KR20240026763A - Method for enhancing growth of Haematococcus lacustris using ultrasonic stimulation - Google Patents

Method for enhancing growth of Haematococcus lacustris using ultrasonic stimulation Download PDF

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KR20240026763A KR1020220105020A KR20220105020A KR20240026763A KR 20240026763 A KR20240026763 A KR 20240026763A KR 1020220105020 A KR1020220105020 A KR 1020220105020A KR 20220105020 A KR20220105020 A KR 20220105020A KR 20240026763 A KR20240026763 A KR 20240026763A
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한상일
최윤이
전민서
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고려대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 초음파 자극을 이용한 헤마토코쿠스 라쿠스트리스의 성장 촉진방법에 관한 것으로, 구체적으로 본 발명은 미세조류에 저주파수 및 저출력의 초음파를 처리하는 단계를 포함하는 미세조류의 세포 성장 촉진방법 및 미세조류에 저주파수 및 저출력의 초음파를 처리하고 배양하는 단계를 포함하는 세포 성장이 촉진된 미세조류로부터 바이오매스 또는 아스타잔틴을 대량생산하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 초음파 자극을 이용한 헤마토코쿠스 라쿠스트리스의 성장 촉진방법은, 단시간의 초음파 처리를 통해 미세조류인 헤마토코쿠스 라쿠스트리스의 세포벽에 미세기공을 형성하도록 함으로써 영양분 수송의 개선을 유도하여 세포 밀도, 엽록소 함량 및 아스타잔틴의 수율을 향상시킬 수 있다. 따라서 본 발명에서 확립한 최적의 초음파 자극 조건을 이용할 경우, 고부가가치의 산업 소재인 바이오매스 및 아스타잔틴 등을 미세조류로부터 효율적으로 대량생산 할 수 있다.The present invention relates to a method for promoting the growth of Haematococcus lacustris using ultrasonic stimulation. Specifically, the present invention relates to a method for promoting cell growth of microalgae comprising treating microalgae with low-frequency and low-power ultrasound; and It relates to a method for mass producing biomass or astaxanthin from microalgae with accelerated cell growth, which includes treating microalgae with low-frequency and low-power ultrasound and culturing them. The method for promoting the growth of Haematococcus lacustris using ultrasonic stimulation according to the present invention improves nutrient transport by forming micropores in the cell wall of the microalgae Haematococcus lacustris through short-term ultrasonic treatment. can improve cell density, chlorophyll content, and yield of astaxanthin. Therefore, when using the optimal ultrasonic stimulation conditions established in the present invention, high value-added industrial materials such as biomass and astaxanthin can be efficiently mass-produced from microalgae.

Description

초음파 자극을 이용한 헤마토코쿠스 라쿠스트리스의 성장 촉진방법{Method for enhancing growth of Haematococcus lacustris using ultrasonic stimulation}Method for enhancing growth of Haematococcus lacustris using ultrasonic stimulation}

본 발명은 초음파 자극을 이용한 헤마토코쿠스 라쿠스트리스의 성장 촉진방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for promoting the growth of Haematococcus lacustris using ultrasound stimulation.

미세조류는 광합성과 세포 대사를 통해 빛과 무기물을 에너지와 탄소 화합물로 전환할 수 있다. 이들은 고등식물보다 광합성 효율과 면적 대비 생산성이 월등히 높고, 인공 배양이 용이하여 계절에 따른 제한 없이 재배 가능하므로 차세대 바이오매스 생산 원료로써 유망하다. 더욱이, 일부 미세조류는 산업적으로 귀중한 천연 고부가가치 물질을 생합성 할 수 있다.Microalgae can convert light and minerals into energy and carbon compounds through photosynthesis and cellular metabolism. They are promising as raw materials for next-generation biomass production because their photosynthetic efficiency and productivity relative to area are much higher than those of higher plants, and they are easy to artificially culture, so they can be cultivated without seasonal restrictions. Moreover, some microalgae can biosynthesize industrially valuable natural high-value substances.

미세조류 유래 고부가가치 물질 중 하나인 아스타잔틴은 항산화, 항염, 항당뇨, 항암 등 다양한 생리활성을 보인다. 특히, 아스타잔틴은 천연 화합물 중 가장 높은 항산화 활성을 나타내고, 경구 복용 시 완전한 무독성을 나타내므로 자외선에 의한 눈과 피부 보호, 뇌신경 퇴화 질병 예방, 면역기능 강화, 심혈관질환 예방 등의 효과를 나타내어 식품, 의약품, 화장품, 사료 등의 다양한 산업 분야에서 아스타잔틴의 수요가 꾸준히 증가하고 있다.Astaxanthin, one of the high value-added substances derived from microalgae, shows various physiological activities such as antioxidant, anti-inflammatory, anti-diabetic, and anti-cancer. In particular, astaxanthin has the highest antioxidant activity among natural compounds and is completely non-toxic when taken orally, so it has effects such as protecting eyes and skin from ultraviolet rays, preventing cranial nerve degeneration diseases, strengthening immune function, and preventing cardiovascular diseases. The demand for astaxanthin is steadily increasing in various industrial fields such as pharmaceuticals, cosmetics, and feed.

이러한 아스타잔틴은 크게 화학적 합성에 의해 수득되거나 또는 크릴새우, 효모, 미세조류로부터 추출하여 수득된다. 그러나 합성 아스타잔틴은 유리 아스타잔틴으로 빛과 온도에 매우 불안정하고 낮은 생리활성을 보인다. 또한, 크릴새우 유래 아스타잔틴은 높은 회분 및 키틴 함량으로 인해 품질이 낮은 문제가 있고, 높은 정제 비용이 드는 문제가 있다. 또한, 효모 유래 아스타잔틴은 3R,3’R 형태의 아스타잔틴으로 생체 이용률이 매우 낮다. 반면, 미세조류 유래 아스타잔틴은 에스터 아스타잔틴 형태로 수득할 수 있어 빛과 열 안정성이 높고, 3S,3’S 형태의 아스타잔틴이므로 생체 이용률이 가장 높다. 따라서 미세조류 유래 아스타잔틴이 산업적으로 가장 적합하다.Astaxanthin is largely obtained through chemical synthesis or extraction from krill, yeast, and microalgae. However, synthetic astaxanthin is free astaxanthin, which is very unstable to light and temperature and shows low physiological activity. In addition, krill-derived astaxanthin has problems of low quality due to its high ash and chitin content and high refining costs. In addition, yeast-derived astaxanthin is in the 3R, 3’R form of astaxanthin and has very low bioavailability. On the other hand, astaxanthin derived from microalgae can be obtained in the form of ester astaxanthin, which has high light and heat stability, and has the highest bioavailability because it is in the 3S, 3’S form of astaxanthin. Therefore, astaxanthin derived from microalgae is most suitable for industrial use.

한편, 담수 단세포 녹조류인 헤마토코쿠스(Haematococcus sp.)는 다량의 아스타잔틴을 생산할 수 있는 산업적으로 가장 유망한 미세조류 중 하나이다. 헤마토코쿠스는 세포 건조중량의 최대 5%까지 카로티노이드를 축적할 수 있으며, 이 중 아스타잔틴 함량은 약 90%에 달한다. 헤마토코쿠스의 생활사는 광합성과 세포분열이 활발히 이루어지는 영양 단계와 아스타잔틴이 축적되는 성숙기로 엄격하게 구분되며, 스트레스 조건에서 체내의 활성산소를 제거하기 위해 아스타잔틴 생합성을 시작하는 것으로 알려져 있다. 따라서 아스타잔틴 생산성을 최대화하기 위해서는 효과적인 세포 성장 촉진과 스트레스 자극이 모두 고려되어야 한다.Meanwhile, Haematococcus sp., a freshwater unicellular green algae, is one of the most industrially promising microalgae capable of producing large amounts of astaxanthin. Haematococcus can accumulate carotenoids up to 5% of the cell dry weight, of which astaxanthin content amounts to about 90%. The life cycle of Haematococcus is strictly divided into the vegetative stage, when photosynthesis and cell division are active, and the mature stage, when astaxanthin accumulates. It is known to initiate astaxanthin biosynthesis to remove oxygen radicals in the body under stress conditions. there is. Therefore, to maximize astaxanthin productivity, both effective cell growth promotion and stress stimulation must be considered.

