KR100500333B1

KR100500333B1 - 생물활성수를 함유한 배지조성물 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100500333B1
Application number: KR10-2002-0016228A
Authority: KR
Inventors: 김미경
Original assignee: 김미경
Priority date: 2002-03-22
Filing date: 2002-03-22
Publication date: 2005-07-11
Also published as: KR20030076133A

Abstract

본 발명은 축산폐수(돼지 뇨)를 이용하여 호기성 미생물과 미네랄로 발효시킨 액(생물활성수:Bacteria Mineral Water)을 기존의 상용 배지조성물(BBM10 %)에 첨가하여 제조한 배지조성물을 개발하여 식물플랑크톤(예 Scenedesmus spp.)의 생산력을 최대화시키는데 그 목적이 있다. 지속적으로 영양원을 공급해야하는 계대배양(batch culture)에 본 발명 배지조성물을 사용 시에 일반 배지조성물과는 달리 장기간 배양에도 불구하고 새로이 영양원을 재공급하지 않고도 식물플랑크톤이 지속적으로 세포 분열된다. 본 발명 배지조성물에서 자란 식물플랑크톤 등의 세포는 생리학적인 활성도가 월등히 높고, 생화학적 대사물질(예: 구성아미노산, 엽녹소, 엽황소 등)도 일반 배지조성물에서 자란 식물플랑크톤 등에 비해 최고 약 300%이상 높게 합성이 된다. 이 발명은 오늘날 수질오염의 주원인이 되는 축산폐수를 재활용하여 수질오염을 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 본 발명 배지조성물의 활용으로 항산화제, 생리활성물질과 영양원을 극대화시킨 식물플랑크톤을 대량 배양하여 항암제 및 면역강화제와 같은 의약품, 건강보조식품, 화장품, 음료수 및 식품 첨가물, 천연조미료와 사료개발에 응용이 가능한 식물플랑크톤의 산업적 부가가치를 높일 수 있는 기술이다.

Description

생물활성수를 함유한 배지조성물 및 그 제조방법{Culture medium with BMW, and the processing method}

본 발명은 식물성플랑크톤이 자랄 수 있는 배지조성물과 그 제조방법에 관한 것으로서, 상용배지조성물과 생물활성수를 일정 비율로 혼합하여 조제하는 배지조성물과 그 제조방법에 관한 것이다.유전자 재조합 기술로만 형질이 전환되는 육상 고등식물의 특징과는 달리 미세조류는 성장환경과 배양조건에 따라 생리적, 생화학적인 대사작용이 민감하게 스스로 변화하는 특징을 지니고 있어 육상식물에 비해 환경에 대한 적응력이 뛰어나고, 수계(담수, 해수)에 높은 생산력을 지니고 있어 오·폐수의 오염원(영양염과 중금속) 제거 생물로 이용될 뿐만 아니라 어류의 사료, 건강 및 대체식품, 식품첨가물, 의약품과 화장품 제조의 원료로 이용되고 있다. 종래에는 미세조류인 식물플랑크톤을 대량 배양하기 위해 지속적으로 영양원(미네랄과 비타민 등)을 주입하는 연속배양 (continous culture) 방법을 이용하고 있다. 이러한 방법은 배양시간이 지남에 따라 배지조성물 내에 영양원을 식물플랑크톤이 섭취함으로 영양원의 고갈현상이 심화되기 때문에 지속적으로 배지조성물을 투입하여야 하는 번거러움과 연속배양 장치를 지속적으로 유지해야 하는 비용이 많이 들어 경제성이 떨어질 뿐만 아니라 새로이 유입되는 배지조성물에 대한 적응력을 향상시키기 위해 식물플랑크톤의 생리 생화학적인 활성이 낮아져 산업적인 응용 효율이 떨어지는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 연속배양의 단점을 보완하고 식물플랑크톤의 산업적인 효율성을 증가시키기 위해 배지조성물을 이용함으로 지속적인 영양원을 주입하지 않고도 장기간(최하 1개월 이상) 동안 식물플랑크톤을 대량 배양하여 산업적인 부가가치를 최대화하고자 함을 목적으로 한다. 이와 같은 목적을 달성하기 위하여 종래의 상용 배지조성물(BBM 10중량%, f/2, Chu 10, BG11 등)만을 이용했을 때보다 상용배지조성물과 생물활성수를 일정 비율로 조제하는 제조방법과 그 배지조성물을 제공한다. 본 발명 배지조성물에서 생장한 식물성플랑크톤은 엽록소 a, 카로티노이드(α & β-카로틴, 아스탄크산틴, 루테인)와 필수아미노산 등 2차 생화학적 대사물질(구성아미노산)이 최고 300%이상 높게 합성되고, 생물 노화현상의 지표가 되는 지질과 지방산은 오히려 상용 배지조성물에서 자란 식물플랑크톤 보다 낮게 합성된다. 본 발명 배지조성물에서 자란 식물플랑크톤을 항암제 및 면역강화제와 같은 의약품, 건강보조식품, 화장품, 음료수 첨가물, 천연조미료와 사료의 기초 원료 물질로 이용하는 이용방법을 제공한다.

