섬유소 분해균 Cellulomonas sp. CS 1-1에 대하여 종 수준으로 분류학적 위치를 규명하기 위하여 7개 type strain 균주와 함께 생리적 및 생화학적 특성을 조사하고 DNA 상등성 및 지방산의 조성 등을 분석하여 비교한 결과, CS 1-1의 콜로니 형태는 circular, entire, smooth, convex하며, 담황색을 띤 $0.3{\sim}0.5{\times}0.8{\sim}1.2{\mu}m$ 크기의 간균이었다. 생리학적 특징으로서 비운동성의 통성혐기성 중온균으로서 Gram양성, catalase양성, oxidase음성, 탄수화물 발효성 등의 표현형은 Cellulomonas 속의 타종과 동일하였으며, 특히 D-ribose, raffinose, rhamnose, xylitol, acetate, L-lactate, propionate, aspartate, proline 등 조사한 모든 탄소원의 이용성이 없었으며, 반면에 sacchrose, arabinose 및 amylose의 이용성은 양성으로 판정되었다. G+C 함량 74.76 mol %, 주요 지방산과 quinone 성분은 전형적인 Cellulomonas의 12-methyltetradecanoic acid (anteiso-$C_{15:1}$)과 MK-$9(H_4)$이었으며, DNA의 상동성 비율은 C. uda ATCC 491과 70%, C. fimi ATCC 15724와 54~59 %, C. gelida 및 C. bibula와도 46~48%의 상동성을 나타내었다. 이상의 결과는 CS1-1이 현재 Cellulomonas 속에 인정된 7개의 type species 중 C. uda ATCC 491 균주와 가장 높은 근연성을 나타냄으로서 C. uda에 속하는 novel species로 분류될 수 있다.
볏짚 등 농산폐자원을 섬유소자화세균의 기질로 사용하여 섬유소단세포단백을 생산할 때 섬유소의 분해성을 높이기 위해 각종 알카리에 의한 전처리의 효과를 살펴 본 결과 NaOH가 가장 좋은 전체 처리제 이었으며 NH$_4$OH는 NaOH 보다 처리 효과는 낮으나 염가로 구입할 수 있고 처리 후 중화하여 미생물의 질소원으로 사용할 수 있어 경제적인 처리제로 나타났다. NH$_4$OH를 처리제로 사용할 경우 1규정 농도 이상의 용액으로 처리하거나 가열하여도 처리 효과가 증가하지않았다. 1규정농도의 NH$_4$OH로 처리한 후 황산으로 중화하여 생성된 5.3%의 (NH$_4$)$_2$SO$_4$는 분리한 Cellulomonas속 세균의 생육을 저해하지않았으며 세척으로 유실되는 유기물이 이용되는 것으로 나타났다. 1규정농도의 NH$_4$OH로 처리한 벗짚의 분리균 Cellulomonas aurogena 및 C. flavigena에 의한 분해율은 기질농도4%일 때 46%이었으며 이때 6.3~6.45g/1의 균체를 생산하였다.
'신고' 품종의 배를 두께가 다른$(0.04{\sim}0.08mm)$ 폴리에틸렌 필름으로 밀봉하여 KAIST 제작 농가용 저장고에서 MA저장 가능성을 검토하였다. 저장 5개월 동안에 저장고 내의 온도는 $0{\sim}7^{\circ}C$ 범위에서 상대습도는 $86{\sim}89%$가 유지되었다. 저장기간중 포장 내의 산소농도는 $5{\sim}14%$, 이산화탄소 농도는 $3{\sim}5%$ 범위에서 변화되었다. 배의 부패율은 $1.5{\sim}3.0%$로 포장구와 '비포장구간에 차이가 별로 없었으나 중량감소의 경우 비포장구는 저장 5재월 만에 4.1%까지 중량이 감소되어 위조현상이 나타났고 필름 포장구의 배는 중량감소가 약 1%밖에 발생하지 않아서 외관상 좋은 품질이 유지되었다. 한편, 관능경사 결과 0.07mm 두께의 필름으로 포장되었던 배가 풍미, 조직감, 다즙성 면에서 가장 높은 선호도를 나타냈는데 이는 당도가 가장 높고 산도가 가장 낮았던데 기인한 듯하다. 저장기간이 경과함에 따라 과육의 경도는 계속 감소하는 경향을 보였으며 섬유소 가수분해효소의 활성은 증가되었는데 과일 경도의 감소와는 밀접한 상관관계(상관계수는 -0.946)를 나타내었다. 과일의 세포벽은 점차적인 붕괴현상을 나타내었는데 이는 섬유소 가수분해효소가 작용한 것으로 판단된다.
