KR20020090282A - Optimization method for preparation of tagatose by thermostable isomerase - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: Provided is an optimization method for preparing tagatose by using thermostable isomerase under high temperature of reaction condition and within the appropriately adjusted pH range with differentiating kinds of and concentrations of metal ions, thereby dramatically increasing conversion rate of galactose to tagatose. CONSTITUTION: The method of tagatose from galactose is characterized by using arabinose isomerase or thermostable galactose isomerase, which is capable of converting galactose to tagatose, at 25-100 deg.C with providing a metal ion selected from the group consisting of Mn¬2+, Mg¬2+, Ba¬2+, Fe¬2+ and Ca¬2+ within the concentration range of 0.1-5mM.

Description

타가토스 생산의 최적화 방법{Optimization method for preparation of tagatose by thermostable isomerase}Optimization method for preparation of tagatose by thermostable isomerase

본 발명은 타가토스 생산의 최적화 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 특정한 종류의 2가 양이온으로 최적화시킨 고온의 반응조건에서 내열성 갈락토스 이성화효소를 이용하여 높은 수율로 갈락토스를 타가토스로 전환시키는 생물전환 공정에 관한 것이다.The present invention relates to a method for optimizing tagatose production, and more particularly, a bioconversion for converting galactose to tagatose in a high yield using heat-resistant galactose isomerase under high temperature reaction conditions optimized with a specific type of divalent cation. It is about process.

타가토스는 자연계에서는 드물게 존재하는 갈락토스의 이성질체로서, 과당보다 거의 유사한 감미도를 지니면서도 체내 흡수시 거의 대사되지 않는 저칼로리 물질이다. 보통 설탕대체 감미료로 가장 많이 이용되고 있는 당 알코올류 등이 일정량 이상 섭취시 설사를 유발하는 효과가 있는데 반하여 타가토스는 그러한 부작용이 없으며, 당 알코올류와는 달리 설탕처럼 갈변화가 일어나므로 식품가공시 적절한 풍미를 더할 수 있다는 장점때문에 타가토스는 설탕 대체 감미료로 관심을 받고 있다(Zehener, 1988, EP 257626; Marzur, 1989, EP 0341062A2).Tagatose is an isomer of galactose, which is rare in nature, and is a low-calorie substance that has almost similar sweetness than fructose and is hardly metabolized upon absorption by the body. Sugar alcohols, which are most commonly used as sugar substitute sweeteners, have an effect of causing diarrhea when consumed over a certain amount, whereas tagatose has no side effects, and unlike sugar alcohols, browning changes like sugar, resulting in food processing. Tagatose has attracted attention as a sugar substitute sweetener because of its ability to add timely flavors (Zehener, 1988, EP 257626; Marzur, 1989, EP 0341062A2).

현재 D-타가토스는 화학적 방법, 미생물을 이용한 방법, 유리 효소 또는 고정화된 효소를 이용한 방법들에 제조되고 있거나 그 연구가 진행되고 있다. 화학적 방법으로는 3급 또는 4급 아민의 존재 하에서 알도스 당에 붕산을 첨가하면 케토스가 생성될 때 붕산과 케토스가 복합체를 형성하여 평형이 타가토스쪽으로 효과적으로 이동되는 타가토스 제조방법이 공지되어 있다(미국특허 제4,273,922호;1981.6.16). D-타가토스를 생산하기 위한 현재의 화학적 방법은 pH 10이상, 온도 -15∼40℃에서 금속 수산화물-타가토스 복합체로 구성되는 불용성 침전이 형성될 때까지 가용성 알칼리 금속염 또는 알칼리토류 금속염 촉매 존재 하에서 갈락토스 수용액을 금속수산화물로 이성화시키는 공정에 의해 이루어지고 있다(U.S. Pat. No. 5,002,612). 그러나, 이러한 종래의 화학적 방법은 타가토스의 대량생산에는 적합하지 않은 단점이 존재한다. 화학적 방법은 경제성이나 수율 측면에서 우수한 경우도 있으나, 화학공정이므로 공정자체가 복잡하고 특정한 조건에서만 반응이 진행되고 비효율적이며 산업 폐기물을 발생시키는 문제점이 있었다.Currently, D-tagatose is being manufactured or studied in chemical methods, methods using microorganisms, methods using free enzymes or immobilized enzymes. Chemically known method for preparing tagatose, in which boric acid is added to aldose sugar in the presence of tertiary or quaternary amines, forms complexes with boric acid and ketose when ketose is formed, and the equilibrium is effectively shifted toward tagatose. (US Pat. No. 4,273,922; June 6, 1981). Current chemical methods for producing D-tagatose are in the presence of soluble alkali metal salts or alkaline earth metal salt catalysts until an insoluble precipitate, consisting of a metal hydroxide-tagatose complex, is formed at a pH of 10 or higher and a temperature of -15 to 40 ° C. It is made by the process of isomerizing the galactose aqueous solution with a metal hydroxide (US Pat. No. 5,002,612). However, this conventional chemical method has a disadvantage that is not suitable for mass production of tagatose. Although the chemical method is sometimes excellent in terms of economics or yield, it is a chemical process, the process itself is complicated, the reaction proceeds only under certain conditions, there is a problem of generating an industrial waste.

그렇기 때문에 환경친화적이면서 더욱 경제성이 있는 생물학적 방법에 의한 타가토스 제조방법에 대한 요구가 더 증대되고 있으며, 무엇보다 환경비용 등을 고려할 때 폐기 생물자원 등에서 얻을 수 있는 값싼 탄수화물로부터 미생물을 이용한 생물공정을 통해 보다 효율적인 방법으로 타가토스을 생산할 수 있는 방법에 대한 연구가 현재 시도되고 있다.Therefore, there is an increasing demand for tagatose manufacturing method using environmentally friendly and more economical biological methods. Above all, considering the environmental cost, biological processes using microorganisms from inexpensive carbohydrates obtained from waste biological resources are available. Research into a method that can produce tagatose in a more efficient manner is currently attempted.

