[국내논문]발효 당용액 생산자원으로서 담수조류 그물말의 유용성 Usefulness of Freshwater Alga Water-net (Hydrodictyon reticulatum) as Resources for Production of Fermentable Sugars원문보기
본 연구에서는 담수녹조류인 그물말(Hydrodictyon reticulatum, HR)을 산업바이오 자원으로서 활용하는 방안을 강구하고자 일차적으로 효소당화의 용이성을 검토하였다. HR에 대하여 효소당화를 2% 고형분 함량에서 동일조건으로 수행했을 때, 다른 종류의 바이오매스(Spirulina, Chlorella, Scenedesmus, Cladophora, Corn stover)보다 glucose 수득율이 가장 높았다. HR을 분말화하지 않아도 최적조건의 효소처리량에서 당화가 모두 이루어지며, HR 당화용액의 citrate buffer strength가 0.1mM까지 낮아도 당수득율에 큰 지장이 없었다. 또한 HR을 고온의 전처리없이 실온상태에서 바로 당화시켜도 $120^{\circ}C$ 처리에 비해 10% 미만의 당화율 감소만 나타내었다. 발효균주의 일반적인 생장적온인 $37^{\circ}C$ 또는 pH 6.5에서도 당화가 정상적으로 잘 일어나 당화/발효를 동시에 진행시킬 수 있는 바이오매스로의 특징을 보였다. 효소량을 기준량의 1/10정도 줄여도 최적조건의 70~80%에 해당하는 glucose 수득율을 나타내었다. 그리고 본 실험조건에서 HR의 고형분 함량 10%까지 당수득율이 떨어지지 않았고 15%이상되어야 감소하기 시작하여 고농도 당용액 생산에도 좋은 특성을 나타내었다. 이들의 제반 결과는 HR이 당화가 매우 쉽게 일어나는 특징을 가진 조류 바이오매스임을 나타내준다. 이러한 장점뿐만 아니라 수집하기가 매우 용이한 사상조류(flilamentous algae)이기 때문에 다른 종류의 조류 바이오매스에 비해 바이오화학제품 생산을 위한 원료로서 향후 이용가치가 매우 높을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 담수녹조류인 그물말(Hydrodictyon reticulatum, HR)을 산업바이오 자원으로서 활용하는 방안을 강구하고자 일차적으로 효소당화의 용이성을 검토하였다. HR에 대하여 효소당화를 2% 고형분 함량에서 동일조건으로 수행했을 때, 다른 종류의 바이오매스(Spirulina, Chlorella, Scenedesmus, Cladophora, Corn stover)보다 glucose 수득율이 가장 높았다. HR을 분말화하지 않아도 최적조건의 효소처리량에서 당화가 모두 이루어지며, HR 당화용액의 citrate buffer strength가 0.1mM까지 낮아도 당수득율에 큰 지장이 없었다. 또한 HR을 고온의 전처리없이 실온상태에서 바로 당화시켜도 $120^{\circ}C$ 처리에 비해 10% 미만의 당화율 감소만 나타내었다. 발효균주의 일반적인 생장적온인 $37^{\circ}C$ 또는 pH 6.5에서도 당화가 정상적으로 잘 일어나 당화/발효를 동시에 진행시킬 수 있는 바이오매스로의 특징을 보였다. 효소량을 기준량의 1/10정도 줄여도 최적조건의 70~80%에 해당하는 glucose 수득율을 나타내었다. 그리고 본 실험조건에서 HR의 고형분 함량 10%까지 당수득율이 떨어지지 않았고 15%이상되어야 감소하기 시작하여 고농도 당용액 생산에도 좋은 특성을 나타내었다. 이들의 제반 결과는 HR이 당화가 매우 쉽게 일어나는 특징을 가진 조류 바이오매스임을 나타내준다. 이러한 장점뿐만 아니라 수집하기가 매우 용이한 사상조류(flilamentous algae)이기 때문에 다른 종류의 조류 바이오매스에 비해 바이오화학제품 생산을 위한 원료로서 향후 이용가치가 매우 높을 것으로 판단된다.
To investigate the usefulness of freshwater alga Water-net (Hydrodictyon reticulatum, HR) as resources for production of fermentable sugars, the easiness of enzymatic saccharification was evaluated at first. When 6 plant materials (HR, Spirulina, Chlorella, Scenedesmus, Cladophora, Corn stover) were...
