식물성 오일로부터 Ralstonia eutropha의 polyhydroxyalkanoates 합성 특성 Characteristics of Polyhydroxyalkanoates Synthesis by Ralstonia eutropha from Vegetable Oils원문보기
식물성 오일 또는 glycerol로부터 Ralstonia eutropha 여섯 균주의 polyhydroxyalkanoates (PHA) 합성 특성을 조사하였다. 탄소원으로 soybean oil, olive oil, 또는 glycerol 만을 공급시 poly(3-hydroxybutyrate) homopolymer가 생성되었으며, $\gamma$-butyrolactone 또는 pentanoic acid를 함께 공급시 poly(3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate) 또는 poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) copolymer가 각각 합성되었다. 최종 균체농도 및 PHA 함량면에서 최적인 균주는 R. eutropha KCTC 2662로 결정되었으며, 최적 기질인 soybean oil 20 g/L로부터 72 h에 균체농도 1.7~9.2 g/L, PHA 함량 70~92 wt%를 얻을 수 있었다.
식물성 오일 또는 glycerol로부터 Ralstonia eutropha 여섯 균주의 polyhydroxyalkanoates (PHA) 합성 특성을 조사하였다. 탄소원으로 soybean oil, olive oil, 또는 glycerol 만을 공급시 poly(3-hydroxybutyrate) homopolymer가 생성되었으며, $\gamma$-butyrolactone 또는 pentanoic acid를 함께 공급시 poly(3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate) 또는 poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) copolymer가 각각 합성되었다. 최종 균체농도 및 PHA 함량면에서 최적인 균주는 R. eutropha KCTC 2662로 결정되었으며, 최적 기질인 soybean oil 20 g/L로부터 72 h에 균체농도 1.7~9.2 g/L, PHA 함량 70~92 wt%를 얻을 수 있었다.
Six strains of Ralstonia eutropha were grown to investigate characteristics of polyhydroxyalkanoates (PHA) synthesis from vegetable oils or glycerol. Poly(3-hydroxybutyrate) homopolymer was formed using soybean oil, olive oil, or glycerol as carbon source, while poly(3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybu...
Six strains of Ralstonia eutropha were grown to investigate characteristics of polyhydroxyalkanoates (PHA) synthesis from vegetable oils or glycerol. Poly(3-hydroxybutyrate) homopolymer was formed using soybean oil, olive oil, or glycerol as carbon source, while poly(3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate) or poly(3-hydroxybutyrateco-3-hydroxyvalerate) copolymers were synthesized by co-feeding $\gamma$-butyrolactone or pentanoic acid, respectively. Optimum strain was determined as R. eutropha KCTC 2662 in terms of final cell concentration and PHA content. From 20 g/L of soybean oil (optimum substrate), cell concentration and PHA content at 72 h ranged 1.7~9.2 g/L and 70~92 wt%, respectively.
Six strains of Ralstonia eutropha were grown to investigate characteristics of polyhydroxyalkanoates (PHA) synthesis from vegetable oils or glycerol. Poly(3-hydroxybutyrate) homopolymer was formed using soybean oil, olive oil, or glycerol as carbon source, while poly(3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate) or poly(3-hydroxybutyrateco-3-hydroxyvalerate) copolymers were synthesized by co-feeding $\gamma$-butyrolactone or pentanoic acid, respectively. Optimum strain was determined as R. eutropha KCTC 2662 in terms of final cell concentration and PHA content. From 20 g/L of soybean oil (optimum substrate), cell concentration and PHA content at 72 h ranged 1.7~9.2 g/L and 70~92 wt%, respectively.
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제안 방법
P (3HB-co-4HB) 및 P(3HB-co-3HV) 합성을 위해 24 h 배양 후 5 g/L의 γ-butyrolactone과 3 g/L의 pentanoic acid를 각각 첨가하였다.
P(3HB-co-3HV) 및 P(3HB-co-4HB) 표준 시료는 아래와 같이 배양된 균체로부터 정제하여 제조 후 400 MHz 1H NMR을 이용하여 조성을 결정하였다. 배양액을 원심분리하여 동결건조 후 균체 1 g 당 chloroform 100 mL을 첨가하였다.
