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문제 정의
- 하지만 저온 강 염기 방법은 필링 반응이 일어나지 않는 온도에서 일부 리그닌 및 탄수화물을 용출시키는 반응으로써 유기산 생성에 의한 당 손실이 적고 분해되지 않은 자이란 등의 물질을 활용할 수 있다. 따라서 본 실험에서는 폐골목과 굴참나무에 저온 강 알칼리 처리를 실시하였으며 알칼리 처리가 효소 당화에 어떠한 영향을 끼치는지 알아보았다. 또한 폐골목 자체의 버섯 균주에 의한 생물학적 처리에 의한 효소 당화 특성도 분석하였다.
- 전처리는 셀룰라아제가 효과적으로 접근하여 셀룰로오스를 당화시킬 수 있도록 하는 처리이다. 본 연구에서는 18.0% 알칼리 처리로 목분 내 존재하는 일부 리그닌 및 자이란을 용출시키고자 하였다(Fig. 2 ,Table 2). Fig.
제안 방법
- 따라서 본 실험에서는 폐골목과 굴참나무에 저온 강 알칼리 처리를 실시하였으며 알칼리 처리가 효소 당화에 어떠한 영향을 끼치는지 알아보았다. 또한 폐골목 자체의 버섯 균주에 의한 생물학적 처리에 의한 효소 당화 특성도 분석하였다.
- 전건 기준 폐골목 및 굴참 목분을 수산화나트륨 용액(18%, w/v)를 1:6(w/v)의 비율로 혼합한 후 90℃, 4시간 동안 처리를 실시하였다. 반응이 끝난 후 글라스 필터로 여과 후 약 pH 7.
- 삼각플라스크 (250 mL)에 목분 12.0 g (전건기준)과 버퍼용액 138.0 mL (50 mM, pH 4.8)을 넣고 진탕배양기에서 50℃, 150 rpm 조건으로 효소당화를 실시하였다. 효소는 Cellucalst 1.
- 효소당화 과정 중 2, 4, 6, 8, 12, 24, 48 시간에서 2.0 mL의 샘플을 채취해서 냉장보관 후 40 μm의 친수성 syringe filter로 여과 후 당화액을 분석하였다.
- 목재의 화학적 조성 분석을 위하여 아세톤 추출물 함량 측정(TAPPI 280 pm-99), 끓는 물 추출물 함량 측정(TAPPI 207 om-93), 산 불용성 및 가용성 리그닌 분석(TAPPI 222 om-88 and TAPPI Useful Method UM 250)을 실시하였다.
- 폐골목과 굴참나무 목분의 당조성과 알칼리 처리 전후의 다당류 성분의 변화를 확인하기 위하여 1H-NMR 분석을 하였다. 황산 72%을 이용해 30℃, 1시간 동안 1차 가수분해 후 중수(D2O)를 넣어 희석한 뒤 100℃, 1시간 동안 2차 가수분해 실시하였다.
- 황산 72%을 이용해 30℃, 1시간 동안 1차 가수분해 후 중수(D2O)를 넣어 희석한 뒤 100℃, 1시간 동안 2차 가수분해 실시하였다. 반응이 끝난 후 여과액을 모아Bruker AVACE NMR spectrometer(500M㎐) 기기를 이용하여 분석하였다. NMR 스펙트럼 상에서 아노머성 수소 피크를 적분하여 탄수화물을 정량 분석하였다.
- 반응이 끝난 후 여과액을 모아Bruker AVACE NMR spectrometer(500M㎐) 기기를 이용하여 분석하였다. NMR 스펙트럼 상에서 아노머성 수소 피크를 적분하여 탄수화물을 정량 분석하였다.
- 효소당화 후 전환된 단당류의 농도 측정을 위하여 HPLC (high performance liquid chromatograph) (Shimadzu, Japan)를 이용하여 채취된 샘플의 당 농도 및 당화율을 분석하였다. 컬럼과 굴절률 검출기로 각각 Aminex HPX-87H (300 mm x 7.
- 알칼리 처리 전 폐골목과 굴참나무 목분의 효소당화 특성을 비교하였다. 효소당화 과정에서 시료를 채취하여 다당류에서 단당류로의 전환을 측정하였다(Fig.
