Ultrafiltration and Separation Process Optimization of Hen Egg White Lysozyme as Natural Antimicrobial Enzyme

천연 항균 효소제 난백 lysozyme의 한외여과 조건 최적화

Hen egg white lysozyme (HEWL) is very valuable as a natural preservative in food processing due to its selective bactericidal activity. HEWL which traditionally isolated by crystallization or freeze drying was simply separated from 13 different hen egg white (HEW) proteins by a single-step ultrafiltration. Freeze dried HEW (0.25%, w/v) dissolved in a citrate-phosphate buffer (pH 4.6) was ultrafiltered with a PM30 membrane under various operating conditions, by changing concentration, temperature, transmembrane pressure $({\triangle}P_T)$, and stirring speed. Optimum separation conditions were decided when maximal flux was obtained. Under the optimum separation conditions, the effect of membrane material and fouling on flux as time passed as well as lysozyme concentration, protein concentration, specific activity (SA) in the permeate were measured. Best separation conditions of HEWL with PM30 membrane were sample concentration 0.25%, temperature $35^{\circ}C$, ${\Delta}P_T\;30\;psi$, and stirring speed 300 rpm. During the first 12 min, the flux of YM30 was higher, but at the steady-state it was lower than that of PM30. The SA of the PM30 permeate was over 2 times higher in spite of the lysozyme and protein concentration being lower than that of YM30 permeate. The flux of 5 times used PM30 decreased 30% compared to a new PM30, but both had the same tendency in flux decrease when time passed. Both of them reached a steady-state after 35 min and remained at 70% of the initial flux. In the PM30 permeate, the lysozyme concentration and SA were 110 units/mL and 2,821 units/mg protein, respectively. Therefore, PM30 membrane separation was very effective for separation of antimicrobial lysozyme.

난백 lysozyme은 박테리아 세포벽을 선택적으로 분해하므로 식품 가공 공정에 있어서 천연 식품보존제로서의 이용 가치가 높다. 기존의 결정화와 냉동건조 방법 대신 PM30 막을 사용하여 한외여과함으로써 13종의 난백 단백질로부터 single-step에 의해 lysozyme을 분리하고자 하였다. 냉동 건조한 lysozyme을 pH 4.6 citrate-phosphate buffer에 녹여 PM30 막으로 한외여과시 시료 농도, 온도, 막 횡단 압력, 교반속도 등의 운용 조건을 변화시켜주면서 flux를 최대화하는 최적 막분리 조건을 구하였다. 최적 막 분리 조건하에서 시간이 경과함에 따라 막 재질과 막 침착이 flux에 미치는 효과를 측정하였고, 막 분리 여액내 단백질 농도와 lysozyme 농도, 비활성도를 측정하였다. PM30 막을 이용한 난백 lysozyme의 막 분리 최적 조건은 시료농도 0.25%, 온도 $35^{\circ}C$, 막 횡단 압력 30 psi, 교반속도 300 rpm 이었다. 막 분리 초기 12분까지는 YM30 막의 flux가 더 높았으나, 정상상태에서의 flux는 PM30 막이 더 높았다. PM30 막의 분리 여액내 단백질 농도와 lysozyme 농도는 YM30 막에 비해 낮았으나, 비활성도는 2배 이상 높았다. 5회 막 분리한 PM30 막은 새 PM30 막에 비하여 flux가 약 30% 감소하였으나 시간 경과에 따른 flux 감소 경향은 거의 동일하였으며, 막 분리 35분 경과 후 정상상태에 이르러 초기 flux 약 70%를 유지하였다. 막 분리 여액내 lysozyme 농도와 비활성도는 각각 110 units/mL, 2,821 units/mg protein이었으므로, PM30 막을 이용한 한외여과 공정은 천연 항균 효소제인 lysozyme을 분리하는데 매우 효과적인 방법이었다.