건조 세포 농도 (dry cell weight)는 배양액 5-10 mL을 원심분리 후 동결건조하여 질량을 측정하였다. 배양액 내 soybean oil의 농도와 P(3HB), P(3HB-co-3HV), P(3HB-co4HB) 조성은 기체 크로마토그래피 법 (GC 6890N, Agilent, Inc.
또한 식물성 오일에 γ-butyrolactone 또는 pentanoic acid를 첨가하여 이용하여 P(3HB) homopolymer 외에 P(3HB-co-4HB) 및 P(3HB-co3HV) copolymer의 합성 특성을 조사하였다.
eutropha는 단일 탄소원으로 식물성 오일 또는 glycerol을 공급시 P(3HB) homopolymer를 합성하였다. 먼저 플라스크 배양을 통해 여섯 종류의 R. eutropha 각각의 P(3HB) 축적에 관하여 측정하였다 (Fig. 1). 탄소원 20 g/L를 첨가하여 실험한 결과, soybean oil을 기질로 사용한 경우 균체농도는 0.
배양액 내 soybean oil의 농도와 P(3HB), P(3HB-co-3HV), P(3HB-co4HB) 조성은 기체 크로마토그래피 법 (GC 6890N, Agilent, Inc., HP-5 column, 30 m × 320 μm × 0.25 μm)으로 결정하였으며, margaric acid와 benzoic acid를 각각 internal standard로 사용하였다.
eutropha의 고농도 유가식 배양을 통해 최대 약 200 g/L의 균체농도 및 80 wt%의 PHA 함량을 얻은 바 있다 [8-12]. 본 연구에서는 비교적 저가이고 높은 수율을 얻을 수 있는 식물성 오일 또는 바이오디젤 제조 공정의 부산물인 glycerol을 탄소원으로 이용하여 R. eutropha 여섯 균주를 배양하여 최종 균체농도 및 PHA 함량 면에서 최적 균주를 결정하였다. 또한 식물성 오일에 γ-butyrolactone 또는 pentanoic acid를 첨가하여 이용하여 P(3HB) homopolymer 외에 P(3HB-co-4HB) 및 P(3HB-co3HV) copolymer의 합성 특성을 조사하였다.
식물성 오일 또는 glycerol 20 g/L에 pentanoic acid 3 g/L를 첨가하여 플라스크 배양을 통해 여섯 종류의 R. eutropha 각각의 P(3HB-co-3HV) 축적 특성을 조사하였다 (Fig. 3, Table 2). Soybean oil을 기질로 사용한 경우 균체농도는 0.
식물성 오일 또는 glycerol로부터 Ralstonia eutropha 여섯 균주의 polyhydroxyalkanoates (PHA) 합성 특성을 조사하였다. 탄소원으로 soybean oil, olive oil, 또는 glycerol 만을 공급시 poly(3-hydroxybutyrate) homopolymer가 생성되었으며, γ-butyrolactone 또는 pentanoic acid를 함께 공급시 poly(3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate) 또는 poly(3- hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) copolymer가 각각 합성되었다.
위의 P(3HB)의 실험과 동일하게 플라스크 배양을 통해 여섯 종류의 R. eutropha 각각의 P(3HB-co-4HB) 축적에 관하여 측정하였다 (Fig. 2, Table 1). 식물성 오일 또는 glycerol 20 g/L에 γ-butyrolactone 5 g/L를 첨가하여 실험한 결과, soybean oil을 기질로 사용한 경우 균체농도는 0.
본 실험에서 사용한 여섯 종류의 R. eutropha (C. necato)는 다음과 같다. KCTC 22469 (ATCC 17699, KCCM 11972, DSM 428), KCTC 2657 (DSM 416), KCTC 2658 (DSM 418), KCTC 2659 (DSM 422), KCTC 2662 (DSM 530), KCTC 2649 (NCIMB 11599).
