KR101363293B1 - Micro reactor for synthesizing lactulose and method of synthesizing lactulose - Google Patents

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    • C12P19/12Disaccharides

Abstract

본 발명은 락툴로오스 합성용 마이크로 반응기 및 락툴로오스 생산 방법에 관한 것으로, 구체적으로 마이크로 반응기에 고정화된 베타-갈락토시다제에 의하여 유청 및 과당을 포함하는 기질과 반응시켜 경제적으로 프리바이오틱스의 하나인 락툴로오스의 생산이 가능하며, 생물학적인 연속 생산이 가능한 마이크로 반응기 및 락툴로오스 생산 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a microreactor for lactulose synthesis and a method for producing lactulose, and specifically, it is economically prebiotics by reacting with a substrate including whey and fructose by beta-galactosidase immobilized in a microreactor. The present invention relates to a microreactor capable of producing lactulose, which is capable of biological production, and a method for producing lactulose.

Description

락툴로오스 합성용 마이크로 반응기 및 락툴로오스 생산 방법{MICRO REACTOR FOR SYNTHESIZING LACTULOSE AND METHOD OF SYNTHESIZING LACTULOSE}MICRO REACTOR FOR SYNTHESIZING LACTULOSE AND METHOD OF SYNTHESIZING LACTULOSE}

본 발명은 락툴로오스 합성용 마이크로 반응기 및 락툴로오스 생산 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a microreactor for lactulose synthesis and a method for producing lactulose.

프리바이오틱스(prebiotics)란 대장에 존재하는 유익한 미생물의 성장이나 활성을 선택적으로 촉진하여 인간의 건강을 개선시키는 난소화성 물질이다. 상기 프리바이오틱스의 기능을 나타내는 물질은 대부분 당류이며, 이당류, 올리고당 및 다당류에 속하는 일부의 물질들이 이 부류에 포함된다. 상기 이당류 중 유당의 유도체인 락툴로오스가 대표적인 프리바이오틱스의 기능을 나타낸다. Prebiotics are an indigestible substance that improves human health by selectively promoting the growth or activity of beneficial microorganisms present in the large intestine. Most of the substances showing the function of the prebiotics are saccharides, and some substances belonging to disaccharides, oligosaccharides and polysaccharides are included in this class. Lactoolulose, which is a derivative of lactose in the above disaccharides, represents a typical prebiotics function.

상기 락툴로오스는 소장에서 분해되거나 흡수되지 않고, 대장에 존재하는 비피더스균 및 유산균과 같은 유익균에 의해 이용되며, 변비치료, 만성문맥계뇌증에 있어서 간성혼수의 치료 및 예방에 유용하게 사용되고 있다. 특히 영유아의 변비 및 임신 중 또는 분만 후 변비에도 장기간 안전하게 사용할 수 있는 물질이다. The lactulose is not decomposed or absorbed in the small intestine but is used by beneficial bacteria such as bifidobacteria and lactic acid bacteria present in the large intestine and is useful for the treatment and prevention of hepatic coma in constipation therapy and chronic contextual encephalopathy. It is a substance that can be safely used for a long time in the constipation of infants and the constipation during pregnancy or postpartum constipation.

현재, 락툴로오스의 생산은 화학적 합성방법이며, 알칼리 처리에 의한 에피머반응(epimerization)을 이용한다. 상기 화학적 합성방법은 반응산물인 락툴로오스 이외에 다양한 부산물의 생성으로 인하여 의약품 및 특별한 목적의 식품으로 적용 시, 고가의 다단계 정제공정이 수반되어야 하고, 고온고압의 반응 조건 때문에 위험성이 높고, 화학촉매와 유기용매의 사용으로 인한 공해가 발생할 수 있다. At present, the production of lactulose is a chemical synthesis method and utilizes epimerization by alkali treatment. The chemical synthesis method is accompanied by an expensive multi-step purification process when it is applied as a pharmaceutical product or a special purpose food due to the production of various byproducts in addition to the reaction product lactulose, and the risk is high due to the reaction conditions at high temperature and high pressure, And the use of organic solvents may cause pollution.

이에 반해, 효소를 이용한 생물전환 합성방법은 반응에 있어 고도의 정밀성, 특이성, 선택성을 지니고, 소규모의 장치로도 생산이 가능하며, 환경 친화적이라는 장점을 가진다. 따라서 화학적 합성방법의 단점을 극복하기 위하여 생촉매인 효소가 알칼리촉매를 대체할 수 있다. On the other hand, enzymatic bioconversion synthesis has the advantage of high precision, specificity, selectivity in reaction, production in small scale devices, and environment-friendly. Therefore, in order to overcome the drawbacks of the chemical synthesis method, the enzyme which is a biocatalyst can replace the alkali catalyst.

