Engineering cell-free biosensor platforms for automated and high-throughput screening of cellobiohydrolases and field-applicable arsenic detection

김태옥 전남대학교 2025 국내박사

갈조류 바이오매스로부터 알긴산 올리고당 및 바이오에탄올 생산

김세령 전남대학교 2025 국내석사

기후 변화로 인해 대량으로 발생한 모자반 종 (Sargassum spp.)이 국내·외 해안 지역에 막대한 피해를 초래하고 있는 것으로 보고되고 있다. 이러한 피해를 유발하는 모자반 종은 갈조류에 해당하며, 갈조류는 다량의 알긴산을 함유하고 있다. 이로부터 생산 가능한 알긴산 올리고당 (alginate oligosaccharide, AOS)은 항암, 항산화, 항염증 등의 다양한 생리 활성을 지니고 있어 식품 산업이나 제약 산업 등 다양한 산업 분야로부터 주목받고 있다. 본 연구에서는 모자반 종을 포함한 국내 자생 22 종의 갈조류 바이오매스로부터 알긴산을 추출하였고, 추출 전·후 갈조류 부산물의 중성당 함량을 비교 분석하였다. 위의 결과를 종합하여 다시마 (Saccharina japonica), 넓미역 (Undaria peterseniana), 괭생이모자반 (Sargassum horneri), 짝잎모자반 (Sargassum hemiphyllum), 덤불모자반 (Sargassum yezoense)의 5 종을 추가 실험 재료로써 선별하고, 이들로부터 AOS 와 바이오에탄올을 생산하였다. AOS 생산을 위해 Pseudomonas aeruginosa, Streptomyces sp., Flammeovirga sp. 균주로부터 각각 발현 및 정제된 alginate lyase 를 Pa aly, St aly, Fs aly 로 명명하였다. 이 효소들을 선별된 5 종의 갈조류 유래 알긴산에 처리하여 단량체부터 2~8 개의 소당량체로 구성된 AOS 를 생산하였다. 또한, 알긴산 추출 후 남은 갈조류 부산물을 당화 및 발효하여 화석 연료를 대체 할 수 있는 바이오에탄올을 생산하였다. 발효 결과, 2.06~2.67 mg/mL의 바이오에탄올이 생산됨을 확인하였다. 본 연구는 대량 발생하는 해조류로 인한 환경 문제를 고부가가치 산물인 AOS 와 바이오에탄올로 전환함으로써 해결하고, 동시에 탄소 중립 실현에 기여할 수 있는 가능성을 제시한다. Due to climate change, the massive influx of Sargassum spp. along coastlines has caused significant global damage necessitating substantial financial and human resources for effective management. This study focus on the comprehensively utilization of brown algae biomass, including Sargassum spp., to produce valuable products such as alginate oligosaccharides (AOS) and bioethanol. Alginate was extracted from 22 species of brown algae with extraction yields compared among them. The neutral sugar content in both the raw materials and the residues remaining after alginate extraction was analyzed, leading to the selection of five species (Saccharina japonica, Undaria peterseniana, Sargassum horneri, Sargassum hemiphyllum, and Sargassum yezoense) for AOS and bioethanol production. For AOS production, three alginate lyases were isolated from microbial strains—Pseudomonas aeruginosa, Streptomyces sp., and Flammeovirga sp.— and designated as Pa aly, St aly, and Fs aly, respectively. These enzymes successfully produced AOS with degrees of polymerization ranging from monomers to oligomers containing 2 to 8 units. Residues of brown algae biomass remaining after alginate extraction were further processed through saccharification and fermentation to produce bioethanol, a renewable energy source that can serve as substitutre for fossil fuels. The fermentation process yielded ethanol efficiencies ranging from 86.16% to 99.0%, producing 2.06–2.67 mg/mL of bioethanol. This research demonstrates an efficient strategy for converting waste seaweed biomass into valuable biological products, addressing environmental challenges while advancing renewable energy solutions.