미생물을 이용한 생물전환 공정으로 카모리 등(JP60248196, 85.12.7)은 둘리시톨을 포함하는 수용액에 아트로박터 속 세균(Arthrobacter sp.)을 호기적 조건에서 20-35℃, 1-15일간 배양하는 방법에 의해 둘리시톨 (dulicitol)로부터 D-타가토스를 생산하는 방법을 개시하였으나 둘리시톨은 대량 공급이 제한되고, 가격이 비쌀뿐만 아니라, 이 반응을 수행하는 갈락티톨 탈수소효소는 비싼 보조인자로 NAD를 요함으로써 둘리시톨을 D-타가토스로 전환시키는 공정의 제조비용을 높이는 단점이 존재하였다.As a bio-conversion process using microorganisms, Kamori et al. (JP60248196, 85.12.7) used Arthrobacter sp . In an aqueous solution containing dulicitol at 20-35 ° C. for 1-15 days under aerobic conditions. A method for producing D-tagatose from dulicitol by culturing has been disclosed, but doublyitol is limited in mass supply, expensive, and galactitol dehydrogenase which performs this reaction is expensive. There was a drawback of increasing the manufacturing cost of the process of converting dulisitol to D-tagatose by requiring NAD as a cofactor.

한편, 미생물 반응은 전배양 과정이 필요하고 반응 종료 후에 목적 대사산물 이외에 부산물이 만들어져 분리정제에 상당한 비용을 필요로 하며 폐수의 BOD가 높고, 산소공급을 위해 통기장치 운용비용이 증가하는 등의 문제점이 있다.On the other hand, the microbial reaction requires a pre-cultivation process, and by-products are made in addition to the target metabolites after the end of the reaction, which requires considerable cost for separation and purification, high BOD of the wastewater, and increased aeration operation cost for oxygen supply. There is this.

이에 비해, 효소반응은 미생물 반응에 비해 반응 혼합물이 매우 단순하여 공정의 최적화 조건을 설정하기 쉽고 반응 생성물의 농도를 높일 수 있으며 보통 온화한 조건에서 수행되기 때문에 에너지 소모적이지도 않는 등의 장점이 있다.In contrast, the enzyme reaction is very simple compared to the microbial reaction, it is easy to set the optimization conditions of the process, the concentration of the reaction product can be increased, and is usually energy-efficient because it is performed under mild conditions.

효소적 방법을 이용하여 알도스 또는 알도스 유도체를 케토스 또는 케토스 유도체로 전환시키는 생물전환 공정은 당업계에 공지되어 있다. 예컨대, 포도당 이성화효소를 이용하여 글루코스를 프룩토스로 전환시키는 공정은 상업적인 규모로 널리 실시되고 있다. 그러나, 갈락토스를 타가토스로 전환시키는 효소적 방법은 최근까지 널리 이용되고 있지 않은 실정이었다.Bioconversion processes for converting aldose or aldose derivatives to ketose or ketose derivatives using enzymatic methods are known in the art. For example, the process of converting glucose to fructose using glucose isomerase is widely practiced on a commercial scale. However, the enzymatic method of converting galactose to tagatose has not been widely used until recently.

영국 특허 명세서(U.K. Patent Specification No. 1,497,888)에는 L-아라비노스로부터 L-리불로스를 생산하는 것으로 알려진 L-아라비노스 이성화효소를 이용하여 D-갈락토스를 D-타가토스로 이성화시키는 방법이 개시되어 있으나, 그러한 생물전환에 있어서의 타가토스 전환수율을 높일 수 있는 반응 조건들에 대해서는 언급이 없었다.UK Patent Specification No. 1,497,888 discloses a method for isomerizing D-galactose to D-tagatose using L-arabinose isomerase known to produce L-ribulose from L-arabinose. However, there was no mention of reaction conditions that could increase the tagatose conversion yield in such bioconversions.

글루코스 이성화효소(glucose isomerase)와 마찬가지로 아라비노스 이성화효소(arabinose isomerase)도 생체내(in vivo)와 시험관내(in vitro)에서의 작용이 서로 다르다. 즉, 생체내에서는 아라비노스를 리불로스(ribulose)로 이성화시키지만, 시험관내에서는 갈락토스를 타가토스로 전환시킬뿐만 아니라, 글루코스 이성화효소처럼 아라비노스 이성화효소 역시 반응 온도에 따라 알도오스인 갈락토스와 케토오스인 타가토스간의 평형이 변화되어, 고온일수록 케토오스쪽으로의 평형이 진행되는 특징이 있다.Like glucose isomerase, arabinose isomerase has different actions in vivo and in vitro. That is, in vivo, arabinose isomerized to ribulose, but in vitro, it converts galactose to tagatose, and like glucose isomerase, arabinose isomerase also acts as aldose, galactose and ketose, depending on the reaction temperature. Equilibrium between the tagatose is changed, the higher the temperature is characterized in that the equilibrium toward the ketose proceeds.