그러나, 생물전환 합성방법에서는 기질(substrate)로써 고가의 정제된 유당을 사용하고 있어 경제성이 낮고, 연속공정의 부재 등의 문제점을 가지고 있다.However, in the bioconversion synthesis method, refined lactose is used as a substrate, resulting in low economic efficiency and lack of a continuous process.

대한민국 공개특허 제1989-0009958호Korean Patent Publication No. 1989-0009958 대한민국 공개특허 제1992-0000779호Korean Patent Publication No. 1992-0000779

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기질로 유청 및 과당을 사용하여 락툴로오스를 연속적으로 합성하는 베타-갈락토시다제가 고정화된 마이크로 반응기를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is to solve the problems of the prior art as described above, it is an object of the present invention to provide a micro-reactor fixed to beta-galactosidase to synthesize lactulose continuously using whey and fructose as a substrate.

본 발명의 또 다른 목적은 고정화된 베타-갈락토시다제에 의한 가수분해반응 및 당전이반응에 의하여 연속적으로 락툴로오스를 합성하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. It is another object of the present invention to provide a method for continuously synthesizing lactulose by hydrolysis and sugar transfer reaction by immobilized beta-galactosidase.

본 발명은 유청 및 과당을 포함하는 기질이 반응하는 베타-갈락토시다제가 다중벽 탄소 나노튜브를 연결기로 하여 고정화된 락툴로오스 합성용 마이크로 반응기를 제공한다. The present invention provides a micro-reactor for lactulose synthesis in which beta-galactosidase to which a substrate including whey and fructose is reacted is immobilized using a multi-walled carbon nanotube as a linking group.

본 발명은 베타-갈락토시다제, 완충용액 및 유당을 포함하는 반응 수용액을 제조하는 단계; 상기 반응 수용액 및 다중벽 탄소 나노튜브를 포함하는 용액을 마이크로 반응기에 주입하여 상기 베타-갈락토시다제를 상기 마이크로 반응기에 고정시키는 단계; 및 유청 및 과당을 포함하는 기질을 상기 마이크로 반응기에 주입하여 반응시키는 단계를 포함하는 락툴로오스 생산 방법을 제공한다.The present invention comprises the steps of preparing a reaction aqueous solution containing beta-galactosidase, buffer and lactose; Fixing the beta-galactosidase to the microreactor by injecting a solution containing the reaction aqueous solution and multi-walled carbon nanotubes into a microreactor; And it provides a lactulose production method comprising the step of reacting the substrate containing whey and fructose into the micro reactor.

본 발명의 락툴로오스 합성용 마이크로 반응기는 기존의 락툴로오스 생산에 사용되었던 기질인 고가의 정제된 유당 대신에, 유청을 사용하여 경제적이며, 락툴로오스의 연속적인 생산이 가능하다.The microreactor for lactulose synthesis of the present invention is economical by using whey, instead of expensive refined lactose, which is a substrate used for conventional lactulose production, and enables continuous production of lactulose.

또한, 본 발명의 락툴로오스 생산 방법은 락툴로오스의 연속 합성방법으로, 공정의 경제성을 향상시킬 수 있으며, 유당함유 폐액 등을 적극적으로 활용함으로써 자원을 재활용 할 수 있고, 프리바이오틱스 생산 산업 전반에 이용될 수 있다. In addition, the lactolulose production method of the present invention can improve the economical efficiency of the process by continuously synthesizing lactolose, and can recycle resources by actively utilizing lactose-containing waste liquid and the like, Can be used in the first half.

또한, 기질로서 유청을 사용함으로써, 폐기되는 유청의 이용가치를 높이고, 폐기 및 환경정화의 비용을 감소시킬 수 있으며, 락툴로오스의 생산 비용을 절감시킬 수 있다.Further, by using whey as a substrate, it is possible to increase the utilization value of waste whey to be discarded, to reduce the cost of disposal and environmental purification, and to reduce the production cost of lactulose.

도 1은 본 발명의 마이크로 반응기를 나타내는 평면도이다.
도 2는 본 발명의 마이크로 반응기를 포함하는 마이크로 반응 시스템을 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 마이크로 반응기의 표면에 베타-갈락토시다제의 고정화 전을 나타내는 사진이다.
도 4는 본 발명의 마이크로 반응기의 표면에 베타-갈락토시다제의 고정화 후를 나타내는 사진이다.
도 5는 마이크로 반응기 내에 주입되는 기질의 유속에 따른 락툴로오스의 농도를 나타내는 그래프이다.
도 6은 시간에 따른 기질 및 반응 생성물의 농도를 나타내는 그래프이다.
1 is a plan view showing a microreactor of the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram showing a micro reaction system including a micro reactor of the present invention.
Figure 3 is a photograph showing the immobilization of beta-galactosidase on the surface of the microreactor of the present invention.
Figure 4 is a photograph showing the immobilization of beta-galactosidase on the surface of the microreactor of the present invention.
5 is a graph showing the concentration of lactulose according to the flow rate of the substrate injected into the microreactor.
6 is a graph showing the concentration of substrate and reaction product over time.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 유청 및 과당을 포함하는 기질이 반응하는 베타-갈락토시다제가 다중벽 탄소 나노튜브를 연결기로 하여 고정화된 락툴로오스 합성용 마이크로 반응기를 제공한다.The present invention provides a micro-reactor for lactulose synthesis in which beta-galactosidase to which a substrate including whey and fructose is reacted is immobilized using a multi-walled carbon nanotube as a linking group.

