• Journal of Applied Biological Chemistry
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• 제59권3호
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• pp.215-220
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• 2016

식물의 이차생장의 결과로 생산되는 바이오매스의 대부분은 식물의 이차세포벽에 축적된다. 식물의 이차세포벽은 크게 셀룰로스, 헤미셀룰로스, 리그닌이라는 3가지 물질로 구성되며 이들 중 페놀성 복합 화학 물질인 리그닌은 셀룰로스나 헤미셀룰로스와 달리 알코올 발효과정의 저해 물질로이다. 따라서, 식물의 이차세포벽 생합성의 과정을 조절함으로 전체 바이오매스의 생산량과 조성을 바이오 에너지 생산을 위해 최적 조건으로 조절함으로써 바이오 에탄올 생산을 최대화할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 애기장대 유래 MYB7 유전자를 CaMV35S 프로모터 조절 하에서 과별현되게 한 식물체와 식물의 전사조절에서 하위 특정 유전자의 발현을 저해시키는 것으로 잘 알려진 SRDX 융합 단백질 즉, MYB7-SRDX 과발현체를 제작하여 그 특성을 조사하였다. 그 결과 MYB7 전사조절 인자가 리그닌의 생합성을 억제 조절한다는 결과를 관찰하였다. 이는 MYB7 전사조절인자를 이용하면 바이오 에탄올 발효과정에 저해 물질로 작용하는 리그닌을 경감시킬 수 있는 기초 자료로 사용할 수 있을 것이다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제60권3호
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• pp.414-422
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• 2022

본 연구의 목적은 국내 대표적인 농경잔류물인, 볏짚과 보릿짚을 이용하여 헤미셀룰로오스 부분의 최대 가용화를 위한 산 촉매 열수 분별공정의 타당성을 조사한 것이다. 1.2-2.9 범위의 반응가혹도(CS; Combined reaction severity)에서 다양한 분별 조건들을 사용하여 초기 반응조건 기준을 설정했다. 볏짚의 경우, 160 ℃의 반응온도, 0.75%(w/v)의 H₂SO₄, 20분의 반응시간, 그리고 1:15의 고체/액체 비율을 가진 반응 조건에서 56.6%의 헤미셀룰로스 당 수율을 얻을 수 있었으며, 보릿짚의 경우, 150 ℃ 반응온도, 0.75%(w/v) H₂SO₄, 15분의 반응시간, 1:10의 고체/액체 비율에서 83.0%의 헤미셀룰로스 당 수율을 얻었다. 따라서, 볏짚과 비교하여 보릿짚의 경우 산촉매 열수분획을 효과적으로 수행할 수 있었다. 분별과정 후 남은 분획된 고형분은 볏짚과 보릿짚에서 각각 48.5%와 57.5%였다. 분별된 볏짚과 보릿짚의 XMG(Xylan+Mannan+Galactan) 함량은 17.3% 및 17.6%에서 6.0% 및 2.6%로 각각 감소하였으며, 이는 원료 짚 기준으로 각각 16.7% 및 8.5%에 해당한다. 또한, 보리 짚의 산촉매 열수분별 과정에서 과도한 분해로 인해 셀룰로오스 및 XMG의 5.6% 및 8.5%만 손실된 반면, 볏짚의 셀룰로오스 및 XMG 손실은 6.4% 및 26.6%이었다. 볏짚의 헤미셀룰로스 당은 산 촉매 열수 분별공정중, 다소 높은 반응가혹도로 인해 심하게 과분해된 것에 기인한다.

• 한국식품과학회지
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• 제48권3호
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• pp.201-207
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• 2016

