제주대학교 Repository

락토바실러스속 유산균의 분리 및 산업용 생물소재화 연구

Metadata Downloads
Alternative Title
Isolation of lactobacilli and their utilization as industrial biomaterials
Abstract
본 연구에서는 BC를 생성하는 gel_SEA623-2를 이용하여 배양 초기 초산농도와 L. plantarum KCCM 80077 유산균의 혼합배양을 통해 얻어지는 BC 생산량을 dry weight과 thickness를 기준으로 평가하였다. 단독배양(single culture)에서 초기 초산농도가 0.0 및 0.5%일 때 1.0%와 비교하여 상대적으로 높은 BC 생산량을 나타내었으며 이때 초기 pH는 3.91과 3.20였고 BC 생성의 배양 초기 최적 pH가 3.0–4.0으로 확인되었다는(Choi et al., 2004) 연구결과와 비슷한 결과를 나타내었다. 혼합배양(mixed culture)의 경우 유산균의 생균수가 배양 종료시점에 1.1 × 107 CFU/ml 수준까지 가장 많이 유지된 0.5% 초산 첨가구(MC-0.5)에서 가장 높은 BC 생산성을 보였으며 이는 BC 생성단계에 lactate를 첨가한 실험구에서 높은 생산성을 보였다는(Matsuoka et al., 1996; Naritomi et al., 1998)결과와 일치하고 있으며 총산도가 단독배양액(SC)에서는 0.74±0.34로 측정되었으나 혼합배양액(MC)에서는 1.04±0.35로 측정된 바로 미루어보아 유산균에 의한 추가적인 lactate 생성이 BC 생산성에 영향을 미친 것으로 판단된다. 이렇듯 본 연구를 통해 lactate를 생성하는 L. plantarum KC-09(KCCM 80077)이 배양 단계에 초산에 대한 내성을 유지할 수 있다면 BC 생산성 향상에 도움이 될 수 있다는 것을 확인 할 수 있었으며 차후 다른 종의 유산균을 이용한 혼합배양 실험과 BC의 물성특성에 관한 연구가 추가적으로 진행되어야 할 것으로 보인다.
본 연구는 청보리 추출 발효물 및 청보리 발효-유산균의 사균체의 항산화 활성 효과에 대한 연구를 수행한 결과이다. 청보리 잎을 김치에서 분리한 L. paraplantarum (AMI-1101), L. plantarum(AMI-1103), L. brevis(AMI-1109)를 활용하여 발효하였고, 사균체는 피부 침투율 및 효능을 극대화하기 위해 Microfludizer로 나노화 하였는데 10,000, 15,000 및 20,000 psi의 압력별로 사균체의 전자주사현미경을 통해 세포의 형태학적 변화정도를 관찰하였고 항산화 효능을 DPPH 및 ABTS+ 라디칼 소거활성평가를 통해 확인하였다. Microfludizer로 나노화된 유산균 사균체 소재의 전자주사현미경 이미지 측정 결과, 압력이 20,000psi로 높아질수록 세포의 원래형태를 유지하지 못하고 압력에 의해 파괴된 상태를 보여주었으며 그에 따라 유산균의 크기도 작아짐을 확인할 수 있었다. 청보리 추출 발효물의 항산화 평가 결과, 500μg/ml의 농도에서 55.4% DPPH 라디칼 소거활성 및 59.1%의 ABTS+ 라디칼 소거 활성을 나타내며 발효 전 대비 라디칼 소거능이 향상됨을 확인하였다. 사균체의 항산화 평가 결과, 1,000 μg/ml의 농도에서 일반 사균체의 경우 61%, 20,000 psi 사균체가 89.9%의 소거능을 나타냄 으로써, 일반 사균체에 비해 나노화된 사균체의 ABTS+ 라디칼 소거능이 증가됨을 확인하였다. 이러한 결과들을 통해서, 청보리 추출 발효물과 사균체는 항산화 활성을 가지는 식품 및 천연 화장품 소재로의 활용이 가능할 것이라 생각된다.
본 연구에서는 연령 및 피부상태에 따른 마이크로바이옴을 분석하였으며 정상피부와 여드름성 피부를 갖는 시험자 사이에 마이크로바이옴 분포도 차이가 있음을 확인하였다. 또한 마이크로바이옴 분석 샘플 중 유일하게 건강한 유아의 피부에서 새로운 유산균(L.rhamnosus AMI-1301)이 분리되었고 이를 항산화성 소재와 항염증 소재로 활용하고자 연구를 수행하였다.
