KR101300076B1 - Process for grafting functional polymers onto cellulose-based filter materials - Google Patents
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Abstract
본 발병은 버섯에서 유래한 단백질 촉매 락카아제와 식물에서 추출할 수 있는 천연 저분자 페놀물질의 고분자화 반응을 이용하여 셀룰로오스 계열의 필터 물질과 접합할 수 있는 새로운 기술에 관한 것이다. 안전성이 담보된 락카아제와 천연 저분자 페놀물질을 이용하여 셀룰로오스 계열의 필터에 다양한 생화학적 기능성을 보유한 페놀로 구성된 고분자 물질을 a) 물 또는 완충액에 락카아제와 천연 저분자 페놀 물질을 필터와 함께 배양시키는 단계: b) 필터를 배양액에서 걸러내고 40도 이상 오븐 또는 수분 흡수제를 통해 필터에서 수분을 제거하는 단계:들을 포함하는 방법을 통해 접합시킬 수 있다.
셀룰로오스 계열의 필터는 담배, 공기 청정기, 또는 에어컨 등에 많이 활용되고 있기 때문에 공기 정화에 효과적인 물질을 접합할 경우, 필터의 공기 정화 기능성을 극대화할 수 있다. 본 발명을 통해 셀룰로오스 기반의 필터의 라디칼 제거 능력 또는 유·무기 오염물질 흡착능을 친환경적이고 원리적으로 매우 안전한 방법으로 극대화 할 수 있다.The present invention relates to a novel technique that can be conjugated with cellulose-based filter materials by polymerizing the protein-catalyzed laccases derived from mushrooms and natural low molecular phenolic substances that can be extracted from plants. A high-molecular substance consisting of phenol having a variety of biochemical functionalities in a cellulose-based filter using laccases and natural low-molecular phenols, which are secured a), a) incubating laccase and natural low-molecular phenolic substances in water or buffer together with the filter Step: b) filtering the filter out of the culture medium and removing water from the filter through an oven or a water absorbent at least 40 degrees can be bonded through a method comprising a.
Cellulose-based filters are widely used in cigarettes, air purifiers, or air conditioners, so that when air-conjugated materials are bonded, the air purification functionality of the filter can be maximized. Through the present invention, it is possible to maximize the radical removal ability of the cellulose-based filter or adsorption capacity of organic and inorganic contaminants in an environmentally friendly and in principle very safe manner.
Description
본 발명은 단백질 촉매인 락카아제를 산화제로 사용하여 리그닌과 탄닌과 같은 천연 섬유질 물질의 전구 페놀 물질을 고분자화 시키는 반응을 바탕으로 in-situ로 셀룰로오스 계열의 필터 물질에 접합시키는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method of conjugating a cellulose-based filter material in-situ based on a reaction of polymerizing a precursor phenol material of natural fibrous materials such as lignin and tannin using a protein catalyst laccase as an oxidant.
셀룰로오스 기반으로 만들어지는 필터 물질의 경우 다양한 제품에 응용되고 있다. 특히 공기에 함유된 유·무기 오염물질을 제거하는 필터 물질로 응용성이 높아 담배, 공기 청정기 또는 에어컨 등에 실제로 상업화되어 적용되어 왔다. 따라서, 값싸고 간편한 방법을 도입하여 이러한 셀룰로오스 기반으로 제조된 필터의 공기 정화 능력을 향상시킬 경우 응용성이 매우 클 것으로 판단된다.
Cellulose-based filter materials are used in a variety of products. In particular, as a filter material for removing organic and inorganic contaminants contained in the air has high applicability, it has been commercially applied to cigarettes, air purifiers or air conditioners. Therefore, it is considered that the applicability is very large when the cheap and simple method is introduced to improve the air purification ability of the cellulose-based filter.
락카아제는 주로 백색 부후균이 분비하는 산화 효소로 주로 다양한 종류의 단가페놀 혹은 다가페놀 물질과 반응하여 라디칼 반응을 유도하는 특성을 가지고 있다. 생성된 라디칼은 다른 페놀물질을 공격하여 이합체(Dimer)를 형성하게 된다. 이러한 라디칼 반응이 지속될 경우, 분자량이 큰 페놀릭(Phenolic) 고분자 생성을 유도하게 된다. 특히 반응에 사용되는 물질이 천연 유래 페놀일 경우 안전성이 담보된 친환경 페놀릭 고분자를 합성할 수 있게 된다. 락카아제와 천연 페놀 물질의 라디칼 반응을 기반으로 생성된 고분자는 구조적인 특성으로 인해 다기능적인 물리화학적 특성을 나타내게 된다. 그 예로 Jeon, J.R. et al. (2010) Microb Biotechnol 3:324-335에서 이미 증명되었듯이 연속적으로 연결된 벤젠고리를 통해 형성되는 복합이중결합 구조로 인해 가시광 영역의 빛을 흡광하는 특성을 보이게 된다. 또한 Uyama and Kobayashi, (2006) 194:51-67에서 이미 증명되었듯이, 연속적인 하이드록시페닐(Hydroxylphenyl) 구조로 인해 반응성이 높은 산소 기반의 라디칼 물질(Reactive oxygen species)을 제거하는 특성을 보이게 된다. 또한 Jeon, J.R. et al. (2009) Chemosphere 77:1090-1098에서 이미 증명되었듯이, 연속적인 히드록실페닐(Hydroxylphenyl) 구조에 인해 음이온 형성 또는 수소 결합 능력이 증가되고 이러한 인력 형성 요소 증가는 양이온성 또는 수소 결합 능력을 보유한 유기오염물질 흡착에 유도할 수 있다. 또한 이러한 연속적인 히드록실페닐(Hydroxylphenyl) 구조는 다양한 금속이온과의 배위 결합을 통한 착물 형성을 원리적으로 가능하게 하고 이러한 결합은 인체에 해로운 중금속들을 흡착을 통해 제거하는데 유용하게 활용될 수 있다.
