KR101406044B1 - 감귤박을 탄소원으로 첨가한 배지에서 로도토룰라균의배양을 통한 코엔자임큐텐의 제조방법 - Google Patents
감귤박을 탄소원으로 첨가한 배지에서 로도토룰라균의배양을 통한 코엔자임큐텐의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 감귤박을 이용하여 코엔자임큐텐을 생산하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 감귤박을 탄소원으로 이용하여 로도토룰라균의 배양을 통한 코엔자임큐텐을 생산하는 배양기술에 관한 것으로, 본 기술을 사용한 코엔자임큐텐의 생산성은 대조군에 비해 대폭 향상되었다. 또한 폐기처리가 곤란한 감귤박을 탄소공급원으로 이용하여 경제적인 기능성식품 및 의약품을 생산하는 방법을 제공함으로써 배지비용을 절감함과 동시에 환경오염원인 감귤박을 경제적으로 이용하고 처리하는 획기적인 방법을 제시한다.
코엔자임큐텐, 감귤박
Description
도 1은 본 발명에 따른 감귤박의 각종효소 처리 사진 (A는 대조군이고 B, C, D는 각각 novoferm, citrozym, ultrazym 처리한 사진)
도 2는 탄소원으로 포도당 30 g/L와 농도별 감귤박 첨가 로도토룰라속 배양의 건조균체량 비교도
도 3은 본 발명에 따라 전처리한 감귤박을 첨가한 로도토룰라속의 코엔자임 큐텐 생산성 비교도
본 발명은 제주산 감귤박 (감귤착즙박 포함)을 이용하여 코엔자임큐텐을 생산하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 감귤박을 탄소원으로 이용한 로도토룰라 루브라 배양의 코엔자임큐텐 생산성은 대조군에 비해 향상되었으며, 폐기처리 가 곤란한 감귤박을 재활용하여 배양 단가를 낮추고 환경오염을 줄이는 방법에 관한 것이다.
코엔자임큐텐(coenzyme Q10)은 퀴논의 일종으로 세포 안에서 에너지가 생성되는데 중요한 기능을 담당하고 있기 때문에 생명체의 건강한 기능을 유지하기 위해 필수적으로 요구되는 물질이다. 코엔자임큐텐은 인체에서 자연적으로 발견되는 물질로 미토콘드리아의 기능에 있어 중요한 역할을 수행하는 전자/양성자 운반체로 호흡 사슬에 관여하여 산소로부터 adenosine triphosphate (ATP)형태로 에너지를 생성하는데 필수적인 물질이다. 코엔자임큐텐은 소포체 내에서 합성되며, 심장, 간, 신장, 췌장 내 농도가 다른 조직에 비해 높다. 또한 과도한 운동이나 에너지 생성 중 체내에 형성되어 인체 세포에 치명적인 손상을 줄 수 있는 유해 산소 자유라디칼의 제거 및 중화를 할 수 있는 항산화 기능을 가지고 있어 항산화의 역할도 수행한다. 이러한 코엔자임큐텐의 중요한 기능이 밝혀지면서 면역증강 작용에 의한 간기능 개선이나 혈당강하 효과 혈중 콜레스테롤 저하효과 등 여러 가지 약리적 효과가 입증되고 있으며, 이외에도 항산화작용에 의한 노화방지, 체내 에너지 생성량 증가를 통한 체력 향상, 신진대사 활성을 통한 체중감량 지원 등 코엔자임큐텐의 다양한 효능 및 약리 작용이 확인되고 있다. 따라서 의약품이나 건강보조식품 그리고 화장품의 첨가 원료로 코엔자임큐텐이 널리 이용되고 있는 실정이다.
