아스타잔틴은 무엇으로 만들어졌는가?

Abstract:본 논문은 astaxanthin이 분홍색 항산화 색소일 뿐만 아니라 상당한 생물학적 기능을 가지고 있으며 사료, 식품, 제약 및 화학 산업에서 널리 사용될 수 있음을 소개한다.astaxanthin의 원천, 특히 astaxanthin을 생산하는 Schizochytrium의 육종, 그 과정과 색소의 추출, 그리고 최근 국내외의 다른 연구 진전 등이 논의되고 있다.

1 도입

Astaxanthin, 3, 3'-dihydroxy-4, 4'-dione-beta, beta'-carotene은 케토-카로틴으로 분홍색을 띠고 지용성이며 물에 잘 녹지 않고 클로로포름, 아세톤, 벤젠, 이황화탄소 등의 유기용매에 잘 녹는다.생활계에서 널리 발견되는데 특히 새우,게, 물고기 등 수생동물과 조류의 깃털에서 많이 발견되며이 깃털은 색갈에 역할을 한다.안료의 침착을 조절할 수 있으며 프로게스테론과는 다르다.

아스타잔틴은 사료에 첨가하면 가금류가 섭취한후 계란 노른자에 침전되여 색갈이 깊어진다.아스타잔틴은 비타민 a 가 아닌 카로티노이드로 동물에서는 비타민 a로 전환될 수 없다.그러나 아스타잔틴은 매우 강한 항산화 특성을 가진 사슬을 끊는 항산화제입니다.동물실험 결과 astaxanthin은 NO2, 황화물, 이황화물을 제거할 수 있으며, 또한 지질과산화를 감소시키고 활성산소에 의한 지질과산화를 효과적으로 억제할 수 있는 것으로 나타났다.뿐만 아니라 아스타잔틴은 종양 발생을 억제하고 면역기능을 강화하는 등의 생리작용도 강하다.따라서 식품 첨가제, 수산 양식, 화장품, 건강 제품 및 제약 산업에 광범위한 응용 전망이 있습니다.고급 양식업의 급속한 발전으로 1980년대 중반 이후 아스타잔틴에 대한 시장 수요가 크게 늘어났고, 최근 들어 급격히 증가하고 있다.

astaxanthin의 2가지 출처

2.1 화학적 합성

노 Astaxanthin은 드 합성 끝 점과 β의 변화-carotene Astaxanthin하 려면의 추가 가 매우 두 그룹과 수산기 한 그룹이다.인공적인 화학합성은 비교적 어렵고, 대부분은 cis-구조로 되어 있다.미국 FD한(식품의약국)는 트랜스아스타잔틴을 양식용 첨가물로만 승인한다.따라서 인공적으로 합성된 트랜스 아스타잔틴은 비싸기 때문에 (현재 국제 시장에서 약 2,000 USD/kg) [1] 널리 사용되는 데 한계가 있다.

현재 생물원으로부터 추출한 아스타잔틴의 함량이 충분히 높지 않기에 화학적으로 합성한 아스타잔틴은 여전히 일정한 경쟁우위를 갖고있다.스위스의 F. Hoffmann-La Roche는 올 트랜스 아스타잔틴의 합성을 완료했으며 [2] 연어의 사료 첨가제로 사용이 승인되었다.

그러나 일부 아스타탄틴을 함유한 미생물은 성장이 빠르고, 발효주기가 짧으며, 아스타탄틴에서 추출한 단일세포 단백질을 미끼 및 사료첨가제로 사용할 수 있다는 장점이 있다.전 세계적으로 모든 천연 식품이 증가함에 따라 점차 현재 연구의 초점이 될 것입니다.

2.2 생물자원

이와 달리 생물체로부터 추출된 아스타잔틴은 대부분 트랜스 (trans) 구성으로 사용하기에 안전하고 환경친화적이며 넓은 개발전망을 가지고 있다.현재 astaxanthin의 생물학적 원천은 주로:수산물 가공 산업의 폐기물에서 추출하고 미생물 발효에 의한 생산이다.

