Abstract

The optimum culture condition of Schizophyllum commune for the cellulase production and its enzymatic characteristics for saccharification of cellulosic biomass were analyzed. S. commune secrets ${\beta}$-1,4-xylosidase (BXL) and cellulases, including endo-${\beta}$-1,4-glucanase (EG), cellobiohydrolase (CBH), and ${\beta}$-glucosidase (BGL). The optimum reaction temperature for all cellulases was $50^{\circ}C$ and the thermostable range was $30{\sim}40^{\circ}C$C. The optimum reaction pH for all cellulases was 5.5 in a range of temperature from $0^{\circ}C$ to $55^{\circ}C$. The best nutritions for the cellulase production of S. commune among tested nutrients were 2% cellulose for the carbon source and corn steep liquor or peptone/yeast extract for the nitrogen source without vitamins. The environmental culture condition for the cellulase production was 5.5~6.0 for pH at $25{\sim}30^{\circ}C$. The enzyme activities of EG, BGL, CBH, and BXL were 3670.5, 631.9, 398.5, and 15.2 U/$m{\ell}$, respectively, after concentration forty times from the culture broth of S. commune which was grown at the optimized culture condition. Alternative filter paper unit assay showed 11 FPU/$m{\ell}$ enzyme activity. The saccharification tests using cellulase of S. commune showed the low saccharification rate on tested hardwoods but a high value of 50.5% on cellulose, respectively. The saccharification rate (50.5%) of cellulose by cellulase produced in this work is higher than 45.7% in the commercial enzyme (Celluclast 1.5L, 30 FPU/g, glucan).

본 연구에서는 Schizophyllum commune의 당 분해효소 생산을 위한 최적 배양 조건과 목질바이오매스에 대한 당화 특성에 대하여 연구하였다. S. commune 균체 외 효소에는 endo-${\beta}$-1,4-glucanase (EG), cellobiohydrolase (CBH), ${\beta}$-glucosidase (BGL)와 같은 cellulase와 ${\beta}$-1,4-xylosidase (BXL)이 함유되어 있고 그 중에서 EG 및 BGL활성이 비교적 높은 활성을 나타낸 것으로 밝혀졌다. S. commune에서 생산된 EG, BGL, 및 CBH의 최적 온도는 $50^{\circ}C$이었으나, 열안정성을 가지는 온도범위는 $30{\sim}40^{\circ}C$였다. 그리고 최적 pH는 5.5이었으며 열 안정성을 나타내는 온도범위에서의 적정 pH는 동일한 pH 5.5이었다. Cellulase 생산을 위한 S. commune의 최적배양 조건은, 탄소원으로 천연 cellulose, 질소원으로는 corn steep, 또는 peptone/yeast extract 혼합물, 비타민은 첨가하지 않는 것이 cellulase 효소활성 증가에 적절한 것으로 밝혀졌다. 또한 탄소원의 최적 첨가 농도는 2% (w/w), 적정 배양 pH 및 온도는 5.5~6.0과 $25{\sim}30^{\circ}C$로 밝혀졌다. 본 연구에서 도출된 최적 배양 조건으로 S. commune를 배양시키고 40배로 농축한 결과, EG가 3670.5 U/$m{\ell}$, BGL과 CBH가 각각 631.9 U/$m{\ell}$, 398.5 U/$m{\ell}$, BXL이 15.2 U/$m{\ell}$로 매우 높은 효소 활성을 나타냈다. 동일한 효소의 Filter Paper Unit도 11 FPU/$m{\ell}$로 상당히 높았다. 최적배양조건에서 얻어진 S. commune 효소로 다양한 기질에 대해 당화 시험을 실행한 결과, 전처리를 하지 않은 공시 활엽수에 대하여 낮은 당화율을 나타냈으나 천연 cellulose (Aldrich, ~20 micron) 및 볏짚의 경우에는 각각 50.5% 및 33.1%의 높은 당화성능을 나타냈다. 이 같은 당화 수준은 동일 효소농도 (30 FPU/g, glucan)로 비교했을 때 Trichoderma reesei 유래 상용화 효소인 Celluclast 1.5L의 약 110% 수준을 나타냄으로써, 대량생산기술 개발과정을 통해 목질계 당화 효소로의 상용화 가능성이 높은 균주로 평가되었다.

Keywords

• Schizophyllum commune;
• cellulase;
• endo-${\beta}$-1,4-glucanase;
• cellobiohydrolase;
• ${\beta}$-glucosidase;
• cellulose