Lacquerase is an oxidase secreted mainly by white fungi and has a characteristic of inducing radical reaction by reacting with various kinds of monohydric phenol or polyhydric phenolic substance. The generated radicals attack other phenolic substances to form dimers. If this radical reaction is continued, it leads to the production of phenolic (Phenolic) polymer having a high molecular weight. In particular, when the material used for the reaction is a phenol derived from nature, it is possible to synthesize an environmentally friendly phenolic polymer with safety. Polymers produced on the basis of radical reactions between laccases and natural phenolic materials exhibit multifunctional physicochemical properties due to their structural properties. For example, Jeon, JR et al. (2010) Microb Biotechnol 3: 324-335 As already demonstrated, the complex double bond structure formed through consecutively connected benzene rings absorbs light in the visible region. Also, as already demonstrated in Uyama and Kobayashi, (2006) 194: 51-67, the continuous hydroxyphenyl structure results in the removal of highly reactive oxygen-based radicals. . See also Jeon, JR et al. (2009) As already demonstrated in Chemosphere 77: 1090-1098, the successive hydroxylylphenyl structure increases the ability to form anions or hydrogen bonds, and this increase in attraction factors results in organic with cationic or hydrogen bonding capabilities. May induce pollutant adsorption. In addition, such a continuous hydroxylphenyl structure (Hydroxylphenyl) structure allows the formation of complexes through coordination bonds with various metal ions in principle, this bond can be usefully used to remove the heavy metals harmful to the human body by adsorption.
즉, 락카아제 기반 천연 페놀 물질들의 라디칼 산화 반응을 통해 형성되는 고분자성 물질들을 셀룰로오스 기반 필터에 효과적으로 접합시킬 경우, 상기 언급한 공기 정화에 필요한 라디칼, 중금속, 그리고 유기오염물질 제거 기능을 추가적으로 필터 매트릭스에 부여할 수 있다. 셀룰로오스 기반 필터 매트릭스에 하기와 같은 상황에 의하여 in-situ로 락카아제 기반 천연 페놀 물질들의 산화 반응을 통해 형성되는 고분자성 물질을 접합시킬 수 있다.
In other words, when the polymeric materials formed through the radical oxidation reaction of laccase-based natural phenolic substances are effectively bonded to the cellulose-based filter, the above-described filter matrix removes radicals, heavy metals, and organic pollutants required for air purification. Can be given to The cellulose-based filter matrix may be bonded to a polymeric material formed through oxidation of laccase-based natural phenolic substances in-situ by the following circumstances.
락카아제와 천연 페놀 계열의 유기물질을 in-situ로 필터 매트릭스와 배양할 경우, 두 반응 물질이 작은 사이즈로 인해 필터 매트릭스 내부로 침투할 수 있고 내부에서 고분자화 반응이 유도될 수 있다. 이렇게 필터 매트릭스 내부에서 분자량의 크기가 커지는 고분자화 반응이 일어날 경우, 생성된 고분자 물질과 매트릭스 내부 사이의 강한 반데르 발스 결합을 유도할 수 있을 것이라 판단이 되며, 이를 통해 고분자 물질의 물리적인 접합이 원리적으로 가능하다. 또한 락카아제 효소 반응이 산화 조건에서 일어나기 때문에 생성된 고분자의 특정 부위와 필터 매트릭스간의 공유 결합이 일어날 가능성이 매우 높으며, 이를 기반으로 화학적인 접합 역시 원리적으로 가능할 것으로 판단된다.
When incubated with a filter matrix in-situ with laccase and a natural phenolic organic material, the two reactants can penetrate into the filter matrix due to the small size and can induce a polymerization reaction inside. In this case, when the polymerization reaction occurs in which the molecular weight increases in the filter matrix, it is determined that a strong van der Waals bond can be induced between the produced polymer material and the inside of the matrix. In principle it is possible. In addition, since the laccase enzyme reaction occurs under oxidizing conditions, there is a high possibility of covalent bonding between a specific site of the produced polymer and the filter matrix, and thus, chemical conjugation may be possible in principle.