메밀껍질은 메밀 알곡보다 유효성분이 많음에도 불구하고 식품학적 가치가 떨어져 대부분 폐기되고 있다. 따라서 이를 기능성 식품소재로 활용하기 위해 효소분해하여 기능성 올리고당을 생산하고 이들의 특성을 분석하였다. 올리고당 생산을 위한 최적 가수분해조건은 셀룰로스 분획의 경우 pH 5.0, $40^{\circ}C$, 기질농도 4%로 결정되었으며, 헤미셀룰로스 분획은 pH 5.0, $40^{\circ}C$, 30 unit으로 결정되었다. 최적 분해조건을 이용하여 72시간 효소분해 후 얻은 올리고당의 생산량을 측정한 결과, 셀룰로스와 헤미셀룰로스 분획으로부터 얻은 올리고당의 수율은 각각 132.37 g/kg 및 393.04 g/kg이었다. 또한 각 분획의 올리고당 함량을 측정한 결과, 포도당, 자일로스, xylobiose, xylotriose, cellobiose 및 cellotriose가 검출되었다. 올리고당(OSC, OSH)의 산화방지 활성을 측정한 결과, OSC는 분해시간이 증가할수록 산화방지 활성은 감소한 반면 OSH는 증가하였다. 또한 메밀껍질로부터 생산된 올리고당 첨가 시, 모든 비피더스 균주의 생육이 control에 비해 증가하여 프리 바이오틱 효과가 있음을 알 수 있었다. 이상의 연구결과, 효소분해에 의해 메밀껍질로부터 올리고당을 생산할 수 있었으며, 산화방지와 프리바이오틱 효과가 있음을 확인하였다. 따라서 목적에 따라 효소의 처리시간 및 방법을 다양화한다면 기능성식품으로의 활용이 더 높아질 것으로 예상된다.

• 농업과학연구
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• 제36권1호
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• pp.1-10
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• 2009

동양배 '신고'와 '사과배'의 저장기간 중 서로 다른 생리적 특성과 세포벽 특성 변화를 비교 검토하여 과실생리 및 저장기술의 기초자료로 얻고자 본 실험을 실시하였다. 저장 기간 중 '신고'의 품질변화는 중량감소가 큰 반면, '사과배'에서는 급격한 호흡급등현상과 에틸렌 생합성이 많았으며, 전분감소가 컸다. 수용성 펙틴함량은 '신고'가 '사과배'보다 높았으며 CDTA-가용성 펙틴은 두 품종간의 차이가 크지 않았다. $Na_2CO_3$-가용성 펙틴은 '사과배'가 '신고'보다 높았으며 수용성 펙틴과는 달리 저장 기간이 길어질수록 증가하였다. 4% 및 24% KOH 가용성 펙틴은 저장기간에 따른 변화 폭이 크지 않았다. 수용성 펙틴의 분획 결과,'신고'와 '사과배' 저장 중 거대 분자의 구조 변화에서 많은 차이를 보였고, '신고'와 '사과배' 모두 저장 기간이 길어질수록 펙틴의 가수분해 및 측쇄 사슬의 당 분해가 관찰되었다. $Na_2CO_3$-가용성 펙틴의 경우 당 분포는 저장 기간에 관계없이 일정하였지만 펙틴은 분자량 변화가 컸다. 4% 및 24% KOH 가용성 펙틴의 분획 결과 두 품종에 있어 헤미셀룰로스의 구조 변화가 서로 달라, '사과배'의 경우는 4% KOH 가용성 추출물의 분획에서 세포벽을 구성하고 있는 당들의 가수분해가 컸으며 '신고' 보다 '사과배'에서 노화 과정 중 헤미셀룰로스의 변화가 더 심하였다.

• Journal of the Korean Wood Science and Technology
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• 제40권3호
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• pp.147-155
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• 2012

본 연구에서는 스위치그라스를 바이오에탄올 생산용 바이오매스로 선정하여 팝핑 전처리, 효소가수분해 및 발효 과정을 거쳐 바이오 에탄올의 생산 가능성을 조사하였다. 팝핑 전처리 된 스위치그라스에 효소를 처리하여 가수분해 한 결과 95% 이상의 효소 가수분해 효율을 보였고, 가수분해 후 생성된 당화액을 효모(Saccharomyces cerevisiae)로 발효하였을 때 생산된 바이오에탄올의 수율은 89.6%에 이르렀다. 팝핑 전처리 후 바이오매스의 글루코스와 자일로스의 함량은 각각 40.8%와 20.3%로 나타나 전처리 후 글루코스 함량에는 큰 변화가 없었으나, 자일로스의 함량이 4.7% 감소하는 것으로 보아 헤미셀룰로스 영역이 전처리 과정에서 제거된 것으로 보인다. 또한, 주사형 전자현미경 결과에 의하면 전처리 전에는 스위치그라스 표면이 비교적 매끈하고, 입방체 모양을 이루고 있었으나, 전처리 후에는 섬유가 각각 분리되어 있었으며 표면에 많은 미세공극이 생겨난 것을 관찰할 수 있었다. 그러므로 팝핑 전처리는 스위치그라스 시료의 셀룰로스 노출면적을 넓혀주는 역할을 하여 셀룰레이즈 효소의 접근성을 높여 효소 당화 효율을 증대시키는 것으로 사료된다.