지금까지 연구된 헤마토코쿠스의 생산성을 높이기 위한 기술은 대부분 아스타잔틴 생합성 유도를 위한 스트레스 자극에만 초점이 맞추어져 있었을 뿐, 헤마토코쿠스의 세포 성장을 촉진시키는 방법에 대한 연구는 미흡하다. 세포 성장 촉진은 바이오매스 생산성을 향상시킬 수 있고 세포 밀도를 증진시키며, 최대 세포 밀도에 도달하기까지의 배양 시간을 단축할 수 있으므로 헤마토코쿠스의 재배에 소모되는 비용과 시간을 절약하여 경제성을 향상시킬 수 있기 때문에, 아스타잔틴 생합성 유도만을 위한 기술이 아닌 헤마토코쿠스의 성장을 증진시킬 수 있는 기술의 개발이 필요하다.Most of the technologies to increase the productivity of Haematococcus studied so far have only focused on stress stimulation to induce astaxanthin biosynthesis, and research on methods to promote cell growth of Haematococcus is insufficient. . Promoting cell growth can improve biomass productivity, increase cell density, and shorten the culture time to reach maximum cell density, thereby saving the cost and time spent on cultivating Haematococcus, thereby increasing economic efficiency. Because it can be improved, it is necessary to develop a technology that can enhance the growth of Haematococcus rather than just a technology for inducing astaxanthin biosynthesis.

한국등록특허 10-2167513Korean registered patent 10-2167513

이에 본 발명자들은 헤마토코쿠스 라쿠스트리스의 성장을 효과적으로 촉진시킬 수 있고, 동시에 일차대사물질 및 이차대사물질의 생산성을 향상시킬 수 있는 최적의 저출력 초음파 처리 조건을 확립함으로써 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors completed the present invention by establishing optimal low-power ultrasonic treatment conditions that can effectively promote the growth of Haematococcus lacustris and at the same time improve the productivity of primary and secondary metabolites.

따라서 본 발명의 목적은 미세조류에 저주파수 및 저출력의 초음파를 처리하는 단계를 포함하는, 미세조류의 세포 성장 촉진방법을 제공하는 것이다.Therefore, the purpose of the present invention is to provide a method for promoting cell growth of microalgae, which includes treating microalgae with low-frequency and low-power ultrasound.

본 발명의 다른 목적은 미세조류에 저주파수 및 저출력의 초음파를 처리하고 배양하는 단계를 포함하는, 세포 성장이 촉진된 미세조류로부터 바이오매스 또는 아스타잔틴을 대량생산하는 방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a method for mass producing biomass or astaxanthin from microalgae with promoted cell growth, which includes treating microalgae with low-frequency and low-power ultrasound and culturing them.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 미세조류에 저주파수 및 저출력의 초음파를 처리하는 단계를 포함하는, 미세조류의 세포 성장 촉진방법을 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a method of promoting cell growth of microalgae, comprising treating microalgae with low-frequency and low-power ultrasound.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 초음파를 처리하는 단계는 20~40kHz의 저주파수, 20~80W 저출력, 3~15일의 초음파 처리 주기 및 5분의 초음파 처리 시간으로 수행하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the ultrasonic treatment step may be performed at a low frequency of 20 to 40 kHz, a low power of 20 to 80 W, an ultrasonic treatment cycle of 3 to 15 days, and an ultrasonic treatment time of 5 minutes.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 초음파를 처리하는 단계는 40kHz의 저주파수, 20W 저출력, 15일의 초음파 처리 주기 및 5분의 초음파 처리 시간으로 수행하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the ultrasonic treatment step may be performed at a low frequency of 40 kHz, a low power of 20 W, an ultrasonic treatment cycle of 15 days, and an ultrasonic treatment time of 5 minutes.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 초음파 처리는 미세조류의 세포벽에 미세기공을 형성하도록 하여 영양분의 수송을 개선시키는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the ultrasonic treatment may improve the transport of nutrients by forming micropores in the cell walls of microalgae.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 저주파수 및 저출력의 초음파 처리는, 미세조류의 세포밀도 증가; 엽록소 함량증가; 및 아스타잔틴 수율증가; 효과를 갖는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the ultrasonic treatment at low frequency and low power increases the cell density of microalgae; Increased chlorophyll content; and increased astaxanthin yield; It may have an effect.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 미세조류는 헤마토코쿠스 라쿠스트리스(Haematococcus lacustris)일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the microalgae may be Haematococcus lacustris .

또한 본 발명은 미세조류에 저주파수 및 저출력의 초음파를 처리하고 배양하는 단계를 포함하는, 세포 성장이 촉진된 미세조류로부터 바이오매스 또는 아스타잔틴을 대량생산하는 방법을 제공한다. The present invention also provides a method for mass producing biomass or astaxanthin from microalgae with promoted cell growth, which includes treating microalgae with low-frequency and low-power ultrasound and culturing them.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 초음파를 처리하는 단계는 20~40kHz의 저주파수, 20~80W 저출력, 3~15일의 초음파 처리 주기 및 5분의 초음파 처리 시간으로 수행하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the ultrasonic treatment step may be performed at a low frequency of 20 to 40 kHz, a low power of 20 to 80 W, an ultrasonic treatment cycle of 3 to 15 days, and an ultrasonic treatment time of 5 minutes.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 미세조류는 헤마토코쿠스 라쿠스트리스(Haematococcus lacustris)일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the microalgae may be Haematococcus lacustris .

본 발명에 따른 초음파 자극을 이용한 헤마토코쿠스 라쿠스트리스의 성장 촉진방법은, 단시간의 초음파 처리를 통해 미세조류인 헤마토코쿠스 라쿠스트리스의 세포벽에 미세기공을 형성하도록 함으로써 영양분 수송의 개선을 유도하여 세포 밀도, 엽록소 함량 및 아스타잔틴의 수율을 향상시킬 수 있다. 따라서 본 발명에서 확립한 최적의 초음파 자극 조건을 이용할 경우, 고부가가치의 산업 소재인 바이오매스 및 아스타잔틴 등을 미세조류로부터 효율적으로 대량생산 할 수 있다. The method for promoting the growth of Haematococcus lacustris using ultrasonic stimulation according to the present invention improves nutrient transport by forming micropores in the cell wall of the microalgae Haematococcus lacustris through short-term ultrasonic treatment. can improve cell density, chlorophyll content, and yield of astaxanthin. Therefore, when using the optimal ultrasonic stimulation conditions established in the present invention, high value-added industrial materials such as biomass and astaxanthin can be efficiently mass-produced from microalgae.

도 1은 본 발명에 따른 초음파 자극을 이용한 헤마토코쿠스 라쿠스트리스의 성장 촉진을 유도과정에 대한 배양 모식도이다.
도 2는 다양한 출력의 초음파 자극에 대한 헤마토코쿠스 라쿠스트리스의 (a) 세포 밀도 변화, (b) 엽록소 함량 변화 및 (c) 아스타잔틴 수율 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 다양한 초음파 처리 주기에 대한 헤마토코쿠스 라쿠스트리스의 (a) 세세포 밀도 변화, (b) 엽록소 함량 변화 및 (c) 아스타잔틴 수율 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 (a) 다양한 출력의 초음파 자극 및 (b) 다양한 초음파 처리 주기에 대한 헤마토코쿠스 라쿠스트리스의 세포 형태를 관찰한 사진을 나타낸 것이다.
도 5는 초음파 자극 여부에 따른 헤마토코쿠스 라쿠스트리스의 세포 표면 구조 변화 투과전자현미경으로 관찰한 사진을 나타낸 것이다.
도 6은 초음파 자극에 의한 헤마토코쿠스 라쿠스트리스에서 세포 성장 및 항산화와 관련된 유전자들의 상대적 mRNA 발현 수준을 분석한 결과를 나타낸 것으로, minD transporter는 각각 영양분 수송과 관련된 septum site-determining protein 및 nitrate/nitrite transporter에 해당되며, SODCAT는 각각 세포 스트레스와 관련된 superoxide dismutase 및 catalase에 해당된다.
도 7은 초음파 자극 여부에 따른 헤마토코쿠스 라쿠스트리스 배양액 내의 (a) 총 질소 변화 및 (b) 총 인 함량 변화를 나타낸 그래프이다.
Figure 1 is a schematic diagram showing the process of inducing growth promotion of Haematococcus lacustris using ultrasound stimulation according to the present invention.
Figure 2 is a graph showing (a) change in cell density, (b) change in chlorophyll content, and (c) change in astaxanthin yield of Haematococcus lacustris in response to ultrasound stimulation of various outputs.
Figure 3 is a graph showing (a) change in cell density, (b) change in chlorophyll content, and (c) change in astaxanthin yield of Haematococcus lacustris for various sonication cycles.
Figure 4 shows photographs observing the cell morphology of Haematococcus lacustris in response to (a) ultrasound stimulation at various outputs and (b) various sonication cycles.
Figure 5 shows a photograph of changes in cell surface structure of Haematococcus lacustris depending on ultrasound stimulation observed using a transmission electron microscope.
Figure 6 shows the results of analyzing the relative mRNA expression levels of genes related to cell growth and antioxidants in Haematococcus lacustris by ultrasound stimulation. minD and transporter are a septum site-determining protein and a septum site-determining protein related to nutrient transport, respectively. Corresponds to nitrate/nitrite transporter, and SOD and CAT correspond to superoxide dismutase and catalase, respectively, related to cellular stress.
Figure 7 is a graph showing (a) the change in total nitrogen and (b) the change in total phosphorus content in the Haematococcus lacustris culture medium depending on the presence or absence of ultrasound stimulation.