본 발명자들은 대장균 유래 아라비노스 이성화효소를 이용하여 갈락토스로부터 타가토스를 제조하는 방법을 개시한 바 있으나, 효소의 열 안정성 및 전환수율이 낮은 단점이 있었다(국내 특허출원 제99-16118호; PCT WO Patent Pending PCT/KR99/00661). 그러한 이유로, 본 발명자들은 고온에서도 안정하고 효소 활성을 유지하여 전체적인 반응 속도의 평형을 타가토스 쪽으로 이동시킬 수 있는 신규 내열성 갈락토스 이성화효소를 탐색한 결과, 열안정성이 증대되고 갈락토스를 타가토스로 전환시킬 수 있는 새로운 형태의 아라비노스 이성화효소 활성을 갖는 내열성 효소를 자연계로부터 클로닝한 바 있으며, 분리된 효소 유전자 염기서열을 결정하고 공지 아라비노스 이성화효소 유전자 염기서열 및 아미노산 서열들간의 상동성을 비교해 본 결과 대장균과는 각각 9.5%(서열번호 3), 20.0%, 바실러스 서브틸리스와는 각각 61.6%(서열번호 4), 55.4%, 살모넬라와는 각각 58.5%, 54.3%임을 알 수 있어 공지 아라비노스 이성화효소와는 다르면서도 갈락토스를 타가토스로 전환시킬 수 있는 신규한 내열성 효소임을 확인하고 이를 "갈락토스 이성화효소(galactose isomerase)"로 명명하였으며(국내특허 제2000-78833호), 상기 효소 유전자를 에러유발 PCR방법을 통해 활성이 무려 11배 정도나 향상된 개량 효소를 제조한 바 있다(상기 특허 국내우선권주장 특허 제2001-21552호). 그러나, 아라비노스 이성화효소 또는 내열성 갈락토스 이성화효소를 이용한 타가토스 생산에 있어서 금속 이온의 종류 및 농도를 달리하는 등의 최적의 반응조건에 대한 연구결과는 아직 발표된 바 없었다.The present inventors have disclosed a method for preparing tagatose from galactose using E. coli-derived arabinose isomerase, but the thermal stability and conversion yield of the enzyme were low (domestic patent application No. 99-16118; PCT WO Patent Pending PCT / KR99 / 00661). For that reason, the present inventors have searched for a novel heat-resistant galactose isomerase that is stable at high temperatures and maintains enzymatic activity to shift the equilibrium of the overall reaction rate towards tagatose, resulting in increased thermal stability and conversion of galactose to tagatose. We cloned from nature a thermostable enzyme with a new type of arabinose isomerase activity, determined the isolated enzyme gene sequence and compared the homology between known arabinose isomerase gene sequences and amino acid sequences. E. coli and 9.5% (SEQ ID NO: 3), 20.0%, and Bacillus subtilis, respectively, 61.6% (SEQ ID NO: 4), 55.4%, Salmonella and 58.5% and 54.3%, respectively, known arabinose isomerase It is a new heat-resistant enzyme that can convert galactose into tagatose while being different from It was named "galactose isomerase" (Domestic Patent No. 2000-78833), and the enzyme gene was produced by an error-producing PCR method with an 11-fold improvement in enzyme activity. Korean Patent Priority Claim No. 2001-21552. However, the results of studies on the optimum reaction conditions such as varying the type and concentration of metal ions in tagatose production using arabinose isomerase or heat-resistant galactose isomerase have not been published.

본 발명자들은 자연계로부터 클로닝된 최초의 상기 내열성 갈락토스 이성화효소를 이용하여 갈락토스로부터 타가토스 전환수율을 높이기 위하여, 온도, pH, 보조인자 등의 여러가지 반응조건을 조사한 결과, 효소반응의 보조인자로 특정한 종류의 2가 양이온을 적절한 농도로 공급시 반응수율이 현저히 증가될 뿐만 아니라, 온도 및 pH에 대한 안정성이 더욱 증가됨을 관찰하고 본 발명을 완성하게 되었다.The present inventors investigated the various reaction conditions such as temperature, pH, cofactors, etc. to increase the yield of tagatose conversion from galactose using the first heat-resistant galactose isomerase cloned from nature. The present invention was completed by observing that the reaction yield was significantly increased when the divalent cation was supplied at an appropriate concentration, as well as the stability to temperature and pH was further increased.

따라서, 본 발명의 목적은 신규한 내열성 효소를 이용하여 갈락토스로부터 타가토스를 제조하는 최적화된 방법을 제공하는 것이다.It is therefore an object of the present invention to provide an optimized method for producing tagatose from galactose using novel heat resistant enzymes.

본 발명의 특징 및 다른 이점들을 하기 구성에 의해 보다 명백히 이해될 것이다.Features and other advantages of the present invention will be more clearly understood by the following configuration.

도 1은 내열성 갈락토스 이성화효소의 타가토스 전환수율에 미치는 여러가지 금속 이온들의 효과를 나타내는 그림이다.1 is a diagram showing the effect of various metal ions on the tagatose conversion yield of heat-resistant galactose isomerase.

도 2는 Mn2+, Mg2+, Ba2+, Fe2+의 농도 변화에 따른 타가토스 전환수율을 나타내는 그림이다.2 is a diagram showing the conversion yield of tagatose according to the concentration change of Mn 2+ , Mg 2+ , Ba 2+ , Fe 2+ .

도 3은 Mn2+이 포함되지 않은 상태에서 온도에 따른 내열성 갈락토스 이성화효소의 타가토스 전환수율을 나타내는 그림이다.3 is a diagram showing the tagatose conversion yield of the heat-resistant galactose isomerase with temperature in the absence of Mn 2+ .

도 4는 Mn2+이 포함된 상태에서 온도에 따른 내열성 갈락토스 이성화효소의 타가토스 전환수율을 나타내는 그림이다.4 is a diagram showing the tagatose conversion yield of the heat-resistant galactose isomerase with temperature in the state containing Mn 2+ .

도 5는 Mn2+이 포함되지 않은 상태에서 pH에 따른 내열성 갈락토스 이성화효소의 타가토스 전환수율을 나타내는 그림이다.5 is a diagram showing the tagatose conversion yield of the heat-resistant galactose isomerase according to pH in the state that Mn 2+ is not included.

도 6은 Mn2+이 포함된 상태에서 pH에 따른 내열성 갈락토스 이성화효소의 타가토스 전환수율을 나타내는 그림이다.6 is a diagram showing the tagatose conversion yield of heat-resistant galactose isomerase according to pH in the state containing Mn 2+ .

