만성질병 완화용 프로바이오틱스 개발을 위한 Lactiplantibacillus plantarum AEML-S45의 기능성 평가 및 산업 부산물 기반 배양 최적화 = Functional Characterization of Lactiplantibacillus plantarum AEML-S45 for Chronic Disease Mitigation and Optimization of Industrial By-Product?Based Cultivation

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 만성질환 완화를 위한 기능성 프로바이오틱스 개발을 목적으로, 김치 유래 젖산균 Lactiplantibacillus plantarum AEML-S45의 프로바이오틱스로서의 기본 생리적 특성, 안전성, 다양한 의약적 기능성을 종합적으로 평가하고, 나아가 산업적 활용 가능성을 고려한 저가 배지 기반 배양 최적화 및 발효조 규모 확대(scale-up)을 수행하였다. 기존 프로바이오틱스 연구가 개별 기능성 평가에 국한된 경우가 많았던 반면, 본 연구는 기능성 검증과 생산 공정을 하나의 연속된 연구 흐름으로 통합하여 접근했다는 점에서 차별성을 가진다.
다양한 발효식품 및 농수산물 유래 시료로부터 총 440주의 젖산균을 분리하였으며, 항균 활성, 내산성, 내담즙성, 장부착성 및 대사성 질환 관련 기능 지표를 단계적으로 평가하여 최종 실험 균주로 L. plantarum AEML-S45를 선정하였다. 16S rRNA 유전자 염기서열 분석 결과, 해당 균주는 L. plantarum으로 동정되었다.
선정된 균주에 대해 프로바이오틱스로서 요구되는 기본 생리적 특성을 평가한 결과, AEML-S45는 병원성 세균에 대한 항균 활성을 나타내었으며, 강산성 및 담즙염 존재 조건에서도 비교적 높은 생존율과 생육 안정성을 유지하였다. 또한 자가응집능 및 세포 표면 소수성 평가를 통해 장내 부착 가능성이 확인되어, 위장관 환경을 통과하고 장내에 정착할 수 있는 기본 요건을 충족하는 것으로 판단되었다.
안전성 평가 결과, AEML-S45는 혈액 한천 배지에서 용혈 활성이 관찰되지 않았으며, 항생제 감수성 시험에서도 젖산균에서 일반적으로 보고되는 비전이성 내성 범위 내의 반응을 보여 식품 및 기능성 소재로의 활용될 수 있는 안전성을 갖춘 것으로 판단되었다.
의약적 기능성 평가에서는 만성질환과 관련된 다양한 생리활성이 확인되었다. AEML-S45의 배양 상등액은 angiotensin-converting enzyme (ACE) 저해 활성을 나타내어 항고혈압 기능성을 보였으며, bile salt hydrolase (BSH) 활성 확인을 통해 항고지혈 가능성도 제시되었다. 또한 췌장 lipase 저해 활성, xanthine oxidase 저해 활성, DPPH 및 ABTS 라디칼 소거능 평가를 통해 항비만, 항고요산혈증 및 항산화능을 복합적으로 보유한 균주임을 확인하였다. 이러한 결과는 AEML-S45가 대사성 만성질환 완화에 활용될 수 있는 다기능성 프로바이오틱스 균주임을 보여준다.
한편, AEML-S45의 산업적 적용을 위해 균체 생산성 향상 및 원가 절감을 목표로 산업 부산물 기반 배지 최적화를 수행하였다. 탄소원 및 질소원 선별 실험을 통해 산업 부산물 유래 성분을 중심으로 주요 배지 성분을 도출하였으며, 단일요인실험(OFAT), Plackett–Burman 설계(PBD), 반응표면분석법(RSM)을 순차적으로 적용하여 배지 조성을 최적화하였다. 이 과정에서 배지 조건에 따른 생육 특성을 보다 정량적으로 비교하기 위해 modified Gompertz 모델과 Baranyi 모델을 적용한 생육 곡선 분석을 수행하였으며, 두 모델 모두 배지 조성 변화에 따른 생육 경향을 효과적으로 설명하는 것으로 나타났다.
최적화된 배지 조건은 5 L 발효조 시스템에 적용되어 회분 배양, pH 제어 회분 배양 및 간헐적 유가배양 공정을 통해 단계적으로 검증되었다. 특히 pH 제어와 간헐적 기질 공급 전략을 적용한 유가배양 조건에서 균체량 및 생존 세포 수가 유의적으로 향상되었으며, 이를 통해 AEML-S45의 대량 생산 공정 구축 가능성을 확인하였다.
