탈지미강의 아임계수 가수분해 생성물을 배지로 이용한 Saccharomyces cerevisiae의 배양 Cultivation of Saccharomyces cerevisiae using Defatted Rice Bran Hydrolyzed in Near-critical Water as a Culture Medium원문보기
아임계수를 이용하여 탈지미강의 가수분해를 실시하고, 결과로 얻어진 가수분해물이 배지로써 이용할 수 있는지 검토하기 위해 Saccharomyces cerevisiae의 배양을 시도해보았다. 아임계수 가수분해 반응은 회분식 반응을 통해 이루어졌으며, 생성물에 포함된 전당, 이당류, 단당류의 함량, 총유기탄소 (TOC), 총질소 (TN), pH를 측정하였다. Saccharomyces cerevisiae의 성장 속도는 탁도 측정을 통해 확인하였다. 전당 수율, TOC, TN은 $240^{\circ}C$까지 온도에 따라 증가하다가 그 이상의 온도에서는 감소하였다. $240^{\circ}C$ 이상에서의 수율 감소는 유기산 생성에 기인한 것이고 이는 pH 변화를 통해 확인할 수 있었다. 포도당의 수율은 $200^{\circ}C$에서 최대였고 그 이상의 온도에서는 빠르게 감소하였다. 탈지미강 가수분해물에서 배양된 Saccharomyces cerevisiae의 성장 속도는 일부 조건에서 상용 배지와 근접한 수준을 보였고, 성장 속도는 포도당의 함량과 상관 관계가 있었다.
아임계수를 이용하여 탈지미강의 가수분해를 실시하고, 결과로 얻어진 가수분해물이 배지로써 이용할 수 있는지 검토하기 위해 Saccharomyces cerevisiae의 배양을 시도해보았다. 아임계수 가수분해 반응은 회분식 반응을 통해 이루어졌으며, 생성물에 포함된 전당, 이당류, 단당류의 함량, 총유기탄소 (TOC), 총질소 (TN), pH를 측정하였다. Saccharomyces cerevisiae의 성장 속도는 탁도 측정을 통해 확인하였다. 전당 수율, TOC, TN은 $240^{\circ}C$까지 온도에 따라 증가하다가 그 이상의 온도에서는 감소하였다. $240^{\circ}C$ 이상에서의 수율 감소는 유기산 생성에 기인한 것이고 이는 pH 변화를 통해 확인할 수 있었다. 포도당의 수율은 $200^{\circ}C$에서 최대였고 그 이상의 온도에서는 빠르게 감소하였다. 탈지미강 가수분해물에서 배양된 Saccharomyces cerevisiae의 성장 속도는 일부 조건에서 상용 배지와 근접한 수준을 보였고, 성장 속도는 포도당의 함량과 상관 관계가 있었다.
The hydrolysis of defatted rice bran using near-critical water was performed, and the feasibility of consequent hydrolyzate as a growth medium was investigated by the cultivation of Saccharomyces cerevisiae. The near-critical water hydrolysis was carried out through a series of batch experiments, an...
The hydrolysis of defatted rice bran using near-critical water was performed, and the feasibility of consequent hydrolyzate as a growth medium was investigated by the cultivation of Saccharomyces cerevisiae. The near-critical water hydrolysis was carried out through a series of batch experiments, and the contents of total carbohydrates, disaccharides, and monosaccharides, total organic carbon (TOC), total nitrogen (TN), pH of products were measured. The growth rate of Saccharomyces cerevisiae was measured with optical density. The yield of total carbohydrates, TOC, and TN increased with temperature below $240^{\circ}C$, however, decreased above $240^{\circ}C$. The decrease of yields above $240^{\circ}C$ was caused by the formation of organic acids, and it agreed with the change of pH of products. The yield of glucose was a maximum at $200^{\circ}C$ and it decreased dramatically at higher temperature. The growth rate of Saccharomyces cerevisiae cultivated in the hydrolyzate was similar with that in the commercial medium under certain conditions. The growth rate was correlated with the content of glucose in hydrolyzate.
