Sequential fermentation of bamboo shoot processing wastewater yields a functional beverage and bacterial cellulose​

문제 제기

죽순 통조림의 산업적 생산은 대량의 영양분이 풍부한 가공 폐수, 즉 죽순 즙(BSJ)을 생성합니다. 현재 이 부산물은 높은 유기물 부하로 인해 상당한 환경적 부담을 주는 동시에, 귀중한 자원을 직접 배출하는 자원 낭비라는 이중 과제를 안고 있습니다. 발효는 이러한 부산물을 가치 있는 제품으로 전환하는 지속 가능한 전략을 제공하지만, 복합 미생물 군집을 사용하여 BSJ를 기능성 음료로 전환하는 연구는 부족한 실정입니다. 특히, Lactobacillus-콤부차 발효 전략을 사용하여 BSJ로부터 기능성 발효 음료와 박테리아 셀룰로오스(BC)를 동시에 생산하는 연구나, 그 기저에 깔린 미생물 메커니즘을 체계적으로 규명한 연구는 지금까지 수행된 바 없습니다.

연구 방법론

본 연구는 멸균된 죽순 즙(BSJ)을 고부가가치 제품으로 변환하기 위해 순차적 발효 전략을 채택하였습니다. 공정은 다음과 같습니다:

1. 전발효(Pre-fermentation): Lactobacillus fermentum를 접종하여 12시간 동안 진행.
2. 2차 발효(Secondary Fermentation): 콤부차 컨소시엄(박테리아와 효모의 공생 배양체)을 접종하여 최대 5일간 진행.
3. 멀티오믹스 분석(Multi-omics Analysis):
   • 메타게놈(Metagenomics): 고처리량 16S rRNA 유전자 시퀀싱(Illumina MiSeq)을 사용하여 네 단계(원액 YZ, 0일차 FH0d, 3일차 FH3d, 5일차 FH5d)에 걸친 미생물 천이(박테리아 및 균류 군집)를 추적함.
   • 비표적 대사체학(Untargeted Metabolomics): UHPLC-MS/MS 분석을 실시하여 전역적 대사 변화를 프로파일링하고 차별적 대사체를 식별함.
4. 통계 및 상관관계 분석: 다변량 통계 방법(PCA, PLS-DA, OPLS-DA)과 상관관계 분석(Spearman/Pearson)을 사용하여 미생물 분류군과 특정 대사체 및 기능적 결과 간의 연관성을 도출함.
5. 기능성 검증: 항산화 활성(DPPH, ABTS, 하이드록실 라디칼 소거능), 총 페놀 함량, pH를 모니터링하여 음료의 기능적 품질을 검증함.

주요 결과

1. 미생물 천이 및 군집 형성

• 박테리아 역학: 발효 과정에서 Proteobacteria가 우세했던 초기 군집에서 Firmicutes가 우세한 시스템으로의 변화가 일어났습니다. Lactobacillus는 전발효 단계에서 빠르게 우점(96.44%)하며 Pseudomonas와 같은 토착 분류군을 억제했습니다. 이후 초산균인 Komagataeibacter가 점진적으로 농축되어 5일 차에는 공통 우점 속(genus)이 되었습니다.
• 균류 역학: 균류 군집은 높은 초기 다양성에서 Zygosaccharomyces가 지배적인 구조로 변화하는 "기능적 수렴(functional convergence)"을 보였습니다. 토착 균류는 억제되었으며, Zygosaccharomyces와 Vishniacozyma가 우세해졌습니다.
• 다양성 추세: 박테리아 풍부도는 3일 차(FH3d)에 정점에 달했으며, 균류의 다양성은 시간이 경과함에 따라 감소하여 우점 박테리아 분류군에 의한 경쟁적 배제를 나타냈습니다.

