[논문]배양액내 나트륨 및 칼륨 이온 농도가 Saccharomyces cerevisiae의 발효에 미치는 영향

송우용; 성현아; 신수정

doi:10.7584/ktappi.2015.47.1.017

배양액내 나트륨 및 칼륨 이온 농도가 Saccharomyces cerevisiae의 발효에 미치는 영향
Impact of sodium or potassium cations in culture medium to ethanol fermentation by Saccharomyces cerevisiae 원문보기

펄프 종이기술 = Journal of Korea TAPPI, v.47 no.1, 2015년, pp.17 - 23

송우용 (충북대학교 목재종이과학과) , 성현아 (충북대학교 생화학과) , 신수정 (충북대학교 목재종이과학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In bioethanol from acid hydrolysis process, neutralization of acid hydrolyzate is essential step, which resulted in dissolved cations in glucose solution. Impact of cations to Saccharomyces cerevisiae in glucose solution was investigated focused on ethanol fermentation. Both potassium and sodium cations decreased the ethanol fermentation and glucose to ethanol conversion as potassium or sodium cations. In sodium cation, more than 1.13 N sodium cation in glucose solution led to ethanol production less than theoretical yield with severe inhibition. In 1.13 N sodium cation concentration, ethanol fermentation was slowed down to reach the maximum ethanol concentration with 48 h fermentation compared with 24 h fermentation in control (no sodium cation in glucose solution). In case of potassium cation, three different levels of potassium led to silimar ethanol concentration even though slight slow down of ethanol fermentation with increasing potassium cation concentration at 12 h fermentation. Sodium cation showed more inhibition than potassium cation as ethanol concentration and glucose consumption by Saccharomyces cerevisiae.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 염의 생성량이 상대적으로 적은 칼륨과 나트륨 기반 염기의 중화에서 발생하는 염이 발효 효모에 미치는 영향을 확인하고자 염의 농도를 달리 하여 발효에 미치는 영향을 평가하였다.
이때 만들어지는 염은 수용액에서 용해도가 높아 일부 양이온이 존재한다. 본 연구에서는 수산화나트륨이나 수산화칼륨을 산 당 수용액 중화에 사용할 경우 존재하는 양이온의 에탄올 발효 균주에 미치는 영향을 확인하고자 가장 널리 사용되는 발효 효모인 S. cerevisiae를 통해 수용성 염이 에탄올 발효에 미치는 영향을 탐색하였다.
지질로 구성된 생물체의 막은 대부분의 물질에 대해 선택적 투과성을 가지며 특히 나 전하를 띄는 이온의 경우는 막의 채널이나 특수한 운송체를 이용하여 세포의 안과 밖으로 이동이 가능하다. 이 실험에서 사용된 S. cerevisiae 또한 막에 다양한 종류의 양이온 운송체를 가지고 있으며, 이들의 역할은 세포에 충분한 양의 칼륨을 제공하여 칼륨 항상성을 유지할 뿐만 아니라 독성의 나트륨 양이온을 제거하여 일정한 막전위를 유지하여 세포내 pH를 조절함으로써 세포의 성장과 분열에 필수적인 세포 내부의 팽압을 지켜 외부 환경에 의해 세포에게 가해지는 삼투압스트레스에 대응하고자 함이다.¹³⁾

제안 방법

13-16) 나트륨 양이온이 S. cerevisiae의 에탄올 발효에 미치는 영향을 확인하기 위해 표준 당 수용액에 황산나트륨의 최대 용해도를 기준으로 68 g/L (최대 용해도의 1/3값), 135 g/L (최대 용해도의 2/3 값), 202 g/L(최대 용해도값)으로 3가지 다른 농도로 첨가한 후 48시간 에탄올 발효과정에서 포도당의 소비량과 에탄올의 생성량을 분석하였다.
0℃, 200 rpm 조건으로 진탕 배양기에서 배양하였다. 3시간 이후 1시간 간격으로 샘플을 채취하여 자외선-가시광선 분광기(UV-1601, Shimadzu, Japan)로 660 nm에서 흡광도를 측정하여 이후 에탄올 발효과정에서 효모 첨가 수준에 반영하였다.
0%(v/v)로 접종 하였다. 발효 조건은 30.0℃, 150 rpm 진탕 배양기에서 48시간 발효하였으며, 2, 4, 6, 8, 10, 12, 24, 48시간 샘플을 채취하여 포도당과 에탄올 농도 분석에 사용하였다.
발효 후 채취한 샘플의 포도당, 에탄올 농도 측정을 위해 High Performance Liquid Chromatograph (HPLC)(Shimadzu, Japan)를 사용하였다. Aminex HPX-87H(300 mm x 7.
따라서 발효 후 중화에 사용되어지는 여러 양이온들의 첨가에 따라 효모의 발효능력에 변화를 가져온다. 칼륨 양이온의 최대 용해도값을 기준으로, 40 g/L (최대 용해도의 1/3값), 80 g/L (최대 용해도의 2/3 값), 120 g/L(최대 용해도값)으로 3가지 다른 농도로 첨가 한 후 48시간 에탄올 발효과정에서 포도당의 소비량과 에탄올의 생성량을 분석하였다.
7의 값이 확인 되었을 때 표준 당 수용액에 접종을 실시하였다. 표준 당 수용액에 S. cerevisiae 배양액 5.0%(v/v)로 접종 하였다. 발효 조건은 30.
0 g/L을 넣어 제조 하였다. 표준 당 수용액에 첨가한 염의 수준은 20.0℃ 용해도를 기준으로 3개의 농도로 나누어 첨가하였다.