The hydrolysis of defatted rice bran using near-critical water was performed, and the feasibility of consequent hydrolyzate as a growth medium was investigated by the cultivation of Saccharomyces cerevisiae. The near-critical water hydrolysis was carried out through a series of batch experiments, and the contents of total carbohydrates, disaccharides, and monosaccharides, total organic carbon (TOC), total nitrogen (TN), pH of products were measured. The growth rate of Saccharomyces cerevisiae was measured with optical density. The yield of total carbohydrates, TOC, and TN increased with temperature below $240^{\circ}C$, however, decreased above $240^{\circ}C$. The decrease of yields above $240^{\circ}C$ was caused by the formation of organic acids, and it agreed with the change of pH of products. The yield of glucose was a maximum at $200^{\circ}C$ and it decreased dramatically at higher temperature. The growth rate of Saccharomyces cerevisiae cultivated in the hydrolyzate was similar with that in the commercial medium under certain conditions. The growth rate was correlated with the content of glucose in hydrolyzate.
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문제 정의
본 연구에서는 아임계수조건에서 탈지미강의 가수분해를 수행하여 단당류 및 부산물의 생성 양상을 살펴보았고, 이를 통해 얻어진 생성물을 효모의 배양에 배지로 이용할 수 있는지 가능성을 살펴보았다.
제안 방법
S. cerevisiae의 생장 정도는 UV 흡광기(Evolution 201, Thermo Scientific)를 이용하여 660 nm 파장에서의 탁도를 측정하여 비교하였다.
6×250 mm)를 사용하였고 검출기는 Refractive index detector를 사용하였다. TOC와 TN은 TOC/TN 분석기(Teledyne Tekmar, Apollo 9000)를 이용해 측정하였고, pH는 pH meter(HANNA Instruments, HI 9024)로 측정하였다.
가수분해 생성물의 조성을 알아보기 위해서는 전당 및 당류의 함량, 총유기탄소(TOC), 총질소(TN), pH를 측정하였다. 전당 함량은 전술한 바와 같이 페놀-황산법을 이용하여 측정하였고, 각각의 당류의 함량은 HPLC(Agilent 1200 series)를 이용해 측정하였다.
전당 측정은 염산 가수분해 후 페놀-황산법을 이용하여 시행하였고, 홀로셀룰로오스의 함량은 Pettersen[9]의 방법을 이용해 측정하였다. 단백질 함량은 Kjeldahl Protein/Nitrogen analyzer(Kjeltec Auto 1035/1038 System)를 이용해 측정하였고, 수분 및 회분은 각각 건조, 소성 후 무게 변화를 측정하여 계산하였다.
cerevisiae의 배양에 적합하지 않은 것으로 판단된다. 따라서 반응 온도 200~240 ℃에서 얻어진 가수분해 생성물을 배지로 이용해 S. cerevisiae의 배양을 실시하였고 그 결과를 Fig. 7에 보였다.
탈지미강의 가수분해실험은 스테인리스강(Grade 316) 재질의 회분식 반응기와 용융염조를 이용해 진행하였다. 반응기 안에 탈지미강 0.63 g과 증류수 12.60 g을 넣고 밀폐한 후 목표 온도로 예열된 용융염조에 넣고 소정의 시간 동안 교반하여 반응을 진행하였다. 일정 반응 시간이 지난 후 반응기를 용융염조에서 꺼내어 상온까지 냉각하고 개봉한 후, 반응 생성물을 여과를 통해 수용액과 고체 잔여물로 분리하였다.
탈지미강의 가수분해실험은 스테인리스강(Grade 316) 재질의 회분식 반응기와 용융염조를 이용해 진행하였다. 반응기 안에 탈지미강 0.
탈지미강의 조성을 알아보기 위해 전당, 홀로셀룰로오스, 단백질, 수분, 회분의 함량을 측정하였다. 전당 측정은 염산 가수분해 후 페놀-황산법을 이용하여 시행하였고, 홀로셀룰로오스의 함량은 Pettersen[9]의 방법을 이용해 측정하였다.
회분식 반응을 통해 아임계수에서 탈지미강의 가수분해를 수행하였고, 생성된 가수분해물을 배지로 이용하였을 때 Saccharomyces cerevisiae의 성장 양상을 관찰하였다. 탈지미강을 가수분해하여 높은 수율의 당을 얻을 수 있음을 확인하였고, 200 ℃에서 가장 높은 포도당 및 과당 수율을 얻을 수 있었다.
