[논문]Horseradish Peroxidase와 라디칼 전달체를 이용한 Kraft 펄프의 표백

류근갑; 권오열

문제 정의

다음에는 효소사용량이 펄프의 표백에 미치는 영향을 조사하였다. 효소의 사용량음 완충용액 90 mL당 0-30 mg 범위에서 변화시켰을 경우 Figure 3에서와 같이 효소의 양이 0.
구하였다. 또한 peroxidase의 펄프에의 홉착성과 표백효율과의 상관관계도 연구하였다.
본 연구에서는 peroxidase의 기질 증 ABTS가 저농도는 물론 고농도인 20 mM H₂O₂와 함께 사용될 수 있음을 밝혀내었으며 펄프전처리를 위한 최적 효소반응 조건을 구하였다. 또한 peroxidase의 펄프에의 홉착성과 표백효율과의 상관관계도 연구하였다.

제안 방법

예를 들면 hydrazine 은 HRP와의 반응성이 미약하지만 반응용액에 효소기질인 CPZ를 같이 사용하면 hydrazine의 산화속도가 증가된다(11). 본 실험에서는 라디칼전달체로서 CPZ 또는 ABTS를 사용하고 여러 가지 농도의 压。2를 사용했을 때 HRP에 의한 펄프로부터 리그닌의 알칼리 추출효율을 실험하였다. Figure 1에서와 같이 CPZ를 사용하였을 경우 표백효율이 오히려 감소하였다.
压。2와 CPZ 또는 ABTS를 첨가하고 약 10분간 교반 하였다. 이 용액에 탈수된 펄프15 g을 투입하고 효소가 녹아 있는 완충용액 10 mL를 첨가한 후 40笆에서 3시간 동안교반하였다.
따라서 본 연구에서도 HRP의 펄프 흡착도를 40°C에서 측정하고 흡착도와 표백효과와의 상관관계를 측정하였다. Figure 5의 흡착등온선에서 보듯이 kraft 펄프에 대한 HRP 의 흡착강도는 용액의 pH 에 민감하게 의존하였다 Figure 5에서와 같이 펄프에 대한 효소의 흡착등온선은 본 실험범위 내에서 Langmuir흡착 곡선이 아닌 선형이었으므로 흡착 등온선의 기울기로부터 흡착강도의 값을 구하였다.
또한 펄프의 주요 구성성분인 셀룰로즈와 리그닌의 모델 물질로서 결정형 셀룰로즈인 avicel과 알칼리 리그닌인 Indulin AT를 각각 이용해서 pH 5, 7, 9인 용액에서 HRP의 흡착 등온실험을 수행하였다. Avicel 및 Indulin AT에 대한 효소홉착등온선 역시 선형이었으며 Figure 6에서와 같이 일반적으로 avicel에 대한 효소홉착강도는 리그닌에 대한 효소홉착강도보다 낮았다.
효소반응 및 추출용액 내의 펄프건조무게 함량(consistency)은 4%였다. 추출이 끝난 후 펄프를 증류수로 세척하고 탈수시킨 후 kappa number를 측정하였다

대상 데이터

CPZfchior- pronnazine) 오} ABTS 는 Aldrich 에서 알칼리 리그닌 (Ind 니 in AT)과 HRP (Type II)는 Sigma에서 그리고 결정형 셀룰로즈인 avicel(PHMl)은 Fluka에서 구입하였다.
미표백 펄프는 동해펄프(주)에서 제공받았다. CPZfchior- pronnazine) 오} ABTS 는 Aldrich 에서 알칼리 리그닌 (Ind 니 in AT)과 HRP (Type II)는 Sigma에서 그리고 결정형 셀룰로즈인 avicel(PHMl)은 Fluka에서 구입하였다.

이론/모형

kappa number를 7로 나눈값이 된다. Kappa number는 건조펄프 i g에 의해 소비된 0.1 N KMnO, 용액의 소비된 양 (mL)으로 나타내며 TAPPI T 236 cm-85의 문헌에서 제시된 방법에 따라서 측정 하였다.

