기능성 천연 감미물질의 생물공학적 생산공정

서진호, 유연우*

서울대학교 식품공학과 및 농업생물신소재 연구센터

아주대학교 분자과학기술학과*

Biological Production of Natural Sweeteners

Jin-Ho Seo and Yeon-Woo Ryu*

Department of Food Science and Technology, Research Center for New Biomaterials in Agriculture, Seoul National University

Department of Molecular Science and Technology, Ajou University*

서론

생활수준의 향상에 따라 건강에 대한 예방의식이 점점 높아지고 있으며, 특히 비만, 당뇨병 등의 각종 성인질병과 충치의 예방 효과를 갖는 설탕대체 천연감미물질에 대한 수요가 최근 급증하고 있는 추세이다. 설탕대체 기능성 천연감미물질로 거론되는 물질은 감미도는 설탕과 비슷하나, 칼로리양이 낮으며 식품공학적, 생리적 기능성을 가진 당알콜류로 주로 xylitol과 erythritol이다. 이들 당알콜은 화학적으로 높은 안정성과 친수성 및 낮은 결정성 등의 특징을 가지며, 생리적으로는 낮은 대사에너지를 가지며, 충치유발균에 의해 소화가 되질 않아 충치예방효과를 나타낸다. 또한 녹을 때 열을 흡수하므로(용해엔탈피가 양의 값을 가짐) 섭취시 청량감을 주며, 대사과정에서 insulin이 관여하지 않아 당뇨병 환자에게도 사용가능한 기능성 감미물질이다. 본 심포지움에서는 기능성 감미물질인 xylitol과 erythritol의 생물공학적 생산공정에 대한 최근 연구결과를 소개하고자한다.

실험

Xylitol 생산균주로 Candida tropicalis[1]와 재조합 Saccharomyces cerevisiae[2]를 사용하였다. 자연상태의 S. cerevisiae는 xylose를 원료로하여 xylitol을 생산할 수 없으나 xylose reductase (XR) 유전자를 가진 재조합 S. cerevisiae는 xylitol을 생산할 수 있다. Pichia stipitis 유래의 XR 유전자로 형질전환된 S. cerevisiae를 xylitol 생산공정에 이용하였다. Erythritol 생산균주는 벌집에서 분리한 Candida magnoliae이며[8], 이 균주를 화학적으로 변이시킨 변이주를 사용하였다. 이들 균주의 배양조건이나 배지조성은 참고문헌에 자세히 나와 있다.

결과 및 토론

1) Xylitol의 생산

Xylitol은 현재 산업적으로 xylose의 화학적인 환원반응으로 생산되고 있으나 수율이 낮고 고온고압에서 반응이 진행되는 등 많은 문제점을 갖고 있어 화학합성공정의 대체방법으로 생물공학적 생산공정에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 자일리톨 생산능력이 우수한 야생균주인 C. tropicalis를 이용하여 xylose로부터 xylitol 생산에 대한 발효 특성을 체계적으로 연구하였다. Xylose는 비싼 기질이기 때문에 xylose의 활용성을 높이기 위해 two-substrate 발효공정을 고안하였다. 즉 포도당을 이용하여 세포성장을 촉진시켜 반응기내 세포농도를 높인 후 xylose를 투입하여 xylitol을 생물전환공정으로 생산할 수 있도록 하였다. 이러한 생산공정을 최적화한 결과 xylitol 생산수율 81%, 생산성 4.8g/□/h을 얻었다. 생물전환공정에서 균체는 생물촉매로 작용하기 때문에 반응기내의 세포농도를 높이기 위하여 cell-recycle 발효기법을 이용하였다. 초기에는 회분식 배양형태로 발효를 진행한 후 세포 재순환시기에는 xylose, 포도당, yeast extract를 동시에 주입해서 xylitol 수율 82%, 생산성 4.94g/□/h, 최종농도 189g/□까지 얻었다. 야생효모인 C. tropicalis는 xylitol을 고생산성으로 생산할 수 있으나 수율이 80%정도로 나머지 20%의 기질은 세포생육이나  endogeneous metabolism에 사용되는 것으로 추정되었다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 대사공학 (metabolic engineering) 기법을 활용하여 xylitol 수율을 향상시키고자 하였다. Xylose는 생물체내에서 xylose reductase (XR) 효소에 의하여 xylitol로 전환된다. 이 반응은 1단계 효소반응이지만 보조인자인 NAD(P)H를 요구하기 때문에 효소반응공정으로 xylitol을 생산하는 것은 경제성이 없다. XR 유전자를 가진 재조합 S. cerevisiae에서는 NAD(P)H가 세포내에서 공급되므로 재조합효모에 의한 xylitol의 전환 반응이 가능하다. 재조합 S. cerevisiae를 사용하여 발효생산공정을 연구한 결과 유가식배양공정에서 자일리톨 수율 95%, 생산성 1.69g/□/h를 얻었다. 이것의 생산수율은 야생효모인 C. tropicalis에 비하여 월등히 높은 값이나 생산성은 다소 낮은 값을 보였다. 현재 생산성 향상을 위한 보다 체계적인 대사공학적 연구를 수행중이다.

2) Erythritol 생산공정

에리쓰리톨 생산에 식품산업에서 부산물로 발생하는 corn steep liquor와 hydrol을 원료로 사용할 수 있어 자원을 재활용하며 고부가가치 생물소재를 생산할 수 있는 장점을 지니고 있다. 벌집에서 분리한 C. magnoliae를 화학적으로 처리하여 에리쓰리톨 생산능력을 향상시킨 변이주를 개발하였다. 변이주를 사용해서 에리쓰리톨 생산성을 최대로 하는 최적화된 이단계 유가식 배양공정을 개발하였다. 첫 단계는 세포생육단계로 유가식 배양형태로 포도당을 주입해 세포농도를 75g/□까지 높였고 이후에는 포도당을 주입해서 에리쓰리톨 생산을 유도하였다. 최적화된 공정에서는 2.8g/□/h의 생산성과 41%의 에리쓰리톨 수율을 얻을 수 있었다. 에리쓰리톨 생산성을 보다 높이기 위해서 현재 발효시기에 따른 세포내 단백질 발현을 proteomic analysis를 통하여 분석한 뒤 에리쓰리톨 생산단계의 rate-limiting step을 찾는 연구를 수행중이다.

감사의 글

본 과제는 과학기술부 신화학공정사업과 산업자원부 청정기술사업, (주) 보락과 (주) 바이오앤진의 지원을 받았습니다.

참고 문헌

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Fig. 1. Chemical structure of xylitol (A) and erythritol (B).

Fig. 2. Optimized batch culture for xylitol production. (□ Dry cell weight, □ glucose, □ xylose, □ xylitol)

Fig. 3. Cell-recycle culture for xylitol production. (□ Dry cell weight, □ glucose, □ xylose, □ xylitol)

Fig. 4. Metabolically engineered recombinant S. cerevisiae.

Fig. 5. Optimized erythritol production.

Table. Summary of Experimental Results for Wild type C. tropicalis and recombinant S. cerevisiae

Strain	Fermentation mode	Xylitol yield (g xylitol/g xylose)	Productivity (g xylitol/□/hr)	Final xylitol concentration (g/□)
C. tropicalis	batch	0.8	3.86	86
	cell-recycle	0.8	4.9	189
Recombinant S. cerevisiae	fed-batch	0.95	4.69	105