Enzymatic Hydrolysis of Yellowfin Sole Skin Gelatin in a Continuous Hollow Fiber Membrane Reactor

연속식 중공사막 반응기를 이용한 각시가자미피 젤라틴의 가수분해

A continuous hollow fiber membrane reactor(CHFMR) was developed and optimized for the production of yellowfin sole(Limanda aspera) skin gelatin hydrolysates using trypsin. The results were summerized as follows: The $K_m$ value of the CHFMR was 2.4 times higher than that of the batch reactor, indicating reduced enzyme affinity for the substrate. The $K_2$ value of the CHFMR was 8.5 times lower than that of the batch process, showing a significant reduction in trypsin activity in the CHFMR. The optimum operating conditions for the CHFMR process were $55^{\circ}C$, pH 9.0, flux 7.79 ml/min, residence time 77min, and trypsin to substrate ratio, 0.01(w/w) After operating for 60min under the above conditions, $79\%$ of the total amount of initial gelatin was hydrolysed. Enzyme leakage was observed through the 10,000 MWCO membrane after the 20min of reactor operation, while none occurred after 5hr. Total enzyme leakage was about $12.95\%$ at $55^{\circ}C$ for 5hrs. However, there was no apparent correlation between enzyme leakage and substrate hydrolysis. The membrane has a significant effect on trypsin activity loss for 60min of the CHFMR operation. The CHFMR operating with the membrane lost $34\%$ of the initial activity versus a $23\%$ loss of activity after 3hr in the continuous reactor lacking the hollow fiber membrane. The measurement of fouling property showed that relative flux reduction was $91\%$ and flux recover rate was $92\%$ at $10\%$ substrate solution. The productivity(378.85mg product/mg enzyme) of the CHFMR was more than 4 times higher than that of the batch reactor at $55^{\circ}C$.

어류 가공시 부산물로 얻어지는 어피를 효율적으로 이용하고자 알칼리 전처리법으로 각시가자미 피(皮)로부터 제조된 젤라틴을 시료로 하여 연속식 중공사막 반응기를 이용한 젤라틴의 가수분해 최적조건과 중공사막 반응기 장치에서의 효소활성 및 안정성에 미치는 인자에 대하여 검토하였다. 연속식 중공사막 반응기에서 가수분해조건을 보면 효소농도는 0.1mg/ml 이상에서는 가수분해율이 거의 $72\%$ 이상이었다. 기질농도 $1\%$ 이하에서는 $70\%$ 이상의 가수분해율을 나타내었으며, 기질농도가 증가함에 따라 가수분해율이 약간 감소하는 경향이였다. S/E=100(w/w) 이하에서는 거의 $72\%$이상의 가수분해율을 나타내었다. 유출속도가 7.79ml/min일 때 잔류시간은 77분이였으며, 이때의 가수분해율은 $79\%$였다. 중공사막 반응기 장치의 최적조건은 $1\%$ 기질에 대해 효소농도 0.1mg/ml, 유출속도 7.79ml/min, 잔류시간 77분, 반응온도 $55^{\circ}C$에서 기질의 가수분해율은 반응시간 1시간 부근에서 최대값을 나타내었다. 효소활성은 온도 $55^{\circ}C$에서 $50\%$, $25^{\circ}C$에서 $20\%$가 감소되었으며, 막에 의한 효소활성은 3시간 후에 $34\%$ 감소하였다. 막을 통한 효소의 누출은 작동시간 20분에서 최대였으며 작동시간 5시간 이후에는 거의 효소가 누출되지 않았으며, 전체 효소량 중 효소누출량은 $12.95\%$이였다. 막의 fouling 성질은 $10\%$(w/v)기질용액에서 순수에 대한 상대적인 유출속도 감소율(RFR)은 $91\%$였으며 유출속도 재생율은 $92\%$였다. 높은 기질농도 $10\%$에서는 가수분해도가 $89\%$였으며, 그 이상의 기질농도에서는 $75\%$였다. 젤라틴에 대한 trypsin의 반응속도 상수인 $K_m$ 및 $V_{max}$는 회분식에서 각각 0.668mgN/ml, 1.468mgN/ml/min였으나, 연속식에서는 이들의 값이 각각 1.618mgN/ml, 0.347mgN/ml/min였다. 연속식에서 $K_m$값은 1.618mgN/ml으로 회분식의 0.668mgN/ml에 비해 2.4배 정도 큰 반면 $V_{max},\;K_2$는 매우 작았다. 회분식과 연속식에서 최적조건하에서 젤라틴을 가수분해하였을 때 효소 mg당 생산하는 가수분해물은 각각 87.58mg및 378.85mg으로 회분식에 비해 생산량이 4배 이상이었다.