전분으로부터 말토올리고당 생산과 활성탄 흡착에 의한

말토펜타오스 분리 (Ⅱ)

김영탁, 조규진, 이재석*, 문일식

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순천대학교 공과대학 화학공학과

*광주 과학기술원 신소재공학과

Production of Maltooligosaccharides from Starch and Separation of

Maltopentaose by Adsorption of them on Activated Carbon

Young-Tak Kim, Gyoujin Cho, Jae-Suk Lee*, Il-Shik Moon

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Department of Chemical Engineering, Sun Chon N	ational Univerrsity, Sun

Chon, Chun Nam 540-742, Korea

*Department of Material Science and Engineering, Kwangju Institute of

Science and Technology(K-JIST), Kwangju, 506-303 Korea

서론

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전보1에서 언급했던 바와 같이 말토펜타오스 (G5)는 감미료로서 우수한 성질을 지니고 있어 식품첨가물 뿐만아니라 고순도 제품은 의료 분야에서 많은 응용분야가 기대되고 있는 고부가가치 소재이다.

본연구에서는 전보1에서 얻어진 여러 가지 최적조건을 이용, 효소를 고정화2하 여 고정화 효소의 반응 특성과 안정성을 고찰하고 플러그흐름 반응기와 활성탄 칼럼을 부착한 Bioreactor를 설계하여 연속적으로 당생산을 시도하고 생산된 말토올리고당중의 G5 농도를 향상시키기 위하여 활성탄 칼럼을 이용한 흡착처리공정4∼6,을 도입하였다.

실험재료 및 방법

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1. 실험재료

본 실험에 사용한 효소는 노보사의 Termmamyl을 사용하였으며 Termmamyl의 활성은 120 KNU/g 으로서 1 KNU (Kilo  Novo □-amylase Unit)는 시간당 5.26 g의 전분을 분해하는 양으로 정의한다. Ca-alginate 고정화에는 CaCl2·2H2O, Sodium alginate, glutaraldehyde 25 %수용액, polyethyleneimine 30 % 수용액 등을 사용하였다. NH2기 정량에는 5 % diisopropylethylamine/CH2Cl2, 0.1 M picric acid/CH2Cl2 등을 사용하였으며 그 이외의 시약들은 전보1와 동일하다.

2. 효소 고정화 방법 및 당류 분석

효소 고정화 방법은 전보2에서와 같이 Ca-alginate gel matrix 방법에 의한 효소 고정화7, 이온교환수지에 의한 효소 고정화 방법8을 사용하였으며 생산된 올리고당류는 HPLC로 분석하였다.

3. PFR (Plug Flow Rate)에 의한 G5의 연속생산 및 활성탄 흡착에 의한 G5  의 농도 향상 실험

내경 0.8 □, 길이 12 □, L/D 15인 column형 반응기를 제작하여 효소 고정화된 Ca-alginate 비드 3 g, 이온교환수지 비드 4.2 g을  각각 반응기에  충진시켜 전분용액을 syringe pump를 이용하여 dilution rate (h-1)를 변화시키면서 주입하였고 탑 상부에서 2시간 동안 받은 용액을 평균하여 분석하였다. 활성탄 흡착에 의한 G5의 농도를 향상시키기 위하여 활성탄 칼럼을 이용하였으며 직경 8 □, 길이 16 □ 반응관에 활성탄 3 g을 충진하였다

4.NH2기 측정

Ca-alginate, 이온교환수지에 고정화된 효소 량을 알기 위하여 B. F. Gisin이 발표했던 방법으로 NH2기의 양을 측정하였다3.

결과 및 고찰

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1.효소 고정화 조건

Ca-alginate방법으로 효소고정화시 sodium alginate용액 농도를 1.5 %로 일정하게 하고 효소량를 변화시키면서 고정화 효소의 활성과 NH2기 량을 구한 결과를 Table.1에 표시하였다.

Table 1. 효소량의 변화에의한 Ca-alginate 고정화 비드의 활성과 NH2기의 양

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효소량(KNU)	Activity (mg maltose / g·min)	NH2기(M)
1476	2.68	3.1034 × 10-5
738	1.8	1.924 × 10-5
369	0.6368
73.8	0.6071

성형된 비드는 강도와 안정성을 높이기 위해 polyethyleneimine, glutaraldehyde용액처리7를 10min∼1hr이상 처리 하였는데 10 min 이었을때 효소의 활성이 우수함을 알 수 있었으며 고정화한 효소는 Fig. 1에서와 같이 약 30 일 이상 활성이 안정됨을 알수 있었다.

