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工業的으로 生産되고 있는 微生物性 polysaccharide

작성자 일산실업(주) | 작성일시 2015-05-22 16:38 | 조회 1,791
工業的으로 生産되고 있는 微生物性 polysaccharide

Ⅰ. 槪 論

多糖類(polysaccharide)는 단순다당류(simple polysaccharide)와 복합다당(heteropolysaccharide)가 있으며, 일반식은 Cx(H2O)x로 표시되며 배당체결합(glycoside bond)에 의해 H2O가 제거된 각각의 소단위가 응축된 생태로 존재하며 2-6개의 단당류 단위로 이루어진 화합물 즉 소당류(oligosaccharide, greoligos: few)라 한다. 이 중에서 2개의 단당류 단위로 된 disaccharide가 가장 중요하며 sucrose(table sugar), lactose(milk sugar), maltose등이 여기에 속한다. 또한 당류 단량체를 연결하는 제1탄소에 부착되어 있는 hydroxyl radical(-OH) 위치에 따라서 ??or ? 배당체 결합의 종류가 달라지며 生理的으로 도 중요하다.

① 다른 기능과 특성을 가지는 다양한 거대분자(polylmer)를 이루기 위해 두개 이상의 소단위를 결합.

② ?-?or ?-glycosidic linkage에 각각 다른 효소들이 작용하므로 구조와 기능에 사용되는 화학물질들을 세포가 구별할 수
있다.
③ 세포에서의 각분자의 역활은 분자의 종류에 따라 달라서 ?배당체는 新陳代謝에 관여하고, ?배당체는 많은 構造分子(structure molecular)를 생성하는데 관여한다. 다당류는 보통 수백 또는 수천개의 단당류를 포함하고 있지만 이런 소단위가 10개 정도만 있어도 중합체형으로서의 한분자로 규정지을 수 있고 생명계에 미치는 가장 중요한 먹이와 저장구조에 관여되는 것이다.

Eukaryotic cell에서 두가지 중요한 먹이원은 澱粉과 glycogen이다. 전분은 amylose와 amylopectin으로 구성되 있고, glycogen은 약 30000개의 glucose가

?-1,4-glycosidic linkage를 하고 있으며 간혹 ?-1,6-glycosidic linkage를 가진 긴 사슬로 되어 있다. 진핵체를 구성하고 있는 다당류로는 cellulose와 chitin이 있는데 이들은 단량체 단위간에 ?-glycosidic linkage를 이루고 있으며 대부분의 조류와 모든 고등식물들의 세포벽에는 cellulose가 포함되 있고, chitin은 질소를 포함하는 N-acetylglycosamine(NAG)기가 ?-1,4-glycosidic linkage된 구조로서 진균류의 세포벽과 곤충, 갑각류, 그외 다른 무척추 동물에서 발견되며 모두 화학적으로는 동일하다(1).

수백종류의 천연 다당류가 최근에 알려지고 있으며 가장 풍부한 것 중의 하나이고, 기능 및 구조적으로 가장 오래된 다양한 biopolymer중의 하나이며, 유망한 응용분야는 제약, 상처치료, 암치료, 보존제, 바이러스 및 세균의 처리, AIDS 및 어린이 influenza를 포함하고 있다(2). 또한 다당류는 상업적으로 유화제, 식품, 의약품, 공업적 산물의 부형재, 안정제등에 사용되며 원유회수 과정에서 기름표면을 강하게 하기 위해 액체내에서 중합물질로서도 사용된다. 특히 다당류는 기능성 식품소재로서 식물성 다당류(starch, alginate, agar) 보다 미생물성 다당류가 1960년대 이후 광범위하게 사용되고 있다(3). 그러나 생산가격 때문에 상업적으로 이용되고 있는 다당류는 extracellular polysaccharide에 제한되고 있다. 상업적으로 이용되고 있는 미생물의 biosynthesis 다당류는 xanthan, alginate, curdlan, scleroglucan, pullulan, homopolysaccharide인 dextran, mutan(?-1,3-glycosidic linkage가 전결합의 반이상을 차지)(4), nigeran, elasina,luteic acid,levan(?-2,6 fructan), galactan, mannan, phospho

