KR20160045168A - The production of high purity phycocyanin from cycanobacterium Spirullina platensis using LEDs based two-stage cultivation - Google Patents

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Abstract

The development of a two-stage cultivation method for producing high-purity phycocyanin relates to a novel cultivation method using photosynthesis cycanobacterium Spirulina platensis which can increase the contents of phycocyanin inside a cell. The method is capable of controlling the strength and the wavelength required to improve the purity of phycocyanin, and produces high-purity phycocyanina by effectively providing light source conditions of a device for cultivating Spirulina, thereby being efficiently used for producing a photosynthetic pigment effective for antimicrobial activities, anti-inflammatory activities, anticancer activities, and the like.

Description

고순도 피코시아닌 생산을 위한 2 단계 배양법 개발{The production of high purity phycocyanin from cycanobacterium Spirullina platensis using LEDs based two-stage cultivation}The present invention relates to a two-stage culture method for producing high purity phycocyanin,

본 발명은 미세조류를 이용한 고순도의 피코시아닌(phycocyanin)의 생산방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing high purity phycocyanin using microalgae.

미세조류(microalgae)는 해양 생태계의 생산자로서 스스로 광합성을 하는 단세포 생물이다. 미세조류는 그 종류가 수십만에 이르고, 성장환경에 따라 다양한 생리활성 물질을 만들어 낸다. 특히 심해저나 용암지대 등 극한의 환경에서 자라는 미세조류에서는 육상에는 없는 새로운 기능성 물질이 발견되기도 한다.Microalgae are single cell organisms that produce photosyntheses by themselves as producers of marine ecosystems. There are hundreds of thousands of microalgae, and they produce various physiologically active substances depending on the growth environment. Especially microalgae growing in extreme environment such as deep sea lava and lava zone, new functional materials not found in the land are found.

따라서 미세조류는 그야말로 다양한 생리활성 물질의 보고라 할 수 있다. 그리고 미세조류는 대량생산이 용이하다. 실제로 산업분야에서는 미세조류를 식품이나 수산양식용으로 대량 배양하여 왔다. 최근에는 바이오에너지 분야에서 미세조류를 바이오매스(biomass)로 활용하기 위하여 미세조류의 생산량을 증대하기 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있어 앞으로 미세조류의 산업적 가치는 더욱 높아질 것이다. Therefore, microalgae can be considered as a report of various physiologically active substances. And microalgae are easy to mass-produce. Indeed, in the industrial sector, microalgae have been cultured in large quantities for food or aquaculture. In recent years, in order to utilize microalgae as biomass in the field of bio-energy, studies for increasing the production of microalgae are actively carried out, and the industrial value of microalgae will be further increased in the future.

남조류(cyanobacteria)중의 하나인 스피루리나 플라텐시스(Spirullina platensis)는 다세포의 필라멘트 형태를 지닌 광합성 미생물이다. 단백질, 탄수화물, 비타민, 미네랄 같은 영양소가 풍부하여 식품으로 오랜시간 이용되어 왔고 높은 영양학적 가치로 인하여 유엔식량농업기구(UNFAO)가 미래식량으로 지정되어 왔다. 현재, 전 세계적으로 스피루리나 배양에 관한 연구가 많이 이뤄지고 있다.One of Spirulina platen sheath (Spirullina platensis) of blue-green algae (cyanobacteria) is a photosynthetic microorganism having a filament in the form of multi-cellular. It has been used for a long time as a food rich in nutrients such as protein, carbohydrate, vitamins and minerals. Due to its high nutritional value, the United Nations Food and Agriculture Organization (UNFAO) has been designated as food for the future. Currently, there are many studies on spirulina culture worldwide.

피코시아닌(Phycocyanin)은 남조류(cyanobacteria), 홍조류(rhodophytes), 땅속식물(cryptophytes)에서 발견되는 푸른색 색소이며, 특히 남조류가 고유의 푸른색을 가지는 것은 바로 피코시아닌을 다량 함유하고 있기 때문이다. 피코시아닌은 물에 녹으며 아주 강한 형광을 나타내고 항산화기능이 뛰어난 물질이다. 실제로 피코시아닌은 남조류가 식품, 화장품, 약품 등으로 활용되는데 필요한 핵심성분이다. 따라서 피코시아닌에 대한 연구 역시 매우 활발하게 진행되고 있으며 특히 최근에는 생명공학분야의 논문과 특허의 수 역시 증가하고 있다.Phycocyanin is a blue pigment found in cyanobacteria, rhodophytes, and cryptophytes. Especially, the fact that cyanobacteria have their own blue color contains a large amount of phycocyanin to be. Pycocyanin dissolves in water and exhibits very strong fluorescence and antioxidant properties. In fact, pycocyanin is a key ingredient in the use of cyanobacteria in food, cosmetics, and medicine. Therefore, research on picosan is also very active, and recently, the number of papers and patents in biotechnology has also increased.