이온교환수지에의한 효소고정화방법에 있어서는 상업적으로 시판되고있는 여러 가지 이온교환수지에 대하여 효소고정화 실험을 수행한결과, Table 2.에서와 같이 styrene계 음이온 교환수지인 diaion이 효소의 활성도 높았고 NH2기의 몰수가 많았다.

Table 2. 각종 이온교환수지에 대한 고정화 효소의 활성및 NH2기 량 (효소량 443KNU)

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이온교환수지	Activity (mg maltose / g·min)	NH2기(M)
Diaion	21.94	3.924× 10-5
Sepabeads	21.46	3.779× 10-5
SK1B	22.35	2.317× 10-5
SK10A	18.1	2.496 ×10-5

Table. 3 Diaion에 의한 고정화 효소의 활성 및 NH2기 량

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효소량(KNU)	Activity (mg maltose / g·min)	NH2기(M)
738	34.86	2.8×10-5
443	28.52	1.4×10-5

따라서 diaion을 사용하여 효소고정화 하였을때 효소량에 따른 고정화 효소의 활성과 NH2기 량을 Table 3.에표시하였고 고정화한 효소는 Fig. 2에서와 같이 약 20일 이상 안정됨을 알수 있었다.

Fig. 1 Stability of immobilized        Fig. 2 Stability of immobilized

Ca-alginate enzyme.                   Ion-exchange resin.

2. PFR에 의한 G5 연속생산 및 활성탄 흡착에 의한 G5 순도 향상

실험 방법에서와 같이 효소 고정화된 비드를 충진하여 반응기상에서 생산한 G5의 선택율을 각각 Fig. 3와 4에 표시하였으며 Ca-alginate 고정화에서 최고 선택율 42%, 그때 수율 20% 정도를 생산하였다 (dilution rate, 2.9 h-1).

이온교환수지 고정화에서는 최고 선택율 53%, 그때 수율 28% 정도로 G5를 생산하였다 (dilution rate, 2.9 h-1).

이온교환수지 고정화비드를 이용하여 생산된 올리고당 액 (G5 선택율 약 50%)을 활성탄 칼럼이 부착된 연속반응기에서 G5의 선택율을 약 60% 까지 상승시켰다.

Fig. 3 Continuous production of G5     Fig. 4 Continuous production of G5           by packed with immobilized            by packed with immobilized

Ca-alginate enzyme.                   Ion-exchange resin.

결론

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Ca-alginate 고정화 최적 조건은 0.1M CaCl2 용액중에서 15분 정도 방치시키고

polyethyleneimine, glutaraldehyde 수용액중에서 10분 처리 하였을때 최대활성을 나타냈으며 Ca-alginate 고정화 비드를 충진하여 선택율 42%, 수율 20% 정도로 G5를 생산하였다 (dilution rate, 2.9 h-1). 이온교환수지에서는 선택율 52%, 수율 28% 정도로 G5를 생산하였다 (dilution rate, 2.9 h-1).

이온교환수지 고정화 비드를 이용하여 생산된 올리고당 액 (G5 선택율 약 50%)을 플러그흐름 반응기와 활성탄 칼럼이 부착된 연속 반응기에서 G5 선택율을

약 60% 까지 상승시켰다.

감사 본 연구는 1996년 한국학술진흥재단의 지방대 육성과제 연구비 (과제번호

02 E 0217)의 일부로 수행되었으며 이에 감사드립니다.

참고문헌

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1. 김영탁, 조규진, 이재석, 문일식: 화학공학의 이론과 응용, Vol 3, No 1, 581-584 (1997).

2. 장종관, 조규진, 이재석, 문일식: 화학공학의 이론과 응용, Vol 3, No 1, 625-

628 (1997).

3. B. F. Gisin, Anal. Chim. Acta, 58, 248-249 (1972).

4. Yoshinori Kuba et al. Enzyme Microb, Technol, 12. January, 1990.

5. Ajisaaka Katsumi et al. Denpun Kagaku, 36, 2, 113, 1989.

6. Tatsuaki Yamaguchi et al. 日化, 11, 1577, 1977.

7. P. Bajpai and A. Margaritis, Process Biochemistry, February, 1986.

8. 윤종원, 이민규, 송승구, 한국 생물공학회지, 8, 4, 307∼312 (1993)