Most carbohydrates exist in nature in an insoluble state, which reduces their susceptibility towards various carbohydrases. Accordingly, they require intensive pretreatment for structural modification to enhance an enzyme reaction. The direct conversion of insoluble carbohydrates has distinct advantages for special types of reaction, especially exo-type carbohydrase; however, its application is limited due to structural constraints. This paper introduces two novel heterogeneous enzyme reaction systems for direct conversion of insoluble carbohydrates; one is an attrition coupled enzyme reaction system containing attrition-milling media for enhancing the enzyme reaction, and the other is a heterogeneous enzyme reaction system using extruded starch as an insoluble substrate. The direct conversion of typically insoluble carbohydrates, including cellulose, starch, and chitin with their corresponding carbohydrases, including cellulase, amylase, chitinase, and cyclodextrin glucanotransferase, was carried out using two proposed enzyme reaction systems. The conceptual features of the systems, their reaction characteristics and mechanism, and the industrial applications of the various carbohydrates are analyzed in this review.
We review novel chemical kinetics proposed for quantitative description of fluctuations in reaction times and in the number of product molecules in a heterogeneous biological system, and discuss quantitative interpretation of randomness parameter data in enzymatic turnover times of ${\beta}$-galactosidase. We discuss generalization of renewal theory for description of chemical fluctuation in product level in a multistep biopolymer reaction occurring in a dynamically heterogeneous environment. New stochastic simulation results are presented for the chemical fluctuation of a dynamically heterogeneous reaction system, which clearly show the effects of the initial state distribution on the chemical fluctuation. Our stochastic simulation results are found to be in good agreement with predictions of the analytic results obtained from the generalized master equation.
Kim, Dong-Sun;Park, Dong-Chan;Cho, Myung-Jin;Lee, Yong-Hyun
Microbiology and Biotechnology Letters
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v.22
no.3
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pp.283-289
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1994
The production of maltose utilizing swollen extrusion starch seems to have many technical advantages, such as, high reaction rate and high yield, production of high purity concentrated maltose, and low energy consumption, over the conventional method utilizing liquefied starch. The characteristics of maltose formation in heterogeneous enzyme reaction system comtaining swollen extrusion starch was investigated using fungal $\alpha $-amylase. The influence of extrusion conditions on structure of extruded starch, such as, degree of gelatinization, water absorption index, and water solubility index was analyzed. The relationship between the structural features and maltose forming reaction was investigated, and the result was analyzed in terms of surface reaction of insoluble extruded swollen starch. The characteristics of maltose formation from swollen sxtrusion starch was compared using endo-type fungal $\alpha $-amylase and exo-type $\beta $anylase, and the structural trasformation of extruded starch was also observed to clarify the reaction mechanism.
A kinetic model of the cyclodextrin formation in a heterogeneous enzyme reaction system using swollen extrusion starch as substrate was derived emphasing the structural features of extrusion starch. The degree of gelatinization, the ratio of accessible and inaccessible portion of extrusion starch, adsorption of CGTase on swollen starch, the structural transformation during reaction, and product inhibition caused by produced CDs were considered in deriving kinetic model. Various kinetic constants were also evaluated. The derived kinetic equation was numerically simulated, which result showed that the derived kinetic equations can be used to predict the experimental data reasonably well under the various experimental conditions. Kinetic model can be utilized for the optimization of enzyme reactor and the process development for CD production from swollen extrusion starch.
From alumina powder and TEOS, $\alpha$-Al2O3/SiO2 composite powder for reaction-sintered mullite was synthesized by heterogeneous coagulation and surface coating, and investigated the mullitization reaction and sintering behavor of these powders. In $\alpha$-Al2O3/SiO2 composite powder prepared by heterogeneous coagulation, each alumina particles were surrounded by silica particles of 50~60 nm in size. And the alumina particles in composite powder prepared by surface coating were coated by uniform silica layer with thickness of 50 nm. In both methods, mullitization reaction was completed at 1$650^{\circ}C$ for 3h, and specimen sintered above 145$0^{\circ}C$ was about 95% fo the theoretical relative density. Mullite grains formed from the reaction with composite powders showed spherical shape with a size of 1~2${\mu}{\textrm}{m}$.