2. 대사 재프로그래밍

• 차별적 대사체: 총 537개의 차별적 대사체가 식별되었습니다. 가장 극적인 축적은 발효 후기 단계(FH3d에서 FH5d 사이)에 발생했습니다.
• 주요 생리활성 화합물:
  • 자스몬산(Jasmonic Acid): 가장 유의미한 축적(Z-score ≈ +135)을 보였으며, 주요 생리활성 마커로 식별되었습니다.
  • 바이오시틴(Biocytin): 유의미하게 축적(Z-score > +100)되어 B-비타민 함량의 향상을 나타냈습니다.
  • 퓨린(Purines): 아데닌(Adenine), 아데노신(Adenosine), 데하이폭산트 푸탈로신(Dehypoxanthine futalosine)이 축적되어 감칠맛과 영양적 가치에 기여했습니다.
  • 소비된 대사체: L-트립토판(L-Tryptophan)은 질소원 및 전구체로서 유의미하게 소비되었습니다(Z-score ≈ -40).
• 경로 농축: KEGG 분석 결과, 식물 이차 대사산물, 식물 호르몬, 아미노산 및 페닐프로파노이드의 생합성 경로에서 유의미한 농축이 확인되었습니다.

3. 기능적 결과

• 항산화 능력: 발효된 음료는 상당한 항산화 활성을 보였으며, 최적의 종점에서 DPPH 소거능은 70.8%, ABTS 소거능은 31.6%에 도달했습니다.
• 박테리아 셀룰로오스(BC): 부유형 BC 바이오필름이 형성되었으며, 5일 차에 두께 32.14 mm에 도달했습니다. 이 합성은 Komagataeibacter의 증식과 시공간적으로 상관관이 있었습니다.
• 최적 종점: 3일 차가 최적의 발효 종점으로 확인되었습니다. 이 단계에서 미생물 군집이 안정화되었고, 기능적 대사체가 축적되었으며, 기회주의적 분류군의 출현 위험이 최소화되었습니다.

4. 메커니즘적 통찰

• 교차 영역 협력(Cross-Kingdom Cooperation): 본 연구는 Lactobacillus에 의한 전발효 산성화가 Zygosaccharomyces(에탄올 생성)와 Komagataibacter(BC 합성 및 퓨린 대사)를 위한 선택적 환경을 조성하는 시너지 메커니즘을 규명했습니다.
• 대사체-미생물 상관관계:
  • Lactobacillus는 영양 대사체(아데노신, 바이오시틴)와 상관관계가 있었습니다.
  • Komagataeibacter는 퓨린 대사(아데닌)와 상관관계가 있었습니다.
  • Zygosaccharomyces는 자스몬산 및 이차 대사산물과 상관관계가 있었습니다.

주요 기여

• 가치화 전략: 본 논문은 죽순 가공 폐수를 기능성 항산화 음료와 박테리아 셀룰로오스라는 이중 제품 시스템으로 전환하는 새로운 방법을 제시합니다.
• 메커니즘 규명: 특정 미생물 분류군과 주요 생리활성 화합물(예: 자스몬산, 퓨린)의 축적 및 박테리아 셀룰로오스 합성을 연결하는 포괄적인 멀티오믹스 프레임워크를 제공합니다.
• 공정 최적화: 최대 기능적 화합물 축적과 미생물 안정성 사이의 균형을 맞추는 정밀한 3일간의 발효 윈도우를 식별했습니다.

의의 및 주장

저자들은 이 연구가 산업 폐기물을 가치 있는 식품 매트릭스로 변환하는 지속 가능한 다중 제품 바이오 프로세스를 구축한다고 주장합니다. 그 의의는 다음과 같습니다:

1. 순환 경제: 식품 가공 부산물을 기능성 식품으로 전환하는 프레임워크를 제공하여 순환 경제 원칙을 직접적으로 지원합니다.
2. 합리적 설계: 특정 분류군을 원하는 기능적 결과와 연결함으로써, 타겟팅된 발효 스타터 배양액의 설계를 위한 "합리적 청사진"을 제공합니다.
3. 시너지 바이오프로세싱: 단일 배양 발효로는 도달할 수 없는 복잡한 생리활성 프로파일을 생성하기 위해, 교차 공급 메커니즘(예: 박테리아 셀룰로오스 합성을 위한 기질로서 효모 유래 에탄올 활용)을 활용하는 컨소시엄 기반 바이오프로세싱의 장점을 강조합니다.
4. 확장성: 미생물 안정화와 기능적 활성의 정점이 3일 차에 수렴된다는 점은 산업적 스케일업을 위한 명확하고 실행 가능한 파라미터를 제공합니다.

본 연구는 음료의 기능적 향상이 단순히 기존 화합물이 방출되는 수동적 과정이 아니라, 자스몬산 및 퓨린과 같이 새롭게 합성된 대사체의 역동적인 축적을 통해 입증된 능동적이고 미생물 주도적인 과정임을 결론지었습니다.