Optimization of Betacyanin Production by Red Beet (Beta vulgaris L.) Hairy Root Cultures.

Red Beet의 모상근 배양을 이용한 천연색소인 Betacyanin 생산의 최적화

Optimal conditions for the production of natural color, betacyanin were investigated by varying light intensity, C/N ratio, concentrations of phosphate and kinds of elicitors. Batch cultivation was employed to characterize cell growth and betacyanin production of 32 days. The maximum specific growth rate, ${\mu}$$\sub$max/, was 0.3 (1/day) for batch cultivation. The maximum specific production rate, q$\^$max/$\sub$p/, was enhanced 0.11 (mg/g-cell/day) at 3 klux. A light intensity of 3 klux was shown to the best for both cell growth and betacyanin production. The maximum specific production rate was 0.125 (mg/g-cell/day) at 0.242 (1/day), the maximum specific growth rate. The dependence of specific growth rate on the light lintensity is fit to the photoinhibition model. The correlation between ${\mu}$ and q$\sub$p/ showed that the product formation parameters, ${\alpha}$ and ${\beta}$$\sub$p/ were 0.3756 (mg/cell) and 0.001 (mg/g-cell/day), respectively. The betacyanin production was partially cell growth related process, which is different from the production of a typical product in plant cell cultures. In C/N ratio experiment, high carbon concentration, 42.1 (w/w) improved cell growth rate while lower concentration, 31.6 (w/w) increased the betacyanin production rate. The ${\mu}$$\sub$max/ and q$\^$max/$\sub$p/ were 0.26 (1/day) and 0.075 (mg/g-cell/day), respectively. Beta vulgaris L. cells under 1.25 mM phosphate concentration produced 10.15 mg/L betacyanin with 13.46 (g-dry wt./L) of maximum cell density. The production of betacyanin was elongated by adding 0.1 ${\mu}$M of kinetin. This also increased the cell growth. Optimum culture conditions of light intensity, C/N, phosphate concentration were obtained as 5.5 klux, 27 (w/w), 1.25 mM, respectively by the response surface methodology. The maximum cell density, X$\sub$max/, and maximum production, P$\sub$max/, in optimized conditions were 16 (g-dry wt./L), 12.5 (mg/L) which were higher than 8 (g-dry wt./L), 4.48 (mg/L) in normal conditions. The ${\mu}$$\sub$max/ and q$\^$max/$\sub$p/ were 0.376 (1/day) and 0.134 (mg/g-cell/day) at the optimal condition. The overall results may be useful in scaling up hairy root cell culture system for commercial production of betacyanin.

Red beet(Beta vulagris L.) 모상근의 회분배양을 이용한 천연색소인 betacyanin 생산 최적화를 위해 광도, C/N ratio, 인산의 농도를 각각 변화시켜 세포생육과 색소 생산성에 관한 동력학적 분석을 실시했다. 광도변화에 따른 배양 결과 3 klux의 경우 0.3(1/day)의 최대 비 생육속도와 0.11(mg/g-dry cell/day)의 최대 비 생산속도 그리고 14 k1ux에서 0.242(1/day)의 최대 비 생육속도와 0.125(mg/g-dry cell/day)의 최대 비 생산속도를 나타냈다. 광도와 균체의 생육관계를 검토한 결과 광도에 따른 세포 생육은 photoinhibition model이 적용됨이 확인되었다. Red beet 모상근으로부터 betacyanin의 생산은 partially growth related process임이 입증됐다. 이에 따른 세포당 최대 betacyanin 생산을 나타내는 $\alpha$는 0.3756 (mg/cell)이며, 최대 생산속도를 나타내는 $\beta$는 0.001 (mg/g-cel1/day)로 측정됐다. C/N ratio에 따른 실험결과 42.1(w/w)에서 0.26(1/day)의 최대 비생육 속도를 나타내었으나 최대 비 생산속도는 31.6(w/w)에서 0.075(mg/g-cell/day)를 나타냈다. 인 농도에 대한 균체의 생육 및 물질 생산성의 관계를 검토한 결과 1.25mM에서 0.31(1/day)의 비생육 속도와 0.134(mg/g-dry cell/day) 비생산 속도를 나타내었다. 최적 조건을 결정하기 위한 response surface methodology(RSM)결과 세포 생육과 betacyanin의 최대 생산을 위한 최적 광도는 5.5 (klux),최적 C/N ratio와 인의 농도는 27(w/w), 1.25 (mM)로 결정됐다. 그리고 0.1 $\mu$M kinetin 첨가시 대조구에 비해 비생산성이 0.085(mg/g-dry cell/day)로 증가함이 입증됐다. Normal조건과 optimum조건의 비교결과 세포의 농도인 X(g-dry wt./L)가 8와 16, betacyanin의 생산량인 P(mg/L)가 4.48과 12.5, 그리고 optimum 조건에서 최대비 생육속도인 $\mu$$_{max}$ 가 0.375와 그리고 최대비 생산속도인 q$^{max}$ $_{p}$ 는 0.134로 약 2배로서 최적화가 되었다.