KR100864399B1 - A method for capsulating useful agricultural culture using alginate shell bead having improved drought resistance viability of useful agricultural culture - Google Patents

A method for capsulating useful agricultural culture using alginate shell bead having improved drought resistance viability of useful agricultural culture Download PDF

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KR100864399B1 KR1020070060354A KR20070060354A KR100864399B1 KR 100864399 B1 KR100864399 B1 KR 100864399B1 KR 1020070060354 A KR1020070060354 A KR 1020070060354A KR 20070060354 A KR20070060354 A KR 20070060354A KR 100864399 B1 KR100864399 B1 KR 100864399B1
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윤성철
이미희
최문환
이소영
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Abstract

A method for encapsulating useful agricultural microorganisms by using alginate shell beads is provided to improve drought resistance of agricultural microorganisms, reduce costs for encapsulation by replacing expensive cationic poly-L-lysine by inexpensive and environment-friendly chitosan, and enhance survival ability of agricultural microorganisms at room temperature. A method for encapsulating useful agricultural microorganisms by using alginate shell beads comprises the steps of: dissolving alginate in NaOH solution, and regulating pH to 7.0-7.5 to prepare alginate solution; floating Serratia plymuthica A21-4 or Pseudomonas fluorescens B16 as a useful agricultural microorganism in the alginate solution; adding dropwise of the microorganism-floating alginate solution into 0.1M of CaCl2 solution by using a low pressure LC pump to form spherical beads; agitating and washing the spherical beads; firstly coating the washed beads with chitosan; secondly coating the chitosan-coated beads with silica solution; and washing the coated beads to obtain alginate/chitosan-based hydrogel with diameter of 3-5 mm, wherein the overall reaction temperature is 4 deg. C. A number of colony of the Serratia plymuthica A21-4 is 3x10^9 CFU/ml and a number of colony of the Pseudomonas fluorescens B16 is 2x10^9 CFU/ml.

Description

유용 농업미생물의 내한발성 생존력을 개선시키는 알지네이트 쉘 비드를 이용한 농업용 유용 미생물의 캡슐화 방법{A method for capsulating useful agricultural culture using alginate shell bead having improved drought resistance viability of useful agricultural culture}A method for capsulating useful agricultural culture using alginate shell bead having improved drought resistance viability of useful agricultural culture}

도 1은 다층 프로세스에 의한 알지네이트 비드의 제조 모식도이고, 1 is a schematic diagram of preparation of alginate beads by a multilayer process;

도 2는 알지네이트 쉘 비드의 제조 공정을 도시한 도면이고, 2 is a view showing a manufacturing process of alginate shell beads,

도 3은 다중 양이온 종류별 알지네이트 비드의 안정화 공정을 도시한 도면이고, 3 is a diagram illustrating a stabilization process of alginate beads by type of multiple cations,

도 4는 알지네이트 비드의 전자현미경적 단면구조를 도시한 도면으로서, 좌측(폴리-L-리신)과 중간(polyethyleneimine) 부분은 세균이 적재되지 않은 알지네이트 비드 구조이고, 우측(키토산 사용) 부분은 S. plymuthica A21-4이 적재된 경우이고, 4 is a diagram illustrating electron microscopic cross-sectional structure of alginate beads, the left (poly-L-lysine) and the middle (polyethyleneimine) parts are alginate bead structures not loaded with bacteria, and the right (using chitosan) part is S plymuthica A21-4 is loaded,

도 5은 수백 μM ~ 1 mm 알지네이트 쉘 마이크로비드 제조장치로서, 압축 공기를 동력으로 하는 분사 시스템 구조이고, 5 is an apparatus for producing hundreds of μM to 1 mm alginate shell microbeads, which has a structure of an injection system powered by compressed air;

도 6은 압축공기 분사 시스템으로 제조된 캡슐을 CaCl2/키토산/실리케이트 처리방법으로 재차 처리하여 만든 알지네이트 비드의 (A) 팽윤 상태에서 쿠마시 블루 염색처리한 현미경 구조, 및 (B) 동결건조 후 SEM 사진 (500 ㎛)이고, Figure 6 is a microstructure of (A) swelling microscopy structure of the alginate bead prepared by the capsule prepared by the compressed air injection system again by the CaCl 2 / chitosan / silicate treatment method, and (B) after lyophilization SEM photo (500 μm),

도 7은 동결건조한 S. plymuthica 적재된 키토산 기반 비드의 수분함량에 따른 시차 주사 열분석 traces을 도시한 도면이고, Figure 7 Freeze-dried S. plymuthica Differential scanning thermal analysis traces according to the moisture content of the loaded chitosan-based beads,

도 8 및 9는 동결건조한 S. plymuthica 적재된 키토산 기반 비드의 수분함량에 따른 DSC 용융 흡열온도 (용융 흡열온도)로부터 구한 얼음의 그램당 용융 엔탈피를 도시한 그래프이다. 8 and 9 are lyophilized S. plymuthica Melt enthalpy per gram of ice obtained from DSC melt endotherm (melt endotherm) with water content of loaded chitosan based beads.

본 발명은 유용 농업미생물의 내한발성 생존력을 개선시키는 알지네이트 쉘 비드를 이용한 농업용 유용미생물의 캡슐화 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 알지네이트 겔 안정화를 위해 사용되던 폴리-L-리신을 값이 싸고 환경친화적인 키토산으로 대체하였을 뿐 아니라 유용 농업미생물의 내한발성 또한 개선시킨 수화젤의 제공에 관한 것이다. The present invention relates to a method for encapsulating agricultural useful microorganisms using alginate shell beads to improve the cold-resistance viability of useful agricultural microorganisms, and more particularly, to inexpensive and environmentally friendly poly-L-lysine used for alginate gel stabilization. The present invention relates to the provision of a hydrogel that has not only been replaced with phosphorus chitosan but also improved the cold resistance of useful agricultural microorganisms.

미생물을 제형화할 때 보존기간이 짧아서 상품화하지 못하는 경우 중 대부분은 수분공급을 할 수 없기 때문이다. 이러한 약점을 보완하는데 가장 적합한 재료가 수화젤 (hydrogel)이다. This is because, in formulating microorganisms, most of the cases in which the shelf life is short and cannot be commercialized cannot be hydrated. The most suitable material to compensate for this weakness is hydrogel.

특히 생물농약으로 이용하고자 하는 미생물은 식물체 표면에서 상당기간 생존하면서 밀도를 유지해야 하는데 이같은 미생물의 생존에 절대적인 조건은 수분이 다. 미생물이 활동할 수 있는 활동도의 물을 지닌 수화젤 네트워크에 미생물을 포함시키고 필요에 따라 유출될 수 있도록 하여 식물의 근권 등에 유지시켜 줄 수 있다면 유용미생물의 활용은 극대화할 수 있다.In particular, microorganisms intended to be used as biopesticides must maintain density while living on the surface of plants for a long time. The absolute condition for the survival of such microorganisms is water. The use of useful microorganisms can be maximized if microorganisms are included in the hydrogel network with water of activity to be able to act, and can be discharged as necessary to maintain the plant's root zone.

한편, 상기 캡슐화(encapsulation) 기술은 고체입자나 액체 등을 고분자 물질의 막으로 둘러싸거나 코팅하여 특정한 조건하에서 통제된 속도로 방출할 수 있도록 봉인하는 것이다. 미생물을 캡슐화하기 위한 수화젤에 이용될 수 있는 친수성 고분자는 매우 많은 화학적 형태의 것들이 개발되어 있다. 특히, 수용성 고분자(주로 다당류 및 일부 다중전해질 등)의 개발은 거의 무한하다고 생각된다. On the other hand, the encapsulation technique is to enclose or coat the solid particles or liquid with a film of a high molecular material to be sealed at a controlled rate under specific conditions. Hydrophilic polymers that can be used in hydrogels to encapsulate microorganisms have been developed in many chemical forms. In particular, the development of water-soluble polymers (mainly polysaccharides and some polyelectrolytes, etc.) is thought to be almost endless.

그 중, 지금까지 캡슐화를 위해 가장 많이 사용되고 연구된 소재는 천연고분자 물질인 알지네이트 (alginate)이다. 알지네이트는 β-D-만누론산(mannuronic acid)과 α-L-글루론산 (guluronic acid)의 중합체로 주로 해조류나 박테리아에 의해 생산된다. Among them, the most used and studied material for encapsulation so far is alginate, a natural polymer material. Alginate is a polymer of β-D-mannuronic acid and α-L-guluronic acid, produced mainly by algae or bacteria.

알지네이트를 구성하는 우론산 (uronic acid)들은 말단에 카복실기를 가지므로 음전하를 띤다. 따라서 Mg2+,Ca2+,Sr2+,Ba2+와 같은 2가의 양이온들을 첨가하면 물리적 가교(physical crosslinking)가 형성되므로 도 1에 도시한 바와 같이 수화젤을 만들 수 있다. Uronic acids that make up alginate are negatively charged because they have a carboxyl group at their ends. Therefore, when bivalent cations such as Mg 2+ , Ca 2+ , Sr 2+ , and Ba 2+ are added, physical crosslinking is formed to form a hydrogel as shown in FIG. 1.

특히, Ca2 +양이온에 의한 가교가 가장 잘 형성되므로 Ca2 +/알지네이트 겔에 의 한 효소 및 세균의 마이크로캡슐화에 관한 연구결과들이 가장 많이 보고되었다. In particular, Ca + 2, so that crosslinking by cationic best form Ca 2 + / studies on the enzymes and micro-encapsulation of the bacteria of the alginate gel have been reported most frequently.

이같은 Ca2 +/알지네이트 겔이 물리적 가교에 의해 형성되는 만큼 겔을 안정화시키는 것이 매우 중요하다. 이를 위해 다중 양이온성 폴리-L-리신 등 다양한 다중 양이온을 이용한 겔의 안정화가 시도되었다. It is important to stabilize the gel is such as Ca 2 + / alginate gel is formed by physical cross-linking. To this end, stabilization of gels using various multiple cations such as multiple cationic poly-L-lysine has been attempted.

또한 Ca2 +/알지네이트 겔과 다중 양이온의 복합체를 한 단계 더 강화시키기 위해 1970년대 말부터 사용되었던 졸겔법을 이용한 실리카 코팅에 관한 연구결과도 많이 발표되었다. 이같은 실리카의 존재는 알지네이트 캡슐의 안정성을 강화시키고 세균 고정에도 크게 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다. In addition, Ca 2 + / results of the alginate gel and a complex of multiple cation in one step the silica coating to enhance with a sol-gel process that has been used since the late 1970's have also been published a lot. The presence of such silicas has been found to enhance the stability of alginate capsules and significantly affect bacterial fixation.

생물학적 환경 정화 (Bioremediation)와 같은 자연환경에서의 생물공정에 캡슐화된 유용미생물들의 이용은 free cell suspension에 비해 많은 장점들을 가지는 것으로 보고되었다. 특히 수화젤 속으로 세균의 캡슐화는 위험한 화합물들의 해로운 효과로부터 세균를 보호하며 생존률과 대사능을 증가시키는 등의 다수의 장점을 제공하므로써, 생물적, 비생물적 스트레스들을 감소시킬 수 있을 것이다. The use of useful microorganisms encapsulated in biological processes in the natural environment, such as bioremediation, has been reported to have many advantages over free cell suspension. In particular, encapsulation of bacteria into hydrogels can reduce biological and abiotic stresses by providing a number of advantages, including protecting the bacteria from the harmful effects of dangerous compounds and increasing survival and metabolism.

