차세대식품으로 주목받고 있는 스피룰리나의 항균성 유산균(Probiotics: Lactobacillus Pentosus) 발효를 통해 얻어지는 항균성 발효스피룰리나의 국민건강증진 방편으로 이를 이용, 소비자 및 수요자의 접근을 용의하기위하며, 주 소비층인 환자, 노약자, 임산부, 어린이층의 Target content의 개발과 발효스피룰리나에 대한 시험결과 즉, 2010년 3월 락토바실러스 펜토수스 K34를 이용해 발효한 결과 발효공정을 통해 락트산; 아세트산; 구연산; 숙신산등의 유기산이 적어도 3종 이상 생성되었으며, 단백질 함량은 10% 이하로 변화를 보이지 않았고, 탄수화물의 거의 분해되어 락트산 및 프로피온산 등의 유기산으로 변화됨에 따라, 개발된 새로운 식품원료의 다양한 식품개발은 건강증진을 위해 소비수요층의 용의한 접근의 한 방편으로, 만화나 일러스트레이션을 이용한 접근을 통한 홍보 전략이 필요하다.
본 연구는 농업 부산물인 옥수수대(corn stover)를 이용하여 묽은 황산법(DSA; dilute sulfuric acid)과 암모니아 침지법(SAA; soaking in aqueous ammonia) 그리고 암모니아 재순환 침출법(ARP; ammonia recycle percolation)을 비교하여 각 전처리법의 특징과 장단점을 분석하였고, 동시당화공동발효를 통한 에탄올 생산을 비교하였다. ARP, DSA, SAA를 이용하여 전처리된 고형물(3% 글루칸 투입)을 15 FPU/g-glucan, 30 CBU/g-glucan의 상업용 효소(Spezyme CP와 Novozyme 188;)와 E. coli KO11 균주(ATCC$^{(R)}$ 55124)를 이용하여 동시당화공동발효를 수행하였다. 전처리 후에 남은 고형물에 있는 당의 최대이론적 에탄올 수율은 각각 87, 90 그리고 78%였다. 이것은 전처리되지 않은 원래 옥수수대의 총 당량(글루칸 +자일란) 대비 각각 69, 58, 및 74%에 해당하는 것으로 SAA의 수율이 가장 높게 관찰되었다. 또한 전처리 당화액을 이용한 동시당화공동발효 실험결과는 DSA의 당화액이 발효균주에 대하여 가장 높은 독성을 나타내었고 ARP 전처리 당화액이 그 다음으로 저해효과가 큰 것으로 나타났다. 결국 SAA를 이용하여 전처리한 후 리그닌이 풍부한 당화액은 이용하지 않고 전처리된 고형물과 동시당화공동발효 공정을 이용한 에탄올 생산이 가장 간단하면서 경제적인 공정으로 제안되었다.
R. stolonifer를 접종하여 콩알메주를 제조하고 이 콩알메주로부터 한식간장을 생산하는 공정을 설정하였다. 콩알메주의 최적 발효조건은 온도와 상대습도가 각각 $25^{\circ}C$, 90%인 조건에서 45시간 발효하는 것이었다. 간장의 최적 숙성온도는 $25^{\circ}C$가 적정온도였으며 발효후반의 aeration에 의하여 관능이 향상되었고 R. stolonifer로 제조한 콩알메주만 사용하여 숙성시킨 간장보다는 A. sojae나 B. subtilis로 제조한 콩알메주를 혼합하였을 때에 관능이 향상되었다. 간장을 상품화하기 위한 공정으로 살균, ultrafiltration에 의한 여과, 보존성 등을 제시하고 이를 종합하여 표준화된 콩알메주 및 한식간장 model system의 공정예로 설정하였다. 본 연구에서 제시된 공정예를 통하여 일반적으로 메주와 한식간장 발효에 소요되는 $6{\sim}12$개월의 시간을 3개월 이내로 단축할 수 있었고 생산된 제품의 색, 향, 맛 등의 관능평가가 우수하였으며 기술적으로는 자동화가 가능하여 본 연구의 결과를 한식간장의 산업화된 model system으로 제시하였다.
쌀을 이용한 식초제조에서 증자 공정과 무증자 공정으로 제조된 쌀과 해당화를 혼합한 조성물을 사용하여 식초를 제조하였다. 1단계로 ethanol 발효를 $25^{\circ}C$에서 12일 동안 진행하고, ethanol 함량을 6%로 조정한 후 $Acetobacter$$aceti$균을 접종하여 $30^{\circ}C$에서 9일 동안 초산 발효하였다. 식초 발효전에 초산을 첨가하는 공정은 발효의 성공여부를 결정하는 요인으로 나타났으며, 첨가되는 초산의 농도에 의존적으로 최종 식초 제품의 유기산 함량이 증가하였다. 무증자법으로 식초를 제조시 유리 아미노산과 GABA 함량이 높게 나타났으며, 주요 아미노산으로는 glutamic acid, arginine 등으로 나타났다. 본 연구결과는 해당화-쌀 식초 제조시 쌀의 열처리 공정여부가 식초의 품질에 큰 영향을 준다는 것을 보여준다.
