KR20020015982A

KR20020015982A - 미생물에 의한 엘-아스코르브산 및 디-에리토르브산의제조방법

Info

Publication number: KR20020015982A
Application number: KR1020010051150A
Authority: KR
Inventors: 아사쿠라아키라; 호시노다츠오; 신조마사코
Original assignee: 로슈 비타민즈 아게
Priority date: 2000-08-23
Filing date: 2001-08-23
Publication date: 2002-03-02
Anticipated expiration: 2021-08-23
Also published as: US6777212B2; CN1243102C; NO20014082D0; AU6354401A; JP2002101895A; NO20014082L; US20030105160A1; CN1351171A; BR0103639A; AU781277B2; CA2355298A1; MXPA01008561A; KR100799796B1

Abstract

본 발명은, 2-케토-L-굴론산 또는 2-케토-D-글루콘산의 유리 산, 또는 이들의 나트륨, 칼륨 또는 칼슘 염을 호열호산성(thermoacidophilic) 미생물의 세포와 함께 약 30 내지 약 100℃의 온도와 약 1 내지 약 6의 pH의 용액중에서 배양시켜 L-아스코르브산 또는 D-에리토르브산, 또는 이들의 적절한 염을 형성시키는 단계, 및 상기 생성물을 상기 용액으로부터 분리시키는 단계를 포함하는, 2-케토-L-굴론산 또는 2-케토-D-글루콘산, 또는 이들의 각 나트륨, 칼륨 또는 칼슘 염으로부터, L-아스코르브산 또는 D-에리토르브산, 또는 이들의 각 나트륨, 칼륨 또는 칼슘 염을 제조하는 방법에 관한 것이다. L-아스코르브산(비타민 C)은 건강관리뿐만 아니라 음식, 동물 사료(예: 물고기 사료) 및 화장품에서도 광범위하게 사용된다. D-에리토르브산은 음식 첨가물을 위한 산화방지제로서 주로 사용된다.

Description

미생물에 의한 엘-아스코르브산 및 디-에리토르브산의 제조방법{MICROBIAL PRODUCTION OF L-ASCORBIC ACID AND D-ERYTHORBIC ACID}

본 발명은 미생물에 의한 L-아스코르브산 및 D-에리토르브산, 및 이들의 염의 신규한 제조방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 호열호산성 미생물 세포를 사용하여 각각 2-케토-L-굴론산 또는 2-케토-D-글루콘산, 또는 상기 출발물질의 적합한 염으로부터, L-아스코르브산 또는 D-에리토르브산, 또는 이들의 각 염을 제조하는 신규한 방법에 관한 것이다. L-아스코르브산(비타민 C)은 건강관리뿐만 아니라 음식, 동물 사료(예: 물고기 사료) 및 화장품에서도 광범위하게 사용된다. D-에리토르브산은 음식 첨가물을 위한 산화방지제로서 주로 사용된다.

L-아스코르브산은 잘 공지된 라이히슈타인법(Reichstein method)에 의해 D-글루코즈로부터 제조하여 왔다(Helv.Chim.Acta17, 311-328, 1934). 이 다단계 방법에서, L-아스코르브산은 중간체 2-케토-L-굴론산으부터 화학적인 방법으로 제조된다. 상기 방법은 각 단계에서 중간체 D-소르비톨, L-소르보즈, 디아세톤-L-소르보즈, 디아세톤-2-케토-L-굴론산, 2-케토-L-굴론산 및 메틸 2-케토-L-굴로네이트,및 최종 생성물 L-아스코르브산의 효율을 개선시키기 위해 많은 화학적이고 기술적인 변형을 가하면서 60년 이상 동안 상업적으로 이용되어 왔다. D-소르비톨을 L-소르보즈로 전환시키는 것만이 유일한 미생물학적 단계이며, 나머지는 화학적 단계들이다. 디아세톤-2-케토-L-굴론산을 L-아스코르브산으로 전환시키는 것은 두 가지의 상이한 절차에 의해 수행되어 왔다: 1) 탈보호시켜 2-케토-L-굴론산을 얻은 후 메탄올로 에스테르화시키고 염기-촉매 고리화반응시키는 절차; 및 2) 보호된 또는 탈보호된 2-케토-L-굴론산으로부터 직접 산-촉매 고리화반응시켜 L-아스코르브산을 얻는 절차. 이들 전환 공정은 비-수성 매질 또는 저급-수성 매질내에서 수행되어야 한다. 유기 용매를 사용하지 않는 반응이 환경적으로나 경제적으로 바람직하다.

D-에리토르브산의 경우, 이는 D-글루코즈로부터 출발하여 슈도모나스(녹농균,Pseudomonas) 속에 속하는 균주로 발효시켜 제조할 수 있는 2-케토-D-글루콘산을 거치고 메틸-2-케토-D-글루코네이트를 거쳐 제조되어 왔다.

미생물을 사용하는 L-아스코르브산의 또다른 제조 방법을 찾아내려는 수많은 시도와 노력이 있어 왔다. 미생물에 의한 L-아스코르브산의 제조에 관한 대부분의 연구는, 특히 단일, 혼합 또는 재조합 배양액[T.Sonoyama 등, Appl. Environ. Microbiol.43, 1064-1069, 1982; 및 S.Anderson 등, Science230, 144-149, 1985]을 사용하여, L-소르보즈로부터[G.Z.Yin 등, Sheng Wu Hsueh Pao.20, 246-251, 1980; A.Fujiwara 등, EP 213 591호; T.Hoshino 등, 미국 특허 제 4,960,695호; 및 I.Nogami 등, EP 221 707호], D-소르비톨로부터[A.Fujiwara 등, EP 213 591 호; THoshino 등, 미국 특허 제 5,312,741 호; M.Niwa 등, WO 95/23220 호; 및 S.F.Stoddard 등, WO 98/17819], 또는 D-글루코즈로부터 출발하여 2,5-디케토글루콘산을 거쳐 중간체 2-케토-L-굴론산을 제조하는데 초점을 맞추어 왔다. 이어, 상기 2-케토-L-굴론산은 상기 기술한 화학적 수단에 의해 L-아스코르브산으로 전환될 수 있다.

2-케토-L-굴론산 에스테르를 L-아스코르브산으로 전환시키는데 있어서의 생물학적 공정의 개입은 미국 특허 제 6,022,719 호(J.C.Hubbs)에서 최근 보고되어 있다. 상기 특허에는, 2-케토-L-굴론산 또는 그의 에스테르를, 프로테아제, 에스테라아제, 리파아제 및 아미다제로 구성되는 군으로부터 선택된 가수분해효소 촉매와 접촉시킴으로써 L-아스코르브산을 제조하는 방법이 기술되어 있다. 상기 특허는 부틸 2-케토-L-굴로네이트와 같은 2-케토-L-굴론산의 에스테르로부터 L-아스코르브산을 형성시키는 것을 실례로 들고 있지만, 2-케토-L-굴론산 자체로부터 L-아스코르브산을 형성시는 것에 대한 실례로 들고 있지 않다. 상기 특허는 칸디다 안타르티카 B(Candida antarticaB) 리파아제가 3.1 내지 3.2의 pH 및 38℃에서 8.6%의 메탄올의 존재하에서 1%(w/v)의 2-케토-L-굴론산으로부터 413 내지 530 mg/l의 메틸 2-케토-L-굴로네이트를 형성하지만 L-아스코르브산은 전혀 형성하지 않는 반응을 촉매하였음을 실례로 개시한다. 산성 pH에서 α-케토-카복실산인 2-케토-L-굴론산에 미치는 칸디다 안타르티카 B 리파아제의 에스테르 합성 활성은 명백히 긍정적이었지만, 상기 리파아제에 의한 분자내 에스테르 형성은 매우 적었다.