본 발명은 미세조류의 성장을 효과적으로 촉진시킬 수 있는 방법을 개발한 기술로서, 단시간의 초음파 자극을 통해 헤마토코쿠스 라쿠스트리스 내로의 영양분 수송을 개선할 수 있고 세포 밀도를 향상시킬 수 있으며, 바이오매스 및 아스타잔틴과 같은 유용한 산업소재의 생산을 증진시킬 수 있는 미세조류의 성장 촉진을 위한 최적의 초음파 처리 조건을 규명한 점에 특징이 있다.The present invention is a technology that has developed a method that can effectively promote the growth of microalgae, and can improve nutrient transport into Haematococcus lacustris and improve cell density through short-term ultrasound stimulation. It is characterized by identifying the optimal ultrasonic treatment conditions for promoting the growth of microalgae, which can enhance the production of useful industrial materials such as biomass and astaxanthin.

생물 산업분야에서 초음파의 처리는 대부분 세포 내의 유용성분을 추출하기 위한 세포 파쇄, 입자의 분쇄 및 균질화를 목적으로 널리 이용되고 있는 방법이다.In the biological industry, ultrasonic treatment is a widely used method for the purpose of cell disruption, particle pulverization, and homogenization to extract useful components within cells.

한편, 본 발명에서는 이러한 초음파 처리를 이용하여 유용물질을 생산할 수 있는 미세조류의 세포 성장을 촉진하기 위한 방법으로 적용하였고, 최적의 초음파 처리 조건을 확립하였다.Meanwhile, in the present invention, ultrasonic treatment was applied as a method to promote cell growth of microalgae capable of producing useful substances, and optimal ultrasonic treatment conditions were established.

본 발명의 일실시예에 따르면, 담수 단세포 녹조류에 속하는 헤마토코쿠스 라쿠스트리스를 대상으로, 상기 미세조류의 세포 성장을 극대화시킬 수 있는 초음파 처리 조건을 확인하기 위해, 다양한 초음파 출력 조건, 주파수, 처리 주기, 처리 시간에서 미세조류의 세포밀도, 엽록소 함량 및 아스타잔틴의 수율 변화를 분석하였다. According to one embodiment of the present invention, in order to identify ultrasonic treatment conditions that can maximize cell growth of the microalgae, Haematococcus lacustris, which belongs to freshwater unicellular green algae, various ultrasonic output conditions and frequencies are used. , treatment cycle, and treatment time, changes in cell density, chlorophyll content, and astaxanthin yield of microalgae were analyzed.

그 결과, 20~40kHz의 저주파수, 20~80W 저출력, 3~15일의 초음파 처리 주기 및 5분의 초음파 처리 시간으로 수행할 경우, 초음파를 처리하지 않은 군에 비해 헤마토코쿠스 라쿠스트리스의 세포밀도, 엽록소 함량 및 아스타잔틴의 수율이 모두 증가하는 것으로 나타났고, 특히 40kHz의 저주파수, 20W 저출력, 15일의 초음파 처리 주기 및 5분의 초음파 처리 조건에가 그 효과가 가장 높은 것으로 나타났다.As a result, when performed at a low frequency of 20 to 40 kHz, a low power of 20 to 80 W, an ultrasonic treatment cycle of 3 to 15 days, and an ultrasonic treatment time of 5 minutes, Haematococcus lacustris was significantly reduced compared to the group that was not treated with ultrasonic waves. Cell density, chlorophyll content, and astaxanthin yield were all found to increase, and in particular, the effect was found to be highest under the low frequency of 40 kHz, low power of 20 W, sonication cycle of 15 days, and sonication of 5 minutes.

따라서 본 발명은 미세조류에 저주파수 및 저출력의 초음파를 처리하는 단계를 포함하는, 미세조류의 세포 성장 촉진방법을 제공할 수 있다.Therefore, the present invention can provide a method of promoting cell growth of microalgae, which includes treating microalgae with low-frequency and low-power ultrasound.

상기 초음파를 처리하는 단계는 20~40kHz의 저주파수, 20~80W 저출력, 3~15일의 초음파 처리 주기 및 5분의 초음파 처리 시간으로 수행할 수 있으며, 바람직하게는 40kHz의 저주파수, 20W 저출력, 15일의 초음파 처리 주기 및 단시간인 5분의 초음파 처리 시간으로 수행할 수 있다.The ultrasonic treatment step can be performed at a low frequency of 20 to 40 kHz, a low power of 20 to 80 W, an ultrasonic treatment cycle of 3 to 15 days, and an ultrasonic treatment time of 5 minutes, preferably at a low frequency of 40 kHz, low power of 20 W, and 15 min. It can be performed with a sonication cycle of one day and a short sonication time of 5 minutes.

또한 상기 초음파 처리는 당업계에 사용되는 초음파 장비라면 모두 이용할 수 있으며, 초음파 장치의 형태는 수조형 또는 팁형 모두 사용 가능하다. 바람직하게는 전체면적에 전력을 고르게 가할 수 있으므로 수조형이 바람직하다.In addition, the ultrasonic treatment can be performed using any ultrasonic equipment used in the industry, and the ultrasonic device can be either a tank type or a tip type. A water tank type is preferable because power can be applied evenly to the entire area.

본 발명에 따른 초음파 처리에서 주파수는 20~40kHz의 주파수 범위에서 처리하는 것이 바람직한데, 만일 20kHz 미만의 주파수로 처리하게 되면, 미세조류의 세포 성장 효과를 나타낼 수 없으며, 반면, 40kHz를 초과하는 주파수에서 처리하게 되면 세포에 과도한 스트레스가 유발되어 세포분열이 억제되거나 물리적으로 세포가 파쇄될 수 있는 문제점이 있다. 따라서 상기 주파수 범위로 처리하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 40kHz의 주파수로 처리하는 것이 좋다.In the ultrasonic treatment according to the present invention, it is preferable to use a frequency range of 20 to 40 kHz. If the ultrasonic treatment is performed at a frequency of less than 20 kHz, the cell growth effect of microalgae cannot be shown. On the other hand, if the ultrasonic treatment is performed at a frequency of less than 20 kHz, the cell growth effect of microalgae cannot be shown. There is a problem that excessive stress may be caused to the cells when treated in the cell, which may inhibit cell division or physically destroy the cells. Therefore, it is preferable to process in the above frequency range, and more preferably at a frequency of 40 kHz.

또한 초음파의 출력은 20~80W의 범위에서 처리할 수 있다.Additionally, the output of ultrasonic waves can be processed in the range of 20~80W.

상기 초음파 출력이 20W 미만일 경우, 미세조류의 세포성장, 엽록소의 함량증진 및 아스타잔틴의 함량증진 효과를 나타낼 수 없으며, 반면, 80W 초과할 경우에는 세포에 너무 큰 자극이 주어져 세포가 사멸하거나 파쇄될 수 있다.If the ultrasonic output is less than 20W, the effects of microalgae cell growth, chlorophyll content enhancement, and astaxanthin content cannot be shown. On the other hand, if it exceeds 80W, too much stimulation is given to the cells, resulting in cell death or destruction. It can be.

따라서 초음파의 출력은 20~80W 범위에서 수행할 수 있으며, 바람직하게는 20W로 수행할 수 있다.Therefore, the output of ultrasonic waves can be performed in the range of 20 to 80 W, and preferably 20 W.