그러나 Ca2 +/알지네이트 겔에 유용미생물들을 적재 한 후 다중 양이온 및 실 리카 처리에 의해 비드 캡슐을 만들어 젖은 상태로 실온에 보관하면 대부분 쉽게 구조가 무너지거나, 유용미생물들이 장기간 생존하지 못한다. 의약품, 미생물, 그리고 많은 식품 및 생물학적 생산물들을 안정화시키기 위해 일반적으로 동결건조 방법을 광범위하게 사용하고 있다. 동결건조된 시료들은 장기간 실온에서 보관하는 분해반응을 최소화할 수 있고 알맞은 물리, 화학, 생물학적 안정성을 지속시킬 수 있는 특징이 있다.However, Ca 2 + / Once you've loaded alginate beads of useful microorganisms in gel capsules made by a multi-cation and silica processing stored at room temperature in a wet state structure is most easily broken or useful microbes can not survive long-term. Lyophilization methods are commonly used to stabilize pharmaceuticals, microorganisms, and many food and biological products. Lyophilized samples are characterized to minimize degradation reactions stored at room temperature for long periods of time and to maintain proper physical, chemical and biological stability.

유용미생물이 캡슐화된 수화젤을 동결건조시킨 후 장기간 보관동안 미생물이 생존하는지 여부는 수화젤 내 물의 상태 및 구조적 속성에 따라 결정된다. 일반적으로 이러한 내재적 물 구조의 특성을 조사하는데는 시차주사 열분석(differential scanning calorimetry, DSC)을 이용한다. DSC는 시료와 불활성 기준물질에 동일한 시간당 열을 가함으로써 시료로부터 발생되는 열의 흐름 차이를 측정하는 것으로, 상변화시(얼음→물) 발생되는 열용량 (heat capacity) 변화를 측정함으로써 물의 상태 및 구조적 속성을 알 수 있다. Whether useful microorganisms survive the long-term storage after lyophilizing the encapsulated hydrogel is determined by the condition and structural properties of the water in the hydrogel. In general, differential scanning calorimetry (DSC) is used to investigate the characteristics of these intrinsic water structures. DSC measures the difference in the flow of heat generated from a sample by applying the same hourly heat to the sample and an inert reference material, and measures the state and structural properties of the water by measuring the change in heat capacity generated from a phase change (from ice to water). It can be seen.

수화젤의 응용은 지금까지 주로 의약학 분야에 응용되어 왔다. 또한 수화젤(주로 유기고분자 형태로서)의 대량 응용은 콘크리트의 구조를 강화하기 위한 보조제로서의 사용이나, 식품의 점성 및 가공식품의 형태보존을 위한 식품에의 첨가 등을 들 수 있다. 또한 최근에는 다당류 수화젤의 박테리아 또는 활성화 슬러지 등의 고정화를 통한 기름의 분해 및 소재 생산에의 활용을 들 수 있다. The application of hydrogel has been applied mainly to the field of medicine. In addition, mass application of hydrated gels (mainly in the form of organic polymers) may be used as an adjuvant for reinforcing the structure of concrete, or added to foods to preserve the viscosity of foods and preserve the shape of processed foods. In recent years, the use of polysaccharide hydrogels in the decomposition of oil and the production of materials through the immobilization of bacteria or activated sludge.

그러나 농업에의 응용은 국내외를 막론하고 거의 응용 예가 상대적으로 작으나 환경오염 방지, 수자원 보호, 작물의 생산성 향상, 작물의 한발에 의한 피해의 최소화 등의 관점에서 앞으로는 많은 응용이 예상된다. However, although the application to agriculture is relatively small in both domestic and foreign countries, many applications are expected in the future in terms of preventing environmental pollution, protecting water resources, improving crop productivity, and minimizing damage caused by a single crop.

한편, 음전하의 알지네이트 비드의 구조적 안정성을 높이기 위하여 현재로서는 양이온성 폴리-L-리신을 이용하고 있으나, 상기 폴리-L-리신이 너무 고가이기 때문에 폴리-L-리신을 대체할 값싸고 성능이 우수한 다른 다중 양이온을 개발하는 데 또한 촛점이 모아지고 있다. On the other hand, in order to increase the structural stability of the negatively charged alginate beads, cationic poly-L-lysine is used at present, but since the poly-L-lysine is too expensive, it is inexpensive and excellent in performance to replace poly-L-lysine. There is also a focus on developing other multications.

이에 본 발명의 일 목적은 화학적 가교를 하지 않고 천연고분자의 구조적 특성의 물리화학적 성질을 이용하여 친환경적으로 비드를 제공하려는데 있다. Accordingly, one object of the present invention is to provide beads in an environmentally friendly manner by utilizing the physicochemical properties of the structural properties of natural polymers without chemical crosslinking.

본 발명의 다른 목적은 얻어진 비드를 이용하여 농업용 유용미생물의 캡슐화 방법을 제공하려는데 있다. Another object of the present invention is to provide a method for encapsulating agricultural useful microorganisms using the obtained beads.

본 발명의 또 다른 목적은 농작물의 생산성을 높이는 실용적 유용미생물 담지 수화젤 소재를 제공하려는데 있다. 다른 목적은 농작물의 생산성을 높이는 실용적 유용미생물 담지 수화젤 소재를 제공하려는데 있다. It is another object of the present invention to provide a practically useful microorganism-supported hydrogel material to increase the productivity of crops. Another object is to provide a practically useful microorganism-supported hydrogel material to increase the productivity of crops.

본 발명의 제1 견지에 의하면, According to the first aspect of the present invention,

농업용 유용 미생물을 알지네이트에 부유시키는 단계; Suspending the agriculturally useful microorganisms in alginate;

부유시킨 알지네이트를 Ca2 +와 물리적 가교하고 구형 비드를 형성하는 단계; The step of cross-linking was suspended alginate Ca 2 + and the physical form of spherical beads;

상기 구형 비드를 키토산으로 1차 코팅하는 단계; 및 Primary coating the spherical beads with chitosan; And

실리카로 2차 코팅하는 단계;를 포함하여 이루어지는 알지네이트 쉘 비드를 이용하여 농업용 유용 미생물을 캡슐화하는 방법이 제공된다. Provided is a method of encapsulating microorganisms useful for agriculture using an alginate shell bead comprising a secondary coating with silica.

본 발명의 제2 견지에 의하면, According to the second aspect of the present invention,

상기 제1 견지에 의해 얻어진 3 ~ 5 ㎜ 직경의 내한발성이 개선된 알지네이트/키토산 기반 수화젤이 제공된다. An alginate / chitosan based hydrogel having improved sweat resistance of 3 to 5 mm in diameter obtained by the first aspect is provided.

본 발명의 제3 견지에 의하면, According to the third aspect of the present invention,

상기 제1 견지에 의해 얻어진 400 ㎛ ~ 1 ㎜ 직경의 내한발성이 개선된 알지네이트/키토산 기반 수화젤이 제공된다. An alginate / chitosan based hydrogel having improved sweat resistance of 400 μm to 1 mm in diameter obtained by the first aspect is provided.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, this invention is demonstrated in detail.

본 발명에서는 천연고분자 다당류를 이용해 고추병 방역에 유용한 농업용 유용 미생물 Serratia plymuthica A21-4와 Psudomonas fluorescence B16의 캡슐화를 시도하고 농작물의 생산성을 높이는 실용적 유용미생물 담지 수화젤 소재를 제공한다. In the present invention, Serratia useful agricultural microorganisms useful for the prevention of pepper disease using natural polymer polysaccharides Try the encapsulation of plymuthica A21-4 and Psudomonas fluorescence B16 and microbial supported practically useful to increase the productivity of crops provide a hydrogel material.

이를 위해 천연고분자를 알지네이트로 선발하고 Ca2 +와의 물리적 가교, 다층 프로세스, 그리고 실리카 코팅에 의하여 알지네이트 쉘 비드를 제조한다. To this end, starting with the natural polymer is alginate and by physical cross-linking, multi-layer process, and the silica coating with Ca 2 + manufacturing the alginate shell beads.

이들 쉘 비드 제조방법에 대하여 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. Looking at these shell beads manufacturing method in more detail as follows.

우선, 농업용 유용 세균을 알지네이트에 부유시킨다. 이때 농업용 유용 세균은 이에 한정하는 것은 아니나, Serratia plymuthica A21-4 또는 Psudomonas fluorescens B16로 이루어지는 고추 역병 방제균을 사용하는 것이 바람직하다. First, agricultural useful bacteria are suspended in alginate. The agricultural useful bacteria include, but are not limited to, Serratia plymuthica A21-4 or Psudomonas It is preferable to use pepper blight control bacteria consisting of fluorescens B16.

이때 Serratia plymuthica A21-4는 NR 배지(Nutrient rich medium)(1% 효모 추출물, 1.5% 뉴트리언트 브로쓰 및 0.2% 황산 암모늄 함유)에서 콜로니 수가 3 × 109 CFU/ml 되도록 배양하여 사용하는 것이 보다 바람직하며, Psudomonas fluorescens B16는 NR 배지에서 콜로니 수가 2 × 109 CFU/ml 되도록 배양하여 사용하는 것이 보다 바람직하다. Serratia plymuthica A21-4 is more preferably cultured in NR medium (Nutrient rich medium) containing 1% yeast extract, 1.5% nutrient broth and 0.2% ammonium sulfate to 3 × 10 9 CFU / ml colony. , Psudomonas fluorescens B16 is more preferably used in culture to the colony number 2 × 10 9 CFU / ml in NR medium.

부유시킨 알지네이트를 Ca2 +와 물리적 가교하고 구형 비드를 형성하게 된다. 구체적으로는 NaOH 용액에 알긴산을 용해시키고 pH 7.0-7.5로 맞추어 알지네이트 용액을 제조한 다음 상기 알지네이트 용액을 LC 저압펌프로 CaCl2 용액에 천천히 떨어뜨려 구형 비드를 형성하게 된다. A was floated alginate is cross-linked Ca 2 + and the physical form of spherical beads. Specifically, alginic acid was dissolved in NaOH solution and adjusted to pH 7.0-7.5 to prepare alginate solution, and then the alginate solution was converted into CaCl 2 with LC low pressure pump. It is slowly dropped into the solution to form spherical beads.

얻어진 구형 비드를 교반 및 수세하고, 다중 양이온 코팅 물질로서 키토산을 넣고 교반하여 1차 코팅한다. 이어서 코팅된 비드를 실리카와 반응시켜 2차 코팅하고 수세한다. 이때 형성되는 알지네이트 겔은 제조온도에 따라 수분함량에 있어 특별한 차이를 보이지는 않으나 4℃에서 제조된 알지네이트 겔이 기계적으로 더 안정하므로 알지네이트 겔을 만드는 전체 반응 온도는 4℃의 온도 범위내에서 수행하는 것이 바람직하다. The obtained spherical beads are stirred and washed with water, and chitosan is added as a multi-cation coating material and stirred to first coat. The coated beads are then reacted with silica for secondary coating and washing with water. At this time, the alginate gel formed does not show any particular difference in moisture content according to the preparation temperature, but since the alginate gel prepared at 4 ° C. is more mechanically stable, the total reaction temperature for making the alginate gel is performed within a temperature range of 4 ° C. It is preferable.