가수분해효소 반응 외에도, 단백질(아미노-에스테르), 지방산 에스테르(카복실-에스테르) 및 뉴클레오타이드 사슬(인-에스테르)에 대한 결합과 같은 에스테르 결합 합성은 세포 내에서 상당한 작용을 한다. 수성상에서조차도 상기 반응은 가수분해효소의 역반응과 비교할 때 단일방향으로 진행하며 생성물에 의해 종종 억제된다. 이러한 반응계는 세포내의 에너지-전환 대사반응을 거쳐 생성되는 활성화된 전달 리보헥산(t-RNA), 아데노신 트리포스페이트(ATP), 아실 조효소 A(acyl-CoA) 등과 같은 활성화된 에스테르의 공급을 필요로 한다. 상기 반응들의 "시험관 내" 재구성은, L-아스코르브산 및 D-에리토르브산과 같은 비타민과 순수 화학물질을 상업적으로 제조하기에는 값비싼, ATP와 같은 에너지 공여체의 화학량론적 공급 또는 재생성 시스템을 요구한다. 상업적으로는, 온전한 세포를 이용하는 것이 바람직한 방법의 하나이다.

상기 언급한 바와 같이, 2-케토-L-굴론산을 2-케토-L-굴론산 γ-락톤을 거쳐 L-아스코르브산으로 화학적 전환시키는 것은 산-촉매 반응에 이어 물 분자를 제거함으로써 달성된다. 상기 반응의 주된 목적은 2-케토-L-굴론산 분자내에 γ-락톤 고리를 제공하기 위한 카복실 에스테르 결합 형성에 있다. 따라서, 특히 수성상에서, 평형 반응의 최종 상태는 생리화학적 조건에 의해 결정된다. 2-케토-L-굴론산으로부터 화학적 전환을 거친 L-아스코르브산의 생산성은 수성상에서도 상당히 크지만 상업적으로 이용하기에는 충분하지 않다. 상기 공정을 수성상에서 또는 적은 양의 유기 용매를 함유하는 수성상에서 수행하는 것이 비용 효용성 및 환경적 요구에 부합하는 면에서 매우 바람직하다. 따라서, 화학적 전환을 어느 정도 생물학적으로 증대시키는 것이 수성상에서의 생산성을 위해 바람직하다. 고온 및 산성 pH(낮은 pH)가 모두 화학 반응의 효율을 개선시키는데 바람직한 반응 파라미터임은 분명하다. 그러나, 일반적으로, 이러한 생리화학적 조건은 세포 생존 및/또는 중온성 조건하에서 생육가능한 대부분의 미생물의 세포 활성에는 생물학적으로 적합하지 않음이 알려져 있다. 호열성 또는 호산성 미생물의 이용은 잘 공지되어 있으나, 열 및 산에 모두 강한 호열호산성 미생물을 이용하는 실례는 거의 없었다.

놀랍게도, 2-케토-L-굴론산의 유리 산 또는 그의 나트륨, 칼륨 또는 칼슘 염을 수성상에서 L-아스코르브산 또는 그의 적합한 염으로 전환시키는 것이 고온 및 낮은 pH(산성 pH)와 같은 생물학적 극한 조건하에서 호열호산성 미생물에 의해 직접적이고 바람직하게 수행될 수 있음이 밝혀졌다. 2-케토-D-글루콘산의 유리 산 또는 그의 나트륨, 칼륨 또는 칼슘 염을 수성상에서 D-에리토르브산 또는 그의 적합한 염으로 전환시키는 것이 생물학적 극한 조건하에서 호열호산성 미생물에 의해 직접적이고 바람직하게 수행될 수 있음이 또한 놀랍게도 밝혀졌다.

따라서, 본 발명은 호열호산성 미생물을 사용하여 2-케토-L-굴론산 또는 그의 나트륨, 칼륨 또는 칼슘 염으로부터 L-아스코르브산 또는 그의 나트륨, 칼륨 또는 칼슘 염을 제조하거나 또는 2-케토-D-글루콘산 또는 그의 나트륨, 칼륨 또는 칼슘 염으로부터 D-에리토르브산 또는 그의 나트륨, 칼륨 또는 칼슘 염을 제조하는 방법을 제공한다. 더욱 구체적으로, 본 발명의 방법은, 2-케토-L-굴론산 또는 2-케토-D-글루콘산의 유리 산, 또는 이들의 나트륨, 칼륨 또는 칼슘 염을, 2-케토-L-굴론산의 유리 산 또는 그의 나트륨, 칼륨 또는 칼슘 염으로부터 L-아스코르브산 또는 그의 나트륨, 칼륨 또는 칼슘 염을 제조하고/하거나 이들의 제조를 증가시킬 수 있는 또는 2-케토-D-글루콘산 또는 그의 나트륨, 칼륨 또는 칼슘 염으로부터 각각 D-에리토르브산 또는 그의 나트륨, 칼륨 또는 칼슘 염을 제조하고/하거나 이들의 제조를 증가시킬 수 있는 호열호산성 미생물의 세포와 함께 고온, 즉 약 30 내지 약 100℃ 및 산성 pH, 즉 약 1 내지 약 6의 pH에서 배양시켜 L-아스코르브산 또는 그의 나트륨, 칼륨 또는 칼슘 염 또는 D-에리토르브산 또는 그의 나트륨, 칼륨 또는 칼슘 염을 용액 내에 형성시킨 후 이 용액으로부터 L-아스코르브산 또는 그의 나트륨, 칼륨 또는 칼슘 염 또는 D-에리토르브산 또는 그의 나트륨, 칼륨 또는 칼슘 염을 분리시킴을 포함하는, 2-케토-L-굴론산의 유리 산 또는 그의 나트륨, 칼륨 또는 칼슘 염으로부터 L-아스코르브산 또는 그의 나트륨, 칼륨 또는 칼슘 염을 제조하는 방법 또는 2-케토-D-글루콘산 또는 그의 나트륨, 칼륨 또는 칼슘 염으로부터 D-에리토르브산 또는 그의 나트륨, 칼륨 또는 칼슘 염을 제조하는 방법이다.

본 발명의 다른 태양은 L-아스코르브산 또는 그의 염 또는 D-에리토르브산 또는 그의 염을 생성하며 하기 특성을 갖는 미생물이다:

(a) 제네틱스-SV/R(Genetyx-SV/R) 소프트웨어 프로그램을 사용하는 경우, SEQ ID NO: 1, 2 또는 3과 98.1% 이상 동일한 rDNA 서열을 갖고,

(b) 막대 모양의 구조형태를 나타내고,

(c) 약 0.8 μm의 폭을 갖고,

(d) 무산소 조건하에서 성장이 불가능하고,

(e) 촉매활성을 나타내고,

(f) 그의 주요 지방산으로서는 ω-사이클로헥실산이고,

(g) pH 3.0 및 60℃ 온도에서 성장 가능하고,

(h) pH 3.0과 온도 30℃, pH 6.5와 60℃ 및 pH 6.5와 30℃의 조건하에서 성장 불가능하고,

(i) (1) 2-케토-L-굴론산 또는 그의 염으로부터 L-아스코르브산 또는 그의 염을 생성시키거나, (2) 2-케토-D-글루콘산 또는 그의 염으로부터 D-에리토르브산 또는 그의 염을 생성시키거나, 또는 (3) 2-케토-L-굴론산 또는 그의 염 및 2-케토-D-글루톤산 또는 그의 염으로부터 각각 L-아스코르브산 또는 그의 염 및 D-에리토르브산 또는 그의 염 모두를 생성시키는 능력을 갖는다.

"2-케토-L-굴론산", "2-케토-D-글루콘산", "L-아스코르브산" 또는 "D-에리토르브산"에 적용되는 "또는 그의 나트륨, 칼륨 또는 칼슘 염" 또는 이에 준하는 표현은 약자로 표현하기 위하여 이후부터는 주로 "그의 염"으로 칭할 것이다. 또한, 이들 산 또는 이들 염 형태의 소정의 농도는 염 형태가 존재할지라도 존재하는 산 또는 그의 특정 염 형태를 명기하지 않는 경우 유리 산 형태를 기준으로 표현할 것이다.

본 명세서에서 용어 "호열성 미생물"은 일반적으로 약 55℃ 이상의 온도에서 최적으로 성장하는 미생물을 의미하고, 용어 "호산성 미생물"은 산성 범위의 pH,특히 약 pH 6 미만에서 최적으로 성장하고, 중성 영역, 즉 약 6 내지 약 8 범위의 pH에서는 성장할 수 없는 미생물을 의미한다. 따라서, 본 발명의 기술에서 용어 "호열호산성 미생물"은 이들 두가지 성질을 모두 갖는 미생물, 즉 약 55℃ 이상의 온도 및 약 6 미만의 pH에서 최적으로 성장하고 약 6 내지 약 8 범위의 pH에서는 성장하지 않는 미생물을 의미한다. 용어 "호열호산성 미생물"은 본 발명의 목적을 위해 호열호산성 미생물의 돌연변이체를 또한 포함한다.

