팽나무버섯과 느타리버섯에 대한 액체종균에 대한 연구사

팽나무버섯과 느타리버섯에 대한 액체종균에 대한 연구사

우리 나라의 버섯 생산현황은 전국적으로 고르게 버섯이 재배되고 있으며 느타리버섯의 생산량이 압도적으로 많으며, 표고, 팽나무버섯 및 양송이 순으로 재배되고 있으며(장, 1998), 이 중에서 온도, 습도, 광 등의 환경 조건을 인위적으로 조절이 가능한 시설에서 기계화된 병재배 시스템으로 재배해 현실적으로 경제성 있는 느타리와 팽나무버섯을 주 병재배 버섯으로 재배해 왔다(Ryu et al., 1998).

Tonomura(1978)에 따르면 팽나무버섯의 인공재배에 대한 최초의 기록은 약 1,200년전인 A.D. 800년경으로서 목이 다음으로 재배역사가 긴 버섯이며 톱밥병재배는 Morimoto와 Hasegawa(1928)에 의해 처음시도 되었다고 하였다. 그 후 1956년부터 팽나무버섯 재배가 확대되기 시작하면서 Shiio et al.,(1974)은 톱밥과 미강을 혼합한 배지에 액체배양한 팽나무버섯 균사의 배양액을 접종하여 자실체를 빨리 발생시키는 기술을 개발하였으며, 이 때부터 vat cultivation이라는 팽나무버섯 병재배법이 알려지기 시작하였다. 우리 나라에서 팽나무버섯 재배에 관한 연구는 이(1973)에 의하여 처음으로 원목재배방법이 소개된 이후 윤(1969)에 의하여 소나무 등의 수종에 관한 실험이 수행되었으며, Park et al.,(1978)에 의하여 단기생산을 할 수 있는 병재배법이 시도되었다.

느타리버섯의 인공재배 방식은 Falck(1917)에 의해 원목을 이용하여 재배하는 방법으로 시작되었으며, Block et al.,(1958)에 의해 톱밥을 이용한 재배가 시도되었다. 국내에서는 1960년대에 버드나무, 포플러, 뽕나무 등의 원목을 이용한 인공재배법이 개발되었으며, 그 후 볏짚을 이용한 재배방법이 연구 개발되었다(유, 1990).

고등균류의 균사체와 관련된 액체배양에 관한 연구는 1938년 Lambert에 의하여 시작되었고 Humfeld(1948)가 양송이(Agaricus campestris)를 이용하여 경제적 생산가능성을 시사하였으며, Sugihara와 Humfeld(1952)가 역시 Agaricus campestris로 액체배양에 대한 여러 가지 실험을 행하였다. 그 후 Litchfield et al.,(1963)과 Torev(1968)가 당밀을 이용한 느타리버섯의 액체배양을 각각 시도하였으며, Zadrazil(1972)은 펄프공장 폐수를 이용한 느타리버섯의 액체배양을 행하여 폐수처리와 동시에 단백질원의 생산을 시도한 바 있다. 국내에서는 정(1999)이 F. velutipes를 이용하여 액체종균 제조 및 재배에 대하여 보고하였으며, Sung et al.,(1999)은 P. ostreatus의 액체배양 생장조건을 구명하여 보고하였다.

Humfeld(1948)는 fermenter에서의 배양공정, 통기 및 교반 방법에 대해서 보고하였으며, Kirchhoff et al.,(1991)은 10ℓ의 발효조에서 액량 5ℓ로 3～5일 배양하였을 때 리터당 pellet은 5000～6000개, 건중량으로 리터당 350㎎이 생산되어 이것을 버섯재배 종균으로 이용하였다고 보고하였다. Shiio(1974)는 팽이버섯균을 40ℓ 발효조에서 배양하였고, Song(1987)은 배양액량 1.2ℓ의 기포탑 발효조를 이용하여 액체종균을 생산하였다. Yang(1989)은 10ℓ와 5～7천 리터의 발효조에서 단지 2～3일 배양함으로서 액체종균의 생산이 가능하다고 보고하였다.

Byun(2000)은 airlift` fermenter 배양에서 균사체량은 stirred fermenter배양과 비슷하였으나 생산량을 높이기 위해서는 pellet의 크기를 일정하게 유지하면서 배양할 수 있는 배양조건이 필요하며 pellet의 크기가 다름으로 인하여 산소전달에 영향을 받을 수 있으며 이 차이가 생산성에 영향을 미칠 수 있을 뿐만 아니라, airlift fermenter에서는 균사체의 손상이 적으므로 상대적으로 생산성이 높다고 하였다.

