KR100314905B1 - 백색 부후균 배양시 알콜류를 첨가하여 락케이즈를 고수율로 생산하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 미생물을 이용하여 리그닌 분해효소의 일종인 락케이즈 (laccase)를 고수율로 생산하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 백색 부후균 (white rot fungi)을 배양할 때 배양액에 에탄올, 메탄올, 또는 이소프로필 알콜 등의 알콜류 중 어느 하나 혹은 하나 이상을 유도물질로 첨가함으로써 락케이즈의 생산을 증대시키는 방법으로서, 본 발명의 방법은 값싸고 인체에 무해한 알콜을 사용하므로 경제적이고 환경보호의 측면에서도 바람직하다.

Description

백색 부후균 배양시 알콜류를 첨가하여 락케이즈를 고수율로 생산하는 방법
본 발명은 미생물을 이용하여 리그닌 분해효소의 일종인 락케이즈를 생산하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 백색 부후균을 이용하여 락케이즈를 생산하는 경우 배양액에 유도물질로서 알콜류를 첨가하여 락케이즈를 고수율로 생산하는 방법에 관한 것이다.
락케이즈(laccase)는 자연계에 널리 분포하고 있는 산화환원 효소로서 리그닌(lignin)을 분해할 수 있는 곰팡이에서 많이 발견된다. 현재까지 알려져 있는 이 효소의 반응기작은 방향족 기질의 전자 하나를 산화시킴으로써 다른 물질로 전환하는 것이다. 리그닌은 목재의 셀룰로오스에 20% ~30% 가량 존재하는 고분자의 방향족 중합화합물로 세포막과 세포막 사이의 중간층에 존재하며 일부는 세포막에도 존재한다. 구조는 다양하나 일반적으로 방향고리에 하이드록실기(hydroxyl group), 메톡실기(methoxyl group) 등의 치환기를 갖는 프로필벤젠 유도체(propylbenzene derivatives)이다. 락케이즈는 방향족 기질을 산화하여 다른 물질로 변환시키는 작용을 하므로 리그닌을 분해할 수 있는 특성이 있으며, 이러한 락케이즈의 성질은목재에서 리그닌 성분을 효율적으로 제거함으로써 펄프의 질을 향상시키는데 사용될 수 있다.
오늘날 가장 많이 사용되고 있는 리그닌 제거방법으로는 크래프트법(kraft process)이 있다. 이 방법은 목재에 함유되어 있는 리그닌의 약 90%를 증혜(cooking) 및 가성소오다(NaOH)를 이용하여 추출하고, 잔류하는 약 10% 내외의 리그닌은 염소(chlorine) 또는 이산화염소(chlorine dioxide)를 이용하여 제거해 왔다.그러나 리그닌 제거시 사용하는 염소성 물질은 리그닌과 작용하여 염소성 유기물질을 발생시키는데, 이는 자연생태계에서 분해가 느릴뿐 아니라 생물체의 면역 및 신경계통에 문제를 일으키는 것으로 보고되었다. 이에 따라 세계 각국에서 리그닌 분해공정으로부터 발생하는 오염배출물질에 대한 규제의 법제화가 추진되고 있으며, 펄프산업계에서도 이러한 문제점을 해결하기 위해 많은 노력을 기울여 왔다.이처럼 기존의 리그닌의 화학적 분해법은 많은 양의 화합물을 사용하며, 에너지 소비가 많고 유독한 클로로리그놀 (chlorolignol)을 포함한 폐액을 방출하고 있어 경제적 측면이나 환경적 측면에서 많은 문제점을 내포하고 있다 (Boominathan과 Reddy, Fungal degradation of lignin, 763-822쪽, In: Handbook of Applied Mycology, Arora등 저, 1992).
반면, 리그닌 분해 효소를 사용할 경우에는 소량의 화합물과 적은 에너지를 사용하여 고효율로 리그닌을 처리할 수 있고 환경오염물의 방출도 줄일 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 락케이즈를 비롯한 리그닌 분해효소는 다양한 종류의 자연계에 존재하는 인체에 유해하거나 환경에 저해를 끼치는 방향족 화합물을 분해할수도 있어 환경보전의 측면에서 매우 중요한 관심을 끌고 있다 (Field 등, Trends in Biotechnology, 11권, 44-49쪽, 1993). 그 이외에도 락케이즈는 염료의 분해 또는 직물의 탈색 등에도 폭넓게 사용된다 (Schliephake와 Lonergan, Biotechnol. Lett., 18권, 881-886쪽, 1996; WO 9610079). 이와 같이 리그닌 분해효소가 갖는 많은 산업부문에서의 활용가능성 때문에 값싸게 대량생산할 수 있는 제조 방법이 개발되면 그 수요가 급증할 것으로 전망된다.