-galactan, maltooligosaccharide(5), hyaluronic acid, PHB(polyhydroxy

-bytyrate), gellan등이 있으며 이중 dextran, xantahan, gellan은 미국 FDA에서 식품첨가물로 허가된 바 있으며(6), 주된 산업적 용도는 Table 2와 같다. Biopolymer의 상업 및 산업적 용도는 Table 1 및 Table 2와 같이 상업화된 biopolymer의 용도가 다양해지고 있으며 산업적인 polysaccharide의 소비량, 가격은 Table 3과 같다.

최근에는 bacterial extracellular polysacchaides의 高生産性 균주개발을 목적으로 遺傳子 技法을 도입하고 있으며 유용한 多糖類를 보다 經濟的으로 생산하기 위해서는 硏究目的과 構造分析(Fig. 1 & 2)등 효과적인 개발전략이 필요하다.


Ⅱ. 工業的으로 生産되는 多糖類의 種類

1. Xanthan

1) 構造

▶기본적인 반복단위는 glucose, mannose, glucuronic acid, acetate, pyruvate를 포함하는 5탄당으로 구성되 있다(Table 3).

2) 균주

▶생성균주는 안정하지 못하고 불균일한 colony를 형성하고 생산성이 낮음.

▶X. campestris 변이균주에 의해 새로운 polytrimer gum이 생산되었다.

▶Xanthan gum 생합성 유전자의 cloning은 broad host range cosmid pLAFR1을 이용하여 X. campestris로서 하였으며, 다른 연구에서는 X. campestris genome의fragments를 포함하고 있는 recombinant plasmids pIJ3040과 pIJ3041로서 EPS(extracellular polysaccharide)-deficient mutanmt를 EPS 생산균주로 복구하기위해 사용하고 있다.

3) 생산

▶상업적인 영양성분은 2-4% carbohydrate(glucose, sucrose, corn starch hydrolysate), 0.05-0.1% nitrogen(yeast extract, peptone, ammonium nitrate, or urea), pH 7로 조절하기 위한 염으로 구성

▶점성은 회분배양 2일 동안 대수증식기(log phase)에서 휴지기(resting phase)까지 계속되며, 대량배양에서는 점성이 20-30000cp까지 될 수 있으나 10000cp이상이 되면 기술적인 문제를 야기할 수 있다.

▶사용한 carbohydrate의 무게당 xanthan 생산효율은 70-80%이고, 수율은 20-30g/l이다.

▶생합성은 Fig.3과 같이 pentameric repeating unit가 C55로 표시된 isoprenoid lipid carrier로서 합성된다.

▶2% glucose가 보충된 yeast-malt 배지에서 늦은 log phase까지 배양한 후 원심분리기로 회수한다. 세척한 세포는 다시 Tris-HCl, 70mM, pH 7.2, 10mM EDTA에서 처리한다.

▶Xanthan은 Xanthomonas campestris에 의해 생산(Table 4)되며 상업적으로 이용되는 첫번째 이형다당류(heteropolysaccharide)로서 1950년대 말에 만들어져 1964년에 시판되었다.

4) 회수

▶Isopropanol이나 methanol로써 polysaccharide를 침전(이 공정에서 배양균이 죽는다)시켜 침전된 xanthan을 건조,분쇄하여 생산한다.

5) 용도

▶Xanthan gum(Fig. 2 참조)은 Xanthomonas 속의 세균에 의해 생산되는 anionic heteropolysaccharide는 극히 높은 점도와 pseudoplaciticity 때문에 제품의 용도가 광범하다.


2.Dextran

1) 균주

▶Leuconastoc mesenteroides의 여러균주에 의해 생성.

