Re: 아스퍼질러스 오리재(누룩곰팡이) 탄수화물, 지방, 단백질 분해과정

[문형철]

폴리케타이드(Polyketides)는 케톤과 메틸렌 그룹이 번갈아 배열된 사슬 구조를 가진 전구체 분자에서 유래한 구조적으로 다양한 천연물 중 중요한 한 종류입니다. 이 화합물은 다양한 생물학적 특성을 지니고 있어 전 세계 제약 연구자들의 주목을 받아왔습니다. 자연에서 가장 흔한 필라멘트성 곰팡이 중 하나인 Aspergillus 속은 치료 잠재력을 지닌 폴리케타이드 화합물의 우수한 생산체로 잘 알려져 있습니다. 광범위한 문헌 조사와 데이터 분석을 통해, 본 리뷰는 Aspergillus에서 유래한 폴리케타이드에 대해 처음으로 그 분포, 화학 구조, 생물학적 활성 및 생합성 논리를 포괄적으로 요약합니다.

케르세틴은 글리코시드 결합때문에 크기가 커서 우리 몸에 잘 흡수되지 않음.

발효과정에서 글리코시드 결합을 끊으면 케르세틴 분자가 작아져 흡수율이 높아짐. 

누룩곰팡이 

- 거미줄 곰팡이, 털 곰팡이, 붓털 곰팡이, 푸른 곰팡이

https://www.sigmaaldrich.com/KR/ko/product/sigma/a9857

Aspergillus oryzae

--> 누룩 곰팡이의 일종

--> 아밀라아제, 리파아제, 프로테아제, 펙티나아제 분비

--> 아밀라아제는 전분을 맥아당과 덱스트린으로 분해

--> 리파아제는 지방산과 글리세롤로 분해

--> 프로테아제는 펩타이드, 아미노산으로 분해

--> 펙티나아제는 펙트산과 메탄올로 분해

--> 셀룰라아제는 셀룰로오스를 분해하는 효소. 

펙트산 pectic acid은 과숙 과일이나 채소에서 펙틴이 분해될 때 생성되는 산물.

즉, 펙틴이 펙티나아제와 상호 작용하거나, 과일이 지나치게 익을 때 펙틴이 분해되어 만들어지죠. 

펙트산은 폴리갈락투론산이라고도 불리며, 수용성이며 젤라틴 형태의 산

펙트산은 펙틴의 일종으로, 식물 세포벽에 존재하는 다당류.

펙틴은 과일의 단단함을 유지하는 역할을 하는데,

펙티나아제는 이 펙틴을 분해해서 펙트산으로 만들죠.

펙트산은 잼이나 젤리를 만들 때 점도를 높이는 데 사용

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배경 고체 발효 과정에서 곰팡이에 의해 생산되는 아밀라아제는 전 세계 효소 시장의 지속적인 수요 증가를 충족시키기 위해 가장 널리 사용되는 상업용 효소입니다. 생산 비용을 절감하고 고체 폐기물을 재활용하기 위해 저비용 원료를 사용하는 것은 많은 효소의 상업적 생산을 위한 실현 가능한 옵션으로 간주됩니다. 식품, 사료, 산업 분야에서의 α-아밀라아제의 응용은 최근 몇 년간 지속적으로 증가해 왔습니다. 또한 개발도상국의 식품 가공 산업의 급속한 성장으로 가공식품 및 즉석식품에 대한 수요가 증가했습니다. 이러한 요인들은 글로벌 효소 시장에 크게 기여하고 있습니다. 2024년까지 글로벌 α-아밀라아제 시장은 USD 320.1백만 달러에 달할 것으로 추정됩니다(Grand View Research Inc., 2016). 우리는 Aspergillus oryzae와 식용 기름 케이크(예: 땅콩 기름 케이크(GOC), 코코넛 기름 케이크(COC), 참깨 기름 케이크(SOC))에서 얻은 저비용 기질을 사용하여 고체 상태 발효를 통해 α-아밀라아제를 생산했습니다. 이 영양분이 풍부한 기질을 사용하여 곰팡이를 배양하여 효소를 생산했습니다. 효소는 추출, 부분 정제 후 pH 및 온도 안정성을 테스트했습니다. A. oryzae를 사용한 α-아밀라아제 생산에 대한 pH, 배양 기간 및 온도의 영향을 최적화했습니다. 반응 표면 방법론(RSM)의 Box–Behnken 설계(BBD)를 사용하여 모든 공정 파라미터가 α-아밀라아제 생산에 미치는 영향을 최적화하고 결정했습니다. 파일럿 규모 발효기를 사용한 α-아밀라아제 생산의 전체 비용 경제성도 연구되었습니다. 결과 RSM의 Box–Behnken 설계에 따른 α-아밀라아제 생산을 위한 기질 최적화 결과, GOC가 A. oryzae에 가장 적합한 기질로 확인되었으며, 이는 최대 α-아밀라아제 생산량 9868.12 U/gds에서 명확히 나타났습니다. 공정 파라미터의 추가 최적화 결과, 초기 수분 함량 64%, pH 4.5, 배양 기간 108시간, 온도 32.5°C가 α-아밀라아제 생산의 최적 조건으로 확인되었습니다. 최적화된 조건을 파일럿 규모 발효기에 적용하고 규모를 확대했을 때 생산량은 11.4% (10,994.74 U/gds) 증가했습니다. 부분 정제된 α-아밀라아제는 pH 6.0 및 온도 55°C에서 최대 안정성을 나타냈습니다. 전체 비용 경제성 분석 결과, 부분 정제된 α-아밀라아제는 Rs. 622/L의 속도로 생산될 수 있었습니다. 결론 RSM을 사용하여 α-아밀라아제 분비 증진을 위한 공정 파라미터를 3D 등고선도로 분석한 결과, 등고선은 배양 온도와 pH 방향으로 더 집중되어 있으며, α-아밀라아제 활성에 유의미한 영향(p < 0.05)을 미쳤습니다. 최적화된 파라미터는 α-아밀라아제 생산을 위해 600 L 규모의 파일럿 스케일 발효조에 적용되었습니다. 기질은 영양분이 풍부했으며, 영양분 보충이 필요하지 않았습니다. 따라서 파일럿 규모 발효기를 활용한 α-아밀라아제 생산 공정이 경제적으로 타당하다는 것을 제안합니다.

Aspergillus oryzae는 생물안전성 균주로 생물생산 및 발효 기술 분야에서 널리 활용되며, 강력한 수분해 효소 분비 시스템을 갖추고 있습니다. 따라서 산업용 효소 생산을 위한 세포 공장으로 자주 활용됩니다. 또한 A. oryzae는 코지산과 L-말산과 같은 다양한 2차 대사물을 합성할 수 있습니다. 그러나 A. oryzae의 복잡한 분비 시스템과 단백질 발현 조절 메커니즘은 다양한 이종 단백질의 발현에 도전 과제를 제기합니다. 합성 생물학과 새로운 유전공학 기술을 활용함으로써 A. oryzae는 세포 공장 구축을 위한 이상적인 후보로 부상했습니다. 이 리뷰에서는 A. oryzae 기반 세포 공장의 산업적 생산 적용에 대한 최신 진전을 개괄합니다. 이 연구들은 대사 공학 및 단백질 발현 조절 최적화가 A. oryzae 세포 공장의 광범위한 산업적 적용을 실현하는 핵심 요소임을 제시합니다. 이 리뷰는 향후 A. oryzae 세포 공장의 산업적 생산 적용을 위한 더 효과적인 접근 방식과 연구 방향을 제시할 것으로 기대됩니다.

REVIEW article

Front. Microbiol., 23 October 2024

Sec. Food Microbiology

Volume 15 - 2024 | https://doi.org/10.3389/fmicb.2024.1452725

This article is part of the Research TopicProbiotics for Global Health: Advances, Applications and ChallengesView all 24 articles

The postbiotic potential of Aspergillus oryzae – a narrative review

The filamentous fungus Aspergillus oryzae has a long tradition in East Asian food processing. It is therefore not surprising that in recent years fermentation products of A. oryzae have attracted attention in the emerging field of postbiotics. This review aims to provide a comprehensive summary of the potential postbiotic effects of fermentation products from A. oryzae, by discussing possible mechanisms of action against the background of the molecular composition determined so far. In particular, cell wall constituents, enzymes, extracellular polymeric substances, and various metabolites found in A. oryzae fermentation preparations are described in detail. With reference to the generally assumed key targets of postbiotics, their putative beneficial bioactivities in modulating the microbiota, improving epithelial barrier function, influencing immune responses, metabolic reactions and signaling through the nervous system are assessed. Drawing on existing literature and case studies, we highlight A. oryzae as a promising source of postbiotics, particularly in the context of animal health and nutrition. Challenges and opportunities in quality control are also addressed, with a focus on the necessity for standardized methods to fully harness the potential of fungal-based postbiotics. Overall, this article sheds light on the emerging field of A. oryzae-derived postbiotics and emphasizes the need for further research to fully realize their therapeutic potential.

사슬 모양의 곰팡이 Aspergillus oryzae는

동아시아 식품 가공 분야에서 오랜 전통을 가지고 있습니다.

따라서

최근 몇 년간 A. oryzae의 발효 제품이

신흥 분야인 포스트바이오틱스 분야에서 주목을 받고 있는 것은 놀라운 일이 아닙니다.

이 리뷰는

A. oryzae 발효 제품의 잠재적 포스트바이오틱스 효과를 포괄적으로 요약하기 위해,

현재까지 확인된 분자 구성 배경을 바탕으로 작용 메커니즘을 논의합니다.

특히, A. oryzae 발효 제제에서 발견된

세포벽 구성 성분,

효소,

세포외 고분자 물질,

다양한 대사산물에 대해 상세히 설명합니다.

포스트바이오틱스의 일반적인 주요 표적에 참고하여,

미생물군집 조절, 상피 장벽 기능 개선, 면역 반응, 대사 반응 및 신경계를 통한 신호 전달에 미치는

잠재적 유익한 생물학적 활성을 평가합니다.

기존 문헌과 사례 연구를 바탕으로, 우리는

A. oryzae를 동물 건강과 영양 분야에서 특히 유망한

포스트바이오틱스 원천으로 강조합니다.

품질 관리의 과제와 기회도 논의되며,

특히 곰팡이 기반 포스트바이오틱스의 잠재력을 완전히 활용하기 위해

표준화된 방법의 필요성에 초점을 맞췄습니다.

전반적으로 이 논문은

A. oryzae 유래 포스트바이오틱스의 신흥 분야를 조명하며,

그 치료적 잠재력을 완전히 실현하기 위해 추가 연구가 필요함을 강조합니다.

1 Introduction

Fungi, with their exceptional diversity and versatility, play pivotal roles in ecological (Coleine et al., 2022; Bahram and Netherway, 2022), industrial (Sharma and Rath, 2021; Kumar et al., 2023; Arnau et al., 2020), and biomedical domains (Bachheti et al., 2021; Gupta et al., 2020; Hashem et al., 2023). As natural decomposers, they are fundamental to nutrient cycling within ecosystems, by breaking down complex organic materials into simpler monomeric forms (Kong et al., 2022; Lustenhouwer et al., 2020; Fukasawa and Matsukura, 2021). This enzymatic process, facilitated by a robust arsenal of different hydrolases not only supports ecosystem functioning but also enables the production of commercially valuable substances like ethanol (Nogueira et al., 2020; Tse et al., 2021) and organic acids (Dusengemungu et al., 2021; Andrino et al., 2021). Additionally, fungi enhance various processes in the food industry such as fermentation which is vital for the production of bread (Dahiya et al., 2020), cheese and meat (Ropars and Giraud, 2022), and beverages (Takeshita and Oda, 2023). In the medical field, fungi provide potent pharmaceuticals like antibiotics and are investigated for their ability to produce diverse secondary metabolites with therapeutic properties, including statins and other bioactive compounds (Devi et al., 2020; Adeleke and Babalola, 2021; Ancheeva et al., 2020). While historically recognized for their nutritional and medicinal value (Nagaoka and Hara, 2019; Pandey et al., 2019; Fleming, 1929; Wasser, 2002), fungi also produce mycotoxins such as aflatoxins, ochratoxin A, and fumonisins, which pose significant health risk (Perrone and Gallo, 2017).

Aspergillus oryzae, commonly known as “Koji mold,” plays a crucial role in the fermentation of various food products in East Asian cuisine (Liu et al., 2024; Yamashita, 2021). The A. oryzae-based preparation of koji, which has a long tradition of more than a 1000 years (Kusumoto et al., 2021), is used in the production of sake (rice wine), shoyu (soy sauce), amazake (rice koji beverage), osu (rice vinegar), kurosu (black rice vinegar), shochu (distilled alcoholic beverage fermented with koji), and miso (soybean paste) (Kusumoto et al., 2021; Ichishima, 2022; Murooka, 2020; Takeshita and Oda, 2023; Gall and Benkeblia, 2023). To start the fermentation process, the fungus is added to a substrate such as rice or soybeans, where it grows and produces enzymes that break down the starches, proteins, and fats of the substrate into simpler compounds including sugars, amino acids, and fatty acids. These compounds are then further fermented by other microorganisms, such as yeast and lactic acid bacteria, to generate the final food products (Liu et al., 2024). The beneficial involvement of koji molds in Japanese culture has propelled research and advancements in areas such as academia, industry, medicine, and agriculture (Yamashita, 2021; Daba et al., 2021; Kitagaki, 2021).

A. oryzae belongs to a genus of filamentous fungi (its taxonomic classification is depicted Figure 1) that includes a variety of species, some of which are beneficial for human use, while others are pathogenic or produce toxic compounds. Aspergillus molds often reproduce through both sexual (Asgarivessal et al., 2023) and asexual methods (Ojeda-López et al., 2018), although some species, including A. oryzae, are primarily recognized for reproducing exclusively asexually (Wada et al., 2012). The structure of the conidiophore (see the morphology of Aspergillus in Figure 1), which carries the asexual spores, is a crucial characteristic used for taxonomic classification in Aspergillus (Suleiman, 2023). Among the approximately 400 Aspergillus species (Ibrahim et al., 2023), the most widely recognized members are A. flavus and A. parasiticus, which are mycotoxin producers (Ting et al., 2020; Priesterjahn et al., 2020). Their infestation of crops like maize, peanuts, and beans, coupled with the production of highly carcinogenic and mutagenic mycotoxins, notably aflatoxin B1, poses significant health threats to both humans and animals (Fouad et al., 2019). A. fumigatus is another significant species, predominantly known as a pathogen that can cause invasive aspergillosis, particularly in immunocompromised individuals (Latgé and Chamilos, 2019). The beneficial Aspergillus species A. oryzae and the closely related A. sojae are regarded by most taxonomists as the domesticated forms of A. flavus and are widely used in food industry (Frisvad et al., 2018; Daba et al., 2021; Frisvad et al., 2019). Typically, A. oryzae thrives best at temperatures between 32 and 36°C and is unable to grow beyond 44°C. It prefers a pH range of 5.0 to 6.0 for growth, but can germinate in conditions with pH levels from 2.0 to 8.0 (Daba et al., 2021).

1. 서론

균류(곰팡이)는

뛰어난 다양성과 다기능성으로 생태학(Coleine et al., 2022; Bahram and Netherway, 2022),

산업(Sharma and Rath, 2021; Kumar et al., 2023; Arnau et al., 2020),

생물의학 분야(Bachheti et al., 2021; Gupta et al., 2020; Hashem et al., 2023).

자연 분해자로서,

그들은 복잡한 유기물을 단순한 단일 분자 형태로 분해함으로써

생태계 내 영양 순환에 필수적입니다 (Kong et al., 2022; Lustenhouwer et al., 2020; Fukasawa and Matsukura, 2021).

이 효소적 과정은

다양한 히드롤라제(hydrolase)의 강력한 무기를 통해

생태계 기능 유지뿐만 아니라

에탄올(Nogueira et al., 2020; Tse et al., 2021)과 유기산(Dusengemungu et al., 2021; Andrino et al., 2021)과 같은

상업적으로 가치 있는 물질의 생산을 가능하게 합니다.

가수분해 효소는 물 분자를 이용해 화학 결합을 끊는 효소.

이 효소는 생명체 내에서 다양한 물질을 분해하는 데 관여하며,

소화 효소가 대표적.

가수분해 효소에는 아밀라아제, 리파아제, 프로테아제 등

또한 곰팡이는 식품 산업의 다양한 과정,

예를 들어 빵(Dahiya et al., 2020),

치즈 및 고기(Ropars and Giraud, 2022),

음료(Takeshita and Oda, 2023)의 생산에 필수적인 발효 과정을 향상시킵니다.

의료 분야에서는

곰팡이가 항생제와 같은 강력한 약물을 제공하며,

스타틴과 다른 생물활성 화합물을 포함한 다양한 치료 효과를 가진

2차 대사산물을 생산하는 능력에 대해 연구되고 있습니다

(Devi et al., 2020; Adeleke and Babalola, 2021; Ancheeva et al., 2020).

역사적으로

영양적 및 의학적 가치로 인정받아 왔지만 (Nagaoka and Hara, 2019; Pandey et al., 2019; Fleming, 1929; Wasser, 2002),

곰팡이는 아플라톡신, 오크라톡신 A, 푸모니신과 같은 마이코톡신을 생성하여

심각한 건강 위험을 초래합니다 (Perrone and Gallo, 2017).

Aspergillus oryzae는

'코지 곰팡이'로 알려져 있으며,

동아시아 요리에서 다양한 식품 발효에 중요한 역할을 합니다(Liu et al., 2024; Yamashita, 2021).

A. oryzae를 기반으로 한 코지 제조법은

1,000년 이상의 오랜 전통을 가지고 있으며(Kusumoto et al., 2021),

사케(쌀 술), 쇼유(간장), 아마자케(쌀 코지 음료), 오수(쌀 식초), 쿠로스(검은 쌀 식초), 쇼추(코지로 발효된 증류주), 미소(콩 페이스트) 등(Kusumoto et al., 2021; Ichishima, 2022; Murooka, 2020; Takeshita and Oda, 2023; Gall and Benkeblia, 2023).

발효 과정을 시작하기 위해 곰팡이는

쌀이나 콩과 같은 기질에 추가되며,

여기서 곰팡이는 성장하며

기질의 전분, 단백질, 지방을 당류, 아미노산, 지방산과 같은

단순한 화합물로 분해하는 효소를 생성합니다.

이러한 화합물은

이후 효모와 유산균과 같은 다른 미생물에 의해 추가로 발효되어

최종 식품 제품이 생성됩니다 (Liu et al., 2024).

예) 사케 발효 과정 세 단계.

먼저, 아스퍼질러스 오리제가 전분, 단백질, 지방을 분해하여 당, 아미노산, 지방산으로 만들고,

이어서 효모인 사카로마이세스 세레비시아가 당을 알코올로 발효시키죠.

마지막으로 유산균이 젖산을 생성하여 사케 특유의 산미를 더해준답니다.

코지 곰팡이의 일본 문화에서의 유익한 역할은

학계, 산업, 의학, 농업 등 다양한 분야에서 연구와 발전을 촉진해 왔습니다(Yamashita, 2021; Daba et al., 2021; Kitagaki, 2021).

A. oryzae는

필라멘트형 곰팡이 속(분류학적 분류는 그림 1에 표시됨)에 속하며,

인간에게 유익한 종과

병원성 또는 독성 화합물을 생성하는 종을 포함하는 다양한 종을 포함합니다.

Aspergillus 곰팡이는

성적(Asgarivessal et al., 2023) 및 무성적 방법(Ojeda-López et al., 2018)을 통해 번식하지만,

A. oryzae를 포함한 일부 종은

주로 무성적으로만 번식하는 것으로 알려져 있습니다(Wada et al., 2012).

무성 포자를 운반하는 포자대(Aspergillus의 형태를 그림 1 참조)의 구조는

Aspergillus 속의 분류학적 분류에 중요한 특징으로 사용됩니다(Suleiman, 2023).

약 400종의 Aspergillus 종(Ibrahim et al., 2023) 중 가장 널리 알려진 종은

A. flavus와 A. parasiticus로,

이들은 마이코톡신 생산균입니다(Ting et al., 2020; Priesterjahn et al., 2020).

이들은 옥수수, 땅콩, 콩 등 작물에 감염되어

고도로 발암성 및 돌연변이 유발성 마이코톡신,

특히 아플라톡신 B1을 생산함으로써

인간과 동물 모두에게 심각한 건강 위협을 초래합니다(Fouad et al., 2019).

A. fumigatus는 또 다른 중요한 종으로,

면역력이 약한 개인에서 침습성 아스페르길루스증을 유발하는

병원체로 주로 알려져 있습니다(Latgé and Chamilos, 2019).

유익한 Aspergillus 속의 A. oryzae와 밀접하게 관련된 A. sojae는

대부분의 분류학자들에 의해 A. flavus의 domesticated 형태로 간주되며

식품 산업에서 널리 사용됩니다(Frisvad et al., 2018; Daba et al., 2021; Frisvad et al., 2019).

일반적으로

A. oryzae는 32°C에서 36°C 사이의 온도에서 가장 잘 자라며,

44°C를 초과하면 성장하지 못합니다.

성장에는 pH 5.0에서 6.0의 범위를 선호하지만,

pH 2.0에서 8.0의 조건에서도 발아할 수 있습니다(Daba et al., 2021).

Figure 1

Figure 1. Comprehensive profile of Aspergillus oryzae. The central illustration depicts the morphological structures of A. oryzae, including vesicle, conidia, phialides, conidiophore, and septate hyphae. Surrounding the illustration are key aspects of the fungus, covering its classification, safety profile, description, cultivation requirements, historical use, and genomic characteristics. Created in BioRender. Seidler, Y. (2024) BioRender.com/i28s583.

그림 1. Aspergillus oryzae의 종합적 프로필.

중앙의 그림은 A. oryzae의 형태학적 구조를 보여줍니다. 여기에는 소포, 포자, 포자낭, 포자낭 형성체, 및 분절된 균사체가 포함됩니다. 그림 주변에는 이 곰팡이의 분류, 안전성 프로필, 설명, 배양 조건, 역사적 용도, 및 유전체 특성을 포함한 주요 특징들이 표시되어 있습니다.

BioRender에서 생성됨. Seidler, Y. (2024) BioRender.com/i28s583.

The genome of A. oryzae has a size of 37.6 Mb (Machida et al., 2005), which is 20–30% larger than the genomes of other Aspergillus species such as A. nidulans and A. fumigatus (Nierman et al., 2005; Galagan et al., 2005). This difference in genome size is attributed to the presence of a higher number of transposable elements and gene duplications in A. oryzae. Remarkably, despite the larger genome of A. oryzae, there are almost no genotypic differences between A. oryzae and A. flavus, with the two species sharing 99.5% genome-wide nucleotide similarity (Han et al., 2024). The A. oryzae genome contains approximately 12,000 genes distributed on eight chromosomes that encode a wide variety of enzymes, including amylases, proteases, and lipases, which contribute to the fungus’s ability to degrade complex organic materials and are essential for its use in fermentation processes (Machida et al., 2005). While the genetic structure of numerous A. oryzae strains has been decoded (Machida et al., 2005; Zhong et al., 2018; Deng et al., 2018; Umemura et al., 2012; Zhao et al., 2012) functional genomics is still in its nascent stage in terms of developing strains for industrial purposes. This is evident from the fact that so far only around 200 genes have been functionally verified, making up a minimal of 1.7% of the whole genome (He et al., 2019).