현재 락케이즈는 미생물로부터 얻고 있는데, 미생물을 이용하여 락케이즈를 생산하기 위해서는 여러 가지 조업조건을 최적화하는 과정이 필요하며 일반적으로 pH, 온도, 통기량, 교반속도, 접종량 등을 최적화 함으로써 락케이즈 생산을 극대화할 수 있다. 그 외에도 탄소원에 대한 질소원의 비율, 적절한 영양소의 공급 등도 고려하여야 한다.
락케이즈의 고수율 생산을 위해 가장 많이 사용되는 방법중 대표적인 것으로 배양액에 유도물질(inducers)을 첨가하는 방법이 있다. 일반적으로 많이 사용되고 있는 유도물질로는 베라트릴 알콜 (veratryl alcohol) (Mansur 등, Appl. Environ. Microbiol., 63권, 2637-46쪽, 1997; Barbosa 등, Lett. Appl. Microbiol., 23권, 93-96쪽, 1996), 자일리딘 (2,5-xylidine) (JP2135089: Eggert 등, Appl. Environ. Microbiol., 62권, 1151-1158쪽, 1996), 펙틴 (pectin) (Marbach 등, Phytochemistry, 24권, 2559-2561쪽, 1985), 구아이아콜 (guaiacol) (Prikl. Biokhim. Microbiol., 32권, 545-548쪽, 1996), 페룰릭산 (ferulic acid) (Rescigno 등, Ital. J. Biochem., 42권, 227-228쪽, 1993), 갈릭산 (gallic acid)(Viterbo 등, Phytochemistry, 34권, 47-49쪽, 1993; Fortina 등, J. Ind. Microbiol., 17권, 69-72쪽, 1996) 등이 보고되었다. 이러한 유도물질을 첨가하여 배양하였을 때에는 첨가하지 않았을 때와 비교하여 많게는 50배 이상 효소 생산이 증가하였으나, 베라트릴 알콜과 구아이아콜을 포함한 종전의 유도물질들은 대부분 방향족 화합물로서 인체에 유독하거나 또는 가격이 비싼 단점이 있다.
이에 본 발명자들은 상기한 문제점을 해결하고자, 상기 유도물질과는 전혀 다른 그룹의 유도물질을 사용하여 백색 부후균의 락케이즈 생산성을 높임으로써 기존의 유도물질이 갖고 있는 독성, 비경제성, 환경오염성 등의 단점을 해결하는 방법을 연구하던 중, 적절한 양의 지방족알콜류를 발효 생산배지에 첨가하여 백색 부후균을 배양하면 이상과 같은 문제점을 해결하면서 락케이즈 생산이 크게 증가됨을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 미생물을 배양하여 리그닌 분해효소인 락케이즈를 생산하는 방법에 있어서, 값이 비싸거나 인체에 유해한 기존의 방향족 유도물질의 단점을 극복하면서 락케이즈 생산을 크게 증대시키는 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
이상과 같은 목적을 위하여, 본 발명은 미생물을 이용하여 락케이즈를 생산함에 있어 알콜류를 첨가하여 락케이즈 생산을 극대화 시키는 락케이즈 생산방법을 제공한다. 더욱 상세하게는 백색 부후균을 이용하여 락케이즈를 생산하는 경우 배양액에 알콜류를 첨가함으로써 락케이즈를 고수율로 생산하는 방법을 제공한다.
본 발명에서 사용되는 알콜은 지방족 알콜이 바람직하고, 특히 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol) 또는 이소프로필 알콜(isopropyl alcohol)이 바람직하다.