본 발명에 사용되는 용어 "성장"은 20 시간동안의 배양 후 군체 형성이 관찰되는 것을 의미한다. 본 발명에 사용되는 용어 "성장하지 않음"은 20 시간의 배양 후에도 군체가 전혀 발견되지 않음을 의미한다.

통상적으로, 호열호산성 미생물은 원핵생물에 존재하고 이로부터 분리가능하며 고세균(Archaea) 및 세균(Bacteria) 모두로 분류된다. 고세균 도메인에서, 술포로버스 속(Sulfolobus)(T.D.Brock 등, Arch.Mikrobiol.84, 54-68, 1972) 및 터어모플라스마 속(Thermoplasma)(M.DeRosa 등, Phytochemistry170, 1416-1418, 1970)이 호열호산성 미생물로 공지되어 있고, 아시다너스 속(Acidanus)(A.H. Segerer 등, Int.J.Syst.Bacteriol.36, 559-564, 1986), 데술퍼롤로버스 속(Desulfurolobus) (W.Zilling 등, Syst.Appl.Microbiol.8, 197-209, 1986), 메탈로스패라 속(Metallosphaera)(G.Huber 등, Syst.Appl.Microbiol.12, 38-47, 1989), 피크로필러스 속(Picrophilus)(C.Schleper 등, J.Bacteriol.177, 7050-7059, 1995) 및 스타이지오로버스 속(Stygiolobus)(A.H.Segerer 등, Int.J.Syst.Bacteriol.41, 495- 501, 1991)도 또한 고세균 도메인내의 호열호산성미생물인 것으로 보고되어 있다. 세균 도메인에서, 아시디미크로비움 속(Acidimicrobium)(D.A.Clark 등, Microbiology142, 785-790, 1996), 아시도테르머스 속(Acidothermus)(F.Rainey 등, FEMS Microbiol.Lett.,108, 27-30, 1993), 술포바실러스 속(Sulfobacillus)(R.S.Golovacheva 등, Microbiology,47, 658-665, 1978) 및 알리사이클로바실러스 속(Alicyclobacillus)(G.Darland 등, J.Gen.Microbiol.67, 9-15, 1971; G.Deinhard 등, Syst.Appl.Microbiol.10, 47-53, 1987)이 호열호산성 미생물이다.

본 발명에 사용가능한 호열호산성 미생물은 2-케토-L-굴론산 또는 그의 염으로부터 L-아스코르브산 또는 그의 염을, 또는 2-케토-D-글루콘산 또는 그의 염으로부터 D-에리토르브산 또는 그의 염을 생성하고/하거나 그 생성을 증가시킬 수 있는 임의의 호열호산성 미생물이다.

본 발명에 사용되는 호열호산성 미생물은 토양 및 온천수를 포함하는 천연 공급원에서 제공되는 임의의 종류 및 과일 쥬스 및 과일/야채 혼합 쥬스와 같이 가공된 산성 음식물 및 음료를 포함하는 인공적 공급원으로부터 제공되는 것일 수 있다.

임의의 특정 호열호산성 미생물이 견뎌내는 조건이 극한적일수록, 즉 온도가 높고 pH가 낮을수록(산성일수록), 그 미생물은 본 발명의 방법에 사용하기에 더욱 바람직하다. 열 및 산성에 대한 내성뿐만 아니라, 고온 및 산성 pH에서 배양될 때, 용액 중에서 고농도, 즉 약 5% 내지 약 20%(w/v)의 2-케토-L-굴론산 또는 그의 염 또는 2-케토-D-글루콘산 또는 그의 염에도 또한 내성을 갖는 호열호산성 미생물이 본 발명에 더욱 바람직하게 사용된다. 더욱이, 호기성 및 화학유기물친화성(chemoorganotropic)을 갖는 호열호산성 미생물이 세포의 효율적인, 즉 신속한 생성을 위해 바람직하다.

바람직한 호열호산성 미생물은 세균 및 고세균을 포함하는 원핵생물로부터 유도되는 것들이다. 더욱 바람직한 미생물은 호열호산성 세균이다. 특히 바람직한 호열호산성 미생물은 알리사이클로바실러스 속에 속하는 세균이다.

호열호산성 세균중에서, 알리사이클로바실러스 속은 대부분 호기성이고 포자를 형성하며 막대-모양을 하는 화학유기물친화성 세균을 포함한다. 이들 미생물은 처음에는 바실러스(Bacillus) 속으로 분류되었다. 그러나, 16S rRNA 유전자의 서열 비교를 기준으로 한 계통발생학적 연구 결과, 알리사이클로바실러스 속은 바실러스 속의 낮은 G+C 그램-양성 혈통내의 별개의 혈통에 속하는 것으로 밝혀졌다(J.D.Wisotzkey 등, Int.J.Syst.Microbiol.42, 263-269, 1992). 알리사이클로바실러스 속(A.)의 유효하게 명명된 세 가지 종은 알리사이클로바실러스 아시도칼다리어스(A. acidocaldarius)(DSM 446^T, G.Darland 등, J.Gen.Microbiol.67, 9-15, 1971), 알리사이클로바실러스 아시도테레스트리스(A. acidoterrestris)(DSM 3922^T, G. Deinhard 등, Syst.Appl.Microbiol.10, 47-53, 1987) 및 알리사이클로바실러스 사이클로헵타니쿠스(A. cycloheptanicus)(DSM 4006^T, G.Deinhard 등, Syst.Appl.Microbiol.10,68-73, 1987)이다. 16S rRNA 유전자의 서열 비교 외에도, 이들 미생물의 가장 특징적인 점은 ω-사이클로헥실 지방산(ω-사이클로헥실운데카노산, ω-사이클로헥실트리데카노산) 또는 ω-사이클로헵틸 지방산(ω-사이클로헵틸운데카노산, ω-사이클로헵틸트리데카노산)의 구조적 단위를 갖고 있다는 것이다(L.Albuquerque 등, Int.J.Syst.Evol.Microbiol.50, 451-457, 2000). 지금까지 알리사이클로바실러스 속의 특성을 갖는 몇 가지 균주가 지열 지역의 산성 토양 및 특정 비-지열성 토양으로부터 분리되었다. 토양 샘플 외에도, 이들 균주는 또한 부패 세균으로서 많은 산성 음료로부터 분리되어 왔다(G.Cerny 등, Z Lebens Unters Forsch179, 224-227, 1984; K.Yamazaki 등, Biosci.Biotech.Biochem.,60, 543-545, 1996; M.Niwa 등, 일본국 특허 공개공보(Kokai) 제 140696/1996). 최근, 알리사이클로바실러스 속 중에서 상기 세 가지 유효하게 명명된 종 외에도 다양한 제노스피시즈(genospecies)가 제안되었다(A.Hiraishi 등, J.Gen.Appl.Microbiol.43, 285-304, 1997; L.Albuquerque 등, Int.J.Syst.Evol.Microbiol.50, 451-457, 2000).

본 발명에 사용되는 바람직한 호열호산성 미생물은 하기의 특성을 갖는다:

1) 호열호산성 성장:

pH 3.0 및 60℃에서 20 시간 후에 성장하는 것을 볼 수 있으나, pH 3.0 및 30℃에서, pH 6.5 및 30℃에서, pH 6.5 및 60℃에서 각각 20 시간 후에 성장하는 것을 볼 수 없다.

2) ω-사이클로헥실 지방산:

기체 크로마토그래피-질량분석 분광법(GC/MS) 분석에 따르면 ω-사이클로헥실 지방산의 구조단위를 포함한다.

3) 16S rRNA 서열 유사성:

rRNA 서열을 코딩하는 16S 유전자의 계통발생학적 분석을 통해 알리사이클로바실러스 속에 속하는 것임을 확인한다.