피코시아닌은 스피루리나의 주요한 피코빌리 단백질로 건조중량의 29%를 차지하고 있다. 청색의 광합성 색소로서 광합성계에서 빛에너지를 흡수하여 엽록소 α에 전달하는 역할을 한다. 천연색소 및 형광마커로 사용되고 있고 향균, 항염증, 항산화, 항암 특성이 보고되고 있다. 이로 인해 피코시아닌을 균주로부터 효율적으로 생산하기 위한 다양한 방법들이 제시되고 있다. 피코시아닌은 흡광도 A680/A620 비율을 통해 순도를 결정하며 식품등급(food grade)(> 0.7), 분석등급(analytical grade) (≥4.0)으로 나눈다. 세포에서 1 차적으로 추출한 원액 상태는 0.7 이하의 낮은 순도를 보이므로, 사용목적에 따라 추가적인 복수의 정제과정이 필요하다. 피코시아닌은 그 순도에 따라 제품의 가격이 결정된다.Pycocyanin is the major picofile protein of Spirulina, accounting for 29% of dry weight. As a blue photosynthetic pigment, it absorbs light energy in the photosynthesis system and transfers it to chlorophyll a. It is used as a natural coloring agent and a fluorescent marker, and antibacterial, anti-inflammatory, antioxidant and anti-cancer properties are reported. Accordingly, various methods for efficiently producing phycocyanin from strains have been proposed. Pycocyanin determines purity by absorbance A680 / A620 ratio and is divided into food grade (> 0.7) and analytical grade (≥4.0). Since the primary liquid extracted from the cells has a low purity of less than 0.7, several additional purification steps are required depending on the purpose of use. Pycocyanin is priced according to its purity.

순도 0.7 이상의 피코시아닌을 얻기 위해 암모늄 설페이트 침전법(ammonium sulfate precipitation), 한외여과법(ultrafilteration) 등의 방법을 사용하며 젤 여과 크로마토그래피(gel filteration chromatography) 및 이온-교환 크로마토그래피(ion-exchange chromatography)등을 통하여 순도 4.0 이상의 피코시아닌을 얻을 수 있다. 이러한 정제단계 증가는 생산비용과 직결되어 경제적, 시간적 손실이 발생한다.To obtain a picocyanin having a purity of 0.7 or more, ammonium sulfate precipitation, ultrafiltration and the like are used. Gel filtration chromatography and ion-exchange chromatography ) Or the like, a picocyanin having a purity of 4.0 or more can be obtained. Such an increase in purification steps leads directly to production costs, resulting in economic and temporal losses.

식품등급(Food grade) 수준의 정제는 최소한의 단계로 진행되어야 한다. 각 단계들은 산업 현장에서 매우 높은 비용을 요구한다. 세포 내에서 피코시아닌의 합성은 빛 세기와 파장, 염분, 온도, 질소원 농도 등의 배양조건에 영향을 받으며 이로 이해 추출시 순도 및 함량이 영향을 받는다.Refining at the Food grade level should proceed to a minimum level. Each step requires a very high cost in the industrial field. The synthesis of phycocyanin in cells is affected by the light intensity and the culture conditions such as wavelength, salinity, temperature, nitrogen source concentration, and thus purity and content are influenced by the extraction.

종래의 배양법은 태양광, 형광등, 단일파장의 발광다이오드 등을 광원으로 사용하였으며 이는 배양기간 중, 광원의 조사조건을 쉽게 조절하기 어려운 문제점이 있다. 광합성 미생물의 색소함량은 빛의 세기와 파장에 따라 수시로 변화한다. 세포에 도달하는 광합성 광량자속 밀도는 색소의 함량과 음의 상관관계를 가지며, 파장 범위에 따라 균체의 성장 및 합성되는 색소의 종류에 따라 상당힌 영향을 미친다. 스피루리나 건조분말에서 유용물질 추출시 건조하지 않은 생균체에 비해 회수효율이 떨어진다. 이로 인해 스피루리나에서 추출한 피코시아닌의 순도에 상당한 영향을 줄 수 있다. 건조방법을 사용할 시에 피코시아닌은 약 50%, 단백질은 10-20%의 손실이 발생하는 문제점이 있다.
Conventional culture methods use solar light, fluorescent light, light emitting diode of single wavelength, etc. as a light source, which has a problem that it is difficult to easily control irradiation conditions of a light source during a culture period. The pigment content of photosynthetic microorganisms varies with the intensity and wavelength of light. The density of photosynthetic photons reaching the cells is negatively correlated with the content of the pigments. Depending on the wavelength range, the growth of the cells and the types of pigments synthesized have a considerable effect on the photosynthetic photon flux density. When extracting useful substances from spirulina dry powder, the recovery efficiency is lower than that of unripe viable cells. This can have a significant impact on the purity of the picosanine extracted from Spirulina. When the drying method is used, there is a problem that a loss of about 50% of the phycocyanin and 10-20% of the protein occurs.

이에, 본 발명자들은 색소 단백질 피코시아닌에 대한 효율적인 생산 방법을 개발하고자 노력한 결과, 세포 내 피코시아닌의 함량을 높일 수 있는 남조류인 광합성 시아노박테리아(cyanobacteria) 스피루리나 배양법을 새롭게 개발하여 피코시아닌 순도 향상에 필요한 파징 및 세기를 조절할 수 있고 스피루리나 배양장치의 광원조건을 효과적으로 제시하는 고순도의 피코시아닌 생산 방법을 제공함으로써 본 발명을 완성하였다.
Accordingly, the present inventors have made efforts to develop an effective production method for the pigment protein picocyanin. As a result, they have newly developed a photosynthetic cyanobacteria spirulina culture method, which is a cyanobacterium that can increase the content of picosian in the cell, The present invention has been accomplished by providing a high purity picocyanin production method capable of controlling the pilling and intensity required for improving purity and effectively showing the light source conditions of the spirulina culture apparatus.

본 발명의 목적은 SUMMARY OF THE INVENTION

1) 스피루리나(Spirullina)를 배양하는 단계;1) culturing Spirullina ;

2) 적색 및 청색 혼합광을 조사하여 1차 배양하는 단계;2) primary culture by irradiating red and blue mixed light;

3) 상기 단계 2)의 1차 배양된 스피루리나에 청색광을 조사하여 2차 배양하는 단계; 및3) irradiating primary cultured spirulina of step 2) with blue light to secondary culture; And

4) 상기 단계 3)의 2차 배양된 스피루리나로부터 피코시아닌(phycocyanin)을 정제하는 단계를 포함하는 고순도 피코시아닌 생산 방법을 제공하는 것이다.4) purifying phycocyanin from the second cultivated spirulina of step 3). ≪ IMAGE >

또한, 본 발명의 목적은 친화성 침전(affinity precipitation) 및 암모늄 설페이트 침전(ammonium sulfate precipitation)을 이용하여 정제하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 고순도 피코시아닌 생산 방법ㅇ르 제고아는 것이다.In addition, the object of the present invention is to provide a method for producing a high-purity phycocyanin, which further comprises the step of purifying by using affinity precipitation and ammonium sulfate precipitation.

