본 발명은 전통 간장으로부터 설펙틴 생성이 우수한 Bacillus 퍼밀러스 균주를 분리 및 동정 단계; 상기 균주로부터 식중독균 및 아플라톡신 생성 균주에 대한 항균 시험 및 혈전 분해능 시험 단계; 상기 균주로부터 설펙틴의 분리 및 정제 단계; 분리된 설펙틴의 아미노산 서열 결정 및 구조 분석 단계; 분리된 설펙틴의 유방암 및 대장암에 대한 세포독성 시험단계; 본 분리 균주를 이용한 설펙틴 함유 청국장 및 간장의 속성 제조 단계로 구성된다.
본 발명은 전통 간장으로부터 순차적 희석법을 이용하여 피브리노겐(fibrinogen)이 결여되어 있는 혈액배지에서 설펙틴 생성이 뛰어난 바실러스 퍼밀러스(Bacillus pumilus) HY1 균주를 선발하였고 이를 2006. 11. 13자 한국농업미생물자원센타(KACC)에 기탁하여 기탁번호 KACC 91280P를 부여 받았다.
본 발명에서 바실러스 퍼밀러스 HY1(Bacillus pumilus HY1) 균주의 확인은 그람염색, 투과전자현미경관찰, 생물학적 검정, API kit를 이용한 생리학적 동정, 균주의 세포벽 지방산 분석을 통하여 확인하였다.
본 발명에서 바실러스 퍼밀러스 HY1(Bacillus pumilus HY1) 균주로부터 분비되는 설펙틴을 HPLC(Series 200, PerkinElmer)를 통하여 분리 정제하였으며 MALDI-TOF, MS/MS 분석을 통하여 구조를 확인하였다.
본 발명에서 바실러스 퍼밀러스 HY1(Bacillus pumilus HY1) 균주로부터 정제된 설펙틴의 유방암과 대장암에 대한 세포독성 실험은 MTT 분석을 통하여 확인하였다.
본 발명에서 바실러스 퍼밀러스 HY1(Bacillus pumilus HY1) 균주를 이용하여 설펙틴을 함유한 청국장 제조과 간장을 속성 제조하고 설펙틴 함량은 HPLC(Perkin Elmer Series 200) 분석을 통하여 확인하였다.
이하, 본 발명의 구체적인 구성을 바람직한 실시예와 실험예를 통하여 상세히 설명한다.
실시예 1: 바실러스 퍼밀러스 (Bacillus pumilus) 균주의 분리
설펙틴 생산 균주의 분리를 위해 간장 1mL을 원액으로 하여 순차적 희석법에 의하여 얻은 희석액 100 μL를 피브린이 제거된 혈액배지에 도말하여 30℃에서 48시간 배양하였다.
배양 후 형성된 균 집락 중 용혈 활성이 우수한 균주를 선발하였으며 이 균주가 설펙틴 생성이 우수할 것으로 생각하고 순수 분리를 실시한 후 용혈 활성을 재차 확인하였다.
전배양을 위한 배지로는 TSB (Tryptic Soy Broth)를 사용하였고 균주 보관은 80% 글리세롤과 배양액을 1:1로 혼합하여 -70도에 보관하거나 20% skim milk와 배양액을 1:1로 혼합한 후 동결 건조하였다(도 1).
실시예 2: 바실러스 퍼밀러스 HY1 (Bacillus pumilus HY1) 균주의 동정
상기 실시예 1에서 선별된 균주의 형태학적, 생리학적, 생화학적, 분자유전학적 특성을 조사한 결과, 선별된 균주는 그람양성균이었고, 운동성과 포자형성능을 가진 간균으로 세포벽 지방산 분석 결과 바실러스의 주된 지방산인 15:0 ISO와 15:0 ANTEISO 의 형태가 약 80% 이상을 차지하였다.
카탈라제 (catalase)와 옥시다제 (oxidase)의 활성을 가지며, 젤라틴 (gelatin), 전분 (starch), 카세인 (casein) 분해능은 있으나, 우레아 (urea) 분해능은 없는 호기성 균주의 바실러스 속의 균주로 추정되었다.