본 발명의 상기 목적은 내열성 갈락토스 이성화효소(서열번호)를 사용하여 고온에서 금속 이온의 농도, pH 등에 따른 타가토스 전환수율을 결정함으로써 달성되었다.The above object of the present invention was achieved by using a heat resistant galactose isomerase (SEQ ID NO) to determine the tagatose conversion yield according to the concentration of metal ions, pH, and the like at a high temperature.

본 발명자들이 타가토스 제조에 사용한 내열성 갈락토스 이성화효소의 예로는 서열번호 1으로부터 암호화되는 내열성 갈락토스 이성화효소를 사용하였다. 상기 서열번호 1을 갖는 유전자는 고온조건의 자연계로부터 본 발명자들이 최로로 클로닝한 내열성 갈락토스 이성화효소 암호화 유전자이다. 상기 내열성 갈락토스 이성화효소는 40-80℃의 높은 온도에서도 안정하게 높은 수율로 갈락토스로부터 타가토스를 제조할 수 있는 매우 뛰어난 효과가 있었으나, 타가토스 생산을 최적화하기 위한 여타 다른 반응조건들에 대해서는 전혀 개시한 바 없었다.As an example of the heat resistant galactose isomerase used by the present inventors in the preparation of tagatose, a heat resistant galactose isomerase encoded from SEQ ID NO: 1 was used. The gene having SEQ ID NO: 1 is a heat-resistant galactose isomerase encoding gene cloned by the present inventors from nature in a high temperature condition. The heat-resistant galactose isomerase had a very excellent effect of producing tagatose from galactose with stable high yield even at high temperature of 40-80 ° C., but no other reaction conditions for optimizing tagatose production were disclosed. I never did.

이에 본 발명자들은 먼저 상기 내열성 효소의 촉매활성을 증강시킬 수 있는 그러한 보조인자를 찾고자 전형적인 금속이온(K+, Na+, Mg2+, Ca2+)과 반응성이 풍부한 전이금속 이온(Fe2+, Cu2+, Mn2+, Zn2+, Co2+, Mn2+, Ni2+등)의 농도를 달리하면서 각 금속이온 농도에 따른 타가토스 전환수율을 조사하고(도 1), 각 금속이온의 최적화된 농도 범위에서 온도 및 pH를 각각 달리할 때의 타가토스 전환수율을 조사한 결과 Zn2+, Ni2+, Cu2+등의 금속이온이 존재할 때나, EDTA를 첨가시 오히려 촉매 활성이 현저히 감소되는 효과가 나타나는 반면에, Mn2+, Mg2+, Ba2+, Fe2+, Ca2+등의 2가 양이온들이 존재할 때에는 촉매활성이 매우 증가됨을 알 수 있었고, 이들 각 금속이온이 최대 활성을 나타내는 범위에서 온도 및 pH에 대한 안정성이 증가한다는 것을 알수 있었다. Mn2+, Mg2+, Ba2+, Fe2+금속이온의 농도변화에 따른 촉매 활성을 조사해 본 결과 금속 이온 농도가 낮은 범위에서는 금속이온 농도와 비례적으로 타가토스 전환수율이 증가하나 0.1mM 농도 이상에서는 전환수율이 거의 평형상태에 도달함을 알 수 있었다(도 2).In order to find such cofactors that can enhance the catalytic activity of the heat-resistant enzymes, the present inventors have a variety of transition metal ions (Fe 2+ ) that are abundant with typical metal ions (K + , Na + , Mg 2+ , Ca 2+ ). , Cu 2+ , Mn 2+ , Zn 2+ , Co 2+ , Mn 2+ , Ni 2+, etc.) while varying the concentration of tagatose conversion for each metal ion concentration (Fig. 1), The yield of tagatose conversion at different temperatures and pHs in the optimized concentration range of the metal ions was investigated, indicating that catalytic activity was observed in the presence of metal ions such as Zn 2+ , Ni 2+ , Cu 2+ , or EDTA. On the other hand, it was found that the catalytic activity is greatly increased when divalent cations such as Mn 2+ , Mg 2+ , Ba 2+ , Fe 2+ and Ca 2+ are present. It was found that the stability to temperature and pH increases in the range where ions exhibit maximum activity. . Investigation of the catalytic activity of the Mn 2+ , Mg 2+ , Ba 2+ , Fe 2+ metal ion concentrations showed that the Tagatose conversion yield increased in proportion to the metal ion concentration in the low metal ion concentration range, but increased by 0.1. Above the mM concentration, it was found that the conversion yield almost reached equilibrium (FIG. 2).

특히, 촉매활성을 증강시키는 금속 이온들 중에서 망간 이온(Mn2+)은 금속 이온이 첨가되지 않은 대조구에 비해 내열성 갈락토스 이성화효소의 반응수율을 무려2.6배 정도나 높이는 것을 확인할 수 있었으며, Mn2+존재유무에 따라 온도와 pH에 따른 최대활성도가 차이가 남을 관찰하였다 즉, Mn2+이 존재하지 않을 경우 최적 활성 온도는 대략 55-67℃ 범위이고 이 범위를 벗어나면 활성이 급격히 줄어드는 양상을 나타내나(도 3), Mn2+이온이 공급될 경우 촉매활성은 높은 온도 범위에서도 매우 안정화되어 무첨가한 경우에 비해 타가토스 전환수율이 매우 증가함을 알 수 있었다(도 4). 또한, 즉, Mn2+이 존재하지 않을 경우 최적 활성 pH는 대략 7.0-8.8범위였으나(도 5), Mn2+이온이 공급될 경우 반응 최적 활성 pH는 더욱 확장되어 7.0-10 범위로 알칼리 조건에서도 활성이 매우 높게 나타났다(도 6).In particular, among the metal ions that enhance the catalytic activity, manganese ions (Mn 2+ ) was found to increase the reaction yield of heat-resistant galactose isomerase by 2.6 times as compared to the control without the addition of metal ions, Mn 2+ It was observed that the maximum activity was different according to temperature and pH according to the presence or absence. That is, when Mn 2+ is not present, the optimum activity temperature is about 55-67 ℃, and when it is out of this range, activity decreases rapidly. B (FIG. 3), when the Mn 2+ ions were supplied, the catalytic activity was very stabilized even at a high temperature range, and the yield of tagatose conversion was significantly increased compared to the case where no additive was added (FIG. 4). In other words, when Mn 2+ is not present, the optimum active pH ranges from about 7.0-8.8 (FIG. 5), but when Mn 2+ ions are supplied, the reaction optimum active pH is further extended to alkaline conditions in the range 7.0-10. The activity was also very high at (Fig. 6).