2)구조

▶MW: 15000-50000정도의 분자량을 갖는 복합체, 대부분은 ?-1,6-glucosidic link를 갖는 glucan이다. 그러나 dextran은 1,2-, 1,3-, 1,4-glycosidic linkage를 갖는 compounds도 있다.

3) 생산방법

▶Transglucosidase인 dextransucrase 효소에 의해 생성되며 이 효소는 자당 glucose-frutoside에 작용하여 glucose단위들을 dextran으로 중합하고 과당을 방출한다.

▶무기인산과 유기질소원을 가진 배지에서 회분배양으로 생산된다(Table 5).

4) 회수

▶알콜 침전에 의해 얻어지는 천연의 dextran(MW:500000)은 산이나 dextranase로 가수분해하여 원하는 크기의 분자량을 가진 dextran(MW: 40000-60000) 수용액을 얻을 수 있으며 정제된 dextran 수용액은 무색, 무미, 무취의 투명한 액체로서 낮은 농도에서도 높은 점도를 나타낸다(6). 이 수용액을 건조하여 dextran을 생산할 수 있다. 또한 배양액 속의 fructose도 회수가 가능하다.

5) 용도

▶혈장효력 증진제(extender, 대용혈장제)로서 혈액의 흐름에 직접 영향을 준다.,

▶식품생산, 석유회수증진제(Drilling), 유화제, 점착제, 물성조절제등에 오래전부터 사용되 왔으며 시럽과 캔디의 보습성 증진 및 설탕결정 방지, 껌과 젤리의 젤화, 이이스크림의 빙결방지, 유체식품의 물성조절등 유동학적 특성이 많이 응용되고 있다(6).

▶Dextran은 macromolecular drug derivative로서 매우 좋아 약품 담체로서 사용이 증가되고 있으며 활성 dextran 유도체의 응용과 수식(modification)의 연구가

되고 있다(2).

▶일본 三共社는 불용성인 glucan 치석을 녹이는 효소 dextranase를 대량생산 치약에 첨가하고 있다.

6) 기타

▶제당공장에서 제조공정중에서 생성되어 여과저해

▶구강의학(7): 충치의 발병은 음식물중의 설탕과 구강내 충치병원균의 일종인 Streptococcus mutans가 생성하는 dextransucrase의 작용으로 glucan이 만들어지고 이러한 glucan이 齒石形成-->蟲齒로 발전한다. 따라서 dextranase의 투여로 치석방지-->충치예방(치약, 가글류, 껌등에 첨가)


3. Curdlan

1) 균주/구조

▶Alcaligenes faecalis var. myxogenes가 2개의 ?-1,3 linear glucan, curdlan, succinoglucan을 생산함(Table 3).

▶Succinoglucan은 glucose와 약 10%의 succinic acid, galactose를 함유하고 있는 반면에 curdlan은 단순한 glucose polymer이다.

2) 생산

▶8% glucose를 포함한 배지에서 80시간 동안 발효가 경과하면서 생산되며 수율은 40g/l이다.

▶발효과정 중 점도는 curdlan이 물에 난용성이므로 증가되지 않으나 succinoglucan은 점도가 있으므로 4% glucose 배지에서 35% 생산효율로 생산할 수가 있다.


4. Scleroglucan

1) 균주

▶Sclerotium glucanicum, S. delphinii, S. rolfsii, Helotium sp.에 의해 생성, 가수분해된 lignocellulose 기질에서 자람.

2) 구조

▶주로 ?-1.3으로 연결되 있고, 경우에 따라 ?-6,1-glycosidic linkage를 한 glucose 단위를 갖는 다당류이다.

3) 생산

▶발효, 정제, 효소적으로 가능한 절단은 생산조건이 최적화되면 경제적으로 가능한 공정임

4) 용도

▶식품생산 및 3차석유회수 과정에서 사용

5. Pullulan

1) 균주/배지

▶곰팡이인 Aureobasidium pullulans(Pullularia pullulans)애 의해 생산, 5% glucose배지에서 5일간 배양하면 70%의 효율을 나타낸다.

