Development of a Novel Medium with Chinese Cabbage Extract and Optimized Fermentation Conditions for the Cultivation of Leuconostoc citreum GR1

In the kimchi manufacturing process, the starter is cultured on a large-scale and needs to be supplied at a low price to kimchi factories. However, current high costs associated with the culture of lactic acid bacteria for the starter, have led to rising kimchi prices. To solve this problem, the development of a new medium for culturing lactic acid bacteria was studied. The base materials of a this novel medium consisted of Chinese cabbage extract, a carbon source, a nitrogen source, and inorganic salts. The optimal composition of this medium was determined to be 30% Chinese cabbage extract, 2% maltose, 0.25% yeast extract, and $2{\times}$ salt stock (2% sodium acetate trihydrate, 0.8% disodium hydrogen phosphate, 0.8% sodium citrate, 0.8% ammonium sulfate, 0.04% magnesium sulfate, 0.02% manganese sulfate). The newly developed medium was named MFL (medium for lactic acid bacteria). After culture for 24 hr at $30^{\circ}C$, the CFU/mL of Leuconostoc (Leuc.) citreum GR1 in MRS and MFL was $3.41{\times}10^9$ and $7.49{\times}10^9$, respectively. The number of cells in the MFL medium was 2.2 times higher than their number in the MRS media. In a scale-up process using this optimized medium, the fermentation conditions for Leuc. citreum GR1 were tested in a 2 L working volume using a 5 L jar fermentor at $30^{\circ}C$. At an impeller speed of 50 rpm (without pH control), the viable cell count was $8.60{\times}10^9$ CFU/mL. From studies on pH-stat control fermentation, the optimal pH and regulating agent was determined to be 6.8 and NaOH, respectively. At an impeller speed of 50 rpm with pH control, the viable cell count was $11.42{\times}10^9(1.14{\times}10^{10})$ CFU/mL after cultivation for 20 hr - a value was 3.34 times higher than that obtained using the MRS media in biomass production. This MFL media is expected to have economic advantages for the cultivation of Leuc. citreum GR1 as a starter for kimchi production.

폐배추 추출물을 이용한 Leuconostoc citreum GR1 종균 배양용 최적 배지 및 배양 조건 개발

종균용 김치를 제조를 하기 위해서는 김치 공장에서 저가로 종균이 대량배양 되어야 한다. 그러나 현재의 유산균배지는 종균 생산용으로 사용하기에는 비용이 많이 든다. 이를 해결하기 위해서는 새로운 배지를 개발해야 하는데 새로운 배지를 개발하기 위한 기본적인 요소에는 배추 추출액, 탄소원, 질소원, 무기염류가 있다. 선정된 최적배지 조성은 배추 추출액 잎 30%, maltose 2%, yeast extract 0.25%, $2{\times}$ salt stock(2% sodium acetate trihydrate, 0.8% disodium hydrogen phosphate, 0.8% sodium citrate, 0.8% ammonium sulfate, 0.04% magnesium sulfate, 0.02% manganese sulfate)으로 나타났다. 그리고 새롭게 개발된 배지의 이름은 MFL로 명명하였다. Leuconostoc(Leuc.) citreum GR1을 $30^{\circ}C$에서 24시간 배양하면 MRS 배지에서는 $3.41{\times}10^9$ CFU/mL, MFL 배지에서는 $7.49{\times}10^9$ CFU/mL의 생균수로 MFL 배지에서 배양하면 MRS 배지에서 배양했을 때보다 2.2배 더 높은 성장을 보였다. 또한 최적화 배지의 scale-up을 위해 5 L 발효조를 이용하여 2 L의 working volume으로 Leuc. citreum GR1을 배양하였다. 교반속도는 50 rpm에서 생균수 $8.60{\times}10^9$ CFU/mL를 얻었다. 발효조의 pH 조절은 pH-stat mode로 하였으며, 균체 성장의 최적 pH는 수산화나트륨 수용액을 이용한 pH 6.8이었고, 이 조건으로 20시간 배양 후 $11.42{\times}10^9(1.14{\times}10^{10})$ CFU/mL의 균체를 얻을 수 있었다. 이는 MRS 배지로 사용하여 얻은 생균수의 3.34배에 해당하는 높은 값으로, 본 연구에서 개발된 MFL 배지는 김치 종균용 Leuc. citreum GR1 배양을 위한 배지로 배지 단가 절감, 높은 균체 수율 등 충분한 경제적 장점을 기대할 수 있다.