A. oryzae is commonly classified as a fungus that is not pathogenic (Kitagaki, 2021). Moreover, it has not been associated with any carcinogenic compounds, including aflatoxins (Barbesgaard et al., 1992). This has been confirmed for different koji-mold strains of A. oryzae, which were all tested negative for aflatoxins (Tanaka et al., 2006). While there are Aspergillus strains that can produce certain types of mycotoxins (Kato et al., 2011), the fermentation industry consistently verifies that the levels of mycotoxins in their products are within the limits set by health authorities. Interestingly, A. oryzae has also been shown to degrade aflatoxins. A product called “D-Tox,” developed from A. oryzae, can reduce aflatoxin B1 (AFB1) by up to 90%, offering a promising approach to improving food safety (Choi et al., 2024).

Although A. oryzae and A. flavus are genotypically very similar (Han et al., 2024), A. oryzae is used in food production and listed as “Generally Recognized as Safe” (GRAS) status by the Food and Drug Administration (FDA) and has been approved as a safe microorganism by the World Health Organisation (WHO) (He et al., 2018a), whereas A. flavus is harmful for human, plants, and animals (Fouad et al., 2019; Amaike and Keller, 2011). It is suspected that there are disabling mutations in the gene cluster, which result in A. oryzae not producing aflatoxins, whereas A. flavus does (Tominaga et al., 2006; Tao and Chung, 2014). Subsequent studies, particularly at the molecular level, reinforced these findings. The aflatoxin production mechanism in A. flavus involves a series of over 25 genes. Through polymerase chain reaction (PCR) eval‎uations, it was observed that 15 out of 39 A. oryzae strains had missing sequences in five genes that align with the A. flavus aflatoxin gene cluster. In the other strains analyzed, the genes in the corresponding cluster were found to be non-functional (Kusumoto et al., 2000). Chang (2019) compared 13 A. flavus and 11 A. oryzae genome sequences based on genome-wide total single nucleotide polymorphism (total SNPs). The study proved a new technique to distinguish between A. flavus and A. oryzae.

No cases of invasive growth or systemic infections caused by A. oryzae have been reported in healthy individuals. However, there have been rare instances where strains identified as A. oryzae were isolated from individuals with compromised health, suggesting that while A. oryzae possesses a low potential for pathogenicity, it can grow in human tissue under extraordinary conditions, similar to many other detrimental microorganisms (Stelmaska et al., 1974; Liao et al., 1988; Tomizawa, 1981). There have been a limited number of reported cases of allergic reactions primarily attributed to A. oryzae, but these cases likely involved individuals already prone to allergic reactions and who were exposed to a significant amount of conidia via inhalation (Kino et al., 1982; Barbesgaard et al., 1992). Taken together, the demonstrated safety of A. oryzae qualifies it as a favored progenitor organism for not only the fermentation of foods but also the synthesis of a wide array of enzymes and chemicals with prospective medicinal benefits that could be harnessed for forthcoming medical procedures (Yu et al., 2004).

In the realm of microbiology and food science, A. oryzae represents a subject of study, bridging ancient culinary practices with modern biotechnological applications. Esteemed for its pivotal role in the fermentation of a vast array of East Asian foods (Daba et al., 2021), A. oryzae is not merely a workhorse of traditional fermentation but also of interest in the burgeoning field of postbiotics. For example, recent investigations into its postbiotic potential reveal promising health benefits in animal models (Kaufman et al., 2021; Ríus et al., 2022), suggesting a broader applicability of A. oryzae-derived products in promoting well-being.

In this review, we explore the various constituents, molecules, and cell wall components of A. oryzae, including enzymes and both primary and secondary metabolites. Additionally, we introduce the concept of postbiotics and link the metabolites, cell wall components, and enzymes of A. oryzae with the five proposed modes of action of postbiotics (Salminen et al., 2021). These modes of action are crucial in understanding how compounds from A. oryzae can potentially confer benefits to the host, which is a defining feature of postbiotics. Each metabolite’s role is examined in the context of these bioactive mechanisms, helping to clarify their potential health benefits. Thus, this work not only compiles existing research on A. oryzae but also identifies knowledge gaps and suggests directions for future studies. Finally, we focus on the emerging challenges and opportunities in the quality control of postbiotics derived from A. oryzae, a novel scientific topic that has not been extensively discussed in the literature. This review aims to set a foundation for advancing the understanding and development of A. oryzae as a postbiotic.

A. oryzae의 유전체 크기는

37.6 Mb (Machida et al., 2005)로,

A. nidulans 및 A. fumigatus와 같은 다른 Aspergillus 종의 유전체보다

20–30% 더 큽니다 (Nierman et al., 2005; Galagan et al., 2005).

이 유전체 크기 차이는

A. oryzae에 존재하는 이동성 유전 요소와 유전자 중복의 수가 더 많기 때문으로 추정됩니다.

주목할 점은 A. oryzae의 더 큰 유전체에도 불구하고,

A. oryzae와 A. flavus 사이에는 유전적 차이가 거의 없으며,

두 종은 유전체 전체에서 99.5%의 핵산 유사성을 공유합니다(Han et al., 2024).

A. oryzae 게놈은

8개의 염색체에 약 12,000개의 유전자가 분포되어 있으며,

아밀라제, 프로테아제, 리파아제 등 다양한 효소를 암호화하여

곰팡이가 복잡한 유기 물질을 분해하는 능력에 기여하고

발효 공정에 필수적인 역할을 합니다 (Machida 외, 2005).

수많은 A. oryzae 균주의 유전적 구조는 해독되었지만(Machida et al., 2005; Zhong et al., 2018; Deng et al., 2018; Umemura et al., 2012; Zhao et al., 2012), 산업적 목적으로 균주를 개발하는 기능 유전체학은 여전히 초기 단계에 머물러 있습니다.

이는 현재까지 기능적으로 검증된 유전자 수가 약 200개에 불과하며,

이는 전체 유전체(He et al., 2019)의 1.7%에 불과하다는 사실에서 명확히 드러납니다.

A. oryzae는 일반적으로 병원성이 없는 곰팡이로 분류됩니다(Kitagaki, 2021).

또한 아플라톡신(aflatoxins)을 포함한 발암성 화합물과 연관되지 않았습니다(Barbesgaard et al., 1992). 이는 A. oryzae의 다양한 코지 곰팡이 균주에서 모두 아플라톡신 음성으로 확인되었습니다(Tanaka et al., 2006).

Aspergillus 속의 일부 균주는

특정 유형의 마이코톡신을 생산할 수 있지만(Kato et al., 2011),

발효 산업은 제품 내 마이코톡신 수준이 보건 당국이 설정한 기준 이내임을 지속적으로 검증하고 있습니다.

흥미롭게도

A. oryzae는

아플라톡신을 분해하는 것으로도 알려져 있습니다.

A. oryzae에서 개발된 “D-Tox”라는 제품은

아플라톡신 B1(AFB1)을 최대 90%까지 감소시켜

식품 안전성 개선에 유망한 접근법을 제시합니다(Choi et al., 2024).

A. oryzae와 A. flavus는

유전적으로 매우 유사합니다(Han et al., 2024),

그러나

A. oryzae는 식품 생산에 사용되며

식품의약국(FDA)으로부터 “일반적으로 안전하다고 인정된”(GRAS) 지위를 획득했으며,

세계보건기구(WHO)로부터 안전한 미생물로 승인되었습니다(He et al., 2018a).

반면 A. flavus는 식품 생산에 사용되지 않으며,

식품의약국(FDA)으로부터 "일반적으로 안전하다고 인정된 (GRAS)로 분류되어 있으며,

세계보건기구(WHO)로부터 안전한 미생물로 승인되었습니다(He et al., 2018a).

반면 A. flavus는 인간, 식물, 동물에 유해합니다(Fouad et al., 2019; Amaike and Keller, 2011). A. oryzae의 유전자 클러스터에 기능 장애를 일으키는 돌연변이가 존재해 aflatoxin을 생산하지 않는 반면, A. flavus는 생산한다는 추측이 제기되었습니다(Tominaga et al., 2006; Tao and Chung, 2014). 후속 연구, 특히 분자 수준에서의 연구는 이러한 결과를 강화했습니다. A. flavus의 aflatoxin 생산 메커니즘은 25개 이상의 유전자로 구성된 일련의 과정입니다.

폴리메라제 연쇄 반응(PCR) 평가를 통해

A. oryzae 균주 39개 중 15개에서

A. flavus 아플라톡신 유전자 클러스터와 일치하는 5개 유전자에서

시퀀스가 결여된 것으로 관찰되었습니다.

분석된 다른 균주에서는 해당 클러스터의 유전자들이 기능이 없는 것으로 확인되었습니다(Kusumoto et al., 2000). Chang (2019)은 A. flavus 13개와 A. oryzae 11개의 게놈 시퀀스를 게놈 전체 단일 뉴클레오티드 다형성(total SNPs)을 기반으로 비교했습니다. 이 연구는 A. flavus와 A. oryzae를 구분하는 새로운 기술을 입증했습니다.

A. oryzae에 의해 유발된 침습성 성장이나 전신 감염 사례는 건강한 개인에서 보고되지 않았습니다. 그러나 건강이 약화된 개인에서 A. oryzae로 식별된 균주가 분리된 드문 사례가 보고되었습니다. 이는 A. oryzae가 병독성이 낮지만, 많은 다른 유해 미생물과 유사하게 극한 조건에서 인간 조직에서 성장할 수 있음을 시사합니다 (Stelmaska et al., 1974; Liao et al., 1988; Tomizawa, 1981).

A. oryzae에 주로 기인한 알레르기 반응 사례는 제한적으로 보고되었으나, 이러한 사례는 이미 알레르기 반응에 취약한 개인이 흡입을 통해 상당량의 포자를 노출된 경우에 발생했을 가능성이 높습니다(Kino et al., 1982; Barbesgaard et al., 1992).

이러한 결과들을 종합할 때,

A. oryzae의 안전성은 식품 발효뿐만 아니라

의학적 혜택을 기대할 수 있는 다양한 효소와 화학물질의 합성에도 선호되는

원생균으로 자격을 갖추고 있습니다(Yu et al., 2004).

미생물학 및 식품 과학 분야에서 A. oryzae는 고대 요리 전통과 현대 생물공학 응용을 연결하는 연구 대상입니다.

동아시아 식품의 발효에 핵심적인 역할을 하는 것으로 알려져 있는

A. oryzae(Daba et al., 2021)는

전통 발효의 주역일 뿐만 아니라 포스트바이오틱스 분야의 신흥 분야에서도 관심을 받고 있습니다.

예를 들어, 최근 연구에서 포스트바이오틱스 잠재성에 대한 조사 결과 동물 모델에서 유망한 건강 혜택이 확인되었습니다(Kaufman et al., 2021; Ríus et al., 2022), 이는 A. oryzae 유래 제품의 건강 증진에 대한 광범위한 적용 가능성을 시사합니다.

이 리뷰에서는

A. oryzae의 다양한 구성 성분, 분자, 세포벽 성분(효소 및 일차 및 이차 대사산물 포함)을 탐구합니다.

또한 포스트바이오틱스의 개념을 소개하고,

A. oryzae의 대사산물, 세포벽 성분, 효소를 포스트바이오틱스의

5가지 제안된 작용 메커니즘(Salminen et al., 2021)과 연결합니다.

이 작용 메커니즘은

A. oryzae에서 유래한 화합물이

호스트에게 잠재적 혜택을 제공하는 방식을 이해하는 데 필수적이며,

이는 포스트바이오틱스의 핵심 특징입니다.

각 대사체의 역할은

이러한 생물학적 활성 메커니즘의 맥락에서 분석되어

잠재적 건강 혜택이 명확히 됩니다.

따라서 이 연구는

A. oryzae에 대한 기존 연구를 종합할 뿐만 아니라

지식의 공백을 식별하고 미래 연구 방향을 제안합니다.

마지막으로, 문헌에서 충분히 논의되지 않은 새로운 과학적 주제인 A. oryzae에서 유래한 포스트바이오틱스의 품질 관리에 대한新兴 도전 과제와 기회를 중점적으로 다룹니다. 이 리뷰는 A. oryzae를 포스트바이오틱스로서의 이해와 개발을 진전시키기 위한 기반을 마련하는 것을 목표로 합니다.

2 Methodology

The content synthesized in this narrative review is derived from an exhaustive literature search employing various scholarly databases and scientific websites, including Scopus, Web of Science, PubMed, Google Scholar, and Science Direct. This search utilized a comprehensive set of keywords to capture the broad spectrum of research concerning A. oryzae including the term “Aspergillus oryzae” in combination with the term’s “enzymes,” “compounds,” “fermentation,” “primary compounds,” “secondary compounds,” “secondary metabolism,” “cell wall,” “biological activity,” “prebiotic,” “probiotic,” “postbiotic,” “heat inactivated,” “inactivated,” “killed,” “dried,” “inanimated,” and “non-viable,” respectively.

Additionally, the selection process prioritized peer-reviewed articles, reviews, and significant research reports, while conference papers and abstracts were excluded unless they provided novel insights or data unavailable elsewhere. The search strategy included scanning titles, abstracts, and full-texts to ensure relevance to A. oryzae’s diverse roles and applications in enzymatic processes, fermentation, and bioactivity.

Each keyword was carefully selected to ensure that all relevant aspects of A. oryzae, including its primary and secondary metabolites, and its use as a biotic agent, were thoroughly explored. Furthermore, we ensured that studies addressing safety, industrial applications, and advances in biotic and postbiotic research were also covered, thereby providing a holistic overview of the literature.

2 방법론

이 서술적 검토에 종합된 내용은 Scopus, Web of Science, PubMed, Google Scholar, Science Direct 등 다양한 학술 데이터베이스와 과학 웹사이트를 활용한 포괄적인 문헌 검색을 통해 도출되었습니다. 이 검색은 A. oryzae와 관련된 광범위한 연구를 포괄하기 위해 “Aspergillus oryzae”라는 용어와 “효소”, ‘화합물’, “발효”, “primary compounds”, “secondary compounds”, “secondary metabolism”, “cell wall”, “biological activity”, “prebiotic”, “probiotic”, “postbiotic”, “heat inactivated”, “inactivated”, “killed”, “dried”, ‘inanimated’, “non-viable” 등입니다.

또한, 선정 과정에서는 동료 평가를 거친 논문, 리뷰, 중요한 연구 보고서를 우선순위로 삼았으며, 학술대회 논문과 초록은 다른 곳에서 얻을 수 없는 새로운 통찰이나 데이터를 제공하는 경우를 제외하고는 제외되었습니다. 검색 전략에는 A. oryzae의 효소 과정, 발효, 생물학적 활성에서의 다양한 역할과 응용에 관련성이 있는지 확인하기 위해 제목, 초록, 전체 텍스트를 검토하는 것이 포함되었습니다.

각 키워드는 A. oryzae의 주요 및 부차적 대사산물, 생물학적 제제로서의 활용 등 모든 관련 측면이 철저히 탐구되도록 신중하게 선정되었습니다. 또한 안전성, 산업적 응용, 생물학적 및 후생물학적 연구의 진전 등을 다룬 연구도 포함되어 문헌의 종합적인 개관을 제공했습니다.

3 Fermentation of Aspergillus oryzae

3.1 Solid state and submerged fermentation

In general, fermentation is defined as a biochemical process in which microorganisms such as bacteria and fungi break down complex compounds into simpler substances and generate energy under anaerobic conditions (Nout, 2005). Yet, fermentation in a biotechnical context can be aerobe (culturing) and anaerobe as for instance in soy sauce production (Ito and Matsuyama, 2021). During this process, microorganisms produce primary and secondary metabolites. These bioactive compounds, which include antibiotics, peptides, enzymes, and growth factors, have significant industrial and economic value (Robinson et al., 2001; Balakrishnan, 1996). As the demand for these compounds has grown, techniques have been scaled up from laboratory settings to industrial levels. This scaling presents challenges in maintaining controlled environments for microbial growth, as deviations can lead to undesired (by-)products (Subramaniyam and Vimala, 2012). Depending on the nature of the substrate, solid state fermentation (SSF) is distinguished from submerged fermentation (SmF).

The former is characterized as a fermentation procedure where microorganisms grow on solid substrates in the absence of free-flowing liquid (Wang J. et al., 2023). One of the primary advantages of utilizing solid substrates is the opportunity to efficiently recycle nutrient-rich waste (El Sheikha and Ray, 2023; Paz-Arteaga et al., 2023). In this approach, substrates undergo a slow and consistent consumption, facilitating prolonged fermentation periods and a controlled release of nutrients. SSF is especially advantageous for fungi and certain microorganisms that prefer environments with reduced moisture content. On the other hand, SmF is a sophisticated fermentation technique utilizing liquid media and substrates, including molasses and various broths. This method facilitates the secretion of bioactive compounds directly into the fermentation broth (Xv et al., 2024). SmF offers precise control over essential parameters, such as temperature, aeration, and agitation, all pivotal for maximizing product yield. The meticulous regulation of these factors, especially temperature, impacts the growth rate, oxygen dynamics, and overall product synthesis of the microorganism (Esmeralda-Guzmán et al., 2024). The choice between SSF and SmF often depends on the specific bioactive compound being produced and the substrate used in the fermentation process (Premalatha et al., 2023; Sankar et al., 2023).

As far as A. oryzae is concerned, the production of various foods through SSF (Rousta et al., 2021) on diverse substrates such as rice, wheat bran, and soybeans has a long tradition. Moreover, SmF with A. oryzae is frequently employed for the production of enzymes (Masuda et al., 2009; Shah et al., 2014) and organic acids (Singh et al., 2022; Badar et al., 2021). Both fermentation techniques have been developed for large-scale production.

3 Aspergillus oryzae의 발효

3.1 고체 상태 및 침지 발효

일반적으로 발효는

세균이나 곰팡이와 같은 미생물이 복잡한 화합물을 단순한 물질로 분해하고

에너지를 생성하는 생화학적 과정으로 정의됩니다(Nout, 2005).

그러나

생물공학 맥락에서의 발효는

산소 존재 하에서의 발효(배양)와 산소 결핍 조건에서의 발효(예: 간장 생산)(Ito and Matsuyama, 2021)로

구분됩니다.

이 과정에서 미생물은

1차 및 2차 대사물을 생성합니다.

항생제, 펩타이드, 효소, 성장 인자 등을 포함하는

이러한 생물활성 화합물은 산업적 및 경제적 가치가 높습니다(Robinson et al., 2001; Balakrishnan, 1996).

미생물의 2차 대사산물은 미생물 과정과 상호작용에서 핵심적인 역할을 할 뿐만 아니라 오늘날 경제의 다양한 분야에서, 특히 인간 건강과 농업 분야에서 높은 가치를 지니고 있습니다. 게놈 해독 기술의 등장으로 2차 대사산물의 생합성 잠재력이 새롭게 밝혀지며, 이 분자들의 새로운 생화학적 특성, 역할 및 응용 가능성이 발견되고 있습니다. 생합성 유전자 클러스터(BGC) 및 관련 경로에 대한 새로운 예측 도구는 이 새로운 다양성에 대한 통찰을 제공했습니다. 세포 기반 및 세포 자유 표현을 포함한 고급 분자 및 합성 생물학 도구와 워크플로는 이전에 특성화되지 않은 BGC의 연구를 촉진하여 새로운 대사산물의 발견을 가속화하고 생합성 효소학 및 BGC 조절에 대한 이해를 넓히고 있습니다. 이는 대사 산물 검출 및 식별 기술의 새로운 발전에 의해 보완되며, 이러한 모든 기술은 BGC에 의해 암호화된 새로운 화합물을 발견하는 데 중요합니다. 2차 대사 산물 연구 및 개발의 이러한 부흥은 바이오 경제를 추진하기 위한 툴박스 개발을 촉진하고 있습니다.

미생물 2차 대사산물: 개요

• 미생물 2차 대사산물은 다양한 생물학적 활성을 지닌 자연 제품의 다채로운 그룹으로, 인간 건강(예: 항생제, 항염증제)과 농업(예: 농약)을 비롯한 다양한 경제 분야에서 엄청난 가치를 지니고 있습니다.
• 게놈 시퀀싱을 통해 이러한 대사 산물에 대해 이전에 알려지지 않았던 방대한 생합성 능력이 밝혀졌으며, 이는 아직 발견되지 않은 새로운 생화학, 기능 및 응용의 존재를 암시합니다.
• 2차 대사 산물의 생산은 일반적으로 생합성 유전자 클러스터(BGC)에 의해 암호화되며, 이러한 화합물의 합성, 변형, 수송 및 조절을 담당하는 유전자는 종종 같은 위치에 존재하며 함께 발현됩니다.

미생물 2차 대사산물의 주요 분류

• 미생물 2차 대사산물의 주요 분류는 다음과 같습니다:

미생물의 2차 대사산물은 구조와 생합성 경로에 따라 크게 나눌 수 있어요. 

1) 비리보솜 펩타이드는 아미노산이 연결된 작은 단백질로, 항생제나 면역 억제제로 사용.

2) 폴리케타이드는 아세틸-CoA가 반복적으로 연결된 화합물로, 항생제나 항암제로 개발.

3) 테르페노이드는 이소프렌이 연결된 화합물로, 향료나 약물로 사용,

4) 글리코시드는 당과 비당 성분이 결합된 화합물로, 식물 독소나 약물.

5) 번역 후 변형 펩타이드(Post-translationally modified peptide)는 리보솜에서 합성된 펩타이드가 효소에 의해 변형되어 만들어지는 물질. 이들은 일반적인 단백질보다 작은 크기를 가지며, 호르몬이나 신경 전달 물질 같은 다양한 기능.

• 이 화합물들은 다양한 응용 분야와 산업을 혁신할 잠재력을 보여줍니다.

발견의 도전과 유전체 혁명

• 미생물 자연물질을 발견하는 전통적인 방법은 미생물을 배양하고 생물학적 활성을 스크리닝하는 방식에 의존해 왔으며, 높은 재발견율로 인해 한계에 직면해 왔습니다.
• 게놈학의 등장으로 이 분야는 새로운 활력을 얻었으며, 미생물이 이전에 추정된 것보다 훨씬 더 많은 2차 대사물을 생산할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다.
• 게놈 마이닝 도구와 게놈 데이터의 증가하는 가용성은 BGC가 풍부하지만 대부분 활용되지 않은 자원임을 강조했습니다.

