Continuous Production of Fish Skin Gelatin Hydrolysate Using a Two-Stage Membrane Ractor

2단계 막반응기를 이용한 어피젤라틴 가수분해물의 연속적 생산

A continuous two-stage membrane (1st-SCMR, MWCO 10,000; 2nd-SCMR, MWCO 5,000) reactor was developed and optimized for the production of fish skin gelatin hydrolysate with different molecular size distribution profiles using trypsin and pronase E. The optimum operating conditions in the 1st-step membrane reactor using trypsin were: temperature, $55^{\circ}C$ ; pH 9.0; enzyme concentration, 0.1 mg/ml; flux, 6.14 ml/min; reaction volume, 600 ml; and the ratio of substrate to trypsin, 100 (w/w). After operating for 1 hr under the above conditions, 79% of total amount of initial gelatin was hydrolysed. In the 2nd-step using pronase E under optimum operating conditions[temperature, $50^{\circ}C$ ; pH 8.0; enzyme concentration, 0.3 mg/ml; flux, 6.14 ml/min; reaction volume, 600 ml; and the ratio of substrate to pronase E, 33 (w/w)], the 1st-step hydrolysate was hydrolysed above 80%. Total enzyme leakages in the 1st-step and 2nd-step membrane reactors were about 11.5% at $55^{\circ}C$ for 5hrs and 9.0% at $50^{\circ}C$ for 4 hrs, respectively. However, there was no apparent correlation between enzyme leakage and substrate hydrolysis. The membrane has a significant effect on activity lose of trypsin and pronase E activity for 1 hr of the membrane reactors operation. The loss of initial activity of enzymes were 34% and 18% in the 1st-step and 2nd-step membrane reactor, whereas were 23% and 10% after operating time 3 hr in the 1st-step and 2nd-step membrane reactor lacking the membrane, respectively. The productivities of 1st-step and 2nd-step membrane reactor for 8 times of volume replacement were 334 mg and 250 mg per mg enzyme, respectively.

연속식 2단계 막(MWCO 10,000, MWCO 5,000)반응기를 이용하여 어피젤라틴 가수분해물 제조를 위한 최적 가수분해조건과 막반응기 장치에서 효소활성, 효소안정성에 미치는 인자 및 가수분해물의 생성량에 대하여 검토하였다. pH-drop법으로 젤라틴 분해에 대한 효소활성은 pronase E가 가장 높았고, 다음이 trypsin이었다. 1단계 막반응기에서 trypsin으로 어피젤라틴의 최적 가수분해조건은 반응온도 $55^{\circ}C$, pH 9.0, 효소농도 0.1 mg/ml, 기질 대 효소비 100(w/w), 반응부피 600 ml, 유출속도 6.14 ml/min였으며, 이때 가수분해도는 79%였다. 2단계에서 1단계 젤라틴 가수분해물을 pronase E로 분해할 경우는 반응온도 $50^{\circ}C$, pH 8.0, 효소농도 0.3 mg/ml, 기질 대 효소비 33(w/w)였으며 그 이외의 조건은 1단계와 동일하였고, 이때의 가수분해도는 80% 이상이였다. 막을 통한 효소의 누출량은 1단계에서 전체 효소량 중 작동시간 5시간에서 11.5%였으나 5시간 이후에는 거의 누출되지 않았으며, 2단계에서는 작동시간 4시간에서 9.0%가 누출되었다. 막반응기의 기계적인 전단웅력에 의한 효소활성저해는 1단계 및 2단계에서는 작동시간 3시간까지 34% 및 18%가 각각 감소되었으며, 이때 막을 제거시킨 반응기에서 효소활성 감소는 23% 및 10%가 각각 저해되었다. 그러나 효소누출과 가수분해물의 생산량 사이에는 명백한 상호작용은 나타나지 않았다. 1단계 및 2단계 막반응기의 각 최적조건하에서 부피대체율 8배까지의 가수분해물의 생산량은 각각 334 mg 및 250 mg으로 2단계 보다 1단계의 효소 mg당 생산량이 약 1.3배 높았다.