2.2.1 수산물 가공 산업의 폐기물에서 아스타잔틴 추출

현재 외국 가재 가공업은 매년 1000만톤의 갑각류 수산물 폐기물을 생산한다.추출 중 합을 이용한 에이전트 astaxanthin를 추출하는 데 사용 될 수 있는, astaxanthin 에스테르와 새우에서 붉은 색소이 쓰레기, 153까지의 수율을 가 진 μ g/(g) 낭비이다.분석에 따르면 추출된 카로티노이드의 90% 이상을 아스타잔틴이 차지한다.최근 노르웨이 해양수산업은 폐기물을 담금질하는 기술을 채택했다.은신 후 회수율이 10% 증가했으며, 아스타잔틴의 순도 또한 크게 향상되었다.

수산물 폐기물 중 astaxanthin 함량이 낮기 때문에 추출 비용이 높고, 자원의 제약으로 인해이 방법은 astaxanthin의 대규모 공급원으로 적합하지 않으며 개발 가능성이 거의 없다.하지만 아직 더 나은 방법이 발견되지 않았기 때문에 해외에서는이 방법이 여전히 존재한다.

미생물 발효 생산 2.2.2

미생물의 세계에서 astaxanthin의 분포는 canthaxanthin의 분포와 다소 비슷하다.연구에 따르면 아스타잔틴을 생산하는 미생물로는 바idiomycota 문 (Basidiomycota phylum, Phaffia 속)의 균류 속, 탄화수소를 동화시키는 2 종의 박테리아, 질소가 결핍된 환경에서 자라는 많은 녹조류가 있다 [3].

(1) 해조류를 배양하여 아스타잔틴을 생산한다

아스타탄틴을 생산하는 많은 해조류 중에서,헤마토코쿠스 플루비알리스 (Haematococcus pluvialis)는 아스타산틴을 생산하는 중요한 세균이다그리고 한때 상업적인 아스타잔틴 생산에 큰 전망을 가진 미알가로 여겨졌다.이 조류는 autotrophy와 heterotrophy를 모두 수행할 수 있다.재배 중에 질소원이 부족하면 아스타잔틴은 해조류에 축적된다.

현재, 외국 고품질 Haematococcus pluvialis의 체내 astaxanthin 함량은 0.2%에서 2% 정도로 높으며, 일반적으로 전체 카로티노이드의 90% 이상을 차지한다.또한 Chlorococcum sp.는 고온저항성, 극한 pH, 빠른 생장속도, 야외 재배 용이성 등의 장점을 가지고 있으며 [3] 대규모 아스타잔틴 생산 가능성이 큰 조류로 평가되고 있다.그러나 조류의 독립영양주기는 길고, 빛이 필요하기 때문에 생산지가 어느 정도 제한되며, 조류의 세포벽을 부숴서 아스타잔틴을 배출하기는 어렵다.그러므로 대규모적인 생산을 진행하는것도 더욱 어렵다.

(2) 세균을 이용하여 astaxanthin을 생성한다

두 종류의 박테리아가 astaxanthin을 생성하는 것으로 알려져 있다:탄화수소 매체에서만 astaxanthin을 생성하고 영양가 아가에서는 astaxanthin을 생성하지 않는 Mycobacterium lacticola;그리고 또 다른 균주인 베비박테리움 브레비스 103은 석유에서 자라나 발효 말기의 바이오매스가 3 g/L 인데 색소는 0.03 mg/g에 불과하다.탄화수소 발효의 단점과 낮은 수율, 그리고 Pichia pastoris의 이용성을 고려할 때, 상기 두 세균의 향후 생명공학적 응용은 가능성이 낮아 보인다.

