KR102468425B1 - Synthesis method of magnetic rice straw for lipase immobilization and esterification reaction using lipase immobilized on magnetic rice straw - Google Patents

Synthesis method of magnetic rice straw for lipase immobilization and esterification reaction using lipase immobilized on magnetic rice straw Download PDF

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Abstract

본 발명은 리파아제 고정화용 자성 볏짚 합성 방법 및 자성 볏짚에 고정화한 리파아제를 이용한 에스테르화 반응에 관한 것으로, 본 발명에 의해 제조된 자성 볏짚은 고정될 효소의 반응성, 안정성 및 재사용성에 유리한 구조적 형태를 가지며, 이러한 자성 볏짚에 고정화된 효소는 우수한 고정화 효율을 나타냈으며, 안정성 및 재사용성을 나타낼뿐만 아니라, 초상자성 잠재력을 가지고 있어 지방산 메틸 에스테르 생산에 반복적으로 사용될 수 있으므로, 장기간 활성을 안정적으로 유지할 수 있으며, 기질과 쉽게 분리가 가능하고, 재생이 용이한 효과가 있다.The present invention relates to a method for synthesizing magnetic rice straw for immobilizing lipase and an esterification reaction using the lipase immobilized on magnetic rice straw. , The enzyme immobilized on these magnetic rice straws showed excellent immobilization efficiency, showed stability and reusability, and had superparamagnetic potential, so it could be used repeatedly in the production of fatty acid methyl esters, so it could stably maintain its activity for a long period of time, , it can be easily separated from the substrate and has the effect of facilitating regeneration.

Description

리파아제 고정화용 자성 볏짚 합성 방법 및 자성 볏짚에 고정화한 리파아제를 이용한 에스테르화 반응{Synthesis method of magnetic rice straw for lipase immobilization and esterification reaction using lipase immobilized on magnetic rice straw}Synthesis method of magnetic rice straw for lipase immobilization and esterification reaction using lipase immobilized on magnetic rice straw}

본 발명은 효소 고정화를 위한 자성 볏짚 및 이의 원스텝 열수 합성 방법에 관한 것으로, 원스텝 열수 합성 방법을 이용한 자성 볏짚 제조 방법, 이러한 방법에 따라 제조된 자성 볏짚에 리파아제를 고정화 하는 방법 및 상기 방법으로 제조된 자성 볏짚에 고정화된 리파아제를 이용하여 지방산 메틸 에스테르를 생산하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to magnetic rice straw for enzyme immobilization and a one-step hydrothermal synthesis method thereof, a method for manufacturing magnetic rice straw using the one-step hydrothermal synthesis method, a method for immobilizing lipase on magnetic rice straw prepared according to the method, and a method for immobilizing lipase produced by the method It relates to a method for producing fatty acid methyl esters using lipase immobilized on magnetic rice straw.

바이오매스로부터 처리된 셀룰로오스를 포도당으로 전환하기 위해서 지금까지 효소를 많이 이용하지만 효소의 가격 하락에도 불구하고 국내 공정에 적용하기에는 높은 가격, 낮은 처리 속도 등의 단점을 가지고 있어 연속식 공정을 위한 새로운 인공 가수분해 효소 개발이 필요한 실정이다. 바이오연료 생산 촉매인 가수분해 효소제와 에탄올화를 위한 발효촉매의 개발이 주로 대사경로의 재설계를 중심으로 이루어진다면, 또 다른 방향의 연구개발은 투입되는 바이오매스의 최적화 형질전환 혹은 새로운 최적 바이오매스의 발굴이고, 마지막 방법이 효소고정화 기술이라고 할 수 있다. 효소고정화의 기본개념은 효소를 이용한 생물화학공정의 효소의 활용기술에 관한 분야로서 효소의 생물학적 활성을 개량하는 기술 분야와 그 활성을 안정화시키고 경제적으로 활용하는 기술 분야로 구분할 수 있는데 전자는 유전공학적인 방향으로 연구가 진행되는데 비하여 후자는 고정화법을 중심으로 발전되어 왔다. 효소를 고정화시키는 중요한 목적은 효소를 쉽게 회수하여 재이용할 수 있기 때문에 효소 반응공정의 경제성을 높여줄 수 있으며, 반응양식을 회분식 또는 연속식으로 다양하게 적용할 수 있다는 데 있다. 즉, 효소는 그 본질상 수용성이기 때문에 반복 사용이 곤란한 문제점이 있는데, 효소의 수용성을 제거할 수 있다면 부산물과의 혼합, 분리정제의 어려움, 약한 안정성과 같은 문제를 쉽게 해결할 수 있기 때문이다. 이러한 이유로 어떤 단백질 원료를 쓰는가에 따라 친수성, 소수성이 나타날 수 있고, 이러한 특성으로 인해 효소 작용의 효율이 변화하게 된다. 또한 대개의 효소 고정기술이나 인트랩먼트 기술의 경우 효소 구조의 변형을 가져와서 궁극적으로 수율에 영향을 미치게 된다. 따라서 자연 효소를 생물화학 공정에서 효과적으로 이용하기 위해서는 효소를 고정화 시켜야 하는데, 일반적인 효소의 고정화 방법은 물리적 흡착방법 또는 화학적 방법이다.Enzymes have been widely used so far to convert cellulose processed from biomass into glucose, but despite the decrease in the price of enzymes, they have disadvantages such as high price and low processing speed to be applied to domestic processes. There is a need to develop hydrolytic enzymes. If the development of hydrolysis enzymes and fermentation catalysts for ethanolization, which are biofuel production catalysts, is mainly centered on the redesign of metabolic pathways, research and development in another direction is optimized transformation of input biomass or new optimal biomass discovery, and the last method can be called enzyme immobilization technology. The basic concept of enzyme immobilization is the field of enzyme utilization technology in biochemical processes using enzymes. It can be divided into the technology field of improving the biological activity of enzymes and the technology field of stabilizing and economically utilizing the activity. The former is genetic engineering. While research is progressing in a specific direction, the latter has been developed centering on the fixation method. An important purpose of immobilizing the enzyme is that the enzyme can be easily recovered and reused, so that the economic efficiency of the enzyme reaction process can be increased, and the reaction mode can be applied in a variety of batch or continuous ways. That is, since enzymes are inherently water-soluble, there is a problem in that repeated use is difficult. If the water-solubility of enzymes can be removed, problems such as mixing with by-products, difficulty in separation and purification, and weak stability can be easily solved. For this reason, depending on which protein raw material is used, hydrophilicity and hydrophobicity may appear, and due to these characteristics, the efficiency of enzyme action changes. In addition, in the case of most enzyme fixation technologies or entrapment technologies, the enzyme structure is modified, ultimately affecting the yield. Therefore, in order to effectively use natural enzymes in biochemical processes, enzymes must be immobilized, and general enzyme immobilization methods are physical adsorption methods or chemical methods.

상기 물리적 흡착방법은 주로 이온 교환(ionexchange) 방법을 이용하는데, 상기 이온 교환 방법은 비독성이라는 장점이 있으나 그 결합력이 약하다는 문제점이 있다. 또한, 상기 화학적 방법은 화학 반응에 의해 공유결합을 형성시켜 효소를 고정시키기 위하여 시약을 사용하는 것으로, 상기 방법은 가교 결합력이 강하기는 하지만 상기 효소의 고정화를 위해 사용하는 시약이 독성이 있기 때문에 식품 또는 의약 관련 산업에는 사용하기가 힘들다는 단점이 있다. 이와 같이 산업적으로 이용되는 효소들 중 리파아제는 에스테르화, 가수분해 및 중합반응 등을 포함하는 다양한 반응을 촉매하는 산업적으로 중요한 효소이며, 식품, 바이오디젤, 세제, 의약품, 피혁, 섬유 및 화장품과 같은 다양한 제품의 산업적 제조에서 사용되어 왔다 (Houde A, Kademi A, Leblanc D (2004). Appl Biochem Biotechnol 118:155-170.). 그러나, 이의 높은 가격, 일부 환경 조건에서의 낮은 안정성 및 비-재사용성 때문에, 리파아제의 산업에서의 대규모 적용이 어려운 실정이다.The physical adsorption method mainly uses an ion exchange method. The ion exchange method has the advantage of being non-toxic, but has a problem in that its binding force is weak. In addition, the chemical method uses a reagent to immobilize the enzyme by forming a covalent bond through a chemical reaction. Although the cross-linking force is strong, the reagent used for immobilization of the enzyme is toxic. Or, it has a disadvantage that it is difficult to use in the pharmaceutical industry. Among these industrially used enzymes, lipase is an industrially important enzyme that catalyzes various reactions including esterification, hydrolysis, and polymerization. It has been used in the industrial manufacture of various products (Houde A, Kademi A, Leblanc D (2004). Appl Biochem Biotechnol 118:155-170.). However, because of its high price, low stability under some environmental conditions and non-reusability, large-scale industrial application of lipase is difficult.

볏짚(rice straw; RS)은 전 세계적으로 가장 큰 잉여 가용성을 가진 공급 원료이다. 벼는 100 개국에서 자라며 매년 수백만 톤의 볏짚이 생산된다. 생산된 볏짚의 50 % 이상이 소의 사료 또는 목재 산업에 사용된다. 나머지 볏짚은 부적절하게 처리되고 있으며, 이는 연소되어 일산화탄소, 휘발성 유기 화합물 및 부유 입자 물질과 함께 아산화 질소와 같은 위험한 가스를 생성한다. 환경에 주는 심각한 피해를 감소시키기 위하여 생산된 볏짚을 효율적으로 관리하여 부가가치 제품을 생성해야 하는 필요성이 대두되고 있다. Rice straw (RS) is the feedstock with the largest surplus availability worldwide. Rice is grown in 100 countries, producing millions of tonnes of rice straw each year. More than 50% of the rice straw produced is used for cattle feed or for the timber industry. The remaining rice straw is improperly processed, which burns to produce dangerous gases such as nitrous oxide along with carbon monoxide, volatile organic compounds and suspended particulate matter. In order to reduce serious damage to the environment, the need to efficiently manage the produced rice straw to produce value-added products is emerging.

기존에 에탄올 생산시 전체 세포 고정화를 위해 볏짚이 사용된 바 있다. 볏짚은 발효 가능한 당으로 쉽게 전환될 수 있는 높은 수준의 셀룰로스 및 헤미셀룰로스 물질을 포함하고 있기 때문에 바이오 에탄올 생산을 위한 리그노셀룰로스 바이오매스로 사용되는 여러 보고가 있다. 볏짚은 바이오 에탄올 생산에 광범위하게 활용되었지만, 효소 고정화를 위한 리그노셀룰로스 바이오매스 사용 및 바이오 디젤 생산에 대한 연구는 거의 또는 전혀 수행된 바 없다.In the past, rice straw has been used for whole cell immobilization in ethanol production. Because rice straw contains high levels of cellulose and hemicellulose materials that can be easily converted into fermentable sugars, there are several reports of rice straw being used as lignocellulosic biomass for bioethanol production. Although rice straw has been extensively utilized for bioethanol production, little or no research has been conducted on the use of lignocellulosic biomass for enzyme immobilization and biodiesel production.

