신규 해양 미생물 Sabulilitoribacter sp.를 이용한 지아잔틴 생산 생물공정 개발 = Development of bioprocess for zeaxanthin production by the novel marine bacterium, Sabulilitoribacter sp.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 지아잔틴을 합성하는 신규 해양 미생물 Sabulilitoribacter sp. 를 대상으로 회분식 배양에서의 배양 특성을 확인하고 배양 배지의 통계학적 최 적화를 통해 지아잔틴 생산성을 향상시켰다. 우선, 배양 조건 최적화를 위해 배 양 온도 및 초기 pH를 조절한 결과, 세포 성장과 지아잔틴 생산에 가장 적합한 조건은 배양 온도 30℃, 초기 pH 7.0으로 확인되었다. 세포 성장 및 지아잔틴 생 산에 영향을 미치는 탄소원을 탐색하기 위해 glucose, glycerol, galactose, fructose, xylose, sucrose를 각각 30mM씩 첨가해 배양을 진행했으나 첨가된 여섯 가지 탄소원 중에서는 세포 성장과 지아잔틴 생산성을 유의하게 향상시키 는 탄소원이 확인되지 않았다. 지아잔틴 극대화를 위한 배양 배지 통계학적 최적화를 위하여 먼저, Fractional Factorial Design (FFD)을 적용한 결과 대조군인 Marine broth (MB) 배지의 11 가지 성분 중 지아잔틴 생산에 영향을 미치는 주요 성분들로 Peptone, Yeast extract, NaHCO3가 선별되었다. 이후 이 성분들을 독립변수로 지정하여 Central Composite Design (CCD) 기반의 최적화를 수행하였다. 그 결과 Peptone, Yeast extract, NaHCO3의 초기 농도가 각각 8.68, 4.068, 0.253 g/L일 때 생산된 지아 잔틴 농도가 최대 3.395 mg/L로 예측되었다. 해당 조성으로 플라스크 배양을 수 행한 결과 3.594 mg/L의 지아잔틴 생산이 확인되었고, 이는 대조군인 MB 배지 에서의 지아잔틴 농도보다 약 2배 증가한 값이었다. 또한, 최적 배지를 이용하여 5L 발효기에서의 회분식 배양을 수행하였고, 그 결과 5.423 mg/L의 지아잔틴이 생산되는 것이 확인되었다. 이는 플라스크 배양을 통해 생산된 지아잔틴 농도 대 비 약 50% 증가한 값이다. 이러한 결과들로부터 신규 해양 미생물 Sabulilitoribacter sp.에 의한 지아잔틴 생산을 위한 미생물 발효 공정 개발의 가 능성이 확인되었다. 이후 최적 배지를 이용한 발효 공정에서의 용존산소 농도에 따른 세포 성장 및 지아잔틴 생산 영향을 고찰하기 위해 배양액 내 용존산소 농도 (DOC)를 10%, 20%, 30% 수준에서 제어하면서 회분식 배양을 수행하였다. 그 결과 DOC 를 20% 내외로 유지시킨 배양에서 최대 지아잔틴 생산이 관찰되었으며 그 이상 또는 이하의 산소 농도에서는 지아잔틴의 함량이 감소하는 것을 확인하였다. 이러한 결과들로부터 신규 해양 미생물 Sabulilitoribacter sp.에 의한 지아잔틴 생산을 위한 미생물 발효 공정 개발의 가능성이 확인되었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study investigated the culture characteristics of Sabulilitoribacter sp. in a batch mode and sought to enhance zeaxanthin productivity through statistical optimization of the culture medium. First, optimal conditions for cell growth and zeaxanthin production were determined by adjusting incubation temperature and initial pH, with the best results observed at 30°C and pH 7.0. To identify suitable carbon sources for promoting zeaxanthin synthesis, batch cultures were supplemented with 30 mM of glucose, glycerol, galactose, fructose, xylose, or sucrose; however, none of these carbon sources displayed a significant improvement in growth or productivity.
For medium optimization, a fractional factorial design (FFD) was first applied to screen the eleven components of marine broth (MB), identifying peptone, yeast extract, and NaHCO₃as the main factors, influencing zeaxanthin production. These variables were then further optimized using a central composite design (CCD), resulting in predicted maximal zeaxanthin production of 3.395 mg/L with initial concentrations of peptone 8.68 g/L, yeast extract 4.068 g/L, and NaHCO₃0.253 g/L. Flask-scale validation yielded 3.594 mg/L zeaxanthin, approximately double that obtained in MB. Batch culture using the optimized medium in a 5-L fermenter further increased zeaxanthin titer to 5.423 mg/L, representing a 50% improvement over flask culture.
The effect of dissolved oxygen (DO) was subsequently evaluated in batch fermentations at 10%, 20%, and 30% pO2. Maximum zeaxanthin production was observed at 20% pO2, while higher oxygen levels resulted in decreased yields.
These results demonstrate the potential for developing a microbial fermentation process for zeaxanthin production by novel marine bacteria, Sabulilitoribacter sp..

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 가. 연구 배경 1
• 나. 연구 범위 및 목표 2
• 2. 이론적 배경 4
• 가. 카로티노이드 (Carotenoid) 4
• 나. 지아잔틴 (Zaexanthin) 5
• 다. 박테리아 기반 지아잔틴 생산 7
• 라. 통계학적 최적화 (Statistical optimization) 7
• 3. 연구재료 및 방법 10
• 가. 균주 및 배양 조건 10
• 1) 플라스크 배양 방법 10
• 2) 발효조 배양 방법 13
• 나. 지아잔틴 생산 향상을 위한 배양 배지 통계학적 최적화 13
• 다. 분석 방법 20
• 1) 세포 건조무게 및 세포 농도 측정 20
• 2) 지아잔틴 추출 및 분석 20
• 3) Leudeking-Piret 모델을 이용한 지아잔틴 생산 특성 분석 21
• 4. 연구결과 및 고찰 23
• 가. 플라스크 회분식 배양 특성화 23
• 나. 통계학적 배지 최적화 30
• 1) 부분 요인 설계법 기반 배지성분의 지아잔틴 생산 영향 평가 30
• 2) 중심 합성 계획법에 의한 배지 최적화 및 최적 배지 성능 평가 35
• 다. 최적 배지 기반 발효조 내 회분식 배양 특성화 48
• 5. 결론 및 제언 52
• 참고문헌 54
• Abstract (영문초록) 60