Five types of agricultural wastes were used for the production of xylanolytic enzyme by Aspergillus flavus K-03. All wastes materials supported high levels of xylanase and ${\beta}-xylosidase$ production. A high level of proteolytic activity was observed in barley and rice bran cultures, while only a weak proteolytic activity was detected in corn cob, barley and rice straw cultures. Maximum production of xylanase was achieved in basal liquid medium containing rice barn as carbon source for 5 days of culture at pH 6.5 and $25^{\circ}C$. The xylanolytic enzyme of A. flavus K-03 showed low thermostability. The times required for 50% reduction of the initial enzyme activity were 90 min at $40^{\circ}C$, 13 min at $50^{\circ}C$, and 3 min at $60^{\circ}C$. Xylanolytic activity showed the highest level at pH $5.5{\sim}10.5$ and more than 70% of the original activity was retained at pH 6.5 and 7.0. The higher stability of xylanolytic enzymes in the broad range of alkaline pH is useful for utilization of the enzymes in industrial process requiring in alkaline conditions. Moreover, the highest production of xylanolytic enzyme was obtained when 0.5% of rice bran was supplied in basal liquid medium. SDS-PAGE analysis revealed a single xylanase band of approximately 28.5 kDa from the culture filtrates.
Penicillium verruculosum을 xylan을 함유한 액체배지에서 26일간 배양하면서 xylan 분해활성도를 비롯한 몇 가지 변화를 관찰하였다. Xylan과 PNPX 분해활성도는 단백질량의 증가와 함께 배양 8일까지 급격히 증가하였으나 배양액 중의 환원당의 변화와는 비례하지 않았다. 배양 12일째의 배양상징 액을 탄소원으로서 cell-obiose octaacetate를 가한 배양상징액과 함께 전기영동하였을때 서로 다른 단백질 분포양상을 보였으며 본 배양상징액에 있어 섬유소 성분들에 대한 분해활성도는 거의 나타나지 않은 반면 xylan에 대해서는 매우 높은 활성도를 나타냈다. 배양 상징 액에 xylan을 가했을 때 반응 생성물로서 xylose와 xylobiose를 비롯하여 소당류들이 생성됨으로서 endo-type의 분해활성도로 추정 되었으며 이 때 xylobiose가 가장 많은 비율을 차지했다. Xylan과 PNPX분해 활성도에 대한 배양 상징액의 최적온도는 각각 50~6$0^{\circ}C$와 60~7$0^{\circ}C$였으며 최적pH는 각각 3.0-4.0과 4.0-5.0이었다.
Xylophagous termites are capable of degrading lignocellulose by symbiotic gut microorganisms along with the host's indigenous enzymes. Therefore, the termite gut might be a potential niche to obtain natural yeasts with celluloytic, xylanolytic and ethanologenic traits required for bioethanol production from lignocellulosic biomass. In this study, we cultured 79 yeasts from three different termites viz. Coptotermes heimi, Odontotermes javanicus and Odontotermes obesus. After suitable screening methods, we identified 53 yeasts, which belonged to 10 genera and 16 different species of both ascomycetous and basidiomycetous yeasts. Most yeasts in the present study represent their first-ever isolation from the termite gut. Representative strains of identified yeasts were evaluated for their cellulolytic, xylanolytic, and ethanologenic abilities. None of the isolates showed cellulase activity; 22 showed xylanolytic activity, while six produced substantial quantities of ethanol. Among xylanolytic cultures, Pseudozyma hubeiensis STAG 1.7 and Hannaella pagnoccae STAG 1.14 produced 1.31 and 1.17 IU of xylanase. Among ethanologenic yeasts, the strains belonging to genera Candida and Kodamaea produced high amount of ethanol. Overall, highest ethanol level of 4.42 g/L was produced by Candida tropicalis TS32 using 1% glucose, which increased up to 22.92 g/L at 35 ℃, pH 4.5 with 5% glucose. Fermentation of rice straw hydrolysate gave 8.95 g/l of ethanol with a yield of 0.42 g/g using the strain TS32. Our study highlights the gut of wood-feeding termites as a potential source of diverse yeasts that would be useful in the production of xylanase and bioethanol.
