KR20120000405A - 남조류의 대량 생산방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 남조류의 대량 생산방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 남조류의 배양조건을 확립하여 산업적으로 이용가능하도록 남조류를 대량으로 생산할 수 있는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 남조류의 생산방법은 원종을 배지에 접종하는 접종단계와, 상기 배지를 배양하는 배양단계와, 상기 배지에서 배양된 남조류를 분리하는 분리단계와; 상기 분리된 남조류를 건조시키는 가공단계를 포함한다.
본 발명은 남조류의 일반적인 배양방법과 차별화하여 배양기간 단축, 고수온기 면역기능강화, 성장촉진의 기능을 추가하여 남조조류의 대량 배양을 통해 경제적 효과뿐만 아니라 성장촉진 및 면역기능 강화를 통한 생산성 향상, 궁극적으로는 남조조류를 먹이로 하는 패류 및 어류의 성장촉진 및 면역기능 강화로 소득 극대화에 이바지하고자 할 수 있다.

Description

남조류의 대량 생산방법{Mass propagation method of cyanobacteria}

본 발명은 남조류의 대량 생산방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 남조류의 배양조건을 확립하여 산업적으로 이용가능하도록 남조류를 대량으로 생산할 수 있는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 남조류(藍藻類, cyanobacteria)는 원핵식물류의 한 식물문으로 현생식물 가운데 가장 미분화한 식물로 일컬어지는 데, 엽록소a와 남조소 등을 가지고 있어 청록색, 갈색, 빨간빛을 띤 자주색, 남색 등을 지니고, 남조강 5목에 약 160속 1,500종이 알려져 있다.

또한, 남조류는 공중질소를 고정하여 식물이 필요로 하는 질소를 유효한 형태로 토양에 공급하고, 각종 킬레이트물질들을 분비하여 토양의 입단화를 증진하고, 각종 생장촉진물질들을 생산하여 식물의 생장을 촉진시키며, 스스로 광합성작용을 통해 유기물을 생산하는 데, 이들이 생산한 각종 유기양분에 대한 영양학적인 가치 및 농업적 가치가 알려지기 시작하면서 점차 관심이 고조되고 있다.

이는 남조류가 단백질의 함량이 65%를 넘고 그 단백질을 구성하고 있는 아미노산도 생물이 필요로 하는 필수아미노산이 모두 포함되어 있고 그 외에 비필수아미노산도 다양하게 함유하고 있으며, 탄수화물(carbohydrate)은 15∼20% 정도로, 포도당, 람노스(rhamnose), 만노스(mannose), 자일로스(xylose)를 주로 포함하고 있고, 감마리놀렌산(gamma-linolenic acid, 18:3)을 주종으로 하는 필수지방산(essential fatty acids)도 다량 함유하고 있기 때문이다.

또한, 남조류에는 녹황 채소에 많이 포함되어 있는 베타카로틴(β-carotene, provitamin A)을 비롯한 비타민(B-complex vitamins, B1, B2, B6)을 다량 함유하고 있으며, 특히 식물에서는 발견되지 않는 비타민 B12를 많이 함유하고 있고, 이들은 칼슘(calcium), 마그네슘(magnesium)을 다량 함유할 뿐만 아니라 아연(zinc), 망간(manganese), 셀레늄(selenium), 구리(copper) 등 미량원소도 다양하게 함유하고 있고, 광영양소(phytonutrient)로는 엽록소, 피코시아닌(phycocyanin), 피코에리스린(phycoerythrin), 카로티노이드(carotenoid)를 포함하고 있어, 식물을 위한 비료, 동물을 위한 사료, 인간을 위한 건강식품으로서 남조류의 영양학적 활용가치가 높기 때문이다.

따라서, 다양한 용도로 남조류를 이용하기 위해서는 선택적인 대량생산방법이 필요하게 되었으며, 대한민국 특허공고 1983-00612호 공보에서는 남조류를 비롯한 두류(豆類), 해초류를 이용한 무염 고단백 식품 원료의 제조방법이 알려져 있다.

그러나, 상기 남조류의 배양방법은 효율적이고 저비용으로 대량 배양할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명은 남조류의 배양조건을 확립하여 산업적으로 이용가능하도록 남조류를 대량으로 생산할 수 있는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 남조류의 생산방법은 원종을 배지에 접종하는 접종단계와; 상기 배지를 배양하는 배양단계와; 상기 배지에서 배양된 남조류를 분리하는 분리단계와; 상기 분리된 남조류를 건조시키는 가공단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 배지는 돈분을 이용한 유기배지인 것을 특징으로 한다.