Using heterogeneous catalyst, esterification reaction of soybean oil (SBO) with methanol was investigated. Distributions of components in mixtures of soybean oil and methanol were measured at temperatures ranging from 40 to $65^{\circ}C$. Glycerine contents of reaction mixtures were measured for the different kinds of catalysts, such as NaOH, CaO, Ca(OH)$_2$, MgO, Mg(OH)$_2$, and Ba(OH)$_2$. Based on the measured glycerine concentrations, conversions of the reaction mixtures were calculated. The effects of dose of catalyst, cosolvent and reaction temperature on final conversion were examined. Solubility of methanol in soybean oil was substantially greater than that of soybean oil in methanol. When the esterification reaction of soybean oil was catalyzed by heterogeneous catalyst, final conversion was strongly dependent on the alkalinity of the heterogeneous catalyst, and increased with the alkalinity of the catalyst material. Hydroxides from the alkali metals were more effective than oxides, which actually had no catalytic effects. When Ca(OH)$_2$ was used for the esterification catalyst, maximum value of final conversion was measured at dose of 4%. The final conversion and reaction rate increased with reaction temperature, and showed substantial increment at reaction temperature of 5$0^{\circ}C$. When cosolvent, CHCl$_3$, was added into the reaction mixture of soybean oil which catalyzed by Ba(OH)$_2$, maximum value of final conversion was appeared at dose of 3%.
The clay-based Fe-bearing catalyst was successfully prepared through ion-exchange reaction and applied as heterogeneous catalyst for discoloration of acid fuchsine (AF) in an aqueous solution by Fenton-like reaction. Experimental results demonstrated that the AF discoloration ratios increased by increasing Fe-loaded clay dosage and initial $H_2O_2$ concentration, and by decreasing the pH, respectively. The lower the initial AF concentration, the shorter the reaction time needed to achieve complete discoloration of AF. Comparative studies indicated that AF discoloration ratios were much higher in presence of Fe-loaded clay and $H_2O_2$ than those in presence of $H_2O_2$, raw natural clay or Fe-loaded clay only and raw natural clay and $H_2O_2$ jointly. After AF discoloration, there existed no new phases in the clay samples detected by XRD and no change in the clay crystal morphology observed by SEM. A mechanism proposed suggested adsorption and Fenton-like reaction were responsible for discoloration of AF.
Direct synthesis of cyclodextrin (CD) from extruded insoluble corn starch without liquefaction procedure using cyclodextrin glucanotransferase (CGTase) was carried out. Increased CD production rate and yield were achieved in heterogeneous enzyme reaction system containing extruded corn starch compared with those of conventional system employing liquefied or partially cyclized starch. At extruded starch concentration of 100 g/l the CD concentration and conversion yield were reached up to 54 g/l and 0.54, respectively. High purity of $\alpha \beta \gamma$-CDs without accumulation of undesirable malto-oligosaccharides was produced, furthermore, the residual extruded starch was easily separated by centrifugation from reaction mixture, whlch will facilitate the purification procedure. Granular structure of extruded starch was observed by SEM to investigate enzyme reaction mechanism. Supplemental addition of $\alpha$-amylase enhanced slightly the initial CD production rate, but it decomposed produced CD at the late stage. Various! extruded raw starches, such as, corn, rice, and barley were also suitable substrates for CD production.
Mechanism of the cyclodextrin (CD) production reaction by cyclodextrin glucanotransferase (CGTase) using swollen extrusion starch as substrate was investigated emphasizing the structural features of starch granule. The degree of gelatinization was identified to be the most representative structural characteristic of swollen starch. The most suitable degree of gelatinization of swollen starch for CD production was around 63.52%. The structural transformation of starch granule during enzyme reaction was also followed by measuring the changes of the degree of gelatinization, microcrystallinity, and accessible and inaccessible portion to CGTase action of residual swollen starch. The adsorption phenomenon of CGTase to swollen starch was also examined under various conditions. The inhibition mechanism of CGTase by various CDs was identified to be competitive, most severely by a-CD. The mechanism elucidated will be used for development of a kinetic model describes CD production reaction in heterogeneous enzyme reaction system utilizing swollen extrusion starch.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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