대상 데이터
본 연구에 사용한 탈지미강은 (주)넥스트바이오로부터 제공받은 것으로, 초임계 이산화탄소 추출을 통해 지방을 제거한 것이다. 배양에 이용한 균주는 Saccharomyces cerevisiae KCCM 12491로, 한국미생물보존센터에서 동결건조된 상태로 분양받았다. 배지로는 YM broth 액체 배지와 YM agar 고체 배지를 이용하였다.
배양에 이용한 균주는 Saccharomyces cerevisiae KCCM 12491로, 한국미생물보존센터에서 동결건조된 상태로 분양받았다. 배지로는 YM broth 액체 배지와 YM agar 고체 배지를 이용하였다.
배양 과정을 3, 4회 반복해 계대배양하여 활성화시킨 후 본 배양에 사용하였다. 본 배양에서는 YM broth 배지와 탈지미강 가수분해물 수용액을 각각 사용하였다.
본 연구에 사용한 탈지미강은 (주)넥스트바이오로부터 제공받은 것으로, 초임계 이산화탄소 추출을 통해 지방을 제거한 것이다. 배양에 이용한 균주는 Saccharomyces cerevisiae KCCM 12491로, 한국미생물보존센터에서 동결건조된 상태로 분양받았다.
분석 컬럼은 Shodex NH2P-50 4E(4.6×250 mm)를 사용하였고 검출기는 Refractive index detector를 사용하였다.
종균 배양은 다음과 같은 과정으로 시행하였다. 분양받은 S. cerevisiae을 식염수 1 mL와 섞은 후 YM broth 배지와 YM agar 배지에 각각 0.2 mL씩 분주하여 배양하였다. 배양 과정을 3, 4회 반복해 계대배양하여 활성화시킨 후 본 배양에 사용하였다.
이론/모형
탈지미강의 조성을 알아보기 위해 전당, 홀로셀룰로오스, 단백질, 수분, 회분의 함량을 측정하였다. 전당 측정은 염산 가수분해 후 페놀-황산법을 이용하여 시행하였고, 홀로셀룰로오스의 함량은 Pettersen[9]의 방법을 이용해 측정하였다. 단백질 함량은 Kjeldahl Protein/Nitrogen analyzer(Kjeltec Auto 1035/1038 System)를 이용해 측정하였고, 수분 및 회분은 각각 건조, 소성 후 무게 변화를 측정하여 계산하였다.
가수분해 생성물의 조성을 알아보기 위해서는 전당 및 당류의 함량, 총유기탄소(TOC), 총질소(TN), pH를 측정하였다. 전당 함량은 전술한 바와 같이 페놀-황산법을 이용하여 측정하였고, 각각의 당류의 함량은 HPLC(Agilent 1200 series)를 이용해 측정하였다. 분석 컬럼은 Shodex NH2P-50 4E(4.
성능/효과
200~220 ℃에서 얻어진 생성물을 이용한 배양에서는 포도당 수율의 변화와 대체로 일치하는 경향을 보였다.
3에는 반응 온도 및 반응 시간에 따른 전당 수율의 변화를 보였다. 220℃ 이하의온도에서는 WS 수율, TOC, TN과 비슷한 경향을 보였으나, 240℃ 이상에서는 반응 시간이 길어질수록 전당 수율이 크게 감소하였다. 이것은 탈지미강이 분해되어 생성된 당류가 240℃ 이상의 높은 온도에 노출되면 더욱 분해가 진행되어 유기산으로 변화하기 때문으로, 이러한 현상은 앞선 다른 연구들에서도 보고된 바가 많다[5,6].
탈지미강의 가수분해로 얻은 생성물에서도 Saccharomyces cerevisiae의 성장속도가 일정반응조건에서는 기존 상용 배지에 근접한 수준이 되는 것을 확인하였다. Saccharomyces cerevisiae의 성장 속도는 포도당 함량이 가장 큰 영향을 미치는 것으로 보이지만, 전당 함량이나 TN 등의 다른 요소도 복합적으로 작용하는 것으로 보인다. 본 연구를 통해 탈지미강의 가수분해물이 미생물 배양용 배지로 활용될 수 있음을 확인할 수 있었다.