이같이 하여 3 ~ 5 ㎜ 직경의 알지네이트/키토산 기반 수화젤을 제조할 수 있다. 제조된 수화젤은 동결 건조하거나 또는 건조시켜 겔 내의 미생물의 생존력을 증진시키는 것이 바람직하다. In this way, alginate / chitosan based hydrogels having a diameter of 3 to 5 mm can be produced. The prepared hydrogel is preferably lyophilized or dried to enhance the viability of the microorganisms in the gel.

이같이 제조한 비드의 직경 크기가 약 3 ~ 5 mm로서 pot에 사용하는 수화젤 제형에서는 문제가 없으나 엽면 살포 등과 같은 포장용으로는 크기가 너무 커서 식물체에 점착이 어려울 수 있다. 이에 비드 크기를 수십 ~ 수백 마이크론 수준으로 작게 만들 필요성이 있으며, 이같은 소직경의 수화젤을 제조하기 위한 방법은 다음 과 같다. As the diameter of the beads thus prepared is about 3 to 5 mm, there is no problem in the hydrogel formulation used in the pot, but it may be difficult to adhere to the plant because the size is too large for packaging such as foliar spraying. There is a need to make the bead size to a few tens to hundreds of microns, and the method for producing such a small diameter hydrogel is as follows.

즉, 상술한 유용 미생물을 염화바륨 용액에 섞은 후 공기 중 분사장치(air driven spray system)를 이용하여 알지네이트를 용해시킨 용액에 분사함으로써 구형 비드를 만든다. 공기 중 분사장치의 실린지 펌프 속도는 18 ~ 18.6 ml/h 되도록 하고 기압은 4.5 ~ 5.5 LPM AIR 되도록 한다. 이때 속도가 작고 기압이 높을수록 분사되는 방울의 크기가 작아지나, 상기 펌프 속도보다 작아지면 부유되는 유용 미생물이 감소하고 형태가 균일하지 못한 캡슐이 만들어 질 수 있다. That is, spherical beads are made by mixing the above-mentioned useful microorganisms in a barium chloride solution and then spraying them into a solution in which alginate is dissolved using an air driven spray system. The syringe pump speed of the air injector should be 18-18.6 ml / h and the air pressure should be 4.5-5.5 LPM AIR. At this time, the smaller the velocity and the higher the pressure, the smaller the size of the spray droplets, but smaller than the pump speed can reduce the useful microorganisms suspended and can be made into a non-uniform capsule.

이같이 하여 얻어진 수백 마이크론 사이즈 캡슐을 CaCl2 용액에 천천히 떨어뜨려 구형 비드를 형성하고, 교반 및 수세한 다음 키토산을 넣고 교반하여 1차 코팅시킨다. The hundreds of micron size capsules thus obtained were replaced with CaCl 2 Slowly drop into solution to form spherical beads, stir and wash, add chitosan and stir to coat primary.

코팅된 비드를 실리카와 반응시켜 2차 코팅하고, 수세하여 400 ㎛ ~ 1 ㎜ 직경의 알지네이트/키토산 기반 수화젤을 제조할 수 있다. The coated beads may be reacted with silica for secondary coating, and washed with water to prepare alginate / chitosan based hydrogels of 400 μm to 1 mm in diameter.

이때 전체 반응 온도는 상기 3 ~ 5 ㎜ 직경의 알지네이트/키토산 기반 수화젤을 제조할 때와 같은 이유로 4℃의 온도 범위내에서 수행하는 것이 바람직하다.At this time, the total reaction temperature is preferably carried out in the temperature range of 4 ℃ for the same reason as when preparing the alginate / chitosan-based hydrogel having a diameter of 3 to 5 mm.

또한, 얻어진 수화젤은 동결 건조하거나 또는 건조시켜 겔 내의 미생물의 생존력을 증진시키는 것이 바람직하다.In addition, the obtained hydrogel is preferably lyophilized or dried to enhance the viability of the microorganisms in the gel.

한편, 후술하는 실시예를 통해 상기와 같은 공정에 대한 모델링 및 최적화 실험을 수행하였으며, 알지네이트 비드의 세균의 생존력과 관계된 생물물리화적 특성을 수분함량, 전자 현미경, DSC 분석 등을 통해 규명하였다. 그 결과 다음과 같은 사항들을 확인할 수 있었다: On the other hand, modeling and optimization experiments for the above process was carried out through the following examples, and the biophysical properties related to the viability of bacteria of alginate beads were identified through moisture content, electron microscopy, DSC analysis, and the like. The result was the following:

첫째, 농업용 유용 미생물 Serratia plymuthica A21-4와 Pseudomonas fluorescens B16의 캡슐화를 위해 알지네이트-Ca2 +가교/다중 양이온 층 형성/실리카 코팅 공정으로 속이 빈 3 ~ 5 ㎜ 알지네이트 쉘 비드를 만들었다. 특히 문헌상의 알지네이트 겔 안정화를 위해 현재 사용되고 있는 폴리-L-리신을 값이 싸고(16,000배) 환경친화적인 키토산으로 대체시키는 공정을 성공적으로 개발하였다. First, agricultural useful microorganisms Serratia plymuthica A21-4 and Pseudomonas for encapsulation of fluorescens B16 lie in alginate cross-linked -Ca 2 + / multi-layer forming cation / silica coating process it made the 3 ~ 5 ㎜ alginate beads shell blank. In particular, we have successfully developed a process for replacing poly-L-lysine, which is currently used for stabilizing alginate gels in the literature, with inexpensive (16,000 times) and environmentally friendly chitosan.

둘째, S. plymuthica A21-4 캡슐화된 3~ 5 ㎜ 알지네이트 비드는 대체로 둥근 형태이며 내부는 상당히 다공성이며 또한 대부분의 공간이 서로 연결되어 있었다. 알지네이트 비드의 S. plymuthica A21-4 세균에 대한 탁월한 담지능력도 이러한 비드 내의 층상구조와 연관된 것으로 추정된다(도 4 및 6 참조).Second, S. plymuthica A21-4 encapsulated 3 to 5 mm alginate beads were generally round in shape, highly porous inside, and most of the spaces were interconnected. The excellent supporting ability of alginate beads against S. plymuthica A21-4 bacteria is also associated with the layered structure in these beads (see Figures 4 and 6).

셋째, 제조된 키토산기반 S. plymuthica A21-4 알지네이트 겔 비드를 동결건조 후, 실온에서 3 달 후에도 세균이 아주 높은 생존률을 나타내는 것으로 보아 알지네이트 겔 매트릭스가 Serratia 세균의 좋은 보호막을 제공한다는 것을 입증해준다(도 7 내지 9 참조).Third, the prepared chitosan-based S. plymuthica After lyophilization of the A21-4 alginate gel beads, 3 months at room temperature, the bacteria show a very high survival rate, demonstrating that the alginate gel matrix provides a good protective film of Serratia bacteria (see FIGS. 7-9).

넷째, 동결건조한 알지네이트 겔 비드의 내재적 물의 상태 및 구조적 속성을 분석하기 위한 DSC 실험결과, 비드의 약 1.5배 정도가 결합수 “bound water”인 것을 확인하였다. 이들 결합수는 알지네이트 겔의 존재로 인해 생긴 것이기 때문에 동결과정 중의 S. plymuthica A21-4의 생존에 매우 중요한 역할을 하였다고 생각된다(도 7 내지 9).Fourth, as a result of DSC experiments for analyzing the state and structural properties of the intrinsic water of the lyophilized alginate gel beads, it was confirmed that about 1.5 times as much as the bound water "bound water". These binding waters are thought to play a very important role in the survival of S. plymuthica A21-4 during the freezing process because of the presence of alginate gels (FIGS. 7-9).

<실시예><Example>

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 구체적으로 기술하였다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하고자 하는 것으로 본 발명을 이에 한정하려는 것은 아니다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following examples are intended to illustrate the invention and are not intended to limit the invention thereto.

< 키토산-코팅 기반 마이크로캡슐화를 위한 3 ~ 5 mm 알지네이트 비드 만들기를 위한 모델링 및 최적화 실험> < 3 to 5 mm for chitosan-coated based microencapsulation Modeling and Optimization Experiments for Making Alginate Shell Beads >

비교예Comparative example

도 2에 도시한 바와 같이, Coradin et al., (Chem. Commun., 2001, 2496-2497)에 의한 알긴산의 Ca2 + 가교/폴리-L-리신 층 형성/실리카 코팅/시트레이트 유도 알지네이트 제거에 의한 속이 빈 캡슐 형성 방법으로 세균의 캡슐화를 시도하였었다. As shown in Figure 2, Coradin et al., The alginic acid by (Chem. Commun., 2001, 2496-2497) Ca 2 + crosslinked / polyacrylic -L- lysine layer formed / silica coating / citrate derived alginate removed The encapsulation of bacteria was attempted by the hollow capsule formation method.

그러나 해당 공정으로는 동결건조 등과 같은 후속 공정에서 안정성이 떨어졌 다. However, the process is less stable in subsequent processes such as lyophilization.

이에 Coradin의 원래 공정중 시트레이트 공정을 빼고, 층 형성 물질을 값이 싼 키토산으로 대체시키는데 착안하여 하기 실시예를 진행하였다. Accordingly, the following example was carried out by focusing on substituting the original citrate process of Coradin and replacing the layer forming material with cheap chitosan.

실시예Example 1-제조 1-Manufacture

알지네이트 용액을 0.06 M NaOH 용액에 알긴산 (Sigma)를 1.5 wt/v% 농도로 녹인 뒤 pH 7.5로 맞추어 제조하였다. 얻어진 알지네이트 용액 10 ㎖을 200 ㎕ 황색 팁을 이용하여 LC 저압펌프(Gilson M312)로 0.1 M CaCl2 용액 100 ㎖에 천천히 떨어뜨리면 구형 비드가 형성되었다. 이것을 1 시간동안 4℃에서 교반한 다음 0.05 M Tris-HCl buffer(pH 7.2)로 2회 세척하였다. Alginate solution was prepared by dissolving alginic acid (Sigma) in a concentration of 1.5 wt / v% in 0.06 M NaOH solution to pH 7.5. The alginate solution was obtained in a 10 ㎖ LC low-pressure pump (Gilson M312) using a yellow tip 200 ㎕ 0.1 M CaCl 2 Slow dropping into 100 ml of solution formed spherical beads. It was stirred for 1 h at 4 ° C. and then washed twice with 0.05 M Tris-HCl buffer (pH 7.2).

그런 다음 도 3에 도시한 바와 같이, 다중 양이온 코팅 물질로서 0.01 wt/v% 폴리-L-리신 또는 0.1 wt/v% 폴리에틸렌아민(PEI) 또는 0.01 wt/v% 키토산을 각각 넣어 30 분동안 교반하여 비드를 일차적으로 코팅시켰다. Then, as shown in FIG. 3, 0.01 wt / v% poly-L-lysine or 0.1 wt / v% polyethyleneamine (PEI) or 0.01 wt / v% chitosan, respectively, was added as a multi-cation coating material and stirred for 30 minutes. The beads were first coated.