• 한국식품과학회지
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• 제48권2호
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• pp.97-103
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• 2016

본 연구는 메밀 알곡에 비해 유효성분이 많음에도 불구하고 식품학적 가치가 떨어져 폐기되고 있는 메밀껍질을 기능성 식품소재로 활용하기 위해 메밀껍질을 효소로 분해하여 수용성 식품섬유를 생산하고자 하였다. 메밀껍질을 효소를 이용하여 72시간 분해하여 수용성 식품섬유의 수율을 측정한 결과, 72시간 효소분해 후 셀룰로스 및 헤미셀룰로스 분획으로부터 얻은 수용성 식품섬유는 각각 60.5 g/kg, 123.7 g/kg이었으며, 총 수용성 식품섬유의 수율은 129.8 g/kg이었다. 겔 크로마토그래피에 의한 수용성 식품섬유의 분자량 추이를 측정한 결과, 분해 시간이 증가함에 따라 저분자의 피크가 크게 증가하여 효소 반응 시간이 증가할수록 분해가 진행되었다. 효소분해되지 않은 메밀껍질의 수용성 식품섬유에 비해 효소분해에 의해 생산된 식품섬유소의 산화방지 활성이 높게 나타났으며, 대조군에 비해 높은 포도당 및 담즙산 흡수 지연효과를 보였다. 따라서 메밀껍질로부터 생산된 수용성 식품섬유소는 산화방지를 비롯한 포도당 및 콜레스테롤의 흡수저하 효과를 가진 건강기능식품 소재로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

• 생명과학회지
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• 제25권12호
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• pp.1450-1457
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• 2015

화석 연료의 고갈과 환경 문제를 극복하기 위하여 식물성 바이오매스를 이용한 바이오연료의 생산이 큰 주목을 받고 있는 가운데 화학적 전처리를 하지 않은 바이오매스를 직접 분해할 수 있는 그램 양성 초호열성 세균 Caldicellulosiruptor bescii에 대한 관심이 높아지고 있다. C. bescii는 식물 세포벽을 구성하는 셀룰로스, 헤미셀룰로스 등의 분해 뿐만 아니라 세포벽을 연결시켜주는 pectin도 효율적으로 분해할 수 있는데 최근 C. bescii의 genetic tool이 개발되면서 바이오매스 분해에 관여하는 효소의 특성 규명과 아울러 대사공학적 방법으로 바이오에탄올을 생산하는 통합바이오공정(consolidated bioprocessing; CBP)의 개발이 가능케 되었다. 본 총설에서는 초고온성 세균인 C. bescii를 이용한 식물성 바이오매스의 분해와 바이오에탄올의 생산에 대한 최신 연구결과를 소개하고 향후 전망에 대해 논하고자 한다.

• KSBB Journal
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• 제23권1호
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• pp.1-7
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• 2008