신진대사의 가장 기본적이며 인체의 필수적인 물질인 코엔자임큐텐의 경우 체내 합성이 가능하나 체내의 코엔자임큐텐의 생성 과정은 비타민 B3, B5, B6, B12, C, 엽산과 같은 많은 보조인자들이 충분한 양으로 동시에 존재해야만 이루어지는 매우 복잡한 과정이며 이들 중 일부 성분이 결핍 시에는 충분한 코엔자임큐텐이 생성되는 것은 불가능하다. 그리고 우리의 생활 습관과 환경도 코엔자임큐텐 수준에 영향을 주게 되는데 실제로 Dr. Karl Folkers (코엔자임 연구로 미화학협회상 받음)에 의해 위에 언급된 보조인자영양소의 결핍, 나이 (나이가 들수록 체내 코엔자임큐텐 농도 감소), 스트레스와 환경오염에 의해서도 코엔자임큐텐 생산 능력이 감소한다는 사실이 입증된 바 있다. 이와 같이 코엔자임큐텐의 체내합성이 복잡하고 까다롭기 때문에 코엔자임큐텐이 함유된 식품을 통해 체내에 부족한 부분을 보충해 주어야 한다. 코엔자임큐텐을 함유한 식품으로는 시금치, 브로콜리, 넛트류, 내장육이나 소고기 같은 육류, 정어리나 고등어 같은 생선, 또는 계란노른자 등이 있으나 식생활에서 콜레스테롤이 많은 이들 식품을 다량 섭취하는 것은 또 다른 건강상의 문제를 야기할 수 있으며, 식품으로 섭취 시 100% 체내로 흡수 할 수 없기 때문에 음식물을 통한 코엔자임큐텐 섭취는 매우 비효율적이다. 따라서 의약품이나 건강식품으로 섭취하는 것이 바람직하며, 실제로 약국에서 판매되는 영양제나 건강보조식품 판매점에서 판매되는 건강보조식품에 코엔자임큐텐이 함유되어 있는 것이 많이 존재하며, 근래에 들어 코엔자임큐텐이 함유된 화장품으로도 다량의 제품이 판매되고 있다.
큰 시장 규모를 가지고 있음에도 불구하고 코엔자임큐텐은 세포내의 농도가 극히 낮고 복잡한 조절기작으로 인하여 고생산성 균주선별 및 개발이 매우 까다롭 고 어려우며, 또한 복잡한 생합성과정에 의해 합성되는 코엔자임큐텐의 생산균주 개발을 위해서는 유전공학 및 대사공학적인 접근이 요구되기 때문에 국내에서는 미생물 발효를 통한 체계적인 연구가 제대로 진행되지 못하고 있는 실정이다.
제주도 전체 감귤생산량의 약 20%는 감귤가공귤로 이용된다. 본 감귤가공산업에서 발생되는 감귤박은 연간 10만톤으로 추정된다. 현재 감귤박의 완전처리가 곤란해 국내 최대의 관광지인 제주도의 환경오염의 중요한 원인중의 하나로 지적되고 있다. 감귤박을 이용하여 사료화, 비료화 연구가 지속적으로 이루어지고 있으나 경제성 및 그 비효율적 생산으로 인하여 산업화에 큰 어려움이 있다. 현재 감귤박의 대부분을 해양투기하고 있으나 런던조약이 발효되는 07년 7월부터 감귤박의 해양투기가 전면 금지된다. 따라서 감귤박의 처리방안의 수립이 감귤가공산업의 발전에 가장 영향을 미치는 요인이라 해도 과언이 아니다.
감귤주스 가공폐기물인 감귤착즙박의 수분함량은 채취시기에 따라 약간의 차이는 이Td나 약 82%로 많은 수분을 유지하고 있어, 부산물 처리 및 유용자원으로 활용하는데 가장 큰 제약요인으로 작용한다. 또한 감귤착즙박에는 건조중량으로 10~15%의 펙틴과 1~3%의 플라보노이드가 다량 함유되어 있다. 펙틴은 식물의 중엽층 (middle lamella)에 주로 존재하는 복합다당류로서 세포 사이를 메워주는 물질인 동시에 결착시키는 물질을 말한다. 겔화제로 널리 사용되며, 고혈압, 동맥경화증, 협심증 등의 예방, 중금속 제거, 항방사선, 혈중 콜레스테롤 저하, 장내 유용미생물 증식, 면역체계 강화 등의 효과 등을 나타낸다. 감귤류 플라보노이드는 약 60 여종이 밝혀져 있고, 루틴 및 데오스민 등 일반적인 플라보노이드, 나란진 및 헤스페리딘, 노빌레틴, 탄제레틴과 같은 감귤류 특유의 플라보노이드가 존재한다. 플라보노이드 중 여러 생리활성 효과가 뛰어난 우수 천연소재가 많이 존재하는 것으로 밝혀졌다. 특히, 항산화작용, 순환기계 질환 예방, 항염증, 항균, 항바이러스. 면역증강 작용, 간질환 개선효과, 항암작용등 다양한 생체조절기능이 밝혀졌다. 이러한 특징을 이용하여 고혈압, 동맥경화증, 협심증, 당뇨병 등의 성인병 질환의 예방과 치료를 위한 기능성 식품 및 의약품 개발이 가능하다.