리파아제는 에스테르화, 에스테르 교환, 아미노 분해 및 알코올 분해 반응을 촉매하는 가장 많이 연구되고 산업적으로 활용되는 효소로서, 대부분의 리파아제 기질은 수성 매체에 불용성이다. 따라서 이러한 효소는 반응을 수행하기 위해 유기 용매가 필요하며 소수성 환경에서 더 효율적으로 작동할 수 있다. 유리 및 고정된 형태의 리파아제는 광범위한 선택성과 특이성뿐만 아니라 화학 선택성, 위치 선택성 및 거울상 선택성 때문에 제약, 세제, 약물 및 바이오 디젤 산업에서 널리 사용된다. 최근 연구에서는 알킬 레불리네이트 및 글리세롤 탄산염과 같은 다양한 산업적으로 중요한 화합물의 합성이 보고되었다(Du et al., 2018; Zhou et al., 2018). 고정화 리파아제는 식품 샘플, 주스 음료 및 혈청에서 트리글리세리드를 쉽고 빠르게 검출할 수있는 바이오 센서를 개발하는데도 사용되었다(D. Sharma, 2011).Lipases are the most studied and industrially utilized enzymes that catalyze esterification, transesterification, aminolysis and alcoholysis reactions, and most lipase substrates are insoluble in aqueous media. Therefore, these enzymes require organic solvents to carry out their reactions and can operate more efficiently in a hydrophobic environment. Lipases in free and immobilized forms are widely used in the pharmaceutical, detergent, drug and biodiesel industries because of their wide range of selectivity and specificity, as well as chemoselectivity, regioselectivity and enantioselectivity. Recent studies have reported the synthesis of various industrially important compounds such as alkyl levulinates and glycerol carbonates (Du et al., 2018; Zhou et al., 2018). Immobilized lipase has also been used to develop biosensors that can easily and rapidly detect triglycerides in food samples, juice beverages and serum (D. Sharma, 2011).

본 출원인들은 합성 비용을 줄이고 효과적인 지지체를 준비하기 위해 효소 고정화를 위한 자성 볏짚을 제조하는 방법을 연구하던 중, 경제적이고 강력하며 간단한 원스텝 열수 합성방법을 개발하고 본 발명을 완성하였다. The present applicants developed an economical, powerful and simple one-step hydrothermal synthesis method and completed the present invention while studying a method of manufacturing magnetic rice straw for enzyme immobilization in order to reduce synthesis cost and prepare an effective scaffold.

본 발명의 목적은 효소 고정화를 위한 자성 볏짚(magnetic rice straw) 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a magnetic rice straw for enzyme immobilization and a manufacturing method thereof.

본 발명의 다른 목적은 자성 볏짚에 효소를 고정화하는 방법 및 자성 볏짚에 고정화된 효소를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for immobilizing an enzyme on magnetic rice straw and an enzyme immobilized on magnetic rice straw.

본 발명의 또 다른 목적은 효소를 이용하여 지방산 알킬 에스테르를 생산하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing a fatty acid alkyl ester using an enzyme.

상기 목적을 달성하기 위하여, In order to achieve the above purpose,

본 발명은 볏짚(rice straw)에 Fe2+ 이온을 첨가하고 열수처리(hydrothermal treatment)하는 단계;를 포함하는 자성 볏짚(magnetic rice straw) 제조방법을 제공한다.The present invention provides a magnetic rice straw manufacturing method comprising the steps of adding Fe 2+ ions to rice straw and subjecting the rice straw to hydrothermal treatment.

또한 본 발명은 상기 제조방법을 통해 제조된, 효소 고정화를 위한 자성 볏짚을 제공한다.In addition, the present invention provides magnetic rice straw for enzyme immobilization, which is manufactured through the above manufacturing method.

나아가, 본 발명은 상기 자성 볏짚을 글루타르알데히드(glutaraldehyde)로 기능화하는 단계; 및 상기 기능화한 자성 볏짚을 효소와 혼합하고 효소를 고정화하는 단계;를 포함하는, 자성 볏짚에 효소를 고정화하는 방법을 제공한다. Furthermore, the present invention comprises the steps of functionalizing the magnetic rice straw with glutaraldehyde; and mixing the functionalized magnetic rice straw with an enzyme and immobilizing the enzyme.

또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 자성 볏짚에 고정화된 효소를 제공한다.In addition, the present invention provides an enzyme immobilized on the magnetic rice straw prepared by the above method.

더 나아가, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 자성 볏짚에 고정화된 효소를 유지 및 알코올과 혼합하여 에스테르화 반응시키는 단계를 포함하는, 지방산 알킬 에스테르를 생산하는 방법을 제공한다.Furthermore, the present invention provides a method for producing a fatty acid alkyl ester comprising the step of performing an esterification reaction by mixing the enzyme immobilized on the magnetic rice straw prepared by the above method with oil and alcohol.

본 발명은 열수합성법을 이용하여 원-스텝(one-step)으로 자성 볏짚 제조가 가능하고, 본 발명에 의해 제조된 자성 볏짚은 고정될 효소의 반응성, 안정성 및 재사용성에 유리한 구조적 형태를 가지며, 이를 지지체로 이용하여 자성볏짚에 고정화된 효소는 우수한 고정화 효율을 나타냈으며, 안정성 및 재사용성을 나타낼뿐만 아니라, 초상자성 잠재력을 가지고 있어 지방산 메틸 에스테르 생산에 반복적으로 사용될 수 있으므로, 장기간 활성을 안정적으로 유지할 수 있으며, 기질과 쉽게 분리가 가능하고, 재생이 용이한 효과가 있다.The present invention can produce magnetic rice straw in one-step using a hydrothermal synthesis method, and the magnetic rice straw produced according to the present invention has a structural form advantageous to the reactivity, stability and reusability of the enzyme to be fixed, which The enzyme immobilized on magnetic rice straw using a support showed excellent immobilization efficiency, stability and reusability, and has superparamagnetic potential, so it can be used repeatedly for fatty acid methyl ester production, so it can stably maintain its activity for a long period of time. It can be easily separated from the substrate and has the effect of facilitating regeneration.

도 1은 MRS 생성 및 표면에 리파아제 고정화를 개략적으로 나타낸 도이다.
도 2는 RS 지지체의 자기적 특성 및 표면적을 나타낸 것으로, A) MRS의 자기 특성에 대한 VSM 분석; 및 B) MRS, HT@RS 및 RS에 대한 표면적 분석을 나타낸 도이다.
도 3은 자유 및 고정화된 리파아제의 생화학적 특성을 나타낸 것으로, 초기 리파아제 농도가 증가함에 따라 (A) RS 및 (B) MRS에 의한 리파아제 로딩(mg g-1) 및 활성 회복 (%)(mg ml-1); 유리 리파아제 및 MRS에 고정화된 리파아제의 활성에 대한 (C) 온도 및 (D) pH의 영향을 나타낸 도이다.
도 4는 MRS에 고정화된 리파아제의 안정성 및 재사용성을 나타낸 것으로, A) 4 ℃, B) 25 ℃ 및 C) 70 ℃에서 유리 리파아제 및 MRS에 고정화된 리파아제의 상대 활성; 및 D) 표준 분석 조건 하에서 10회 반복 사이클 동안 50℃에서 p-NPP의 가수 분해에서 RS에 고정화된 리파아제 및 MRS에 고정화된 리파아제의 재사용성을 나타낸 도이다.
도 5는 고정화된 리파아제의 에스테르화 반응 수율 및 재사용성을 나타낸 것으로, (A) FAME 수율, (B) 45 ℃에서 대두유의 메탄올 분해에 의한 FAME 생산시 MRS에 고정화된 리파아제 및 RS에 고정화된 리파아제의 반복 사용을 나타낸 도이다.
1 is a schematic diagram of MRS generation and immobilization of lipase on the surface.
Figure 2 shows the magnetic properties and surface area of the RS support, A) VSM analysis of the magnetic properties of the MRS; and B) a diagram showing surface area analysis for MRS, HT@RS and RS.
Figure 3 shows the biochemical characteristics of free and immobilized lipase, as the initial lipase concentration increases (A) RS and (B) lipase loading (mg g -1 ) and activity recovery (%) by MRS (mg ml -1 ); It is a diagram showing the effect of (C) temperature and (D) pH on the activity of free lipase and lipase immobilized on MRS.
Figure 4 shows the stability and reusability of MRS-immobilized lipase, A) 4 ℃, B) 25 ℃ and C) relative activity of free lipase and MRS-immobilized lipase at 70 ℃; and D) reusability of RS-immobilized lipase and MRS-immobilized lipase in hydrolysis of p-NPP at 50° C. for 10 repeated cycles under standard assay conditions.
Figure 5 shows the esterification reaction yield and reusability of immobilized lipase, (A) FAME yield, (B) MRS-immobilized lipase and RS-immobilized lipase during FAME production by methanolysis of soybean oil at 45 ° C. It is a diagram showing the repeated use of

이하 본 발명에 대하여 자세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 효소 고정화를 위한 자성 볏짚의 원스텝 열수 합성 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a one-step hydrothermal synthesis method of magnetic rice straw for enzyme immobilization.

본 발명은, 볏짚(rice straw)에 Fe2+ 이온을 첨가하고 열수처리(hydrothermal treatment)하는 단계;를 포함하는 자성 볏짚(magnetic rice straw) 제조방법을 제공한다.The present invention provides a magnetic rice straw manufacturing method comprising the steps of adding Fe 2+ ions to rice straw and subjecting the rice straw to hydrothermal treatment.

본 발명의 자성 볏짚 제조방법에 있어서, 상기 Fe2+ 이온은 질산철(Fe(NO3)2), 황산철(FeSO4), 염화철(FeCl2), 브롬화철(FeBr2) 및 요오드화철(FeI2)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 용액을 통해 첨가되는 것일 수 있다. 바람직하게는 질산철(Fe(NO3)2) 용액을 통해 첨가될 수 있다.In the magnetic rice straw manufacturing method of the present invention, the Fe 2+ ions are iron nitrate (Fe(NO 3 ) 2 ), iron sulfate (FeSO 4 ), iron chloride (FeCl 2 ), iron bromide (FeBr 2 ) and iron iodide ( FeI 2 ) may be added through one or more solutions selected from the group consisting of. Preferably, iron nitrate (Fe(NO 3 ) 2 ) may be added through a solution.