나아가, 본 발명의 목적은Further, the object of the present invention is

1) 스피루리나를 배양하는 단계;1) culturing spirulina;

2) 적색 및 청색 혼합광을 조사하여 1차 배양하는 단계; 및2) primary culture by irradiating red and blue mixed light; And

3) 상기 단계 2)의 1차 배양된 스피루리나에 청색광을 조사하여 2차 배양하는 단계를 포함하는 고순도 피코시아닌 생산용 스피루리나 배양 방법을 제공하는 것이다.
3) irradiating primary cultured spirulina of step 2) with blue light to secondary culture, and a method for cultivating spirulina for producing high purity phycocyanin.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은In order to achieve the above object,

1) 스피루리나(Spirullina)를 배양하는 단계;1) culturing Spirullina ;

2) 적색 및 청색 혼합광을 조사하여 1차 배양하는 단계;2) primary culture by irradiating red and blue mixed light;

3) 상기 단계 2)의 1차 배양된 스피루리나에 청색광을 조사하여 2차 배양하는 단계; 및3) irradiating primary cultured spirulina of step 2) with blue light to secondary culture; And

4) 상기 단계 3)의 2차 배양된 스피루리나로부터 피코시아닌(phycocyanin)을 정제하는 단계를 포함하는 고순도 피코시아닌 생산 방법을 제공한다.4) purifying phycocyanin from the secondary cultured spirulina of step 3) above.

또한, 본 발명은 친화성 침전(affinity precipitation) 및 암모늄 설페이트 침전(ammonium sulfate precipitation)을 이용하여 정제하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 고순도 피코시아닌 생산 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing a high-purity phycocyanin characterized by further comprising the step of purification using affinity precipitation and ammonium sulfate precipitation.

나아가, 본 발명은Further,

1) 스피루리나를 배양하는 단계;1) culturing spirulina;

2) 적색 및 청색 혼합광을 조사하여 1차 배양하는 단계; 및2) primary culture by irradiating red and blue mixed light; And

3) 상기 단계 2)의 1차 배양된 스피루리나에 청색광을 조사하여 2차 배양하는 단계를 포함하는 고순도 피코시아닌 생산용 스피루리나 배양 방법을 제공한다.
3) irradiating primary cultured spirulina of step 2) with blue light to secondary culture the spirulina.

본 발명의 고순도 피코시아닌 생산을 위한 2 단계 배양법 개발은 광합성 시아노박테리아 스피루리나 플라텐시스(cycanobacterium Spirullina platensis)를 이용하여 피코시아닌의 함량을 높일 수 있는 신규 배양법으로서, 피코시아닌 순도 향상에 필요한 파장 및 세기를 조절할 수 있고 스피루리나 배양장치의 광원조건을 효과적으로 제시하여 고순도의 피코시아닌을 생산함으로써 항균, 항염증 및 항암 등에 유효한 광합성 색소 생산에 유용하게 사용될 수 있다.
2-step culture method for the production of high purity and not when the Pico of the present invention is developed photosynthetic cyanobacteria Spirulina platen sheath (cycanobacterium Spirullina Platensis ) can be used to increase the content of phycocyanin. It is possible to control the wavelength and intensity necessary for the improvement of picosyin purity and to produce a high purity phycocyanin by effectively presenting the light source conditions of the spirulina culture apparatus Antimicrobial, anti-inflammatory, anti-cancer, and the like.

도 1은 각 시료는 흡광도 (680 nm)가 1.0에 도달할 때 채취하여 흰색 발광다이오드 빛의 세기에 따른 조추출물(crude extract) 상태의 피코시아닌의 함량, 순도, 알로피코사아닌의 함량, 비율, 전체 피코빌리 단백질의 함량을 나타낸 도이다.
도 2는 흡광도와 건조중량 간의 상관관계식을 이용하여 건조중량이 1 gㆍL-1에 해당하는 시점에서 각 시료를 채취한 후 광원의 파장에 따른 스피루리나에서 얻은 조추출물 상태의 피코시아닌의 함량, 순도, 알로피코시아닌의 함량, 비율, 전체 피코빌리단백질의 함량, 최대 바이오매스 생산 속도(μ max), 바이오매스 및 최대 바이오매스 농도(X max)를 나타낸 도이다.
도 3은 각 정제 단계에 따른 피코시아닌의 함량, 순도 및 회수율 변화를 나타낸 도이다.
도 4는 스피루리나 배양장치를 나타낸 도이다.
도 5는 광원의 파장에 따른 함량, 순도 변화를 나타낸 조추출물의 피코시아닌을 나타낸 도이다.
도 6은 빛의 파장과 세기를 배양단계에 따라 조절하는 2 단계 스피루리나 배양법을 사용하여 바이오매스, 조추출물의 피코시아닌 함량 및 순도 변화를 나타낸 도이다.
FIG. 1 is a graph showing the relationship between the content of picosene, the purity, the content of alopycosa, and the content of crude extract in white light emitting diode light when the absorbance (680 nm) Ratio, and the content of whole picofile protein.
FIG. 2 is a graph showing the correlation between the absorbance and the dry weight of each sample taken at a point when the dry weight corresponds to 1 g · L -1 . The content of picocyanin in the crude extract obtained from the spirulina according to the wavelength of the light source , Purity, content of alopicocaine, percentage, content of whole picofile protein, maximal biomass production rate ( μ max ), biomass and maximum biomass concentration ( X max ).
FIG. 3 is a graph showing the content, purity and recovery rate of phycocyanin according to each purification step.
Fig. 4 is a diagram showing a spirulina culture apparatus. Fig.
FIG. 5 is a diagram showing the phycocyanin of the crude extract showing the content and purity change according to the wavelength of the light source.
FIG. 6 is a graph showing changes in picosene content and purity of biomass and crude extract using a two-step spirulina culture method in which the wavelength and intensity of light are controlled according to the culture step.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 The present invention

