As a part of our research endeavor to develop alternate energy and chemical resources from biomass, fundamental studies on the structural properties of cellulose and their effects on cellulase hydrolysis kinetics have been undertaken. The structural properties of cellulose are significantly changed not only during the reaction but also when the cellulosic materials are subjected to physicochemical pretreatment. The effects of pretreatment on the susceptibility of cellulose, the changes in such properties of cellulose as crystallinity, degree of polymerization, accessibility of water to cellulose surface, and surface area and the effect of these changes due to pretreatment on the kinetics of enzymatic hydrolysis have been studied. Among those physical studied, the crystallinity of cellulose was found to be most significant effect on the hydrolysis kinetics. Based on the experimental results, a two-phase kinetic model which takes into consideration of simultaneous enzymatic hydrolysis of both the crystalline and amorphous cellulose was developed. In order to further our understanding of the effect of cellulose structure on the enzymatic hydrolysis, the changes in structural parameters of cellulose during the course of hydrolysis have been studied. Some attempts were made to elucidate the relationships between the changes in the hydrolysis rate and adsorption pattern of enzyme and the changes in structural parameters of cellulosic substrates as the reaction proceeds. It was found that the hydrolysis rate or breaking of $\beta$-1,4-glycosidic bond in the cellulose is mainly governed by the crystallinity and that the two-phase hydrolysis concept was valid. The surface area appears to have some effect on the adsorption of cellulase, although the extent of this effect is not so significant as the crystallinity when the reaction proceeds. The changes in the degree of polymerization are dependent on the pore size of cellulose or the accessibility of enzyme molecule to the cellulose. From the information concerning the changes in the cellulose structure druing enzymatic hydrolysis, a possible mode of action of cellulase enzyme was proposed.
생물자원 물질 중 가장 풍부한 섬유소 물질 (cellulosic materials)을 유용하고 가치있는 탄소자원 또는 에너지 자원으로 전환시키기 위하여 효소에 의한 가수분해반응에 대하여 연구 하였다. 섬유소 분해효소(cellulase enzyme) 를 사용하여 반응을 시킬 때 섬유소의 구조적 특성, 생성물에 의한 저해, 효소의 불활성화 등에 의해 반응속도가 매우 낮아지는 것으로 알려져 있다. 섬유소의 반응 활성도를 증가시키기 위해 전처리 과정이 요구되어지며 반응의 효율을 높이기 위하여는 이에 관련되는 반응 기작 및 반응 속도론적 연구가 이루어져야 하므로 이를 위해 본 논문에서는 전처리 과정에 의한 섬유소 물질의 구조 변화와 섬유소 물질의 결정성, 중합도, 표면적, 밀도 및 입자의 크기 등 물리화학적 성질이 반응속도 및 흡착에 미치는 영향, 효소에 의한 가수분해 반응 동안의 섬유소 물질의 구조변화와 이에 관련되는 반응 기작 및 속도론적 해석에 관하여 연구 하였다.
압축분쇄법에 의한 전처리 방법은 섬유소의 구조적 특성 중 결정성에 가장 크게 영향을 주었으며, 가성소다와 인산은 팽윤작용에 의해 표면적을 크게 증가시킴을 알 수 있었다. 압축분쇄법에 의해 전처리된 섬유소 물질을 사용하여 반응속도 변수와 결정성과의 관계를 조사하였으며 이를 설명하기 위해 Two-phase model 을 제시 하였다. 실험결과가 이론적 예측과 잘 부합됨을 알 수 있었으며 섬유소의 여러 구조적 특성 중 결정성이 가장 중요함을 알 수 있었다.
섬유소의 구조변화에 따른 효소의 흡착현상을 조사한 결과 결정성, 표면적, Unit cell dimension등에 따라 흡착 등온식이 변화함을 알 수 있었으며, 구조 변수 중 표면적이 흡착현상에 가장 큰 영향을 주고 있음도 알 수 있었다.
섬유소 분해효소의 작용에 의한 섬유소 물질의 구조변화에 대하여 조사한 결과 초기 결정도가 높은 천연 섬유소나 가성소다로 전처리한 섬유소 물질은 결정도가 매우 적게 증가하였으며 중합도와 표면적도 크게 변화하지 않았다. 초기의 결정도가 중간인 Sweco 270 은 반응에 따라 결정도가 급격히 증가하였으며 거의 무정형인 85% 인산으로 처리한 Solka Floc 은 결정도와 표면적은 반응시간에 따라 거의 변화가 없었으나 중합도가 급격히 감소함을 알 수 있었다.
섬유소의 구조적 특성 이외에 반응속도에 영향을 미칠 것으로 추정되어지는 반응 생성물에 의한 저해현상과 효소의 불활성화에 대하여도 조사하였다. 결정가 높은 섬유소 분해반응일 경우 저해 현상이 크게 나타나 반응시간에 따른 반응속도의 급격한 감소는 주로 생성물에 의한 저해현상으로 해석되었다. 효소의 불활 성화 현상을 방지하기 위하여 계면 활성제인 Zonyl 을 사용한 결과 효소의 불활성화 현상을 방지 할 수 있었으나 가수분해 반응에는 아무런 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. 이는 흡착에 의해 효소-기질의 복합체가 형성되면 매우 안정한 것임을 시사하는 결과로서 효소의 불활성화에 의한 반응속도의 감소는 크지 않을 것으로 추정되었다. 실험결과를 토대로 Kinetic model 을 제시하였고 제시한 Model 의 타당성을 조사하기 위하여 순수 섬유소인 Solka Floc 을 사용하여 반응속도 상수를 실험적으로 구하였다.
실험적으로 구한 속도상수를 사용하여 Computer 모사법에 의해 Two-phase model 의 여러가지 특징적인 현상들을 조사 하였으며 실험결과와 계산 된 값이 비교적 잘 일치함을 알 수 있었다. 또한 실험결과를 토대로 섬유소의 구조와 반응 메카니즘과의 관계를 설명하기 위해 효소에 의한 섬유소 가수분해 반응의 메카니즘을 제시하였다.