본 발명의 자성 볏짚 제조방법에 있어서, 상기 열수처리 전에, Fe2+ 이온이 첨가된 볏짚 혼합물을 초음파 처리하여 20 내지 30시간 동안 유지시키는 것일 수 있다. 상기 "유지"는 초음파 처리된 볏짚 및 Fe2+ 이온 혼합물을 그대로 방치함으로써, 상기 볏짚에 Fe2+ 이온이 충분히 스며들(soaked) 수 있도록 놔두는 것을 의미하는 것일 수 있다.In the magnetic rice straw manufacturing method of the present invention, before the hot water treatment, the rice straw mixture to which Fe 2+ ions are added may be ultrasonically treated and maintained for 20 to 30 hours. The "maintenance" may mean leaving the sonicated rice straw and the Fe 2+ ion mixture as it is, allowing the rice straw to be sufficiently soaked with Fe 2+ ions.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 초음파 처리는 1 내지 5시간 수행되는 것일 수 있고, 바람직하게는 1 내지 3시간 수행되는 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the ultrasonic treatment may be performed for 1 to 5 hours, preferably 1 to 3 hours.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 열수처리 전에, 상기 혼합물로부터 Fe2+ 이온이 스며든 볏짚을 분리 및 세척하여 느슨하게 결합된 Fe2+ 이온을 제거하는 과정을 추가로 수행하는 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, before the hydrothermal treatment, a process of removing loosely bound Fe 2+ ions by separating and washing rice straw impregnated with Fe 2+ ions from the mixture may be additionally performed.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 열수처리는 암모늄 수용액 내에서 수행되는 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the hydrothermal treatment may be performed in an ammonium aqueous solution.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 열수처리는 바람직하게는 160 내지 200 ℃에서 3 내지 10 시간 동안 수행될 수 있으며, 더 바람직하게는 170 내지 190℃에서 4 내지 6 시간 동안 수행될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the hydrothermal treatment may be preferably carried out at 160 to 200 ° C for 3 to 10 hours, more preferably at 170 to 190 ° C for 4 to 6 hours.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 열수처리하는 단계 이후, 열수처리된 볏짚을 여과하여 반응액에서 분리하고 건조시키는 단계;를 더 포함할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, after the step of hydrothermal treatment, the step of filtering the hydrothermal treated rice straw to separate from the reaction solution and drying it; may be further included.

본 발명의 일실시예에 따르면, 건조된 자성 볏짚은 100 ℃에서 가열 후 리파아제 고정에 사용할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the dried magnetic rice straw can be used for fixing lipase after heating at 100 °C.

본 발명의 일실시예에서는 볏짚에 수성 Fe(NO3)2 용액 첨가하고 초음파 처리 후 현탁액 상태의 상기 Fe(NO3)2가 첨가된 볏짚 혼합 용액을 24시간 동안 그대로 두었다. 그 다음 용액으로부터 Fe2+ 이온이 스며든(soaked) 볏짚을 여과하여 분리하고, 분리된 볏짚을 암모늄 수용액 내에서 180℃에서 5시간 동안 열수처리한 후 분리 및 세척하여 자성 볏짚을 수득하였다.In one embodiment of the present invention, an aqueous Fe(NO 3 ) 2 solution was added to rice straw, and after ultrasonic treatment, the rice straw mixture solution to which Fe(NO 3 ) 2 was added in suspension was left as it was for 24 hours. Then, rice straw soaked with Fe 2+ ions from the solution was separated by filtration, and the separated rice straw was subjected to hydrothermal treatment in an ammonium aqueous solution at 180 ° C. for 5 hours, and then separated and washed to obtain magnetic rice straw.

또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조된, 효소 고정화를 위한 자성 볏짚을 제공한다.In addition, the present invention provides a magnetic rice straw for enzyme immobilization prepared by the above method.

본 발명의 효소 고정화를 위한 자성 볏짚에 있어서, 상기 효소는 바람직하게는 리파아제(lipase)일 수 있으나, 이에 한정하지 않는다.In the magnetic rice straw for enzyme immobilization of the present invention, the enzyme may preferably be lipase, but is not limited thereto.

본 발명에 따른 방법으로 제조된 자성 볏짚은, 상기 열수처리를 통해 수산화철이 자성 나노 입자로 전환될 뿐만 아니라 바이오 매스 가수분해에 영향을 미쳐 볏짚 바이오 매스에서 헤미셀룰로오스와 일부 리그닌이 제거되면서 표면에 기공이 생성되므로, 표면을 증가시켜 효소 고정을 위한 부착 부위의 형성으로 이어짐에 따라, 효소 단백질에 대한 자성 볏짚 표면적의 접근성이 향상되는 효과가 나타나는 것일 수 있다.In the magnetic rice straw prepared by the method according to the present invention, iron hydroxide is not only converted into magnetic nanoparticles through the hydrothermal treatment, but also affects biomass hydrolysis, so that hemicellulose and some lignin are removed from the rice straw biomass, and pores are formed on the surface. Therefore, as the surface is increased, leading to the formation of an attachment site for fixing the enzyme, the accessibility of the magnetic rice straw surface area to the enzyme protein may be improved.

나아가, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 자성 볏짚을 글루타르알데히드(glutaraldehyde)로 기능화하는 단계; 및Furthermore, the present invention comprises the steps of functionalizing the magnetic rice straw prepared by the above method with glutaraldehyde; and

상기 기능화한 자성 볏짚을 효소와 혼합하고 효소를 고정화하는 단계;를 포함하는, 자성 볏짚에 효소를 고정화하는 방법을 제공한다.It provides a method for immobilizing the enzyme on the magnetic rice straw, including mixing the functionalized magnetic rice straw with the enzyme and immobilizing the enzyme.

본 발명의 효소는 자성 볏짚을 지지체(support)로 하여, 글루타르알데히드 교차결합 (Glutaraldehyde cross-linking)을 통해 자성 볏짚에 고정화(immobilized) 되는 것일 수 있다.The enzyme of the present invention may be immobilized on magnetic rice straw through glutaraldehyde cross-linking using magnetic rice straw as a support.

본 발명의 자성 볏짚에 효소를 고정화하는 방법에 있어서, 상기 효소는 리파아제(lipase)일 수 있으나, 이에 한정하지 않는다.In the method of immobilizing an enzyme on magnetic rice straw of the present invention, the enzyme may be lipase, but is not limited thereto.

본 발명의 자성 볏짚에 효소를 고정화하는 방법에 있어서, 상기 자성 볏짚은 글루타르알데히드(glutaraldehyde)에 의해 기능적으로 활성화(functionally activated, 기능화) 될 수 있다. 상기 기능화는 자성 볏짚을 글루타르알데히드를 포함하는 완충액에 현탁 및 반응시킴으로써 수행되는 것일 수 있고, 일반적으로 글루타르알데히드 기능화를 위해 알려진 방법을 이용하여 수행되는 것일 수 있다. 상기 글루타르알데히드는 상기 완충액 부피를 기준으로 0.1-5% v/v, 바람직하게는 1% v/v 포함되는 것일 수 있고, 상기 완충액은 인산염 완충액인 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 또한, 자성 볏짚의 기능화가 완료되면 원심분리에 의해 기능화된 자성 볏짚을 회수하고 인산 완충액으로 세척하여 과량의 글루타알데히드를 제거하는 과정을 더 포함하는 것일 수 있다.In the method of immobilizing an enzyme on magnetic rice straw of the present invention, the magnetic rice straw may be functionally activated by glutaraldehyde. The functionalization may be performed by suspending and reacting magnetic rice straw in a buffer containing glutaraldehyde, and may be performed using a method generally known for glutaraldehyde functionalization. The glutaraldehyde may be contained in 0.1-5% v/v, preferably 1% v/v based on the volume of the buffer, and the buffer may be a phosphate buffer, but is not limited thereto. In addition, when the functionalization of the magnetic rice straw is completed, the functionalized magnetic rice straw may be recovered by centrifugation and washed with a phosphate buffer to remove excess glutaraldehyde.

본 발명의 자성 볏짚에 효소를 고정화하는 방법에 있어서, 상기 효소를 고정화하는 단계는 1 내지 10℃에서 1 내지 10시간 동안 수행되는 것일 수 있고, 바람직하게는 3 내지 5℃에서 3 내지 6시간 동안 수행되는 것일 수 있다.In the method of immobilizing the enzyme on the magnetic rice straw of the present invention, the step of immobilizing the enzyme may be performed at 1 to 10 ° C for 1 to 10 hours, preferably at 3 to 5 ° C for 3 to 6 hours may be performed.

본 발명의 자성 볏짚에 효소를 고정화하는 방법에 있어서, 상기 효소를 고정화하는 단계는 pH 5.0 내지 11.0에서 수행되는 것일 수 있고, 바람직하게는 pH 7.0 내지 10.0에서 수행되는 것일 수 있다. 보다 바람직하게는 pH 7.5 내지 9.5에서 수행되는 것일 수 있으며, 상기 범위의 pH에서 고정화 효율이 다른 pH 조건보다 우수하게 나타날 수 있다. 보다 더 바람직하게는 pH 8.0 내지 9.0인 것일 수 있다.In the method of immobilizing the enzyme on the magnetic rice straw of the present invention, the step of immobilizing the enzyme may be performed at pH 5.0 to 11.0, preferably at pH 7.0 to 10.0. More preferably, it may be carried out at pH 7.5 to 9.5, and the immobilization efficiency at a pH in the above range may be better than other pH conditions. More preferably, it may be pH 8.0 to 9.0.

본 발명의 자성 볏짚에 효소를 고정화하는 방법에 있어서, 상기 효소를 고정화하는 단계는 완충 용액 내에서 이루어지는 것일 수 있다. 상기 완충 용액은 특별히 제한되지는 않으며, 본 발명의 일실시예에서는 Tris-HCL 완충 용액을 사용하였다.In the method of immobilizing the enzyme on the magnetic rice straw of the present invention, the step of immobilizing the enzyme may be performed in a buffer solution. The buffer solution is not particularly limited, and a Tris-HCL buffer solution was used in one embodiment of the present invention.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 효소는 완충 용액 부피를 기준으로 0.5 내지 1.5 중량%(w/v) 혼합되는 것일 수 있고, 바람직하게는 1.8 내지 1.2 중량%(w/v) 혼합되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.According to one embodiment of the present invention, the enzyme may be mixed at 0.5 to 1.5% by weight (w / v) based on the volume of the buffer solution, preferably 1.8 to 1.2% by weight (w / v). It may, but is not limited thereto.

또한, 본 발명은 상기 자성 볏짚에 효소를 고정화하는 방법으로 제조된 자성 볏짚에 고정화된 효소를 제공한다.In addition, the present invention provides an enzyme immobilized on the magnetic rice straw prepared by the method of immobilizing the enzyme on the magnetic rice straw.