An alkaliphilic bacterium, Bacillus sp. strain BK, was found to produce extracellular cellulase-free xylanolytic enzymes with xylan-binding activity. Since the pellet-bound xylanase is eluted with 2% TEA from the pellet of the culture, they contain a xylan-binding region that is stronger than the xylan-binding xylanase of the extracellular enzyme. The xylanases had a different molecular weight and xylan-binding ability. The enzyme activity of xylanase in the extracellular fraction was 6 times higher than in the pellet-bound enzyme. Among the enzymes, xylanase had the highest enzyme activity. When Bacillus sp. strain BK was grown in pH 10.5 alkaline medium containing xylan as the sole carbon source, the bacterium produced xylanase, arabinofuranosidase, acetyl esterase, and $\beta$-xylosidase with specific activities of 1.23, 0.11, 0.06, and 0.04 unit per mg of protein, respectively. However, there was no cellulase activity detected in the crude enzyme preparation. The hydrolysis of agricultural residues and kraft pulps by the xylanolytic enzymes was examined at 50$^{\circ}C$ and pH 7.0. The rate of xylan hydrolysis in com hull was higher than those of sugarcane bagasse, rice straw, com cop, rice husk, and rice bran. In contrast, the rate of xylan hydrolysis in sugarcane pulp was 2.01 and 3.52 times higher than those of eucalyptus and pine pulp, respectively. In conclusion, this enzyme can be used to hydrolyze xylan in agricultural residues and kraft pulps to breach and regenerate paper from recycled environmental resources.
대표적인 중호열성 방사선저항성 미생물인 Deinococcus geothermalis에는 다른 Deinococcus 속과 비교해 당대사 작용에 관여하는 유전자가 풍부하게 존재하는 특징이 있다. 본 연구에서는 D. geothermalis를 이용하여 xylan의 최적 분해조건을 확인하였고, beechwood xylan, birchwood xylan 및 oat spelt xylan의 최종 분해산물을 HPLC를 이용하여 분석하였다. 기질의 종류에 따른 당화율을 비교한 결과 beechwood xylan, birchwood xylan 그리고 oat spelt xylan 순서로 당화율이 높게 나타났다. D. geothermalis를 이용한 xylan의 최적 분해조건인 $40^{\circ}C$, pH 8.0 그리고 마그네슘 이온을 첨가하였을 때 당화율이 7.5배 증가하였다. Beechwood xylan과 birchwood xylan의 최종 분해산물은 xylose, xylobios, xylotriose, xylotetraose, xylopentaose, 그리고 xylohexalose였으며, xylose의 함량이 가장 높았다. 또한 oat seplt xylan의 최종 분해산물은 xylose, xylopentaose 그리고 xylohexalose가 생성되었다. Xylan의 효율적인 당화를 위하여 전처리 방법으로서 방사선조사를 하였고, 방사선조사 후 D. geothermalis에 의한 beechwood xylan, birchwood xylan 그리고 oat spelt xylan의 당화율이 증가하였다. 본 연구를 통하여 D. geothermalis 및 방사선을 이용한 전처리 방법이 xylooligosaccharides를 생산하는데 유용함을 확인하였다.
A bacterial strain, 13-$25^T$ with xylanolytic activity isolated from a single soil sample, was characterized with respect to its phenetic and phylogenetic characteristics. The cells of the isolate are Gram-staining variable rods, but spore formation was not observed. This strain is catalase- and oxidase-positive, and able to degrade starch and xylan. The predominant fatty acids are anteiso-$C_{15:0}$, $C_{16:0}$, and iso-$C_{16:0}$. The major respiratory quinone is menaquinone 7(MK-7), with a polar lipid profile consistent with the genus Cohnella. The DNA G+C content is 54.3 mol%. The 168 rRNA gene sequence analysis indicates that this organism belongs to the genus Cohnella, with Cohnella panacarvi as the closest phylogenetic neighbor. Low levels of 168 rRNA gene sequence similarity (<97.0%) with respect to other taxa with published names and the identification of distinctive phenetic features in the isolate indicate that the strain 13-$25^T$ represents a novel species of the genus Cohnella, for which the name Cohnella damensis sp. novo is proposed. The type strain is 13-$25^T$ (=CCTCC AB $208103^T$=KCTC $13422^T$).