치자나무 (Gardenia jasminoides)는 우리나라 남부 지방에 널리 분포하는 이리도이드 (iridoid)계 꼭두서니과의 수목으로서 그 열매인 치자는 예로부터 옷감의 염료, 식용 색소 및 한방 약재로 널리 사용되어 왔다. 치자에 함유된 주요성분으로는 치자 과실에 이리도이드 배당체인 제니핀 (genipin: $C_{11}H_{14}O_5$)과 제니포사이드 (geniposide: $C_{17}H_{24}O_{10}$) 및 겐티오비오시드 (gentiobioside), 크로신 (crocin), 노나코산, 기르네노시드, 만니톨 등이 있고 잎에는 가데오시드 (gardeoside)가 포함되어 있다. 치자색소중 가장 대표적인 치자황색소는 매염처리에 따라 색상이 거의 변하지 않는 단색성 염료이면서 매염처리를 하지 않고도 면직물 등의 식물섬유에 염색이 되는 직접 염료로서 그 시장가치가 높다. 현재 치자황색소는 가격경쟁의 격화에 따라 금액 기준으로 약간 감소하고 있으나 수요 그 자체는 라면 등 식품을 중심으로 광범위한 시장을 형성하고 있다. 다음으로 치자청색소는 치자추출물을 효소반응이나 미생물 배양을 통한 가수분해에 의해 다량의 제니핀으로 전환하여 여러 아미노산과 함께 생산이 이루어지게 된다. 치자청색소는 단백질 섬유에 염색한 결과 매염제 없이도 우수한 착색을 보였으며, 견뢰도도 우수하게 나타났다. 또한 냉과류의 합성착색료 대체품으로 신장하고 있는 스피룰리나 청색소와 가격경쟁력이 있어서 앞으로의 수요는 더 커질 수 있을 것으로 사료된다. 치자적색소는 520-540 nm에서 최대흡광도를 나타내며, 이는 청색소와 마찬가지로 이리도이드 배당체를 효소 및 미생물로 가수분해한 구성물과 일차 아미노 그룹을 포함한 기질과 함께 반응함으로써 형성된다. 치자 색소는 식품 뿐만 아니라 섬유의 염색에도 우수한 천연색소로서 가치가 있다고 사료된다. 따라서 앞으로 식품에 있어서 천연색소로의 대체가 당면한 과제이며 이를 위해 식용색소로서 조건들을 만족시킬 수 있는 기술개발은 계속 이루어져야 할 것이다. 천연색소의 안정성 문제는 식품 뿐만 아니라 화장품, 섬유 염색 등 거의 모든 부분에서 제약이 되므로 추후 천연염료 (특히 치자 염료)의 안정성을 증가시킬 수 있는 품질 개발과 생산 코스트 다운을 위한 연구는 전체 천연색소 시장의 성장에 필수불가결하다.
아임계 및 초임계수 특성에 따른 목질 바이오매스의 당화특성을 분석하기 위하여 물의 초임계 압력인 23 MPa로 고정하고 아임계 온도($325^{\circ}C$, $350^{\circ}C$)와 초임계 온도($380^{\circ}C$, $400^{\circ}C$, $425^{\circ}C$)에서 현사시나무 목분을 각각 60초 동안 처리하였다. 생성된 현사시 목분의 분해산물에는 액상과 고형분의 분해산물이 섞여 있었다. 각 처리조건에 따른 목분의 분해율은 처리 온도가 상승함에 따라 증가하였으며 초임계 온도인 $425^{\circ}C$에서 최고 83.1%의 분해율을 나타냈다. 아임계 및 초임계수 분해에 의해서 생성된 단당류는 액상의 분해산물을 대상으로 고성능 음이온 교환 크로마토그래프(HPAEC)를 이용하여 분석하였다. 목질바이오매스의 초임계수 분해과정에서 처리온도가 높아지면서 단당류 수율은 증가하는 경향을 보였으며, $425^{\circ}C$에서 가장 높은 7.3%의 단당류 수율을 나타내었다. 아임계 온도 범위에서는 현사시나무의 섬유소 성분 중에서 자일란이 우선적으로 분해되어 자일로스의 생성비율이 비교적 높았으며, 처리온도가 높아지면서 셀룰로오스의 분해에 의한 글루코오스 생성율이 급격히 상승하였다.
대두분과 청국장분은 소맥분에 비해 조단백질(44.6%)이 약 3~4배, 회분(5.4%)은 15~18배, 조지방(18.4%)은 8~11배, 섬유소(12.2%)는 4배 높은 것으로 나타났다. Farinograph에서는 대두분과 청국장분의 첨가량을 증가함에 따라 수분흡수율이 증가하였으며, 형성 시간은 대조구에 비해 청국장분 혼합율이 증가함에 따라 길어지는 경향을 보였다. 반죽의 힘이나 강도의 지표가 되는 반죽의 안정도에서는 대두분과 청국장분의 함량이 증가할수록 안정도가 감소되었다. 대두분과 청국장분의 혼합비율이 증가할수록 부피가 감소하였으나, 빵의 무게는 무거워졌다. 빵 단면(bread crumb)의 색상은 대두분과 청국장분 함량이 5%, 10%, 20% 증가함에 따라 색의 밝은 정도를 나타내는 명도(lightness)값은 점차 감소하여 어두워지는 경향을 나타냈고, 적색(redness)과 황색(yellowness)값은 약간씩 감소하는 경향을 보였다. 관능검시 결과 색, 향, 조직감, 맛과 전체적인 기호도에서 대두분 10%, 청국장분 5% 첨가군이 가장 높은 점수를 보였으나 통계적으로 유의적인 차이를 나타내지 않았다.