본 발명의 자성 볏짚에 고정화된 효소에 있어서, 상기 효소는 리파아제인 것일 수 있으나, 이에 한정하지 않는다.In the enzyme immobilized on the magnetic rice straw of the present invention, the enzyme may be lipase, but is not limited thereto.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 자성 볏짚에 고정화된 효소의 최적 효소 활성 온도는 45 내지 75℃인 것일 수 있다. 상기 범위보다 낮거나 높은 온도 조건에서는 자성 볏짚에 고정화된 효소의 활성이 감소될 수 있다. 보다 바람직하게는 46 내지 65℃일 수 있고, 상기 범위의 온도에서 효소 활성이 다른 온도 조건보다 우수하게 나타날 수 있으며, 48 내지 53℃인 경우가 가장 바람직하다.According to one embodiment of the present invention, the optimum enzyme activity temperature of the enzyme immobilized on the magnetic rice straw may be 45 to 75 ° C. In a temperature condition lower or higher than the above range, the activity of the enzyme immobilized on the magnetic rice straw may be reduced. More preferably, it may be 46 to 65 ° C., and enzyme activity may be exhibited better than other temperature conditions at a temperature in the above range, and the case of 48 to 53 ° C. is most preferable.

본 발명의 일실시예에서는 p-NPP를 기질로 이용하여 자성 볏짚에 고정화된 리파아제의 상대적 효소 활성을 평가한 결과, 45 내지 75℃ 온도 범위 외의 조건에서는 효소 활성이 80% 이하로 감소된 것을 확인하였고, 46 내지 65℃에서 90% 이상의 리파아제 활성을 나타내는 것을 확인하였으며, 48 내지 53℃의 범위, 특히 50℃가 효소 활성이 가장 우수하게 나타날 수 있는 최적 조건임을 확인하였다(실험예 3 참조).In one embodiment of the present invention, as a result of evaluating the relative enzyme activity of lipase immobilized on magnetic rice straw using p-NPP as a substrate, it was confirmed that the enzyme activity was reduced to 80% or less under conditions outside the temperature range of 45 to 75 ° C. It was confirmed that 90% or more of the lipase activity was exhibited at 46 to 65 ° C, and it was confirmed that the range of 48 to 53 ° C, in particular, 50 ° C was the optimal condition for the best enzyme activity (see Experimental Example 3).

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 자성 볏짚에 고정화된 효소의 최적 효소 활성 pH는 7.0 내지 10.0인 것일 수 있다. 상기 범위보다 낮거나 높은 pH 조건에서는 자성 볏짚에 고정화된 효소의 활성이 감소될 수 있다. 보다 바람직하게는 pH 7.5 내지 9.5일 수 있고, 상기 범위의 pH에서 효소 활성이 다른 pH 조건보다 우수하게 나타날 수 있으며, pH 8.3 내지 8.8인 경우가 가장 바람직하다.According to one embodiment of the present invention, the optimal enzyme activity pH of the enzyme immobilized on the magnetic rice straw may be 7.0 to 10.0. In pH conditions lower or higher than the above range, the activity of the enzyme immobilized on the magnetic rice straw may be reduced. More preferably, it may be pH 7.5 to 9.5, and the enzyme activity may be shown to be superior to other pH conditions at a pH in the above range, and the case of pH 8.3 to 8.8 is most preferable.

본 발명의 일실시예에서는 p-NPP를 기질로 이용하여 자성 볏짚에 고정화된 리파아제의 상대적 효소 활성을 평가한 결과, pH 7.0 내지 10.0 범위 외의 조건에서는 효소 활성이 80% 이하로 감소된 것을 확인하였고, pH 7.5 내지 9.5에서 90% 이상의 리파아제 활성을 나타내는 것을 확인하였으며, pH 8.5-9.0의 범위, 특히 pH 8.5가 효소 활성이 가장 우수하게 나타날 수 있는 최적 조건임을 확인하였다(실험예 3 참조).In one embodiment of the present invention, as a result of evaluating the relative enzyme activity of lipase immobilized on magnetic rice straw using p-NPP as a substrate, it was confirmed that the enzyme activity was reduced to 80% or less under conditions outside the pH range of 7.0 to 10.0. , It was confirmed that more than 90% of lipase activity was exhibited at pH 7.5 to 9.5, and it was confirmed that the range of pH 8.5-9.0, particularly pH 8.5, is the optimal condition for the best enzyme activity (see Experimental Example 3).

본 발명의 상기 자성 볏짚에 고정화된 효소는 10회 이상 반복적으로 재사용이 가능한 것일 수 있다.The enzyme immobilized on the magnetic rice straw of the present invention may be reusable repeatedly more than 10 times.

본 발명의 일실시예에서는 본 발명에 따른 방법으로 자성 볏짚에 고정화된 리파아제 효소가 다른 지지체 또는 고정화 방법으로 고정화된 리파아제 또는 고정화되지 않은 리파아제(유리 세포)보다 고정화 효율, 안정성 및/또는 재사용성이 우수함을 확인하였다(실시예 4 참조).In one embodiment of the present invention, the lipase enzyme immobilized on magnetic rice straw by the method according to the present invention has higher immobilization efficiency, stability and/or reusability than lipase immobilized by other supports or immobilization methods or non-immobilized lipase (free cells). It was confirmed that it was excellent (see Example 4).

더 나아가, 본 발명은 상기 자성 볏짚에 효소를 고정화하는 방법으로 제조된 자성 볏짚에 고정화된 효소를 유지(oil) 및 알코올과 혼합하여 에스테르화 반응시키는 단계를 포함하는, 지방산 알킬 에스테르를 생산하는 방법을 제공한다.Furthermore, the present invention is a method for producing a fatty acid alkyl ester comprising the step of esterifying the enzyme immobilized on the magnetic rice straw prepared by immobilizing the enzyme on the magnetic rice straw with oil and alcohol provides

본 발명의 지방산 알킬 에스테르를 생산하는 방법에 있어서, 상기 유지는 식물성 오일, 동물성 지방 또는 폐유를 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 유지는 대두유, 올리브유, 야자유, 해바라기유, 어유, 폐식용유 등을 사용하는 것일 수 있고, 바람직하게는 대두유(soybean oil)를 사용하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.In the method for producing the fatty acid alkyl ester of the present invention, the oil may be characterized in that it contains vegetable oil, animal fat or waste oil. For example, the oil may be soybean oil, olive oil, palm oil, sunflower oil, fish oil, waste cooking oil, etc., preferably soybean oil, but is not limited thereto.

본 발명의 지방산 알킬 에스테르를 생산하는 방법에 있어서, 상기 알코올은 메탄올, 에탄올, 프로판올, n-부탄올, 이소-부탄올, tert-부탄올 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 것일 수 있다. 바람직하게는 메탄올 또는 에탄올인 것일 수 있고, 더 바람직하게는 메탄올인 것일 수 있다.In the method for producing the fatty acid alkyl ester of the present invention, the alcohol may be selected from the group consisting of methanol, ethanol, propanol, n-butanol, iso-butanol, tert-butanol, and combinations thereof. It may be preferably methanol or ethanol, more preferably methanol.

본 발명의 지방산 알킬 에스테르를 생산하는 방법에 있어서, 상기 유지 및 알코올은 1:3 내지 1:10의 몰비로 혼합될 수 있고, 바람직하게는 1:5 내지 1:7의 몰비로 혼합될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.In the method for producing the fatty acid alkyl ester of the present invention, the oil and alcohol may be mixed in a molar ratio of 1:3 to 1:10, preferably in a molar ratio of 1:5 to 1:7, , but is not limited thereto.

본 발명의 지방산 알킬 에스테르를 생산하는 방법에 있어서, 효소는 알코올 중량 대비 1 내지 20 중량% 혼합하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.In the method for producing a fatty acid alkyl ester of the present invention, the enzyme may be mixed in an amount of 1 to 20% by weight based on the weight of alcohol, but is not limited thereto.

본 발명의 지방산 알킬 에스테르를 생산하는 방법에 있어서, 상기 지방산은 올레산(oleic acid), 리놀레산(linoleic acid), 팔미트산(palmitic acid), 스테아린산(stearic acid), 피놀렌산(pinolenic acid), 미리스트산(myristic acid), 카프릴산(caprylic acid) 및 카프르산(capric acid)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In the method for producing the fatty acid alkyl ester of the present invention, the fatty acid is oleic acid, linoleic acid, palmitic acid, stearic acid, pinolenic acid, It may be at least one selected from the group consisting of myristic acid, caprylic acid, and capric acid, but is not limited thereto.

본 발명의 지방산 알킬 에스테르를 생산하는 방법에 있어서, 상기 지방산 알킬 에스테르는 바람직하게는 지방산 메틸 에스테르인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In the method for producing a fatty acid alkyl ester of the present invention, the fatty acid alkyl ester may preferably be a fatty acid methyl ester, but is not limited thereto.

본 발명의 지방산 알킬 에스테르를 생산하는 방법에 있어서, 상기 에스테르화 반응은 1 내지 80℃에서 수행되는 것일 수 있고, 바람직하게는 45 내지 75℃의 온도에서 진행되는 것일 수 있다. 상기 범위보다 낮거나 높은 온도 조건에서 에스테르화 반응을 수행할 경우, 효소 활성이 감소하여 지방산 알킬 에스테르 수율이 저하될 수 있다. 보다 바람직하게는 46 내지 65℃에서 수행되는 것일 수 있으며, 상기 범위의 온도에서 효소 활성 및 지방상 알킬 에스테르 수율이 다른 온도 조건보다 우수하게 나타날 수 있다. 보다 더 바람직하게는 48 내지 55℃에서 수행되는 것일 수 있고, 48 내지 53℃에서 수행되는 것이 가장 바람직하다.In the method for producing a fatty acid alkyl ester of the present invention, the esterification reaction may be carried out at 1 to 80 ° C, preferably at a temperature of 45 to 75 ° C. When the esterification reaction is performed under a temperature condition lower than or higher than the above range, the enzyme activity may be reduced and thus the yield of fatty acid alkyl ester may be lowered. More preferably, it may be carried out at 46 to 65 ° C., and at a temperature in the above range, enzyme activity and fatty alkyl ester yield may be better than other temperature conditions. More preferably, it may be performed at 48 to 55 ° C, and most preferably at 48 to 53 ° C.

본 발명의 지방산 알킬 에스테르를 생산하는 방법에 있어서, 상기 에스테르화 반응은 pH 5.0 내지 11.0에서 수행되는 것일 수 있고, 바람직하게는 pH 7.0 내지 10.0에서 수행되는 것일 수 있다. 상기 범위보다 낮거나 높은 pH 조건에서 에스테르화 반응을 수행할 경우, 효소 활성이 감소하여 지방산 알킬 에스테르 수율이 저하될 수 있다. 보다 바람직하게는 pH 7.5 내지 9.5에서 수행되는 것일 수 있으며, 상기 범위의 pH에서 효소 활성 및 지방상 알킬 에스테르 수율이 다른 pH 조건보다 우수하게 나타날 수 있다. 보다 더 바람직하게는 pH 8.5 내지 9.0에서 수행되는 것일 수 있고, pH 8.3 내지 8.8에서 수행되는 것이 가장 바람직하다.In the method for producing the fatty acid alkyl ester of the present invention, the esterification reaction may be performed at pH 5.0 to 11.0, preferably pH 7.0 to 10.0. When the esterification reaction is performed under pH conditions lower than or higher than the above range, the enzyme activity may be reduced, resulting in a decrease in yield of fatty acid alkyl esters. More preferably, it may be carried out at pH 7.5 to 9.5, and at a pH in the above range, enzyme activity and yield of fatty alkyl esters may be superior to other pH conditions. More preferably, it may be performed at pH 8.5 to 9.0, and most preferably performed at pH 8.3 to 8.8.

