KR20090080850A

KR20090080850A - 친환경 유기태 셀레늄 함유 광합성세균 배양기술 개발과이를 이용한 셀레늄함유 농산물 생산방법

Info

Publication number: KR20090080850A
Application number: KR1020080006842A
Authority: KR
Inventors: 문기혁; 윤정원
Original assignee: 문기혁
Priority date: 2008-01-22
Filing date: 2008-01-22
Publication date: 2009-07-27
Also published as: KR100950159B1

Abstract

셀레늄은 필수 미네랄이나, 현대인은 그 섭취량이 적어서 별도의 공급이 요구된다. 셀레늄은 다양한 연구결과 항산화작용 등에 의한 항암효과, 신진대사개선, 면역증강에 효과가 있음이 밝혀졌고, 유기태로 섭취하는 것이 생체 내에서의 흡수와 이용률이 높다. 유기태 셀레늄은 주로 킬레이트 셀레늄과 셀레늄 효모가 많이 이용된다. 광합성 세균은 농업과 축산업, 폐수처리와 하천의 수질정화 등에 효과가 탁월하여 유용하며, 오랜 기간 연구되어 그 안전성이 입증된 균이다. 이러한 셀레늄과 광합성세균을 농작물 재배나 가축의 사육에 함께 사용하면 상승효과를 기대할 수 있다. 광합성세균은 주로 균체를 배양한 배양액 전부를 사용한다. 유기태 셀레늄 광합성세균 생산방법은 광합성세균 배양 중에 셀레늄을 공급하여, 광합성세균이 셀레늄을 흡수하도록 하는 원리를 이용한다. 그러나 광합성세균이 흡수하지못한 셀레늄이 배양액에 존재하게 되는데, 무기태 셀레늄염를 사용하면 배양액에 무기태 셀레늄염이 존재하게 된다. 무기태 셀레늄은 농작물이나 가축 생체에 흡수가 잘안되서 효율성이 낮고, 토양과 하천에 환경오염을 유발한다. 이런 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 유기태 셀레늄을 함유한 효모를 광합성세균의 배양과정 중간에 첨가하여, 광합성세균의 영양원으로 사용되도록 하는 동시에 유기태 셀레늄이 광합성세균에 흡수되도록 하였다. 이때 광합성세균이 다 흡수하지 못한 셀레늄 역시 유기태이므로, 광합성세균 배양액을 함께 농작물이나 축산업에 사용하여도 100% 유기태 셀레늄이 공급되도록 하였다. 아미노산 킬레이트화 셀레늄을 사용하여도 셀레늄 효모와 같은 효과를 나타내었다.

이렇게 배양된 셀레늄 함유 광합성 세균은 벼, 배, 감, 파, 배추 등의 농작물 잎에 분무 시비하여도 기공을 통한 농작물에의 흡수가 쉽게 되며, 그 결과 셀레늄함량이 현미 3.5ppm, 볍씨 1.7ppm, 배 0.1ppm, 감 0.6ppm, 파 5.4ppm, 배추 30.3ppm 인 농작물을 수확할 수 있었다. 셀레늄 함유 광합성세균을 엽면시비하는 방법은 토양에 직접 섞어서 공급하는 방법보다 훨씬 경제적이고, 효율적이며, 친환경적으로 셀레늄이 함유 농산물 생산방법이다.

광합성세균, 셀레늄, 효모, 벼, 배, 감, 파, 배추

Description

친환경 유기태 셀레늄 함유 광합성세균 배양기술 개발과 이를 이용한 셀레늄함유 농산물 생산방법 {Environmental frendly Method of production of Selenium enriched Photo-synthetic Bacteria and Farm products Using by it's}

셀레늄(Selenium,Se)은1957년 미생물과 동물의 영양에 필수적이란 것이 밝혀진 후, 많은 연구를 통하여 다양한 기능적 효과가 알려졌다. 셀레늄은 체내 구성 성분들의 산화적 손상을 방해하는 glutathion peroxidase(GSH-Px)의 구성요소로 체내에서 강력한 항산화제 역할을 하고, 성호르몬에 영향을 미쳐 번식률을 개선하므로 가축의 번식과 성장에 필요하며, 비타민 E의 결핍으로 인한 각종 질병을 예방해 준다. 또한 계란과 살코기 등에 셀레늄이 전달,축적되어 축산제품에 기능성이 부여되거나 제품의 상품성이 높아지므로 고품질의 축산제품 생산에도 도움이 된다.

