KR101641138B1 - 미세조류의 배양속도 증진 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 나노기포를 함유하는 조류배양액을 이용하여 미세조류를 배양시키는 미세조류의 배양속도 증진 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 미세조류의 생산성을 높이고, 미세조류 내의 유효성분인 클로로필 및 카로티노이드의 함량을 증가시킬 수 있는 미세조류의 배양속도 증진 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 미세조류의 배양속도 증진 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 미세조류의 생산성 및 유효성분의 함량을 높일 수 있는 방법에 관한 것이다.
미세조류는 빛 에너지와 이산화탄소를 이용하여 광합성을 통해 생장하는 생물로, 광합성율과 바이오매스 생산량이 높으며 세포의 성장 또한 빨라 바이오 연료 생산에 적합하다.
이러한 미세조류가 함유하고 있는 지질은 바이오 디젤 생산에 이용되며, 이러한 바이오디젤 생산에 이용되는 미세조류는 지질 함량이 높은 난노클로롭시스 오큘라타(Nannochloropsis oculata; N. oculata), 클로렐라(Chlorella) 등이 있다.
이 중 난노클로롭시스 오큘라타는 해수에 존재하는 미세조류로 양식용 사료로 주로 이용되며, 지질 함량이 다른 미세조류에 비해 높다고 보고되고 있다. 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris; C. vulgaris) 또한 난노클로롭시스 오큘라타와 동일한 환경에서 생장하는 미세조류로 건조중량당 14~30 중량%의 지질을 함유한다고 알려져 있다.
그러나 여전히 바이오 연료나 양식용 사료에 사용하기에는 생산성이 낮아서 간단한 방법으로 생산성을 높일 수 있는 효과적인 방법에 대한 연구가 필요하다.
종래의 미세조류의 성장 방법으로는, 폐효모를 이용하여 미세조류를 배양하는 방법이 알려져 있다. (한국공개특허 10-2014-0114655호)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 미세조류의 생산성 및 유효성분의 함량을 높일 수 있는 미세조류의 배양속도 증진 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 나노기포를 함유하는 조류배양액을 이용하여 미세조류를 배양하는 미세조류의 배양속도 증진 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 미세조류의 성장 방법은 나노기포를 함유하는 조류배양액을 사용함으로써 미세조류의 성장속도를 증가시킬 수 있으며, 미세조류 내의 유효성분인 클로로필 및 카로티노이드의 함량을 증가시킬 수 있다.
도 1은 일 예에 따른 난노클로롭시스 오큘라타의 성장에 관한 그래프이다.
도 2는 다른 일예에 따른 클로렐라 불가리스의 성장에 관한 그래프이다.
도 2는 다른 일예에 따른 클로렐라 불가리스의 성장에 관한 그래프이다.
본 발명은 나노기포를 함유하는 조류배양액을 이용하여 미세조류를 성장시키는 미세조류의 배양속도 증진 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 미세조류의 생산성 및 유효성분의 함량을 높일 수 있는 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명에 따른 미세조류의 배양속도 증진 방법은, 나노기포를 함유하는 조류배양액을 사용함으로써 미세조류의 성장 속도를 증가시켜 생산성을 높이고, 미세조류 내의 유효성분인 클로로필 및 카로티노이드 등의 함량을 증가시킬 수 있다. 클로로필은 조혈작용, 효소활성화, 해독작용, 항암작용, 항염작용 및 콜레스테롤 수치를 감소시키는 효과가 있다고 알려져 있으며, 카로티노이드는 항산화작용, 항암작용, 폐기능 향상 및 면역반응을 향상시키고, 당뇨 합병증을 감소시키는 효과가 있다고 알려져 있다.
본 발명의 일 예에 따른 나노기포는 기능성 기체일 수 있으며, 예를 들어 산소, 수소, 이산화탄소 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 산소는 미세조류의 대사가 활발히 일어나도록 할 수 있으며, 수소는 미세조류 내에 존재하는 활성산소를 효과적으로 제거할 수 있으며, 이산화탄소를 이용하여 광합성을 하여 식물에 필요한 영양분을 얻는다. 이에 따라, 산소, 수소, 이산화탄소 또는 이들의 혼합물인 나노기포를 사용함으로써 미세조류의 배양 속도를 증가시킬 수 있다.