유청(乳淸)은 우유가 엉겨서 응고된 뒤 남은 액체이며, 훼이(Whey) 또는 유장(乳漿)이라고도 한다. 보통 치즈나 카세인 제조 과정에서 부산물로 생성되며, 몇몇 상업적인 용도로 이용된다. 유당은 락토오스(lactose), 젖당이라고도 하며, 우유의 대표적인 탄수화물로 1 분자의 글루코오스와 1 분자의 칼락토오스로 구성되어 있는 이당류이다.Whey is a remnant liquid after it has been clotted with milk and is also called whey or whey. It is usually produced as a by-product in the cheese or casein manufacturing process and is used for several commercial uses. Lactose, also known as lactose and lactose, is a typical carbohydrate in milk and is a disaccharide composed of one molecule of glucose and one molecule of lactose.

갈락토시다제(galactosidase)는 알릴 및 알킬-D-갈락토시드를 가수분해하여 갈락토오스를 생성하는 효소이다. 또한, 가수분해와 함께 갈락토오스 잔기를 다른 당, 알코올 및 페놀로 전이하는 갈락토시드 전달효소 작용도 한다. 상기 갈락토시다제는 알파형 및 베타형으로 구분되며, 상기 베타-갈락토시다제는 락타아제라고도 하고, 베타-D-갈락토시드 외에 유당에도 작용한다.Galactosidase is an enzyme that hydrolyzes allyl and alkyl-D-galactoside to produce galactose. In addition to hydrolysis, it also acts as a galactosid transferase to transfer galactose residues to other sugars, alcohols and phenols. The galactosidase is classified into alpha-type and beta-type, and the beta-galactosidase is also referred to as lactase and acts on lactose in addition to beta-D-galactoside.

대장에 존재하는 유익한 미생물의 성장이나 활성을 선택적으로 촉진하여 인간의 건강을 개선시키는 난소화성 물질인 프리바이오틱스(prebiotics) 중 하나인 락툴로오스는 소장에서 분해되거나 흡수되지 않고, 대장에 존재하는 유익균, 주로 비피더스균과 일부 유산균에 의해 이용되며, 변비치료, 만성문맥계뇌증에 있어서 간성혼수의 치료 및 예방에 유용하게 사용되고 있고, 특히 영유아의 변비 및 임신 중 또는 분만 후 변비에도 장기간 안전하게 사용할 수 있는 물질이다. One of the prebiotics, an indigestible substance that selectively promotes the growth or activity of beneficial microorganisms present in the large intestine to improve human health, lactulose, which is not degraded or absorbed in the small intestine, It is mainly used for bifida bacterium and some lactic acid bacteria, and it is used for the treatment and prevention of hepatic coma in constipation therapy and chronic contextual encephalopathy. Especially, it can be safely used for constipation and postpartum constipation It is a substance.

상기 베타-갈락토시다제가 탄소 나노튜브 중 하나인 다중벽 탄소나노튜브가 흡착된 마이크로 반응기의 표면에 고정화되고, 상기 다중벽 탄소나노튜브는 상기 베타-갈락토시다제의 연결기(linker)역할을 한다. 베타-갈락토시다제가 고정화된 마이크로 반응기는 유청을 기질로 하여 프리바이오틱스 중 하나인 락툴로오스를 생산할 수 있다.The beta-galactosidase is immobilized on the surface of the microreactor to which the multi-walled carbon nanotubes, one of the carbon nanotubes, are adsorbed, and the multi-walled carbon nanotubes serve as a linker of the beta-galactosidase. do. Microreactors in which beta-galactosidase are immobilized can produce lactulose, one of the prebiotics, using whey as a substrate.

구체적으로 상기 유청 및 과당을 포함하는 기질을 고정화된 베타-갈락토시다제는, 유청에 포함된 유당을 글루코오스 및 갈락토오스로의 가수분해반응시키고, 상기 갈락토오스와 과당 사이의 당전이반응에 의하여 락툴로오스를 합성할 수 있다. Specifically, the beta-galactosidase immobilized substrate containing whey and fructose is hydrolyzed to glucose and galactose by lactose contained in whey, and the lactulose reaction is performed by a sugar transfer reaction between galactose and fructose. Oss can be synthesized.