또한 본 발명에서 사용되는 미생물은 백색부후균이 바람직하고, 특히 트라메테스 속(Trametessp.), 크리오러스 속(Criolussp.), 그리폴라(Grifolasp.)의 백색부후균이 바람직하다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에서 사용되는 미생물은 백색부후균이 바람직하며, 특히 트라메테스 버시칼라 (Trametes versicolor) (Archibald 와 Roy, Appl. Environ. Microbiol., 58권, 1496-1499쪽, 1992), 코리오러스 허수터스 (Coriolus hirsutus) (신광수와 김창진, Biotechnol. Lett. 12권, 101-104쪽, 1998),판네로채트 플라비도알바 (Phanerochaete flavido-alba) (Perez 등, Appl. Environ. Microbiol., 62권, 4263-4267쪽, 1996), 그리폴라 프론도사 (Grifola frondosa) (Orth등, Appl. Environ. Microbiol., 59권, 4017-4023쪽, 1993),플레비아 라디아타 (Phlebia radiata) (Niku-Paavola 등, J. Biotechnol., 13권, 211-221쪽, 1990), 피크노포러스 시나바리너스 (Pycnoporus cinnabarinus) (Eggert 등, Appl. Environ. Microbiol., 62권, 1151-1158쪽, 1996), 그리고 보트리티스 시네리아 (Botrytis cinerea) (Fortina 등, J. Ind. Microbiol., 17권, 69-72쪽, 1996) 등이 이용될 수 있다. 상기한 백색부후균을 배지에 접종하고 알콜을 첨가한 다음, 초기 pH를 5.5 ~ 6.5로 맞추고 적절한 통기량과 교반속도로 일주일간 배양하면 다량의 락케이즈 효소를 얻을 수 있다.
일정한 범위내에서는 알콜을 첨가한 경우 알콜을 첨가하지 않았을 때보다 락케이즈 생산이 효과적으로 증가하며, 그 증가량은 알콜농도에 비례한다. 구체적으로 살펴보면, 알콜농도 0.5 ~ 4.0%에 이르기까지는 락케이즈 활성이 알콜농도에 비례하여 증가하나, 5.0%알콜농도인 경우 급격히 락케이즈 활성이 감소한다. 따라서 본 발명에서 알콜 첨가시 세포의 성장이 저해되지 않을 정도의 농도로 첨가하는 것이 중요하며, 그 농도는 0.5 ~ 4.0 %가 적당하다.
본 발명에서 사용되는 알콜은 지방족 알콜이 바람직하고, 특히 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 이소프로필알콜(isopropylalcohol)이 바람직하다. 알콜을 첨가한 경우, 첨가하지 않은 경우에 비해 최소 4배에서 최대 15.6배에 이르기까지 락케이즈 생산이 증가한다. 구체적으로는 알콜을 종류별로 각각 배지의 2% 농도로 첨가하였을 때 이소프로필알콜 첨가의 경우 기준치의 4배, 메탄올의 경우 9.5배, 에탄올의 경우 15.6배의 락케이즈 활성을 나타낸다.
이하 실시예에 의하여 본 발명을 상세히 설명한다.
다만, 하기 실시예들은 본 발명을 예시하는 것으로, 본 발명의 내용이 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 1 > 알콜 농도에 따른 락케이즈의 생산증대효과
백색 부후균의 일종인 트라메테스 버시칼라 ATCC 20869 균주를 감자-덱스트로스 아가(potato-dextrose agar, Difco Lab) 고체배지에 접종하여 30℃에서 일주일동안 배양하였다. 트라메테스 버시칼라 균주는 포자(spore)를 잘 생성하지 못하므로 고체배지(직경 8.5cm)에서 일주일동안 자란 균체를 모두 걷어내어 40㎖ 증류수에 넣고 분쇄기(homogenizer)로 1분간 고르게 분쇄하였다. 이와 같이 분쇄한 액체 5㎖를 표 1에 표시된 바와 같은 발효배지 50㎖를 함유한 250㎖ 플라스크에 접종하고, 현탁배양기의 온도는 27℃, 교반속도는 150rpm으로 정하여 배양하였다. 이때 배양액에는 에탄올을 각각 0%, 0.5%, 1.0%, 2.0%, 3.0%, 4.0%, 5.0% 씩 첨가하였다.
위와 같은 조건하에 일주일간 배양한 후 시료를 취하고, 원심분리기를 사용하여 10,000 rpm에서 5분간 원심분리하여 그 상등액으로부터 락케이즈 효소활성을 측정하였다. 효소활성 분석을 위한 효소반응액의 조성은 최종 1㎖ 에 100mM 나트륨아세테이트, 0.5 mM 아지노비스 에틸벤조 티아졸린 설포닉산 (2,2'-azinobis-3-ethylbenzo- thiazoline-6-sulfonic acid; ABTS), 그리고 효소용액으로 이루어졌으며, 분광흡도계를 이용하여 420 nm에서의 시간에 따른 발색 정도로 효소활성을 측정하였다. 효소활성 1.0 unit은 ABTS 1 마이크로몰(micromole)이 1분 동안 산화되는 양을 말하는데, 이때 ABTS의 단위 몰(mole)당 흡광도는 420 nm에서 36,000 M-1cm-1이다.
