KR100505354B1

KR100505354B1 - 식이섬유 제조용 미생물 균주 및 이를 이용한 식이섬유 제조방법

Info

Publication number: KR100505354B1
Application number: KR10-2001-0047536A
Authority: KR
Inventors: 문철호; 김미림; 김성호; 정은재; 최경호
Original assignee: 학교법인 경북과학대학
Priority date: 2001-08-07
Filing date: 2001-08-07
Publication date: 2005-07-29
Also published as: KR20030015399A

Abstract

본 발명은 식이섬유를 제조하기 위한 피막의 생성능이 우수한 미생물 균주 및 이를 이용한 식이섬유의 제조방법에 관한 것이다. 상기 미생물 균주는 글루코노아세토박터 한세니 TL-2이다. 본 발명의 식이섬유 제조방법은 글루코노아세토박터 속에 속하는 세균을 배지에 접종하는 단계; 상기 접종된 세균을 배양하여 피막을 형성하는 단계; 및 상기 피막을 정제하여 식이섬유를 제조하는 단계를 포함한다.

Description

식이섬유 제조용 미생물 균주 및 이를 이용한 식이섬유 제조방법 {MICROORGANISM FOR PRODUCING DIETARY FIBER AND A METHOD FOR PRODUCING DIETARY FIBER USING THE SAME}

본 발명은 식이섬유를 제조하기 위한 피막의 생성능이 우수한 미생물 균주 및 이를 이용한 식이섬유의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 글루코노아세토박터(Gluconoacetobacter) 속에 속하는 식이섬유 제조용 발효 균주 및 이를 이용한 식이섬유의 제조방법에 관한 것이다.

당이나 천연과즙류를 이용하여 셀룰로오스 등의 식이섬유를 생산하는 종래의 발효방법에서는 수종의 세균과 효모가 관여하는 공생 발효 시스템(Symbiotic fermentation system)을 이용한다. 이러한 발효 시스템의 주된 발효균으로는 편성호기성(偏性好氣性) 간균(桿菌)인 아세토박터(Acetobacter)속 세균과 통성혐기성(通性嫌氣性) 효모인 사카로마이세스(Saccharomyces)가 있다. 아세토박터속 세균으로는 A. aceti와 A. xylinum가 있으며, 효모로는 사카로마이세스 세레비시아(Saccharomyces cerevisiae)가 있다. 아세토박터는 아세트산을 생성함과 동시에 배양액의 표면에 식이섬유의 원재료가 되는 피막을 생성한다. 그러나 아세토박터는 알콜 분해력은 강하나 당 분해력이 약하기 때문에 식이섬유의 생산에 제약이 있다. 따라서 일반적인 발효 시스템에는 효모를 첨가하여 당을 알콜로 분해함으로써 아세토박터의 기능을 활성화시키는 방법이 이용되고 있다.

현대사회의 생활에서 식생활과 개인의 건강과는 밀접한 연관을 가지고 있으며 이에 대한 관심도 높아지고 있다. 특히, 충분한 양의 식이섬유의 섭취는 대장의 건강을 위해서나 또한 장내의 유해세균이나 유해물질의 배출을 위해서 필수적인 것으로 알려져 있다. 또한 현대 사회의 생활여건상 충분한 운동과 올바른 식생활 조절이 이루어지지 않아 이에 따른 비만이 각 개인의 건강을 위협하고 있다. 이러한 비만치료를 위하여 많은 사람들이 다이어트를 실시하고 있고 이러한 다이어트시에 포만감을 줄 수 있고 다이어트의 효과를 높일 수 있는 식이섬유의 섭취가 필수적인 것으로 인식되고 있다.

따라서 이러한 식이섬유의 섭취를 위해서는 자연적으로는 채소나 과일류의 섭취를 권장하고 있으나 인체에 필요한 식이섬유의 섭취를 위해서는 다량의 채소나 과일류를 섭취하여야 하는 문제가 있다. 이에 따라 음료수나 기타 식품에 인공적으로 식이섬유를 포함시키는 다양한 형태의 식이섬유 섭취방법이 제공되고 있고, 이들 음료나 식품에 셀룰로오스나 펙틴이 식이섬유로 사용되고 있다.