상기 베타-갈락토시다제의 고정화를 통하여, 락툴로오스의 연속적인 생산이 가능하다. 또한, 종래에 락툴로오스의 합성에 이용되었던 기질로 고가의 정제된 유당을 유청으로 대체함으로써 경제성을 향상시킬 수 있다.Through the immobilization of the beta-galactosidase, continuous production of lactulose is possible. In addition, it is possible to improve the economics by replacing expensive purified lactose with whey as a substrate that has been conventionally used for the synthesis of lactulose.

기질에 포함되는 상기 유청은 유당, 즉 락토오스를 10 내지 30%(w/v)으로 포함하는 것이 바람직하며, 상술한 범위를 만족할 경우, 락툴로오스의 생산성을 향상시킬 수 있고, 고온의 조건에서 유당의 농도로 30%(w/v)를 초과할 경우, 부가 반응에 의하여 부산물이 생성되어 락툴로오스의 생산성이 저하되는 문제점이 있다. The whey contained in the substrate preferably contains lactose, that is, lactose at 10 to 30% (w / v). If the above-mentioned range is satisfied, the productivity of lactulose may be improved, under high temperature conditions. When the concentration of lactose exceeds 30% (w / v), there is a problem that byproducts are generated by the addition reaction, thereby lowering the productivity of lactulose.

본 발명은 베타-갈락토시다제, 완충용액 및 유당을 포함하는 반응 수용액을 제조하는 단계; 상기 반응 수용액 및 다중벽 탄소 나노튜브를 포함하는 용액을 마이크로 반응기에 주입하여 상기 베타-갈락토시다제를 상기 마이크로 반응기에 고정시키는 단계; 및 유청 및 과당을 포함하는 기질을 상기 마이크로 반응기에 주입하여 반응시키는 단계를 포함하는 락툴로오스 생산 방법을 제공한다.The present invention comprises the steps of preparing a reaction aqueous solution containing beta-galactosidase, buffer and lactose; Fixing the beta-galactosidase to the microreactor by injecting a solution containing the reaction aqueous solution and multi-walled carbon nanotubes into a microreactor; And it provides a lactulose production method comprising the step of reacting the substrate containing whey and fructose into the micro reactor.

구체적으로, 베타-갈락토시다제를 마이크로 반응기에 고정화시키기 위하여 상기 베타-갈락토시다제를 전처리하는 단계로, 베타-갈락토시다제, 완충용액 및 유당을 포함하는 반응 수용액을 제조한다. 상기 완충용액은 인산 완충용액인 것이 바람직하며, 전처리 물질로 유당을 사용한다. 상기 유당은 베타-갈락토시다제와 반응을 통하여 효소의 활성부위(active site)를 보호하는 역할을 한다. 즉, 유당에 의한 전처리 과정을 거치지 않는 경우, 상기 베타-갈락토시다제의 활성부위에서 다중벽 탄소 나노튜브와 공유결합이 형성되어 효소의 활성이 낮아지는 문제점이 있다. 따라서, 이를 극복하기 위하여 베타-갈락토시다제와 유당을 전처리에 의하여, 활성부위에서의 결합과 해리를 거쳐, 다중벽 탄소 나노튜브가 활성부위 이외의 부위에서 공유결합을 형성시킬 수 있다.Specifically, in the pretreatment of the beta-galactosidase in order to immobilize the beta-galactosidase in the micro-reactor, a reaction aqueous solution containing beta-galactosidase, buffer and lactose is prepared. The buffer solution is preferably a phosphate buffer solution, and lactose is used as a pretreatment material. The lactose acts to protect the active site of the enzyme through reaction with beta-galactosidase. In other words, when not subjected to the pretreatment process by lactose, there is a problem in that covalent bonds are formed with multi-walled carbon nanotubes at the active site of the beta-galactosidase, thereby lowering the activity of the enzyme. Therefore, in order to overcome this, beta-galactosidase and lactose may be pretreated to undergo covalent bonding and dissociation at the active site, whereby multi-walled carbon nanotubes may form covalent bonds at sites other than the active site.

다음 단계로, 상기 베타-갈락토시다제를 전처리하여 제조된 반응 수용액은 다중벽 탄소 나노튜브를 혼합하여 마이크로 반응기에 주입하여 마이크로 반응기 표면에 베타-갈락토시다제를 고정화시키는 단계를 포함한다. 이때, 상기 베타-갈락토시다제 및 다중벽 탄소 나노튜브를 혼합하고, N-(3-디메틸아미노프로필)-N'-에틸카보디이미드 하이드로클로라이드(N-(3-dimethylaminopropyl)-N’-ethylcarbodiimide hydrochloride, EDC·HCl)를 첨가하여 반응시키는 것이 바람직하다. In the next step, the reaction aqueous solution prepared by pretreating the beta-galactosidase comprises mixing multi-walled carbon nanotubes and injecting them into a microreactor to immobilize the beta-galactosidase on the surface of the microreactor. At this time, the beta-galactosidase and multi-walled carbon nanotubes were mixed, and N- (3-dimethylaminopropyl) -N'-ethylcarbodiimide hydrochloride (N- (3-dimethylaminopropyl) -N'- It is preferable to add ethylcarbodiimide hydrochloride (EDC.HCl) and react.