본 발명에 사용되는 호열호산성 미생물은 상기 언급한 바와 같은 천연 및 인공 공급원으로부터 얻거나 또는 배양액 기탁소에서 구입할 수 있다. 상기와 같은 천연 및 인공 공급원으로부터 미생물을 분리하기 위하여, 천연 공급원(예: 토양 또는 온천수) 또는 인공 공급원(예: 가공된 산성 음식물 또는 음료)과 같은 적합한 미생물 공급원은 유산소 조건하에서 적절한 영양분이 보충된 수성 배지 및/또는 고형 배지에서 통상적으로 배양된다. 상기 배양은 약 40℃ 이상의 온도 및 약 5 이하의 pH에서 수행하는 것이 통상적이며, 바람직하게는 약 50℃ 이상 및 약 4 미만의 pH에서, 더욱 바람직하게는 약 55℃ 이상 및 약 3.5의 pH에서 수행한다. 배양 기간은 pH, 온도 및 사용되는 영양분 배지에 따라 달라지지만 12 시간 내지 몇일 간의 기간이 일반적으로 좋은 결과를 나타낸다.

알리사이클로바실러스 속에 속하고 본 발명에 사용되는 특히 바람직한 호열호산성 미생물은 알리사이클로바실러스 종 DSM No. 13652 및 DSM No. 13653(Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH(DSMZ)에서 구입, Mascheroder Weg 1b, D-38124 Braunschweig, Germany 소재), 새로운 균주인 알리사이클로바실러스 종 NA-20 및 NA-21(일본 이와테 현에서 수집한 토양 샘플로부터 분리함), 및 알리사이클로바실러스 종 FJ-21(시판되는 산성 음료, 특히 일본 가나가와 현 가마쿠라-시에서 구입한 과일 쥬스로부터 분리함)이다.

상기 5 가지의 특히 바람직한 호열호산성 미생물 모두를 부다페스트 조약에 의거 2000년 8월 17일에 기탁하여 하기의 승인번호를 배당받았다:

알리사이클로바실러스 종: DSM No. 13652

알리사이클로바실러스 종: DSM No. 13653

알리사이클로바실러스 종 NA-20: DSM No. 13649

알리사이클로바실러스 종 NA-21: DSM No. 13650

알리사이클로바실러스 종 FJ-21: DSM No. 13651.

상기 언급된 마지막 세가지 호열호산성 미생물은 새로운 것으로 본 발명의 또 다른 태양을 나타낸다.

상기 나타낸 바와 같이 본 발명에서, 상기 언급한 호열호산성 미생물의 돌연변이체를 또한 사용할 수 있다. 본 발명에 사용되는 미생물의 돌연변이체는 야생형의 균주를 자외선, X-선, γ-선에 의한 조사 또는 아질산과의 접촉 또는 기타 적합한 돌연변이원으로 처리하여 유도될 수 있다. 돌연변이체는 당해 분야의 숙련인에게 공지된 방법에 의해 미생물의 자발적 돌연변이로 발생된 군체를 분리함으로써 또한 얻을 수 있다. 이러한 방법들 중 많은 것은 전문 문헌에 기술되어 있으며, 예를 들면 "화학적 돌연변이원"(Chemical Mutagens)(Y.Tajima, T.Yoshida 및 T.Kada 에 의해 편집, Kodansha Inc., 일본 도쿄, 1973)이다.

또한, 생물학적으로 분류학적으로 균질한 알리사이클로바실러스 종 DSM No. 13652, DSM No. 13653, NA-20(DSM No. 13649), NA-21(DSM No. 13650) 또는 FJ-21(DSM No. 13651)의 배양균을 사용할 수 있다. 본 발명에서 상기 용어 "생물학적으로 분류학적으로 균질한 배양균"은 하기의 생물학적 분류학적 특성을 나타내는 배양균을 의미한다:

- 성장: 호기성 및 호열호산성

- 포자: 형성

- 세포 구조: 막대-모양

- 주요 지방산: ω-사이클로헥실 지방산

- 계통발생학적 위치: 알리사이클로 종 DSM No. 13652, 알리사이클로 종 UZ-1, 알리사이클로 종 MIH-2, 알리사이클로 종 KHA-31 및 알리사이클로 아시도칼다리우스 DSM446^T와 같은 알리사이클로바실러스 속으로 분류되는 균주에 가장 유사함(16S rRNA 유전자의 뉴클레오타이드 서열의 90% 이상이 동일)-여기서, 뉴클레오타이드 서열의 동일성은 기본(default) 조건(비교하기 위한 단위 크기=1)에서 뉴클레오타이드 서열 상동 프로그램(Nucleotide Sequence Homology program)(Genetyx-SV/R, 버전 4.0, Software Development Co., 일본 도쿄)을 사용하여 결정한다.

상기 언급한 호열호산성 미생물은 임의의 형태로 사용될 수 있으며, 특히 원래의 온전한 세포, 변형된 세포 또는 고정화 세포의 형태로 사용 가능하다. 세포를 고정시키는 방법은 당해 분야에 공지되어 있다(예컨대, W.M.Forgaty 등의 Microbial Enzymes and Biotechnology, 2판, Elsevier Applied Science, pp. 373-394(1983) 및 일본 특허 공개공보 제 61265/1994를 참조).

본 발명의 방법에 사용하기 적합한지를 평가하기 위한 호열호산성 미생물의스크리닝(screening)은 하기와 같은 방법으로 수행할 수 있다:

적당한 유산소 조건, 즉 강제적 폭기 또는 격렬한 교반이 없는 유산소 항온배양 조건하에서, 2-케토-L-굴론산 또는 그의 염 또는 2-케토-D-글루콘산 또는 그의 염을 함유하고 적절한 영양분이 보충된 수성 배지내에서 적절한 미생물 공급원을 배양한다. 배양을 수행하기 위한 기질 2-케토-L-굴론산 또는 그의 염 또는 2-케토-D-글루콘산 또는 그의 염의 농도는 약 3%(w/v) 내지 약 20%(w/v), 바람직하게는 약 4%(w/v) 내지 약 18%(w/v), 더욱 바람직하게는 약 5%(w/v) 내지 약 16%(w/v)이다. 항온배양은 약 0.5 내지 약 4.0의 pH, 바람직하게는 약 1.0 내지 약 3.5의 pH, 더욱 바람직하게는 약 1.5 내지 약 3.0의 pH에서 수행하고, 약 45℃ 내지 약 90℃, 바람직하게는 약 50℃ 내지 약 85℃, 더욱 바람직하게는 약 55℃ 내지 약 80℃의 온도에서 수행한다. 항온 배양 시간은 pH, 온도 및 사용하는 영양분에 따라 달라지지만, 일반적으로 약 12 시간 내지 몇일 간의 기간이 바람직한 결과를 나타낸다. 본 발명의 방법에서 스크리닝된 호열호산성 미생물의 이용상 적합성은 L-아스코르브산 또는 그의 염 또는 D-에리토르브산 또는 그의 염의 생산성의 정도(생성물의 많은 축적)를 호열호산성 미생물을 넣지 않은 "공(blank)" 배양의 생산성과 비교하여 평가할 수 있으며, "공" 배양의 생산성에 비해 2 배 이상의 생산성 증가가 바람직하다.

상기 기술한 항온배양에서, 고농도의 2-케토-L-굴론산 또는 그의 염 또는 2-케토-D-글루콘산 또는 그의 염의 존재는 고온 및 산성 pH와 함께 호열호산성 미생물에게도 극한의 생리-화학적 조건일 수 있다. 고온 및 산성 pH에서 2-케토-L-굴론산 또는 그의 염 또는 2-케토-D-글루콘산 또는 그의 염에 대한 내성은 본 발명의 방법에 사용되는 호열호산성 미생물이 살아있는 세포 상태로 보존(유지)되는데 중요한 특성일 수 있다.