또한 초음파 처리 시간은 주기 당, 단 한 번 5분의 처리 시간으로 수행할 수 있는데, 만일 5분 미만으로 초음파 처리를 수행하게 되면 세포벽에 적절한 미세기공이 형성되지 않으며, 반면 5분을 초과하여 수행하게 되면 세포가 파쇄될 수 있다.In addition, sonication can be performed with a treatment time of only 5 minutes per cycle. If sonication is performed for less than 5 minutes, appropriate micropores will not be formed in the cell wall, whereas if sonication is performed for more than 5 minutes, appropriate micropores will not be formed in the cell wall. Doing so may cause cells to be shattered.

초음파 처리 주기는 3일~15일로 수행할 수 있는데, 만일 3일 미만의 주기로 초음파를 처리하게 되면 미세조류의 성장 촉진 효과가 미비할 우려가 있고, 반면 15일을 초과하게 되면 세포가 사멸할 수 있다. 따라서 초음파 처리 주기는 3~15일로 수행하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 15일을 주기로 처리하는 것이 좋다.The sonication cycle can be performed from 3 to 15 days. If sonication is performed with a cycle of less than 3 days, there is a risk that the effect of promoting the growth of microalgae will be insufficient. On the other hand, if it exceeds 15 days, the cells may die. there is. Therefore, it is desirable to perform ultrasonic treatment every 3 to 15 days, and more preferably every 15 days.

15일을 초음파 주기로 처리하게 되면, 초음파 처리로 인한 세포손상을 충분히 회복할 수 있고, 미세조류의 세포성장, 엽록소의 함량증진 및 아스타잔틴의 함량증진을 가장 효과적으로 증진시킬 수 있다.If treated with an ultrasonic cycle for 15 days, cell damage caused by ultrasonic treatment can be sufficiently recovered, and cell growth, chlorophyll content, and astaxanthin content of microalgae can be most effectively promoted.

이러한 본 발명에 따른 초음파 처리 조건은 배양기간 내내 지속적으로 초음파를 처리하는 것이 아닌, 초음파 처리 주기별 단 한번의 초음파 처리를 통해 미세조류의 성장을 촉진시킬 수 있고 동시에 미세조류 내의 바이오매스 및 아스타잔틴의 함량을 매우 효과적으로 증진시킬 수 있다.The ultrasonic treatment conditions according to the present invention can promote the growth of microalgae through only one ultrasonic treatment per ultrasonic treatment cycle, rather than continuous ultrasonic treatment throughout the cultivation period, and at the same time, can promote the growth of microalgae and astaxanthin in the microalgae. It can increase the tin content very effectively.

나아가 본 발명자들은 이러한 본 발명의 조건으로 초음파 자극을 주었을 때, 미세조류에 어떠한 영향을 주는지 확인하기 위한 실험을 수행하였다.Furthermore, the present inventors conducted an experiment to determine the effect on microalgae when ultrasonic stimulation was applied under the conditions of the present invention.

투과전자현미경 관찰 결과, 본 발명의 조건으로 초음파를 처리한 헤마토코쿠스 라쿠스트리스는 초음파를 처리하지 않은 대조군과 달리, 세포벽에 미세기공이 형성된 것을 확인할 수 있었다. 그러나 세포벽의 내부 층에는 아무런 손상이 유발되지 않았다. As a result of transmission electron microscopy, it was confirmed that micropores were formed in the cell wall of Haematococcus lacustris treated with ultrasound under the conditions of the present invention, unlike the control group that was not treated with ultrasound. However, no damage was caused to the inner layer of the cell wall.

이러한 결과를 통해 본 발명의 초음파 처리 조건은 미세조류의 세포벽에 미세기공을 형성하도록 하여 배양액 내의 영양분이 미세조류 내부로 쉽게 수송되어 보다 효과적으로 미세조류의 성장을 유도할 수 있음을 알 수 있었다. These results showed that the ultrasonic treatment conditions of the present invention allow the formation of micropores in the cell walls of microalgae, allowing nutrients in the culture medium to be easily transported into the microalgae, thereby inducing the growth of microalgae more effectively.

본 발명의 다른 일실시예에서는, 본 발명의 초음파 처리 조건으로 자극시킨 헤마토코쿠스 라쿠스트리스와 초음파를 처리하지 않은 헤마토코쿠스 라쿠스트리스로부터 총 RNA를 추출한 후, 세포성장, 영양분 수송 및 산화스트레스 관련 유전자들의 발현변화를 분석하였다.In another embodiment of the present invention, total RNA is extracted from Haematococcus lacustris stimulated under the sonication conditions of the present invention and from Haematococcus lacustris not treated with sonication, followed by cell growth and nutrient transport. And the expression changes of oxidative stress-related genes were analyzed.

그 결과, 세포성장, 영양분 수송 및 산화스트레스 관련 유전자의 발현이 초음파 자극으로 인해 증가된 것으로 나타났고, 특히 유전자의 발현증가 정도는 산화스트레스 관련 유전자에 비해 세포성장 및 영양분 수송관련 유전자에서 더 높은 것으로 나타났다. 이러한 결과는 본 발명에 따른 초음파 처리 조건이 스트레스 유도 효과보다 세포성장 및 영양분 수송 증진 효과에 더 큰 영향을 준다는 것을 의미한다.As a result, the expression of genes related to cell growth, nutrient transport, and oxidative stress were found to be increased due to ultrasound stimulation. In particular, the degree of increased expression of genes was found to be higher for genes related to cell growth and nutrient transport than for oxidative stress-related genes. appear. These results mean that the ultrasonic treatment conditions according to the present invention have a greater effect on cell growth and nutrient transport enhancement effects than on stress-inducing effects.

본 발명에서 초음파 처리를 통해 세포 성장을 유도하기 위한 미세조류는 헤마토코쿠스 속(Haematococcus sp.) 미세조류 일 수 있고, 바람직하게는 헤마토코쿠스 라쿠스트리스(Haematococcus lacustris)일 수 있다.In the present invention, the microalgae for inducing cell growth through ultrasonic treatment may be Haematococcus sp. microalgae, and preferably Haematococcus lacustris .

또한 본 발명은 미세조류에 저주파수 및 저출력의 초음파를 처리하고 배양하는 단계를 포함하는, 세포 성장이 촉진된 미세조류로부터 바이오매스 또는 아스타잔틴을 대량생산하는 방법을 제공할 수 있다.In addition, the present invention can provide a method for mass producing biomass or astaxanthin from microalgae with promoted cell growth, which includes treating microalgae with low-frequency and low-power ultrasound and culturing them.

앞서 기술한 바와 같이, 본 발명에서 확립한 세포 성장 촉진을 위한 초음파 처리 조건을 적용하여 미세조류를 배양할 경우, 상기 미세조류의 세포 성장을 촉진시킬 수 있고, 미세조류 내에서 바이오매스 또는 아스타잔틴의 생성 및 축적을 증진시킬 수 있어, 궁극적으로 바이오매스 또는 아스타잔틴과 같은 유용물질들을 대량 생산할 수 있다.As described above, when microalgae are cultured by applying the sonication conditions for cell growth promotion established in the present invention, cell growth of the microalgae can be promoted, and biomass or astaxan within the microalgae can be promoted. It can enhance the production and accumulation of tin, ultimately enabling mass production of useful substances such as biomass or astaxanthin.

상기 초음파를 처리하는 단계는 20~40kHz의 저주파수, 20~80W 저출력, 3~15일의 초음파 처리 주기 및 5분의 초음파 처리 시간으로 수행할 수 있고, 바람직하게는 0kHz의 저주파수, 20W 저출력, 15일의 초음파 처리 주기 및 5분의 초음파 처리 시간으로 수행할 수 있다. The ultrasonic treatment step can be performed at a low frequency of 20 to 40 kHz, a low power of 20 to 80 W, an ultrasonic treatment cycle of 3 to 15 days, and an ultrasonic treatment time of 5 minutes, preferably at a low frequency of 0 kHz, low power of 20 W, and 15 min. It can be performed with a sonication cycle of one day and a sonication time of 5 minutes.