(3) Pichia pastoris를 이용하여 astaxanthin을 생산한다

1976년 안드레웨스와 파프는 피치아 파스토리스 (Pichia pastoris)에서 아스타잔틴 (astaxanthin)을 발견하여 많은 관심을 끌었다.이후 많은 생명공학 회사들이 파피아 효모 연구에 상당한 노력을 기울였고 [4] 어느 정도 성과를 거두었다.

페이피아 효모를 이용한 아스타잔틴 생산 연구 진행 3

파피아 효모는 1970년 일본 알래스카와 홋카이도 [4]의 산지에서 낙엽수의 삼출물로부터 분리되었다.이후 바idiomycetes의 새로운 속으로 밝혀져 파피아속 (Phaffia genus) [3]으로 명명되었다.Phaffia들 사이에서 꽤 특별 해야하는 이스트나 타 납니다 Basidiomycetes,의 효모 발효 할 수 있기 때문에 주로 설탕과 astaxanthin이 포함 되어 있는 다른 붉은 효모의 엄격 한 aerobiosis에서, 그리고 색소는 주로 β-carotene 또는 monocyclic 카로 틴다.Astaxanthin은 발견된 직후 효모 Haematococcus에서 발견되었으며, 어류 및 가금류 사료의 사료 첨가제로서의 이용 가능성과 생물의 색소 형성에 미치는 영향에 대한 연구가 시작되어 좋은 결과를 얻었다.이후 20년간의 연구에서, 연구 노력은 다음과 같은 세 가지 분야에 집중되었다:(1) 스트레인 개선;(2) 발효 공정 최적화;및 (3) 세포로부터 astaxanthin 추출.

생산량이 많은 astaxanthin 균주의 육종 3.1

이제 사람들은 과도한 아스타잔틴 합성으로 돌연변이 균주를 사육하는 데 집중했다.최근년간 국내외 학자들은이 방면에서 일부 성과를 거두었다.예를 들어, 얻어진 돌연변이 균주인 로도토룰라 글루티니스 (Rhodotorula glutinis)의 아스타잔틴 함량은 232% 증가하여 1500 mg/(kg 줄기 세포) [5]에 달했다.알코올 폐액 매질을 이용하여 Haematococcus pluvialis NRRLY-17269, JB2의 돌연변이 균주를 선별하였고, 5 L fermenter test [1]에서 건세포 1 kg 당 (2,010 + 170) mg의 카로티노이드의 수율을 얻었다.또한, DNA 재조합 기술을 이용한 고수율 아스타잔틴 유전자 공학 박테리아의 제조 연구가 수행되고 있으며, 아스타잔틴 경로의 생합성의 핵심 효소인 피치아 파스토리스 (Pichia pastoris)의 형질전환 시스템과 이들 효소를 암호화하는 유전자에 대한 연구가 진행되고 있다.

생산 과정에서의 연구 진행 3.2

최적의 발효 조건의 조절 3.2.1

astaxanthin의 수율은 균주 외에도 배양 조건과 관련이 있다.효모 UCD67-210을 실험균주로 사용하여 pH, 온도, 탄소원의 종류와 농도, 용존산소 및 빛 등 발효에 영향을 미치는 여러 중요한 변수들을 연구하였다.발효를 위한 최적의 변수인 pH5를 얻었다.0;온도 20~22 ℃;최적의 탄소원, 셀로바이오스 (cellobiose;1.5%를 초과하는 당 질량 농도는 세포의 단위 중량당 아스타잔틴 함량을 감소시키고;그러나 바이오매스의 증가로 인해 단위 부피당 아스타잔틴 함량은 여전히 증가할 것이다;용존산소 3.6~108 mmoL/(L · h);빛은 아스타잔틴에 거의 영향을 미치지 않는다 [3].