폐지 유래 바이오매스를 이용한 희소당 및 바이오에탄올 생산

박한솔 전남대학교 2025 국내석사

매년 상당량의 폐지가 재활용되지 않고 버려지면서, 매립지 유출 및 소각에 따른 부산물로 인한 환경 문제가 심각하게 대두되고 있다. 일반적으로 종이는 소나무, 전나무, 유칼립투스 등의 목재를 화학적·기계적 방법을 병행하여 처리함으로써 제조되며, 이러한 전처리 과정을 통해 리그닌과 셀룰로스를 분리하여 구조적 강성을 낮추고, 바이오매스로서의 활용 가능성을 높인다. 특히 폐지는 다른 바이오매스에 비해 셀룰로스 함량이 높아, 효소 가수분해를 통한 글루코스 (glucose) 생산에 적합한 원료로 간주된다. 본 연구의 목적은 폐지 바이오매스를 활용하여, 고부가가치 희소당인 사이코스 (D-psicose, D-allulose)와 바이오에탄올을 동시에 생산할 수 있는 통합 바이오 리파이너리 공정을 개발하는 데 있다. 사이코스는 저칼로리 감미료로서 지방 합성 효소의 활성을 억제하며, 항산화, 항당뇨, 항비만 등 다양한 생리활성 특성으 로 인해 기능성 당으로 각광받고 있다. 또한 바이오에탄올은 화석연료를 대체할 수 있는 대표적인 친환경 바이오연료로, 지속 가능한 에너지 생산을 위한 중요한 대안으로 주목받고 있다. 본 연구에서는 사무용지, 신문지, 골판지 및 이들의 혼합물 등 네 가지 유형의 폐지 바이오매스를 효소 가수분해하여 글루코스를 생산한 뒤, E. bolteae 90B8 유래 자일로스 이성질화효소 (xylose isomerase)와 Agrobacterium tumefaciens, Enterobacter boltae, Ruminococcus cellulolyticum, Pseudomonas cichorii 유래 케토스 3-에피머화효소 (ketose 3-epimerase)를 적용하여 글루코스를 프럭토스 (fructose) 및 사이코스로 전환하였다. 그 결과, 글루코스 수율은 사무용지에서 12.7 mg/mL, 신문지에서 10.6 mg/mL, 골판지에 서 9.9 mg/mL, 혼합물에서 11.5 mg/mL로 나타났으며, 사무용지에서 가장 높은 수율을 보였다. 생성된 글루코스에 이성질화효소와 R. cellulolyticum 유래 에피머화 효소를 동시에 적용한 결과, 최대 45%의 수율로 사이코스를 생산하였다. 또한, 사이코스로 전환되지 않은 잔여 글루코스 및 프럭토스는 효모 발효를 통해 약 80~90%의 수율로 바이오에탄올로 전환되었다. 본 연구는 저비용 폐자원인 폐지를 활용하여 고부가가치 희소당과 바이오연료 를 동시에 생산할 수 있는 통합 바이오리파이너리 공정을 제시하였으며, 이는 폐기물 자원의 고부가가치화 및 환경 문제 해결에 기여할 수 있는 가능성을 보여 준다. Every year, a significant amount of waste paper is discarded without recycling, leading to serious environmental concerns due to landfill overflow and byproducts from incineration. Paper is typically produced by processing wood such as pine, fir, and eucalyptus through a combination of chemical and mechanical methods. This pretreatment separates lignin and cellulose, reducing structural rigidity and increasing its suitability as a biomass feedstock. In particular, waste paper contains a relatively high cellulose content compared to other biomass sources, making it a promising raw material for glucose production via enzymatic hydrolysis. This study aimed to develop an integrated biorefinery process capable of simultaneously producing high value-added rare sugar D-psicose (also known as D-allulose) and bioethanol from waste paper biomass. D-psicose is a low-calorie sweetener that inhibits the activity of lipogenic enzymes and has gained attention as a functional sugar due to its various physiological properties, including antioxidant, antidiabetic, and anti-obesity effects. Bioethanol, on the other hand, is a representative eco-friendly biofuel that can replace fossil fuels, and is considered a promising alternative for sustainable energy production. In this study, four types of waste paper biomass—office paper, newspaper, corrugated cardboard, and a mixture of the three—were enzymatically hydrolyzed to produce glucose. The glucose was then converted into fructose and psicose using xylose isomerase derived from E. bolteae 90B8 and four different ketose 3-epimerases from A. tumefaciens, E. bolteae, R. cellulolyticum, and P. cichorii. The glucose yields were 12.7 mg/mL from office paper, 10.6 mg/mL from newspaper, 9.9 mg/mL from corrugated cardboard, and 11.5 mg/mL from the mixed sample, with office paper showing the highest yield. When both the isomerase and the epimerase from R. cellulolyticum were applied to the produced glucose, psicose was obtained at a maximum yield of 45%. The remaining unconverted glucose and fructose were fermented using yeast to produce bioethanol with a yield of approximately 80–90%. This study presents a biorefinery process that utilizes low-cost waste paper to simultaneously produce high value-added rare sugars and biofuels, highlighting its potential to contribute to the valorization of waste resources and the mitigation of environmental issues.