우선, 녹차, 병풀, 감귤, 청보리 및 브로콜리를 기질로 사용하여 분리된 유산균을 배양하였고, 배양액으로부터 회수한 발효물의 항산화성 증대효과를 조사하였다. DPPH 라디칼 소거활성은 녹차발효물의 경우 최고농도에서 대조구 대비 5.6%, 병풀발효물 17.8%, 감귤발효물 25.2%, 청보리발효물 27.2%, 브로콜리발효물 15.2%씩 각각 증가하여, 유산균 발효가 항산화성을 증대시켰다. ABTS 양이온 라디칼 소거활성은 녹차발효물의 경우 최고농도에서 대조구 대비 4.0%, 병풀발효물 13.3%, 감귤발효물 17.4%씩 각각 증가하였으나, 청보리발효물과 브로콜리발효물의 경우에는 대조구와 유사한 소거능을 보였다.
한편, 유산균 세포외소포체가 세포생존율 및 NO생성에 미치는 영향을 조사하였다. 세포외소포체 농도 최대 20μg/mL까지 세포생존율(%)에 영향을 미치지 않았다. NO의 생성은 농도 20μg/mL에서 61% 억제되어, 유산균 세포외소포체의 염증반응 억제효과를 확인하였다. 이와 더불어 염증반응을 조절하는 사이토카인 IL-6, IL-1β 및 TNF-α의 생성에 미치는 영향을 조사하였다. 세포외소포체 농도 10μg/mL-20μg/mL 범위에서 이들 사이토카인의 종류에 따라서 다소 변화는 있지만 6.3-49.6% 억제되었다. 이러한 결과는 유산균 세포외소포체가 염증반응 억제용 소재로서 활용될 수 있음을 보여준다.
In this study, bacteria belonging to the genus Lactobacillus were isolated and tested for their uses in bio-industry such as bacterial cellulose production and manufacture of antioxidant food or anti-inflammatory cosmetics. Lactobacillus plantarum KC-09 (KCCM 80077) was isolated and tested for its effect on bacterial cellulose production. The effects of initial concentration of acetate and mixed culture with L. plantarum KC-09 (KCCM 80077) on production of bacterial cellulose by Gluconacetobacter sp. gel_SEA623-2 were examined. In mixed culture with 0.5% acetate added, the viable cell count increased from 2.4 × 10 6 CFU/ml to 1.1 × 10 7 CFU/ml after 14 days of culture, and total acidity was about 0.3% higher than in single culture, which implies that additional lactate was produced by L. plantarum KC-09 (KCCM 80077). In single culture, although bacterial cellulose productivity was higher when the initial concentration of acetate was 0.0% or 0.5%, than when it was 1.0%, there was no significant difference. However, concentration and thickness of bacterial cellulose pellicle were 37.83±6.81 g/L and 10.33±0.58 mm in mixed culture with 0.5% acetate added, respectively, which are significantly different from 28.40±1.23 g/L and 7.50±0.50 mm in single culture with 1% acetate added. Meanwhile, lactobacillus was used as a starter for fermentation of green barley (Hordeum vulgare L.) extract. Three isolates of L. paraplantarum (AMI-1101), L. plantarum (AMI-1103), and L. brevis (AMI-1109) were cultivated in the extract of barley leaves. The resulting culture products were examined for their antioxidant activity. The antioxidant capacity of H. vulgare L. extract was improved through bacterial fermentation. Especially, the culture product of L. paraplantarum (AMI-1101) showed the highest DPPH and ABTS + radical scavenging activity of 55.4% and 59.1%, respectively at a concentration 500 μg/ml. In addition, the cultured lactobacillus cells were heat-killed and split into nano-size particles with a microfluidizer in order to maximize skin penetration and efficacy. The antioxidant capacity of heat-killed lactobacilli was also improved through size conversion process. The lactobacillus cells microfluidized at 20,000 psi showed 89.9% of ABTS + radical scavenging activity at a concentration of 1,000 μg/ml, which was higher than 61% of normal size cell products. As another approach for industrial application of lactobacilli, the skin microbiome was analyzed. It was confirmed that there was a difference in the distribution of the microbiome between the testers with normal skin and acne skin. In addition, a new lactic acid bacteria(L.rhamnosus AMI-1301) was isolated from the skin of the only healthy infant among microbiome analysis samples, and a study was conducted to utilize it as an antioxidant and anti-inflammatory material. First, the isolated lactic acid bacteria were cultured using green tea, centella asiatica, mandarin orange, green barley and broccoli as substrates, and the antioxidant enhancing effect of the fermented product recovered from the culture was investigated. DPPH radical scavenging activity was typically increased by 27.2% in fermented green barley, and ABTS radical scavenging activity in fermented mandarin orange increased by 17.4%. On the other hand, the effect of lactic acid bacteria extracellular vesicles (LEVs) on cell viability and NO production was investigated. LEVs concentration up to 20 μg/mL did not affect the cell viability(%). NO production was inhibited by 61% at a concentration of 20 μg/mL, confirming the inflammatory response inhibitory effect of LEVs. In addition, the effect on the production of cytokines IL-6, IL-1β and TNF-α that regulate the inflammatory response was investigated. Although there were some changes depending on the type of these cytokines in the concentration of LEVs ranging from 10 μg/mL to 20 μg/mL, the production of those cytokines was inhibited by 6.3-49.6%. These results show that LEVs and nano-size lactobacillus cells can be utilized as functional ingredients of food or cosmetic products.