이와 같은 나노기포는 기포 발생막에서 발생된 것일 수 있으며, 보다 구체적으로 표면기공의 평균 직경이 10~200 ㎚인 기포 발생막으로부터 발생된 것일 수 있다. 이때, 기체 발생막은 세라믹, 금속, 고분자 또는 대나무 등으로 제조된 것일 수 있으며, 경제적인 측면에서 저렴하며, 보다 작은 크기의 나노기포를 발생시킬 수 있는 대나무로 제조된 것을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
대나무는 수직방향으로 생성되어 있는 물관과 체관을 상부조직에 물과 영양분을 공급하기 위한 통로로 사용하는데, 조직의 측면에도 물과 영양분의 공급이 필요하므로 물관과 체관의 측면에 생성되어 있는 약 10 ㎚ 크기의 기공을 통하여 측면으로도 물과 영양분을 공급하고 있다. 그러나 성장 중인 대나무에는 연질의 헤미셀루로오즈가 이들 기공을 덮고 있는데, 방사선을 조사하는 경우 헤미셀루로오즈가 제거되어 많은 기공을 확보할 수 있어 우수한 나노기공을 가진 버블러로 사용이 가능하다.
또한, 기포 발생막에서 발생되는 기포의 크기와 발생량은 공급하는 기체의 압력에 따라 변화되는데, 압력이 높으면 대나무의 표면기공을 통과하는 기체의 양도 증가하여 나노크기의 기포 발생율도 증가한다. 짧은 시간 내에 용존기체의 농도와 나노기포의 개체수를 증가시키기 위해서 높은 압력을 사용할 수 있으나, 통상적으로 0.5 ~ 4.0 기압의 범위내로 기체를 공급할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 나노기포는 나노 사이즈의 기포를 일컫는 것일 수 있으며, 구체적으로 평균 직경이 500 ㎚ 이하일 수 있으며, 보다 좋게는 300 ㎚ 이하일 수 있고, 더욱 좋게는 200 ㎚ 이하일 수 있다. 최소 평균 직경은 특별히 제한하진 않으나, 발생 가능한 최소치를 한도로 생각할 수 있으며, 예를 들어 10 ㎚일 수 있다. 이처럼 나노 사이즈의 나노기포를 사용함으로써, 기포 생성 후 곧바로 조류배양액 외부로 배출되지 않고 배양액 내에 오랜 기간 잔류하도록 할 수 있다. 또한, 오랜 기간 잔류함에 따라 보다 효과적으로 미세 조류를 배양할 수 있다.
보다 효과적으로 미세조류의 배양속도를 증진시키기 위해서는 조류배양액 내 나노기포의함유량이 높은 것이 좋으며, 구체적으로 예를 들면, 나노기포의 개체수가 1.5× 108 개/㎖ 이상으로 함유되는 것이 좋다. 나노기포의 최대 개체수는 특별히 제한하진 않으나, 조류배양액 내에 존재할 수 있는 최대치를 한도로 생각할 수 있으며, 예를 들어, 5× 108 개/㎖일 수 있다. 이와 같이, 나노기포의 함유량이 높은 조류배양액을 사용함으로써 미세조류의 배양속도를 증가 시킬 수 있으며, 유효성분인 클로로필 및 카로티노이드의 함량을 더욱 증가 시킬 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 조류배양액은 미세조류가 잘 성장할 수 있도록 염도를 조절하여 사용하는 것이 바람직하며, 구체적으로 자연해수 또는 인공해수를 포함하여 제조된 것일 수 있다. 이때, 인공해수는 미세조류의 배양 조건에 맞는 분위기를 형성해주는 것이 바람직하며, 당업계의 통상의 기술자라면 미세조류를 배양하기 위한 인공해수의 조건에 대해서는 잘 인지하고 있을 것이다. 구체적인 일 예로, 인공해수는 f/2 배지를 제조하기 위한 방법으로 제조된 것일 수 있다.