가수분해 효소를 생성 여부를 확인하기 위해 CMC (carboxymethyl cellulose), skim milk, soluble starch, polygalacturonic acid가 첨가된 TY 배지에 균 콜로니를 멸균된 이쑤시개로 찍어서 37℃에서 20시간동안 배양한 후 각각의 기질에 대한 염색시약으로 염색을 한 결과 cellulase, protease, amylase, pectinase들이 이 균주로부터 분비된다는 것을 알 수 있었다.
그리고 배양 온도는 50℃까지 잘 자랐고 염농도가 12%까지 자라는 것을 확인할 수 있었다.
이상의 형태학적, 생리학적, 분자유전학적특성 등을 종합하여 상기 선별 균주는 바실러스 퍼밀러스로 동정되어 바실러스 퍼밀러스 HY1균주(Bacillus pumilus HY1)로 명명하였다.
실시예 3: 식중독균 및 아플라톡신 생성균주에 대한 항균력 및 혈전 분해능 시험
본 발명의 균주 바실러스 퍼밀러스 HY1(Bacillus pumilus HY1)균주가 식중독균 및 아플라톡신 생성균주에 대한 항균력을 확인하기 위해 바실러스 시리우스(Bacillus cerues) KCTC 1012와 리스테리아 모토시토제네스(Listeria monocytogenes) KCTC 3569를 108/mL 되게 넣은 용융 TSA 배지를 부은 후 고화시킨 후 상기균주를 스파팅하고 37℃에서 48시간 배양시킨 후 클리어 존(clear zone)이 생성됨을 관찰하였고 아플라톡신 생성균주인 아스퍼질러스 플라버스(Asperillus flavus) KCTC 6905를 PDA (Potato Dextrose Agar) 배지의 한 가운데 접종하고 한쪽으로 상기 균주를 멸균된 이쑤시개로 접종을 하여 25℃에서 96시간 동안 대치 배양하여 균사 성장이 억제됨을 확인하였다. 한편, 혈전 분해능을 검정하기 위해 먼저 TSB 배지에 상기 균주를 접종한 후 37도씨에서 18시간 동안 배양한 후 13,000 rpm에서 원심분리하여 상등액을 얻은 후 0.2 μm 멤브레인 필터를 이용하여 여과한 후 이를 조효소로 사용하였다. 혈전 분해능 테스트는 0.6% 피브리노겐을 10 ml의 0.15 M NaCl이 함유된 50 mM 포타슘 포스페이트 완충액(pH 7.2)에 현탁하여 37℃에서 30분간 반응시킨 후 페트리디쉬에 붓고, thrombin 10 unit를 넣어 실온에서 30분간 방치시켜 평판배지를 만들고 이 평판배지에 조효소 2 μL를 적하한 후 37℃에서 4시간 반응시킨 후 클리어 존(clear zone)이 생성됨을 관찰하였다(도 2).
실시예 4: 바실러스 퍼밀러스로부터 설펙틴의 분리, 정제 및 구조 동정
설펙틴을 분리하기 위해 L-배지 (polypeptone 10 g, yeast extract 5 g, NaCl 5 g, pH 7.2)를 사용하였다.
L-배지에 바실러스 퍼밀러스를 접종하고 30도에서 4일간 진탕배양 (약 170 rpm)한 후 염산으로 pH를 2.0으로 낮춘 후 원심분리 하였다.
원심분리하여 얻은 균체를 메탄올로 6시간 정도 추출하여 여과시킨 후 여과액을 감압농축기를 사용하여 농축하였다.
농축액을 메탄올로 녹인 것을 시료로 사용하여 대조구로 표준 설펙틴 시료 (Sigma)와 함께 얇은 막 크로마토그래피 (TLC; Thin Layer Chromatography)를 실시한 후 총알모양으로 나타나는 밴드를 긁어내어 메탄올에 녹여 고성능 액체 크로마토그래피 (HPLC; High Performance Liquid Chromatography)를 수행하였다. 얇은 막 크로마토그래피 전개용매 조건은 클로로폼:메탄올:물=6.5:2.5:0.5, 고성능액체크로마토그래피 전개용매 조건은 아세토니트릴:물=1:1였으며 분당 1 mL 속도로 흘려주면서 210 nm에서 15분대에 설펙틴을 검출, 확인할 수 있었다.
크로마토그래피를 통해 얻은 물질이 설펙틴임을 확인하기 위해 한국 기초과학지원 연구원(대전광역시 소재)에 MALDI-TOF, MS/MS를 의뢰하여 설펙틴임을 확인하였다(도 3 내지 4).
