Microencapsulation of probiotics by multiple emulsion using protein– polysaccharide blends: seawater stability and viability for aquaculture
본 연구는 WPI/GA/MD 단백질-다당류 혼합물을 이용한 이중 유화 분무 건조 방식을 통해 *L. acidophilus*와 *L. plantarum*을 미세 캡슐화하는 것이 총 고형분 10%에서 프로바이오틱스의 생존력과 해수 안정성을 6개월 동안 효과적으로 보존함을 입증하며, 이는 새우 양식에서 항생제를 대체할 수 있는 강력하고 지속 가능한 대안을 제공한다.
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새우 양식의 세계에서, 새우의 생애 초기 단계는 극도로 취약한 시기입니다. 유생은 물 기둥 속을 떠다니며 미세한 먹이에 의존해 생존하고 성장하는 아주 작은 여과 섭식 생물입니다. 수십 년 동안 농가들은 이 섬세한 동물들을 건강하게 유지하기 위해 항생제를 사용해 왔지만, 이러한 약물의 과도한 사용은 내성 박테리아와 환경 파괴를 초래했습니다. 점점 더 많은 과학자들이 자연적인 대안인 프로바이오틱스에 주목하고 있습니다. 프로바이오틱스는 새우에게 먹였을 때 면역 체계를 강화하고 해로운 병원균과 싸울 수 있게 돕는 유익한 박테리아입니다. 하지만 문제가 하나 있습니다. 프로바이오틱스로 사용되는 박테리아는 매우 연약합니다. 이들은 공기 중의 산소, 가공 과정의 열기, 그리고 바닷물의 염도에 의해 쉽게 죽습니다. 유용하게 쓰이기 위해서는 이 살아있는 세포들을 보호하고, 포장하여, 새우가 필요로 하는 정확한 시기와 장소에 전달해야 합니다.
이러한 과제는 멕시코의 한 연구팀이 미세한 보호 껍질 안에 이 민감한 박테리아를 숨기는 방법을 탐구하도록 이끌었습니다. 그들의 목표는 새우 유생이 찾아낼 수 있을 만큼 충분히 오랫동안 바닷물에 떠 있고, 서서히 녹아 박테리아를 방출하며, 혼합물을 건조 분말로 만드는 가혹한 과정을 거치는 동안에도 박테리아를 살아있게 만드는 먹이원을 만드는 것이었습니다. 연구진은 '이중 에멀션(double emulsion)'이라 불리는 특정 기술에 집중했는데, 이는 마치 '물-기름-물' 샌드위치처럼 작동합니다. 박테리아를 포함한 아주 작은 물방울이 기름 층으로 둘러싸여 있고, 이것이 다시 더 큰 물의 몸체 안에 떠 있는 모습을 상상해 보십시오. 이 구조는 외부 세계로부터 박테리아를 보호합니다. 이 구조를 충분히 튼튼하게 만들기 위해, 연구팀은 단백질과 식물 기반의 당류를 혼합하여 드롭렛(droplet) 주위에 보호벽을 형성했습니다. 그들은 다양한 재료의 양을 달리하며 여러 가지 레시피를 테스트하여, 어떤 조합이 가장 안정적이고 효과적인 방패를 만드는지 확인했습니다.
연구팀은 세 가지 다른 벽 재료 배합을 실험했습니다. 한 혼합물은 흔한 유제품 단백질인 유청 단백질을 두 종류의 식물성 검(gum)과 결합한 것이었습니다. 또 다른 것은 유청 단백질을 다른 종류의 검 및 말토덱스트린이라는 전분 유사 물질과 함께 사용한 것이었습니다. 세 번째는 유청 단백질과 말토덱스트린만을 이용했습니다. 그들은 이 혼합물들을 저농도에서 고농도까지 다양한 고형분 함량으로 제조한 뒤, 분무 건조(spray-drying) 공정을 거치게 했습니다. 이 단계는 액체 혼합물을 뜨거운 공기 흐름 속에 분사하여 수분을 즉각적으로 제거하고 미세한 분말로 만드는 과정입니다. 이는 박테리아에게 매우 결정적인 순간인데, 열기와 급격한 건조가 박테리아를 쉽게 죽일 수 있기 때문입니다. 연구진은 박테리아가 이 시련에서 살아남으면서도, 동시에 아주 작은 새우 유생이 먹을 수 있을 만큼 작은 입자를 형성할 수 있는 레시피를 찾아야 했습니다.