1) 스피루리나(Spirullina)를 배양하는 단계;1) culturing Spirullina ;

2) 적색 및 청색 혼합광을 조사하여 1차 배양하는 단계;2) primary culture by irradiating red and blue mixed light;

3) 상기 단계 2)의 1차 배양된 스피루리나에 청색광을 조사하여 2차 배양하는 단계; 및3) irradiating primary cultured spirulina of step 2) with blue light to secondary culture; And

4) 상기 단계 3)의 2차 배양된 스피루리나로부터 피코시아닌(phycocyanin)을 정제하는 단계를 포함하는 고순도 피코시아닌 생산 방법을 제공한다.4) purifying phycocyanin from the secondary cultured spirulina of step 3) above.

상기 단계 1)의 스피루리나는 스피루리나 플란텐시스(Spirullina platensis)인 것을 특징으로 한다.The spirulina of step 1) is characterized by being Spirullina platensis .

상기 단계 2)의 조사는 20 - 150 μmol˙m-2s-1의 빛의 세기로 조사하는 것이 바람직하고, 배양은 3 -7일 배양하는 것이 바람직하나, 이에 한정하지 않는다.The irradiation of step 2) is preferably irradiated with a light intensity of 20-150 μmol˙m -2 s -1 , and the culturing is preferably performed for 3 -7 days, but is not limited thereto.

상기 단계 3)의 조사는 50 - 350 μmol˙m-2s-1의 빛의 세기로 조사하는 것이 바람직하고, 배양은 12 내지 16일 동안 배양하는 것이 바람직하나, 이에 한정하지 않는다. The irradiation of Step 3) is preferably performed at a light intensity of 50 to 350 μmol˙m -2 s -1 , and the culturing is preferably performed for 12 to 16 days, but is not limited thereto.

상기 단계 2) 및 단계 3)의 조사는 발광다이오드를 이용하여 조사하는 것이 바람직하다.It is preferable that the irradiation of the step 2) and the step 3) is carried out by using a light emitting diode.

또한, 상기 단계 4)의 스피루리나로부터 정제된 피코시아닌은 식품등급(food grade) 순도를 갖는 것을 특징으로 한다.In addition, the picocyanin purified from the spirulina of step 4) is characterized by having a food grade purity.

본 발명은 친화성 침전(affinity precipitation) 및 암모늄 설페이트 침전(ammonium sulfate precipitation)을 이용하여 정제하는 단계를 추가적으로 포함할 수 있다.The present invention may further comprise purification using affinity precipitation and ammonium sulfate precipitation.

상기 정제는 분석등급(analytical grade)의 피코시아닌을 분리하기 위함이다.The tablets are to separate the analytical grade of phycocyanin.

본 발명은 The present invention

1) 스피루리나를 배양하는 단계;1) culturing spirulina;

2) 적색 및 청색 혼합광을 조사하여 1차 배양하는 단계; 및2) primary culture by irradiating red and blue mixed light; And

3) 상기 단계 2)의 1차 배양된 스피루리나에 청색광을 조사하여 2차 배양하는 단계를 포함하는 고순도 피코시아닌 생산용 스피루리나 배양 방법을 제공한다.3) irradiating primary cultured spirulina of step 2) with blue light to secondary culture the spirulina.

스피루리나는 백색ㆍ적색ㆍ청색의 발광다이오드를 사용하여 20 - 200 μmol˙m-2s-1 범위의 광도에서 배양이 잘 되나, 일정시간이 지나면 피코시아닌의 함량과 순도가 광원의 세기와 파장에 따라 크게 차이가 발생하였다. 이의 원인을 분석한 결과, 일정범위에서 광원의 세기 및 피코시아닌의 함량이 역의 상관관계를 가짐을 발견하였고 적색의 파장(660 nm)하에서는 바이오매스 생산 속도는 빠르지만 피코시아닌의 함량과 순도가 낮고 청색의 파장(450 nm)하에서는 바이오매스 생산 속도는 느리고 피코시아닌의 함량과 순도는 높은 결과가 발생하였다. 광원조건에 따라 추출할 수 있는 색소 단백질의 양과 순도가 달라지기 때문에, 공독립영양 조건하에서 균주배양을 실시한 후, 추출한 조추출물(crude extract)의 피코시아닌 함량과 순도를 식품등급(food grade) 이상으로 최대한 높이고자 하였다. 적색ㆍ청색ㆍ혼합광인 경우에 성장속도는 적색과 청색을 각각 사용한 실험군에서 성장속도가 중간 정도이고 배양기간 중의 피코시아닌 함량은 적색 단일광을 사용하였을 때와 유사하다. 이에 혼합광을 이용하여 대수기의 중간까지 배양하고 이를 피코시아닌 함량 확보에 유리한 청색 단일광으로 광원의 파장을 변경하여 배양을 진행하였다. 배양용기는 플라스크를 사용하거나 두께가 약 5 cm인 직사각형의 반응기를 사용할 수 있고, 빛의 균일한 조사를 위하여 광원의 조사방향으로 배양액의 높이는 5 cm를 넘지 않게 하고 진탕으로 교반하거나 통기배양법을 사용한다.
Spirulina is cultivated at a light intensity ranging from 20 to 200 μm ˙ 2 s -1 using white, red and blue light emitting diodes. However, after a certain period of time, the content and purity of the picosene are determined by the intensity and wavelength The results are as follows. As a result, it was found that the intensity of the light source and the content of the phycocyanin were inversely correlated with each other in a certain range. The rate of production of biomass was fast under the red wavelength (660 nm) Under low purity and blue wavelength (450 nm), the production rate of biomass was slow, and the content and purity of phycocyanin were high. Since the amount and purity of the pigment protein that can be extracted depend on the light source condition, the pycocyanin content and purity of the extracted crude extract are classified into food grade, To the maximum. In the case of red, blue, and mixed light, the growth rate was moderate in the experimental group using red and blue, and the content of phycocyanin during the incubation period was similar to that of red single light. Then, the mixture was incubated to the middle of the growing stage using the mixed light, and the wavelength of the light source was changed with blue single light favorable for securing the content of picosylan. The culture vessel may be a flask or a rectangular reactor having a thickness of about 5 cm. In order to uniformly irradiate the light, the height of the culture medium should not exceed 5 cm in the irradiation direction of the light source, do.

