Rhodotorula  glutinis가 생산하는 세포외 다당류의 회분식 배양 속도론

박 상 준, 조 대 행, 김 의 용

서울시립대학교 화학공학과

Batch culture kinetics of exopolysaccharide

produced by Rhodotorula glutinis

Sang Jun Park, Dae Haeng Cho, Eui Yong Kim

Dept. of Chemical Engineering, The University of Seoul

서    론

회분식 배양에 있어 미생물 성장속도와 생성물 생성속도, 기질 소모속도에 대한 모델식은 산업적인 발효공정에서 직면하게 되는 문제에 대한 해결책을 제공해 준다. 다당류 발효에서는 발효가 진행됨에 따라 점성생성물이 산출되므로 균체로의 물질전달에 제한이 생기며, pH, 온도 등의 외부환경에 의해서도 획득 가능한 최대 균체 농도가 제한된다. 미생물의 성장속도는 비성장 속도로 특정 지워지며, 다당류 발효 반응 속도식들 중에서 비성장 속도를 나타내는 데에는 logistic equation[eqn: dX OVER dt = f( x ) = mu X (1 - X OVER X_m )]이 공통적으로 사용되어 왔고, 생성물이 혼합 성장 관련 산물일 경우 생성물의 생성속도는 균체의 농도와 비성장 속도에 의존한다는 Luedeking-Piret식 [eqn: dP OVER dt = nX + m dX OVER dt], 기질 소모속도는 비성장 속도와 생성물 생성속도의 함수라는 [eqn: dS OVER dt = - 1 over Y_X/S dX OVER dt - 1 over Y_P/S dP OVER dt]로 표현될수 있다.

또한 용도면에선 미생물성 다당류가 인위적이거나, 화학적으로 합성된 첨가물보다 인체에 유해하지 않음으로, 식품산업, 화장품, 의약산업에서 유화제, 안정화제 등으로 이용되어 왔다.

본 연구의 목적은 Rhodotorula glutinis의 회분식 배양에서 교반 속도와 통기 속도가  비성장 속도와 다당류 생성속도, 기질 소모속도에 미치는 영향을 알아보고, 최적의 발효조건을 찾는데 있다. 또한 생산된 다당류의 유화활성을 조사함으로써, 새로운 용도로의 개발을 모색하고자 한다.

재료 및 방법

사용균주 : Rhodotorula glutinis K-501은 낙엽수에서 분리·동정되었다.

배지 및 배양조건 : 종균배지인 YM 배지( glucose 10g/l, peptone 5g/l, yeast extract 3g/l, malt extract 3g/l) 100ml에 균주를 1 loop 접종한 후 Shaking incubator에서 22℃, 150rpm로 2일간 배양하여 5l jar fermentor의 접종액으로 사용하였고, 다당류 생산배지(glucose 30g/l, (NH4)2SO4 2g/l, KH2PO4 1g/l, MgSO4 0.5g/l, CaCl2 0.1g/l, NaCl 0.1g/l)를 기본배지로 하여 22℃, pH 4.0에서 서로 다른 교반 속도와 통기 속도로 배양하였다.

유화활성과 유화안정도의 측정 : 유화활성은 시료 0.1mg을 pH에 따른 각각의 buffer 용액 10ml에 용해시킨 후 유화기질인 hexadecane 0.1ml을 첨가하여 2분간 완전교반하여 유화 시켰다. 그 후 10분간 정치시킨 뒤 540nm에서 흡광도를 측정함으로써 유화활성을 측정하였고, 유화안정도는 초기 흡광도에 대한 24시간 경과 후의 흡광도 백분율로 구하였다.

결과 및 토론

회분식 배양에서 각기 다른 교반 속도와 통기 속도가 Rhodotorula glutinis의 비성장 속도와 다당류 생성속도, 기질 소모속도에 미치는 영향을 알아보기 위해 구한 인자들은 Table 1과 같다.

교반 속도가 커질수록 균주의 비성장 속도([eqn: mu])가 증가하였고, 다당류 생성속도도 커져서 150시간을 기준으로 한 다당류 생성량이 200rpm일 때보다도 500rpm에서 23.9%로 증가하였다. 또한 200rpm에서는 균체의 성장 단계에서 생성된 다당류량이 총 생성 다당류량의 79.0%였고, 500rpm에선 37.0%로 성장관련 생성물 형성인자([eqn: m])와 균체 수율계수([eqn: Y_X/S])는 감소하였다. 따라서 교반 속도가 빠를수록 기질이 다당류 생성보다는 균체의 성장에 더 많은 부분이 쓰였음을 알 수 있었다. 균체의 비성장 단계에서는 교반 속도가 커질수록 시간에 따른 다당류 생성량의 증가로, 비성장관련 생성물 형성인자([eqn: n])와 다당류 수율계수([eqn: Y-_P/S])가 증가하였다.

