Re: 박테리아 EPS 주요 성분은 xanthan, Bacterial cellulose 2023년

[문형철]

Open AccessReview

Production of Bacterial Exopolysaccharides: Xanthan and Bacterial Cellulose

by 

Viktor V. Revin

 *

,

Elena V. Liyaskina

,

Marina V. Parchaykina

,

Irina V. Kurgaeva

,

Kristina V. Efremova

 and

Nikolai V. Novokuptsev

Department of Biotechnology, Biochemistry and Bioengineering, National Research Ogarev Mordovia State University, 430005 Saransk, Russia

*

Author to whom correspondence should be addressed.

Int. J. Mol. Sci. 2023, 24(19), 14608; https://doi.org/10.3390/ijms241914608

Submission received: 19 August 2023 / Revised: 15 September 2023 / Accepted: 21 September 2023 / Published: 27 September 2023

(This article belongs to the Special Issue Advanced Degradable Biopolymers)

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Abstract

Recently, degradable biopolymers have become increasingly important as potential environmentally friendly biomaterials, providing a wide range of applications in various fields. Bacterial exopolysaccharides (EPSs) are biomacromolecules, which due to their unique properties have found applications in biomedicine, foodstuff, textiles, cosmetics, petroleum, pharmaceuticals, nanoelectronics, and environmental remediation. One of the important commercial polysaccharides produced on an industrial scale is xanthan. In recent years, the range of its application has expanded significantly. Bacterial cellulose (BC) is another unique EPS with a rapidly increasing range of applications. Due to the great prospects for their practical application, the development of their highly efficient production remains an important task. The present review summarizes the strategies for the cost-effective production of such important biomacromolecules as xanthan and BC and demonstrates for the first time common approaches to their efficient production and to obtaining new functional materials for a wide range of applications, including wound healing, drug delivery, tissue engineering, environmental remediation, nanoelectronics, and 3D bioprinting. In the end, we discuss present limitations of xanthan and BC production and the line of future research.

최근 생분해성 바이오폴리머는

잠재적인 친환경 생체재료로서 중요성이 커지고 있으며,

다양한 분야에서 폭넓게 응용되고 있다.

박테리아 외부 다당류(EPS)는

생체고분자로서 독특한 특성 덕분에

생의학, 식품, 섬유, 화장품, 석유, 제약, 나노전자, 환경 정화 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.

산업 규모로 생산되는 중요한 상업용 다당류 중 하나는

잔탄(xanthan)이다.

최근 몇 년간 그 응용 범위는 크게 확대되었다.

박테리아 셀룰로오스(BC)는

또 다른 독특한 EPS로,

응용 분야가 급속히 증가하고 있다.

실용적 적용에 대한 큰 전망으로 인해, 이들의 고효율 생산 기술 개발은 여전히 중요한 과제로 남아 있다. 본 리뷰는 잔탄과 BC와 같은 중요한 생체고분자의 비용 효율적 생산 전략을 종합하고, 상처 치유, 약물 전달, 조직 공학, 환경 정화, 나노전자공학, 3D 바이오 프린팅 등 다양한 응용 분야를 위한 새로운 기능성 소재 확보를 위한 공통 접근법을 제시합니다. 마지막으로 잔탄과 BC 생산의 현재 한계점과 향후 연구 방향에 대해 논의합니다.

Keywords: 

biopolymers; biomacromolecules; bacterial exopolysaccharides; xanthan; bacterial cellulose; functional materials

1. Introduction

Bacterial exopolysaccharides (EPSs) are valuable extracellular eco-friendly biopolymers used in various fields of science, industry, medicine, and technology due to their biocompatibility, nontoxicity, biodegradability, and functional characteristics. Recently, several reviews have provided a comprehensive overview of the fundamentals of bacterial EPSs, including their classification, source, properties, biosynthetic pathways, functions in the microbial community, and applications [1,2,3,4,5,6,7,8,9]. EPSs are cost-effective alternatives to plant and animal-derived polysaccharides because bacteria can produce them in large quantities by biotechnological processes using low-cost substrates such as industrial wastes in a short time regardless of the season and climate. They exhibit the presence of a great number of functional groups (hydroxyl, carboxyl, carbonyl, acetate, etc.), which enable the modification of their molecules using chemical and physical techniques to obtain composites and materials with improved functional properties [5,10,11,12].

1. 서론

박테리아 외부 다당류(EPS)는

생체 적합성, 무독성, 생분해성 및 기능적 특성으로 인해

과학, 산업, 의학 및 기술의 다양한 분야에서 사용되는

가치 있는 세포외 친환경 생체고분자입니다.

최근 여러 리뷰에서

박테리아 EPS의 분류, 원천, 특성, 생합성 경로, 미생물 군집 내 기능 및 응용을 포함한 기본 원리에 대한

포괄적인 개요를 제공했습니다 [1,2,3,4,5,6,7,8,9].

EPS는 계절과 기후에 관계없이 산업 폐기물과 같은 저비용 기질을 이용한 생물공학적 공정으로 박테리아가 단기간에 대량 생산할 수 있기 때문에 식물 및 동물 유래 다당류에 비해 비용 효율적인 대안이다.

EPS는 다수의 기능성 그룹(하이드록실, 카르복실, 카르보닐, 아세테이트 등)을 보유하고 있어

화학적·물리적 기법을 이용한 분자 변형이 가능하며,

이를 통해 기능성이 향상된 복합재 및 소재를 얻을 수 있다 [5,10,11,12].

EPS-producing bacteria are ubiquitous and can be isolated from aquatic and terrestrial environments, such as marine water, wastewater, soils, plants, fruits, vegetables, gut microbiome, and fermented food [2,13]. For example, many BC-producing strains were isolated from the kombucha community [14,15,16,17,18], vinegar [19], fruit, and fruit juices [20,21,22]. Revin and Liyaskina et al. obtained the highly productive strain Paenibacillus polymyxa 2020, first isolated from wasp honeycombs [23]. A recent review by Netrusov et al. (2023) summarized the current research progress on BC, xanthan, and levan-producing bacterial strains, including their characteristics and isolation sources [2]. The review by Ibrahim et al. (2022) focuses on the exopolysaccharides obtained from several extremophilic microorganisms, their synthesis, and manufacturing optimization for better cost and productivity [13]. Recently, several reviews on EPSs produced by lactic acid bacteria have been reported [24,25,26,27]. For example, the review by Jurášková et al. (2022) discussed and summarized the latest advances on the biosynthesis, structure, and properties of EPSs derived from Lactobacillus, Leuconostoc,Streptococcus, Lactococcus, Lactiplantibacillus, Limosilactobacillus, and Weissella genera [24]. EPSs play an important role in bacterial physiology and ecology. They protect cells against extreme temperature, unfavorable pH values, osmotic stress, salinity, aridity, UV-rays, phagocytosis, and chemical agents, and play an important role in bacterial aggregation, adhesion, and biofilm formation [28,29,30,31,32,33,34]. Some of the most-used EPSs are alginate from the Azotobacter, Pseudomonas genera, xanthan from Xanthomonas sp., dextran from the Leuconostoc, Lactobacillus, Streptococcus genera, curdlan from Alcaligenes faecalis, Rhizobium radiobacter, Agrobacterium sp., gellan from the Sphingomonas and Pseudomonas genera, hyaluronan from Streptococcus sp., levan from Bacillus sp., Paenibacillus sp., Halomonas sp., Zymomonas sp., BC from Komagataeibacter sp., and others [2]. In recent years, a large number of new strains of EPS-producing bacteria have been isolated, among them the Gram-negative bacteria Komagataeibacter sp. and Xanthomonas sp., the main producers of BC and xanthan, which deserve special attention since their metabolism is well studied and many complete genome sequences were obtained, which is the basis for obtaining highly productive strains using genetic and metabolic engineering [2].

EPS 생성 박테리아는

해양수, 폐수, 토양, 식물, 과일, 채소, 장내 미생물군, 발효 식품 등 수

생 및 육상 환경에서 보편적으로 발견되며 분리될 수 있습니다 [2,13].

예를 들어,

많은 BC 생산 균주는 콤부차 군집[14,15,16,17,18],

식초[19], 과일 및 과일 주스[20,21,22]에서 분리되었습니다.

Revin 및 Liyaskina 등은

말벌 벌집에서 최초로 분리된 고생산성 균주 Paenibacillus polymyxa 2020을 확보하였다[23].

Netrusov 등(2023)의 최근 리뷰는

BC, 잔탄, 레반 생산 박테리아 균주의 특성 및 분리 원천을 포함한

현재 연구 진척 상황을 종합하였다[2].

Ibrahim 등(2022)의 리뷰는

여러 극한성 미생물에서 얻은 외부 다당류(exopolysaccharides),

그 합성 및 비용과 생산성 향상을 위한 제조 공정 최적화에 초점을 맞췄다[13].

최근 유산균이 생산하는

EPS에 관한 여러 리뷰가 보고되었다[24,25,26,27].

예를 들어, Jurášková 등(2022)의 리뷰는

Lactobacillus,

Leuconostoc,

Streptococcus,

Lactococcus,

Lactiplantibacillus,

Limosilactobacillus 및 Weissella 속으로부터

유래된 EPS의 생합성,

구조 및 특성에 관한 최신 진전을 논의하고 요약하였다[24].

EPS는

세균의 생리 및 생태학에서 중요한 역할을 합니다.

극한 온도, 불리한 pH 값, 삼투압 스트레스, 염분, 건조, 자외선, 식균 작용 및 화학 물질로부터

세포를 보호하며,

세균의 응집, 부착 및 생물막 형성에 중요한 역할을 합니다 [28,29,30,31,32,33,34].

가장 널리 사용되는 EPS로는

Azotobacter, Pseudomonas 속의 알지네이트,

Xanthomonas 속의 잔탄,

Leuconostoc, Lactobacillus, Streptococcus 속의 덱스트란,

Alcaligenes faecalis, Rhizobium radiobacter, Agrobacterium 속의 커들란,

스핑고모나스(Sphingomonas) 및 슈도모나스(Pseudomonas) 속의 겔란,

스트렙토코커스(Streptococcus) 속의 히알루로난,

바실러스(Bacillus) 속, 파에니바실러스(Paenibacillus) 속, 할로모나스(Halomonas) 속,

자이모모나스(Zymomonas) 속의 레반, 코마가타에이버커터(Komagataeibacter) 속의 BC 등이 있습니다[2].

최근 몇 년간 다량의 새로운 EPS 생산 균주가 분리되었으며,

그중 그람 음성균인 Komagataeibacter 속 및 Xanthomonas 속은

BC와 잔탄의 주요 생산자로, 특히 주목할 만하다.

이들 균주의 대사는 잘 연구되었으며

다수의 완전한 게놈 서열이 확보되어 있어, 유

전자 및 대사 공학을 이용한 고생산성 균주 확보의 기반이 된다 [2].

Bacterial EPSs are classified into two types: homopolysaccharides, which are either unbranched or branched and composed of a single type of monosaccharides such as D-glucose, D-fructose, or D-galactose linked through glycosidic bonds; and heteropolysaccharides, which contain two or more units of different sugars, such as pentose (D-ribose, D-arabinose, D-xylose), hexose (D-glucose, D-galactose, D-mannose), N-acetylated monosaccharides (N-acetyl-glucosamine and N-acetyl-galactosamine), or uronic acids (D-glucuronic acid, D-galacturonic acid), and may be branched or unbranched [6,7,24]. There are four general mechanisms for bacterial EPS biosynthesis: the Wzx/Wzy-dependent pathway, where individual repeating units are assembled by several glycosyltransferases, the ATP-binding cassette (ABC) transporter-dependent pathway, the synthase-dependent pathway, and extracellular biosynthesis by glucan sucrases [1,7,9]. Homopolysaccharides are commonly synthesized using synthase and extracellular synthesis pathways, while heteropolysaccharides are produced by the Wzx/Wzy-dependent pathway and the ABC transporter-dependent pathway. For example, heteropolysaccharide xanthan is synthesized through a Wzy-dependent pathway and homopolysaccharide BC through the synthase pathway [35,36,37]. The biosynthesis of xanthan and BC begins with the synthesis of exopolysaccharide precursors UDP-glucose for BC and UDP-glucose, GDP-mannose, and UDP-glucuronic acid for xanthan. Bacterial EPSs have many unique beneficial properties such as biocompatibility, biodegradability, non-toxicity, a high degree of polymerization, the ability for gelation, high adhesive ability, viscoelasticity, pseudo-plasticity, a thixotropic nature, renewable sourcing, and easy modification. In addition, some bacterial EPSs also have extensive bioactivities, including antibacterial, antifungal, antiviral, antioxidant, anti-inflammatory, antitumor, antidiabetic, antiulcer, anticoagulant, immunomodulatory, prebiotic, wound healing, and cholesterol-lowering activities [1,3,25,27,35,36,37,38,39,40,41,42,43]. Therefore, they have extensive commercial applications in biomedicine, food, pharmaceuticals, cosmetics, electronics, environmental remediation, and the oil and gas industries [1,2,3,4,5,6,7,8,9]. Among bacterial EPSs, the homopolysaccharide BC and the heteropolysaccharide xanthan rank high. They exhibit many unique properties. For example, BC is a 3D nanostructured material with high crystallinity and a large surface area, and xanthan, along with other valuable properties, has pseudo-plasticity, a thixotropic nature, and is resistant to various environmental factors [2]. Over the last years, there have been obtained a great number of xanthan and BC-based biocomposite materials with additional valuable properties, including antimicrobial activity, antioxidant activity, electromagnetic properties, catalytic activity, and others [5,10,11,12].

박테리아 EPS는

두 가지 유형으로 분류됩니다:

단일 당류(예: D-글루코스, D-프럭토스, D-갈락토스)로 구성되며

글리코시드 결합을 통해 연결된,

분지되지 않거나 분지된 동종 다당류;

이종다당류(heteropolysaccharides)는

두 개 이상의 서로 다른 당 단위(예: 오탄당(D-리보스, D-아라비노스, D-자일로스),

헥소스(D-글루코스, D-갈락토스, D-만노스),

N-아세틸화 단당류(N-아세틸글루코사민 및 N-아세틸갈락토사민),

또는 우론산(D-글루쿠론산, D-갈락투론산)과 같은

두 가지 이상의 서로 다른 당 단위를 포함하며,

분지형 또는 비분지형일 수 있다[6,7,24].

박테리아 EPS 생합성에는

네 가지 일반적인 메커니즘이 있습니다:

여러 글리코실트랜스퍼라제에 의해 개별 반복 단위가 조립되는 Wzx/Wzy 의존 경로,

ATP 결합 카세트(ABC) 수송체 의존 경로,

신타제 의존 경로, 그리고

글루칸 수크라아제에 의한 세포외 생합성입니다 [1,7,9].

동종 다당류는

일반적으로 합성효소 및 세포외 합성 경로를 통해 합성되는 반면,

이종 다당류는 Wzx/Wzy 의존 경로와 ABC 수송체 의존 경로를 통해 생성됩니다.

예를 들어,

이종 다당류인 잔탄은 Wzy 의존 경로를 통해 합성되고,

동종 다당류인 BC는 합성효소 경로를 통해 합성됩니다 [35,36,37].

잔탄과 BC의 생합성은

BC의 경우 UDP-글루코스,

잔탄의 경우 UDP-글루코스,

GDP-만노스 및 UDP-글루쿠론산과 같은

외부 다당류 전구체의 합성으로 시작됩니다.

박테리아 EPS는

생체 적합성, 생분해성, 무독성, 높은 중합도, 겔화 능력, 높은 접착력, 점탄성,

유사 가소성, 요변성, 재생 가능 자원, 쉬운 변형 등

많은 독특한 유익한 특성을 가지고 있습니다.

또한 일부 박테리아 EPS는

항균, 항진균, 항바이러스, 항산화, 항염증, 항종양, 항당뇨, 항궤양, 항응고, 면역조절,

프리바이오틱, 상처 치유, 콜레스테롤 저하 활성 등

광범위한 생물학적 활성을 지닙니다 [1,3,25,27,35,36,37,38,39,40,41,42,43].

따라서

생의학, 식품, 제약, 화장품, 전자, 환경 정화, 석유 및 가스 산업 등

광범위한 상업적 응용이 가능합니다 [1,2,3,4,5,6,7,8,9].

박테리아 EPS 중에서는

동종 다당류인 BC와 이종 다당류인 잔탄이 높은 순위를 차지합니다.

이들은 많은 독특한 특성을 나타냅니다.

예를 들어,

BC는 높은 결정성과 큰 표면적을 가진 3차원 나노구조 물질이며,

잔탄은 다른 가치 있는 특성들과 함께 가소성, 요변성을 가지며

다양한 환경 요인에 대한 내성을 보입니다 [2].

최근 몇 년간 항균 활성, 항산화 활성, 전자기 특성, 촉매 활성 등 추가적인 가치 있는 특성을 지닌

잔탄 및 BC 기반 바이오 복합 재료가 다수 개발되었다 [5,10,11,12].

In recent years, such EPSs as BC and xanthan have attracted special attention. One of the main exopolysaccharides produced nowadays is xanthan, with a production of 50,000 tons per year [44]. The global xanthan market has increased significantly (the rate being 5.6%) since 2019. Moreover, its market value is expected to reach USD 1.2 billion by 2030 [9]. Its demand increase is due to applications in the food, agrochemical, cosmetics, driller fluid, and foam stabilizer segments. In addition, in recent years, the range of its application has expanded significantly. Over the past few decades, BC production has also exponentially increased. The BC market was valued at USD 207.36 million in 2016 and is expected to surpass a valuation of USD 700 million in 2026 [45]. Xanthan is one of the most expensive EPSs due to the use of only glucose and sucrose as carbon sources and the cost of the downstream process (approximately 50% of the final cost), since a high purity level is required when it is used in the food industry [9]. BC is also an expensive EPS due to the use of glucose, fructose, and sucrose as carbon sources and low productivity strains (usually not more than 10 g/L) [46].

Therefore, the aim of this review is to summarize the strategies for the cost-effective production of such important industrial exopolysaccharides as xanthan and BC. By the example of these two bacterial EPSs, which differ in their chemical structure and properties, we aim at demonstrating common approaches to their efficient production and obtaining new functional materials based on them for a wide range of applications. Section 1 presents a general idea of the subject highlighting the specific features of xanthan and cellulose compared to other bacterial EPSs. Section 2 provides information on properties, biosynthesis, as well as BC and xanthan producers. Section 3 summarizes strategies for the cost-effective production of xanthan and BC, including their production from wastes, EPS-producing bacteria co-cultivation, biocatalytic technologies, and genetic and metabolic engineering. Section 4 introduces the recent advances in obtaining new functional materials for a wide range of applications, including wound healing, drug delivery, tissue engineering, environmental remediation, nanoelectronics, and 3D bioprinting. At the end of the review, we recommend further studies and investigation for highly efficient BC and xanthan production and for obtaining new functional materials based on them.

최근 몇 년간 BC와 잔탄과 같은 EPS(외부 다당류)가

특별한 관심을 받고 있다.

현재 생산되는 주요 외부 다당류 중 하나인

잔탄의 연간 생산량은

50,000톤에 달한다[44].

글로벌 잔탄 시장은

2019년 이후 크게 성장했으며(성장률 5.6%),

2030년까지 시장 가치가 12억 달러에 달할 것으로 예상됩니다[9].

수요 증가는

식품, 농약, 화장품, 시추 유체, 발포 안정제 분야에서의 응용 때문입니다.

최근 몇 년간 적용 범위도 크게 확대되었다.

지난 수십 년간 BC 생산량도

기하급수적으로 증가했다.

BC 시장은 2016년 2억 736만 달러 규모였으며,

2026년에는 7억 달러를 넘어설 것으로 전망된다 [45].

잔탄은 탄소원으로 포도당과 자당만을 사용하고,

식품 산업에서 사용 시 높은 순도 수준이 요구되기 때문에

다운스트림 공정 비용(최종 비용의 약 50%)이 발생하여

가장 비싼 EPS 중 하나입니다 [9].

BC 역시 포도당, 과당, 자당을 탄소원으로 사용하고

생산성이 낮은 균주(일반적으로 10 g/L 미만)를 사용하기 때문에

고가의 EPS입니다 [46].

따라서

본 리뷰의 목적은

잔탄과 BC와 같은 중요한 산업용 외부 다당류의 비용 효율적 생산 전략을 종합하는 데 있다.