본 발명의 구체적인 실시예에서, 스피루리나 플라텐시스(Spirullina platensis)를 배양하여 빛의 세기에 따른 피코시아닌의 함량의 차이를 조사한 결과, 설정된 범위의 25 및 75 μmol˙m-2s-1에서 피코시아닌의 함량 및 순도가 높음을 확인하였다(도 1 참조). 빛의 파장에 따른 피코시아닌 함량 측정한 결과, 청색광이 피코시아닌의 합성에 유리하였고 높은 순도인 2.78의 값을 나타냄을 확인하였다(도 2 참조). 피코시아닌 합성을 최대한 유도하여 순도가 최대로 높은 조추출물(ude extract)을 얻기 위하여 첫 번째 단계는 적청색 혼합광을 이용하고 두 번째 단계로 청색광만을 이용하여 배양한 결과, 순도 2.5 이상의 바이오매스가 증가함을 확인하였다(도 3, 5 및 6 참조).
In a specific example of the present invention, the difference in the content of picocyanin according to the intensity of light was investigated by incubating Spirullina platensis . As a result, it was found that in the set range of 25 and 75 μmolm -2 s -1 The content and purity of phycocyanin were high (see Fig. 1). As a result of measuring the content of phycocyanin according to the wavelength of light, it was confirmed that the blue light was advantageous for the synthesis of phycocyanin and had a high purity value of 2.78 (see FIG. 2). In order to obtain the maximum purity of ude extract by maximizing the phycocyanin synthesis, the first step was the red blue light and the second step was the blue light alone. As a result, the biomass (See Figs. 3, 5 and 6).

따라서, 본 발명의 고순도 피코시아닌 생산을 위한 2 단계 배양법 개발은 광합성 시아노박테리아 스피루리나(cycanobacterium Spirullina platensis)를 이용하고 피코시아닌 순도 향상에 필요한 파장 및 세기를 조절할 수 있고 스피루리나 배양장치의 광원조건을 효과적으로 제시하여 고순도의 피코시아닌을 생산함으로써 항균, 항염증 및 항암 등에 유효한 광합성 색소 생산에 유용하게 사용될 수 있다.
Accordingly, high-purity 2-step culture method Pico development for the production and not during the present invention is the photosynthetic cyanobacteria Spirulina (cycanobacterium Spirullina platensis ) and can control the wavelength and intensity required for the improvement of picosynthetic purity. It is also useful for the production of photosynthetic pigments effective for antibacterial, antiinflammatory and anticancer activities by effectively producing the light source conditions of the spirulina culture apparatus and producing high purity picocyanin Lt; / RTI >

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples.

단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
However, the following examples are illustrative of the present invention, and the contents of the present invention are not limited by the following examples.

<< 실시예Example 1>  1> 스피루리나Spirulina 배양 조건 및 피코시아닌 함량 측정 방법 Culture conditions and methods for measuring picocyanin content

한국 생명공학원으로부터 구입한 스피루리나 플라텐시스(Spirullina platensis) AP-20590 종을 SOT 배지 200 ㎖에 2 g/ℓ로 접종하여 30℃ ± 1, pH 9.0, 50 μmol˙m-2s-1[660 nm, 450 nm], 24 시간 광조건에서 교반하여 배양하였다. 사용하는 광원 외의 불필요한 빛의 유입을 최소화하기 위하여 배양기 주변을 폐쇄하였다. 균주의 성장은 스펙트로미터를 사용하여 680 nm 파장의 흡광도를 통해 측정하였다. 기존에 측정된 흡광도와 건조균체량 사이의 상관관계식을 이용하여 표준곡선(standard curve)을 확립하였고 상관관계식을 하기의 [수학식 1]에 나타냈다. Spirullina platensis AP- 20590 , purchased from Korea Biotechnology Institute, was inoculated in 200 ml of SOT medium at 2 g / ℓ and incubated at 30 ℃ ± 1, pH 9.0, 50 μmol˙m -2 s -1 [660 nm, 450 nm] for 24 hours under light condition. The periphery of the incubator was closed to minimize the inflow of unnecessary light other than the used light source. The growth of the strain was measured using an absorbance of 680 nm wavelength using a spectrometer. A standard curve was established using a correlation between the previously measured absorbance and the dry cell mass, and the correlation equation was shown in the following equation (1).