본 발명의 일실시예에서는 본 발명에 따른 자성 볏짚에 고정화된 리파아제를 이용하여 대두유를 기질로서 첨가한 메탄올:오일(6:1) 및 물(10% w/w)의 혼합물에서 48시간 동안 에스테르화 반응을 수행한 결과, 일반 천연 볏짚에 고정화된 리파아제를 이용하는 경우보다 지방산 메틸 에스테르(FAME) 수율이 우수함을 확인하였으며, 재사용성도 현저히 우수하게 유지됨을 확인하였다(실시예 5 참조).In one embodiment of the present invention, using the lipase immobilized on magnetic rice straw according to the present invention, soybean oil was added as a substrate to methanol: oil (6: 1) and water (10% w / w) in a mixture of ester for 48 hours As a result of the reaction, it was confirmed that the yield of fatty acid methyl ester (FAME) was superior to that of lipase immobilized in general natural rice straw, and the reusability was remarkably maintained (see Example 5).

본 발명의 지방산 알킬 에스테르를 생산하는 방법에 있어서, 상기 자성 볏짚에 고정화된 효소는 지방산 알킬 에스테르 생산에 재사용이 가능한 것일 수 있고, 바람직하게는 10회 이상 반복적으로 재사용이 가능한 것일 수 있다.In the method for producing fatty acid alkyl esters of the present invention, the enzyme immobilized on the magnetic rice straw may be reusable for production of fatty acid alkyl esters, and preferably may be repeatedly reused 10 or more times.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구현예로 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 다만, 하기 구현예는 본 발명에 대한 예시로 제시되는 것으로, 당업자에게 주지 저명한 기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 수 있고, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않는다. 본 발명은 후술하는 특허청구범위의 기재 및 그로부터 해석되는 균등 범주 내에서 다양한 변형 및 응용이 가능하다.Hereinafter, the present invention will be described in detail as an embodiment of the present invention with reference to the accompanying drawings. However, the following embodiments are presented as examples of the present invention, and if it is determined that detailed descriptions of well-known techniques or configurations may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed descriptions may be omitted. , the present invention is not limited thereby. Various modifications and applications of the present invention are possible within the scope of the claims described below and equivalents interpreted therefrom.

또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In addition, the terms used in this specification (terminology) are terms used to appropriately express preferred embodiments of the present invention, which may vary according to the intention of a user or operator or customs in the field to which the present invention belongs. Therefore, definitions of these terms will have to be made based on the content throughout this specification. Throughout the specification, when a certain component is said to "include", it means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated.

달리 정의되지 않는 한, 본원에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 분야의 당업자가 통상적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본원에 기술된 것들과 유사하거나 등가인 임의의 방법 및 재료가 본 발명을 테스트하기 위한 실행에서 사용될 수 있지만, 바람직한 재료 및 방법이 본원에서 기술된다.Unless defined otherwise, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Although any methods and materials similar or equivalent to those described herein can be used in the practice for testing the present invention, the preferred materials and methods are described herein.

본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미로 사용된다. 또한 본 명세서에는 바람직한 방법이나 시료가 기재되나, 이와 유사하거나 동등한 것들도 본 발명의 범주에 포함된다. 본 명세서에 참고문헌으로 기재되는 모든 간행물의 내용은 본 발명에 통합된다.All technical terms used in the present invention, unless defined otherwise, are used with the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art related to the present invention. In addition, although preferred methods or samples are described in this specification, those similar or equivalent thereto are also included in the scope of the present invention. The contents of all publications incorporated herein by reference are incorporated herein by reference.

준비예 1. 실험 준비Preparation Example 1. Experiment preparation

모든 화학 물질은 분석 등급(AG)이었으며 추가 정제없이 사용되었다.All chemicals were of analytical grade (AG) and used without further purification.

써모마이세스 라누기노수스(Thermomyces lanuginosus) 유래 리파아제(lipase, 21.6mg mL-1)를 Lipozyme® TL IM 액체 제제 (Novozymes, Bagsværd, Denmark)로 구입하고, 검 아카시아(gum acacia), n-헥산(n-hexane), 2-프로판올(2-propanol), p-니트로페놀(p-nitrophenol) 및 p-니트로페놀 팔미테이트(p-nitrophenol palmitate)는 Sigma-Aldrich (St. Louis, USA)에서 구입하였다. Bradford 시약 및 단백질 분석 키트는 Bio-Rad (Hercules, USA)에서 구입하였다.Lipase (21.6 mg mL -1 ) from Thermomyces lanuginosus was purchased as Lipozyme ® TL IM liquid formulation (Novozymes, Bagsværd, Denmark), gum acacia, n-hexane ( n -hexane), 2-propanol, p -nitrophenol, and p - nitrophenol palmitate were purchased from Sigma-Aldrich (St. Louis, USA). did Bradford reagents and protein assay kits were purchased from Bio-Rad (Hercules, USA).

실시예 1. 자성 볏짚 제조 및 효소 고정화Example 1. Preparation of magnetic rice straw and immobilization of enzyme

1-1. 자성 볏짚(MRS) 합성1-1. Synthesis of magnetic rice straw (MRS)

천연 볏짚(rice straw; RS)(1g)을 2시간 동안 이중 증류수(DW)로 세척하였다. 상기 세척된 RS에 0.25 M 수성 Fe(NO3)2를 첨가하고 혼합물을 2시간 동안 초음파 처리하였다. 초음파 처리 후, 현탁액을 24시간 동안 그대로 두었다. 이어서 현탁액을 여과하여 Fe(NO3)2 용액에서 볏짚을 분리하고 DW로 2회 더 세척하여 느슨하게 결합된 Fe2+ 이온을 제거하였다. Fe2+ 이온이 스며든(soaked) 볏짚을 pH 11의 암모늄 수용액에 담근 후 100 mL-Teflon 반응기로 옮겨 180℃에서 5시간 동안 열수 처리(hydrothermal treatment)하였다. 반응 후 열수처리된 볏짚을 여과하여 반응액에서 분리하고 DW와 에탄올로 3회 세척한 다음, 건조하여 자성 볏짚(magnetic rice straw; MRS)을 수득하였다. 건조된 MRS를 100℃에서 2시간 동안 가열하고 리파아제 고정에 사용하였다. MRS 생성을 개략적으로 도 1에 나타내었다.Natural rice straw (RS) (1 g) was washed with double distilled water (DW) for 2 hours. 0.25 M aqueous Fe(NO 3 ) 2 was added to the washed RS and the mixture was sonicated for 2 hours. After sonication, the suspension was allowed to stand for 24 hours. Subsequently, the rice straw was separated from the Fe(NO 3 ) 2 solution by filtering the suspension, and washed twice more with DW to remove loosely bound Fe 2+ ions. Rice straw soaked with Fe 2+ ions was immersed in an ammonium aqueous solution of pH 11, transferred to a 100 mL-Teflon reactor, and subjected to hydrothermal treatment at 180° C. for 5 hours. After the reaction, the hydrothermal treated rice straw was separated from the reaction solution by filtration, washed three times with DW and ethanol, and dried to obtain magnetic rice straw (MRS). The dried MRS was heated at 100° C. for 2 hours and used for lipase immobilization. MRS generation is schematically shown in FIG. 1 .

도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 열수 전처리는 수산화철을 자성 나노 입자로 전환했을뿐만 아니라 바이오 매스 가수분해에 영향을 미쳐 RS 바이오 매스에서 헤미셀룰로오스와 일부 리그닌을 제거하였다. 압력 하에서 가열하면 효소 부착을 위한 표면적의 접근성이 향상되었다.As shown in Fig. 1, the hydrothermal pretreatment not only converted iron hydroxide into magnetic nanoparticles but also affected biomass hydrolysis to remove hemicellulose and some lignin from RS biomass. Heating under pressure improved the accessibility of the surface area for enzyme attachment.

1-2. 볏집 고정화 효소의 제조1-2. Preparation of rice paddy immobilized enzyme

리파아제 효소 고정화를 위해, 100mg의 RS 및 MRS(실시예 1-1)를 최적화된 농도의 글루타르알데히드(glutaraldehyde)로 기능화하였다. 글루타르알데히드로 기능화한 볏짚(RS) 및 자성 볏짚(MRS)을 각각 GRS 및 GMRS로 표기하였다.For immobilization of the lipase enzyme, 100 mg of RS and MRS (Example 1-1) were functionalized with an optimized concentration of glutaraldehyde. Rice straw (RS) functionalized with glutaraldehyde and magnetic rice straw (MRS) were labeled as GRS and GMRS, respectively.

RS 또는 GMRS (10mg)를 1mL의 Tris-HCL 완충 용액(50mM, pH 8.5)에서 리파아제(1mg 단백질)와 혼합하고, 4℃에서 60rpm으로 교반하면서 4시간 동안 배양하였다. 볏짚에 효소가 흡착된 후 입자를 4℃에서 15분 동안 10,000rpm으로 원심 분리하였다. 세척된 용액의 단백질 농도는 브래드포드(Bradford) 방법으로 결정하였다. 리파아제 고정화를 개략적으로 도 1에 나타내었다.RS or GMRS (10 mg) was mixed with lipase (1 mg protein) in 1 mL of Tris-HCL buffer solution (50 mM, pH 8.5) and incubated for 4 hours at 4°C with agitation at 60 rpm. After the enzyme was adsorbed on the rice straw, the particles were centrifuged at 10,000 rpm for 15 minutes at 4°C. The protein concentration of the washed solution was determined by the Bradford method. Lipase immobilization is schematically shown in FIG. 1 .

실시예 2. 자성 볏짚 및 이에 고정화 된 효소의 특성 확인Example 2. Confirmation of characteristics of magnetic rice straw and enzymes immobilized therein

2-1. 자성 볏짚의 자기적 특성 확인2-1. Identification of magnetic properties of magnetic rice straw

실시예 1-1의 MRS의 자기적 특성은 VSM(vibrating sample magnetometry)을 사용하여 확인하였으며, 이를 도 2A에 나타내었다.The magnetic properties of the MRS of Example 1-1 were confirmed using vibrating sample magnetometry (VSM), which is shown in FIG. 2A.