분말을 만든 후, 과학자들은 인공 바닷물에서 이를 테스트했습니다. 그들은 입자가 얼마나 오래 떠 있는지와 얼마나 빨리 용해되는지를 측정했습니다. 결과는 벽 재료의 구성이 엄청나게 중요하다는 것을 보여주었습니다. 유청 단백질, 아라비아 검, 그리고 말토덱스트린으로 만들어진 고농도 고형분의 특정 배합이 명확한 승자로 판명되었습니다. 이 레시 recipe로 만든 마이크로캡슐은 매우 천천히 용해되어, 물속에서 4시간 후에도 질량의 5% 미만을 잃었습니다. 더 중요한 것은, 이들이 1,000분이라는 놀라운 시간 동안 떠 있을 수 있었다는 점인데, 이는 새로 유생의 일반적인 섭식 시간보다 훨씬 긴 시간입니다. 이는 프로바이오틱스 먹이가 유생이 도달할 수 없는 바닥으로 가라앉는 대신, 물 기둥 속에 머물며 먹히기를 기다릴 수 있음을 의미합니다. 반면, 다른 배합들은 훨씬 더 빨리 용해되거나 부력을 유지하지 못했습니다.
연구진은 또한 액체에서 분말로 이동하는 과정 동안 얼마나 많은 박테리아가 생존했는지 확인했습니다. 분무 건조기의 열기로 인해 상당 부분의 박테리아가 죽었지만, 가장 우수한 제형에서는 원래 개체수의 약 3분의 1이 살아남았습니다. 이러한 생존율은 이와 같은 공정 유형에서 성공적인 것으로 간주됩니다. 정확한 수치를 확인하기 위해 연구팀은 두 가지 방법을 사용했습니다. 하나는 박테리아를 플레이트 위에서 배양하는 전통적인 방식이고, 다른 하나는 살아있는 세포에 닿으면 빛을 내는 특수 광원을 사용하는 현대적인 방식입니다. 두 방법의 결과는 거의 완벽하게 일치했으며, 이는 박테리아가 실제로 살아있고 건강하다는 것을 확인해 주었습니다. 서늘한 환경에서 6개월 동안 보관했을 때, 가장 우수한 제형들은 효과를 내기에 충분한 수준을 훨씬 상회하는 높은 수의 살아있는 박테리아를 유지했습니다.
컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 미래를 더 깊이 들여다본 결과, 연구팀은 이 고품질 제형들이 테스트된 6개월의 기간을 넘어 훨씬 더 오랫동안 효과를 유지할 가능성이 높다고 예측했습니다. 그러나 연구팀은 이 데이터가 현재 보유한 데이터를 바탕으로 한 투영치임을 주의 깊게 언급했으며, 진정한 시험은 이 분말을 실제 새우에게 먹였을 때 이루어질 것이라고 밝혔습니다. 이 연구는 아직 새우에게 직접 먹이는 과정을 포함하지 않았으며, 대신 물리적인 껍질을 완성하고 박테리아가 실험실에서 수조까지의 여정에서 살아남을 수 있음을 증명하는 데 온전히 집중했습니다. 특정 재료의 조합이 최상의 보호, 부력 및 생존율을 제공한다는 것을 밝혀냄으로써, 연구진은 다음 단계를 위한 견고한 토대를 마련했습니다. 그들은 섬세한 박테리아를 물속에서 제 역할을 할 준비가 될 때까지 안전하게 지켜주는, 지속 가능하고 항생제가 필요 없는 새우 사육법의 후보를 만들어낸 것입니다.
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