따라서 이러한 사회환경의 변화에 따라 식이섬유의 필요성은 더욱 절실해지고 있는 실정이며 기존의 식이섬유보다 더욱 개선된 특성을 가지는 식이섬유의 개발이 필요한 상황이다.

본 발명의 목적은 식이섬유를 제조하기 위한 피막의 생성능이 우수한 미생물 균주를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 미생물 균주를 이용한 고기능성 식이섬유의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 식이섬유를 제조하기 위한 피막의 생성능이 우수한 글루코노아세토박터 한세니 TL-2를 제공한다.

또한 본 발명은 글루코노아세토박터 속에 속하는 세균을 배지에 접종하는 단계; 상기 접종된 세균을 배양하여 피막을 형성하는 단계; 및 상기 피막을 정제하여 식이섬유를 제조하는 단계를 포함하는 고기능성 식이섬유의 제조방법을 제공한다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에서는 식이섬유 제조를 위한 주된 발효균으로 글루코노아세토박터 속에 속하는 세균을 사용한다. 본 발명에 사용된 발효균인 글루코노아세토박터 속에 속하는 세균은 다음과 같은 과정을 거쳐 선별되었다. 수종의 세균과 효모를 포함하는 피막 발효계에서 분리한 균주를 에탄올 배지에서 배양하였다. 배양된 발효균의 광학 현미경 사진을 도 1에 도시하였다. 도 1의 광학 현미경 사진으로부터 피막 발효균의 형태 및 산 생성능력을 평가하였다. 피막 발효계에서 분리한 세균중 TF-1은 에탄올 배지에서 클리어 영역(Clear zone)을 생성하였으나, TF-2는 클리어 영역을 생성하지 아니하였다.

TF-1과 TF-2 균주를 Biolog GN, G+C 함량 분석법(T_m method), 16S rRNA 서열 유사도 분석(16S rRNA 서열 589 bp) 등을 사용하여 동정하였다. 분석 결과 TF-1은 아세토박토 아세티(Acetobactor aceti)로 동정되었으며, TF-2는 글루코노아세토박터 한세니(Gluconoacetobacter hansenii)로 동정되었다. 이 TF-2가 주된 피막 생성균으로 판정되었다. 이 TF-2를 고체 배지에서 배양하고 그중 가장 큰 콜로니를 만든 균주를 액체 배지에서 증식시킨 다음 고체 배지에 이식하여 배양하고 그중 가장 큰 콜로니를 선택하는 과정을 수회 반복하여 글루코노아세토박터 한세니 TL-2를 얻었다.

상기 발효 균주 글루코노아세토박터 한세니 TL-2는 한국생명공학 연구소의 기탁번호 KCTC10008BP(기탁일: 2001. 7. 10)로 기탁되었다. 본 발명의 글루코노아세토박터 한세니 TL-2의 G+C 함량을 분석한 결과 64.7%이었고 T_m은 84.1℃인 것으로 나타났다. 본 발명에 사용된 글루코노아세토박터 한세니 TL-2는 피막생성 능력이 뛰어난 반면에 아세트산 생산능력이 약한 균주이다. 또한 기존의 아세토박터 세균은 당 분해력이 없기 때문에 피막 생성을 활성화시키기 위해서는 당 분해력을 가진 효모와 함께 배양하여야 하나 본 발명에 사용된 글루코노아세토박터 한세니 TL-2는 상당한 당 분해력을 가지므로 효모와 동시 배양할 필요가 없다.

