Lim, Ji Sung;Jang, You Ri;Lim, Young Hoon;Kim, Keun
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제22권10호
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pp.1401-1405
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2012
A thermotolerant Saccharomyces cerevisiae mutant strain, TT6, was constructed after multi-parental hybridization of five mutant strains obtained by UV or NTG treatment of the original strain, S. cerevisiae KV1. When incubated at $40^{\circ}C$ in YPD broth, TT6 began to grow exponentially in 10 h, but KV1 did not show any noticeable growth even after 22 h. The thermotolerant growth of TT6 was confirmed by serial dilution assay at $42^{\circ}C$; TT6 grew at a cell concentration ($10^{-5}$) 10,000 times lower than that of KV1 ($10^{-1}$). Whereas ethanol production from YP containing 23% (w/v) glucose by KV1 decreased with increasing temperature from $30^{\circ}C$ to $36^{\circ}C$, ethanol production by TT6 did not decrease at temperatures up to $37^{\circ}C$. When TT6 was tested for ethanol production at $36^{\circ}C$ by simultaneous saccharification and fermentation (SSF) from 23% corn, 24 h of fermentation time or 50% of the glucoamylase dose was saved when compared with KV1 at $30^{\circ}C$. The ethanol yield from corn by SSF with TT6 at $36^{\circ}C$ was 91.7% of the theoretical yield, whereas that of KV1 at $30^{\circ}C$ was 90.6%.
본 연구는 전분을 증자하지 않고 직접 효소제를 작용시켜 효율적인 당화를 시키고자 하였다. 원료 전분의 산침지와 macerating enzyme, ${\alpha}-amylase$, glucoamylase 를 처리하여 증자 전분의 당화율보다 더 높은 당화율을 얻었다. 실험에 사용한 전분질의 전당은 시료 g당 쌀 4.53, 고구마 4.26, 타피오카 3.92 mmole 이었다. 현재 주정공업에서 사용하는 알코홀 발효 조건을 기준으로 하여 당화시킨 결과는 전당의 $70{\pm}10%$가 당화되었다. 무증자 전분의 당화시 전분질 입자의 크기에 따른 당화율은 입자가 적을수록 효율적이었다. 산 전처리에 있어서 산의 농도와 온도 및 처리 시간은 시료 : 처리 용적 - 1 : 2 일때 5 % $H_2SO_4$, $60^{\circ}C$, 12시간에서 좋은 결과를 나타내었다. 전분질의 무증자 당화에 사용하는 효소의 최적 조건은 pectin depolymerase는 pH 4. 5, $45^{\circ}C$, 2시간이 우수 하였으며, ${\alpha}-amylase$ 는 pH 6.0, $60^{\circ}C$, 1시간, 그리고 glucoamylase는 pH 3.5, $60^{\circ}C$, 1시간의 조건이 유리하였다. 효소의 처리방법은 동시 처리가 단계별 처리보다 효과가 좋았고 jar fermenter 를 사용하여 행한 것이 삼각 후라스크에서 행한 것보다 효과가 좋았다. 각 처리 결과에서 얻은 최적 조건으로 무증자 전분을 당화시킨 결과 전당을 기준으로 타피오카는 82%, 쌀은 90.5%, 그리고 고구마는 84.5%가 당화 되었다.
Aspergillus niger was selected as a strain producing the potent raw starch hydorlyzing enzyme. These experiments were conducted to investigate the conditions of the glucoa- mylase production, the purification of the enzyme, some characteristics of the purified enzyme and hydrolysis rate on various raw starches such as com, rice, potato, glutinous rice, sweet potato, wheat and barley. The optimum cultural temperature and time for the enzyme production on wheat bran medium were $30^{\circ}C$ and 96hrs, respectively. The respective addition of yeast extract and nutrient broth on wheat bran medium increased slightly the enzyme production. The enzyme was purified by ammonium sulfate fractionation and DEAE-cellulose column chromatography. The specific activity of the purified enzyme was 30.7u/mg-protein and the yield of enzyme activity was 25.8%. The purified enzyme showed a single band on polyacrylamide disc gel electrophoresis and its molecular weight was estimated to be 56,000 by SDS-polyacrylamide disc gel electrophoresis. The isoelectric point for the purified enzyme was pH3.7. The optimum temperature and pH were $65^{\circ}C$ and pH 4.0, respectively. The purified enzyme was stable in the pH range of pH 3.0-9.5 and below $45^{\circ}C$, and its thermal stability was slightly increased by the addition of $Ca^{2+}$. The purified enzyme was activated by $Co^{2+},\;Sr^{2+},\;Mn^{2+},\;Fe^{2+},\;Cu^{2+}$. Raw rice starch, raw corn starch, raw glutinous rice starch, raw sweet potato starch, raw wheat starch and raw barley starch showed more than 90% hydrolysis rate in 48hrs incubation. Even raw potato starch, most difficult to be hydrolyzed, showed 80% hydrolysis rate. The purified enzyme was identified as glucoamylase.