To investigate the usefulness of freshwater alga Water-net (Hydrodictyon reticulatum, HR) as resources for production of fermentable sugars, the easiness of enzymatic saccharification was evaluated at first. When 6 plant materials (HR, Spirulina, Chlorella, Scenedesmus, Cladophora, Corn stover) were enzymatically hydrolyzed with 2% solid loading at the same condition, HR showed the highest ratio of saccharification based on glucose production. No milled HR was also completely saccharified at the amounts of optimal enzyme mixture. Glucose yield was not changed though the citrate buffer strength for saccharification was decreased from 0.1 M to 0.1 mM. Only about 10% yield reduction was observed compared to that of $120^{\circ}C$ treatment when HR was enzymatically hydrolyzed at room temperature. The saccharification was normally occurred at $37^{\circ}C$ and pH 6.5 which is general growth condition of fermentable microrganisms, suggesting that HR have a biomass characteristics applicable for the simultaneous saccharification and fermentation. The saccharification was occurred by more than 70~80% of one of the best condition although the supplied enzyme amounts was reduced to 1/10 volume. And the glucose yield by enzymatic hydrolysis was not decreased by 10% HR solid loading and began to decrease at more than 15% solid contents. Above these results show that HR is an interesting algal biomass which is relatively easy to be saccharified by hydrolyzing enzymes. In addition, HR is a flilamentous alga and very easy to be collected. Therefore, HR seems to be an useful and valuable resources in the economical production of fermentable sugars for manufacture of bio-chemical products.
To investigate the usefulness of freshwater alga Water-net (Hydrodictyon reticulatum, HR) as resources for production of fermentable sugars, the easiness of enzymatic saccharification was evaluated at first. When 6 plant materials (HR, Spirulina, Chlorella, Scenedesmus, Cladophora, Corn stover) were enzymatically hydrolyzed with 2% solid loading at the same condition, HR showed the highest ratio of saccharification based on glucose production. No milled HR was also completely saccharified at the amounts of optimal enzyme mixture. Glucose yield was not changed though the citrate buffer strength for saccharification was decreased from 0.1 M to 0.1 mM. Only about 10% yield reduction was observed compared to that of $120^{\circ}C$ treatment when HR was enzymatically hydrolyzed at room temperature. The saccharification was normally occurred at $37^{\circ}C$ and pH 6.5 which is general growth condition of fermentable microrganisms, suggesting that HR have a biomass characteristics applicable for the simultaneous saccharification and fermentation. The saccharification was occurred by more than 70~80% of one of the best condition although the supplied enzyme amounts was reduced to 1/10 volume. And the glucose yield by enzymatic hydrolysis was not decreased by 10% HR solid loading and began to decrease at more than 15% solid contents. Above these results show that HR is an interesting algal biomass which is relatively easy to be saccharified by hydrolyzing enzymes. In addition, HR is a flilamentous alga and very easy to be collected. Therefore, HR seems to be an useful and valuable resources in the economical production of fermentable sugars for manufacture of bio-chemical products.
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문제 정의
그러나 그물말 조류로부터 당(sugar) 기반의 바이오 화학물질을 생산하고자 하는 연구는 전혀 진행되지를 못했다. 금후 당용액을 생산함에 있어서 지향해야 할 목표는 저에너지 투입/저비용 생산과 친환경적 공정개발이다. 특히 친환경적 공정개발을 위해서는 가능한 한산 및 알카리 사용을 줄이고 효소 또는 물리적 수단을 이용하여 당용액을 제조하는 것이 바람직하다.
특히 친환경적 공정개발을 위해서는 가능한 한산 및 알카리 사용을 줄이고 효소 또는 물리적 수단을 이용하여 당용액을 제조하는 것이 바람직하다. 따라서본 연구에서는 발효용 당용액 생산자원으로서 담수녹조류인 그물말의 활용 가능성을 검토하고자 일차적으로 그물말의 효소당화 용이성에 관한 실험을 수행하였다.
효소당화 정도는 당화효소의 종류 및 조합, 처리 농도에 따라 많이 달라질 수 있다. 본 실험은 HR시료의 당화 최적화를 위한 효소조합을 탐색하고자 수행하였다. 사전실험에서 E1의 경우 0.
그러나 buffer strength가 높으면 고농도 당농축액을 조제할 때 염도가 높아져 발효에 부정적으로 작용할 수 있다. 따라서 당화율에 영향을 미치지 않는 범위에서 buffer strength가 낮으면 낮을수록 바람직한데 본 연구에서는 이를 알아보기 위하여 실험하였다.
그런데 조직분쇄의 경우도 바이오매스 종에 따라 에너지가 많이 소요되기 때문에 경제적 당화를 위해서는 분쇄과정이 생략될수록 유리하다. 본 실험은 HR 시료의 분쇄여부에 따른 당화정도에 차이가 있는지를 알아보고자 실험하였다. 그 결과, HR시료를 분쇄한 것과 분쇄하지 않은 것 간에 glucose 생성량 차이가 인정되지 않았다(그림 6).
효소당화율은 용액내 고형분의 종류 및 함량에 의존하여 많은 차이를 나타낸다. 본 실험은 HR solid loading 량에 따른 glucose 생성 패턴을 파악하고자 실시하였다.