상기 베타-갈락토시다제가 포함된 용액을 마이크로 반응기에 10 내지 30℃ 온도 조건에서 1 내지 10㎕/분의 유속으로 주입하여 마이크로 반응기에 고정화 시키는 것이 바람직하다. The solution containing the beta-galactosidase is preferably immobilized in the microreactor by injecting it into the microreactor at a flow rate of 1 to 10µl / min at a temperature of 10 to 30 ° C.

기질에 포함되는 상기 유청은 유당, 즉 락토오스를 10 내지 30%(w/v)으로 포함하는 것이 바람직하며, 상술한 범위를 만족할 경우, 락툴로오스의 생산성을 향상시킬 수 있고, 고온의 조건에서 유당의 농도로 30%(w/v)를 초과할 경우, 부가 반응에 의하여 부산물이 생성되어 락툴로오스의 생산성이 저하되는 문제점이 있다. The whey contained in the substrate preferably contains lactose, that is, lactose at 10 to 30% (w / v). If the above-mentioned range is satisfied, the productivity of lactulose may be improved, under high temperature conditions. When the concentration of lactose exceeds 30% (w / v), there is a problem that byproducts are generated by the addition reaction, thereby lowering the productivity of lactulose.

상기 기질을 마이크로 반응기에 주입하여 반응시키는 단계는 37 내지 57℃ 온도조건에서 반응되는 것이 바람직하며, 상술한 범위를 만족할 경우, 마이크로 반응기 내에 고정화된 베타-갈락토시다제가 활성 상태로 기질인 유청이 락툴로오스로로 전환되는 효율이 우수하다.The step of injecting the substrate into the micro reactor to react the reaction is preferably performed at 37 to 57 ° C., and when the above range is satisfied, beta-galactosidase immobilized in the micro reactor is active as the substrate. The efficiency of conversion to lactulose is excellent.

상기 기질을 마이크로 반응기에 0.1 내지 20㎕/분 속도로 주입하는 것이 바람직하다. 상술한 범위를 만족할 경우, 마이크로 반응기 내에서 기질의 체류시간이 증가되어 효소인 베타-갈락토시다제와 충분히 반응할 수 있어 락툴로오스의 생산성이 증가된다.
It is preferred to inject the substrate into the micro reactor at a rate of 0.1 to 20 μl / min. If the above range is satisfied, the residence time of the substrate in the microreactor is increased to sufficiently react with the enzyme beta-galactosidase, thereby increasing the productivity of lactulose.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
However, the following examples are illustrative of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

<< 실시예Example 1> 1>

1. 마이크로 반응기 제조1. Micro reactor manufacture

도 1은 마이크로 반응기의 평면도로, 마이크로 채널(microchannel)은 유리의 식각을 통하여 형성하였다. 즉, 도 1에서 나타낸 바와 같이, 너비 390㎛, 깊이 150㎛, 길이 13mm의 12개의 마이크로 채널을 식각하였고, 상기 마이크로 반응기의 양단에 지름 1mm의 주입부와 배출부를 구비하였다.1 is a plan view of a micro reactor, in which a microchannel is formed through etching of glass. That is, as shown in FIG. 1, twelve microchannels having a width of 390 μm, a depth of 150 μm, and a length of 13 mm were etched, and both ends of the microreactor were provided with an injection part and a discharge part having a diameter of 1 mm.

상기 마이크로 채널을 보호하는 덮개로, 산소 플라즈마(oxygen plasma)에 노출된 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane)조각을 사용하였고, 마이크로 채널과 상기 폴리디메틸실록산 조각을 밀착시켜 80℃에서 15분간 가열하여 마이크로 반응기를 제작하였다.As a cover for protecting the microchannel, a piece of polydimethylsiloxane exposed to an oxygen plasma was used, and the microchannel and the polydimethylsiloxane fragment were brought into close contact with each other and heated at 80 ° C. for 15 minutes. Produced.

2. 기능화된 2. Functionalized 다중벽Multiwall 탄소 나노튜브( Carbon nanotubes ( functionalizedfunctionalized multimulti -- walledwalled carboncarbon nanotubes)의 제조 manufacturing of nanotubes)

200mg의 다중벽 탄소 나노튜브(시그마사, 미국)를 황산 및 질산이 부피비 3:1로 혼합된 용액에 첨가하여 10시간 동안 40℃에서 초음파 처리하였다. 이후, 상기 용액을 초순수(deionized water)에 의한 수 차례의 세척하여 카르복시기(carboxyl group)로 기능화된 다중벽 탄소 나노튜브 용액을 제조하였다.200 mg of multi-walled carbon nanotubes (Sigma, USA) were added to a solution of sulfuric acid and nitric acid in a volume ratio of 3: 1 and sonicated at 40 ° C. for 10 hours. Thereafter, the solution was washed several times with deionized water to prepare a multi-walled carbon nanotube solution functionalized with a carboxyl group.