대상 데이터

발효 후 채취한 샘플의 포도당, 에탄올 농도 측정을 위해 High Performance Liquid Chromatograph (HPLC)(Shimadzu, Japan)를 사용하였다. Aminex HPX-87H(300 mm x 7.8 mm, Bio-Rad)컬럼과 RID-10A(Shimadzu, Japan) 굴절률 검출기를 사용하였다. 이동상은 0.
바이오알코올 원료는 전분계, 당질계, 목질계 바이오매스이다.¹⁾ 설탕은 포도당과 과당이 연결되어 있는 이당으로 이루어져 있고, 전분은 포도당이 α-1,4결합을 하고 있는 다당으로 이루어져 있다.
실험에 사용한 시약은 포도당(동양제철화학), peptone(Gellix), malt extract(Bacto), yeast extract(Bacto), KH₂PO₄(덕산약품), MgSO₄∙7H₂O(Shinyo Pure Chemical), Na₂SO₄(대정화금), K₂SO₄(대정화금)은 순도 99% 이상의 제품을 사용하였으며, 사용 균주는 Saccharomyces cerevisiae KCCM 12236(이후 S. cerevisiae로 약칭)을 한국미생물보존협회에서 분양받아 사용하였다.

성능/효과

2 g/L로 염에 의한 발효 저해는 칼륨염 보다 더 큰 것으로 보였다.(Fig. 4) 에탄올 발효 속도는 나트륨 염이 첨가된 당 수용액은 염이 첨가되지 않은 당 수용액에 비해 낮은 포도당 소비 속도와 에탄올 생산 속도를 보였고, 칼륨염이 첨가된 당 수용액에 비해서도 낮은 에탄올 발효 속도를 보였다.
6) 백합나무의 산당화액을 원료로 에탄올 발효를 할 때, 당화액내에 존재하는 헤미셀룰로오스 유래 아세트산의 Pichia stipitis에 대한 발효 저해 문제를 묽은 염기 처리하여 해결할 수 있다.⁷⁾ 하지만 2년생 호랑버들의 수피와 목부의 산 당화액으로 부탄올 발효를 실시한 결과 발효 저해 문제는 부탄올의 생성을 느리게 진행시키는 수준에서 발생하였다.
⁷⁾ 하지만 2년생 호랑버들의 수피와 목부의 산 당화액으로 부탄올 발효를 실시한 결과 발효 저해 문제는 부탄올의 생성을 느리게 진행시키는 수준에서 발생하였다.⁸⁾ Saccharomyces cerevisiae의 경우 아세트산이 존재하는 조건에서도 포도당의 에탄올 발효에 저해를 받지 않았다.⁹⁾ 하지만 유전자 조작된 S.
⁸⁾ Saccharomyces cerevisiae의 경우 아세트산이 존재하는 조건에서도 포도당의 에탄올 발효에 저해를 받지 않았다.⁹⁾ 하지만 유전자 조작된 S. cerevisiae의 경우 포도당 발효에서는 저해가 없었지만 자일로스 발효과정이 느리게 진행되었다.¹⁰⁾ 산 가수분해 방법으로 얻어진 당 수용액을 발효에 사용하기 위해서는 중화과정이 필요하다.
당 수용액에 황산칼륨(K₂SO₄)과 황산나트륨(Na₂SO₄)을 첨가하여 수용성 염의 양이온이 S. cerevisiae의 에탄올 발효에 미치는 영향을 확인한 결과 염을 첨가한 경우 염이 없는 당 용액 보다 에탄올 발효 속도와 단당에서 에탄올로 전환 농도가 감소하였다. 첨가된 수용성 염이 에탄올 발효를 저해 하였고, 염의 농도가 높을수록 에탄올 발효 저해가 뚜렷하였다.