Pichia pastoris의 연속배양시 pH의 온라인 조절에 대하여 연구하였을 때, 포도당용액 (5.02)이 배양액 (5.00)보다 높게 나타났으며, Pichia pastoris의 성장은 상대적으로 느리게 나타났다 (0.055 h-1).그러나 첨가된 당의 pH를 4.98로 조절하였을 때 성장률은 0에 도달하였다.예약 h-1다.또한 설탕 첨가 간격이 효모 성장에 큰 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다 [7].

에 대한 포도당 질량 농도의 효과일 때astaxanthin 생산효모 NCHU-FS501을 이용하여 연구한 결과, 포도당의 질량농도가 35 g/L에 도달하면 astaxanthin의 생성이 16에 이르는 것으로 나타났다.33 mg/L;포도당의 질량 농도가 45 g/L에 도달하거나 초과하면 아스타잔틴 형성이 억제된다 [2].최근 프랑스 학자들은 효모 PR190을 배양하기 위해 글리세롤을 탄소원으로 사용해 아스타잔틴 생산량을 0.78 mg/(g 줄기세포)에서 0.97 mg/(g 줄기세포)로 늘렸다.또한 효모의 성장속도가 0.075 h-1일 때 가장 높은 astaxanthin 수율을 얻는 것으로 나타났다;168 h의 발효 후에,은 astaxanthin 생산량 33.7 mg 도달 할 수 있/L) (1800 μ g/(g 건조 셀)) [8].

멕시코 학자들은 유카 즙을 유일한 탄소원으로 사용하였으며, 환원당의 대량농도가 22.5 g/L 일 때 아스타잔틴 생성량은 YMmedium을 사용한 것보다 2.5배 높은 6.170 mg/L에 달했다 [9]..토마토주스를 첨가할 때 아스타잔틴을 함유할 수 있는 전구체 물질이 색소 함량을 증가시킨다는 것은 언급할 가치가 있다.국내 학자들은 최적화에 의해 설계 astaxanthin 생산을 위한 조건 떨리는 병 Haematococcus pluvialis, 그리고 가장 높은 얻을 astaxanthin 수율은 11.63 mg/L (1770년 μ g/(g 건조 셀)) [10].전반적으로 단순히 발효 매개체를 최적화해 아스타잔틴 함량을 늘리는 데는 획기적인 성과가 없었다.

3.2. 2발효 비용 절감

아스타잔틴의 낮은 수율 외에도 효모의 상업적 적용에 악영향을 미치는 또 다른 요인은 효모의 성장에 필요한 매질 (설탕을 첨가한 효모 질소 기본 매질)의 상대적으로 높은 비용입니다.알팔파 잔류물 등 일부 저렴한 식품 가공 폐기물은 효모 증식을 효과적으로 촉진하지만, 동시에 아스타잔틴 생성을 억제한다.이러한 억제는 사포닌의 존재 때문이다.

효모 Pichia pastoris NRRLY-17269의 돌연변이 균주 JB2를 전분 및 알코올 폐액을 이용하여 걸러내고, distiller's 알갱이로 1,330-1,750 mg/kg의 카로티노이드를 건조시켜 배양액 비용을 크게 절감시켰다 [1].또한 파피아를 재배하기 위해 탄소원으로 포도당 대신 값싼 발효 원료로 당밀을 사용하면 아스타잔틴의 생산량을 15로 약 3배 증가시킬 수 있다고 보고되었다.3 mg/L [12].또한, 자일로스는 목재나 산업 및 농업 고체 폐기물을 가수분해하여 대량으로 얻을 수 있으며 저렴한 탄소 원료이기도 합니다.일부 학자는 자일로스를 탄소원으로 사용하였으며, 공정 최적화 후 아스타잔틴 수율은 5.2 mg/L 이었다 [13].

