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Cheese whey wastewater-derived Chlorella biomass promotes growth and β-galactosidase activity of Pediococcus sp. isolated from Gundurk

본 연구는 치즈 유청 폐수에서 배양된 클로렐라(Chlorella) 바이오매스가 전통 네팔 음식인 군드룩(Gundruk)에서 분리된 페디오코커스(Pediococcus) 속의 성장을 효과적으로 촉진하고 β-갈락토시다아제 활성을 높인다는 것을 입증하며, 이는 유제품 폐기의 가치 제고 및 기능성 식품 개발을 위한 지속 가능한 전략을 제공한다.

원저자: Monima Karmacharya, Utsav Dahal, Sanju Khadka, Basanta Chaudhary, Bibek Chandra Mahaseth, Lochan Pandeya, Kamana Dawadi, Suvechhya Bastola, Prajwal Rajbhandari, Sanjaya Lama

게시일 2026-08-31

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CC BY 4.0

원저자: Monima Karmacharya, Utsav Dahal, Sanju Khadka, Basanta Chaudhary, Bibek Chandra Mahaseth, Lochan Pandeya, Kamana Dawadi, Suvechhya Bastola, Prajwal Rajbhandari, Sanjaya Lama

원본 논문은 CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ✨ 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기

식품 생산의 세계에서 폐기물은 종종 피할 수 없는 부산물이지만, 과학자들에게 그것은 숨겨진 자원이 될 수 있습니다. 그러한 폐기물 중 하나는 치즈가 되는 과정에서 남는 액체인 치즈 웨이(cheese whey)입니다. 이 액체는 당과 단백질 같은 영양분이 풍부하지만, 처리되지 않은 채 방출될 경우 수역의 산소를 고갈시킬 수 있기 때문에 처리가 까다롭습니다. 이를 해결하기 위해 연구자들은 자연의 작은 재활용꾼인 미세조류에 주목합니다. 미세조류는 햇빛을 이용해 성장하는 미세한 식물 형태의 생물체이지만, 폐기물 스트림에 포함된 유기 영양분을 먹고 자랄 수도 있습니다. 이 조류가 성장할 때, 이들은 폐기물을 영양가가 높은 고체 바이오매스로 변화시킵니다. 이 바이오매스는 단순한 폐기물 처리를 넘어, 단백질과 지방이 가득 찬 잠재적인 식품 원료가 됩니다. 이 방정식의 다른 한 축에는 요거트나 자우크라우트와 같은 발효 식품의 일등 공신인 젖산균이 있습니다. 이 박테리아는 인체 건강과 식품 보존에 필수적이지만, 번성하고 유익한 효소를 생성하기 위해서는 특정한 조건이 필요합니다. 이 연구를 이끄는 질문은 폐기물에서 자란 조류가 실제로 이 박테리아가 제 역할을 더 잘 수행하도록 도울 수 있는지, 즉 폐기물이 더 건강한 음식을 만드는 도구가 되는 순환 구조를 만들 수 있는지였습니다.

네팔의 생명과학 및 생명공학 연구소의 연구팀은 두 가지 특정 유형의 지역 미생물을 사용하여 이 아이디어를 테스트하기 위해 나섰습니다. 먼저, 연구진은 바네파(Banepa)의 담수 연못에서 물을 채집하여 흔한 녹색 미세조류의 일종인 야생 Chlorella 균주를 찾아냈습니다. 또한, 겨자 잎으로 만든 전통 발효 채소 요리인 군두르크(Gundurk) 샘플을 수집하여 Pediococcus라고 불리는 특정 젖산균 균주를 분리했습니다. 연구진은 조류를 배양하기 위해 두 가지 서로 다른 환경을 만들었습니다. 하나는 표준 실험실 영양 용액이었고, 다른 하나는 치즈 웨이 폐수와 물의 혼합물이었습니다. 그들은 두 환경에서 8일 동안 조류를 배양했습니다. 결과는 조류가 표준 실험실 용액에서도 잘 자랐을 뿐만 아니라 치즈 웨이에서도 잘 자랐음을 보여주었습니다. 실제로 실험 종료 시점에 치서 웨이에서 자란 조류는 표준 용액의 1,590만 세포/ml에 비해 더 높은 1,730만 세포/ml의 밀도에 도달하며 더 많은 세포를 생성했습니다. 더욱 중요한 점은, 폐기물에서 자란 조류가 표준 용액의 0.30g보다 훨씬 많은 1.40g/L의 건조 바이오매스를 생산하며 더 많은 고체 물질을 만들어냈다는 것입니다.