상기 분리단계는 분리되는 남조류의 변형을 방지하기 위해 중공사막 필터를 사용하여 세척을 반복하는 것을 특징으로 한다.

상기 배양단계는 조도 3500 내지 5800lux, 온도 30 내지 35℃로 배양하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 남조류의 일반적인 배양방법과 차별화하여 배양기간 단축, 고수온기 면역기능강화, 성장촉진의 기능을 추가하여 남조조류의 대량 배양을 통해 경제적 효과뿐만 아니라 성장촉진 및 면역기능 강화를 통한 생산성 향상, 궁극적으로는 남조조류를 먹이로 하는 패류 및 어류의 성장촉진 및 면역기능 강화로 소득 극대화에 이바지하고자 할 수 있다.

도 1 및 2는 조도를 달리하여 배양한 결과를 나타내는 그래프이고,
도 3 및 도 4는 온도를 달리하여 배양한 결과를 나타내는 그래프이고,
도 5 내지 도 8은 탄소 농도를 달리하여 배양한 결과를 나타내는 그래프이고,
도 9 및 도 10은 질소 농도를 달리하여 배양한 결과를 나타내는 그래프이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 남조류의 대량생산 방법에 대해서 구체적으로 설명한다. 이하 실시 예에서는 남조류로 스피루리나 플라텐시스(Spirulina platensis)를 이용하였다.

스피루리나 플라텐시스(이하, 스피루리나라고 함)는 사상형의 단세포성 남세균(cyanobacteria)으로 열대, 아열대 지역의 bicarbonate가 풍부한 알칼리성의 환경에서 잘 증식하는 특징을 가진다.

스피루리나는 풍부한 단백질 함량(60 ~ 70%), 비타민(vitamin B12, provitamin A), 필수아미노산, 미네랄, 필수지방산 함유 및 불포화 지방산인 GLA(gammalinolenic acid)를 다량 함유하여 혈액순환 및 면역 강화제로 유용하여, 애완동물용 사료첨가제, 수산양식용 사료첨가제 및 건강보조식품으로 널리 이용되고 있다[Belay, A., 2004, The potential application of Spirulina(Arthrospira) as a nutritional and therapeutic supplement in health management].

스피루리나는 식물성 플랑크톤류의 25,000가지 해조류 중 사람에게 가장 유익한, 길이 0.3~0.5㎜, 폭 5~8㎛의 청남조류 원핵다세포 미생물로, 염분과 알카리성이 높은 열대지방의 호수에서 번식하는 미세조류의 일종이다.

스피루리나는 시아노박테리아(cyanobacteria)에 속하는 미세조류의 일종으로 양질의 단백질을 다량 함유하고 있고, 상대적으로 지질이나 탄수화물의 함량이 적다. 그밖에 항산화활성이 있는 베타카로틴이나 피코시아닌 등과 같은 식용색소를 다량 함유하고 있고, 다양한 종류의 비타민, 무기질, 섬유질 등을 풍부하게 함유하고 있으며 그 이용효율도 높아 인류의 중요한 식량자원이 되며 건강식품으로서 인류의 건강에 기여하고 있다.

이러한 스피루리나만을 장기간 단독으로 먹어도 편식의 우려가 없는 균형 잡힌 영양소 조성을 가지고 있어서 완전식품이라 말하기도 한다. 현재는 인공적인 배양기술이 확립되어 있어서 식품 규격의 제품이 공급되고 있어서 건강식품으로서의 평가가 날로 높아지고 있다. 또한, 스피루리나는 고알칼리로 인체의 체질 개선에도 놀라운 효과가 있으며, 특히 소화흡수율, 소화촉진작용이 우수하다.

1. 제 1실험예: 스피루리나의 성장에 미치는 빛의 영향

본 실험의 초기 온도 조건도 35℃ 로 고정하여 두고 빛 강도를 변화시키면서 스피루리나의 성장을 측정한 결과를 도 1에 나타내었다.

3500, 5800 및 8400lux 의 빛 강도에서는 배양 6일째까지 거의 비슷한 증식 속도로 성장하다가 8400 lux의 경우 7일째부터는 성장이 거의 정지한 상태로 배양 15일째까지 지속되었다.

이러한 결과는 과도한 강도의·빛 조건이 미세 조류의 성장을 오히려 억제하거나 심한 경우는 조류의 균체를 산화시켜 사멸시키기도 한다고 하였는데 (Gudin et aI., 1980), 8400 lux에서 3500 lux1에서 5800 lux보다 성장이 억제된 것도 이러한 이유인 것으로 판단되었다.