천연물 발견의 진전

이 리뷰는 미생물 2차 대사산물 연구의 르네상스를 이끌고 있는 몇 가지 핵심 진전을 강조합니다:

• 새로운 BGC 예측:

• 특성화되지 않은 BGC 분리:
• 숨겨진 BGC 접근:
• 2차 대사산물 탐지:

결론 및 미래 방향

• 고급 계산 및 실험적 접근법의 통합은 미생물 2차 대사산물 발견의 새로운 시대를 이끌고 있으며, 생물경제에 큰 영향을 미칠 잠재력을 가지고 있습니다.
• 이 리뷰는 현재의 한계를 극복하기 위해 지속적인 혁신이 필요함을 강조합니다.
• 미래 연구는 BGC 예측을 생물학적 활성과 직접 연결하는 데 초점을 맞춰야 하며, 이는 의학, 농업 및 기타 산업에서의 2차 대사체 개발을 효율화할 것입니다.

이러한 화합물에 대한 수요가 증가함에 따라 기술은 실험실 규모에서 산업 규모로 확대되었습니다. 이 확대 과정에서는 미생물 성장에 적합한 환경을 유지하는 것이 도전 과제이며, 환경 변동은 원하지 않는 부생물(by-products)을 유발할 수 있습니다(Subramaniyam and Vimala, 2012).

기질의 성질에 따라

고체 상태 발효(SSF)는 침지 발효(SmF)와 구분됩니다.

solid state fermentation (SSF) is distinguished from

submerged fermentation (SmF)

전자는

자유롭게 흐르는 액체 없이

고체 기질에서 미생물이 성장하는 발효 과정으로 특징지어집니다(Wang J. et al., 2023).

고체 기질을 사용하는 주요 장점 중 하나는

영양분이 풍부한 폐기물을 효율적으로 재활용할 수 있는 기회입니다(El Sheikha and Ray, 2023; Paz-Arteaga et al., 2023).

이 접근 방식에서 기질은

천천히 일관되게 소비되어 발효 기간을 연장하고

영양분의 통제된 방출을 가능하게 합니다.

SSF는

특히 습도 함량이 낮은 환경을 선호하는 곰팡이와 특정 미생물에 유리합니다.

반면 SmF는

설탕 시럽과 다양한 배지 등 액체 배지와 기질을 사용하는

고급 발효 기술입니다.

이 방법은 생물활성 화합물을

발효 배지에 직접 분비하도록 촉진합니다 (Xv et al., 2024).

SmF는

온도, 통기, 교반 등 제품 수율을 극대화하는 데 필수적인 파라미터를

정밀하게 제어할 수 있습니다.

이러한 요소의 세밀한 조절,

특히 온도는 미생물의 성장 속도, 산소 동력학, 전체 제품 합성에 영향을 미칩니다(Esmeralda-Guzmán et al., 2024).

SSF와 SmF의 선택은

생산되는 특정 생물활성 화합물과 발효 과정에 사용되는 기질에 따라

달라집니다(Premalatha et al., 2023; Sankar et al., 2023).

A. oryzae의 경우,

쌀, 밀겨, 콩 등 다양한 기질에서 SSF를 통해

다양한 식품을 생산하는 것은 오랜 전통을 가지고 있습니다(Rousta et al., 2021).

또한,

A. oryzae를 이용한 SmF는

효소(Masuda et al., 2009; Shah et al., 2014) 및 유기산(Singh et al., 2022; Badar et al., 2021)

생산에 자주 활용됩니다.

두 발효 기술 모두 대량 생산을 위해 개발되었습니다.

3.2 Stress response and physiological adaptation during fermentation

During fermentation, the microorganism used has to adapt to various abiotic factors including temperature, pH, oxidative, and osmotic conditions, which can sometimes cause stress (Hagiwara et al., 2015). In the context of soy sauce fermentation, for instance, A. oryzae contends with elevated salt concentrations (17–18%) and an acidic pH (He et al., 2018b). The high salt concentrations induces stress due to the disruption of osmotic potential (Taymaz-Nikerel et al., 2016). Research by He et al. (2018b) highlighted that salt stress led to changes both at the transcriptome and metabolome levels in A. oryzae with upregulated expression‎ of genes related to arginine accumulation and oleic acid synthesis. Additionally, variations in lipid metabolism in response to salt stress were observed, notably leading to an increase in intracellular linoleic acid. Recent studies further show that reducing salt during soy sauce production enhances A. oryzae’s carbon and protein metabolism, which not only improves substrate efficiency but also supports Lactobacillus growth and balances the microecology. This adaptation also boosts the production of smoky, nutty, and malty aromas in soy sauce while reducing rancid odors by suppressing fatty aldehyde production through enhanced β-oxidation (Liu et al., 2024).

During rice wine fermentation, A. oryzae undergoes ethanol-induced stress. Ma et al. (2019) elucidated that ethanol absorption led to cellular perturbations and a rise in fatty acid unsaturation. This was evidenced by the conversion of stearic acid to linoleic acid and the heightened expression‎ of related fatty acid desaturases. Temperature fluctuations present another challenge for A. oryzae during fermentation. Both high and low temperatures can hinder the growth and conidial formation. On a molecular level, temperature changes were reported to influence the expression‎ of genes associated with sugar and lipid metabolism. Specifically, low temperatures stimulated genes related to trehalose synthesis and starch metabolism, while high temperatures suppressed genes involved in the metabolism of fructose, galactose, and glucose (Jiang et al., 2022). Furthermore, in the context of glucosamine (GlcN) production from A. oryzae NCH-42, environmental factors such as nitrogen sources, temperature, and pH play a pivotal role in determining the cell wall composition. Li W. et al., 2021 found that acidic stress, particularly at a pH of 2.5, significantly enhanced GlcN production, with the fungal biomass yielding up to 0.31 g/g of GlcN. This was corroborated by scanning electron microscopy (SEM) examinations that revealed a robust mycelial structure under these conditions (Li J. S. et al., 2021).

The research on A. oryzae demonstrates that a variety of abiotic factors, along with the type of fermentation and the substrate used, influence the chemical composition of A. oryzae fermentation end products. Consequently, it can be inferred that depending on the actual fermentation conditions end products from the same species may vary considerably in their effectiveness to cause beneficial effects and may not necessarily operate through the same mechanisms.

3.2 발효 과정에서의 스트레스 반응 및 생리적 적응

발효 과정에서 사용되는 미생물은

온도, pH, 산화, 삼투압 등 다양한 비생물적 요인에 적응해야 하며,

이는 때로는 스트레스를 유발할 수 있습니다(Hagiwara et al., 2015).

예를 들어 간장 발효 과정에서

A. oryzae는 높은 염분 농도(17–18%)와 산성 pH(He et al., 2018b)와 맞서 싸웁니다.

높은 염분 농도는

삼투압 잠재력의 파괴로 인해 스트레스를 유발합니다(Taymaz-Nikerel et al., 2016).

He et al. (2018b)의 연구는

소금 스트레스가 A. oryzae의 전사체 및 대사체 수준에서 변화를 초래했으며,

아르기닌 축적과 올레산 합성과 관련된 유전자 발현이 증가했음을 강조했습니다.

다양한 자극에 따른 변화의 특성은 세포가 변화하는 환경에 적응하는 과정을 이해하는 데 필수적입니다. Aspergillus oryzae는 간장 산업 생산에 널리 사용되며, 염분 스트레스와 같은 복잡한 환경 변화에 지속적으로 노출됩니다. 그러나 A. oryzae의 염분 스트레스에 대한 보호 생화학적 메커니즘은 아직 잘 이해되지 않고 있습니다. 본 연구에서는 A. oryzae가 염분 스트레스에 대한 반응으로 발효 행동, 전사체 프로파일, 대사체 변화를 성공적으로 특성화했습니다. 결과는 염분 처리로 인해 A. oryzae의 곰팡이 발달과 포자 형성이 억제되었음을 보여주었습니다. 전사체 분석 결과, 아르기닌 축적과 올레산 합성과 관련된 유전자들의 발현이 증가했습니다. qRT-PCR 결과는 전사체 분석에서 얻은 차등 발현 유전자의 신뢰성과 가용성을 통해 추가로 확인되었습니다. 대사체 분석 결과, 염분 스트레스에 대한 반응으로 아르기닌과 올레산산의 세포 내 축적량도 증가한 것으로 나타났습니다. 모든 결과는 A. oryzae의 염분 적응 과정에 대한 전사체적 특성을 종합적으로 규명했으며, 유전자 공학을 통해 염분 내성을 개선하기 위한 다수의 표적 유전자를 제시합니다.

이 연구는 간장 제조에 사용되는 곰팡이 Aspergillus oryzae가 산업적 응용에서 흔히 직면하는 염분 스트레스에 어떻게 반응하는지 조사합니다. 이 연구는 발효 행동 분석, 전사체 프로파일링(RNA-seq), 대사체 분석을 결합하여 곰팡이의 염분 적응 메커니즘에 대한 포괄적인 이해를 제공합니다.

자세한 내용은 다음과 같습니다:

1. 실험 설정 및 관찰

• A. oryzae는 다양한 염분 스트레스 수준(0%, 0.5%, 1%, 1.5% NaCl)에 노출되었습니다.
• 염분 스트레스는 곰팡이 성장과 포자(conidia) 형성을 억제하는 것으로 확인되었습니다.
• 특히 고염분 조건(1.5% NaCl)은 포자 생산을 심각하게 억제했습니다.

2. 전사체 분석 (RNA-seq)

• RNA-seq은 다양한 염 농도 하에서 A. oryzae의 유전자 발현 변화를 분석하기 위해 사용되었습니다.
• 염 스트레스에 반응하여 유전자 발현의 차이를 보이는 유전자가 상당수 발견되었으며, 이는 곰팡이의 대사 과정이 복잡하게 재프로그래밍되었음을 나타냅니다.
• 주요 결과에는 다음과 관련된 유전자의 발현 증가가 포함됩니다: 
• qRT-PCR을 사용하여 RNA-seq 결과를 검증했으며, 이는 유전자 발현 데이터의 신뢰성을 확인했습니다.

3. 대사체 분석

• 대사체 분석은 전사체 분석 결과를 뒷받침했으며, 염분 스트레스 하에서 세포 내 아르기닌과 올레산 축적이 증가했음을 보여주었습니다.
• 이는 유전자 발현 변화와 대사체 수준 변화 간의 직접적인 연관성을 시사합니다.

4. 주요 결과 및 시사점

• A. oryzae는 염분 스트레스에 대응하여 유전자 발현과 대사 과정을 변경합니다.
• 아르기닌 생합성 유전자의 발현 증가와 아르기닌의 축적은 이 아미노산이 염분 유발 스트레스에 대한 보호 역할을 한다는 것을 시사합니다.
• 同様に, 지방산 생합성 변화, 특히 올레산 증가 는 스트레스 하에서 막 유동성을 유지하기 위한 적응 메커니즘을 나타냅니다.
• 이 연구는 A. oryzae의 염분 내성 분자 메커니즘에 대한 귀중한 통찰을 제공합니다.
• 이 지식은 유전자 공학을 통해 간장 생산에 사용되는 A. oryzae 균주의 염분 내성을 향상시키는 데 활용될 수 있으며, 궁극적으로 발효 과정의 효율성과 품질을 향상시킬 수 있습니다.

또한

소금 스트레스에 대한 반응으로

지질 대사 변화가 관찰되었으며,

특히 세포 내 리놀레산 농도가 증가했습니다.

최근 연구는

간장 제조 과정에서 염분 농도를 줄이면

A. oryzae의 탄소 및 단백질 대사 효율이 향상되며,

이는 기질 효율을 개선할 뿐만 아니라

Lactobacillus의 성장과 미생물 생태계 균형을 지원한다는 것을 보여주었습니다.

이 적응은

간장에 연기, 견과류, 맥아 향을 증가시키며,

지방 알데히드 생성을 억제하여 β-산화 과정을 통해 썩은 냄새를 감소시킵니다 (Liu et al., 2024).

쌀술 발효 과정에서

A. oryzae는

에탄올 유발 스트레스를 겪습니다.

Ma et al. (2019)은

에탄올 흡수 가 세포 장애와 지방산 불포화도 증가를 초래했다고 밝혔습니다.

이는 스테아르산이 리놀레산으로 전환되고

관련 지방산 불포화 효소의 발현이 증가한 것으로 확인되었습니다.

발효 과정에서

온도 변동은

A. oryzae에 또 다른 도전 요인이 됩니다.

고온과 저온 모두

성장과 포자 형성을 방해합니다.

분자 수준에서 온도 변화는

당 및 지질 대사 관련 유전자 발현에 영향을 미치는 것으로 보고되었습니다.

구체적으로

저온은 트레할로스 합성과 전분 대사 관련 유전자의 발현을 촉진했으며,

고온은 과당, 갈락토스, 포도당 대사 관련 유전자의 발현을 억제했습니다 (Jiang et al., 2022).

또한

A. oryzae NCH-42에서 글루코사민(GlcN) 생산 맥락에서

질소 원천, 온도, pH와 같은 환경 요인은

세포벽 구성 결정에 결정적인 역할을 합니다.

Li W. et al., 2021은

산성 스트레스,

특히 pH 2.5에서 GlcN 생산이 크게 증가했으며,

곰팡이 생물량은 GlcN당 최대 0.31 g/g를 기록했습니다.

이는 스캐닝 전자 현미경(SEM) 분석을 통해

이 조건 하에서 튼튼한 균사체 구조가 관찰됨으로써 확인되었습니다(Li J. S. et al., 2021).

A. oryzae에 대한 연구는

발효 유형과 사용된 기질과 함께 다양한 비생물적 요인이

A. oryzae 발효 최종 산물의 화학적 구성에 영향을 미친다는 것을 보여줍니다.

따라서

동일한 종의 발효 최종 산물은

실제 발효 조건에 따라 유익한 효과를 유발하는 효과에서 크게 다를 수 있으며,

반드시 동일한 메커니즘을 통해 작용하지 않을 수 있습니다.

4 Postbiotics – an emerging concept in the field of “biotics”

4.1 From prebiotics and probiotics to postbiotics

Prebiotics were originally defined as “a non-digestible food ingredient that beneficially affects the host by selectively stimulating the growth and/or activity of one or a limited number of bacteria already resident in the colon” (Gibson and Roberfroid, 1995). This concept has its roots in early research, such as the study by Rettger and Cheplin (1921) who observed the enrichment of human microbiota with lactobacilli after carbohydrate consumption. Over time, the definition of prebiotics has evolved. The most recent version, provided by the International Scientific Association for Probiotics and Prebiotics (ISAPP), defines a prebiotic as “a substrate that is selectively utilized by host microorganisms conferring a health benefit” (Dubos et al., 1965; Savage, 1977). Common examples of prebiotics include inulin, fructooligosaccharides (FOS), and galactooligosaccharides (GOS), which are preferentially metabolized by bifidobacterial (Gibson et al., 2017).

In contrast, probiotics—first introduced by Lilly and Stillwell (1965)—refer to live microorganisms. In, 2001, the WHO and FAO defined probiotics as “live microorganisms which, when administered in adequate amounts, confer a health benefit on the host” (FAO/WHO, 2001). Synbiotics refer to a combination of probiotics and prebiotics that either function independently or synergistically to provide health benefits (Markowiak and Śliżewska, 2018; Swanson et al., 2020).

As research has advanced, additional terms such as paraprobiotics (non-active probiotic cells) and postbiotics have been introduced, emphasizing that non-living cells, whether whole or fragmented, can also positively affect human health. The ISAPP defines postbiotics as “a preparation of inanimate microorganisms and/or their components that confers a health benefit on the host” (Salminen et al., 2021). The core of the definition are inanimate microbes, metabolites can be present, or not, in the final product. Metabolites alone, in the absence of inanimate cells, are not regarded as postbiotics according to the definition. Common misunderstanding around the definition of postbiotics was recently clarified (Vinderola et al., 2024).

Besides inanimate microorganisms, a postbiotic product may include metabolites generated by microorganisms, such as short chain fatty acids (SCFA), exopolysaccharides, cell wall fragments, enzymes/proteins, cell-free supernatant, and other metabolites (Żółkiewicz et al., 2020). In a 2021 publication by ISAPP, various proposed mechanisms of postbiotics were outlined. Accordingly, postbiotics are suggested to potentially modulate gut microbiota dynamics, booster intestinal barrier integrity, exhibit immunomodulatory effects, regulate systemic metabolism, and/or engage in signaling through the nervous system. A comprehensive description of these mechanisms can be found in the publication by Salminen et al. (2021). The differences between prebiotics, probiotics, and postbiotics are illustrated in Figure 2.

4 포스트바이오틱스 – “바이오틱스” 분야에서의 신개념

4.1 프리바이오틱스와 프로바이오틱스에서 포스트바이오틱스로

프리바이오틱스는

원래 “대장 내 이미 존재하는 한 가지 또는 제한된 수의 세균의 성장과/또는 활동을 선택적으로 자극하여

호스트에게 유익한 영향을 미치는 소화되지 않는 식품 성분”으로 정의되었습니다(Gibson and Roberfroid, 1995).

이 개념은 Rettger와 Cheplin (1921)의 연구와 같은 초기 연구에서 비롯되었습니다.

이들은 탄수화물 섭취 후

인간 미생물군집에 락토바실러스가 증가하는 현상을 관찰했습니다.

시간이 지나면서

프리바이오틱스의 정의는 진화했습니다.

국제 프로바이오틱스와 프리바이오틱스 과학 협회(ISAPP)가 제시한 최신 정의에 따르면,

프리바이오틱스는

“호스트 미생물에 의해 선택적으로 이용되어 건강에 이점을 제공하는 기질”로

정의됩니다(Dubos et al., 1965; Savage, 1977).

프리바이오틱스의 일반적인 예시로는

인울린, 프럭토올리고당(FOS), 갈락토올리고당(GOS)이 있으며,

이는 비피도박테리아에 의해 선호적으로 대사됩니다(Gibson et al., 2017).

반면,

프로바이오틱스는 Lilly와 Stillwell (1965)에 의해 처음 소개된 용어로,

살아있는 미생물을 의미합니다.

2001년 WHO와 FAO는

프로바이오틱스를

“적절한 양으로 투여될 때 호스트에게 건강상의 이점을 제공하는 살아있는 미생물”로

정의했습니다(FAO/WHO, 2001).

시너지오틱스는

프로바이오틱스와 프리바이오틱스의 조합으로,

독립적으로 또는 시너지 효과를 내어 건강 혜택을 제공하는 것을 의미합니다(Markowiak and Śliżewska, 2018; Swanson et al., 2020).

연구가 진행됨에 따라 파라프로바이오틱스(비활성 프로바이오틱스 세포)와 포스트바이오틱스 등 추가 용어가 도입되었으며, 이는 비생물적 세포(전체 또는 분열된 형태)도 인간 건강에 긍정적인 영향을 미칠 수 있음을 강조합니다.

ISAPP는

포스트바이오틱스를

“호스트에게 건강상의 이점을 제공하는 비생물적 미생물 및/또는 그 구성 요소로 구성된 제제”로

정의합니다(Salminen et al., 2021).

정의의 핵심은 무생물 미생물이며, 최종 제품에 대사물이 존재할 수도 있고 존재하지 않을 수도 있습니다. 무생물 세포가 없는 상태에서 대사물만 존재하는 경우, 정의에 따라 포스트바이오틱스로 간주되지 않습니다. 포스트바이오틱스의 정의에 대한 일반적인 오해는 최근 명확히 설명되었습니다 (Vinderola et al., 2024).

무생물 미생물 외에도,

포스트바이오틱스 제품에는

단쇄 지방산(SCFA), 외부 다당류, 세포벽 조각, 효소/단백질, 무세포 상청액 및 기타 대사 산물과 같은

미생물에 의해 생성된 대사 산물이 포함될 수 있습니다 (Żółkiewicz 외, 2020).

ISAPP가 2021년에 발표한 간행물에서는 포스트바이오틱스의 다양한 메커니즘이 소개되었습니다. 이에 따라 포스트바이오틱스는 장 미생물군집 동역학을 조절하고, 장 장벽의 무결성을 강화하며, 면역 조절 효과를 나타내며, 전신 대사 조절에 기여하거나 신경계를 통해 신호 전달에 참여할 수 있다고 제안됩니다. 이러한 메커니즘에 대한 포괄적인 설명은 Salminen et al. (2021)의 논문에서 확인할 수 있습니다. 프리바이오틱스, 프로바이오틱스, 포스트바이오틱스의 차이는 Figure 2에 설명되어 있습니다.

Figure 2

Figure 2. Definition of prebiotics, probiotics, and postbiotics. Prebiotics are specific dietary compounds that beneficially nurture the host’s existing microorganisms. They do not contain live organisms but fuel beneficial bacteria already present in the gut. Examples include soluble fibers such as inulin, fructooligosaccharides, and galactooligosaccharides. Probiotics refer to live microorganisms that, when consumed in adequate amounts, confer health benefits on the host. These are the “good” bacteria introduced into the system to enhance gut health and other functions. Only those strains with scientifically demonstrated health effects are termed as “probiotic-like.” Postbiotics, as the name suggests, are derived “after life.” They may include substances obtained from microbial activity once the microorganisms are no longer alive. This category can encompass a range of components, from cell wall fragments and enzymes to amino acids, organic acids, and various metabolites. Created in BioRender. Seidler, Y. (2024) BioRender.com/h54l897.

5 Possible bioactive compounds in Aspergillus oryzae fermentation end products

According to the definition proposed by Salminen et al. (2021), fermentation end products from A. oryzae fermentation can be categorized as postbiotics as long as they do not contain living cells. Given that postbiotics can include a combination of non-viable cells, cell fragments and metabolites of the progenitor microorganism, it is expected that their components bearing bioactivity can exhibit considerable diversity. This diversity will be examined in the subsequent section, with a primary emphasis on compounds derived from A. oryzae. However, the specific bioactivities and health benefits associated with these compounds will be addressed in detail in section 7, in order to avoid redundancy and ensure clarity.

5.1 Cell wall fragments of Aspergillus species

The cell walls of filamentous fungi are complex structures composed mainly of polysaccharides (90%) (Latgé, 2010), which differ significantly from the cellulose-based plant cell walls (Bowman and Free, 2006). The fungal cell wall has been simplistically separated into a fibrillar alkali-insoluble skeleton and an amorphous alkali-soluble cement (Latgé, 2010). At present, there is no detailed description of the cell wall of A. oryzae. For this reason, we have mainly reviewed evidence from A. fumigatus, which cell wall has been dissected in depth at the molecular level. However, it is important to note that while cell wall components of A. fumigatus are implicated in causing 50–90% of human aspergillosis cases (Latgé and Chamilos, 2019), A. oryzae is a non-pathogenic species considered as safe. Even though we generalize between the two Aspergillus species in this review due to their taxonomic proximity, the reader should be aware that biologically relevant differences in their cell wall composition and/or structure likely exist.

The main polysaccharides in the Aspergillus cell wall are α-glucans (α-1,3-glucan and α-1,4 glucan), β-glucans (β-1,6-branched β-1,3-glucan and linear β-1,3/1,4-glucan), galactosaminogalactan (GAG), galactomannan (GM), and chitin (linked via β-1,4 linkage to β-1,3-glucan) (Figure 3). These polysaccharides have been characterized in detail in A. fumigatus (Fontaine et al., 2000; Mouyna and Fontaine, 2008).

