The feasibility of natural rubber serum powder(NRSP) as a nutritional additive was studied on the fermentation of sugar cane bagasse by Pleurotus sajor-caju, Pleurotus flavellatus, Coprinus phlytidosprorus and Volvariella volvacea after irradiation to degrade cellulosic material effectively and produce useful resources such as economical animal feed and mushrooms. The effects of radiation, NRSP concentration, pH, growth medium and the other additive were investigated observing fungal growth in PDA(Potato Dextrose Agar) plate, dry matter weight, protein concentration and filtration ability in liquid state fermentation, finally protein concentration, organic matter and crude fiber change in solid state fermentation.
First of all, the PDA(potato dextrose agar) plate experiment was performed to investigate the feasibility of NRSP as a nutritional source for mushroom growth. The growth rate of P. sajor-caju, P. flavellatus and C. phlytidosprorus were increased with increasing NRSP concentration without pH adjustment and with pH 6. The maximum growth ratio and Kmp (growth rate calculated by radius of mycellium, cm/day) of P. sajor-caju and P. flavellatus were shown as 122%, 0.690 cm/day and 110%, 0.647 cm/day at 1% of NRSP concentration compared with those of C. phlytidosprorus which were shown as 124% and 0.709 cm/day at 0.2% of NRSP concentration.
Liquid and solid state fermentation were performed to investigate the effects of NRSP addition on each media. NRSP was added as 0, 0.1, 1 and 5% in all fermentation media. Liquid state fermentation was performed using three kinds of liquid medium. In the complete Mandel's medium with 1% glucose which only considers the NRSP effect, the protein concentrations of P. sajor-caju, C. phlytidosprorus and V. volvacea were increased in 2.1, 2.95, and 2.44 times at 5% of NRSP compared to those with no NRSP added. To investigate the NRSP effect on the cellulosic waste, the complete Mandel's medium with 1% sugar cane bagasse(w/v) as a carbon source was carried out. The protein concentrations of P. sajor-caju, P. flavellatus, C. phlytidosprorus and V. volvacea were highly increased in 6.84, 7.25, 4.43 and 4.03 times at 5% of NRSP compared to those with no NRSP added. It is revealed that NRSP was an effective nutritional source even though the carbon source is cellulosic material in liquid medium. In the minimum Mandel's solution, which was prepared without some nutrient sources from the complete Mandel's medium such as $(NH_4)_2SO_4$, urea and yeast extract, the protein concentration of four identical mushroom fungi were also highly increased in 3.53, 6.79, 3.67 and 3.79 times at 5 % of NRSP concentration more than those without NRSP addition.
30 kGy of cobalt 60 gamma source was irradiated to investigate the filtration effect in liquid state fermentation and crude fiber degradation in solid state fermentation. P. sajor-caju, P. flavellatus and C. phlytidosprorus show a increase in filtration time without irradiation, but show a decrease in filtration time with irradiation at 5% of NRSP concentration. It ranges between 2.6 and 11.2 times more than those without NRSP addition. Crude fiber in solid state fermentation was reduced ranges between 1.94% and 3.45% by irradiation for each concentration of NRSP. The modification of the surface of the sugar cane bagasse by irradiation was also helpful in fermentation.
In solid state fermentation, optimum NRSP concentration was founded. After that, the effectiveness of NRSP was compared with 5% rice bran which usually used as additive in fermentation process. Optimum NRSP concentration for sugar cane bagasse fermentation was found at 5 % of NRSP. Four identical fungi with 5 % NRSP were increased from 1.57 to 6.2 times in protein, from 1.73 to 3.64 times in volatile solid and from 1.03 to 10.3 times in crude fiber more than those without NRSP addition. In the case of comparing NRSP with rice bran, the protein concentrations of the whole fungi with 5 % NRSP were increased from 1.08 to 2.0 times more than those of 5% rice bran. Kmv (growth rate calculated by volatile solid) of P. sajor-caju and P. flavellatus with 5% NRSP also showed 0.336 and 0.413 which were 1.67~1.7 times higher than those of 5% rice bran. The crude fiber of whole fungi were degraded ranged between 0.7% and 5.07% with 5% NRSP compared to those with 5 % rice bran which ranged between 0.06% and 3.15%.
From the results, pretreatment of the medium by radiation is very effective on the filtration ability in liquid medium and on the crude fiber degradation in solid state fermentation. The NRSP was found to be a highly effective nutrient source for fungal growth and also crude fiber degradation on liquid and solid state fermentation of sugar cane bagasse.
경제적인 동물사료, 식용버섯 생산등 셀룰로스폐기물의 효과적인 분해 및 재활용을 위하여 식용버섯 균주의 일종으로 전세계적으로 많이 배양되는 Pleurotus sajor-caju, Pleurotus flavellatus, Coprinus phlytidosprorus 및 Volvariella volvacea에 의한 사탕수수 찌꺼기의 발효공정에서 방사선조사와 천연고무폐기물의 건조분말인 NRSP (Natural Rubber Serum Powder)를 영양물질로서 첨가할 경우에 그 타당성에 대하여 연구하였다.
방사선조사, NRSP 농도, pH 효과, 배양배지 그리고 타 첨가제 등에 의한 효과를 보기 위해서 PDA plate실험에서 균주의 성장길이 측정, 액상배지에서는 건조중량과 protein농도, 마지막으로 고체배지에서 protein, volatile solid, crude fiber 등의 변화를 측정하였다.
