Characteristics of Glucose Oxidase Reaction of Onion Juice

The onions are considered to be a favorable functional source of beverage because they contain much sugar and various nutrients, and they are juicy vegetable. Recently, consumers have a new trend to take functional foods with health benefits. To meet this need, this study was the basic research to establish a manufacturing process of functional onion beverage by glucose oxidase. Glucose oxidase catalyzes reaction of glucose oxidation and makes generation of gluconic acid. Kinetics of the reaction was also investigated, and maximum glucose consumption rate $(V_{max})$ of $26.1{\times}10^{-2}\;g/L{\cdot}min$ and $K_m$ of 5.84 g/L were obtained. Optimum conditions were obtained when the glucose oxidase catalyzed reaction was carried out at temperature of $25^{\circ}C$, agitation rate of 450 rpm and aeration rate of 4 vvm in a 2.5 L jar fermentor. Finally, the enzyme reactor was 10-times scaled up and a similar glucose oxidation performance was achieved in the scaled-up reactor.

양파 착즙액과 포도당 산화효소의 반응 특성

양파가공기술의 일환으로 양파에 포함된 풍부한 포도당을 포도당산화효소(glucose oxidase)를 이용하여 글루콘산(gluconic acid)이 함유된 건강기능성 양파음료를 개발하기 위한 기초연구를 수행하였다. $Novozym^{\circledR}$ 771의 포도당 소모속도에 대한 kinetic parameter를 알아본 결과 Mechaelis Menten equation의 특성치들은 $V_{max}=26.1{\times}10^{-2}\;g/L{\cdot}min$이고 $K_m=5.84\;g/L$이었다. 양파즙에서의 포도당 산화효소의 반응특성을 알아보기 위해 2.5L jar fermentor에서 조업부피 1L로 각 조건에서 실험 하였다. 온도의 영향을 검토한 결과 $25^{\circ}C$일 경우 초기반응속도가 $3.18{\times}10^{-2}\;g/L{\cdot}min$이며 $30^{\circ}C$일 때보다 1.1배 증가된 값을 보임으로서 온도가 $30^{\circ}C$로 증가시 반응속도는 다소 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 통기속도의 영향을 살펴본 결과 반응속도는 통기량이 증가할수록 증가하는 경향을 보였다. 0 vvm일 때는 반응이 거의 진행되지 않았으며 4 vvm일 때 초기반응속도 $9.18{\times}10^{-2}\;g/L{\cdot}min$, 91.5%로 만족할 만한 높은 값을 보였으며 용존산소농도의 값을 측정함으로서 4 vvm일 때 산소가 포함됨을 확인할 수 있었다. 교반속도는 측정되었던 반응 조건 중 반응속도에 큰 영향을 주는 중요한 조건이었다. 450rpm일 때 $16.2{\times}10^{-2}\;g/L{\cdot}min$, 99.2%으로서 최대값을 보였다. 교반속도의 증가는 산소전달과 물질전달을 용이하게 해줘 결국 반응속도가 증가되는 것으로 판단된다. 2.5 L jar fermentor에서의 결과를 바탕으로 20L bench 규모의 효소 반응기를 제작, 20L 효소 반응기에서 조업부피 10L로 $25^{\circ}C$, 2 vvm, 350rpm에서 양파즙의 포도당 산화반응을 살펴본 결과 전체적인 반응속도가 크게 변하지 않는 것으로 판단되어 본 효소 반응은 매우 용이하게 scale-up 될 수 있는 것으로 판단되었다.