Aspergillus oryzae 발효 최종 제품에 포함될 수 있는 5가지의 생리 활성 화합물

Salminen et al. (2021)가 제안한 정의에 따르면, A. oryzae 발효의 최종 제품은 살아있는 세포를 포함하지 않는 한 포스트바이오틱스로 분류될 수 있습니다. 포스트바이오틱스는 전구체 미생물의 비활성 세포, 세포 조각 및 대사산물의 조합을 포함할 수 있으므로, 생물활성을 지닌 구성 성분은 상당한 다양성을 보일 것으로 예상됩니다. 이 다양성은 다음 절에서 주로 A. oryzae에서 유래한 화합물에 초점을 맞춰 조사될 것입니다. 그러나 이러한 화합물과 관련된 구체적인 생물학적 활성과 건강 혜택은 중복을 피하고 명확성을 확보하기 위해 제7절에서 상세히 다루어질 것입니다.

5.1 Aspergillus 속의 세포벽 조각

사슬형 곰팡이의 세포벽은

주로 다당류(90%)로 구성된 복잡한 구조로,

셀룰로오스 기반 식물 세포벽과 크게 다릅니다(Bowman and Free, 2006).

곰팡이 세포벽은

단순화하여 알칼리 불용성 섬유질 골격과 알칼리 용해성 무정형 시멘트로 구분됩니다(Latgé, 2010).

현재 A. oryzae의 세포벽에 대한 상세한 설명은 없습니다.

이 때문에 우리는 분자 수준에서 세포벽이 상세히 분석된 A. fumigatus의 증거를 주로 검토했습니다.

그러나 A. fumigatus의 세포벽 성분이 인간 아스페르길루스증의 50–90%를 유발하는 것으로 알려져 있음에도 불구하고 (Latgé and Chamilos, 2019), A. oryzae는 무해한 비병원성 종으로 간주됩니다. 이 리뷰에서 두 Aspergillus 종을 분류학적 근연성 때문에 일반화하여 다루지만, 독자는 그들의 세포벽 구성 및/또는 구조에 생물학적으로 중요한 차이가 존재할 가능성이 있음을 인지해야 합니다.

Aspergillus 세포벽의 주요 다당류는 α-글루칸(α-1,3-글루칸과 α-1,4-글루칸), β-글루칸(β-1,6-분지 β-1,3-글루칸과 선형 β-1,3/1,4-글루칸), 갈락토사미노갈락탄(GAG), 갈락토만난(GM), 그리고 키틴(β-1,4 결합을 통해 β-1,3-글루칸에 연결됨)입니다(그림 3). 이러한 다당류는 A. fumigatus에서 상세히 특성화되었습니다(Fontaine et al., 2000; Mouyna and Fontaine, 2008).

Figure 3

Figure 3. Aspergillus spp. cell wall organization and polysaccharides. Structural depiction of the cell wall polysaccharides showing linkages and monosaccharide components. Created with Biorender.com.

The polysaccharide α-1,3-glucan stands as a hallmark component of the outer cell wall in A. fumigatus (Lee and Sheppard 2016). Comprised of glucose units interconnected through α-1,3 linkages, its presence, while not unique to A. fumigatus, holds relevance in the context of bioactivity-bearing compounds. In the case of A. oryzae, the production of α-1,3-glucan is orchestrated by three synthases: Ags1, Ags2, and Ags3 (Miyazawa et al., 2016; Zhang et al., 2017). In studies focusing on A. oryzae, ags gene knockouts have led to enhanced recombinant enzyme production (Miyazawa et al., 2016), and it was observed that α-1,3-glucan acts as a potential inhibitory factor for enzymes such as α-amylase (Zhang et al., 2017). Additionally, the deletion of α-1,4-glucan in A. oryzae results in an increased accumulation of α-1,3 glucan (Koizumi et al., 2023).

β-1,3-glucan is a primary structural component of the A. fumigatus hyphal cell wall, consisting of glucose residues connected by β-1,3 linkages (Lee and Sheppard 2016). In a comparative study involving Saccharomyces cerevisiae, Xanthomonas campestris, and Bacillus natto, A. oryzae stood out by producing the highest mass of β-glucan during SmF conditions (Utama et al., 2021). Additionally, SSF with A. oryzae was shown to increase the β-glucan content of brown rice used as a substrate (Ji and Ra, 2021).

In A. fumigatus, the inner cell wall structural integrity is mainly attributed to the presence of chitin, a pivotal structural polysaccharide. Chitin, consisting of N-acetyl-glucosamine (GlcNAc) residues linked by β-1,4 bonds, is a fundamental component of the fungal cell wall carbohydrate structure, though its preval‎ence differs among fungal species (Lenardon et al., 2010; Munro and Gow, 2001; Latgé, 2007). For instance, while it constitutes a mere 1–2% of the cell wall in S. cerevisiae, in filamentous fungi, it can represent up to 10–20% of the mycelial dry weight (Bartnicki-Garcia, 1968).

In A. oryzae, chitin significantly influences the structural integrity of the cell wall. Recent research has advanced the understanding of chitin’s biosynthesis in A. oryzae through the characterization of chitin synthase genes. The novel gene chsZ suggests a unique role in chitin synthesis, highlighted by its classification into a newly proposed class VI of chitin synthases (Chigira et al., 2002). Moreover, studies on the disruption of chitin synthase genes like chsB and csmA have shown that these alterations affect fungal morphology and growth dynamics without impacting α-amylase productivity, which influences the rheological properties of the cultivation broth in industrial fermentations (Müller et al., 2002a; Müller et al., 2002b).

Adjacent to chitin is its derivative, chitosan, which also composes the cell walls of numerous fungi. This compound emerges from the deacetylation of chitin, a process mediated by chitin deacetylases (CDA), culminating in the formation of glucosamine residues. This was described for the first time by Kreger (1954). Since then, two putative CDA-encoding genes have been identified in A. fumigatus, but their precise roles and contributions remain enigmatic (Gastebois et al., 2009). Chitosan’s physicochemical properties, notably its solubility and rigidity, are influenced by its degree of deacetylation (Kurita, 2006; El Knidri et al., 2018; Dash et al., 2011), which is defined as the molar fraction of deacetylated units in the polymer chain (Zhang et al., 2005). This has propelled chitosan to the forefront of various industrial applications, with notable inroads in the medical sector, particularly for the prevention of biofilm formation on medical devices (No et al., 2007; Salamanca et al., 2006; Boateng et al., 2008). A study investigated chitosan production by novel A. oryzae isolates grown under SmF conditions. One isolate (A2) identified by a 99% genetic similarity to known A. oryzae genome sequences, yielded the highest level of chitosan at 352 mg/L and a biomass of 9.48 g/L. Structural validation revealed a 55.23% degree of deacetylation for the chitosan, which displayed antimicrobial activity against several pathogens, most effectively against Salmonella typhimurium (Jebur et al., 2019).

GM is an immunoreactive substance (Latgé et al., 1994) widely distributed among most Aspergillus species (Barreto-Berter et al., 1980; Bardalaye and Nordin, 1977; Bennett et al., 1985; Reiss and Lehmann, 1979). In A. fumigatus, its complex structure is made up of mannose and galactofuranose (Galf). A mannan chain serves as the backbone, with mannose residues connected via α-1,3 or α-1,6 linkages, while the side chains of the galactomannan consist of an average of 4 to 5 β-1,5-Galf units (Latgé et al., 1994). The exact role of GM in virulence is still a topic of debate. While the mannan components, which are vital for maintaining cell wall structure, are non-antigenic, the role of the Galf side chain in virulence remains not clearly defined (Lee and Sheppard, 2016; Lamarre et al., 2009; Schmalhorst et al., 2008). The absence of Galf in A. fumigatus resulted in attenuated virulence (Schmalhorst et al., 2008) and GM detection using a monoclonal antibody that specifically reacts with Galf-containing glycostructures serves as a diagnostic marker for Aspergillus infection, which emphasize the importance of understanding its synthesis and regulation (Heesemann et al., 2011; Marino et al., 2017). Nakajima and Ichishima (1994) isolated a GM-protein complex from A. oryzae’s hyphal walls, composed of 89% carbohydrates and 11% proteins, featuring a mannan backbone with predominantly β-Galf-capped mannose side chains. Structural changes induced by chemical treatments indicated a complex architecture involving both N- and O-linked carbohydrate chains. Another study explored the biosynthesis and functional role of D-Galf-containing glycans in A. oryzae. The deletion of the ugmA gene, encoding uridine diphosphate (UDP)-galactopyranose mutase, significantly impaired mycelial elongation, underscoring the importance of these glycans in maintaining cell wall integrity. Nuclear magnetic resonance analysis of the ΔugmA mutant confirmed the presence of core mannan backbones, despite the absence of Galf-containing sugar chains (Kadooka et al., 2023).

GAG is a complex sugar molecule present within the extracellular matrix as well as the inner and outer layers of the cell walls in A. fumigatus hyphae (Lee and Sheppard, 2016). This compound, made up of galactose and GalNAc connected through α-1,4 bonds, has a diverse structure due to the non-uniform positioning of its galactose and GalNAc units (Gravelat et al., 2013; Fontaine et al., 2011). The heterogeneity is unique to the GAG because most of the cell wall polysaccharides are homopolymers (chitin, glucans). Building upon the structural diversity of GAG in Aspergillus species, recent studies have elucidated its functional role in A. oryzae, particularly in mediating hyphal aggregation, which significantly impacts industrial fermentation processes. Research identified that GAG, alongside α-1,3-glucan, contributes to hyphal pellet formation. This was demonstrated by disrupting GAG biosynthesis in α-1,3-glucan-deficient mutants (AGΔ), resulting in the AGΔ-GAGΔ double mutant with fully dispersed hyphae in liquid culture, confirm‎ing GAG’s essential role in aggregation (Miyazawa et al., 2019). Further experimental addition of a partially purified GAG fraction to AGΔ-GAGΔ cultures induced mycelial pellet formation, highlighting GAG’s aggregation mechanism through acetylated galactosamine-mediated hydrogen bonding. This property not only affects hyphal structure but also enhances bioreactor production efficiency (Ichikawa et al., 2022). Additionally, A. oryzae NCH-42 was studied as a non-animal source of glucosamine (GlcN). Environmental factors like pH were examined, revealing that acidic conditions (pH 2.5) significantly boosted GlcN content (Li J. S. et al., 2021).

While sphingolipids are typically associated with the cell membrane rather than the structural framework of the cell wall, their inclusion in this context is warranted due to their relevance to A. oryzae. Investigations have revealed the presence and functional significance of glycosylceramides, shedding light on their potential health-promoting effects. For instance, Tani et al. (2014) identified β-glucosylceramide and β-galactosylceramide in A. oryzae. Similarly, Miyagawa et al. (2019) explored the cosmetic implications of glycosylceramides derived from various sources, including A. oryzae, on gene expression‎ in human keratinocytes. These findings suggest that the abundance of glycosylceramides in A. oryzae may contribute to ceramide biosynthesis and tight junction formation in the skin, potentially elucidating the cosmetic benefits associated with koji. Additionally, Hamajima et al. (2016) investigated the prebiotic effects of koji glycosylceramide in murine models, unveiling its capacity to stimulate the proliferation of beneficial gut microbiota such as Blautia coccoides. The author suggest that the collective findings hint at a plausible nexus between Japanese dietary practices, gut microbiome modulation, and longevity via the consumption of koji-derived glycosylceramides.

다당류 α-1,3-글루칸은 A. fumigatus의 외세포벽의 특징적인 구성 요소입니다 (Lee and Sheppard 2016). 글루코스 단위가 α-1,3 결합을 통해 연결된 이 다당류는 A. fumigatus에 고유한 것은 아니지만, 생물학적 활성을 지닌 화합물 맥락에서 중요성을 지닙니다. A. oryzae의 경우, α-1,3-글루칸의 생성은 세 가지 합성효소(Ags1, Ags2, Ags3)에 의해 조절됩니다(Miyazawa et al., 2016; Zhang et al., 2017). A. oryzae에 초점을 맞춘 연구에서 ags 유전자 결손은 재조합 효소 생산이 증가하는 것으로 나타났으며(Miyazawa et al., 2016), α-1,3-글루칸이 α-아밀라아제와 같은 효소에 대한 잠재적 억제 인자로 작용한다는 것이 관찰되었습니다(Zhang et al., 2017). 또한 A. oryzae에서 α-1,4-글루칸을 삭제하면 α-1,3 글루칸의 축적이 증가합니다(Koizumi et al., 2023).

β-1,3-글루칸은

A. fumigatus 균사체 세포벽의 주요 구조 성분으로,

β-1,3 결합으로 연결된 글루코스 잔기로 구성됩니다(Lee and Sheppard 2016).

Saccharomyces cerevisiae,

Xanthomonas campestris, 및

Bacillus natto를 포함한 비교 연구에서

A. oryzae는

SmF 조건 하에서 가장 높은 β-글루칸 생산량을 기록했습니다(Utama et al., 2021).

또한,

A. oryzae를 사용한 SSF는

기질로 사용된 현미의 β-글루칸 함량을 증가시키는 것으로 나타났습니다(Ji and Ra, 2021).

A. fumigatus에서 내막 구조의 안정성은

주로 키틴이라는 핵심 구조 다당류의 존재에 기인합니다.

키틴은 N-아세틸-글루코사민(GlcNAc) 잔기가 β-1,4 결합으로 연결된 구조로,

곰팡이 세포벽 탄수화물 구조의 기본 구성 요소이지만,

곰팡이 종에 따라 그 함량이 다릅니다(Lenardon et al., 2010; Munro and Gow, 2001; Latgé, 2007).

예를 들어, S

. cerevisiae의 세포벽에서 키틴은

단 1–2%를 차지하지만,

필라멘트형 곰팡이에서는 균사체 건조 무게의 최

대 10–20%를 차지할 수 있습니다(Bartnicki-Garcia, 1968).

A. oryzae에서 키틴은 세포벽의 구조적 안정성에 크게 영향을 미칩니다. 최근 연구는 A. oryzae의 키틴 생합성에 대한 이해를 심화시켰으며, 키틴 합성 효소 유전자의 특성을 통해 이를 밝혔습니다. 새로운 유전자 chsZ는 키틴 합성에 독특한 역할을 수행하며, 새롭게 제안된 키틴 합성 효소 클래스 VI에 분류되어 이 역할을 강조합니다(Chigira et al., 2002). 또한, chsB 및 csmA와 같은 키틴 합성 효소 유전자의 파괴 연구는 이러한 변화가 곰팡이의 형태와 성장 동역학에 영향을 미치지만, 산업 발효에서 배양액의 유동학적 특성에 영향을 미치는 α-아밀라아제 생산성에 영향을 미치지 않는다는 것을 보여주었습니다 (Müller et al., 2002a; Müller et al., 2002b).

키틴과 인접한 화합물인 키토산은 수많은 곰팡이의 세포벽을 구성합니다. 이 화합물은 키틴의 탈아세틸화 과정을 통해 생성되며, 이 과정은 키틴 탈아세틸화 효소(CDA)에 의해 매개되어 글루코사민 잔기 형성을 최종 단계로 합니다. 이 과정은 Kreger (1954)에 의해 처음으로 설명되었습니다. 그 이후로, A. fumigatus에서 두 개의 추정 CDA 암호화 유전자가 확인되었지만, 그 정확한 역할과 기여도는 아직 미스터리로 남아 있습니다 (Gastebois et al., 2009). 키토산의 물리화학적 특성, 특히 용해도와 강도는 탈아세틸화 정도에 의해 영향을 받습니다(Kurita, 2006; El Knidri et al., 2018; Dash et al., 2011), 이는 폴리머 사슬 내 탈아세틸화 단위의 몰 분율로 정의됩니다(Zhang et al., 2005). 이것은 키토산을 다양한 산업 응용 분야의 최전선에 밀어올렸으며, 특히 의료 분야에서의 생물막 형성 방지(No et al., 2007; Salamanca et al., 2006; Boateng et al., 2008)에서 주목할 만한 성과를 거두었습니다. 한 연구에서는 SmF 조건 하에서 배양된 새로운 A. oryzae 분리주에 의한 키토산 생산을 조사했습니다. 99%의 유전적 유사성을 보이는 알려진 A. oryzae 게놈 서열과 일치하는 분리주(A2)는 352 mg/L의 최고 키토산 농도와 9.48 g/L의 생물량을 나타냈습니다. 구조적 검증 결과, 키토산은 55.23%의 탈아세틸화도를 보였으며, 여러 병원체에 대한 항균 활성을 나타냈으며, 특히 Salmonella typhimurium에 대해 가장 효과적이었습니다 (Jebur et al., 2019).

GM은 면역 반응성 물질(Latgé et al., 1994)로, 대부분의 Aspergillus 종에 널리 분포되어 있습니다(Barreto-Berter et al., 1980; Bardalaye and Nordin, 1977; Bennett et al., 1985; Reiss and Lehmann, 1979).

A. fumigatus에서 그 복잡한 구조는 만노스와 갈락토푸라노스(Galf)로 구성되어 있습니다. 만난 사슬은 α-1,3 또는 α-1,6 결합을 통해 연결된 만노스 잔기로 구성된 골격을 이루며, 갈락토만난의 측쇄는 평균 4~5개의 β-1,5-Galf 단위로 구성되어 있습니다(Latgé et al., 1994). GM의 독성 역할은 여전히 논쟁의 대상입니다. 세포벽 구조 유지에 필수적인 만난 성분은 비항원성이지만, 갈락토만난의 갈락토프uranose 측쇄가 독성에 미치는 역할은 명확히 정의되지 않았습니다(Lee and Sheppard, 2016; Lamarre et al., 2009; Schmalhorst et al., 2008). A. fumigatus에서 Galf의 결여는 독성 감소로 이어졌습니다(Schmalhorst et al., 2008) Galf를 포함하는 글리코구조에 특이적으로 반응하는 단일클론 항체를 사용한 GM 검출은 Aspergillus 감염의 진단 마커로 활용되며, 이는 그 합성과 조절 메커니즘의 이해 중요성을 강조합니다(Heesemann et al., 2011; Marino et al., 2017). Nakajima and Ichishima (1994)는 A. oryzae의 균사체 벽에서 GM-단백질 복합체를 분리했으며, 이는 89%의 탄수화물과 11%의 단백질로 구성되어 있으며, 주로 β-Galf로 캡핑된 만노스 측쇄를 가진 만난 골격을 특징으로 합니다. 화학적 처리로 유발된 구조적 변화는 N- 및 O-결합 탄수화물 사슬을 포함하는 복잡한 구조를 나타냈습니다. 또 다른 연구는 A. oryzae에서 D-Galf를 함유한 당류의 생합성과 기능적 역할을 탐구했습니다. 우리딘 디포스페이트(UDP)-갈락토피라노스 뮤타아제를 암호화하는 ugmA 유전자가 삭제되면 균사체의 신장이 크게 저하되어, 세포벽의 무결성을 유지하는 데 이러한 당류가 중요함을 강조했습니다. ΔugmA 돌연변이의 핵자기공명 분석은 Galf를 포함하는 당 사슬이 결여되었음에도 불구하고 핵심 만난 골격의 존재를 확인했습니다 (Kadooka et al., 2023).

GAG는 A. fumigatus 균사체의 세포벽 내외층 및 세포외 기질에 존재하는 복잡한 당 분자입니다 (Lee and Sheppard, 2016). 이 화합물은 갈락토스와 GalNAc가 α-1,4 결합으로 연결되어 있으며, 갈락토스와 GalNAc 단위의 비일관적인 배열로 인해 다양한 구조를 갖습니다(Gravelat et al., 2013; Fontaine et al., 2011). 이 이질성은 GAG에 독특한 특징으로, 대부분의 세포벽 다당류는 동형 중합체(키틴, 글루칸)입니다. Aspergillus 종에서 GAG의 구조적 다양성을 바탕으로 최근 연구는 A. oryzae에서 특히 균사체 집합을 매개하는 기능적 역할을 규명했습니다. 이는 산업 발효 과정에 큰 영향을 미칩니다. 연구 결과, GAG는 α-1,3-글루칸과 함께 균사체 덩어리 형성에 기여하는 것으로 확인되었습니다. 이는 α-1,3-글루칸 결핍 돌연변이체(AGΔ)에서 GAG 생합성을 방해함으로써 입증되었으며, AGΔ-GAGΔ 이중 돌연변이체는 액체 배양에서 완전히 분산된 균사체를 나타내어 GAG의 집합에 필수적인 역할을 확인했습니다(Miyazawa et al., 2019). 추가 실험에서 AGΔ-GAGΔ 배지에 부분 정제된 GAG 분획을 첨가하자 균사체 펠릿 형성이 유도되었으며, 이는 아세틸화 갈락토사민 매개 수소 결합을 통해 GAG의 집합 메커니즘을 강조했습니다. 이 특성은 균사체 구조에 영향을 미치는 것뿐 아니라 생물반응기 생산 효율을 향상시킵니다(Ichikawa et al., 2022). 또한, A. oryzae NCH-42는 글루코사민(GlcN)의 비동물성 원천으로 연구되었습니다. pH와 같은 환경 요인이 조사되었으며, 산성 조건(pH 2.5)이 GlcN 함량을 유의미하게 증가시켰습니다(Li J. S. et al., 2021).

스핑고리피드는 일반적으로 세포막과 관련이 있으며 세포벽의 구조적 골격과는 무관하지만, A. oryzae와의 관련성 때문에 이 맥락에서 포함되었습니다. 연구 결과, 글리코실세라마이드의 존재와 기능적 중요성이 밝혀지며, 이는 잠재적인 건강 증진 효과를 시사합니다. 예를 들어, Tani et al. (2014)은 A. oryzae에서 β-글루코실세라마이드와 β-갈락토실세라마이드를 식별했습니다. 마찬가지로, Miyagawa et al. (2019)은 A. oryzae를 포함한 다양한 출처에서 유래한 글리코실세라마이드가 인간 케라티노사이트의 유전자 발현에 미치는 화장품학적 영향을 탐구했습니다. 이러한 결과는 A. oryzae에 풍부한 글리코실세라마이드가 피부 내 세라마이드 생합성과 밀접한 연결을 형성하는 데 기여할 수 있음을 시사하며, 이는 코지의 화장품적 이점을 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한, Hamajima 등(2016)은 쥐 모델에서 코지 글리코실세라마이드의 프리바이오틱 효과를 조사하여 Blautia coccoides와 같은 유익한 장 미생물의 증식을 자극하는 능력을 밝혀냈습니다. 저자는 이러한 결과들이 일본 식습관, 장 미생물군 조절, 코지 유래 글리코실세라마이드 섭취를 통한 장수 사이의 가능한 연관성을 시사한다고 제안했습니다.