Zn과 Al 과잉 조건에서 토양 내 바이오폴리머 혼합에 의한 Camelina sativa L.의 피해 경감 효과

신정호 전남대학교 2021 국내석사

본 연구에서 사용한 바이오폴리머(biopolymer)는 친환경 제방 건설 소재로 연구 되고 있다. 바이오폴리머의 이온결합 및 수소결합을 통해 토양의 강도가 증진 된다고 보고되어 있지만, 바이오폴리머가 혼합된 토양이 식물에 미치는 영향은 자세히 알려져 있지 않다. 토양내 높은 농도의 Zinc (Zn) 또는 Aluminium (Al) 이온이 존재할 경우 식물 뿌리의 손상 뿐만 아니라 식물체 내에 유입되어 독성 피해를 야기한다고 알려져 있다. 본 연구에서는 Zn 및 Al 과잉 스트레스 조건에서 바이오폴리머의 토양 혼합이 Camelina sativa L. (Camelina)에 미치는 영향을 분석하였다. Camelina의 생장실험을 기반으로, Zn 및 Al 과잉 스트레스에 대한 최적의 바이오폴리머 혼합 비율을 탐색하여 실험을 진행하였다. Zn 과잉 스트레스 하에서, β-glucan (BG) 또는 Xanthan gum (XG) 혼합구의 Camelina는 비혼합구에 비해 높은 생장을 보였으며, Zn 과잉 스트레스 피해 지표인 Malondialdehyde (MDA) 함량과 전해질유출도의 감소를 나타냈다. 바이오폴리머의 Zn 결합능을 DTZ (1,5-diphenylthiocarbazone)을 이용하여 분석한 결과, BG 또는 XG 모두 명확한 Zn 흡착 반응을 보였다. Camelina의 DTZ 염색 및 ICP-OES (Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy) 분석에서, Zn 과잉 스트레스에 의한 Zn 흡수량이 BG 또는 XG 혼합에 의해 현저히 감소함을 확인하였다. 그리고, BG 또는 XG의 혼합은 Camelina의 중금속 수송체 heavy metal ATPase (HMA)들의 발현을 유도하지 않았으며, 야생형(wildtype, WT)보다 CsHMA3가 과발현 되어 Zn 과잉 스트레스 내성이 증진된 Camelina에서 BG 또는 XG 혼합구와 유사한 수준의 Zn 과잉 스트레스 저감 효과를 확인하였다. 바이오폴리머의 추가적인 독성 이온 피해 경감 기작을 확인하기 위해 Camelina에서 XG의 혼합에 의한 Al 독성 피해 반응을 확인하였다. 수경재배 조건에서 Al 농도별 그리고 XG의 혼합 농도별 Camelina 뿌리의 생장을 조사하였다. 그 결과, Al 과잉 스트레스 조건에서 XG 혼합구가 비혼합구 보다 뿌리의 생장이 좋았다. Al 독성조건에서 morin 염색 및 ICP-OES 분석 결과 XG 혼합구에서 Camelina 뿌리의 Al 함량 감소를 확인하였다. 같은 조건에서 malate 수송체 aluminium activated malate transporter 1 (ALMT1)의 발현이 XG 혼합 및 비혼합에서 모두 유도되었지만, XG 혼합이 비혼합보다 낮은 수준의 발현을 보여주었다. 종합해보면 바이오폴리머의 토양 혼합은 바이오폴리머와 Zn 및 Al 이온과 결합에 의해 Camelina에 과도한 Zn 및 Al 이온이 흡수되는 것을 방지하여 Zn와 Al 독성 피해를 감소시키는 것으로 확인되었다. 결론적으로 바이오폴리머의 토양혼합은 금속 이온 독성조건의 토양에서 식물 생존 및 생육에 긍정적으로 작용할 것이라 판단된다. Amending biopolymers such as β-glucan (BG) and Xanthan gum (XG) generally enhances soil strength by ionic and hydrogen bonds between soil particles. Thus, biopolymers have been studied as eco-friendly construction materials in levees. However, physiological responses of plants grown on soil amended with