결론적으로 본 발명에서는 기존에 보고되지 않은 락카아제와 천연 페놀물질의 고분자화 반응을 이용하여 셀룰로오즈 기반의 필터 매트릭스에 친환경적으로 접합할 수 있는 기술을 개발하였으며, 이를 통해 담배, 에어컨, 공기 청정기에 주로 쓰이는 셀룰로오즈 기반 필터에 반응성이 높은 라디칼, 중금속, 또는 유기 오염물질 제거능력을 부여할 수 있다. 일부 등록번호 100830759000 그리고 등록번호 1008905830000의 특허에서 보여주듯이, 셀룰로오즈 기반 담배 필터를 대상으로 식물에서 추출된 페놀 물질을 첨가하여 항산화 또는 라디칼 제거효과를 부여한 기술이 이미 보고가 되었으나, 이들 특허는 단순히 페놀물질 첨가를 공지했으며, 본 발명에서는 Uyama and Kobayashi, (2006) 194:51-67에서 증명되었듯이 단일 페놀 단량체 보다 훨씬 더 강력한 항산화 또는 라디칼 제거효과를 유도할 수 있고 또한 추가적으로 강력한 유·무기 오염물질 제거를 유도할 수 있는 효소학적 산화 기반 다기능성 페놀릭 고분자를 in-situ로 접합하는 기술을 보고하였다.
In conclusion, the present invention has developed a technology for eco-friendly bonding to a cellulose-based filter matrix by using a polymerase reaction of laccase and natural phenolic substances, which have not been reported previously, and mainly used in cigarettes, air conditioners, and air cleaners. Cellulose-based filters used can be given the ability to remove highly reactive radicals, heavy metals, or organic contaminants. As shown in the patents of some registration number 100830759000 and registration number 1008905830000, there have been reports of oxidizing or radical scavenging effects by adding phenolic substances extracted from plants to cellulose-based tobacco filters, but these patents are simply phenolic substances. Additions are known, and in the present invention, as demonstrated in Uyama and Kobayashi, (2006) 194: 51-67, they can induce much stronger antioxidant or radical scavenging effects than single phenolic monomers, and additionally remove strong organic and inorganic contaminants. We have reported a technique for conjugation of enzymatic oxidation-based multifunctional phenolic polymers that can lead to in-situ.
친환경적이고 원리적으로 안전한 방법으로 항산화 또는 라디칼 제거효과를 유도할 수 있고 또한 추가적으로 강력한 유·무기 오염물질 제거를 유도할 수 있는 기능성 고분자 물질을 셀룰로오즈 기반 필터에 in-situ로 접합하는 기술을 개발하는 것을 과제로 한다.
In order to develop a technique for in-situ bonding functional polymer materials to cellulose-based filters that can induce antioxidant or radical removal effects in an environmentally friendly and in principle safe manner, and can additionally induce strong organic and inorganic contaminant removal. Let's make it a task.
본 발명은,According to the present invention,
a) 물 또는 citrate-phosphate 완충액에 락카아제와 천연 저분자 페놀 물질을 셀룰로오스 계열 필터와 함께 배양시키는 단계:
a) incubating laccase and natural low molecular phenolic material with cellulose filter in water or citrate-phosphate buffer:
b) 필터를 배양액에서 걸러내고 오븐 또는 무기 흡습제를 통해 필터에 잔류하는 수분을 제거하는 단계:를 제공하는 것을 과제 해결 수단으로 한다.
b) filtering the filter out of the culture medium and removing the water remaining in the filter through an oven or an inorganic hygroscopic agent.
상기 발명에서 락카아제 고분자 반응에 사용되는 천연페놀물질들은 분리정제된 단일 종류의 페놀물질로 사용이 될 수도 있으나, 보다 용이하게는 과일의 껍질 또는 씨앗에서 간단한 물리적 방법으로 추출한 페놀물질의 혼합물을 사용할 수 있다. 페놀물질의 고분자화 반응의 진행정도는 Jeon,J.R. et al.(2010) Microb Biotechnol 3:324-335에서 이미 보고되었듯이 반응의 색변화를 통해 추론할 수 있다.
The natural phenolic materials used in the laccase polymer reaction in the present invention may be used as a single type of phenol material separated and purified, but more preferably, a mixture of phenolic materials extracted by a simple physical method from a fruit peel or seed can be used. Can be. The progress of the polymerisation reaction of phenolic materials can be inferred from the color change of the reaction, as already reported in Jeon, JR et al. (2010) Microb Biotechnol 3: 324-335.
