investigated in static cultures. The optimum medium compositions for BC production were 3% glucose, 3% soytone, 0.8%
The optimal medium compositions for the production of bacterial cellulose (BC) by a Acetobacter sp. V6, which was isolated from the traditionally fermented vinegar in Korea, were investigated in static cultures. The optimum medium compositions for BC production were 3% glucose, 3% soytone, 0.8% $K_2HPO_4$, and 0.4% ethanol, respectively. Adding $NaH_2PO_4$ or $KH_2PO_4$ had not shown the increase in BC production. Under the optimum medium compositions, the highest BC production was 44.67 g/$m^2$ in 8 days and the thickness of BC pellicle was about 1 cm. Structural properties of BC produced in the optimal medium were studied using Fourier-transform infrared spectroscopy and X-ray diffractometer. BC from the optimal medium was found to be of cellulose type I, the same as typical native cellulose. No difference in the compositions between bacterial and plant celluloses, but BC showed unique micro-network structure and high crystallinity (82%).
The optimal medium compositions for the production of bacterial cellulose (BC) by a Acetobacter sp. V6, which was isolated from the traditionally fermented vinegar in Korea, were investigated in static cultures. The optimum medium compositions for BC production were 3% glucose, 3% soytone, 0.8% $K_2HPO_4$, and 0.4% ethanol, respectively. Adding $NaH_2PO_4$ or $KH_2PO_4$ had not shown the increase in BC production. Under the optimum medium compositions, the highest BC production was 44.67 g/$m^2$ in 8 days and the thickness of BC pellicle was about 1 cm. Structural properties of BC produced in the optimal medium were studied using Fourier-transform infrared spectroscopy and X-ray diffractometer. BC from the optimal medium was found to be of cellulose type I, the same as typical native cellulose. No difference in the compositions between bacterial and plant celluloses, but BC showed unique micro-network structure and high crystallinity (82%).
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 의학적 응용 분야가 넓고 소비량이 많은 BC의 생산을 위하여 BC 생성능이 확인된 Acetobacter sp. V6를 공시균주로 선정하여 정치배양에서 BC 생산조건을 조사하고, 구조 분석을 실시함으로서 BC의 대량생산과 용도 개발을 위한 기초 자료를 획득코자 하였다.
제안 방법
BC pellicle을 1× phosphate buffered saline으로 반복하여 세척한 후, 70, 80, 90, 100% ethanol을 각각 15분씩 처리하였다.
BC의 미세구조는 주사전자현미경(JEOL JSM-6390, JEOL TECHNIC LTD., Japan)으로 관찰하였다. 즉 생성된 BC pellicle을 회수 및 동결건조하여 2.
BC pellicle을 1× phosphate buffered saline으로 반복하여 세척한 후, 70, 80, 90, 100% ethanol을 각각 15분씩 처리하였다. Isoamyl acetate와 100% ethanol을 각각 0.5:1.5, 1:1, 1.5:0.5 비율로 혼합하여 만든 용액을 순차적으로 15분씩 처리한 후, 100% isoamyl acetate 용액에 20분간 침지 및 건조하였다. 이것을 ion coating (gold coating)하여 관찰하였다.
XRD는 X-ray Diffractometer (Rigaku III, Rigaku Corp., Japan)를 이용하여 측정하였다. 즉 BC pellicle을 여과지로 압착하여 sheet 형태로 조제한 다음 이것을 유리판에 놓은 상태에서 105℃, 12시간 동안 건조시켰다.
상기 시료를 40 kV, 30 mA 조건에서 Cu Kα radiation에 의한 반사식 측정법으로 2θ = 5°-40°, scan speed는 10°/min로 측정하였다.
BC pellicle을 여과지로 압착한 후, sheet 형태로 조제한 다음이것을 유리판에 놓은 상태에서 105℃에서 12시간 동안 건조시켰다. 상기 시료를 FT-IR Spectrophotometer (IRAffinity-1, Shimadzu Corp., USA)를 이용하여 400~4000 cm-1에서 측정하였다. 시료는 KBr powder를 사용하여 파우더 법으로 측정하였다.
5 비율로 혼합하여 만든 용액을 순차적으로 15분씩 처리한 후, 100% isoamyl acetate 용액에 20분간 침지 및 건조하였다. 이것을 ion coating (gold coating)하여 관찰하였다.
5 N NaOH 용액에 침지하여 90℃에서 2시간 동안 처리함으로써 세포를 용해시켰다. 이들을 중성이 될 때까지 증류수로 세척한 후, 105℃에서 항량이 될 때까지 건조하여 건조중량을 측정하였다(5). 균체생육은 UV-visible spectrophotometer (Ultrospec 4000, Pharmacia Biotech, England)를 이용하여 660 nm에서의 흡광도를 측정하여 나타내었다.