종합적으로, 본 연구는 AEML-S45가 우수한 기본 생리적 특성, 안전성 및 다양한 만성질환 관련 의약적 기능성을 동시에 갖춘 프로바이오틱스 균주임을 확인하였다. 또한, 산업 부산물 기반 저가 배지와 발효조 규모 확대를 통한 배양 공정 검증으로 산업적 활용 가능성까지 단계적으로 입증하였다. 이러한 결과는 기능성 프로바이오틱스 균주의 실용화 및 대량 생산을 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 뿐만 아니라, 향후 만성질환 예방 및 관리용 기능성 식품 개발을 위한 과학적 근거를 제공할 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The aim of this study was to develop functional probiotics for the alleviation of chronic diseases by comprehensively evaluating the physiological characteristics, safety, and health-related functionalities of the kimchi-derived lactic acid bacterium Lactiplantibacillus plantarum AEML-S45, and by assessing its industrial applicability through low-cost medium optimization and bioreactor-scale cultivation. Among 220 lactic acid bacteria isolated from fermented foods and agricultural and marine products, AEML-S45 was selected through sequential functional and physiological screening and identified by 16S rRNA gene sequence analysis. The strain exhibited strong antimicrobial activity against pathogenic bacteria and maintained high survival rates and growth stability under acidic conditions and in the presence of bile salts. In addition, excellent auto-aggregation ability and high cell surface hydrophobicity were confirmed, indicating its potential for intestinal adhesion and suitability for survival through the gastrointestinal tract and colonization. Safety evaluation demonstrated that AEML-S45 exhibited no hemolytic activity on blood agar plates, and its antibiotic susceptibility profile was consistent with the intrinsic, non-transferable resistance commonly reported in lactic acid bacteria, supporting its suitability for use as a food and functional Ingredient. Evaluation of health-related functionalities indicated that AEML-S45 exhibits diverse physiological functions associated with chronic diseases, including angiotensin-converting enzyme (ACE) inhibitory activity, bile salt hydrolase (BSH) activity, pancreatic lipase and xanthine oxidase inhibitory activities, as well as DPPH and ABTS radical scavenging capacities, collectively suggesting potential antihypertensive, hypocholesterolemic, anti-obesity, anti-hyperuricemic, and antioxidant activities. To enhance cultivation productivity and reduce production costs, industrial byproduct-based medium optimization was performed using one-factor-at-a-time (OFAT) experiments, Plackett–Burman design (PBD), and response surface methodology (RSM). Growth characteristics under different medium conditions were quantitatively compared using the modified Gompertz and Baranyi models. The optimized medium was subsequently applied to a 5-L bioreactor system, in which batch, pH-controlled batch, and intermittent fed-batch cultivations were sequentially performed. Fed-batch cultivation incorporating pH control and intermittent substrate feeding significantly enhanced biomass production and viable cell counts, supporting the feasibility of establishing a large-scale production process for AEML-S45. In summary, this study confirms that Lactiplantibacillus plantarum AEML-S45 possesses excellent physiological properties, safety, and multiple health-related functionalities, and its industrial applicability was validated through low-cost, industrial byproduct-based media and bioreactor cultivation processes, providing foundational data for the development of functional probiotics targeting the prevention and management of chronic diseases.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 재료 및 방법 5
• 1. 젖산균의 분리 5
• 2. 실험균주 선정 및 동정 5
• 3. 프로바이오틱스 특성 6
• 3.1. 항균활성 6
• 3.2. 내산성 6
• 3.3. 내담즙성 7
• 3.4. 장부착성 7
• 3.4.1. 자가응집능 7
• 3.4.2. 세포 표면 소수성 8
• 4. 안전성 평가 8
• 4.1. 용혈 활성 8
• 4.2. 항생제 내성 8
• 5. 의약적 효능 평가 9
• 5.1. 항고혈압 활성 9
• 5.2. 항고지혈 활성 9
• 5.3. 항비만 활성 10
• 5.4. 항고요산혈증 활성 10
• 5.5. 항산화 활성 11
• 5.5.1 DPPH 라디칼 소거능 11
• 5.5.2 ABTS 라디칼 소거능 11
• 6. 생육 배지 최적화 12
• 6.1. 생육 모델링 12
• 6.2. 탄소원 선정 13
• 6.3. 질소원 선정 14
• 6.4. 단일 요인 실험법 15
• 6.5. 플래킷-버먼 실험설계법 17
• 6.6. 반응표면분석법 20
• 7. 5 L 발효조 배양 22
• 7.1. 배양 장비 및 기본 조건 22
• 7.2. 회분 배양 22
• 7.3. pH 제어 회분배양 22
• 7.4. 1차 간헐적 유가배양 23
• 7.5. 2차 간헐적 유가배양 23
• Ⅲ. 결과 24
• 1. 젖산균의 분리 24
• 2. 실험균주의 선정 및 동정 24
• 3. 프로바이오틱스 특성 26
• 3.1. 항균활성 26
• 3.2. 내산성 26
• 3.3. 내담즙성 26
• 3.4. 장부착성 26
• 4. 안전성 28
• 4.1. 용혈 활성 28
• 4.2. 항생제 내성 28
• 5. 의약적 효능 30
• 5.1. 항고혈압 활성 30
• 5.2. 항고지혈 활성 30
• 5.3. 항비만 활성 31
• 5.4. 항고요산혈증 활성 31
• 5.5. 항산화 활성 31
• 6. 생육 배지 최적화 32
• 6.1. 탄소원 선정 32
• 6.2. 질소원 선정 36
• 6.3. 단일 요인 실험법 40
• 6.4. 플래킷-버먼 실험설계법 42
• 6.5. 반응표면분석법 43
• 7. 5 L 발효조 배양 45
• 7.1. 회분 배양 45
• 7.2. pH 제어 회분배양 47
• 7.3. 1차 간헐적 유가배양 49
• 7.4. 2차 간헐적 유가배양 51
• 7.5. 균체 수율 및 생산성 비교 53
• Ⅳ. 고찰 55
• 1. 프로바이오틱스 특성 55
• 2. 의약적 기능성 56
• 3. 모델링 기법을 활용한 배지 최적화 58
• 4. 5 L 발효조 규모 확장 60
• Ⅴ. 결론 63
• 참고문헌 66
• Abstract 75