Bacillus stearothermophilus No. 236, an effective xylanolytic bacterium, produced an extracellular carboxymethyl cellulase when the strain was grown on xylan. The carboxymethyl cellulase was purified to homogeneity as judged by SDS-PAGE and zymogram, The carboxymethyl cellulase had a pI of 4.0, and a molecular mass of 95 kDa. The highest level of enzyme activity was observed at pH 6.5 and $60^{\circ}C$. The $K_m$, and $V_{max}$ values of the enzyme to carboxymethyl cellulose were 20.8 mg/ml and $0.63 {\mu}mole$/min/mg protein, respectively, The enzyme was found to act also on filter paper and xylan as well as carboxymethyl cellulose. Therefore, it is expected that this xylanolytic strain isolated from soil could be efficiently used for xylan biodegradation.
The endo-1,4-${\beta}$-xylanase was extracted and purified from the extracellular xylanolytic systems of Trichoderma viride. The crude enzyme was chromatographed with ion-exchange reins of DEAE Sepharose CL-6B, Sepharose, S-Sepharose CL-6B and the resulting xylanase was turned out to be a single protein as 20KD hy SDS-polyacrylamide gel electrophoresis. The xylooligomers were obtained from xylan by incubation with the purified xylanase up to 50%. The ${\beta}$-xylosidase lost its activity completely by incubation of crude enzyme for 24hr with buffer solution of pH 2.8 at $27^{\circ}C$. And also, the xylooligomers were obtained from xylan as a main product by incubation with the crude enzyme treated with acidic buffer.
Xylanase have been used to convert the polymetric xylan into fermentable sugars from the production of ethanol and xylitol from plant biomass. The aim of this study was to isolate and identify xylanolytic bacterium from herbivore feces and was to used the xylanase for enzymatic hydrolysis of biomass. Xylanolytic strains were isolated from 59 different feces of herbivores from Seoul Grand Park located in Gwacheon Gyeonggi-do. The xylanolytic strains were selected by congo red staining and DNS method. Total 67 strains isolated from the herbivores feces were tested for xylanase activity. Among the strains, H10-1, which has the highest xylanase activity, was isolated from feces of Ceratotherium simum. The H10-1 strain was identified as Bacillus pumilus based on its morphological/biochemical characteristics and partial 16S rDNA gene sequences. Culture conditions of B. pumilus H10-1 such as initial medium pH, incubation temperature and incubation time were optimized for maximum xylanase production. And also xylanase produced by B. pumilus H10-1 was applied for the saccharification of Miscanthus sacchariflorus cv. 'Geodae 1', which was pretreated with 1.5M NaOH. The optimized culture conditions of B. pumilus H10-1 were pH 9, $30^{\circ}C$ incubation temperature, and 7 day incubation time, respectively. This xylanase activity under the optimized conditions was $20.4{\pm}3.3IU$. The crude xylanase produced by B. pumilus H10-1 was used for the saccharification of xylan derived from pretreated 'Geodae 1'. The saccharification conditions were $50^{\circ}C$, 200 rpm, and 5 days. Saccharification efficiency of pretreated 'Geodae 1' by B. pumilus H10-1 was 8.2%.
We have screened 766 strains of fungi from the BIOTEC Culture Collection (BCC) for xylanases working in extreme pH and/or high temperature conditions, the so-called extreme xylanases. From a total number of 32 strains producing extreme xylanases, the strain BCC7928, identified by using the internal transcribed spacer (ITS) sequence of rRNA to be a Marasmius sp., was chosen for further characterization because of its high xylanolytic activity at temperature as high as $90^{\circ}C$. The crude enzyme possessed high thermostability and pH stability. Purification of this xylanase was carried out using an anion exchanger followed by hydrophobic interaction chromatography, yielding the enzyme with >90% homogeneity. The molecular mass of the enzyme was approximately 40 kDa. The purified enzyme retained broad working pH range of 4-8 and optimal temperature of $90^{\circ}C$. When using xylan from birchwood as substrate, it exhibits $K_m$ and $V_{max}$ values of $2.6{\pm}0.6\;mg/ml$ and $428{\pm}26\;U/mg$, respectively. The enzyme rapidly hydrolysed xylans from birchwood, beechwood, and exhibited lower activity on xylan from wheatbran, or celluloses from carboxymethylcellulose and Avicel. The purified enzyme was highly stable at temperature ranges from 50 to $70^{\circ}C$. It retained 84% of its maximal activity after incubation in standard buffer containing 1% xylan substrate at $70^{\circ}C$ for 3 h. This thermostable xylanase should therefore be useful for several industrial applications, such as agricultural, food and biofuel.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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