화학적 구조와 특성이 서로 다른 이 두 박테리아 EPS의 사례를 통해,

그 효율적 생산을 위한 공통적 접근법과

이를 기반으로 한 다양한 응용 분야를 위한 새로운 기능성 소재 확보 방안을 제시하고자 한다.

 제1장에서는

샴프란과 셀룰로오스가 다른 박테리아 EPS와 비교하여 지닌 특이적 특징을 강조하며

주제에 대한 일반적 개념을 제시한다. 

제2장에서는

BC와 샴프란의 특성, 생합성, 그리고 이들 생산균에 관한 정보를 제공한다.

 제3장에서는

폐기물로부터의 생산, EPS 생산균의 공동 배양, 생체촉매 기술, 유전자 및 대사 공학을 포함한

샴프란과 BC의 비용 효율적 생산 전략을 요약한다.

 제4절에서는

상처 치유, 약물 전달, 조직 공학, 환경 정화, 나노전자공학, 3D 바이오 프린팅 등

광범위한 응용 분야를 위한 새로운 기능성 소재 확보에 관한 최근 진전을 소개한다.

본 리뷰의 마지막 부분에서는

고효율 BC 및 잔탄 생산과 이를 기반으로 한

새로운 기능성 소재 확보를 위한 추가 연구 및 조사를 권고한다.

2. Properties and Biosynthesis of BC and Xanthan

Xanthan was one of the first bacterial EPSs utilized for industrial production. Compared to other microbial polysaccharides, it is cost-competitive, and therefore the best option both in terms of performance and economically [47]. The global xanthan market is estimated to experience a 15% increase by 2027, which will result in about USD 455.9 million [48]. The main xanthan gum manufacturers are Jungbunzlauer, ADM, Cargill, CP Kelco, Deosen Biochemicals, Fufeng Group, IFF (Dupont), and Meihua Group [49]. The global BC market was valued at USD 250 million in 2017 and estimated to reach USD 680 million by the end of 2025 [7]. The BC market price is about USD 25/kg for the packaged final product [45]. The market price of xanthan is of the next lower order and amounts to about USD 1500–4000/ton [47].

The BC and xanthan chemical structures are comparable. They have cellobiose as a repeating unit. BC is a linear homopolysaccharide with D-glucose residues interconnected by β-1,4-glycosidic bonds (Figure 1A). A cellulose macromolecule is composed of thousands of glucose residues. BC is characterized by a high degree of polymerization, which ranges from 16,000 to 20,000, while for a plant-derived cellulose it is approximately 13,000 [50]. The molecular weight of BC is approximately 2300 kDa in static culture and slightly lower in 10 L and 50 L bubble column bioreactor cultivation, about 1800 and 1700 kDa, respectively [51]. The order in which cellulose macromolecules are arranged is maintained mainly due to the forces of intramolecular and intermolecular hydrogen bonds. In the cellulose structure, each glucose unit is presented with three hydroxyl groups, hydrogen bonds being very important. They have an impact on BC physical, physicochemical, and chemical properties and provide the fibers with high mechanical strength and insolubility in most solvents. In spite of the similar chemical composition, BC structure and properties differ sufficiently from those of plant cellulose [52,53]. Bacteria produce extracellular biodegradable and completely non-toxic cellulose with high purity. BC molecules are arranged strictly parallel to each other to form crystalline microfibrils 100 times thinner than plant cellulose microfibrils. This unique three-dimensional network structure of BC is responsible for most of its properties, such as high tensile strength, high degrees of polymerization and crystallinity (up to 90%), superior mechanical properties (Young’s modulus about 15–35 GPa and tensile strength of 200–300 MPa), a large surface area (>150 m2/g), high elasticity, and water retention [37,54,55,56,57,58].

2. BC 및 잔탄의 특성 및 생합성

잔탄은 산업 생산에 활용된 최초의 박테리아 외막 다당류(EPS) 중 하나이다. 다른 미생물 다당류에 비해 비용 경쟁력이 있어 성능과 경제성 측면에서 모두 최상의 선택지이다[47]. 글로벌 잔탄 시장은 2027년까지 약 15% 성장하여 약 4억 5,590만 달러 규모에 이를 것으로 추정된다[48]. 주요 잔탄검 제조사는 정분즐라우어(Jungbunzlauer), ADM, 카길(Cargill), CP 켈코(CP Kelco), 도선생물화학(Deosen Biochemicals), 푸펑그룹(Fufeng Group), IFF(듀폰), 메이화그룹(Meihua Group)이다[49]. 글로벌 BC 시장은 2017년 2억 5천만 달러 규모였으며, 2025년 말까지 6억 8천만 달러에 달할 것으로 추정된다[7]. 포장된 완제품 기준 BC 시장 가격은 kg당 약 25달러이다[45]. 잔탄의 시장 가격은 그보다 낮은 수준으로 톤당 약 1500~4000달러이다[47].

BC와 잔탄의 화학 구조는 유사하다. 둘 다 셀로비오스를 반복 단위로 한다. BC는 β-1,4-글리코시드 결합으로 연결된 D-글루코스 잔기로 구성된 선형 동종 다당류이다(그림 1A). 셀룰로오스 고분자는 수천 개의 글루코스 잔기로 구성된다. BC는 16,000~20,000의 높은 중합도로 특징지어지며, 식물 유래 셀룰로오스의 경우 약 13,000이다 [50]. BC의 분자량은 정적 배양 시 약 2300 kDa이며, 10 L 및 50 L 버블 컬럼 생물반응기 배양에서는 각각 약 1800 및 1700 kDa로 다소 낮아진다 [51]. 셀룰로오스 거대분자의 배열 순서는 주로 분자 내 및 분자 간 수소 결합의 힘에 의해 유지된다. 셀룰로오스 구조에서 각 포도당 단위는 세 개의 하이드록실기를 가지며, 수소 결합이 매우 중요합니다. 이는 BC의 물리적, 물리화학적, 화학적 특성에 영향을 미치며 섬유에 높은 기계적 강도와 대부분의 용매에 대한 불용성을 부여합니다. 유사한 화학적 조성에도 불구하고, BC의 구조와 특성은 식물성 셀룰로오스와는 상당히 다릅니다 [52,53]. 박테리아는 고순도의 세포외 생분해성 및 완전히 무독성 셀룰로오스를 생산합니다. BC 분자들은 식물성 셀룰로오스 미세섬유보다 100배 얇은 결정성 미세섬유를 형성하기 위해 서로 엄격히 평행하게 배열됩니다. BC의 이러한 독특한 3차원 네트워크 구조는 높은 인장 강도, 높은 중합도 및 결정성(최대 90%), 우수한 기계적 특성 (영률 약 15–35 GPa, 인장 강도 200–300 MPa), 큰 표면적(>150 m2/g), 높은 탄성, 수분 유지력 등을 담당한다[37,54,55,56,57,58].

Xanthan is a heteropolysaccharide containing a cellulose-like backbone of β-1,4-linked glucose units substituted alternately with a trisaccharide side chain composed of two mannose units separated by a glucuronic acid. The internal mannose is mostly O-acetylated, and the terminal mannose can be substituted by a pyruvic acid residue (Figure 1B). Due to the presenting glucuronic and pyruvic acid in the side chain, xanthan represents a highly charged polysaccharide with a very rigid polymer backbone. The content of pyruvate in xanthan ranges from 2.5–4.4%; this suggests that not every residue of the terminal D-mannopyranose in the side chain carries a pyruvate ketal group. Wu M. et al. obtained a genetically engineered X. campestris strain CGMCC 15155, which produces high-viscosity xanthan with a pyruvate content of 8.69% [59]. The low content of the pyruvyl group decreases the viscosity, while the high pyruvyl content contributes to the gel viscosity [60]. The ratio of acetate in the xanthan molecule can also vary depending on the polymer sample. Higher acetyl content decreases the gelling capacity of xanthan gum in an aqueous solution [60]. In addition, the hydrogen of the acetyl, pyruvic, and carboxyl groups in the D-glucuronic acid residue can be replaced by any cation. Thus, the pyranose sugar blocks in xanthan are not always structurally identical to each other, and the present acetic and pyruvic acids form an anionic polysaccharide. Xanthan has a high molecular mass of about 2 × 106 to 2 × 107 Da, which is influenced both by bacterium strains and fermentation conditions [48]. The conformation of a polysaccharide macromolecule changes differently depending on pH, temperature, ionic strength, fermentation duration, medium composition, production method, etc. [61]. Xanthan, in contrast to BC, is a water-soluble bacterial EPS and has high solubility in both cold and hot water. Xanthan molecules in aqueous solutions are prone to self-association, and a gel forms with an increase in the ionic strength of the solution or the concentration of the polysaccharide. It is a three-dimensional network formed from double helixes of xanthan linked by intermolecular hydrogen bonds [62]. Xanthan has a pseudoplastic nature; that is, the viscosity inversely changes with the shear rate of a xanthan solution. Xanthan molecular structure and conformational state are closely associated with its rheology, stability, and function [63,64]. These properties enable it to be used as a thickening, dispersant, emulsifier, and viscous aqueous solution at low concentrations (0.05–1%). Xanthan has a high tolerance to deviations in the pH range of 2–12 and a high resistance to temperature changes. These properties confer industrial relevance and can explain the wide commercial EPS acceptance [65]. The commercial demand is a key point stimulating studies to increase xanthan production on an industrial scale by sustainable processes to exploit the microorganism potential [66,67].

Xanthan is produced by bacteria of the genus Xanthomonas belonging to the class Gammaproteobacteria of the phylum Proteobacteria. The strain type is X. campestris ATCC 33913T [2]. The Xanthomonas spp. differentiates further into pathovars depending on the host plant [68]. Although X. campestris is most commonly employed for the industrial production of xanthan, there are several other strains of genus Xanthomonas which can produce xanthan, including X. pelargonii, X. phaseoli, X. malvacearum, X. arbicola, X. axonopodis, and X. citri [2,69,70,71]. BC, unlike xanthan, can be produced by bacteria of different genera, such as Gram-negative bacteria of the genera Komagataeibacter (Gluconacetobacter) [14,72], Gluconobacter [73], Acetobacter [74], Achromobacter [75], Agrobacterium [76], Enterobacter [77], Pseudomonas [78], Rhizobium [79], Salmonella [80], and others, as well as Gram-positive bacteria of the genera Bacillus [81], Sarcina, and Rhodococcus [82]. The most common and highly productive BC producers are acetic bacteria species of the Komagataeibacter genus belonging to the Acetobacteraceae family, class Alphaproteobacteria, phylum Proteobacteria [2].

잔탄은 β-1,4 결합 글루코스 단위로 구성된 셀룰로오스 유사 골격에 글루쿠론산으로 분리된 두 개의 만노스 단위로 구성된 삼당류 측쇄가 교대로 치환된 이종다당류이다. 내부 만노스는 대부분 O-아세틸화되어 있으며, 말단 만노스는 피루브산 잔기로 치환될 수 있다 (그림 1B). 측쇄에 존재하는 글루쿠론산과 피루브산으로 인해 잔탄은 매우 경직된 중합체 골격을 가진 고전하 다당류이다. 잔탄 내 피루브산 함량은 2.5~4.4% 범위로, 이는 측쇄 말단 D-만노피라노스 잔기 모두가 피루브산 케탈기를 지니지 않음을 시사한다. Wu M. 등은 유전자 조작된 X. campestris 균주 CGMCC 15155를 얻었는데, 이 균주는 피루브산 함량이 8.69%인 고점도 잔탄을 생산한다 [59]. 피루빌 그룹 함량이 낮으면 점도가 감소하는 반면, 피루빌 함량이 높으면 겔 점도에 기여한다 [60]. 잔탄 분자 내 아세테이트 비율도 중합체 샘플에 따라 달라질 수 있다. 아세틸 함량이 높을수록 잔탄검의 수용액 내 겔화 능력이 감소한다[60]. 또한 D-글루쿠론산 잔기 내 아세틸, 피루브산, 카르복실기의 수소는 어떤 양이온으로도 치환될 수 있다. 따라서 잔탄의 피라노스 당 단위는 항상 구조적으로 동일하지 않으며, 존재하는 아세트산과 피루브산은 음이온성 다당류를 형성한다. 잔탄은 약 2 × 106~2 × 107 Da의 높은 분자량을 가지며, 이는 균주와 발효 조건 모두에 의해 영향을 받는다 [48]. 다당류 거대분자의 구조는 pH, 온도, 이온 강도, 발효 기간, 배지 조성, 생산 방법 등에 따라 다르게 변화한다[61]. 잔탄은 BC와 달리 수용성 세균성 외막 다당류(EPS)로, 냉수 및 온수 모두에서 높은 용해성을 보인다. 수용액 내 잔탄 분자는 자가 결합 경향이 있으며, 용액의 이온 강도 또는 다당류 농도가 증가함에 따라 겔이 형성됩니다. 이는 잔탄의 이중 나선 구조가 분자간 수소 결합으로 연결되어 형성된 3차원 네트워크입니다[62]. 잔탄은 가소성 특성을 지니며, 즉 잔탄 용액의 점도는 전단 속도에 반비례하여 변화한다. 잔탄의 분자 구조와 구조적 상태는 그 유변학적 특성, 안정성 및 기능과 밀접하게 연관되어 있다[63,64]. 이러한 특성 덕분에 잔탄은 저농도(0.05–1%)에서도 증점제, 분산제, 유화제 및 점성 수용액으로 사용될 수 있다. 잔탄은 pH 2–12 범위에서 높은 내성을 보이며 온도 변화에 대한 저항성도 뛰어납니다. 이러한 특성들은 산업적 중요성을 부여하며 상업적 EPS(생물유래 다당류)의 광범위한 수용을 설명할 수 있습니다 [65]. 상업적 수요는 미생물의 잠재력을 활용하기 위해 지속 가능한 공정으로 산업 규모 잔탄 생산을 증대시키는 연구를 촉진하는 핵심 요소입니다 [66,67].

잔탄은 프로테오박테리아문(門)의 감마프로테오박테리아강(綱)에 속하는 잔토모나스속(屬)의 박테리아에 의해 생산됩니다. 대표 균주는 잔토모나스 캠페스트리스 ATCC 33913T입니다[2]. Xanthomonas 속은 숙주 식물에 따라 병변형(pathovar)으로 추가 구분된다[68]. X. campestris가 샐러틴 산업 생산에 가장 흔히 사용되지만, X. pelargonii, X. phaseoli, X. malvacearum, X. arbicola, X. axonopodis, X. citri 등이 있습니다[2,69,70,71]. 샴탄과 달리 BC는 다른 속의 박테리아, 예를 들어 그람 음성균인 Komagataeibacter (Gluconacetobacter) 속[14,72], Gluconobacter [73], Acetobacter [74], Achromobacter [75], Agrobacterium [76], Enterobacter [77], Pseudomonas [78], Rhizobium [79], Salmonella [80] 등의 그람음성균과 Bacillus [81], Sarcina, Rhodococcus [82]. 가장 흔하고 생산성이 높은 BC 생산균은 알파프로테오박테리아문(門), 프로테오박테리아강(綱), 아세토박테리아과(科)에 속하는 코마가타에이박터 속의 아세트산균 종들이다 [2].

Figure 1. Schematic overview of BC (A) and xanthan (B) chemical structure and biosynthesis machinery of BC (C) and xanthan (D). Adapted from Refs. [36,83] (open access).

BC producers Komagataeibacter sp. and xanthan producers Xanthomonas sp. are Gram-negative bacteria that have the periplasmic space between the bacterial cytoplasmic and outer membranes, where important steps in EPS biosynthesis occur (Figure 1C,D). The biosynthesis of BC and xanthan begins intracellularly with the synthesis of exopolysaccharide precursors uridine diphosphate glucose (UDP)-glucose for BC and UDP-glucose, GDP-mannose, and UDP-glucuronic acid for xanthan. BC biosynthesis involves three stages, including UDP-glucose synthesis through a series of enzymatic reactions, cellulose molecular chain synthesis under the function of cellulose synthase (CS), and cellulose crystallization and polymerization. In Gram-negative bacteria, CS is composed of four polypeptide subunits, including a catalytic BcsA subunit, an inner membrane-anchored BcsB subunit having a carbohydrate-binding domain, a BcsC subunit (secretion of a glucan chain through the outer membrane), and a BcsD subunit (crystallization subunit) (Figure 1C) [83]. One of the well-characterized mechanisms regulating BC biosynthesis is the allosteric activation of BcsA with a cyclic di-GMP (c-di-GMP) molecule, a universal bacterial second messenger discovered by Moshe Benziman and his group in 1987 after many years of studying the mechanism and regulation of BC biosynthesis in the bacterium Acetobacter xylinum (K. xylinus) [84,85]. The CS complex is encoded by cellulose synthase operons known as bcs operons, which regulate intracellular biosynthesis, extracellular transport across the cellular membranes, and the in vitro assembly of cellulose fibrils into highly ordered structures [37]. In the past few decades, extensive work has been carried out to characterize BC biosynthesis [83,84,85,86,87,88]. Xanthan is produced using a Wzy-dependent pathway which has several steps, including the synthesis of exopolysaccharide precursors, repeat-unit assembly on a lipidcarrier located at the cytoplasmic membrane, membrane translocation to the periplasmic face, polymerization by a block-transfer mechanism involving Wzy polymerase, and export (Figure 1D) [36].

그림 1. BC(A) 및 잔탄(B)의 화학 구조와 BC(C) 및 잔탄(D)의 생합성 기전의 개략적 개요. [36,83] (오픈 액세스)에서 수정.

BC 생산균 Komagataeibacter sp. 및 잔탄 생산균 Xanthomonas sp.는 그람 음성균으로, 세포질막과 외막 사이에 페리플라스마 공간을 가지며, 여기서 다당류 생합성의 중요한 단계가 발생한다(그림 1C,D). BC와 잔탄의 생합성은 세포 내에서 시작되며, BC의 경우 외부 다당류 전구체인 우리딘 이인산 글루코스(UDP)-글루코스, 잔탄의 경우 UDP-글루코스, GDP-만노스, UDP-글루로닉산의 합성으로 진행됩니다. BC 생합성은 일련의 효소 반응을 통한 UDP-글루코스 합성, 셀룰로오스 합성효소(CS)의 기능 하에 이루어지는 셀룰로오스 분자 사슬 합성, 그리고 셀룰로오스 결정화 및 중합이라는 세 단계를 포함한다. 그람 음성균에서 CS는 촉매 BcsA 서브유닛, 탄수화물 결합 도메인을 가진 내막 고정형 BcsB 서브유닛, 외막을 통한 글루칸 사슬 분비를 담당하는 BcsC 서브유닛, 결정화 서브유닛인 BcsD 서브유닛으로 구성된다(그림 1C) [83]. BC 생합성을 조절하는 잘 알려진 메커니즘 중 하나는 사이클릭 디-GMP(c-di-GMP) 분자에 의한 BcsA의 알로스테릭 활성화이다. c-di-GMP는 보편적인 세균성 제2신호전달물질로, 모셰 벤지만(Moshe Benziman)과 그의 연구팀이 Acetobacter xylinum (K. xylinus) 세균에서 BC 생합성의 메커니즘과 조절을 수년간 연구한 끝에 1987년에 발견하였다[84,85]. CS 복합체는 bcs 오페론으로 알려진 셀룰로오스 합성효소 오페론에 의해 암호화되며, 이는 세포 내 생합성, 세포막을 통한 세포 외 수송, 그리고 시험관 내에서 셀룰로오스 섬유를 고도로 정렬된 구조로 조립하는 과정을 조절한다 [37]. 지난 수십 년간 BC 생합성을 규명하기 위한 광범위한 연구가 수행되었다 [83,84,85,86,87,88]. 잔탄은 Wzy 의존적 경로를 통해 생산되며, 이 경로는 외부 다당류 전구체 합성, 세포질막에 위치한 지질 운반체 상에서의 반복 단위 조립, 세포막을 통한 세포질간 공간으로의 이동, Wzy 중합효소가 관여하는 블록 전이 메커니즘에 의한 중합, 그리고 수출 등 여러 단계를 포함한다(그림 1D) [36].