이하, 본 발명의 구성을 설명한다.본 발명 배지조성물은 식물플랑크톤의 배양을 위한 배지조성물에 있어서,돼지의 뇨가 유입된 용기에 암석과 부식토 펠르트(pellet)를 투입하고 폭기시켜 발효시킨 생물활성수(Bacteria Mineral Water)3중량%;와 상용배지조성물 97중량%;를 혼합한 것이다.상기 배지조성물의 제조방법은, 돼지의 뇨가 유입된 용기에 암석과 부식토 펠르트를 투입하고 발효시켜 생물활성수를 제조하는 단계;와,상용배지조성물 10중량%에 물 90중량%를 투입하여 10%의 상용배지조성물을 제조하는 단계;와,상기 생물활성수 3중량%와 10%의 상용배지조성물 97%를 혼합하는 단계;를 포함한다.또한, 상기 배지조성물에서 식물플랑크톤을 대량 배양하여 의약품 또는 기능성식품, 화장품의 기초 원료물질로 이용할 수 있다.이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면 및 표를 참조하여 상세하게 설명한다. 본 발명 일 실시 예로 사용된 녹조류 Scendesmus spp.는 세계 어디에서나 서식하는 보편종이고, 담수에 가장 많이 서식하는 우점종 중에 한 종이다.- 상용배지조성물의 제조의 일 실시예상용배지조성물이란 BBM이나 F/2, Chu 10, BG11, 물 등을 지칭하는 것이다.본 발명 실시예에서의 상용배지조성물은 BBM을 사용했으며 다음과 같이 제조된다.상용배지조성물(BBM-Bold's Basal Medium)의 구성 성분표(참고문헌: Stein J. 1973. Handbook of Phycological Methods. Culture Methods and Growth Measurements, 448 pp. Cambridge: Cambridge University Press)를 나타내는 표1에서와 같은 배합비율로 상용배지조성물(BBM 10중량% pH=6.8)(Stein 1973)을 제조한다. - 생물활성수의 제조생물활성수(Bacteria Mineral Water)(참고문헌: 히로시 N. 1998. 세균이 지구를 구한다 - BMW 기술의 도전. 도서출판 푸른평화, 216pp.)는 돼지의 뇨 등 축산폐수를 재활용한 활성수로서 일반적인 제조방법은 다음과 같다.돼지의 뇨가 유입된 용기에 암석과 부식토 펠르트를 투입하여 폭기시켜 발효시킨 최종처리수인 생물활성수를 제조한다.여기서, 폭기를 하는 것은 돼지의 뇨에 포함된 유기물질을 분해하기 위한 것으로, 폐수의 악취와 오염물질을 제거하고 미생물이 효과적으로 증식되게 하는 역할을 하게 된다.그리고, 암석은 돼지뇨와 암석 및 부식토 펠르트에 포함된 박테리아의 서석처 역할을 하고 암석의 미네랄이 박테리아에 공급되어 박테리아의 증식이 극대화되므로 발효가 잘일어나게 한다.- 본 발명 배지조성물의 제조본 발명 배지조성물은 실시 예로서 상기 상용 배지조성물(BBM 10%) 97중량%와 생물활성수 3중량%을 혼합한 것으로서, 배합비율은 다소 조정될 수 있으나 아래와 같은 실험에서 생물활성수를 3중량%를 사용한 경우가 가장 효과적이다. 아래 표에 기재된 KEP는 본 발명 배지조성물을 지칭하는 것으로 KIM & ECOPEACE의 약어이다.

