수열처리 바이오매스의 리그닌이 효소가수분해에 미치는 영향

신윤정1,3*, 이재원1,2,3

(1전남대학교 임산조경학과, 2전남대학교 임산공학과, 3전남대학교 IT-Bio 융합시스템전공)

Effect of lignin in hydrothermal treated biomass on enzymatic hydrolysis

Yoon-Jung Shin1,3*, Jae-Won Lee1,2,3

(1Department of Wood Science and Landscape Architecture, Chonnam Naitonal University,

2Department of Wood Science and Engineering, Chonnam National University,

3Interdisciplinary Program in IT-Bio Convergence System, Chonnam National University)

요약: 본 연구에서는, 리그닌 함량이 높고 구조적으로 차이가 있는 바이오매스(소나무, 유칼립투스)를 사용하였다. 170℃에서 10분, 60분 동안 수열처리하고, milled wood lignin (MWL)을 분리하였다. 원시료와 전처리 바이오매스 리그닌의 특성을 기반으로 효소가수분해에 미치는 영향을 분석하였다. 수열처리 시간이 증가함에 따라 바이오매스에서 헤미셀룰로오스 함량이 감소하였으며, 이는 수열처리에 의한 바이오매스 분해율 결과와 일치하였다. 수열처리 후 결정화도는 증가하였는데, 이는 헤미셀룰로오스의 분해로 인해 상대적으로 셀룰로오스 함량이 증가했기 때문이다. MWL의 FTIR 스펙트럼에서 리그닌 관련 피크가 관찰되었다. 31P-NMR 분석에서 수열처리 후 카르복실기의 양이 증가하고, 지방족 OH 함량이 감소하는 경향이 나타났다. 수열처리 시간이 증가할수록 글루칸의 글루코오스 전환율이 증가하였다. 특히, 유칼립투스의 효소가수분해 효율이 소나무보다 높게 나타났다. 이는 침엽수 리그닌이 β-5 및 5-5 결합을 많이 포함하고 있어 높은 해리 에너지를 가지는 난분해성 구조이기 때문이다.

Abstract: In this study, biomass (pine and eucalyptus) with high lignin content and structural differences was used as raw materials. Hydrothermal treatment was performed at 170°C for 10 min (or 60 min) and milled wood lignin (MWL) were separated from raw materials and pretreated biomass. The effect on enzymatic hydrolysis was analyzed based on the characteristics of lignin in the raw materials and pretreated biomass. The hemicellulose in the biomass decreased as the hydrothermal treatment time increased, which was consistent with the degradation rate of biomass during hydrothermal treatment. The crystallinity of pretreated biomass increased compare to raw materials, which is due to the relative increase in cellulose content by the hemicellulose degradation. Lignin-related peaks were observed in the FTIR spectrum of MWL. In the 31P-NMR analysis, the carboxyl groups increased after hydrothermal treatment, and the aliphatic OH content decreased. The conversion rate of glucan to glucose increased as the hydrothermal treatment time increased. In particular, the enzymatic hydrolysis efficiency of eucalyptus was higher than that of pine. This is because lignin in the softwood contains a lot of β-5 and 5-5 bonds, making it a recalcitrant structure with high dissociation energy.

사사: 이 논문은 2024년 정보 (과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연국재단의 지원을 받아 수행된 연구임 (No. 2021R1A2C10071991440982119420104).