Figure pat00001
Figure pat00001

피코시아닌의 함량은 스펙트로포토미터를 사용하여 620 nm와 652 nm에서 나타나는 최대 흡광도를 측정하여 결정하였다. 일반적으로 Bennett와 Bogorad가 제시한 방법에 의한 하기의 [수학식 2]를 이용하여 피코시아닌의 함량을 측정할 수 있다. 흡광도 620 nm는 피코시아닌의 최대 흡광도이고 280 nm는 추출물의 전체 단백질의 흡광도이다.The content of picocyanin was determined by measuring the maximum absorbance at 620 nm and 652 nm using a spectrophotometer. Generally, the content of phycocyanin can be measured using the following formula (2) by the method proposed by Bennett and Bogorad. Absorbance 620 nm is the maximum absorbance of the phycocyanin and 280 nm is the absorbance of the whole protein of the extract.

Figure pat00002
Figure pat00002

<< 실시예Example 2>  2> 스피루리나Spirulina 플라텐시스의Platensis 성장 및 피코시아닌(PC) 함량 평가 Growth and phycocyanin (PC) content evaluation

<2-1> 빛 조사량에 따른 피코시아닌 함량 측정<2-1> Measurement of phycocyanin content by light dose

빛의 세기에 따른 피코시아닌의 함량의 차이를 조사하기 위하여, 하기와 같은 실험을 수행하였다.The following experiment was conducted to investigate the difference in the content of phycocyanin according to the intensity of light.

구체적으로, 빛의 세기를 제외한 다른 조건을 동일하게 유지하고 희색 발광 다이오드를 사용하여 25, 75, 125, 200 μmol˙m-2s-1이 네 가지 다른 빛 조사량 하에서 배양을 진행하였다. 이때 흡광도 680 nm에서 1.0으로 측정될 때 시료를 채취하여 피코시아닌 함량을 측정하였다. Specifically, 25, 75, 125, and 200 μmolm -2 s -1 were incubated under four different light doses with the same conditions except for light intensity. At this time, when the absorbance was measured at 680 nm at 1.0, samples were collected and the content of phycocyanin was measured.

그 결과, 도 1에 나타낸 바와 같이 광저해가 발생하지 않도록 설정한 빛의 세기 범위 내에서 세기가 가장 강할 때 성장속도가 높았지만, 피코시아닌의 최종 함량과 순도는 가장 낮았다. 설정된 범위의 25, 75 μmol˙m-2s-1에서 피코시아닌의 함량 및 순도가 높은 값을 나타냈다(도 1).
As a result, as shown in FIG. 1, the growth rate was highest when the intensity was the strongest within the intensity range of light which was set so as not to cause light inhibition, but the final content and purity of the phycocyanin were the lowest. The content and purity of the phycocyanin were high at the set range of 25, 75 μmolm -2 s -1 (FIG. 1).

<2-2> 빛의 파장(<2-2> The wavelength of light lightlight WavelengthWavelength )에 따른 피코시아닌 함량 측정) To measure the content of phycocyanin

빛의 세기에 이어 빛의 파장에 따른 성장률과 피코시아닌 함량 차이를 조사하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다. The following experiment was carried out to investigate the difference of the growth rate and the content of the phycocyanin according to the wavelength of light after the intensity of light.

구체적으로, 적색광(Red, 660 nm), 청색광(Blue, 450 nm), 적청색(적색과 청색을 반반 섞음, RB)의 발광다이오드를 광원으로 사용하였다. 이때 빛의 세기는 75 μmol˙m-2s- 1으로 고정하였으며 파장을 제외한 모든 조건을 상기 실시예 <2-1>의 방법과 동일하게 유지하였다.Specifically, a light emitting diode of red light (Red, 660 nm), blue light (Blue, 450 nm) and red (red and blue mixed light, RB) was used as a light source. At this time, the light intensity is 75 μmol˙m -2 s - was fixed to 1 in all conditions other than the wavelength of the Example <2-1> The method was the same.

그 결과, 도 2에 나타낸 바와 같이 파장에 따른 차이는 건조중량이 1.0 g/ℓ 일 때 시료를 추출하여 피코시아닌의 함량과 균체의 성장률 차이를 측정하였다. 적색광 하에서 성장속도가 가장 빠르고 피코시아닌의 함량과 순도가 가장 낮았고 청색광하에서 성장속도가 가장 느리고 피코시아닌의 함량과 순도가 가장 높았다. 알로피코시아닌과의 비율에서 청색광이 광합성 색소 중 피코시아닌의 합성에 더욱 유리하였다. 청색광의 경우에 상대적으로 높은 순도인 2.78의 값을 확인하였다(도 2). 따라서, 상기 실험결과를 통해서 피코시아닌의 함량 및 순도가 높은 조추출물(crude extract)를 얻기 위한 빛의 세기 및 파장을 선택할 수 있다.
As a result, as shown in Fig. 2, when the dry weight was 1.0 g / l, the difference according to wavelength was sampled and the difference in the content of phycocyanin and the growth rate of the cells was measured. Under the red light, the growth rate was the fastest, the content and purity of the phycocyanin were the lowest, the growth rate was the slowest under blue light, and the content and purity of phycocyanin were the highest. Blue light was more advantageous for the synthesis of phycocyanin among the photosynthetic pigments at a ratio of alopicocaine. And a value of 2.78, which is a relatively high purity in the case of blue light, was confirmed (Fig. 2). Therefore, light intensity and wavelength for obtaining a crude extract having a high picocyanin content and purity can be selected through the above experimental results.