본 발명의 식이섬유 제조원료인 피막 생성용 발효균으로는 글루코노아세토박터 한세니 TL-2이외에도 글루코노아세토박터 속에 속하는 세균으로 글루코노아세토박터 한세니(Gluconoacetobacter hansenii) LMG 1527T, 글루코노아세토박터 유로파오스(Gluconoacetobacter europaous) DSM 6160T, 글루코노아세토박터 크실너스(Gluconoacetobacter xylinus) subsp. 수크로퍼멘탄스(sucrofermentans) BPR2001T, 글루코노아세토박터 크실너스(Gluconoacetobacterxylinus) subsp. 크실너스(xylinus) LMG 1515, 글루코노아세토박터 디아조트로픽커스(Gluconoacetobacter diasotrophicus) LMG 7603T, 글루코노아세토박터 사카리(Gluconoacetobacter sacchari) DSM 12717T, 글루코노아세토박터 리퀘파시엔스(Gluconoacetobacter liquefaciens) LMG 1382T 등이 사용될 수 있다. 상기 미생물들은 Belgian Federal Science Policy Office에서 제공하는 The Belgian Co-ordinated Collections of Micro-organisms (http://www.belspo.be/bccm)에 이미 등재되어 있는 미생물로 상기 인터넷 사이트를 통해 입수할 수 있다.

상기 글루코노아세토박터 속에 속하는 세균을 피막 생성용 배지에 접종하여 식이섬유의 원료인 피막을 형성한다. 피막 생성용 배지로는 식물 추출물 10 내지 20 %와 백설탕 10 %를 포함하는 것이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 식물 추출물로는 홍차, 감잎차 등과 같은 다류, 포도, 머루, 감귤, 감, 키위, 코코넛 등과 같은 과실류, 호박 등과 같은 채소류 등의 추출물이 바람직하게 사용될 수 있다.

접종된 세균을 약 28∼32℃에서 6∼20일간 배양하는 것이 바람직하고, 30℃의 온도에서 14일간 배양하는 것이 더 바람직하다. 이 배양 온도 및 배양 기간을 벗어나게 되면 발효에 이상 현상을 초래한다. 배양방법으로는 통상의 방법이 모두 사용가능하며 정치(靜置) 배양하는 것이 바람직하다.

접종 세균을 배양하면 배지 표면에 피막이 형성된다. 배양이 완료된 피막 발효계의 사진을 도 2에 나타내었다. 도 2에서 배양액의 표면에 두께 약 15mm의 피막이 성장한 것을 확인할 수 있다. 세균의 배양조건과 배양방법은 세균에 따라 적절하게 선택할 수 있다. 피막하부의 균체막인 효모의 집락을 제거하여 피막을 분리한다. 상기 분리된 피막을 정제하여 식이섬유를 제조한다. 우선 피막을 적당한 크기로 절단하여 세척 및 살균하고, 지질 및 단백질을 제거하고, 다시 세척후 건조하여 마쇄하여 식이섬유를 얻는다. 피막의 정제공정중 바람직한 일 실시예를 도 3에 도시하였다. 도 3에 도시된 피막의 정제공정은 피막 발효계에서 얻어진 피막을 정리 및 0.5∼0.8mm로 세절하는 단계; 수돗물로 1차 세척하고 증류수로 2차 세척하는 단계; 100℃에서 30분간 살균하는 단계; 에탄올과 에테르를 1:1로 혼합한 50℃의 용액에서 상기 피막을 30분간 2회 반복하여 세척하여 피막으로부터 지질을 추출하는 단계; 0.1N 농도의 50℃ 수산화나트륨 용액에서 상기 피막을 30분간 2회 반복하여 세척하여 피막으로부터 단백질을 추출하는 단계; 수돗물로 1차 세척하고 증류수로 2차 세척하는 단계; 및 60∼80℃의 온풍에서 건조하고 마쇄한 후 80 메쉬를 통하여 선별하는 단계를 포함한다.

본 발명의 식이섬유의 조성은 하기 표 1에 기재된 바와 같다. 고형분은 고순도의 섬유질로 구성되어 있으며, 지질, 환원당 및 단백질 함량이 모두 매우 낮으므로 본 발명의 식이 섬유는 초 저칼로리 식품 원료임을 알 수 있다.