셀레늄은 미량-미네랄염(Trace-mineral salts block), 주사제(Injectable selenium preparations), 셀레늄 효모(Selenium-yeast), Selenium-mineralized salt preparations, Long-acting selenium-mineralized glass boluses 등의 다양한 공급형태가 있으나, 모두 생체이용률이 같은 것은 아니다. 무기태의 셀레늄은 섭취 후 체내에서 흡수율이 낮고, 아미노산 등과 결합한 유기태 셀레늄은 흡수율이 높다. 이것은 우유 내 셀레늄 배설과 체조직 내 결합이 무기태인 selenite를 첨가할 때보다 유기태 셀레늄 제제를 첨가할 때 더 높게 나타나는 것으로도 알 수 있다. 더욱이 무기태 셀레늄은 생체이용율 (Bio-availability)이 낮기 때문에 가축 배설물에 많은 양이 포함되어 배출되므로 하천이나 토양에 축적되어 중금속 오염 등의 환경문제를 유발한다. 유기태 셀레늄은 곡물에 존재하는 셀레노메치오닌 (seleno-methionine)과 같은 아미노산과 결합한 것이 가장 흡수율이 좋은 구조인데, 셀레늄 효모속에 존재하는 셀레늄의 형태도 이와 같은 아미노산과 결합한 형태인 seleno-proteins 이다.

광합성미생물은 황화수소와 이산화탄소 및 빛을 이용하여 광합성을 함으로써 각종의 비타민ㆍ당류, 아미노산ㆍ 핵산 등의 단백질, 생리활성물질, 면역력증강물질 등을 만들어내어 균체 내에 저장하거나 분비해 내는데, 이러한 물질은 가축에게 공급되었을 때 품질향상과 더불어 생산성이 증가하게 된다. 또한 벼, 고추, 배, 토마토 등의 과수작물이나 꽃 등의 화훼 작물에 사용하면 질병에 대한 저항력이 강해지고 수확량이 늘어난다.

광합성세균의 배양방법은 일정성분의 영양원을 멸균해서 준비하고, 균을 접종한 다음, 빛이 있는 조건에서 배양한다. 배양 시작 후 일정 시간이 지나면 균체의 성장과 더불어 균 종류에 따라 붉거나 또는 푸른 색을 나타내며, 배양이 완료된 광합성세균은 농작물이나 가축의 사료첨가제, 수산 양식장에 사용된다.

광합성세균과 셀레늄은 각각의 기대효과가 다르기 때문에 함께 사용하면 서로의 장점이 혼합되는 상승효과를 기대할 수 있다.

유기태 셀레늄 생산방법은 다양하게 연구되어 왔으며, 본 발명인도 이미 효율적인 유기태 셀레늄 효모의 대량생산을 위한 방법을 개발하여 발명특허를 득 하였다.(특허 제 0462940)

광합성세균의 이용과 관련된 연구도 이미 상당히 진행되어 왔다. ① 광합성세균 고농도 배양법(특1993-0008917)과 같은 영양원에 대한 연구, ② 상업적인 이용효율을 높이기 위한 무살균 배지를 이용한 배양방법(특1993-0008973)과 같은 생산비용을 줄이기 위한 발명, ③ 가정용 광합성 세균배양기(20-0315760)와 광합성세균 간이배양기 (20-0276979)와 같은 광합성세균을 필요로 하는 가정이나 농장에서 쉽게 자가배양을 할 수 있도록 한 발명 등, 다양한 필요 목적에 부합한 연구 결과가 많이 이루어졌다.

