볏짚 유래 수용성 탄수화물 생산에 있어 cellulase, hemicellulase 및 xylanase 최적혼합조건 Optimum Enzyme Mixture of Cellulase, Hemicellulase, and Xylanase for Production of Water-Soluble Carbohydrates from Rice Straw원문보기
본 실험은 효소들을 이용하여 볏짚으로부터 수용성 탄수화물을 생산할 때 각 효소들의 상호작용을 탐색하기 위하여 수행되었다. 볏짚의 수준에 따른 각 효소들의 수용성 탄수화물 생산 활성을 조사한 결과, 볏짚의 수준이 높을 경우(100 g/l)에는 cellulase와 hemicellulase가 서로 유사한 활성을 나타낸 반면, 볏짚의 수준이 50 g/l로 낮아질 경우, hemicellulase의 활성은 낮아지지만 cellulase는 높은 활성으로 유지되었다. 효소반응액에 포함된 볏짚의 수준, hemicellulase 및 xylanase의 상호작용을 Box Behnken design과 반응표면모형을 이용하여 분석한 결과 hemicellulase과 xylanase 간의 상호작용이 발견되었으며, 각각의 효소들을 0.55 mg/ml와 0.65 mg/ml로 혼합하는 것이 볏짚의 수준과는 상관없이 가장 많은 수용성 탄수화물을 생산하는 결과를 나타내었다. 따라서, 결과적으로 볏짚의 효소처리를 통한 수용성 탄수화물의 생산에 있어 cellulase가 가장 큰 효과를 나타내며, hemicellulase과 xylanase는 서로 상호작용을 통하여 수용성 탄수화물 생성량을 향상시킨다는 알 수 있었다.
본 실험은 효소들을 이용하여 볏짚으로부터 수용성 탄수화물을 생산할 때 각 효소들의 상호작용을 탐색하기 위하여 수행되었다. 볏짚의 수준에 따른 각 효소들의 수용성 탄수화물 생산 활성을 조사한 결과, 볏짚의 수준이 높을 경우(100 g/l)에는 cellulase와 hemicellulase가 서로 유사한 활성을 나타낸 반면, 볏짚의 수준이 50 g/l로 낮아질 경우, hemicellulase의 활성은 낮아지지만 cellulase는 높은 활성으로 유지되었다. 효소반응액에 포함된 볏짚의 수준, hemicellulase 및 xylanase의 상호작용을 Box Behnken design과 반응표면모형을 이용하여 분석한 결과 hemicellulase과 xylanase 간의 상호작용이 발견되었으며, 각각의 효소들을 0.55 mg/ml와 0.65 mg/ml로 혼합하는 것이 볏짚의 수준과는 상관없이 가장 많은 수용성 탄수화물을 생산하는 결과를 나타내었다. 따라서, 결과적으로 볏짚의 효소처리를 통한 수용성 탄수화물의 생산에 있어 cellulase가 가장 큰 효과를 나타내며, hemicellulase과 xylanase는 서로 상호작용을 통하여 수용성 탄수화물 생성량을 향상시킨다는 알 수 있었다.
This study was conducted to investigate the production of water-soluble carbohydrates (WSCs) by treatment of different amounts of rice straw with cellulase, hemicellulase, and xylanase. Treatment of high amounts of rice straw (100 g/l) with cellulase and hemicellulase resulted in similar production ...
This study was conducted to investigate the production of water-soluble carbohydrates (WSCs) by treatment of different amounts of rice straw with cellulase, hemicellulase, and xylanase. Treatment of high amounts of rice straw (100 g/l) with cellulase and hemicellulase resulted in similar production of WSCs. Reducing the amount of rice straw to 50 g/l decreased the production of WSCs by hemicellulase but had no effect on WSC production by cellulase. The interaction among rice straw amounts, and hemicellulase and xylanase activities was investigated using a Box Behnken design and a response surface model. An interaction was found only between hemicellulase and xylanase. An enzyme mixture consisting of 0.55 mg/ml of hemicellulase and 0.65 mg/ml of xylanase generated the highest amounts of WSCs, regardless of the amount of rice straw provided. Therefore, the activity of cellulase was higher than that of either hemicellulose or xylanase for WSC production from rice straw. The interaction observed for hemicellulase and xylanase indicates that a combined enzyme treatment could improve the production of WSCs from rice straw.
