표제지
목차
보고서 요약서 2
요약문 3
SUMMARY 4
1. 연구개발과제의 개요 7
1.1. 연구개발 목적 7
1.2. 연구개발의 필요성 8
가. 해양미세조류 소재 개발의 필요성 8
나. 해양심층수 개발 사업의 현황 및 한계 9
다. 해양심층수를 활용한 고부가가치 미세조류 소재 개발 12
1.3. 연구개발 범위 13
가. 1차년도 13
나. 2차년도 14
다. 연차별 연구개발 추진계획 15
2. 국내ㆍ외 기술 개발 현황 16
2.1. 국내 기술 및 산업 동향 16
가. 국내 미세조류 기능성 소재 연구 현황 16
나. 국내 해양심층수 관련 기술개발 현황 18
다. 국내 해양심층수 관련 연구 현황 19
2.2. 국외 기술 및 산업 동향 21
가. 미세조류 연구 현황 21
나. 해양심층수 관련 기술개발 현황 22
2.3. 특허 동향 27
가. 국내 특허동향 27
나. 국외 특허동향 35
2.4. 정부지원정책 현황 38
2.5. 종합결론 및 시사점 39
3. 연구 수행 내용 및 성과 41
3.1. 연구개발 목표 및 내용 41
3.2. 해양미세조류 소재 대량배양 생산 41
가. 유용 미세조류 우수종 선정 41
나. 유용 미세조류 우수종 배양조건 확립 51
다. 해양심층수 미네랄농축수 성분 분석 55
라. 미세조류 배양 및 생산수율 평가 61
마. 스피룰리나 대량배양생산기술 확립 65
3.3. 지표물질 성분의 함량 분석 66
가. 지표물질 추출 및 성분 분석 66
나. 영양염을 활용한 β-carotene 증진 연구 69
3.4. 소재의 효능 평가 72
가. 미세조류 내 색소 함량 분석 72
나. 항산화 활성 분석(DPPH assay 및 Total polyphenol 측정) 74
다. 새우 사양실험을 통한 소재의 효능 검증 77
3.5. 소재의 안전성 및 안정성 평가 87
가. 세포독성(MTT assay)을 통한 소재의 독성 평가 87
나. 설치류(마우스)에 대한 단회투여 독성평가 수행 87
다. 중금속 및 대장균 분석 89
라. 원료의 물리화학적 조건 변화에 따른 품질 변화 분석 90
3.6. 시제품 개발 및 사업화 방안 92
가. 시제품 제작 92
나. 시제품 제작 및 등록 95
다. 사업화를 위한 경제적 타당성 분석 96
4. 목표 달성도 및 관련 분야 기여도 102
4.1. 목표 달성도 102
4.2. 관련 분야 기여도 103
5. 연구개발성과의 활용계획 104
5.1. 연구개발 성과의 활용방안 104
5.2. 기대효과 112
6. 연구 과정에서 수집한 해외 과학기술 정보 114
7. 연구개발성과의 보안등급 114
8. 국가과학기술종합정보시스템에 등록한 연구시설ㆍ장비 현황 114
9. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전 조치 이행 실적 115
9.1. 연구실 안전조치 이행계획 115
10. 연구개발과제의 대표적 연구 실적 117
11. 기타 사항 117
12. 참고 문헌 118
Appendix 1. 스피룰리나 생산이력서 121
Appendix 2. 안전성 검사 결과 124
Appendix 3. 사료성분등록증 125
Appendix 4. 베타카로틴 시험성적서 126
Appendix 5. 원자재검사성적서 127
Appendix 6. 특허출원 성과 128
Appendix 7. 국내외 학술대회 발표 성과 130
표 1. 국내 미세조류 기능성 소재 연구 현황 16
표 2. 해양심층수 분야별 적용 세부 기술 18
표 3. 해양심층수 분야별 R&D 연구(KIMST) 19
표 4. 해양심층수 분야별 R&D 연구(NTIS) 20
표 5. 미세조류를 이용한 카로티노이드계 색소 생산 상용화 현황 22
표 6. NELHA 연구단지 내 관련기업 제조 품목 24
표 7. 국내 특허 등록 현황 28
표 8. 기능성 사료첨가제 국내특허 5년 현황 30
표 9. 식품의약품안전처 고지 해양심층수 식품이용 범위 38
표 10. 해양심층수 원수 및 처리수의 사용 가능한 식품 범위 39
표 11. 본 연구에서 사용한 미세조류 목록 42
표 12. 3차 스크리닝을 통해 선별된 미세조류 4종의 배양조건 47
표 13. 본 연구에서 선정된 후보종의 배양 초기 및 종료시점에서의 모습 48