락케이즈 생산에 대한 에탄올 농도의 영향은 표 2의 결과에서 알 수 있듯이, 에탄올 농도가 0.5%에서 4.0%인 범위에서는 에탄올 농도에 비례하여 락케이즈 생산도 증가하였다. 구체적으로 살펴보면, 에탄올을 첨가하지 않은 경우에 비해 에탄올을 0.5%, 1.0%, 2.0%, 3.0%, 4.0%,농도로 첨가한 경우 각각 락케이즈 활성이 약 3배, 5배, 15배, 21배, 32배씩 증가하여 최대 30배이상의 효과가 있음을 알 수 있었다. 한편, 4.0%이상의 농도에서는 세포의 생육자체가 저하되어 그에 따른 효소의생성도 급격히 감소하였다.
< 실시예 2 > 알콜종류에 따른 락케이즈 생산증대효과
실시예 1에서 백색부후균의 일종인 트라메테스 버시칼라 균주 배양시 에탄올을 첨가함으로써 락케이즈 생산량이 크게 증가함을 보았다. 이번에는 에탄올 이외의 다른 알콜도 같은 효과를 보이는지 알아보기 위하여 표 1 의 발효배양액에 각각 메탄올, 에탄올, 이소프로필알콜, 프로필알콜, 이소부틸알콜, 그리고 부틸알콜을 2%농도로 첨가하여 일주일간 트라메테스 버시칼라 균주를 실시예 1과 동일한 조건으로 배양하였다.
결과를 표 3 에 나타냈는데, 메탄올, 에탄올, 이소프로필알콜을 첨가한 경우에는 첨가하지 않은 경우보다 약 4배에서 15.6배에 이르기까지 월등히 락케이즈 생산이 증가하였다. 구체적으로 살펴보면, 이소프로필알콜을 첨가한 경우에는 4배, 메탄올을 첨가한 경우에는 9.5배, 에탄올을 첨가한 경우에는 15.6배의 증가량을 보였다.
< 실시예 3 > 백색부후균의 종류에 따른 락케이즈 생산증대 효과
실시예 1과 실시예 2에서 사용한 균주가 아닌 락케이즈 생성균주로 알려진 다른 백색부후균의 일종인 코리오러스 허수터스 균주(Coriolus hirsutus PO4) (Biotechnology Techniques, 12권, 101-104쪽, 1998)와 그리폴라 프론도사 (Grifola frondosa) (Orth등, Appl. Environ. Microbiol., 59권, 4017-4023쪽, 1993) 균주를 사용하여,에탄올 첨가하거나(2%) 또는 첨가하지 않은 표 1의 배양액에서 실시예 1과 동일한 방법으로 배양하고 락케이즈 생성 정도를 관찰하였다.
그 결과 코리오러스 허수터스 균주의 경우에는 에탄올을 첨가했을 때의 락케이즈 생산이 첨가하지 않은 경우에 비하여 4배 이상 증가하였다. 또한, 그리폴라 프론도사 균주를 사용한 경우, 에탄올을 첨가하지 않았을 때에는 락케이즈 생성을 거의 감지할 수 없었던 반면, 에탄올을 2% 첨가한 배양액에서는 락케이즈 활성이단위 배양액 리터당 58.8 unit로 높게 나타났다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 백색부후균을 이용하여 리그닌 분해효소인 락케이즈를 생산하는 경우에 있어서 배양액에 알콜류를 첨가함으로써 락케이즈 생산을 극대화할 수 있으며, 아울러 저농도의 알콜을 사용함으로써 백색부후균의 세포성장을 저해시키지 않고 락케이즈의 활성도 안정하게 하여 락케이즈 대량생산에 우수한 효과를 발휘한다. 또한, 본 발명에서 제공하는 유도물질로서의 알콜은 기존의 다른 방향족 유도체와는 달리 값이 저렴하고 인체에 무해할뿐만 아니라 환경오염을 감소시키는 측면에서 보다 우수하다.

Claims (4)

  1. 트라메테스 속 (Trametessp.), 크리오러스 속 (Criolussp.), 그리폴라 속 (Grifolasp.) 중에서 선택되어지는 락케이즈 생산균주인 백색부후균 배양시 배양액에 지방족 알콜을 첨가하여 락케이즈 생산을 극대화하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 지방족 알콜은 메탄올, 에탄올, 이소프로필알콜을 포함하는 알콜류 중에서 하나이상을 선택하여 첨가하는 것을 특징으로 하는 락케이즈 생산방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 첨가하는 알콜농도가 0.5 ~ 4.0%임을 특징으로 하는 락케이즈 생산방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 초기 pH가 5 ~ 7인 것을 특징으로 하는 락케이즈 생산방법.
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