5.2 Extracellular polymeric substances

Filamentous hyphae of Aspergillus grow embedded within an extracellular polymeric substance (EPS). In 1999, EPS were defined as all polymers outside the cell wall, which are not directly anchored to the outer membrane or murein-protein layer (Nielsen and Jahn, 1999). This extracellular matrix mediated adherence to inorganic substances and host cells and enhanced resistance to host defense and antifungal agents. The matrix is composed of heterogeneous macromolecules of extracellular DNA, proteins, lipids, and polyols, and exopolysaccharides including α-glucans, GM, and GAG, being carbohydrates and proteins usually the major components of EPS (Sheng et al., 2010). In A. fumigatus, the exopolysaccharides GAG, GM, α- and β-glucans are found, whereby GAG plays a critical role in the maintenance of the extracellular matrix of A. fumigatus (Gravelat et al., 2013; Lee et al., 2015). The bioactive properties of exopolysaccharides are known to depend on many factors, such as the monosaccharide components, molecular mass, conformation, and linkage type (Zhou and Chen, 2011; Elsehemy et al., 2020; Xu et al., 2006). Research on A. oryzae has shown that its EPS play a crucial role in supporting microalgal-fungal co-cultivation systems, particularly in wastewater treatment applications. The EPS, consisting of high molecular weight substances including proteins, polysaccharides, and enzymes like amylase, protease, and lipase, contribute significantly to the structural integrity and functionality of these systems (Nie et al., 2022). EPS components facilitate the formation and stabilization of microalgal-fungal aggregates and enhance nutrient removal and biomass production (Wu et al., 2023).

5.2 세포외 고분자 물질

Aspergillus 속의 필라멘트형 균사는

세포외 고분자 물질(EPS) 내에 내포되어

성장합니다.

extracellular polymeric substance (EPS)

1999년 EPS는

세포벽 외부에 존재하며

외막이나 뮤린-단백질 층에 직접 고정되지 않은 모든 폴리머로 정의되었습니다(Nielsen and Jahn, 1999).

미생물 생물막은 다당류, 단백질, 세포외 DNA 및 지질로 구성된 자체 생성된 세포외 다당질 물질(EPS) 매트릭스를 나타냅니다. EPS는 생물막과 다른 세포 간의 상호작용을 촉진하고 유기물, 금속 및 화학 오염물질의 흡착을 돕습니다. 또한 인터페이스에서의 세포 부착을 용이하게 하며 매트릭스의 응집력을 유지합니다. EPS는 토양, 침전물, 해양 서식지 등 다양한 자연 환경에서 역할을 합니다. 또한 폐수 및 음용수 처리 시설, 수돗물 공급 시스템 등 기술 환경에서도 관련성이 있으며, 생물막 오염과 미생물 영향 부식(MIC)에 기여합니다. 의학 분야에서는 EPS가 생물막 내 병원체를 호스트 면역 체계와 항생제로부터 보호하며, 최근 연구 결과 EPS가 잠재적 독성 인자로 작용할 수 있다는 증거가 제시되고 있습니다. 반면, EPS는 자치 복원 콘크리트에서의 역할 등을 포함해 다양한 가치 있는 제품을 생산합니다. 이 리뷰에서는 환경, 기술, 의학 분야에서 생물막의 기능적 단위로서 EPS를 탐구하는 것을 목표로 합니다.

이 세포외 기질은

무기 물질 및 숙주 세포에 대한 접착을 매개하고

숙주 방어 및 항진균제에 대한 저항성을 강화합니다.

이 기질은

세포외 DNA, 단백질, 지질 및 폴리올과 같은

이종 고분자 물질과 α-글루칸, GM 및 GAG를 포함한 외부 다당류로 구성되어 있으며,

탄수화물과 단백질이 EPS의 주요 성분입니다 (Sheng et al., 2010).

A. fumigatus에서는 외부 다당류 GAG, GM, α- 및 β-글루칸이 발견되며, GAG는 A. fumigatus의 세포외 기질 유지에 중요한 역할을 합니다 (Gravelat et al., 2013; Lee et al., 2015). 외부 다당류의 생리 활성 특성은 단당류 성분, 분자량, 구조, 결합 유형 등 여러 요인에 의해 달라지는 것으로 알려져 있습니다 (Zhou and Chen, 2011; Elsehemy et al., 2020; Xu et al., 2006). A. oryzae에 대한 연구는 그 EPS가 미세조류-균류 공배양 시스템, 특히 폐수 처리 응용 분야에서 중요한 역할을 한다는 것을 보여주었습니다.

단백질, 다당류, 아밀라제, 프로테아제, 리파제와 같은 효소를 포함한

고분자량 물질로 구성된 EPS는

이러한 시스템의 구조적 안정성과 기능성에 크게 기여합니다 (Nie et al., 2022).

EPS 성분은

미세조류-곰팡이 집합체의 형성 및 안정화를 촉진하고

영양소 제거와 생물량 생산을 향상시킵니다 (Wu et al., 2023).

5.3 Enzyme production by Aspergillus oryzae fermentation

Enzymes are proteins produced by living organisms that serve as catalysts to facilitate specific biochemical reactions (Sundarram and Murthy, 2014; Gurung et al., 2013). Owing to their broad range of applications, the biotechnical production of enzymes through microbial fermentation is an important technology in diverse areas such as production of food, pharmaceuticals, and therapeutics (Cruz-Casas et al., 2021). Fungi are key sources of hydrolytic digestive enzymes, which also play a decisive role in fermentation processes. In the case of A. oryzae, several biocatalysts of potential commercial interest have been identified that can be produced via SSF and/or SmF (Table 1). These enzymes, their potential and, in some cases, their current applications are summarized in the following paragraphs.

5.3 Aspergillus oryzae 발효를 통한 효소 생산

효소는

특정 생화학적 반응을 촉매하는 역할을 하는

생물체에 의해 생성되는 단백질입니다(Sundarram and Murthy, 2014; Gurung et al., 2013).

광범위한 응용 분야로 인해 미생물 발효를 통한 효소의 생물공학적 생산은 식품, 제약, 치료제 생산 등 다양한 분야에서 중요한 기술입니다(Cruz-Casas et al., 2021). 균류는 가수분해 소화 효소의 주요 원천으로, 발효 과정에서도 결정적인 역할을 합니다. A. oryzae의 경우, SSF 및/또는 SmF를 통해 생산될 수 있는 상업적 잠재력을 가진 여러 생물학적 촉매제가 식별되었습니다(표 1). 이 효소들의 잠재적 특성 및 일부 경우 현재 적용 사례는 다음과 같은段落에서 요약됩니다.

Table 1

Table 1. Enzymes produced by Aspergillus oryzae by solid-state fermentation (SSF) or submerged-fermentation (SmF).

Proteases are enzymes that catalyze the hydrolysis of peptide bonds in proteins, resulting in the formation of smaller peptides or individual amino acids. Their significance in the food industry is multifaceted and has been extensively studied. According to Machida et al. (2005), A. oryzae has the largest expansion of hydrolytic genes with 135 proteinase genes including both endo- and exoproteases. Throughout the fermentation process, endoproteases primarily create numerous free termini, facilitating the action of exoproteases (Eugster et al., 2015). In broad bean paste fermentation, the use of a strain of A. oryzae with higher protease activity compared to commonly used strains significantly enhances flavor profiles by increasing umami amino acids and volatile flavors, thus improving the sensory characteristics of the final product (Niu et al., 2023). During A. oryzae mediated soy sauce fermentation, diverse enzymes are leveraged by the fungus to break down proteins and carbohydrates under high-salt conditions. Early-stage enzymes such as peptidases break down proteins into peptides, while later-stage enzymes like metallopeptidases and extracellular proteinases continue this proteolysis (Zhao et al., 2018). Specifically, leucine aminopeptidase II from A. oryzae plays a notable role, accounting for almost 80% of the glutamic acid release from soybean proteins, which essential for the umami flavor of soy sauce (Zhao et al., 2018).

프로테아제는

단백질 내 펩타이드 결합의 가수분해를 촉매하여

작은 펩타이드나 개별 아미노산으로 분해하는 효소입니다.

식품 산업에서의 중요성은

다각적이며 광범위하게 연구되어 왔습니다.

 Machida et al. (2005)에 따르면, 

A. oryzae는 엔도프로테아제와 엑소프로테아제를 포함해

135개의 프로테아제 유전자를 보유한

가장 넓은 가수분해 유전자 집합을 가지고 있습니다.

참고)

락토바실러스 애시도필러스(한약발효 종균)은

10개의 포로테아제 유전자를 가짐.

발효 과정 전반에 걸쳐 내단백질 분해효소는

주로 수많은 자유 단말기를 생성하여

외단백질 분해효소의 작용을 촉진합니다(Eugster et al., 2015).

넓은 콩 페이스트 발효에서 일반적으로 사용되는 균주보다 프로테아제 활성이 높은 A. oryzae 균주를 사용하면 우마미 아미노산과 휘발성 향미 성분을 증가시켜 최종 제품의 감각적 특성을 개선합니다(Niu et al., 2023). 

A. oryzae에 의한 간장 발효 과정에서 곰팡이는

고염 조건 하에서 단백질과 탄수화물을 분해하기 위해 다양한 효소를 활용합니다.

초기 단계 효소인 펩티다제는 단백질을 펩타이드로 분해하며,

후기 단계 효소인 금속펩티다제와 세포외 단백질 분해 효소는

이 단백질 분해 과정을 계속합니다(Zhao et al., 2018).

특히 

A. oryzae에서 유래한

류신 아미노펩티다제 II는

대두 단백질로부터 글루탐산 방출의 약 80%를 차지하며,

이는 간장의 감칠맛에 필수적입니다(Zhao et al., 2018).

--> 펩타이드의 쓴맛을 제거함.. 

Lipases function as versatile biocatalysts, facilitating a range of reactions such as esterification, hydrolysis, alcoholysis, transesterification, aminolysis, and acidolysis (Zhang et al., 2020). These enzymes have found extensive applications in sectors like the chemical, food, pharmaceutical, and detergent industries (Verma et al., 2012). During the miso fermentation process, lipase from A. oryzae facilitates the hydrolysis of glycerides in soybeans. This not only results in the development of distinct flavors and aromas but also leads to notable changes in lipid composition, contributing to the formation of characteristic taste profiles (Ohnishi, 1982).

리파아제는

에스테르화, 가수분해, 알코올분해, 트랜스에스테르화, 아미노분해, 산분해 등

다양한 반응을 촉진하는 다기능 생물학적 촉매로 기능합니다(Zhang et al., 2020).

30여개의 리파아제 유전자를 가짐.

리파아제는 지방 분해 효소로 잘 알려져 있지만, 

에스터 결합을 가진 다양한 화합물에 작용.

에스터화, 가수분해, 알코올 분해, 에스터 교환 반응, 아미노 분해 등

다양한 반응을 촉매하며,

지방산, 글리세롤, 알코올, 아민 등 다양한 화합물을 생성하는 데 사용

Lipases function as versatile biocatalysts, facilitating a range of reactions such as esterification, hydrolysis, alcoholysis, transesterification, aminolysis, and acidolysis

이러한 효소는

화학, 식품, 제약, 세제 산업 등 다양한 분야에서 광범위하게 적용되고 있습니다(Verma et al., 2012).

미소 발효 과정에서 A. oryzae에서 유래한 리파아제는

대두의 글리세리드를 가수분해합니다.

이는 독특한 맛과 향의 발달뿐만 아니라

지질 구성의 눈에 띄는 변화를 초래하여

특유의 맛 프로파일 형성에 기여합니다(Ohnishi, 1982).

Esterases are enzymes that break down esters into alcohols and acids. While they share similarities with lipases in breaking down glycerides, esterases specifically target short-chain glycerides (Okpara, 2022). In the beverage industry, feruloyl esterase plays a role in producing ferulic acid. This acid then serves as a starting material for creating the aromatic compound, vanillin, a primary component of vanilla that enhances beverage flavors (Gallage et al., 2014). In brewing sake, A. oryzae produces feruloyl esterase, which facilitates the release of ferulic acid from the rice endosperm cell walls. A study examining the effects of this enzyme, specifically the FaeA variant produced by A. oryzae, highlighted its significant role in flavor formation (Todokoro et al., 2022).

에스테라아제는

에스터를 알코올과 산으로 분해하는 효소입니다.

리파아제와 마찬가지로 글리세리드를 분해하지만,

에스테라제는 특히 단쇄 글리세리드를 표적으로 삼습니다(Okpara, 2022).

음료 산업에서 페룰로일 에스테라제는

페룰산 생성에 관여합니다.

이 산은 바닐라의 주요 성분으로

음료의 향미를 향상시키는 향료 화합물인 바닐린의 원료로 사용됩니다(Gallage et al., 2014).

사케 제조 과정에서 

A. oryzae는 쌀 내피 세포벽에서 페룰산산을 방출하는 데 기여하는

페룰로일 에스테라아제를 생산합니다.

이 효소의 변이체인 A. oryzae에서 생성된 FaeA 변이체의 영향을 조사한 연구는 이 효소가 향미 형성에 중요한 역할을 한다는 점을 강조했습니다(Todokoro et al., 2022).

The enzyme group of amylases, responsible for breaking down starches, consists of two primary categories: amylases and glucoamylase (Lakshmi and Jyothi, 2014). α-amylase acts on starch, converting it into maltose, glucose, and maltotriose by targeting the α-1,4-D-glucosidic bonds between glucose molecules in the straight amylase chain. On the other hand, glucoamylase releases individual glucose molecules from the non-reducing ends of both amylose and amylopectin, resulting in the exclusive production of glucose from starches and related compounds (Zong et al., 2022). In a recent study, twenty-five filamentous fungal isolates were tested as potential α-amylase sources under SSF conditions using wheat bran as substrate. Among those, an A. oryzae isolate (F-923) was the most promising candidate for the production of the target enzyme. Ammonium sulfate supplementation and the addition of soluble starch were found to enhance the α-amylase yield (Fadel et al., 2020).

전분을 분해하는 아밀라아제 효소 그룹은

두 가지 주요 범주로 나뉩니다:

아밀라아제와 글루코아밀라아제(Lakshmi and Jyothi, 2014). 

α-아밀라아제는

전분을 분해하여 글루코스 분자 간의 α-1,4-D-글루코시드 결합을 표적으로 삼아

말토스, 글루코스, 말토트리오스로 전환합니다.

반면

글루코아밀라제는

아밀로스와 아밀로펙틴의 비환원 말단에서 개별 글루코스 분자를 분리시켜

전분 및 관련 화합물로부터 글루코스만을 생성합니다 (Zong et al., 2022).

참고)

아밀라아제에는 크게 알파아밀레이즈, 베타아밀레이즈, 그리고 글루코아밀라아제 같은 종류가 있어. 

알파아밀레이즈는 전분 사슬을 무작위로 절단해서 덱스트린, 말토트라이오스, 말토스 등을 만들어내고, 

베타아밀레이즈는 전분을 말토스로 순차적으로 분해해. 

글루코아밀라아제는 최종적으로 포도당까지 분해할 수 있어서 포도당 시럽 생산 등에 많이 활용돼

아밀라아제는 전분을 분해하는 여러 효소들의 총칭이고, 그중에서 글루코아밀라아제는 아밀라아제의 한 종류야. 아밀라아제는 일반적으로 알파아밀레이즈와 베타아밀레이즈로 나뉘고, 각각 전분을 분해하는 방식과 생성되는 최종 산물이 달라. 글루코아밀라아제는 알파아밀레이즈나 베타아밀레이즈와는 별도로, 전분을 포도당으로 최종 분해하는 특수한 역할을 하는 효소

최근 연구에서 밀겨를 기질로 사용한 SSF 조건 하에서

25개의 필라멘트성 곰팡이 분리주를

잠재적 α-아밀라제 원천으로 테스트했습니다.

이 중 A. oryzae 분리주(F-923)가

목표 효소 생산에 가장 유망한 후보로 선정되었습니다.

암모늄 황산염 보충과 용해성 전분 추가가

α-아밀라아제 수율을 향상시키는 것으로 확인되었습니다(Fadel et al., 2020).

Galactosidases are a group of enzymes that catalyze the hydrolysis of α- and β-galactosidic bonds in certain carbohydrates or glycosides, respectively. These enzymes play a pivotal role in the digestion and assimilation of carbohydrates in various organisms. Among the microorganisms known to produce these enzymes, A. oryzae stands out due to its widespread use in industrial applications (Nath et al., 2014). α-galactosidases are specialized in cleaving α-galactosidic bonds, particularly those found in oligosaccharides like raffinose, stachyose, and verbascose. These sugars are commonly found in legumes and certain vegetables and are not digestible by human, which can cause digestive discomfort in some people (Ibrahim et al., 2010). Accordingly, fungal α-galactosidases have the capacity to remove the flatulence-inducing sugars of soymilk and soybean. The results are interesting for their potential use in the food industry (Patil and Mulimani, 2008; Guo YuHan et al., 2018). β-galactosidases target the β-galactosidic bonds, which are present in certain disaccharides like lactose (Saqib et al., 2017). This enzyme is therefore crucial for the digestion of lactose by converting it into glucose and galactose (Swallow, 2003). Lactose intolerance in humans arises from a deficiency of this enzyme. β-galactosidases are frequently used in the dairy industry, especially in the manufacture of lactose-free products (Saqib et al., 2017). The A. oryzae β-galactosidase is employed in particular for the production of lactose-free and no-sugar-added yoghurt (Miao et al., 2024). In soy sauce fermentation, β-glucosidase and β-xylanase (see below) are essential for glucose metabolism throughout fermentation, contributing to the development of flavors like alcohols, acids, and esters (Nakadai et al., 1972).

갈락토시다아제는

특정 탄수화물이나 글리코시드에서

α- 및 β-갈락토시드 결합을 가수분해하는 효소 그룹입니다.

이 효소들은 다양한 생물체에서

탄수화물의 소화 및 흡수 과정에서 핵심적인 역할을 합니다.

이 효소를 생산하는 미생물 중 

A. oryzae는 산업적 응용 분야에서 널리 사용되어 주목받고 있습니다 (Nath et al., 2014).

α-갈락토시다아제는

특히 라피노스, 스타키오스, 베르바스코스 같은 올리고사카라이드에 존재하는

α-갈락토시드 결합을 분해하는 데 특화되어 있습니다.

이러한 당류는 '

콩류와 특정 채소에 널리 분포하며 인간이 소화하지 못해

일부 사람들에게 소화 불량을 유발할 수 있습니다(Ibrahim et al., 2010).

따라서

곰팡이 α-갈락토시다아제는

두유와 대두에 함유된 가스 유발 당분을 제거할 수 있습니다.

이 결과는

식품 산업에서의 잠재적 활용 가능성 측면에서

흥미로운 의미를 갖습니다(Patil and Mulimani, 2008; Guo YuHan et al., 2018).

β-갈락토시다아제는

특정 이당류인 락토스 등에 존재하는 β-갈락토시드 결합을 표적으로 합니다(Saqib et al., 2017).

이 효소는

락토스를

글루코스 및 갈락토스로 전환함으로써

락토스 소화 과정에서 필수적입니다(Swallow, 2003).

인간에서의 락토스 불내성은

이 효소의 결핍에서 기인합니다.

β-갈락토시다아제는

유제품 산업에서 널리 사용되며,

특히 락토스 무첨가 제품 제조에 자주 활용됩니다 (Saqib et al., 2017). 

A. oryzae의 β-갈락토시다아제는

특히 락토스 무첨가 및 무설탕 요거트 생산에 사용됩니다 (Miao et al., 2024).

간장 발효 과정에서 β-글루코시다제와 β-자일라나제(아래 참조)는

발효 전반에 걸쳐 포도당 대사 과정에 필수적이며,

알코올, 산, 에스터와 같은 향미 성분의 형성에 기여합니다(Nakadai et al., 1972).

Xylanases are a class of enzymes that degrade the β-1,4-glycosidic linkage between xylose residues of linear polysaccharides (Pirota et al., 2013). As such, they play a crucial role in the decomposition of hemicellulose, one of the major components of plant cell walls (Dodd and Cann, 2009). Given their ability to break down complex carbohydrates, xylanases have garnered significant attention in various industries, particularly in the paper and pulp industry for bleaching paper (Walia et al., 2017) and in the feed industry to improve the digestibility of animal feeds (Ho, 2017; Ojha et al., 2019). Given these applications, A. oryzae is used for the production of xylanases due to its efficiency in enzyme synthesis (Pirota et al., 2013; Kimura et al., 2000; Chipeta et al., 2008). Within A. oryzae, several specialized xylanases have been identified, including ethanol-tolerant xylanase (Sato et al., 2010), thermo-acid/alkali stable xylanase (Bhardwaj et al., 2019), thermo-alkali-stable xylanase (Bhardwaj et al., 2020), thermostable xylanase (He et al., 2015), and low-molecular-weight xylanase (Duarte et al., 2012). These specialized enzymes highlight the versatility and adaptability of A. oryzae in producing xylanases that meet specific industrial needs.

Xylanase는

선형 다당류의 xylose 잔기 사이의 β-1,4-글리코시드 결합을

분해하는 효소류입니다(Pirota et al., 2013).

따라서

식물 세포벽의 주요 구성 성분인 헤미셀룰로스의 분해에

중요한 역할을 합니다(Dodd and Cann, 2009).

복잡한 탄수화물을 분해하는 능력으로 인해 엑스라나제는

다양한 산업 분야에서 주목받고 있으며,

특히 종이 및 펄프 산업에서 종이 표백(Walia et al., 2017)에 사용되며,

사료 산업에서는 동물 사료의 소화율을 향상시키는 데 활용됩니다(Ho, 2017; Ojha et al., 2019).

이러한 응용 분야를 고려할 때, A. oryzae는 효소 합성 효율성(Pirota et al., 2013; Kimura et al., 2000; Chipeta et al., 2008)으로 인해 엑스라나제 생산에 널리 사용됩니다.

 A. oryzae 내에서 여러 특수 자일라나제가 식별되었으며, 이 중에는 에탄올 내성 자일라나제(Sato et al., 2010), 열-산/알칼리 안정성 자일라나제(Bhardwaj et al., 2019), 열-알칼리 안정성 자일라나제(Bhardwaj et al., 2020), 열안정성 엑스라나제 (He et al., 2015), 및 저분자량 엑스라나제 (Duarte et al., 2012)가 있습니다. 이러한 특수 효소는 A. oryzae가 특정 산업 요구사항을 충족하는 엑스라나제를 생산하는 데 있어 다기능성과 적응성을 강조합니다.

Cellulases are complex enzyme systems responsible for the breakdown of cellulose, the primary structural component of plant cell walls. Cellulose is made up of glucose molecules linked together by β-1,4-glycosidic bonds (Sher et al., 2017). Comprising multiple enzymes, cellulases catalyze the hydrolysis of cellulose into glucose, which can then be utilized by microorganisms or converted into other valuable products. The industrial relevance of cellulases is vast. It plays a pivotal role in several sectors, including the biofuel industry, textile industry, paper and pulp industry, and food industry (Ejaz et al., 2021; Saranraj et al., 2012). In a SSF with A. oryzae, four cellulose-degrading enzymes were identified. Notably, one of these identified cellulases significantly enhanced material utilization and alcohol yield during sake mash fermentation (Yamane et al., 2002b).