이처럼 본 발명에 따른 초음파 처리 조건으로 미세조류를 자극할 경우, 미세조류에 과도한 스트레스를 유발하지 않으면서 효과적으로 미세조류의 세포 성장을 촉진시킬 수 있고 동시에 미세조류로부터 바이오매스 또는 아스타잔틴의 생산성을 향상시킬 수 있다. In this way, when microalgae are stimulated under the ultrasonic treatment conditions according to the present invention, cell growth of microalgae can be effectively promoted without causing excessive stress on the microalgae, and at the same time, productivity of biomass or astaxanthin from microalgae can be increased. It can be improved.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These examples are for illustrating the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

<실시예 1><Example 1>

헤마토코쿠스 라쿠스트리스의 배양Culture of Haematococcus lacustris

헤마토코쿠스 라쿠스트리스 미세조류는 OHM(Optimal Haematococcus Medium) 배지를 이용하여 배양하였다. 상기 배지의 조성은 증류수 1 L 당 KNO3 0.41g, Na2HPO4 0.03g, MgSO4·7H2O 0.246g, CaCl2·2H2O 0.11g, Fe(III)-citrate·H2O 2.62mg, CoCl2·6H2O 0.011mg, CuSO4·5H2O 0.012mg, Cr2O3 0.075mg, MnCl2·4H2O 0.98mg, Na2MoO4·2H2O 0.12mg, SeO2 0.005mg, Biotin 25μg, Thiamine 17.5μg, vitamin B12 15μg으로 함유되어 있다. 배양 전 상기 배지는 고압 멸균기를 이용하여 121℃, 20분 조건에서 살균하여 이용하였으며, 배양은 25℃, 50 μmol m-2 s-1의 백색광 하에서 0.2 vvm의 폭기로 진행하면서 수행하였다.Haematococcus lacustris microalgae were cultured using OHM (Optimal Haematococcus Medium) medium. The composition of the medium is 0.41 g of KNO 3 , 0.03 g of Na 2 HPO 4 , 0.246 g of MgSO 4 ·7H 2 O, 0.11 g of CaCl 2 ·2H 2 O, 2.62 g of Fe(III)-citrate·H 2 O per 1 L of distilled water. mg, CoCl 2 ·6H 2 O 0.011 mg, CuSO 4 ·5H 2 O 0.012 mg, Cr 2 O 3 0.075 mg, MnCl 2 ·4H 2 O 0.98 mg, Na 2 MoO 4 ·2H 2 O 0.12 mg, SeO 2 0.005 mg, Biotin 25μg, Thiamine 17.5μg, and vitamin B 12 15μg. Before culturing, the medium was sterilized at 121°C for 20 minutes using a high-pressure sterilizer, and the culture was performed at 25°C under white light of 50 μmol m -2 s -1 and aeration of 0.2 vvm.

<실시예 2><Example 2>

헤마토코쿠스 라쿠스트리스의 세포 성장 증진을 위한 최적의 초음파 처리 조건 확립Establishment of optimal sonication conditions to enhance cell growth of Haematococcus lacustris

<2-1> 최적의 초음파 출력 조건 확인<2-1> Check optimal ultrasonic output conditions

헤마토코쿠스 라쿠스트리스의 세포 성장 증진을 최대화시킬 수 있는 최적의 초음파 처리 조건을 확인하기 위해, 먼저 초음파 출력 조건을 각기 달리하면서 헤마토코쿠스 라쿠스트리스를 배양하였다. 구체적으로, 초기 세포 농도는 영양 단계의 세포 5×104 cell mL-1로 설정하였고, 먼저, 초음파의 최적 출력 조건을 확립하기 위해, 초음파 발생기 ultrasonic generator 2000을 이용하여 각각 20, 40, 60, 80 W의 출력 조건으로 초음파를 가하였으며, 이때 초음파 주파수는 40kHz으로 하였고, 처리 주기는 15일, 처리 시간은 5분으로 설정하여 진행하였다. 또한 세포와 초음파 진동부의 거리는 10cm로 하였고, 매질은 25℃의 물 10L를 이용하여 수행하였다. 이후 각 초음파 처리 조건별로 배양한 헤마토코쿠스 라쿠스트리스로부터 세포 밀도를 분석하였고, 총 엽록소 함량 및 아스타잔틴 함량을 분석하였다. In order to determine the optimal sonication conditions that can maximize cell growth enhancement of Haematococcus lacustris, Haematococcus lacustris was first cultured under different ultrasound output conditions. Specifically, the initial cell concentration was set at 5 × 10 4 cell mL -1 of vegetative stage cells, and first, in order to establish the optimal output conditions of ultrasound, an ultrasonic generator 2000 was used to produce 20, 40, 60 cells, respectively. Ultrasonic waves were applied at an output of 80 W. At this time, the ultrasonic frequency was set to 40 kHz, the treatment cycle was set to 15 days, and the treatment time was set to 5 minutes. In addition, the distance between the cells and the ultrasonic vibrator was set to 10 cm, and 10 L of water at 25°C was used as the medium. Afterwards, cell density was analyzed from Haematococcus lacustris cultured under each sonication condition, and total chlorophyll content and astaxanthin content were analyzed.

세포 밀도 분석을 통한 세포 성장 정도는 현미경과 혈구계를 이용하여 직접 계수하였고, 세포의 외형은 현미경을 이용하여 무작위로 선택된 100개 이상의 세포를 촬영하여 결정하였다.The degree of cell growth through cell density analysis was directly counted using a microscope and a hemocytometer, and the appearance of cells was determined by photographing more than 100 randomly selected cells using a microscope.

또한, 색소 함량은 분광광도계를 이용하여 측정하였다. 색소 분석을 위해 세포를 13,000rpm에서 10분간 원심분리하여 수확하고, 증류수로 2회 세척한 후 90% 아세톤과 비드비터를 이용하여 파쇄하였다. 이후 13,000rpm에서 1분간 원심분리하여 상층액을 분리하고 474, 646, 663nm에서 광학 밀도를 측정하였다. 엽록소 a (Chl a), 엽록소 b (Chl b), 총 엽록소 함량 및 아스타잔틴 수율(mg L-1)은 다음 식을 이용하여 계산되었다:Additionally, the pigment content was measured using a spectrophotometer. For pigment analysis, cells were harvested by centrifugation at 13,000 rpm for 10 minutes, washed twice with distilled water, and disrupted using 90% acetone and a bead beater. Afterwards, the supernatant was separated by centrifugation at 13,000 rpm for 1 minute, and the optical density was measured at 474, 646, and 663 nm. Chlorophyll a (Chl a), chlorophyll b (Chl b), total chlorophyll content and astaxanthin yield (mg L -1 ) were calculated using the following equations:

엽록소 a (Chl a) = 12.21 × OD663 - 2.81 × OD646 Chlorophyll a (Chl a) = 12.21 × OD 663 - 2.81 × OD 646

엽록소 b (Chl b) = 20.13 × OD646 - 5.03 × OD663 Chlorophyll b (Chl b) = 20.13 × OD 646 - 5.03 × OD 663

총 엽록소 함량 = Chl a + Chl bTotal chlorophyll content = Chl a + Chl b

아스타잔틴 수율 = (OD474 - 0.0831) / 0.1426 Astaxanthin yield = (OD 474 - 0.0831) / 0.1426

분석 결과, 도 2의 결과에 나타낸 바와 같이, 헤마토코쿠스 라쿠스트리스의 세포 성장과 엽록소 생산에 가장 효과적인 초음파 출력 조건은 저출력의 20W로 확인되었으며, 20W 출력 조건에서 초음파를 처리한 군은 초음파를 처리하지 않은 군에 비해 78.64%의 향상된 세포성장(세포밀도)를 보이는 것으로 나타났고, 40W, 60W 및 80W에 비해서도 세포성장 뿐만 아니라 엽록소의 생산도 더 우수한 것으로 나타났다. As a result of the analysis, as shown in the results of Figure 2, the most effective ultrasonic power condition for cell growth and chlorophyll production of Haematococcus lacustris was confirmed to be a low power of 20W, and the group treated with ultrasonic waves under the 20W power condition had no ultrasound power. It was found to show improved cell growth (cell density) of 78.64% compared to the untreated group, and not only cell growth but also chlorophyll production was found to be superior compared to 40W, 60W, and 80W.

<2-2> 최적의 초음파 처리 주기 확인<2-2> Check the optimal ultrasonic treatment cycle

초음파 처리 주기가 헤마토코쿠스 라쿠스트리스의 성장에 미치는 영향을 확인하기 위해 초음파의 출력은 <2-1>에서 확인한 최적의 조건인 20W로 설정하고, 초음파 처리 주기를 각각 3일, 9일, 15일로 하여 초음파를 처리하였다. In order to determine the effect of the sonication cycle on the growth of Haematococcus lacustris, the power of ultrasound was set to 20W, which is the optimal condition confirmed in <2-1>, and the sonication cycle was 3 days and 9 days, respectively. , ultrasound was performed for 15 days.