셀룰로오즈 기반 필터 매트릭스에 염착이 되는 현상을 통해 락카아제 기반의 고분자 반응의 진행 정도와 생성된 고분자들의 접합 정도를 유추할 수 있다. 또한 과일의 껍질 또는 씨앗에서 추출한 천연 페놀물질의 경우 인체에 무해하며, 락카아제 역시 단백질 촉매로 인체에 무해하다. 이러한 친환경적인 물질로 반응을 시킬 경우 안전성이 담보될 수 있고, 따라서 사람을 대상으로 사용하는 공기 정화 필터 물질에 기능성을 부여하는데 큰 이점을 가질 수 있다.
By dyeing the cellulose-based filter matrix, it is possible to infer the progress of the laccase-based polymer reaction and the degree of bonding of the resulting polymers. In addition, natural phenolic substances extracted from the skin or seeds of fruits are harmless to humans, and laccases are also harmless to humans as protein catalysts. When reacting with such environmentally friendly materials, safety can be ensured, and therefore, it can have a great advantage in providing functionality to the air purification filter material for human use.
락카아제와 천연 저분자 페놀물질을 셀룰로오즈 기반 필터와 함께 배양하였고, 적정 배양 시간을 끝내고 오븐 또는 무기 흡습제를 통해 건조한 셀룰로오즈 계열 필터를 관찰한 결과 처리된 천연 저분자 페놀의 종류에 따라 다양한 색이 염착되는 것을 확인하였다. 천연 페놀물질이 단량체 형태로 존재할 때 거의 색을 띠지 않기 때문에, 짙은 색이 필터 물질에 염착되는 현상은 두 가지 의미를 가지는데 첫째로 천연 페놀물질을 단량체로 고분자화 반응이 원활하게 진행됐음을 의미하고, 둘째로 필터 매트릭스에 합성된 고분자성 물질이 잘 접합 됐음을 의미한다. 이러한 다기능성 페놀릭 고분자의 접합을 통해 기존 셀룰로오즈 계열 필터에 비해 공기 중에 존재하는 반응성이 높은 라디칼, 중금속, 유기 오염물질의 제거능력을 월등하게 향상시킬 수 있었다. 본 발명에서 제시한 접합 방식을 통해 담배, 에어컨 그리고 공기 청정기 등에 사용되는 셀룰로오즈 계열 필터 물질의 물리화학적 기능성을 손쉽게 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
The laccase and natural low molecular phenols were incubated with a cellulose-based filter. After completion of the appropriate incubation time, observation of the dried cellulose-based filter through an oven or an inorganic moisture absorbent resulted in dyeing of various colors depending on the type of natural low molecular phenol treated. Confirmed. Since natural phenolic substance is almost non-colored when present in monomeric form, the phenomenon that dark color is dyed to filter material has two meanings. First, it means that the polymerization reaction of natural phenolic substance to monomer proceeded smoothly. Second, it means that the polymer material synthesized in the filter matrix is well bonded. By combining these multifunctional phenolic polymers, the ability to remove highly reactive radicals, heavy metals, and organic contaminants in the air can be significantly improved compared to conventional cellulose filters. It is believed that the physicochemical functionality of the cellulose-based filter material used in cigarettes, air conditioners and air purifiers can be easily improved through the bonding method proposed in the present invention.
도 1은 락카아제와 천연 저분자 페놀의 고분자화 반응을 통해 염착되는 셀룰로오즈 아세테이트 필터를 나타낸 사진
도 2는 락카아제 천연 저분자 페놀의 고분자화 in-situ 반응을 통해 기능성 고분자 물질이 접합된 필터의 라디칼 제거 능력을 나타낸 그래프1 is a photograph showing a cellulose acetate filter that is dyeed through the polymerization of laccase and natural low molecular weight phenol
Figure 2 is a graph showing the radical scavenging ability of a filter conjugated with a functional polymer material through the polymerized in-situ reaction of laccase natural low molecular phenol
본 발명은, a) 물 또는 citrate-phosphate 완충액에 락카아제와 천연 저분자 페놀 물질을 셀룰로오스 계열 필터와 함께 배양시키는 단계: b) 필터를 배양액에서 걸러내고 오븐 또는 무기 흡수제를 통해 필터에 잔류하는 수분을 제거하는 단계를 제공하는 것을 포함하는 기능성 고분자 물질의 셀룰로오즈 계열 필터접합기술이다.
The present invention comprises the steps of: a) incubating laccase and a natural low molecular phenolic material with a cellulose-based filter in water or citrate-phosphate buffer: b) filtering the filter from the culture medium and removing water remaining in the filter through an oven or an inorganic absorbent. A cellulose based filter bonding technique of a functional high molecular material comprising providing a removing step.
호기 조건하에서 락카아제는 산소를 이용하여 페놀 또는 아민 계열의 물질을 라디칼로 만들게 된다. 생성된 라디칼은 중합 반응의 의해 수용액 상태에서 고분자화가 진행되게 된다. 이러한 고분자화 반응은 물 또는 citrate-phosphate 완충액을 기반으로 일어날 수 있으며, 에탄올, 메탄올 또는 아세토나이트릴 등의 유기 용매가 적정 중량 함유될 수 있다. 이러한 유기 용매 함유는 반응을 통해 형성되는 중합 반응 속도 그리고 이와 관련된 고분자 분자량 조절이 가능하다.