5에 나타난 것처럼 자당(포도당+과당)의 양이 맥아당(포도당+포도당)의 양보다 월등히 많아 두 단당류의 수율이 자당의 분해 반응에 의해 대부분 결정되기 때문인 것으로 생각할 수 있다. 두 단당류 모두 200 ℃에서는 반응 기간에 따라 수율이 계속 증가하였으나 220 ℃ 이상에서는 반응 초기에만 수율이 증가했다가 반응 시간이 길어질수록 감소하는 경향을 보였다. 눈여겨볼 점은 220~240 ℃에서 포도당, 과당의 수율이 200 ℃에서보다 낮지만 Fig.
1에 나타내었다. 반응 온도가 200℃일 때는 반응 시간이 지남에 따라 수율이 상승하는 경향을 보였지만, 반응 온도가 220℃ 이상이 되면 반응 시간에 따라 수율이 증가하다가 일정 시간 이후부터는 감소하는 것을 확인할 수 있다. 또한 반응 온도가 상승함에 따라 수율이 상승하다가 260℃ 이상이 되면 감소하는 경향도 확인할 수 있다.
4에 나타내었다. 반응 온도가 높아질수록 pH가 낮아지는 경향을 뚜렷이 확인할 수 있으며, Fig. 3에서 보인 전당 수율의 감소 경향과도 어느 정도 일치하는 것을 알 수 있었다. 따라서 전당 수율의 감소는 유기산 생성에 기인한다는 것이 타당한 추론이라는 것을 뒷받침할 수 있다.
Saccharomyces cerevisiae의 성장 속도는 포도당 함량이 가장 큰 영향을 미치는 것으로 보이지만, 전당 함량이나 TN 등의 다른 요소도 복합적으로 작용하는 것으로 보인다. 본 연구를 통해 탈지미강의 가수분해물이 미생물 배양용 배지로 활용될 수 있음을 확인할 수 있었다.
본 연구에 사용된 탈지미강의 조성을 분석한 결과, 전당 58.3%, 단백질 18.7%, 회분 14.5%, 수분 8.6%를 함유하고 있는 것으로 나타났다. 홀로셀룰로오스의 함량은 15.
6에 나타내었다. 이당류의 경우 맥아당보다 자당의 함량이 훨씬 높게 나타났는데, 자당의 수율은 반응 초기에 크게 증가했다가 반응 시간이 1분 이상이 되면 대폭 감소하는 경향을 보였고, 맥아당도 비슷한 경향을 보였으나 감소폭이 좀 더 완만하였다.
이상의 결과들을 종합해보면, 반응 온도가 200 ℃일 때는 녹말이 이당류나 단당류로 가수분해되는 반응이 주로 일어나고, 220 ℃ 이상의 온도에서는 헤미셀룰로오스가 단당류로 분해되며, 260 ℃ 이상에서는 생성된 단당류가 유기산으로 변화하기 시작하는 것으로 추론할 수 있다.
탈지미강을 가수분해하여 높은 수율의 당을 얻을 수 있음을 확인하였고, 200 ℃에서 가장 높은 포도당 및 과당 수율을 얻을 수 있었다. 전당 수율은 240 ℃에서 가장 높았으며, 온도가 260 ℃ 이상으로 증가하면 당 수율이 감소하고 유기산이 생성되는 것을 확인하였다. 탈지미강의 가수분해로 얻은 생성물에서도 Saccharomyces cerevisiae의 성장속도가 일정반응조건에서는 기존 상용 배지에 근접한 수준이 되는 것을 확인하였다.
200~220 ℃에서 얻어진 생성물을 이용한 배양에서는 포도당 수율의 변화와 대체로 일치하는 경향을 보였다. 즉, 포도당 수율이 가장 높았던 200 ℃, 2분에서 S. cerevisiae의 성장 속도가 가장 높았고, YM broth 배지를 이용했을 때의 결과에 근접하는 수치를 보였다. 220 ℃에서 얻은 생성물을 이용했을 때에는 대체로 저조한 성장 속도를 보였다.
회분식 반응을 통해 아임계수에서 탈지미강의 가수분해를 수행하였고, 생성된 가수분해물을 배지로 이용하였을 때 Saccharomyces cerevisiae의 성장 양상을 관찰하였다. 탈지미강을 가수분해하여 높은 수율의 당을 얻을 수 있음을 확인하였고, 200 ℃에서 가장 높은 포도당 및 과당 수율을 얻을 수 있었다. 전당 수율은 240 ℃에서 가장 높았으며, 온도가 260 ℃ 이상으로 증가하면 당 수율이 감소하고 유기산이 생성되는 것을 확인하였다.