성능/효과
0 g/L, PHA 함량은 30~43 wt%의 P(3HB) homopolymer를 합성하였다. Glycerol을 기질로 사용하였을 경우 균체의 성장이나 PHA 함량 면에서 soybean oil 또는 olive oil을 사용하였을 경우와 비교하여 보면 효율적이지 못한 것을 알 수 있었고, KCTC 2657 및 2649의 경우 모든 탄소원에서 P(3HB)를 합성하지 못하는 것을 알 수 있었다. 결론적으로 P(3HB) 합성의 최적 기질 및 균주는 soybean oil 및 KCTC 2662였으며, 약 90 wt%의 P(3HB)를 포함하는 9 g/L의 균체농도를 얻을 수 있었다.
5 g/L, PHA 함량은 17~28 wt%의 P(3HB-co-4HB) copolymer를 합성하였다. P(3HB) homopolymer 실험 시와 동일하게 glycerol을 기질로 사용하였을 경우 균체의 성장이나 PHA 함량이 soybean oil 또는 olive oil을 사용하였을 경우와 비교하여 보면 효율적이지 못한 것을 알 수 있었고, KCTC 2657 및 2649의 경우도 동일하게 모든 탄소원에서 P(3HB-co-4HB)를 합성하지 못하는 것을 알 수 있었다. 실험 결과 우수한 P(3HB-co-4HB) 합성 특성을 보인 균주는 olive oil을 이용한 경우 KCTC 2658 및 2659, soybean oil을 이용한 경우 KCTC 22469, soybean oil 및 olive oil을 이용한 경우 KCTC 2662 등으로 약 70~80 wt%의 P(3HB-co-4HB)를 포함하는 6~7 g/L의 균체농도를 얻을 수 있었다.
Glycerol을 기질로 사용하였을 경우 균체의 성장이나 PHA 함량 면에서 soybean oil 또는 olive oil을 사용하였을 경우와 비교하여 보면 효율적이지 못한 것을 알 수 있었고, KCTC 2657 및 2649의 경우 모든 탄소원에서 P(3HB)를 합성하지 못하는 것을 알 수 있었다. 결론적으로 P(3HB) 합성의 최적 기질 및 균주는 soybean oil 및 KCTC 2662였으며, 약 90 wt%의 P(3HB)를 포함하는 9 g/L의 균체농도를 얻을 수 있었다.
9~31 wt%의 P(3HB-co-3HV) copolymer를 합성하였다. 마찬가지로 glycerol을 기질로 사용하였을 경우 균체의 성장이나 PHA 함량이 soybean oil 또는 olive oil을 사용하였을 경우와 비교하여 보면 효율적이지 못한 것을 알 수 있었고, KCTC 2657 및 KCTC 2649의 경우도 P(3HB-co3HV) 합성에 적당한 균주가 아님을 알 수 있었다. 실험 결과 우수한 P(3HB-co-3HV) 축적 특성을 보인 균주는 olive oil을 이용한 경우 KCTC 2658, soybean oil 및 olive oil을 이용한 경우 KCTC 2659, soybean oil을 이용한 경우 KCTC 2662 등이었으며, 균체농도는 soybean oil 및 olive oil을 이용한 경우 KCTC 2658, olive oil을 이용한 경우 KCTC 2662 등이었다.
식물성 오일 또는 glycerol 20 g/L에 γ-butyrolactone 5 g/L를 첨가하여 실험한 결과, soybean oil을 기질로 사용한 경우 균체농도는 0.51~6.5 g/L, PHA 함량은 55~78 wt%, olive oil을 사용한 경우 균체농도는 0.8~7.0 g/L, PHA 함량은 43~77 wt%, glycerol을 사용한 경우 균체농도는 0.78~2.5 g/L, PHA 함량은 17~28 wt%의 P(3HB-co-4HB) copolymer를 합성하였다.