본 연구에서는 담수녹조류인 그물말(Hydrodictyon reticulatum, HR)을 산업바이오 자원으로서 활용하는 방안을 강구하고자 일차적으로 효소당화의 용이성을 검토하였다. HR에 대하여 효소당화를 2% 고형분 함량에서 동일조건으로 수행했을 때, 다른 종류의 바이오매스(Spirulina, Chlorella, Scenedesmus, Cladophora, Corn stover)보다 glucose 수득율이 가장 높았다.
제안 방법
1mL를 가한 다음, 120℃에서 20분 멸균하였다. 무균상에서 E1+E2+E3+E4 효소용액을 0.2+0.04+0.2+0.2mL g-1 dried matter(DM) 수준으로 가한 후 50℃, 150rpm에 2일 동안 배양하면서 가수분해시키고, 당화가 끝난 시료는 원심분리를 통해 잔사를 제거시킨 다음 상등액을 취하여 glucose함량을 측정하였다.
효소조합 및 처리농도별 당화：E1+E2, E1+E2+E3+E4, E3+E4 혼합처리에 따른 당화율 차이를 검토하였다. 즉, E1을 0.
효소조합 및 처리농도별 당화：E1+E2, E1+E2+E3+E4, E3+E4 혼합처리에 따른 당화율 차이를 검토하였다. 즉, E1을 0.2mL g-1 DM으로 고정시키고 이에 E2를 0.02～0.4mL g-1 DM로 혼합시켜 처리하거나, E1+E2을 0.2+0.04mL g-1 DM로 고정시키고 이에 starch 분해와 관련된 E3, E4를 각각 0.2mL g-1 DM로 혼합시켜 처리했을 때 당화율의 증가정도를 측정하였다. 한편 효소처리농도의 경우 4가지, 즉, E1+E2가 각각 0.
당화 buffer strength：0.0～100mM 범위의 citrate buffer(pH 4.8)에서 buffer strength에 따른 당화차이를 실험하였다.
당화전 온도처리 효과：당화하기 전 온도 전처리가 당화에 미치는 효과를 알아보기 위해 55℃와 120℃에서 각각 5, 20, 60분간 전처리한 다음, 당화정도를 비교해 보았다.
당화온도 및 당화반응액의 pH 차이에 따른 당화정도 비교：당화온도를 40℃와 50℃로 하거나 당화반응액의 pH를 각각 4.8과 6.5로 설정하여 각각 당화정도를 비교해 보았다.
생체시료와 건조시료간의 당화정도 비교：야외에서 수집한 HR을 대상으로 물기만 제거된 상태의 생체시료와 이를 45℃에서 convection oven에 1일 동안 건조시킨 것을 믹서기로 분쇄하여 두 시료간의 당화정도를 비교해 보았다.
조직 분쇄여부에 따른 당화정도：HR 시료의 분쇄 여부에 따른 당화정도에 차이가 있는지를 알아보고자 HR시료를 분쇄한 것과 분쇄하지 않은 것 간의 당화정도를 비교하였다.
고형분 함량에 따른 당화：당화용액내의 고형분 함량(biomass solid loading 정도)에 따른 당화율 차이를 알아보고자 1차 실험의 경우 glucose 함량이 약 45%짜리의 시료를 대상으로 solid loading 2～10% 조건에서, 2차 실험의 경우 glucose 함량이 35%짜리의 시료를 대상으로 solid loading 10～25% 조건에서 당화정도를 실험하였다. 이 때 사용된 당화 효소량은 E1+E2+E3+E4를 0.
본 실험을 위해서는 HR, Spirulina, Chlorella, Scenedesmus, Cladophora, Corn stover 등 총 6가지 바이오매스가 공시되었다. 효소당화 용이성의 상대비교는 산가수분해 대비 효소당화에 의해 얻어진 glucose 수득 율로 평가하였다. 산가수분해는 바이오매스내 당모노머 함량조사를 위해 변형된 NREL 방법(2010)을 실시하였다.
샘플은 수용액 상태이므로 전처리없이 20 μL를 주입하여 분석하였다.
5mL를 가하여 마개를 한 후, 위 아래로 흔들어 혼합시킨 후 121℃에서 1시간 가수분해하였다(2차 가수분해). 이어서 가수분해물을 탄산칼슘으로 중화, 원심분리 후 얻어진 상등 액을 가지고 glucose 함량을 측정하였다. 한편 공시 바이오매스들의 효소당화는 위에서 기술한 HR 당화 기본과정에서와 동일한 조건으로 수행되었다.
가수분해물의 원심분리 상징액을 취하여 HPLC (Waters사, ELSD detector) 또는 Biochemistry analyzer(YSI 2700 SELECTTM, YSI Life Sciences, USA)를 통해 glucose함량을 정량하였다.
샘플은 수용액 상태이므로 전처리없이 20 μL를 주입하여 분석하였다. 각 당은 표준 당용액의 정량곡선을 만들어 retention time과 peak area를 사용하여 정량 분석하였다.