biopolymers are not fully understood. This study focuses on the effects of biopolymers on the growth of Camelina sativa L. (Camelina) under excess zinc (Zn) or aluminium (Al) stress. The optimal concentrations of BG and XG were confirmed to have a 0.5% ratio in soil depending on the physiological parameters of Camelina under excess Zn stress. The Zn binding capacity of biopolymers was investigated using 1,5-diphenylthiocarbazone (DTZ). The reduction of Zn damage in Camelina was evaluated by analyzing the Zn content and expression of heavy metal ATPase (HMA) genes under excess Zn stress. Amendments of BG and XG improved Camelina growth under excess Zn stress. In DTZ staining and ICP-OES analysis, Camelina grown on BG and XG soil showed less Zn uptake than normal soil under excess Zn stress. The Zn-inducible CsHMA3 gene was not stimulated by either BG or XG amendment under excess Zn stress. Moreover, both BG and XG amendments in soil exhibit Zn-stress mitigation similar to that of Zn-tolerant CsHMA3 overexpressed Camelina. Additionally, I investigated to effect of biopolymer in Camelina under Al excess stress. Nutrient solution containing 0.05% XG improved root elongation than control under Al excess stress. Camelina roots in XG nutrient solution revealed not only reduction of plasma membrane damages detected by hematoxylin staining but also contents less Al ion in root than control by morin staining and ICP-OES analysis. A typical Al-induced gene ALMT1 was not significantly induced by Al excess stress when Camelina was grown on XG solution. These results indicate that biopolymer-amended soils may influence the prevention of metal absorption in Camelina under excess Zn or Al stress. Thus, BG and XG are proven to be suitable materials for levee construction and can protect plants from soil contamination by Zn or Al.

Study on Enhanced Temperature Control and Quality Preservation in Food Cold Chains Utilizing Phase Change Materials