셀레늄이 함유된 광합성세균을 배양하고자 하는 연구(출원번호 10-1993-0015637)도 있었다. 광합성세균을 배양하는 배지 내에 NaHSe, Na₂Se₂, Na₂Se, C₆H₅CH₂SeH, (C₆H₅CH₂Se)₂과 같은 형태의 셀레늄을 공급하여 배양하는 방법에 관한 연구인데, 이 셀레늄 모두 광합성세균 균체 내에 흡수되지 않으므로 100% 유기태 셀레늄을 함유하는 광합성세균 배양액이 아니었다.

셀레늄이 함유된 농작물의 생산에 관한 선행기술 개발도 많이 이루어졌다. 몇가지 관련된 선행기술을 보면, ① 토양에 직접 살포하거나 엽면살포, 관주용으로 사용하는 셀레늄복합 비료(등록번호 10-0543525) 생산방법과 ② 셀레늄과 게르마늄 함량 증진용 엽채류의 재배방법(출원번호 10-2003-0038582)이 있는데, 소디움 셀레네이트 (Na₂SeO₄) 또는 소디움 셀레나이트(Na₂SeO₃), 그리고 게르마늄 디옥사이드 (GeO₂) 등 무기태 염을 사용하여 흡수율 저하와 토양에 과다한 중금속이 축적되는 등의 문제점이 있고, ③ 셀레늄함유 과수재배용 양액조성물과 셀레늄함유 과수 생산방법(등록번호 10-0679665)도 소디움셀레나이트와 톳, 한방액, 흑설탕 등을 함께 혼합하여 토착미생물 배양을 유도한 후 사용하는 방법인데, 무기태 염이 100% 토양미생물에 의해 흡수되지 않는 점과 토착미생물 사용으로 안전성이 확보되지 않은 미생물을 사용하는 등의 문제점이 있다. ⑤ 셀레늄과 칼슘의 함량이 높은 채소 생산방법(등록번호 10-0688990)과 ④ 셀레늄과 칼슘의 함량이 높은 엽과류의 재배방법(등록번호 10-0514165)은 킬레이트 셀레늄과 셀레늄 효모 등 유기태 셀레늄을 토양미생물이나 이탄 등 비료의 원료와 혼합하여 사용하였으나, 역시 광합성세균 등과 같이 안전성이 확보된 미생물이 아닌 토양미생물을 사용하는 등의 문제점이 있다.

본 발명은 100% 유기태 셀레늄을 함유하는 광합성 세균 및 배양물을 생산하는 것과 이를 이용하여 셀레늄이 함유된 농산물을 토양 오염 없는 친환경적이고, 경제적으로 생산하는 것이다.

유기태 셀레늄을 함유하는 미생물을 생산하는 방법의 원리는 다음과 같다.

미생물 특히 효모나 세균을 멸균된 액체 배지에 접종한 후, 균체의 성장이 가장 활발한 대수기에 이르면 추가로 영양분과 셀레늄 염을 멸균하여 공급한다. 이때 배양 중인 미생물의 외벽에 접촉된 셀레늄은 영양분의 흡수와 함께 균체 내부로 능동수송되는데, 셀레늄 함유 광합성세균을 만드는 방법도 이 원리를 그대로 이용한다. 그러나 이 방법은 미생물이 받아들이고 남은 셀레늄이 배양액에 잔존하므로 균체를 회수한 후, 무기태를 씻어내기 위한 세척이 필요하다. 그리고 나머지 배양 여액과 세척된 폐수는 환경오염 방지를 위해 특별히 처리하여야 하는데, 이는 매우 많은 비용을 요구하므로 셀레늄 함유 미생물 생산에서 가장 큰 걸림돌이 되고 있는 실정이다.

그리고 광합성세균의 가장 일반적인 사용형태는 균체 배양액을 그대로 사용하는 것이다. 농가에서 광합성세균을 직접 배양하여 사용하는 경우에 균체만을 회수하여 사용하기 어렵기 때문이고, 광합성세균은 성장하면서 유용물질을 균체 외부로 분비하는데, 이를 이용해야 하기 때문이다.