얻어진 알지네이트/다중 양이온 캡슐의 기계적 물성을 향상시키기 위해서 0.01 M 소디움 실리케이트 용액에 2 시간동안 반응시켜 캡슐을 재차 코팅한 뒤 0.05 M Tris-HCl buffer(pH 7.2)로 2회 수세하였다.In order to improve the mechanical properties of the obtained alginate / polycationic capsule, the capsules were reacted with 0.01 M sodium silicate solution for 2 hours, and the capsules were coated again, and washed twice with 0.05 M Tris-HCl buffer (pH 7.2).

<< 실시예Example 2- 2- CaClCaCl 22 농도별 및 반응시간별  By concentration and reaction time 알지네이트Alginate 비드Bead 중의 수분량 측정> Water content measurement>

1) One) CaCa 22 + + 농도 및 Concentration and CaCa 22 + + 의 반응 시간에 따른 캡슐의 수분함량%Moisture content of capsule according to reaction time of

알지네이트 겔에서 Ca2 +는 물리적 가교제(physical crosslinks)로 역할하기 때문에 그 상대적인 농도의 변화는 가교 밀도를 조절할 것으로 기대되는 바, 본 실시예에서는 Ca2 + 농도에 따라 만들어진 캡슐의 수분을 측정하여 가교 밀도를 조절하는지 여부를 확인하였다. In alginate gel Ca 2 + has physical cross-linking agent cross-linked to the change in the relative concentrations of exemplary bar which is expected to adjust the cross-link density, in this embodiment, measuring the moisture of the capsules made in accordance with the Ca 2 + concentration because the role as (physical crosslinks) It was checked whether the density was adjusted.

실시예 1에서 제조된 캡슐의 수분량을 측정하기 위해, 적정크기로 자른 여과지(Advantec)를 진공 오븐에 24 시간 동안 넣어 건조한 후 무게를 재고, 4℃에서 만든 캡슐을 여과지 위에 얹어 무게를 재어 건조하기 전의 캡슐의 무게(Wt(wet))를 측정하였다. 다시 진공 오븐에서 24 시간 동안 캡슐을 얹은 여과지를 완전히 건조 시킨 후, 건조한 뒤의 캡슐의 무게(Wt(dry))를 잰 다음 하기 수학식 1에서와 같이, 건조 전 캡슐의 무게에서 건조 뒤 캡슐 무게를 빼주어 캡슐의 수분량을 측정하였다. In order to measure the moisture content of the capsule prepared in Example 1, the filter paper (Advantec) cut to a suitable size in a vacuum oven and dried for 24 hours, weighed, and weighed and dried by placing the capsule made at 4 ℃ on the filter paper The weight of the previous capsule (Wt (wet)) was measured. After completely drying the filter paper with the capsules in the vacuum oven for 24 hours, the weight of the capsule after drying (Wt (dry)) is weighed and then the capsule weight after drying from the weight of the capsule before drying, as shown in Equation 1 below. Then, the moisture content of the capsule was measured.

[{Wt(wet) - Wt(dry)}/Wt(wet)] X 100 = 캡슐의 수분량 % [{Wt (wet)-Wt (dry)} / Wt (wet)] X 100 = capsule moisture%

Ca2 + 농도 및 캡슐 제조온도별 얻어진 캡슐의 수분함량(%) 결과를 하기표 1에 함께 정리하였다. Ca 2 + concentration and the capsules to the water content (%) The results of capsules obtained by the production temperature are summarized in Table 1.

실온(25℃) Room temperature (25 ℃) 1차Primary 2차Secondary 0.05 M CaCl2 0.05 M CaCl 2 94.9 %94.9% 96.3 %96.3% 0.1 M CaCl2 0.1 M CaCl 2 98.9 %98.9% 97.3 %97.3% 0.15 M CaCl2 0.15 M CaCl 2 96.0 %96.0% 98.3 %98.3% 0.2 M CaCl2 0.2 M CaCl 2 97.2 %97.2% 97.3 %97.3% 1차Primary 2차Secondary 0.1 M CaCl2 0.1 M CaCl 2 97.2 %97.2% 98.6 %98.6% 0.2 M CaCl2 0.2 M CaCl 2 98.7 %98.7% 97.6 %97.6%

4℃4 ℃ 1차Primary 2차Secondary 0.1 M CaCl2 0.1 M CaCl 2 97.2 %97.2% 98.6 %98.6% 0.2 M CaCl2 0.2 M CaCl 2 98.7 %98.7% 97.6 %97.6%

상기표 1a 및 1b에서 보듯이, 알지네이트 겔은 오차범위내에서 Ca2+ 농도 및 캡슐 제조온도에 따라 특별한 차이를 보이지 않았다. 그러나 4℃에서 제조된 겔보다 실온에서 제조된 겔은 건들기만 하더라도 쉽게 구조가 무너지므로, 4℃에서 제조된 알지네이트 겔이 기계적으로 더 안정된 것으로 판단되었기 때문에 4℃에서의 칼슘 농도 및 반응 시간에 따른 수분함량(%) 실험을 수행하고, 그 결과를 하기 표 2에 정리하였다. As shown in Table 1a and 1b, the alginate gel did not show any particular difference depending on the Ca 2+ concentration and capsule preparation temperature within the margin of error. However, since gels prepared at room temperature are easily broken down by touching them, gels prepared at 4 ° C are considered to be more stable mechanically, and therefore, gels prepared at 4 ° C may be more stable. Moisture content (%) experiment was performed, the results are summarized in Table 2 below.

4℃4 ℃ 1hr1hr 0.1 M CaCl2 0.1 M CaCl 2 92.0 %92.0% 0.2 M CaCl2 0.2 M CaCl 2 98.2 %98.2% 0.4 M CaCl2 0.4 M CaCl 2 95.9 %95.9%

4℃4 ℃ 0.1 M CaCl2 0.1 M CaCl 2 1hr1hr 94.4%94.4% 2hr2hr 92.0 %92.0% 3hr3hr 93.2 %93.2% 4hr4hr 96.2%96.2%

상기표 2에서 보듯이, 알지네이트 겔은 오차 범위내에서 Ca2+ 농도 및 반응시간에 따라 특별한 차이를 보이지 않았으며, Ca2+ 농도 및 시간에 따른 최적화에서 기계적 강도 등에도 큰 차이를 보이지 않았으므로, 0.1 M CaCl2, 1 시간을 최적 반응조건으로 결정하였다. As shown in Table 2, the alginate gel did not show a special difference depending on the Ca 2+ concentration and the reaction time within the error range, and did not show a significant difference in the mechanical strength, etc. in the Ca 2+ concentration and time optimization. , 0.1 M CaCl 2 , 1 hour was determined as the optimum reaction conditions.

<실시예 3- 유용세균의 캡슐화 및 세균의 개체수 측정>Example 3 Encapsulation of Useful Bacteria and Measurement of the Number of Bacteria

유용세균으로는 고추역병 방제균으로 다음 두 균주를 선정하였다. As useful bacteria, the following two strains were selected as the bacteriostatic bacterium.

1) 균주 : 1) Strains: Serratia plymuthicaSerratia plymuthica A21-4  A21-4

영양분이 풍부한 NR 배지에서 세균을 30℃, 12시간 배양한 뒤, 원심분리(8,700g, 30min)하여 회수한 세균(3 × 109 CFU/ml)를 알지네이트 용액에 부유시켜 비드를 만듦으로써 세균을 캡슐에 적재하였다.After incubating the bacteria for 30 hours at 30 ° C. in nutrient-rich NR medium, the bacteria (3 × 10 9 CFU / ml) recovered by centrifugation (8,700 g, 30 min) were suspended in alginate solution to form the beads. Loaded into capsules.

2) 균주 : 2) Strains: PseudomonasPseudomonas fluorescensfluorescens B16 B16

영양분이 풍부한 NR 배지에서 세균을 30℃, 12시간 배양한 뒤, 원심분리(8,700g, 30min)하여 회수한 세균(2 × 109 CFU/ml)를 캡슐에 적재하는데 사용하였다. 단, 세균외의 EPS와 같은 물질이 포함되어 있어 PBS buffer로 두 번 수세하여 세균만을 순수하게 분리한 뒤 사용하였다.After incubating the bacteria at 30 ° C. for 12 hours in nutrient rich NR medium, the cells (2 × 10 9 CFU / ml) recovered by centrifugation (8,700 g, 30 min) were used to load the capsules. However, since it contains a substance such as EPS, it was washed twice with PBS buffer to purely separate bacteria and used.

3) 3) S. S. plymuthicaplymuthica 세균의 여러 가지 물리적 인자에 의한  Due to various physical factors of bacteria 생존률Survival rate 조사 Research

상기 Serratia plymuthica A21-4 세균을 알지네이트 수화젤 비드에 적재, 동결건조하기 전에 해당 세균의 관련 물리화학적 스트레스 인자에 생존률이 어떻게 변하는지를 먼저 조사하였다. Serratia Prior to loading and lyophilizing plymuthica A21-4 bacteria in alginate hydrogel beads, the survival rates of the relevant physicochemical stress factors were examined.

즉, 알지네이트 자체의 적재 농도에서의 생존율에의 영향 및 배양 세균 자체가 동결건조 조건하에서 얼마나 살아 남을 수 있는지를 조사하였다. In other words, the effect on the survival rate at the loading concentration of alginate itself and how long the cultured bacteria themselves can survive under lyophilized conditions.

S. S. plymuthicaplymuthica  Wow 알지네이트Alginate 용액( solution( pHpH 7.5)을 1:1로  7.5) 1: 1 부유시켰을때When floating 생존하는 개체수 (대조군,  Surviving population (control, 알지네이트Alginate 고분자 자체에 의한 영향) Influence by the polymer itself)

S. plymuthica NR 배양액 400 ㎕를 수확하여 알지네이트 용액(pH 7.5) 400㎕에 실온에서 1 시간 부유시킨후 spreading하여 군체 수를 측정하였다. 얻어진 콜로니 수는 3.0 × 108 ~ 8.0 × 109 CFU/ml로서 예상대로 큰 영향이 없었다. 400 μl of S. plymuthica NR culture was harvested and suspended in 400 μl of alginate solution (pH 7.5) at room temperature for 1 hour and then spreaded to determine the number of colonies. The number of colonies obtained was 3.0 × 10 8 to 8.0 × 10 9 CFU / ml, with no significant effect as expected.

S. S. plymuthicaplymuthica 배양액 자체를 동결건조시 생존하는 개체수(대조 개체수) The number of the surviving population of the culture medium itself by lyophilization (control population)

S. plymuthica를 NR배지에서 12 시간 배양한 뒤, 회수한 배양액을 일반냉동고(-20℃)에서 약 5 시간 1차 얼린후 Deep Freezer (-70℃)에서 24 시간 얼렸다. 얼린 시료를 Eyla 동결 건조기 (FD-1000, GCD-051X pump)에서 동결건조 (Eyla freeze drier, 24 h to 48 h) 하였다. 참고로, 이후의 동결건조 실험은 모두 동일한 조건에서 수행하였다. After culturing S. plymuthica in NR medium for 12 hours, the recovered culture was first frozen in a general freezer (-20 ° C) for about 5 hours and then frozen in Deep Freezer (-70 ° C) for 24 hours. Frozen samples were lyophilized (Eyla freeze drier, 24 h to 48 h) in an Eyla freeze dryer (FD-1000, GCD-051X pump). For reference, all subsequent lyophilization experiments were performed under the same conditions.