본 발명자들은 타가토스 생산에 있어서의 이러한 금속 이온 효과를 다른 예에서도 확인하기 위하여 재조합 균주인E.coliJM1C/pTC101(KCTC 0606BP)가 생산하는 비내열성 아라비노스 이성화효소를 이용하여 타가토스 전환수율을 조사하였다. 상기 균주는 본 발명자들이 대장균으로부터 클로닝한 아라비노스 이성화효소(L-arabinose isomerase; EC 5.3.1.4) 유전자araI를 재조합한 벡터pTC101를 포함하는 형질전환균주이다. 상기 균주가 생산하는 아라비노스 이성화효소는 갈락토스를 타가토스로 전환시킬 수 있는 능력이 있으며, 타가토스 전환 활성은 온도 27-35℃, pH 7.5-8.5에서 최적임을 알 수 있었다. 상기 효소에 대한 금속이온의 촉매활성 효과 조사 결과 상기 내열성 갈락토스 이성화효소와 마찬가지로, 금속이온이 첨가되지 않은 대조군에 비해 Fe2+, Mn2+, Mg2+, Ba2+, Ca2+등의 2가 양이온 첨가시 촉매활성이 1.45-2.35배로 매우 증가됨을 알 수 있었으나 Ni2+, Cu2+, Zn2+등의 금속 이온은 촉매활성을 현저히 감소시키는 것을 확인할 수 있었다(표 1). 특히 내열성 효소와 마찬가지로 Mn2+뿐만 아니라 Fe2+가 타가토스 전환수율에 있어서 아라비노스 이성화효소의 촉매 활성을 매우 촉진시키는 결과가 나타났다.In order to confirm this metal ion effect in tagatose production in another example, the present inventors determined the yield of tagatose conversion using non-heat-resistant arabinose isomerase produced by recombinant strain E. coli JM1C / pTC101 (KCTC 0606BP). Investigate. The strain is a transgenic strain comprising a vector pTC101 recombined with the a-rabinose isomerase (EC 5.3.1.4) gene ara I cloned from E. coli. The arabinose isomerase produced by the strain has the ability to convert galactose to tagatose, and the tagatose conversion activity was found to be optimal at a temperature of 27-35 ° C. and pH 7.5-8.5. As a result of investigating the catalytic activity effect of the metal ion on the enzyme, Fe 2+ , Mn 2+ , Mg 2+ , Ba 2+ , Ca 2+ , and the like compared to the control group without addition of the metal ion like the heat-resistant galactose isomerase It was found that the addition of divalent cations significantly increased the catalytic activity to 1.45-2.35 times, but the metal ions such as Ni 2+ , Cu 2+ , and Zn 2+ significantly reduced the catalytic activity (Table 1). In particular, as with heat-resistant enzymes, not only Mn 2+ but also Fe 2+ were found to greatly promote the catalytic activity of arabinose isomerase in tagatose conversion yield.

상기 설명한 바와같이, 금속이온이 아라비노스 이성화효소나 자연계로부터 클로닝된 내열성 갈락토스 이성화효소의 타가토스 생산수율 증가에 매우 중요한 영향을 미친다는 것을 알 수 있다. 이와 같이 금속이온의 종류 및 농도를 달리하면서 갈락토스로부터 타가토스를 생산을 최적화하는 생물전환공정은 본 발명 내열성 이성화효소뿐만 아니라, 상기 효소 암호화 유전자와 코돈 축퇴성에 의해 이와 동일한 가능을 갖는 아미노산 서열을 암호화하는 유전자에 의해 암호화되는 내열성 이성화 효소에도 적용될 수 있으며, 나아가 유래가 다른 내열성 갈락토스 이성화효소 또는 갈락토스로부터 타가토스를 이성화하는 기타의 내열성 아라비노스 이성화효소에도 적용될 수 있다. 나아가, 금속 이온을 단독, 또는 복수로 제공함으로써 타가토스 전환 수율을 현저히 증가시킬 수 있다. 마찬가지로, 서열번호 1에 의해 암호화되는 아미노산 서열을 갖는 내열성 갈락토스 이성화효소 단백질이나 이와 기능적으로 동일 또는 유사한 다른 아미노산으로 치환된 아미노산 서열을 갖는 내열성 단백질 유도체들도 본 발명의 기술적 사상 및 권리범위 내에서 금속이온의 종류나 농도를 달리하면서 타가토스 전환수율을 25-100℃의 온도 범위에서 얼마든지 최적화시킬 수있다. 예컨대, 본 발명 갈락토스 이성화효소와 동등한 활성을 갖는 또는 동일 유사한 아미노산 서열을 가지고 갈락토스를 타가토스로 전환시킬 수 있는 내열설 갈락토스 이성화효소 또는 아라비노스 이성화효소는 대장균(E.coli), 바실러스속 균주(Bacillus sp), 살모넬라속 균주(Salmonella sp.), 엔테로박터속 균주(Enterobacter sp.), 락토바실러스속 균주(Lactobacillus sp.), 슈도모나스속 균주(Pseudomas sp.), 아세토박터속 균주(Acetobacter sp.), 지모모나스속 균주(Zymomonas sp.), 글루코노박터속 균주(Gluconobactersp.), 리조비움속 균주(Rhizobium sp.), 로도박터속 균주(Rhodobacter sp.), 아그로박테리움속 균주(Agrobacterium sp.) 등의 여러 다른 미생물들로부터 유래할 수 있으며, 금속이온의 종류나 농도를 달리하면서 타가토스 전환수율을 얼마든지 최적화시킬 수 있고 특히 망간 이온(Mn2+)이 중요한 촉매활성 촉진자로 작용하여 타가토스 전환수율을 현저히 증가시킬 수 있을 것이다.As described above, it can be seen that the metal ion has a very important effect on increasing the yield of tagatose of the arabinose isomerase or the heat-resistant galactose isomer cloned from nature. As such, the bioconversion process of optimizing the production of tagatose from galactose by varying the type and concentration of metal ions is not only the heat-resistant isomerase of the present invention, but also the amino acid sequence having the same possibility by the enzyme coding gene and codon degeneracy. The present invention can also be applied to heat-resistant isomerase encoded by a gene encoding, and also to other heat-resistant galactose isomerase or other heat-resistant arabinose isomerase that isomerizes tagatose from galactose. Furthermore, the tagatose conversion yield can be significantly increased by providing metal ions alone or in plurality. Likewise, heat-resistant galactose isomerase protein having an amino acid sequence encoded by SEQ ID NO: 1 or heat-resistant protein derivatives having an amino acid sequence substituted with another amino acid functionally identical or similar thereto are also within the spirit and scope of the present invention. The tagatose conversion yield can be optimized in the temperature range of 25-100 ° C by varying the type or concentration of ions. For example, the heat-resistant snow galactose isomerase or arabinose isomerase having the same activity as the galactose isomerase of the present invention or having the same similar amino acid sequence and converting the galactose to tagatose may be E. coli , Bacillus sp. Bacillus sp ), Salmonella sp. , Enterobacter sp. , Lactobacillus sp. , Pseudomas sp. , Acetobacter sp. ), jimo Pseudomonas sp (Zymomonas sp.), glucono bakteo sp (Gluconobactersp.), separation tank emptying sp (Rhizobium sp.), also bakteo sp (Rhodobacter sp.), Agrobacterium sp (Agrobacterium sp ) can be derived from a number of other microorganisms such as, and can be optimized as many tagatose conversion yield while varying the type or the concentration of metal ions and in particular manganese One will be able to significantly increase the conversion yield tagatose and (Mn 2+) is an important catalyst activity promoter.