그러므로 이러한 소비형태를 유지하기 위해선 광합성세균 배양액에는 무기태 셀레늄염이 존재하면 안된다. 무기태 셀레늄은 앞에서도 언급했듯이, 생체 흡수율과 이용률이 현저히 낮으며, 고농도로 공급될 때 가축에게 급성 독성을 유발하고, 농작물에는 해를 유발할 수 있으며, 생체에서 흡수되지 않은 셀레늄은 배설물로 배출되어 토양이나 하천을 오염시키기 때문이다.

셀레늄 함유 농산물을 생산할 때 가장 중요한 것은, 셀레늄이 농작물에 잘 전달되도록 하는 것이다. 먼저 이를 위해 토양에 직접 살포하여 혼합하는 방법과 관주하는 방법 등이 있는데, 이러한 방법은 토양에 살포된 셀레늄을 농작물이 다 흡수하지 못하여 경제적으로 효율적이지 않으며, 해를 거듭 할수록 토양에 셀레늄이 축적되는 문제를 유발한다. 다른 방법으로는 농작물의 엽면에 셀레늄 함유 비료나 미생물 배양액을 살포 및 시비하는 경우가 있는데, 뿌리를 통하여 셀레늄을 공급하는것에 비하여 효율적이지만, 무기태 셀레늄은 잎의 기공을 통한 흡수율이 떨어지고, 흡수율을 높이기 위해 과다한 셀레늄이 함유된 액을 시비하면 잎이 타들어가는 부작용을 유발한다.

100% 유기태 셀레늄이 함유된 광합성세균의 배양을 위해서는 공급되는 셀레늄이 100% 유기태이면 된다. 그러므로 셀레늄 효모 균체를 분해한 것 또는 아미노산으로 킬레이트화 된 셀레늄을 멸균해서 광합성세균 배양 중에 공급하면, 광합성세균이 흡수하고 남은 셀레늄이 있더라도 배양액에는 무기태 셀레늄이 존재하지 않게 되는 것이다.

또한 효율적이고 친환경적인 셀레늄함유 농작물을 생산하기 위해서는, 100% 유기태 셀레늄이 함유된 광합성세균 배양액을 농작물의 엽면에 분무 시비하는 방법을 사용하면 된다.

본 발명의 방법을 이용하면, 100% 유기태 셀레늄이 함유된 광합성세균을 생산할 수 있어서 광합성세균과 셀레늄의 효능이 함께 어우러지는 상승효과를 얻을 수 있다. 또한 광합성세균을 배양한 후, 무기태 셀레늄 제거를 위한 별도의 세척과 폐수 발생 과정이 없으므로 환경오염을 유발하지 않는 친환경적이고, 경제적인 효과를 얻을 수 있다.

셀레늄 함유 광합성세균을 기능성 사료첨가제와 과수 및 채소용 미생물제제로 개발하여 공급하면 고품질 농축산물 생산을 할 수 있으므로, 농가의 생산성을 높이고 수입축산물에 대한 경쟁력을 향상하는 효과가 있다.

항산화작용, 면역력증가 및 항암작용과 같은 기능이 높은 셀레늄을 함유한 농축산물을 생산하고, 이것을 다양한 형태의 건강유지에 도움을 주는 가공식품으로 개발이 가능하다.

다음의 실시예로 본 발명의 구체적인 내용을 설명한다. 이 실시예는 본 발명의 예시를 나타내는 것으로서 본 발명의 기술적 범위를 제한하는 것은 아니다.

<실시예 1 : 유기태 셀레늄 효모를 이용한 셀레늄 함유 광합성 세균의 배양>

본 발명에 있어서 광합성세균은 Rhodobacter capsulatus를 사용하였다. 균주를 배양하고 유지하는데는 광합성세균 배양에 널리 알려진 Van Niel(반 닐)배지를 이용하였다. 균주의 액상배양은 다음과 같은 순서로 하였다. 먼저 보관중이던 균주를 Van Niel agar plate 배지에 접종하고 35℃에서 48시간 배양하였고, 활성화된 균주는 agar를 제외한 Van Niel broth 100ml에 접종하여 35℃, 약 500 Lux의 광원하에서 48시간 진탕 배양하여 종균으로 준비하였다.

