Enzymatic Hydrolysis of Rice Straw, a Lignocellulosic Biomass, by Extracellular Enzymes from Fomitopsis palustris

Fomitopsis palustris의 균체 외 효소에 의한 볏짚 당화에 관한 연구

In the enzymatic hydrolysis of rice straw and wood meals using extra-cellular enzymes from Fomitopsis palustris, key factors which enhanced the sugar conversion yield were investigated in this work, such as enzyme production and enzyme reaction conditions, surfactant effects, and the surface structure of substrates. F. palustris cultured with softwood mixture produced 12.0 U/$m{\ell}$ for endo-${\beta}$-1,4-gulcanase (EG), 116.68 U/$m{\ell}$ for ${\beta}$-glucosidase (BGL), 18.82 U/$m{\ell}$ for cellobiohydrolase (CBH), and 13.33 U/$m{\ell}$ for ${\beta}$-xylosidase (BXL). These levels of BGL, CBH, and BXL activities were two to four folds more than enzyme activities of F. palustris cultured with rice straw. The optimum reaction conditions of cellulase-RS which produced by F. palustris with rice straw and cellulase-SW which produced by F. palustris with softwood mixture were pH 5.0 at $45^{\circ}C$ and pH 5.0 at $50^{\circ}C$, respectively. The sugar conversion yield of cellulase-SW had the highest value of $40.6{\pm}0.6%$ within 72 h when rice straw was used as substrate. By adding 0.1% Tween 20 (w/w-substrate), the sugar conversion yield of rice straw was increased to 44%, which was about four fifths sugar conversion yield of commercial enzyme, Celluclast 1.5L (Novozyme A/S). A low crystallinity and an intensive fibril surface observed by the scanning electron microscope may explain the high sugar conversion yield of rice straw.

갈색부후균인 Fomitopsis palustris에서 균체 외 cellulase 생산 특성과 이 효소를 이용하여 목재와 볏짚의 당화특성, mediator 첨가 효과, 목질기질의 미세 표면구조나 결정화도가 효소 당화에 미치는 영향 등에 대해 연구하였다. F. palustris의 균체 외 효소의 생산에 혼합목분을 탄소원으로 이용 시 endo-${\beta}$-1,4-gulcanase (EG)는 12.0 U/$m{\ell}$, ${\beta}$-glucosidase (BGL)는 116.68 U/$m{\ell}$, cellobiohydrolase (CBH)는 18.82 U/$m{\ell}$, 그리고 ${\beta}$- xylosidase (BXL)는 13.33 U/$m{\ell}$의 활성을 보였다. 이러한 활성은 BGL, CBH, 그리고 BXL이 볏짚을 이용한 경우보다 약 2~4배 정도 높았다. 볏짚을 탄소원으로 이용하여 생산한 cellulase-RS의 효소 최적반응 온도 및 pH는 $45^{\circ}C$와 pH 5.0이었으며, 혼합 목분을 탄소원으로 이용하여 생산한 cellulase-SW의 경우에는 $50^{\circ}C$와 pH 5.0이었다. Cellulase-SW는 볏짚을 기질로 사용할 때 $40.6{\pm}0.6%$로 가장 높은 당화율을 보였다. 또한 당화촉매제인 Tween 20의 첨가로 당화율이 44%로 상승하여 상용화 효소인 Celluclast 1.5L의 53.7%의 당화율 대비 약 82% 수준으로 상승되었다. 이는 본 실험에서 사용한 효소가 조효소 형태임을 고려하면 상용화 효소에 매우 근접한 당화율을 얻은 것으로 판단된다. 또한 볏짚의 낮은 조직 결정화도와 주사전자현미경을 이용한 볏짚 표면의 섬유화를 통한 표면적 증대 효과는 목재에 비해 높은 볏짚의 당화율에 대한 원인을 제시하였다.