첨가된 수용성 염이 에탄올 발효를 저해 하였고, 염의 농도가 높을수록 에탄올 발효 저해가 뚜렷하였다. 양이온에 따른 발효저해 정도는 Na₂SO₄가 K₂SO₄보다 더 심하게 저해 받는 것을 확인하였다. 특히 이번 실험을 통해 효모의 발효 후 중화반응에서 수용성 염을 생성하는 나트륨과 칼륨 양이온중 나트륨의 경우 효모의 막전위유지와 세포 내부에서 삼투압을 유발하는 독성을 나타내어 에탄올 발효와 성장 저해 능력이 칼륨 양이온에 비해 확연하고 크게 나타남을 확인할 수 있었다.
염을 첨가하지 않은 당 수용액을 48시간의 발효 후 에탄올 농도는 24.6 g/L로 나트륨염 68g/L 첨가한 당 수용액의 에탄올 농도 22.3 g/L나, 135 g/L 첨가한 당 수용액의 에탄올 농도 2.7 g/L, 202 g/L 첨가한 당 수용액의 에탄올 농도 0.2 g/L로 염에 의한 발효 저해는 칼륨염 보다 더 큰 것으로 보였다.(Fig.
cerevisiae의 에탄올 발효에 미치는 영향을 확인한 결과 염을 첨가한 경우 염이 없는 당 용액 보다 에탄올 발효 속도와 단당에서 에탄올로 전환 농도가 감소하였다. 첨가된 수용성 염이 에탄올 발효를 저해 하였고, 염의 농도가 높을수록 에탄올 발효 저해가 뚜렷하였다. 양이온에 따른 발효저해 정도는 Na₂SO₄가 K₂SO₄보다 더 심하게 저해 받는 것을 확인하였다.
발효 후 에탄올 농도뿐만 아니라 발효에 걸리는 시간도 발효 저해의 중요한 요소이다. 칼륨염이 첨가된 당 수용액은 초기 발효 단계에서 포도당의 소비 속도와 에탄올의 생성속도를 기준으로 발효가 저해되었지만, 염의 첨가와 관계없이 24시간 이내에 발효가 종료되었고 (포도당의 완전 소비), 최대 에탄올 농도에 도달하였다.
양이온에 따른 발효저해 정도는 Na₂SO₄가 K₂SO₄보다 더 심하게 저해 받는 것을 확인하였다. 특히 이번 실험을 통해 효모의 발효 후 중화반응에서 수용성 염을 생성하는 나트륨과 칼륨 양이온중 나트륨의 경우 효모의 막전위유지와 세포 내부에서 삼투압을 유발하는 독성을 나타내어 에탄올 발효와 성장 저해 능력이 칼륨 양이온에 비해 확연하고 크게 나타남을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	당 수용액의 중화과정에서 수산화나트륨 혹은 수산화칼륨을 사용할 때 생성되는 염의 특징은 무엇인가?	수산화칼슘이외에 산업적으로 수산화나트륨이나 수산화칼륨이 중화제로 사용될 수 있다. 이때 만들어지는 염은 수용액에서 용해도가 높아 일부 양이온이 존재한다. 본 연구에서는 수산화나트륨이나 수산화칼륨을 산 당 수용액 중화에 사용할 경우 존재하는 양이온의 에탄올 발효 균주에 미치는 영향을 확인하고자 가장 널리 사용되는 발효 효모인 S.
	바이오알코올의 원료에는 어떤 것들이 있는가?	바이오알코올 원료는 전분계, 당질계, 목질계 바이오매스이다.1) 설탕은 포도당과 과당이 연결되어 있는 이당으로 이루어 져 있고, 전분은 포도당이 α-1,4결합을 하고 있는 다당으로 이루어져 있다.
	목질계 바이오매스의 특징은 무엇인가?	설탕과 전분계원료는 미생물에 의해 분해가 쉽고, 발효균주도 쉽게 사용할 수 있는 장점이 있다. 목질계 바이오매스는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌을 주성분으로 복잡한 구조로 이루어져 있어 다당에서 단당으로 효소나 미생물에 의한 분해과정이 어렵다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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