방수희 전남대학교 2025 국내석사

The increasing demand for fresh food has highlighted the importance of cold chain systems. To overcome the limitations of traditional expanded polystyrene (EPS) box and coolant packaging and improve the quality of perishable products, there is a growing need for packaging solutions such as optimized packaging methods and novel phase change materials (PCMs). The conventional method often results in suboptimal temperature control due to the varying thermal properties of different foods. This study aimed to mitigate this problem using phase change materials as coolants to provide a stable temperature environment. To establish optimal cooling conditions, experiments were conducted using tofu. Tofu, characterized by its uniform dimensions and high specific heat and density, was selected as a model food for its suitability in monitoring temperature fluctuations. A portion of samples exhibited temperature stabilization above 10°C, despite the inclusion of ice packs. A new PCM with a stable phase change range between -4°C and -2°C was developed to address this limitation. The developed PCM extended the refrigeration temperature maintenance time by 35.59% and maintained an average temperature of 1.47°C lower than conventional ice packs during the refrigeration period. The results suggest that PCMs can be effectively employed to prevent quality degradation caused by improper temperature management and to establish efficient food distribution systems. 최근 신선 식품의 수요 증가와 함께 콜드체인 시스템의 중요성이 더욱 부각되는 가운데, 기존 EPS 박스와 보냉재를 이용한 포장 방식의 한계를 극복하기 위하여 포장방법 최적화 및 새로운 상변화 물질 개발이 요구된다. 기존 방식은 식품의 종류에 따른 열 특성 차이로 인해 온도 유지 성능이 크게 달라져 식품의 품질 저하를 야기할 수 있다는 문제점을 가지고 있다. 이에 본 연구에서는 보냉재로서 새로운 상변화 물질(PCM)을 제시하여 안정적인 온도 유지를 통해 신선 식품의 품질 저하를 최소화하고자 하였다. 두부를 활용한 실험을 통해 최적의 보냉 조건을 확립하고, 이를 바탕으로 -4~-2℃에서 안정적으로 상변화하는 PCM을 개발하였다. 개발된 PCM은 기존 아이스팩 대비 냉장 온도 유지 시간이 35.59% 연장하였으며, 냉장시간 동안 두부 온도를 평균 1.47℃ 더 낮게 유지하여 우수한 냉장 성능을 보였다. 본 연구는 식품 콜드체인에 PCM을 활용하여 신선식품의 품질 감소 및 효율적인 식품 유통 시스템 구축에 기여할 것으로 기대된다.

Glucansucrase와 mannanase를 이용한 글루코실 나린진 및 만노올리고당 생성

임애은 전남대학교 2024 국내석사

적응진화를 활용한 mannose와 glucose 동시발효 Saccharomyces cerevisiae의 개발

조명서 전남대학교 2021 국내석사

다양한 당들의 중합체로 이루어진 농·식품 산업 부산물 유래의 섬유소계 바이오매스로부터 바이오연료 및 바이오소재를 생산하기 위해서는 바이오매스 유래의 혼합당을 효과적으로 대사할 수 있는 균주의 개발이 필수적이다. 본 연구에서는 다양한 6탄당의 대사가 가능한 Saccharomyces cerevisiae의 적응진화를 통해 glucose repression이 해제되어 glucose와 mannose 혼합당을 동시에 대사하는 균주를 개발하고자 하였다. 총 3차의 적응진화를 통해 선별된 돌연변이 균주 S. cerevisiae MS3-4는 mannose에 대한 glucose repression이 해제되어glucose와 mannose 혼합당을 동시에 대사하였으며, 모균주 D452-2에 비해 총 당 대사속도는 52%, ethanol 생산성은 62%, 그리고 수율은 7% 향상되었다. 또한 glucose 및 mannose 단일당 대사속도 역시 모균주에 비해 각각 11 및 17% 향상되었다. 더불어 MS3-4 균주는 mannose에 대한 glucose repression이 해제되었을 뿐만 아니라 galactose에 대한 glucose repression 역시 해제되었으며 fructose의 대사속도가 증가하였음이 관찰되었다. 특히 MS3-4 균주는 glucose와 galactose의 혼합당 조건에서 glucose와 galactose를 동시대사하여, 모균주에 비해 총 당 소비속도, ethanol 생산성 및 생산수율이 각각 54%, 208% 및 150% 향상되었다. 이러한 결과는 돌연변이 균주 MS3-4가 커피찌꺼기를 비롯한 다양한 농·식품 산업 부산물 유래의 혼합당으로부터 바이오연료 및 바이오소재 생산을 위한 균주 개발에 활용될 수 있음을 보여준다. In order to produce biofuels and biomaterials from cellulosic biomass obtained in by-products of agriculture and food industries, it is required to develop a yeast strain capable of effectively fermenting mixed sugars derived from biomass. In this study, Saccharomyces cerevisiae, baker’s yeast fermenting various six-carbon sugars, was evolved to co-ferment glucose and mannose by alleviating glucose repression. The evolved strain, S. cerevisiae MS3-4 isolated from three stages of adaptive evolution, could ferment glucose and mannose simultaneously, which resulted in 52%, 62% and 7% enhanced sugar consumption rate, ethanol productivity and ethanol yield, respectively, compared with the parental strain. In addition, MS3-4 strain showed 54%, 208% and 150% enhanced sugar consumption rate, ethanol productivity and ethanol yield than the parental strain, respectively, in the fermentation of glucose and galactose. These results indicate that MS3-4 strain was released from glucose repression on galactose as well as mannose. These results also suggest that MS3-4 strain could be applied for production of biofuels and biomaterials from various types of biomass.