3. Strategies for Cost-Effective Production of Xanthan and BC

Like other EPSs, xanthan and BC yield and quality depend on many parameters and variables, including culture medium composition, temperature, pH, oxygen transfers, agitation rate, inoculum volume, cultivation method, fermentation duration, etc. Statistical methods have been applied systematically to optimize xanthan and BC production parameters [89,90,91,92,93,94,95,96,97,98]. A recent interesting review by Rocha et al. (2023) presents the main BC biosynthesis processes and strategies to optimize its production at industrial scale for the purposes of bioeconomy [99]. Xanthan is produced through submerged aerobic fermentation under dynamic conditions. The optimum temperature and pH for xanthan production is 28–30 °C and pH 7–8, respectively. Various types of bioreactors have been used for xanthan production, but mechanically stirred bioreactors are the most common. In stirred reactors, the rate of oxygen mass transfer is affected by the air flow rate and stirrer speed. The air flow rate is usually maintained at a constant level, typically 1 L/L min. The stirrer speed usually varies during culture from lower values (200–300 rpm) at the beginning of the fermentation to higher values (400–600 rpm) later on. The fermentation is to be followed by the thermal inactivation of the bacterium X. campestris, since the bacterium is phytopathogenic. The next step is xanthan precipitation, which proceeds using a solvent, like ethanol, methanol, isopropyl alcohol, acetone, etc. Precipitated xanthan should be dried and ground to obtain a powder. Figure 2A shows xanthan production in agitated conditions. BC is also produced by aerobic fermentation, although, unlike xanthan, under both dynamic and static conditions (Figure 2B,C). The method selection depends on the final BC applications as well as the required morphological, mechanical, and physicochemical characteristics [100]. The static cultivation method is a traditional approach for BC production, and it has become widespread. According to the method, bacteria are grown in the containers with a growth medium, usually for 7–14 days at 28–30 °C and a pH of 4–7. A BC gel film forms on the medium surface, its size depending on the surface area of the medium (Figure 2(Ba)). After purification with sodium hydroxide by heating and further washing deionized water until the pH became neutral, the film becomes colorless and transparent (Figure 2(Bb)). Figure 2(Bc) shows BC micromorphology, which exhibits a nanoporous three-dimensional network structure with a random arrangement of ribbon-shaped fibrils. The high cost and low rate of production are the two main problems in static culture systems. However, BC produced using static conditions has more advantages in biomedical fields due to having a higher crystallinity, a linear structure, good flexibility, and elasticity. Agitated cultivation is the preferred method for BC industrial production. Less space is required in agitated cultivation compared to the static condition, and the aeration rate is higher during BC production. Different types of bioreactors are utilized for this purpose, including stirred tank bioreactors, airlift bioreactors, rotating disk reactors, rotary biofilm contactor reactors, and reactors with silicone membranes [100]. BC obtained under dynamic conditions has a high water-holding capacity but usually a lower crystallinity. Figure 2C shows BC produced by K. sucrofermentans B-11267 in dynamic conditions using HS medium (a), whey (b), and thin stillage (TS) (c), and an AFM image of the cellulose microfibrils is shown.

3. 잔탄 및 BC의 비용 효율적 생산 전략

다른 EPS와 마찬가지로 잔탄 및 BC의 수율과 품질은 배지 조성, 온도, pH, 산소 전달, 교반 속도, 접종량, 배양 방법, 발효 기간 등 다양한 매개변수와 변수에 따라 달라집니다. 잔탄 및 BC 생산 매개변수 최적화를 위해 통계적 방법이 체계적으로 적용되었다 [89,90,91,92,93,94,95,96,97,98]. Rocha 등(2023)의 최근 흥미로운 리뷰는 바이오경제 목적의 산업 규모 생산 최적화를 위한 주요 BC 생합성 과정과 전략을 제시한다 [99]잔탄은 동적 조건 하의 침지 호기성 발효를 통해 생산됩니다. 잔탄 생산의 최적 온도와 pH는 각각 28–30°C 및 pH 7–8입니다. 잔탄 생산에는 다양한 유형의 생물반응기가 사용되었으나, 기계식 교반 생물반응기가 가장 일반적입니다. 교반 반응기에서 산소 질량 전달 속도는 공기 유량과 교반기 속도에 영향을 받습니다. 공기 유량은 일반적으로 1 L/L min의 일정 수준으로 유지됩니다. 교반기 속도는 발효 초기 낮은 값(200–300 rpm)에서 후반 높은 값(400–600 rpm)으로 변화하는 것이 일반적입니다. 발효 후에는 식물 병원성 세균인 X. campestris의 열적 불활성화가 수행됩니다. 다음 단계는 잔탄 침전으로, 에탄올, 메탄올, 이소프로필 알코올, 아세톤 등의 용매를 사용하여 진행됩니다. 침전된 잔탄은 건조 및 분쇄하여 분말을 얻어야 합니다. 그림 2A는 교반 조건에서의 잔탄 생산을 보여줍니다. BC는 잔탄과 달리 동적 및 정적 조건 모두에서 호기성 발효를 통해 생산됩니다(그림 2B,C). 방법 선택은 최종 BC 용도뿐만 아니라 요구되는 형태학적, 기계적, 물리화학적 특성에 따라 달라집니다[100]. 정적 배양법은 BC 생산의 전통적 접근법으로 널리 보급되었다. 이 방법에 따르면 박테리아는 배지 용기에서 일반적으로 28~30°C, pH 4~7 조건에서 7~14일간 배양된다. 배지 표면에 BC 겔 막이 형성되며, 그 크기는 배지 표면적에 따라 달라진다(그림 2(Ba)). 가열을 통한 수산화나트륨 정제 및 pH가 중성이 될 때까지 탈이온수로 추가 세척 후, 막은 무색 투명해진다(그림 2(Bb)). 그림 2(Bc)는 BC의 미세 형태를 보여주며, 리본 모양 섬유들이 무작위로 배열된 나노 다공성 3차원 네트워크 구조를 나타낸다. 고비용과 낮은 생산 속도는 정적 배양 시스템의 두 가지 주요 문제점이다. 그러나 정적 조건에서 생산된 BC는 높은 결정성, 선형 구조, 우수한 유연성 및 탄성을 지녀 생의학 분야에서 더 많은 장점을 가진다. BC 산업 생산에는 교반 배양이 선호되는 방법이다. 교반 배양은 정적 조건에 비해 공간 요구량이 적으며, BC 생산 중 공기 공급률이 더 높다. 이를 위해 교반 탱크 생물반응기, 에어리프트 생물반응기, 회전 디스크 반응기, 회전 생물막 접촉기 반응기, 실리콘 막 반응기 등 다양한 유형의 생물반응기가 활용된다[100]. 동적 조건에서 얻은 BC는 높은 수분 보유 능력을 가지지만 일반적으로 결정도가 낮다. 그림 2C는 HS 배지(a), 유청(b), 얇은 증류 잔류물(TS) (c)를 사용하여 동적 조건에서 생산된 BC와 셀룰로오스 미세섬유의 AFM 이미지를 보여줍니다.

Figure 2. (A) Xanthan formed in agitated culture conditions, culture medium after fermentation (a), xanthan precipitation (b), precipitated xanthan (c); (B) BC gel film obtained in static conditions before (a) and after purification (b), and AFM image of the cellulose microfibrils (c); (C) BC produced by K. sucrofermentans B-11267 in dynamic conditions using HS medium (a), whey (b), and thin stillage (TS) (c), and AFM image of the cellulose microfibrils. Adapted from Refs. [2,46] (open access).

그림 2. (A) 교반 배양 조건에서 형성된 잔탄: 발효 후 배지(a), 잔탄 침전(b), 침전된 잔탄(c); (B) 정적 조건에서 얻은 BC 겔 필름 정제 전(a) 및 정제 후(b), 그리고 셀룰로오스 미세섬유(c)의 AFM 이미지; (C) K. sucrofermentans B-11267에 의해 동적 조건에서 HS 배지(a), 유청(b), 얇은 증류 잔류물(TS)(c)을 사용하여 생산된 BC 및 셀룰로오스 미세섬유의 AFM 이미지. [2,46] (오픈 액세스)에서 발췌.

3.1. BC and Xanthan Production from Wastes

Recently, many studies have focused on cheap nutrient sources, diverse strains of producing microorganisms, as well as on improving their culture conditions for the purpose of cost-effective xanthan and BC production [45,100,101,102,103,104,105]. The high cost of fermentation media is the limiting factor for the economic production of BC and xanthan. Nearly 30% of the process cost is likely to be the cost of a nutrient medium [106]. Among culture media, the most frequently used one is a chemically defined media. For example, the standard medium for obtaining BC is the Hestrin–Schramm (HS) medium, which contains expensive components, e.g., glucose, peptone, yeast extract, citric acid, and disodium phosphate. Other carbon sources such as fructose, maltose, xylose, sucrose, galactose, and others can be an alternative to glucose in the HS medium to optimize and increase BC production [107,108]. However, they are not economically viable for industrial scale production either [98]. Many researchers point out that the most promising medium for producing xanthan is sucrose supplemented with salts [92,109]. Also, starches (corn starch, potato starch), which have a relatively high cost, can serve as a source of carbon for xanthan production [110].

3.1. 폐기물을 이용한 BC 및 잔탄 생산

최근 많은 연구에서 비용 효율적인 잔탄 및 BC 생산을 위해 저렴한 영양원, 다양한 생산 미생물 균주, 그리고 배양 조건 개선에 초점을 맞추고 있다 [45,100,101,102,103,104,105]. 발효 배지의 높은 비용은 BC와 잔탄의 경제적인 생산을 제한하는 요소이다. 공정 비용의 약 30%가 영양 배지 비용으로 추정된다 [106]. 배지 중 가장 흔히 사용되는 것은 화학적으로 정의된 배지이다. 예를 들어, BC 생산을 위한 표준 배지는 헤스트린-슈람(HS) 배지로, 포도당, 펩톤, 효모 추출물, 구연산, 인산이수소나트륨 등 고가의 성분을 포함한다. HS 배지에서 포도당을 대체하여 BC 생산을 최적화하고 증대시키기 위해 과당, 맥아당, 자일로스, 설탕, 갈락토스 등 다른 탄소원을 사용할 수 있다[107,108]. 그러나 이들 역시 산업 규모 생산에는 경제성이 부족하다[98]. 많은 연구자들은 잔탄 생산에 가장 유망한 배지가 염을 보충한 자당 배지라고 지적한다[92,109]. 또한 상대적으로 높은 비용을 가진 전분(옥수수 전분, 감자 전분)도 잔탄 생산의 탄소원으로 활용될 수 있다[110].

Whereas cost is a limiting factor in EPS production, many investigations are intent on using industrial wastes and by-products as a cost-effective substrate to produce BC and xanthan [45,101,102,103,104,105]. Kadier et al. (2021) divided industrial wastes into six groups: (1) brewery and beverages industries wastes; (2) agro-industrial wastes; (3) lignocellulosic biorefineries, pulp mills, and sugar industries wastes; (4) textile mills; (5) micro-algae industry wastes; and (6) biodiesel industry wastes [101]. Currently, several reviews on BC and xanthan production from food and agro-industrial wastes have been reported [45,101,102,103,104,105]. So, a recent review by Khan et al. (2023) has discussed the possibility of producing BC from different foods and agro-industrial wastes, describing various fermentation methods used for BC production as well as the biochemical and molecular regulation of BC production during its microbial synthesis [102]. Figure 3 shows a schematic overview of BC and xanthan production from different food and agro-industrial wastes.

EPS 생산에서 비용이 제한 요소인 반면, 많은 연구는 BC 및 잔탄 생산을 위한 비용 효율적인 기질로 산업 폐기물 및 부산물을 활용하는 데 주력하고 있다 [45,101,102,103,104,105]. Kadier 등(2021)은 산업 폐기물을 다음과 같이 6개 그룹으로 분류하였다: (1) 양조 및 음료 산업 폐기물; (2) 농산업 폐기물; (3) 리그노셀룰로오스 바이오리파이너리, 펄프 공장 및 설탕 산업 폐기물; (4) 섬유 공장; (5) 미세조류 산업 폐기물; (6) 바이오디젤 산업 폐기물 [101]. 현재 식품 및 농업 산업 폐기물을 이용한 BC 및 잔탄 생산에 관한 여러 리뷰가 보고되었다 [45,101,102,103,104,105]. 따라서 Khan 등(2023)의 최근 리뷰는 (2023)의 최근 리뷰는 다양한 식품 및 농업 산업 폐기물로부터 BC 생산 가능성을 논의하며, BC 생산에 사용되는 다양한 발효 방법과 미생물 합성 과정에서의 BC 생산에 대한 생화학적 및 분자적 조절을 기술하였다 [102]. 그림 3은 다양한 식품 및 농업 산업 폐기물로부터 BC 및 잔탄 생산의 개략적 개요를 보여준다.

Figure 3. Schematic overview of BC and xanthan production from different food and agro-industrial wastes.

The main results on the use of some food and agro-industrial wastes for BC production by Komagataeibacter sp. are summarized in Table 1. Table 2 summarizes some of the food and agro-industrial wastes that serve as a potential source of xanthan production.

Table 1. Food and agro-industrial wastes utilized as feedstocks for BC production by Komagataeibacter sp.

Table 2. Food and agro-industrial wastes utilized as feedstocks for xanthan production.

After the industrial processing of fruits in juice factories, a huge amount of fruit peels remain, such as the peels of pomegranate, mango, pineapple, banana, citrus, and other fruits [162]. They are inexpensive raw materials for obtaining bacterial EPS. For example, Hasanin et al. (2023) reported about the sustainable BC production by Achromobacter using mango peel waste [75]. In addition, there were reports on BC production using pineapple and watermelon peels [163], citrus peel and pomace [134,164,165], and banana peel [166]. Abdelraof et al. (2019) reported about the production of BC from potato peel waste [162]. Xanthan was also produced from fruit and vegetable peels. So, Mohsin et al. (2018) optimized xanthan biosynthesis in a 15-L fermenter to achieve maximum polysaccharide production from 30.19 g/L of orange peels [146]. Shiram et al. (2021) reported a xanthan yield of 40.88 g/L and 31.4 g/L using food wastes and carrot and pumpkin peels, respectively [104]. This year, Chaiyachet et al. (2023) reported on BC production from K. xylinus TISTR 1011 and K. nataicola TISTR 975 using yam bean juice as a nutrient source [139]. Gorgieva et al. (2023) first reported on utilizing a grape pomace hydrolysate without enzymatic treatment as a sole culture medium for efficient BC production with the recently described species K. melomenusus AV436T [117]. The membranes were synthesized in only 4 days of bacteria culturing with a BC yield of 1.24 g/L.

Many studies have focused on using crude glycerol, which is a by-product of the biodiesel industry, to produce valuable products. It will both reduce the cost of xanthan and BC and resolve the excess glycerol problem. However, crude glycerol contains various impurities (namely: methanol, ethanol, inorganic salts, metals, long chain fatty acids, and soaps) to which producing microorganisms must be tolerant [155]. The article by Rončević et al. (2020) confirmed the possibility of xanthan production on a crude glycerol-based medium as a sole carbon source using different X. campestris strains [155]. The results obtained indicate that all the strains considered can be used as xanthan-producing microorganisms on a crude glycerol-based medium, and the highest xanthan concentration (7.67 g/L) was obtained using the Xp 3–1 strain. Wang et al. (2017) produced xanthan by a mutant strain X. campestris CCTCC M2015714 with glycerol as the sole carbon source [167]. The strain that could use glycerol to produce high-transparency and low-viscosity xanthan was obtained by adaptive evolution, and the yield of xanthan reached 11.0 g/L [154]. BC is the only commercially important exopolysaccharide whose synthesis on glycerol has been performed for a relatively long time, and therefore there is an abundance of accumulated data [168]. The review by Zikmanis et al. (2021) summarized the current knowledge on using glycerol to obtain BC, including information about producer cultures, composition of culture media, cultivation conditions, and productivity of bioprocesses [168]. Glycerin easily penetrates into producers’ cells by facilitated diffusion, while other renewable and cost-efficient feedstocks, such as molasses or cheese whey, require an enzymatic or chemical hydrolysis of relevant disaccharides (sucrose and lactose, respectively). The efficiency of using glycerol is also determined by the fact that the necessary enzymatic stages of its catabolism are well represented in the metabolic network of BC producers [169]. Although glycerol consumption is lower than that of glucose, it better contributes to BC production, since 48% of glycerol is used for the biosynthesis of this polymer, whereas glucose contribution to this process reaches 40% [170]. This factor is likely explained by the non-accumulation of organic acids when glycerol is used as a carbon and energy source for microorganism growth. Glycerol can be used in a purified and in a crude, unpurified form. Purified glycerol is predominantly a part of the composition of nutrient media, although a sufficiently high BC yield is also achieved when using crude glycerol [145,169,171,172]. So, Dikshit and Kim (2020) reported the highest BC production (3.40 g/L) to be observed at 50 g/L of initial pure glycerol concentration and 2.93 g/L with the same amount of crude glycerol [145].

Dairy, sugar, and alcohol industrial wastes such as whey, molasses, and stillage were also studied and considered as alternative substrates to enhance EPS production. Recently, several reviews on the production of biodegradable microbial polymers from whey have been reported [173,174,175]. This byproduct of the dairy industry has a high biochemical oxygen demand (BOD) that causes various environmental problems. On the other hand, it contains about 55% of the nutrients from the original milk, including carbohydrates such as lactose (45–50 g/L) and small amounts of galactose, glucose, arabinose, and lactulose, as well as soluble proteins (6–8 g/L), lipids (4–5 g/L), mineral salts (8–10% of dried extract), amino acids, vitamins, and organic acids such as lactic acid and citric acid [176,177,178]. Some researchers have studied the effect of whey on BC production. For example, Carreira et al. (2011) and Tsouko et al. (2015) observed a low BC yield from cheese whey [179,180]. However, Suwanposri et al. (2014) obtained BC in the amount of 4.10 g/L on day 7 of the static cultivation of Komagataeibacter sp. PAP1 using soya bean whey [98]. In addition, Revin et al. (2018) obtained BC in the amount of 5.45 g/L on the third day of cultivation of K. sucrofermentans B-11267 under agitated conditions using cheese whey without any pretreatment or adding other nitrogen sources [112]. The crystallinity of BC was 50.2%. Recently, Salari et al. (2019) and Brugnoli et al. (2023) have investigated the cheese whey treated with β-galactosidase as potential feedstock for producing BC [114,175]. So, Salari et al. obtained BC in the amount of 3.55 g/L on day 14 of the static cultivation of G. xylinus PTCC 1734 [114]. Brugnoli et al. observed the highest BC yield of 0.3 g BC/g of a carbon source consumed culturing Komagataeibacter sp. K2G39 isolated from green tea kombucha using cheese whey with an initial lactose concentration of 40.12 g/L, which was almost completely hydrolyzed after being treated with β-galactosidase [175]. The crystallinity of BC was 53.55%. Most of Xanthomonas wild species do not consume lactose because of their low β-galactosidase activity. To solve the problem, several efforts have been made to transfer the β-galactosidase genes by plasmid or phage vectors to the Xanthomonas genome and force the bacteria into lactose consumption [181]. Mutagenesis methods have also been used to develop mutated strains for lactose consumption [182,183]. But genetic modification is usually associated with some disadvantages, including the production of antibiotic-resistant strains and strain instability [182]. The risk of genetically modified organisms in food industries may also be a suppressing factor. To solve the problem, the best option is to use the native strains which have the natural ability to use lactose for xanthan production. So, Ramezani et al. showed the highest amount of produced xanthan by the X. citri NIGEB-K37 strain in a lactose-based medium (lactose 10%) to be 14.26 g/L [71]. Moravej et al. (2020) increased the amount of xanthan to 18.4 g/L in the cheese whey medium without adding more lactose using the X. citri NIGEB-K37 [157].