<< 실시예Example 3> 2 단계 배양법을 이용한 피코시아닌 함량 및 순도 상승 평가 3> Evaluation of pycocyanin content and purity elevation using 2-step culture method

상기 <실시예 2>로부터 얻은 빛의 세기 및 파장에 대한 성장률과 피코시아닌의 함량을 확인한 후에 피코시아닌 합성을 최대한 유도하여 순도가 최대로 높은 조추출물(ude extract)을 얻기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.In order to obtain the maximum purity of ude extract by maximizing the picocyanin synthesis after confirming the growth rate and the content of phycocyanin with respect to light intensity and wavelength obtained from the above Example 2, Experiments were performed.

구체적으로, 빠른 성장률을 나타내는 적색광은 피코시아닌의 함량과 순도가 다른 파장들에 비해 매우 낮고, 적색과 청색을 같이 사용할 시에는 청색으로만 배양하는 것에 비해 성장 속도는 빠르고 피코시아닌의 순도는 대기수까지는 비슷한 측정치를 나타내므로, 첫 번째 단계로 대수기까지는 중간지점(OD680=1.6)까지 적청색 혼합광을 이용하여 5일 동안 배양하고 바이오매스를 늘리고, 두 번째 단계로 청색광만을 이용하여 피코시아닌의 함량과 순도를 대폭 상승시켰다. 적청색 혼합광은 100 μmol˙m-2s-1의 빛 세기를 사용하였다(도 4). In particular, when the red and blue colors are used together, the growth rate is faster and the picocyanin purity is higher than that when the red and blue colors are used together. As a first step, the first step is to cultivate for 5 days using red-blue mixed light to increase the biomass to the midpoint (OD 680 = 1.6) until the middle of the growing season, The content and purity of phycocyanin were greatly increased. The red-blue mixed light has a light intensity of 100 μmolm -2 s -1 (FIG. 4).

그 결과, 도 3, 도 5 및 도 6에 나타낸 바와 같이 첫 단계인 대서기 중간지점(OD680=1.6)까지 적청색 혼합광을 이용하였을 때 조추출물의 순도는 식품등급(food grade)인 2.0에 도달하였다. 청색광을 이용한 두 번째 단계에서는 배양 14일째에 최대 2.7 순도의 조추출물을 얻었다. 동일하게 2.7 순도를 기록한 청색광의 단일파장으로 배양한 실험보다 전체 배양기간을 약 7일 정도 감축한 효과가 있었다. 두 번째 배양단계에서 바이오매스의 증가는 청색광 75, 150, 300 μmol˙m-2s-1의 순으로 빨랐으며 최대 바이오매스 양은 배양기관과 상관없이 비슷하였다. 150 μmol˙m-2s- 1경우에는 배양 10일 이후부터 순도 2.5 이상을 지속적으로 기록하였다(도 3, 5 및 6).
As a result, as shown in FIG. 3, FIG. 5 and FIG. 6, when the red blend light was used up to the midpoint of the first stage (OD 680 = 1.6), the purity of the crude extract was 2.0 . In the second stage using blue light, crude extracts of up to 2.7 purity were obtained on the 14th day of culture. The total incubation period was reduced by about 7 days compared with the experiment in which the same wavelength of blue light with a purity of 2.7 was recorded. In the second culture stage, the increase of biomass was faster in the order of blue light 75, 150, and 300 μm ˙ -2 s -1 , and the maximum biomass amount was similar regardless of culture medium. In the case of 150 μmol˙m -2 s - 1 , purity of more than 2.5 was continuously recorded from 10 days after culture (FIGS. 3, 5 and 6).

<< 실시예Example 4> 피코시아닌의 정제 4> Pycocyanin tablets

수용성 색소인 피코시아닌을 추출하기 위하여, 하기와 같은 실험을 수행하였다.In order to extract the water-soluble pigment picocyanin, the following experiment was conducted.

구체적으로, 40 mM CaCl2 용매(pH4)를 이용하여 세포를 용해(lysis)시켰다. 먼저, 배양액 5 ㎖를 원심분리하여 펠렛(pellet)을 제외한 나머지 상층액을 제거하였다. CaCl2 용매로 2번 반복하여 세척한 뒤 40 mM CaCl2 용매 1.25 ㎖를 넣어 12 시간 동안 4 ℃에서 보관한 뒤에 다시 원심분리하여 피코시아닌이 녹아 있는 진한 청색의 상층액만 분리하였다. 피코시아닌이 녹아있는 진한 청색의 상층액만 분리하였다. 피코시아닌의 함량을 정확하게 비교 가능하도록 바이오매스와 용매의 비율은 4:1로 유지하였다. 스피루리나 플라텐시스로부터 얻어낸 조추출물의 세포 잔해물을 유리섬유 여과지를 통해 제거하고 두 단계의 정제과정을 거쳤다. 먼저 잔해물을 제거한 조추출물을 키토산과 혼합한 후 활성탄이 포함된 컬럼을 5 분간 통과시켰다. 이어서 황산암모늄의 포화농도를 각각 30%, 60%로 맞추어 황산암모늄 분획법을 실시하였다. 펠렛의 형태로 농축된 피코시아닌을 20 mM의 인산칼륨 버퍼(pH 6.9)에 녹인 후에 탈염을 위해서 투석을 실시하였다. 투석 후 5 mM 아자이드화 나트륨이 포함된 20 mM 인산칼륨 버퍼를 완충저장용액(storage buffer)로 사용하였다.Specifically, cells were lysed using 40 mM CaCl 2 solvent (pH 4). First, 5 ml of the culture solution was centrifuged to remove the supernatant except for the pellet. After washing twice with CaCl 2 solvent, 40 mM CaCl 2 After 1.25 ml of the solvent was added and the mixture was stored at 4 ° C for 12 hours, the mixture was centrifuged again to separate only the deep blue supernatant dissolved in the phycocyanin. Only the dark blue supernatant, in which the phycocyanin was dissolved, was isolated. The ratio of biomass to solvent was kept at 4: 1 so that the content of picosylane could be accurately compared. The cell debris of the crude extract obtained from Spirulina platensis was removed through glass fiber filter paper and subjected to two-step purification. First, the crude extract from which debris was removed was mixed with chitosan, and the column containing activated charcoal was passed for 5 minutes. Then, ammonium sulfate fractionation was performed by adjusting the saturation concentrations of ammonium sulfate to 30% and 60%, respectively. The phycocyanin concentrated in the form of pellet was dissolved in 20 mM potassium phosphate buffer (pH 6.9) and dialyzed for desalting. After dialysis, 20 mM potassium phosphate buffer containing 5 mM sodium azide was used as a storage buffer.

