Quercus variabilis Blume의 효소 가수분해 효율 증대를 위한 저온 및 저농도 수산화나트륨 전처리의 영향

김현철1*, 하시영1, 임우석1, 양재경1

(1경상국립대학교 농업생명과학대학 환경재료과학과)

Low-temperature and low-concentration sodium hydroxide pretreatment for enhanced enzyme hydrolysis rate from Quercus variabilis Blume

Hyeon Cheol Kim1*, Si Young Ha1, Woo Seok Lim1 and Jae-Kyung Yang1

(1Department of Environmental Materials Science/Institute of Agriculture and Life Science, Gyeongsang National University, Jinju, 52828, Republic of Korea)

요약: 표면 반응 설계를 사용하여 저온에서 낮은 NaOH 농도를 사용하는 수산화나트륨(NaOH) 전처리 방법을 개발하기 위해 Quercus variabilis Blume에 대한 전처리 방법을 개발했습니다. 그럼에도 불구하고 리그노셀룰로오스의 알칼리성 전처리와 관련된 지속적인 문제, 즉 높은 물 소비와 폐수 발생은 이 전처리 공정에서 여전히 널리 퍼져 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 이 연구에서는 중간 세척 단계 없이 NaOH 처리된 Q. variabilis Blume를 효소 가수분해하는 것을 목표로 했습니다. 그 결과, 전처리 및 고액 분리 후 NaOH 처리된 Q. variabilis Blume은 pH 조절을 통해 셀룰라아제 매개 가수분해를 직접 수행할 수 있어 세척 단계가 필요하지 않다는 사실이 밝혀졌습니다. 특정 조건(1.2% NaOH, 8.9°C, 32.1시간)에서 최대 효소 가수분해 효율은 95.9%에 달했습니다. 이 접근법은 NaOH 처리된 리그노셀룰로오스의 효소 가수분해 속도를 향상시킬 수 있는 유망한 방법을 제공합니다. 특히 저온 및 저농도 NaOH 처리는 리그닌과 헤미셀룰로오스의 상당 부분을 효과적으로 제거하여 증기 폭발로만 처리한 기질에 비해 셀룰로오스가 풍부한 잔류물의 결정성 지수가 더 높았습니다. 직접 전처리와 알칼리성 처리의 통합은 포도당과 고순도 리그닌을 생산하는 환경 친화적이고 경제적으로 실행 가능한 방법으로 부상하고 있습니다. 이렇게 얻은 리그닌은 바이오 리파이너리 프레임워크 내에서 고부가가치 제품으로 전환할 수 있습니다.

Abstract: A surface response design was employed to develop a sodium hydroxide (NaOH) pretreatment method for Quercus variabilis Blume using low NaOH concentration at low temperature. Nevertheless, the persistent issues associated with alkaline pretreatment of lignocellulose, namely high-water consumption and wastewater generation, remain prevalent in this pretreatment process. To address these challenges, this study aimed to conduct enzymatic hydrolysis of NaOH-treated Q. variabilis Blume without the intermediary washing steps. The results revealed that, following pretreatment and solid-liquid separation, NaOH-treated Q. variabilis Blume could be directly subjected to cellulase-mediated hydrolysis with pH adjustment, eliminating the need for washing steps. The maximum enzymatic hydrolysis efficiency reached 95.9% under specific conditions (1.2% NaOH, 8.9 °C, 32.1 h). This approach offers a promising avenue to enhance the enzyme hydrolysis rate of NaOH-treated lignocellulose. Notably, the low-temperature and low-concentration NaOH treatment effectively removed a substantial portion of lignin and hemicelluloses, resulting in a higher crystallinity index of the cellulose-rich residue compared to substrates treated solely with steam explosion. The integration of direct pretreatment and alkaline treatment emerges as an environmentally friendly and economically viable method for producing glucose and high-purity lignin. The obtained lignin can be further transformed into high-value products within the biorefinery framework.

사사: 본 연구는 산림청(한국임업진흥원)에서 제공하는 산림생물소재 활용 기반 기술개발 사업(사업번호 '2023473G10-2425-EE0261382116530102')의 지원을 받아 수행되었다.