과즙 공장에서 과일을 산업적으로 가공한 후에는 석류, 망고, 파인애플, 바나나, 감귤류 및 기타 과일의 껍질과 같은 엄청난 양의 과일 껍질이 남게 됩니다 [162]. 이들은 박테리아 다당류(EPS)를 얻기 위한 저렴한 원료이다. 예를 들어, Hasanin 등(2023)은 망고 껍질 폐기물을 이용한 Achromobacter에 의한 지속 가능한 BC 생산에 대해 보고하였다[75]. 또한 파인애플 및 수박 껍질[163], 감귤류 껍질 및 찌꺼기[134,164,165], 바나나 껍질[166]을 이용한 BC 생산에 관한 보고가 있었다. Abdelraof 등(2019)은 감자 껍질 폐기물로 BC 생산에 대해 보고하였다[162]. 잔탄은 과일 및 채소 껍질에서도 생산되었다. 따라서 Mohsin 등(2018)은 15L 발효기에서 잔탄 생합성을 최적화하여 오렌지 껍질 30.19 g/L로부터 최대 다당류 생산을 달성하였다[146]. 시람 등(2021)은 식품 폐기물과 당근·호박 껍질을 각각 사용하여 40.88 g/L 및 31.4 g/L의 잔탄 수율을 보고하였다 [104]. 올해 Chaiyachet 등(2023)은 영양원으로 참마즙을 사용하여 K. xylinus TISTR 1011 및 K. nataicola TISTR 975로부터 BC 생산을 보고하였다 [139]. Gorgieva 등(2023)은 최근 보고된 종 K. melomenusus AV436T를 이용한 효율적인 BC 생산을 위해 효소 처리 없이 포도 찌꺼기 가수분해물을 단독 배지로 활용하는 방법을 최초로 보고하였다 [117]. 박막은 단 4일간의 박테리아 배양으로 합성되었으며 BC 수율은 1.24 g/L이었다.

많은 연구가 바이오디젤 산업의 부산물인 원유 글리세롤을 활용해 가치 있는 제품을 생산하는 데 초점을 맞추고 있다. 이는 잔탄과 BC의 생산 비용을 절감하고 과잉 글리세롤 문제를 해결할 수 있다. 그러나 원유 글리세롤에는 다양한 불순물(메탄올, 에탄올, 무기염, 금속, 장쇄 지방산, 비누 등)이 포함되어 있어 생산 미생물이 이에 내성을 가져야 한다[155]. Rončević 등(2020)의 논문은 다양한 X. campestris 균주를 사용하여 원유 글리세롤 기반 배지를 유일한 탄소원으로 한 잔탄 생산 가능성을 확인하였다[155]. 얻어진 결과는 고려된 모든 균주가 원유 글리세롤 기반 배지에서 잔탄 생산 미생물로 사용될 수 있으며, Xp 3–1 균주를 사용하여 가장 높은 잔탄 농도 (7.67 g/L)은 Xp 3–1 균주를 사용하여 얻었다. Wang 등(2017)은 글리세롤을 유일한 탄소원으로 사용하여 돌연변이 균주 X. campestris CCTCC M2015714로 잔탄을 생산하였다[167]. 글리세롤을 사용하여 고투명도 및 저점도 잔탄을 생산할 수 있는 균주는 적응 진화를 통해 얻어졌으며, 잔탄의 수율은 11.0 g/L에 달했습니다 [154]. BC는 글리세롤을 원료로 합성이 비교적 오랫동안 수행되어 온 유일한 상업적으로 중요한 외부 다당류이며, 따라서 축적된 데이터가 풍부하다 [168]. Zikmanis 등(2021)의 리뷰는 글리세롤을 이용한 BC 생산에 관한 현재의 지식을 종합하여 생산균주, 배지 조성, 배양 조건 및 생물공정의 생산성 등에 관한 정보를 포함하였다 [168]. 글리세린은 촉진 확산을 통해 생산자 세포로 쉽게 침투하지만, 당밀이나 치 생산균 세포로 용이한 확산을 통해 쉽게 침투하는 반면, 당밀이나 치즈 유청과 같은 다른 재생 가능하고 비용 효율적인 원료는 관련 이당류(각각 자당과 유당)의 효소적 또는 화학적 가수분해를 필요로 합니다. 글리세롤 사용의 효율성은 또한 그 분해에 필요한 효소 단계가 BC 생산균의 대사 네트워크에 잘 표현되어 있다는 사실에 의해 결정됩니다[169]. 글리세롤 소비량은 포도당보다 낮지만, BC 생산에 더 효과적으로 기여한다. 글리세롤의 48%가 이 중합체 생합성에 사용되는 반면, 포도당의 기여도는 40%에 그치기 때문이다[170]. 이 요인은 미생물 성장의 탄소 및 에너지원으로 글리세롤을 사용할 때 유기산이 축적되지 않기 때문으로 설명될 수 있다. 글리세롤은 정제된 형태와 정제되지 않은 원유 형태로 사용될 수 있습니다. 정제된 글리세롤은 주로 배지 조성의 일부로 사용되지만, 원유 글리세롤을 사용할 때도 상당히 높은 BC 수율을 달성할 수 있습니다[145,169,171,172]. 따라서 Dikshit과 Kim(2020)은 초기 순수 글리세롤 농도 50 g/L에서 가장 높은 BC 생산량(3.40 g/L)이 관찰되었으며, 동일한 양의 원유 글리세롤에서는 2.93 g/L의 생산량을 보고하였다 [145].

유청, 당밀, 증류 잔류물 등 유제품, 설탕, 알코올 산업 폐기물도 연구되어 EPS 생산 증진을 위한 대체 기질로 고려되었다. 최근 유청으로부터 생분해성 미생물 고분자 생산에 관한 여러 리뷰가 보고되었다 [173,174,175]. 이 유제품 산업 부산물은 높은 생화학적 산소 요구량(BOD)을 지녀 다양한 환경 문제를 유발한다. 반면, 원유 영양소의 약 55%를 함유하며, 여기에는 유당(45–50 g/L)과 소량의 갈락토스, 포도당, 아라비노스, 락툴로스 등의 탄수화물과 수용성 단백질(6–8 g/L), 지질(4–5 g/L), 무기염류(건조 추출물의 8–10%), 아미노산, 비타민, 젖산 및 구연산 등의 유기산을 포함한다[176,177,178]. 일부 연구자들은 유청이 바이오카본 생산에 미치는 영향을 연구했습니다. 예를 들어, Carreira 등(2011)과 Tsouko 등(2015)은 치즈 유청에서 낮은 바이오카본 수율을 관찰했습니다[179,180]. 그러나 Suwanposri 등(2014)은 콩 유청을 사용한 Komagataeibacter sp. PAP1의 정적 배양 7일차에 4.10 g/L의 BC를 얻었다[98]. 또한 Revin 등(2018)은 전처리나 다른 질소원 첨가 없이 치즈 유청을 사용하여 교반 조건에서 K. sucrofermentans B-11267을 배양한 지 3일째에 5.45 g/L의 BC를 얻었다[112]. BC의 결정성은 50.2%였다. 최근 Salari 등(2019)과 Brugnoli 등(2023)은 β-갈락토시다아제로 처리한 치즈 유청을 BC 생산의 잠재적 원료로 조사하였다[114,175]. (2019)와 Brugnoli 등(2023)은 β-갈락토시다아제로 처리한 치즈 유청을 BC 생산의 잠재적 원료로 연구하였다[114,175]. 이에 따라 Salari 등은 G. xylinus PTCC 1734의 정적 배양 14일차에 3.55 g/L의 BC를 얻었다 [114]에서 정적 배양 14일차에 3.55 g/L의 BC를 얻었다. Brugnoli 등(2023)은 녹차 콤부차에서 분리된 Komagataeibacter sp. K2G39를 배양할 때 초기 유당 농도 40.12 g/L의 치즈 유청을 사용했을 때, β-갈락토시다아제 처리 후 거의 완전히 가수분해된 상태에서 탄소원 소비량 대비 BC 수율 0.3 g BC/g 탄소원 소비량으로 가장 높은 BC 수율을 관찰했다 [175]. BC의 결정성은 53.55%였다. 대부분의 Xanthomonas 야생종은 β-갈락토시다아제 활성이 낮아 락토스를 소비하지 않는다. 이 문제를 해결하기 위해 플라스미드나 파지 벡터를 이용해 β-갈락토시다아제 유전자를 Xanthomonas 게놈으로 전달하고 박테리아가 락토스를 소비하도록 강제하는 여러 시도가 이루어졌다 [181]. 돌연변이 유도법을 활용해 락토스 소비 돌연변이 균주를 개발하기도 했다[182,183]. 그러나 유전자 변형은 항생제 내성 균주 생성 및 균주 불안정성 등 몇 가지 단점을 동반한다[182]. 식품 산업에서 유전자 변형 생물체의 위험성도 억제 요인이 될 수 있다. 이 문제를 해결하기 위한 최선의 방법은 락토스를 샴프란 생산에 활용할 수 있는 자연적 능력을 지닌 원생 균주를 사용하는 것이다. 따라서 Ramezani 등은 X. citri NIGEB-K37 균주가 락토스 기반 배지(락토스 10%)에서 생산한 샴프란의 최대량이 14.26 g/L임을 보여주었다 [71]. Moravej 등(2020)은 X. citri NIGEB-K37 균주를 사용하여 유당을 추가하지 않은 치즈 유청 배지에서 잔탄 생산량을 18.4 g/L로 증가시켰다 [157].

Molasses is one of the most studied waste products for EPS production [113,116,159,184,185,186,187,188]. It is a by-product of the final stage of crystallization in sugar production and contains about 50% total sugars by dry weight. Sucrose cannot be transported across the cell membrane and is hydrolyzed in a periplasm to glucose and fructose by α-glucosidase, which may have different activities depending on the producer. Therefore, such substrates are usually subjected to hydrolytic treatment using enzymes or less expensive chemical hydrolysis with mineral acids. Bae and Shoda [184] and Çakar et al. [185] reported that BC production can be increased drastically by H2SO4-heat treatment of sugar beet molasses. Also, Abol-Fotouh et al. (2020) suggested the preliminary thermal acid treatment of molasses to break down the contained sucrose to glucose and fructose [186]. Bae and Shoda found that the highest production of BC was obtained at 20 g/L of total sugar concentration of sugar beet molasses [184], while the medium containing 5% (w/v) total sugar in sugar beet molasses led to the highest BC production in the study by Jung et al. [189]. Salari et al. (2019) showed that sugar beet molasses without any supplementation can be used as a single cheap carbon source for BC production by G. xylinus. The maximum BC production was 4.56 g/L in sugar beet molasses with an initial sugar concentration of 20 g/L after 14-day fermentation under static conditions, which was higher than that on the standard HS medium (3.26 g/L) [114]. Revin et al. (2021) reported that BC production by K. sucrofermentans H-110 was 2.9 g/L in sugar beet molasses with an initial sugar concentration of 25 g/L after 5 days of cultivation under static conditions, which is almost two times as high compared to the standard HS medium (1.6 g/L) [113]. The crystallinity of BC formed on the molasses medium was 83.02%, which was higher than on the HS medium. Moreover, Revin et al. (2021) obtained the highly efficient strain X. campestris M 28, which produced up to 28 g/L of xanthan on a molasses medium [159]. Öz and Kalender developed a new static cultivation system called a series static culture to eliminate the air limitation problems encountered in a conventional static culture [190]. Fermentation experiments were carried out using G. xylinus NRRL B-759 and sugar beet molasses at 30 °C and an initial pH of 5.

Stillage is the byproduct resulting from ethanol production. For every liter of ethanol produced, molasses-based distilleries usually generate about 8–15 L of stillage characterized by high chemical oxygen demand (COD) and biochemical oxygen demand (BOD) [191]. The thin stillage (TS) is the aqueous byproduct generated from the distillation of ethanol following the fermentation of starch or sugar crops during the ethanol production process. The fermentation and distillation processes of the feedstocks generate the whole stillage, which contains solids from the grain along with added yeast. The whole stillage is then centrifuged to separate the liquid component, called thin stillage, and the solid component, called wet distillers’ grain [192]. TS contains organic and inorganic compounds, some of which may be valuable products for EPS production. Ratanapariyanuch et al. studied the composition of the wheat thin stillage by HPLC and demonstrated it to contain dextrin (8.47–11.65 g/L), glycerol (2.39–7.87 g/L), lactic acid (5.07–7.41 g/L), acetic acid (0.56–2.72 g/L), succinic acid (0.63–0.93 g/L), ethanol (0.23–1.31 g/L), maltotriose (0.14–1.10 g/L), maltose monohydrate (0.03–1.05 g/L), glycerophosphorylcholine (0.91–1.11 g/L), and betaine (0.8–1.03 g/L) [193]. The availability of TS to increase the BC yield was studied [112,194,195]. Organic acids, glycerol, and ethanol are known from the literature to have a positive effect on BC production [99,112]. For instance, rice wine stillage containing organic acids was applied as an additive to the HS medium to increase cellulose yield. The largest BC amount (6.31 g/L) was obtained in the HS medium diluted with 50% stillage [194]. Revin et al. used wheat TS without any pretreatment or adding other nitrogen sources to reduce BC cost [112]. The studies showed that the maximum BC yield (6.19 g/L) was observed in the TS for 3 cultivation days under agitated conditions, and that was nearly three times as high compared to the BC yield in the HS medium (2.14 g/L).

To reduce the cost of BC production, a number of researchers also assessed the availability of using wastewater from acetone–butanol–ethanol (ABE) fermentation. ABE fermentation wastewater contains fermentable sugars, organic acids, and alcohol compounds. Typically, organic acids such as acetic acid and butyric acid are the main by-products of ABE fermentation, while the presence of alcohol compounds is associated with the incomplete distillation of the ABE fermentation broth. Xiong et al. (2015) analyzed ABE fermentation wastewater by HPLC and demonstrated that xylose and glucose were the two main residual sugars in it, their concentrations being 0.61 and 0.26 g/L, respectively [196]. As for organic acids, acetic acid and butyric acid were the two main kinds of them, and their concentrations were 1.70 and 1.00 g/L, respectively. Furthermore, some alcohol compounds (g/L, ethanol 1.00, and butanol 1.15) were also present in the wastewater. The total nitrogen concentration in the wastewater was extremely low (merely about 48.3 mg/L). Overall, the ABE fermentation wastewater had a high COD value (18,050 mg/L). The previous literature reports demonstrated the secondary substrates or supplements (organic acids, ethanol, butanol) to be essential to facilitate BC production [99,112,196,197]. Huang et al. (2015) used the wastewater generated by fermentation broth distillation after ABE fermentation without any pretreatment or adding nutrients as the substrate for BC production using G. xylinus [197]. After 7-day fermentation in static culture, the highest BC yield (1.34 g/L) was obtained. The carbon sources, including sugars (glucose and xylose), organic acids (acetic acid and butyric acid), and alcohol compounds (ethanol and butanol), were utilized by G. xylinus simultaneously during fermentation.

Nowadays, lignocellulosic wastes are in focus as renewable and abundant substrates to produce various EPSs [198]. However, microorganisms cannot utilize them directly as a carbon source; therefore, pretreatment and hydrolysis of lignocellulosic materials are necessary [199]. The cellulolytic and hemicellulosic fractions used for EPS production are promising due to their high carbon content [153]. Corncob is a low-cost substrate with a high potential to provide fermentable sugars (glucan, xylan, arabinan) [152,200]. Different fractions (cellulose, hemicellulose, and lignin) extracted from corncob can be alkaline. The hemicellulosic fraction extracted by alkali is cheaper compared to corn starch. Jesus et al. (2023) eval‎uated the potential of the hemicellulosic fractions obtained by the alkaline hydrolysis of corncob and used as a carbon source, macro, and micro-nutrients in xanthan production, using different strains of X. campestris (629, 1078, 254, and S6) [152]. The findings indicate that strain 629 provides the higher yield (8.37 g/L) when using a fermentation medium containing saccharose (1.25%), hemicellulose fractions (3.75%), and salts. Soleimanpour et al. (2018) proposed a broomcorn stem hydrolyzed by sulphuric acid as a low-cost and widely available carbon source for xanthan production. The maximum yield of the polysaccharide was 8.9 g/L [91]. There were several studies reported on the feasibility of using different wastes with a lignocellulosic content in BC production, including corncob and sugarcane bagasse [119], oat hull-derived enzymatic hydrolyzates [201,202], enzymatic hydrolysate of wheat straw [123], pulp mills, and lignocellulosic wastes [203,204]. Bagasse is a fibrous biomass generated from sugarcane processing, and it is the material that remains after extracting juice from the sugarcane stalks. It is composed of cellulose, hemicellulose, and lignin, making it a good candidate for EPS production. Microcrystalline cellulose is present in different agro-industrial wastes such as walnut shells, corncob, and sugarcane bagasse [205]. Moreover, to make xanthan production cost-effective, agricultural and food wastes such as tapioca pulp [147], waste bread [149], kitchen waste [150], jackfruit seed powder [151], cocoa husk [153], fermenting shrimp shell [161], sugarcane bagasse [206], rice bran [207], chicken feathers [208], coconut shell, potato crop [209], winery wastewater [210], and demerara sugar [92] were used.

당밀은 EPS 생산을 위한 가장 많이 연구된 폐기물 중 하나이다 [113,116,159,184,185,186,187,188]. 당밀은 설탕 생산의 최종 결정화 단계에서 발생하는 부산물로, 건조 중량 기준 약 50%의 총 당분을 함유한다. 자당은 세포막을 통과할 수 없으며, 세포 외막 공간에서 α-글루코시다아제에 의해 포도당과 과당으로 가수분해된다. 이 효소의 활성은 생산균에 따라 다를 수 있다. 따라서 이러한 기질은 일반적으로 효소를 이용한 가수분해 처리나, 더 저렴한 광물산(無機酸)을 이용한 화학적 가수분해 처리를 거친다. Bae와 Shoda [184], Çakar 등 [185]은 사탕무 당밀을 H2SO4-열처리하면 BC 생산량을 크게 증가시킬 수 있다고 보고했다. 또한 Abol-Fotouh 등(2020)은 당밀에 포함된 자당을 포도당과 과당으로 분해하기 위해 당밀의 예비 열산 처리를 제안했다 [186]. Bae와 Shoda는 사탕무 당밀의 총 당 농도가 20 g/L일 때 BC 생산량이 가장 높았다고 보고했다[184]. 반면 Jung 등[189]의 연구에서는 사탕무 당밀의 총 당이 5%(w/v)인 배지에서 BC 생산량이 가장 높았다.. Salari 등(2019)은 첨가물 없이 사탕무 당밀만으로도 G. xylinus에 의한 BC 생산을 위한 단일 저비용 탄소원으로 사용 가능함을 보여주었다. 최대 BC 생산량은 정적 조건에서 14일 발효 후 초기 당 농도 20 g/L의 사탕무 당밀에서 4.56 g/L로, 표준 HS 배지(3.26 g/L)보다 높았다 [114]. Revin 등(2021)은 정적 조건에서 5일간 배양한 결과, 초기 당 농도 25 g/L의 사탕무 당밀에서 K. sucrofermentans H-110에 의한 BC 생산량이 2.9 g/L로, 표준 HS 배지(1.6 g/L) 대비 거의 두 배에 달한다고 보고하였다 [113]. 당밀 배지에서 형성된 BC의 결정도는 83.02%로 HS 배지보다 높았다. 또한 Revin 등(2021)은 당밀 배지에서 최대 28 g/L의 잔탄을 생산하는 고효율 균주 X. campestris M 28을 확보하였다[159]. Öz와 Kalender는 기존 정적 배양에서 발생하는 공기 제한 문제를 해결하기 위해 '연속 정적 배양'이라는 새로운 정적 배양 시스템을 개발하였다[190]. G. xylinus NRRL B-759 균주와 사탕무 당밀을 사용하여 30°C, 초기 pH 5 조건에서 발효 실험을 수행하였다.

증류 잔류물(Stillage)은 에탄올 생산 과정에서 발생하는 부산물이다. 당밀 기반 증류소에서는 에탄올 1리터 생산 시 일반적으로 높은 화학적 산소 요구량(COD)과 생화학적 산소 요구량(BOD)을 특징으로 하는 약 8~15리터의 증류 잔류물이 발생한다[191]. 얇은 증류 잔류물(TS)은 에탄올 생산 과정에서 전분 또는 당 작물의 발효 후 에탄올 증류 시 발생하는 수성 부산물이다. 원료의 발효 및 증류 과정은 곡물의 고형물과 첨가된 효모를 포함하는 전체 증류 잔류물을 생성한다. 이후 전체 증류 잔류물은 원심분리되어 액체 성분(얇은 증류 잔류물)과 고체 성분(습식 증류 잔류물)으로 분리된다[192]. TS에는 유기 및 무기 화합물이 포함되어 있으며, 이 중 일부는 효소 생산에 유용한 제품이 될 수 있다. Ratanapariyanuch 등은 HPLC를 통해 밀 얇은 증류액의 성분을 연구하여 덱스트린(8.47–11.65 g/L), 글리세롤(2.39–7.87 g/L), 젖산(5.07–7.41 g/L), 아세트산(0.56–2.72 g/L), 숙신산(0.63–0.93 g/L), 에탄올(0.23–1.31 g/L), 말토트리오스(0.14–1.10 g/L), 일수화 말토오스(0.03–1.05 g/L), 글리세로포스포릴콜린(0.91–1.11 g/L), 베타인(0.8–1.03 g/L) [193]. TS의 가용성이 BC 수율 증가에 미치는 영향이 연구되었다 [112,194,195]. 문헌에 따르면 유기산, 글리세롤, 및 에탄올은 문헌상 BC 생산에 긍정적 영향을 미치는 것으로 알려져 있다 [99,112]. 예를 들어, 유기산을 함유한 쌀술 찌꺼기를 HS 배지에 첨가제로 적용하여 셀룰로오스 수율을 증가시켰다. 50% 찌꺼기로 희석한 HS 배지에서 최대 BC 양(6.31 g/L)이 얻어졌다 [194]. Revin 등은 BC 생산 비용 절감을 위해 전처리나 다른 질소원 첨가 없이 밀 TS를 사용하였다[112]. 연구 결과, 교반 조건에서 3일 배양 시 TS에서 최대 BC 수율(6.19 g/L)이 관찰되었으며, 이는 HS 배지(2.14 g/L) 대비 약 3배 높은 수치였다.