연구진은 폐기물이 세포 구성을 변화시켰는지 확인하기 위해 빛이 분자에 반사되는 방식을 사용하는 기술을 통해 조류 세포 내부를 조사했습니다. 그 결과, 치즈 웨이에서 자란 조류는 실험실에서 자란 조류와 화학적 구성이 다르다는 것을 발견했습니다. 구체적으로, 폐기물에서 자란 조류는 지방과 오일인 지질을 더 많이 함유하고 있었던 반면, 실험실에서 자란 조류는 더 강한 단백질 신호를 보이는 듯했습니다. 이는 유당(lactose)과 같은 치즈 웨이의 영양분이 조류로 하여 에너지 형태로 더 많은 지방을 저장하도록 유도했음을 시사합니다. 연구팀은 이 건조된 조류 바이오매스를 Pediococcus 박테리아의 식품 배지에 첨가했습니다. 그들은 이 조류를 박테리아에게 먹이는 것이 박테리아가 더 빠르게 성장하거나 더 열심히 일하는 데 도움이 되는지 확인하고자 했습니다. 결과는 명확했습니다. 조류 바이오매스를 추가하는 것은 박테리아가 활성 성장 단계 동안 더 빠르게 증식하도록 도왔습니다. 박테리아는 조류가 없는 경우보다, 특히 성장 후 18~24시간 사이에 조류가 있을 때 훨씬 더 잘 자랐습니다.

단순히 박테리아의 성장을 돕는 것을 넘어, 조류는 인체 건강에 매우 가치 있는 특정 기능, 즉 유당을 분해하는 능력을 촉진했습니다. Pediococcus 박테리아는 우유에 들어있는 당을 소화하는 데 도움을 주는 베타-갈락토시다아제(beta-galactosidase)라는 효소를 자연적으로 생성합니다. 이는 성인 인구의 상당수가 유당을 제대로 소화하지 못하기 때문에 매우 중요합니다. 연구진이 이 효소의 활성을 측정했을 때, 조류를 먹은 박테리아는 일반적인 식단을 가진 박테리아보다 훨씬 더 많은 효소를 생성했습니다. 실험실 표준 용액에서 자란 조류를 먹은 박테리아는 49.33 유닛의 효소 활성을 보였고, 치즈 웨이에서 자란 조류를 먹은 박테리아는 38.82 유닛을 생성했습니다. 두 수치 모두 조류가 없는 대조군의 18.34 유닛보다 현저히 높았습니다. 이는 조류가 자란 바이오매스가 실험실에서 자란 조류가 효소 생성 측면에서는 약간 낮은 수치를 보였음에도 불구하고, 박테리아의 효소 성능을 높이는 강력한 촉진제 역할을 한다는 것을 나타냅니다.

이 연구는 이 접근 방식이 환경과 식품 과학 모두에 이중적인 이점을 제공한다고 결론짓습니다. 치즈 웨이를 사용하여 조류를 배양함으로써, 연구진은 문제가 되는 폐기물 스트림을 정화하는 동시에 고부가가치 바이오매스를 생성하는 방법을 입증했습니다. 이 바이오매스는 다시 유익한 박테리아의 성능을 향상시키는 기능성 식품 첨가제로 활용됩니다. 이 연구 결과는 담수 연못과 전통 발효 식품과 같은 지역 환경의 야생 미생물들이 하나의 통합된 시스템으로 결합될 수 있음을 시사합니다. 이 시스템은 유제품 폐기물로부터 영양분을 회수할 뿐만 아니라, 발효 식품의 품질을 개선하고 잠재적으로 유당 불내증이 있는 사람들의 유당 소화를 도울 수 있는 제품을 생성합니다. 비록 폐기물에서 자란 조류가 실험실 조류와 비교하여 효소 생성 측면에서 약간 다른 효과를 보였으나, 전반적인 결과는 폐기물 유래 바이오매스가 유익한 박테리아의 성장과 기능을 지원하는 실행 가능하고 효과적인 도구임을 확인해 줍니다.