Characterization of mannan-overproducing yeast through genomic analysis

정강현 전남대학교 2023 국내석사

Mannan, a polysaccharide derived from yeast cell walls, is known as an immune enhancing and physiologically active material, and is in the limelight as a functional food material. This is because the monosaccharides constituting the yeast cell wall-derived mannan are all mannose. Mannan composed only of pure mannose is known to perform much better as a probiotics than mannan composed of other sugars and mannose. In particular, yeast cell wall-derived beta-glucan has been registered as a health functional food ingredient that helps improve immune function and is currently being sold as a health functional food, but mannan has not yet been registered as a health functional food ingredient, so research on this is necessary. In this study, using two yeasts, Saccharomyces cerevisiae and Saccharomyces boulardii, which are generally reconized as safe (GRAS) microorganisms approved by the US Food and Drug Administration (FDA), high-yielding Mannan strains were selected and the Mannose quantification method was optimized. Genes involved in the cell wall-derived mannan biosynthetic pathway of S. cerevisiae and S. bouladii were identified, and gene recombination technology using CRISPR-Cas9 was introduced to establish high and low mannan production strains for each yeast. Through this, it was confirmed that the identified gene was involved in the production of mannan in the yeast cell wall. The mannan content was compared with the mannose content after mannan was lysed. The recombinant Mannan low-producing strain in S. cerevisiae had about 1.2 times lower mannose content than the wild type. The recombinant Mannan high-producing strain had about 1.2 times higher mannose content than the wild type. Also, in the structure of the yeast cell wall through Field Emission Transmission Electron Microscopy (FE-TEM), both S. cerevisiae and S. boulardii yeasts were different from the recombinant strains and wild strains. Significant differences were is shown in the strains. Therefore, after generating a mutant library through UV irradiation in S. cerevisae, strains with high mannose content were finally selected compared to recombinant Mannan high-producing strains, and strain characteristics were identified through NSG-based whole genome sequence analysis. As a result, if the mass production of Mannan is possible through optimization of culture using the finally selected high-production strain of Mannan, and it is recognized as a raw material for health functional food, it is considered to be highly likely to be a high value-added material in the food industry. 효모 세포벽 유래 다당류인 만난은 면역증강 및 생리활성 소재로 알려져 있어 기능성 식품소재로 각광받고 있다. 이는 효모 세포벽 유래 만난을 구성하고 있는 단당류들이 전부 만노스이기 때문이다.순수 만노스로만 구성된 만난은 다른 당과 만노스로 구성된 만난에 비해 훨씬 프로바이오틱스 기능을 잘 수행한다고 알려져있다. 특히 효모 세포벽 유래 베타글루칸은 면역기능 증진에 도움을 주는 건강기능식품 원료로 등록되어 현재 건강기능식품으로 판매가 되고있지만 아직까지 만난은 건강기능식품 원료로 등록되지 않아 이에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 미국 식품의약안전처(FDA)에서 승인한 generally reconized as safe (GRAS) 미생물인 Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces boulardii 효모 2종을 이용, Mannan 고생산 균주 선별하고 Mannose 정량법을 최적화했다. S. cerevisiea, S. bouladii의 세포벽 유래 mannan 생합성 경로에 관여하는 유전자를 식별하고 이를 CRISPR-Cas9을 이용한 유전자 재조합 기술을 도입하여 각 효모별 Mannan 고생산 및 저생산 균주를 구축했다. 이를 통해 식별한 유전자가 효모 세포벽 내 Mannan 생성에 관여하는지 확인할 수 있었다. Mannan 함량은 Mannan을 lysis하여 mannose 함량으로 비교했다. S. cerevisiae에서 재조합 Mannan 저생산 균주는 야생계 대비 약 1.0배 Mannose 함량이 낮았고, 재조합 Mannan 고생산 균주는 야생계 대비 약 1.1배 Mannose 함량이 높았다.또한 Field Emission Transmission Electron Microscopy (FE-TEM)촬영을 통한 효모 세포벽 구조에서도 S. cerevisiae, S. boulardii 두 효모 모두 재조합 균주들과 야생계 균주에서 유의미한 차이를 나타냈다. 이에 S. cerevisae에 UV 조사를 통한 Mutant library 생성후 재조합 Mannan 고생산 균주 대비 Mannose 함량이 높은 균주를 최종선별하고 NSG 기반Whole genome sequence 분석을 통해 균주 특성까지 규명하였다. 결과적으로 최종 선별된 Mannan 고생산 균주를 이용하여 배양최적화를 통해 Mannan의 대량생산을 가능케하고, 건강기능식품 원료로써 인정이 된다면 이는 식품산업에서의 고부가가치 소재로서 가능성이 높다고 사료된다.