02mL g-1 DM 추가로도 충분하였다. 한편 E1+E2을 0.2+0.04mL g-1 DM로 고정시키고 이에 전분분해와 관련된 E3, E4를 각각 0.2mL g-1 DM로 혼합시켜 처리했을 때 당화율의 증가 여부를 알아보았다. 그 결과 E1+E2 혼합처리에 비해 E3+E4의 추가는 당화속도를 아주 미약하게 증가시키는 경향이었으나 당화정도를 현저히 높이지는 않았다.
일반적으로 당화는 건조된 시료를 가지고 원하는 시간에 수행하는 것이 편리 하겠지만 때에 따라서는 건조과정없이 수집된 생체시료 자체를 직접 당화시킬 필요도 있을 것이다. 특히 경제성 측면에서는 건조과정을 두지 않는 것이 더 유리할 수 있기 때문에 HR 생체시료 자체로도 당화가 잘 이루어지는지를 실험하였다. 본 실험에서는 전 실험과는 달리 야외에서 확보한 HR 시료를 사용하였다.
이상의 실험결과로 볼 때, HR은 별도의 전처리 과정이 없이도 당화가 잘되는 미세조류임을 나타낸다. 이를 더욱 확인해 보기 위하여 다른 몇 가지 종류의 바이오매스를 대상으로 HR과 동일한 조건에서 효소 당화를 실시, 상대 비교해 보았다. 일반적으로 당화율은 가수분해에 의한 바이오매스내 당 모노머의 회수율로 평가되며 이때 보다 온화한 조건에서 높은 당화율을 보일 때 당화가 용이한 재료라고 평가된다.
일반적으로 당화율은 가수분해에 의한 바이오매스내 당 모노머의 회수율로 평가되며 이때 보다 온화한 조건에서 높은 당화율을 보일 때 당화가 용이한 재료라고 평가된다. 그러나본 연구에서는 당화조건을 고정시키고 당해 조건에서 목표하는 당 모노머가 얼마나 많이 생성되는지를 기준으로 재료 간 상대 비교하였으며 그 결과는 표 3에서와 같았다.
대상 데이터
미세조류 실내배양의 경우는 잘 알려진 기본 배지(Allen’s medium)에 25℃ 항온, 12시간 광주기, 50～130 μmol m-2s-1의 조건에 7～15일 배양하여 사용하였다.
사용된 당화효소는 Cellulase (CelluclastⓇ 1.5L 또는 Celluclast Conc. BG, Novozymes사 제품, E1으로 표시), β-glucosidase (Sigma C6105, 311 U mL-1, E2로 표시), α-amyalse (Sigma A8220, 800 FAU g-1, E3로 표시), Amyloglucosidase (Sigma A7095, 311 U mL-1, E4로 표시)를 사용하였다.
HR은 대전시 유성구 소재 갑천에서 수집하여 실내 배양한 것을, Spirulina pratensis, Chlorella vulgaris와 Scenedesmus sp.는 한국생명공학연구원 생물자원은행에서 분양받아 실내 배양한 것을, Cladophora aegagropila(Moss ball)는 시중에서 구입한 것을, 옥수숫대(corn stover)는 농가에서 재배한 것을 구하여, 45℃ 건조기에서 2～4일 말린 후 믹서기로 분말화하여 플라스틱 봉지에 담고 4℃에 보관하면서 실험재료로 사용 하였다. 미세조류 실내배양의 경우는 잘 알려진 기본 배지(Allen’s medium)에 25℃ 항온, 12시간 광주기, 50～130 μmol m-2s-1의 조건에 7～15일 배양하여 사용하였다.
본 실험을 위해서는 HR, Spirulina, Chlorella, Scenedesmus, Cladophora, Corn stover 등 총 6가지 바이오매스가 공시되었다. 효소당화 용이성의 상대비교는 산가수분해 대비 효소당화에 의해 얻어진 glucose 수득 율로 평가하였다.
특히 경제성 측면에서는 건조과정을 두지 않는 것이 더 유리할 수 있기 때문에 HR 생체시료 자체로도 당화가 잘 이루어지는지를 실험하였다. 본 실험에서는 전 실험과는 달리 야외에서 확보한 HR 시료를 사용하였다. 그 결과, 그림 5에서와 같이 당화 개시 후 2시간째에는 생체시료보다 건조시료에서 glucose 함량이 보다 높게 나타났는데 이는 건조 조직에서 효소용액의 침투가 보다 신속하였기 때문으로 추정된다.
이론/모형
효소당화 용이성의 상대비교는 산가수분해 대비 효소당화에 의해 얻어진 glucose 수득 율로 평가하였다. 산가수분해는 바이오매스내 당모노머 함량조사를 위해 변형된 NREL 방법(2010)을 실시하였다. 즉, 0.
Biochemistry analyzer를 이용한 glucose 분석의 경우, 제조사에서 제시된 assay kit와 방법에 따라 분석하였다.