Under aerobic conditions, laccases use oxygen to radicalize phenolic or amine based materials. The generated radicals are polymerized in an aqueous solution by polymerization. Such a polymerization reaction may occur based on water or citrate-phosphate buffer, and may contain an appropriate weight of an organic solvent such as ethanol, methanol or acetonitrile. The organic solvent content can control the polymerization reaction rate and the polymer molecular weight related thereto formed through the reaction.
본 발명에 있어서, 상기 a)단계에서 사용하는 셀룰로오스 계열 필터는 셀룰로오스를 화학적으로 변형 또는 복합체 형태로 만든 모든 종류의 유기 또는 유·무기 필터를 포함한다. 예를 들어 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 에스테르, 셀룰로오스 니트레이트, 제올라이트-셀룰로오스 복합체 등을 들 수 있다.
In the present invention, the cellulose-based filter used in step a) includes all kinds of organic or organic-inorganic filters made of cellulose in chemically modified or complex form. For example, a cellulose acetate, a cellulose ester, a cellulose nitrate, a zeolite cellulose composite etc. are mentioned.
본 발명에 있어서, 상기 a) 단계에서 천연 저분자 페놀물질들은 리그닌 또는 탄닌의 전구 물질이면서 동시에 페놀기를 함유한 물질들을 의미하며 상업적으로 파는 분리·정제된 물질을 사용할 수 있다. 또한 좀 더 용이하게는 에탄올을 함유하는 수용액 또는 50도 이상의 물을 사용하여 과일의 껍질이나 씨앗에서 추출할 수 있는 리그닌 또는 탄닌의 전구 물질의 혼합물을 사용할 수 있다.
In the present invention, the natural low-molecular phenolic materials in step a) mean precursors of lignin or tannins and at the same time contain phenolic groups, and commercially sold separated and purified materials can be used. It is also easier to use an aqueous solution containing ethanol or a mixture of precursors of lignin or tannin that can be extracted from the skin or seeds of the fruit using water at least 50 degrees.
또한, 상기 a) 단계에서 사용한 천연 저분자 페놀 물질은 리그닌 또는 탄닌 계열의 전구물질로서 아세토실링원(Acetosyringone), 바닐릭산(Vanillic acid), 실린직산(Syringic acid), 갈릭산(Gallic acid), 호모바닐릭 알코올(Homovanillic alcohol), 파마코마릭산(p-coumaric acid), 바닐닌(Vanillin), 실링알데히드(Syringaldehyde), 아세토바닐원(Acetovanillone), 구아이콜(Guaiacol), 페루릭산(Ferulic acid), 카테친(Catchin), 살리실산(Salicylic acid), 티라민(Tyramine), 카테콜(Catechol), 루테오닌(Luteorin), 캠프페롤(Kaemplferol), 아피제닌(Apigenin), 헤스페레틴(Hesperetin), 시린골(Syringol), 탄닌산(Tannic acid)으로부터 선택된 하나 이상을 포함하거나 또는 이런 물질들을 추출할 수 있는 과일의 껍질이나 씨앗을 포함한다. 추출할 수 있는 대상의 예로 포도씨, 살구씨, 복숭아씨, 포도 껍질, 사과 껍질, 배 껍질 등을 들 수 있다.
In addition, the natural low-molecular phenolic material used in step a) is a precursor of lignin or tannin series, acetosyringone, vanillic acid, silingic acid, gallic acid, homo Homovanillic alcohol, p- coumaric acid, Vanillin, Syringaldehyde, Acetovanillone, Guaiacol, Ferrulic acid , Catechin, salicylic acid, tyramine, catechol, luteonin, luteonin, kaepmplferol, apigenin, hesperetin, sirin It contains one or more selected from Syringol, Tannic acid, or the fruit's skin or seeds from which these substances can be extracted. Examples of extractable objects include grape seed, apricot seed, peach seed, grape peel, apple peel, pear peel, and the like.
또한, 상기 a) 단계에서 락카아제를 첨가하여 배양 시키는 과정으로서, 상업화된 락카아제 또는 균류 배양을 통해 얻을 수 있는 모든 종류의 락카아제를 포함한다. 사용되는 락카아제의 예로 Trametes versicolor, Fomes fomentarius, Chaetomium thermophile, Neurospora crossa, Coloius versicol, Botrytis cinerea, Rigidoporus lignosus, Ganoderma lucidum, Coriolus hirsutus, Russula delica, Pleurotos ostreatus, Aspergillus nidulans 등의 생물에서 유래된 것을 특징으로 할 수 있다. 고분자화를 위한 락카아제 배양은 실온에서 교반기를 통해 이루어질 수 있으며, 추가적으로 고분자화 반응의 속도를 높이기 위해 산소 가스 주입이 병행 될 수 있다.