동결건조한 세균을 PBS buffer에 24 시간 동안 넣어둔 뒤 spreading하여 군체 수를 측정하였다. 동결건조된 S. plymuthica의 생존하는 개체수는 1 × 102 ~ 1 × 103 CFU/ml로서 세균이 심한 동해손상을 입어 대부분 죽는 것으로 판명되었다. Lyophilized bacteria were placed in PBS buffer for 24 hours and then spreaded to determine the number of colonies. The surviving population of lyophilized S. plymuthica ranged from 1 × 10 2 to 1 × 10 3 CFU / ml, indicating that most of the bacteria died from severe East Sea damage.

4) 4) S. S. plymuthicaplymuthica 적재을Loading 위한 다중 양이온들에 대한  For multiple cations pHpH 최적화 optimization

알지네이트 중합체는 측쇄에 카복실기를 가지고 있어 녹인 수용액의 pH는 약 4 정도이다. 그러나 Serratia plymuthica A21-4의 최적 성장 pH는 7이었다. 이에 pH에 따른 알지네이트 겔 제조의 최적화를 실시하였다. The alginate polymer has a carboxyl group in the side chain, and the dissolved aqueous solution has a pH of about 4. However, the optimal growth pH of Serratia plymuthica A21-4 was 7. This was performed to optimize the alginate gel production according to the pH.

이때 기존의 동물세균의 캡슐화에서 주로 사용하던 알지네이트 겔 안정화제인 폴리-L-리신은 너무 고가여서 농업소재로 사용하는 것은 불가능하다고 판단하였고, 폴리-L-리신의 대체 양이온성 폴리머로서 폴리에틸렌이민 (3000 배 저렴함)과 키토산 (16,000 배 저렴함)을 1차로 선발하였다. At this time, poly-L-lysine, an alginate gel stabilizer mainly used in the encapsulation of animal bacteria, was considered to be too expensive to be used as an agricultural material, and polyethyleneimine (3000) was used as an alternative cationic polymer of poly-L-lysine. Cheaper times) and chitosan (16,000 times cheaper) were selected first.

상술한 세 종류의 다중 양이온을 이용하여 S. plymuthica 적재된 알지네이트를 제조하고 여러 가지 특성을 비교하였다. S. plymuthica loaded alginates were prepared using the three types of multiple cations described above and compared with various properties.

우선, S. plymuthica NR 배양액 400 ㎕를 수확하여 pH 4.0 알지네이트 용액과 pH 7.5 알지네이트 용액(10 N NaOH로 pH 조절) 400 ㎕ 각각에 부유시켰다. 이것을 200 ㎕ 황색 팁을 이용한 LC 저압펌프(Gilson M312)에 의해 0.1 M CaCl2용액 4 ㎖에 떨어뜨려 1 시간동안 교반한 다음 0.05 M Tris-HCl buffer(pH7.2)로 수세하고, 0.01 % 폴리-L-리신 또는 0.1 wt/v% 폴리에틸렌이민 또는 0.01 wt/v% 키토산 2 ㎖를 각각 넣어 30 분 반응 시켰다. First, 400 μl of S. plymuthica NR culture was harvested and suspended in 400 μl of pH 4.0 alginate solution and pH 7.5 alginate solution (pH adjusted with 10 N NaOH), respectively. This was added to 4 ml of 0.1 M CaCl 2 solution by LC low pressure pump (Gilson M312) using 200 μl yellow tip, stirred for 1 hour, washed with 0.05 M Tris-HCl buffer (pH 7.2), and 0.01% poly 2 ml of -L-lysine or 0.1 wt / v% polyethyleneimine or 0.01 wt / v% chitosan, respectively, was allowed to react for 30 minutes.

Tris-HCl buffer(pH7.2)로 두 번 수세하고 0.01 M 소디움 실리케이트 용액 2 ㎖넣어 2 시간동안 반응 시키고, Tris-HCl buffer(pH7.2)로 두 번 수세하였다. Water was washed twice with Tris-HCl buffer (pH 7.2), 2 ml of 0.01 M sodium silicate solution was reacted for 2 hours, and washed twice with Tris-HCl buffer (pH 7.2).

이렇게 완성된 비드를 동결건조하여 실온에서 방치한 시간(0 h, 24 h, 48 h, 72 h, 120 h)에 따른 세균의 생존율을 측정하기 위해 비드를 기계적으로 파쇄, spreading하여 군체 수를 측정하고 pH와 다중 양이온 종류에 따른 알지네이트 캡슐내의 S. plymuthica cell의 생존력 결과를 하기표 3에 나타내었다.The number of colonies was measured by mechanically crushing and spreading the beads in order to measure the viability of the bacteria according to the time of lyophilization of the finished beads and the time left at room temperature (0 h, 24 h, 48 h, 72 h, 120 h). The viability results of S. plymuthica cells in alginate capsules according to pH and multiple cationic species are shown in Table 3 below.

알지네이트/폴리-L-리신/실리케이트Alginate / poly-L-lysine / silicate 0 hr0 hr 24 hr24 hr 48 hr48 hr 72 hr72 hr 96 hr96 hr 120 hr120 hr pH 4pH 4 1.47 × 107 CFU/㎖1.47 × 10 7 CFU / ml 5.49 × 107 CFU/㎖5.49 × 10 7 CFU / mL 2.01 × 107 CFU/㎖2.01 × 10 7 CFU / mL 1.54 × 107 CFU/㎖1.54 × 10 7 CFU / mL 2.37 × 107 CFU/㎖2.37 × 10 7 CFU / mL 3.24 × 107 CFU/㎖3.24 × 10 7 CFU / mL pH 7.5pH 7.5 7.98 × 108 CFU/㎖7.98 × 10 8 CFU / mL 1.84 × 108 CFU/㎖1.84 × 10 8 CFU / mL 4.52 × 108 CFU/㎖4.52 × 10 8 CFU / mL 2.69 × 108 CFU/㎖2.69 × 10 8 CFU / mL 3.71 × 108 CFU/㎖3.71 × 10 8 CFU / mL 1.38 × 108 CFU/㎖1.38 × 10 8 CFU / mL

알지네이트/폴리에틸렌이민/실리케이트 Alginate / Polyethyleneimine / Silicate 0 hr0 hr 24 hr24 hr 48 hr48 hr 72 hr72 hr 96 hr96 hr 120 hr120 hr pH 4pH 4 2.53 × 107 CFU/㎖2.53 × 10 7 CFU / mL 4.3 × 107 CFU/㎖4.3 × 10 7 CFU / mL 1.18 × 107 CFU/㎖1.18 × 10 7 CFU / mL 2.11 × 107 CFU/㎖2.11 × 10 7 CFU / mL 1.07 × 107 CFU/㎖1.07 × 10 7 CFU / mL 1.53 × 107 CFU/㎖1.53 × 10 7 CFU / mL pH 7.5pH 7.5 2.53 × 108 CFU/㎖2.53 × 10 8 CFU / mL 1.75 × 108 CFU/㎖1.75 × 10 8 CFU / mL 3.24 × 108 CFU/㎖3.24 × 10 8 CFU / mL 2.07 × 108 CFU/㎖2.07 × 10 8 CFU / mL 2.82 × 108 CFU/㎖2.82 × 10 8 CFU / mL 1.09 × 108 CFU/㎖1.09 × 10 8 CFU / ml

알지네이트/키토산/실리케이트Alginate / chitosan / silicate 0 hr0 hr 24 hr24 hr 48 hr48 hr 72 hr72 hr 96 hr96 hr 120 hr120 hr pH 4pH 4 1.82 × 107 CFU/㎖1.82 × 10 7 CFU / mL 5.46 × 107 CFU/㎖5.46 × 10 7 CFU / mL 1.79 × 107 CFU/㎖1.79 × 10 7 CFU / mL 1.2 × 107 CFU/㎖1.2 × 10 7 CFU / mL 2.3 × 107 CFU/㎖2.3 × 10 7 CFU / mL 1.60 × 107 CFU/㎖1.60 × 10 7 CFU / mL pH 7.5pH 7.5 3.68 × 108 CFU/㎖3.68 × 10 8 CFU / mL 1.3 2× 108 CFU/㎖1.3 2 × 10 8 CFU / mL 1.83 × 108 CFU/㎖1.83 × 10 8 CFU / mL 3.25 × 108 CFU/㎖3.25 × 10 8 CFU / mL 1.09 × 108 CFU/㎖1.09 × 10 8 CFU / mL 1.67 × 108 CFU/㎖1.67 × 10 8 CFU / mL

상기표에서 보듯이, 3가지 다중 양이온 모두에 대해서 pH 7에서 S. plymuthica 균체의 생존율이 가장 높았다. 또한 값이 가장 싼 키토산이 다른 두 다중 양이온에 비해 생존율 및 구조적 안정성에서 좋은 결과를 보이는 것을 확인할 수 있었다. 특히 폴리에틸렌이민 합성물질은 난분해성이기 때문에 생분해성인 키토산이 알지네이트 겔의 안정화제로서는 경제적이고 환경친화적이라고 결론지었다. As shown in the table, the survival rate of S. plymuthica cells was the highest at pH 7 for all three multiple cations. In addition, it was confirmed that the cheapest chitosan showed better results in viability and structural stability than the other two cations. In particular, it was concluded that the biodegradable chitosan was economical and environmentally friendly as the stabilizer of the alginate gel because polyethyleneimine synthetic material was difficult to decompose.

5) 5) S. S. plymuthicaplymuthica cellcell of 알지네이트Alginate 비드에서의At the bead 담지능Intelligence 조사  Research

상기 4) 단락에서 제조된 키토산기반 S. plymuthica 알지네이트-겔 비드를 Tris-HCl buffer(pH7.2)로 두 번 수세한 후, 신선한 Tris-HCl buffer(pH7.2)에 2 일 간 담궈놓은 (체적 비= 습한 겔 30 : buffer 70) 후 spreading하여 겔 비드가 buffer에서 담가있는 상태에서 담지하고 있는 균체 수를 측정하였다. Chitosan-based S. plymuthica alginate-gel beads prepared in paragraph 4) were washed twice with Tris-HCl buffer (pH 7.2) and then soaked in fresh Tris-HCl buffer (pH 7.2) for 2 days ( Volume ratio = wet gel 30: buffer 70) and then spreading to measure the number of cells supported by the gel beads in the buffer soaked state.

buffer층과 비드내 각각의 생존 개체수를 알지네이트 비드가 Tris-HCl buffer(pH7.2)에 48 h 담궈져 있을때 비드의 S. plymuthica cell에 대한 담지능력으로 측정하고, 하기표 4에 정리하였다. Each surviving population in the buffer layer and beads was measured by the ability of the beads to support the S. plymuthica cells when the alginate beads were immersed in Tris-HCl buffer (pH7.2) for 48 h, and summarized in Table 4 below.

S. S. plymuthicaplymuthica Buffer 층Buffer layer 5.00 × 105 ~ 2.38 × 106 5.00 × 10 5 ~ 2.38 × 10 6 비드 내Within the bead 4.14 × 108 4.14 × 10 8

상기표 4에서 보듯이, 습한 겔을 buffer에 이틀간 담가 두어도 알지네이트 비드 내 세균의 개체수는 48 시간내에는 크게 변화하지 않는 것을 알 수 있다. 이로부터 알지네이트 겔의 S. plymuthica 세균에 대한 담지능력이 탁월함을 알 수 있다. 또한, 알지네이트 비드로부터의 세균의 방출은 매우 천천히 일어남을 유추해볼 수 있다. As shown in Table 4, even if the wet gel is soaked in the buffer for two days, the number of bacteria in the alginate beads does not change significantly within 48 hours. From this, it can be seen that the supporting capacity of the alginate gel against S. plymuthica bacteria. It can also be inferred that the release of bacteria from alginate beads occurs very slowly.

