고초균과 젖산균의 혼합 발효를 통한 sodium L-glutamate로부터 poly-γ-glutamic acid와 γ-aminobutyric acid의 생산 최적화 :Optimum Bioconversion of Sodium Glutamate to γ-poly-glutamic Acid and γ-amino-butyric Acid by Mixed Fermentation Using Lactic Acid Bacteria and Bacillus subtilis HA

김정석

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김정석 (계명대학교, 계명대학교 대학원)

지도교수: 이삼빈

발행연도: 2013

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이용수7

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2013

고초균과 젖산균의 혼합 발효를 통한 sodium L-glutamate로부터 poly-γ-glutamic acid와 γ-aminobutyric acid의 생산 최적화

김정석 식품가공학과 2013.01 학위논문

2012

고초균과 젖산균의 이단발효를 통한 γ–PGA 및 GABA 생산

김정석 , 조정훈 , 이삼빈 한국식품영양과학회 학술대회발표집 2012.10 학술대회자료

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Bacillus subtilis HA를 이용하여 3% sodium glutamate가 존재하는 제한배지에서 42℃, 3일 동안 1차 액체 발효하여 γ-poly-glutamic acid (γ-PGA)를 생산하고, 젖산균으로 2차 발효하여 γ-aminobutyric acid (GABA)가 생산된 발효물의 물리화학적 특성을 평가하였다. 1차 고초균 발효 시 pH는 6.50, 생균수 1.20×108 CFU/mL, 점도 0.4593 Pa·sn, tyrosine 21.86 mg% glutamic acid 12.92 mg/mL로 나타났다. 2차 젖산균 발효 시 GABA 생산능이 있는 3가지 젖산균을 이용하여 스타터 접종량 및 발효 온도에 따라 최대로 GABA를 생산하는 조건을 결정하였다. L. plantarum K154 균 접종량에 따른 GABA생산은 접종량이 많을수록 GABA 함량이 단기간에 증가되는 것을 TLC로 확인 하였다. 젖산 발효중에 GABA 생산은 37℃ 발효에서 GABA 함량이 가장 높게 나타났으며, 3일 동안 발효한 발효물의 glutamic acid 함량이 4.05 mg/mL로 감소하면서 GABA 함량은 8.58 mg/mL로 크게 증가하였다. 젖산발효 1-3일 동안 발효물의 pH는 4.26-4.73 으로 서서히 증가되었으며, 산도는 서서히 감소하는 경향을 보였다. 발효물의 점도는 2차 젖산 발효 후 0.03 Pa·sn 로 급격히 떨어지는 것으로 나타났으며 sodium glutamate 전환율은 1차 고초균 발효에서 56.7%에서 2차 젖산균 발효에서 80.87 %의 전환율을 보였다. 1차 고초균 발효물과 skim milk 함량을 비율별로 혼합하여 젖산균 starter 2%, 37℃에서 L. plantarum K154로 발효한 결과 75:25와 50:50 비율에서 GABA 함량이 높은 것으로 나타났으며 그 중 50:50 비율에서 발효 하였을 때 sodium glutamate가 GABA로 97.65%의 전환되는 것으로 나타났다. 최적 GABA 생성 조건에서 5 L 발효조를 이용하여 젖산균에 의해 72시간 동안 발효한 결과 sodium glutamate가 거의 전부 전환되면서 GABA 함량이 4836.42 μg/mL인 것으로 나타났다. 특히, 2차 젖산 발효물은 pH 5.73-4.00 으로 산성화 되면서 산도는 0.86 -1.84% 범위를 나타냈으며, 생균수는 1.77×109-6.85×108 CFU/mL로 서서히 감소되는 것으로 나타났다. 따라서 1차 고초균 발효와 2차 젖산균 발효로 생성된 GABA, γ-PGA, peptides 및 probiotics가 함유된 기능성 발효물을 생산하는 것이 가능하며, 이를 이용하여 식품 및 생물 산업에 사용될 수 있을 것을 사료된다.