In addition, as a process of culturing by adding laccase in step a), it includes all kinds of laccases that can be obtained through commercialized laccase or fungus culture. Examples of laccases used include Trametes versicolor, Fomes fomentarius, Chaetomium thermophile, Neurospora crossa, Coloius versicol, Botrytis cinerea, Rigidoporus lignosus, Ganoderma lucidum, Coriolus hirsutus, Russula delica, Pleurotos ostreatus, Aspergillus nidulans can do. The laccase culturing for polymerization may be performed through a stirrer at room temperature, and additionally, oxygen gas injection may be performed in parallel to speed up the polymerization reaction.
상기 a) 단계를 통해 천연 페놀 물질과 락카아제가 셀룰로오즈 계열 필터 매트릭스로 흡수될 수 있고 이를 통해 매트릭스 내부에서 고분자화 반응이 일어날 수 있다. 이러한 반응을 통해, 생성된 고분자와 매트릭스 내부와 강한 비공유 또는 반데르 발스 인력이 작용하게 되고 이는 최종적으로 생성된 고분자와 물리적 접합을 유도하게 된다. 또한 락카아제와 천연 페놀 물질은 라디칼 산화 반응을 기반으로 고분자 반응이 유도되기 때문에 이러한 산화 조건하에서 필터 내부 매트릭스와 고분자 생성 중간체가 공유결합이 형성될 수 있으며 이는 최종적으로 화학적인 접합 반응을 유도할 수 있다. 결론적으로 락카아제와 천연 페놀과 셀룰로오즈 계열 필터 매트릭스를 in-situ로 배양하여 기능성 고분자의 물리적 또는 화학적 접합을 유도 할 수 있다. 이러한 접합은 고분자 생성에 따른 색 발현 현상에 착안하여 필터 매트릭스에 염착이 진행되는지를 평가함으로써 간단히 확인할 수 있다.
Through the step a), the natural phenolic substance and laccase can be absorbed into the cellulose-based filter matrix, through which a polymerization reaction can occur within the matrix. Through this reaction, strong non-covalent or van der Waals attractive forces act on the resulting polymer and the inside of the matrix, which leads to physical bonding with the finally produced polymer. In addition, since laccasease and natural phenolic substance induce a polymer reaction based on a radical oxidation reaction, covalent bonds may be formed between the matrix inside the filter and the polymer-producing intermediate under these oxidation conditions, which may induce a chemical conjugation reaction. have. In conclusion, laccase, natural phenol, and cellulose filter matrices can be cultured in-situ to induce physical or chemical conjugation of functional polymers. This conjugation can be confirmed simply by evaluating whether dyeing proceeds to the filter matrix by focusing on the color development phenomenon caused by the polymer production.
본 발명에 있어서, 상기 b) 단계에서 잔류 수분 제거의 방법은 접합에 사용한 셀룰로오즈 기반 필터 매트릭스에 구조적인 손상이 가해지지 않는 범위에서 오븐이나 무기 흡습제를 이용하여 수분을 완전 제거하는 것을 특징으로 한다. 무기 흡수제의 예로는 산화칼슘, 염화칼슘 또는 실리카 겔을 들 수 있다.
In the present invention, the method of removing residual water in step b) is characterized in that the moisture is completely removed using an oven or an inorganic absorbent in a range in which structural damage is not applied to the cellulose-based filter matrix used for the bonding. Examples of inorganic absorbents include calcium oxide, calcium chloride or silica gel.
이하, 실시 예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다. 특히 실시예에서 사용된 락카아제는 Trametes versicolor 유래의 것으로 그리고 천연 페놀 물질은 카테친(Catechin), 갈릭산(Gallic acid), 그리고 페루릭산(Ferulic acid)으로 한정하였으나, 락카아제가 기질에 대한 특이성을 가지지 않고 하이드록시페닐(Hydroxylphenyl)기를 가진 다수의 천연 유기 물질과 반응하여 고분자 생성을 유도할 수 있다는 것은 등록번호 10-1050251 특허 또는 Jeon, J.R. et al. (2010) Microb Biotechnol 3:324-335에서 이미 명확히 증명되었다. 마찬가지로 Giardina et al. (2010) Cell Mol Life Sci 67:369-385에서 이미 명확히 설명되었듯이 구리를 함유한 산화제인 락카아제가 유래 생물에 따라 기질에 대한 반응성이 속도론적인 차이 외에 거의 없다는 것은 락카아제 효소의 산화 기작의 원리상 당연한 사실이다. 따라서, 본 발명의 범위가 실시예에서 제시한 Trametes versicolor 유래 락카아제 그리고 카테친(Catechin), 갈릭산(Gallic acid), 페루릭산(Ferulic acid)으로 한정되지 않는 다는 것은 관련 분야의 연구자들이 이의 없이 모두 동의할 수 있을 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. Since these examples are only for illustrating the present invention, the scope of the present invention is not to be construed as being limited by these examples. In particular, the laccases used in the examples are derived from Trametes versicolor and the natural phenolic substances are limited to catechin, gallic acid, and ferric acid, but laccases have specificity for the substrate. The ability to induce polymer production by reacting with a large number of natural organic materials having no hydroxyphenyl groups without the presence or absence of a patent is disclosed in Patent No. 10-1050251 or in Jeon, JR et al. (2010) Microb Biotechnol Already clearly demonstrated at 3: 324-335. Likewise Giardina et al. (2010) Cell Mol Life As has already been clearly demonstrated in Sci 67: 369-385, it is natural for the principle of the oxidation mechanism of laccase enzymes that laccase, a copper-containing oxidant, has little responsiveness to substrates depending on the organism of origin. Therefore, the scope of the present invention is not limited to Trametes versicolor-derived laccase and catechin, gallic acid, and ferrulic acid, which are shown in the examples. You may agree.