Sustainable production of Bio-based Succinic acid by Engineered Actinobacillus succinogenes from Lignocellulosic biomass

김보경 전남대학교 2024 국내석사

숙신산은 식품 첨가물, 식이 보조제, 생분해성 고분자의 전구체로써 핵심적인 역할을 하는 산업적으로 중요한 성분이다. 환경 및 경제적 문제로 인해 바이오 기반 숙신산 생산은 더욱이 주목을 받고 있다. 숙신산을 생산하기 위해 많은 미생물이 사용되었는데 본 연구에서는 숙신산을 생산하는 천연 세균인 Actinobacillus succinogenes 를 조작하고자 한다. 첫째, 숙신산 생합성 경로의 유전자를 가진 플라스미드를 A. succinogenes 130Z 에 도입하였다. 생성된 균주는 숙신산을 생산을 개선하고 야생형 균주보다 1.3 배 더 많은 숙신산을 생산된 것을 확인하였다. 둘째, 조작된 균주를 배치 및 유가식 발효를 수행하였다. 배치 발효를 통해 포도당을 이용한 발효 공정이 포도당-자일로스 혼합 발효공정보다 숙신산 생산이 향상되었다. 마지막으로 전처리된 보리짚 당화액으로부터 AS-PMF (MDH; malate dehydrogenase, FUM; fumarase 및 PCK; phosphoenolpyruvate carboxykinase 유전자)에 의한 배치 발효를 수행하였다. 이는 22.3 g/L 숙신산 생산을 달성하였다 Succinic acid is an industrially important component that plays a key role in food additives, dietary supplements, and precursors for biodegradable polymers. Due to environmental and economic issues, bio-based succinic acid production has become increasingly attractive. Many microorganisms have been utilized for succinic acid production. This study aims to enhance succinic acid production in Actinobacillus succinogenes through genetic modifications and fermentation strategies, particularly using lignocellulosic biomass and magnesium bicarbonate as a substrate. First, we confirmed the effects of overexpressing succinic acid-generating enzymes in batch fermentations of engineered A. succinogenes strains. The engineered A. succinogenes(AS-PMF) exhibited a 1.3-fold increase in succinic acid production compared to the wild-type strain. Subsequently, the batch fermentation were carried out with magnesium bicarbonate and lignocellulosic biomass by engineered A. succinogenes strain (AS-PMF). Fed- batch fermentation using magnesium bicarbonate, produced 50 g/L and 0.79 g/g succinic acid titer and yield. Also, batch fermentation was conducted by engineered strains (AS-PMF) using lignocellulosic biomass as a carbon source. We achieved 22.2 g/L, 0.64 g/g succinic acid production titers and yields. Keywords: succinic acid (SA), Actinobacillus succinogenes, lignocellulosic biomass, metabolically engineered, magnesium bicarbonate