아스타잔틴 추출 3.3

현재 아스타잔틴은 주로 다양한 방법을 사용하여 세포벽을 먼저 깬 다음 유기용매로 추출한다.연구에 따르면 DMso (디메틸설폭사이드)를 사용할 때보다 에탄올을 사용할 때 추출률이 낮아진다고 한다 [5].국내 학자들도 산열로 세포를 처리한 뒤 아세톤으로 추출해 좋은 결과를 얻었다.최근, 일본 학자들은 매우 활성 구성 lyase를 생산하는 Streptomyces rochei DB-34 균주를 선발하였다.이 효소 전시 활동의 지구에서 β-1, 6-glucan, 그리고 그것은 또한 추가 발견 되었이 효소의 문화의 후기 단계에 Pichia pastoris을 효과적으로 추출 할 수 있 astaxanthin [14].

사료첨가제로 사용할 때는 효모를 분해해야 아스타잔틴이 생선이나 계란 노른자에 쌓일 수 있다.색소를보다 쉽게 이용할 수 있도록 하기 위해서는 증류수나 구연산 완충제에서의 사전 자동분해 (pre-autolysis) 가 유력한 방법이나, 질긴 세포벽을 바실러스 순환기에서 분비되는 효소를 이용하여 분해할 수 있다.바실러스 순환기를 넣기 전에 효모를 열사시키고 pH를 조절해야 한다.따라서 두 미생물을 함께 배양하면 더욱 편리하다.이것의 또 다른 장점은 세포 없는 배양 육수를 재사용할 수 있다는 것입니다.발효를 위해 일부 영양소가 제거된 후에도 여전히 효모의 성장을 지탱하고, 세포벽을 변형시키는 특정 용해 효소가 들어있기 때문이다.혼합 발효 육수를 여과하고 재활용하는 공정 방안이 제안되었으며, 대규모 생산시 환경 요건 충족을 목적으로하고 있다.아쉽게도 혼합 발효는 아스타잔틴 생성을 어느 정도 억제한다 [3].

개발 및 적용 전망 4

아스타잔틴은 현재 식품, 의약품, 화장품 및 동물 사료 생산에 널리 개발 및 응용되고 있다.아스타잔틴이 카로티노이드이긴 하지만, 몇몇 생물학적 효과는 다른 카로티노이드보다 훨씬 강하다.아스타잔틴은 지용성이며 색이 밝고 항산화 성분이 강하다.음식에서는 색갈뿐만 아니라 효과적으로 보존하여 변색, 맛이 떨어지고 부패를 방지한다.

아스타탄틴을 함유한 붉은 오일은 채소, 해초, 과일 등을 재울 때 사용할 수 있고 음료수, 국수, 조미료에도 색을 낼 수 있다.특허도 보고되었다.Astaxanthin은 β보다 photoprotective 효과 가 강하-carotene, 해외에서에는 특허 가들어 있는 화장품 Astaxanthin고 있다.제약 및 식품 산업은 astaxanthin의 항산화, 항염증 및 면역 촉진 효과를 사용하여 산화 조직 손상을 방지하고 건강 식품을 공식화합니다.동시에 아스타잔틴은 밝은 색을 띠고 액틴과 비특이적으로 결합할수 있기때문에 양식사료에 첨가하면 양식어류의 피부와 근육색을 개선하고 병저항성을 높일수 있다.또한, 아스타잔틴은 어류의 성장과 번식에 중요한 역할을 한다.어란의 수정을 촉진하고 발육하는 배아의 사망률을 낮추며 개인의 성장을 촉진하고 성숙과 생식능력을 높이는 호르몬으로 사용할수 있다.아스타잔틴은 또 가금의 생장을 촉진하고 알의 생산을 늘이는 영양소로 사용할수 있다.

astaxanthin이 강력한 생리 기능을 가지고 있으며 널리 사용된다는 것은 의심의 여지가 없습니다.최근 국내외에서 아스타잔틴의 수요가 증가하고 있다.수산물가공산업의 폐기물에서 아스타잔틴을 추출하는 외에 효모, 해조류 등 미생물을 이용한 공업발효로 아스타잔틴을 생산하기도 한다.그러나 다른 성숙한 발효제품과 비교할 때 미생물을 이용한 아스타잔틴의 공업적 생산 규모는 아직 많이 뒤처져 있다.가장 큰 문제는 여전히 낮은 수율과 높은 발효 비용이다.따라서 아스타잔틴의 추가 개발 및 적용은 고생산성 균주의 선별, 발효 공정의 개선, 유전자 변형 기술의 적시 도입으로 수확량 증대 및 비용 절감의 이점을 얻을 수 있을 것이다.