분석 결과, 도 3에 나타낸 바와 같이, 헤마토코쿠스 라쿠스트리스의 세포 성장과 엽록소 생산 및 아스타잔틴 생산에 가장 효과적인 주기는 15일인 것으로 나타났다. 본 발명에서 확인한 초음파 주기인 15일은 3일 및 9일에 비해 가장 높은 세포밀도 및 엽록소와 아스타잔틴의 함량 증가를 보였다. 세포밀도 및 총 엽록소 함량은 대조군에 비해 각각 50.00% 및 39.01% 증가한 것으로 나타났고, 세포 밀도가 증가함에 따라 아스타잔틴 수율도 14.33%로 증가한 것으로 나타났다. As a result of the analysis, as shown in Figure 3, the most effective cycle for cell growth, chlorophyll production, and astaxanthin production of Haematococcus lacustris was found to be 15 days. The 15th day of ultrasound cycle confirmed in the present invention showed the highest cell density and increased content of chlorophyll and astaxanthin compared to the 3rd and 9th days. Cell density and total chlorophyll content were found to increase by 50.00% and 39.01%, respectively, compared to the control group, and as cell density increased, astaxanthin yield also increased to 14.33%.

한편, 장시간 초음파 처리에 노출된 세포는 불가역적인 세포 손상을 초래할 수 있으며, 세포 내 효소의 활성이 상실되거나 감소되어 세포 활성을 잃게되는 문제점이 발생할 수 있다. 이러한 점에서 본 발명의 초음파 최적 처리 조건은 저출력 조건에서 15일에 단 1번의 초음파 처리만으로 헤마토코쿠스 라쿠스트리스의 생장 촉진 효과와 동시에 아스타잔틴과 같은 유용물질의 생산증가를 유도할 수 있다. Meanwhile, cells exposed to ultrasonic treatment for a long period of time may cause irreversible cell damage, and the activity of intracellular enzymes may be lost or reduced, resulting in loss of cell activity. In this regard, the optimal ultrasonic treatment conditions of the present invention can promote the growth of Haematococcus lacustris and simultaneously increase the production of useful substances such as astaxanthin with only one ultrasonic treatment per 15 days under low power conditions. there is.

이러한 결과를 통해, 본 발명자들은 헤마토코쿠스 라쿠스트리스의 생장을 촉진시킬 수 있는 최적의 초음파 처리 조건은 40kHz 주파수, 20W 출력, 5분의 처리 시간, 15일/1회의 처리 주기인 것을 알 수 있었다.Through these results, the present inventors found that the optimal ultrasonic treatment conditions to promote the growth of Haematococcus lacustris are 40 kHz frequency, 20 W output, 5 minutes treatment time, and 1 treatment cycle per 15 days. I was able to.

<실시예 3><Example 3>

초음파 처리에 따른 헤마토코쿠스 라쿠스트리스 세포의 미세구조에 미치는 영향 분석Analysis of the effect of sonication on the ultrastructure of Haematococcus lacustris cells

본 발명자들은 본 발명에서 규명한 헤마토코쿠스 라쿠스트리스의 생장을 촉진시킬 수 있는 최적의 초음파 자극 조건을 처리할 경우, 미세조류의 세포벽의 변화를 투과전자현미경을 통해 관찰하였다. 이를 위해, 헤마토코쿠스 라쿠스트리스 세포를 25℃에서 3시간 동안 2.5% 글루타알데히드(glutaraldehyde)를 이용하여 고정시켰다. 이후 PBS(phosphate buffered saline) 버퍼로 세척한 후, 세포를 사산화오스뮴(osmium tetroxide)에 후고정하고 에탄올과 아세톤을 이용하여 탈수한 후, Epon 812에 포매하였다. Leica Ultracut UCT microtome을 이용하여 반박형 절편을 얻고, 이를 60kV에서 투과전자현미경으로 관찰하였다.The present inventors observed changes in the cell walls of microalgae using a transmission electron microscope when treated with optimal ultrasonic stimulation conditions that can promote the growth of Haematococcus lacustris identified in the present invention. For this purpose, Haematococcus lacustris cells were fixed using 2.5% glutaraldehyde for 3 hours at 25°C. After washing with PBS (phosphate buffered saline) buffer, the cells were post-fixed with osmium tetroxide, dehydrated using ethanol and acetone, and embedded in Epon 812. Semi-circular sections were obtained using a Leica Ultracut UCT microtome and observed with a transmission electron microscope at 60kV.

분석 결과, 헤마토코쿠스 라쿠스트리스의 세포벽을 구성하고 있는 W1, W7 및 3중 시트(trilaminar sheets; W2, W4, W6)가 관찰되었는데, 본 발명의 초음파 처리에 의해 내부의 W2 층에는 아무런 손상 없이, W4 및 W6 층에서 작은 균열이 일관되게 관찰되었다. 즉, W4 및 W6 층에서 작은 균열로 인해 헤마토코쿠스 라쿠스트리스의 세포벽에 미세기공이 형성된 것을 확인할 수 있었다(도 5 참조).As a result of the analysis, W1, W7, and trilaminar sheets (W2, W4, W6) constituting the cell wall of Haematococcus lacustris were observed. By the ultrasonic treatment of the present invention, the inner W2 layer was completely destroyed. Without damage, small cracks were consistently observed in the W4 and W6 layers. That is, it was confirmed that micropores were formed in the cell wall of Haematococcus lacustris due to small cracks in the W4 and W6 layers (see Figure 5).

이러한 결과는 본 발명에서 확립한 초음파 처리 조건이 헤마토코쿠스 라쿠스트리스의 세포 파쇄를 유도하지 않으면서 세포벽 구조를 유지한 채 세포벽에 미세기공을 형성하여 영양분을 미세조류 내부로 용이하게 수송할 수 있도록 함으로써 헤마토코쿠스 라쿠스트리스의 세포 성장을 촉진시킬 수 있다는 것을 알 수 있었다.These results show that the ultrasonic treatment conditions established in the present invention do not induce cell disruption of Haematococcus lacustris, but form micropores in the cell wall while maintaining the cell wall structure, thereby facilitating the transport of nutrients into the microalgae. It was found that the cell growth of Haematococcus lacustris could be promoted by doing so.

<실시예 4><Example 4>

초음파 처리에 따른 헤마토코쿠스 라쿠스트리스의 세포성장, 질소 수송 또는 ROS 소거 관련 유전자의 발현 변화분석Analysis of expression changes in genes related to cell growth, nitrogen transport, or ROS scavenging in Haematococcus lacustris according to sonication

본 발명에서 확립한 초음파 처리 조건이 헤마토코쿠스 라쿠스트리스의 세포성장, 질소 수송 또는 ROS 소거 관련 유전자의 발현 수준을 변화시키는지 확인하기 위한 실험을 수행하였다. 이를 위해 본 발명의 초음파 처리 조건으로 자극시킨 헤마토코쿠스 라쿠스트리스 및 초음파를 처리하지 않은 대조군 세포로부터 RNeasy Plant Mini Kit를 이용하여 총 RNA를 추출하였다. 이후 High-Capacity RNA-to-cDNA Kit를 사용하여 cDNA를 합성하였으며, 하기 표에 기재된 프라이머들을 사용하여 해당 유전자의 발현수준을 분석하였다. RT-qPCR은 StepOnePlus Real-Time PCR System으로 수행하였고 제조사의 지침에 따라 SYBR Select Master Mix를 사용하여 정량화하였다. 또한 40회의 RT-PCR 주기는 95℃에서 5분 동안 PCR 초기 활성화, 95℃에서 10초 동안 변성 및 60℃에서 22초 동안 어닐링 및 확장반응 조건으로 수행하였다. 여기서 Actin 유전자는 참조용으로 사용하였고, 각 유전자는 최소 2회 이상 분석하였다. RT-PCR에서 얻은 데이터는 StepOne을 이용하여 분석하였다.An experiment was performed to determine whether the sonication conditions established in the present invention change the expression levels of genes related to cell growth, nitrogen transport, or ROS scavenging in Haematococcus lacustris. For this purpose, total RNA was extracted from Haematococcus lacustris stimulated under the sonication conditions of the present invention and control cells that were not treated with sonication using the RNeasy Plant Mini Kit. Afterwards, cDNA was synthesized using the High-Capacity RNA-to-cDNA Kit, and the expression level of the corresponding gene was analyzed using the primers listed in the table below. RT-qPCR was performed with the StepOnePlus Real-Time PCR System and quantified using SYBR Select Master Mix according to the manufacturer's instructions. Additionally, 40 RT-PCR cycles were performed with initial PCR activation at 95°C for 5 minutes, denaturation at 95°C for 10 seconds, and annealing and extension reaction conditions at 60°C for 22 seconds. Here, the Actin gene was used as a reference, and each gene was analyzed at least twice. Data obtained from RT-PCR were analyzed using StepOne.