Author(s)
김경민
Issued Date
2021
Awarded Date
2021. 8
Type
Dissertation
URI
https://dcoll.jejunu.ac.kr/common/orgView/000000010280
Alternative Author(s)
Kim, Kyung Min
Affiliation
제주대학교 대학원
Department
대학원 식품공학과
Advisor
고영환
Table Of Contents
Abstract 1
List of Tables 4
List of Figures 5
Ⅰ. 서 론 8
Ⅱ. 제 1장 Gluconacetobacter sp.를 이용한 bacterial cellulose 생산에 초산농도 및 Lactobacillus 혼합배양이 미치는 영향 15
1. 재료 및 방법 16
1) 사용균주 및 전 배양액의 제조 16
2) 단독배양 및 혼합배양 16
3) 배양 균수 측정 17
4) pH 및 총산도 측정 17
5) bacterial cellulose 생성량의 측정 17
6) 통계처리 19
2. 결과 및 고찰 20
1) 유산균의 동정 20
2) 전 배양액의 균수 측정 20
3) 배양 일수 별 pH 및 bacterial cellulose 생산성 비교 20
4) 배양일 별 총산도의 변화 23
5) 배양일 별 혼합배양의 유산균 생균수 변화 26
6) 초산농도에 따른 bacterial cellulose 생산성 비교 26
3. 요약 31
Ⅲ. 제 2 장 김치에서 분리된 Lactobacillus 속 유산균을 활용한 청보리 발효물과 사균체의 항산화성 평가 32
1. 재료 및 방법 33
1) 원재료 및 사용 균주 33
2) 청보리 발효 및 사균체 제조방법 33
3) 유산균 복합 사균체의 나노화 36
4) 사균체의 영상 분석 37
5) 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl 라디칼 소거 활성 37
6) 2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) cation 라디칼 소거활성 38
7) 통계처리 38
2. 결과 및 고찰 39
1) Microfluidizer로 나노화된 청보리 발효-유산균 사균체의 주사전자현미경 영상 39
2) 유산균 3종 활용 청보리 추출발효물의 DPPH 및 ABTS+ 라디칼 소거 활성 39
3) 나노화된 복합 사균체의 ABTS+ 라디칼 소거활성 평가 42
3. 요약 45
Ⅳ. 제 3장 마이크로바이옴 분석을 통한 피부유산균 조사 및 유산균 세포외 소포체의 항염 활성 평가 46
1. 재료 및 방법 47
1) 연령 및 피부타입 별 마이크로바이옴 분석 47
2) 피부유래 유산균의 분리 및 동정 47
3) 피부유래 유산균을 활용한 발효소재의 항산화성 평가 47
4) 유산균 세포외 소포체의 분리 48
5) 유산균 세포외 소포체의 항염 활성 평가 49
6) 유산균 세포외 소포체의 염증성 사이토카인 생성억제 효과 49
7) 통계처리 49
2. 결과 및 고찰 50
1) 연령 및 피부타입 별 마이크로바이옴 분석 50
2) 피부유래 유산균 동정 65
3) 유아 피부유래 유산균을 활용한 천연발효소재의 항산화성 평가 65
4) 유산균 세포외 소포체의 세포생존율 및 Nitric oxide 생성 억제 효과 76
5) 유산균 세포외 소포체의 염증성 사이토카인(IL-6, IL-1β, TNF-α) 생성 억제 효과 76
3. 요약 82
Ⅴ. 참고문헌 83
Ⅵ. 부록 95
Degree
Doctor
Publisher
제주대학교 대학원
Citation
김경민. (2021). 락토바실러스속 유산균의 분리 및 산업용 생물소재화 연구
Appears in Collections:
Graduate School of Industry > Food Science and Engineering
General Graduate School > Food science and Engineering
Authorize & License
  • AuthorizeOpen
Files in This Item:

Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.