도 2A에 나타낸 바와 같이, 변형된 RS가 초상자성 거동을 나타냄을 확인하였으며, 자기 포화 값이 27.32 emu g-1인 MRS의 자기 특성을 나타내었다. 일반적인 자기 히스테리시스 곡선은 보자력 및 잔류값이 0인 상태에서 얻어졌으며 이는 준비된 MRS의 초상자성 특성을 나타낸다. 도 2A에 삽입된 이미지는 외부 영구 자석의 유무에 따른 MRS의 사진 이미지를 보여 주며, 자석을 향한 MRS의 움직임을 통해 자기적 특성이 있음을 나타내었다. 고정화된 효소의 재사용성은 경제적인 처리를 위한 필수 요건이며 입자의 자기적 특성은 회수를 용이하게 하므로, 상기와 같은 결과를 통해 MRS에 고정화된 효소의 재사용 가능성을 확인하였다.As shown in FIG. 2A, it was confirmed that the modified RS exhibited superparamagnetic behavior, and the magnetic saturation value of 27.32 emu g -1 showed magnetic properties of the MRS. A typical magnetic hysteresis curve was obtained with zero coercive force and residual value, indicating the superparamagnetic properties of the prepared MRS. The inserted image in Fig. 2A shows photographic images of the MRS with and without an external permanent magnet, indicating that there are magnetic properties through the movement of the MRS toward the magnet. Since reusability of the immobilized enzyme is an essential requirement for economical treatment and the magnetic properties of the particles facilitate recovery, the reusability of the enzyme immobilized on the MRS was confirmed through the above results.

또한, RS에 대한 자성 나노 입자 변형의 효과를 확인하기 위하여, TriStar 3000 (Micromeritics, Norcross, USA)을 이용하여 Brunauer-Emmett-Teller(BET) 분석을 통해 천연 볏짚(MRS), 열수처리된 볏짚(HT@RS) 및 자성 볏짚(MRS) 각각의 표면적과 기공 크기를 확인하였으며, 이를 하기 표 1 및 도 2B에 나타내었다. 이때, 상기 HT@RS는 Fe(NO3)2와 혼합하지 않고 열수처리만 수행한 볏짚(hydrothermal-treated rice straw)을 의미한다.In addition, in order to confirm the effect of magnetic nanoparticle modification on RS, natural rice straw (MRS) and hydrothermally treated rice straw ( HT@RS) and magnetic rice straw (MRS) were confirmed for their surface area and pore size, which are shown in Table 1 and FIG. 2B below. In this case, the HT@RS means hydrothermal-treated rice straw that is not mixed with Fe(NO 3 ) 2 but only hydrothermal-treated.

물질matter BET 표면적(m2 g-1)BET surface area (m 2 g -1 ) 기공 부피(cm3 g-1)Pore volume (cm 3 g -1 ) 표면 기공 직경 (nm)Surface pore diameter (nm) MRSMRS 103.2103.2 0.1970.197 21.6521.65 HT@RSHT@RS 46.7246.72 0.1710.171 11.0311.03 RSRS 23.2323.23 0.1210.121 2.112.11

표 1 및 도 2B에 나타난 바와 같이, RS는 2.11 nm의 기공 크기 및 23.23 m2 g-1의 표면적을 나타내었고, 자성 나노 입자 변형이 없는 HT@RS는 11.03 nm의 기공 직경을 갖는 46.72 m2 g-1의 표면적을 나타냈다. MRS에서는 자기 변형을 통해 표면적은 RS의 23.23m2 g-1에서 103.2 m2 g-1로 증가하였으며, 기공 직경은 2.11 nm에서 21.65nm로 증가하였다.As shown in Table 1 and Fig. 2B, RS exhibited a pore size of 2.11 nm and a surface area of 23.23 m 2 g -1 , and HT@RS without magnetic nanoparticle modification showed a pore size of 46.72 m 2 with a pore diameter of 11.03 nm. The surface area of g -1 is shown. In MRS, the surface area increased from 23.23 m 2 g -1 of RS to 103.2 m 2 g -1 through magnetostriction, and the pore diameter increased from 2.11 nm to 21.65 nm.

고온 및 고알칼리성 조건은 RS의 리그닌, 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스 백본을 용해시켜 표면에 기공을 생성하므로, 본 발명의 자성 나노 입자 변형은 RS 표면을 증가시킴으로써 MRS에 효소 고정을 위한 부착 부위를 형성시키는 것으로 판단된다.Since high temperature and high alkalinity conditions dissolve the lignin, cellulose and hemicellulose backbone of RS to create pores on the surface, it is believed that the modified magnetic nanoparticles of the present invention increase the surface of RS to form attachment sites for enzyme fixation on MRS. do.

2-2. 자성 볏짚에 고정화된 리파아제 효소의 생화학적 특성 확인2-2. Confirmation of biochemical characteristics of lipase enzyme immobilized on magnetic rice straw

상기 실시예 1-2에서 볏짚(RS) 및 자성 볏집(MRS)에 고정화된 리파아제의 특성을 확인하기 위하여, RS 및 MRS에 의한 효소 로딩 용량(enzyme loading capacity) 및 고정화 효율(immobilization efficiency)을 평가하였으며, 그 결과를 도 3A 및 3B에 나타내었다.In order to confirm the characteristics of lipase immobilized on rice straw (RS) and magnetic rice straw (MRS) in Example 1-2, enzyme loading capacity and immobilization efficiency by RS and MRS were evaluated And the results are shown in Figures 3A and 3B.

도 3A 및 3B에 나타낸 바와 같이, 지지체와 반응시키기 위한 완충 용액 1mL와 혼합되는 0.5, 0.75, 1.0, 1.25 및 1.5 mg mL-1의 초기 리파아제 농도를 고려할 때 RS의 최대 효소 로딩은 각각 지지체(RS) g당 15.3, 26.2, 41.6, 49.3 및 55.1 mg (15.3, 26.2, 41.6, 49.3, and 55.1 mg g-1 of support)이었고, MRS는 0.5, 0.75, 1.0, 1.25 및 1.5 mg mL-1의 초기 리파아제 농도에 대하여 각각 지지체(MRS) g당 26.4, 42.2, 91.3, 105 및 110 mg (26.4, 42.2, 91.3, 105, and 110 mg g-1 of support)의 효소 로딩 용량을 나타내었다. 여기서 리그닌의 존재는 RS에 소수성을 부여하고 가용성 단백질과의 활성 상호 작용을 억제하기 때문에 천연 RS와 효소 사이의 상호 작용이 MRS와 효소 사이의 상호 작용에 비해 약하다는 것을 알 수 있다.As shown in Figures 3A and 3B, when considering initial lipase concentrations of 0.5, 0.75, 1.0, 1.25, and 1.5 mg mL -1 mixed with 1 mL of buffer solution for reaction with the support, the maximum enzyme loading of RS is the support (RS), respectively. ) were 15.3, 26.2, 41.6, 49.3 and 55.1 mg per g (15.3, 26.2, 41.6, 49.3, and 55.1 mg g -1 of support), and MRS was 0.5, 0.75, 1.0, 1.25 and 1.5 mg mL -1 of initial Enzyme loading capacity of 26.4, 42.2, 91.3, 105 and 110 mg (26.4, 42.2, 91.3, 105, and 110 mg g -1 of support) per g of support (MRS) was shown for lipase concentration, respectively. Here, it can be seen that the interaction between native RS and enzyme is weak compared to that between MRS and enzyme, because the presence of lignin imparts hydrophobicity to RS and inhibits its active interaction with soluble proteins.

알칼리성 조건에서 자성 나노입자 합성에 사용되는 열수 처리는 리그닌과 RS의 일부를 용해시켜 친수성 성분(즉, 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스)을 노출시켰을뿐만 아니라 MRS 표면적을 증가시키고 가용성 리파아제와의 강한 상호 작용을 허용하였다. 이 결과는 최적의 조건에서 천연 RS에 비해 MRS에서 높은 단백질 부하를 나타낸다. 두 물질 모두에서 최대 로딩은 1mg mL-1의 효소 농도에서 관찰되었으며, RS와 MRS는 각각 단백질 로딩의 약 41 %와 90 %를 나타내었다. 효소 농도가 1.5mg mL-1로 더 증가함에 따라 단백질 로딩은 RS의 경우 36 %, MRS의 경우 73 %로 감소하였다.The hydrothermal treatment used for the synthesis of magnetic nanoparticles under alkaline conditions dissolved some of the lignin and RS, exposing the hydrophilic components (i.e., cellulose and hemicellulose) as well as increasing the MRS surface area and allowing strong interactions with soluble lipases. . This result indicates a higher protein load in MRS compared to native RS under optimal conditions. For both materials, maximum loading was observed at an enzyme concentration of 1 mg mL −1 , with RS and MRS representing approximately 41% and 90% of the protein loading, respectively. As the enzyme concentration was further increased to 1.5 mg mL-1, the protein loading decreased to 36% for RS and 73% for MRS.

또한, 유리 리파아제 및 MRS에 고정화된 리파아제의 활성에 대한 온도 및 pH의 영향을 확인하였다. 유리 리파아제 및 상기 1-2에서 제조한 자성 볏짚(MRS)에 고정화된 리파아제의 활성은 p-니트로페놀 팔미테이트(p-NPP, 10mM)를 기질로 사용하여 서로 다른 pH 값 (50mM, pH 7.0-11.0)의 완충액 및 30 내지 80℃ 범위의 온도에서 410nm에서 흡광도를 분광 광도계로 측정하여 이를 도 3C 및 3D에 나타내었다. 이때, 상기 완충액은 Phosphate-citrate 완충액 (pH 5.0 내지 8.0)와 Tris-HCl 완충액 (pH 8.5 내지 10.5)를 사용하여 최적의 pH를 결정하였다. 효소 활성은 국제 단위(IU)로 표현되며, 여기서 하나의 IU(1 unit)는 표준 분석 조건에서 분당 기질인 p-NPP가 1분 동안 1 μmol의 p-nitrophenol (pNP)을 생산하는데 관여하는 효소의 양으로 정의하였다.In addition, the effects of temperature and pH on the activity of free lipase and lipase immobilized on MRS were confirmed. The activities of free lipase and lipase immobilized on magnetic rice straw (MRS) prepared in 1-2 above were tested at different pH values (50 mM, pH 7.0- 11.0) and the absorbance at 410 nm at a temperature in the range of 30 to 80° C. was measured with a spectrophotometer and is shown in FIGS. 3C and 3D. At this time, the optimal pH of the buffer was determined using Phosphate-citrate buffer (pH 5.0 to 8.0) and Tris-HCl buffer (pH 8.5 to 10.5). Enzyme activity is expressed in international units (IU), where one IU (1 unit) is the enzyme involved in producing 1 μmol of p-nitrophenol (pNP) in 1 minute from the substrate p-NPP per minute under standard assay conditions. It was defined as the amount of

도 3C에 나타낸 바와 같이, 최적 온도는 표준 조건에서 50℃였으며 MRS에 고정화된 리파아제는 동일한 최적 온도를 요구하였다. MRS에 고정화된 효소는 80 ℃에서 초기 활성의 70 % 이상을 유지하면서 유리화된 효소에 비해 더 높은 열 안정성을 나타내었다. MRS에 고정화된 리파아제의 고온 내성은 MRS의 열수 처리 후 생성된 표면 구조의 변화로 인한 것일 수 있으며, 이는 고온에서 리파아제가 비활성화되는 것을 방지한다.As shown in Fig. 3C, the optimal temperature was 50 °C under standard conditions, and lipase immobilized on MRS required the same optimal temperature. The enzyme immobilized on the MRS exhibited higher thermal stability than the free enzyme while retaining more than 70% of the initial activity at 80 °C. The high-temperature resistance of lipase immobilized on MRS may be due to the change in surface structure produced after hydrothermal treatment of MRS, which prevents lipase from being inactivated at high temperature.