균체생육은 UV-visible spectrophotometer (Ultrospec 4000, Pharmacia Biotech, England)를 이용하여 660 nm에서의 흡광도를 측정하여 나타내었다. 즉 BC가 함유된 배양액을 homogenizer로 10분간 파쇄하여 pellicle 내에 존재하는 세포들을 유리시킨 후, 거즈로 여과하여 세포현탁액의 흡광도를 측정하였다(20). BC의 생산량은 g/m2로 나타내었다.
데이터처리
BC의 생산량은 g/m2로 나타내었다. 따로 언급하지 않은 한 모든 실험은 두 번 반복하였으며, Table 및 Figure에 나타낸 결과는 그 평균값이었다.
이론/모형
, USA)를 이용하여 400~4000 cm-1에서 측정하였다. 시료는 KBr powder를 사용하여 파우더 법으로 측정하였다.
성능/효과
BC의 미세구조를 조사하기 위하여 주사전자현미경을 사용하여 관찰한 결과, 최적 배지에서 생산된 BC는 독특한 미세망상구조로 이루어져 있었으며, 그 속에 세포가 포획되어 있었다(Fig. 4). 일반적으로 식물성 셀룰로오스는 셀룰로오스 fibre가 평행구조를 이루고 있으며, 미세망상구조는 나타나지 않는다.
1%씩 첨가하여 30℃에서 7일간 배양한 결과는 Table 3에서 보는 바와 같다. Ethanol에서 가장 높은 BC 생산능(43.4 g/m2)을 나타내었으며, 나머지 보조탄소원들도 비슷한 생산량을 보였으나 ethanol 보다는 낮았다. 한편, ethanol은 세포 생육을 위한 ATP의 농도를 증가시키고, pentose phosphate 경로에 관여하는 glucose-6-phosphate dehydrogenase의 활성을 저해함으로써 BC의 생산수율을 높일 수 있다고 보고된 바 있다(12).
한편, ethanol은 세포 생육을 위한 ATP의 농도를 증가시키고, pentose phosphate 경로에 관여하는 glucose-6-phosphate dehydrogenase의 활성을 저해함으로써 BC의 생산수율을 높일 수 있다고 보고된 바 있다(12). Ethanol을 최적 보조탄소원으로 선정하여 최적 농도를 조사한 결과, 0.4%에서 44.2 g/m2으로 BC 생산능이 최대였다(자료 미제시).
0%씩 첨가하여 30℃에서 7일간 배양한 결과는 Table 1에서 보는 바와 같다. Glucose, fructose 및 mannitol이 첨가된 배지에서 BC 생산능이 우수하였으며, 특히 glucose를 첨가한 배지에서 BC 생산량이 26.1 g/m2로 가장 높았다. 이러한 결과는 정치배양에 있어 glucose보다 mannitol이 BC 생산량을 더 증가시킨다는 Oikawa 등(13)의 보고와는 상이하였으나, 정치배양에 있어 BC 생산에 이용되는 일반적인 탄소원은 glucose로 알려져 있는 것과 일치하였다(21).
한편, glucose는 대사과정을 통하여 BC 합성에 필요한 에너지를 제공하고 동시에 BC의 중합을 위한 monomer로서 역할을 한다고 보고된 바 있어(22), 다른 탄소원 보다 glucose가 BC 합성에 더 효율적인 것으로 판단되었다. Glucose를 최적 탄소원으로 선정하여 7일간 배양 후 BC 생산을 위한 최적 농도를 조사한 결과, 3.0% glucose에서 BC 생산능(30.0 g/m2)이 가장 높았다(Fig. 1).
한편, 손 등(20) 및 Matsuoka 등(11)은 정치배양에서 yeast extract가 가장 우수한 질소원이라고 보고한 바 있어 본 실험 결과와 상이하였으나, yeast extract와 같이 soytone 또한 단순한 질소원 뿐만 아니라 각종 아미노산, 비타민 등 미량성분이 존재하여 BC 생산에 필수적인 것으로 추정되었다. Soytone을 최적 질소원으로 선정하여 7일간 배양한 후 BC 생산을 위한 최적 농도를 조사한 결과, 3.0% soytone에서 BC 생산능(39.2 g/m2)이 가장 높았다(Fig. 2).
5%씩 첨가하여 30℃에서 7일간 배양한 결과는 Table 2에서 보는 바와 같다. Soytone이 첨가된 배지에서 가장 많은 BC (33.3 g/m2)가 생산되었고, yeast extract에서도 높은 BC 생산능을 나타내었다. 한편, 손 등(20) 및 Matsuoka 등(11)은 정치배양에서 yeast extract가 가장 우수한 질소원이라고 보고한 바 있어 본 실험 결과와 상이하였으나, yeast extract와 같이 soytone 또한 단순한 질소원 뿐만 아니라 각종 아미노산, 비타민 등 미량성분이 존재하여 BC 생산에 필수적인 것으로 추정되었다.