기술 요약: 치즈 유청 폐수 유래 Chlorella 바이오매스를 이용한 Pediococcus 증진

문제 제기
치즈 유청 폐수(CWW)는 유기물 부하(높은 COD 및 BOD)가 높은 영양분이 풍부한 유제품 부산물로, 처리 없이 배출될 경우 심각한 환경적 위험을 초ồng한다. 미세조류 배양은 영양분 회수 및 바이오매스 생산을 위한 지속 가능한 방법을 제공하지만, 대규모 생산은 종종 높은 배양 배지 비용에 의해 저해된다. 이와 동시에, 전통 발효 식품에서 분리된 유산균(LAB), 특히 Pediococcus와 같은 균주는 식품 생명공학 분야에서 가치가 높으나, 유당 불내증 문제를 해결하는 데 중요한 $\beta$ -galactosidase 활성과 같은 기능적 효소 특성을 최적화하기 위해 성장이 필요하다. 본 연구는 실제 폐수 스트림(특히 CWW)에서 배양된 야생 미세조류 균주가 전통 발효 식품에서 분리된 야생 LAB과 어떻게 상호작용하여 폐물 가치화(valorization)와 기능성 식품 개발을 위한 통합 시스템을 구축하는지에 대한 이해의 공백을 다룬다.

연구 방법론
본 연구는 미세조류 배양과 그에 따른 LAB의 공동 배양 또는 보충을 포함하는 2단계 접근 방식을 채택하였다:

미세조류 배양:
- 분리: 네팔 바네파(Banepa)의 연못에서 담수성 Chlorella sp.를 분리하고 형태학적으로 동정하였다.
- 배양 배지: 조류는 표준 Bold's Basal Medium (BBM)과 20% (v/v) 치즈 유청 폐수 (CWW) 배지 두 가지에서 배양되었다. CWW는 사전 처리(지방 제거를 위한 원심분리, 오토클레이브 처리 및 여과)를 거쳤으며, pH는 5.1–5.9로 조정되었다.
- 조건: 배양은 혼합 영양 조건(광/암 주기, 25°C) 하에서 8일 동안 진행되었다.
- 분석: 성장도는 흡광도(OD750) 및 세포 수를 통해 모니터링되었다. 바이오매스는 수확되어 건조되었으며, 생화학적 조성(지질, 단백질, 탄수화물)을 결정하기 위해 푸리에 변환 적외선(FTIR) 분광법을 사용하여 분석되었다.
LAB 분리 및 특성 분석:
- 기원: 네팔의 전통 채소 발효 식품인 Gundruk에서 Pediococcus sp.를 분리하였다.
- 동정: 분리된 균주는 Gram 염색 및 생화학적 테스트를 통해 스크리닝되었으며, 16S rRNA 유전자 시퀀싱을 통해 Pediococcus sp. (균주 LpG3)로 분자적으로 동정되었다.
보충 및 기능성 분석:
- 실험 설계: 분리된 Pediococcus sp.를 BBM 또는 CWW에서 유래한 1% (w/v) 건조 Chlorella 바이오매스로 보충된 표준 MRS 배지에서 배양하였다.
- 성장 역학: 박테리아 성장은 48시간 동안 집락 형성 단위(CFU) 측정을 통해 모니터링되었다.
- 효소 활성: $\beta$ -galactosidase 활성은 ONPG 분석을 통해 Miller Unit으로 측정되었다.
- 통계: 데이터는 성장 역학을 위한 Two-way ANOVA 및 효소 활성을 위한 One-way ANOVA로 분석되었으며, 사후 검정으로 Tukey's HSD 테스트를 수행하였다.