A functional ingredient fortified with γ-poly-glutamic acid and γ-amino butyric acid was produced with sodium glutamate by a mixed fermentation using Bacillus subtilis HA and lactic acid bacteria. The physicochemical properties of fermented broth were evaluated by determining consistency, acidity, mucilage, r-PGA, GABA contents, and viable cell counts. Viscous culture broth was obtained by a first fermentation of defined medium including 3% sodium glutamate using B. subtilis HA for 3 days at 42℃, indicating pH 6.50, viable cell counts 1.20×108 CFU/mL, consistency 0.4593 Pa·sn, tyrosine 21.86 mg% glutamic acid 12.92 mg/mL, respectively. The bioconversion of sodium glutamate to r-PGA was approximately 56.7%. Next, GABA producing lactic acid bacteria were used for the bioconversion of remaining sodium glutamate to GABA according to the starter inoculum content and fermentation temperature. Of these L. plantarum K154 was confirmed as the best GABA producing strain. The sodium glutamate remaining in the culture broth after 1st fermentation by B. subtilis was efficiently converted to GABA during LAB fermentation at 37℃ for 3 days, resulting in the production of GABA with 8.58 mg/mL and a conversion yield of 86.7%. The LAB fermented broth showed an acidic pH (4.26 to 4.73) and drastically decreased consistency. During the second LAB fermentation, the fortification of skim milk enhanced the cell viability and increased acidity and viable cell counts. In particular, in the case of the first culture broth fortified with 50% skim milk, the sodium glutamate was completely bio-converted into GABA with a convertion yield of 97.65% by the second fermentation using L. plantarum K154 (2%) at 37℃ for 2 days. The fortification of skim milk resulted in higher acid production and enhanced cell viability. The final culture broth showed approximately pH 4.0 and 1.84% acidity. Viable cell counts slightly decreased with a range of 1.77×109-6.85×108 CFU/mL. It is concluded that novel ingredient fortified with γ-PGA, GABA, and probiotics can be obtained by mixed fermentation and widely utilized as functional ingredients in food and bioindustry.

Ⅰ. 서론 1
Ⅱ. 재료 및 방법 5
1. 재료 5
2. 사용균주 5
3. 스타터 배양 5
4. 효소활성 실험 6
5. -PGA 생산을 위한 1차 고초균 발효 7
6. GABA 생산을 위한 2차 젖산균 발효 7
7. Jar fermentor (5 L)에 의한 대량 발효 10
8. 1차 고초균 발효 및 2차 젖산균 발효물의 이화학적 분석 10
(1) pH 및 적정산도 측정 10
(2) 생균수 측정 10
(3) 점질물 함량 측정 10
(4) 점조도 측정 11
(5) Tyrosine 함량 측정 11
(6) Sodium glutamate 잔존량 및 GABA 전환율 측정 12
(7) 유리아미노산 함량 측정 12
Ⅲ. 결과 및 고찰 15
1. 효소활성 측정 15
2. 1차 고초균 발효물의 이화학적 특성 20
(1) pH 및 생균수 변화 20
(2) 점조도 및 점질물 변화 20
3. 2차 젖산균 발효의 이화학적 특성 23
(1) 젖산균 종류 및 접종량에 따른 발효 특성 23
1) pH 및 생균수 변화 23
2) 산도 및 점조도 변화 24
3) TLC를 이용한 GABA 생성 및 sodium glutamate 전환율 측정 29
(2) 발효 온도에 따른 발효 특성 34
1) pH 및 생균수 변화 34
2) 산도 및 점조도 변화 35
3) TLC를 이용한 GABA 생성 및 sodium glutamate 전환율 측정 40
4) 유리아미노산 분석 42
(3) 1차 고초균 발효물과 skim milk 혼합 비율에 따른 2차 젖산 발효 특성 44
1) pH 및 생균수 변화 44
2) 산도 및 tyrosine 함량 변화 45
3) TLC를 이용한 GABA 생성 및 sodium glutamate 전환율 측정 48
4) 유리아미노산 분석 51
(4) Jar fermentor (5 L) 대량 발효에 따른 발효 특성 53
1) pH, 산도 및 생균수 변화. 53
2) TLC를 이용한 GABA 생성 및 sodium glutamate 전환율 측정 55
Ⅳ. 참고문헌 57
(영문초록) 66
(국문초록) 69

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