Conversion of Fruit wastes and Agricultural Residues into Value-Added Products for Circular Bio Economy

장지혜 전남대학교 2023 국내석사

To replace non-renewable resources such as fossil fuels, the demand for sustainable and renewable alternative resources has increased recently. Fruit wastes and agricultural residues produced as a result of agricultural activities can be fermented to obtain biofuels or biochemicals. However, the high cost of feedstock and catalytic process for biofuel production hinders the practical use of biofuels. This study aimed to establish an efficient and direct enzymatic saccharification process that omits pretreatment to produce high-value bioproducts from fruit wastes and agricultural residues. Herein, we developed a novel approach for the bioconversion of fruit wastes and agricultural residues to biofuel and biochemicals. In our study, the conversion rate of mixed agricultural wastes to produce fermentable sugars following enzymatic hydrolysis was approximately 91% after 24 h. After successfully removing D-limonene using the D-limonene removal column, the yield of ethanol from the mixed agricultural waste increased by 4.5%. D-Allulose yield from mixed hydrolysates was 4.6 mg/mL at 4 °C. Lactic acid and succinic acid were produced from agricultural hydrolysate at a conversion rate of approximately 67.4% and 37.1% using Actinobacillus succinogenes and Corynebacterium glutamicum Δldh, respectively, under facultative anaerobic condition. Altogether, we describe a strategy for the biosynthesis of high-value functional sugars and value-added chemicals from low-cost waste biomass. 현재 전 세계적으로 화석연료를 대신할 지속가능한 재생에너지의 개발 및 보급의 필요성이 강조되고 있으며 바이오연료는 그 대체제로 주목받고 있다. 바이오 연료는 생산 공정 중 공급원료, 전처리 및 효소당화 공정에 들어가는 고비용으로 인해 실용성과 경제성을 향상시킬 필요가 있다. 본 연구에서는 농업 부산물로 매년 발생하는 과일 폐기물 및 농업잔류물을 바이오매스 원료 물질로 선택하여 고부가가치 바이오 케미컬을 생산하기 위해 전처리 공정을 생략한 직접적인 효소 당화 공정만으로 비용 효율적이고 효과적인 바이오공정 시스템을 개발하였다. 혼합 농업 폐기물은 효소적 가수분해만을 통해 91%가 발효 가능한 당으로 전환되었다. 또한 LRC 칼럼을 사용하여 과일 폐기물에 존재하는 발효 억제제, ​​리모넨도 성공적으로 제거하였다. 리모넨의 제거는 혼합농업폐기물에서 에탄올 발효 수율은 4.5% 증가시켰다. 바이오 공정의 고도화를 위하여 D-알룰로스는 혼합된 가수분해물로부터 저온인 4°C에서 52.2%로 효율적으로 전환되었다. 가수분해물에서 생산된 젖산과 숙신산은 통성혐기성 조건에서 Actinobacillus succinogenes와 Corynebacterium glutamicum Δldh를 통해 각각 약 67.4%와 37.1%로 각각 생산되었다.