이때 조류배양액은, 자연해수에 나노기포를 생성시켜 제조되거나, 또는 인공해수를 제조한 후 인공해수에 나노기포를 생성시켜 제조되거나, 또는 증류수에 나노기포를 생성시켜 산소수, 수소수, 또는 탄산수를 만든 후에 염도 등을 조절하여 인공해수로 제조된 것일 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 조류배양액은 해수와 같이 염도가 높은 분위기를 제공할 수 있으며, 이에 따라 본 발명의 일 예에 따른 미세조류는 높은 염도 조건에서도 잘 성장하는 해양 미세조류를 사용하는 것이 바람직하다다. 구체적으로 해양 미세조류는 난노클로롭시스 오큘라타(Nannochloropsis oculata), 로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris), 두날리엘라 살리나(Dunaliella salina) 및 스피루리나(Spirulina) 등에서 선택되는 어느 하나일 수 있으며, 이 중 난노클로롭시스 오큘라타(Nannochloropsis oculata) 또는 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris)를 사용하는 것이 보다 바람직하다.
이와 같이, 본 발명의 미세조류의 성장 방법으로 성장된 미세조류는 다방면에 걸쳐 활용될 수 있으며, 예를 들어 바이오연료용, 건강기능성식품용, 건강보조식품용, 화장료용, 양식 사료용 또는 의약품용 등으로 효과적으로 활용할 수 있다.
이하 실시예를 통해 본 발명에 따른 미세조류의 배양속도 증진 방법에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.
또한 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
또한 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다.
또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다. 또한 명세서에서 특별히 기재하지 않은 첨가물의 단위는 중량%일 수 있다.
하기 실시예 및 비교예를 통해 배양한 미세조류의 클로로필 및 카로티노이드의 함량을 다음과 같이 측정하였다.
(미세조류의 배양속도)
배양한 미세조류 균주 1 ㎖를 분광 광도계 UV/Vis spectrophotometer (Optizen 2120UV, Mecacy LTD., Korea)를 이용하여 680 nm에서의 흡광도 값을 측정하여 배양속도를 나타내었다.
(클로로필 및 카로티노이드의 함량)
배양한 미세조류 균주 1 ㎖를 13,000 rpm에서 3분간 원심분리한 뒤 상등액을 제거하고 메탄올 1 ㎖을 첨가하였다. 60℃에서 30분간 반응하고 0℃에서 2분간 냉각시킨 후 13,000 rpm에서 2분간 원심분리하여 상등액을 분리하였다. 분리한 상등액은 UV/VIS 분광기를 이용해 400-900 nm 파장에서의 흡수 스펙트럼을 측정하였다. 클로로필 및 카로티노이드의 함량을 하기식을 이용하여 계산하였으며, 하기식에서 A650은 650 nm의 흡광도, A655은 655 nm의 흡광도, A461은 461 nm의 흡광도, A664은 664 nm의 흡광도이다.
클로로필 (mg/L) = (A650 × 25.5) + (A655 × 4)
카르티노이드 (mg/L) = (A461 + (0.046 × A664)) × 4
(나노기포 직경 및 개체수)
영국 Nano Sight Ltd.(www.nanosight.com)에서 제작한 LM10-HS 모델의 Nano Particle Tracking Analyzer를 이용하여 나노기포의 직경 및 개체수를 측정하였다.
조류배양액의 제조
[제조예 1] 산소 나노기포를 함유하는 산소수 제조
나노크기의 기포를 발생시키기 위하여, 약 50 kGy의 방사선을 조사하여 연질의 헤미셀루로오즈를 제거한 대나무막을 사용하였다. 이와 같이 준비한 대나무막을 사용하여 순도 99.9%의 공업용 산소를 증류수에 약 2시간 동안 버블링(bubbling)하여 산소수를 제조하였다.
생성된 산소 나노기포의 평균 직경은 173 ㎚였으며, 산소수 내 나노기포의 개체수는 1.75 × 108개 였다.
[제조예 2] 수소 나노기포를 함유하는 수소수 제조
산소 기체 대신 수소 기체를 사용한 것을 제외한 모든 공정을 제조예 1과 동일하게 진행하여 수소수를 제조하였다.
생성된 수소 나노기포의 평균 직경은 250 ㎚였으며, 수소수 내 나노기포의 개체수는 2.05 × 108개 였다
[제조예 3] 산소 나노기포가 함유된 조류배양액 제조
조류배양액은 증류수 대신 제조예 1의 산소수를 사용하여 f/2 배지 제조 방법에 따라 제조하였다.
