초록 ▼

건강기능성 식품으로서 일본에서 오래전부터 그 기능성과 효능이 입증되고 있는 녹색식품인 클로렐라 세포에, 유럽을 중심으로 기능성 식품(Nutraceutical) 소재로서 각광 받고 있는 고순도의 오메가-3 지방산을 보다 효과적으로 전달시키는 기술을 개발하는 것과 오메가 -3 지방산의 개질과 발효공정 개발을 통하여 EPA와 DHA가 클로렐라 세포 내 지방산 조성의 20%이상을 차지하는 오메가 -3 지방산의 천연마이크로 캡슐로서, EPA 또는 DHA 함유 클로렐라를 개발하고 이를 대량으로 생산할 수 있는 최적의 발효공정을 개발 상품화하기

건강기능성 식품으로서 일본에서 오래전부터 그 기능성과 효능이 입증되고 있는 녹색식품인 클로렐라 세포에, 유럽을 중심으로 기능성 식품(Nutraceutical) 소재로서 각광 받고 있는 고순도의 오메가-3 지방산을 보다 효과적으로 전달시키는 기술을 개발하는 것과 오메가 -3 지방산의 개질과 발효공정 개발을 통하여 EPA와 DHA가 클로렐라 세포 내 지방산 조성의 20%이상을 차지하는 오메가 -3 지방산의 천연마이크로 캡슐로서, EPA 또는 DHA 함유 클로렐라를 개발하고 이를 대량으로 생산할 수 있는 최적의 발효공정을 개발 상품화하기 위해 본 언구를 수행하였다.
1. Lab. scale에서의 지방산의 세포 내 전달방법
공급하는 지방산의 형태에 따라 세포 내 전달율의 차이가 크며 EE form의 유화오일이 가장 효과적임. 유화오일 종류에 따라 EPA와 DHA함량을 조절할 수 있다. EE form으로 제조한 유화오일은 DHA보다 EPA가 상대적으로 흡수율이 좋으며 사용하는 지방산 오일은 그 사용목적에 따라 경제성을 고려해야 한다.
발효공정의 물리적조건에 따른 전달률을 비교한 결과, 온도는 35℃, pH5, 교반속도는 180rpm 에서 효과적이었다. 또한 잔류 포도당 농도가 없을 때, 세포가 모두 성장한 후 정체기에 지방산 오일을 공급하는 것이 가장 효과적이었다.
2. 클로렐라 세포 내 오메가-3 지방산 EPA/DHA의 비율 및 함량 조절
지방산의 공급형태가 EE(Ethyl ester) form, TG(TriGlyceride) form, FA(Fatty acid) form 일 수 있으며 그 혼합형태일 수도 있다. 이러한 공급형태에 따라 세포 내 전달율에 차이가 있을 수는 있지만 흡수 후에는 세포 내에서 당지질 또는 인지질 등의 보조탄소원으로 전환되며 세포 유지에 필요한 에너지원으로도 이용된다. 오메가-3 클로렐라 TLC분석결과 공급한 지방산이 클로렐라 세포 내에 유적상태로 존재하지 않고 중성지질, 인지질, 당지질 등으로 전환되는 것을 확인하였다.
EPA 또는 DHA만 포함된 지방산 유화오일을 첨가하여 DHA 또는 EPA 클로렐라를 선택적으로 생산할 수 있으나, 이는 목적에 따라 충분히 검토되어야 한다. 우선 지방산 DHA 또는 EPA 농도가 90%이상일 경우 매우 고가이므로 그 경제적인 문제를 고려해야 한다. 따라서 혼합물 형태의 중간 부산물을 이용하는 것이 매우 효과적이다.
3. Pilot fermentor에서 발효 최적화 및 최종 경제성 평가
30L 발효조에서 호기배양으로 회분식과 유가식 조건으로 각각 배양하여 그 수율을 비교하였다. 회분식의 경우, 배앙 38h에 균체흡광도(660nm) 208, 건조균체량 25-30g/L이었으며 유가식 배양의 경우는 배양 54h에 균체흡광도 415-450, 건조균체량 48-50g/L에 도달하였다.
5L Lab. scale에서와 같이 동일하게 재현되었다.
100L 발효조에서 생산성 검증 및 3,000L 발효조로의 scale up factor를 조사한 결과, 용존산소가 매우 중요하며 이는 aeration, 교반속도, 발효기 압력 등에 의해 결정된다. 용존산소를 높이기 위해 순수산소를 공급할 수 있으나 본 연구에서는 산소를 공급하지 않고 유가식 배양으로 건조균체량 45-50g/L의 고농도 배앙공정을 확립하였다.
4. Semi-commercial scale에서 대량 발효공정 확립 및 시제품 생산
semi-commercial scale 에서 건조균체농도 48g/L, 오메가-3 지방산 EPA 6.243%, DHA 8.574이었다. 5L Jar Lab. scale 에서 보다 지방산 흡수율은 낮았다.
대량 배양한 오메가-3 클로렐라의 안정성을 검토한 결과 농축액상 제품의 경우는 저온보관이 요구되며 인산염을 첨가하면 안정성 증가하였다.
건조 chlorella 분말 제품은 냉장보관상태에서 매우 안정하였으며 1, 3, 6, 12개월 경과한 후에도 클로렐라 내 지방산을 분석한 결과 매우 안정하였다.
결론적으로 오메가-3 클로렐라의 대량생산공정을 확립하였으며 또한, 현재 다양한 형태로 가공되어 식품첨가물이나 건식으로 사용되고 있는 EPA나 DHA 등의 ω-3 지방산은 유지변패가 문제될 수 있으나 이러한 천연 마이크로 캡슐화 기술을 응용하면 지방산을 식품에 안정적으로 적용하는 것이 가능하다.