3. 유당을 이용한 베타-3. Beta- 갈락토시다제의Galactosidase 전처리 Pretreatment

100mM 인산 완충용액(pH 7.2)에 클루이베로마이세스 락티스(Kluyveromyces lactis)로부터 유래한 10%(v/v)의 베타-갈락토시다제(시그마사, 미국) 및 전처리 물질로 30mM의 유당을 첨가하여 20mL의 반응 수용액(reaction mixture)을 제조하였다. 상기 반응 수용액을 37℃, 150rpm에서 1시간 동안 반응시켜 베타-갈락토시다제를 전처리하였다.10 mM (v / v) beta-galactosidase (Sigma, USA) derived from Kluyveromyces lactis and 100 mM lactose in 100 mM phosphate buffer (pH 7.2) 20 mL of reaction mixture was prepared by the addition. The reaction aqueous solution was reacted at 37 DEG C and 150 rpm for 1 hour to pre-treat beta-galactosidase.

4. 마이크로 반응기에 베타-4. Beta-in micro reactor 갈락토시다제의Galactosidase 고정화 Immobilization

상기 마이크로 반응기에 베타-갈락토시다아제의 고정화를 위하여, 마이크로 반응기 내부에 15%(v/v) 3-아미노프로필트리에톡시실란((3-aminopropyl)triethoxysilane)의 아세톤(acetone) 용액을 50℃에서 2시간 동안 분당 50㎕의 유속으로 주입시키고, 이후 증류수를 25℃에서 1시간 동안 분당 50㎕의 유속으로 주입하여 세척하였다.For immobilization of beta-galactosidase in the microreactor, an acetone solution of 15% (v / v) 3-aminopropyltriethoxysilane was added to the inside of the microreactor. Injected at a flow rate of 50 µl per minute for 2 hours at ℃, and then washed by distilled water was injected at a flow rate of 50 µl per minute for 1 hour at 25 ℃.

기능화된 다중벽 탄소나노튜브 용액 10mL 및 상기 전처리된 베타-갈락토시다제 용액 10mL를 혼합한 용액에 0.05M의 N-(3-디메틸아미노프로필)-N'-에틸카보디이미드 하이드로클로라이드(N-(3-dimethylaminopropyl)-N’-ethylcarbodiimide hydrochloride, EDC·HCl)를 첨가하여 4℃에서 8시간 동안 반응시켰다. To a solution of 10 mL of a functionalized multi-walled carbon nanotube solution and 10 mL of the pretreated beta-galactosidase solution, 0.05 M of N- (3-dimethylaminopropyl) -N'-ethylcarbodiimide hydrochloride (N -(3-dimethylaminopropyl) -N'-ethylcarbodiimide hydrochloride (EDC-HCl) was added and reacted at 4 ° C for 8 hours.

상기 마이크로 반응기 내부로 상기 혼합된 용액을 20℃에서 12시간 동안 분당 5㎕의 유속으로 주입시켰고, 이후 100mM 인산완충용액(pH 7.2)을 25℃에서 1시간 동안 분당 50㎕의 유속으로 주입하여 마이크로 반응기 내부를 세척하여, 마이크로 반응기에 베타-갈락토시다제를 고정시켰다.The mixed solution was injected into the micro reactor at a flow rate of 5 μl / min for 12 hours at 20 ° C., followed by injection of 100 mM phosphate buffer solution (pH 7.2) at a flow rate of 50 μl / min for 1 hour at 25 ° C. The reactor interior was washed to fix beta-galactosidase in the micro reactor.

5. 5. 유청Whey 내 함유된  Contained 유당용액의Of lactose solution 제조 Produce

건조된 유청(시그마사, 미국) 200g을 50mM 인산 완충용액(pH 7.5) 100mL에 혼합하고, 혼합된 용액을 10,000rpm에서 20분간 원심분리 하였다. 상등액을 새로운 비이커에 옮기고, pH 7.5로 조절하였다. 산도를 조절한 용액을 다시 10,000rpm에서 20분간 원심분리 하여 상등액, 즉 락툴로오스 합성을 위한 유당용액(20%, w/v)을 제조하였다. 200 g of dried whey (Sigma, USA) was mixed with 100 mL of 50 mM phosphate buffer (pH 7.5), and the mixed solution was centrifuged at 10,000 rpm for 20 minutes. The supernatant was transferred to a new beaker and adjusted to pH 7.5. The acidity-adjusted solution was again centrifuged at 10,000 rpm for 20 minutes to prepare a supernatant, that is, a lactose solution (20%, w / v) for lactulose synthesis.