성능/효과
2mL g-1 DM로 혼합시켜 처리했을 때 당화율의 증가 여부를 알아보았다. 그 결과 E1+E2 혼합처리에 비해 E3+E4의 추가는 당화속도를 아주 미약하게 증가시키는 경향이었으나 당화정도를 현저히 높이지는 않았다. 따라서 당화율과 효소비용 측면을 종합적으로 고려해 볼 때 HR의 당화에는 E1+E2의 혼합만으로도 충분할 것으로 판단되었다(표 1).
그 결과 E1+E2 혼합처리에 비해 E3+E4의 추가는 당화속도를 아주 미약하게 증가시키는 경향이었으나 당화정도를 현저히 높이지는 않았다. 따라서 당화율과 효소비용 측면을 종합적으로 고려해 볼 때 HR의 당화에는 E1+E2의 혼합만으로도 충분할 것으로 판단되었다(표 1).
그 결과, 그림 2에서 보는 바와 같이 HR 고형분 함량을 2%로 하여 시험하였을 때 0.0～100mM 범위의 citrate buffer(pH 4.8) strength간에 효소당화로 인한 glucose 생성량에 있어서는 차이가 없었다. 즉 HR 시료의 경우 0.
한편 처리온도를 55℃와 120℃ 로 고정하고 처리 시간을 달리하여 실험한 결과에 있어서는 처리시간 간에 유의성이 관찰되지 않았다(그림 3). 따라서 HR은 필요에 따라 실온조건에서도 당화를 진행시킬 수 있는 재료임이 알 수 있었으며, 일반적으로 당화 도중의 오염을 막기 위해서 멸균과정을 거치는데 이러한 처리로도 HR 최적당화는 쉽게 이루어지는 것으로 인정되었다.
8일 때와 동일한 glucose 생성율을 나타내었다(표 2). 이는 발효미생물의 일반적인 생육온도인 37℃ 내외에서나, pH가 중성에 가까운 6.5에서도 당화가 잘 이루어 질수 있음을 의미하며 HR 바이오매스를 이용하여 동시 당화/발효 공정의 개발이 가능함을 나타내 준다. 전처리 및 당화과정을 별도로 하지 않고 발효공정과 통합 시켜 진행하면 생산비가 매우 절약된다.
본 실험에서는 전 실험과는 달리 야외에서 확보한 HR 시료를 사용하였다. 그 결과, 그림 5에서와 같이 당화 개시 후 2시간째에는 생체시료보다 건조시료에서 glucose 함량이 보다 높게 나타났는데 이는 건조 조직에서 효소용액의 침투가 보다 신속하였기 때문으로 추정된다. 그러나 4시간 이후부터는 건조시료보다 생체시료에서 glucose 생성량이 높았으며 16시간째에는 두 시료 모두 당화가 거의 완료되는 경향을 보였다 (그림 5).
그 결과, 그림 5에서와 같이 당화 개시 후 2시간째에는 생체시료보다 건조시료에서 glucose 함량이 보다 높게 나타났는데 이는 건조 조직에서 효소용액의 침투가 보다 신속하였기 때문으로 추정된다. 그러나 4시간 이후부터는 건조시료보다 생체시료에서 glucose 생성량이 높았으며 16시간째에는 두 시료 모두 당화가 거의 완료되는 경향을 보였다 (그림 5). 이러한 결과를 볼 때, HR 시료는 생체 조건에서도 당화를 충분히 진행시킬 수 있기 때문에 보다 폭넓은 당화공정기술을 개발할 수 있을 것으로 판단되 었다.
본 실험은 HR 시료의 분쇄여부에 따른 당화정도에 차이가 있는지를 알아보고자 실험하였다. 그 결과, HR시료를 분쇄한 것과 분쇄하지 않은 것 간에 glucose 생성량 차이가 인정되지 않았다(그림 6). 이는 HR을 수확한 다음 조직을 분쇄 하지 않고 그대로 당화시킬 수 있음을 의미하므로 당 용액을 경제적으로 생산하는데 있어서 우수한 특징을 가진다고 보여진다.
그 결과 본 실험에서 사용한 효소량을 가지고서는 HR 건조시료의 고형분 함량이 10% 될 때 까지는 직선적으로 glucose 생성량이 증가되었다(그림 7). 그러나 15% 이상의 solid loading에서는 건조시료 투입량에 따른 glucose 생성량이 비례적으로 증가되지는 않았고 당화율도 점점 낮아지는 경향을 보였다(그림 8).
그러나 15% 이상의 solid loading에서는 건조시료 투입량에 따른 glucose 생성량이 비례적으로 증가되지는 않았고 당화율도 점점 낮아지는 경향을 보였다(그림 8). 따라서 보다 효율적으로 당용액을 얻기 위해서는 10～15%(w/v)의 solid loading 조건에 의해서 이루어질 수있을 것으로 판단되었다.