[표 1]

분석항목	분석치	분석방법
수분(%)	2.5 이하	Kett FD-600
고형분(%)	97이상
환원당(㎍/ｇ dry fiber)지질(%, dry fiber)단백질(%, dry fiber)회분(%, dry fiber)	10이하불검출0.2 이하0.03 이하	Somogi-Nelson법Soxhlet법Lowry법건식회화법

본 발명의 공정에 따라 얻어진 식이섬유는 무미, 무취의 백색에서 연갈색의 섬유상 분말이다. 식이섬유의 외관사진을 도 4에 나타내었다.

본 발명의 식이섬유 분말의 광학현미경 사진을 도 5a에 나타내었고 α-셀룰로오스의 광학현미경 사진을 도 5b에 나타내었다. 상기 도 5a 및 도 5b에서 본 발명의 식이섬유는 평균직경이 약 0.2±0.05㎛의 미세한 마이크로파이버(Microfiber)로 구성된 천연섬유임을 알 수 있다. 또한 본 발명의 식이섬유는 시약 등급으로 정제된 α-셀룰로오스보다 더 발달된 우수한 섬유상 구조를 가지며 공격율(空隔率)이 매우 높음을 알 수 있다. 즉 본 발명의 식이섬유 분말은 입자내부에 많은 공간을 가지고 있어서 인간의 장에서 불필요한 물질(중성지질, 콜레스테롤, 유해세균 등)을 흡착해서 밖으로 배설하기에 유리한 넓은 표면적을 가지고 있다. 이에 비하여 시약 등급으로 정제된 α-셀룰로오스는 판상구조를 가지기 때문에 입자내부에 극히 제한된 공간만을 가지고 있다.

도 6a 내지 도 6d는 피막 겔로부터 식이섬유를 정제하는 과정에서 식이섬유의 표면상태 변화를 보인 주사전자현미경으로 관찰한 것이다. 도 6a는 정제하지 않은 발효직후의 피막(겔)으로서 98%의 수분을 함유한 상태이고, 도 6b는 세척후 지질을 제거한 후 건조한 상태이고, 도 6c는 단백질을 제거한 상태이고 도 6d는 80 메쉬 정도로 마쇄하여 내부를 노출시킨 것이다. 전체적으로 정제단계가 진행됨에 따라 완전한 파이버 상태로 변화되어 가는 것을 알 수 있다.

도 7은 본 발명의 식이섬유의 X선 회절분석 결과를 보인 도면이다. 분석기기로는 Geiger flex(model D-max-ⅢB, 이학사)를 사용하고, 회절분석 조건은 다음과 같다: Target Cu-Ni filter I=20A, Slit DS1 RS. 도 7의 결과로부터 본 발명의 식이섬유의 마이크로파이버는 평면성 결정구조를 가지고 있음을 알 수 있다.

본 발명의 식이섬유의 산, 알카리 및 유기용매에 대한 안정성을 다음과 같이 평가하였다. 식이섬유 10mg에 각종 용매 10ml를 첨가하고 30℃에서 36시간 인큐베이션후 빙냉후 원심분리하고 용매충에 유리된 환원당을 Somogyi-Nelson법으로 정량하였다. 그 결과를 하기 표 2에 기재하였다.

식이섬유가 용매와 반응할 때 섬유의 구성성분인 당이 유리되어 나오는데 이 유리 환원당을 측정하여 식이섬유의 용매에 대한 안정성을 평가할 수 있다. 표 2의 결과에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 식이섬유는 모든 용매에 대해서 대단히 안정적임을 알 수 있다.