그러나 3500 lux의 빛 강도 조건에서는 배양 8 일째까지 대수증식을 하였으며， 9일째부터는 거의 정상 상태를 유지하였는데, 이때의 균체량이 약 4.5 mg/mL로 옥외 대량 배양의 최대 균체량인 3.0mg/mL 보다 50% 정도 더 높은 균체량을 나타내었다(Richmond, 1986).

3500 lux 조건에서 비증식 속도 (0.065h^-1 )가 가장 컸으며, pH 의 변화도 균체의 성장과 함께 pH 11 정도까지 상승한 다음 약간 감소하는 경향을 보였다. 균체의 성장이 느렸던 1800 lux나 2800lux 의 빛 강도 조건에서는 19일째까지 느린 성장과 pH 의 상승을 보여주었다.

한편, 빛 강도 조건에 따라 정상 상태에서 얻어진 스피루리나의 phycocyanin 및 chlorophyll-a 함량을 조사한 결과는 도2 와 같다.

3500 lux의 빛 강도 범위까지는 빛 강도가 높아질수록 phycocyanin의 함량은 증가하였고, 최대 c-phycocyanin 함량은 35℃, 3500 lux에서 10.8% 였으며, 5800 lux 및 8400 lux 의 빛 강도에서는 약간 감소하였다. 이는 미세 조류의 성장과 상관성이 있는 것으로 여겨졌으며, 또한 phycocyanin의 함량은 chlorophyll-a 함량과 상관성을 가진다는 것이 알려져 있으나, 본 실험에서는 뚜렷한 상관성을 발견하지 못하였다.

Chlorophyll-a 함량은 0.63-0.72% 범위로 일반적으로 알려져 있는 1.0% 보다는 다소 낮은 값을 나타내었고， 최종균체의 단백질 농도나 phycocyanin 의 함량과도 관련성이 있는 것으로 알려져 있으나, 본 실험에서는 chIarophyll 함량에 차이를 나타내지 않았다.

2. 제 2실험예: 스피루리나의 성장에 미치는 온도의 영향

3500 lux 의 빛 강도 조건에서 온도 변화에 따른 미세 조류의 성장과 색소 함량의 변화를 실험하였다. 도 3에서 나타낸 것과 같이 35℃ 조건에서 균체량이 가장 높게 나타났으며, 배양 8일째까지 급속히 균체량이 증가하다가 8일째 이후 더 이상 증가하지 않았으며, pH는 배양 12일째까지 느리게 상승하였다. 25℃나 30℃ 조건에서도 경향은 35℃온도 조건과 유사하였으나, 성장 정도는 35℃ 조건에 미치지 못했다.

한편 45℃ 조건에서는 5일째 이후에는 균체의 성장이 중지되었고 그 이후에는 탈색이 일어나면서 사멸하였는데, 이러한 결과로부터 균체의 배양에 빛 강도와 마찬가지로 중요한 것이 온도라는 사실을 확인할 수 있었다.

도 4에는 색소 함량을 나타내고 있는데 앞의 빛 강도 조건과 마찬가지로 스피루리나의 성장과 상관성을 가지고 있었는데, 35℃ 조건에서 성장한 스피루리나의 phycocyanin 함량이 가장 높았는데 11% 정도였다. 빛 강도 조건에서와 마찬가지로 chlorophyll-a 및 phycocyanin 함량은 특별한 상관성이 확인되지 않았다. 아울러 빛 강도의 조건에서 3500 lux 와 유사한 결과를 보였던 5800 lux 의 배양 조건에서 온도를 변화시키면서 스피루리나의 성장과 색소의 변화를 실험한 결과 (data not shown), 5800 lux 의 조건에서는 3500 lux와는 달리 온도 30℃ 조건에서 성장이 가장 높은 것으로 확인되었다.

스피루리나의 성장만으로 판단해볼 때 상대적으로 높은 빛 강도 (6391 μE/m3/sec)에서는 낮은 온도 조건 (30℃)이 그리고 다소 낮은 빛 강도 (2695 μE/mJ/sec) 에서는 상대적으로 약간 높은 온도조건 (35℃)이 좋은 것으로 확인되었다 (Joo et aI., 1998). 이러한 결과로부터 3500 lux 의 빛 강도에서는 35℃ 온도 조건이, 5800 lux의 빛 강도 조건에서는 30℃ 온도 조건이 가장 적절한 조건임을 알 수 있었으나 성장 속도가 3500 lux, 35℃ 조건이 약간 빠름을 알 수 있었다. C-phycocyanin 함량은 전체적으로 성장 정도와 비례함을 알 수 있었고, 3500 lux와 5800 lux의 빛 강도에 따른 차이는 없었다.