교반 속도를 400rpm으로 고정하고 통기 속도를 변화시킨 실험에서 통기속도를 크게 할수록 기질 소모량에 대한 균체량도 증가하여[eqn: Y_X/S]가 커졌으며, 나머지 인자들은 교반 속도를 빠르게 할 때와 같은 경향성을 보였고, 통기 속도가 교반 속도보다 균주 비성장 속도나 다당류 생성량에 많은 차이를 갖게 하는 인자임을 확인할 수 있었다.

400rpm 2vvm이 최종 생성된 다당류량을 기준으로  가장 좋은 배양조건이지만, 지수성장기에 급격한 균체의 성장으로 많은 배출가스가 발생하고, 이것이 점성의 배지에 영향을 미쳐 기포를 발생시켜 배양에 어려움이 있었다. 500rpm 1vvm에서는 400rpm에서 보다 소모되는 동력량이 큰데 비해 최종 생성 다당류량에는 큰 차이를 보이지 않으므로, 최적의 배양조건은 400rpm 1vvm으로 판단된다. 이상의 실험값들로부터 구한 매개변수로 모델식을 통해 전산기 모사를 한 결과는 Fig. 2 ∼ Fig. 3에 나타내었다. 그 결과 모델식이 실험값을 매우 잘 따르고 있음을 알 수 있었다.

Rhodotorula glutinis가 생성하는 다당류의 pH에 대한 유화활성은 Table 2에 나타내었다. 중성과 약 산성용액에서 유화활성이 좋았고, 특히 pH 4.0에서 다른 대조구들보다 뛰어났다. 유화안정도에 대한 결과는 Table 3에 나타냈으며, 역시 pH 4.0에서 우수한 유화안정도를 보였다.

Table 1. The parameters obtained by kinetic equations

Exp. conditions Parameters	200 RPM 1 vvm	300 RPM 1 vvm	400 RPM 1 vvm	400 RPM 0.5 vvm	400 RPM 2 vvm	500 RPM 1 vvm
[eqn: X_0] (g/l)	0.438	0.457	0.533	0.47	0.47	0.452
[eqn: X_max](g/l)	6.979	7.309	7.064	6.73	7.18	7.061
[eqn: P_(150hr)](g/l)	3.39	3.52	4.07	3.18	4.79	4.2
[eqn: mu] (hr-1)	0.047	0.064	0.098	0.056	0.103	0.105
[eqn: m]	0.429	0.249	0.104	0.272	0.078	0.093
[eqn: n]	0.001	0.002	0.004	0.002	0.008	0.006
[eqn: Y_X/S](g cell/ g substrate)	0.3	0.29	0.28	0.27	0.29	0.28
[eqn: Y-_P/S](g product/ g substrate)	0.44	0.46	0.48	0.44	0.55	0.48

Table 2. Emulsification activity of the exopolysaccharide produced from                Rhodotorula glutinis at various pH.

Emulsifier pH	EPS	Dextran	Gum Xanthan	Gum Arabic	Tween-80	Tween-20
2	0.53	0.11	0.30	0.15	0.87	0.88
4	0.82	0.33	0.45	0.32	0.74	0.71
7	0.68	0.30	0.75	0.26	0.78	0.77
9	0.48	0.53	0.78	0.67	0.88	0.83

Table 3. Emulsification stability of the exopolysaccharide produced from                Rhodotorula glutinis at various pH.

Emulsifier pH	EPS	Dextran	Gum Xanthan	Gum Arabic	Tween-80	Tween-20
2	45.8(%)	30.9(%)	36.3(%)	33.4(%)	50.5(%)	50.2(%)
4	53.5	25.3	43.4	37.9	47.4	45.7
7	37.9	26.6	42.3	20.3	44.5	40.8
9	30.7	42.4	53.5	47.8	58.8	55.3

참 고 문 헌

1. Rebecca M. Weiss and David F. Ollis, Biotech. Bioeng., 22, 859-87 (1990)

2. A. Mulchandani and J. H. T. Luong, Biotech. Bioeng., 32, 639-646 (1988)