먼저 NRSP의 영양물 첨가제로서의 타당성을 알아보기 위한 예비실험으로서 PDA plate를 이용한 실험을 수행한 결과, pH를 6으로 조정한 경우와 조정하지 않은 경우에 세균주 모두 NRSP 첨가에 의해 성장률의 증가를 보였다. 세균주의 최고 증가율 및 마이셀리움의 반경의 증가치에 의해 계산된 성장률, Km(cm/day)은 1%의 NRSP 첨가시 P. sajor-caju는 122%와 0.690 cm/day, P. flavellatus는 110%와 0.647 cm/day를 보였으나 C. phlytidosprorus의 경우는 2% NRSP 첨가시에 124%와 0.709 cm/day를 보였다.
각각의 배지에 따른 NRSP 첨가효과를 보기 위해서 액체배지와 고체배지로 각 균주를 배양하여 실험을 수행하였다. NRSP 농도는 0, 0.1, 1, 5%로서 각각의 농도에 따른 균주 성장의 영향을 살펴보았다. 액체배지를 통한 발효실험은 3가지 배지를 이용하여 수행되었다. 우선 미생물 성장에 필수적인 영양소를 모두 포함한 액체배지인 Complete Mandel 배지에서 탄소원으로 글루코스를 이용하여 셀룰로스물질의 영향을 배제한 NRSP만의 첨가효과를 검토한 결과 5% NRSP 첨가에 따라 P. sajor-caju, C. phlytidosprorus 및 V. volvacea의 Protein 농도는 NRSP를 첨가하지 않은 경우에 비해 2.1~2.95배의 증가율을 보였다. 셀룰로스폐기물의 발효시 NRSP 첨가효과를 연구하기 위하여 탄소원으로 사탕수수 찌꺼기를 사용할 경우에도 P. sajor-caju, P. flavellatus, C. phlytidosprorus 및 V. volvacea의 protein 농도는 각각 6.84, 7.25, 4,43 및 4.03배의 높은 증가율을 보여 액체배지내 셀룰로스물질이 탄소원인 경우에도 NRSP 첨가효과가 탁월하다는 것이 입증되었다. 또한 Complete Mandel 배지에서 질소원으로 첨가된 $(NH_4)_2SO_4$, urea 및 yeast extract를 제외한 Minimum Mandel 배지에서 NRSP 첨가효과를 검토한 결과 protein 농도가 네 균주 각각 3.53, 6.79, 3.67 및 3.79배의 증가를 보여, NRSP가 질소원을 대체하여 미생물 영향공급에 효율적임이 판명되었다.
액체 및 고체배지의 멸균을 위하여 감마 방사선원인 코발드60을 30kGy로 조사하여 액체 배지에서는 여과효과를, 고체배지에서는 셀룰로스 물질의 분해효과를 검토하였다. 액체배지에서 방사선조사로 전처리한 경우에는 발효후 NRSP가 첨가되지 않았을 때 여과효과에 큰 차이가 발견되지 않았으나 5% NRSP가 첨가시 균주에 따라 각각 2.6 ~ 11.2배의 높은 여과율의 상승을 가져왔다. 고체배지에서의 방사선조사는 NRSP농도가 0, 0.1, 1, 5%로 증가함에 따라 각각 1.94~ 3.45%로 분해되었을 뿐 아니라 셀룰로스 물질의 표면개질을 유발하여 발효에 더욱 도움을 주었다.
고체배지를 통한 발효실험에서는 NRSP의 최적농도를 결정하는 실험과 NRSP와 일반적으로 많이 사용되는 첨가제인 Rice Bran의 효율성을 비교 평가하는 실험을 수행하였다. 각각의 NRSP 농도 즉 0, 0.1, 1, 5%에서 미생물 성장에 최적 NRSP 농도는 5%이었고 이때 NRSP를 첨가하지 않은 경우에 비해 균주별로 각각 protein 농도는 1.57~6.2배, volatile solid는 1.73~3.64배 그리고 crude fiber는 1.3~10.3배의 증가를 가져왔다. 이 조건하에서 최적 성장균주는 P. sajor-caju와 P. flavellatus로 판명되었다. 또한 NRSP의 최적농도를 결정한 후 NRSP와 Rice Bran의 첨가에 따른 각 균주의 성장 및 셀룰로스물질 분해정도를 비교 평가한 결과, Rice Bran을 첨가한 경우에 비해 NRSP를 첨가시 균주별로 각각 1.08~2.0배의 protein 농도와 1.67 ~ 1.7배의 Kmv(고체배지에서의 균주성장률) 값을 보였다. Crude fiber는 각각의 균주별로 rice bran의 0.06% ~ 3.15%에 비해 NRSP의 경우 0.7~5.07%의 분해효율을 보여, NRSP가 더욱 효율적인 첨가제임이 판명되었다.
이상의 실험을 통하여, 방사선조사에 의한 배지의 전처리는 배지의 완전멸균에 효과적일 뿐만이 아니라 부가적으로 액체배지에서는 여과의 상승효과를 보였고 고체배지에서는 셀룰로스 물질의 분해의 촉진을 유발시켰다. NRSP는 액체 및 고체배지에서 각 버섯 균주의 성장에 매우 효과적인 영양소 첨가제일뿐만 아니라 그를 통해 셀룰로스 폐기물의 분해에 상승효과를 제공함을 알수 있었다.