본 발명의 방법에서 호열호산성 미생물의 세포와 함께 2-케토-L-굴론산 또는 그의 염으로부터 L-아스코르브산을, 또는 2-케토-D-글루콘산 또는 그의 염으로부터 D-에리토르브산을 제조하고/하거나 제조를 증가시키기 위한 항온배양은 수성상내의 용액에서 수행된다. 수성상을 위한 용매는 다른 용매(들)의 첨가없이 물만을 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 추가의 용매를 사용하는 경우, 메탄올과 같은 저급 알칸올이 바람직하다. 2-케토-L-굴론산으로부터 L-아스코르브산을, 2-케토-D-글루콘산으로부터 D-에리토르브산을 제조하고/하거나 제조를 증가시키기 위한 항온배양(이들 생성물 또는 기질들은 유리 산 또는 각각 나트륨, 칼륨 또는 칼슘 염으로 존재한다)은 흡수가능한 탄소 공급원, 소화 또는 흡수가능한 질소 공급원 및 무기 화합물, 미량원소, 비타민, L-아미노산 및 기타 성장 촉진 인자와 같은 영양분을 필요로 한다. 흡수가능한 탄소 공급원으로서 D-글루코즈, 수크로즈, D-글루코노-δ-락톤, 전분 등을 사용할 수 있다. 질소 공급원으로서 효모 추출물, 고기 추출물, 펩톤, 카제인, 옥수수를 우려낸 액체, 우레아, 아미노산, 니트레이트, 황산암모늄과 같은 암모늄 염 등과 같은 다양한 유기 또는 무기 물질을 사용할 수 있다. 무기 화합물로서 황산마그네슘, 인산칼륨, 염화나트륨, 염화칼륨, 염화칼슘 등을 사용할 수 있다. 더욱이, 미량원소로서 칼슘, 마그네슘, 아연, 망간, 코발트 및 철의 황산염, 염산염 또는 인산염을 사용할 수 있다. 무기 염으로서 특히 적합한 것은 인산 모노칼륨, 황산 마그네슘, 황산철 및 황산망간이다. 필요한 경우, 통상의 영양 요소 또는 소포제, 예컨대 동물성 오일, 식물성 오일 또는 광유를 첨가할 수 있다.

항온배양의 조건은 사용되는 호열호산성 미생물의 종 및 일반적 특성에 따라 달라질 수 있다. 항온배양은 유산소 조건 하에서 배양하기에는 높은 온도라고 생각되는 온도, 즉 약 30℃ 내지 약 100℃, 바람직하게는 약 40℃ 내지 약 95℃, 가장 바람직하게는 약 55℃ 내지 약 95℃에서 수행하고, 약 1.0 내지 약 6.0, 바람직하게는 약 1.0 내지 약 4.5, 가장 바람직하게는 약 1.5 내지 약 3.0의 산성 pH에서 수행한다. 통상적으로 배양 시간은 약 1 내지 약 100 시간이 충분하다.

2-케토-L-굴론산 또는 그의 염 또는 2-케토-D-글루콘산 또는 그의 염의 배양시 적합한 초기 농도는 사용되는 호열호산성 미생물에 의존한다. 그러나, 일반적으로 2-케토-L-굴론산 또는 그의 염 또는 2-케토-D-글루콘산 또는 그의 염의 농도는 유리산의 양(당량)을 기준으로 약 5%(w/v) 내지 약 20%(w/v)으로 사용한다. 바람직한 이들 농도는 약 10%(w/v) 내지 약 15%(w/v)이다.

본 발명의 방법은 하기의 특성을 갖는다:

a) L-아스코르브산 또는 그의 염의 특정 생성률(specific production rate):

예를 들어, 59℃, pH 2.5에서 8%(w/v)의 2-케토-L-굴론산(기질), 및 2.5g/L의 L-아스코르브산(생성물)의 존재하에서 균주 NA-21(DSM No. 13650)을 사용하여 20 시간동안 배양한 경우, L-아스코르브산의 특정 생성률은 L-아스코르브산 약 2.3 mg/조질의 세포성 단백질 mg/시간으로 계산된다. 이것은 하기 실시예 7의 결과를 기준으로 한 것이다.

b) 생성물 억제:

본 발명에서 생산성은 생성물인 L-아스코르브산 또는 그의 염 또는 D-에리토르브산 또는 그의 염에 의해 종종 억제된다. 본 발명의 방법에서 생산성은 수성상의 역반응에 의해 얻을 수 있는 전환율보다 높은 전환율을 제공할 수 있다.

용액 중에 생성된 L-아스코르브산 또는 그의 염, 또는 D-에리토르브산 또는 그의 염은 당해 분야에 공지된 통상의 방법으로 분리 및 정제될 수 있다. 생성물이 각 산의 나트륨, 칼륨 또는 칼슘 염인 경우, 필요하다면 당해 분야에 공지된 통상의 방법으로 각 유리산으로 전환시킬 수 있다. 각 경우, 생성물의 분리는 용해도, 흡착성, 전기화학적 성질 및 두 용매 사이의 분배계수와 같은 생성물과 불순물(비전환 기질 포함) 간의 성질의 차이를 이용하는 방법으로 수행할 수 있다. 이온교환수지와 같은 흡착제의 이용은 생성물의 분리를 위한 통상적인 방법의 한 예이다. 전기투석의 이용도 또한 생성물의 분리를 위한 통상적인 방법이다. 생성물이 이후에 사용될 수 없을 정도로 불순한 경우, 재결정 또는 크로마토그래피와 같은 통상의 방법으로 정제할 수 있다.

2-케토-L-굴론산을 L-아스코르브산으로 또는 2-케토-D-글루콘산을 D-에리토르브산으로 전환시키는 활성을 갖는 유기체를, L-소르보즈/L-소르보존 탈수소효소 및 D-소르비톨 탈수소효소를 갖고 D-소르비톨 및/또는 L-소르보즈를 2-케토-L-굴론산으로 전환시킬 수 있는 유기체와 혼합함으로써, L-소르보즈 또는 D-소르비톨로부터 L-아스코르브산을 제조할 수 있다(A.Fujiwara 등, EP 213 591; T.Hoshino 등,미국 특허 제 4,960,695 호; T.Hoshino 등, 미국 특허 제 5,312,741 호 참조); 예컨대, 글루코노박터 옥시단스(Gluconobacter oxydans) DSM 4025를 사용하여 한 용기 내에서 한 단계 전환 또는 두 용기 내에서 두 단계 전환시킨다.

2-케토-L-굴론산을 L-아스코르브산으로 또는 2-케토-D-글루콘산을 D-에리토르브산으로 전환시키는 활성을 갖는 유기체를 D-글루코즈 탈수소효소(Ameyama 등, Agric Biol. Chem. 45:851-861, 1981 참조) 및/또는 D-글루코네이트 탈수소효소(Shinagawa 등, Agric Biol. Chem. 48:1517-1522, 1984)를 갖는 유기체와 혼합함으로써 D-글루코즈 또는 D-글루콘산으로부터 D-에리토르브산을 제조할 수 있다; 예컨대, 한 용기에서 한 단계로 또는 두 용기에서 두 단계로 D-글루코즈 및/또는 D-글루콘산을 2-케토-D-글루콘산으로 전환시킬 수 있는 글루코노박터 디옥시아세토니쿠스(Gluconobacter dioxyacetonicus) IFO 3271.

하기 실시예는 본 발명의 방법을 예시하며, 본 발명의 범주를 어떤 방식으로든지 제한하지 않는다.

실시예 1

호열호산성 미생물의 스크리닝:

A) 토양 샘플로부터 분리

일본의 이와테 현의 산성 온천 지대에서 수집한 토양 샘플을 스크리닝하였다. 0.9%(w/v) NaCl 용액 내의 토양 샘플로부터 호열호산성 미생물을 회수하고, 0.1%(w/v)의 D-글루코즈, 0.13%(w/v)의 (NH₄)₂SO₄, 0.1%(w/v)의 효모 추출물,0.15%(w/v)의 KH₂PO₄, 0.025%(w/v)의 MgSO₄ ^.7H₂O, 0.007%(w/v)의 CaCl₂ ^.2H₂O 및 2%(w/v)의 한천을 함유하는(pH는 6N H₂SO₄로 조절하고; D-글루코즈 및 한천은 따로 멸균시켰다) 573c(pH 3.5) 한천 플레이트 배지에 상기 용액을 살포함으로써 분리하였다. 60℃에서 20 시간동안 항온배양시킨 후, pH 3.5 및 60 ℃에서 성장한 단일 군체를 무작위로 수집하고, 동일한 조건하에서 동일한 한천 플레이트 배지상에 이들을 3회 이동시킴으로써 정제하였다. 이렇게 분리된 미생물의 수를 세고 "NA" 시리즈에 속하는 것으로 표기하였다. 예를 들어, 이렇게 분리된 하나의 미생물을 NA-20으로, 다른 것은 MA-21로 표기하였다.