표 14. 미세조류 4종의 생산 수율 48
표 15. 주요 단백질 식품의 필수아미노산 함량 50
표 16. 해양심층수소금의 성분비교 57
표 17. 해양심층수의 미네랄농축수와 미네랄탈염수의 성분 분석 58
표 18. Zarrouk's media 조성표 61
표 19. 미네랄농축수와 심층수소금 배양 조건별 스피룰리나의 β-carotene 함량 69
표 20. 본 연구에서 분석된 스피룰리나의 β-carotene 함량 71
표 21. 본 연구에서 제작한 시험사료 조성표 78
표 22. 6주간 실험사료를 공급한 흰다리새우(Litopenaeus vannamei)의 성장요인 분석 결과 80
표 23. 6주간 실험사료 급이에 따른 흰다리새우(Litopenaeus vannamei)의 혈액분석 결과 82
표 24. 6주간 실험사료 급이에 따른 흰다리새우(Litopenaeus vannamei)의 비특이적 면역지표 분석 결과 82
표 25. 흰다리새우(Litopenaeus vannamei)의 흰점바이러스(WSSV) 감염률 84
표 26. Vibrio harveyi 공격실험에 따른 흰다리새우의 누적폐사율 결과 85
표 27. 마우스 대식세포주 Raw264.7을 이용한 MTT 실험 결과 87
표 28. 시험의 군 구성 및 투여용량, 투여액량 88
표 29. 스피룰리나의 중금속과 대장균군 분석 결과 89
표 30. 스피룰리나 안정성 실험 분석항목 90
표 31. 스피룰리나의 최적 제조조건 94
표 32. 본 연구에서 분석한 성분에 따른 분석법 및 법령 근거 95
표 33. 스피룰리나 제작단계별 세부 스펙 95
표 34. 종류별 미생물 사료첨가제 시장규모 97
표 35. 사료첨가제 세계 시장규모 97
표 36. 품목별 동물약품 세계 시장규모 97
표 37. 산업동물 축종별 동물약품 세계 시장규모 98
표 38. 지역별 동물약품 세계 시장규모 98
표 39. 주요 제조사의 매출액 현황 및 최근 연구 동향 99
표 40. 사료첨가제 기술 트렌드 100
표 41. 미네랄 농축수(0.1%첨가)와 Zarrouk's media의 조성성분 및 함량에 따른 단가 비교 106
표 42. 본 연구과제와 타 논문의 양식 사료첨가제 효능 비교 107
그림 1. 해양심층수 개념도 10
그림 2. 해양심층수 4대 특성 10
그림 3. 산업수명주기(Industry Life Cycle) 및 한국의 해양심층수 산업의 현 단계 11
그림 4. 하와이 주립 자연에너지연구소(NELHA) 입주업체 및 연구소 현황도(상) 및 온도차 난방 기술설비 전경(하) 23
그림 5. 미국 하와이의 해양심층수 활요 고부가가치 상품의 예 24
그림 6/그림 8. 일본의 해양심층수를 이용한 양식 대상 생물의 예 25
그림 7/그림 9. 대만의 해양심층수 산업 개발 지역 26
그림 8/그림 10. 국내 해양심층수 특허 동향 27
그림 9/그림 11. 일본의 해양심층수 특허 동향 36
그림 10/그림 12. 대만의 해양심층수 관련 특허 동향 37
그림 11/그림 13. 미세조류 종별 생장률 43
그림 12/그림 14. 표층수와 해양심층수에 따른 미세조류 종별 생장률 44
그림 13/그림 15. 미네랄 농축수에 따른 녹조류 종별 생장률 46
그림 14/그림 16. 본 연구에서 선정된 후보종의 생장률. Dunaliella salina(DUS), Isochrysis galbana(ISO), Nannochloropsis oculata(NAO) 및 Arthrospira platensis(SPP) 47
그림 15/그림 17. 미세조류 4종의 생산 수율. DUS, Dunaliella salina; ISO, Isochrysis galbana; NAO, Nannochloropsis oculata; SPP, Arthrospira platensis 49
그림 16/그림 18. 본 연구에서 선정한 미세조류 Arthrospira platensis(UTEX LB 2340) 49
그림 17/그림 19. 스피룰리나의 주요 영양성분 50
그림 18/그림 20. 광량에 따른 Arthrospira platensis의 생장 51
그림 19/그림 21. 광량에 따른 Arthrospira platensis의 생산수율 51