Ryu et al.,(1998)은 현재 사용되고 있는 종균의 대부분이 톱밥과 미강을 기질로 한 배지에 균주를 접종하여 배양한 톱밥종균을 사용하고 있는 실정으로, 톱밥종균은 살균된 병배지에 접종시 접종한 종균과 배지 부위간의 건조로 인해 균사활착이 늦어지는 원인이 되고 있으며 특히 톱밥종균은 3주 이상 배양된 균주를 사용하기 때문에 균사의 노화와 오염이 우려되고 있다고 보고하였다. 이에 대해 Kirchhoff et al.,(1991)은 액체종균을 이용함으로서 고체종균을 사용했을 때보다 높은 수확량과 좋은 품질을 생산하였다고 보고하였으며, 상부접종식과 분사식접종법으로 곡립종균과 액체종균을 비교하였다. 또한 발효조에 의한 액체종균의 대량생산이 가능하나 장비가 고가이기 때문에 액체종균의 생산비가 증가하므로 실용적인 가격이 저렴한 배양기의 개발 필요성을 시사하였다. Paul(1993)은 액체배지를 이용한 액체종균은 종균량을 어느 정도 조절할 수 있을 뿐만 아니라 종균의 배양 기간을 크게 단축시킬 수 있는 이점이 있다고 하였다.

Song et al.,(1987)은 액체종균을 사용함으로써 초발이 일수의 단축, 고체종균을 사용하는 것보다 총 생산량 증가 등의 효과가 있었음을 보고하였고, Yang(1989)은 액체종균의 장점으로 생산기간이 짧고, 액체 접종원으로 생산된 종균을 양송이, 표고버섯, 팽나무버섯, 느타리버섯 재배에 사용하였을 때 5～25%의 생산량 증가가 있었음을 보고하였다. 현재는 액체배양을 통해 식용버섯의 생산뿐만 아니라 새로운 유용물질 및 신소재를 개발하기 위한 연구의 일환으로 균사체의 대량생산이 이루어지고 있으며 균사체의 생산 최적화를 통해 산업화를 이루고자 하고 있다. Byun(1999)은 느타리버섯, 팽나무버섯, 표고, 송이, 양송이, 잎새버섯 등의 균주를 가지고 심부배양을 실시하여 버섯 향미(mushroom flavor)의 성분인 1-octen-3-ol의 생산성이 가장 우수한 균주를 선발 산업 적용 가능성을 보고하였다.

Hong et al.,(1992)은 P. sajor-caju의 균사체 생장에 oil 첨가효과를 검토한 결과 대부분의 식물성 oil에서 좋은 결과를 보였으며, 그 중 cotton seed oil을 배지 100ml에 2.5ml 첨가하였을 때 균체량이 무 첨가구에 비하여 약 4배정도 이었으며 느타리버섯재배를 위한 볏짚다발재배를 위한 기질 및 재배방법의 개발에서 농산 폐기물과 식물성 oil을 이용한 자실체 형성시험과 균사체 배양시험을 실시한 바 있다.

Itavaara(1987)는 표고버섯에서 증식율이 높은 액체종균의 대량생산을 위한 연구로 삼각플라스크에서 정치 및 진탕배양과 발효조 배양을 비교하였으며, 접종에 사용하는 injection needle의 막힘을 방지하기 위해서는 균사체의 균질화가 꼭 필요함을 주장하였으며, 또한 톱밥배지에서 적응력이 높고 접종시 장애가 없었던 것은 발효조로 배양한 균사체 이었음을 보고하였다. 또한 Raaska(1989)는 정치배양한 균사체의 homogenization time이 균사활력에 미치는 영향을 조사하였으며, 정치배양한 균사체를 균질화하여 저장 시간에 따른 균사활력을 조사하였다.

버섯의 생장에 관한 기초연구로서는 아미노산첨가에 의한 생장 촉진효과(Fraser et al., 1958; 유 등, 1994)와 탄수화물의 종류와 첨가량의 차이가 버섯발생에 영향을 준다는 보고(Hammond, 1996)와 지질 또한 버섯의 발생에 영향을 미친다는 보고(Song et al., 1989)가 있었으며, Yoshida et al.,(1965)은 Lentinus edode의 실험에서 생육단계별로 탄소원의 생육 요구량에 변동이 있음을 보고하였는데, 균사생장에는 3～5%의 탄소원량을 요구하고, 자실체 형성시에는 8% 이상의 탄소원량을 요구한다고 보고하였다. 北本(1991)은 버섯균의 생장에 알맞은 질소원은 단백질, 펩톤, 아미노산 등 유기태질소이며 재배에 있어서 암모니아태 무기질소는 불필요하고 비타민류 중에서 티아민은 필수생장인자로 작용하는데 미강에 풍부하게 함유되어 있으므로 재배 시 별도의 첨가는 불필요하다고 하였다.