도 3D에 나타낸 바와 같이, 50 ℃에서 p-NPP에 대한 MRS에 고정화된 리파아제의 최적 pH는 8.5이었다. MRS에 고정화된 리파아제(Lipase@MRS)는 RS에 고정화된 리파아제보다 더 강한 알칼리성 조건에서 더 높은 안정성을 나타냈다.As shown in Figure 3D, the optimal pH of lipase immobilized in MRS for p-NPP at 50 °C was 8.5. MRS-immobilized lipase (Lipase@MRS) showed higher stability than RS-immobilized lipase under more alkaline conditions.

실시예 3. 자성 볏짚에 고정화된 리파아제의 안정성 및 재사용성 확인Example 3. Confirmation of stability and reusability of lipase immobilized on magnetic rice straw

효소 안정성은 표준 분석 조건 하에서 다양한 온도(25, 50 및 70℃)에서 유리 리파아제 및 MRS에 고정화된 리파아제를 배양하여 조사하였다. 잔류 활성을 측정하기 위하여 샘플을 정기적으로 수집하였다. 리파아제의 저장 안정성은 15일 동안 4℃, 25℃ 및 70℃에서 평가하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다.Enzyme stability was investigated by incubating free lipase and MRS-immobilized lipase at various temperatures (25, 50 and 70° C.) under standard assay conditions. Samples were collected regularly to determine residual activity. The storage stability of lipase was evaluated at 4°C, 25°C and 70°C for 15 days, and the results are shown in FIG. 4 .

도 4A에 나타낸 바와 같이, 30일 후 MRS에 고정화된 리파아제와 유리 리파아제의 상대적 활성은 4℃에서 각각 81 %와 42 %였으며, 이는 지지체가 불활성적으로 작용하여 효소가 펼쳐지지 않도록 보호하고 활성 형태를 유지함을 나타낸다. As shown in Fig. 4A, after 30 days, the relative activities of MRS-immobilized lipase and free lipase were 81% and 42%, respectively, at 4°C. indicates that the

도 4B에 나타낸 바와 같이, 25 ℃에서 유리 리파아제 및 MRS에 고정화된 리파아제의 안정성을 15일 동안 연구한 결과, MRS에 고정화된 리파아제는 유리 리파제에 비해 훨씬 더 높은 안정성을 보였으며, 저장 15일째에 초기 활성의 85 %를 유지하였다. 오일 가수 분해는 바이오 디젤 생산 과정에서 고온에서 수행되기 때문에 고정화된 리파아제의 열적 안정성이 필수적이다.As shown in Figure 4B, as a result of studying the stability of free lipase and MRS-immobilized lipase at 25 ° C for 15 days, MRS-immobilized lipase showed much higher stability than free lipase, and at 15 days of storage 85% of the initial activity was retained. Because oil hydrolysis is performed at high temperatures in biodiesel production, the thermal stability of immobilized lipase is essential.

도 4C에 나타낸 바와 같이, 70 ℃에서 MRS에 고정화된 리파아제는 210분 후에 초기 활성의 53 %를 유지한 반면, 유리 리파아제는 150분 후에 완전히 활성을 잃었다. MRS에 고정화된 리파아제의 높은 안정성은 지지체의 섬유질 특성과 견고한 결합, 침출 감소 및 열악한 환경 조건으로부터의 보호를 허용하는 지지체와 효소 간의 강력한 상호 작용 때문일 수 있다. 따라서 다양한 온도에서 수행된 안정성 연구는 다양한 산업 공정에서 MRS에 고정화된 리파아제의 잠재적인 사용을 뒷받침할 수 있다.As shown in Fig. 4C, lipase immobilized on MRS at 70 °C retained 53% of its initial activity after 210 min, whereas free lipase completely lost activity after 150 min. The high stability of the lipase immobilized on MRS may be due to the fibrous nature of the scaffold and the strong interaction between the scaffold and enzyme allowing for tight binding, reduced leaching and protection from harsh environmental conditions. Therefore, stability studies performed at various temperatures can support the potential use of MRS-immobilized lipases in various industrial processes.

또한, 고정화된 생물 촉매의 가장 중요한 장점 중 하나는 재사용 가능성이며 유리 효소는 재사용할 수 없다. 고정화된 리파아제의 재사용성은 표준 조건 하에서 p-NPP 산화 분석에 의해 10회 반복 주기(cycle) 사용에 대하여 평가하였으며, 그 결과를 상기 표 1 및 도 4D에 나타내었다.In addition, one of the most important advantages of immobilized biocatalysts is their reusability, free enzymes are not reusable. The reusability of the immobilized lipase was evaluated by p-NPP oxidation assay under standard conditions using 10 repeated cycles, and the results are shown in Table 1 and FIG. 4D.

도 4D에 나타낸 바와 같이, MRS에 고정화된 리파아제는 활성의 81 %를 유지 한 반면 RS에 고정화된 리파아제는 원래 활성의 45 %를 나타내었다. MRS에 고정화된 리파아제는 RS에 고정화된 리파아제보다 훨씬 더 안정적이며 반복된 주기 동안 효율적으로 재사용할 수 있다.As shown in Figure 4D, the lipase immobilized on MRS retained 81% of its activity, whereas the lipase immobilized on RS showed 45% of its original activity. MRS-immobilized lipase is much more stable than RS-immobilized lipase and can be reused efficiently over repeated cycles.

상기 실험을 통해 자기 변형이 없는 리파아제와 RS의 상호 작용은 셀룰로오스 물질에 리그닌이 존재하기 때문에 매우 약하다는 것이 입증되었으며, 이는 리그닌이 RS 소수성을 증가시키기 때문에 강한 상호 작용을 방해하였다.Through the above experiments, it was demonstrated that the interaction of RS with lipase without self-transformation was very weak due to the presence of lignin in the cellulosic material, which hindered the strong interaction because lignin increased RS hydrophobicity.

실시예 4. 다양한 지지체와 자성 볏짚의 리파아제 고정화 특성 비교Example 4. Comparison of Lipase Immobilization Characteristics of Various Supports and Magnetic Rice Straw

고정화 방법 및 다양한 지지체 사용에 따른 리파아제의 고정화에 대한 효소 로딩 및 고정화 효율을 기존의 문헌들에서 설명한 것과 비교하였으며, 그 결과를 표 2에 나타내었다.Enzyme loading and immobilization efficiency for immobilization of lipase according to the immobilization method and the use of various supports were compared with those described in the existing literature, and the results are shown in Table 2.

지지체 물질support material 효소 로딩 (mg g-1)Enzyme loading (mg g -1 ) 고정화 효율 (%)Immobilization efficiency (%) 고정화 방법immobilization method 10회 후 재사용율(%)Reuse rate after 10 times (%) 참조문헌References 키토산/폴리(비닐알코올)(PVA)Chitosan/Poly(vinyl alcohol) (PVA) 63.663.6 49.849.8 공유결합 (Covalent bonding)Covalent bonding 4646 (Huang et al., 2007)(Huang et al., 2007) 폴리(아크릴로니트릴-코-말레산)Poly(acrylonitrile-co-maleic acid) ~20~20 49.749.7 글루타르알데히드 교차결합 (Glutaraldehyde cross-linking)Glutaraldehyde cross-linking 5555 (Ye et al., 2006)(Ye et al., 2006) CNC@세균성 셀룰로오스(BC)CNC@Bacterial Cellulose (BC) 7.87.8 3535 EDC-NHS 교차결합 (EDC-NHS cross-linking)EDC-NHS cross-linking -- (Kim et al., 2015)(Kim et al., 2015) SiO2@Fe3O4 나노플라워SiO 2 @Fe 3 O 4 nanoflower 9393 6565 글루타르알데히드 교차결합 (Glutaraldehyde cross-linking)Glutaraldehyde cross-linking 4040 (Gao et al., 2017)(Gao et al., 2017) 키토산/나노셀룰로오스Chitosan/Nanocellulose 8181 76.376.3 Schiff의 염기 (Schiff's base)Schiff's base 4444 (Elias et al., 2018)(Elias et al., 2018) 볏짚(RS)Rice straw (RS) 41.641.6 85.385.3 글루타르알데히드 교차결합 (Glutaraldehyde cross-linking)Glutaraldehyde cross-linking 4545 본 발명the present invention 자성볏짚(MRS)Magnetic Rice Straw (MRS) 91.391.3 94.394.3 글루타르알데히드 교차결합 (Glutaraldehyde cross-linking)Glutaraldehyde cross-linking 8181 본 발명the present invention

표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명은 높은 효소 적재 능력과 고정화 효율로 리파아제 고정을 위한 지지 물질의 견고한 구조를 제공함을 알 수 있다. 또한, 재사용율 역시 다른 지지체를 이용한 경우보다 본 발명의 자성 볏짚을 이용한 경우에 현저하게 우수한 재사용성을 가짐을 확인하였다.As shown in Table 2, it can be seen that the present invention provides a solid structure of a support material for immobilizing lipase with high enzyme loading capacity and immobilization efficiency. In addition, it was confirmed that the reusability rate was significantly better when using the magnetic rice straw of the present invention than when using other supports.

한편, 이전 문헌에서 아민 기능화된 다중벽 탄소 나노 튜브(CNT) 결합 리파아제는 10회 반복 사용 후 원래 활성의 55 %를 유지하였으며(Verma et al., 2013), 7회 반복 사용 후 계란 흰자에 결합된 리파아제는 45 %를 유지하였다(Karimpil et al., 2011). Fe3O4 고정화된 키토산 자성 입자 복합체에 고정된 T. lanuginosus lipase는 10회 재사용 후 초기 활성의 70 %를 나타내었다(Wang et al., 2015). 본 발명은 이전에 제시된 기술과 비교할 때 재사용성에서 더 나은 성능을 나타내었다.On the other hand, the amine-functionalized multi-walled carbon nanotube (CNT) binding lipase in the previous literature maintained 55% of its original activity after 10 repeated uses (Verma et al., 2013), and bound to egg white after 7 repeated uses. Lipase was maintained at 45% (Karimpil et al., 2011). T. lanuginosus lipase immobilized on the Fe 3 O 4 immobilized chitosan magnetic particle complex showed 70% of the initial activity after being reused 10 times (Wang et al., 2015). The present invention exhibits better performance in reusability when compared to previously presented techniques.