그림 20/그림 22. 염도에 따른 Arthrospira platensis의 생장 52
그림 21/그림 23. pH에 따른 Arthrospira platensis의 생장 53
그림 22/그림 24. 해양심층수 처리 조건에 따른 Arthrospira platensis의 생산 수율 54
그림 23/그림 25. 미네랄농축수 농도에 따른 Arthrospira platensis의 생산 수율 54
그림 24/그림 26. 해양심층수를 이용한 미세조류(스피룰리나) 배양 55
그림 25/그림 27. (주)글로벌심층수 취수원 56
그림 26/그림 28. (주)글로벌심층수 해양 PLANT 취수관 공사 과정 56
그림 27/그림 29. (주)글로벌심층수 육상 PLANT 시설 56
그림 28/그림 30. 해양심층수 및 농축미네랄 생산 공정도 57
그림 29/그림 31. 해양심층수 미네랄농축수, 농축수, 해양심층수 소금 57
그림 30/그림 32. Lab-scale에서의 스피룰리나 배양 61
그림 31/그림 33. 스피룰리나의 배양기간에 따른 Optical density(좌)와 생산수율(우) 62
그림 32/그림 34. Lab-scale 배양 차수에 따른 스피룰리나 생산 건중량 63
그림 33/그림 35. 본 연구에서 이용한 배양 모듈(1) 64
그림 34/그림 36. 본 연구에서 이용한 배양 모듈(2) 64
그림 35/그림 37. Pilot-scale 배양의 계절에 따른 스피룰리나 생산 건중량 65
그림 36/그림 38. 용매별 스피룰리나의 색소 추출액의 색 변화 66
그림 37/그림 39. 용매별 스피룰리나의 chlorophyll a 함량 67
그림 38/그림 40. 용매별 스피룰리나의 carotenoids 함량 67
그림 39/그림 41. 스피룰리나에서 c-Phycocyanin 추출중인 시료(좌)와 원심분리 전후 시료(우) 68
그림 40/그림 42. 시료 농도에 따른 해양심층수 처리군 별 c-Phycocyanin 함량 68
그림 41/그림 43. 배양 3일차 질산염 처리군 별 스피룰리나 70
그림 42/그림 44. 배양기간에 따른 카로티노이드 증진시험 결과 71
그림 43/그림 45. 해양심층수 배지별 스피룰리나의 chlorophyll a 농도 73
그림 44/그림 46. 해양심층수 배지별 스피룰리나의 carotenoids 농도 73
그림 45/그림 47. 스피룰리나 추출액 농도에 따른 DPPH 시약 색상 변화 75
그림 46/그림 48. 배지 조성별 DPPH 라디칼 소거능 농도-반응 그래프 75
그림 47/그림 49. 해양심층수 배양 조건에 따른 스피룰리나 Total Polyphenol 함량 결과 76
그림 48/그림 50. 스피룰리나가 첨가된 양어 배합사료 제조과정 78
그림 49/그림 51. 사료 급이 42일 후 흰다리새우(Litopenaeus vannamei)의 증체율과 생존율 79
그림 50/그림 52. 실험새우의 혈액 채취 모습 81
그림 51/그림 53. 혈액생화학분석기 81
그림 52/그림 54. 사료 급이 42일 후 흰다리새우(Litopenaeus vannamei)의 비특이적 면역지표 83
그림 53/그림 55. 흰다리새우(Litopenaeus vannamei)의 생존율 83
그림 54/그림 56. 흰반점바이러스(WSSV) PCR 분석 결과 84
그림 55/그림 57. Vibrio harveyi 공격실험에 따른 14일간의 누적폐사율 결과 추이 85
그림 56/그림 58. 마우스 대식세포주 Raw264.7을 이용한 MTT 실험 그래프 87
그림 57/그림 59. 대조군 수컷 ICR 마우스의 체중 88
그림 58/그림 60. 대조군 암컷 ICR 마우스의 체중 89
그림 59/그림 61. 스피룰리나 원료의 가속실험 결과(수분, 조섬유, 조회분, 불소) 91
그림 60/그림 62. 스피룰리나 원료의 가속실험 결과(납, 카드뮴, 비소, 수은) 91
그림 61/그림 63. 건조 유형에 따른 스피룰리나 원료의 제형(좌, 오븐건조; 우, 동결건조) 92
그림 62/그림 64. 스피룰리나 제형 공정도 요약 93
그림 63/그림 65. 본 연구에서 확립한 미세조류 회수 및 소재 생산 공정 93
그림 64/그림 66. 스피룰리나 첨가 사료첨가제(제품명: 다비다) 96