Trametes versicolor 락카아제(Sigma-Aldrich) 50mg을 20%의 에탄올이 함유된 물 25ml에 용해한 후 담배 필터로 상업적으로 사용되는 셀룰로오즈 아세테이트 필터를 충분히 적셨다. 그 후에 천연 페놀 물질에 속하는 카테친(Catechin), 갈릭산(Gallic acid), 그리고 페루릭산(Ferulic acid)을 각각 0.5g씩 추가적으로 용해시켰다. 단량체의 용해와 함께 반응이 진행되는 것을 색 발현 현상을 통해 관찰할 수 있었다. 상온에서 60rpm으로 회전하는 교반기에 4시간 반응 후에 망으로 셀룰로오즈 아세테이트 필터를 거르고 증류수를 이용해 충분히 씻겨 준 후 최종적으로 필터 매트릭스를 50도의 오븐에서 약 하루 정도 잔류한 수분을 제거하는 작업을 수행하였다.
After dissolving 50 mg of Trametes versicolor laccase (Sigma-Aldrich) in 25 ml of water containing 20% ethanol, the cellulose acetate filter commercially used as a tobacco filter was sufficiently wetted. Thereafter, 0.5 g of catechin, gallic acid, and ferrulic acid, which belong to natural phenolic substances, were further dissolved. It could be observed through the color development phenomenon that the reaction proceeds with the dissolution of the monomer. After 4 hours of reaction with a stirrer rotating at 60 rpm at room temperature, the cellulose acetate filter was filtered through a network, washed well with distilled water, and finally, the filter matrix was removed to remove moisture remaining in the oven at 50 ° C for about one day.
사용한 락카아제는 2,2'-azino-bis-(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonate) (ABTS)(Fluka)를 이용해 Unit을 평가하였으며, 분당 1 umole의 ABTS를 처리하는 락카아제의 양을 1U으로 정의했을 때, 상업화된 Trametes versicolor 락카아제(Sigma-Aldrich)의 경우 1mg이 662,000U의 활성을 보였다.
The laccases used were 2,2'-azino-bis- (3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonate) (ABTS) (Fluka) to evaluate the unit, and 1U of ABTS treated per minute of laccase was 1U. By definition, 1 mg of commercialized Trametes versicolor laccase (Sigma-Aldrich) showed 662,000 U of activity.
도 1에서 보는 것처럼 저분자 페놀물질을 첨가하지 않은 비교군(Virgin)의 필터보다 락카아제를 첨가한 필터의 경우 처리한 천연 저분자 페놀에 따라 특정 색으로 염착이 되는 것을 확인할 수 있다. 이는 위에서 언급했듯이, 셀룰로오즈 아세테이트 필터 내부에서 발생하는 천연 저분자 페놀의 고분자 반응을 통해 형성되는 고분자물질이 공유 또는 비공유결합에 의해 필터와 접합된 것으로 유추할 수 있다.
As shown in Figure 1 it can be seen that in the case of the filter added laccase than the filter of the comparative group (Virgin) without the addition of low-molecular phenolic material is dyed in a specific color according to the natural low-molecular phenol treated. As mentioned above, it can be inferred that the high molecular material formed through the polymer reaction of the natural low molecular phenol generated inside the cellulose acetate filter is bonded to the filter by covalent or non-covalent bond.
위에서 언급했듯이, 락카아제를 이용하여 합성되는 천연 저분자 페놀물질의 고분자의 경우 다양한 물리화학적 특성을 보이는데 그 주된 특성은 라디칼, 중금속, 또는 유기오염물질 제거 능력이 될 수 있다. 본 실시예에서는 대표적으로 라디칼 제거 능력이 접합을 시키지 않은 비교군에 비해 강화되는지 그리고 그 능력이 장기간 지속되는지를 확인하였다.