또한 Garraway et al.,(1984)은 균사 생장에 적합한 탄소원이 필수적으로 자실체 형성 및 포자 형성과 같은 reproductive growth에 적합한 탄소원은 아니다라고 하였으며, Lee et al.,(1997)은 버섯 균사의 생장과 버섯 생산과는 무관하다고 보고하였다.

또한 느타리버섯균의 영양생장에서 Hasimoto et al.,(1974)과 Park et al.,(1995)은 유기산의 첨가 효과를 조사하면서 탄소원으로 단당류(mnnose, glucose), 이당류(maltose, sucrose), 다당류(starch)등이 적합함을 보고하였으며, Hadar et al.,(1986) 는 glucose 뿐만 아니라 당밀도 우수한 탄소원으로 보고하면서 느타리버섯균의 새로운 합성배지를 조제하였다. Hong et al.,(1983)과 Khan et al.,(1989)은 느타리버섯균의 균사배양에서의 탄소원과 질소원 그리고 무기염류에 대하여 조사하였으며 질소원으로 peptone, 단일 아미노산, 요소 및 질산태 등 질소화합물뿐만 아니라 간장, 콩가루, 옥수수침지액, yeast extract를 질소원으로 이용할 수 있음을 보고하였다. Go et al.,(1984)는 여름느타리와 느타리버섯의 균사생장 적온과 최적 pH를 조사하였으며 탄소원으로 다당류 4%, 질소원으로 Yeast extract 0.4%일 때 균사생장이 우수하다고 보고하였다.

Sakamoto et al.,(1978)은 표고와 느타리의 액체배양에서 탄소원과 질소원의 영향에 관하여 실험한 바 있으며, Hong et al.,(1981)은 고온성 양송이와 느타리버섯균의 배양조건과 영양원에 대하여 연구한 바 있다. Song et al.,(1996)은 느타리버섯을 각각 다른 영양원과 배양조건에 따라 액체배양 했을 때 항보체 활성 다당 생산에 미치는 영향을, 그리고 Medeiros(1999)는 느타리버섯 균에서 pH와 yeast extract의 농도에 따른 페놀산화효소인 laccase의 생산에 대해서 보고하였다. Kang et al.,(1988)은 느타리버섯의 액체종균 배양의 최적 조건에 대하여 실험을 실시한 결과 고체종균보다 균사 활착 및 초발이 기간이 단축되었다고 보고하였다. 또한 Jeong(1996)은 느타리버섯의 액체배양시 균사체 생산은 5～10%(v/v)정도의 접종비와 27.5～30℃ 정도의 범위에서 최적의 균사체 생산을 나타내었다고 하였다.

Kinugawa(1993)는 팽나무버섯의 육종과 생리에 있어 pH, 온도, CO2 농도, 광 등이 생리적인 면에 상당한 영향을 미친다고 하였으며, 영양원인 질소원과 탄소원 및 비타민, 미량원소 등을 이용한 균사체 배양조건에 관해서도 보고하였다. 또한 Hong et al.,(1981)과 Song et al.,(1995)는 팽나무버섯의 영양요구성에 대한 연구로써 균사생육과 자실체 형성에 대한 각종 영양적 특성을 실험하여 탄소원은 mannitol, glucose, maltose, 질소원은 peptone, glycine, glutamic acid, ammonium nitrate에서 균사생육 및 자실체 형성이 우수하다고 하였다. 또한 peptone과 mannitol의 농도가 낮을수록 자실체 형성은 빠르나 수량은 적었으며, 농도가 높을수록 자실체 형성은 늦으나 그 수량은 증가되는 경향을 보인다고 하였다.