프라이머 primer 타겟 유전자target gene 정방향(5’->3’)Forward direction (5’->3’) 역방향(5’->3’)Reverse direction (5’->3’) actinactin CACAAACTGGGATGACATGG CACAAACTGGGAATGACATGG CAGTGGTGGTGAAGGAGTAGCAGTGGTGGTGAAGGAGTAG minDminD GGACATTGGCTTGAGGAATCGGACATTGGCTTGAGGAATC TGACGTTGAGGATGCTGTTGTGACGTTGAGGATGCTGTTG transporttransport GTTTTGGGTGGGGATCATGTGTTTGGGTGGGGATCATGT CGATGATGTTGTCCACTGTCCGATGATGTTGTCCACTGTC SODSOD CAGACGTTTCATCACAGTGTCAGACGTTCATCACAGTGT TGAGTGGTGCTGGTGTTGGTTGAGTGGTGCTGGTGTTGGT CATCAT TTTCTGCTGGATGATGTGGGTTTCTGCTGGATGATGTGGG AATAGGCTGCAAGGGGAAGAAATAGGCTGCAAGGGGAAGA

분석 결과, 세포 분열과 관련된 유전자인 minD 및 NO3 -의 세포내로의 이동에 관여하는 수송체인 nitrate/nitrite transport의 mRNA 수준은 대조군에 비해 월등히 증가한 것으로 나타났고, 활성산소종(ROS) 소거와 관련된 유전자인 SOD(superoxide dismutase) 및 CAT(catalase)의 mRNA 수준도 대조군에 비해 증가한 것으로 나타났다. 구체적으로 대조군 대비 minD nitrate/nitrite transport의 mRNA 수준은 각각 85.54% 및 58.92% 증가한 것으로 나타났고, SOD 및 CAT는 각각 10.10% 및 16.55% 증가한 것으로 나타났다. 한편, 대조군 대비 상기 유전자들의 증가 수준은 산화적 스트레스 관련 유전자의 발현증가에 비해 세포내로의 영양분 흡수 및 세포 분열에 따른 세포성장 관련 유전자들의 발현증가 수준이 더 높은 것으로 나타났다(도 6). 또한, 헤마토코쿠스 라쿠스트리스의 영양분(질소 및 인) 흡수 정도를 유도결합 플라즈마 분광 분석기를 사용하여 모니터링 하였는데, 도 7에 나타낸 바와 같이, 초음파로 자극된 헤마토코쿠스 라쿠스트리스는 질소와 인 영양분을 잘 흡수하는 것으로 나타났다.As a result of the analysis, the mRNA levels of minD , a gene related to cell division, and nitrate/nitrite transport, a transporter involved in the movement of NO 3 - into cells, were found to be significantly increased compared to the control group, and the levels of mRNA related to scavenging reactive oxygen species (ROS) were significantly increased compared to the control group. The mRNA levels of the genes SOD (superoxide dismutase) and CAT (catalase) were also found to increase compared to the control group. Specifically, compared to the control group, the mRNA levels of minD and nitrate/nitrite transport were found to increase by 85.54% and 58.92%, respectively, and SOD and CAT were found to increase by 10.10% and 16.55%, respectively. Meanwhile, the level of increase in the above genes compared to the control group showed a higher level of increase in the expression of genes related to cell growth due to nutrient absorption into cells and cell division compared to the increase in expression of oxidative stress-related genes (FIG. 6). In addition, the degree of nutrient (nitrogen and phosphorus) absorption of Haematococcus lacustris was monitored using an inductively coupled plasma spectrometer. As shown in Figure 7, H. lacustris stimulated by ultrasound absorbs nitrogen. It was found that wine nutrients are absorbed well.

이러한 결과는 본 발명에 따른 초음파 자극이 세포 성장 및 영양분 수송 관련 유전자의 상향 조절을 유도함으로써 효과적으로 헤마토코쿠스 라쿠스트리스의 세포 성장을 촉진할 수 있음을 의미한다.These results mean that ultrasound stimulation according to the present invention can effectively promote cell growth of Haematococcus lacustris by inducing upregulation of genes related to cell growth and nutrient transport.

<실시예 5><Example 5>

초음파 처리에 따른 헤마토코쿠스 라쿠스트리스의 지방산 분석Fatty acid analysis of Haematococcus lacustris by sonication.

상기 실시예 3의 결과를 통해 본 발명의 초음파 처리 조건에서 헤마토코쿠스 라쿠스트리스의 세포벽에는 미세기공이 형성되는 것을 확인할 수 있었다. 이에 본 발명자들은 초음파 처리가 세포벽의 유동성에 관여하는 지방산 조성에도 변화를 야기하는지 확인하기 위해, 지방산 성분 변화 여부를 분석하였다. 이를 위해 메탄올 추출법을 이용하여 헤마토코쿠스 라쿠스트리스로부터 지질을 추출하였다. 즉, 헤마토코쿠스 라쿠스트리스 바이오매스를 3,000g로 원심분리하고 동결건조하였다. 동결건조된 바이오매스 50mg을 1mL의 DMSO로 70℃에서 5분 동안 처리한 후, 5mL의 메탄올로 4℃에서 1시간 동안 추출하였다. 혼합물을 3,000g에서 원심분리하고, 상층액을 수집한 다음 펠렛을 4℃에서 15분 동안 메탄올로 재추출하였다. 메탄올 추출물에 동량의 Peroxide-free diethyl ether, n-hexane, 증류수를 첨가하여 혼합물을 만들었다. 혼합물을 분별 깔때기에서 진탕하고 원심분리하여 상부 상을 수집하였다. 하부 상은 아세트산을 첨가하여 pH 3~4로 산성화하고, 동량의 Peroxide-free diethyl ether과 n-hexane을 첨가하여 재추출하였다. 수집된 상부 상들을 질소 가스를 이용하여 증발 건조시키고 -20℃에서 유지하였다. 지질 분획은 1,000mg의 실리카 카트리지 Sep-Pack (SP)을 사용하여 수행되었다. 상기 지질 분획의 분리는, (1) 30mL의 chloroform을 이용하여 흡착제 컨디셔닝, (2) 20mg의 오일을 함유하는 1mL의 chloroform/oil 용액을 이용하여 시료 로딩, (3) 15mL의 chloroform:acetic acid (9:1, v:v)을 사용하여 흡착제 베드로부터 중성 지질 용출, (4) 20 mL의 아세톤:메탄올 (9:1, v:v)을 사용하여 당지질 용출 및 회수, (5) 20mL의 메탄올을 사용하여 인지질 용출 및 회수하는 과정으로 수행하였고, 각 분획은 원뿔형 바이알에 수집하고 질소 가스를 이용하여 증발 건조시켰다. 약 25~30mg의 분획한 지질을 밀폐 플라스크에 넣고 강하게 교반하면서 10% KOH methanolic solution 2mL를 첨가하였다. 플라스크를 밀폐하고 공기를 질소로 퍼지한 후, 플라스크를 80℃의 수조에서 45분 동안 가열하였다. 비(非)비누화 물질은 석유 에테르를 사용하여 추출되었다. 하부 상을 농축된 HCl로 처리하고 유리된 지방산을 석유 에테르로 추출하였다. 에테르 추출물을 질소 가스 하에서 건조시키고, 1.5mL의 BF3 용액(메탄올 용액 내 10%)을 첨가한 후 샘플을 80℃에서 30분 동안 배양하였다. 마지막으로, 지방산 메틸 에스테르(FAME)를 석유 에테르로 추출하고, 질소 가스 하에서 증발 건조시키고, 크로마토그래피 등급의 헥산을 첨가하여 최종 부피를 100μL로 설정하였다. FAME은 Agilent 7890 GC-FID system을 이용한 가스 크로마토그래피로 분석하였으며, 캐리어 가스는 18 cm s-1의 고순도 수소를 이용하였다. GC 오븐은 140℃에서 5분 동안 유지한 후, 온도를 분당 4℃씩 240℃까지 증가시킨 후 15분 동안 등온을 유지하였다. 검출 한계는 0.01%였으며, TSBA6 데이터베이스를 사용하여 크로마토그래피를 분석하였다. FAME 식별 및 정량화는 MIDI에 의해 설명된 대로 Sherlock Microbial Identification System 및 Standard MIS Library Generation Software를 사용하여 수행하였다.Through the results of Example 3, it was confirmed that micropores were formed in the cell wall of Haematococcus lacustris under the ultrasonic treatment conditions of the present invention. Accordingly, the present inventors analyzed whether ultrasonic treatment caused changes in fatty acid composition, which is involved in the fluidity of cell walls. For this purpose, lipids were extracted from Haematococcus lacustris using methanol extraction. That is, Haematococcus lacustris biomass was centrifuged at 3,000g and freeze-dried. 50 mg of freeze-dried biomass was treated with 1 mL of DMSO at 70°C for 5 minutes and then extracted with 5 mL of methanol at 4°C for 1 hour. The mixture was centrifuged at 3,000 g, the supernatant was collected, and the pellet was re-extracted with methanol for 15 min at 4°C. A mixture was created by adding equal amounts of peroxide-free diethyl ether, n-hexane, and distilled water to the methanol extract. The mixture was shaken in a separatory funnel and centrifuged to collect the upper phase. The lower phase was acidified to pH 3~4 by adding acetic acid and re-extracted by adding equal amounts of peroxide-free diethyl ether and n-hexane. The collected upper phases were evaporated to dryness using nitrogen gas and maintained at -20°C. Lipid fractionation was performed using 1,000 mg silica cartridge Sep-Pack (SP). Separation of the lipid fraction consisted of (1) adsorbent conditioning using 30 mL of chloroform, (2) sample loading using 1 mL of chloroform/oil solution containing 20 mg of oil, (3) 15 mL of chloroform:acetic acid ( Elution of neutral lipids from the adsorbent bed using 9:1, v:v), (4) Elution and recovery of glycolipids using 20 mL of acetone:methanol (9:1, v:v), (5) Elution and recovery of glycolipids with 20 mL of methanol. A process of phospholipid elution and recovery was performed using , and each fraction was collected in a conical vial and evaporated to dryness using nitrogen gas. Approximately 25 to 30 mg of fractionated lipid was placed in a sealed flask and 2 mL of 10% KOH methanolic solution was added while vigorously stirring. After sealing the flask and purging the air with nitrogen, the flask was heated in a water bath at 80°C for 45 minutes. The non-saponifiable material was extracted using petroleum ether. The lower phase was treated with concentrated HCl and the free fatty acids were extracted with petroleum ether. The ether extract was dried under nitrogen gas, 1.5 mL of BF3 solution (10% in methanol solution) was added, and the sample was incubated at 80°C for 30 minutes. Finally, fatty acid methyl ester (FAME) was extracted with petroleum ether, evaporated to dryness under nitrogen gas, and chromatographic grade hexane was added to set the final volume to 100 μL. FAME was analyzed by gas chromatography using an Agilent 7890 GC-FID system, and high-purity hydrogen of 18 cm s -1 was used as the carrier gas. The GC oven was maintained at 140°C for 5 minutes, then the temperature was increased at 4°C per minute to 240°C and maintained isothermally for 15 minutes. The detection limit was 0.01%, and chromatography was analyzed using the TSBA6 database. FAME identification and quantification were performed using the Sherlock Microbial Identification System and Standard MIS Library Generation Software as described by MIDI.