이상의 실험결과로 볼 때, HR은 별도의 전처리 과정이 없이도 당화가 잘되는 미세조류임을 나타낸다. 이를 더욱 확인해 보기 위하여 다른 몇 가지 종류의 바이오매스를 대상으로 HR과 동일한 조건에서 효소 당화를 실시, 상대 비교해 보았다.
1%에 불과하였다. 이들의 결과는 본 연구의 HR이 다른 바이오매스들에 비해 효소당화가 매우 용이함을 보여준다.
예를 들면, 미세 녹조류인 Scenedesmus의 경우도 초음파와 같은 전처리를 비교적 강하게 해야 유용물질 수득율이 높다(Choi 등 2012). 본 연구에 있어서도 응집제 처리를 통해 수거한 Scenedesmus SM1에 비해 응집제를 사용하지 않았던 Scenedesmus SM2의 경우 산가수분해 대비 효소당화율이 상대적으로 낮은 특성을 보였다(표 2). 더구나 같은 사상녹조류인 Cladophora의 경우는 30%정도로서 아주 낮은 효소당화율을 나타내었다.
더구나 같은 사상녹조류인 Cladophora의 경우는 30%정도로서 아주 낮은 효소당화율을 나타내었다. 이에 비해 본 연구의 미세조류 HR은 매우 당화가 용이한 특성을 보였다. HR의 경우는 상대적으로 당함량이 낮은 바이오매스에서는 산가수분해 대비 효소당화율이 100% 이상 높고 당함량이 높은 시료는 효소당화율이 95～100% 정도이었다.
실질적으로 이를 이용하여 본 저자들은 젖산 생산기술을 보고하였다(Nguyen 등 2012). 또한 효소당화시의 적용 산도(pH) 범위도 넓었고(표 2), 최적조건의 효소량보다 1/10정도의 효소량만으로도 최적조건의 70～80% 이상 해당하는 당수득율을 나타내었다(표 1, 그림 1). 그리고 당용액을 경제적으로 생산하기 위해서 는 고형분 함량이 높은 조건에서 당수득율이 높아야 하는데 본 실험조건에서 HR의 경우는 고형분 함량 10%까지 당수득율이 떨어지지 않았고 15% 이상되어야 감소하였는 바(그림 8, 그림 9), 이는 고농도의 당용액을 생산하는데 있어서 유리한 장점을 가진다고 볼수 있다.
또한 효소당화시의 적용 산도(pH) 범위도 넓었고(표 2), 최적조건의 효소량보다 1/10정도의 효소량만으로도 최적조건의 70～80% 이상 해당하는 당수득율을 나타내었다(표 1, 그림 1). 그리고 당용액을 경제적으로 생산하기 위해서 는 고형분 함량이 높은 조건에서 당수득율이 높아야 하는데 본 실험조건에서 HR의 경우는 고형분 함량 10%까지 당수득율이 떨어지지 않았고 15% 이상되어야 감소하였는 바(그림 8, 그림 9), 이는 고농도의 당용액을 생산하는데 있어서 유리한 장점을 가진다고 볼수 있다.
이상의 제반 실험결과를 종합해 볼 때, 본 연구의 담수조류 HR은 흥미롭게도 여러 처리 조건변화에서도당화가 손쉽게 잘 일어나는 특징을 보였다. 그 원인을 검토해 볼 때, 효소능력이 외부환경변화에 의해 가감될 수 있을 정도보다 본 연구의 실제 효소 처리량이 과도하게 높았기 때문으로 가정될 수 있을 것이다.
본 연구에서는 담수녹조류인 그물말(Hydrodictyon reticulatum, HR)을 산업바이오 자원으로서 활용하는 방안을 강구하고자 일차적으로 효소당화의 용이성을 검토하였다. HR에 대하여 효소당화를 2% 고형분 함량에서 동일조건으로 수행했을 때, 다른 종류의 바이오매스(Spirulina, Chlorella, Scenedesmus, Cladophora, Corn stover)보다 glucose 수득율이 가장 높았다. HR을 분말화하지 않아도 최적조건의 효소처리량에서 당화가 모두 이루어지며, HR 당화용액의 citrate buffer strength가 0.
HR에 대하여 효소당화를 2% 고형분 함량에서 동일조건으로 수행했을 때, 다른 종류의 바이오매스(Spirulina, Chlorella, Scenedesmus, Cladophora, Corn stover)보다 glucose 수득율이 가장 높았다. HR을 분말화하지 않아도 최적조건의 효소처리량에서 당화가 모두 이루어지며, HR 당화용액의 citrate buffer strength가 0.1mM까지 낮아도 당수득율에 큰 지장이 없었다. 또한 HR을 고온의 전처리없이 실온상태에서 바로 당화시켜도 120℃ 처리에 비해 10% 미만의 당화율 감소만 나타내었다.
1mM까지 낮아도 당수득율에 큰 지장이 없었다. 또한 HR을 고온의 전처리없이 실온상태에서 바로 당화시켜도 120℃ 처리에 비해 10% 미만의 당화율 감소만 나타내었다. 발효균주의 일반적인 생장적온인 37℃ 또는 pH 6.