구체적으로, 산소수 1 L에 NaNO3 150 mg, NaH2PO4·9H2O 8.69 mg, ferric EDTA 10 mg, MnCl2 0.22 mg, CoCl2 0.11 mg, CuSO4·5H2O 0.0196 mg, ZnSO4·7H2O 0.044 mg, Na2SiO3·9H2O 50 mg, Na2MoO4·2H2O 0.012 mg, 비타민 B12 1 mg, 바이오틴 1 mg, 비타민 B1·HCl 0.2 mg을 첨가하여 제조 한 후 121℃에서 15 분간 멸균하여 냉각하였다.
[제조예 4] 수소 나노기포가 함유된 조류배양액 제조
제조예 1의 산소수 대신 제조예 2의 수소수를 사용한 것을 제외한 모든 공정을 제조예 3과 동일하게 진행하였다.
[제조예 5]
제조예 1의 산소수 대신 나노기포를 생성시키지 않은 3차 증류수를 사용한 것을 제외한 모든 공정을 제조예 3과 동일하게 진행하였다.
미세조류의 배양
[실시예 1]
제조예 3의 조류배양액 100 ㎖에 난노클로롭시스 오큘라타(NIES-2145, 일본국립환경연구소 제공)를 흡광도가 0.3이 될 때까지 첨가한 후, 24일 동안 배양하였다. 배양 시, 25℃, 120 rpm, 광도 3,000 lux의 조건으로 배양하였으며, 초기 흡광도를 0.3으로 설정하였고, 광주기는 12 시간 : 12 시간 (명 : 암)으로 명반응 시 형광등을 사용하였다.
배양한 미세조류의 배양 속도 및 유효성분의 함량은 표 1에 나타내었다.
[실시예 2]
제조예 3의 조류배양액 대신 제조예 4의 조류배양액을 사용한 것을 제외한 모든 공정을 실시예 1과 동일하게 진행하였다. 배양한 미세조류의 배양 속도 및 유효성분의 함량은 표 1에 나타내었다.
[실시예 3]
난노클로롭시스 오큘라타 대신 클로렐라 불가리스(한국해양미세조류은행 제공)를 사용한 것을 제외한 모든 공정을 실시예 1과 동일하게 진행하였다. 배양한 미세조류의 배양 속도 및 유효성분의 함량은 표 1에 나타내었다.
[실시예 4]
제조예 3의 조류배양액 대신 제조예 4의 조류배양액을 사용하고, 난노클로롭시스 오큘라타 대신 클로렐라 불가리스를 사용한 것을 제외한 모든 공정을 실시예 1과 동일하게 진행하였다. 배양한 미세조류의 배양 속도 및 유효성분의 함량은 표 1에 나타내었다.
[비교예 1]
제조예 3의 조류배양액 대신 제조예 5의 조류배양액을 사용한 것을 제외한 모든 공정을 실시예 1과 동일하게 진행하였다. 배양한 미세조류의 배양 속도 및 유효성분의 함량은 표 1에 나타내었다.
[비교예 2]
제조예 3의 조류배양액 대신 제조예 5의 조류배양액을 사용하고, 난노클로롭시스 오큘라타 대신 클로렐라 불가리스를 사용한 것을 제외한 모든 공정을 실시예 1과 동일하게 진행하였다. 배양한 미세조류의 배양 속도 및 유효성분의 함량은 표 1에 나타내었다.
미세조류의 배양속도
| 미세조류의 배양속도 (OD680) | ||||
| 12일 | 15일 | 20일 | 24일 | |
| 실시예 1 | 0.69 | 0.912 | 1.15 | 1.28 |
| 실시예 2 | 0.697 | 1.008 | 1.232 | 1.344 |
| 비교예 1 | 0.849 | 1.012 | 1.083 | 1.136 |
| 실시예 3 | 0.924 | 1.148 | 1.242 | 1.356 |
| 실시예 4 | 0.936 | 1.148 | 1.34 | 1.388 |
| 비교예 2 | 0.941 | 1.14 | 1.145 | 1.211 |
표 1, 도 1 및 도 2에 나타난 바와 같이, 난노클로롭시스 오큘라타의 경우 15일 이내로는 비교예 1의 미세조류 배양속도가 좀 더 빠르나, 그 후로는 배양속도가 역전되어 실시예 1 및 2의 미세조류의 배양속도가 더 증가됨을 알 수 있으며, 클로렐라 불가리스의 경우, 12일 이내로는 비교예 2의 미세조류가 더 잘 배양되고 있으나, 그 후로는 성장 속도가 역전되어 실시예 3 및 4의 미세조류가 더 잘 배양됨을 알 수 있다.