BC 생산 비용 절감을 위해 다수의 연구자들은 아세톤-부탄올-에탄올(ABE) 발효 폐수의 활용 가능성도 평가하였다. ABE 발효 폐수에는 발효 가능한 당류, 유기산 및 알코올 화합물이 포함된다. 일반적으로 아세트산 및 부티르산과 같은 유기산은 ABE 발효의 주요 부산물이며, 알코올 화합물의 존재는 ABE 발효액의 불완전한 증류와 관련이 있다. Xiong 등(2015)은 HPLC를 통해 ABE 발효 폐수를 분석한 결과, 잔류 당류 중 자일로스(0.61 g/L)와 포도당(0.26 g/L)이 주요 성분임을 입증하였다[196]. 유기산의 경우 아세트산과 부티르산이 두 가지 주요 유형이었으며, 각각의 농도는 1.70 및 1.00 g/L였다. 또한 일부 알코올 화합물(g/L, 에탄올 1.00, 부탄올 1.15)도 폐수에 존재했다. 폐수의 총 질소 농도는 극히 낮았으며(약 48.3 mg/L에 불과함). 전반적으로 ABE 발효 폐수는 높은 COD 값(18,050 mg/L)을 보였다. 기존 문헌 보고에 따르면, 이차 기질 또는 보충제(유기산, 에탄올, 부탄올)가 BC 생산 촉진에 필수적임이 입증되었다[99,112,196,197]. Huang 등(2015)은 G. xylinus를 이용한 BC 생산의 기질로, 전처리나 영양분 첨가 없이 ABE 발효 후 발효액 증류 과정에서 발생한 폐수를 사용하였다[197]. 정적 배양 조건에서 7일간 발효 후 최대 생물학적 탄소(BC) 수율(1.34 g/L)을 얻었다. 발효 과정에서 G. xylinus는 당류(포도당 및 자당), 유기산(초산 및 부티르산), 알코올 화합물(에탄올 및 부탄올)을 포함한 탄소원을 동시에 이용하였다.

현재 리그노셀룰로오스성 폐기물은 다양한 생체외수지(EPS) 생산을 위한 재생 가능하고 풍부한 기질로 주목받고 있다[198]. 그러나 미생물은 이를 직접 탄소원으로 활용할 수 없으므로, 리그노셀룰로오스성 물질의 전처리 및 가수분해가 필수적이다[199]. EPS 생산에 사용되는 셀룰로오스 분해성 및 헤미셀룰로오스성 분획물은 높은 탄소 함량으로 인해 유망하다 [153]. 옥수수 알갱이(corncob)는 발효 가능한 당류(글루칸, 자일란, 아라비난)를 공급할 잠재력이 높은 저비용 기질이다[152,200]. 옥수수 알갱이에서 추출된 다양한 분획물(셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌)은 알칼리 처리될 수 있다. 알칼리로 추출된 헤미셀룰로오스 분획물은 옥수수 전분보다 저렴하다. Jesus 등(2023)은 옥수수 알갱이의 알칼리 가수분해로 얻어진 헤미셀룰로오스 분획물의 엑스탄 생산에서의 잠재력을 평가하였다. 이들은 다양한 균주를 사용하여 이 분획물을 탄소원, 거대영양소 및 미량영양소로 활용하였다. (2023)은 옥수수 속대 알칼리 가수분해로 얻은 헤미셀룰로오스 분획을 탄소원, 거대영양소 및 미량영양소로 사용하여 X. campestris 균주(629, 1078, 254 및 S6)의 잔탄 생산 잠재력을 평가하였다 [152]. 연구 결과에 따르면, 629 균주는 사카로스(1.25%), 헤미셀룰로오스 분획(3.75%), 염류가 포함된 발효 배지를 사용할 때 가장 높은 수율(8.37 g/L)을 제공했다. Soleimanpour 등 (2018)은 황산으로 가수분해한 브룸콘 줄기를 잔탄 생산을 위한 저비용의 널리 이용 가능한 탄소원으로 제안했다. 이 다당류의 최대 수율은 8.9 g/L였다 [91]. 옥수수 알갱이, 사탕수수 바가스[119], 귀리 껍질 유래 효소 가수분해물[201,202], 밀짚 효소 가수분해물[123], 펄프 공장 및 리그노셀룰로오스 폐기물[203,204] 등 리그노셀룰로오스 함유 다양한 폐기물을 BC 생산에 활용하는 가능성에 관한 여러 연구가 보고되었다. 사탕수수 찌꺼기는 사탕수수 가공 과정에서 발생하는 섬유질 바이오매스로, 사탕수수 줄기에서 즙을 추출한 후 남은 물질이다. 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌으로 구성되어 있어 EPS 생산에 적합한 후보 물질이다. 미세결정질 셀룰로오스는 호두 껍질, 옥수수 알갱이, 사탕수수 찌꺼기 등 다양한 농업 산업 폐기물에 존재한다[205]. 또한 잔탄 생산의 비용 효율성을 높이기 위해 타피오카 펄프[147], 폐기 빵[149], 주방 폐기물[150], 잭프루트 씨앗 분말[151], 코코아 껍질[153], 발효 새우 껍질[161], 사탕수수 바가스[206], 쌀겨[207], 닭 깃털[208], 코코넛 껍질, 감자 작물[209], 와이너리 폐수[210], 데메라라 설탕[92] 등이 활용되었다.

3.2. Technologies for Cost-Effective Production of Xanthan and BC3.2.1. Co-Cultivation of EPS-producing Bacteria

Another strategy for efficient EPS production can be the co-cultivation of EPS-producing bacteria. A number of publications point out the positive effect of some water-soluble polysaccharides on BC yield [211,212]. For example, Seto et al. (2006) first reported that the co-cultivation of the two bacteria G. xylinus and Lactobacillus mali in corn steep liquor/sucrose liquid medium resulted in a threefold higher cellulose yield when compared to monoculture [211]. Liu et al. (2019) examined a novel fermentation process which consists of co-culturing G. hansenii ATCC 23769 with Escherichia coli ATCC 700728 under static conditions and producing BC pellicles with enhanced mechanical properties [213]. The authors suggested the mannose-rich EPS synthesized by E. coli to be incorporated into the BC network and affect the aggregation of co-crystallized microfibrils. The BC pellicles exhibited a Young’s modulus of 4874 ± 1144 MPa and stress at a break of 80.7 ± 21.1 MPa. Nazarova et al. (2022) reported that the co-cultivation of the bacterial cellulose producer strain K. sucrofermentans B-11267 and the dextran producer strain L. mesenteroides VKM B-2317D doubled the yield of BC compared to monoculturing from 2.64 g/L to 5.99 g/L, respectively [214]. The increase in BC yield is likely due to the fact that the dextransucharase, which is formed by bacteria of the genus Leuconostoc, enables the quick breaking down of the sugars contained in molasses. Dextran formed by bacteria can also contribute to BC formation. The increase in product yield might be associated with fructose, which is formed when sucrose is broken down by the enzyme. Fructose is known to be a good source of carbon to cultivate BC producers [14]. According to the literature data, as a result of fructose metabolism, fewer organic acids are formed and there is no strong acidification of the environment as when using glucose, which is converted into gluconic acid. The co-cultivation of EPS-producing bacteria can also be considered as a method for obtaining biocomposite materials. Including additives in the culture media during BC biosynthesis is a traditional method to produce BC-based composites. Brugnoli et al. (2023) developed a co-culture system combining BC producers of the genus Komagataeibacter and hyaluronic acid producers of the Lactocaseibacillus genus and highlighted a higher BC yield and the incorporation of hyaluronic acid into the composite [215]. The presence of hyaluronic acid improved the water-holding capacity of the composites, resulting in a decrease of BC crystallinity.

3.2. 잔탄과 BC의 비용 효율적 생산 기술3.2.1. EPS 생산 박테리아의 공동 배양

효율적인 EPS 생산을 위한 또 다른 전략은 EPS 생산 박테리아의 공동 배양일 수 있다. 다수의 연구에서 일부 수용성 다당류가 BC 수율에 긍정적인 영향을 미친다는 점을 지적하고 있다 [211,212]. 예를 들어, Seto 등 (2006)은 옥수수 침출액/자당 액체 배지에서 G. xylinus와 Lactobacillus mali 두 균주의 공동 배양이 단일 배양 대비 셀룰로오스 수율을 3배 높인다고 최초로 보고하였다[211]. Liu 등(2019)은 정적 조건에서 G. hansenii ATCC 23769와 Escherichia coli ATCC 700728을 공동 배양하여 기계적 특성이 향상된 BC 펠리클을 생산하는 새로운 발효 공정을 연구하였다[213]. 저자들은 E. coli가 합성한 만노스 풍부한 다당류(EPS)가 BC 네트워크에 통합되어 공동 결정화된 미세섬유의 응집에 영향을 미친다고 제안했다. BC 펠리클은 영의 계수 4874 ± 1144 MPa와 파단 응력 80.7 ± 21.1 MPa를 나타냈다. Nazarova 등(2022)은 세균성 셀룰로오스 생산 균주 K. sucrofermentans B-11267과 덱스트란 생산 균주 L. mesenteroides VKM B-2317D의 공동 배양 시 단일 배양 대비 BC 수율이 각각 2.64 g/L에서 5.99 g/L로 두 배 증가했다고 보고하였다 [214]. BC 수율 증가는 Leuconostoc 속 박테리아가 생성하는 덱스트란수카라아제가 당밀에 함유된 당류를 신속히 분해할 수 있게 하기 때문으로 보인다. 박테리아가 생성한 덱스트란 또한 BC 형성에 기여할 수 있다. 제품 수율 증가는 효소에 의해 자당이 분해될 때 생성되는 과당과 관련이 있을 수 있다. 과당은 BC 생산균 배양에 우수한 탄소원으로 알려져 있다 [14]문헌 자료에 따르면, 과당 대사 결과 유기산 생성량이 적고, 포도당이 글루콘산으로 전환될 때처럼 환경이 강하게 산성화되지 않습니다. EPS 생성균의 공동 배양도 바이오복합재료를 얻는 방법으로 고려될 수 있습니다. BC 생합성 과정에서 배지에 첨가제를 포함시키는 것은 BC 기반 복합재를 생산하는 전통적인 방법입니다. Brugnoli 등(2023)은 Komagataeibacter 속의 BC 생산균과 Lactocaseibacillus 속의 히알루론산 생산균을 결합한 공동 배양 시스템을 개발하여 더 높은 BC 수율과 복합체 내 히알루론산 함유를 확인하였다[215]. 히알루론산 존재는 복합체의 수분 보유 능력을 향상시켜 BC 결정성을 감소시켰다.

3.2.2. Biocatalytic Technologies

Biocatalytic technologies seem to be promising to obtain bacterial EPS. Efremenko et al. (2022) summarized in their review the information on the currently known biocatalytic synthesis of microbial polysaccharides and discussed the prospective research development in the field of biocatalysis [216]. The degree of carbohydrate substrate conversion into a biopolymer can grow by improving the specific activity of enzymes involved in the synthesis and regulating the pathways in EPS precursor biosynthesis. Immobilized cells can significantly increase the productivity and stability of biocatalysts [216]. An important advantage of cell immobilization is the capability of their long-term functioning, which enables a significant increase in the overall efficiency of EPS production. In addition, immobilized cells, when in the QS state, can withstand high concentrations of toxic substances compared to free cells. QS activates EPS synthesis [216,217,218,219,220] as protective and stabilizing and reserves substances for highly concentrated microbial populations, as it is a natural mechanism to increase the amount of the biopolymers and can be used as a nature-like technology in their industrial production. Several studies have been carried out on the use of immobilized cells for EPS biosynthesis in which the high efficiency of the approach has been proven. Examples of immobilization of EPS-producing cells among lactic acid bacteria of the genus Lactobacillus are known [221,222]. The productivity of such cells exceeded the productivity of free cells. The immobilization of bacteria of the genus Xanthomonas on granules based on calcium alginate also showed a higher xanthan yield compared to free cells [158]. The capability of cell immobilization of BC producers A. xylinum in Ca-alginate gel [223] and K. xylinum B-12429 in cryogel based on polyvinyl alcohol (PVA) [224] was demonstrated. K. xylinum B-12429 cells immobilized in PVA cryogel synthesized BC 1.6 times more than in the suspension culture. At the same time, the BC films had a higher tensile strength, a 30% greater thickness, and a higher polymerization degree. Rahman et al. (2021) reported for the first time on BC production using a natural loofah sponge as a scaffold for G. kombuchae immobilization [225]. The fermentation was carried out using free cells and immobilized cells under shaking and static cultivation for 15 days. The maximum BC concentration of 15.5 ± 1.65 g/L was obtained in a medium containing immobilized cells with shaking.

Cell-free systems for EPS biosynthesis also show great development prospects [226,227,228]. The cell-free systems may be a possible solution to the limitations faced by traditional EPS production processes, such as low yield and productivity, the production of byproducts and secondary metabolites, and high downstream processing costs. In addition, cell-free systems expand the possibilities of obtaining biocomposite materials in situ, for example, when obtaining materials with antibacterial properties, since antibiotics and other substances with antibacterial action will inhibit the growth of bacterial cells. A recent review by Ullah et al. (2023) presents a comprehensive overview of the development of cell-free systems, ranging from crude cellular extracts of various organisms to advanced cell-free designs, based on the principles of synthetic biology and using genetic and metabolic engineering approaches [228]. The review provides information on developing a cost-effective cell-free system, including the cost of cofactors, enzymes, raw materials, process efficiency and scalability, and potential directions for its large-scale implementation in the future.

3.2.2. 생물촉매 기술

생물촉매 기술은 박테리아 EPS 획득에 유망해 보인다. Efremenko 등(2022)은 리뷰 논문에서 현재 알려진 미생물 다당류의 생물학적 촉매 합성에 관한 정보를 종합하고 생물학적 촉매 분야의 향후 연구 발전 방향을 논의하였다[216]. 합성에 관여하는 효소의 비활성도를 개선하고 EPS 전구체 생합성 경로를 조절함으로써 탄수화물 기질의 생체 고분자 전환율을 높일 수 있다. 고정화 세포는 생체촉매제의 생산성과 안정성을 크게 향상시킬 수 있다[216]. 세포 고정화의 중요한 장점은 장기 작동 능력으로, 이는 EPS 생산의 전반적 효율을 크게 높일 수 있게 한다. 또한 고정화 세포는 쿼어싱(QS) 상태에서 자유 세포에 비해 고농도 독성 물질에 견딜 수 있다. QS는 EPS 합성을 활성화한다[216,217,218,219,220] 보호 및 안정화 작용과 고농도 미생물 군집을 위한 예비 물질 공급 역할을 합니다. 이는 생체 고분자 양을 증가시키는 자연적 메커니즘이며, 산업적 생산에서 자연 친화적 기술로 활용될 수 있습니다. 고정화된 세포를 이용한 EPS 생합성에 대한 여러 연구가 수행되었으며, 이 접근법의 높은 효율성이 입증되었다. Lactobacillus 속 유산균 중 EPS 생산 세포의 고정화 사례가 알려져 있다 [221,222]이러한 세포의 생산성은 자유 세포의 생산성을 초과했습니다. 칼슘 알긴산 기반 과립에 Xanthomonas 속 박테리아를 고정화한 경우에도 자유 세포에 비해 샴페인 수율이 더 높게 나타났습니다[158]. 칼슘 알긴산 겔 내 BC 생산균 A. xylinum[223] 및 폴리비닐 알코올(PVA) 기반 크라이오겔 내 K. xylinum B-12429[224]의 세포 고정화 가능성도 입증되었다. PVA 크라이오겔에 고정화된 K. xylinum B-12429 세포는 현탁 배양 대비 1.6배 많은 BC를 합성하였다. 동시에 BC 필름은 인장 강도가 더 높고 두께가 30% 더 두꺼우며 중합도가 더 높았다. Rahman 등(2021)은 천연 루파 스펀지를 G. kombuchae 고정화용 스캐폴드로 사용하여 BC 생산을 최초로 보고하였다[225]. 발효는 자유 세포와 고정화 세포를 사용하여 15일간 교반 및 정적 배양 조건에서 수행되었다. 교반 조건에서 고정화 세포를 포함한 배지에서 최대 BC 농도 15.5 ± 1.65 g/L를 얻었다.

EPS 생합성을 위한 무세포 시스템 또한 큰 발전 가능성을 보여준다 [226,227,228]. 세포 없는 시스템은 낮은 수율 및 생산성, 부산물 및 2차 대사산물 생성, 높은 다운스트림 처리 비용 등 기존 EPS 생산 공정이 직면한 한계에 대한 해결책이 될 수 있다. 또한 세포 없는 시스템은 항생제 및 기타 항균 작용 물질이 세균 세포의 성장을 억제하므로, 항균 특성을 지닌 소재를 획득할 때와 같이 생체 복합 소재를 현장에서 획득할 가능성을 확장한다. Ullah 등(2023)의 최근 리뷰는 다양한 생물체의 원시 세포 추출물부터 합성생물학 원리에 기반하고 유전자 및 대사 공학적 접근법을 활용한 첨단 무세포 설계에 이르기까지 무세포 시스템 개발에 대한 포괄적인 개요를 제시한다 [228]. 이 리뷰는 보조인자, 효소, 원료 비용, 공정 효율성 및 확장성, 향후 대규모 구현을 위한 잠재적 방향을 포함하여 비용 효율적인 무세포 시스템 개발에 관한 정보를 제공한다.

3.2.3. Genetic and Metabolic Engineering

Another strategy for the cost-effective production of xanthan and BC is to isolate new bacterial strains from natural sources and obtain highly productive strains by genetic and metabolic engineering. With the help of genetic engineering, new strains with modified or introduced enzymatic activity can be developed, which can expand the range of inexpensive substrates available for production, increasing their degree of transformation into EPSs. A growing number of studies focused on investigating the mechanisms involved in BC and xanthan biosynthesis, metabolic modeling, and genetic analysis have been applied to enable improving its production on a large scale [35,37,99,154,229,230,231,232,233,234,235]. Currently, several reviews on the genetic modification of BC-producing bacteria have been reported [84,85,86,229,230,231,232]. Singhania et al. (2021) reported various mechanisms for genetic modifications to achieve the desired changes in BC production as well as its characteristics [230]. The authors conveyed the lack of studies on a genetic modification for BC production to be due to the limited information on the complete genome and genetic toolkits; however, over the past few years, the number of studies in this area has increased, since the whole genome sequencing of several bacterial strains has been obtained. Genetic modification can improve BC production either by blocking genes responsible for the synthesis of metabolic by-products or by overexpressing the genes involved in polysaccharide biosynthesis. In addition to the above-mentioned advantages, there are some challenges, including methodological problems of transformation and problems concerning the complexity of the regulatory process when each gene can express a protein having more than one function [230]. However, there have been several efforts made in genetic engineering aimed at BC-producing bacteria. For example, Kuo et al. created a G. xylinus mutant by knocking out the membrane-bound glucose dehydrogenase gene, which led to BC synthesis from glucose without generating gluconic acid and a 40% increase in polysaccharide production [232]. A new, stable, and efficient plasmid-based expression‎ system of recombinant BC in the E. coli DH5_ platform has recently been developed [233]. The review by Buldum et al. (2021) presented the potential of ‘modern genetic engineering tools’ and ‘model-driven approaches’ on improving the yield of BC, altering the properties, and adding new functionality [86]. Until recently, efficient techniques for the generation of markerless modifications in the genome of BC-producing strains were not available. Most genetic studies were conducted by transposon mutagenesis, which can limit the interpretability of the results due to polar effects and other artefacts [86]. The markerless deletion system for a high-yield cellulose-producing bacteria has advantages over transposon mutagenesis as it avoids possible polar effects and allows better biotechnological tuning of BC production in the future [87]. Recently, Bimmer et al. (2023) reported the construction of various mutants, their phenotypical, transcriptomic, and proteomic characterization, as well as the quantification and analysis of the synthesized BC by scanning electron microscopy and physicochemical parameters [87]. Furthermore, Yang et al. (2023) constructed a recombinant strain of K. xylinus ATCC 23770 for the production of BC from mannose-rich resources [234]. This strategy aimed at the modification of the mannose catabolic pathway via the genetic engineering of bacterium through the expression‎ of mannose kinase and phosphomannose isomerase genes from the E. coli K-12 strain. The comparison showed that with mannose as the sole carbon source, the BC yield from the recombinant strain increased by 84%, and its tensile strength and elongation were increased 1.7 fold, while Young’s modulus was increased 1.3 fold. Jang et al. demonstrated that the K. xylinum strain overexpressing the E. coli glucose 6-phosphate isomerase gene produced 3.15 g/L of BC, which was 115.8% higher as compared to the 1.46 g/L obtained from the control strain [235]. Using genetic engineering for EPS production is a promising alternative to improve production on an industrial scale. However, it should be noted that despite numerous investigations to develop productive strains, none of them has so far resulted in mutant strains which could comply with the requirements of large-scale biotechnological production [216]. In addition, using genetically modified microorganisms on an industrial scale generally has a number of considerable limitations—chiefly, environment-associated limitations.