본 발명 내열성 효소를 이용한 타가토스 제조공정은 현재의 화학적 방법에 의한 타가토스 제조공정보다도 반응조건, 용매, 반응특이성, 생성물 농도 등에 비해 매우 우수할 뿐만 아니라 종래의 아라비노스 이성화효소를 이용하는 공정과는 달리 고온의 반응조건에서 공정이 이루어지기 때문에 온도 상승과 함께 타가토스를 전환시키는 쪽으로 반응속도가 증가될 뿐만 아니라 미생물 오염의 위험이 현저히 줄어드는 장점도 있다.Tagatose manufacturing process using the heat-resistant enzyme of the present invention is not only superior to the reaction conditions, solvent, reaction specificity, product concentration, etc. than the tagatose manufacturing process by the current chemical method, but also using the conventional arabinose isomerase Otherwise, since the process is performed under high temperature reaction conditions, the reaction rate is increased to convert tagatose with temperature rise, and the risk of microbial contamination is significantly reduced.

그렇기 때문에 본 발명 내열성 갈락토스 이성화효소는 금속 이온의 종류 및농도,pH 및 온도 등이 적절히 제어되는 최적화된 반응조건에서 유리 상태로 또는 적절한 담체에 고정화된 상태로 갈락토스로부터 타가토스를 제조하는데 이용될 수 있으며, 고수율로 제조된 타가토스는 저칼로리 식품 감미료 및 충전제, 광학적 활성을 갖는 화합물 합성 중간체, 및 세제, 화장품 및 약학적 제제의 첨가제로 이용될 수 있다.Therefore, the heat resistant galactose isomerase of the present invention can be used to prepare tagatose from galactose in a free state or immobilized on a suitable carrier under optimized reaction conditions in which the type and concentration of metal ions, pH and temperature are properly controlled. Tagatose, prepared in high yield, can be used as low calorie food sweeteners and fillers, compound synthetic intermediates with optical activity, and as additives in detergents, cosmetics and pharmaceutical formulations.

이하, 본 발명의 구성 및 작용효과를 실시예를 통하여 보다 상세히 설명하고자 한다. 단, 하기 실시에는 본 발명을 예시하기 위한 목적일뿐 본 발명의 권리범위가 하기 실시예에 의해 제한되지는 않는다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the following examples are only for the purpose of illustrating the present invention and the scope of the present invention is not limited by the following examples.

실시예 1 : 내열성 갈락토스 이성화효소의 타가토스 전환수율에 미치는 금속이온 효과 조사Example 1 Investigation of the Effect of Metal Ions on the Tagatose Conversion Yield of Heat-Resistant Galactose Isomerase

본 실시예에서는 서열번호 1의 염기서열을 갖는 신규한 내열성 갈락토스 이성화효소 유전자를 포함하는 대장균 JM105/pL151MO를 60℃에서 배양한 후 배양물로부터 내열성 갈락토스 이성화효소를 분리정제 한후 하기 실험들에 있어서의 효소원으로 사용하였다. 생산된 타가토스 정량은 cystein-carbazole법으로 발색시켜 타가토스 생산량 정도를 확인하였다. 효소 1 Unit는 분당 1 μg의 타가토스를 생산하는 효소의 양으로 정의한다.In this Example, E. coli JM105 / pL151MO containing a novel heat resistant galactose isomerase gene having the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1 was incubated at 60 ° C., after separation and purification of the heat resistant galactose isomerase from the culture. Used as an enzyme source. The amount of tagatose produced was determined by cystein-carbazole method to confirm the degree of tagatose production. One unit of enzyme is defined as the amount of enzyme that produces 1 μg of tagatose per minute.