- 알칼리 처리 전 폐골목과 굴참나무 목분의 효소당화 특성을 비교하였다. 효소당화 과정에서 시료를 채취하여 다당류에서 단당류로의 전환을 측정하였다(Fig. 1). 효소당화 48시간에서의 당 농도는 폐골목(16.
- 폐골목 및 굴참의 효소 당화를 향상시키기 위해서 염기처리를 실시하였다. 전처리는 셀룰라아제가 효과적으로 접근하여 셀룰로오스를 당화시킬 수 있도록 하는 처리이다.
- 알칼리 처리(18%)된 폐골목 및 굴참의 효소당화를 실시하였다. 염기처리 하지 않은 시료와 비교하여 염기처리 후 효소 당화가 증가하였으며 48시간 효소당화 후 단당의 농도는 굴참목분(51.
대상 데이터
- 폐골목은 식용 버섯을 생산하는 과정에서 버섯 생산량의 저하로 인하여 골목이 폐기될 때 발생한다. 발생된 폐골목은 2011년도 기준으로 화목(36.8%), 유기질 비료(23.6%), 축사용 깔개(7.1%) 등으로 사용되었다. 그러나 26%에 달하는 폐골목은 특별한 용도가 없이 방치되고 있으며 효과적인 목질 바이오매스 자원의 활용을 위하여 폐골목의 용도 개발이 필요하다.
- 정상재 굴참나무를 가지고 표고버섯 재배한 후 버려지는 폐골목을 수거하여 기건 시킨 후 분쇄기(IKA사의 MF10B)를 이용하여 입자 크기 2.0 mm 이하로 분쇄 후 사용하였다. 충북 제천시 한수면 송계리의 충북대학교 학술림에서 굴참나무를 벌목하여 비교 재료로 목분을 제조하였다.
- 0 mm 이하로 분쇄 후 사용하였다. 충북 제천시 한수면 송계리의 충북대학교 학술림에서 굴참나무를 벌목하여 비교 재료로 목분을 제조하였다. 가성소다는 93% 순도의 제품(Showa, Japan)을 사용하였다.
- 충북 제천시 한수면 송계리의 충북대학교 학술림에서 굴참나무를 벌목하여 비교 재료로 목분을 제조하였다. 가성소다는 93% 순도의 제품(Showa, Japan)을 사용하였다. 효소로는 Celluclast 1.
- 가성소다는 93% 순도의 제품(Showa, Japan)을 사용하였다. 효소로는 Celluclast 1.5L과 Novozym 188 (Novozyme, Denmark)을 사용하였다.
- 8)을 넣고 진탕배양기에서 50℃, 150 rpm 조건으로 효소당화를 실시하였다. 효소는 Cellucalst 1.5L을 기질 1.0g 당 30 FPU을 사용하였고 Novozym 188을 Cellulast 첨가량의 1/3수준으로 사용하였다. 효소당화 과정 중 2, 4, 6, 8, 12, 24, 48 시간에서 2.
- 효소당화 후 전환된 단당류의 농도 측정을 위하여 HPLC (high performance liquid chromatograph) (Shimadzu, Japan)를 이용하여 채취된 샘플의 당 농도 및 당화율을 분석하였다. 컬럼과 굴절률 검출기로 각각 Aminex HPX-87H (300 mm x 7.8 mm, Bio-Rad)와 RID-10A(Shimadzu, Japan)을 사용하였다. 이동상으로는 50 mM 황산을 사용하였으며 온도 60℃, 유속 0.
성능/효과
- 알칼리 반응조건에서는 리그닌의 가수분해 반응뿐만 아니라 다당류의 필링반응(peeling reaction)이나 임의절단 반응도 일어난다.12) 필링 반응이 일어나지 않는 온도에서는 염기의 농도에 따라 헤미셀룰로오스 성분의 용출이 가능하며 필링반응이 일어나는 100℃ 이상에서는 다당류가 단당류가 아닌 유기산으로 전환된다. 이러한 유기산의 생성된 만큼 당 손실이 발생하는 단점이 있다.
- 폐골목과 굴참의 화학조성 분석에서는 폐골목은 버섯 재배이전의 굴참나무와 비교하여 끓는물 추출물 함량은 높았지만 리그닌, 다당류 함량은 낮았다(Table 1). 끓는물 추출물 함량의 경우, 폐골목(6.