3.2.3. 유전자 및 대사 공학

잔탄 및 BC의 비용 효율적 생산을 위한 또 다른 전략은 천연 자원으로부터 새로운 균주를 분리하고 유전자 및 대사 공학을 통해 고생산성 균주를 확보하는 것이다. 유전자 공학의 도움으로 변형되거나 도입된 효소 활성을 지닌 새로운 균주를 개발할 수 있으며, 이는 생산에 활용 가능한 저비용 기질의 범위를 확장하여 이들의 EPS로의 전환 정도를 높일 수 있다. BC 및 잔탄 생합성 관련 메커니즘 연구, 대사 모델링, 유전자 분석에 초점을 맞춘 연구가 증가하면서 대규모 생산 개선이 가능해지고 있다 [35,37,99,154,229,230,231,232,233,234,235]. 현재 BC 생산 박테리아의 유전자 변형에 관한 여러 리뷰가 보고되었다[84,85,86,229,230,231,232]. Singhania 등(2021)은 BC 생산량 및 특성에서 원하는 변화를 달성하기 위한 유전자 변형의 다양한 메커니즘을 보고하였다 [230]. 저자들은 완전한 게놈 정보와 유전자 도구 키트의 제한으로 인해 바이오카본 생산을 위한 유전자 변형 연구가 부족하다고 전했지만, 최근 몇 년간 여러 박테리아 균주의 전체 게놈 시퀀싱이 확보되면서 이 분야의 연구 수가 증가했습니다. 유전자 변형은 대사 부산물 합성에 관여하는 유전자를 차단하거나 다당류 생합성에 관여하는 유전자의 과발현을 통해 바이오카본 생산을 향상시킬 수 있습니다.부생성물 합성을 담당하는 유전자를 차단하거나 다당류 생합성에 관여하는 유전자를 과발현시키는 방식으로 BC 생산을 향상시킬 수 있다. 상기 장점 외에도, 형질전환의 방법론적 문제와 각 유전자가 하나 이상의 기능을 가진 단백질을 발현할 수 있을 때 발생하는 조절 과정의 복잡성과 관련된 문제 등 몇 가지 도전 과제가 존재한다[230]. 그러나 BC 생산 박테리아를 대상으로 한 유전자 공학 분야에서는 여러 시도가 이루어져 왔다. 예를 들어, Kuo 등은 막 결합형 포도당 탈수소효소 유전자를 노크아웃하여 G. xylinus 돌연변이체를 생성했는데, 이로 인해 글루콘산을 생성하지 않고 포도당으로부터 BC가 합성되었으며 다당류 생산량이 40% 증가하였다[232]. 최근 E. coli DH5_ 플랫폼에서 재조합 BC의 새롭고 안정적이며 효율적인 플라스미드 기반 발현 시스템이 개발되었다[233]. Buldum 등(2021)의 리뷰는 '현대 유전자 공학 도구'와 '모델 기반 접근법'이 바이오카본 수율 향상, 특성 변경 및 새로운 기능 추가에 미치는 잠재력을 제시하였다[86]. 최근까지 바이오카본 생산 균주의 게놈에서 마커 없는 변형을 생성하는 효율적인 기술은 존재하지 않았다. 대부분의 유전학 연구는 트랜스포존 돌연변이 유발법을 통해 수행되었으며, 이는 극성 효과 및 기타 인공적 요인으로 인해 결과 해석에 제한을 초래할 수 있다[86]. 고수율 셀룰로오스 생산균을 위한 마커리스 삭제 시스템은 트랜스포존 돌연변이 유발법 대비 장점을 지니는데, 이는 가능한 극성 효과를 회피하고 향후 BC 생산에 대한 생물공학적 조정을 향상시킬 수 있기 때문이다[87]. 최근 Bimmer 등(2023)은 다양한 돌연변이체의 구축, 형질적·전사체적·단백체적 특성 분석, 그리고 주사전자현미경 및 물리화학적 매개변수를 통한 합성된 BC의 정량화 및 분석을 보고하였다[87]. 또한 Yang 등(2023)은 만노스 풍부 자원에서 BC 생산을 위해 K. xylinus ATCC 23770의 재조합 균주를 구축하였다[234]. 이 전략은 E. coli K-12 균주의 만노스 키나아제 및 포스포만노스 이소머라아제 유전자 발현을 통한 유전자 공학으로 박테리아의 만노스 분해 경로를 변형하는 것을 목표로 했다. 비교 결과, 만노스를 유일한 탄소원으로 사용할 때 재조합 균주의 BC 수율은 84% 증가했으며, 인장 강도와 연신율은 1.7배, 영 모듈러스는 1.3배 증가했다. 장 등은 E. coli 포도당 6-인산 이성질화효소 유전자를 과발현하는 K. xylinum 균주가 3.15 g/L의 BC를 생산했으며, 이는 대조 균주에서 얻은 1.46 g/L에 비해 115.8% 높은 수치였다 [235]. 유전자 공학을 이용한 다당류 생산은 산업적 규모 생산을 개선할 유망한 대안이다. 그러나 생산성 높은 균주 개발을 위한 수많은 연구에도 불구하고, 대규모 생물공학적 생산 요건을 충족할 수 있는 돌연변이 균주는 아직 개발되지 않았다는 점을 유의해야 한다[216]. 또한 산업적 규모로 유전자 변형 미생물을 활용하는 데는 주로 환경 관련 제약을 비롯한 상당한 한계가 존재한다.

4. Applications of BC and Xanthan

Despite a number of differences in their structure and properties, xanthan and BC have found wide application in similar fields of medicine, technology, and industry (Figure 4). Their promotion is due to their unique beneficial properties such as biocompatibility, biodegradability, non-toxicity, a high degree of polymerization, water retention, and the ability for gelation. Thus, they can be commercially applied in food, pharmaceutical, cosmetic, chemical, textile, oil, and gas industries as thickeners, emulsifiers and suspension stabilizers, flocculants, and additives to improve the quality of different products. The biocompatibility and functional characteristics of BC and xanthan are key factors promoting their application in biomedicine, e.g., tissue engineering, wound dressing, and drug delivery systems. Recently, many reviews describing the use of BC [7,37,52,53,54,55,56,57,236,237,238,239,240,241,242] and xanthan [48,63,89,243,244,245] in various fields have been published.

4. BC 및 잔탄의 응용

구조와 특성에 여러 차이점이 있음에도 불구하고, 잔탄과 BC는 의학, 기술, 산업 분야의 유사한 영역에서 광범위하게 응용되고 있다 (그림 4). 이러한 확산은 생체적합성, 생분해성, 무독성, 높은 중합도, 수분 유지력, 겔화 능력과 같은 독특한 유익한 특성 덕분이다. 따라서 식품, 제약, 화장품, 화학, 섬유, 석유 및 가스 산업에서 증점제, 유화제 및 현탁 안정제, 응집제, 다양한 제품 품질 개선 첨가제로 상업적으로 적용될 수 있다. BC와 잔탄의 생체 적합성과 기능적 특성은 조직 공학, 상처 드레싱, 약물 전달 시스템 등 생의학 분야에서의 응용을 촉진하는 핵심 요소이다. 최근 BC[7,37,52,53,54,55,56,57,236,237,238,239,240,241,242] 및 잔탄[48,63,89,243,244,245]의 다양한 분야 활용을 기술한 다수의 리뷰가 발표되었습니다.

Figure 4. Properties and application of BC and xanthan.

Xanthan, which was discovered in the 1950s, belongs to one of the earliest marketed bacterial exopolysaccharides certified for food use in the USA [246]. This polymer is environmentally friendly and non-toxic and therefore is used in the food industry as a thickener, stabilizer, and suspending agent in many foods and in the structure of biodegradable food packaging [48,79,243,244,245,246]. BC is also used as an additional thickener, a suspending or stabilizing agent in foods, or directly in food as an ingredient in fiber-enriched low-calorie and low-cholesterol diets, as well as the material for food packaging [247,248,249,250,251,252]. In 1992, the Food and Drug Administration (FDA) approved BC to be safe, and in 2019, the species K. sucrofermentans was included in the list of Qualified Presumption of Safety (QPS) recommended biological agents and intentionally added to food [249].

BC and xanthan are promising materials for biomedical applications since they are biocompatible polymers and not cytotoxic. BC-based materials for medicine have been produced for a relatively long time. Back in the early 1980s, the American pharmaceutical company Johnson & Johnson proposed using BC films to treat superficial wounds. Recently, several commercial medical BC-based materials have been obtained: Biofill® (Curitiba, Brazil) and Bioprocess® (Curitiba, Brazil) for burns and ulcer therapy, Gengiflex® (Curitiba, Brazil) to treat periodontal diseases, Dermafill® (Londrina, Brazil) for effective wound and ulcer healing, Membracel® (Curitiba, Brazil) to treat venous leg ulcers and lacerations, xCell® (New York, NY, USA) for chronic wounds therapy, EpiProtect® (Royal Wootton Bassett, UK) for burn wounds, and Nanoskin® incorporated with silver ions (São Carlos, Brazil) [236,253]. BC and xanthan have great potential to be used in medicine as a biomaterial for wound dressing [254,255,256,257,258,259,260,261,262,263,264,265,266], drug delivery systems [267,268,269,270,271,272,273,274,275,276,277,278,279,280,281,282,283,284,285,286,287,288,289], and tissue engineering [290,291,292,293,294,295,296,297,298,299,300,301,302,303,304,305,306,307,308,309,310,311,312,313,314,315,316,317,318,319,320,321,322,323,324,325,326,327,328]. Recently, many reviews on BC-based materials for biomedical applications have been reported. This year, reviews by Qian et al. (2023) and Jadczak et al. (2023) summarized the state-of-the-art application of functional BC-based materials in biomedical fields [52,241]. Also, the recent review by Tang et al. (2022) discussed some of the biomedical applications that use BC, including wound healing, drug delivery, tissue engineering, and tumor cell and cancer therapy [242]. The publications on using xanthan to obtain medical materials have appeared relatively recently. So, in the last two decades, researchers have taken an interest in its future use in drug delivery, tissue engineering, as well as biocomposites with regenerative and antibacterial properties [261,262,263,264,265,266,274,275,276,277,278,284,285,286,287,288,289,321,322,323,324,325,326,327,328].

Wounds need an appropriate wound dressing to help prevent bacterial infection and accelerate wound closure. Wound dressing materials fabricated using biocompatible polymers have become quite relevant in medical applications [267]. BC is a biopolymer that is commonly used for wound dressings due to its high biocompatibility, good flexibility, strong water-holding capacity, vapor permeability, elasticity, and non-toxicity [254,255]. Recently, a review by Horue et al. (2023) provided information on BC-based materials as dressings for wound healing [53]. The authors reported the main characteristics of different BC structures such as films, membranes, fibers, etc., as well as recent advances in BC-based composites. Furthermore, the review by de Amorim et al. (2022) offers a summary of advances in the use of BC in composites and polymeric blends for drug delivery systems and wound healing [258]. The review by Meng et al. (2023) introduces recent advances in BC-based antibacterial composites for the treatment of wound infection, including classification and preparation methods of composites, the mechanism of wound treatment, and commercial applications [259]. Pasaribu et al. (2023) developed bioactive BC-based wound dressings for burns by impregnating collagen via an in situ method followed by immersing chitosan via an ex situ method into BC fibers [260]. In vivo tests indicated that BC/collagen/chitosan wound dressing supported the wound healing process for second degree burns. Tang et al. (2022) developed hydrogel wound dressings using xanthan gum and polyacrylamide [261]. With the combination of the polyacrylamide network and the xanthan network, the composite hydrogels showed high tensile strength, stretchability, excellent water uptake efficiency, outstanding biocompatibility, universal adhesion, and self-healing ability [261]. Singh et al. (2022) developed polyvinyl alcohol copolymerized with xanthan gum/hypromellose/sodium carboxymethyl cellulose dermal dressings functionalized with biogenic nanostructured materials for antibacterial and wound healing applications [262]. Recently, Gutierrez-Reyes et al. (2023) investigated novel hydrogels of semi-interpenetrating polymeric networks based on collagen and xanthan gum for wound healing applications [263]. The increment of xanthan in the hydrogel (up to 20 wt.%) allows for improvement in the storage module, resistance to thermal degradation, and the slowing of the rate of hydrolytic and proteolytic degradation, allowing the encapsulation and controlled release of molecules such as ketorolac and methylene blue. Recently, Unalan et al. (2023) developed three-dimensional (3D)-printed sodium alginate–xanthan gum hydrogels containing phytotherapeutic agents with antioxidant and antibacterial activity as multifunctional wound dressings [264]. Liang et al. (2023) prepared 3D-printed antibacterial hydrogels with benzyl isothiocyanate using xanthan gum, locust bean gum, konjac glucomannan, and carrageenan for burn wound healing [265]. Alves et al. produced a thermo-reversible hydrogel composed of xanthan–konjac glucomannan (Figure 5B) [266]. The authors demonstrated the potential of composite hydrogels to improve the wound healing process by promoting fibroblast migration, adhesion, and proliferation [266].

Drug delivery systems are used for the targeted delivery and/or controlled release of therapeutic drugs and have the advantage of reducing side effects, improving therapeutic effects, and possibly reducing drug doses [267,268]. Recently, EPSs have been considered as the ideal candidates for drug delivery systems due to their good biocompatibility, low immunogenicity, biodegradability, renewable sourcing, and easy modification [269]. In recent years, interesting reviews have been published characterizing the EPS-based materials used in drug delivery systems [269,270,271,272]. For example, the review by Qiu et al. (2022) introduced a variety of polysaccharide-based nanocarriers such as nanoparticles, nanoliposomes, nanomicelles, nanoemulsions, and nanohydrogels for diabetes treatment [270]. The review by Huo et al. (2022) summarized the latest research work on nanocellulose-based materials used in drug delivery [271]. The review by Lunardi et al. (2021) provides a comprehensive overview of the procedures for modifying and functionalizing nanocellulose to obtain carriers in drug delivery systems [272]. Chung et al. produced BC loaded with antibodies for optimizing checkpoint-blocking antibody delivery (Figure 5C) [273]. Recently, the review by Jadav et al. (2023) provided a comprehensive summary of current advances in xanthan modification to be used as an excipient in pharmaceutical formulation development, highlighting xanthan applicability to deliver various therapeutic agents such as drugs, genetic materials, proteins, and peptides [274]. The important characteristics of xanthan for drug delivery systems are high stability at a low pH, which helps protect a drug in gastric fluid from degradation, and the ability to control the drug release rate by changing the pH and ionic strength of the release medium. Different forms of xanthan, such as hydrogels, matrix tablets, films, microspheres, and mucoadhesive patches, are synthesized to deliver drugs in various diseases [274]. The review by Jadav et al. provides information on xanthan-based systems for the delivery of anti-diabetic drugs, anti-spasmodic drugs, immunosuppressive drugs, and drugs to treat inflammation, rheumatoid arthritis, gout, skin diseases, central nervous system-related disorders, obesity, glaucoma, and pulmonary diseases [274]. Xanthan-based materials are used to deliver antibacterial [275,276], antiviral [277], and antifungal [278] drugs. Moreover, BC has been used to deliver antibacterial and antiseptic agents [279]. BC and xanthan have been shown to be promising biomaterials for cancer treatment [280,281,282,283,284,285,286,287,288]. For example, Cacicedo et al. combined a BC hydrogel and nanostructured lipid carriers to use as an implant for the local drug delivery of doxorubicin in cancer therapy [281]. Zhang et al. developed BC-based composites with Fe3O4 magnetic doxorubicin-coated nanoparticles for breast cancer therapy [282]. Microspheres, hydrogels [284,285,286], pH-responsive nanoparticles [287], and nanogels [288] of xanthan were prepared for the delivery of anticancer drugs used to treat different cancers, including colon cancer. Recently, Anghel et al. (2023) developed novel xanthan-based materials as a delivery carrier for heparin [289].

Recently, the fabrication of xanthan and BC-based scaffolds, including composites and blends with nanomaterials, and other biocompatible polymers has received particular attention owing to their desirable properties for tissue engineering. BC has a huge potential in tissue engineering due to its favorable mechanical properties, biocompatibility, high hydrophilicity, crystallinity, purity, high degree of polymerization, and ultrafine porous fibrous collagen-like structure [290,291,292]. In the past few decades, many papers have been published on the use of BC in tissue engineering. Recently, the review by Raut et al. (2023) presented the latest modified/functionalized BC-based composites and blends as advanced materials in tissue engineering and summarized the latest updates on the production strategies and characterization of BC and its composites and blends [292]. BC-based composites have proven to be promising materials in cartilage [293,294,295,296,297,298,299,300], bone [301,302,303,304,305], soft tissue engineering such as blood vessels, adipose tissue, nerves, the liver, and skin [306,307,308,309,310,311,312,313,314,315,316,317,318,319,320]. The review by Jabbari et al. (2022) discussed the importance and essential role of BC-based biomaterials in neural tissue regeneration and the effects of electrical stimulation on cellular behaviors [312]. The review by Chen et al. (2022) summarized the application prospects of cellulose and its derivative-based hydrogels in biomedical tissue engineering [313]. A recent review by Fooladi et al. (2023) discussed the application of BC-based materials for cardiovascular tissue engineering [314]. Dydak et al. developed BC-coated Titanium-Aluminium-Niobium bone scaffold implants with low cytotoxicity against osteoblast and fibroblast cell cultures (Figure 5E) [320]. Zuliani et al. demonstrated that it is possible to differentiate stem cells from human amniotic fluid into chondrocytes when seeded directly in an efficient and low-cost chitosan-xanthan scaffold (Figure 5D) [321]. Bueno et al. obtained xanthan–hydroxyapatite hydrogel nanocomposites by precipitating hydroxyapatite in a xanthan aqueous solution. Nanocomposite hydrogels presented a porous structure and proved to be suitable for osteoblast growth [322]. Recently, Barbosa et al. (2023) produced chitosan–xanthan composite membranes, incorporating hydroxyapatite to be used in guided tissue and bone regeneration, in particular for periodontal tissue regeneration [323]. Souza et al. (2022) developed a chitosan–xanthan membrane associated with hydroxyapatite and different concentrations of graphene oxide for guided bone regeneration [324]. Furthermore, Souza et al. (2023) synthesized polymeric scaffolds of chitosan/xanthan/hydroxyapatite-graphene oxide nanocomposites associated with mesenchymal stem cells for regenerative dentistry applications [325]. Recently, Singh et al. (2023) fabricated biomaterial composed of xanthan and diethylene glycol dimethacrylate with impregnation of graphite nanopowder filler in their matrices for effective bone tissue regeneration purposes with improved biomineralization [326]. Piola et al. developed a crosslinked 3D-printable hydrogel based on biocompatible natural polymers, gelatin, and xanthan gum at different percentages to be used both as a scaffold for human keratinocyte and fibroblast cell growth and as a wound dressing (Figure 5F) [327]. In another study, Decarli et al. (2023) reported a reproducible bioprinting process followed by a successful post-bioprinting chondrogenic differentiation procedure using human mesenchymal stromal cell spheroids encapsulated in a xanthan gum–alginate hydrogel [328]. These results demonstrated a promising procedure to obtain 3D models for cartilage research and ultimately an in vitro proof-of-concept of their potential use as stable chondral tissue implants. Figure 5 shows a schematic overview of biomedical applications of xanthan and BC-based composites.