실시예Example 5. 고정화된 리파아제의 에스테르화 반응 수율 및 재사용성5. Esterification reaction yield and reusability of immobilized lipase

바이오 디젤은 산업 및 차량에 사용할 수 있는 화석 연료의 대체 연료로 간주되고 있다. 따라서 바이오 디젤 생산에서 볏짚에 고정화된 리파아제의 사용 가능성을 평가하기 위하여, 48시간 동안 메탄올:오일(6:1)과 물(10% w/w)의 혼합물에서 에스테르화 반응을 수행하였다.Biodiesel is being considered as an alternative fuel to fossil fuels for use in industry and vehicles. Therefore, in order to evaluate the possibility of using rice straw immobilized lipase in biodiesel production, esterification was performed in a mixture of methanol:oil (6:1) and water (10% w/w) for 48 hours.

구체적으로, 에스테르화 반응을 위해 볏짚(RS 또는 MRS)에 고정된 리파아제 100mg과 대두유 0.5g (오일의 10wt%)을 45 ℃에서 다양한 농도의 물과 메탄올 혼합물에 첨가하였다. 메탄올은 에스테르화 반응의 초기 단계(시작점), 12 시간 및 24 시간의 세번 간격으로 나누어 첨가하여 최종 농도가 150μM이 되도록 하였다. 48시간 동안 샘플(반응물)을 정기적으로 수집하고 n-헥산과 혼합하였다. 상기 샘플은 85 ℃, 2000rpm 및 -0.1MPa에서 고속 진공 농축기에서 처리하여 메탄올을 제거한 다음 물로 세척하였다. 세척된 샘플은 회전 쉐이커에서 혼합하였고, 각 샘플의 1 μL을 GC 분석에 사용하여 지방산 메틸 에스테르(fatty acid methyl ester, FAME)의 수율(% FAME)을 측정하였으며, 그 결과를 도 5A에 나타내었다. Specifically, for the esterification reaction, 100 mg of lipase immobilized on rice straw (RS or MRS) and 0.5 g of soybean oil (10 wt% of oil) were added to a mixture of water and methanol at various concentrations at 45 °C. Methanol was added at three intervals: the initial stage (starting point) of the esterification reaction, 12 hours and 24 hours, so that the final concentration was 150 μM. Samples (reactants) were collected periodically for 48 hours and mixed with n-hexane. The sample was treated in a high-speed vacuum concentrator at 85 °C, 2000 rpm and -0.1 MPa to remove methanol and then washed with water. The washed samples were mixed in a rotary shaker, and 1 μL of each sample was used for GC analysis to measure the yield (% FAME) of fatty acid methyl ester (FAME), and the results are shown in FIG. 5A .

MRS에 고정화된 리파아제(lipase@MRS) 및 RS에 고정화된 리파아제(lipase@RS)의 재사용성은 상기 실시예 2에서 확인된 최적화된 조건(온도 및 pH) 하에서 대두유를 사용한 에스테르화 반응에서 새로운 기질 분취량으로 10회 반복 주기로 조사하였다. 모든 데이터는 세 번의 실험을 통해 평균화하였으며, 그 결과를 도 5B에 나타내었다.The reusability of MRS-immobilized lipase (lipase@MRS) and RS-immobilized lipase (lipase@RS) was confirmed in Example 2 above, under the optimized conditions (temperature and pH), in the esterification reaction using soybean oil. It was irradiated with 10 repeated cycles. All data were averaged over three experiments, and the results are shown in Figure 5B.

도 5A 및 5B에 나타낸 바와 같이, RS에 고정화된 리파아제 및 MRS에 고정화된 리파아제는 10회 반복 사용 후 각각 초기 % FAME 수율의 38 % 및 80 %를 나타 내었다. 이러한 결과는 RS의 자성 나노 입자 MRS로의 변형에 의해 리파아제 부착을 위한 더 넓은 표면을 제공하여 에스테르화 반응 동안 리파아제 침출을 감소시키는 것을 나타내며, 따라서 MRS에 고정화된 리파아제는 10주기 반복 사용 후에도 에스테르화 반응에서 재사용성을 유지함을 알 수 있다. RS에 고정화된 리파아제의 반복 사용에서 낮은 수율은 리파아제와 RS 사이의 약한 상호 작용 때문이었다.As shown in Figures 5A and 5B, lipase immobilized on RS and lipase immobilized on MRS showed 38% and 80% of the initial % FAME yields, respectively, after 10 repetitions. These results indicate that the transformation of RS into magnetic nanoparticles MRS provides a wider surface for lipase attachment, thereby reducing lipase leaching during esterification, and therefore, lipase immobilized on MRS remains intact even after repeated use of 10 cycles of esterification. It can be seen that reusability is maintained. The low yield in repeated use of lipase immobilized on RS was due to the weak interaction between lipase and RS.

상기와 같이, 실험을 통하여 효소를 고정화한 자성 볏짚이 우수한 고정화 효율을 나타냈으며, 안정성 및 재사용성을 나타낼뿐만 아니라, 지방산 메틸 에스테르 생산에 반복적으로 사용될 수 있음을 확인하였으며, 나아가 산업 규모의 바이오 디젤 생산에의 이용 가능성이 있음을 확인하였다.As described above, through the experiment, it was confirmed that the magnetic rice straw immobilized with the enzyme showed excellent immobilization efficiency, showed stability and reusability, and could be used repeatedly for fatty acid methyl ester production, furthermore, industrial-scale biodiesel It was confirmed that there is a possibility of using it for production.

Claims (20)

볏짚(rice straw)에 질산철(Fe(NO3)2) 용액을 통해 Fe2+ 이온을 첨가하고, Fe2+ 이온이 첨가된 볏짚 혼합물을 초음파 처리하여 20 내지 30시간 동안 유지시킨 후, 열수처리(hydrothermal treatment)하는 단계;를 포함하는 리파아제(lipase) 고정화를 위한 자성 볏짚(magnetic rice straw) 제조방법.Fe 2+ ions were added to rice straw through an iron nitrate (Fe(NO 3 ) 2 ) solution, and the rice straw mixture to which the Fe 2+ ions were added was sonicated and maintained for 20 to 30 hours, followed by hot water A method for manufacturing magnetic rice straw for immobilizing lipase, comprising the step of hydrothermal treatment. 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 열수처리는 170 내지 190 ℃에서 4 내지 6 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, 자성 볏짚 제조방법.
According to claim 1,
Characterized in that the hydrothermal treatment is carried out at 170 to 190 ℃ for 4 to 6 hours, magnetic rice straw manufacturing method.
제1항의 방법으로 제조된, 리파아제 고정화를 위한 자성 볏짚.Magnetic rice straw for immobilizing lipase, prepared by the method of claim 1. 삭제delete 제1항의 방법으로 제조된 자성 볏짚을 글루타르알데히드(glutaraldehyde)로 기능화하는 단계; 및
상기 기능화한 자성 볏짚을 리파아제와 혼합하고 리파아제를 고정화하는 단계;를 포함하는, 자성 볏짚에 리파아제를 고정화하는 방법.
Functionalizing the magnetic rice straw prepared by the method of claim 1 with glutaraldehyde; and
A method for immobilizing lipase on magnetic rice straw, comprising: mixing the functionalized magnetic rice straw with lipase and immobilizing the lipase.
삭제delete 제7항에 있어서,
상기 리파아제를 고정화하는 단계는 3 내지 5℃에서 3 내지 6시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, 자성 볏짚에 리파아제를 고정화하는 방법.
According to claim 7,
The method of immobilizing lipase on magnetic rice straw, characterized in that the step of immobilizing the lipase is performed at 3 to 5 ° C. for 3 to 6 hours.
제7항에 있어서,
상기 리파아제를 고정화하는 단계는 pH 7.0 내지 10.0에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 자성 볏짚에 리파아제를 고정화하는 방법.
According to claim 7,
The method of immobilizing lipase on magnetic rice straw, characterized in that the step of immobilizing the lipase is performed at pH 7.0 to 10.0.
제7항의 방법으로 제조된 자성 볏짚에 고정화된 리파아제.Lipase immobilized on magnetic rice straw prepared by the method of claim 7. 제11항에 있어서,
상기 자성 볏짚에 고정화된 리파아제의 최적 효소 활성 온도는 45 내지 70℃인 것을 특징으로 하는, 자성 볏짚에 고정화된 리파아제.
According to claim 11,
Lipase immobilized on magnetic rice straw, characterized in that the optimum enzyme activity temperature of the lipase immobilized on the magnetic rice straw is 45 to 70 ° C.
제11항에 있어서,
상기 자성 볏짚에 고정화된 리파아제의 최적 효소 활성 pH는 7.0 내지 10.0인 것을 특징으로 하는, 자성 볏짚에 고정화된 리파아제.
According to claim 11,
Lipase immobilized on magnetic rice straw, characterized in that the optimal enzyme activity pH of the lipase immobilized on the magnetic rice straw is 7.0 to 10.0.
제7항의 방법으로 제조된 자성 볏짚에 고정화된 리파아제를 대두유(soybean oil) 및 메탄올과 혼합하여 40 내지 80℃의 온도 및 pH 7.0 내지 10.0에서 에스테르화 반응시키는 단계를 포함하는, 지방산 알킬 에스테르를 생산하는 방법.Production of fatty acid alkyl esters comprising the step of esterifying lipase immobilized on magnetic rice straw prepared by the method of claim 7 with soybean oil and methanol at a temperature of 40 to 80 ° C. and pH 7.0 to 10.0 How to. 삭제delete 삭제delete 제14항에 있어서,
상기 지방산은 올레산(oleic acid), 리놀레산(linoleic acid), 팔미트산(palmitic acid), 스테아린산(stearic acid), 피놀렌산(pinolenic acid), 미리스트산(myristic acid), 카프릴산(caprylic acid) 및 카프르산(capric acid)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 지방산 알킬 에스테르를 생산하는 방법.
According to claim 14,
The fatty acids include oleic acid, linoleic acid, palmitic acid, stearic acid, pinolenic acid, myristic acid, and caprylic acid. ) And capric acid (capric acid) characterized in that at least one selected from the group consisting of, a method for producing a fatty acid alkyl ester.
제14항에 있어서,
상기 에스테르화 반응은 48 내지 53℃의 온도에서 진행되는 것을 특징으로 하는, 지방산 알킬 에스테르를 생산하는 방법.
According to claim 14,
The method for producing a fatty acid alkyl ester, characterized in that the esterification reaction proceeds at a temperature of 48 to 53 ℃.
제14항에 있어서,
상기 에스테르화 반응은 pH 8.3 내지 8.8에서 진행되는 것을 특징으로 하는, 지방산 알킬 에스테르를 생산하는 방법.
According to claim 14,
The esterification reaction is a method for producing a fatty acid alkyl ester, characterized in that proceeding at pH 8.3 to 8.8.
제14항에 있어서,
상기 자성 볏짚에 고정화된 리파아제는 지방산 알킬 에스테르 생산에 재사용이 가능한 것을 특징으로 하는, 지방산 알킬 에스테르를 생산하는 방법.
According to claim 14,
The method for producing fatty acid alkyl esters, characterized in that the lipase immobilized on the magnetic rice straw can be reused for fatty acid alkyl ester production.
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