杉森 등(1971)은 F. velutipes의 실험에서 질소원을 효모 즙으로 사용할 때는 수종의 alcohol류를 유효하게 이용한다고 보고하였고, Kim(1983)은 F. velutipes의 자실체형성 최적 pH는 5.0～6.0이라고 보고하였으며, Chang et al.,(1989)는 팽나무버섯의 pH 범위는 균사생장시 4.0～8.0, 자실체 형성시 5.2～7.2의 범위로 서로 다르다고 하였으며, Plunkett(1953)와 Aschan(1954)은 팽나무버섯의 균사생장 pH 범위는 좁다고 하였다. 그 원인에 대해서는 잘 알려지지 않았지만 영양생장에서 생식생장으로 전환하면서 유전자의 작용이 바뀌거나 버섯의 발육에 필요한 효소반응이 좁아 pH 범위가 제한된다고 하였으며, Singer(1986)는 팽나무버섯이 유전적으로 변하기 쉬운 종이라고 하였다. 또한 팽나무버섯의 자실체형성에 관련된 분자생물학적 연구는 Azuma et al.,(1996)과 Kim et al.,(1999)에 의해 FDS 유전자가 단리되어 염기서열분석 및 genomic DNA의 구조분석이 이루어졌으며, 또한 자실체 발생에 관여하는 FDFV16 유전자와 FVFD30 유전자의 염기서열분석이 이루어졌다.

Ryu et al.,(1998)는 팽나무버섯 액체 배양시 접종 후 6-7일경에 모든 액체배지에서 균총수가 최대치에 달했으며 전체적인 배지의 경제성을 고려해 볼 때는 미강추출액 배지의 액체종균이 가장 유리한 것으로 보고하였으며, 미강추출액 액체종균의 경우 배양일수와 소요일수는 비슷하였고, 수량성은 3%에서 38%까지 증가할 수 있다고 보고하였다.

Ivanovich(1965)는 팽나무버섯 균을 액체 배양하여 세포학적인 연구 결과를 발표하였으며, Kitamoto(1972)는 고농도의 고분자 탄수화물은 자실체 형성을 억제 또는 지연시킨다고 하였다. 특히 균사생장시 6탄당은 다른 다당류보다 촉진하지만 버섯생산량은 억제시킨다고 하였다. Yun(1996)은 다수성 계통으로 선발된 한국산 팽나무버섯의 두 계통을 톱밥배지에 배양하여 환경조건과 자실체 형성에 관한 특성을 보고하였는데 화학적인 자극보다는 물리적인 자극(변온처리, 전기처리)이 팽나무버섯 생산에 유리할 것으로 보고하였다. Lee et al.,(1996)은 팽이버섯의 재배시 잡균에 대한 경시적인 밀도변화를 조사, 그 결과 균긁기 직후부터 세균의 밀도가 급격히 높아짐을 보고하였다.

Lee(1991)는 종균배양시 균사의 생장에 미치는 요인 중 미강에 무기물을 첨가할 때 이산화탄소의 발생량이 증대되고 대사율의 증대와 생장량의 증가가 나타난다고 보고하였다. 정 등(1996)은 튀김용 산패유가 느타리버섯의 균사생장에 이용될 수 있는 가능성을 제시하였으며, Lee et al.,(1997)은 느타리버섯의 병재배시 마늘껍질의 첨가에 따라 자실체의 수량이 증가된다고 보고하였다.

또한 Cho et al.,(1998)은 느타리버섯 재배시 폐면에 황기집과 율무집을 각각 70 : 30 혼합처리 했을 때 수량이 대등하고 품질이 우수하였으며, 경영비가 12% 절감되고 소득이 9% 증가되었다고 하였다. Park et al.,(1988)은 배지의 종류가 느타리버섯 자실체의 alkali 가용성단백질과 핵산함량에 미치는 영향을 조사한 결과 톱밥배지에서 재배한 것이 함량이 가장 많았고, Free amino acid의 함량은 볏짚배지에서 재배한 자실체 중에서 가장 많았다고 보고하였다.

Chang et al.,(1996)은 톱밥배양한 느타리버섯 균사 생장시 생산되는 extracellular enzyme 중 protease, phenoloxidase, cellulase가 참나무톱밥에 비해 포플라톱밥에서 그리고 밀기울에 비해 미강에서 specific activity가 높은 경향이었다고 보고하였다. Yun et al.,(1996) 느타리버섯의 가을재배에서 배지량이 증가할수록 수량이 증가되었으며, 초발이 소요일수는 입상량이 적을수록 빨랐다고 하였고, Jo et al.,(1995)은 느타리버섯의 자실체 형성용 염가배지로 제지부산물 이용을 보고하였다.