또한 HR을 고온의 전처리없이 실온상태에서 바로 당화시켜도 120℃ 처리에 비해 10% 미만의 당화율 감소만 나타내었다. 발효균주의 일반적인 생장적온인 37℃ 또는 pH 6.5에서도 당화가 정상적으로 잘 일어나 당화/발효를 동시에 진행시킬 수 있는 바이오매스로의 특징을 보였다. 효소량을 기준량의 1/10정도 줄여도 최적조건의 70～80%에 해당하는 glucose 수득율을 나타내었다.
5에서도 당화가 정상적으로 잘 일어나 당화/발효를 동시에 진행시킬 수 있는 바이오매스로의 특징을 보였다. 효소량을 기준량의 1/10정도 줄여도 최적조건의 70～80%에 해당하는 glucose 수득율을 나타내었다. 그리고 본 실험조건에서 HR의 고형분 함량 10%까지 당수득율이 떨어지지 않았고 15%이상 되어야 감소하기 시작하여 고농도 당용액 생산에도 좋은 특성을 나타내었다.
효소량을 기준량의 1/10정도 줄여도 최적조건의 70～80%에 해당하는 glucose 수득율을 나타내었다. 그리고 본 실험조건에서 HR의 고형분 함량 10%까지 당수득율이 떨어지지 않았고 15%이상 되어야 감소하기 시작하여 고농도 당용액 생산에도 좋은 특성을 나타내었다. 이들의 제반 결과는 HR 이 당화가 매우 쉽게 일어나는 특징을 가진 조류 바이오매스임을 나타내준다.
그리고 본 실험조건에서 HR의 고형분 함량 10%까지 당수득율이 떨어지지 않았고 15%이상 되어야 감소하기 시작하여 고농도 당용액 생산에도 좋은 특성을 나타내었다. 이들의 제반 결과는 HR 이 당화가 매우 쉽게 일어나는 특징을 가진 조류 바이오매스임을 나타내준다. 이러한 장점뿐만 아니라 수집하기가 매우 용이한 사상조류(flilamentous algae)이기 때문에 다른 종류의 조류 바이오매스에 비해 바이오화학제품 생산을 위한 원료로서 향후 이용가치가 매우 높을 것으로 판단된다.
후속연구
배출 문제, 환경규제 강화 등 여러 문제에 직면한 상황에서 미래 환경과 자원고갈을 슬기롭게 대비하기 위해서는 필수적으로 식물자원 바이오매스의 효율적 활용기술 개발이 필요하다. 이에 적합한 식물자원은 다음의 몇 가지 요인으로 첫째, 식량 및 사료 확보와의 충돌이 최소화 될 것 둘째, 생장시 이산화탄소 저감 또는 환경오염 경감 능력이 상대적으로 우수할 것 셋째, 생산성이 뛰어나거나 생산물의 산업적 가치가 높아 경제성이 높을 것 등이 필수적으로 구비되어야 할 것이다. 무엇보다 성장속도가 빨라 바이오매스 확보가 원활한 것이 우선적으로 고려되어야 하는 바, 그동안 잡초 또는 위해식물로서 여겨져 왔던 초본계 다년생 식물인 억새, 스위치그래스, 갈대, 코드그래스, 코끼리풀, 부들, 돼지감자 등이 활용연구의 후보자원이 되어 세계적으로 많은 연구가 이루어지고 있다.
8) strength간에 효소당화로 인한 glucose 생성량에 있어서는 차이가 없었다. 즉 HR 시료의 경우 0.1mM 또는 증류수만을 가지고서도 당화가 충분히 이루어지기 때문에 필요한 경우 본 효소조합 및 농도조건을 활용함으로서 고품질의 당화액을 조제할 수 있을 것으로 생각되었다. 그러나 고농도 고형분 함량에서도 같은 경향이 나타나는지에 대해서는 추가 검토가 필요하다.
1mM 또는 증류수만을 가지고서도 당화가 충분히 이루어지기 때문에 필요한 경우 본 효소조합 및 농도조건을 활용함으로서 고품질의 당화액을 조제할 수 있을 것으로 생각되었다. 그러나 고농도 고형분 함량에서도 같은 경향이 나타나는지에 대해서는 추가 검토가 필요하다.
그러나 4시간 이후부터는 건조시료보다 생체시료에서 glucose 생성량이 높았으며 16시간째에는 두 시료 모두 당화가 거의 완료되는 경향을 보였다 (그림 5). 이러한 결과를 볼 때, HR 시료는 생체 조건에서도 당화를 충분히 진행시킬 수 있기 때문에 보다 폭넓은 당화공정기술을 개발할 수 있을 것으로 판단되 었다.