본 배양을 위해서 Van Niel broth 10L를 준비한 다음 멸균하였다. 준비된 종균 100ml를 접종한 다음, 역시 35℃, 500 Lux에서 배양하였으며, 6시간 마다 한번 씩 약 1분간 교반하였다. 배양이 36시간 이상 경과 한 후, 색상의 변화가 관찰된다.

본 발명에 사용하는 셀레늄 효모는 본 발명인이 특허의 권리를 득하고, 유지하고 있는 발명특허 제 0462940 방법을 이용하여 만들었다. 셀레늄 함량이 5,000 mg/kg에서 30,000 mg/kg인 셀레늄 효모를 생산한 후, 멸균하였다. 이 멸균한 셀레늄 효모는 수분을 함유하고 있으며, 효모 건조중량으로는 약 2 - 10kg 이었고, 셀레늄 효모 생산 시 배양기간을 늘려서 액상상태에서 자가분해가 되도록 유도하여 세포벽이 깨지도록 처리 한 것이다. 또한 자가분해가 더 빨리 진행되도록 1N~5N HCl을 효모건조중량 1g당 1.0~10.0 ㎖ 첨가하였고, 반응이 끝난 후에는 1~5N NaOH를 사용하여 pH 7.0으로 적정하였다. 효모의 세포벽을 파괴하는 이유는, 효모의 성분을 광합성세균이 영양원으로 이용할 수 있도록 하여 별도의 다른 영양원 공급이 없어도 광합성세균의 성장에 지장이 없도록 함과 동시에 광합성세균이 효모 균체 내부의 셀레늄을 더욱 쉽게 이용할 수 있도록 하기 위함이다.

본 배양 중인 광합성세균의 배양이 약 5일째 경과 되었을 때, 멸균한 셀레늄 효모를 첨가하였다. 셀레늄 효모를 접종한 후, 3일에서 7일 이상의 배양기간이 경과한 다음, 셀레늄함량이 5,000 mg/kg 이상인 광합성 세균과 배양물을 생산하였다.

<실시예 2 : 킬레이트화 셀레늄을 이용한 셀레늄 함유 광합성 세균의 배양>

위와 같은 방법으로 상업적으로 판매되는 아미노산이 결합된 킬레이트 셀레늄을 100 mg/kg에서 10,000 mg/kg 이상의 셀레늄의 함량으로 준비하여 셀레늄 함유 효모 대신 광합성세균의 배양액에 첨가하였다. 추가로 3일에서 7일 이상 배양해서 셀레늄 함량이 1,000 mg/kg 이상인 광합성세균 배양물을 생산할 수 있었다.

<실시예 3 : 유기태 광합성세균을 이용한 셀레늄함유 벼 생산>

실시예 1의 방법으로 생산한 셀레늄 함유 광합성세균을 수확을 앞둔 벼에 다음과 같은 조건에서 분무하여 셀레늄 함유 벼를 생산하였다. 셀레늄 함량이 5,000 ppm 이상인 광합성세균 배양액을 물에 2:1의 비율로 희석하여 준비한 다음, 수확을 3일 앞둔 벼가 자라는 논 100㎡ 에 분무기를 이용하여 약 7리터 정도를 골고루 분무하였다. 3일이 경과 한 다음, 수확한 벼를 탈곡하여 볍씨(rough rice)와 현미(Brown rice) 상태로 산 가수분해 후, 유도결합 플라즈마 질량분석기(ICP-MS)를 이용하여 셀레늄함량을 측정한 결과, 볍씨는 1.7㎎/㎏, 현미상태는 3.5㎎/㎏이 함유되었음을 확인하였다.

<실시예 4 : 유기태 광합성세균을 이용한 셀레늄 함유 배 생산>

실시예 1의 방법으로 생산한 셀레늄 함유 광합성세균 배양액을 물에 2:1의 비율로 희석하여 준비한 다음, 봉지를 씌운 배가 자라고 있는 배나무 10그루 전체에 약 5리터를 골고루 분무하였다. 10일 경과 후, 배를 수확하여 건조한 다음, 산 가수분해 후 유도결합 플라즈마 질량분석기(ICP-MS)로 측정하여 셀레늄 함량이 0.1㎎/㎏이 있음을 확인하였다.