비록 전 세계적으로 많은 수의 소규모 시범 셀룰로식 에탄올 생산연구가 보고되고 있으며 셀룰로식 에탄올 생산을 위한 많은 연구들이 진행되고 있지만 현재까지 전분계나 설탕계 에탄올과 경쟁할 수 있을 정도의 경제적 생산이 가능한 상용화된 셀룰로식 에탄올 생산시설은 현재까지 보고 된 바 없다. 또한 일부 환경경제학자들은 옥수수 작물자체가 수확기까지 많은 양의 수분과 에너지를 필요로 하고 매년 토양을 침출시키는 작물이어서 환경적인 문제점을 불러 올 수 있다는 점, 이후 옥수수 바이오매스로부터 에탄올을 생산할 때까지 들어가는 에너지의 양이 높다는 점등을 지적하며 옥수수로부터의 에탄올대량생산에 신중해야 한다는 의견도 있다(24). 하지만 가까운 장래에 석유를 대체할 액체연료 중 에탄올이 가장 적합하다는 미국이나 유럽의 목표에 따라 옥수수 줄기나 잎을 이용한 셀룰로식 에탄올 생산계획은 계속해서 추진될 것으로 보이며 상용화도 미국정부의 계획대로라면 수년 내에 이루어 질 것으로 보인다. 셀룰로식 에탄올의 상용화를 위해서는 여러 점들을 고려하여야 한다. 첫째로, 분자 및 유전자 수준까지의 식물에 대한 이해가 필요하다. 왜냐하면 이러한 지식의 바탕에서 바이오매스를 효과적으로 정제할 수 있는 방안들이 가능하기 때문이다. 이를 위해서는 셀룰로스보다 상대적으로 덜 알려진 식물체 내에서의 리그닌 합성경로 및 결합구조나 헤미셀룰로스의 합성 및 리그닌과의 결합관계 둥에 대한 연구가 더욱 필요하다. 둘째로는 셀룰로식 에탄올생산의 상용화를 위해서는 화석연료의 수요를 대체할 수 있는 작물의 개발과 수확작물을 처리하여 공장이나 공업단지까지 경제적으로 수송할 수 있는 방법이 개발되어야 한다. 현재 거론되고 있는 셀룰로식 에탄올공장의 생산규모를 연간 1억 내지 1억 8천만 리터 정도의 규모로 생각하고 연간 250-300일 작업 기준으로 생각한다면 적어도 하루 2000톤 정도의 biomass를 처리하여야 됨으로 이 정도의 바이오매스가 지속적이고, 경제적으로 공급되어야 한다. 미국의 경우, 옥수수작물이 셀룰로식 에탄올 생산을 위해 가장 적합한 원료물질로 거론되고 있다. 이는 현재 옥수수 열매 는 전분이나 에탄올 생산을 위해 공장으로 수송되지만 엄청난 양의 잎과 줄기는 밭에 남겨져 있기 때문이다. 이들 corn stover로 통칭되는 식물원료 물질이 바이오매스 중 연간 생산량이 가장 많은 1억 건조 톤 이상으로 현재로도 공급이 가능하고 잠재적으로는 10억 톤까지도 생산될 수 있다고 전망하기 때문이다. 따라서 미국의 경우 셀룰로식 에탄올의 생산은 corn stover의 이용이 불가피해 보인다. 더불어 톱밥이나 임업부산물의 경우는 현재 3800만 건조 톤 정도의 공급이 가능하며 미래 3억 7000만 건조 톤이 공급될 수 있을 것으로 예상하고 있다(25). 하지만 이러한 자원은 부피가 크고 무게가 가벼워 수송밀도가 낮아 고밀도 형태로 운송할 수 있는 방법이 모색되어야 한다. 또한 원료물질을 처리 시설까지 운반하는 운송비를 줄일 수 이는 다른 방법들도 모색되어야한다. 셋째로는 바이오매스의 구조를 당화과정과 발효과정에 적합하게 변환시킬 수 있는 경제성 있는 전처리 방법의 개발이 필수적이다. 이상적 전처리 방법은 리그닌을 효과적으로 분리해내 이를 이용한 공정에 필요한 에너지로 사용하거나 차후 부가가치가 높은 물질의 원료로 사용할 수 있게 하여야 한다. 또한 헤미셀룰로스와 셀룰로스의 손실을 최소화하여 차후 이들 식물탄수화물을 이용한 에탄올 생산을 극대화할 수 있는 방법이어야 하며 이와 함께 경제성을 담보하여야 한다. 이러한 전처리방법의 개발은 현재까지 개발된 여러 전처리 방법들의 장단점들을 파악하고 이를 극복할 수 있는 방법들을 모색하는 노력으로 가능할 수 있겠다. 마지막으로 5탄당과 6탄당을 동시에 발효할 수 있는 미생물 균주의 개발이나 효소비용을 획기적으로 줄일 수 있는 생산방법이 개발되어야 하겠다. 이는 셀룰로식 에탄올이 90% 이상의 높은 수율과 시간당 1.5-2.5 g/L의 생산성을 보이고 있는 전분이나 설탕으로부터 생산되는 에탄올과 경쟁력을 갖기 위한 필수적인 요소이기 때문이다.