정 등(1973)은 포플러톱밥을 이용한 느타리버섯 병재배에 있어서는 미강 40%의 처리가 가장 수량이 높다고 보고하였고, 外村(1970)은 느타리버섯 톱밥재배시 미강의 첨가량이 많으면 영양생장에서 생식생장으로 전환이 지연되어 자실체의 형성이 지연된다고 하였다. 開本(1972)에 의하면 미강을 20% 혼합하는 것이 수량이 높으며, 그 이상은 잡균의 피해가 크다고 하였다. Jhune et al.,(2000)은 종균에 사용된 미강의 첨가량은 톱밥배지 상태에서 균주에 따라 약간의 차이는 있으나 균사생장 및 밀도가 가장 우수한 것은 10～20%이라고 하였다.

Chang(1976)은 팽나무버섯의 톱밥재배에서 포플라톱밥 10에 미강을 3을 혼합한 배지에서 자실체 수량이 높았으며, 균사생장은 수분함량 72%, 가비중 0.2에서 촉진되었고, 자실체 수량은 가비중 0.3에 수분함량 67%에서 가장 높았다고 보고하였다. 또한 질소원을 달리하는 배지를 사용한 액체배양에서 peptone, yeast extract등의 유기태가 첨가된 배지에서 균사생장이 촉진된다고 하였다. 또한 Park et al.,(1978), 박 등(1998)과 이(1991)는 팽나무버섯의 병재배시(800㎖) 포플라 톱밥 60%와 미강 40%로 혼합한 배지를 수분 70%로 충진한 후 가비중 0.25g/cc로 입병하였을 때 다수확 되었다고 보고하였다. 조 등(1996)은 팽나무버섯 재배에서 사과가공 부산물을 톱밥의 대체물로 사용하면 자실체의 수량이 9% 정도 증가되어 대체효과가 있음을 보고하였고, Ahn(1992)은 팽나무버섯 배지에 땅꽁껍질을 혼합하여 시험을 실시하였고, Song et al.,(1993)은 임산 및 농산폐기물을 기질로 사용한 결과 커피박(coffee waste)과 옥수수박(defatted corn flour)의 4:1 혼합비에서 자실체 생산이 높았다고 하였다. Jong(1997)은 병재배용 배지로서 주재료인 미송톱밥에 계란껍질 10% 및 미강 25% 첨가배지가 자실체 수량과 품질이 우수하다고 보고하였다.

버섯 산업의 기계화 및 자동화에 대해서 Lee et al.,(1999)은 느타리버섯의 재배시에 사용되는 배지재료인 볏짚과 폐면을 사용하여 기계적으로 침수, 살균 및 접종이 가능한 배지제조기를 제작하여 균사배양을 시도하였으며, 지(1999)는 느타리 상자재배시의 과다한 노동력을 절감하기 위하여 버섯 배지 자동입상 및 접종장치를 개발하였는데 이 기계는 상자자동공급장치, 종균 마쇄 및 배지와 혼합공급장치, 상자에 자동 담기 및 다지기 장치, 마무리 표면 접종장치로 구성되어 있으며 배지입상 및 접종작업시간은 페면 인력작업에 비해 81.4%가 절감되었고 자실체 생육도 폐면 대비 52% 증수되었다고 보고하였다.

현재는 주로 고체종균을 사용하는 버섯 재배를 위하여 국내외의 업체에서 자동입병기, 자동접종장치, 혼합기, 자동 균 긁기, 배지 콘베이어, 배지입봉기 등을 개발하여 보급하고 있는 실정이다(권, 2001)

성(1996)은 액체종균이 들어있는 배양기내로의 공기송출압력을 0.3～0.5 ㎏/㎠ 정도로 유지하면 배양조의 배양액 채취관을 통하여 밀어내기 식으로 종균을 접종할 수 있는 기구를 개발하였다. 이것은 접종라인의 말단에 분사노즐을 설치하고 접종라인의 중간에 on/off 장치를 설치하여 발로 조작할 수 있도록 하였으나 정량 및 균일 접종은 실현되지 않았다.

정(1999)은 전자밸브와 노즐판을 사용하여 실험실용 팽나무버섯 병재배용 액체종균접종기를 개발하여 버섯 종류에 따른 액체종균의 적정 접종량을 제시하였다. 이(1999)는 고체종균 자동접종장치를 개조하여 분사식 자동접종장치를 연결하여 팽나무버섯 액체종균을 접종하였는데 이 기계는 배양조를 거꾸로 뒤집어 접종기와 연결하고 1회에 정해진 양의 공기를 배양조에 주입함으로써 주입된 공기 양만큼의 액체종균이 분사되도록 하였으나 그 성능은 보고하지 않았다.