성능/효과

Figure 1에서와 같이 CPZ를 사용하였을 경우 표백효율이 오히려 감소하였다. 그러나 ABTS를 사용할 경우 넓은 범위의 玦。2 농도에서 표백효율이 증가하였으며, 田。2의 농도가 건조펄프 무게의 1%(11 mM)일 때 리그닌의 추출효율이 가장 높았다. 따라서 kraft 펄프 표백을 위해서 peroxidase를 사용할 경우 压。2 의 농도를 약 0.
또한 HRP 에 의한 펄프표백 효율은 효소의 활성 및 펄프에의 홉 착 강도와 밀접한 관련이 있었다. HRP의 활성과 kraft 펄프의 표백효율은 pH 7에서 가장 높았으며 산성용액과 알칼리성 용액에서는 감소하였다 또한 HRP의 펄프홉착 강도는 pH 6-8에서 가장 낮았고 산성용액(pH 5) 및 알칼리성 용액(pH 9) 에서가장 높았다. 펄프의 주요구성 성분인 결정형 셀룰로즈와 리그닌 중 리그닌에 대한 효소의 홉착강도가 더욱 높았다.
또한 avice!에 대한 효소홉착강도는 용액의 pH가 증가할 수록 감소하였으나 리그닌에 대한 효소홈착강도는 pH 5 및 pH 9인 용액에서 높았고 pH 7용액에서 가장 낮았다. 따라서 HRP는 펄프에 포함되어 있는 리그닌에 대부분 홈 착하며 중성용액을 이용하면 효소의 홉착을 최소화할 수 있었다. 이와 같이 결정형 셀룰로즈보다 리그닌에 대한 HRP 의 흡착강도가 높은 현상은 xylanase의 경우와 같으므로(12) 효소를 이용한 kraft pulp의 표백효율 향상 연구시 고려해야 할 중요한 현상이다.
또한 Figure 2에서와 같이 kraft펄프의 전처리에서 사용된 완충용액의 pH를 5-9 사이에서 변화시켰을경우 pH 7용액에서 펄프의 표백효율이 가장 높았다. 또한 HRP의 활성 역시 pH 7에서 가장 높았다 따라서 기존의 알칼리 용액에서 이루어지는 펄프표백 방법인 kraft 공정에 HRP를 이용할 경우 용액의 pH를 조절하기 위한 산 및 알칼리의 사용량을 최소화 할 수 있을 것이다.
Avicel 및 Indulin AT에 대한 효소홉착등온선 역시 선형이었으며 Figure 6에서와 같이 일반적으로 avicel에 대한 효소홉착강도는 리그닌에 대한 효소홉착강도보다 낮았다. 또한 avice!에 대한 효소홉착강도는 용액의 pH가 증가할 수록 감소하였으나 리그닌에 대한 효소홈착강도는 pH 5 및 pH 9인 용액에서 높았고 pH 7용액에서 가장 낮았다. 따라서 HRP는 펄프에 포함되어 있는 리그닌에 대부분 홈 착하며 중성용액을 이용하면 효소의 홉착을 최소화할 수 있었다.
또한 Figure 4에서와 같이 라디칼 전달체인 ABTS의 사용농도를 0-10 mM 범위에서 변화시켰을 경우 ABTS의 초기농도가 1 mM 이상에서 펄프의 kappa number는 더 이상 감소하지 않았다. 위의 결과로무터 효소와 ABTS의 사용량에 따른 펄프 리그닌의 추출효과는 일정한 수준 이상으로 증가하지 않음을 알 수 있었다. 이러한 결과로부터 효소반응에 의해서 생성된 ABTS 라디칼과 펄프 리그닌 사이의 반응속도가 일정한 수준 이상으로는 증가하지 않는 것을 알 수 있었다 이는 펄프의 구조로 인해서 ABTS 라디칼이 펄프 리그닌에 접촉함 수 있는 정도가 제한을 받는 것으로 해석할 수 있었다.
위의 결과로무터 효소와 ABTS의 사용량에 따른 펄프 리그닌의 추출효과는 일정한 수준 이상으로 증가하지 않음을 알 수 있었다. 이러한 결과로부터 효소반응에 의해서 생성된 ABTS 라디칼과 펄프 리그닌 사이의 반응속도가 일정한 수준 이상으로는 증가하지 않는 것을 알 수 있었다 이는 펄프의 구조로 인해서 ABTS 라디칼이 펄프 리그닌에 접촉함 수 있는 정도가 제한을 받는 것으로 해석할 수 있었다. 특히 펄프 리그닌은 알칼리 용액에서 용해도가 증가하므로 전 처리시 알칼리 용액을 사용하면 ABTS 라디칼과의 반응성을 증가시킬 수 있을 것으로 추측된다.
Figure 2에서 보듯이 효소의 활성 역시 pH 6-8 용액에서 최대 값을 가지므로 HRP> 이용한 kraft 펄프의 표백효율은 효소의 활성과 펄프에의 효소홉착강도와 상관관계가 매우 높은 것을 알 수 있었다. 즉 효소 활성이 높을 수록 그리고 펄프에의 효소홉착강도가 낮음 수록 효소에 의한 펄프표백 효율이 증가하였다.
HRP의 활성과 kraft 펄프의 표백효율은 pH 7에서 가장 높았으며 산성용액과 알칼리성 용액에서는 감소하였다 또한 HRP의 펄프홉착 강도는 pH 6-8에서 가장 낮았고 산성용액(pH 5) 및 알칼리성 용액(pH 9) 에서가장 높았다. 펄프의 주요구성 성분인 결정형 셀룰로즈와 리그닌 중 리그닌에 대한 효소의 홉착강도가 더욱 높았다.
이때 효소의 홉착강도는 평형상태에서 펄프에 흡착되어 있는 효소의 양(mg 효소/g 펄프)과 용액에 용해되어 있는 효소의 양(mg 효소/rnL 용액)의 비(mL 용액/g 펄프)로 나타내었다. 효소의 펄프에 대한 홉착강도는 pH 5인 산성용액과 pH 9인 알칼리성 용액에서 각각 40.8 mL/g과 40.9 mL/g이었으며 pH 6, 7, 8인 중성 부근의 용액에서는 각각 3.08, 2.04, 및 3.94 mL/g로 pH 5 및 pH 9인 용액에서의 흡착강도의 약 1/10 정도로 감소하였다. Figure 2에서 보듯이 효소의 활성 역시 pH 6-8 용액에서 최대 값을 가지므로 HRP> 이용한 kraft 펄프의 표백효율은 효소의 활성과 펄프에의 효소홉착강도와 상관관계가 매우 높은 것을 알 수 있었다.

후속연구

특히 펄프 리그닌은 알칼리 용액에서 용해도가 증가하므로 전 처리시 알칼리 용액을 사용하면 ABTS 라디칼과의 반응성을 증가시킬 수 있을 것으로 추측된다. 따라서 향후 알칼리 용액에서 활성이 우수한 peroxidase를 개발할 필요가 있다.

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