[표 2]

용매류	유리환원당(㎍/㎖)	용매류	유리환원당(㎍/㎖)
N-하이드로클로릭 에시드	0	메탄올	10
N-니트릭 에시드	0	에탄올(95%)	36
N-퍼클로릭 에시드	0	부탄올	18
N-설퍼릭 에시드	0	아밀 알코올	37
N-아세틱 에시드	0	페놀	14
N-벤조익 에시드	29	아세톤	20
N-옥살릭 에시드	12	벤젠	11
트리클로로아세틱 에시드(5%)	0	디에틸 에테르	14
N-암모니움 하이드로사이드	0	테트라클로로에탄	14
N-포타슘 하이드로사이드	11	트리하이드로퓨란	5
N-소디움 하이드로사이드	13	자일렌	20

본 발명의 식이섬유에 대한 기능성을 검증하기 위하여 Sparaque-Dawly종 백쥐를 실험동물로 사용하여 4주간 식이섬유를 섭취시키고, 혈액 및 간조직 중 콜레스테롤과 중성지질 함량에 미치는 영향을 알아보았다. 본 발명의 식이섬유와의 비교를 위하여, 종래의 식이섬유인 셀룰로오스 및 펙틴을 함께 비교하였다. 모든 실험구에서 고 콜레스테롤(0.5%) 식이를 실시하였으며, 식이섬유의 첨가량은 2%와 4%로 하였다. 그 결과를 하기 표 3에 기재하였다. 표 3에서 '2'로 표시된 군은 '1'로 표시된 군에 비하여 섬유질 급이량을 두배로 한 것이다.

[표 3]

실험군	셀룰로스급식군		펙틴급식군		식이섬유급식군		계(ｇ/㎏ 식이)
실험군	C1	C2	P1	P2	T1	T2	계(ｇ/㎏ 식이)
카세인	150	150	150	150	150	150	900
옥수수 전분	510	510	510	510	510	510	3060
수크로스	150	150	150	150	150	150	900
라드(Lard)	40	40	40	40	40	40	240
소이오일	75	75	75	75	75	75	450
Min.mix	40	40	40	40	40	40	240
Vit.mix	10	10	10	10	10	10	60
콜레스테롤	5	5	5	5	5	5	30
셀룰로오스	20	40	0	0	0	0	60
펙틴	0	0	20	40	0	0	60
파이버	0	0	0	0	20	40	60

상기 실험 결과 식이섬유가 혈중 콜레스테롤 및 중성지질 함량에 미치는 영향을 측정하여 도 8a 및 도 8b에 나타내었다. 도 8b는 도 8a의 '1'군과 '2'군의 평균치를 나타낸다. 도 8a 및 도 8b에서 본 발명에 따른 식이섬유를 급이한 군의 혈중 중성지질이 기존의 식이섬유인 셀룰로오스나 펙틴을 급이한 군에 비하여 유의적으로 감소되었음을 알 수 있다. 식이섬유가 간 조직 중 콜레스테롤 및 중성지질 함량에 미치는 영향을 도 9a 및 도 9b에 나타내었다. 도 9b는 도 9a의 '1'군과 '2'군의 평균치를 나타낸다. 도 9a 및 도 9b에서 본 발명에 따른 식이섬유를 급이한 군의 간 조직에서의 중성지질이 기존의 식이섬유인 셀룰로오스나 펙틴을 급이한 군에 비하여 유의적으로 감소되었음을 알 수 있다. 즉 본 발명에 따른 식이 섬유의 중성지질 감소 효과는 현재 식이섬유로서 효능이 인정되어 널리 사용되고 있는 셀룰로오스와 펙틴에 비하여 10 내지 25%정도 더 높은 효과를 나타내었다. 특히, 간 조직의 지질 감소효과(15∼25%)가 혈중지질의 감소효과(10∼20%)에 비해 높은 것으로 나타났다.