(1) 실험예 1 : 내열성 갈락토스 이성화효소의 타가토스 전환수율에 미치는 여러가지 금속이온 효과(1) Experimental Example 1: Effect of various metal ions on the tagatose conversion yield of heat-resistant galactose isomerase

0.5mM의 Mn2+, Mg2+, Ba2+, Fe2+, Ca2+, Zn2+, Ni2+, Cu2+등의 금속 이온과 1 g/l의 갈락토스가 각각 첨가된 반응액에 3 Unit의 내열성 갈락토스 이성화효소를 첨가하여 60℃ 에서 12시간 동안 이성화반응을 시킨 후에 반응을 종료시키고 생성된 타가토스 양을 정량하였다(도 1).0.5mM Mn 2+ , Mg 2+ , Ba 2+ , Fe 2+ , Ca 2+ , Zn 2+ , Ni 2+ , Cu 2+ and other metal ions and 1 g / l galactose added 3 units of heat-resistant galactose isomerase was added to the solution to undergo isomerization reaction at 60 ° C. for 12 hours, after which the reaction was terminated and the amount of tagatose produced was quantified (FIG. 1).

도 1에 도시된 바와 같이, Zn2+, Ni2+, Cu2+등의 금속이온은 촉매 활성을 현저히 감소되는 효과가 있는 반면에, Mn2+, Mg2+, Ba2+, Fe2+, Ca2+등의 2가 양이온들은 촉매활성을 증진시켜 타가토스 전환수율을 금속 이온 무첨가 대조군에 비해 매우 증가시킴을 알 수 있었으며, 이들 금속이온들 중 특히 망간 이온(Mn2+)은 타가토스 전환수율이 매우 큰 영향을 미침을 알 수 있었다.As shown in FIG. 1, metal ions such as Zn 2+ , Ni 2+ , Cu 2+ and the like have an effect of significantly reducing catalytic activity, while Mn 2+ , Mg 2+ , Ba 2+ , Fe 2 Divalent cations such as + and Ca 2+ enhance catalytic activity and increase the tagatose conversion yield significantly compared to the metal ion-free control group. Among these metal ions, especially manganese ions (Mn 2+ ) are Toss conversion yield was found to have a very significant effect.

(2) 실험예 2 : Mn2+, Mg2+, Ba2+, Fe2+의 농도 변화에 따른 타가토스 전환수율의 변화Experimental Example 2 Change in Tagatose Conversion Yield with Mn 2+ , Mg 2+ , Ba 2+ , Fe 2+ Concentration

상기 실험예 1에서 특히 촉매 촉진 활성을 갖는 Mn2+, Mg2+, Ba2+, Fe2+금속 이온들의 농도를 달리하면서 이들 이온들의 농도가 타가토스 전환수율에 미치는 영향을 조사하였다(도 2).In Experimental Example 1, the effect of the concentrations of these ions on the tagatose conversion yield was examined while varying the concentrations of Mn 2+ , Mg 2+ , Ba 2+ , Fe 2+ metal ions having catalyst promoting activity (FIG. 2).

도 2에 도시된 바와 같이, 금속 이온 농도가 낮은 범위에서는 타가토스 생산량이 일차적으로 비례하여 증가하나 0.1mM 이상의 농도 범위에서는 이들 금속이온들에 의한 이성화반응이 거의 평형상태에 도달함을 알 수 있었다.As shown in FIG. 2, the production of tagatose increased primarily in the low metal ion concentration range, but isomerization by these metal ions reached almost equilibrium in the concentration range of 0.1 mM or more. .

(3) 실험예 3 : 온도에 따른 타가토스 전환수율의 변화(3) Experimental Example 3: change of tagatose conversion yield with temperature

조사된 금속 이온들 중 특히 촉매활성이 뛰어난 망간 이온(Mn2+)에 대해 상기 금속이 첨가되지 않거나 0.5mM 첨가된 이성화 반응에서 온도에 따른 타가토스 전환수율을 조사하였다(도 3 및 도 4)Among the irradiated metal ions, the manganese ions (Mn 2+ ) having excellent catalytic activity were examined for the conversion of tagatose with temperature in the isomerization reaction in which the metal was not added or 0.5 mM was added (FIGS. 3 and 4).

실험 결과, Mn2+존재유무에 따라 온도에 따른 활성도는 큰 차이가 나타남을 알 수 있었다. 즉, Mn2+무첨가의 경우 최적 활성 온도는 대략 55-67℃ 범위이고 이 범위를 벗어나면 타가토스 생산량이 매우 감소하는 현상이 나타났으나(도 3), Mn2+첨가의 경우 높은 온도 범위에서도 매우 안정화되어 무첨가한 경우에 비해 타가토스 전환수율이 매우 증가함을 알 수 있었다(도 4).As a result, it can be seen that the activity according to the temperature according to the presence or absence of Mn 2+ is a big difference. That is, when no addition of Mn 2+ optimum activity temperature is about 55-67 ℃ range and this range is out of tagatose production in the case of very reduced symptoms appear or nateu (Fig. 3), Mn 2+ was added to a temperature range In addition, it was found that the stabilization yield of the tagatose was significantly increased compared to the case where it was very stable (FIG. 4).

(4) 실험예 4 : pH에 따른 타가토스 전환수율의 변화(4) Experimental Example 4: The change in tagatose conversion yield according to pH

망간 이온(Mn2+)이 첨가되지 않거나 0.5 mM 첨가된 이성화 반응에서 pH에 따른 타가토스 전환수율을 조사하고 그 결과를 도 5 및 도 6에 도시하였다.In the isomerization reaction without adding manganese ions (Mn 2+ ) or 0.5 mM, the yield of tagatose conversion according to pH was investigated and the results are shown in FIGS. 5 and 6.