본 발명은 상기에 서술한 바와 같이 폐기처리가 곤란한 감귤박 (감귤착즙박 포함)을 배양배지로 이용한 로도토룰라 루브라 배양을 통해 효율적으로 분해 및 처리하고, 코엔자임큐텐을 생산하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명은 감귤박을 로도토룰라 루브라 배양의 배양배지로 이용하여 코엔자임큐텐을 생산하는 방법에 관한 것으로서, 다음의 단계들로 이루어진 것을 특징으로 한다.
1) 감귤박의 산 처리 단계
감귤박과 증류수의 비율을 1 : 2로 하여 혼합하고 황산을 이용하여 pH를 3.0으로 조절한 후, 121℃에서 멸균한다.
2) 감귤박의 효소 처리 단계
상기 산 처리 단계 후, NaOH를 이용하여 pH를 4.5로 조절한 후 적정농도의 효소를 첨가한 후, 45℃, 12시간 반응시킨다.
3) 배양단계
상기 처리된 감귤박을 탄소원으로 적정량 첨가하고, 다른 추가적인 성분을 첨가하여 코엔자임큐텐 생산배지를 제조한 뒤 121℃, 15분간 멸균한다. 그 후 생산균주인 로도토룰라 루브라를 접종하여 약 4일간 28℃, 220 rpm으로 진탕배양한다.
4) 코엔자임큐텐 정량 단계
배양이 종료된 뒤, 적정 배양액을 회수하고 분쇄하여 코엔자임큐텐 생산성을 확인한다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 권리범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
<실시예 1> 감귤박의 산처리 단계의 당화정도 측정
섬유소와 펙틴이 주성분인 감귤박을 로도토룰라 루브라 배양의 탄소원으로 이용하기 위해 우선 이들을 최소 단위로 분해하는 당화과정 (saccharification)이 필요하다. 본 실시예에서는 산을 이용하여 감귤박을 분해하고자 하였다. 황산 (H2SO4)을 이용해 감귤박 용액 (감귤박:물 = 2:1)을 pH 3.0으로 조절하고 121℃에서 0, 5, 10, 15, 20분간 멸균한 뒤 환원당을 측정하였다 (표1). 황산을 첨가하지 않은 대조군에서도 약 9%의 환원당이 존재하는 것을 확인하였다. 황산을 첨가하고 멸균시간을 달리하여 환원당을 측정해본 결과, 10분 이상은 거의 유사한 것을 확인하였다. 20분 멸균하였을 때 약 0.36 g 환원당/g 건조감귤박 농도의 환원당이 생성되었다.
<표 1> 멸균시간에 따른 감귤박의 당화정도 비교
| 멸균시간 | 환원당 농도 (g 환원당/g 건조감귤박) | 변환율 (%) |
| 0 (황산 무첨가) | 0.9 | 9 |
| 5 | 0.21 | 21 |
| 10 | 0.27 | 27 |
| 15 | 0.32 | 32 |
| 20 | 0.36 | 36 |
<실시예 2> 감귤박의 효소처리 단계의 당화정도 측정
실시예 1에서 20분간 멸균 처리된 감귤박 용액에 각종 효소를 첨가하고 12시간동안 pH 3, 4, 7에서 당화정도를 측정하였고 그 결과를 표2에 제시하였다. 전반적으로 모든 조건에서 pH 4 이상 증가하였을 때 당화정도는 감소하였고, pH 4 부근에서 최고점을 나타내었다. 이중 novoferm의 효소 활성이 가장 높았고 pH 4에서 0.68 g 환원당/g 감귤박의 당화를 보였다. 각 조건의 당화정도 사진을 도면 1에 제시하였다.
