본 연구에서는 볏짚의 수준별 각 효소들의 수용성 탄수화물 생성 효율분석에서 가장 효과가 큰 cellulase를 고정 변수로 설정하여 실험을 진행하였으며, 그 결과 볏짚의 수준이 증가됨에 따라서 생성되는 수용성탄수화물이 증가하였고 결과적으로 볏짚의 효소처리를 통한 수용성 탄수화물의 생산에 있어 cellulase가 가장 큰 효과를 나타내며, hemicellulase과 xylanase는 서로 상호작용을 통하여 수용성 탄수화물 생성량을 향상시키는 것으로 나타났다.
<h1>결과 및 고찰</h1> <h2>볏짚의 수준별 각 효소들의 수용성 탄수화물 생산량</h2> <p>기질로 사용된 볏짚의 수준을 \( 10 \mathrm{~g} / 1 \) 에서 \( 100 \mathrm{~g} / \mathrm{l} \) 까지 변화시킨 후에, 각각의 cellulase, hemicellulase 및 xylanase를 첨가하여 반응시킨 후 얻어진 수용성 탄수화물의 양은 Table 1에서 보는 것과 같다. 반응액에 첨가된 볏짚의 수준이 \( 100 \mathrm{~g} / 1 \) 일 경우에는 cellulase와 hemicellulase가 서로 같은 수용성 탄수화물 생성효율을 나타내었으며, xylanase 활성은 유의적으로 낮은 효율을 나타내었다 \( (p<0.05) \). 그러나 첨가된 볏짚의 수준이 \( 50 \mathrm{~g} / 1 \) 로 감소하였을 때에는 cellulase의 활성이 유의적으로 높았으며 \( (p \times 0.05) \), hemicellulase와 xylanase 간의 활성차이는 나타나지 않았다. 이후 볏짚의 수준이 \( 20 \mathrm{~g} / 1 \) 와 \( 10 \mathrm{~g} / 1 \) 로 낮을 경우에는 cellulase가 유의적으로 가장 높은 수용성 탄수화물 생성효율을 나타내었으며, 다음으로는 hemicellulase와 xylanase의 순서로 나타났다 \( (p \times 0.05) \). 반응액에 첨가된 볏짚의 수준에 따른 각 효소들의 수용성 탄수화물 생성효율 변화에는 유의적 차이를 나타내었으며 \( (p<0.05) \), 첨가된 볏짚의 수준과는 관계없이 세가지 효소간의 활성차이도 유의적으로 나타났 다 \( (p<0.05) \). 또한 볏짚의 첨가수준에 따른 효소들의 활성과 효소의 종류별 활성간의 상호작용에도 유의적 차이가 있는 것으로 나타났다 \( (p<0.05) \).</p> <h2>볏짚의 수준, hemicellulase 및 xylanase 간의 상호작용</h2> <p>볏짚의 수준별 각 효소들의 수용성 탄수화물 생성 효율분석에서 cellulase가 가장 우수한 효율을 나타내었다 \( (p<0.05) \). 일반적으로 cellulase는 섬유성 바이오매스로부터 수용성 탄수화물을 생산하는 공정에서 가장 많이 사용되는 효소로 알려져 있다. 이에 본 실험에서는 가장 효과가 큰 cellulase를 고정 변수(fixed variable)로 설정하여 모든 실험들에 대하여 동일한 수준 \( (1 \mathrm{~mg} / \mathrm{ml}) \) 으로 첨가하였다. BBD 실험의 변수로는 볏짚, hemicellulase 및 xylanase를 사용하였고, 각 변수들은 세가지 수준으로 배열하여 총 15개의 실험(run)들을 설계하였다. 각 실험별로 나열된 변수들의 수준들(coded value)과 실제 반응액에 첨가된 효소의 양 및 볏짚의 함량(uncoded value), 그리고 실험별로 얻어진 반응(수용성 탄수화물 생산량)들과 반응 표면모형을 통하여 얻어진 예측값들의 결과는 Table 2에서 보는 것과 같다. 