Production of poly γ-glutamic acid by fermentation of Ulva sp. with Bacillus sp. SJ-10

Abstract

The study aimed to develop cost-effective production of poly γ-glutamic acid (γ-PGA) by Bacillus sp. SJ-10 using ulva (Ulva sp.) powder (UP) as substrate for fermentation, without pretreatment. The Ulva sp. used in this study was identified as a species similar to U. prolifera and U. flexuosa by ITS sequencing. Scanning electron microscope and Congo red assay were used to visually confirm that Bacillus sp. SJ-10 can use Cell wall component of UP without pretreatment. Compared with other study result of enzyme treatment for the fermentation of seaweed, Bacillus sp. SJ-10 was not only able to cause tissue degradation of UP as well as the enzyme treatment, but also to grow well. The optimal conditions for economical production of γ-PGA using ulva powder medium (UPM) were designed by a statistical method, called response surface method (RSM). ‘One factor at a time’ method was used to find the closest value for the optimal condition and central composite design (CCD) were performed, followed by the secondary order equation obtained through quadratic regression model. The ANOVA of quadratic regression model indicated that the model in this study found significant (P < 0.05). Under the optimized condition, γ-PGA productivity of 6.29 ± 0.34 g/L was obtained. The obtained PGA was identified as poly-γ-DL-glutamic acid. The D / L ratio was about 7: 3 and the average molecular weight was less than 400 kDa.

이번 연구는 특별한 전처리 없이 발효를 위한 기질로써 파래 분말을 이용하여 Bacillus sp. SJ-10을 통해 생산되는 γ-PGA의 생산비용 절감을 목표로 하였다. 연구에 사용된 파래는 ITS sequencing을 통하여 U. prolifera, U. flexuosa와 유사한 종으로 밝혀졌다. 전자현미경과 Congo red assay를 이용하여 Bacillus sp. SJ-10이 전처리 없이 파래 분말의 세포벽 구성성분을 이용할 수 있는지 확인하였다. 다른 연구 결과와 비교를 통하여 발효과정에서 효소처리를 한 것과 유사하게 조직 분해가 일어나는 것을 확인하였으며, 조직표면에 자라는 균도 관찰되었다. 파래 분말을 이용하여 γ-PGA의 경제적인 생산을 위한 최적 조건은 반응표면법으로 불리는 통계적 방법을 이용하여 디자인되었다. 반응표면법의 중심 합성 계획법에 사용될 펙터들의 γ-PGA 수율에 대한 효과와 농도 범위를 ‘One factor at a time’ 방법을 이용하여 알아보았다. 그 후 CCD 실험을 진행하고, quadratic regression model을 통해 secondary order equation을 구했다. Quadratic regression model은 ANOVA를 통해 유의성이 있음을 확인하였으며 (P < 0.05), fit of model 테스트를 통해 secondary order equation의 신뢰도를 확인하였다 (Adj R2 =0.9657). Secondary order equation으로부터 얻은 최적 조건에서 6.29 ± 0.34 g/L의 γ-PGA생산량을 보였다. 그리고 얻어진 γ-PGA는 특성분석을 통해 poly-γ-DL-glutamic acid로써 D/L 비율은 약7:3 정도이며, 평균 분자량은 400kDa 이하인 것으로 확인되었다.