As mentioned above, the polymer of the natural low molecular phenol material synthesized using laccase has various physicochemical properties, and its main property may be the ability to remove radicals, heavy metals, or organic pollutants. In this example, it was confirmed whether the radical removal ability is strengthened compared to the comparison group without the conjugation and whether the ability lasts for a long time.
도 2에서 보는 것처럼 비교군(Virgin)의 필터는 라디칼 제거 능력이 전무한 것에 반해 천연 저분자 페놀의 고분자를 락카아제 반응을 통해 in-situ로 접합시킨 필터의 경우 강한 라디칼 제거 능력을 보이며, 또한, 50일 가량 제거능력의 저하가 일어나지 않음을 관찰하였다. 이는 락카아제 기반 고분자 접합을 통해 나타나는 필터의 기능성 향상이 장기간 지속될 수 있음을 의미한다.
As shown in FIG. 2, the filter of the Virgin group showed no radical removing ability, whereas the filter of the low molecular weight phenol polymer conjugated in-situ through a laccase reaction showed a strong radical removing ability. It was observed that there was no decrease in the removal ability. This means that the improvement of the functionality of the filter through laccase-based polymer conjugation can be sustained for a long time.
도 2에서 사용한 라디칼은 Jeon, J.R. et al. (2008) Appl Microbiol Biotechnol 81:783-790에서 이용한 방법을 통해 만들었다. 2,2'-azino-bis-(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonate) (ABTS)(Fluka)를 락카아제와 충분히 반응시켜 ABTS를 ABTS 라디칼로 전환시킨 후 Ultrafiltration을 통해 락카아제를 걸러내 구조적으로 안정적인 라디칼을 얻어냈다. ABTS 라디칼은 파란색을 띠나 항산화 물질에 의해 제거될 경우 무색으로 변하기 때문에 접합 필터와의 일정 반응 후 420nm에서 흡광도 변화를 통해 라디칼 제거 정도를 측정할 수 있다.
Radicals used in Figure 2 are Jeon, JR et al. (2008) by the method used in Appl Microbiol Biotechnol 81: 783-790. 2,2'-azino-bis- (3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonate) (ABTS) (Fluka) is sufficiently reacted with laccase to convert ABTS to ABTS radicals, and then ultrafiltration to filter out laccase and structurally stable Radicals were obtained. Since the ABTS radicals are blue or change colorless when removed by antioxidants, the degree of radical removal can be measured by changing the absorbance at 420 nm after a certain reaction with the junction filter.
Claims (4)
a) 물 또는 완충액에 락카아제와 천연 저분자 페놀 물질을 셀룰로오스 계열 필터와 함께 배양시키는 단계:
b) 필터를 배양액에서 걸러내고 필터에 잔류하는 수분을 제거하는 단계
Method for producing a cellulose-based air purification filter comprising the following steps and using an environmentally friendly phenolic polymer formed by the polymerization of laccase and a natural low molecular phenolic material:
a) incubating laccase and the natural low molecular phenolic material with a cellulose filter in water or buffer:
b) filtering the filter out of the culture medium and removing water remaining in the filter
사용한 천연 저분자 페놀 물질은 리그닌 또는 탄닌 계열의 전구물질로서 아세토실링원(Acetosyringone), 바닐릭산(Vanillic acid), 실린직산(Syringic acid), 갈릭산(Gallic acid), 호모바닐릭 알코올(Homovanillic alcohol), 파마코마릭산(p-coumaric acid), 바닐닌(Vanillin), 실링알데히드(Syringaldehyde), 아세토바닐원(Acetovanillone), 구아이콜(Guaiacol), 페루릭산(Ferulic acid), 카테친(Catchin), 살리실산(Salicylic acid), 티라민(Tyramine), 카테콜(Catechol), 루테오닌(Luteorin), 캠프페롤(Kaemplferol), 아피제닌(Apigenin), 헤스페레틴(Hesperetin), 시린골(Syringol), 탄닌산(Tannic acid)으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 락카아제와 천연 저분자 페놀물질의 고분자화로 형성된 친환경 페놀릭 고분자를 이용하는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스 기반 공기 정화용 필터의 제조방법
The method of claim 1,
The natural low-molecular phenolic materials used are the precursors of lignin or tannin series, such as Acetosyringone, Vanillic acid, Syringic acid, Gallic acid, Homovanillic alcohol. , P-coumaric acid, vanillin, silingaldehyde, acetovanillone, guacol, ferrulic acid, catechin, salicylic acid (Salicylic acid), Tyramine (Tyramine), Catechol (Catechol), Lutheonin (Luteorin), Camperol (Kaemplferol), Apigenin, Hesperetin, Syringol, Tannin acid ( Tannic acid) manufacturing method of a cellulose-based air purification filter, characterized in that it uses an environmentally friendly phenolic polymer formed by the polymerization of laccase and natural low-molecular phenolic material comprising at least one selected from
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