그 결과, 도 3에 나타낸 바와 같이 CaCl2 용매를 통해 생균체(fresh biomass)로부터 얻어낸 피코시아닌 순도 2.5에 달하는 조추출물 정제를 통해 분석농도(analytical grade)인 순도 4.0 이상으로 정제하였고, 컬럼 통과 후의 순도가 3.1로 상승함을 확인하였다. 황산암모늄 분획법 실시 이후에는 최종적으로 순도 4.2의 피코시아닌을 얻었으며 최종 회수율은 조추출물 대비 65%를 기록하였다(도 3).
As a result, as shown in Fig. 3 CaCl 2 The purity of analytical grade, purity 4.0 or higher, was purified through crude extract extraction from fresh biomass to a picosian purity of 2.5, and the purity after passing through the column was increased to 3.1. After the ammonium sulfate fractionation process, a final picocyanin of 4.2 was obtained and the final recovery rate was 65% relative to the crude extract (FIG. 3).

Claims (11)

1) 스피루리나(Spirullina)를 배양하는 단계;
2) 적색 및 청색 혼합광을 조사하여 1차 배양하는 단계;
3) 상기 단계 2)의 1차 배양된 스피루리나에 청색광을 조사하여 2차 배양하는 단계; 및
4) 상기 단계 3)의 2차 배양된 스피루리나로부터 피코시아닌(phycocyanin)을 정제하는 단계를 포함하는 고순도 피코시아닌 생산 방법.
1) culturing Spirullina ;
2) primary culture by irradiating red and blue mixed light;
3) irradiating primary cultured spirulina of step 2) with blue light to secondary culture; And
4) purifying phycocyanin from the secondary cultured spirulina of step 3).
제 1항에 있어서, 상기 단계 1)의 스피루리나는 스피루리나 플란텐시스(Spirullina platensis)인 것을 특징으로 하는 고순도 피코시아닌 생산 방법.
The method of claim 1, wherein the spirulina of step 1) is Spirullina platensis .
제 1항에 있어서, 상기 단계 2)의 조사는 20 - 150 μmol˙m-2s-1의 빛의 세기로 조사하는 것을 특징으로 하는 고순도 피코시아닌 생산 방법.
2. The method of claim 1, wherein the irradiation of step 2) is performed at a light intensity of 20 - 150 μmolm -2 s -1 .
제 1항에 있어서, 상기 단계 2) 및 단계 3)의 조사는 발광다이오드를 이용하여 조사하는 것을 특징으로 하는 고순도 피코시아닌 생산 방법.
2. The method of claim 1, wherein the irradiation of step 2) and step 3) is carried out using a light emitting diode.
제 1항에 있어서, 상기 단계 2)의 배양은 3 -7일 배양하는 것을 특징으로 하는 고순도 피코시아닌 생산 방법.
The method according to claim 1, wherein the culture of step 2) is cultivated for 3 to 7 days.
제 1항에 있어서, 상기 단계 3)의 조사는 50 - 350 μmol˙m-2s-1의 빛의 세기로 조사하는 것을 특징으로 하는 고순도 피코시아닌 생산 방법.
The method according to claim 1, wherein the step 3) is irradiated with a light intensity of 50 - 350 μmolm -2 s -1 .
제 1항에 있어서, 상기 단계 3)의 배양은 12 내지 16일 동안 배양하는 것을 특징으로 하는 고순도 피코시아닌 생산 방법.
The method according to claim 1, wherein the culture of step 3) is cultured for 12 to 16 days.
제 1항에 있어서, 상기 단계 4)의 스피루리나로부터 정제된 피코시아닌은 식품등급(food grade) 순도를 갖는 것을 특징으로 하는 고순도 피코시아닌 생산 방법.
The method of claim 1, wherein the purified picosian from the spirulina of step 4) has a food grade purity.
제 1항에 있어서, 친화성 침전(affinity precipitation) 및 암모늄 설페이트 침전(ammonium sulfate precipitation)을 이용하여 정제하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 고순도 피코시아닌 생산 방법.
2. The method of claim 1, further comprising the step of purifying using affinity precipitation and ammonium sulfate precipitation.
제 9항에 있어서, 상기 정제는 분석등급(analytical grade)의 피코시아닌을 분리하기 위한 것을 특징으로 하는 고순도 피코시아닌 생산 방법.
10. The method of claim 9, wherein the tablet is for separating an analytical grade of phycocyanin.
1) 스피루리나를 배양하는 단계;
2) 적색 및 청색 혼합광을 조사하여 1차 배양하는 단계; 및
3) 상기 단계 2)의 1차 배양된 스피루리나에 청색광을 조사하여 2차 배양하는 단계를 포함하는 고순도 피코시아닌 생산용 스피루리나 배양 방법.
1) culturing spirulina;
2) primary culture by irradiating red and blue mixed light; And
3) a step of secondary culturing by irradiating the primary cultured spirulina of step 2) with blue light, and culturing the spirulina for high purity phycocyanin.
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