- 실험예실험예로서 본 발명 배지조성물은 상기 상용 배지조성물(BBM 10%; pH=6.8)(Stein 1973)에 각각 0.05중량%, 1중량%, 2중량%, 3중량%, 5중량%, 7중량%, 9중량%의 생물활성수를 첨가하여 동일한 성장 조건(광주기: 14h-명/10h-암; 광도: 115μmol m^-1s^-1; 온도: 24℃)의 배양실에서 녹조류인 Scenedesmus spp. (Scenedesmus acutus, S. spinosus와 S. quadricauda가 섞인 식물플랑크톤)을 약 2개월간 배양한 결과, 도1에서와 같이 3중량%의 생물활성수를 첨가한 본 발명 배지조성물, 즉 배지조성물(pH=6.6)에서 성장한 Scendesmus spp.의 세포가 가장 왕성한 성장을 보인다. 따라서 10%의 상용 배지조성물 97중량%에 생물활성수 3중량%를 첨가한 것이 가장 최적 농도이다. 이 배지조성물의 효과를 비교하기 위해 상용 배지조성물인 대조구(Control)와 발효되지 않은 일반 축산폐수를 첨가한 배지조성물(WW: Waste Water)을 동시에 이용하여 Scenedesmus spp.의 배양을 시도했지만 도1에서와 같이 배지조성물의 성장기 성장률(exponential growth)(0.12)이 가장 높고, 대조구 배지조성물의 성장기 성장률(0.4)보다 3배가 높게 나타난다.

