Rhodotorula  glutinis가 생산하는 세포외다당류 KC-1의 특성에 관한 연구

조 대 행, 박 상 준,  김 의 용

서울시립대학교 화학공학과

A study on the characteristics of exopolysaccharide KC-1 produced by

Rhodotorula glutinis

Dae Haeng Cho, Sang Jun Park and Eui Yong Kim

Dept. of Chemical Engineering, The University of Seoul

서    론

다당류는 주로 식물, 동물 및 미생물에 의해 생합성되며, 특히 미생물성 다당류나 이의 유도체는 이미 알려진 식물 및 해조류 유래의 천연다당류나 기타 합성고분자 물질과는 다른 독특한 물성과 생리활성을 나타낸다.

미생물성 다당류는 분자량, 구성당의 종류, 결합순서, 결합방식, 결합위치 및 branching 유무에 따라 많은 종류가 존재하는데 이들은 점성을 띠거나 분산을 용이하게 하는 성질, 요변성(thixotrophy)과 gel형성능, 우수한 막 형성능 등으로 각종 산업에서 널리 사용되고 있다.

미생물성 다당류의 물성은 응용 분야에서도 중요할 뿐만 아니라 이를 생산하는 발효에서도 매우 중요한 인자이다. 그동안 미생물성 다당류는 식품산업, 화장품, 의약산업에서 유화제, 안정제 및 점성 유지제로 이용되어 왔으며, 이러한 상업적 이용은 온도, pH, 염의 농도 등에 따른 다당류의 물성에 크게 영향을 받는다.[1]

미생물성 다당류의 대부분은 pH에 따라 물성이 변하는데, 넓은 범위의 pH에서 안정한 물성을 유지하는 성질을 이용하여 식품산업등의 용도로 응용이 가능하다. 염의 첨가는 용액내에 존재하는 분자간의 곁사슬과 주사슬 사이의 van der Waals 힘과 수소결합에 의해 점도를 증가시키기도 하는데, 염의 첨가에도 그 점성을 유지하는 성질을 이용하여 석유회수 증진제로도 사용이 가능하다. 또한 온도에 따른 점성을 이용하여 윤활제 및 식품산업의 jelly 등으로도 이용될 수 있다.

따라서 본 연구의 목적은 자색효모인 Rhodotorula glutinis가 생산하는 세포외다당류의 여러가지 유변학적 성질과 그 특성을 검토하므로서 상업적인 특별한 용도로의 개발을 위한 기본적인 자료를 얻는데 있다.

재료 및 방법

사용균주 : Rhodotorula glutinis K-501은 낙엽수에서 분리하여 한국생명과학연구소에서 동정되었다.

배지 및 배양조건 : 종균배지로는 YM 배지(glucose 10g/l, peptone 5g/l, yeast extract 3g/l, malt extract 3g/l)를 사용하였고, 다당류 생산 배지로는 glucose 30g/l, (NH4)2SO4 2g/l, KH2PO4 1g/l, MgSO4 0.5g/l, CaCl2 0.1g/l, NaCl 0.1g/l를 기본배지로 하여 22℃, pH 4.0에서 7일간 배양하였다.

다당류의 분리 및 정제 : 배양액을 증류수로 2배 희석한 후 12,500 rpm에서 20분간 원심분리하여 균체를 제거한 상등액에 2배의 에탄올을 첨가하여 다당류를 침전시켰다. 침전된 다당류는 에탄올로 2회 세척하여 whatman GF/C filter paper로 여과한 후 건조시켰다. 건조된 다당류는 다시 증류수에 녹여 증류수로 투석한 후 건조시켜 점도측정 및 분석을 위한 시료로 사용하였다.

점도측정 및 분석 : 시료의 전단응력 측정에는 Blookfield Viscometer (Model LVDV-Ⅱ+)와 small sample adapter를 사용하였다. 점도측정시 온도는 특별한 언급이 없는 한 25℃로 유지하였다.

