During enzymatic hydrolysis of cellulose, the cellulase complex was found to be deactivated significantly and the utilization efficiency of cellulase for practical application was found to be very low and only 30% of the initial enzyme activity.
In order to find out the causes for the cellulase deactivation and low utilization efficiency and at the same time to find the method of stabilizing the cellulase, the effects of shear and air-liquid interface on the cellulase activity were investigated.
The cellulase solution displayed rheological properties of a dilatant fluid with a consistancy factor 9.82 $10^{-5}$ and a power index 1.56. When cellulase solution was subjected to the shear by allowing it to flow through a capillary tubing and also was exposed to renewable air-liquid interface, the combined effect of shearing and air-liquid interface on the cellulase deactivation was found to be far more significant as compared to the effect of shear itself.
In the presence of air-liquid interface approximately 60% of cellulase activity was lost after 4hr shearing at 850 $sec^{-1}$, while no measurable deactivation was observed at the same condition but without interface. It was also found that with increasing cellulase concentration, deactivation due to the presence of air-liquid interface decreased.
The effect of air-liquid interface was considered to be primarily on adsorbed protein at the interface. And the dependence on protein concentration was explained by the point that the ratio of surface excess to bulk protein decreases as the protein concentration increases in the constant surface excess region.
Some surface active agents were tested of its stabilizing effect on cellulase with air-liquid interface and at 850 $sec^{-1}$. Zonyl FSN, Triton X-100, and bovine serum albumin turned out to be effective such that nearly no deactivation was observed after 4 hr shearing with air-liquid interface.
The effect of Zonyl against surface deactivation was possibly due to the reducing ability of surface excess of proteins concerned. Really Zonyl FSN at 0.005 mg/ml was found to reduce the surface excess of cellulase solution by 43%.
Although surface activity seems to be the necessary condition to exhibit the stabilizing effect against denaturation of proteins caused by the air-liquid interface, it seems that the interactions between surfactants and proteins lead to thermal deactivation. In this study Zonyl FSN did not show protecting effects against thermal deactivation occured at 50℃. Also it was found that the cellulase complex was more unstable at 1 mg/ml than at 0.2 mg/ml when it was statically incubated at 50℃.
Therefore surfactant-protein complex or protein-protein complex which is supposed to be formed by weak interactions such as hydrophobic interaction may not be more resistant to conformational change than protein alone, though it contributes to reducing surface excess.
셀룰로오스-셀룰레이스의 반응체계는 고체 및 액체의 이질상이므로 실제응용에 있어서 교반을 필수적인 요건으로 하고 있다. 그런데 이런 교반상태에서 셀룰레이스는 쉽게 불활성하고 따라서 그 이용 효율이 극히 낮아서 초기활성의 30%에 불과한 것으로 알려지고 있다.
따라서 본 논문에서는 교반과 관련된 여러 가지 요인들, 즉 온도, 전단력 및 기체-액체 계면이 셀룰레이스에 미치는 영향을 유리세관을 이용한 전단력 실험을 통하여 조사하였다. 또한 셀룰레이스를 안정화시킨다고 알려진 Zonyl 과 같은 물질을 검사하고 그 안정화 기작을 설명하였다.
실험 결과, 온도 및 전단력 자체는 셀룰레이스의 불활성에 크게 기여하지 못한 반면 전단력과 결합한 기체-액체 계면이 셀룰레이스를 불활성화시키는 중요한 요인인 것으로 나타났다. 이 경우 셀룰레이스의 농도가 증가하면 불활성은 감소하였다.
기체-액체 계면에서 불활성화하는 현상은 정확히 알려지지 않고 있으나 대체로, 계면에 지향된 단백질 및 효소의 혐수성 부분이 계면과의 상호작용으로 말미암아 점차로 계면에 노출되어 전체적인 효소 분자의 견고한 구조가 무너지고, 풀어진 사슬끼리 혐수성 결합을 이루어 응집된다고 믿어지고 있다. 따라서 기체-액체 계면에 흡착된 단백질 분자들에게서 주로 불활성이 일어난다고 생각된다. 그런데 단백질 분자도 다른 계면활성제처럼 혐수성 부분과 친수성 부분을 가지고 있어서 계면 잉여를 나타낸다. 이 계면 잉여는 임계농도 이전에 대체로 일정한 값을 나타내므로 셀룰레이스의 농도가 증가하면 용액 안의 단백질 농도에 대한 계면 잉여의 비율이 감소하게 되고 따라서 불활성도 줄어든다고 설명되었다.
또한 교반상태에서 셀룰레이스의 불활성을 감소시켜 주는 Zonyl과 같은 계면활성제의 역할은 단백질 분자의 계면 잉여를 줄여주는 것이라고 설명하였다. 실제로 Zonyl의 농도가 0.005mg/ml인 경우 셀룰레이스 분자의 계면 잉여는 43% 감소하였다.
Zonyl과 같은 계면활성제가 셀룰레이스 분자의 계면 잉여를 줄여주는 하나의 기작으로서 셀룰레이스와 Zonyl의 혐수성 상호작용으로 말미암은 셀룰레이스-Zonyl 복합체를 가정하였다. 이 복합체는 셀룰레이스의 혐수성도를 감소시키므로서 계면 잉여를 줄인다 고 생각되나 이 복합체가 단백질 분자 자체보다 더 견고하다고 생각되지는 않는다. 왜냐하면 Zonyl을 첨가하거나 셀룰레이스의 농도를 증가시킨 경우에 온도에 의해서 일어나는 불활성을 감소시켜 주지 못하기 때문이다.
기체-액체 계면에서 일어나는 불활성은 헤모글로빈과 같은 단백질에 있어서도 많이 관찰되며 따라서 위의 결과 및 검토는 다른 단백질 분자에 있어서도 적용이 된다고 생각되었다.