실시 예5: 바실러스 퍼밀러스 HY1 균주에 의해 분리된 설펙틴의 유방암 및 대장암에 대한 세포독성 시험
본 발명 균주로부터 정제한 설펙틴의 세포독성 효과를 측정하기 위하여 사람 의 유방암과 대장암 세포에 대한 MTT 분석을 실시하였다.
MEM/F-12 배지 500 ul를 첨가한 48 well plate에 유방암과 대장암 세포주 (각각 1×105 cells/well)를 37도의 CO2 배양기에서 48시간 동안 배양한 후 DMSO 시약에 설펙틴을 0, 20, 40, 60, 80, 100, 120 ㎍/㎕ 농도별 녹인 후 처리하였다.
24시간동안 배양한 후 MTT 시약 (5 mg/mL)을 첨가하여 4시간 동안 반응시킨 후 배지를 제거하고 DMSO 200 uL로 48 well에 생성된 formazan을 녹여 ELIZA reader를 이용하여 540 nm에서 흡광도를 측정하였다. 세포독성 효과는 대조구 세포수를 100%로 하였을 때 상대적인 세포성장 억제율로 나타내었다. 그 결과 유방암과 대장암 세포주 각각 약 100 ㎍/㎕에서 IC50 값을 나타냈었다(도 5 내지 6).
실시예 6: 바실러스 퍼밀러스를 이용한 설펙틴 함유 청국장의 속성 제조
상기 실시예1 내지 실시예2에서 분리동정한 바실러스 퍼밀러스 HY1균주를 이용하여 설펙틴이 함유한 청국장을 제조하기 위해 메주콩 1000 g 정도를 약 12시간 동안 물에 침지하고 약 2시간 정도 물을 제거한 후 100℃에서 90분간 증자하였다.
증자된 발효 틀에 넣은 후 TSB 배지에서 12시간 정도 전배양한 선별 균주인 바실러스 퍼밀러스 HY1 균주 배양액 1%(10 mL)를 접종하고 37℃에서 48시간동안 청국장 발효를 행하였다.
대조구로는 바실러스 퍼밀러스 HY1균주를 접종하지 않고 공기 중에 5분간 방치한 것을 사용하였다. 청국장 발효 중 12시간 마다 100 g 시료를 채취하고 막자사 발로 갈고 메탄올(MeOH)를 300 mL 첨가한 후 pH를 2로 내리고 약 6시간 동안 진탕하여 여과한 후 농축하여 최종 10 mL의 메탄올에 녹인 후 일차적으로 TLC를 통하여 설펙틴을 확인하였고 HPLC를 통하여 설펙틴 함량을 분석하였다.
추출한 시료를 sep-pak NH2 column(Waters, U.S.A)과 0.2 μm membrane filter(Gottingen, Germany)를 이용하여 여과한 후 HPLC(Perkin Elmer Series 200) 이용하여 분석하였다.
이동상 용매로는 아세트니트릴(acetonitrile) : 물(HPLC용 초순수 물) = 1 : 1로 하여 1 분당 1 ml을 흘리고 UV 214 nm 상에서 검출(Perkin Elmer Series 200)하였으며 C18 역상 칼럼(Phenomenex, Luna 5u C18(2) 100A, 250 ㅧ 4.6 mm)을 사용하였고 컬럼 온도 30℃에서 분석하였다.
표준 검량선 작성은 시판되고 있는 설펙틴(sigma)을 이용하여 작성하였다. 청국장 발효 24 배양 후 무처리구에서는 약 0.052 mg/kg이 생성되었으나 바실러스 퍼밀러스 HY1을 처리한 청국장에서는 약 3배 정도 증가한 0.153 mg/kg의 설펙틴이 생성되었다(도 7).
실시예 7: 바실러스 퍼밀러스를 이용한 설펙틴 함유 간장의 속성 제조
상기 실시예1 내지 실시예2에서 분리한 바실러스 퍼밀러스 HY1균주를 스타터로 한 간장 제조는 주식회사 삼환식품(경북 의성군 소재)의 시골 간장 메주를 사용하여 상기 (주)삼환식품에서 제공하는 방법대로 제조하였다.