Mutation experiments were performed to select the mutant of Aspergillus niger 55, which had lost almost all the ability to produce transglucosidases but retained that of high productivity of raw meal saccharifying enzyme, by means of successive induction with N-methyl-N'-nitro-N-nitrosoguanidine(MNNG), ultraviolet(UV) light, and ${\gamma}$-rays. Also, we used the mutant enrichment techniques, such as liquid culture-filtration procedure and differential heat sensitivity of conidia, in order to increase the possibility of obtaining a mutant. The glucoamylase productivity of mutant PFST-38 was 11 times higher than that of the parent strain. The mutant PFST-38 was morphologically identical to the parent strain, except for the size of conidia, the tendency to form conidia and the lenght of conidiophore. Asp. niger mutant PFST-38 apeared to be useful for the submerged production of the raw corn meal saccharifying enzyme.
Alpha-amylase and glucoamylase activities were higher in koji with 40% water than that with 30 and 50% water, and A. oryzae exhibited very high alpha-amylase and glucoamylase activities compared to A. sojae and A. niger. Acidic, neutral and alkaline protease activities also showed higher activities in koji prepared with flour, Korean wheat powder and soybean powder with 40% water based on the weight of the sample. Alpha-amylase, acidic, neutral and alkaline protease activities of all the koji samples according to incubation periods increased until 3~4 days of incubation and maintained nearly the same level or slightly decreased after 5 days of incubation. The protease activities of A. oryzae and A. sojae showed nearly the same trend regardless of differences in substrate conditions and koji materials, but those of A. niger showed a lower activity than those of A. oryzae and A. sojae. These results suggest that the preparation of koji is possible with Korean wheat powder and soybean powder and A. sojae can be utilized as a new strain for fermented foods using soybean as the main materials to increase functional properties and produce products having a new taste and flavor.
본 연구는 에탄올 생산 부산물인 주정박의 사료로서의 가치를 향상시키고 효소 활성을 유지하면서 아미노산이 다량 함유된 발효 사료를 개발하기 위한 고체 발효 조건을 최적화하는데 목적을 두었다. 사용된 균주의 pH에 대한 영향을 살펴본 결과, pH 4에서 효소 활성이 우수하였으며 또한 이 조건은 낮은 pH 조건이므로 잡균에 대한 오염도 예방 할 수 있어 본 실험의 최적 액체배양 조건임을 확인할 수 있었다. 고체 배양을 위한 배양 조건 탐색에서는 60%의 수분을 함유한 고체 배양에서 가장 좋은 효소 활성의 결과를 나타내었으며 적정 배지 조성을 위한 혼합 비율 탐색의 경우 밀기울 함량이 높고 DDG 함량이 낮을수록 효소 활성은 좋았으나 아미노산 함량은 낮은 반면, DDG 함량이 높고 밀기울 함량이 낮을수록 효소 활성은 낮았지만 아미노산 함량은 높은 결과를 나타내었다. 따라서 효소활성 ($\geqq$ 1,000 U/g) 및 아미노산 함량 ($\geqq$ 28%)이 적당한 고체 발효 배지 조성의 비율은 DDG와 밀기울이 1 : 4였다. 이렇게 해서 얻어진 결과로 약 1 ton 정도의 발효 사료 시제품을 생산하였으며 시제품의 효소활성과 조단백질 함량은 각각 1,024 U/g과 33.6%였다.
In this study, a total of 58 different kinds of nuruk (a traditional Korean fermentation starter) were prepared, including 46 kinds of restored nuruk from ancient documents. Each nuruk was evaluated by analysis of its saccharification power, and the enzyme activities of glucoamylase, ${\alpha}$-amylase, ${\beta}$-amylase, protease, and ${\beta}$-glucanase. The range of saccharification power (sp) of the restored nuruk ranged between 85 and 565 sp. The diastatic enzymes, ${\alpha}$-amylase, ${\beta}$-amylase, and glucoamylase, were significantly correlated to the saccharification power value; conversely, ${\beta}$-glucanase and protease did not have a correlative relationship with saccarification power. In addition, their brewing properties on chemical and organoleptic aspects of traditional alcoholic beverage production were compared. Each raw and supplementary material contained in nuruk showed its own unique characteristics on Korean alcoholic beverage brewing. For the first time, in this study, the traditional Korean nuruk types mentioned in ancient documents were restored using modernized production methods, and also characterized based on their brewing properties. Our results could be utilized as a basis for further study of traditional alcoholic beverages and their valuable microorganisms.