6. 마이크로 반응기를 포함하는 마이크로 반응 시스템6. Micro Reaction System Including Micro Reactor

도 2는 마이크로 반응기를 포함하는 마이크로 반응 시스템에 관한 모식도이다. 도 2에서 나타낸 바와 같이, 마이크로 반응 시스템은 주사기 펌프(syringe pump), 마이크로 반응기 및 항온수조(water bath)를 포함하고, 상기 마이크로 반응기 내로 유입되는 모든 유체의 흐름은 주사기 펌프에 의하여 일정하게 유지될 수 있으며, 마이크로 반응기의 온도 조절은 항온수조에 의하여 조절할 수 있다. 2 is a schematic diagram of a micro reaction system including a micro reactor. As shown in FIG. 2, the micro reaction system includes a syringe pump, a micro reactor and a water bath, and the flow of all the fluid entering the micro reactor is maintained constant by the syringe pump. And, the temperature control of the micro reactor can be controlled by a constant temperature water bath.

<< 실험예Experimental Example 1: 마이크로 반응기의 표면분석> 1: Surface Analysis of Micro Reactors>

상기 실시예 1의 마이크로 반응기 표면에 베타-갈락토시다제의 고정화 전후의 모습을 전계방사형주사전자현미경(Field emission scanning electron microscope, FE-SEM)을 사용하여 관찰하였다. 관찰 결과 도 3 및 4에 나타낸 바와 같이, 기능화된 다중벽 탄소 나노튜브가 베타-갈락토시다제에 의하여 덮임으로써 마이크로 채널 표면의 거칠기(roughness)가 현저히 감소하였고, 이를 통하여, 마이크로 반응기의 표면에 베타-갈락토시다제가 고정화되었음을 확인하였다. Before and after immobilization of the beta-galactosidase on the surface of the microreactor of Example 1 was observed using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM). As shown in FIGS. 3 and 4, the functionalized multi-walled carbon nanotubes were covered with beta-galactosidase to significantly reduce the roughness of the surface of the microchannels, thereby reducing the surface of the microreactor. It was confirmed that beta-galactosidase was immobilized.

<< 실험예Experimental Example 2: 유속의 변화가  2: change in flow rate 락툴로오스Lactuloses 합성에 미치는 영향> Effect on synthesis>

마이크로 반응기에서 연속적인 락툴로오스의 합성을 위하여, 상기 실시예 1에서 제조된 20%(w/v) 유당용액에 20%(w/v) 과당을 첨가하여 기질용액을 제조하였다. For continuous synthesis of lactulose in a micro-reactor, 20% (w / v) fructose was added to the 20% (w / v) lactose solution prepared in Example 1 to prepare a substrate solution.

상기 기질용액은 47℃에서 각각 분당 1.0, 2.5, 5.0, 7.5 및 10.0㎕의 유속으로 마이크로반응기 내부로 주입되어 락툴로오스 합성반응을 수행하였다. The substrate solution was injected into the microreactor at flow rates of 1.0, 2.5, 5.0, 7.5 and 10.0 μl per minute at 47 ° C. to perform lactulose synthesis.

이때, 반응기질인 유당 및 과당과 산물인 글루코오스, 갈락토오스 및 락툴로오스의 농도는 고성능액체크로마토그래피(high-performance liquid chromatography; HPLC)를 이용하여 측정하였다. 고성능 탄수화물 컬럼(High performance carbohydrate column, 4.6 mm×250 mm, Waters Co., 미국)과 굴절율 검출기(RI detector)를 사용하였고, 컬럼오븐(column oven)의 온도와 이동상의 유속은 각각 35℃, 분당 1.4mL이었으며, 이동상은 아세토니트릴(acetonitrile) 대비 초순수(deionized water)의 비율이 8:2(v/v)인 용액을 제조하여 사용하였다.At this time, the concentrations of the lactose, fructose and fructose, and the products of glucose, galactose and lactulose were measured using high-performance liquid chromatography (HPLC). A high performance carbohydrate column (4.6 mm x 250 mm, Waters Co., USA) and a refractive index detector (RI detector) were used. The temperature of the column oven and the flow rate of the mobile phase were 35 ° C, And the mobile phase was prepared by using a solution having a ratio of deionized water to acetonitrile of 8: 2 (v / v).

그 결과, 도 5에서 보는 바와 같이, 합성된 락툴로오스는 유속의 증가에 따라 점차 감소되었다. 이를 통해 마이크로 반응기 내에 기질의 체류시간이 길어질수록 수율이 우수함을 알 수 있었다.As a result, as shown in FIG. 5, the synthesized lactulose gradually decreased with increasing flow rate. As a result, the longer the residence time of the substrate in the micro reactor, the better the yield.