B) 산성 음료에서 분리

과일 쥬스 제품 및 과일/야채 혼합 쥬스 제품과 같은 시판되는 다양한 산성 음료로부터 호열호산성 미생물을 분리하기 위한 실험을 하였다. 각 경우, 시판되는 제품 1 ml를 원심분리하고, 생성된 펠릿을 1 ml의 멸균 증류수로 세척하여 세척한 펠릿을 얻었다. 상기 펠릿을 0.1 ml의 멸균 증류수에 분산시키고, 상기 현탁액을 배지 573c의 한천 플레이트에 살포하였다. 상기 플레이트를 60℃에서 1 내지 3일동안 항온배양시켜 단일 군체를 얻은 후, 이를 동일 조건하에서 동일한 한천 플레이트 배지 상에 3회 이동시켜 정제하였다. 분리된 미생물의 수를 세고, "FJ" 시리즈에 속하는 것으로 표기하였다. 예를 들어, 이렇게 분리된 하나의 미생물을 FJ-21로 표기하였다.

실시예 2

2-케토-L-굴론산으로부터 L-아스코르브산을 제조하기 위한 분리된 NA- 및 FJ-시리즈 미생물의 스크리닝

2-케토-L-굴론산으로부터 L-아스코르브산을 제조하기 위한 스크리닝을 하기 살아있는 세포 반응시스템을 사용하여 수행하였다. LM101 형 배지, 무기물 혼합물[MM], 비타민 혼합물[VM] 및 아미노산 혼합물[AM]의 조성을 하기 표 1에 수록하였다.

배지(염 베이스)-[g/L]

	LM101c	LM101d
D-글루코즈	다양함	다양함
(NH₄)₂SO₄	4	1.3
KH₂PO₄	1.5	1.5
MgSO₄ ^.7H₂O	0.25	0.25
NaCl	0.1	0.1
KCl	0.1	0.1
CaCl₂.2H₂O	0.07	0.07
pH	2.5^a	2.5^b
a: 나트륨 2-케토-L-굴로네이트 일수화물 첨가 후, pH는 6N H₂SO₄로 조절.b: 2-케토-L-굴론산 첨가 후, pH는 6N KOH로 조절.

-[mg/L]

무기물 혼합물[× 1000 conc.]
CuSO₄ ^.5H₂O	620
FeSO₄ ^.5H₂O	600
MnSO₄ ^.5H₂O	600
ZnSO₄ ^.5H₂O	600
CoCl₂ ^.5H₂O	790
Na₂MoO₄ ^.5H₂O	700

-[mg/L]

비타민 혼합물[× 100 conc.]
바이오틴	100
Ca(+)-판토테네이트	100
엽산	100
이노시톨	200
피리독살 포스페이트^.H₂O	100
리보플라빈	10
티아민^.HCl	100
니코틴아미드	100

-[mg/L]

L-아미노산 혼합물[× 5 conc.]
아르기닌^.HCl	630
시스틴	120
글루타민	1460
히스티딘^.HCl^.H₂O	210
이소루신	260
루신	260
라이신^.HCl	360
메티오닌	76
페닐알라닌	165
트레오닌	240
트립토판	50
티로신	180
발린	230

상기 실시예 1 기술한 바와 같이 분리된 NA 및 FJ 시리즈의 호열호산성 미생물을 573c 한천 플레이트 배지(pH 3.5, 60℃, 15 시간)에서 성장시키고, 0.25%(w/v)의 D-글루코즈를 함유하는 배지 LM101c-플러스["플러스"는 MM(× 1 conc.), VM(× 0.1 conc.) 및 AM(× 0.01 conc.)으로 보충됨을 의미]에 접종시켰다. 시험관내에서 유산소 배양시킨 후(60℃, 8 시간), 생성된 세포를 원심분리로 수집하고, LM101c 염 베이스내에 분산시킨 후 시이딩 세포(seeding cell)로서 사용하였다[660 nm에서 약 25의 광학밀도(OD660)]. 0.2의 최종 OD660에서 세포를 6%(w/v)의 나트륨 2-케토-L-굴로네이트 일수화물 및 0.2%(w/v)의 D-글루코즈를 함유하는 LM101c-플러스 배지(pH 2.5) 0.8ml에 접종시켰다. 생성된 세포 반응혼합물을 적당한 유산소 조건하에서 59℃에서 항온배양시키고; 꼭대기에 핀 구멍(0.65 mm)이 있는 시험관(2.0 ml의 미세 시험관, 에펜도르프(Eppendorf) 독일)을 회전 교반(120 rpm, 45 mm 반경)시키면서 배양시켰다. L-아스코르브산 생성량은 HPLC 분석으로 측정하였다: YMC-팩 폴리아민 II 컬럼(ID. 4.6 × 150 mm; YMC Co., 일본)에서 70%(v/v)의 아세토니트릴 및 15 mM의 인산이수소암모늄을 함유하는 이동상 용매를 사용하여 1.5 ml/분의 유출 속도로 264 nm에서 관찰. 증발에 의해 손실된 물의 양은 배양시키는 동안 감소된 중량으로서 추정하고, 처음의 부피를 유지하기 위하여 부족한 양의 물을 보충하였다. 23 시간의 항온배양 후, 각 균주로부터 L-아스코르브산의 생성량을 두 개의 대조 값과 비교하였다; "유산소성 공실험"은 세포 배양을 하지 않은 것을 제외하고는 동일한 배지 및 조건하에서 얻은 L-아스코르브산 생성량이고, "무산소성 대조실험"은 아르곤 기체가 채워진 닫힌 미세시험관 내에서 세포 접종을 하지 않은 것을 제외하고는 동일한 배지에서 얻은 L-아스코르브산 생성량이다. 스크리닝의 결과, 균주 NA-20, NA-21 및 FJ-21이 강력한 L-아스코르브산 생성물로 선택되었고, 이들은 각각 1.07, 1.19 및 1.23 g/L의 L-아스코르브산을 생성하였다. 유산소 공실험 및 무산소 대조실험에서의 L-아스코르브산의 양은 각각 약 0.10 및 0.30 g/L이었다.

2-케토-D-글루콘산(1.5 몰/몰H₂O를 함유하는 헤미칼슘 염, SIGMA Chemical Co., St. Louis, MO, USA)을 사용한 살아있는 세포 반응을 기질로서 6%(w/v)의 나트륨 2-케토-D-굴로네이트 일수화물 대신에 1.2%(w/v)의 2-케토-D-글루콘산을 사용하는 것을 제외하고는 상기 기술한 것과 동일한 조건하에서 수행하였다. D-에리토르브산의 생성은 동일한 HPLC 법으로 측정하였다. 균주 NA-21은 23시간의 항온배양 후 0.051 g/L의 D-에리토르브산을 생성하였다. 유산소 공실험 및 무산소 대조실험의 D-에리토르브산의 양은 측정할 수 없었다(0.001 g/L 미만).

실시예 3

분리된 미생물의 분류

세 종류의 분리된 미생물, NA-20, NA-21 및 FJ-21은 호기성이고, 포자를 형성하며, 막대 모양의 세균이다. 이들 분리된 미생물의 표현형 특성을 하기 표 2에 정리하였다.