참조:

[1] Bon J A,Leathers T D,Jayaswal R k. Astaxanthin over의 분리- 돌연변이를 만들어내는 pha""ia Rhodozyma[J] (이탈리아어).  생명공학 편지, 1997,19(2):1O9~112.

[2] 팽트 J, 치우 T y. 부제:배치cultivation and Astaxanthin 생산by a Mutant 의the 효모 pha""ia RhodozymaNcHu-Fs5O1[J. 산업미생물학회지 1996(16):175~181.

[3] 넬리스 H J, 드 리엔히어 A p. 카로티노이드 돼지의 미생물원- 멘트는 음식과 사료에 사용되는 [J. 저널 적용의 세균학, 1991,7O:181~191.

[4] Andrewes A  G, phaff H  J, 스타  M  p. 카로 티 노이 드 의  pha""ia Rhodozyma,a 붉은 -침착 된 발효 이스트다 [J다]  phytochem-화학,1976(15):1 OO3~1 OO7.

[5] 칼로 p, 벨라스케스 J B, 시에이로 c, 블랑코 p 외. 여러 phaiaRhodozyma돌연변이로부터 Astax-anthin 및 기타 carotenoids의 분석 [J]. J Agric다 Food chem,1995,43:1 396~1 399.

[6] chan H y,Ho k p. 성장과 pH에 의한 카로티노이드 생성-stat 파이아 로도지마 문화 (cultures of phaia Rhodozyma[J]) Biotechnol다. Lett,1999,21(11):953~958.

[7] 쿠스디 얀티니 E, 고딘 p, 고마 G 등. 성장 운동학과 As- taxanthin production  of  파""아 Rhodozyma  동안의 탄소 원으로 Glycerol에 Batch  발효다 [J다]  Biotechnol다.  Lett,1998,2O (1O):929~934.

[8] 라미레스 J, 무네즈 M L, 발디비아 R. yucca Fil-lifera[J]의 Date Juice에서 재배된 phaia Rhodozyma 돌연변이에 의한 Astaxanthin 생성 증가. J. Ind Microbiol. 바이오테크놀,2000,24(3):187~19O.

[9] 서서밍, 진장위, 류단희 외.Haematococcus pluvialis [J]에 의한 astaxanthin의 생산을 위한 shake-flask 공정.우시경공업대학 논문집 2000, 19(3):230-235.

[10] okagbue R N, 루이스 M J. 적색효모 phaia Rhodozyma[J]의 전파를 위한 sub-strate 로서 Alfalfa Residual Juice의 이용. 한 기초이다.Microbiol다. 생물공학,1984,2O:33~39.

[11] 하rd N F. the효모 pha""ia Rhodozymaon 당밀 [J]에 의한 Astaxanthin 형성. 생명공학 서신,1988,1O(9):6O9~614.

[12] 파라조 J c, 산토스 v, 바스케스 M. 카로티노이드 프로의 최적화-duction by phaia  Rhodozyma  세포 성장 xylose에다 [J다]  공정생화학,1998,33(2):181~187.

[13] 니시 아키코, 오부치 카즈히코, 하마치 마사키 외. 번식 스트렙토마이세스 로체이 (streptomyces Rochei)의 구성 생산 균주의 파-34 그것은 파이아 로도지마의 용해 효소를 생산한다 그리고 추출 효소를 이용한 아스타잔틴의 [J. seibutsu kogaku kaishi,1999, 77(2):60~65.