In cellulose-cellulase system, it has been suggested that degree of crystallinity, surface area, and lignification of lignocellulose are the most important structural features which affect the susceptibility of cellulose to enzymatic hydrolysis. Pretreatments such as compression milling, and dissolving and reprecipitation were reported to be effective to increase the cellulose reactivity which had been decreased by these structural features.
In this work, the degree of crystallinity and degree of polymerization were investigated by X-ray diffraction and measuring viscosity of cellulose solution, respectively. The changes of the structural parameters by water-swelling, compression milling, phosphoric acid-swelling, and sodium hydroxide-swelling were examined. Also the effects of the parameters on the rate of enzymatic hydrolysis and the change of these during the course of the reaction were studied.
It was observed that the increase in degree of crystallinity in water-swelling, could be the recrystallization effect, and the decrease in degree of crystallinity and degree of polymerization of Solka Floc SW40 and Avicel PH102, had a correlation with the increase in the initial reaction rate. It was found that phosphoric acidswelling made degree of crystallinity decrease like compression milling, and sodium hydroxide-swelling converted cellulose I into cellulose II by lattice change.
Native cellulose, Sweco milled cellulose, and cellulose treated with phosphoric acid and sodium hydroxide were used as the substrates for enzymatic hydrolysis, which had the same enzyme loading. Native cellulose and cellulose treated with 5 N sodium hydroxide, with high initial degrees of crystallinity (78 and 75%, respectively) showed the similar mode of change in reducing sugar concentration, slight increase in degree of crystallinity during enzymatic hydrolysis, and little change in degree of polymerization. And Sweco 270, medium degree of crystallinity (37%), had a rapid increase in degree of crystallinity, contrary to the pretreatments such as phosphoric acid-swelling and compression milling. Moreover, almost amorphous Solka Floc treated with 85% phosphoric acid had no increase in degree of crystallinity, a rapid decrease in degree of polymerization, and a noticeably fast rate of reaction.
Through various observations, it was concluded that the degree of crystallinity is a major limting factor in enzymatic degradation from a correlation between degree of crystallinity and rate of reaction, and degree of polymerization may be regarded as not a limiting factor, but a parameter to monitor an enzymatic attack on cellulose chains at random as well as at the ends.
It was suggested that enzymatic reaction mechanism was explained well as parallel mechanism, not serial mechanism.
Moreover, an effective pretreatment of cellulose should affect degree of crystallinity rather than the other structural parameters and degree of crystallinity seems a criterion to measure the effectiveness of pretreatment process in enzymatic hydrolysis of cellulose.
섬유소-섬유소 효소계에서, 섬유소 효소의 분해에 대한 섬유소의 감수성에 영향을 미치는 구조적 특징들 가운데 섬유소의 결정도, 표면적, 목질화등이 가장 중요하다고 알려져 있으며, 이들에 의해 감소되는 섬유소의 반응도를 증가시키기 위해 압축 milling, 용해 및 재침전 등이 효과적이라고 보고되어 있다.
본 논문에서는 구조 변수들 중 결정도와 중합도를 택하여 각각 X- 선 회절과 용액의 점도에 의해 측정하며, 섬유소의 물에 의한 팽창, 압축 milling, 인산과 가성소오다에 의한 팽창에 따라 결정도와 중합도의 변화를 살피어 이들 구조 변수가 반응속도에 미치는 효과와 가수 분해 동안의 구조 변수들의 변화를 조사하였다.
섬유소의 물에 의한 팽창시 시간에 따라 결정도가 증가함이 관찰되며 이를 재결정 현상으로 설명할 수 있으며, 압축 milling의 통과 횟수에 따라 Solka Floc SW 40 과 Avicel PH 102 의 결정도와 중합도가 감소하며, 초기 반응속도가 증가함을 알 수 있었다. 또한 인산에 의한 팽창은 압축 milling 의 결과와 같이 인산의 농도에 따라 결정도가 감소하여 85%의 농도에서는 거의 무정형임을 알 수 있고 가성 소오다에 의한 팽창은 섬유소의 격자 변형에 따라 섬유소 I 에서 섬유소 II 로 변화시킴을 알 수 있었다. 천연섬유소, sweco milling 에 의한 섬유소, 85% 인산과 5N 가성소오다로 처리한 각 섬유소 물질들을 섬유소에 대한 일정 농도의 효소로서 가수 분해시켜 포도당으로 표시된 환원당의 농도와 구조 변수의 조사결과, 초기결정도가 높은 (78, 75%) 천연섬유소나 가성소오다 처리 섬유소 물질은 환원당의 농도 변화, 결정도의 적은 증가, 중합도의 불변등 비슷한 유형으로 변하며, 초기 결정도가 중간인 (37%) sweco 270은 결정도가 급격히 증가하여 인산과 압축 milling 에 의한 전처리 과정과 정반대의 현상을 보여주며, 거의 무정형인 85% 인산으로 처리한 Solka Fbc 은 시간에 따라 결정도의 증가가 거의 보이지 않았고 중합도가 급격히 감소하여, 매우 빨리 반응속도가 진행됨을 알 수 있었다.
이상 결과를 볼 때, 결정도와 반응속도의 뚜렷한 반비례 관계에서 결정도가 효소 가수 분해에서 중요한 한계 인자임을 알 수 있고, 중합도는 한게 인자라기 보다는 가수 분해 반응의 결과로서 변화하는 구조 변수라고 결론지을 수 있다. 또한 반응동안의 결정도 증가에서 효소 반응 단계를 연속식 보다는 평행식 단계로 설명함이 더 적절함을 알 수 있으며, 다른 구조 변수보다는 결정도를 감소시키는 전처리가 가장 유효하며, 이 결정도는 섬유소의 효소 분해 관점에서 전처리 공정의 효율성을 측정할 수 있는 척도가 될 수 있을 것으로 생각된다.