각 실험별로 얻어진 수용성 탄수화물의 양은 최소 \( 5.5 \mathrm{~mM} \)에서 최대 \( 33.1 \mathrm{~mM} \)까지 매우 다양하게 나타났다.</p> <p>BBD 설계를 이용한 실험의 분산분석결과는 Table 3에서 보는 것과 같다. 전체적인 회귀모형과 선형 및 2차 모형 모두에서 \( 95 \% \) 이상의 확률값을 얻을 수 있었으며, 변수들간의 상호관계에서는 \(90\%\) 이상의 확률값을 얻을 수 있었다. 분산분석 결과를 통하여 각 변수들의 효과에 대한 직선성과 곡선성이 확인되었고, 전체적인 모형의 적합성이 확인되었다. 변수들 간의 상호작용에 있어 확률값이 다른 분석성분에 비하여 다소 낮은 결과를 나타낸 것은 상용된 변수들 중 볏짚의 첨가수준이 매우 큰 효과를 나타내었기 때문인 것으로 판단된다.</p> <p>반응표면모형에 대한 회귀계수들과 그 확률값들은 Table4에서 보는 것과 같다. 1차 식의 회귀계수에서는 볏짚이 가장 높은 확률값을 나타내었으며, 다음으로는 xylanase 그리고 hemicellulase의 순서로 나타났다. 2차식에 대한 회귀계수에서는 hemicellulase를 제외한 나머지 변수에서 모두 유의성이 발견되었다. 변수들간의 상호작용에 대한 회귀계수에서는 hemicellulase와 xylanase 간의 상호작용에서만 유의성이 발견되었다. 반응표면모형의 수정된 \( \mathrm{R}^{2} \) 수치는 \( 99.4 \% \)로 나타났다. Hemicellulase는 섬유성 바이오매스에 포함된 hemicellulose를 제거하여 cellulase에 의하여 cellulose가 분해되는 작용을 향상시킨다고 보고된바 있다. 또한 xylanase도 cellulase의 활성 저해요인으로 알려진 xylooligomer를 제거하 여 cellulase의 작용을 향상시킨다고 보고되었다.</p> <p>회귀계수의 확률값 분석을 통하여 hemicellulase와 xyla-nase 간의 상호작용이 확인되어서 두가지 변수들의 상호작용 형태를 반응표면모형을 통하여 얻어진 예측값을 이용하여 3차원 그래프로 나타내었다. 그 결과 첨가된 볏짚의 수준에 관계없이 hemicellulase와 xylanase가 각각 \( 0.55 \mathrm{~mg} / \mathrm{ml} \)와 \( 0.65 \mathrm{~mg} / \mathrm{ml} \) 수준으로 혼합될 경우에 가장 우수한 수용성 탄수화물 생성량을 나타내었다. 본 실험에서는 cellulase를 모든 실험들(runs)에 동일하게 첨가한 상태에서 볏짚의 함량, hemicellulase의 첨가수준 및 xylanase의 첨가수준을 달리하였다. 그 결과, 볏짚의 수준이 증가됨에 따라서 생성되는 수용성탄수화물은 증가하였다. 그러나 hemicellulase와 xylanase의 경우에는 그 수준을 계속 증가시켜도 수용성 탄수화물이 직선적으로 증가하지 않았다. 또한 hemicellulase와 xylanase의 경우 Fig. 4에서 보는 것과 같이 최고의 수용성 탄수화물을 나타내는 꼭지점을 나타내었고, 그 지점에서 상승효과를 나타내는 상호작용을 보였다.</p> <p>결과적으로 볏짚의 효소처리를 통한 수용성 탄수화물의 생산에 있어 cellulase가 가장 큰 효과를 나타내며, hemicellulase과 xylanase는 서로 상호작용을 통하여 수용성 탄수화물 생성량을 향상시킨다는 알 수 있었다.</p>