<< 실험예Experimental Example 3: 효소 마이크로반응기의 장기 조업이 기질소모 및 산물생성에 미치는 영향> 3: Effect of long-term operation of enzyme microreactor on substrate consumption and product production>

상기 실시예 1의 마이크로반응기에서 연속적인 락툴로오스의 합성을 위하여 20%(w/v) 유당용액 및 20%(w/v) 과당을 혼합한 기질용액을 제조하였고, 상기 기질을 분당 1.0 ㎕ 유속으로 47℃ 온도에서 48시간 동안 락툴로오스 합성반응을 수행하였으며, 유당, 과당, 글루코오스, 갈락토오스 그리고 락툴로오스의 농도를 측정하였다. A substrate solution was prepared in which 20% (w / v) lactose solution and 20% (w / v) fructose were mixed for continuous synthesis of lactulose in the microreactor of Example 1, and the substrate was 1.0 μl / min. Lactulose synthesis was performed for 48 hours at 47 ° C. at a flow rate, and the concentrations of lactose, fructose, glucose, galactose and lactulose were measured.

그 결과, 도 6에서 보는 바와 같이, 반응기질인 유당 및 과당은 가수분해반응 및 당전이반응에 의하여 농도가 감소한 반면, 가수분해반응물 및 최종반응산물인 글루코오스, 갈락토오스 및 락툴로오스는 농도가 증가하였다. As a result, as shown in FIG. 6, the concentrations of the lactose and fructose, which are reactive substances, were decreased by the hydrolysis reaction and the sugar transfer reaction, whereas the concentrations of glucose, galactose, and lactulose which were hydrolyzate and the final reaction product were increased. It was.

따라서, 마이크로 반응기는 48시간 동안 매우 안정적으로 운전되었음을 확인할 수 있었고, 평균 1.29 g/L의 락툴로오스 합성을 나타내었다. Therefore, it was confirmed that the micro reactor was operated very stably for 48 hours, and showed an average of 1.29 g / L lactulose synthesis.

이를 통하여 베타-갈락토시다제가 고정화된 효소 마이크로반응기를 이용하여 유청 내 함유된 유당으로부터 연속적으로 락툴로오스가 합성될 수 있음을 확인할 수 있었다. Through this, it was confirmed that lactulose can be continuously synthesized from lactose contained in whey using an enzyme microreactor immobilized with beta-galactosidase.

11: 마이크로 반응기 111: 주입부
112: 배출부 113: 마이크로 채널
114: 월(wall) 12: 주사기 펌프
13: 항온수조 14: 반응 생성물
11: micro reactor 111: injection section
112: outlet 113: micro channel
114: wall 12: syringe pump
13: constant temperature water bath 14: reaction product

Claims (6)

유청 및 과당을 포함하는 기질이 반응하는 베타-갈락토시다제가 다중벽 탄소 나노튜브를 연결기로 하여 고정화된 락툴로오스 합성용 마이크로 반응기.A micro-reactor for lactulose synthesis, in which beta-galactosidase to which a substrate including whey and fructose is reacted is immobilized using a multi-walled carbon nanotube as a linkage. 청구항 1에 있어서, 상기 유청은 유당을 10 내지 30%(w/v)으로 포함하는 것을 특징으로 하는 락툴로오스 합성용 마이크로 반응기.The micro-reactor for lactulose synthesis of claim 1, wherein the whey contains 10 to 30% (w / v) of lactose. 베타-갈락토시다제, 완충용액 및 유당을 포함하는 반응 수용액을 제조하는 단계;
상기 반응 수용액 및 다중벽 탄소 나노튜브를 포함하는 용액을 마이크로 반응기에 주입하여 상기 베타-갈락토시다제를 상기 마이크로 반응기에 고정시키는 단계; 및
유청 및 과당을 포함하는 기질을 상기 마이크로 반응기에 주입하여 반응시키는 단계를 포함하는 락툴로오스 생산 방법.
Preparing an aqueous reaction solution comprising beta-galactosidase, a buffer solution and a lactose;
Fixing the beta-galactosidase to the microreactor by injecting a solution containing the reaction aqueous solution and multi-walled carbon nanotubes into a microreactor; And
Lactulose production method comprising the step of reacting the substrate containing whey and fructose into the micro reactor.
청구항 3에 있어서, 상기 유청은 유당을 10 내지 30%(w/v)으로 포함하는 것을 특징으로 하는 락룰로오스 생산 방법.4. The method of claim 3, wherein the whey comprises lactose of 10 to 30% (w / v). 청구항 3에 있어서, 상기 기질을 마이크로 반응기에 주입하여 반응시키는 단계는 37 내지 57℃ 온도조건에서 반응되는 것을 특징으로 하는 락툴로오스 생산 방법.The method of claim 3, wherein the step of injecting the substrate into the micro reactor to react the reaction at 37 to 57 ℃ temperature conditions. 청구항 3에 있어서, 상기 기질을 마이크로 반응기에 0.1 내지 20㎕/분 속도로 주입하는 것을 특징으로 하는 락툴로오스 생산 방법.The method of claim 3, wherein the substrate is injected into the micro reactor at a rate of 0.1 to 20μl / min.
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