Fortification of γ-aminobutyric acid and bioactive compounds in whey by co-fermentation using Bacillus subtilis and Lactobacillus plantarum

유청을 이용한 Bacillus subtilis와 Lactobacillus plantarum의 혼합발효를 통한 γ-aminobutyric acid와 생리활성물질 강화

Abstract

Biologically active substances including gamma-aminobutryric acid (GABA) were added into whey by co fermentation using Bacillus subtilis HA and Lactobacillus plantarum EJ2014. The first fermentation using B. subtilis HA with 5% monosodium glutamate (MSG) and 2% glucose enhanced the production of poly-${\gamma}$-glutamic acid (PGA), resulting in higher consistency of $4.09Pas^n$ as well as whey protein peptides. After the second fermentation using L. plantarum EJ2014, the remaining MSG (3.40%) as a precursor was completely converted to 2.21% GABA. Furthermore, the lactose content in whey decreased from 6.73 to 3.68% after co-fermentation, and the tyrosine content increased from 20.47 to 38.24%. Peptides derived of whey proteins were confirmed by SDS-PAGE. Viable cell counts of B. subtilis and L. plantarum were 5.83 log CFU/mL and 9.20 log CFU/mL, respectively. Thus, co-fermentation of whey could produce the novel food ingredient fortified with biologically active compounds including GABA, ${\gamma}$-PGA, peptides, and probiotics.

본 연구는 모짜렐라 치즈 제조과정에서 분리된 유청을 B. subtilis HA와 L. plantarum EJ2014의 혼합 발효를 통해 ${\gamma}$-PGA, GABA 등의 기능성 물질이 강화된 발효물을 생산하고자 하였다. 유청 B. subtilis 발효 1일차의 시료 분석결과, pH는 6.51, 산도는 0.32%, 생균수는 8.39 log CFU/mL을 나타냈으며, 점질물과 점조도는 각각 6.06%와 $4.09Pas^n$로 발효 전보다 유의적으로 증가하였다. 2차 L. plantarum 발효를 통해 유청 혼합발효물의 최종 pH는 4.57까지 감소하였고 산도는 L. plantarum 발효 1일째 1.39%로 증가하여 최종 산도는 1.73%를 나타내었다. B. subtilis 생균수는 2차 L. plantarum 발효가 진행됨에 따라 5.83 log CFU/mL까지 감소하였으나 L. plantarum 생균수는 5.73 log CFU/mL에서 L. plantarum 발효 1일째 9.08 log CFU/mL로 급격히 증가한 후 L. plantarum 발효 7일까지 유지하였다. TLC 정성분석한 결과 L. plantarum 발효 5일 이후 MSG가 모두 소진되어 GABA로 전환되는 것을 확인할 수 있었다. HPLC 정량분석으로 MSG는 L. plantarum 발효 초기 3.40%에서 L. plantarum 발효 7일째 거의 소진 되면서 혼합발효물의 GABA 함량은 2.21%를 보였다. 환원당과 젖당 함량은 각각 발효 전 11.07과 6.73%에서 L. plantarum 발효 7일째 각각 4.97과 3.68%로 크게 감소하는 것을 보였다. 타이로신 함량은 발효가 진행되는 동안 증가되어 L. plantarum 발효 7일째 38.24 mg%를 나타내었다. 단백질 가수분해 정도를 확인하기 위해 SDS-PAGE를 통해 발효 후 유청 단백질들이 대부분 가수분해되어 저분자화되는 것을 확인하였다. 유청의 발효 전후에 따른 항산화 활성을 측정한 결과 ABTS $RC_{50}$값은 26.81 mg/g에서 발효 후 8.78 mg/g, DPPH $RC_{50}$값 또한 발효 전 17.58 mg/g에서 발효 후 10.38 mg/g으로 감소하면서 혼합발효를 통해 전자 공여능이 향상되는 것으로 확인되었다.

Fig. 1. Changes in the (A) B. subtilis and (B) L. plantarum viable cell count in whey co-fermented by B. subtilis HA and L. plantarum EJ2014.

Fig. 2. Changes in (A) tyrosine content and (B) SDS-PAGE pattern in the whey co-fermented by B. subtilis HA and L. plantarum EJ2014.

Fig. 3. Changes in (A) gamma-aminobutryric acid (GABA) production (TLC analysis) and (B) monosodium glutamate (MSG) and GABA contents in the whey co-fermented by B. subtilis HA and L. plantarum EJ2014.

Table 1. Physicochemical properties of the whey

Table 2. Effect of monosodium glutamate (MSG) concentration on the physicochemical properties and viable cell counts in whey fermented by B. subtilis for 3 days

Table 3. Changes in the pH, reducing sugar, acidity in whey co-fermented by B. subtilis HA and L. plantarum EJ2014

Table 4. ABTS and DPPH radical scavenging activities in whey co-fermented by B. subtilis HA and L. plantarum EJ2014