- 본원 배지조성물에서 자란 식물성플랑크톤의 특징과 그 이용방법.배지조성물에서 자란 Scenedesmus spp.의 세포가 생리적으로나 생화학적으로 활성도가 우세한지를 증명하기 위해 기존의 분석 방법들을 다음과 같이 이용한다. 광합성 효율을 측정하기 위해 엽록소형광측정기(Phyto-PAM: Walz)를 이용하고, 생체 에너지를 나타내는 ATP(아데노신 트리포스페이트: adenosine triphosphate)의 농도 측정은 발광계(TD-2O/2O; Turner Designs, 2000)로 분석하고, 엽록소의 농도 측정은 기존의 방식(De Loura et al., 1987)을 이용하고, 엽황소(카로티노이드)는 김과 이(1998)의 방법으로 HPLC기기(SPD-M6A; Simadu)를 이용하여 분석한다. 지방산 분석은 김 등(Kim et al,, 1996)의 방법으로 가스 크로마토그라프 기기(HP 6890 Series)로 분석한다.도1에 도시된 바와 같이 Scendesmus spp.가 상용 배지조성물과 WW배지조성물에서 성장한 세포는 노화현상이 배양 후, 21일부터 시작이 되지만 배지조성물에서 배양된 Scendesmus spp.는 41일에서 노화 현상이 시작된다. 도2는 세 가지 종류의 배지조성물에서 배양된 식물플랑크톤(Scenedesmus spp.)을 엽록소형광측정기(Phyto-PAM)로 나타난 광계 II의 광합성 효율을 도시한 도면으로서, 배지조성물에서 자란 Scendesmus spp.의 광합성 효율이 배양기간이 지남에 따라 훨씬 높고, 도3은 세 가지 종류의 배지조성물에서 배양될 식물플랑크톤(Scendesmus spp.)의 ATP (아데노신 트리포스페이트: adenosine triphosphate) 농도의 변화를 도시한 도면으로서, ATP의 농도도 배양 51일 후에 가장 높게 나타난다. 도8은 종래 control(대조구)배지조성물에서 배양된 식물플랑크톤(좌: cenedesmus spinosus; S. acutus)을 나타낸 것으로서 색소체가 파괴되었고, 핵모양도 분명하게 나타나지 않은 반면,도7에 도시된 바와 같이 배지조성물에서 배양된 식물플랑크톤(좌:Scenedesmus. quadricauda; 우:S. spinosus)의 경우 색소체가 아주 양호하고 핵모양이 뚜렷하며, 도9에서와 같이 34일간 서로 다른 배지조성물에 따른 식물플랑크톤 색소변화 (1번-Control배지조성물; 2번-배지조성물, 3번-WW배지조성물)에 있어서 배지조성물에서는 다른 2 배지조성물보다 더 짙은 녹색을 띄는데 이는 엽록소의 합성이 훨씬 높은 것으로서 육안으로 식별이 가능하다.도4는 세 가지 종류의 배지조성물에서 배양된 식물플랑크톤(Scenedesmus spp.)의 엽록소 농도의 다양성을 도시한 것으로서, 배양 31일 후에는 본 발명 배지조성물에서 생장한 Scenedesmus spp.의 엽록소 α농도와 총엽록소가 가장 높게 나타난다. 특히 배양 31일경부터 배지조성물에서 자라는 Scenedesmus spp.의 시료 색깔은 엽록소가 높게 축적되어 짙은 녹색을 뛰는 반면에, 상용 배지조성물과 WW배지조성물에서 자란 Scenedesmus spp.의 세포는 엽록소가 분해되어 시료 전체가 노란색으로 탈색이 되는 현상이 나타난다.도5는 세 가지 종류의 배지조성물에서 배양된 식물플랑크톤(Scenedesmus spp.)의 엽황소(카로티노이드)의 종류와 농도(As: 아스타크산틴, astaxanthin; Lu: 루테인, lutein; Al-crt: α-카로틴, carotene; Bt-crt: Bt-crt: β-카로틴; TC: 총카로티노이드, total carotenoid)를 도시한 도면으로서, 오늘날 항산화제와 항암제로 연구되는 엽록소와 α,β-카로틴, 아스탄크산틴, 루테인 등의 엽황소(카로티노이드)도 본 발명 배지조성물에서 자란 Scenedesmus spp.에서 가장 높게 나타난다. 도6은 세 가지 종류의 배지조성물에서 배양된 식물플랑크톤(Scenedesmus spp.)의 지방산의 농도 변화를 도시한 도면으로서, 하나 지질을 구성하는 지방산은 본 발명 배지조성물에서 자란 Scenedesmus spp.에서 가장 낮은 농도를 나타내며, 세 가지 종류의 배지조성물에서 배양된 식물플랑크톤(Scenedesmus spp.)의 아미노산 농도(Asp: 아스파르산; Thr: 트레오닌; Ser: 세린; Glu: 글루탐산; Pro: 프롤린; Gly: 글리신; Ala: 알라닌; Cys: 시스틴; Val: 발린; Met: 메티오닌; Ile: 이소루이신: Leu: 루이신; Tyr: 티로신; Phe: 페닐알라닌; His: 히스티딘; Lys: 리신; Arg: 아르기닌)표2와 세 가지 종류의 배지조성물에서 배양된 식물플랑크톤(Scenedesmus spp.)의 필수아미노산 농도를 표시한 표3에서와 같이 또한 배지조성물에서 자란 Scenedesmus spp.가 단백질의 구성성분인 아미노산의 총농도(336 mg/L)와 필수아미노산의 농도(119 mg/L)는 상용 배지조성물에서 자란 Scenedesmus spp.(아미노산 총농도: 124 mg/L; 필수아미노산: 44 mg/L)보다 무려 약 300중량%나 높게 합성이 된다. 따라서, 상기한 바와 같이 본 발명 배지조성물에서 식물성플랑크톤(Scenedesmus spp.)을 배양시킨 배양물질은 항암제 및 면역강화제와 같은 의약품이나 건강보조식품, 화장품, 음료수 첨가물, 천연조미료, 사료 등의 기초 원료물질로 활용할 수 있다. 예컨대, 배양된 식물플랑크톤이 포함된 배양물질을 0.1~10중량%의 양을 음식물에 투입하여 통상의 음식물 제조공정에 따라 제조한다. 상기 배양물질은 음식물 뿐 아니라 의약품이나 화장품 등에도 응용하여 사용될 수 있다.

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＜참고문헌＞

De Loura IC, Dubacq JP, Thomas JC (1987) Plant Physiol. 83: 838--843.

Kim MK, Dubacq JP, Thomas JC, Giraud G (1996) Phytochemistry 43: 49-55.

Kim MK, Lee HW (1998) Algae 13: 151--155.

Stein J (1973) Handbook of Phycological Methods. Culture Methods and Growth Measurements, 448 pp. Cambridge: Cambridge University Press.

Turner Designs (2000) A TD-20/20 luminometer method for ATP measurements.

Turner Designs Biotechnology pp.1--4.