한편, 그람음성 S. plymuthica 역시 본 연구에서 만든 비드내의 층상구조인 알지네이트 내부 층면에 점착되어 있을 것으로 추정되며, 도 6에서도 확인할 수 있었다. On the other hand, Gram-negative S. plymuthica is also assumed to adhere to the inner layer of the alginate layer, which is a layered structure in the beads made in this study, it was also confirmed in FIG.

6) 6) S. plymuthicaS. plymuthica Wow P. fluorescens P. fluorescens 의 상대적 캡슐화 및 생존율 비교 Relative encapsulation and survival

본 실시예에서는 유용세균으로서 S. plymuthica A21-4와 P. fluorescens B16을 각각 선택하였다. In this example, S. plymuthica A21-4 and P. fluorescens B16 were selected as useful bacteria.

즉, 상술한 바와 같이, 2가지 세균을 상술한 3가지 종류의 다중 양이온을 이용하여 알지네이트 비드를 만들고, 실온에서 공기중에 방치한 다음, 방치 시간(0 hr, 24 hr, 48 hr, 72 hr, 120 hr)에 따른 생존율을 측정하기 위해 캡슐을 멸균증류수에 24시간 동안 넣어둔 뒤, 파쇄 후 spreading하여 군체 수를 측정하였으며, 다중 양이온 종류에 따른 S. plymuthicaP. fluorescens의 상대적 캡슐화 및 생존율 비교 결과를 하기 표 5에 정리하였다. That is, as described above, alginate beads are prepared using the three kinds of multi-cations as described above, and the two bacteria are left in the air at room temperature, and then left for a time (0 hr, 24 hr, 48 hr, 72 hr, In order to measure the survival rate according to 120 hr), the capsules were placed in sterile distilled water for 24 hours, then crushed and spreaded to determine the number of colonies, and the relative encapsulation and survival rates of S. plymuthica and P. fluorescens according to multiple cations The results are summarized in Table 5 below.

알지네이트/폴리-L-리신/실리케이트Alginate / poly-L-lysine / silicate 경과시간Elapsed time 0.1 M CaCl2 0.1 M CaCl 2 S. plymythicaS. plymythica P. P. fluorescensfluorescens 0 hr0 hr 7.98 × 108 CFU/㎖7.98 × 10 8 CFU / mL 4.56 × 106 CFU/㎖4.56 × 10 6 CFU / mL 24 hr24 hr 2.84 × 108 CFU/㎖2.84 × 10 8 CFU / mL 2.04 × 106 CFU/㎖2.04 × 10 6 CFU / mL 48 hr48 hr 4.52 × 108 CFU/㎖4.52 × 10 8 CFU / mL 6.29 × 106 CFU/㎖6.29 × 10 6 CFU / mL 72 hr72 hr 2.69 × 108 CFU/㎖2.69 × 10 8 CFU / mL -- 96 hr96 hr 3.71 × 108 CFU/㎖3.71 × 10 8 CFU / mL -- 120 hr120 hr 1.38 × 108 CFU/㎖1.38 × 10 8 CFU / mL --

알지네이트/폴리에틸렌이민/실리케이트Alginate / Polyethyleneimine / Silicate 경과시간Elapsed time 0.1 M CaCl2 0.1 M CaCl 2 S. plymythicaS. plymythica P. P. fluorescensfluorescens 0 hr0 hr 2.53 × 108 CFU/㎖2.53 × 10 8 CFU / mL 3.42 × 106 CFU/㎖3.42 × 10 6 CFU / mL 24 hr24 hr 1.75 × 108 CFU/㎖1.75 × 10 8 CFU / mL 1.03 × 106 CFU/㎖1.03 × 10 6 CFU / ml 48 hr48 hr 3.24 × 108 CFU/㎖3.24 × 10 8 CFU / mL 2.78 × 106 CFU/㎖2.78 × 10 6 CFU / mL 72 hr72 hr 2.07 × 108 CFU/㎖2.07 × 10 8 CFU / mL -- 96 hr96 hr 2.82 × 108 CFU/㎖2.82 × 10 8 CFU / mL -- 120 hr120 hr 1.09 × 108 CFU/㎖1.09 × 10 8 CFU / ml --

알지네이트/키토산/실리케이트Alginate / chitosan / silicate 경과시간Elapsed time 0.1 M CaCl2 0.1 M CaCl 2 S. plymythicaS. plymythica P. P. fluorescensfluorescens 0 hr0 hr 3.68 × 108 CFU/㎖3.68 × 10 8 CFU / mL 2.07 × 106 CFU/㎖2.07 × 10 6 CFU / mL 24 hr24 hr 1.32 × 108 CFU/㎖1.32 × 10 8 CFU / mL 1.28 × 106 CFU/㎖1.28 × 10 6 CFU / mL 48 hr48 hr 1.83 × 108 CFU/㎖1.83 × 10 8 CFU / mL 2.62 × 106 CFU/㎖2.62 × 10 6 CFU / mL 72 hr72 hr 3.25 × 108 CFU/㎖3.25 × 10 8 CFU / mL -- 96 hr96 hr 1.09 × 108 CFU/㎖1.09 × 10 8 CFU / mL -- 120 hr120 hr 1.67 × 108 CFU/㎖1.67 × 10 8 CFU / mL --

상기표 5에서 보듯이, 두 그람음성 세균사이에 적재율 및 생존시간이 매우 차이가 남을 알 수 있다. 즉, S. plymuthica는 120 시간내에는 생존율에 큰 변화가 없는 반면, P. fluorescens는 72 시간 후에는 생존하지 못함을 보여준다. 이로부터 2가지 세균 중 P. fluorescens가 내한발성이 더욱 약함을 확인할 수 있었다. As shown in Table 5, it can be seen that the loading rate and survival time between the two Gram-negative bacteria are very different. In other words, S. plymuthica showed no significant change in viability within 120 hours, whereas P. fluorescens did not survive after 72 hours. From this, it was confirmed that P. fluorescens of two bacteria is more cold-resistant.

따라서 본 발명의 동결건조를 통한 캡슐화된 알지네이트 겔의 제조 및 농작물 묘목 및 field 연구에는 S. plymuthica A21-4에 한정하였다. Therefore, the preparation of encapsulated alginate gel through lyophilization of the present invention and crop seedling and field studies were limited to S. plymuthica A21-4.

7) 7) 캡슐화한지Encapsulated 3 달 후 생존하는  3 months later to survive S. S. plymuthicaplymuthica A21-4 개체수 A21-4 population

상기 실험 6)에서 제조된 키토산기반 S. plymuthica 알지네이트 겔 비드를 동결건조후 Falcon 튜브에 3개월간 보관 후 생균수를 측정하기 위해 캡슐을 멸균증류수에 24 시간 동안 넣어둔 뒤, 파쇄 후 spreading하여 군체 수를 측정하였다. After freeze-drying the chitosan-based S. plymuthica alginate gel beads prepared in Experiment 6) for 3 months in a Falcon tube, the capsules were placed in sterile distilled water for 24 hours and then crushed and spreaded to determine the number of colonies. Was measured.

그 결과, 1.0 × 105 ~ 1.1 ×107 CFU/ml인 것으로, 초기 ~108에 비해 약간 떨어지긴 하지만 3 달 후에도 세균이 비교적 아주 높은 생존률을 나타내는 것으로 보아 알지네이트 겔 매트릭스가 Serratia 세균의 좋은 보호막 (protection during storage)을 제공한다는 것을 입증하였다. As a result, 1.0 × 10 5 ~ 1.1 × 10 7 CFU / ml of that, good protective film of some tteoleojigin compared to the initial 10 8, but that the bacteria after 3 months represents the relatively very high survival rate seen alginate gel matrix is Serratia bacteria ( to provide protection during storage.

8) 8) S. S. plymuthicaplymuthica A21-4  A21-4 encapsulatedencapsulated 3 ~ 5  3 to 5 mmmm 알지네이트Alginate 비드의Bead 구조적 속성 Structural properties

200 ㎕ 황색 팁을 이용한 LC 저압펌프 사출법으로 만든 겔 비드를 동결건조한 후 금 코팅시켜 전자현미경으로 morphology를 관찰하였다. 단면 사진촬영을 위해서는 동결건조시료를 액체질소로 다시 응고시킨 후 나이프로 자른 후 SEM 관측을 수행하고 도 4에 나타내었다. Gel beads prepared by LC low pressure pump injection using a 200 μl yellow tip were lyophilized and gold coated to observe morphology under an electron microscope. For cross-sectional photography, the lyophilized sample was coagulated again with liquid nitrogen, cut with a knife, and SEM observation was performed.

도 4에서 보듯이, 알지네이트 비드의 구조적 특성은 대체로 둥근형태(~0.5 ㎜ 직경)이며, 내부는 상당히 다공성이며 또한 대부분의 공간이 서로 연결되어있는 것으로 보인다. 전체적 구형구조는 사용한 다중 양이온별로 큰 차이가 없었으나, 내부 공간 구조는 사용한 다중 양이온의 유형 및 세균의 적재 여부에 따라 매우 다름을 확인할 수 있었다. As shown in FIG. 4, the structural properties of the alginate beads are generally rounded (˜0.5 mm diameter), and the interior is quite porous and most of the spaces appear to be interconnected. The overall spherical structure was not significantly different according to the multiple cations used, but the internal space structure was found to be very different depending on the type of multiple cations used and whether the bacteria were loaded.

그중에서도 세균이 적재된 키토산 다중 양이온을 사용한 경우가 구조적 치밀성이 가장 떨어진 편이었다. 이는 세균을 알지네이트 중합체 1.5 wt/v% 용액에 부유시켜 비드 형성시 어느정도의 응집이 일어나고 이것이 동결건조과정에서 많은 공극을 유도했을 것으로 여겨진다. Among them, the case of using chitosan multiple cations loaded with bacteria was the least structurally dense. It is believed that this was caused by flocculation of the bacteria in a 1.5 wt / v% solution of alginate polymer, which caused some aggregation during bead formation, which led to many voids during the lyophilization process.

<< 실시예Example 4-키토산-코팅 기반 마이크로캡슐화에 의한 수백 ㎛ ~ 1  Hundreds of μm ~ 1 by 4-chitosan-coated based microencapsulation mmmm 알지네이트Alginate  Shell 마이크로비드Microbeads 제조 (압축 공기를 동력으로 하는 분사 시스템 이용)> Manufacturing (using compressed air powered injection system)>

상술한 200 ㎕ 황색 팁/저압펌프 방법으로 만든 비드는 크기가 약 3 ~ 5 mm로서 pot에 사용하는 수화젤 제형에서는 문제가 없으나 엽면 살포 등과 같은 포장용으로는 크기가 너무 커서 식물체에 점착이 어려울 수 있다.    The beads made by the 200 μl yellow tip / low pressure pump method described above have a size of about 3 to 5 mm, which is not a problem in the hydrogel formulation used in the pot, but it is too large for packaging such as foliar spraying and thus it may be difficult to adhere to the plant. have.