자연계에서 섬유소분해능이 우수한 균을 분리하였고 섬유소분해능을 더욱 증진시키기 위한 기초단계로서 그 분리균주의 원형질체 생성과 융합의 최적조건을 조사하였다. 토양에서 채취한 시료로부터 섬유소분해능력이 우수한 Aspergillus sp., Penicillium sp., Trichoderma sp., 3균주를 분리 동정하였고 산업적으로 유용한 균주이며 cellulase activity가 있는 Aspergillus niger를 비교균주로 선택하여 각각의 효소활성도를 비교 조사한 결과, Aspergillus sp.가 가장 좋은 효소활성도를 보였으며 그 다음 Penicillium sp., Trichoderma sp., 그리고 Aspergillus niger 순이었다. 효소활성도가 가장 좋은 Aspergillus sp.에 자외선$(12erg/sec/mm^2)$을 4 분 30초 동안 조사하여 영양요구성 변이주를 유도, 분리하였다. 세포벽분해효소로는 pH6.0에서 ${\beta}-glucuronidase$가 효과적이었고 그 효소를 농도별로 처리해본 결과 5, 000unit/ml가 최적농도이었다. 재생률은 삼투안정제로 0.6M KCI을 사응하여 pH6.0에서보았을 때 야생형은 7.0%, met. 영양요구주는 7.5%, arg. 영양요구주는 5.2%이있다. 영양요구성변이주간의 원형질체융합에 필요한 PEG는 분자량이 6,000인 것이 좋았으며 최적농도는 $30^{\circ}C$ 이었다. 이때 융합율은 1.2%까지 획득하었다.
섬유소 분해능이 우수한 P. verruculosum 의 분생포자로부터 원형질체의 생성 및 재생에 대하여 조사하였다. 균의 원형질체 생성을 위한여 2-deoxy-D-glucose(2-DG) 가 첨가된 최소배지에서 분생포자를 10-12 시간 전배양 시킨후 시판 세포벽분해효소들을 작용시켜 본 결과 그중 Novozyme 234 (1%, w/v) 에서 50% 이상의 가장 좋은 원형질체 생성 수율을 보였다. 전배양 되지 않은 포자로부터는 원형질체 생성이 이루어지지 않았으며 원형질체 생성율을 향상시키기 위한 첨가테로서 2-DG 의 효과가 무첨가에 비해 2배 이상의 수율을 증가시켰다. 포자 원형질체의 재생율은 49.2% 로 동 균주의 균사체 원형질체의 재생율4.6-27.8%(삼투압 조절체로서 0.6 M magnesium sulfate) 보다 높았다. 원형질체 생성 및 재생을 위한 상투압 안정제로서는 0.6M ammonium sulfate 와0.6 M magnesium sulfate가 가장 적절하였다. 광학 형미경을 통하여 부풀린 포자로부터 원형질체의 생성과정과 두 가지 각기 다른 양상의 재생과정이 관찰되었다.
섬유소 분해효소를 강하게 생성하는 Rhizopus속에 속하는 균주를 인삼의 뿌리에 번식하는 부패균에서 분리하여, 이 균주가 생성하는 cello-lase에 대한 효소의 특성에 관하여 조사한 결과, (1) 본 효소의 최적 pH는 4.5, 최적온도는 5$0^{\circ}C$이었다. (2) 본 효소는 pH 3.0~7.0의 범위에서 안정하며, 5$0^{\circ}C$의 온도에서는 안정하나, 6$0^{\circ}C$ 이상의 온도에서는 열에 의해 급격한 실활이 일어난다. (3) Co$^{++}$, Mn$^{++}$ 이온에 의해 효소활성이 촉진되었으며 이때 Co$^{++}$이온은 $10^{-3}$M일 때 최대 활성을 나타냈고, Mn$^{++}$ 이온은 농도가 증가할 수록 활성이 촉진되었다. (4) EDTA등에 의해서는 영향을 받지 않았으나, 2.4-DNP와 SDS에 의해 강하게 저해를 받았다. (5) 결정성 cellulose를 기질로 사용하였을 때에도 반응시간을 길게 하면 상당히 분해되었으며, 인삼피, 인삼엽, Laminaran, Xylan에 대해 특히 분해력이 강하였다. (6) Co$^{++}$, Mn$^{++}$이온이 본 효소에 열보호작용을하였으며 saponin을 반응액에 첨가하였을 때 최종농도 0.5%에서 효소활성이 가장 촉진되었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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