This study was conducted to investigate the production of water-soluble carbohydrates (WSCs) by treatment of different amounts of rice straw with cellulase, hemicellulase, and xylanase. Treatment of high amounts of rice straw (100 g/l) with cellulase and hemicellulase resulted in similar production of WSCs. Reducing the amount of rice straw to 50 g/l decreased the production of WSCs by hemicellulase but had no effect on WSC production by cellulase. The interaction among rice straw amounts, and hemicellulase and xylanase activities was investigated using a Box Behnken design and a response surface model. An interaction was found only between hemicellulase and xylanase. An enzyme mixture consisting of 0.55 mg/ml of hemicellulase and 0.65 mg/ml of xylanase generated the highest amounts of WSCs, regardless of the amount of rice straw provided. Therefore, the activity of cellulase was higher than that of either hemicellulose or xylanase for WSC production from rice straw. The interaction observed for hemicellulase and xylanase indicates that a combined enzyme treatment could improve the production of WSCs from rice straw.
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문제 정의
따라서, 본 연구는 볏짚을 효소 처리하여 수용성 탄수화물을 생산하는 과정에 있어, cellulase, hemicellulase 및 xylanase의 주효과 및 상호작용을 알아보기 위하여 수행되었다.
제안 방법
이에 본 실험에서는 가장 효과가 큰 cellulase를 고정변수(fixed variable)로 설정하여 모든 실험들에 대하여 동일한 수준(1 mg/ml)으로 첨가하였다. BBD 실험의 변수로는 볏짚, hemicellulase 및 xylanase를 사용하였고, 각 변수들은 세가지 수준으로 배열하여 총 15개의 실험(run)들을 설계하였다. 각 실험별로 나열된 변수들의 수준들(coded value)과 실제 반응액에 첨가된 효소의 양 및 볏짚의 함량(uncoded value), 그리고 실험별로 얻어진 반응(수용성 탄수화물 생산량)들과 반응표면모형을 통하여 얻어진 예측값들의 결과는 Table 2에서 보는 것과 같다.
65 mg/ml 수준으로 혼합될 경우에 가장 우수한 수용성 탄수화물 생성량을 나타내었다. 본 실험에서는 cellulase를 모든 실험들(runs)에 동일하게 첨가한 상태에서 볏짚의 함량, hemicellulase의 첨가수준 및 xylanase의 첨가수준을 달리하였다. 그 결과, 볏짚의 수준이 증가됨에 따라서 생성되는 수용성탄수화물은 증가하였다.
일반적으로 cellulase는 섬유성 바이오매스로부터 수용성 탄수화물을 생산하는 공정에서 가장 많이 사용되는 효소로 알려져 있다[11]. 이에 본 실험에서는 가장 효과가 큰 cellulase를 고정변수(fixed variable)로 설정하여 모든 실험들에 대하여 동일한 수준(1 mg/ml)으로 첨가하였다. BBD 실험의 변수로는 볏짚, hemicellulase 및 xylanase를 사용하였고, 각 변수들은 세가지 수준으로 배열하여 총 15개의 실험(run)들을 설계하였다.
총 3 가지의 변수에 대하여 각 변수들의 3 가지 수준을 사용하였으며, 3개의 중앙점을 포함하는 총 15개의 실험(run)으로 구성된 BBD를 설계하였다. 각 실험들은 고정변수(fixed variable)로 cellulase (1 mg/ml)를 포함하고 있으며, 변수들로는 볏짚, hemicellulase 및 xylanase의 수준들이 이용되었다.
수용성 탄수화물은 DNS (3, 5-Dinitrosalicylicacid)를 이용한 환원당 비색 정량법을 이용하여 측정하였으며, 이때 glucose를 표준용액으로 사용하였다. 효소반응에 의하여 생성된 수용성 탄수화물의 양을 측정할 때에 효소를 첨가하지 않고 반응 시킨 후에 얻어진, 즉 자연적으로 buffer내로 용출된 수용성탄수화물을 background 수치로 적용하여 계산하였다.
대상 데이터
볏짚으로부터 수용성 탄수화물을 생산하기 위하여 cellulase, hemicellulase 및 xylanase를 사용하였다. Cellulase(Sigma)는 1, 000 U/g의 활성을 나타내는 것을 사용하였고, Hemicellulase (Sigma)는 3, 000 U/g의 활성을 나타내는 것을 사용하였다. Xylanase (Sigma)는 2, 500 U/g의 활성을 나타내는 것을 사용하였다.