일반적으로 식물성 셀룰로오스는 셀룰로오스 fibre가 평행구조를 이루고 있으며, 미세망상구조는 나타나지 않는다. 따라서 세균유래 셀룰로오스의 미세망상구조로 인하여 BC가 높은 신장강도, 보수성 등을 가질 수 있는 것으로 추정되었다.
5). 따라서 최적배지에서 획득한 BC는 식물성 셀룰로오스와 조성의 차이가 없음을 알 수 있었다.
상기 결과에 기초하여 확립된 BC 생산 최적배지 조성은 glucose 3.0%, soytone 3.0%, K2HPO4 0.8% 및 ethanol 0.4%였다. 최적 배지조성하에서 회분배양을 실시한 결과, 균체 생육과 BC 생산은 모두 배양시간에 비례하여 증가하였으며, 이에 따라 BC 생산과 균체 생육은 밀접한 관계가 있음을 알 수 있었다.
인산염이 BC 생산능에 미치는 영향을 조사하기 위해 배지에 Na2HPO4·12H2O와 K2HPO4를 0~1.0%의 농도로 각각 조절하여 30℃에서 7일간 배양한 결과, 0.8% K2HPO4에서 BC 생산량(41.3 g/m2)이 가장 높았다(자료 미제시).
최적 배지에서 생산된 BC의 두께를 관찰한 결과, 배양 8일에 약 1 cm 두께의 BC pellicle이 생성되었다(자료 미제시). 이 후, 배양시간을 연장하였으나 pellicle의 두께는 더 이상 증가하지 않았다.
4%였다. 최적 배지조성하에서 회분배양을 실시한 결과, 균체 생육과 BC 생산은 모두 배양시간에 비례하여 증가하였으며, 이에 따라 BC 생산과 균체 생육은 밀접한 관계가 있음을 알 수 있었다. 배양 8일 후 생성된 BC 생산량은 44.
또한 식물성 셀룰로오스는 893 cm-1에서 CH2 변형에 의한 진동, 1430 cm-1에서 CH2의 대칭성 굽힘 진동, 2900 cm-1에서 CH2의 신축진동, 3400 cm-1에서 OH의 신축진동을 나타낸다(18). 최적배지에서 생성된 BC의 FT-IR spectrum을 측정한 결과, 일반적인 식물성 셀룰로오스에서 나타나는 진동흡수대가 나타났다(Fig. 5). 따라서 최적배지에서 획득한 BC는 식물성 셀룰로오스와 조성의 차이가 없음을 알 수 있었다.
6°에서 (002)면의 회절 peak가 나타난다(14). 최적배지에서 생성된 BC의 XRD를 측정한 결과, 전형적인 Cel I임을 알 수 있었으며(Fig. 6), Crystallinity index는 82%로 나타나 결정성이 매우 높음을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
셀룰로오스란 무엇인가?
셀룰로오스는 자연계에서 가장 풍부한 재생 가능한 자원으로서 glucose가 β-1, 4 결합에 의해 이루어진 고분자 다당류이다. 현재 제지, 펄프산업을 비롯한 다양한 분야에서 사용되고 있을 뿐만 아니라 산업적으로 응용분야가 매우 넓어 그 소비량이 크게 증가되고 있다.
셀룰로오스는 무엇의 원료로 응용되는가?
현재 제지, 펄프산업을 비롯한 다양한 분야에서 사용되고 있을 뿐만 아니라 산업적으로 응용분야가 매우 넓어 그 소비량이 크게 증가되고 있다. 셀룰로오스는 화학약품 및 미생물 침식에 대한 저항성이 강해서 종이, 의류의 원료로 사용되고 있으며, 또한 에테르 유도체는 레이온, 니트로에스테르는 화약의 원료로서 응용되고 있다(1, 10, 20). 현재 원료물질인 목재에 대한 수요도 갈수록 높아지고 있으나 원료 공급과 환경문제로 인하여 대체물질의 개발에 대한 연구가 점차 활발해지고 있다(4, 21).
셀룰로오스는 어디에서 사용 및 소비되는가?
셀룰로오스는 자연계에서 가장 풍부한 재생 가능한 자원으로서 glucose가 β-1, 4 결합에 의해 이루어진 고분자 다당류이다. 현재 제지, 펄프산업을 비롯한 다양한 분야에서 사용되고 있을 뿐만 아니라 산업적으로 응용분야가 매우 넓어 그 소비량이 크게 증가되고 있다. 셀룰로오스는 화학약품 및 미생물 침식에 대한 저항성이 강해서 종이, 의류의 원료로 사용되고 있으며, 또한 에테르 유도체는 레이온, 니트로에스테르는 화약의 원료로서 응용되고 있다(1, 10, 20).
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