Pectinases are enzymes that break down pectin and they are categorized based on their action mechanism as polygalacturonases, lyases, and pectin methylesterases (Sudeep et al., 2020). Pectin, a key component in the cell walls of higher plants, consists of high molecular weight acidic heteropolysaccharides primarily made of α-1,4-linked D-galacturonic acid residues (Kavuthodi and Sebastian, 2018). Pectinases, primarily produced through microbes, play a pivotal role in the food and beverage industry, enhancing juice extraction, improving coffee, cocoa, and tea quality, and increasing oil yield in refineries (Sudeep et al., 2020; Tapre and Jain, 2014; Anand et al., 2017). Additionally, they enhance the digestibility of pectin-rich animal feeds (Azzaz et al., 2021; Tahir et al., 2006). A. oryzae is often used as the chosen microorganism for pectinase production (Ketipally and Ram, 2018; Meneghel et al., 2014; Chen et al., 2014; Hoa and Hung, 2013; Jaramillo et al., 2015; Hoa and Hung, 2013).

셀룰라제는

식물 세포벽의 주요 구조 성분인 셀룰로스를 분해하는 복잡한 효소 시스템입니다.

셀룰로스는

β-1,4-글리코시드 결합으로 연결된

글루코스 분자로 구성되어 있습니다 (Sher et al., 2017).

다중 효소로 구성된 셀룰라제는

셀룰로스를 글루코스로 가수분해하는 반응을 촉매하며,

이는 미생물에 의해 이용되거나 다른 유용한 제품으로 전환될 수 있습니다.

셀룰라제의 산업적 중요성은 매우 큽니다.

바이오연료 산업, 섬유 산업, 종이 및 펄프 산업, 식품 산업 등

다양한 분야에서 핵심적인 역할을 합니다(Ejaz et al., 2021; Saranraj et al., 2012).

A. oryzae를 이용한 SSF에서

셀룰로오스 분해 효소 4종이 식별되었습니다.

특히, 이 중 하나는 사케 발효 과정에서 재료 이용률과 알코올 수율을 크게 향상시켰습니다(Yamane et al., 2002b).

펙틴아제(Pectinase)는

펙틴을 분해하는 효소로,

작용 메커니즘에 따라 폴리갈락투로나제(Polygalacturonase),

리아제(Lyase),

펙틴 메틸에스테라제(Pectin Methylesterase)로 분류됩니다(Sudeep et al., 2020).

펙틴은 고등 식물의 세포벽에 주요 구성 성분으로, 주로 α-1,4-결합된 D-갈락투론산 잔기로 구성된 고분자량 산성 이종다당류입니다(Kavuthodi and Sebastian, 2018).

펙틴아제는 주로 미생물을 통해 생산되며,

식품 및 음료 산업에서 주스 추출을 향상시키고

커피, 코코아, 차의 품질을 개선하며

정제소에서 기름 수율을 증가시키는 데 중요한 역할을 합니다(Sudeep et al., 2020; Tapre and Jain, 2014; Anand et al., 2017).

또한, 펙틴이

풍부한 동물 사료의 소화율을 향상시킵니다(Azzaz et al., 2021; Tahir et al., 2006).

A. oryzae는 펙틴아제 생산을 위한

주요 미생물로 자주 사용됩니다

(Ketipally and Ram, 2018; Meneghel et al., 2014; Chen et al., 2014; Hoa and Hung, 2013; Jaramillo et al., 2015; Hoa and Hung, 201

5.4 Primary and secondary metabolites produced by Aspergillus oryzae fermentation

Numerous analytical studies including targeted and untargeted approaches revealed that A. oryzae generate a wide variety of primary and secondary metabolites (Table 2). Typically, primary metabolites are directly associated with an organism’s growth and development and are crucial for its regular physiological activities. Secondary metabolites are not directly linked to normal growth and development, but rather play important roles in virulence, host defense, and environmental survival (Vining, 1990; Pagare et al., 2015; Bennett and Wallsgrove, 1994).

5.4 Aspergillus oryzae 발효에 의해 생성되는 주요 및 부차적 대사산물

표적 및 비표적 접근법을 포함한 다양한 분석 연구 결과, A. oryzae는 다양한 주요 및 부차적 대사물질을 생성하는 것으로 밝혀졌습니다(표 2).

일반적으로 주요 대사물질은

유기체의 성장과 발달에 직접적으로 연관되어 있으며,

정상적인 생리 활동에 필수적입니다.

2차 대사산물은

정상적인 성장과 발달과 직접적으로 연관되지 않지만,

병원성, 숙주 방어, 환경 적응 등에 중요한 역할을 합니다(Vining, 1990; Pagare et al., 2015; Bennett and Wallsgrove, 1994).

Table 2

Table 2. Metabolites found in Aspergillus oryzae fermentation products and their described bioactivity.

A. oryzae has a long history in fermentative metabolite production. A standout feature of A. oryzae is the production of kojic acid, a versatile secondary metabolite (Rosfarizan et al., 2010; Yabuta, 1924; Yan et al., 2014) first isolated in 1907 from koji-culture (Bentley, 2006). Kojic acid finds applications as antibiotic (Morton et al., 1945; Rodrigues et al., 2022), food preservative (Wang et al., 2021), and antioxidant (Ermis et al., 2023; Yi and Kim, 1982). Its role as a tyrosinase inhibitor (Saruno et al., 1979) has also propelled its use in cosmetics for skin-lightening (Phasha et al., 2022) and in medicine for chloasma treatments (Monteiro et al., 2013). The biosynthesis pathway of kojic acid in A. oryzae is well known (Marui et al., 2011; Terabayashi et al., 2010; Chib et al., 2023).

A. oryzae는 발효 대사산물 생산 분야에서 오랜 역사를 가지고 있습니다. A. oryzae의 특징 중 하나는 다양한 용도로 사용되는 2차 대사산물인 코지산(kojic acid)의 생산입니다(Rosfarizan et al., 2010; Yabuta, 1924; Yan et al., 2014). 코지산은 1907년 코지 배양액에서 처음 분리되었습니다(Bentley, 2006). 코지산은 항생제(Morton et al., 1945; Rodrigues et al., 2022), 식품 보존제(Wang et al., 2021), 항산화제(Ermis et al., 2023; Yi and Kim, 1982) 등으로 활용됩니다. 티로시나아제 억제제(Saruno et al., 1979)로서의 역할은 화장품의 피부 미백(Phasha et al., 2022) 및 의학에서의 클로아즈마 치료(Monteiro et al., 2013)에 활용되는 데 기여했습니다. A. oryzae에서의 코지산 생합성 경로는 잘 알려져 있습니다(Marui et al., 2011; Terabayashi et al., 2010; Chib et al., 2023).

Aspergilli are very suitable for the industrial production of organic acids. Notably, they play a role in the synthesis of the 1,4-dicarboxylic acids like succinic, malic, and fumaric acids. These acids, integral to the tricarboxylic acid (TCA) cycle in all living organisms, have been highlighted by the U.S. Department of Energy as some of the top high-value chemicals derived from biomass (Werpy and Petersen, 2004). While Aspergillus species are adept at producing fumaric and malic acids, especially under stress (Shigeo et al., 1962), there are variances in organic acid production capabilities across different strains (Goldberg et al., 2006; Yang et al., 2016). A. oryzae is rarely used for the production of succinic acid and fumaric acids, but it has a remarkable potential to produce significant quantities of the former under specific fermentation conditions (Brown et al., 2013; Geyer et al., 2018; Knuf et al., 2013; Knuf et al., 2014; Kövilein et al., 2021; Shigeo et al., 1962). The primary application of malic acid is in the food and beverage sector, where it enhances flavor in products like candies and soft drinks (Kövilein et al., 2020). Its unique taste profile also aids in masking the aftertaste of artificial sweeteners (Aldrich et al., 1979). Beyond this, it finds use in cleaning products (Zhang et al., 2016) and animal feed additive (Stallcup, 1979).

Secondary metabolite production by Aspergillus species varies based on fermentation type and conditions (Son et al., 2018). A. oryzae produces various secondary metabolites, including terpenoids, coumarins, and oxylipins (summarized in Table 2).

Aspergilli는

유기산 산업 생산에 매우 적합합니다.

특히,

이들은 succinic, malic, fumaric과 같은

1,4-dicarboxylic 산의 합성에 역할을 합니다.

이러한 산들은

모든 생물체의 tricarboxylic acid (TCA) 순환에 필수적이며,

미국 에너지부(Department of Energy)에서 생물질에서 유래한

고부가가치 화학물질 중 상위권에 속하는 것으로 강조되었습니다(Werpy and Petersen, 2004). 

Aspergillus 종은

특히 스트레스 조건 하에서 푸마르산과 말산 생산에 능숙하지만(Shigeo et al., 1962),

다양한 균주 간 유기산 생산 능력에는 차이가 있습니다(Goldberg et al., 2006; Yang et al., 2016). 

A. oryzae는

수산산과 푸마르산 생산에 거의 사용되지 않지만,

특정 발효 조건 하에서 전자의 상당량을 생산할 수 있는 뛰어난 잠재력을 가지고 있습니다

(Brown et al., 2013; Geyer et al., 2018; Knuf et al., 2013; Knuf et al., 2014; Kövilein et al., 2021; Shigeo et al., 1962).

말산(malic acid)의 주요 용도는

식품 및 음료 산업으로,

사탕과 탄산음료 등 제품의 맛을 향상시키는 데 사용됩니다(Kövilein et al., 2020).

독특한 맛 프로파일은

인공 감미료의 뒷맛을 가리는 데도 도움이 됩니다(Aldrich et al., 1979).

이 외에도

세제(Zhang et al., 2016)와 동물 사료 첨가제(Stallcup, 1979)에 사용됩니다.

Aspergillus 종의 2차 대사산물 생산은

발효 유형과 조건에 따라 달라집니다(Son et al., 2018). 

A. oryzae는

테르펜류, 쿠마린, 옥실리핀 등 다양한 2차 대사산물을 생산합니다(표 2에 요약됨).

5.5 Aspergillus oryzae derived postbiotics

In the previous sections we have described various compounds derived from the fermentation with A. oryzae, the bioactivity of which will next be discussed against the context of their potential use as postbiotics (Figure 4) to confer health benefits on humans or animals. Additionally, it is important to note that the composition and the existing molecules in a potential A. oryzae postbiotic are influenced by the inactivation process. Different drying methods can alter the composition of primary and secondary metabolite profile (Managa et al., 2020; Lu et al., 2024; Zagórska et al., 2022), enzymatic activity (Valadez-Carmona et al., 2017; Wang et al., 2018), and the morphology, conformation, and molecular weight of polysaccharides (Kong et al., 2015; Li W. et al., 2021).

5.5 Aspergillus oryzae 유래 포스트바이오틱스

이전 섹션에서 A. oryzae 발효로부터 유래된 다양한 화합물을 설명했으며, 다음으로 이러한 화합물의 생물학적 활성을 포스트바이오틱스로서의 잠재적 활용 맥락에서 논의할 것입니다(그림 4). 인간이나 동물에게 건강 혜택을 부여하기 위해. 또한, 잠재적 A. oryzae 포스트바이오틱스의 구성과 존재하는 분자는 불활성화 과정에 의해 영향을 받는다는 점을 중요하게 언급해야 합니다. 다양한 건조 방법은 일차 및 이차 대사체 프로파일(Managa et al., 2020; Lu et al., 2024; Zagórska et al., 2022), 효소 활성(Valadez-Carmona et al., 2017; Wang et al., 2018), 및 다당류의 형태, 구조, 및 분자량에 영향을 미칠 수 있습니다(Kong et al., 2015; Li W. et al., 2021).

Figure 4

Figure 4. The potential composition of a postbiotic product derived from Aspergillus oryzae. Postbiotics produced via fermentation with A. oryzae may display a diverse molecular composition. Bioactive compounds in this inanimated fermentation preparations can be organized in four categories: “Non-viable cells or cell-fragments,” “enzymes,” “extracellular polymeric substances,” and “other metabolites”. The latter category is reserved for primary and secondary metabolites not fitting the prior classifications. This categorization provides a structured insight into potential ingredients present in postbiotics derived from A. oryzae. Created in BioRender. Seidler, Y. (2024) BioRender.com/f31t998

그림 4. Aspergillus oryzae에서 유래한 포스트바이오틱 제품의 잠재적 구성. 

A. oryzae를 이용한 발효를 통해 생산된 포스트바이오틱은 다양한 분자 구성을 나타낼 수 있습니다. 이 무생물 발효 준비물 내의 생물활성 화합물은 네 가지 범주로 분류될 수 있습니다: “비생존 세포 또는 세포 조각”, ‘효소’, “세포외 다당류 물질”, 및 “기타 대사산물”. 마지막 범주는 이전 분류에 해당하지 않는 1차 및 2차 대사 산물을 포함합니다. 이 분류는 A. oryzae에서 유래한 포스트바이오틱스에 존재할 수 있는 잠재적 성분에 대한 구조화된 통찰을 제공합니다. BioRender에서 생성됨. Seidler, Y. (2024) BioRender.com/f31t998

6 Case studies with Aspergillus oryzae postbiotics

The exploration of A. oryzae for its health-promoting potential has predominantly been centered around its probiotic (Konishi et al., 2021; Dawood et al., 2020a; Lee et al., 2006; Iwashita et al., 2015) or prebiotic capabilities (Hamajima et al., 2016; Kim et al., 2014; Podversich et al., 2023), which are well-documented in the scientific literature. However, the concept of utilizing A. oryzae as a progenitor microorganism for the production of a postbiotic product (or preparation) is a relatively new area of research, as evidenced by the paucity of literature on the postbiotic potential of A. oryzae. Certainly, only three published studies have been found (Kaufman et al., 2021; Ríus et al., 2022), which represent pioneering efforts to characterize and harness the postbiotic properties of A. oryzae. By employing the fruit fly model Drosophila melanogaster, Kaufman et al. (2021) showed that the supplementation of fly diet with an A. oryzae postbiotic improved heat stress tolerance. Remarkably, the same A. oryzae postbiotic increased milk production and reduced inflammatory markers when fed to dairy cows that were exposed to elevated ambient temperatures. In a follow-up study, Ríus et al. (2022) found that the feeding of A. oryzae postbiotic to dairy calves not only mitigated heat-induced reductions in the efficiency of energy use for growth but also improved intestinal roles like barrier function and water absorption, although it did not significantly decrease markers of systemic inflammation. More recently, Junior et al., 2024 examined the effects of A. oryzae postbiotics during gestation and lactation in sows, showing a reduction in body weight loss among sows but no significant effect on litter or nursery performance. These findings suggest A. oryzae postbiotics could be a valuable tool in improving heat tolerance, physiological functions in various animal species, and potentially reducing weight loss in sows during critical periods.

The term “postbiotic” itself is relatively new to the scientific community, which partly explains the scarcity of studies explicitly addressing A. oryzae in this context. Nevertheless, by expanding the search terms to include “inanimate,” “heat killed,” “non-viable,” “inactivated,” “killed,” and “dried,” three additional papers were uncovered (Hymes-Fecht and Casper, 2021; Gomez-Alarcon et al., 1990; Nomura et al., 2022). Although these studies do not label A. oryzae explicitly as a postbiotic, they provide valuable insights into its application and potential health benefits in a state that aligns with the broader definition of postbiotics. Investigating the impact on livestock digestive efficiency, Hymes-Fecht and Casper (2021) found that a dried A. oryzae fermentation product enhanced the degradation of neutral detergent fiber in selected forages. This led to improvements in nutrient absorption and feed efficiency, suggesting beneficial applications in ruminant diets. In a related study, the effectiveness of dried A. oryzae cultures on nutrient utilization was assessed in mature Holstein cows. Their trials showed that dried A. oryzae cultures increase the rumen and total tract digestibility of fiber fractions, facilitating better energy extraction from feed and contributing to enhance animal health and productivity (Gomez-Alarcon et al., 1990). Further emphasizing A. oryzae’s gastrointestinal benefits, Nomura et al. (2022) demonstrated that heat-killed A. oryzae spores significantly increase the population of Bifidobacterium pseudolongum in mice. This beneficial anti-inflammatory gut microbe and the alleviation of colitis symptoms underscore A. oryzae’s potential to enhance gut health and mitigate inflammatory responses. Overall, these studies (Table 3) can be seen as proof of principle that A. oryzae fermentation products can act as postbiotics and help, for instance, to promote digestive health, improve nutrient utilization and increase resistance to inflammation in animals.

6 Aspergillus oryzae 포스트바이오틱스의 사례 연구

A. oryzae의 건강 증진 잠재력 탐구는 주로 프로바이오틱스 (Konishi et al., 2021; Dawood et al., 2020a; Lee et al., 2006; Iwashita et al., 2015) 또는 프리바이오틱스 기능(Hamajima et al., 2016; Kim et al., 2014; Podversich et al., 2023)에 집중되어 왔으며, 이는 과학 문헌에서 잘 기록되어 있습니다. 그러나 A. oryzae를 포스트바이오틱 제품(또는 제제) 생산을 위한 전구체 미생물로 활용하는 개념은 상대적으로 새로운 연구 분야입니다. 이는 A. oryzae의 포스트바이오틱 잠재성에 대한 문헌이 부족하다는 점에서 명확히 드러납니다. 실제로, 이 분야에 대한 발표된 연구는 단 세 건만 발견되었습니다(Kaufman et al., 2021; Ríus et al., 2022), 이는 A. oryzae의 포스트바이오틱 특성을 특성화하고 활용하기 위한 선구적인 노력입니다. 과일 파리 모델 Drosophila melanogaster를 사용한 Kaufman et al. (2021) 연구는 파리 사료에 A. oryzae 포스트바이오틱을 보충했을 때 열 스트레스 내성이 개선되었음을 보여주었습니다. 주목할 점은 동일한 A. oryzae 포스트바이오틱이 고온 환경에 노출된 유우우에게 급여되었을 때 우유 생산량이 증가하고 염증 표지자가 감소했다는 점입니다. 후속 연구에서 Ríus 등(2022)은 A. oryzae 포스트바이오틱스를 유우 송아지에게 급여했을 때 열로 인한 성장 에너지 이용 효율 감소가 완화되었을 뿐만 아니라 장 기능(장벽 기능 및 수분 흡수)이 개선되었지만, 전신 염증 지표는 유의미하게 감소하지 않았다고 보고했습니다. 최근 Junior 등, 2024는 모돈의 임신 및 수유 기간 동안 A. oryzae 포스트바이오틱스의 효과를 조사했으며, 모돈의 체중 감소가 감소했지만 새끼나 사육 성능에는 유의미한 영향을 미치지 않았습니다. 이 결과는 A. oryzae 포스트바이오틱스가 다양한 동물 종의 열 내성 및 생리적 기능 개선에 유용한 도구로 활용될 수 있으며, 특히 모돈의 중요한 기간 동안 체중 감소를 줄이는 데 잠재적 가치를 가질 수 있음을 시사합니다.

“포스트바이오틱스”라는 용어 자체는 과학계에서 상대적으로 새로운 개념이기 때문에, 이 맥락에서 A. oryzae를 명시적으로 다루는 연구가 부족한 이유 중 하나입니다. 그러나 검색어를 “무생물”, “열처리된”, “비활성”, “비활성화된”, ‘사멸된’, “건조된”으로 확장하여 추가로 3편의 논문이 발견되었습니다 (Hymes-Fecht and Casper, 2021; Gomez-Alarcon et al., 1990; Nomura et al., 2022). 이 연구들은 A. oryzae를 명시적으로 포스트바이오틱스로 분류하지는 않지만, 포스트바이오틱스의 광범위한 정의와 일치하는 상태에서의 적용 및 잠재적 건강 혜택에 대한 귀중한 통찰을 제공합니다. 가축의 소화 효율성에 미치는 영향을 조사한 Hymes-Fecht and Casper (2021)는 건조된 A. oryzae 발효 제품이 선택된 사료의 중성 세제 섬유 분해를 향상시켰다고 보고했습니다. 이는 영양소 흡수 및 사료 효율성 개선으로 이어져 반추동물 사료에 유익한 적용 가능성을 시사했습니다. 관련 연구에서 건조된 A. oryzae 배양액의 영양소 이용 효율성에 대한 효과는 성체 홀스타인 젖소에서 평가되었습니다. 그들의 실험 결과, 건조된 A. oryzae 배양체는 반추위 및 전체 소화관에서의 섬유 분획 소화율을 증가시켜 사료로부터 에너지 추출을 개선하고 동물 건강 및 생산성을 향상시키는 데 기여했습니다 (Gomez-Alarcon et al., 1990). A. oryzae의 위장관 이점을 더욱 강조하기 위해, Nomura et al. (2022)은 열처리된 A. oryzae 포자가 쥐의 Bifidobacterium pseudolongum 인구량을 유의미하게 증가시킨다는 것을 입증했습니다. 이 유익한 항염증성 장 미생물과 대장염 증상 완화는 A. oryzae의 장 건강 개선 및 염증 반응 완화 잠재력을 강조합니다. 전체적으로, 이 연구들(표 3)은 A. oryzae 발효 제품이 포스트바이오틱스로 작용하여 예를 들어 소화 건강을 촉진하고 영양소 이용을 개선하며 동물에서 염증에 대한 저항성을 증가시키는 데 도움을 줄 수 있음을 보여주는 원칙적 증거로 볼 수 있습니다.

Table 3

Table 3. Summary of studies investigating the health and performance benefits of Aspergillus oryzae products.

7 Potential mode of action of Aspergillus oryzae postbiotics

The following sections delve into the five key mechanistic components proposed by Salminen et al. (2021) to underpin the beneficial effects of postbiotics. These include modulation of the resident gut microbiota, enhancement of the epithelial barrier function, modulation of local and systemic immune responses, modulation of systemic metabolic responses, and systemic signaling via the nervous system (Salminen et al., 2021). Each mechanism is introduced and explained using examples from organisms other than A. oryzae. Subsequently, we proposed associations between these general mechanisms and the specific constituents or molecules found in A. oryzae. It is important to note that while we attempted to delineate specific and independent effects, there are considerable overlaps between some mechanistic components that are not easily separable. For example, an influence on the gut microbiota composition can alter the endogenous production of downstream effectors like secondary bile acids (Ridlon et al., 2014) and SCFAs (Silva et al., 2020).

7 Aspergillus oryzae 포스트바이오틱스의 잠재적 작용 메커니즘

다음 섹션에서는 Salminen et al. (2021)이 포스트바이오틱스의 유익한 효과를 뒷받침하기 위해 제안한 다섯 가지 핵심 메커니즘적 구성 요소를 자세히 살펴봅니다. 이 구성 요소에는 장 내재 미생물군집의 조절, 상피 장벽 기능 강화, 국소 및 전신 면역 반응의 조절, 전신 대사 반응의 조절, 신경계를 통한 전신 신호 전달(Salminen et al., 2021)이 포함됩니다. 각 메커니즘은 A. oryzae 이외의 생물체 예시를 통해 소개되고 설명됩니다. 이후, 이러한 일반적인 메커니즘과 A. oryzae에서 발견된 특정 구성 성분 또는 분자 간의 연관성을 제안했습니다. 특정하고 독립적인 효과를 구분하려고 노력했지만, 일부 메커니즘 구성 요소 간에는 명확히 구분하기 어려운 상당한 중복이 존재한다는 점을 주의해야 합니다. 예를 들어, 장내 미생물군집 구성에 미치는 영향은 2차 담즙산(Ridlon et al., 2014)이나 SCFAs(Silva et al., 2020)와 같은 하류 효과인의 내인성 생산을 변경할 수 있습니다.