이상의 제반 실험결과를 종합해 볼 때, 본 연구의 담수조류 HR은 흥미롭게도 여러 처리 조건변화에서도당화가 손쉽게 잘 일어나는 특징을 보였다. 그 원인을 검토해 볼 때, 효소능력이 외부환경변화에 의해 가감될 수 있을 정도보다 본 연구의 실제 효소 처리량이 과도하게 높았기 때문으로 가정될 수 있을 것이다. 그런데 본 실험조건은 최적화 연구를 통해 결정된 효소량이었고, 다른 종류의 바이오매스를 가지고서 상대 비교했을 때에도 HR의 당화율이 가장 높았기 때문에 단순히 효소 처리량에 원인을 둘 수는 없을 것 같다.
그런데 본 실험조건은 최적화 연구를 통해 결정된 효소량이었고, 다른 종류의 바이오매스를 가지고서 상대 비교했을 때에도 HR의 당화율이 가장 높았기 때문에 단순히 효소 처리량에 원인을 둘 수는 없을 것 같다. 본 저자들은 HR의 생체구조 특징에 보다 근본적인 원인이 있을 것으로 추정하고 있으며 이에 대해서는 차후에 분석될 것이다.
따라서 이러한 공정이 손쉽게 이루어지는 종을 사용하는 것은 생산비 절감 전략에 있어서 가장 바람직한 선택이다. 이러한 측면에서볼 때, 그물말은 당화가 매우 쉽게 이루질 뿐만 아니라 수집하기가 매우 용이한 사상조류(flilamentous algae) 이기 때문에 다른 종류의 조류 바이오매스에 비해 바이오화학제품 생산을 위한 원료로서 향후 이용가치가 매우 높다고 하겠다.
이들의 제반 결과는 HR 이 당화가 매우 쉽게 일어나는 특징을 가진 조류 바이오매스임을 나타내준다. 이러한 장점뿐만 아니라 수집하기가 매우 용이한 사상조류(flilamentous algae)이기 때문에 다른 종류의 조류 바이오매스에 비해 바이오화학제품 생산을 위한 원료로서 향후 이용가치가 매우 높을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
그물말이란?
본 연구자들은 이러한 조건에 부합될 수 있다고 판단되는 조류종으로서 그물말을 발견하였다. 그물말 (Hydrodictyon reticulatum, HR)은 그물말과(Hydrodictyaceae)에 속하는 녹조류 중의 하나로서 담수조건에서 생장하는 사상조류의 일종이다. 이는 논, 하천, 저수지, 호소, 습지, 정원호수 등의 일부 지역에서 대발생되는 사례가 보고된 바 있고(Hall과 Payne 1997; Hawes와 Smith 1993; Wells 1999), 위해 조류종으로 인식되어 방제법이 제안되기도 하였다(Fitzgerald 1966).
미래 환경과 자원고갈을 슬기롭게 대비하기 위해서는 어떤 기술의 개발이 필요한가?
석유자원의 고갈, 에너지 수요 증가, 지구온난화와 CO2 배출 문제, 환경규제 강화 등 여러 문제에 직면한 상황에서 미래 환경과 자원고갈을 슬기롭게 대비하기 위해서는 필수적으로 식물자원 바이오매스의 효율적 활용기술 개발이 필요하다. 이에 적합한 식물자원은 다음의 몇 가지 요인으로 첫째, 식량 및 사료 확보와의 충돌이 최소화 될 것 둘째, 생장시 이산화탄소 저감 또는 환경오염 경감 능력이 상대적으로 우수할 것 셋째, 생산성이 뛰어나거나 생산물의 산업적 가치가 높아 경제성이 높을 것 등이 필수적으로 구비되어야 할 것이다.
식물자원 바이오매스의 효율적 활용기술의 개발에 적합한 식물자원은 어떠해야 하는가?
석유자원의 고갈, 에너지 수요 증가, 지구온난화와 CO2 배출 문제, 환경규제 강화 등 여러 문제에 직면한 상황에서 미래 환경과 자원고갈을 슬기롭게 대비하기 위해서는 필수적으로 식물자원 바이오매스의 효율적 활용기술 개발이 필요하다. 이에 적합한 식물자원은 다음의 몇 가지 요인으로 첫째, 식량 및 사료 확보와의 충돌이 최소화 될 것 둘째, 생장시 이산화탄소 저감 또는 환경오염 경감 능력이 상대적으로 우수할 것 셋째, 생산성이 뛰어나거나 생산물의 산업적 가치가 높아 경제성이 높을 것 등이 필수적으로 구비되어야 할 것이다. 무엇보다 성장속도가 빨라 바이오매스 확보가 원활한 것이 우선적으로 고려되어야 하는 바, 그동안 잡초 또는 위해식물로서 여겨져 왔던 초본계 다년생 식물인 억새, 스위치그래스, 갈대, 코드그래스, 코끼리풀, 부들, 돼지감자 등이 활용연구의 후보자원이 되어 세계적으로 많은 연구가 이루어지고 있다. 상기 요인에 적합한 다른 식물로는 조류(algae)를 들 수 있다.
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