	NA-20	NA-21	FJ-21
모양	막대	막대	막대
크기
(폭, μm)	0.8	0.8	0.8
(길이,μm)	2-3	3-5	2-3
그램 착색	가변적	가변적	음성
운동성	+	+	-
무산소성 성장	-	-	-
산화효소 시험	-	-	-
촉매 시험	+	+	+
주 지방산	ω-사이클로헥실산(C17 및 19)	ω-사이클로헥실산(C17 및 19)	ω-사이클로헥실산(C17 및 19)
각 pH 및 온도에서의 성장^a
pH 온도(℃)
3.0 60	+	+	+
3.0 30	-	-	-
6.5 60	-	-	-
6.5 30	-	-	-
a: 573c 한천 플레이트 상에서 20 시간동안의 성장

미생물들은 pH 3.0/60℃에서 20 시간동안 성장하였으나, 20 시간동안 pH 3.0/30℃, pH 6.5/30℃ 및 pH 6.5/60℃에서는 성장하지 않았다. 그러므로, 이들은 호열호산성 바실러스 그룹의 세균의 특징을 갖는다. 지방산에 대한 GC/MS 분석 결과, 이들 분리된 세 가지 미생물의 주성분은 대조 표준으로서 사용된 알리사이클로바실러스 아시도칼다리우스 DSM 466^T의 것과 동일하였고, 이러한 사실은 ω-사이클로헥실 지방산이 알리사이클로바실러스 아시도칼다리우스 DSM 466^T과 마찬가지로 이들 분리된 세 가지 미생물의 주성분임을 나타낸다. 분리된 미생물의 16S rRNA 유전자 서열은 16S rRNA 유전자 키트(PE Applied Biosystems, 미국; SEQ ID NO: 균주 NA-20, NA-21 및 FJ-21 각각은 1, 2 및 3)로 측정하였고, 이에 대해 BLAST 조사 프로그램(J. Mol. Biol.215403-410, 1990; Nucleic Acids Res.253389-3402, 1997)을 수행하였다. 기본 조건(비교하기 위한 단위 크기=1)에서 뉴클레오타이드 서열 상동성 프로그램(제네틱스-SV/R, 버전 4.0, Software Development Co., 도쿄, 일본)을 이용하여 서열 유사성 분석을 한 결과, 분리된 미생물은 계통발생학적으로 알리사이클로바실러스 속에 속할 수 있는 것으로 나타났다. 하기 표 3은 분리된 미생물과 3가지 유형의 균주를 포함하는 비교 균주 사이의 16S rRNA 유전자 서열상의 이차 서열 동일성의 수준(%)을 나타낸다.

NA-20 및 NA-21의 16S rDNA 서열은 서로 가장 유사하고(99.7%), 알리사이클로바실러스 종 UZ-1, MIH-2, KHA-31(J.Gen.Appl.Microbiol.,43, 295-304, 1997) 및 알리사이클로바실러스 종 DSM 13652의 서열과 유사하다(99.0 내지 99.6%). FJ-21의 서열은 알리사이클로바실러스 아시도칼다리우스 DSM 446^T, NA-20 및 NA-21의 서열과 가장 유사하였다(98.1 내지 98.3%). 이들 결과로부터, 이들 분리된 세 가지의 미생물은 알리사이클로바실러스 속으로 분류되었고, 각각 알리사이클로바실러스 종 NA-20, NA-21 및 FJ-21로 명명되었다.

실시예 2에 기술한 것과 동일한 스크리닝 조건하에서, 알리사이클로바실러스 종 DSM 13652 및 13653은 각각 나트륨 2-케토-L-굴로네이트로부터 0.91 및 0.95 g/L의 L-아스코르브산을 생성하였다.

실시예 4

탄소/에너지원 및 폭기의 효과

실시예 2에 기술된 L-아스코르브산의 제조 공정에서, 6%(w/v)의 나트륨 2-케토-L-굴로네이트 일수화물외에도 0.2%(w/v)의 D-글루코즈를 더 함유하는 배지를 사용하여 세포의 생명을 유지시켰다. 알리사이클로바실러스 종 NA-21을 사용하는 제조 공정에서, D-글루코즈 대신 D-글루코노-δ-락톤[0.1%(w/v)], 수크로즈[0.1% (w/v)] 또는 가용성 전분[1%(w/v)]을 첨가하였을 때, 거의 동일한 양의 L-아스코르브산이 생성되었으나, 탄소/에너지원을 첨가하지 않은 경우에는 유산소성 공실험에 비해 더 많이 생성되지 않았다(표 4 참조).

탄소	[%(w/v)]	세포	L-아스코르브산[ g/L]^a
수크로즈	0.1	+	0.69
가용성 전분	1.0	+	0.65
D-글루코노-δ-락톤	0.1	+	0.76
D-글루코즈	0.1	+	0.80
D-글루코즈	0.025	+	0.66
탄소 없음	-	+	0.10
유산소성 공실험	-	-	0.09
a: 6%(w/v)의 나트륨 2-케토-L-굴로네이트 일수화물로부터 13 시간동안 생성

실시예 2에 기술된 L-아스코르브산 제조 공정에서, 세포 생존에 적당한 유산소 조건하에서 생성 실험을 수행하였다. 알리사이클로바실러스 종 NA-21을 사용하여, 유산소 및 무산소 조건하에서 공정을 수행하여 그 결과를 비교하였다. 무산소 조건하의 시스템을 위해서는 아르곤 기체로 가스화시킨 후 완전히 밀폐된 미세 시험관에 동일한 반응 혼합물을 가해 사용하였다. 유산소 조건하에서는 38 시간까지도 거의 선형 생산성을 보였으나, 무산소 조건하에서는 15 시간 후에는 더 이상 생성되지 않았다(표 5 참조).

유산소 조건하에서 L-아스코르브산의 생성량(g/L)
	반응 시간[h]
	0	15	23	38
+ 세포	0.00	0.80	1.29	2.10
- 세포	0.00	0.12	0.13	0.17

무산소 조건하에서 L-아스코르브산의 생성량(g/L)
	반응 시간(h)
	0	15	23	38
+ 세포	0.00	0.79	0.87	1.05
- 세포	0.00	0.25	0.36	0.59

실시예 5

균주 NA-21 또는 그의 유도체를 이용한 L-아스코르브산의 제조

6%(w/v)의 나트륨 2-케토-L-굴로네이트 일수화물로부터 L-아스코르브산의 제조를 알리사이클로바실러스 종 NA-21을 사용하여 시험하였다. 시이딩 세포의 준비는 실시예 2에 기술된 방법과 동일하게 수행하였다. 상기 세포를 0.25의 최종 OD660에서 6%(w/v)의 나트륨 2-케토-L-굴로네이트 일수화물 및 0.1%(w/v)의 D-글루코즈를 함유하는 0.8 ml의 LM101c-플러스 배지(pH 2.5)에 접종하였다. 이렇게 생성된 세포 반응 혼합물을 적당한 유산소 조건하에서 59℃에서 항온배양하고; 그 꼭대기에 핀 구멍(0.65 mm)을 갖는 시험관을 회전 교반시키면서(120rpm, 45mm 반경) 배양하였다. 알리사이클로바실러스 종 NA-21에 의한 L-아스코르브산의 생성량은38 시간까지 선형 증가하여 2.23 g/L의 L-아스코르브산을 생성하였다. 생산성은 유산소 공실험 및 무산소 대조실험의 생산성에 비해 훨씬 효과적이었다(표 6 참조).

광학밀도 660
	반응 시간(h)
	0	15	23	38
+ 세포	0.25	0.22	0.20	0.15
- 세포 유산소 공실험	0.00	0.00	0.00	0.00
- 세포 무산소 대조실험	0.00	0.00	0.00	0.00

pH
	반응 시간(h)
	0	15	23	38
+ 세포	2.46	2.46	2.45	측정않함
- 세포 유산소 공실험	2.46	2.44	2.43	측정않함
- 세포 무산소 대조실험	2.46	2.44	2.44	측정안함

L-아스코르브산 생성량(g/L)
	반응 시간(h)
	0	15	23	38
+ 세포	0.00	0.76	1.25	2.23
- 세포 유산소 공실험	0.00	0.12	0.13	0.17
- 세포 무산소 대조실험	0.00	0.25	0.36	0.59

원래의 균주인 알리사이클로바실러스 종 NA-21, MA-10 및 MB-6로부터 통상의 변이 공정 후 하기 기술하는 선택 단계를 순차적으로 수행하여 2 가지의 유도체를 얻었다. 원 균주들 중에서, 자외선 조사 후 보다 높은 농도의 2-케토-L-굴론산에 내성(60℃ 및 pH 2.5에서 10%(w/v)으로부터 약 1%(w/v) 증가되는 것으로 보임)을갖는 균주로서 MA-10을 선택하였다. 이어서, MA-10으로부터, N-메틸-N'-니트로-N-니트로소구아니딘으로 처리한 후 보다 높은 온도(11%(w/v)의 2-케토-L-굴론산 및 pH 2.5에서 60℃로부터 약 2℃ 증가한 것으로 보임)에 대해 내성을 갖는 균주로서 MB-6를 선택하였다. 62℃ 및 pH 2.5에서 11%(w/v)의 2-케토-L-굴론산, 및 LM101d염 베이스(× 0.5 conc.), 0.25%(w/v)의 D-글루코즈, MM(× 0.1 conc.), VM(× 0.05 conc.) 및 AM(× 0.005 conc.)을 함유하는 배지를 사용하여 상기 기술한 바와 동일한 살아있는 세포 반응에 의한 L-아스코르브산 생산성을 원래의 균주인 MA-10 및 MB-6에 대해 비교하였다. 원 균주, MA-10 및 MB-6는 23 시간 후 각각 2.02, 2.22 및 2.80 g/L의 L-아스코르브산을 생성하였다. 유산소 공실험 및 무산소 대조실험에서는 각각 1.63 및 1.94 g/L의 L-아스코르브산을 생성하였다.