이에 비드 크기를 수십 ~ 수백 마이크론 수준으로 작게 만들 필요성이 있어, 압축공기를 이용한 알지네이트 용액의 공기중 분사장치를 이용하여 비교적 크기가 수백마이크론까지 작아진 알지네이트 비드를 만드는 방법에 대하여 후술한다. Therefore, since the bead size needs to be reduced to a level of several tens to hundreds of microns, a method of making alginate beads having a relatively small size up to several hundred microns using an air injector of alginate solution using compressed air will be described later.

1) One) 수백마이크론Hundreds of microns SerratiaSerratia 적재된 Loaded 알지네이트Alginate 비드의Bead 제조 및 특성 Manufacture and characteristics

도 8에 도시한 바와 같이, PVA 9 g과 바륨 클로라이드 1.5 g 을 DW 100 ㎖에 녹여 멸균한 것을 PBS buffer와 S. plymuthica를 2:1:1로 섞은 4 ㎖을 알긴산 5.5 g를 DW 1 ℓ에 녹인 용액 150㎖에 실린지 펌프 속도 18 ~ 18.6 ml/h로 흘려보내주고, 4.5 ~ 5.5 LPM AIR(flow 속도가 작고 기압이 높을수록 떨어지는 방울의 크기가 작아짐) 기압으로 떨어뜨려 구형 비드를 만들어주었다. As shown in FIG. 8, 9 g of PVA and 1.5 g of barium chloride were dissolved in 100 ml of DW to sterilize 5.5 g of 4 ml of alginic acid mixed with PBS buffer and S. plymuthica in a 2: 1: 1 ratio to 1 liter of DW. 150 ml of melted solution was flowed at a syringe pump speed of 18 to 18.6 ml / h, and spherical beads were dropped to 4.5 to 5.5 LPM AIR (smaller flow rates and higher air pressures). .

그러나, 이 캡슐은 바로 소디움 클로라이드(9%) 용액으로 수세하여야만 응집되지 않을 뿐 아니라 얻어진 세균 적재된 비드는 부피를 줄이기 위한 동결건조 과정에서 비드 사이에 서로 엉키고, 또한 세균가 대부분 죽는 것으로 판명되었다. However, the capsules were not immediately aggregated by washing with sodium chloride (9%) solution, but the obtained bacterial loaded beads were found to entangle with each other between the beads during the lyophilization process to reduce the volume, and also most of the bacteria were killed.

이에 상기 마이크론 비드의 구조적 안정화 및 세균의 생존율을 높이기 위하여 CaCl2/키토산/실리케이트방법을 추가로 공정에 첨가함으로써 알지네이트 비드의 안정화를 시도하였다. Therefore, in order to structurally stabilize the micron beads and increase the survival rate of bacteria, an attempt was made to stabilize the alginate beads by adding CaCl 2 / chitosan / silicate method to the process.

즉, 도 8에서 얻어진 수백 마이크론 사이즈 캡슐을 0.1 M CaCl2 용액 100 ㎖에 천천히 떨어뜨려 구형 비드가 형성되었다. 이것을 1시간동안 4℃에서 교반한 뒤 0.05 M Tris-HCl buffer(pH7.2)로 두 번 수세하였다. That is, 0.1 M CaCl 2 to several hundred micron sized capsules obtained in 8 Spherical beads were formed by slowly dropping into 100 ml of solution. It was stirred at 4 ° C. for 1 hour and washed twice with 0.05 M Tris-HCl buffer (pH 7.2).

그런 다음 0.01 wt/v% 키토산을 각각 넣어 30 분동안 교반하여 비드를 키토산 코팅시켰다. Then, 0.01 wt / v% chitosan was added thereto and stirred for 30 minutes to coat the beads with chitosan.

앞서와 마찬가지로 알지네이트/키토산 캡슐의 기계적 물성을 향상시키기 위해서 0.01 M 소디움 실리케이트 용액에 2 시간동안 반응시켜 이 캡슐을 한번 더 실리케이트 코팅한 뒤 0.05 M Tris-HCl buffer(pH 7.2)로 두 번 수세하였다. As before, in order to improve the mechanical properties of the alginate / chitosan capsules, the capsules were reacted with 0.01 M sodium silicate solution for 2 hours, and the capsules were coated with silicate once more and washed twice with 0.05 M Tris-HCl buffer (pH 7.2).

마이크론 Micron 알지네이트Alginate 비드의Bead 특성 characteristic

생균수를 측정하기 위해 공기 분사 시스템/추가 표면처리 공정으로 만든 캡슐을 멸균 증류수에 24 시간 동안 넣어둔 뒤, 파쇄 후 spreading하여 군체 수를 측정하였다.In order to measure the number of viable cells, capsules made by an air spray system / additional surface treatment process were placed in sterile distilled water for 24 hours, and then crushed and spreaded to determine the number of colonies.

① 생존하는 개체수 : 2.75 × 108 CFU/ml① Number of surviving population: 2.75 × 10 8 CFU / ml

② 비드의 크기 : 400 ㎛ ~ 1 ㎜② Bead Size: 400 ㎛ ~ 1 ㎜

③ 공기 분사 시스템으로 만든 캡슐율 원래 방법대로 다시 코팅한 비드를 쿠마시 블루 염색 후 현미경으로 관찰하고 그 결과를 도 6a에 도시하였다. Encapsulation rate made with an air injection system The beads coated again according to the original method were observed after Coomassie blue staining under a microscope and the results are shown in FIG. 6A.

상기 현미경 관찰에서 보듯이, 팽윤 상태에서 구조가 구형이고 크기는 약 400 ㎛ 임을 알 수 있다. 그러나 해당 알지네이트 비드를 동결건조한 후의 전자현미경 사진에 해당하는 도 6b를 보면 ~500 ㎛ 직경의 작은 잎사귀 타입인 것을 알 수 있다. As can be seen from the microscopic observation, it can be seen that the structure is spherical and the size is about 400 μm in the swollen state. However, it can be seen from Fig. 6b that corresponds to an electron micrograph after freeze-drying the alginate beads, which is a small leaf type having a diameter of ˜500 μm.

특이한 것은 팽윤 상태에서의 구형지름 역시 ~ 500 ㎛인데 팽윤이 일어나는 형태가 특정 방향으로만 일어난다는 것을 알 수 있는데 그 정확한 구조적 속성을 차기에 조사할 필요가 있다고 판단된다. The peculiar thing is that the spherical diameter in the swelling state is also ~ 500 ㎛, which shows that the swelling shape occurs only in a specific direction.

그러나 200 ㎕ 황색 팁을 이용한 LC 저압펌프 사출법으로 만든 겔 비드의 전자현미경 단면은 내부가 여러 층으로 구성되어있으나, 공기 분사 시스템으로 만든 겔 비드의 구조는 마치 unoccupied 쉘 타입 비드일 것으로 추정된다. 또한 공기 분사 시스템으로 만든 비드가 추가 안정화 공정이 필요했던 것도 쉘-타입의 구조를 반영하는지도 모른다. However, the electron microscopic cross-section of gel beads made by LC low pressure pump injection method using 200 μl yellow tip consists of several layers, but the structure of gel beads made by air injection system is assumed to be unoccupied shell type beads. It is also possible that the beads made with the air injection system required an additional stabilization process to reflect the shell-type structure.

<< 실시예Example 5- 5- 알지네이트Alginate 겔s 내의 물의 구조적 특성에 관한 물리화학적 연구> Physicochemical Study on the Structural Properties of Water in Gels>

한편, 도 6은 알지네이트 겔 내의 물의 구조적 특성에 관한 물리화학적 연구 (Differential Scanning Calorimetry 연구)에 관한 것이다. 즉, 세균는 약 60~70wt%의 물로 이루어져 있다. 또한 여기에서 세균의 캡슐화 매트릭스로 사용하는 소재 또한 Ca2+ 교차결합된 알지네이트 수화젤로써 수분함량이 95 ~ 99%에 이른다. 따라서 물의 상태 및 구조적 속성에 따라 bacterial 세균의 삶과 죽음이 결정된다고 할 수 있다. On the other hand, Figure 6 relates to a physicochemical study (Differential Scanning Calorimetry study) on the structural properties of the water in the alginate gel. That is, the bacteria consist of about 60 to 70wt% of water. In addition, the material used as the encapsulation matrix of bacteria is also Ca 2+ cross-linked alginate hydrogel, the water content of 95 ~ 99%. Therefore, the condition and structural properties of water determine the life and death of bacterial bacteria.

따라서 내재적 물 구조의 세균의 생존력에 대한 영향을 시차 주사 열분석 열전이 측정 (얼음의 녹는점) 기술을 이용하여 조사하였다. Therefore, the effects of the intrinsic water structure on the viability of bacteria were investigated using differential scanning thermoanalysis (ice melting point) technique.

1) 동결건조된 1) Lyophilized S. S. plymuthicaplymuthica 적재된 캡슐의 수분함량 Moisture Content in Loaded Capsules wtwt %%

앞에서의 조건으로 동결건조한 약 10 mg 캡슐을 e-tube에 넣고 진공 오븐에 넣어 50℃에서 24 및 48 hr 동안 건조한 후 무게를 재어, 동결건조 캡슐이 포함하고 있는 수분 wt% 함량을 하기 수학식 2에 근거하여 측정하였다.    Place the lyophilized about 10 mg capsules in the e-tube into the e-tube and dried in a vacuum oven at 50 ° C. for 24 and 48 hr, and weighed to determine the moisture wt% content of the lyophilized capsules. It was measured based on.

[{Wt(동결 건조)-Wt(진공 건조)}/Wt(동결 건조)] X 100 = 캡슐 중의 수분 함량 wt%[{Wt (freeze-dried) -Wt (vacuum-dried)} / Wt (freeze-dried)]] X 100 = moisture content wt% in capsule

얻어진 결과를 하기표 6에 정리하였다. The results obtained are summarized in Table 6 below.

동결건조 알지네이트 비드 중의 잔여 수분함량 wt%Residual water content wt% in lyophilized alginate beads 24 h24 h 48 h48 h 알지네이트 비드 중의 수분 함량Moisture Content in Alginate Beads 10wt% 10wt% 10wt%10wt%

2) 동결건조된 2) lyophilized S. plymuthica S. plymuthica 적재된 키토산기반 비드의 Differential Scanning Calorimetry (DSC) 연구Differential Scanning Calorimetry (DSC) Study of Loaded Chitosan-based Beads

동결건조한 0.2 ~ 0.3 mg S. plymuthica 적재된 비드를 DSC 샘플 팬에 넣은 후, 증류수 0.2㎕, 0.4㎕, 0.6㎕, 0.8㎕, 1㎕, 2㎕, 3㎕를 각 팬에 넣고 바로 밀봉한 다음 24 hr 실온에서 정치 후 실험에 사용하였다. Lyophilized 0.2 to 0.3 mg S. plymuthica The loaded beads were placed in a DSC sample pan, and then 0.2 μl, 0.4 μl, 0.6 μl, 0.8 μl, 1 μl, 2 μl, and 3 μl of distilled water were placed in each pan, immediately sealed, and used for experiment after standing at room temperature of 24 hr. It was.

이때 0.2 ~ 0.3 mg 정도로 비교적 일정한 무게의 비드만을 골라서 실험하였다. At this time, only bead of relatively constant weight was selected by 0.2 ~ 0.3 mg experiment.