7.1 Modulation of the resident gut microbiota

Postbiotics can influence the composition and functionality of the human intestinal microbiome through both direct and indirect means (Ozma et al., 2022). Substances contained in postbiotics, like SCFAs, directly affect the microbiome (Rad et al., 2021). Additionally, EPS from organisms like Bifidobacterium interact with the gut flora (Salazar et al., 2008), and certain metabolites like bacteriocins (Huang et al., 2021) and organic acids (Dittoe et al., 2018) can suppress pathogenic activity within the gut.

Additionally, it’s important to note that postbiotic products often include indigestible fibers that modulate the microbiome. This modulation represents a prebiotic-like effect, indicating that the use of postbiotics does not exclude prebiotic benefits. The presence of these indigestible polysaccharides in postbiotics demonstrates their dual functionality, contributing to microbiota modulation through mechanisms typically associated with prebiotics. A. oryzae is rich in various polysaccharides, primarily known as indigestible fibers. These compounds, including β-glucans (Lam and Chi-Keung Cheung, 2013; Russo et al., 2012), GM (Zartl et al., 2018; Wang H. et al., 2023), chitin and chitosan (Liu et al., 2018b; Guan and Feng, 2022) can act as prebiotics, fostering an environment conducive to the growth of beneficial gut microbiota. Recent research has utilized β-galactosidase from A. oryzae to produce novel galactooligosaccharides from lactose. Purified and analyzed oligosaccharides mainly consist of galactose and glucose. Prebiotic activity tests have shown that these oligosaccharides significantly enhance the growth of Bifidobacterium infantis, especially at higher concentrations, indicating their potential as prebiotics (Kim et al., 2014). Furthermore, koji contains glycosylceramide, which serves as a prebiotic for B. coccoides. Ingestion of purified koji glycosylceramide by mice has led to increased B. coccoides abundance in the intestinal microbiota (Hamajima et al., 2016).

7.1 장내 미생물군집의 조절

포스트바이오틱스는 직접적 및 간접적 메커니즘을 통해 인간 장내 미생물군집의 구성과 기능을 영향을 미칠 수 있습니다(Ozma et al., 2022). 포스트바이오틱스에 포함된 물질(예: SCFAs)은 미생물군집에 직접적인 영향을 미칩니다(Rad et al., 2021). 또한, Bifidobacterium과 같은 미생물에서 생성되는 EPS는 장 내 미생물과 상호작용합니다(Salazar et al., 2008), 그리고 특정 대사산물인 박테리오신(Huang et al., 2021)과 유기산(Dittoe et al., 2018)은 장 내 병원성 활동을 억제할 수 있습니다.

또한, 포스트바이오틱스 제품에는 미생물군집을 조절하는 불용성 식이섬유가 자주 포함되어 있습니다. 이 조절 효과는 프리바이오틱스 유사 효과를 나타내며, 포스트바이오틱스의 사용이 프리바이오틱스 효과를 배제하지 않음을 의미합니다. 포스트바이오틱스에 포함된 이러한 불용성 다당류는 프리바이오틱스와 연관된 메커니즘을 통해 미생물군집 조절에 기여함으로써 이중 기능을 보여줍니다. A. oryzae는 주로 소화되지 않는 섬유질로 알려진 다양한 다당류를 풍부하게 함유하고 있습니다. 이 화합물에는 β-글루칸 (Lam and Chi-Keung Cheung, 2013; Russo et al., 2012), GM (Zartl et al., 2018; Wang H. et al., 2023), 키틴 및 키토산(Liu et al., 2018b; Guan and Feng, 2022)은 프리바이오틱스로 작용하여 유익한 장 미생물군집의 성장에 유리한 환경을 조성합니다.

최근 연구에서는 A. oryzae에서 유래한 β-갈락토시다아제를 사용하여 락토스에서 새로운 갈락토올리고당을 생산했습니다. 정제 및 분석된 올리고사카라이드는 주로 갈락토스와 글루코스로 구성되어 있습니다. 프리바이오틱스 활성 시험 결과, 이 올리고사카라이드는 특히 고농도에서 Bifidobacterium infantis의 성장을 유의미하게 촉진했으며, 이는 프리바이오틱스로서의 잠재성을 시사합니다 (Kim et al., 2014). 또한, 코지에는 B. coccoides의 프리바이오틱스로 작용하는 글리코실세라마이드가 포함되어 있습니다. 정제된 코지 글리코실세라마이드를 섭취한 쥐에서 장 미생물군집 내 B. coccoides의 풍부도가 증가했습니다 (Hamajima et al., 2016).

7.2 Enhancement of epithelial barrier function

The integrity of the gut epithelium is crucial for maintaining overall health, serving as a critical barrier against pathogenic invaders and harmful substances (Celebi Sözener et al., 2020). Strategies to influence the epithelial barrier function include promoting the secretion of proteins such as HM0539 (Gao et al., 2019), reducing inflammation (Schiavi et al., 2016), supporting the functioning of tight junctions (Engevik et al., 2019), and providing protection against LPS-induced disruption (Feng et al., 2018). These effects are well-documented for postbiotics, including preparations from Lactobacillus plantarum (Izuddin et al., 2019), Lactobacillus rhamnosus GG (Gao et al., 2019), and Bifidobacterium longum (Martorell et al., 2021). The use of such postbiotics enhance the integrity and functionality of the epithelial barrier, which is crucial for maintaining gut health and preventing the entry of pathogens.

Enzymes produced during A. oryzae fermentation may play a role in this context, potentially influencing the digestibility and bioavailability of nutrients that support epithelial health (Li et al., 2018; He et al., 2020). Xylanase supplementation has been found to improve the intestinal health of broiler chickens, particularly in alleviating barrier impairments caused by Clostridium perfringens infections, according to research by Liu et al. (2012). In a separate study, Petry et al. (2020) demonstrated that xylanase also increases gut barrier integrity in growing pigs. The enhancement of the gut barrier can lead to better nutrient absorption and overall improved health outcomes for the pigs, showcasing the broad applicability of xylanase across different species. Further, research has highlighted the role of phytase in the expression‎ of intestinal tight junction and nutrient transporter genes in pigs (Lu et al., 2020). Lastly, a study by Moita et al. (2021) showed that phytase supplementation enhances intestinal health in broiler chickens by potentially modulating the gut microbiota. It promotes the growth of beneficial bacteria and reduces harmful bacteria, which in turn improves intestinal morphology. These changes are associated with increased nutrient digestibility and improved bone parameters, indicating a direct link between enzyme supplementation and enhanced physiological development in poultry. Additionally, potential constituents of postbiotics from A. oryzae, such as certain furans and alkaloids, may possess the ability to impact directly tight junction proteins (Guo et al., 2020). Furthermore, the expected prebiotic-like effect of preparations from A. oryzae could also influence epithelial barrier function through alterations in the gut microbiome (Rose et al., 2021; Camilleri, 2021).

7.2 상피 장벽 기능 강화

장 상피의 무결성은 전체 건강 유지에 필수적이며, 병원성 침입체와 유해 물질로부터의 방어벽 역할을 합니다 (Celebi Sözener et al., 2020). 상피 장벽 기능을 조절하는 전략에는 HM0539와 같은 단백질 분비 촉진(Gao et al., 2019), 염증 감소(Schiavi et al., 2016), 밀접 연결 구조 기능 지원(Engevik et al., 2019), LPS 유발 손상으로부터의 보호(Feng et al., 2018) 등이 포함됩니다. 이러한 효과는 포스트바이오틱스에서 잘 문서화되어 있으며, Lactobacillus plantarum (Izuddin et al., 2019), Lactobacillus rhamnosus GG (Gao et al., 2019), 및 Bifidobacterium longum (Martorell et al., 2021)에서 추출된 제제에서 관찰되었습니다. 이러한 포스트바이오틱스의 사용은 장 건강을 유지하고 병원체의 침입을 방지하는 데 중요한 상피 장벽의 무결성과 기능을 향상시킵니다.

A. oryzae 발효 과정에서 생성되는 효소는 이러한 맥락에서 역할을 할 수 있으며, 상피 건강을 지원하는 영양소의 소화율과 생체 이용률을 잠재적으로 영향을 미칠 수 있습니다(Li et al., 2018; He et al., 2020). Xylanase 보충은 Clostridium perfringens 감염으로 인한 장벽 손상을 완화하는 데 특히 효과적이며, Liu et al. (2012)의 연구에서 확인되었습니다. 별도의 연구에서 Petry et al. (2020)은 xylanase가 성장기 돼지의 장 장벽 무결성을 향상시킨다는 것을 보여주었습니다. 장 장벽의 강화는 돼지의 영양소 흡수 개선과 전반적인 건강 상태 개선으로 이어지며, 이는 엑스라나제의 다양한 종에 걸친 광범위한 적용 가능성을 보여줍니다. 또한, 연구에서는 돼지의 장 밀착 연결 및 영양소 운반체 유전자 발현에 대한 피타제의 역할을 강조했습니다 (Lu et al., 2020).

마지막으로, Moita 등 (2021)의 연구는 피타제 보충이 장 미생물군을 조절함으로써 육계 닭의 장 건강을 향상시킨다는 것을 보여주었습니다. 이는 유익한 세균의 성장 촉진과 유해 세균 감소로 이어지며, 이는 다시 장 구조 개선으로 이어집니다. 이러한 변화는 영양소 소화율 증가와 골격 매개변수 개선과 연관되어 있으며, 이는 효소 보충과 가금류의 생리적 발달 향상 사이의 직접적인 연관성을 시사합니다. 또한, A. oryzae에서 유래한 포스트바이오틱스의 잠재적 구성 성분인 특정 푸란과 알칼로이드는 밀접 연결 단백질에 직접적인 영향을 미칠 수 있습니다(Guo et al., 2020). 또한, A. oryzae에서 추출한 제제의 프리바이오틱스 유사 효과는 장 미생물군집의 변화를 통해 상피 장벽 기능을 영향을 미칠 수 있습니다 (Rose et al., 2021; Camilleri, 2021).

7.3 Modulation of local and systemic immune responses

Postbiotics are primarily associated with immunoregulatory functions, as they activate both the adaptive and innate immune responses, maintain the integrity of the intestinal mucosal barrier, and counteract microorganisms through the production of antibiotic substances (Ozma et al., 2022). Building upon the comprehensive understanding of the Aspergillus species’ cell wall intricacies, it is imperative to explore the broader biological implications of these molecular constituents. The fungal cell wall, abundant with diverse polysaccharides and biomolecules, serves as the primary interface between the fungus and its host, orchestrating a myriad of immunological interactions. These components, recognized as pathogen-associated molecular patterns (PAMPs), are adeptly discerned by the host’s immune surveillance mechanisms. This recognition is facilitated by a sophisticated network of immune cell receptors, notably the Toll-like receptors (TLRs) and C-type lectin receptors (CLRs). Tailored to detect specific fungal PAMPs, these receptors initiate a series of immune responses aimed at countering the fungal intrusion (see Figure 5).

7.3 국소 및 전신 면역 반응의 조절

포스트바이오틱스는 적응 면역 반응과 선천적 면역 반응을 활성화하며, 장 점막 장벽의 무결성을 유지하고 항생 물질 생산을 통해 미생물을 억제하는 면역 조절 기능과 밀접하게 연관되어 있습니다(Ozma et al., 2022). Aspergillus 종의 세포벽 구조에 대한 포괄적인 이해를 바탕으로, 이러한 분자 구성 요소의 더 넓은 생물학적 의미를 탐구하는 것이 필수적입니다. 균류의 세포벽은 다양한 다당류와 생물분자로 풍부하며, 균류와 숙주 사이의 주요 인터페이스로 작용하여 다양한 면역학적 상호작용을 조율합니다. 이러한 구성 성분은 병원체 관련 분자 패턴(PAMPs)으로 인식되며, 숙주의 면역 감시 메커니즘에 의해 정확히 식별됩니다. 이 인식은 Toll-like 수용체(TLRs)와 C형 렉틴 수용체(CLRs)를 포함한 복잡한 면역 세포 수용체 네트워크에 의해 촉진됩니다. 특정 곰팡이 PAMPs를 감지하도록 특화되어 있는 이 수용체들은 곰팡이의 침입을 차단하기 위한 일련의 면역 반응을 유발합니다(그림 5 참조).

Figure 5

Figure 5. Receptors involved in antifungal immunity, their intracellular signaling pathways and their corresponding fungal PAMPs. Recognition of fungi cell wall components of the cell membrane is mainly mediated by toll-like receptors (TLRs) and C-type lectin receptor (CLRs). TLR2 and TLR4 both signal to interleukin-1 receptor-associated kinase (IRAKs) through myeloid differentiation primary response 88 (MyD88). An IRAK4/IRAK1/IRAK2/tumor necrosis factor receptor-associated factor 6 (TRAF6) complex activates transforming growth factor-beta activated kinase 1 (TAK1) which leads to the activation of the IkappaB kinase (IKK) complex and the mitogen activated protein (MAP) kinase cascade (mitogen activated protein kinase kinase (MKK) 3/6 and MKK4/7), which finally leads to the nuclear translocation of pro-inflammatory transcription factor nuclear factor-kappa B (NF-κB), activator protein (AP-1), and interferons regulatory factor 3 (IRF3). Each transcription factor is responsible for the transcription of specific genes that encodes different set or proteins such as pro-inflammatory cytokines. TLR4 activation also triggers the secretion of interferon α (IFN-α) and IFN-β promoted by Toll/IL-1R domain-containing adapter-inducing factor (TRIF) -mediated interferons regulatory factor 3 (IRF3). Dectin-1 and dendritic cell-specific intercellular adhesion molecule-3-grabbing non-integrin (DC-SIGN) also activate NF-κB signaling via the rat sarcoma-rapidly accelerated fibrosarcoma 1 (RAS–RAF-1) pathway. Moreover, dectin-1 and dectin-2 recruit the spleen tyrosine kinase (Syk) to form a caspase recruitment domain containing protein 9 (CARD9)/ B-cell lymphoma 10 (BCL-10) / mucosa-associated lymphoid tissue lymphoma translocation protein 1. (MALT1) complex, which activates NF-κB. FcγR, Fcγ receptor; IL, interleukin; JNK, Jun N-terminal kinase; ITAM, immunoreceptor tyrosine-based activation motif. Created with Biorender.com.

그림 5. 항진균 면역에 관여하는 수용체, 그 세포 내 신호 전달 경로 및 대응하는 진균 PAMPs. 진균의 세포벽 성분을 세포막에서 인식하는 것은 주로 톨 유사 수용체(TLRs)와 C형 렉틴 수용체(CLRs)에 의해 매개됩니다. TLR2와 TLR4는 모두 골수 분화 초기 반응 88(MyD88)을 통해 인터루킨-1 수용체 연관 키나제(IRAKs)로 신호 전달을 합니다. IRAK4/IRAK1/IRAK2/종양 괴사 인자 수용체 연관 인자 6(TRAF6) 복합체는 변형 성장 인자 베타 활성화 키나제 1(TAK1)을 활성화시켜 IkappaB 키나제(IKK) 복합체와 미토겐 활성화 단백질 키나제(MAP 키나제) 캐스케이드(MKK 3/6 및 MKK4/7)를 활성화시킵니다. 결국 전염성 염증 인자 핵 인자-kappa B (NF-κB), 활성화 단백질 (AP-1) 및 인터페론 조절 인자 3 (IRF3)의 핵 전좌로 이어집니다. 각 전사 인자는 전염성 염증 인자 사이토카인과 같은 다른 세트 또는 단백질을 암호화하는 특정 유전자의 전사를 담당합니다. TLR4 활성화는 또한 Toll/IL-1R 도메인 포함 어댑터 유도 인자(TRIF)에 의해 매개되는 인터페론 조절 인자 3(IRF3)을 통해 인터페론 알파(IFN-α)와 IFN-β의 분비를 촉진합니다. Dectin-1과 ден드리틱 세포 특이적 세포간 접착 분자-3 결합 비통합인자(DC-SIGN)는 쥐 사르코마-급속히 가속화된 섬유육종 1(RAS–RAF-1) 경로를 통해 NF-κB 신호전달을 활성화합니다. 또한, Dectin-1과 Dectin-2는 스플린 티로신 키나제(Syk)를 모집하여 caspase 모집 도메인 포함 단백질 9(CARD9)/ B-세포 림프종 10(BCL-10) / 점막 연관 림프구 조직 림프종 전위 단백질 1(MALT1) 복합체를 형성하며, 이는 NF-κB를 활성화합니다. FcγR, Fcγ 수용체; IL, 인터루킨; JNK, Jun N-말단 키나아제; ITAM, 면역 수용체 티로신 기반 활성화 모티프. Biorender.com으로 제작되었습니다.

Central to the recognition of fungi by the immune system are pattern recognition receptors (PRRs) that identify fungal PAMPs (Amarante-Mendes et al., 2018). There are four major sub-families of PRRs, namely (i) the TLRs, (ii) the nucleotide-binding oligomerization domain (NOD)- like receptors (NLR), (iii) the retinoic acid-inducible gene (RIG)-like receptors, and (iv) the CLRs (Walsh et al., 2013). Among the PRRs, TLRs play a pivotal role in fungal recognition. For instance, TLR2 and TLR4 recognize fungal cell wall components like phospholipomannan and O-linked mannan, respectively (Netea et al., 2008). However, the recognition of fungi is not limited to TLRs. CLRs such as Dectin-1 and Dectin-2 receptor are paramount in sensing β-glucans and the macrophage mannose receptor (MR) recognized N-linked mannans in the fungal cell wall (Netea et al., 2008). NLRs and RIG-like receptors are another layer to the immune surveillance against bacteria. So far, no studies have documented the involvement of NLRs and RIG-I-like receptors in the recognition of fungi (Netea et al., 2008). It is known that the addition of A. oryzae to primary human corneal epithelial cells (HCEC) leads to the upregulation of TLR2 and TLR4 (Ballal et al., 2017). Similarly, in male broiler chicks, the mRNA expression‎ of immune mediators in the intestine was studied, showing that TLR4 expression‎ in the A. oryzae and antibiotic groups was higher than in the control group (Takahashi, 2012).

In many biological scenarios, the activation of cellular receptors is not confined to a singular entity; rather, multiple receptors can be concurrently activated. It is important to acknowledge that PRRs can exhibit inhibitory interactions, particularly when faced with a variety of pathogens. Ferwerda et al. (2008) showed that Dectin-1 receptor has potent synergistic effects with both TLR2 and TLR4 in human peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) and macrophages. Loures et al. (2015) indicated that TLRs and CLRs are both involved in the induction of lymphocyte proliferation and Th17/Tc17 differentiation mediated by Paracoccidiodes brasiliensis activated dendritic cells (DCs), but a synergist action was restricted to Dectin-1 receptor, TLR-4, and MR. Other research showed that pure TLR2 and TLR4 ligands generate macrophages with a diminished ability to produce inflammatory cytokines. In contrast, mouse hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) activation in response to Candida albicans leads to the generation of macrophages that are better prepared to deal with the infection, as they produce higher amounts of inflammatory cytokines and have higher fungicidal capacity than control macrophages (Megías et al., 2016). It was reported that simultaneous stimulation with TLR2 and TLR4 ligands results in the production of tumor necrosis factor alpha (TNF-α) at levels much greater than that observed for each of the ligands alone (Sato et al., 2000). Research has also identified other combinations of TLR ligands in DCs that can boost the production of IL-12 and IL-23, leading to DCs with enhanced and sustained T helper type 1–polarizing capacity (Napolitani et al., 2005). This combined TLR stimulation has been used to create an adjuvant to improve T cell responses to vaccines. For instance, stimulating with three TLRs (TLR2/6, TLR3, and TLR9) can not only increase the number of T cells but also change the quality of the immune response, promoting the growth of regulatory T cells (Zhu et al., 2010). In summary, the combined stimulation of TLRs and CLRs, especially Dectin-1 receptor, significantly influences immune responses. The distinct reactions of macrophages and DCs highlight their unique roles in immunity. The synergistic effects of specific combinations, particularly in vaccine adjuvants, open promising therapeutic avenues, emphasizing the potential of targeted immune modulation in addressing infections.

In Nile tilapia, various studies have demonstrated that the use of A. oryzae as probiotic positively impacts the immune system, oxidative stress response, growth, and disease resistance (Dawood et al., 2020b; Dawood et al., 2020a; Iwashita et al., 2015). In red sea breams fed with A. oryzae fermented rapeseed meal, a significantly enhanced immunological response was observed (Dossou et al., 2018). In a study in which mice underwent acute inflammation caused by ear edema, the feeding of a diet containing 10% rice bran with A. oryzae reduced inflammation severity (Umeyama et al., 2021). Similarly, it has been shown in cattle that supplementation with an A. oryzae postbiotic reduced inflammation in response to heat stress (Kaufman et al., 2021). In a recent in vitro study, A. oryzae fermentation extract inhibited Mycoplasma pneumoniae growth and invasion into A549 lung epithelial cells and reduced the production of TNF-α and IL-6 in murine MH-S alveolar macrophages. Subsequently, in an in vivo mouse model of pneumonia, the extract decreased neutrophil infiltration and lung inflammation, demonstrating its potential as a therapeutic agent (Lee et al., 2023).

In summary, the comprehensive understanding of Aspergillus species’ cell wall components and their interactions with the host’s immune system highlights the potential for A. oryzae-derived postbiotics to exert significant immunomodulatory effects. These postbiotics may have the capability to modulate both local and systemic immune responses, thereby potentially enhancing host defense mechanisms against pathogens.

면역 체계가 곰팡이를 인식하는 데 중심적인 역할을 하는 것은 곰팡이 PAMPs를 식별하는 패턴 인식 수용체(PRRs)입니다(Amarante-Mendes et al., 2018). PRR은 네 가지 주요 하위 가족으로 구분됩니다:

(i) TLRs,

(ii) 뉴클레오티드 결합 올리고머화 도메인(NOD)-유사 수용체(NLR),

(iii) 레티노산 유도 유전자(RIG)-유사 수용체, 및

(iv) CLRs (Walsh et al., 2013).