<표 2> 효소 종류와 pH에 따른 감귤박의 당화정도 비교
(g 환원당/g 검조감귤박)
| pectinex | viscozyme | novoferm | citrozym | ultrazym | |
| pH 3 | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 0.48 | 0.5 |
| pH 4 | 0.45 | 0.55 | 0.68 | 0.52 | 0.45 |
| pH 7 | 0.42 | 0.45 | 0.5 | 0.56 | 0.44 |
<실시예 3> 감귤박을 탄소원으로 첨가한 로도토룰라 루브라 배양
탄소원으로 30 g/L의 포도당을 첨가한 대조군과 황산 처리 그리고 분해효소를 처리한 감귤박의 농도를 달리하여 로도토룰라 루브라 배양을 수행하였다. 표3에는 기본 합성 액상배지의 조성을 제시하였다. 배양 방법은 다음과 같다. 각각의 조건으로 처리한 감귤박 용액을 2000 rpm, 10분간 원심분리하여 상등액만 취한다. 그리고 표 3에 제시한 기본 합성 액상배지를 조제하여 감귤박 상등액을 첨하한다. 본 배지를 250 ml 삼각플라스크에 30 ml씩 나누어 담고 멸균한 뒤, 액상 YPD 배지에서 약 24시간 배양한 로도토룰라 루브라를 5 % (v/v)으로 접종한다. 그리고 30℃, 약 4일간 배양하여 건조균체량을 확인하였다 (그림 1).
<표 3> 기본 합성 액상 배지 조성
| 성분 | 농도 (g/L) |
| 황산암모늄 인산수소이칼륨 황산마그네슘 염화칼슘 미세원소 |
7 0.5 0.35 0.2 1 ml |
* 미세원소 :
황산아연
3.5 g, 염화망간 0.1 g,
몰리브덴산나트륨
0.01 g, 황산구리 0.02 g/ 100
ml
대조군으로 30 g/L의 포도당을 첨가한 배양과 비교하였을 때, 산 및 효소분해한 감귤박 농도가 높게 첨가된 배양일수록 건조균체량을 증가하였다. 30 g/L의 감귤박을 첨가한 배양의 경우 83 %의 건조균체량을 보였다. 이로써 단계적 처리를 거친 감귤박이 포도당을 대체하는 탄소원으로 이용 가능하다는 것을 확인 할 수 있었다.
<실시예 4> 감귤박을 탄소원으로 이용한 로도토룰라 루브라 배양을 통한 코엔자임 큐텐 생산
코엔자임
Q10
의
HPLC
분석방법
코엔자임 Q10의 함량을 측정하기 위해 HPLC (High Pressure Liquid Chromatography)를 사용하였다. 시료의 전처리는 배양이 완료된 배양액 20㎖에 가수분해를 위한 saponification-solution을 첨가한 후 90℃에서 균체를 가수분해 한다. 이렇게 가수분해한 균체에 n-Hexane을 첨가하여 일정시간 진탕하여 코엔자임 Q10이 녹아든 n-Hexane 층만을 회수하여 n-hexane을 증발시켜 코엔자임 Q10 결정을 얻고 이를 다시 에탄올에 현탁하여, 원심분리 후 0.45㎛ 마이크로필터를 통과하여 HPLC 분석용 시료를 준비하였다. HPLC 분석조건은 다음 표 7과 같다.
<표 5> HPLC 분석조건
| 칼럼 | Mightysil RP-18 GP 250-4.6 (5 ㎛) (Kanto chemical co. INC.) |
| 이동상 | Methanol : Ethanol = 13 : 7 |
| 칼럼온도 | 35 ℃ by temperature controller |
| 검출기&조건 | HP1100series G1313A ALS (Hewlett packard co.) |
| UV 파장 | 275 nm |
| 유속 | 1 ㎖/min |
| 샘플주입 | 5 ㎕ |
감귤박을
탄소원으로
이용한 배양 방법
감귤박을 탄소원으로 이용한 로도톨루라 루브라 배양의 코엔자임큐텐 생산성을 확인하는 실험을 수행하였다. 생산배지의 조성은 표 4에 제시하였다.