DSC (모델 DSC Q10)기기의 참조 셀에는 밀봉된 빈 팬을 넣고, 시료 팬은 샘플 cell에 올려놓고, 온도 -60℃에서 정치한 후 10℃/min의 scan 속도로 실험하였다. 얼음이 녹기 시작하는 onset T 및 Tm (피크 온도)는 기기의 standard software를 이용하여 구하였다. A sealed empty pan was placed in the reference cell of the DSC (Model DSC Q10) instrument, and the sample pan was placed on the sample cell, left at a temperature of -60 ° C, and tested at a scan rate of 10 ° C / min. Onset T and Tm (peak temperature) at which ice begins to melt were determined using the instrument's standard software.

0.2 mg 비드에 물을 0.2 ㎕로 팽윤시키면 얼음에 의한 용융 흡열온도이 나타나지 않았다. 그러나 물의 양을 0.4 ㎕로 늘리면 -10℃근처에서 용융 흡열온도이 보이기 시작한다. 즉 비드의 무게 약 0.2 mg을 감안하면 무게비로 비드의 약 1.5배 정도가 용융 흡열온도을 보이지 않는 물, 다시 말해 결합수(bound water)라 할 수 있다(도 7 참조). Swelling 0.2 μL of water in 0.2 mg beads showed no melting endothermic temperature by ice. However, increasing the amount of water to 0.4 [mu] l shows the melting endotherm at around -10 [deg.] C. That is, considering the weight of the bead about 0.2 mg, about 1.5 times the weight ratio of the bead may be referred to as water that does not exhibit a melting endotherm, that is, bound water (see FIG. 7).

위 동결건조 비드의 50℃ 진공건조에서 구한 감량수 10%는 따라서 모두 결합수임을 알 수 있다. It can be seen that 10% of the weight loss obtained from the vacuum drying of the above lyophilized beads is thus bound water.

만약에 동결건조 겔 중의 10%의 물이 모든 결합수(bound water)라면, 동결건조 과정중 마지막 건조과정 중 비드 무게의 1.5배에 해당되는 "결합수" 역시 제거됨을 알 수 있다. 이 결합수는 알지네이트 겔의 존재로 인해 생긴 것이기 때문에 이 결합수가 동결과정 중의 S. plymuthica의 생존에 매우 중요한 역할을 하였다고 생각된다. If 10% of the water in the freeze-dried gel is all bound water, it can be seen that "bound water", which is 1.5 times the weight of the beads during the last drying process, is also removed. Since the binding water is due to the presence of alginate gel, it is thought that this binding water played an important role in the survival of S. plymuthica during the freezing process.

참고로, 도 8은 동결건조한 S. plymuthica 적재된 키토산기반 비드의 수분함량에 따른 DSC 용융 흡열온도으로부터 구한 얼음의 그람당 용융 엔탈피를 도시한 그래프로서, Y축의 g당 엔탈피는 비드의 무게 0.2 mg이 포함된 것이다. X축과 만나는 점이 S. plymuthica 적재된 키토산기반 비드가 용융을 나타지 않는 결합수의 양은 0.34 g이었다. For reference, Figure 8 is lyophilized S. plymuthica Graph showing melt enthalpy per gram of ice obtained from DSC melting endothermic temperature with water content of loaded chitosan-based beads, where enthalpy per gram of Y-axis contained 0.2 mg of beads. Where the X-axis meets S. plymuthica The amount of bound water where the loaded chitosan-based beads showed no melting was 0.34 g.

또한, 도 9는 동결건조한 S. plymuthica 적재된 키토산기반 비드의 수분함량에 따른 DSC 용융 흡열온도으로부터 구한 얼음의 그람당 용융 enthalpy를 도시한 그래프로서, 여기서 Y축 g 당 엔탈피는 도 8의 엔탈피 값에서 비드의 무게를 제외하고 다시 계산된 엔탈피로서 포물곡선형태를 나타내지만 X축과의 외삽은 도 8에서와 거의 같은 0.33 g를 확인할 수 있었다. 9 is lyophilized S. plymuthica Graph showing melt enthalpy per gram of ice obtained from DSC melt endothermic temperature with water content of loaded chitosan-based beads, where enthalpy per gram of Y-axis is recalculated from the enthalpy value of FIG. The enthalpy shows a parabolic curve, but extrapolation with the X-axis showed 0.33 g, which is almost the same as in FIG. 8.

본 발명에 따르면, 알지네이트 겔 안정화를 위해 현재 사용되고 있는 폴리-L-리신을 값이 싸고(16,000배) 환경친화적인 키토산으로 대체할 수 있을 뿐 아니라, S. plymuthica A21-4 세균에 대한 탁월한 담지능력, 실온에서 3 달 후에도 세균이 아주 높은 생존률을 나타내었다.According to the present invention, it is possible to replace poly-L-lysine, which is currently used for alginate gel stabilization, with low-cost (16,000 times) and environmentally friendly chitosan, as well as excellent carrying capacity against S. plymuthica A21-4 bacteria. After 3 months at room temperature, bacteria showed very high survival rates.

Claims (16)

알지네이트 쉘 비드를 이용하여 농업용 유용 미생물을 캡슐화하는 방법에 있어서, A method of encapsulating agricultural useful microorganisms using alginate shell beads, NaOH 용액에 알긴산을 용해시키고 pH 7.0-7.5로 맞추어 알지네이트 용액을 제조하는 단계; Dissolving alginic acid in NaOH solution and adjusting to pH 7.0-7.5 to prepare an alginate solution; 상기 알지네이트 용액에 농업용 유용 미생물로서 Serratia plymuthica A21-4 또는 Psudomonas fluorescens B16의 고추 역병 방제균을 부유시키는 단계; Suspending the pepper blight control bacterium of Serratia plymuthica A21-4 or Psudomonas fluorescens B16 as a useful agricultural microorganism in the alginate solution; 부유시킨 알지네이트 용액을 LC 저압펌프로 CaCl2 용액 0.1 M에 1 시간 동안 천천히 떨어뜨려 구형 비드를 형성하는 단계; Slowly dropping the suspended alginate solution into 0.1 M CaCl 2 solution with LC low pressure pump to form spherical beads; 얻어진 구형 비드를 교반 및 수세하는 단계; Stirring and washing the obtained spherical beads; 수세된 비드에 키토산을 넣고 교반하여 1차 코팅하는 단계; Adding chitosan to the washed beads and stirring to first coat; 코팅된 비드를 실리카 용액으로 교반시켜 2차 코팅하는 단계; 및 Second coating the coated beads with a silica solution; And 얻어진 코팅물을 수세하여 3 ~ 5 ㎜ 직경의 알지네이트/키토산 기반 수화젤을 수득하는 단계; 를 포함하여 이루어지고, Washing the obtained coating to obtain an alginate / chitosan based hydrogel having a diameter of 3 to 5 mm; Including, 상기 전체 공정은 4℃ 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 유용 농업미생물의 내한발성 생존력을 개선시키는 알지네이트 쉘 비드를 이용한 농업용 유용 미생물의 캡슐화방법The whole process is carried out at 4 ℃ temperature encapsulation method of agricultural useful microorganisms using alginate shell beads to improve the cold resistance viability of useful agricultural microorganisms 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 Serratia plymuthica A21-4는 NR 배지에서 콜로니 수가 3 × 109 CFU/ml 되도록 배양하여 사용하는 것을 특징으로 하는 방법The method of claim 1, wherein the Serratia plymuthica A21-4 method characterized by using the culture to be 3 × 10 9 CFU / ml culture medium colonies from NR 제1항에 있어서, 상기 Psudomonas fluorescens B16는 NR 배지에서 콜로니 수가 2 × 109 CFU/ml 되도록 배양하여 사용하는 것을 특징으로 하는 방법The method of claim 1, wherein the Psudomonas fluorescens B16 is used in a culture of NR medium so that the number of colonies 2 × 10 9 CFU / ml 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 얻어진 수화젤은 동결건조하거나 또는 건조시켜 겔 내의 미생물의 생존력을 증진시키는 것을 특징으로 하는 방법The method of claim 1, wherein the obtained hydrogel is lyophilized or dried to enhance the viability of microorganisms in the gel. 삭제delete 삭제delete 알지네이트 쉘 비드를 이용하여 농업용 유용 미생물을 캡슐화하는 방법에 있어서, A method of encapsulating agricultural useful microorganisms using alginate shell beads, 상기 농업용 유용 미생물로서 Serratia plymuthica A21-4 또는 Psudomonas fluorescens B16의 고추 역병 방제균을 염화바륨 용액에 섞은 후 알지네이트를 용해시킨 용액에 공기중 분사장치를 이용하여 실린지 펌프 속도 18 ~ 18.6 ml/h 및 4.5 ~ 5.5 LPM AIR의 조건하에 분사하는 단계; As a useful microorganism for farming, Serratia plymuthica A21-4 or Pseudomonas fluorescens B16 was mixed with barium chloride solution, and then alginate was dissolved in an air sprayer using a syringe pump speed of 18-18.6 ml / h and Spraying under conditions of 4.5 to 5.5 LPM AIR; 얻어진 수백 마이크론 사이즈 캡슐을 CaCl2 용액 0.1 M에 1 시간 동안 천천히 떨어뜨려 구형 비드를 형성하는 단계; Slowly dropping the obtained hundred micron size capsule into 0.1 M CaCl 2 solution for 1 hour to form spherical beads; 얻어진 비드를 교반 및 수세하는 단계: Stirring and washing the obtained beads: 수세된 비드에 키토산을 넣고 교반하여 1차 코팅시키는 단계; Adding chitosan to the washed beads and stirring to first coat; 코팅된 비드를 실리카 용액으로 교반시켜 2차 코팅하는 단계; 및 Second coating the coated beads with a silica solution; And 얻어진 비드를 수세하여 400 ㎛ ~ 1 ㎜ 직경의 알지네이트/키토산 기반 수화젤을 수득하는 단계;를 포함하여 이루어지고, Washing the obtained beads to obtain an alginate / chitosan based hydrogel having a diameter of 400 μm to 1 mm; 상기 전체 공정은 4℃ 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 유용 농업미생물의 내한발성 생존력을 개선시키는 알지네이트 쉘 비드를 이용한 농업용 유용 미생물의 캡슐화 방법The whole process is carried out at 4 ℃ temperature encapsulation method of agricultural useful microorganisms using alginate shell beads to improve the cold resistance viability of useful agricultural microorganisms, characterized in that 제13항에 있어서, 상기 Serratia plymuthica A21-4는 NR 배지에서 콜로니 수가 3 × 109 CFU/ml 되도록 배양하여 사용하는 것을 특징으로 하는 방법The method of claim 13 wherein the Serratia plymuthica A21-4 method characterized by using the culture to be 3 × 10 9 CFU / ml culture medium colonies from NR 제13항에 있어서, 상기 Psudomonas fluorescens B16는 NR 배지에서 콜로니 수가 2 × 109 CFU/ml 되도록 배양하여 사용하는 것을 특징으로 하는 방법The method according to claim 13, wherein the Psudomonas fluorescens B16 is cultured in NR medium so as to have a colony number of 2 × 10 9 CFU / ml. 제13항에 있어서, 얻어진 수화젤은 동결건조하거나 또는 건조시켜 겔 내의 미생물의 생존력을 증진시키는 것을 특징으로 하는 방법The method of claim 13, wherein the obtained hydrogel is lyophilized or dried to enhance the viability of microorganisms in the gel.
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