3. 제 3실험예: 스피루리나의 성장에 미치는 탄소농도의 영향

스피루리나 배양 배지의 가장 많은 함량을 차지하는 무기원은 NaHCO₃인데, 이것은 pH 조절에 관련된 무기질로 이것의 농도 변화에 따른 미세 조류의 성장을 도5 에 나타내었다. NaHCO₃가 첨가되지 않은 경우 배양 7 일째 사멸하였으며, 1.5% 농도까지는 첨가 농도가 증가할수록 미세조류의 성장이 촉진되었던 것으로 나타났으나 그 이상의 농도에서는 오히려 미세 조류의 성장이 크게 저하되는 것을 알 수 있었다.

도 6에 나타난 바와 같이 NaHCO₃ 첨가 농도에 따라 얻어진 균체의 색소 축적 정도를 실험한 결과 1.0% 농도까지 균체량의 증가와 함께 색소함량도 증가하는 경향을 보였으며, 1.5% 농도에서는 차이가 없었다. 그러나 1.75% 농도에서는 약간 감소하는 것으로 확인되었으나 균체의 phycocyanin 함량 자체는 큰 차이를 발견할 수 없었다. 이상의 결과에서 NaHCO₃의 첨가 농도는 1.0% 수준이 가장 적절한 성장 및 색소 축적 조건임을 알 수 있었다.

배지 중에 탄소원으로 첨가되는 Na₂CO₃의 첨가량에 따른 균체량과 pH의 변화를 도 7 에 나타내었다. Na₂CO₃의 첨 가 농도가 높을수록 성장 속도 및 균체량도 증가되는 결과를 확인할 수 있었는데， 0.3% 이상의 농도에서는 첨가 농도가 높아도 큰 차이를 확인할 수 없었다. 그러나 색소의 함량에 있어서는 Na₂CO₃ 0.2~0.3% 첨가 수준에서 최고의 phycocyanin 함량을 나타내었으며, 0.5% 이상 Na₂CO₃가 첨가된 조건에서는 오히려 phycocyanin 함량이 낮아지는 경향이었다(도 8). 따라서 Na₂CO₃의 첨가 농도는 0.2~0.3% 정도가 적절한 것으로 판단되었다.

배지 중의 질소원인 NaNO₃ 농도에 따른 균체의 성장 및 pH 변화를 도 9 에 나타내었다. NaNO₃가 첨가되지 않은 조건에서는 느린 성장을 보이다가 배양 10일째에 사멸하였으며, 0.05% 에서부터 0.5%까지의 농도 범위에서는 첨가농도에 관계 없이 비슷한 성장을 보였으며, 13 일째에 최대 성장을 나타내었고, 그 이후 17 일까지는 성장이 정지되었다.

한편, NaNO₃ 농도에 따른 phycocyanin 함량 (도 10) 은 NaNO₃ 첨가 농도 0.5%까지 약간씩 증가하였으며， 특히 NaNO₃ 0.1 % 첨가 수준에서는 9.2% 정도의 phycocyanin 함량을 나타내었으나，NaNO₃ 0.2% 첨가 수준에서는 11.0% 정도의 phycocyanin 함량을 나타내었으며， NaNO₃ 0.2% 이상에서는 색소 함량의 증가는 미미한 수준이었다. 아울러 ch1orophyll-a 함량은 농도에 관계없이 큰 변화가 없었다. 이러한 결과는 질소원이 색소 축적에 직접적인 관련이 있다는 보고와 일부분은 일치하는 결과였으나 (Ba1dia et aI., 1991), 특정 농도 이상의 NaNO₃ 농도에서는 첨가량과 색소 축적량과는 상관성이 없음을 알 수 있었으며， 이상의 결과에서 NaNO₃ 첨가 농도는 0.2-0.3% 범위에서 첨가하는 것이 적절한 것으로 판단되었다.

이상, 본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (4)

1. 남조류의 생산방법에 있어서,
   원종을 배지에 접종하는 접종단계와;
   상기 배지를 배양하는 배양단계와;
   상기 배지에서 배양된 남조류를 분리하는 분리단계와;
   상기 분리된 남조류를 건조시키는 가공단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 남조류의 대량 생산방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 배지는 돈분을 이용한 유기배지인 것을 특징으로 하는 남조류의 대량 생산방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 분리단계는 분리되는 남조류의 변형을 방지하기 위해 중공사막 필터를 사용하여 세척을 반복하는 것을 특징으로 하는 남조류의 대량 생산방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 배양단계는 조도 3500 내지 5800lux, 온도 30 내지 35℃로 배양하는 것을 특징으로 하는 남조류의 대량 생산방법.
   
   

Images