전당 수율은 240 ℃에서 가장 높았으며, 온도가 260 ℃ 이상으로 증가하면 당 수율이 감소하고 유기산이 생성되는 것을 확인하였다. 탈지미강의 가수분해로 얻은 생성물에서도 Saccharomyces cerevisiae의 성장속도가 일정반응조건에서는 기존 상용 배지에 근접한 수준이 되는 것을 확인하였다. Saccharomyces cerevisiae의 성장 속도는 포도당 함량이 가장 큰 영향을 미치는 것으로 보이지만, 전당 함량이나 TN 등의 다른 요소도 복합적으로 작용하는 것으로 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
식물체의 조직을 이루는 탄수화물을 가수분해하는 방법에는 무엇이 있는가?
식물체의 조직을 이루는 탄수화물인 녹말, 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 등은 주로 가수분해를 통해 단당류로 분해된 후 이용되게 된다. 이때 사용될 수 있는 가수분해 방법으로는 효소를 이용한 가수 분해, 산, 염기 촉매를 이용한 가수분해, 아임계수를 이용한 가수분해 등이 있다. 효소를 이용한 가수분해는 공정이 환경친화적이라는 장점이 있으나 반응 속도가 제한적이고 효소의 가격이 비싸 경제성이 떨어지는 단점을 갖고 있다.
아임계수 가수분해가 가능한 조건은?
물은 상온에서 10-14의 이온곱상수를 갖는데 온도가 증가할수록 이 값이 증가해 250~300 oC 부근인 아임계수 영역에서 약 10-11의 최대값을 갖게 된다. 따라서 아임계수 조건에서는 이온 반응의 속도가 크게 증가하게 되어 가수분해 등의 반응 매체로 이용할 수 있다. 또한 온도가 증가할수록 물의 극성이 감소하여 비극성 유기 물질과의 친화력이 높아지기 때문에 각종 유기 반응의 매체로 아임계수를 이용 하는 것이 가능하다. 이러한 아임계수의 특징을 이용해 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 단백질 등의 가수분해가 효율적으로 이루어질 수 있다는 것이 앞선 많은 연구들을 통해 밝혀졌다.
미강에는 어떤 영양성분이 많이 포함되어있는가?
쌀은 대부분의 경우 백미의 형태로 소비되는데, 쌀을 백미로 도정하는 과정에서 왕겨, 미강 등의 부산물이 발생한다. 미강에는 탄수화물, 단백질, 지방뿐 아니라 비타민, 미네랄 등이 많이 포함되어 있어 영양원으로 유용하게 이용될 수 있고, 그 양도 풍부하지만 현재까지는 널리 이용되고 있지 않다. 최근 들어 미강에서 추출한 미강유를 식용유로서 이용하고 있으며, 또한 미강유을 추출하고 남은 부분인 탈지미강은 탄수화물을 많이 함유하고 있어 식용으로 뿐만 아니라 바이오매스로써도 이용될 수 있는 가능성이 열려 있다[1,2].
참고문헌 (9)
Pourali, O., "Production of Valuable Materials from Rice Bran Biomass Using Subcritical Water," Ph. D. Dissertation, Osaka Prefecture University, Osaka, Japan(2010).
Saunders, R. M., "Rice Bran: Composition and Potential Food uses," Food Rev. Int., 1(3), 465-495(1985).
Woiciechowski, A. L., Nitsche, S., Pandey, A. and Soccol, C. R., "Acid and Enzymatic Hydrolysis to Recover Reducing Sugars From Cassava Bagasse: An Economic Study," Braz. Arch. Biol. Techn., 45(3), 393-400(2002).
Saha, B. C. and Cotta, M. A., "Ethanol Production from Alkaline Peroxide Pretreated Enzymatically Saccharified Wheat Straw," Biotechnol. Prog., 22, 449-453(2006).
Kim, T. H., "Sequential Hydrolysis of Hemicellulose and Lignin in Lignocellulosic Biomass by Two-stage Percolation Process Using Dilute Sulfuric Acid and Ammonium Hydroxide," Korean J. Chem. Eng., 28(11), 2156-2162(2011).
Toor, S. S., Rosendahl, L. and Rudolf, A., "Hydrothermal Liquefaction of Biomass: A Review of Subcritical Water Technologies," Energy, 36, 2328-2342(2011).
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