<표 4> 코엔자임큐텐 생산 기본배지
| 조 성 | 농 도 |
| 소고기 추출물 스킴 밀크 맥아 추출물 NaNO3 FeSO4 CaCO3 |
2.5 4 4 4 0.4 5 |
표4의 조성을 이용하여 로도토룰라 속 배양을 통한 코엔자임큐텐 생산을 수행하였다. 실험 방법은 실시예 3과 동일하고, 탄소원으로 대조군은 글리세롤 60 g/L로 첨가하고, 실험군은 황산과 분해효소인 novoferm을 처리한 감귤박을 첨가하여 약 4일간 30℃에서 배양하였다. 본 배양의 결과를 그림 2에 제시하였다. 60 g/L의 글리세롤을 탄소원으로 첨가한 배양의 코엔자임큐텐 농도를 100%로 봤을때 novoferm을 처리한 배양의 코엔자임큐텐이 약 2.5배 증가한 250%를 나타냈다. 또한 다른 효소를 처리한 배양의 경우 또한 120, 200%로 대조군보다 월등히 높은 코엔자임큐텐 생산성을 나타냈다. 본 현상은 당화된 감귤박이 세포성장에 이용되고 추가적으로 미생물에 의해 천천히 분해된 탄소원이 지속적으로 세포대사에 공급되었기 때문으로 생각된다. 본 결과를 통해 감귤박을 탄소원으로 이용하여 로도토룰라속을 배양할 경우, 감귤산업의 폐기물을 효과적으로 이용할 뿐만 아니라 유용물질인 코엔자임큐텐 또한 고생산할 수 있다는 것을 보여준다.
본 발명은 제주산 감귤박을 이용하여 코엔자임큐텐을 생산하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 감귤박을 탄소원으로 이용한 로도토룰라 속 배양의 코엔 자임큐텐 생산성은 대조군에 비해 향상되었으며, 폐기처리가 곤란한 감귤박을 재활용하여 물질생산 단가를 낮추고 환경오염을 줄이는 방법을 제공한다.
Claims (6)
- ⅰ) 감귤박과 증류수의 비율을 1 : 2로 하여 혼합하고 산을 이용하여 pH를 3.0으로 조절한 후 121℃에서 멸균하여 감귤박의 산분해물을 제조하는 단계; 및ⅱ) 상기 감귤박의 산분해물을 NaOH를 이용하여 pH 4.5로 조절한 후, 효소를 첨가하고 45℃, 12시간 반응시킴으로써 효소분해시키는 단계를 포함하는, 감귤박 유래 로도토룰라속 배양 배지의 탄소 공급원을 제조하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 산이 황산인, 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 효소가 노보페름, 비스코자임 또는 시트로자임 중 어느 하나인, 제조 방법.
- 제1항에 따른 방법에 의해 제조된 감귤박 유래 탄소 공급원을 포함하는 배양 배지에, 로도토롤라속 균주를 접종하고 이를 배양하는 것을 포함하는, 코엔자임 큐텐의 제조 방법.
- 제4항에 있어서, 상기 로도토롤라속 균주가 로도토룰라 루브라인, 제조 방법.
- 제4항에 있어서, 상기 배양이 4일간 28℃ 내지 30℃에서 배양하는 것인, 제조 방법.
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| KR1020070055853A Expired - Fee Related KR101406044B1 (ko) | 2007-06-08 | 2007-06-08 | 감귤박을 탄소원으로 첨가한 배지에서 로도토룰라균의배양을 통한 코엔자임큐텐의 제조방법 |
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| KR920004578A (ko) * | 1990-08-31 | 1992-03-27 | 정보영 | 감귤과피를 이용한 구연산의 제조 방법 |
| KR20040076266A (ko) * | 2001-12-27 | 2004-08-31 | 가네가후치 가가쿠 고교 가부시키가이샤 | 보효소 ｑ１０의 제조방법 |
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2007
- 2007-06-08 KR KR1020070055853A patent/KR101406044B1/ko not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| KR920004578A (ko) * | 1990-08-31 | 1992-03-27 | 정보영 | 감귤과피를 이용한 구연산의 제조 방법 |
| KR20040076266A (ko) * | 2001-12-27 | 2004-08-31 | 가네가후치 가가쿠 고교 가부시키가이샤 | 보효소 ｑ１０의 제조방법 |
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Legal Events
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