마찬가지로 glycerol을 기질로 사용하였을 경우 균체의 성장이나 PHA 함량이 soybean oil 또는 olive oil을 사용하였을 경우와 비교하여 보면 효율적이지 못한 것을 알 수 있었고, KCTC 2657 및 KCTC 2649의 경우도 P(3HB-co3HV) 합성에 적당한 균주가 아님을 알 수 있었다. 실험 결과 우수한 P(3HB-co-3HV) 축적 특성을 보인 균주는 olive oil을 이용한 경우 KCTC 2658, soybean oil 및 olive oil을 이용한 경우 KCTC 2659, soybean oil을 이용한 경우 KCTC 2662 등이었으며, 균체농도는 soybean oil 및 olive oil을 이용한 경우 KCTC 2658, olive oil을 이용한 경우 KCTC 2662 등이었다. KCTC 22469는 soybean oil, olive oil 및 glycerol로부터 45~70 wt%의 고른 P(3HB-co-3HV) 축적 특성을 보 였다.
P(3HB) homopolymer 실험 시와 동일하게 glycerol을 기질로 사용하였을 경우 균체의 성장이나 PHA 함량이 soybean oil 또는 olive oil을 사용하였을 경우와 비교하여 보면 효율적이지 못한 것을 알 수 있었고, KCTC 2657 및 2649의 경우도 동일하게 모든 탄소원에서 P(3HB-co-4HB)를 합성하지 못하는 것을 알 수 있었다. 실험 결과 우수한 P(3HB-co-4HB) 합성 특성을 보인 균주는 olive oil을 이용한 경우 KCTC 2658 및 2659, soybean oil을 이용한 경우 KCTC 22469, soybean oil 및 olive oil을 이용한 경우 KCTC 2662 등으로 약 70~80 wt%의 P(3HB-co-4HB)를 포함하는 6~7 g/L의 균체농도를 얻을 수 있었다. 합성된 P(3HB-co-4HB) 중의 4HB 조성은 soybean oil 및 olive oil을 이용한 경우 0.
여섯 종류의 R. eutropha 균주를 식물성 오일 또는 glycerol을 탄소원으로 이용하여 배양한 결과 P(3HB) 합성의 최적 기질 및 균주는 soybean oil 및 KCTC 2662였으며, 약 90 wt%의 P(3HB)를 포함하는 9 g/L의 균체농도를 얻을 수 있었다. P(3HB-co-4HB) 합성이 우수한 균주는 olive oil을 이용한 경우 KCTC 2658 및 2659, soybean oil을 이용한 경우 KCTC 22469, soybean oil 및 olive oil을 이용한 경우 KCTC 2662 등으로 약 70~80 wt%의 P(3HB-co-4HB)를 포함하는 6~7 g/L의 균체농도를 얻을 수 있었다.
P(3HB-co-4HB) 합성이 우수한 균주는 olive oil을 이용한 경우 KCTC 2658 및 2659, soybean oil을 이용한 경우 KCTC 22469, soybean oil 및 olive oil을 이용한 경우 KCTC 2662 등으로 약 70~80 wt%의 P(3HB-co-4HB)를 포함하는 6~7 g/L의 균체농도를 얻을 수 있었다. 우수한 P (3HB-co-3HV) 축적 특성을 보인 균주는 olive oil을 이용한 경우 KCTC 2658, soybean oil 및 olive oil을 이용한 경우 KCTC 2659, soybean oil을 이용한 경우 KCTC 2662 등이었으며, KCTC 22469는 soybean oil, olive oil 및 glycerol로부터 45~70 wt%의 고른 P(3HB-co-3HV) 축적 특성을 보였다. 종합적으로 P(3HB), P(3HB-co-4HB) 및 P(3HBco-3HV) 합성에 최적인 기질 및 균주는 soybean oil 및 KCTC 2662였다.
우수한 P (3HB-co-3HV) 축적 특성을 보인 균주는 olive oil을 이용한 경우 KCTC 2658, soybean oil 및 olive oil을 이용한 경우 KCTC 2659, soybean oil을 이용한 경우 KCTC 2662 등이었으며, KCTC 22469는 soybean oil, olive oil 및 glycerol로부터 45~70 wt%의 고른 P(3HB-co-3HV) 축적 특성을 보였다. 종합적으로 P(3HB), P(3HB-co-4HB) 및 P(3HBco-3HV) 합성에 최적인 기질 및 균주는 soybean oil 및 KCTC 2662였다.