그림 4. BC와 잔탄의 특성 및 응용.

1950년대에 발견된 잔탄은 미국에서 식품 사용이 인증된 최초의 상용화된 박테리아 외부 다당류 중 하나입니다 [246]. 이 중합체는 환경 친화적이고 무독성이므로 식품 산업에서 증점제, 안정제, 현탁제로 다양한 식품에 사용되며 생분해성 식품 포장재의 구조에도 활용된다 [48,79,243,244,245,246]. BC는 또한 식품에서 추가 증점제, 현탁제 또는 안정제로 사용되거나, 섬유질이 풍부한 저칼로리 및 저콜레스테롤 식단의 성분으로 직접 식품에 사용되며, 식품 포장재의 재료로도 활용됩니다 [247,248,249,250,251,252]. 1992년 미국 식품의약국(FDA)은 BC의 안전성을 승인했으며, 2019년에는 K. sucrofermentans 종이 식품에 의도적으로 첨가되는 권장 생물학적 제제인 안전성 추정 자격(QPS) 목록에 포함되었습니다[249].

BC와 잔탄은 생체 적합성 고분자이며 세포 독성이 없어 생의학 응용 분야에 유망한 소재입니다. BC 기반 의약품 소재는 비교적 오랜 기간 생산되어 왔다. 1980년대 초반 미국 제약사 존슨앤드존슨은 표재성 상처 치료용 BC 필름 사용을 제안했다. 최근에는 화상 및 궤양 치료용 Biofill®(브라질 쿠리티바), Gengiflex®(브라질 쿠리티바), 효과적인 상처 및 궤양 치료용 Dermafill®(브라질 론드리나), 정맥성 다리 궤양 및 열상 치료용 Membracel®(브라질 쿠리티바), xCell®(브라질 쿠리티바) 등 여러 상업용 의료용 BC 기반 소재가 개발되었다. 브라질) 치주 질환 치료용, Dermafill® (브라질 론드리나) 효과적인 상처 및 궤양 치유용, Membracel® (브라질 쿠리티바) 정맥성 다리 궤양 및 열상 치료용, xCell® (미국 뉴욕) 만성 상처 치료용, EpiProtect® (영국 로열 우튼 배셋) 화상 상처 치료용, 은 이온이 함유된 Nanoskin® (브라질 상카를루스) [236,253]. BC와 잔탄은 상처 드레싱용 생체재료로서 의학 분야에서 활용 가능성이 매우 높다 [254,255,256,257,258,259,260,261,262,263,264,265,266], 약물 전달 시스템 [267,268,269,270,271,272,273,274,275,276,277,278,279,280,281,282,283,284,285,286,287,288,289], 및 조직 공학 [290,291,292,293,294,295,296,297,298,299,300,301,302,303,304,305,306,307,308,309,310,311,312,313,314,315,316,317,318,319,320,321,322,323,324,325,326,327,328]. 최근 생체 의학 응용을 위한 생체 적합성(BC) 기반 재료에 관한 많은 리뷰가 보고되었다. 올해 Qian 등(2023)과 Jadczak 등(2023)의 리뷰는 생체 의학 분야에서 기능성 BC 기반 재료의 최신 응용 현황을 요약하였다 [52,241]. 또한 Tang 등(2022)의 최근 리뷰에서는 상처 치유, 약물 전달, 조직 공학, 종양 세포 및 암 치료를 포함한 BC를 활용한 일부 생의학적 응용 분야를 논의하였다[242].. 잔탄을 이용한 의료 재료 개발 관련 논문은 비교적 최근에 등장했다. 따라서 지난 20년간 연구자들은 약물 전달, 조직 공학, 재생 및 항균 특성을 지닌 바이오 복합재 분야에서 잔탄의 미래 활용 가능성에 관심을 가져왔다[261,262,263,264,265,266,274,275,276,277,278,284,285,286,287,288,289,321,322,323,324,325,326,327,328].

상처는 세균 감염을 예방하고 상처 치유를 촉진하기 위해 적절한 상처 드레싱이 필요합니다. 생체 적합성 폴리머를 사용하여 제조된 상처 드레싱 재료는 의료 분야에서 상당히 관련성이 높아졌습니다 [267]. BC는 높은 생체 적합성, 우수한 유연성, 강한 수분 보유 능력, 증기 투과성, 탄성 및 무독성으로 인해 상처 드레싱에 일반적으로 사용되는 생체 고분자입니다 [254,255]. 최근 Horue 등(2023)의 리뷰는 상처 치유용 드레싱으로서의 BC 기반 재료에 대한 정보를 제공하였다[53]. 저자들은 필름, 막, 섬유 등 다양한 BC 구조의 주요 특성과 BC 기반 복합재의 최근 발전 사항을 보고하였다. 또한 de Amorim 등(2022)의 리뷰는 약물 전달 시스템 및 상처 치유를 위한 복합재 및 고분자 블렌드에서 BC 사용의 진전에 대한 개요를 제시하였다[258]. Meng 등(2023)의 리뷰는 BC를 이용한 복합재 및 고분자 블렌드의 약물 전달 시스템 및 상처 치유 분야에서의 진전을 요약하였다[258]. (2022)의 리뷰는 약물 전달 시스템 및 상처 치유를 위한 복합재 및 고분자 혼합물에서 BC 사용의 진전에 대한 요약을 제공한다[258]. Meng 등(2023)의 리뷰는 상처 감염 치료를 위한 BC 기반 항균 복합재의 최근 진전을 소개하며, 여기에는 복합재의 분류 및 제조 방법, 상처 치료 메커니즘, 상업적 응용이 포함된다 [259]. Pasaribu 등(2023)은 BC 섬유에 콜라겐을 현장(in situ) 방식으로 함침시킨 후 키토산을 비현장(ex situ) 방식으로 침지하는 방식으로 화상용 생체활성 BC 기반 상처 드레싱을 개발하였다[260]. 생체 내 시험 결과, BC/콜라겐/키토산 상처 드레싱이 2도 화상 상처 치유 과정을 지원함을 확인하였다. Tang 등(2022)은 잔탄검과 폴리아크릴아마이드를 이용한 하이드로겔 상처 드레싱을 개발하였다[261]. 폴리아크릴아미드 네트워크와 잔탄 네트워크의 조합으로, 복합 하이드로겔은 높은 인장 강도, 신축성, 우수한 수분 흡수 효율, 탁월한 생체 적합성, 범용 접착력 및 자가 치유 능력을 나타냈다 [261]. Singh 등(2022)은 항균 및 상처 치유 응용을 위해 생체 기원 나노구조 물질로 기능화된 잔탄검/하이프로멜로오스/카르복시메틸셀룰로오스 공중합 폴리비닐알코올 피부 드레싱을 개발하였다[262]. 최근 Gutierrez-Reyes 등(2023)은 상처 치유 응용을 위해 콜라겐과 잔탄 검을 기반으로 한 반 상호 침투성 고분자 네트워크의 새로운 하이드로겔을 연구하였다 [263]. 하이드로겔 내 잔탄 함량 증가(최대 20 wt.%)는 저장 탄성률 향상, 열적 분해 저항성 증가, 가수분해 및 단백질 분해 속도 감소를 가능하게 하여 케토롤락 및 메틸렌 블루와 같은 분자의 캡슐화 및 제어 방출을 허용한다. 최근 Unalan 등(2023)은 항산화 및 항균 활성을 지닌 식물 치료제를 함유한 3차원(3D) 프린팅 알긴산나트륨-잔탄검 하이드로겔을 다기능성 상처 드레싱으로 개발하였다[264]. Liang 등(2023)은 화상 상처 치유를 위해 잔탄검, 로커스트 빈 검, 곤약 글루코만난 및 카라기난을 사용하여 벤질 이소티오시아네이트를 함유한 3D 프린팅 항균 하이드로겔을 제조하였다[265]. Alves 등(2023)은 잔탄검-곤약 글루코만난 복합체로 구성된 열가역성 하이드로겔을 제조하였다(그림 5B) [266]. 저자들은 이 복합 하이드로겔이 섬유아세포의 이동, 부착 및 증식을 촉진하여 상처 치유 과정을 개선할 수 있는 잠재력을 입증하였다 [266].

약물 전달 시스템은 치료 약물의 표적 전달 및/또는 제어된 방출에 사용되며, 부작용 감소, 치료 효과 향상, 약물 용량 감소 가능성 등의 장점을 지닌다 [267,268]. 최근 EPS는 우수한 생체 적합성, 낮은 면역원성, 생분해성, 재생 가능 자원성, 쉬운 변형성 등으로 인해 약물 전달 시스템의 이상적인 후보로 주목받고 있다[269]. 최근 몇 년간 약물 전달 시스템에 사용되는 EPS 기반 소재를 특성화한 흥미로운 리뷰 논문들이 발표되었다[269,270,271,272]. 예를 들어, Qiu 등(2022)의 리뷰에서는 당뇨병 치료를 위한 나노입자, 나노리포좀, 나노미셀, 나노에멀젼, 나노하이드로겔 등 다양한 다당류 기반 나노캐리어를 소개하였다[270]. (2022)의 리뷰는 당뇨병 치료를 위한 나노입자, 나노리포좀, 나노미셀, 나노에멀젼, 나노하이드로겔 등 다양한 다당류 기반 나노캐리어를 소개하였다[270]. Huo 등(2022)의 리뷰는 약물 전달에 사용되는 나노셀룰로오스 기반 재료에 대한 최신 연구 성과를 종합하였다[271]. Lunardi 등(2021)의 리뷰는 약물 전달 시스템에서 운반체를 얻기 위해 나노셀룰로스를 변형 및 기능화하는 절차에 대한 포괄적인 개요를 제공한다[272]. Chung 등은 체크포인트 차단 항체 전달을 최적화하기 위해 항체가 부하된 BC를 생산하였다(그림 5C) [273]. 최근 Jadav 등(2023)의 리뷰는 제약 제형 개발에서 부형제로 사용하기 위한 잔탄 수지 개질의 최신 진전을 종합적으로 요약하며, 약물, 유전자 물질, 단백질, 펩타이드 등 다양한 치료제 전달에 잔탄 수지의 적용 가능성을 강조하였다[274]. 약물 전달 시스템에서 잔탄의 중요한 특성은 낮은 pH에서 높은 안정성을 보인다는 점으로, 이는 위액에서 약물의 분해를 방지하는 데 도움이 되며, 방출 매체의 pH와 이온 강도를 변경하여 약물 방출 속도를 제어할 수 있는 능력이다. 하이드로겔, 매트릭스 정제, 필름, 미세구, 점막 부착 패치 등 다양한 형태의 잔탄이 합성되어 다양한 질환에서 약물을 전달한다 [274]. Jadav 등의 리뷰는 항당뇨병제, 항경련제, 면역억제제, 그리고 염증, 류마티스 관절염, 통풍, 피부 질환, 중추신경계 관련 장애, 비만, 녹내장 및 폐 질환 치료제 전달을 위한 잔탄 기반 시스템에 대한 정보를 제공한다 [274]. 잔탄 기반 물질은 항균제[275,276], 항바이러스제[277], 항진균제[278] 전달에 활용된다. 또한 BC는 항균 및 방부제 전달에도 사용되었다[279]. BC와 잔탄은 암 치료를 위한 유망한 생체재료로 입증되었다[280,281,282,283,284,285,286,287,288]. 예를 들어, Cacicedo 등은 BC 하이드로겔과 나노구조 지질 운반체를 결합하여 암 치료에서 독소루비신의 국소 약물 전달을 위한 임플란트로 사용하였다 [281]. Zhang 등은 유방암 치료를 위해 Fe3O4 자성 독소루비신 코팅 나노입자를 포함한 BC 기반 복합체를 개발하였다 [282]. 잔탄의 미세구, 하이드로겔 [284,285,286], pH 반응성 나노입자 [287], 나노겔 [288] 등이 대장암을 비롯한 다양한 암 치료에 사용되는 항암제 전달을 위해 제조되었다. 최근 Anghel 등(2023)은 헤파린 전달체로 새로운 잔탄 기반 물질을 개발하였다[289].

최근 잔탄과 BC 기반 스캐폴드 제작, 특히 나노물질 및 기타 생체적합성 폴리머와의 복합체 및 혼합체 제작은 조직 공학에 유리한 특성으로 인해 특별한 관심을 받고 있다. BC는 우수한 기계적 특성, 생체 적합성, 높은 친수성, 결정성, 순도, 높은 중합도 및 초미세 다공성 섬유질 콜라겐 유사 구조로 인해 조직 공학 분야에서 막대한 잠재력을 지닌다 [290,291,292]. 지난 수십 년간 조직 공학에서 BC의 활용에 관한 다수의 논문이 발표되었다. 최근 Raut 등(2023)의 리뷰는 조직 공학 분야의 첨단 소재로서 최신 개질/기능화 BC 기반 복합재 및 혼합물을 소개하고, BC 및 그 복합재와 혼합물의 생산 전략과 특성 분석에 관한 최신 동향을 종합하였다[292]. BC 기반 복합체는 연골 [293,294,295,296,297,298,299,300], 뼈 [301,302,303,304,305], 혈관, 지방 조직, 신경, 간, 피부 등 연조직 공학 분야에서 유망한 재료임이 입증되었다 [306,307,308,309,310,311,312,313,314,315]. 지방 조직, 신경, 간, 피부 [306,307,308,309,310,311,312,313,314,315,316,317,318,319,320]과 같은 연조직 공학 분야에서 유망한 재료임이 입증되었습니다. Jabbari 등(2022)의 리뷰는 신경 조직 재생에서 BC 기반 생체재료의 중요성과 핵심 역할, 그리고 전기 자극이 세포 행동에 미치는 영향에 대해 논의하였다[312]. Chen 등(2022)의 리뷰는 생체 의학 조직 공학에서 셀룰로오스 및 그 유도체 기반 하이드로겔의 응용 전망을 요약하였다[313]. Fooladi 등(2023)의 최근 리뷰는 심혈관 조직 공학을 위한 BC 기반 재료의 적용을 논의하였다[314]. Dydak 등은 골아세포 및 섬유아세포 배양에 대한 세포 독성이 낮은 BC 코팅 티타늄-알루미늄-니오븀 뼈 스캐폴드 임플란트를 개발하였다(그림 5E)[320]. 줄리아니(Zuliani) 등은 효율적이고 저비용의 키토산-잔탄 스캐폴드(그림 5D)에 직접 시드할 경우 인간 양수 유래 줄기세포를 연골세포로 분화시킬 수 있음을 입증하였다[321]. Bueno 등은 잔탄 수성 용액에서 하이드록시아파타이트를 침전시켜 잔탄-하이드록시아파타이트 하이드로겔 나노복합체를 얻었다. 나노복합체 하이드로겔은 다공성 구조를 나타내며 골아세포 성장에 적합함이 입증되었다 [322]. 최근 Barbosa 등(2023)은 유도 조직 및 골 재생, 특히 치주 조직 재생에 사용하기 위해 하이드록시아파타이트를 포함하는 키토산-잔탄 복합 막을 제작하였다[323]. Souza 등(2022)은 유도 골 재생을 위해 하이드록시아파타이트와 다양한 농도의 그래핀 산화물을 결합한 키토산-잔탄막을 개발하였다[324]. 또한 Souza 등(2023)은 재생 치과 응용을 위해 중간엽 줄기세포와 결합된 키토산/잔탄/하이드록시아파타이트-그래핀 산화물 나노복합체 고분자 스캐폴드를 합성하였다[325]. 최근 Singh 등(2023)은 효과적인 골조직 재생과 향상된 생체광물화를 위해 매트릭스에 흑연 나노파우더 충전재를 함침시킨 잔탄과 디에틸렌글리콜 디메타크릴레이트로 구성된 생체재료를 제조하였다 [326]. Piola 등은 생체적합성 천연 고분자인 젤라틴과 잔탄검을 서로 다른 비율로 혼합하여 가교된 3D 프린팅 가능한 하이드로겔을 개발했으며, 이는 인간 각질세포 및 섬유아세포 성장용 스캐폴드이자 상처 드레싱으로 사용될 수 있다(그림 5F) [327]. 또 다른 연구에서 Decarli 등은 (2023)은 잔탄검-알긴산 하이드로겔에 캡슐화된 인간 중간엽 줄기세포 구체를 사용하여 재현 가능한 바이오프린팅 공정과 성공적인 사후 연골 분화 절차를 보고하였다[328]. 이 결과는 연골 연구를 위한 3D 모델 획득 및 궁극적으로 안정적인 연골 조직 임플란트로서의 잠재적 활용 가능성에 대한 시험관 내 개념 증명을 위한 유망한 절차를 입증하였다. 그림 5는 잔탄 및 BC 기반 복합체의 생의학적 응용에 대한 개략적 개요를 보여줍니다.

그림 5. 잔탄 및 BC 기반 복합체의 생의학적 응용: BC 겔 필름 (A); 상처 치유용 잔탄-곤약 글루코만난 복합 하이드로겔 (B) (참고문헌 [266] (오픈 액세스)에서 수정); 체크포인트 차단 항체 전달 최적화를 위한 IgG 함유 BC (C) (참고문헌 [273] (오픈 액세스)에서 수정); 연골세포 배양용 키토산-잔탄 스캐폴드 (D) (문헌 [321] (오픈 액세스)에서 발췌); BC 코팅 티타늄-알루미늄-니오븀 뼈 스캐폴드 (E) (문헌 [320] (오픈 액세스)에서 발췌); 인간 피부 세포 성장을 위한 3D 프린팅 젤라틴-잔탄 복합 하이드로겔 (F) (Ref. [327] (오픈 액세스)에서 수정); 돼지 경동맥에 이식된 BC 이식편 (G) (Ref. [307] (오픈 액세스)에서 수정).

BC는 흡착제로 사용될 때 넓은 표면적, 높은 기계적 특성, 생분해성, 표면의 하이드록실 그룹으로 인한 높은 반응성 등 많은 장점을 지니며, 이는 그 특성에 따라 다양한 오염물질과 상호작용할 수 있도록 화학적 변형을 가능하게 합니다 [46,329]. 유해 금속[330,331,332,333], 불소[113], 염료, 의약품 화합물, 석유 제품을 포함한 유기 오염물질을 제거하기 위한 여러 BC 기반 흡착제가 개발되었습니다[334,335,336,337,338,339]. 따라서 Salama 등(2021)은 흡착, 흡수, 응집, 광촉매 분해, 소독 등을 포함한 폐수 처리를 위한 나노셀룰로오스 기반 물질에 대한 최신 연구 결과를 종합적으로 개괄하고, 화학적 변형에 대한 다양한 접근법을 논의했습니다 [329]. Parizadeh 등(2023)은 검은 가지 껍질에서 추출한 안토시아닌을 BC 나노섬유에 내장하여 용액 및 고체 상태의 구리(Cu(II)) 이온을 검출하는 효과적인 비색 센서를 개발하였다[340]. 잔탄 기능군은 또한 수용액으로부터 중금속을 결합하고 효과적으로 제거할 수 있다. 잔탄은 초흡수제 생산 및 오염수 정화를 위한 새로운 친환경 소재로 활용될 수 있다[36,243,245]. Balíkova 등의 최근 리뷰는 잔탄을 환경 친화적 흡착제로 활용한 수질 소독의 전망을 강조했다[36]. Sorze 등(2023)은 식물 생장 촉진 및 산림 보호를 위한 토양 개량제 및 지표 피복재로 활용 가능한 잔탄과 셀룰로오스 섬유의 새로운 생분해성 하이드로겔 복합체를 개발하였다[341]. 최근 Guimarães 등(2023)은 캐슈애플 주스 가공 산업 잔여물로 제조된 초흡수성 BC 필름을 얻었다[342]. 또한 세균성 EPS는 생분해성 및 무독성 특성으로 환경용 생물 응집제 등 응용 분야에서 주목받고 있다. 이에 Sudirgo 등(2023)은 합성 콩고 레드 폐수 탈색을 위한 응집 보조제로서 잔탄의 유망한 대체 가능성을 입증하였다. 잔탄의 카르복실산기는 주요 응집제인 폴리알루미늄 클로라이드와 상호작용하여 더 큰 플록의 형성을 돕고 응집제 성능을 향상시킬 수 있다 [343].

