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알긴산 나트륨을 이용한 유산균 캡슐화의 상업화 공정 개발
Development of a Commercial Process for Micro-Encapsulation of Lactic Acid Bacteria Using Sodium Alginate 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.55 no.3, 2017년, pp.313 - 321  

김지연 (한국기술교육대학교 에너지.신소재.화학공학부) ,  유성식 (한국기술교육대학교 에너지.신소재.화학공학부)

초록
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바이오 고분자인 알긴산 나트륨(Sodium Alginate)을 이용하여 기존의 방법에 비해 생산성이 우수한 캡슐화의 상업화 공정을 개발하고자 하였다. 또한, 동일 공정으로 키토산을 알긴산과 함께 캡슐화하여 알긴산 나트륨으로 캡슐화 된 유산균과 비교하였다. 유산균 캡슐화의 상업화 공정의 주요 공정은 캡슐화 후 기존의 동결건조 대신에 본 연구진이 개발한 생산성이 우수한 유동화 건조 방법에 의하여 건조시간을 15~24이상 단축할 수 있었지만, 생균수는 동결건조와 유동층 건조의 비율이 1:0.75로 동결건조 방법이 좋았다. 하지만 건조에 드는 비용과 시간을 고려 해 볼 때 유동층 건조 방법으로 상업화 공정이 가능함을 확인할 수 있었다. Chitosan-alginate 캡슐은 알긴산 칼슘캡슐과 생균수를 비교하였을 때, 알긴산을 이용한 캡슐은 희석배수 $10^{-9}$, 즉 약 $1{\times}10^9$ 마리 이상의 균이 존재하고, 키토산을 이용한 캡슐은 희석배수 $10^{-3}$, 즉 약 $1{\times}10^3$ 마리의 균이 존재함을 확인 할 수 있었다. 본 연구의 기술로 제조된 유산균 캡슐은 pH 4.65, 6.01에서 96시간 이상 동안 안정하였지만, pH 7.07, 8.35에서는 1시간 이내에 모두 붕해되었다. 이는 유산균 캡슐이 위산에서 안정성을 보이고 pH 7이상을 띠는 소화기관인 소장과 대장에서는 쉽게 붕해가 일어날 수 있음을 알 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

We aimed to develop commercialization process of encapsulation which is superior in productivity compared to existing methods by using sodium alginate. Also, in the same process, sodium alginate with chitosan was used to encapsulate lactic acid bacteria with the same process and then the viable cell...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 또한, 키토산과 알긴산을 이용한 코팅 방법은 현재 많은 연구 중에 있다. 그래서 키토산의 항균능력이 유산균에도 영향을 미치는지 알아보기 위해 다음 실험을 하였다.
  • 따라서 본 연구에서는 상업적으로 경쟁력 있는 코팅 물질인 알기네이트를 이용하고, 보다 공정이 단순한 사출방식을 이용하여 생존율 및 장기보존성이 기존 기술과 동등 이상의 품질을 가지는 사출비드제조 공정의 대량생산 기술 및 고 효율 건조 기술을 개발하고자 하였다. 특히, 본 연구에서는 가장 널리 이용되는 동결건조방법 대신에 젖은 비드 건조에 맞도록 자체적으로 고안한 저온 유동층 건조 방법을 이용하여 비드 건조 후 각 샘플의 생균수 등을 측정하여 저온 유동화 건조장치의 적용 여부를 검토하고자 하였다.
  • 특히, 본 연구에서는 가장 널리 이용되는 동결건조방법 대신에 젖은 비드 건조에 맞도록 자체적으로 고안한 저온 유동층 건조 방법을 이용하여 비드 건조 후 각 샘플의 생균수 등을 측정하여 저온 유동화 건조장치의 적용 여부를 검토하고자 하였다. 또한 이미 식품과 섬유 산업 등 다양한 분야에서 추가 코팅제로 사용되고 있는 키토산을 병용하여 본 기술로 유산균을 캡슐화 한 후 키토산이 유산균에 미치는 영향에 대해 연구하였다.
  • 키토산과 알긴산을 동시에 사용하여 캡슐화 하는 경우 키토산과 알긴산의 정전기적 작용으로 캡슐의 세기가 증가하고 다공성으로 표면적이 넓어지기 때문에 캡슐의 활용에 이점으로 작용될 수 있으나 항균능력을 가지고 있기 때문에 이 특성이 유산균에 어떤 영향이 있는지를 확인하기 위해 다음 실험을 하였다.
  • 따라서 본 연구에서는 상업적으로 경쟁력 있는 코팅 물질인 알기네이트를 이용하고, 보다 공정이 단순한 사출방식을 이용하여 생존율 및 장기보존성이 기존 기술과 동등 이상의 품질을 가지는 사출비드제조 공정의 대량생산 기술 및 고 효율 건조 기술을 개발하고자 하였다. 특히, 본 연구에서는 가장 널리 이용되는 동결건조방법 대신에 젖은 비드 건조에 맞도록 자체적으로 고안한 저온 유동층 건조 방법을 이용하여 비드 건조 후 각 샘플의 생균수 등을 측정하여 저온 유동화 건조장치의 적용 여부를 검토하고자 하였다. 또한 이미 식품과 섬유 산업 등 다양한 분야에서 추가 코팅제로 사용되고 있는 키토산을 병용하여 본 기술로 유산균을 캡슐화 한 후 키토산이 유산균에 미치는 영향에 대해 연구하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
상업적으로 유통되는 유산균의 종류에는 어떤 것들이 있는가? 현재 상업적으로 유통되고 있는 유산균은 무처리 유산균, 단백질 또는 전분으로 표면 코팅한 유산균, 과립화 유산균 및 캡슐화 유산균 등이 있다. 이 중 캡슐화 유산균이 다른 방법에 비해 위산 조건 및 담즙조건에서 보다 생존율이 우수한 것으로 알려져 있다.
알기네이트로 캡슐화할 때 킬레이트 물질, 인산염 등에 의해 떨어지는 안정성을 어떻게 보완하는가? 하지만 알기네이트로 캡슐화하는 경우 킬레이트 물질, 인산염, 젓산염, 시트르산염의 존재하는 경우 안정성이 떨어진다. 따라서, 추가 코팅[2,3] 하거나 양이온 고분자로 크로스링킹[4,5] 또는 전분을 혼합[6]하여 안정성을 높인다. 하지만 이런 추가적인 처리는 공정을 복잡하게 만들고, 긴 제조시간 및/또는 생산 단가의 상승 등의 문제점이 발생된다.
캡슐화 제조 공정은 어떤 단계들로 이루어지는가? 캡슐화 제조 공정은 크게 비드(bead) 제조 단계와 건조(분말화)단계로 나눌 수 있다. 사출 방식은 비드 제조 시 겔화 하는 데 장시간이 소요되므로 유화 방식에 비해 상대적으로 스케일업에 어려움이 있다.
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참고문헌 (17)