Cellulase(Sigma)는 1, 000 U/g의 활성을 나타내는 것을 사용하였고, Hemicellulase (Sigma)는 3, 000 U/g의 활성을 나타내는 것을 사용하였다. Xylanase (Sigma)는 2, 500 U/g의 활성을 나타내는 것을 사용하였다. 각 효소에서 1 U는 각각의 기질이 한 시간 동안 분해되어 생성된 glucose 1 µmol을 의미하며, 반응조건은 cellulase의 경우 37°C와 pH 5.
볏짚으로부터 수용성 탄수화물을 생산하기 위하여 cellulase, hemicellulase 및 xylanase를 사용하였다. Cellulase(Sigma)는 1, 000 U/g의 활성을 나타내는 것을 사용하였고, Hemicellulase (Sigma)는 3, 000 U/g의 활성을 나타내는 것을 사용하였다.
실험에 사용된 볏짚은 전라북도 김제지역에서 재배 후에 수확된 볏짚을 사용하였으며, 80~120 mesh의 크기로 분쇄한 후 건조하여 실험에 이용하였다.
데이터처리
OFAT 실험결과의 통계분석은 SPSS (version 18. 0. 0)의 일반선형모형(General linear model)의 다변량분석법을 사용하였으며, 사후검정은 Duncan’s method를 사용하였다.
이론/모형
각 실험들로부터 얻어진 결과들은 반응표면모형(response surface model, RSM)을 이용하여 계산하였고, RSM에 사용된 모형은 다음과 같다.
기질로 사용된 볏짚의 농도에 따른 각 효소들의 수용성 탄수화물 생성량 평가는 OFAT 방법을 이용하여 평가하였다. 볏짚의 농도는 10 g/l에서 100 g/l까지 다양하게 하였으며, cellulase는 총 반응 부피에 대하여 1 mg/ml, hemicellulase와xylanase는 원액을 10배 희석한 용액을 1 mg/ml의 농도로 사용하였다.
반응이 완료된 기질·효소 혼합용액은 10, 000 rpm에서 5분동안 원심분리한 후에 얻은 상등액을 수용성 탄수화물 측정용 시료로 사용하였다. 수용성 탄수화물은 DNS (3, 5-Dinitrosalicylicacid)를 이용한 환원당 비색 정량법을 이용하여 측정하였으며, 이때 glucose를 표준용액으로 사용하였다. 효소반응에 의하여 생성된 수용성 탄수화물의 양을 측정할 때에 효소를 첨가하지 않고 반응 시킨 후에 얻어진, 즉 자연적으로 buffer내로 용출된 수용성탄수화물을 background 수치로 적용하여 계산하였다.
0)의 일반선형모형(General linear model)의 다변량분석법을 사용하였으며, 사후검정은 Duncan’s method를 사용하였다. 총 15개의 실험으로 구성된 BBD의 설계 및 분석은 MINITAB(version 14)를 사용하였다.
성능/효과
55 mg/ml 와 0. 65 mg/ml 수준으로 혼합될 경우에 가장 우수한 수용성 탄수화물 생성량을 나타내었다. 본 실험에서는 cellulase를 모든 실험들(runs)에 동일하게 첨가한 상태에서 볏짚의 함량, hemicellulase의 첨가수준 및 xylanase의 첨가수준을 달리하였다.
결과적으로 볏짚의 효소처리를 통한 수용성 탄수화물의 생산에 있어 cellulase가 가장 큰 효과를 나타내며, hemicellulase과 xylanase는 서로 상호작용을 통하여 수용성 탄수화물 생성량을 향상시킨다는 알 수 있었다.
본 실험에서는 cellulase를 모든 실험들(runs)에 동일하게 첨가한 상태에서 볏짚의 함량, hemicellulase의 첨가수준 및 xylanase의 첨가수준을 달리하였다. 그 결과, 볏짚의 수준이 증가됨에 따라서 생성되는 수용성탄수화물은 증가하였다. 그러나 hemicellulase와 xylanase의 경우에는 그 수준을 계속 증가시켜도 수용성 탄수화물이 직선적으로 증가하지 않았다.
