효소를 nanofiber에 고정화하고 이에 ironoxide nanoparticle을 함유함으로써, 자석에 의해 분리 가능한 효소 고정화 담체를 제작했다. 고정화된 효소는 비고정화 효소에 비해 열안정성이 향상되어, 활성도가 \( 60^{\circ} \mathrm{C} \) 이상에서 감소한다는 점을 확인했다. 고정화 효소의 활성도는 상온에서 장기간 유지되지만, \( 40^{\circ} \mathrm{C} \) 이상에서는 안정성이 감소하는 경향을 보였다. 본 연구에서 제작한 고정화 효소는 자석으로 분리 가능하고, 녹말 분해 반응에 연속적으로 사용 가능한 시스템을 개발하는 데 활용되었다.
<h2>자석을 이용한 효소의 재사용</h2><p>자석에 의해 분리가 가능한 효소는 산업적인 측면에서 효소를 손쉽게 재활용할 수 있다는 측면에서 경제적인 효과가 우수하다. 본 연구에서는 효소 고정화 담체를 제조하는데 있어서 nanofiber에 ironoxide nanoparticle을 함유하도록 함으로서 자석에 의해 분리가 가능하도록 제조하였다. 실험 방법을 통하여 제조한 고정화 효소의 재사용 가능성을 조사하기 위해 고정화 효소를 반응시킨 후 자석으로 회수하여 다시 녹말을 분해하는 과정을 되풀이 하였다. 재활용결과는 Fig. 4에 나타내었다. 본 연구에서 제조된 자석으로 분리가 가능한 nanofiber enzyme은 Fig. 4의 결과에서 보는 바와 같이 10차례 이상 재사용 했을 때 활성도가 \(95\%\) 이상으로 녹말의 전환공정에서 산업적인 활용이 가능 할 것으로 판단된다. Fig. 4 (b)는 반응 상태의 고정화 효소를 보여주고 있으며 Fig. 4(c)는 자석을 이용하여 효소를 분리하는 그림을 보여주고 있다.</p><h2>온도 변화에 따른 효소의 활성도 변화</h2><p>효소의 반응 속도를 결정하는 중요한 요인의 하나인 온도에 따른 효소의 활성도를 측정하였다. Fig. 5(a)의 결과를 보면 낮은 온도에서 효소의 활성도는 낮은데 비해 온도가 증가함에 따라 효소의 활성도가 증가함을 볼 수 있었고 \( 60^{\circ} \mathrm{C} \) 이상에서는 amylase의 활성도가 급격히 떨어지는 것을 볼 수 있었다. 이는 효소가 열에 의해 쉽게 변성되는 것을 의미하며 고정화되지 않은 효소의 경우에는 \( 50^{\circ} \mathrm{C} \) 이상이 되면서 활성도가 급격히 떨어지는데 비해 고정화된 효소의 경우에는 \( 60^{\circ} \mathrm{C} \) 이상에서 떨어지는 것을 보여 고정화에 의해 효소의 열안정성이 증가되는 현상을 관찰 할 수 있었다.</p><p>Fig. 5(b)의 결과를 보면 일정한 온도에서 고정화 효소의 장기간 교반조건 하에서 효소의 안정성을 측정한 그림이다. 고정화된 효소는 상온에서 격렬하게 흔드는 조건하에서도 30일 이상 안정성을 유지하는 특성을 보여주어 산업적으로 연속적인 활용 가능성을 보여주었다. 온도가 증가함에 따라 효소의 활성도는 시간이 지남에 따라 감소하는 현상을 보이는데 이는 다른 효소들과 같이 고정화 효소도 열에 의해 활성도가 감소되는 현상을 관찰 할 수 있다. 비고정화 효소의 안정성은 시간이 지날수록 활성도가 급격히 감소하는 현상을 보여 상온에서 2일 지난 후 \( 60 \% \)의 활성도가 감소하였으나 상온에서의 고정화 효소의 활성도는 장기간 활성도가 유지되어 \( 92.7 \% \)의 안정성을 보이고 있으나 \( 40^{\circ} \mathrm{C} \)에서는 고정화 효소의 안정성이 감소하는 현상을 보이며 \( 60^{\circ} \mathrm{C} \)에서는 하루 만에 활성도가 모두 없어지는 현상을 보여 고정화 효소도 열에 대한 안정성은 고정화 하지 않은 효소보다는 증가하지만 높은 온도에서는 우수한 안정성을 유지하지 못하는 결과를 보였다.</p><h2>고정화 효소를 이용한 연속 녹말 분해공정 개발</h2><p>고정화 효소를 사용하여 연속적으로 녹말을 분해할 수 있는 시스템을 개발하여 작은 크기의 반응기를 이용하여 실험을 수행하였다. 반응 부피를 \( 2 \mathrm{ml} \)로 하고 자석으로 분리가 가능한 고정화 효소의 양을 \( 1.0 \mathrm{mg} \) 첨가하였으며 출구로 고정화 효소가 유출되지 않도록 하기 위하여 nanofilter를 설치하였다. Syringe pump를 이용하여 유량을 조절하여 반응기에 기질이 머무는 체류시간을 조절하여 체류시간 변화에 따른 녹말의 전환율을 측정하여 Fig. 6에 나타내었다. 반응물의 체류 시간이 1시간일 때 녹말의 전환율은 \( 76 \% \)로 나타났다. 체류시간 증가에 따라 녹말의 전환율은 증가 하였으나 체류시간이 1시간 이상이 되는 경우에는 체류시간 증가에도 녹말의 전환율이 크게 증가하지 않아 연속 효소반응기를 사용하는 경우 물질 전달 등의 이유로 완벽한 전환이 이루어지지 않음을 보이고 있다. 또한 연속 반응기를 사용하는 경우에는 회분식 반응기를 사용하는 경우보다 효소반응속도가 느린 것으로 나타났으며 녹말을 \( 100 \% \) 전환시키기 위해서는 효소의 양의 증가뿐만 아니라 다단계 효소반응기가 필요할 것으로 판단되었다.</p><p>본 연구에서는 \( \alpha \)-Amylase를 자석으로 분리가 가능한 nanofiber에 고정화 시켜 자석을 이용한 회수가 가능하도록 하였으며 효소를 nanofiber 표면에 응집되어 결합되도록 함으로써 안정성을 획기적으로 개선하였다. 특히 열 안정성 측면에서 기존의 효소보다도 10도 이상에서 안정한 효과를 나타냈으며 상온에서 고정화된 효소는 격렬하게 흔드는 조건 하에서도 안정성을 30일 이상 유지하는 특성을 보여 산업적으로 활용 가능성을 보여주고 있다. 특히 자석으로 분리가 가능하게 함으로서 재사용이 가능하였다. 연속식 효소반응 공정의 개발 함으로서 효소가 유출되는 것으로 방지하였다. 연속 반응기에서 체류시간이 1시간일 때 \( 30 \mathrm{~g} / \mathrm{l} \) 녹말의 전환율이 \( 76 \% \)이었다. 효소반응기의 연속공정의 사용이 가능해 짐으로서 효소 사용량을 현저히 감소시킬 수 있으며 이를 이용한 효소전환 반응의 상업적인 활용이 가능할 것이다.</p>