PRR 중 TLRs는 곰팡이 인식에 핵심적인 역할을 합니다. 예를 들어, TLR2와 TLR4는 각각 곰팡이 세포벽 성분인 인산리포만난과 O-연결 만난을 인식합니다 (Netea et al., 2008). 그러나 곰팡이 인식은 TLRs에 국한되지 않습니다. Dectin-1과 Dectin-2 수용체와 같은 CLRs는 β-글루칸을 감지하는 데 필수적이며, 대식세포 만노스 수용체(MR)는 곰팡이 세포벽의 N-결합 만난을 인식합니다(Netea et al., 2008). NLRs와 RIG-like 수용체는 세균에 대한 면역 감시의 또 다른 층을 형성합니다. 현재까지 NLR과 RIG-I 유사 수용체가 곰팡이 인식에 관여한다는 연구는 보고되지 않았습니다(Netea et al., 2008). A. oryzae를 인간 각막 상피 세포(HCEC)에 추가하면 TLR2와 TLR4의 발현이 증가한다는 것이 알려져 있습니다(Ballal et al., 2017).

同様に, 수컷 육계 닭에서 장 내 면역 매개체의 mRNA 발현을 연구한 결과, A. oryzae 및 항생제 그룹에서 TLR4 발현이 대조군보다 높았다는 것이 밝혀졌습니다(Takahashi, 2012). 많은 생물학적 상황에서 세포 수용체의 활성화는 단일 실체에 국한되지 않으며, 여러 수용체가 동시에 활성화될 수 있습니다.

PRR이 다양한 병원체에 직면할 때 억제적 상호작용을 보일 수 있다는 점을 인식하는 것이 중요합니다. Ferwerda et al. (2008)은 인간 말초 혈액 단핵구(PBMCs) 및 대식세포에서 Dectin-1 수용체가 TLR2 및 TLR4와 강력한 시너지 효과를 나타낸다는 것을 보여주었습니다. Loures et al. (2015)는 Paracoccidiodes brasiliensis에 의해 활성화된 ден드리틱 세포(DCs)에 의해 매개되는 림프구 증식 및 Th17/Tc17 분화 유도 과정에서 TLRs와 CLRs가 모두 관여하지만, 시너지 작용은 Dectin-1 수용체, TLR-4, 및 MR에 제한되었다고 보고했습니다. 다른 연구에서는 순수한 TLR2 및 TLR4 리간드가 염증성 사이토카인 생산 능력이 감소된 대식세포를 생성한다는 것이 밝혀졌습니다. 반면, Candida albicans에 대한 마우스 혈액 줄기세포 및 전구세포(HSPCs)의 활성화는 염증성 사이토카인의 생산량이 더 높고 대조군 대식세포보다 곰팡이 살균 능력이 우수한 대식세포의 생성을 유도합니다(Megías et al., 2016). TLR2와 TLR4 리간드의 동시 자극은 각 리간드 단독 투여 시 관찰된 수준보다 훨씬 높은 수준의 종양 괴사 인자 알파(TNF-α)를 생성한다는 보고가 있습니다(Sato et al., 2000). 연구에서는 DC에서 IL-12 및 IL-23 생산을 증가시켜 T helper type 1 극성화 능력을 강화하고 지속시키는 다른 TLR 리간드 조합도 식별되었습니다 (Napolitani et al., 2005). 이 TLR 자극의 조합은 백신에 대한 T 세포 반응을 개선하기 위한 보조제 개발에 활용되었습니다. 예를 들어, 세 가지 TLR(TLR2/6, TLR3, TLR9)로 자극하면 T 세포의 수를 증가시킬 뿐만 아니라 면역 반응의 질을 변화시켜 조절 T 세포의 증식을 촉진합니다(Zhu et al., 2010). 요약하면, TLR과 CLR의 결합 자극, 특히 Dectin-1 수용체는 면역 반응에 크게 영향을 미칩니다. 대식세포와 DC의 서로 다른 반응은 그들의 면역 체계에서의 독특한 역할을 강조합니다. 특정 조합의 시너지 효과, 특히 백신 보조제에서의 효과는 감염 대응을 위한 표적 면역 조절의 잠재력을 강조하며, 새로운 치료적 가능성을 제시합니다.

니로 강 티라피아에서 다양한 연구는 A. oryzae를 프로바이오틱스로 사용한 것이 면역 체계, 산화 스트레스 반응, 성장, 질병 저항성에 긍정적인 영향을 미친다는 것을 보여주었습니다(Dawood et al., 2020b; Dawood et al., 2020a; Iwashita et al., 2015). A. oryzae로 발효된 유채씨 가루를 급여한 적색 해송어에서 면역 반응이 유의미하게 향상되었습니다(Dossou et al., 2018). 귀 부종으로 인한 급성 염증을 유발한 실험에서 A. oryzae를 함유한 쌀겨 10%를 급여한 그룹에서 염증의 심각도가 감소했습니다(Umeyama et al., 2021). 또한 소에서 A. oryzae 포스트바이오틱 보충이 열 스트레스에 대한 염증을 감소시켰다는 것이 밝혀졌습니다 (Kaufman et al., 2021). 최근 in vitro 연구에서 A. oryzae 발효 추출물은 Mycoplasma pneumoniae의 성장과 A549 폐 상피 세포로의 침투를 억제했으며, 쥐의 MH-S 폐포 대식세포에서 TNF-α 및 IL-6 생산을 감소시켰습니다. 이후 폐렴 마우스 모델에서 추출물은 중성구 침윤과 폐 염증을 감소시켜 치료제로서의 잠재성을 보여주었습니다(Lee et al., 2023).

요약하면,

Aspergillus 종의 세포벽 구성 요소와 호스트 면역 체계와의 상호작용에 대한 포괄적인 이해는

A. oryzae 유래 포스트바이오틱스가

중요한 면역 조절 효과를 발휘할 수 있음을 강조합니다.

이러한

포스트바이오틱스는

국소 및 전신 면역 반응을 모두 조절할 수 있는 능력을 가지고 있어,

병원체에 대한 숙주의 방어 메커니즘을 강화할 가능성이 있습니다.

7.4 Modulation of systemic metabolic responses

The influence on systemic metabolic responses could stem directly from the metabolites or enzymes harbored within inactive microorganisms commonly found in postbiotics (Salminen et al., 2021). For instance, a recent study conducted by Travers et al. (2016) showcased that the supernatant of Lactobacillus johnsonii, regarded as a postbiotic, harbors active elements proficient in transforming benign bile constituents into markedly toxic compounds for Giardia duodenalis. This exemplifies how postbiotics can influence bile acid metabolism, underscoring their potential in addressing parasitic infections. Furthermore, A. oryzae fermentation end products have been implicated in influencing bile acids. Feeding obese mice koji glycosylceramide led to a significant reduction in liver cholesterol levels, likely due to cholesterol conversion into bile acids. This indicates that koji glycosylceramide impacts both bile acid and cholesterol metabolism in obese mice (Hamajima et al., 2019). The secondary metabolites produced by A. oryzae have been shown to possess various biological properties, including antioxidative, antimicrobial, and antitumor effects (see Table 2). These properties suggest a potential role for A. oryzae postbiotics in modulating systemic metabolic responses, although the specific mechanisms through which these effects are mediated remain to be fully elucidated. The concentration and bioavailability of these metabolites in the final product are likely crucial factors dictating their biological efficacy.

7.4 전신 대사 반응의 조절

전신 대사 반응에 대한 영향은

포스트바이오틱스에 일반적으로 존재하는 비활성 미생물에 포함된 대사 산물이나

효소에서 직접적으로 기인할 수 있습니다 (Salminen et al., 2021).

예를 들어, Travers et al. (2016)의 최근 연구는

포스트바이오틱스로 분류된 Lactobacillus johnsonii의 상청액이 

Giardia duodenalis에 대해 유해한 독성 화합물로 변환하는 활성 성분을

함유하고 있음을 보여주었습니다.

이는 포스트바이오틱스가

담즙산 대사 조절에 영향을 미칠 수 있음을 보여주는 사례로,

기생충 감염 대응 잠재력을 강조합니다.

또한, 

A. oryzae 발효 최종 산물이 담즙산에 영향을 미친다는 보고가 있습니다.

비만 쥐에게 코지 글리코실세라마이드를 급여한 결과,

간 콜레스테롤 수치가 유의미하게 감소했으며,

이는 콜레스테롤이 담즙산으로 전환되기 때문으로 추정됩니다.

이는 코지 글리코실세라마이드가 비만 쥐의 담즙산 및 콜레스테롤 대사 모두에 영향을 미친다는 것을 나타냅니다 (Hamajima et al., 2019). 

A. oryzae가 생성하는 2차 대사산물은

항산화, 항균, 항종양 효과 등 다양한 생물학적 특성을 지니고 있습니다(표 2 참조).

이러한 특성은 

A. oryzae 포스트바이오틱스가 체계적 대사 반응 조절에 잠재적 역할을 할 수 있음을 시사하지만,

이러한 효과의 구체적인 메커니즘은 아직 완전히 규명되지 않았습니다.

최종 제품 내 이러한 대사 산물의 농도와 생체 이용률은

생물학적 효능을 결정하는 중요한 요인일 가능성이 높습니다.

7.5 Systemic signaling via the nervous system

By signaling through the nervous system and ultimately altering the delivery of neuroactive compounds, microorganisms can influence host behavior and cognitive function. This interplay, enriched by microbiome biotransformation, exposes the host to bioactive products affecting gastrointestinal-central nervous system communication. These compounds modulate central physiological and pathological processes via receptor binding, vagus nerve stimulation, neurotransmission, and neuroinflammation. Therefore, understanding the impact of SCFA, bile acids, neurotransmitters, and other microbial products in the gut-brain axis is crucial (Caspani and Swann, 2019).

While direct evidence linking A. oryzae postbiotics to systemic signaling via the nervous system is limited, the potential for β-glucans (Singh and Bhardwaj, 2023), glucosylceramides (Hamajima et al., 2019), and other polysaccharides (Nomura et al., 2022) to impact the gut-brain axis is an area of great interest. These components could modulate neurological health and behavior through their effects on the gut microbiota, bile acid metabolism, and immune function, highlighting an exciting frontier for future research.

7.5 신경계를 통한 전신 신호 전달

미생물은

신경계를 통해 신호 전달을 통해 신경 활성 화합물의 전달을 최종적으로 변경함으로써

호스트의 행동과 인지 기능을 영향을 미칠 수 있습니다.

미생물군집의 생물전환에 의해 풍부해진 이 상호작용은

호스트가 위장관-중추 신경계 통신에 영향을 미치는 생물활성 제품에 노출되도록 합니다.

이 화합물은 수용체 결합, 미주 신경 자극, 신경전달, 신경염증을 통해 중추적 생리적 및 병리적 과정을 조절합니다.

따라서

장-뇌 축에서 SCFA, 담즙산, 신경전달물질 및 기타 미생물 제품의 영향을 이해하는 것은

중요합니다 (Caspani and Swann, 2019).

A. oryzae 포스트바이오틱스가

신경계를 통해 전신 신호전달에 직접적으로 연결된다는 증거는 제한적이지만,

β-글루칸(Singh and Bhardwaj, 2023),

글루코실세라마이드(Hamajima et al., 2019), 및

기타 다당류(Nomura et al., 2022) 가

장-뇌 축에 영향을 미칠 수 있다는 점은 큰 관심을 받고 있습니다.

이러한 성분들은

장 미생물군, 담즙산 대사, 면역 기능에 미치는 영향을 통해

신경학적 건강과 행동을 조절할 수 있으며,

이는 미래 연구의 흥미로운 분야를 제시합니다.

8 Challenges and opportunities in quality control of fungal postbiotics

Within the realm of postbiotic research, the advent of fungal-derived postbiotics represents a step toward exploring a previously untapped source of beneficial compounds for human and animal health. The process of inactivating microbial cells to produce postbiotics poses no greater challenge for fungi than it does for bacteria.

Techniques such as spray drying (Stephan and Zimmermann, 1998), high-pressure processing (Pinto et al., 2020), heat inactivation (Silva, 2020), thermosonication (Silva, 2020), and the creation of lysates are equally applicable to fungal cells, providing a robust framework for the development of fungal postbiotics. However, the rigorous quality control and quantification of these fungal postbiotics emerge as a paramount challenge, underscored by the unique biological characteristics of fungi and the complex biochemical composition of their derivatives.

In their publication, Salminen et al. (2021) recognized the necessity of providing clear guidance on the technical aspects of postbiotic characterization and quantification. For bacteria, metrics such as colony-forming units (CFU) and cell sorting techniques offer straightforward quantification methods. In contrast, the fungal domain presents a more intricate scenario. Fungal cells, with their varied sizes, multicellular structures, and resilient spore forms, necessitate the development of bespoke quantification strategies that go beyond the bacterial paradigms. It is noteworthy that in most studies focusing on koji production, the quantification of GlcNAc has been utilized as an index for the mycelial weight of A. oryzae (Ferdouse et al., 2019). In the study by Ferdouse et al. (2019), alongside the quantification of GlcNAc, the content of glycosylceramide was measured.

Current methodologies, including flow cytometry, can adeptly measure inanimate intact microbes, distinguishing between live, dead, and damaged cells (Robertson et al., 2021; Duquenoy et al., 2020; Baymiev et al., 2020). However, analyzing fungi is, often requiring indirect quantification like biomass estimation, which may not fully capture the postbiotic potential. Flow cytometry is underutilized for filamentous fungi due to the size of hyphae, which cannot pass through the system, limiting analysis to early-stage spores (Mathis et al., 2020). Despite this, it shows promise for spore sorting and viability testing. For fungi like Trichoderma, conidia can be effectively analyzed using various dyes and markers like GFP, with protocols for preparing and staining cells (Steiger, 2021).

Moreover, the identification and quantification of metabolites, which is crucial for understanding the bioactive profile of fungal postbiotics, may demand the use of sophisticated analytical techniques such as high-performance liquid chromatography (HPLC) and mass spectrometry. Yet, the heterogeneity of fungal metabolites and the need for specific markers for bioactivity assessment pose significant hurdles in standardizing these measures.

8 곰팡이 유래 포스트바이오틱스의 품질 관리에 대한 도전과 기회

포스트바이오틱스 연구 분야에서 곰팡이 유래 포스트바이오틱스의 등장은 인간과 동물 건강에 유익한 화합물의 새로운 원천을 탐구하는 중요한 단계입니다. 미생물 세포를 불활성화하여 포스트바이오틱스를 생산하는 과정은 곰팡이에게도 세균과 마찬가지로 큰 도전이 아닙니다.

분무 건조(Stephan and Zimmermann, 1998), 고압 처리(Pinto et al., 2020), 열 불활성화(Silva, 2020), 열음파 처리(Silva, 2020), 및 용해물 생성 등은 곰팡이 세포에도 동일하게 적용 가능하며, 곰팡이 포스트바이오틱스 개발을 위한 견고한 기반을 제공합니다.

그러나 이러한 곰팡이 포스트바이오틱스의 엄격한 품질 관리와 정량화는 곰팡이의 독특한 생물학적 특성 및 그 파생물의 복잡한 생화학적 구성으로 인해 가장 중요한 도전 과제로 부상하고 있습니다. Salminen et al. (2021)은 포스트바이오틱스의 특성 분석 및 정량화 기술적 측면에 대한 명확한 지침의 필요성을 강조했습니다.

세균의 경우, 콜로니 형성 단위(CFU)와 세포 분리 기술과 같은 지표가 간단한 정량화 방법을 제공합니다. 반면 곰팡이 분야는 더 복잡한 상황을 보여줍니다. 다양한 크기, 다세포 구조, 그리고 내구성이 강한 포자 형태를 가진 곰팡이 세포는 세균의 패러다임을 넘어 맞춤형 정량화 전략의 개발이 필요합니다. koji 생산에 초점을 맞춘 대부분의 연구에서 GlcNAc의 정량화가 A. oryzae의 균사체 무게 지표로 활용되었습니다(Ferdouse et al., 2019). Ferdouse et al. (2019)의 연구에서는 GlcNAc 정량화와 함께 글리코실세라마이드 함량도 측정되었습니다.

현재의 방법론, 특히 유동 세포 측정법은 무생물 상태의 완전한 미생물을 측정할 수 있으며, 살아있는 세포, 죽은 세포, 손상된 세포를 구분할 수 있습니다(Robertson et al., 2021; Duquenoy et al., 2020; Baymiev et al., 2020). 그러나 곰팡이를 분석할 때는 생물량 추정과 같은 간접적 정량화가 필요하며, 이는 포스트바이오틱 잠재력을 완전히 포착하지 못할 수 있습니다. 유동 세포 측정법은 균사체의 크기로 인해 균사체가 시스템を通과하지 못해 초기 단계의 포자 분석에 제한을 받습니다(Mathis et al., 2020). 그럼에도 불구하고 포자 분류 및 생존력 검사에 대한 잠재력을 보여줍니다. Trichoderma와 같은 곰팡이의 경우, GFP와 같은 다양한 염료와 마커를 사용하여 포자를 효과적으로 분석할 수 있으며, 세포 준비 및 염색 프로토콜이 개발되었습니다(Steiger, 2021).

또한, 곰팡이 포스트바이오틱스의 생물활성 프로필을 이해하는 데 필수적인 대사산물 식별 및 정량화는 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC) 및 질량 분석법과 같은 고급 분석 기술의 사용을 요구할 수 있습니다. 그러나 곰팡이 대사 산물의 이질성과 생물 활성 평가를 위한 특정 마커의 필요성은 이러한 측정 기준을 표준화하는 데 심각한 장애물로 작용합니다.

9 Conclusion and future perspectives

Although A. oryzae has long been used in the food sector, its application as a postbiotic is still in its infancy. An important basis for assessing its postbiotic potential is the systematic analysis of its components, which has only recently been initiated. As summarized here, numerous interesting molecules have already been identified, including secondary metabolites, cell wall components and enzymes, whose different bioactivities could potentially cover all five of the postbiotic targets described by Salminen et al. (2021), suggesting a broad spectrum of health benefits. Nevertheless, these analyses have not yet been completed. For example, a detailed understanding of the structure of the cell wall is still lacking. It can also be assumed that further bioactive substances produced by A. oryzae will be discovered in the future. Most of all, however, there is currently a lack of controlled studies investigating the postbiotic potential of A. oryzae in vivo. The limited published research primarily focused on the impacts of A. oryzae postbiotics on animal health and nutrition. Findings from those studies suggest that A. oryzae fermentation end products, whether in dried or otherwise inactivated form, may confer beneficial effects by improving gut health, promoting immune responses, and enhancing nutrient absorption. Hence, we conclude that the exploration of A. oryzae as a source of postbiotics represents a promising avenue in the field of biotics. However, to unlock the full therapeutic potential of A. oryzae-derived postbiotics and deepen our understanding of their role in promoting health and well-being, future research should aim to elucidate the specific mechanisms of action of A. oryzae postbiotics and investigate their therapeutic applications in different health and disease contexts.

As postbiotics from fungi such as A. oryzae is a relatively new research field, it also presents challenges in manufacturing and quality control. Standardized fermentation protocols are required to guarantee reproducible compositions of postbiotic products. Moreover, while the methods for inactivating fungi are broadly similar to those for the much better established bacterial postbiotics, a major challenge is the development of rigorous quality assurance and quantification methods of these novel fungal products. Meeting this demand will require a concerted effort by researchers utilizing state-of-the-art technologies and interdisciplinary approaches to create robust standards for the development of fungal postbiotics. Indeed, commitment in this area will be crucial to realize the full potential of fungal postbiotics for supporting human and animal health.

9 결론 및 미래 전망

A. oryzae는 식품 산업에서 오랫동안 사용되어 왔지만, 포스트바이오틱스로서의 응용은 아직 초기 단계에 있습니다. 그 포스트바이오틱스 잠재력을 평가하는 중요한 기반은 구성 성분의 체계적 분석이며, 이는 최근에야 시작되었습니다. 여기서 요약된 바와 같이, 2차 대사산물, 세포벽 구성 성분 및 효소 등 다양한 흥미로운 분자들이 이미 식별되었습니다. 이들의 다양한 생물학적 활성은 Salminen et al. (2021)이 설명한 포스트바이오틱스 5개 목표를 모두 충족시킬 수 있어 광범위한 건강 혜택을 시사합니다. 그럼에도 불구하고 이러한 분석은 아직 완료되지 않았습니다. 예를 들어, 세포벽의 구조에 대한 상세한 이해는 여전히 부족합니다. 또한 A. oryzae가 생성하는 추가적인 생물활성 물질이 미래에 발견될 것으로 예상됩니다. 무엇보다도 현재 A. oryzae의 포스트바이오틱스 잠재력을 in vivo에서 조사한 통제된 연구가 부족합니다. 발표된 연구의 대부분은 A. oryzae 포스트바이오틱스가 동물 건강과 영양에 미치는 영향에 초점을 맞췄습니다. 해당 연구 결과는 A. oryzae 발효 최종 산물(건조 또는 기타 불활성화 형태)이 장 건강 개선, 면역 반응 촉진, 영양소 흡수 증진 등을 통해 유익한 효과를 발휘할 수 있음을 시사합니다. 따라서 우리는 A. oryzae를 포스트바이오틱스 원천으로 탐구하는 것이 바이오틱스 분야에서의 유망한 연구 방향임을 결론지입니다. 그러나 A. oryzae 유래 포스트바이오틱스의 완전한 치료 잠재력을 발휘하고 건강 및 웰빙 증진에서의 역할을 깊이 이해하기 위해서는, 향후 연구는 A. oryzae 포스트바이오틱스의 특정 작용 메커니즘을 규명하고 다양한 건강 및 질병 맥락에서의 치료적 적용 가능성을 조사해야 합니다.

A. oryzae와 같은 곰팡이에서 유래한 포스트바이오틱스는 상대적으로 새로운 연구 분야이기 때문에 제조 및 품질 관리 측면에서 도전 과제를 안고 있습니다. 포스트바이오틱스 제품의 재현 가능한 성분을 보장하기 위해 표준화된 발효 프로토콜이 필요합니다. 또한, 곰팡이를 불활성화하는 방법은 훨씬 더 잘 확립된 세균성 포스트바이오틱스와 유사하지만, 이 새로운 곰팡이 제품의 엄격한 품질 보증 및 정량화 방법 개발이 주요 과제입니다. 이 요구사항을 충족시키기 위해서는 최신 기술을 활용하고 다학제적 접근법을 결합한 연구자들의 협력이 필요합니다. 이는 곰팡이 포스트바이오틱스의 개발을 위한 견고한 기준을 수립하는 데 필수적입니다. 실제로 이 분야에 대한 지속적인 노력은 곰팡이 포스트바이오틱스가 인간과 동물 건강을 지원하는 데 있어 그 잠재력을 완전히 실현하는 데 결정적 역할을 할 것입니다.

Author contributions

YS: Writing – review & editing, Writing – original draft. GR: Writing – review & editing. KL: Writing – review & editing. GV: Writing – review & editing. II: Writing – review & editing.

Funding

The author(s) declare that financial support was received for the research, authorship, and/or publication of this article. The authors acknowledge the financial support by Land Schleswig-Holstein within the funding program “Open Access Publikationsfonds.”

Conflict of interest

The authors declare that the Institute of Human Nutrition and Food Science (including YS, GR, II, and KL) received funding from BioZyme Incorporated. YS and II received consulting fees from BioZyme Incorporated. GV is a board member of the ISAPP.

Publisher’s note

All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be eval‎uated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.

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