실험 결과, Mn2+무첨가의경우 최적 활성 pH는 대략 7.0-8.8 범위이고 이 범위를 벗어나면 타가토스 생산량이 감소되는 양상을 나타내었으나(도 5), Mn2+첨가의 경우 반응 최적 활성 pH는 7.0-10 범위로 더욱 확장되어 타가토스 생산량이 거의 비슷하여 알칼리 조건에서도 활성이 매우 높게 유지됨을 알 수 있었다(도 6).The experimental results, in the case of additive-free Mn 2+ optimum activity is about pH 7.0 to 8.8 range, and if outside this range eoteuna indicate aspects that tagatose production decreased (Fig. 5), in the case of the Mn 2+ activated addition reaction optimum pH is It was further extended to 7.0-10 range, and the yield of tagatose was almost similar, indicating that the activity was maintained very high even under alkaline conditions (FIG. 6).

실시예 2 : 아라비노스 이성화효소의 타가토스 전환수율에 미치는 금속이온 효과 조사Example 2 Investigation of the Effect of Metal Ions on the Tagatose Conversion Yield of Arabinos Isomerase

재조합 대장균 JM10/pTC101 (KCTC 0603BP)를 배양하여 분리정제한 아라비노스 이성화효소를 금속이온 제거를 위해 EDTA-투석하고 Tris-HCL 완충액(pH 8.0), 50mM 갈락토스, 및 0.5mM의 각 금속이온을 첨가하고 30℃에서 1시간 반응시킨 후 첨가된 각 금속 이온에 따라 생성되는 타가토스 양을 조사하였다(표 1).The purified arabinose isomerase from the culture of recombinant E. coli JM10 / pTC101 (KCTC 0603BP) was EDTA-dialyzed to remove metal ions and added Tris-HCL buffer (pH 8.0), 50 mM galactose, and 0.5 mM each metal ion. After reacting at 30 ° C. for 1 hour, the amount of tagatose produced by each metal ion added was investigated (Table 1).

상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 금속이온이 첨가되지 않은 대조군에 비해 Fe2+, Mn2+, Mg2+, Ba2+, Ca2+등의 2가 양이온들은 타가토스 전환수율을 대략 1.45-2.35배로 매우 증가시키는 효과가 있으나 Ni2+, Cu2+, Zn2+등의 금속 이온은 오히려 촉매활성을 현저히 감소시킴을 알 수 있다. 촉매활성을 촉진하거나 억제하는 금속이온의 종류는 내열성 갈락토스 이성화효소의 경우와 매우 유사함을 알 수 있었다.As can be seen in Table 1, the divalent cations such as Fe 2+ , Mn 2+ , Mg 2+ , Ba 2+ , Ca 2+ and the like compared to the control group to which the metal ion was not added, yield the tagatose conversion yield. Although it is very effective to increase 1.45-2.35 times, it can be seen that metal ions such as Ni 2+ , Cu 2+ , and Zn 2+ decrease the catalytic activity significantly. The types of metal ions that promote or inhibit catalytic activity were very similar to those of heat-resistant galactose isomerase.

이상 살펴본 바와 같이, 내열성 갈락토스 이성화효소를 이용하여 고온의 반응 조건 및 적절히 제어된 pH 범위 내에서 금속 이온의 종류 및 농도를 달리하면서 이성화반응을 수행하면 갈락토스로부터 타가토스로의 전환수율을 현저히 증가시킬 수 있는 매우 뛰어난 효과가 있다.As described above, the isomerization reaction using heat-resistant galactose isomerase with varying types and concentrations of metal ions within a high temperature reaction condition and a properly controlled pH range may significantly increase the conversion yield of galactose to tagatose. It has a very excellent effect.

Claims (5)

25-100℃ 에서 Mn2+, Mg2+, Ba2+, Fe2+및 Ca2+로 구성된 군으로부터 선택된 금속 이온을 촉매활성 촉진자로 제공하여 갈락토스를 타가토스로 전환시키는 활성을 갖는 아라비노스 이성화효소 또는 내열성 갈락토스 이성화효소를 이용하여 갈락토스로부터 타가토스를 제조하는 방법.Arabinose having an activity of converting galactose to tagatose by providing a metal activity promoter selected from the group consisting of Mn 2+ , Mg 2+ , Ba 2+ , Fe 2+ and Ca 2+ at 25-100 ° C. A method for producing tagatose from galactose using isomerase or heat resistant galactose isomerase. 제1항에 있어서, 상기 내열성 갈락토스 이성화효소가 40-80℃에서 촉매활성을 나타내는 서열번호 1에 의해 암호화되는 효소 또는 이와 기능적으로 동일한 기능을 갖는 내열성 갈락토스 이성화효소임을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the heat resistant galactose isomerase is an enzyme encoded by SEQ ID NO: 1 exhibiting catalytic activity at 40-80 ° C, or a heat resistant galactose isomerase having a functionally equivalent function. 제1항에 있어서, 상기 아라비노스 이성화효소가 25-35℃에서 최적 촉매활성을 나타내는E.coliJM1C/pTC101(KCTC 0606BP) 유래의 아라비노스 이성화효소임을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the arabinose isomerase is an arabinose isomerase derived from E. coli JM1C / pTC101 (KCTC 0606BP) that exhibits optimum catalytic activity at 25-35 ° C. 3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 금속 이온을 0.1-5mM 범위의 농도로 제공하여 갈락토스로부터 타가토스를 제조하는 것임을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 1 or 2, wherein tagatose is prepared from galactose by providing metal ions at a concentration in the range of 0.1-5 mM. 제4항에 있어서, 금속 이온이 망간 이온(Mn2+)임을 특징으로 하는 방법.The method of claim 4, wherein the metal ion is manganese ion (Mn 2+ ).
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KR100464061B1 (en) * 2002-05-15 2004-12-30 (주)케비젠 Tagatose production method by immobilization of arabinose isomerase

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