2) 구조

▶?-1,4와 약간의 ?-1,6-glycosidic linkage를 가지며, 분자량은 약 20만이다.

▶Pullulan은 수용성 천연 gluccan으로 ?-1,6 linkage에 의해 결합된 mltotriose unit의 직선상의 고분자이다(8).

3) 용도

▶식품, 약품, 기타 산업에 pullulan의 응용증가와 A. pullulans에 의한 생산에 관한 연구가 강조되고 있다.

▶중성의 다당류로서 무미, 무취, 비결정의 백색분말로서 내열성, 내효소성, 내산, 내염기성이 우수하여 각종식품의 품질개량 또는 신제품개발에 이용되고 있다.

▶物理的인 성질로서 接着性, 점착성, 피막성, 水溶性이 성질을 이용하고 있다.


6. Chitin

1) 균주/생산

▶Chitin synthase Ⅰ과 Ⅱ의 두개의 chitin 생산효소 존재하에 효모 S. cerevisiae로 생산 입증된 바 있다.

▶Chitin은 지구상에 섬유소 다음으로 풍부하게 존재하는 biomass로서 매년 1x109톤 정도가 해양 무척추동물, 곤충, 곰팡이 등에서 생합성되고 있으며(9), cellulose다음으로 자연에서 발견되는 가장 풍부한 biopolymer이다(2,9).

▶게 껍질의 70%, 곤충껍질의 30-40%, 연체동물 건조표피의 40%내외가 chitin이다.

▶chitin과 chitosan을 강산으로 처리하거나 chitinolytic 효소로서 가수분해하여 생산할 수 있다(9).

2) 구조

▶N-acetylglycosamine(NAG)기가 ?-1,4-glycosidic linkage로 된 결정구조를 이루고 분자의 배열에 따라 ?,?,?형으로 나눈다.

3) 용도

▶1985년 봉합사로 개발 이용

▶Chito oligosaccharide제조, 항생물질전구체인 glucosamine, 식품, 의약품,농축산분야에 이용(10).

▶Chitin의 가수분해물인 chitooligosaccharide는 혈중 콜레스테롤의 저하, 항암작용, 상처회복촉진, 항진균성, 항균성, 유산균증식촉진등 각종 기능성이 알려짐.

▶유도체들은 의료, 식품, 농업, 의류, 폐수처리, 화장품(모발고정제)과 같은 분야에 널리 이용되고 있다.

▶chitin의 가수분해물인 chitooligosaccharide는 혈중 choleterol의 저하, 항암 작용, 상처회복 촉진, 면역기능증진(항체), 항진균성, 유산균증식촉진 등과 같은 기능성이 알려져 앞으로 널리 이용될 것이 기대된다.

▶약 80%가 수산가공공장등의 폐액중의 단백질 회수재로 이용되고 회수된 단벡질은 비료로 이용된다.

▶고정화 효소의 包括材등

7. Alginate

1) 균주

▶Pseudomonas aeruginosa, Azotobacter vinelandii가 2개의 uronic acid, manuronic acid, glucuronic acid로부터 생산하며 제한된 양의 탄소 혹은 질소하에서 더 잘 생산하며, 그 중에서도 질소 양이 제한되었을 때 더 높게 생산된다(Table 5).

▶Azotobacter나 Pseudomonas터 alginate의 생합성 경로는 부분적으로 규명되 있으며(Fig. 5), alginate gene __EXPRESSION__의 조절에 있어서 진보는 안정적이고 고수율 세균 균주로부터 고분자의 생산에 있어 매우 중효하다.

2) 구조

▶현재 세포외에서 생합성과정에 대해서는 거의 알려져 있진 것이 없고 분자의 자세한 구조도 거의 알려져 있지 않다.

▶갈조류의 세포벽 성분, 분자량: 38000-200000, 음이온성 polysaccharide임.