깨끗한 항아리에 소금 2포(약 18%)를 넣고 (주)삼환식품 전용용기로 끓이지 않은 생수를 가득히 11바가지(약 20 L)를 붓고 소금을 충분히 녹이고 망사주머니 속에 시골 간장 메주와 차돌을 담고 망사주머니를 물속에 잠기도록 한 후 TSB에서 16 시간 정도 전 배양한 본 발명 바실러스 퍼밀러스 HY1균주를 배양액이 최종 3%가 되게 첨가한 후 음지 20±2℃에서 60일 동안 발효시키면서 15일 마다 300 mL의 시료를 채취하고 청국장의 상기 실시예6과 동일하게 설펙틴을 추출하였다.
대조구로는 바실러스 퍼밀러스를 접종하지 않은 것을 사용하였다. 설펙틴 분석은 실시예6과 동일하며 발효 기간 중 pH의 변화는 pH meter(MP 220 pH meter, U.K)를 사용하여 측정하였고 염도는 염도계(SS-31A, Japan)을 사용하여 측정하였다.
적정산도는 발효 중 간장액을 10 mL 채취한 후 90 mL의 증류수를 넣고 pH 8.3으로 중화 될 때까지의 0.1N NaOH의 소요량으로 계산하였다.
유기산 분석은 HPLC(Shimadzu LC-10A, Japan)를 이용하여 분석하였다.
발효 중 간장액을 초순수물에 1/10로 희석하고 sep-pak NH2 column(Waters, U.S.A)과 0.2 μm membrane filter(괴팅겐, Germany)를 이용하여 여과한 후 분석하였다.
이동상 용매로는 0.1% 포스포릭산(phosphoric acid)로 하여 1 분당 0.5 mL을 흘리고 UV 210 nm 상(SPD-10A UV detector)에서 검출하였으며 유기산 분석 컬럼(Phenomenex, Rezex 8u 8% H. Org Acid, 300×7.8 mm)을 사용하였고 컬럼 온도 55℃에서 분석하였다.
본 발명 바실러스 퍼밀러스 HY1균주를 스타터로 이용하여 간장을 발효한 경우 초기 염도는 17.8%(대조구 17.9%)에서 발효 45일째 15.4%(대조구 16.3%)로, 초기 pH 6.08(대조구 6.09)에서 발효 45일째 4.91(대조구 5.12)로, 초기 산도는 0.12(대조구 0.11)에서 발효 45일째 0.68(대조구 0.54) 있었으며 본 발명 바실러스 퍼밀러스 HY1균주를 접종한 경우 초기에는 옥살릭산(61 mg%)과 초산(0.0006 mg%)있었으나 발효 45일째 옥살리산은 감소하여 38 mg% 있었고 초산은 증가하여 108 mg% 있었다.
본 발명 바실러스 퍼밀러스 HY1균주를 접종하지 않은 경우 발효 45일째 옥살릭산은 52 mg%있었고 초산은 47 mg% 수준이었다.
이상의 결과로 보아 본 발명 바실러스 퍼밀러스 HY1균주를 스타터로 이용하여 간장을 발효한 경우 무처리구보다 약 15일 정도 빠르게 발효가 진행됨을 확인할 수 있었다.
설펙틴 함량은 발효 45일째 본 발명 바실러스 퍼밀러스 HY1균주를 접종하지 않은 경우에는 0.005 mg/L 있었으며 본 발명 바실러스 퍼밀러스 HY1균주를 접종한 경우에는 0.008 mg/L로 약간 높게 나타났다(표 1).
[표 1] 간장 발효 중 염도 및 pH, 산도, 설펙틴 함량의 변화
발효 기간 |
염도(Nacl, %) |
pH |
산소(0.1N NaOH 소모량, mL) |
설펙틴 함량 (mg/L) |
무처리 |
균처리 |
무처리 |
균처리 |
무처리 |
균처리 |
무처리 |
균처리 |
0 |
17.9 |
17.8 |
6.09 |
6.08 |
0.11 |
0.12 |
- |
- |
15 |
17.4 |
17.0 |
5.57 |
5.17 |
0.32 |
0.53 |
- |
0.001 |
30 |
16.8 |
16.2 |
5.39 |
5.05 |
0.42 |
0.64 |
0.003 |
0.005 |
45 |
16.3 |
15.4 |
5.12 |
4.91 |
0.54 |
0.68 |
0.005 |
0.008 |
[주] "-" 검출되지 않음 |