주요 결과

조류 성장 및 바이오매스: Chlorella sp.는 BBM과 CWW 모두에서 유사한 성장률을 보였으며, 8일째에 각각 $1.59 \times 10^7$ 및 $1.73 \times 10^7$ cells/mL의 세포 밀도에 도달하였다. 그러나 건조 바이오매스 수율은 BBM(0.30 g/L)에 비해 CWW(1.40 g/L)에서 유의미하게 높았다.
생화학적 조성 (FTIR): FTIR 분석 결과, 배지에 따른 뚜렷한 대사 변화가 나타났다. BBM에서 배양된 바이오매스는 두드로진 단백질 관련 피크(Amide I 및 II)를 보였다. 반면, CWW에서 배양된 바이오매스는 지질 관련 영역(2970–2850 cm $^{-1}$ )에서 더 강한 피크를 보였고, 1745 cm $^{-1}$ (지질/에스테르의 C=O 신축 진동)에서 강한 피크를 나타내어, 폐수 유래 배지에서 지질 합성이 강화되었음을 나타냈다.
Pediococcus 성장에 미치는 영향: Chlorella 바이오매스 보충은 지수 성장기(18–24시간) 동안 Pediococcus sp.의 성장을 유의미하게 향상시켰다. 18시간째에 BBM 및 CWW 바이오매스 보충 모두 보충하지 않은 MRS 대조군보다 유의미하게 높은 세포 수를 나타냈다. 그러나 이러한 자극 효과는 일시적이었으며, 48시간째에는 보충하지 않은 MRS 배양액이 보충된 배양액보다 높은 생존력을 보였다.
$\beta$ -Galactosidase 활성: 보충은 대조군(18.34 Miller Units)에 비해 $\beta$ $β$ -galactosidase 활성을 유의미하게 증가시켰다.
- BBM 유래 바이오매스는 가장 높은 활성인 49.33 Miller Units를 나타냈다.
- CWW 유래 바이오매스는 38.82 Miller Units를 나타냈다.
- 두 경우 모두 대조군보다 유의미하게 높았다 ( $p < 0.01$ ).

의의 및 주장
저자들은 본 연구가 담수성 Chlorella sp.를 배양하기 위한 비용 효율적인 기질로서 치즈 유속 폐수를 사용하는 것의 타당성을 입증하며, 이를 통해 표준 배지와 비교하여 수정된 생화학적 프로파일(특히 높은 지질 함량)을 가진 바이오매스를 얻을 수 있다고 주장한다.

본 논문은 이 접근 방식이 다음과 같은 이중 혜택을 제공한다고 상정한다:

폐물 가치화: 이는 영양분 회수 및 바이오매스 생산을 통해 유제품 폐수를 처리하는 지속 가능한 전략을 제공한다.
기능성 식품 강화: 결과물인 조류 바이오매스는 (네팔 전통 발효 식품에서 분리된) 야생 Pediococcus sp.의 성장 역학을 향상시키고 $\beta$ -galactosidase 활성을 크게 높이는 기능적 보충제 역할을 한다.

본 연구는 서로 다른 생태적 니치(담수 미세조류와 전통 발효 식품 박테리아)에서 유래한 미생물을 통합하는 것이 생물 정화(bioremediation)와 기능성 식품 개발을 위한 통합 시스템을 구축한다는 결론을 내린다. 저자들은 CWW가 비용 효율적인 배양을 지원하지만, 바이오매스의 구체적인 생화학적 조성(배양 배지에 의해 영향을 받는)이 박테리아 성장과 효소 활성에 서로 다르게 영향을 미친다는 점을 강조하며, 이는 특정 기능적 결과를 위해 배양 배지를 조절할 수 있음을 시사한다.

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