3) 생산

▶해초에서 상업적으로 생산되었으나 생산균주에 의해 대량생산될 전망임.

▶생합성은 포도당-인산 거쳐 만들어 지고 GDP-mannose---、GDP-mannuronic acid등의 전환과정으로 진행된다(Fig. 5. Biosynthetic pathway).

8. Cyclodextrine(CD)

1) 균주

▶B. macerans, B. megatarium, B. circulans, B. stearothermophilus etc

2) 구조

▶CD는 6-8개의 D-glucose가 cyclic type로 결합한 환상 dextrine이며, 포도당의 수에 따라 ?-CD(glucose 6개), ?-CD(glucose 7개), γ-CD(glucose 8개)로 구분(2,5,11).

3) 생산

▶전분에 특수한 전이작용을 가지는 cyclomaltodextrine glucanotransferase

(CGT-ase)를 작용하여 제조한다.

▶1984년에 일본의 貝沼등은 CD합성 효소를 code하는 유전자를 Bacillus균에 조합해서 생산에 성공하였으며 현재 생산성을 높이는 연구가 진행되고 있다.

4) 용도

▶香辛料중 揮發性物質 유지(11), 香料(feeze dry 홍차, chewing gum), 甘味성분, vitamin등을 inclusion complex형에 이용, 청주중의 향기성분 유지(12)에 이용한다.

▶환의 내측은 疏水性이고 외측은 水溶性 성질을 가지므로 CD내부에 다른 물질을 넣어 난용성인 물질을 水溶性 또는 安定化시키는 독특한 성질이 있다.

▶전분으로부터 제조되는 고부가가치의 물질로서 생산원가 감소, 용도개발, 수요확대에 진역을 하고 있다.

▶인공 효소의 model로서의 연구가 왕성하다.


※參 考 文 獻※

1. 김성준.박영순.이원호.이호자.추종길. 1993. 신편 세포생물학.pp75-78)

2. Yalpani M. 1987. Synthesis and Characterization of polysaccharide. Industrial Polysaccharides:Genetic Engineering,STructure/Property Relations and Applications.

3. Extracellular polysaccharide file. A-397. pp187-190

4. Kobayashi, M.1986. Enzymatic Studies on the Biosythesis and Degradation of Dextran from Leuconostoc mesenteroides.Nippon Nogeikagaku Kaishi 60: 717-723

5. 서정훈. 1993. 공업미생물학. pp328-334

6. 박춘상.이철호. 1992. Leuconastoc mesenteroides Sikhae의 Crude Dextransucrase 반응시간에 따른 Dextran 생성액의 유변성. Kor. J. Appl. Microbiol. Biotechnol.20:316-323

7. 이종태.이동희.곽이성.김영호.성현순.김찬조. 1995. Dextranase 생산균주의 분리, 동정 및 효소생산. Kor. J. Appl. Microbiol. Biotechnol.23:405-410

8. Shin, Young-chul and Si-Myung Byun. 1991. Effects of pH on the Elaboration of Pullulan and the Molphology of Aureobasidium pullulans. Kor. J. Appl. Microbiol. Biotechnol. 19:193-199

9. 정의준.이용현. 1995. Chitooligosaccharide 생산에 적합한 Chitinase를 분비하는 균주의 선별, Chitinase의 분리정제 및 반은특성. Kor. J. Appl. Microbiol. Biotechnol.23:187-196

10. 이강표.김창남.유주현.오두환. 1990. Aeromonas salmonicida YA7-625에 의한 Chitinase의 생산 및 정제. Kor. J. Appl. Microbiol. Biotechnol. 18:599-606

11. Ito, K., T. Hasuo, N. Miyano. 1988. Retention of the Aromatic Components in Sake by Cyclodexrin. J. Brew.Soc. Japan. 83:201-204

12. Ito, K., T. Hasuo, N. Miyano. 1988. Application of Cyclodexrin Glucanotransferase to Sake Making. J. Brew.Soc. Japan. 83:339-342  


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