본 발명의 미생물을 이용한 식이섬유 제조방법은 미생물을 이용하여 미세하고 표면적이 기존의 식이섬유보다 확대되며, 산, 알카리 등의 용매에 안정적인 식이섬유를 제공할 수 있으며 상기 식이섬유는 체내에 섭취함에 따라서 중성지질 함량이 다른 식이섬유에 비하여 유의적으로 감소되는 효과를 가진다. 즉, 중성지질 감소 효과는 현재 식이섬유로서 효능이 인정되어 널리 사용되는 셀룰로오스와 펙틴에 비하여 10-25%정도 더 높은 감소효과를 나타낼 뿐만 아니라, 특히, 간조직의 지질 감소효과(15∼25%)가 혈중지질의 감소효과(10∼20%)에 비해 높은 효과를 가지는 식이섬유를 제조하는 방법을 제공하는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 피막발효균의 광학현미경 사진이다.

도 2는 본 발명의 배양완료된 피막발효계의 사진이다.

도 3은 본 발명의 피막 정제공정에 대한 실시예의 개략도이다.

도 4는 본 발명의 식이섬유의 외관사진이다.

도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명의 식이섬유 및 α-셀룰로오스의 광학현미경 사진이다.

도 6a 내지 도 6b는 본 발명의 식이섬유의 정제공정 중에 식이섬유의 표면 상태의 변화를 보인 주사전자현미경 사진이다.

도 7은 본 발명의 식이섬유의 X선 회절실험의 결과를 보인 도면이다.

도 8a 및 도 8b는 식이섬유 급이에 따른 혈중 콜레스테롤 및 중성지질 함량에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다(T-chol: 총 콜레스테롤, TG: 트리글리세라이드).

도 9a 및 도 9b는 식이섬유 급이에 따른 간 조직 중 콜레스테롤 및 중성지질 함량에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다(T-chol: 총 콜레스테롤, TG: 트리글리세라이드).

Claims

식이섬유를 제조하기 위한 피막의 생성능이 우수한 글루코노아세토박터 한세니 TL-2(기탁번호 KCTC10008BP).
글루코노아세토박터 속에 속하는 세균을 배지에 접종하는 단계;

상기 접종된 세균을 배양하여 피막을 형성하는 단계; 및

상기 피막을 정제하여 식이섬유를 제조하는 단계

를 포함하며,

상기 글루코노아세토박터 속에 속하는 세균은 글루코노아세토박터 한세니 TL-2, 글루코노아세토박터 한세니 LMG 1527T, 글루코노아세토박터 유로파오스(Gluconoacetobacter europaous) DSM 6160T, 글루코노아세토박터 크실너스(Gluconoacetobacter xylinus) subsp. 수크로퍼멘탄스(sucrofermentans) BPR2001T, 글루코노아세토박터 크실너스(Gluconoacetobacterxylinus) subsp. 크실너스(xylinus) LMG 1515, 글루코노아세토박터 디아조트로픽커스(Gluconoacetobacter diasotrophicus) LMG 7603T, 글루코노아세토박터 사카리(Gluconoacetobacter sacchari) DSM 12717T, 및 글루코노아세토박터 리퀘파시엔스(Gluconoacetobacter liquefaciens) LMG 1382T로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 세균인 고기능성 식이섬유의 제조방법.
제2항에서, 상기 세균을 배양하기 위한 배지는 식물 추출물 10 내지 20 % 및 백설탕 10 %를 포함하는 것인 고기능성 식이섬유의 제조방법.
제3항에서, 상기 식물 추출물은 홍차, 감잎차, 포도, 머루, 감귤, 감, 키위, 코코넛, 호박, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 식물의 추출물인 고기능성 식이섬유의 제조방법.
제2항에서, 상기 접종된 세균이 28∼30℃에서 6∼20일간 배양되는 고기능성 식이섬유의 제조방법.
제2항에서, 상기 세균의 배양방법은 정치(靜置)배양법인 고기능성 식이섬유의 제조방법.
제2항에서, 상기 피막의 정제 공정은

피막을 적당한 크기로 절단하여 세척 및 살균하는 단계;

지질 및 단백질을 제거하는 단계; 및

다시 세척한 후 건조하여 마쇄하여 식이섬유를 얻는 단계

를 포함하는 고기능성 식이섬유의 제조방법.