생물공정의 운전에 있어서 적절한 공정변수가 부족한 경우가 많다. 이것은 멸균과정을 견딜 수 있는 신뢰성 높은 센서가 부족하기 때문이다[1]. 생물공정에 주로 사용되는 센서로서는 온도, pH, D.O., rpm, viscosoty 등이 있으나 이 센서들은 배양액의 물리적 혹은 화학적 상태를 측정할 수 있는 경우가 대부분이다[2]. 미생물의 대사활동과 관련이 있는 공정 변수로는 배출가스의 성분을 측정하여 얻을 수 있는 Oxygen uptake rate, Carbon dioxide evolution rate 및 Respiratory quotient가 있으며 현재 생물공정의 운전에 사용되고 있다[3]. 그러나 반복적인 센서의 보정과 연결관의 잦은 청소 및 보수를 필요로 하여 제한적으로 사용되고있는 실정이다. 자동화된 습식분석장치, Gas chromatograph, High Performace Liquid Chromatograph 혹은 Mass spectrophtometry 등을 온라인 샘플 처리장치와 연결하여 발효조의 배양액의 성분을 온라인으로 분석하고 공정의 운전에 응용하는 사례가 많이 발표되었다[4-6]. 고가의 장비 및 운전의 번거러움이나 추가적인 인력이 필요하므로 역시 특별한 경우에만 사용되고 있다. 이외에도 여러 종류의 온라인 센서 및 바이오 센서등이 개발되어 사용되고 있으나 역시 그 사용범위는 특수한 영역에 한정되어있다. 이와 같이 새로운 센서를 개발하여 공정변수를 측정하려는 시도중의 하나가 소프트웨어 센서의 개발이다. 이 것은 공정상에서 발생하는 1차 공정변수를 이용하여 배양액의 상태 혹은 2차적인 공정 변수를 추측해내는 것이다. 대부분의 경우 기존의 공정 변수를 사용하므로 추가적인 비용이 들지 않고 소프트웨어의 형태로 구현되므로 센서의 보정과 설치 및 유지관리의 노력이 매우 적은 장점이 있다. 본 연구에서는 생물공정에서 자동제어 과정에서 발생하는 여러 가지 공정상의 제어 신호로부터 새로운 공정 변수를 얻어내고자 시도하였다. 대부분의 생물공정에서는 pH의 자동제어가 필수적인데 자동제어 과정에서 발생하는 pH 제어 신호 및 pH의 변화 응답신호를 이용하여 배지의 완충용량의 변화와 알칼리의 소비속도를 온라인으로 측정할 수 있었다. 여기에 인공지능망을 설계하여 균체의 량을 온라인으로 추정하는 방법을 개발하였다 [7].산업용 발효조의 운전 온도는 주로 냉각수의 단속적인 공급에 의하여 항상 일정하게 조절된다. 따라서 냉각수의 냉각량을 측정하면 미생물의 배양시 발생하는 대사열량을 측정할 수 있게 된다. 본 연구에서는 실험실의 발효조를 냉각수의 단속적인 공급에 의하여 자동온도 조절이 되도록 개조하고 여기에 냉각수의 유출입 지점에 온도센서를 부착하여 냉각수의 온도를 측정하고 냉각수의 공급량과 대기의 온도 등을 측정하여 대사열의 발생을 추정할 수 있었다. 동시에 이를 이용하여 유가배양시 기질을 공급하는 공정변수로 사용하였다 [8]. 생물학적인 폐수처리장치인 활성 슬러지법에서 미생물의 활성을 측정하는 방법은 아직 그다지 개발되어있지 않다. 본 연구에서는 슬러지의 주 구성원이 미생물인 점에 착안하여 침전시 슬러지층과 상등액의 온도차를 측정하여 대사열량의 발생량을 측정하고 슬러지의 활성을 측정할 수 있는 방법을 개발하였다.
본 연구에서는 2차원 형광스펙트럼의 PCA 분석을 통하여 발효 공정을 모니터링하고 PCR과 PLS과 같은 다변량 분석기법을 이용하여 공정을 모델링하였다. 재조합 대장균 E. coli 와 효모 S.cerevisiae의 발효 공정 중에 얻어진 많은 양의 2차원 형광스펙트럼 자료는 우선 PCA를 통해 축소된다. 그리고 PCA에서 주성분점수와 적재 산점도는 발효 공정의 정성적 경향을 묘사하기 위해 사용되었다. 또한, PCR과 PLS는 2차원 형광스펙트럼의 분석을 위해 사용되었으며 PLS모델이 보정과 예측 능력에서 PCR모델보다 조금 더 우수한 성능을 나타냈다. 따라서 2차원 형광스펙트럼 자료를 이용하여 생물공정을 모델링 하고자 할 때는 PCR 방법보다는 PLS 방법을 사용하는 것이 유리할 것이다.
본 연구에서는 에탄올 농도에 따른 모델용액과 발효액에서 여러 유기산들의 침전거동을 조사하였다. 발효액에서 에탄올의 농도가 높을수록 Ca(LA)2의 침전양이 많았다. Ca(LA)2의 침전효과는 발효액 내에서도 비슷하게 관찰되었다. 모델용액이나 발효액과의 혼합물 대비 30%(v/v)로 에탄올을 첨가하였을 때 젖산분리 공정의 불순물로 존재하는 다른 organic salt들의 침전율도 높았다. 따라서 전체 젖산회수공정의 효율에 대한 연구에서는 에탄올과 발효액의 혼합비율을 20%로 하였다. 반응증류시 일정 온도 이상에서는 젖산회수율이 차이나지 않았다. 에탄올이 첨가된 발효액에서는 대조군과 비교하여 최종젖산 회수율이 38.9% 증가하였다. 또한, 다른 유기산들을 포함한 회수액에서의 순도도 99.7%에 달하였다. 이러한 젖산 회수율의 증가는 owning-out crystallization에 의한 Ca(LA)2의 용해도 감소에 기인한 것으로 판단한다. 본 실험 이후에 더 높은 젖산 회수와 정제 효율을 얻기 위해서는 에탄올의 첨가에 따른 유기산의 거동과, 반응증류에서 사용되는 triethylamine의 양과 반응시간에 대한 검토가 필요할 것으로 사료된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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