첫 번째 요인으로는 조류배양액의 pH 때문으로, 기존의 보고에 따르면, pH 7에 가까울수록 미세조류가 잘 자라는 것으로 알려져 있다. 각각의 조류배양액의 pH를 측정한 결과, 실시예 1 내지 4의 경우 pH 7.3~7.5 정도로 측정이 되었으나, 비교예 1 및 2는 약 pH 7.8 정도로 측정이 되었다. 이에 따라, 실시예의 미세조류가 보다 배양에 효과적인 환경에 노출되었으며, 결과적으로도 더 잘 배양됨을 확인할 수 있었다.
두 번째 요인으로는 용존산소 또는 용존수소의 함량을 들 수 있다. 본 발명은 나노 크기의 기포를 사용함으로써 산소기포와 수소기포가 배양액 내에 오래도록 잔류할 수 있도록 하였다. 이에 따라, 산소나노기포는 미세조류의 대사가 활발히 일어났으며, 수소나노기포는 미세조류 내에 존재하는 활성산소를 효과적으로 제거하여 실시예의 미세조류가 보다 더 잘 배양됨을 확인할 수 있었다.
미세조류의 클로로필 및 카로티노이드 함량
| 클로로필 함량 (㎎/㎖) |
카르티노이드 함량 (중량%) |
|
| 실시예 1 | 9.31 | 1.96 |
| 실시예 2 | 8.53 | 1.90 |
| 비교예 1 | 6.04 | 1.57 |
| 실시예 3 | 10.61 | 2.54 |
| 실시예 4 | 8.72 | 2.94 |
| 비교예 2 | 6.66 | 1.96 |
표 2에 나타난 바와 같이, 실시예의 미세조류가 비교예의 미세조류보다 더 많은 클로로필 및 카로티노이드를 함유하고 있음을 확인하였다. 이와 같이 산소나노기포 또는 수소나노기포를 사용함으로써 미세조류의 배양 속도를 증가 시킬 수 있었으며, 그에 따라 미세조류 내 유효성분의 함량이 증가됨을 확인할 수 있었다.
Claims (9)
- 산소, 수소 또는 이들의 혼합물인 나노기포를 함유하는 조류배양액을 이용하여 해양 미세조류인 난노클로롭시스 오큘라타 또는 클로렐라 불가리스의 성장 속도를 증가시키는 미세조류 내의 클로로필 및 카로티노이드 함량 증진 방법.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 나노기포는 평균 직경이 500 ㎚ 이하인 미세조류 내의 클로로필 및 카로티노이드 함량 증진 방법. - 제 1항에 있어서,
상기 나노기포의 개체수는 1.5× 108 개/㎖ 이상인 미세조류 내의 클로로필 및 카로티노이드 함량 증진 방법. - 제 1항에 있어서,
상기 나노기포는 표면기공의 평균 직경이 10~200 ㎚인 기포 발생막에서 발생된 것인 미세조류 내의 클로로필 및 카로티노이드 함량 증진 방법. - 제 1항에 있어서,
상기 조류배양액은 자연해수 또는 인공해수를 포함하는 미세조류 내의 클로로필 및 카로티노이드 함량 증진 방법. - 삭제
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 미세조류는 바이오연료용, 건강기능성식품용, 건강보조식품용, 화장료용, 양식 사료용 또는 의약품용인 미세조류 내의 클로로필 및 카로티노이드 함량 증진 방법.
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|---|---|---|---|---|
| KR102107013B1 (ko) * | 2019-02-01 | 2020-05-06 | 고등기술연구원연구조합 | 해양 미생물을 이용한 수소 및 미세조류의 복합 생산 방법 및 그 복합 생산 시스템 |
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|---|---|---|---|---|
| JP2012010605A (ja) * | 2010-06-29 | 2012-01-19 | Ihi Corp | 藻類の培養方法及び藻類培養装置 |
| KR20140114655A (ko) | 2013-03-19 | 2014-09-29 | 재단법인 탄소순환형 차세대 바이오매스 생산전환 기술연구단 | 폐효모를 이용한 ｄｈａ 오일을 포함하는 미세조류의 배양방법 |
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