<실시예 5 : 유기태 광합성세균을 이용한 셀레늄 함유 감 생산>

실시예 1의 방법으로 생산한 셀레늄 함유 광합성세균 배양액을 물에 2:1의 비율로 희석하여 준비한 다음, 감이 자라고 있는 감나무 1그루 전체에 약 1리터를 골고루 분무하였다. 20일 경과 후, 감을 수확하여 건조한 다음, 산 가수분해 후 유도결합 플라즈마 질량분석기(ICP-MS)로 측정하여 셀레늄 함량이 0.6㎎/㎏이 있음을 확인하였다.

<실시예 6 : 유기태 광합성세균을 이용한 셀레늄 함유 파 생산>

실시예 1의 방법으로 생산한 셀레늄 함유 광합성세균 배양액을 물에 2:1의 비율로 희석하여 준비한 다음, 약 10-20 ㎝ 정도 길이의 파가 성장 중인 경작지 약 50㎡ 에 약 5리터를 골고루 분무하였다. 20일 경과 후, 파를 수확하여 건조한 다음, 산 가수분해 후 유도결합 플라즈마 질량분석기(ICP-MS)로 측정하여 셀레늄 함량이 5.4㎎/㎏이 있음을 확인하였다.

<실시예 7 : 유기태 광합성세균을 이용한 셀레늄 함유 배추 생산>

실시예 1의 방법으로 생산한 셀레늄 함유 광합성세균 배양액을 물에 2:1의 비율로 희석하여 준비한 다음, 배추가 성장 중인 경작지에 약 1리터를 골고루 분무하였다. 20일 경과 후, 배추를 수확하여 건조한 다음, 산 가수분해 후 유도결합 플라즈마 질량분석기(ICP-MS)로 측정하여 셀레늄 함량이 30.3㎎/㎏이 있음을 확인하였다.

Claims

배지 1리터당 Yeast extract 10.0g, K₂HPO₄ 1.0g, MgSO₄ 0.5g를 함유한 광합성세균을 배양하기 위한 용해배지(Van Niel's medium) 조성에 셀레늄 염 또는 유기태 셀레늄 중 1종 이상을 셀레늄 공급원으로 하여 배양 초기에 함께 혼합하여 멸균하거나 또는 멸균한 셀레늄 공급원을 광합성세균 배양 중간에 첨가하여 배양이 끝난 후 최종적인 셀레늄 함량이 10 mg/kg 이상이 되게끔 하는 것을 특징으로 하는 유기태 셀레늄이 함유된 광합성세균 배양물
제1항에 있어서 공급되는 유기태 셀레늄은 셀레늄이 함유된 효모 또는 셀레늄과 아미노산이 결합 되어 킬레이트화 된 것을 특징으로 하는 유기태 셀레늄 함유 광합성세균 배양물
제1항에 있어서 공급되는 셀레늄염은 소디움셀레나이트(Na₂SeO₃), 소디움셀레네이트(Na₂SeO₄), 암모늄셀레나이트(H₈N₂O₃Se), 암모늄셀레네이트(H₈N₂O₄Se) 중 1종 이상을 사용하는 것을 특징으로하는 유기태 셀레늄 함유 광합성세균 배양물.
제1항의 방법으로 생산된 유기태 셀레늄 함유 광합성세균 배양물을 0.1%에서 100%의 중량비로 엽채류, 과실류, 곡물류 등의 농작물에 직접 분무 살포, 또는 토양 살포, 그리고 관주액으로 공급하는 것을 방법으로 하는 농작물 생산 방법
제1항의 방법으로 생산된 유기태 셀레늄 함유 광합성세균을 0.1에서 100%의 중량비로 가축의 사료 또는 음수에 첨가하여 급여하는 축산물 생산 방법
제1항의 방법으로 생산된 유기태 셀레늄 함유 광합성세균을 0.1에서 100%의 중량비로 어류의 사료에 혼합하거나 또는 양식장에 직접 살포하여 급여하는 어류의 양식 생산 방법