  1. Krasaekoopt, W., Bhandari, B. and Deeth, H., "Evaluation of Encapsulation Techniques of Probiotics for Yoghurt," International Dairy Journal, 13, 3-13(2003). 

  2. Gandomi, H., Abbaszadeh, S., Misaghi, A., Bokaie, S. and Noori, N., "Effect of Chitosan-alginate Encapsulation with Inulin on Survival of Lactobacillus Rhamnosus GG During Apple Juice Storage and Under Simulated Gastrointestinal Conditions," Food Science and Technology, 69, 365-371(2016). 

  3. Chavarri, M., Maranon, I., Ares, R., Ibanez, F., Marzo, F. and Villarin, M. C., "Microencapsulation of a Probiotic and Prebiotic in Alginate-chitosan Capsules Improve Survival in Simulated Gastrointestinal Conditions," International Journal of Food Microbiology, 142, 185-189(2010). 

  4. Hyndman, C. L., Groboillot, A. F. and Poncelet, D., "Microencapsulation of Lactococcus Lactis Within Cross-linked Gelatin Membranes," Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 56, 259-263(1993). 

  5. Larisch, B. C., Poncelet, D. and Champagne, C. P., "Microencapsulation of Lactococcus Lactis ssp. Cremoris," Journal of Microencapsulation, 11, 189-195(1994). 

  6. Jankowski, T., Zielinska, M. and Wysakowska, A., "Encapsulation of Lactic Acid Bacteria with Alginate/starch Capsules," Biotechnology Techniques, 11, 31-34(1997). 

  7. Grant, G. T., Morris, E. R., Rees, D. A., Peter, J. C. and Smith, D. T., "Biological Interactions Between Polysacchatides and Divalent Cations: The Egg-Box Model," Febs Letters, 32, 1(1973). 

  8. Kang, J. Y. and Seo, S. H., "Controlled Release of Piracetam Used Alainate Beads," Bull. K. H. Pharma. Sci, 26, 83-103(1998). 

  9. Jarudilokkul, S., Tongthammachat, A. and Boonamnuayvittaya, V., "Preparation of Chitosan Nanoparticles for Encapsulation and Release of Protein," Korean J. Chem. Eng., 28(5), 1247-1251(2011). 

  10. Seong, I. K., Song, J. Y. and Kim, B. S., "Preparation of Chitosan/ Poly- ${\gamma}$ -glutamic Acid Nanoparticles and Their Application to Removal of Heavy Metals," Korean Chem. Eng. Res., 49(4), 475-479(2011). 

  11. Devi, M. G., Dutta, S., Hinai, A. T. A. and Feroz, S., "Studies on Encapsulation of Rifampicin and Its Release from Chitosan-dextran Sulfate Capsules," Korean J. Chem. Eng., 32(1), 118-124(2015). 

  12. Walker, W. A. and Duffy, L. C., "Diet and Bacterial Colonization: Role of Probiotics and Probiotics," Elsevier Science Inc, (1998). 

  13. Li, Z., Ramay, H. R., Hauch, K. D., Xiao, D. and Zhang, M., "Chitosan-alginate Hybrid Scaffolds for Bone Tissue Engineering," Biomaterials 26, 3919-3928(2005). 

  14. Moon, H. S., "Industrial Use and Development Direction of Lactic Acid Bacteria," Food Industry and Nutrition, 6, 71-77(2001). 

  15. Chung, D. H, "The Science of Lactobacillus," Shinil Co., (2004). 

  16. Jung, H. K., Kim, E. R. and Juhn, S. L., "Adherence of Probiotics to Gastrointestinal Track and Their Promoting Factors," J. Korean Dairy Technol. Sci., 19, 125-132(2001). 

  17. Saavedra, J. M., Bauman, N. A., Oung, I., Perman, J. A. and Tolken, R. H., "Feeding of Bifidobacteirum bifidum and Streptococcus Thermophilus to Infants in Hospital for Prevention of Diarrhea and Shedding of Rotavirus," The Lancet, 344, 1046-1049(1994). 

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