실시예 6

세포 및 D-글루코즈를 공급하면서 8%(w/v)의 2-케토-L-굴론산으로부터 L-아스코르브산 제조

세포 및 D-글루코즈를 공급하면서 알리사이클로바실러스 종 NA-21을 사용하여 8%(w/v)의 2-케토-L-굴론산으로부터 L-아스코르브산의 제조를 시험하였다. 시이딩 세포의 준비는 실시예 2에 기술된 방법과 동일하게 수행하였다. 상기 세포를 0.25의 최종 OD660에서 8%(w/v)의 2-케토-L-굴론산 및 0.15%(w/v)의 D-글루코즈를 함유하는 0.8 ml의 LM101d-플러스 배지(pH 2.5)에 접종하였다. 이렇게 생성된 세포 반응 혼합물을 적당한 유산소 조건하에서 59℃에서 항온배양하고; 그 꼭대기에 핀 구멍(0.65 mm)을 갖는 시험관을 회전 교반시키면서(120rpm, 45mm 반경) 배양하였다. 시이딩 세포 및 D-글루코즈를 24 시간 지난 후에(OD660이 0.25이고 최종 농도가 0.15%(w/v)임) 즉석 공급으로 가하였다. 알리사이클로바실러스 종 NA-21에 의한 L-아스코르브산의 생성량은 47 시간까지 선형 증가하여 3.70 g/L의 L-아스코르브산을 생성하였다(표 7 참조).

반면에, 무산소 대조실험의 생산량은 약 80 시간 후에 최대량인 약 2.5 g/L의 L-아스코르브산에 달했다.

실시예 7

L-아스코르브산의 존재하에서 8%(w/v)의 2-케토-L-굴론산으로부터 L-아스코르브산의 제조

0 내지 4.5 g/L의 L-아스코르브산의 존재하에서, 알리사이클로바실러스 종 NA-21을 사용하여 8%(w/v)의 2-케토-L-굴론산으로부터 L-아스코르브산의 제조를 시험하였다. 시이딩 세포의 준비는 실시예 2에 기술된 방법과 동일하게 수행하였다. 상기 세포를 0.25의 최종 OD660에서 × 1 conc.의 MM 대신에 × 0.1 conc.의 MM, 및 8%(w/v)의 2-케토-L-굴론산, 0.20%(w/v)의 D-글루코즈를 함유하는 0.8 ml의 LM101d-플러스 배지(pH 2.5)에 접종하였다. 이렇게 생성된 세포 반응 혼합물을 적당한 유산소 조건하에서 59℃에서 항온배양하고; 그 꼭대기에 핀 구멍(0.65 mm)을 갖는 시험관을 회전 교반시키면서(120rpm, 45mm 반경) 20 시간동안 배양하였다. 상기 배지에 0.0, 1.1, 2.3 또는 4.5 g/L의 L-아스코르브산(생성물)을 0 시간에(생성 시작 전에) 첨가하였다. 알리사이클로바실러스 종 NA-21에 의한 생산성은 생성물이 존재하거나 존재하지 않는 것과는 무관하게 거의 동일하였다. 반면에, 무산소 대조실험의 생산성은 높은 농도의 생성물의 존재하에서 점차적으로 억제되었다(표 8 참조).

L-아스코르브산의 초기 농도 0.0 g/L
	각 반응 시간에서의 L-아스코르브산[g/L]	순수 생산량^*[g/L](20h - 0h)
	0	순수 생산량^*[g/L](20h - 0h)	20
+ 세포	0	1.81	1.81
- 세포 유산소 공실험	0	0.44	0.44
- 세포 무산소 대조실험	0	0.83	0.83

L-아스코르브산의 초기 농도 1.3 g/L
	각 반응 시간에서의 L-아스코르브산[g/L]	순수 생산량^*[g/L](20h - 0h)
	0	순수 생산량^*[g/L](20h - 0h)	20
+ 세포	1.32	3.16	1.84
- 세포 유산소 공실험	1.32	0.80	-0.52
- 세포 무산소 대조실험	1.32	1.75	0.43

L-아스코르브산의 초기 농도 2.5 g/L
	각 반응 시간에서의 L-아스코르브산[g/L]
	0	20	순수 생산량^*[g/L](20h - 0h)
+ 세포	2.48	4.33	1.85
- 세포 유산소 공실험	2.48	1.55	-0.93
- 세포 무산소 대조실험	2.48	2.7	0.22

L-아스코르브산의 초기 농도 4.6 g/L
	각 반응 시간에서의 L-아스코르브산[g/L]	순수 생산량^*[g/L](20h - 0h)
	0	순수 생산량^*[g/L](20h - 0h)	20
+ 세포	4.55	6.64	2.09
- 세포 유산소 공실험	4.55	3.02	-1.53
- 세포 무산소 대조실험	4.55	4.21	-0.34
* : 순수 생산량은 (20 시간 후까지 축적된 L-아스코르브산의 양) - (0 시간에서 첨가된 양)을 의미한다.

본 발명의 호열호산성 미생물은 알리사이클로바실러스 속의 세균으로서 약 30 내지 약 100℃의 온도 및 약 1 내지 약 6의 pH와 같은 극한의 환경하에서 성장가능하며, 상기 미생물의 돌연변이체는 또한 높은 농도의 기질에 대해서도 내성을 갖는 것으로 나타났다. 2-케토-L-굴론산 또는 2-케토-D-글루콘산의 유리 산, 또는 이들의 나트륨, 칼륨 또는 칼슘 염을 이러한 호열호산성 미생물의 세포와 함께 약 30 내지 약 100℃의 온도 및 약 1 내지 약 6의 pH에서 배양시키면 L-아스코르브산 또는 D-에리토르브산, 또는 이들의 적절한 염을 형성하는데, 이들 생성물의 생산성은 본 발명의 호열호산성 미생물을 사용하지 않은 경우 또는 상기 미생물이 생존할수 없는 무산소 조건에서보다 훨씬 높게 나타났다.

Claims

2-케토-L-굴론산 또는 2-케토-D-글루콘산의 유리 산, 또는 이들의 나트륨, 칼륨 또는 칼슘 염을 호열호산성(thermoacidophilic) 미생물의 세포와 함께 약 30 내지 약 100℃의 온도와 약 1 내지 약 6의 pH의 용액중에서 배양시켜 L-아스코르브산 또는 D-에리토르브산, 또는 이들의 적절한 염을 형성시키는 단계, 및 상기 용액으로부터 L-아스코르브산 또는 D-에리토르브산, 또는 이들의 적절한 염을 분리시키는 단계를 포함하는, 2-케토-L-굴론산 또는 그의 나트륨, 칼륨 또는 칼슘 염으로부터 L-아스코르브산 또는 그의 나트륨, 칼륨 또는 칼슘 염을 제조하거나, 또는 2-케토-D-글루콘산 또는 그의 나트륨, 칼륨 또는 칼슘 염으로부터 D-에리토르브산 또는 그의 나트륨, 칼륨 또는 칼슘 염을 제조하는 방법.
알리사이클로바실러스(Alicyclobacillus) 종 NA-20(DSM No. 13649), 알리사이클로바실러스 종 NA-21(DSM No. 13650) 및 알리사이클로바실러스 종 FJ-21(DSM No. 13651).