- 또한 염기처리 전 후의 폐골목 및 굴참 목분의 화학 조성과 당 조성 분석을 통해서 정량적으로 어느 성분이 용출되었는지를 확인 할 수 있었다. 리그닌의 경우 불가용성 리그닌 및 가용성 리그닌 모두 감소하였다.
- 리그닌의 경우 불가용성 리그닌 및 가용성 리그닌 모두 감소하였다. 총 리그닌 함량은 폐골목은 염기처리 전 22.0%에서 처리 후 14.1%로 36.0% 감소하였고 굴참의 경우 23.6%에서 17.4%로 26.0% 감소하였다(Table 2). 염기에 의해 저분자량의 리그닌의 용출이 이루었고 이런 현상이 폐골목이 더 뚜렷한 이유는 백색부후균에 의한 리그닌의 일부가 분해되었기 때문이다.
- 알칼리 처리(18%)된 폐골목 및 굴참의 효소당화를 실시하였다. 염기처리 하지 않은 시료와 비교하여 염기처리 후 효소 당화가 증가하였으며 48시간 효소당화 후 단당의 농도는 굴참목분(51.3 g/L)이 폐골목(41.6 g/L) 보다 높았다(Fig 3). 염기처리에 의해 목재 내 존재 하는 리그닌 및 자이란을 제거됨으로 셀룰라아제에 의한 효소당화가 증가하였기 때문이다.
- 하지만 폐골목의 경우 백색부후균에 의한 생물학적 처리 효과와 더불어 2차적인 염기처리로 인해 효소 당화율이 높은 것으로 예상하였지만 오히려 염기처리된 굴참보다 효소에 의한 단당 생성이 더 낮았다(Fig 3). 알칼리 처리에 의하여 폐골목 내에 존재하던 셀룰로오스의 39.0% 제거되었지만 굴참 목분에서는 19.0%만이 제거되었다(Table 2). 알칼리 처리에 의한 리그닌 및 자이란의 제거로 전처리 효과를 기대하였지만, 일부의 셀룰로오스 성분도 용출되었다.
- 0%만이 제거되었다(Table 2). 알칼리 처리에 의한 리그닌 및 자이란의 제거로 전처리 효과를 기대하였지만, 일부의 셀룰로오스 성분도 용출되었다. 백색부후균에 부분적인 분해가 진행된 폐골목에서는 염기에 의해 더 많은 양의 셀룰로오스가 용출되었다.
- 폐골목에 버섯 재배 기간 동안 백색 부후균에 의해 생물학적 처리가 진행되었으며 이로 인해 폐골목의 효소 당화가 굴참 보다 용이하였다. 당화율을 향상시키기 위해 알칼리 처리를 실시 한 결과 폐골목과 굴참 모두 당화율이 증가하였다.
- 폐골목에 버섯 재배 기간 동안 백색 부후균에 의해 생물학적 처리가 진행되었으며 이로 인해 폐골목의 효소 당화가 굴참 보다 용이하였다. 당화율을 향상시키기 위해 알칼리 처리를 실시 한 결과 폐골목과 굴참 모두 당화율이 증가하였다. 알칼리 처리에 의한 일부 리그닌 및 자이란 제거되었기 때문이다.
- 알칼리 처리에 의한 일부 리그닌 및 자이란 제거되었기 때문이다. 알칼리 처리 후 굴참의 효소당화 전환율이 폐골목 보다 높았다. 이는 백색부후균에 의한 목재 성분의 분해로 알칼리 처리에 의해 효소 당화하기 쉬운 셀룰로오스가 상대적으로 더 많이 제거되었기 때문으로 생각된다.
- edodes)에 의하여 목재 성분의 분해되면서 생겨난 공극으로 인해 셀룰라아제의 접근이 용이해졌기에 폐골목의 효소당화가 증가하였다.13) 기질 농도 8%의 폐골목 및 굴참나무의 셀룰로오스를 기준으로 이론적 최대 당 농도를 계산하였다. 단당 전환율은 폐골목이 41.
후속연구
- 5) 이런 원료는 바이오 에탄올 기반의 에너지 생산을 위한 원재료로써 적합하다. 생물학적 전처리에 의하여 효소 당화율이 증가하지만 산업적으로 적용 가능한 정도까지 도달하지는 못하기 때문에 추가적인 전처리 도입이 필요하다.7)
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