• 유기물자원화
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• 제20권2호
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• pp.36-43
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• 2012

농업 바이오매스를 혐기소화 시스템에 투입 가능성 여부를 구명하기 위해, 생산량이 가장 많은 볏짚을 원료로 하여 전처리에 따른 볏짚의 가수분해과정에서 휘발성유기산(VFAs)의 변화 특성을 조사하였다. 전처리는 3 cm 절단과 분쇄, $35^{\circ}C$와 $55^{\circ}C$, 알카리 처리, 교반속도 등을 조사하였다. 총 휘발성유기산(TVFAs)의 농도는 가수분해 시간이 경과하면서 증가하였다. 볏짚의 크기에서는 분쇄한 시료가 3cm 절단 시료에 비해 분쇄한 시료에서 TVFAs의 농도가 높게 나타났으며, 알칼리를 처리한 시료는 처리전에 비해 3배 증가하는 것으로 나타났다. 교반속도별로는 온도에 따라 다르게 나타났는데 $35^{\circ}C$에서는 150 rpm이, $55^{\circ}C$에서는 80rpm과 200 rpm에서 TVFAs의 농도가 높게 관측되었다. 전체적으로는 TVFAs중에서 acetic acid가 대부분이었으며, TVFAs와 유사한 증감경향을 보였다. 섬유소의 변화는 셀룰로스와 헤미셀룰로스가 약간 감소하였으나, 리그닌은 변화가 없는 것으로 나타났다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2011년도 추계학술대회 초록집
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• pp.112.1-112.1
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• 2011

쌀을 주식으로 하는 우리나라의 여건상 연간 추정치로 싸라기 약 12만톤, 미강 약 49만톤, 왕겨 약 79만톤의 벼 도정 부산물이 발생하고 있다. 본 연구에서는 벼 도정 부산물 중 비식량 자원인 왕겨를 대상으로 고효율 효소 당화를 위한 바이오매스 전처리 방법을 탐색하였다. 왕겨 원시료의 초기 조성은 셀룰로스 34.5%, 헤미셀룰로스 20.5%, 리그닌 25.3%, 회분 14.6%로 나타났는데, 억새 등 초본계 바이오매스와 비교하여 특이하게 높은 성분은 회분으로 이는 벼에 대한 규산질 비료의 시용에서 기인한 것이다. 바이오매스 전처리에 많이 사용되는 암모니아, 희황산 용매와 규산염에 침식성을 가지는 가성소다 용매를 이용하여 각 용매별 단독 및 알칼리-산 복합 처리 하였을 때 효소 가수분해 효율, 고상시료 성분변화 등을 상호 비교하였다. 예비실험을 통하여 암모니아 처리조건은 15%(w/w) $150^{\circ}C$ 20분, 가성소다 처리조건은 1.5%(w/w) $150^{\circ}C$ 20분, 희황산 처리조건은 1.0%(w/w) $150^{\circ}C$ 10분으로 설정하였다. 암모니아 단독, 희황산 단독, 암모니아-희황산 복합 처리 시료의 효소 가수분해 효율은 각각 37.8%, 39.1%, 42.8%로 약 40%선에서 큰 차이가 없었다. 반면 가성소다 단독, 가성소다-희황산 복합 처리시료의 효소 가수분해 효율은 각각 62.7%, 82.8%로 나타나 앞선 3가지 처리방법 대비 50%, 100%에 가까운 효소 가수분해 효율 향상을 보였다. 이 때 전처리 고상시료의 성분 변화를 살펴보면 회분 함량에서 큰 차이를 보였는데 암모니아 단독, 가성소다 단독, 희황산 단독, 암모니아-희황산 복합, 가성소다-희황산 복합 처리에서 각각 47.8%, 77.1%, 43.5%, 55.8%, 94.7%의 회분 성분 기각률(rejection rate)을 나타냈다. 이는 왕겨 효소 가수분해 효율의 최대 저해요인이 회분임을 추정할 수 있다. 왕겨 전처리 알칼리 용매는 암모니아보다 가성소다가 더 효과적이었고 희황산 복합 처리시 그 효과가 크게 상승하였다. 따라서 규산염(회분) 함량이 높은 바이오매스는 고온 고압 조건에서 가성소다 용액으로 처리한 후 그 고상분을 희황산 용액으로 복합 처리하는 시스템이 효소 당화 증진에 매우 유리함을 확인하였다.