그러나 hemicellulase와 xylanase의 경우에는 그 수준을 계속 증가시켜도 수용성 탄수화물이 직선적으로 증가하지 않았다. 또한 hemicellulase와 xylanase의 경우 Fig. 4에서 보는 것과 같이 최고의 수용성 탄수화물을 나타내는 꼭지점을 나타내었고, 그 지점에서 상승효과를 나타내는 상호작용을 보였다.
또한 볏짚의 첨가수준에 따른 효소들의 활성과 효소의 종류별 활성간의 상호작용에도 유의적 차이가 있는 것으로 나타났다(p<0. 05).
반응액에 첨가된 볏짚의 수준에 따른 각 효소들의 수용성 탄수화물 생성효율 변화에는 유의적 차이를 나타내었으며(p<0. 05), 첨가된 볏짚의 수준과는 관계없이 세가지 효소간의 활성차이도 유의적으로 나타났다(p<0. 05).
볏짚의 수준별 각 효소들의 수용성 탄수화물 생성 효율분석에서 cellulase가 가장 우수한 효율을 나타내었다(p<0. 05).
전체적인 회귀모형과 선형 및 2차 모형 모두에서 95% 이상의 확률값을 얻을 수 있었으며, 변수들간의 상호관계에서는 90% 이상의 확률값을 얻을 수 있었다. 분산분석 결과를 통하여 각 변수들의 효과에 대한 직선성과 곡선성이 확인되었고, 전체적인 모형의 적합성이 확인되었다. 변수들 간의 상호작용에 있어 확률값이 다른 분석성분에 비하여 다소 낮은 결과를 나타낸 것은 상용된 변수들 중 볏짚의 첨가수준이 매우 큰 효과를 나타내었기 때문인 것으로 판단된다.
이후 볏짚의 수준이 20 g/l와 10 g/l로 낮을 경우에는 cellulase가 유의적으로 가장 높은 수용성 탄수화물 생성효율을 나타내었으며, 다음으로는 hemicellulase와xylanase의 순서로 나타났다(p<0. 05).
BBD 설계를 이용한 실험의 분산분석결과는 Table 3에서 보는 것과 같다. 전체적인 회귀모형과 선형 및 2차 모형 모두에서 95% 이상의 확률값을 얻을 수 있었으며, 변수들간의 상호관계에서는 90% 이상의 확률값을 얻을 수 있었다. 분산분석 결과를 통하여 각 변수들의 효과에 대한 직선성과 곡선성이 확인되었고, 전체적인 모형의 적합성이 확인되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전 세계적으로 연간 볏짚 생산량은?
식물 세포벽에 존재하는 섬유소를 단순당으로 전환시키는 과정에는 다양한 효소들이 관여하며, 농생명산업 등 다양한 산업분야에서 매우 중요한 의미를 가지고 있다[17]. 볏짚은 쌀이 주식인 나라에서 생산되는 주요 농업부산물이며, 전세계적으로 연간 731, 000, 000톤이 생산되며[16], 이 양은 205 GL의 바이오에탄올로 전환될 수 있다[7]. 섬유성 바이오메스를 구성하는 식물고분자 탄수화물은 주로 cellulose와 hemicellulose 및 페놀계 중합체인 리그닌으로 구성되어 있다[11].
섬유성 바이오메스를 구성하는 식물고분자 탄수화물은 어떻게 구성되어 있나?
볏짚은 쌀이 주식인 나라에서 생산되는 주요 농업부산물이며, 전세계적으로 연간 731, 000, 000톤이 생산되며[16], 이 양은 205 GL의 바이오에탄올로 전환될 수 있다[7]. 섬유성 바이오메스를 구성하는 식물고분자 탄수화물은 주로 cellulose와 hemicellulose 및 페놀계 중합체인 리그닌으로 구성되어 있다[11]. 이러한 물질들의 분해를 통하여 생성된 수용성탄수화물들은 바이오에탄올 생산의 원료로서 사용되며[11, 16], 반추동물의 탄소원으로도 이용될 수 있다.
식물고분자 탄수화물의 분해를 통해 만들어진, 수용성탄수화물들은 어떻게 이용되나?
섬유성 바이오메스를 구성하는 식물고분자 탄수화물은 주로 cellulose와 hemicellulose 및 페놀계 중합체인 리그닌으로 구성되어 있다[11]. 이러한 물질들의 분해를 통하여 생성된 수용성탄수화물들은 바이오에탄올 생산의 원료로서 사용되며[11, 16], 반추동물의 탄소원으로도 이용될 수 있다. 특히 반추동물에 있어 수용성 탄수화물의 섭취량 증가는 소장 내 아미노산 흡수율 증가 및 산유량을 향상 시킬 수 있다고 보고되었다[10].