탄소원으로 soybean oil, olive oil, 또는 glycerol 만을 공급시 poly(3-hydroxybutyrate) homopolymer가 생성되었으며, γ-butyrolactone 또는 pentanoic acid를 함께 공급시 poly(3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate) 또는 poly(3- hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) copolymer가 각각 합성되었다. 최종 균체농도 및 PHA 함량면에서 최적인 균주는 R. eutropha KCTC 2662로 결정되었으며, 최적 기질인 soybean oil 20 g/L로부터 72 h에 균체농도 1.7~9.2 g/L, PHA 함량 70~92 wt%를 얻을 수 있었다.
1). 탄소원 20 g/L를 첨가하여 실험한 결과, soybean oil을 기질로 사용한 경우 균체농도는 0.42~9.2 g/L, PHA 함량은 63~93 wt%, olive oil을 사용한 경우 균체농도는 0.43~7.1 g/L, PHA 함량은 54~81 wt%, glycerol을 사용한 경우 균체농도는 0.38~2.0 g/L, PHA 함량은 30~43 wt%의 P(3HB) homopolymer를 합성하였다. Glycerol을 기질로 사용하였을 경우 균체의 성장이나 PHA 함량 면에서 soybean oil 또는 olive oil을 사용하였을 경우와 비교하여 보면 효율적이지 못한 것을 알 수 있었고, KCTC 2657 및 2649의 경우 모든 탄소원에서 P(3HB)를 합성하지 못하는 것을 알 수 있었다.
KCTC 22469는 soybean oil, olive oil 및 glycerol로부터 45~70 wt%의 고른 P(3HB-co-3HV) 축적 특성을 보 였다. 합성된 P(3HB-co-3HV) 중의 3HV 조성은 KCTC 2657의 경우 85 mol%의 높은 3HV 함량을 보였으나 균체농도나 PHA 함량이 너무 낮았다. 다른 균주의 경우 soybean oil 및 olive oil을 이용한 경우 0~11 mol%였으며, glycerol을 이용한 경우는 0~23 mol%로 상대적으로 높은 3HV 함량을 나타냈다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Ralstonia eutropha 균주의 특징은 무엇인가?
Ralstonia eutropha (Cupriavidus necato)는 성장이 용이하고 균체내 PHA 축적율이 높아 PHA 합성에 관해 가장 많이 연구되어 온 균주로서 본 연구진은 glucose 또는 fructose를 주요 기질로 R. eutropha의 고농도 유가식 배양을 통해 최대 약 200 g/L의 균체농도 및 80 wt%의 PHA 함량을 얻은 바 있다 [8-12].
polyhydroxyalkanoates의 가장 단순한 형태는 무엇인가?
PHA 중 가장 단순한 형태인 poly(3-hydroxybutyrate) homopolymer는 부서지기 쉽고 가공성이 용이하지 않아 이를 보다 유연하게 만든 poly(3-hydroxybutyrate-co-3- hydroxyvalerate) [P(3HB-co-3HV)] 및 poly(3-hydroxybutyrateco-4-hydroxybutyrate) [P(3HB-co-4HB)] copolymer가 propionic acid, pentanoic acid, γ-butyrolactone 등의 기질을 함께 공급하여 합성되었다. 특히 P(3HB-co-4HB)는 4HB의 함량에 따라 딱딱한 결정성 플라스틱에서 탄성이 큰 고무에 이르기까지 다양한 물성을 나타내며 [2], 다른 PHA에 비해 생체 내 가수분해 속도도 크고 4HB 함량에 따라 조절 가능하여 의약분야 소재로서의 활용이 기대되고 있다 [3].
polyhydroxyalkanoates란 무엇인가?
polyhydroxyalkanoates (PHA)는 N, P, S, Mg, O2 등의 영양소가 제한된 성장 조건 하에서 여러 종류의 미생물들에 의해 세포 내 탄소와 에너지 저장 물질의 형태로 축적되는 생분해성 고분자이다. PHA는 가수분해나 효소에 의해 분해되기 때문에 농업, 해양, 의약 등 다양한 분야의 적용에 있어서 환경적으로 분해 가능한 열가소성 물질로써 많은 관심을 불러 일으키고 있으며 상업적 관심의 초점이 되고 있다 [1].
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