잔탄은 높은 점도, 가소성 거동, 염도 안정성, 온도 및 알칼리성 조건으로 인해 증강 원유 회수 기술에 널리 사용됩니다 [344]. 또한 BC는 원유 회수의 미생물적 증진에 사용될 수 있습니다 [77]. 또한 BC와 잔탄은 나노전자공학(센서, 광전자 소자, 플렉서블 디스플레이 스크린, 에너지 저장 장치, 음향 막) 분야에도 활용 가능하다[345,346,347,348,349,350,351,352,353,354,355,356]. 이온 전도성 하이드로겔은 유연 전자 장치의 이상적인 후보로 널리 주목받고 있다. 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리아닐린과 같은 전도성 폴리머와 탄소 기반 나노물질, 금속 나노입자 또는 나노와이어와 같은 나노물질이 전도성 하이드로겔 합성에 사용된다. Prilepskii 등(2023)의 최근 리뷰는 조직 재생용 전기 전도성 스캐폴드, 이식 가능 및 착용형 생체 인터페이스, 유연 배터리, 센서, EMI 차폐 복합재 등 다양한 분야에 적용 가능한 전기 전도성 BC 기반 복합재의 최근 발전 사항을 제시하였다 [352]. Pan 등(2023)의 최근 리뷰는 변형, pH, 전기 활성 및 열 센서를 포함한 BC 하이드로겔 기반 센서의 최신 발전을 요약했습니다 [353]. 최근 Zhou 등(2023)은 유연 전자기기를 위한 이중 네트워크 폴리비닐 알코올/폴리아크릴아미드/잔탄검 이온 전도성 하이드로겔을 개발하였다[354]. 또한 Wu 등(2022)은 고감도 압력 센서를 위한 반(半)상호침투성 폴리(이온성 액체)/잔탄검 기반의 새로운 이오노겔을 제조하였다[355]. 현재 Tomić 등(2023)은 다양한 다당류 기반 개질제(잔탄, 아라비아검, 카르복시메틸셀룰로오스 나트륨), 폴리(비닐알코올) 네트워크 및 다양한 그래핀 기반 충전재 간의 다중 및 다양한 협응력 결합을 통해 자가 치유 및 자가 접착성 전도성 나노복합 하이드로겔을 개발 중이다[356]. 최근 잔탄과 BC는 3D 프린팅 기술에 적용되어 주목을 받고 있다 [327,357,358,359,360,361,362,363,364,365]. 바이오잉크로서의 바이오폴리머는 생체 적합성, 무독성, 생분해성, 비항원성, 불활성, 생체 접착성 및 적절한 지혈성 측면에서 합성 폴리머에 비해 더 유리하다. 잔탄검은 필요한 점도와 전단 얇아짐 특성을 지녀 유변학적 조절제로 기능할 수 있으며, 이로 인해 3D 프린팅 잠재력을 향상시킨다 [357,358]. 최근 Li 등(2023)은 압출 바이오 프린팅을 위한 젤라틴 메타크릴로일/알기네이트/폴리에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트/잔탄검 하이드로겔 바이오잉크 시스템을 개발하였다[361]. 잔탄은 하이드로겔 시스템의 점도를 개선하고 실온에서 용출을 용이하게 했으며, 생체 적합성에 필수적인 세포 배양 배지와 같은 이온성 용액에서의 용해성을 입증했다. 또한 하이드로겔 바이오잉크의 고품질 제조를 가능하게 하는 자동화된 능동 혼합 플랫폼을 개발했다 [362]. 3D 프린팅용 바이오잉크로 BC와 잔탄을 사용하는 것은 조직 공학 및 상처 드레싱 분야에서 엄청난 잠재력을 지닙니다 [264,265,328,363,364,365]. 최근 Unalan 등(2023)과 Liang 등(2023)은 화상 상처 치유를 위해 잔탄을 포함한 (3D) 프린팅 하이드로겔을 제조하였다[264,265]. Cakmak 등은 뼈 조직 공학을 위한 3D 프린팅 BC/폴리카프로락톤/젤라틴/하이드록시아파타이트 복합 스캐폴드를 개발하였다[364]. Aki 등도 골조직 공학을 위한 3D 프린팅 PVA/육방정 질화붕소/박테리아 셀룰로오스 복합 스캐폴드를 개발하였다[365].

Figure 5. Biomedical applications of xanthan and BC-based composites: BC gel film (A); xanthan-konjac glucomannan composite hydrogel for wound healing (B) (adapted from Ref. [266] (open access)); BC loaded with IgG for optimizing checkpoint-blocking antibody delivery (C) (adapted from Ref. [273] (open access)); chitosan–xanthan scaffold for chondrocytes growth (D) (adapted from Ref. [321] (open access)); BC-coated Titanium-Aluminium-Niobium bone scaffold (E) (adapted from Ref. [320] (open access)); 3D-printed gelatin–xanthan composite hydrogel for growth of human skin cells (F) (adapted from Ref. [327] (open access)); BC graft implanted in the porcine carotid artery (G) (adapted from Ref. [307] (open access)).

BC has many advantages when used as an adsorbent, including a large surface area, high mechanical properties, biodegradability, and high reactivity due to the presence of hydroxyl groups on the surface, which enables its chemical modification to interact with various pollutants, depending on its nature [46,329]. A number of BC-based adsorbents have been obtained for removing hazardous metals [330,331,332,333], fluorine [113], and organic pollutants, including dyes, pharmaceutical compounds, and petroleum products [334,335,336,337,338,339]. So, Salama et al. (2021) provided a comprehensive overview of the latest research results on nanocellulose-based materials for wastewater treatment, including adsorption, absorption, flocculation, photocatalytic decomposition, disinfection, etc., and discussed various approaches to their chemical modification [329]. Parizadeh et al. (2023) developed an effective colorimetric sensor that detects copper (Cu(II)) ions in solutions and solid states using anthocyanin extract from black eggplant peels embedded in BC nanofibers [340]. Xanthan functional groups are also able to bind heavy metals from aqueous solutions and effectively remove them. Xanthan can be used as a new green-based material to produce superabsorbents and remediate contaminated waters [36,243,245]. A recent review by Balíkova et al. has emphasized the prospects for using xanthan as an environmentally friendly adsorbent for water disinfection [36]. Sorze et al. (2023) have developed novel biodegradable hydrogel composites of xanthan and cellulose fibers that can be used both as soil conditioners and ground covers to stimulate plant growth and protect forests [341]. Recently, Guimarães et al. (2023) received a superabsorbent BC film produced from industrial residues of cashew apple juice processing [342]. Furthermore, bacterial EPSs have attracted interest for their applications, such as environmental bio-flocculants, because they are degradable and nontoxic. So, Sudirgo et al. (2023) showed xanthan to be a promising alternative as a coagulant aid for synthetic Congo red wastewater decolorization. The carboxylate group in xanthan could interact with polyaluminium chloride as the main coagulant, thus assisting the formation of larger flocs and resulting in improved coagulant performance [343].

Xanthan is widely used in enhanced oil recovery technology because of its high viscosity, pseudoplastic behavior, salinity stability, temperature, and alkaline conditions [344]. Furthermore, BC can be used for the microbial enhancement of oil recovery [77]. Furthermore, BC and xanthan can be used in nanoelectronics (sensors, optoelectronic devices, flexible display screens, energy storage devices, and acoustic membranes) [345,346,347,348,349,350,351,352,353,354,355,356]. Ionic conductive hydrogels have received widespread attention as ideal candidates for flexible electronic devices. Conductive polymers such as polypyrrole, polythiophene, and polyaniline and nanomaterials such as carbon-based nanomaterials, metal nanoparticles, or nanowires are used in the synthesis of conductive hydrogels. The recent review by Prilepskii et al. (2023) presented some recent developments in electrically conductive BC-based composites for applications in numerous areas, including electrically conductive scaffolds for tissue regeneration, implantable and wearable biointerfaces, flexible batteries, sensors, and EMI shielding composites [352]. The recent review by Pan et al. (2023) summarized the latest advances in BC hydrogel-based sensors, including strain, pH, electroactive, and thermal sensors [353]. Recently, Zhou et al. (2023) developed dual-network polyvinyl alcohol/polyacrylamide/xanthan gum ionic conductive hydrogels for flexible electronic devices [354]. Furthermore, Wu et al. (2022) prepared a novel ionogel with semi-interpenetrating poly (ionic liquids)/xanthan gum for highly sensitive pressure sensors [355]. Currently, Tomić et al. (2023) are developing self-healing and self-adhesive conductive nanocomposite hydrogels by multiple and diverse coordination connections between various polysaccharide-based modifiers (xanthan, arabic gum, sodium carboxymethyl cellulose), the poly(vinyl alcohol) network, and different graphene-based fillers [356]. Recently, xanthan and BC have received attention for their application in 3D printing technology [327,357,358,359,360,361,362,363,364,365]. Biopolymers as bioinks tend to be more profitable in terms of biocompatibility, nontoxicity, biodegradability, nonantigenicity, inertness, bio-adhesiveness, and adequate hemostasis compared to synthetic polymers. Xanthan has the required viscosity and shear thinning capacity, due to which it can function as a rheological modifier, thus improving 3D printing potential [357,358]. Recently, Li et al. (2023) developed a gelatin methacryloyl/alginate/polyethylene glycol dimethacrylate/xanthan gum hydrogel bioink system for extrusion bioprinting [361]. Xanthan improved the viscosity of the hydrogel system and allowed easy extrusion at room temperature and demonstrated solubility in ionic solutions such as cell culture medium, which is essential for biocompatibility. They have also developed an automated active mixing platform which allows for the high-quality preparation of hydrogel bioinks [362]. The use of BC and xanthan as bioinks for 3D printing has tremendous potential in tissue engineering and wound dressings [264,265,328,363,364,365]. Recently, Unalan et al. (2023) and Liang et al. (2023) prepared (3D)-printed hydrogels with xanthan for burn wound healing [264,265]. Cakmak et al. developed a 3D-printed BC/polycaprolactone/gelatin/hydroxyapatite composite scaffold for bone tissue engineering [364]. Aki et al. also developed a 3D-printed PVA/hexagonal boron nitride/bacterial cellulose composite scaffold for bone tissue engineering [365].

5. Conclusions and Further Prospects

The present review summarizes strategies for the cost-effective production of important industrial exopolysaccharides such as xanthan and BC and demonstrates for the first time common approaches to their efficient production and to obtaining new functional materials for a wide range of applications, including wound healing, drug delivery, tissue engineering, environmental remediation, nanoelectronics, and 3D printing. Xanthan and BC are eco-friendly biopolymers with unique beneficial properties, such as biodegradability, biocompatibility, non-toxicity, a high degree of polymerization, the ability for gelation, renewable sourcing, and easy modification. Therefore, they have extensive commercial applications in biomedicine, food, pharmaceuticals, cosmetics, electronics, environmental remediation, the oil and gas industries, etc. The global xanthan market is developing rapidly due to applications in the food and agrochemical industries, cosmetics, driller fluid, and foam stabilizer segments. In addition, in recent years, the range of its application has expanded significantly, including biomedicine, environmental remediation, nanoelectronics, and 3D printing. Over the past few decades, BC production has also exponentially increased. The high cost of fermentation media is the limiting factor for BC and xanthan production. About 30% of the total cost accounts for the nutrient medium cost. Cost being a limiting factor in EPS production, many research investigations have been launched to use industrial wastes and by-products such as food and agro-industrial wastes, wastes from the sugar, dairy, alcohol, and biodiesel industries, and ABE fermentation. Statistical methods have been applied systematically to optimize xanthan and BC production parameters. Another strategy for efficient EPS production can be the co-cultivation of EPS-producing bacteria. Some publications specified the positive effect of the co-cultivation of EPS-producing bacteria on product yield. Biocatalytic techniques are promising for obtaining bacterial EPSs. Carbohydrate substrate conversion into a biopolymer can be improved by the activity of the enzymes involved in the synthesis and regulation of the pathways for EPS precursor biosynthesis. Cell immobilization can significantly improve the productivity and stability of biocatalysts. In recent years, valuable information has emerged on QS mechanisms in EPS biosynthesis. This area requires further study in terms of application for more efficient EPS production. Cell-free systems for EPS biosynthesis also show great development prospects. The cell-free systems may be a possible solution to the limitations faced by traditional EPS production, such as low yield and productivity, the production of byproducts and secondary metabolites, and high downstream processing costs. Another strategy for xanthan and BC cost-effective production is to isolate new bacterial strains from natural sources and create highly productive strains by genetic and metabolic engineering. With the help of genetic engineering, new strains with modified or introduced enzymatic activity can be created, which can expand the range of inexpensive substrates available for production and increase the degree of their transformation into EPSs. A growing number of studies is focused on the mechanisms involved in BC and xanthan biosynthesis, metabolic modeling, and genetic analysis applied to enable the improvement of its production on a large scale. Using genetic engineering for EPS production is a promising alternative to improve production on an industrial scale. However, it should be noted that despite numerous studies aimed at creating productive strains, none of them has so far led to the development of mutant strains which comply with the requirements of large-scale biotechnological production. Bacterial EPSs are characterized by a large number of functional groups which enable them to modify their molecules to give them new valuable properties. Therefore, a great number of EPS-based biocomposite materials have been obtained. The already-developed methodological approaches and the accumulated data on their modification will enable the creation of an even greater number of different functional materials with a wide range of applications in the future.

In conclusion, we would like to note that in our opinion, an integrated approach is required to further improve BC and xanthan production, taking into account all the strategies described in the review. Particular attention should be paid to genetic and metabolic engineering in order to obtain highly productive strains meeting the requirements of large-scale biotechnological production. Further research in the field of biocatalytic technologies and a deeper understanding of QS mechanisms in EPS biosynthesis are needed to produce BC and xanthan in the future. When solving the problems, there must be a clear understanding of the relationship between EPS production processes, their properties, and their possible uses for the targeted production of materials with specified properties.

5. 결론 및 향후 전망

본 리뷰는 잔탄과 BC와 같은 중요한 산업용 외부 다당류의 비용 효율적 생산 전략을 요약하고, 상처 치유, 약물 전달, 조직 공학, 환경 정화, 나노전자공학, 3D 프린팅 등 광범위한 응용 분야를 위한 새로운 기능성 소재 확보를 위한 효율적 생산의 공통적 접근법을 최초로 제시한다. 잔탄과 BC는 생분해성, 생체 적합성, 무독성, 높은 중합도, 겔화 능력, 재생 가능 원료 공급, 쉬운 개조성 등 독특한 유익한 특성을 지닌 친환경 생체 고분자입니다. 따라서 생의학, 식품, 제약, 화장품, 전자, 환경 정화, 석유 및 가스 산업 등 광범위한 상업적 응용 분야를 가지고 있습니다. 글로벌 잔탄 시장은 식품 및 농화학 산업, 화장품, 시추 유체, 발포 안정제 부문에서의 응용으로 인해 빠르게 발전하고 있습니다. 또한 최근 몇 년간 생의학, 환경 정화, 나노전자공학, 3D 프린팅 등 적용 범위가 크게 확대되었습니다. 지난 수십 년간 엑스탄 생산량도 기하급수적으로 증가했습니다. 발효 배지 비용이 높다는 점이 엑스탄 생산의 제한 요소입니다. 총 비용의 약 30%가 배지 비용으로 차지합니다. EPS 생산에서 비용이 제한 요인으로 작용함에 따라, 식품 및 농산업 폐기물, 설탕·유제품·알코올·바이오디젤 산업 폐기물, ABE 발효 등 산업 폐기물 및 부산물을 활용하기 위한 다수의 연구가 진행되었습니다. 잔탄 및 BC 생산 매개변수 최적화를 위해 통계적 방법이 체계적으로 적용되었습니다. 효율적인 EPS 생산을 위한 또 다른 전략은 EPS 생산 박테리아의 공동 배양일 수 있습니다. 일부 문헌에서는 EPS 생산균의 공동 배양이 제품 수율에 긍정적 영향을 미친다고 명시하였다. 생물학적 촉매 기술은 박테리아 EPS 획득에 유망하다. EPS 전구체 생합성 경로의 합성 및 조절에 관여하는 효소 활성을 통해 탄수화물 기질의 생고분자 전환을 개선할 수 있다. 세포 고정화는 생물학적 촉매제의 생산성과 안정성을 크게 향상시킬 수 있다. 최근 몇 년간 EPS 생합성에서의 퀀텀 시그널링(QS) 메커니즘에 관한 귀중한 정보가 등장했습니다. 이 분야는 보다 효율적인 EPS 생산을 위한 적용 측면에서 추가 연구가 필요합니다. EPS 생합성을 위한 무세포 시스템 또한 큰 발전 가능성을 보여줍니다. 무세포 시스템은 낮은 수율과 생산성, 부산물 및 2차 대사산물 생성, 높은 다운스트림 처리 비용 등 기존 EPS 생산이 직면한 한계에 대한 해결책이 될 수 있다. 잔탄검 및 BC의 비용 효율적 생산을 위한 또 다른 전략은 천연 자원으로부터 새로운 박테리아 균주를 분리하고 유전자 및 대사 공학을 통해 고생산성 균주를 개발하는 것이다. 유전자 공학을 활용하면 변형되거나 도입된 효소 활성을 지닌 새로운 균주를 창출할 수 있으며, 이는 생산에 활용 가능한 저비용 기질의 범위를 확장하고 이들 기질이 EPS로 전환되는 정도를 높일 수 있다. BC 및 잔탄 생합성에 관여하는 메커니즘, 대사 모델링, 대규모 생산 개선을 가능하게 하는 유전자 분석에 초점을 맞춘 연구가 점점 더 많아지고 있다. EPS 생산을 위한 유전자 공학 활용은 산업적 규모 생산을 개선할 유망한 대안이다. 그러나 생산성 높은 균주 개발을 목표로 한 수많은 연구에도 불구하고, 현재까지 대규모 생물공학적 생산 요건을 충족하는 돌연변이 균주 개발로 이어진 사례는 없다. 박테리아 EPS는 다수의 기능성 그룹을 지녀 분자 구조를 변형시켜 새로운 유용한 특성을 부여할 수 있다. 따라서 EPS 기반의 다양한 바이오 복합 재료가 이미 다수 개발되었습니다. 기존에 확립된 방법론적 접근법과 축적된 변형 데이터는 향후 더욱 다양한 기능성 소재를 창출하여 광범위한 응용 분야를 개척할 수 있는 기반이 될 것입니다.

결론적으로, 본 연구에서 검토한 모든 전략을 고려하여 BC 및 잔탄 생산을 더욱 개선하기 위해서는 통합적 접근이 필요하다고 판단됩니다. 대규모 생물공학적 생산 요건을 충족하는 고생산성 균주를 확보하기 위해 유전자 및 대사 공학에 특히 주목해야 합니다. 향후 BC 및 잔탄 생산을 위해서는 생물촉매 기술 분야의 추가 연구와 EPS 생합성에서 퀀텀 시그널링(QS) 메커니즘에 대한 심층적 이해가 필요합니다. 문제를 해결할 때는 EPS 생산 과정, 그 특성, 그리고 특정 특성을 지닌 물질을 표적 생산하기 위한 잠재적 활용 가능성 간의 관계를 명확히 이해해야 합니다.

Author Contributions

Conceptualization, V.V.R.; data curation, I.V.K.; formal analysis, M.V.P. and N.V.N.; funding acquisition, V.V.R.; methodology, V.V.R. and E.V.L.; project administration, V.V.R.; visualization, K.V.E. and M.V.P.; writing—original draft, E.V.L.; editing, V.V.R., E.V.L. and M.V.P. All authors have read and agreed to the published version of the manuscript.

Funding

This work was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation within the framework of the academic leadership program «Priority 2030» (grant number 25-22) and the program for social and economic development of the Republic Mordovia (grant number 41-23).

Data Availability Statement

No new data were created or analyzed in this study. Data sharing is not applicable to this article.

Conflicts of Interest

The authors declare no conflict of interest.

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