본 발명의 효과는 다음과 같다.본원 배지조성물에서 식물성플랑크톤을 계대배양에서 조차 미네랄의 고갈현상으로 나타나는 일반적인 색소파괴 현상이 일어나지 않고, 지속적으로 식물플랑크톤의 세포분열이 일어나며, 광합성의 광계 II의 광합성 효율을 나타내는 생리학적인 활성도가 월등히 높고, 세포의 성장주기에 있어 정체기인 세포의 노화가 시작하는 시기가 연장이 되며, 성장조건(광량, 광주기, 광질, 온도, 성장호르몬 등)을 다양화하여 상기의 결과에 시너지효과가 있을 뿐만 아니라 배지조성물을 다양한 본 발명 배지조성물을 개발하여 시너지효과를 창출할 수 있는 효과가 있으며, 또한, 본 발명 배지조성물에서 자란 식물성플랑크톤은 엽록소와 α,β-카로틴, 아스탄크산틴, 루테인 등의 엽황소(카로티노이드)가 높게 생성되고, 지질을 구성하는 지방산의 경우 낮은 농도를 나타내게 되며, 단백질의 구성성분인 아미노산의 총농도(336 mg/L)와 필수아미노산의 농도(119 mg/L)가 상용 배지조성물에서 자란 식물성플랑크톤에 배해 무려 300중량%나 높게 합성이 되기 때문에 생리활성물질과 면역조절물질을 분석(bioassay)하여 식물성플랑크톤을 항암효과와 건강보조식품, 화장품, 음료수 첨가물, 천연조미료와 사료로 개발할 수 있는 중요 생물자원으로 이용할 수 있는 효과가 있다.

도1은 세 가지 종류의 배지조성물에서 배양된 식물플랑크톤(Scendesmus spp.)의 세포생장률 변화(Control: 상용 배지조성물(BBM10중량%); 본원 배지조성물: 상용배지조성물에 발효된 돼지 뇨(생물활성수)를 3중량% 첨가한 배지조성물; WW: 상용배지조성물에 발효되지 않은 일반 돼지 뇨를 3중량% 첨가한 배지조성물)를 나타내는 도면.도2는 세 가지 종류의 배지조성물에서 배양된 식물플랑크톤(Scenedesmus spp.)을 엽록소형광측정기(Phyto-PAM)로 나타난 광계 II의 광합성 효율을 도시한 도면.도3은 세 가지 종류의 배지조성물에서 배양될 식물플랑크톤(Scendesmus spp.)의 ATP (아데노신 트리포스페이트: adenosine triphosphate) 농도의 변화를 도시한 도면.도4는 세 가지 종류의 배지조성물에서 배양된 식물플랑크톤(Scenedesmus spp.)의 엽록소 농도의 다양성을 도시한 도면.도5는 세 가지 종류의 배지조성물에서 배양된 식물플랑크톤(Scenedesmus spp.)의 엽황소의 종류와 농도(As: 아스타크산틴, astaxanthin; Lu: 루테인, lutein; Al-crt: α-카로틴, carotene; Bt-crt: Bt-crt: β-카로틴; TC: 총엽황소, total carotenoid)를 도시한 도면.도6은 세 가지 종류의 배지조성물에서 배양된 식물플랑크톤(Scenedesmus spp.)의 지방산의 농도 변화를 도시한 도면.도7은 본 발명 배지조성물에서 배양된 식물플랑크톤(좌:Scenedesmus. quadricauda; 우:S. spinosus)을 도시한 도면.도8은 종래 control(대조구)배지조성물에서 배양된 식물플랑크톤의 상태를 나타내는 도면.도9는 34일간 서로 다른 배지조성물에 따른 식물플랑크톤 색소변화를 도시한 도면.

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Claims

식물플랑크톤의 배양을 위한 배지조성물에 있어서,

돼지뇨가 유입된 용기에 암석 및 부식토 펠르트(pellet)를 투입하고 폭기시켜 발효시킨 최종 처리수인 생물활성수(Bacteria Mineral Water) 3중량%와, 상용배지조성물 97중량%를 혼합하여 제조되는 생물활성수를 함유하는 배지조성물.
돼지뇨가 유입된 용기에 암석 및 부식토 펠르트를 투입하여 폭기시키고 발효시켜 생물활성수를 제조하는 단계와, 상용배지조성물 10중량%에 물 90중량%를 투입하여 10%의 상용배지조성물을 제조하는 단계와, 상기 생물활성수 3중량%와 10%의 상용배지조성물 97%를 혼합하는 단계를 포함하는 생물활성수를 함유하는 배지조성물의 제조방법.