참고문헌 (18)
Allen, S. G., D. Schulman, J. Lichwa, M. J. Antal Jr, E. Jennings, and R. Elander. 2001. A comparison of aqueous and dilute-acid single-temperature pretreatment of yellow poplar sawdust. Ind. Eng. Chem. Res. 40, 2352-2361.
Basri, M., R. Rahman, A. Ebrahimpour, A. Salleh, E. Gunawan, and M. Rahman. 2007. Comparison of estimation capabilities of response surface methodology (RSM) with artificial neural network (ANN) in lipase- catalyzed synthesis of palm-based wax ester. BMC Biotechnol. 7, 53.
Chauhan, K., U. Trivedi, and K. C. Patel. 2007. Statistical screening of medium components by Plackett-Burman design for lactic acid production by Lactobacillus sp. KCP01 using date juice. Bioresour. Technol. 98, 98-103.
Chen, C., K. Liu, Y. Lou, and C. Shieh. 2002. Optimisation of kojic acid monolaurate synthesis with lipase PS from Pseudomonas cepacia. J. Sci. Food Agric. 82, 601-605.
Cho, S. B., W. K. Chang, Y. J. Kim, H. I. Moon, J. W. Joo, K. H. Seo, and S. K. Kim. 2010. Effect of plant oils and minerals for the inhibition of lipase activity of Staphylococcus aureus isolated from fermented pork meat. Korean J. Food Sci. Ani. Resour. 30, 764-772.
Hideno, A., H. Inoue, K. Tsukahara, S. Yano, X. Fang, T. Endo, and S. Sawayama. 2011. Production and characterizationof cellulases and hemicellulases by Acremonium cellulolyticus using rice straw subjected to various pretreatments as the carbon source. Enzyme Microb. Technol. 48, 162-168.
Jeya, M., Y. W. Zhang, I. W. Kim, and J. K. Lee. 2009. Enhanced saccharification of alkali-treated rice straw by cellulase from Trametes hirsuta and statistical optimization of hydrolysis conditions by RSM. Bioresour. Technol. 100, 5155-5161.
Kabel, M. A., G. Bos, J. Zeevalking, A. G. J. Voragen, and H. A. Schols. 2007. Effect of pretreatment severity on xylan solubility and enzymatic breakdown of the remaining cellulose from wheat straw. Bioresour. Technol. 98, 2034-2042.
Lee, M. R. F., R. J. Merry, D. R. Davies, J. M. Moorby, M. O. Humphreys, M. K. Theodorou, J. C. MacRae, and N. D. Scollan. 2003. Effect of increasing availability of water-soluble carbohydrates on in vitro rumen fermentation. Anim. Feed Sci. Technol. 104, 59-70.
Lee, S. B., S. K. Jung, and J. D. Lee. 2010. Production of rice straw based cellulosic ethanol using acidic saccharification. Appl. Chem. Eng. 21, 349-352.
Ma, H., W. W. Liu, X. Chen, Y. J. Wu, and Z. L. Yu. 2009. Enhanced enzymatic saccharification of rice straw by microwave pretreatment. Bioresour. Technol. 100, 1279-1284.
Nishiyama, Y., J. Sugiyama, H. Chanzy, and P. Langan. 2003. Crystal structure and hydrogen bonding system in cellulose $I{\alpha}$ from synchrotron X-ray and neutron fiber diffraction. J. Am. Chem. Soc. 125, 14300-14306.
Poutanen, K., J. Puls, and M. Linko. 1986. The hydrolysis of steamed birchwood hemicellulose by enzymes produced by Trichoderma reesei and Aspergillus awamori. Appl. Microbiol. Biotechnol. 23, 487-490.
Shinozaki, Y. and H. K. Kitamoto. 2011. Ethanol production from ensiled rice straw and whole-crop silage by the simultaneous enzymatic saccharification and fermentation process. J. Biosci. Bioeng. 111, 320-325.
Singh, A., S. Tuteja, N. Singh, and N. R. Bishnoi. 2011. Enhanced saccharification of rice straw and hull by microwave- alkali pretreatment and lignocellulolytic enzyme production. Bioresour. Technol. 102, 1773-1782.
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