한국 전통누룩으로부터 분리.동정된 Asp. coreanus NR 15-1, Asp. oryzae NR 15-3, 그리고 Asp. oryzae NR 2-5로부터 amylase활성이 높고 세포융합에 사용될 변이주를 분리하고 그의 특성을 검토했다. Aspergillus 속 사상균을 변이처리하기 위한 변이원으로는 NTG를 사용하였으며 Asp. coreanus NR 15-1로부터 총 15종의 변이주중 8종의 영양요구변이주, Asp. oryzae NR 15-3 으로부터 총 5종중 3종의 영양요구변이주를, Asp. oryzae NR 2-5로부터 총 6종중 2종의 영양요구변이주를 분리하였다. 이들 영양요구변이주는 최소배지 에서는 생육하지 않았으며 특정 아미노산과 핵산염기 등을 배지에 첨가했을 경우에만 생육하였다. 분리된 변이주의 당화력, 액화력 및 산 생성능 등을 검토한 결과, 산 생성능이 우수한 균주인 Asp. coreanus NR 15-1로부터 glucoamylase 활성이 높은 \ulcorner(Arg. ̄) 변이주와 Asp. oryzae NR 2-5로 부터 $\alpha$-amylase 활성이 우수한 영양요구변이주인 Z6(Ade. ̄) 변이주를 세포융합에 사용이 가능한 변이주라 사료되었다. 앞으로 이 들의 변이주를 대상으로 세포융합을 통해 우수한 사상균주를 획득할 수 있는 기초적 자료가 됨으로서 전통누룩의 과학화에 기여할 뿔만 아니라 외국 주류와 경쟁력이 있고 과학화된 전통주류의 개발이 가능하리 라 사료된다.
Industrial strain improvement is concerned with developing or modifying microorganisms used in production of commercially important fermentation products. The aim is to reduce the production cost by improving productivity of a strain and manipulating specific characteristics such as the ability to utilize cheaper raw materials or resist bacteriophages. The traditional empirical approach to strain improvement is mutation combined with selection and breeding techniques. It is still used by us to improve the productivity of organisms in amino acids, organic acids and enzymes production. The breeding of high L-lysine-producing strain Au112 is one of the outstanding examples of this approach. It is a homoserine auxotroph with AEC, TA double metabolic analogue resistant markers. The yield reaches 100 g/l. Besides, the citric acid-producing organism Aspergillus niger, Co827, its productivity reaches the advanced level in the world, is also the result of a series mutations especially with $^60Co{\gamma}$-radiation. The thermostable .alpha.-amylase producing strain A 4041 is the third example. By combining physical and chemical mutations, the strain A 4041 becomes an asporogenous, catabolite derepressed mutant with rifamycin resistant and methionine, arginine auxotroph markers. The .alpha.-amylase activity reaches 200 units/ml. The fourth successful example of mutation in strain improvement is the glucoamylase-producing strain Aspergillus niger SP56, its enzyme activity is 20,000 units/ml, 4 times of that of the parental strain UV-11. Recently, recombinant DNA approach provides a worthwhile alternative strategy to industrial strain improvement. This technique had been used by us to increase the thermostable .alpha.-amylase production and on some genetic researches.
Korean traditional Nuruk has been developed with various materials and shapes according to geographical environments and climates of their origins. Nuruk is also known as kokja in Korea, reflecting the understanding that microorganisms such as wild fungi, yeasts, and lactobacillus bacteria are naturally inoculated and reproduced. The objective of this study is to identify the characteristics of traditional Nuruk through recreating traditional production methods detailed in ancient Korean documents. In the present study, a total of 58 different kinds of Korean traditional Nuruk were prepared, including 46 kinds of recreated products. Each Nuruk sample was evaluated for its enzymatic activities, including glucoamylase, protease, and glucanase. Their suitability for alcoholic beverage production were compared to each other. To isolate valuable microorganisms from Nuruk samples, alcoholic beverages produced using each sample were subjected to sensory evaluation to determine their taste. In addition, metabolite changes in traditional alcoholic beverages fermented with different kinds of Nuruk were analyzed through mass-based metabolomics approach. This study presents, for the first time, the traditional production methods written in ancient Korean documents using workable production methods supported by modern technologies. In addition, this study analyzed the characteristics of reproduced Nuruk. It could be utilized as a basis for studying traditional Korean traditional alcoholic beverages and their valuable microorganisms.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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