결과 및 토론

Rhodotorula glutinis가 생산하는 다당류 KC-1을 1.0, 1.25, 1.5, 1.75, 및 2.0%(w/v)용액으로하여 25℃에서 전단속도에 따른 전단응력을 측정한 결과 Fig. 1과 같았다. 전단속도의 증가에 따라 전단응력이 증가하였으며 농도의 증가에 따라 비례적으로 증가하였다. 위 결과로 보아 다당류 KC-1은 pseudoplastic한 non-Newtonian 용액의 특성을 보이는 수용성 gum임을 알 수 있다. 또한 Power law 모델을 적용하여 각각의 농도에 대한 물성계수인 flow behavior index(n)와 consistency index(k)를 계산한 값은  Table. 1과 같았다.

다당류 KC-1용액 1.0%를 pH 2.0에서 10.0 사이의 각 pH에서 물성변화를 조사한 결과 Fig. 2와 같았다. 다당류 KC-1은 pH 4.0부근의 약산성에서 최대의 점도를 나타내었으나, pH 4.0이하의 강산과 pH 7.0이상의 알칼리에서는 점도가 현저히 감소하였다. 따라서 다당류 KC-1은 xanthan gum의 경우처럼 넓은 범위의 pH에서 안정한 물성을 나타내지는 못하였으며 pH에 따라 물성이 심하게 변화하였다.

다당류 용액에 염의 첨가는 점도의 변화, 침전 및 gel화 현상 등 물성의 변화를 일으킨다. 특히 염의 첨가는 다당류 용액내에 존재하는 분자간의 곁사슬과 주사슬 사이의 van der Waals 힘과 수소결합에 의해 점도를 증가시키기도 하지만[2] 과량 첨가시에는 점성이 거의 없어지기도 한다. 다당류 KC-1 1.0% 용액에 1가의 양이온인 NaCl과 2가의 양이온인 CaCl2를 각각 0.5%에서 7.0%까지 첨가하여 무첨가의 대조구와 전단응력의 변화를 비교한 결과는 Fig. 3과 Fig. 4와 같다. NaCl과 CaCl2 모두의 경우에서 염의 첨가에 의한 점성의 증가 현상은 나타나지 않았으며, 염의 첨가량이 증가할수록 전단응력이 조금씩 낮아지기는 했으나 7.0%의 과량 첨가에도 점성의 변화가 크지 않은 것으로 보아 다당류 KC-1은 내염성이 강한 것으로 판단되었다.

온도에 따른 물성의 변화는 다당류의 용도개발을 위한 중요한 성질중의 하나이다. 다당류  KC-1은 온도가 증가함에 따라 점도가 계속 낮아졌으나 다시 온도를 저하시켰을 때는 점도가 증가하는 가역용액의 현상을 보였다.(Fig. 5)

또한 다당류의 열 안정성을 알아보기 위해 다당류  KC-1 1.0% 용액을 60, 80, 100℃ 및 121℃에서 30분간 열처리 후 25℃로 냉각하여 열처리하지 않은 대조구와 비교한 결과는 Table. 2와 같다.  121℃와 100℃로 열처리 한 경우 대조구에 비해 6%, 49%의 점도를 나타냈으며, 80℃이하에서는 약 80% 이상의 점도를 나타내었다.

Table. 1 Power law parameters of different concentrations of EPS solution

concentration (%(w/v))	consistency index (k)	flow bebavior index (n)
1.0	3.48	0.94
1.25	9.23	0.89
1.5	19.9	0.89
1.75	46.8	0.90
2.0	82.2	0.81

Table. 2 Thermostability of 1.0% EPS solution

not treated	121℃ 30min	100℃ 30min	80℃ 30min	60℃ 30min
360 cP	22 cP	178 cP	281 cP	356 cP

참 고 문 헌

1. Carvo, C., M. R. Ferrer., F. Martinez., V. bejar, and E. Quesada. Appl.             Biochem. Biotech. 55. 45-55 (1995)

2. Tako, M., A. Sakae, and S. Nakamura. Agri. Biol. Chem. 53. 771-776 (1989)