Abstract ▼

For a long time numerous research projects in the world had demonstrated that chIarella can aid the body as functional foods. Chlorella is one of the popular food supplement in japan. Omega-3 fatty acid(EPA!DHA) is also most commonly used in nutritional supplement in EU as nutraceuticals. This proje

For a long time numerous research projects in the world had demonstrated that chIarella can aid the body as functional foods. Chlorella is one of the popular food supplement in japan. Omega-3 fatty acid(EPA!DHA) is also most commonly used in nutritional supplement in EU as nutraceuticals. This project was carried out to develop optimal fermentation process and to commercialize of omega-3 fatty acid containing natural microcapsule of natural chlorella cell which contains EPNDHA up to 20% out of total cell lipid. Main results of the study is as follow:
1. Fatty acid transfer techniques in lab scale
Omega-3 fatty acid transfer ratio to chlorella cell was under the influence of the chemical structure of fatty acids. EE(ethyl-ester) form emulsified fatty acid was most effective. EPA showed more effective results than DHA in EE form test.
Optimum physical conditions were 35℃, pH5, and agitation speed of 180rpm in 5L fermentor. The optimal oil feeding time was after sugar shortage in the stationary phase
2. Control of omega-3 fatty acid (EPA/DHA) ratio in chlorella cells
Diversity of chemical oil forms such as EE, TG(triglyceride), FFA(free fatty acid), and fatty acid salt can be use. These various forms can influence on transfer rate, however after absorbing into cell, these oils can be change such as sugar-lipid, phospho-lipid and neutral lipid or use subsidiary carbon sources. It was possible to produce sole EPA containing or DHA containing chlorella according to use EPA rich or DHA rich emulsified fatty acid. There are the points to be specially considered because high purity and high content DHA or EPA are very expensive.
3. Optimization and fermentation economics in pilot scale
To investigate cell yield batch culture and fed-batch culture was carried out in 30L, 100L, and 3,000L fermentor, respectively. Under optimal conditions, 25-30g/L of dry cell weight(optical density in 660nm was 21O)was achieved after 38hr batch cultivation.
In fed-batch culture, 48-50L of dry cell weight(optical density in 660nm was 415-450)was achieved after 54hr cultivation. In the 100L and 3,OOOL fermentor, the chlorella cell yield and transfer rate were also reappeared. There fore, when compared to lab scale result, it was strongly suggest that the mass production and high cell density cultivation process without using pure oxygen was successful.
4. mass cultivation and sample production in semi-commercial scale
Omega-3 containing chIarella was mass produced in 3,000L ferment or and powdered from spray dryer or freeze dryer. The spray dried sample had more deep green color than freeze dried one. In order to investigate the safety of omega-3 containing chlorella, optimum cold storage and periods conditions study was performed. After the 6 month storage, oil in the chlorella cell showed proper AV(acid value), POV(peroxide value), odorless and deep green color.
These results implied that the omega-3 containing chlorella production process was feasible in food industrial purpose and could be employed in the commercial production of functional chlorella as new nutraceutical matter.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 3
• 목차 ... 4
• Ⅰ. 연구개발결과 요약문 ... 5
• 연구개발사업 최종보고서 요약문 ... 5
• SUMMARY ... 7
• Ⅱ. 세부연구개발과제 연구결과 ... 9
• 1. 세부연구개발과제의 최종 연구개발 목표 ... 9
• 2. 세부연구개발과제의 최종 연구개발 내용 및 결과 ... 14
• 3. 세부연구개발과제의 연구결과 고찰 및 결론 ... 30
• 4. 사업화 목표 달성도 및 계획(개발과제만 해당) ... 32
• 5. 총괄연구개발과제의 연구성과 ... 37
• 6. 연구개발결과의 파급효과 ... 46
• 7. 총괄참여연구원 편성표(최종) ... 47
• 8. 첨부서류 ... 48
• 9. 참고문헌 ... 50