그 결과, 상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 초음파 처리 조건을 수행한 헤마토코쿠스 라쿠스트리스의 지질 성분은 초음파를 처리하지 않은 대조군과 큰 차이를 보이지 않는 것으로 나타났다. As a result, as shown in Table 2, the lipid components of Haematococcus lacustris subjected to the ultrasonic treatment conditions of the present invention did not show any significant difference from the control group that was not treated with ultrasonic waves.

이러한 결과는 본 발명에서 확립한 초음파 처리 조건은 헤마토코쿠스 라쿠스트리스의 세포막 유동성(membrane fluidity)에는 큰 영향을 주지 않으면서 세포의 성장을 효과적으로 촉진시킬 수 있음을 알 수 있었고, 이러한 세포 성장 촉진을 통해 헤마토코쿠스 라쿠스트리스로부터 아스타잔틴과 같은 유용물질을 효율적으로 대량 생산할 수 있음을 알 수 있었다.These results showed that the sonication conditions established in the present invention can effectively promote cell growth without significantly affecting the cell membrane fluidity of Haematococcus lacustris, and this cell growth Through promotion, it was found that useful substances such as astaxanthin can be efficiently mass-produced from Haematococcus lacustris.

본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다.A person skilled in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention may be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered from an illustrative rather than a restrictive perspective. The scope of the present invention is indicated in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the equivalent scope should be construed as being included in the present invention. So far, the present invention has been reviewed with a focus on its preferred embodiments. saw.

Claims (9)

미세조류에 저주파수 및 저출력의 초음파를 처리하는 단계를 포함하는, 미세조류의 세포 성장 촉진방법. A method of promoting cell growth of microalgae, comprising treating microalgae with low-frequency and low-power ultrasound. 제1항에 있어서,
상기 초음파를 처리하는 단계는 20~40kHz의 저주파수, 20~80W 저출력, 3~15일의 초음파 처리 주기 및 5분의 초음파 처리 시간으로 수행하는 것을 특징으로 하는, 미세조류의 세포 성장 촉진방법.
According to paragraph 1,
The ultrasonic treatment step is characterized in that it is performed at a low frequency of 20 to 40 kHz, a low power of 20 to 80 W, a sonication cycle of 3 to 15 days, and a sonication time of 5 minutes. A method of promoting cell growth of microalgae.
제2항에 있어서,
상기 초음파를 처리하는 단계는 40kHz의 저주파수, 20W 저출력, 15일의 초음파 처리 주기 및 5분의 초음파 처리 시간으로 수행하는 것을 특징으로 하는, 미세조류의 세포 성장 촉진방법.
According to paragraph 2,
A method of promoting cell growth of microalgae, characterized in that the ultrasonic treatment step is performed at a low frequency of 40 kHz, a low power of 20 W, an ultrasonic treatment cycle of 15 days, and an ultrasonic treatment time of 5 minutes.
제1항에 있어서,
상기 초음파 처리는 미세조류의 세포벽에 미세기공을 형성하도록 하여 영양분의 수송을 개선시키는 것을 특징으로 하는, 미세조류의 세포 성장 촉진방법.
According to paragraph 1,
A method of promoting cell growth of microalgae, characterized in that the ultrasonic treatment improves the transport of nutrients by forming micropores in the cell walls of microalgae.
제1항에 있어서,
상기 저주파수 및 저출력의 초음파 처리는,
미세조류의 세포밀도 증가;
엽록소 함량증가; 및
아스타잔틴 수율증가; 효과를 갖는 것을 특징으로 하는, 미세조류의 세포 성장 촉진방법.
According to paragraph 1,
The low-frequency and low-power ultrasonic treatment,
Increased cell density of microalgae;
Increased chlorophyll content; and
Increased astaxanthin yield; A method for promoting cell growth of microalgae, characterized in that it has an effect.
제1항에 있어서,
상기 미세조류는 헤마토코쿠스 라쿠스트리스(Haematococcus lacustris)인 것을 특징으로 하는, 미세조류의 세포 성장 촉진방법.
According to paragraph 1,
A method of promoting cell growth of microalgae, characterized in that the microalgae is Haematococcus lacustris .
미세조류에 저주파수 및 저출력의 초음파를 처리하고 배양하는 단계를 포함하는, 세포 성장이 촉진된 미세조류로부터 바이오매스 또는 아스타잔틴을 대량생산하는 방법. A method for mass producing biomass or astaxanthin from microalgae whose cell growth is promoted, comprising treating microalgae with low-frequency and low-power ultrasound and culturing them. 제7항에 있어서,
상기 초음파를 처리하는 단계는 20~40kHz의 저주파수, 20~80W 저출력, 3~15일의 초음파 처리 주기 및 5분의 초음파 처리 시간으로 수행하는 것을 특징으로 하는, 세포 성장이 촉진된 미세조류로부터 바이오매스 또는 아스타잔틴을 대량생산하는 방법.
In clause 7,
The ultrasonic treatment step is characterized in that it is performed at a low frequency of 20 to 40 kHz, a low power of 20 to 80 W, a sonication cycle of 3 to 15 days, and a sonication time of 5 minutes. Method for mass producing mass or astaxanthin.
제7항에 있어서,
상기 미세조류는 헤마토코쿠스 라쿠스트리스(Haematococcus lacustris)인 것을 특징으로 하는, 세포 성장이 촉진된 미세조류로부터 바이오매스 또는 아스타잔틴을 대량생산하는 방법.
In clause 7,
A method for mass producing biomass or astaxanthin from microalgae with promoted cell growth, characterized in that the microalgae is Haematococcus lacustris .
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