광운대학교 화학공학과 박철환 교수 연구팀(사진)은 항산화 물질인 puerarin palmitate 합성에 필요한 고정화효소의 안정성을 개선하는 방안을 고안함과 동시에 신규 고정화효소를 활용한 반연속식 합성 반응을 통해 플라보노이드 유도체 생산의 연속 반응기 운전 및 폭넓은 산업으로의 적용 가능성을 제시하였다.

플라보노이드는 식물에서 발견되는 천연 항산화제의 총칭으로 항산화 효과 외에도 항암, 항염증, 노화 방지 효과를 나타낸다. 최근 고령화 문제와 팬데믹으로 인해 세계적으로 건강에 대한 관심이 많아짐에 따라 플라보노이드와 같은 천연 항산화 물질이 주목받고 있다. 그중에서도 puerarin은 번식력이 우수한 갈근(칡) 속에 풍부하게 함유되어 있어 바이오매스로의 활용도 또한 높은 물질이다. Puerarin을 비롯한 플라보노이드는 생체이용률이 낮으므로 효소를 이용하여 플라보노이드 유도체를 합성함으로써 이를 개선하는 연구가 활발히 보고되고 있다. 그러나 합성 조건의 까다로움으로 인해 연속식 합성까지 수행한 연구는 거의 존재하지 않는다. 플라보노이드 유도체의 연속 생산에 대한 연구가 제한적이라는 점에서, 플라보노이드 유도체 생산공정의 실용성을 높이기 위해서는 보다 적극적인 연구가 필요한 실정이다.
플라보노이드 유도체의 연속 생산이 어려운 원인 중 하나는 합성에 사용되는 고정화효소의 낮은 안정성 문제이다. 현재 시중에 판매되고 있는 고정화효소 제품은 주로 흡착과 같은 물리적 방식의 고정화를 통해 제조되고 있다. 이러한 경우, 지지체로부터 효소가 이탈되기 쉬워 반응 조건의 조절이 어려워지고, 이후의 분리 및 정제 과정이 매우 복잡해진다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 글루타르알데하이드 분자를 활용한 공유 결합 고정화 방식을 적용하였다. 공유결합과 같은 화학적 방식의 고정화를 통해 제조된 고정화효소는 기존의 고정화효소보다 강력한 결합으로 인해 효소 손실을 일으키지 않아 고정화 효소의 안정성이 개선된다. 향상된 작동 안정성을 갖춘 고정화 효소는 연속 반응기에 적용할 수 있어 일관된 품질을 유지하고, 하위공정을 간소화하며, 자본 및 운영 비용을 절감하는 등 산업적 적용에 있어 다양한 이점을 제공한다. 본 연구에서는 플라보노이드 유도체의 연속식 생산 및 상용화 가능성을 확대하고자 하였으며, 목표를 달성하기 위해 효과적인 효소 선택, 고정화 효소 개발, 효소 반응 특성화 및 반연속 반응기 시스템 설계의 순서로 연구를 진행했다.

연구 결과, puerarin palmitate 합성에 가장 적합한 효소는 Thermomyces lanuginosus lipase(TL lipase)인 것으로 밝혀졌다. TL lipase는 glutaraldehyde (GA) 분자와의 공유결합고정화를 통해 담체인 실리카겔에 고정화되었으며, 이러한 과정을 통해 제조한 고정화효소를 ‘TL GASG’라고 명명하였다. 본 연구에서 개발한 TL GASG는 시중에 판매되는 고정화효소보다 용매 안정성, 열 안정성, 작동 안정성, 재사용성이 더욱 우수하였다. 또한, TL GASG를 puerarin palmitate 합성 반응에 적용한 결과, 3시간 이내에 97% 이상의 전환율을 달성하는 우수한 결과를 도출하였다. TL GASG를 이용한 puerarin palmitate 합성 반응에 반연속 시스템을 적용한 경우, 10회 이상의 공급물 주입 후에도 85% 이상의 누적 전환율을 유지하는 결과를 보여 연속반응기로의 확대 적용 가능성과 상업적으로의 활용 가능성도 제시하였으며, 식품, 화장품, 제약 산업계로부터 많은 관심을 받고 있다.

본 연구 결과 도출을 위해 새로운 아이디어를 도출하고 이를 실험에 직접 적용하며 제1저자로 참여한 이혜선(화학공학과 석사과정) 학생은 석사과정 재학 중에는 한국생물공학회 학술발표대회 및 국제심포지엄에서 ‘Investigation of Enzyme Stability of Enzymatic Synthesis of Puerarin Palmitate Using Immobilized Thermomyces lanuginosus lipase’와 ‘Determination of major carbohydrates of four different brown macroalgae’라는 주제로 2회에 걸쳐 우수논문발표상을 수상한 경험과 학부 3학년 시절 ‘WISET 2020 여대학원생 공학연구팀제 지원사업 심화과정 최종 결과발표대회’에서 우수상(WISET소장상 & 화학공학회장상)을 수상한 바 있다. 

지도교수인 박철환 교수는 현재까지 SCI(E) 논문 258편, 국내 학술논문 57편, 특허등록 46건 및 학술발표 390건 등의 활발한 연구활동(총인용 11,503회, h-index 49, i10-index 224)을 수행하고 있으며, 한국생물공학회 국제협력위원장, 한국화학공학회 기술정보지 부편집장, 아시아생물공학연합체 한국지회 이사, 바이오 분야의 SCIE 저널 Editor 등의 대외 활동도 활발히 수행 중에 있다.  

본 연구는 과학기술정보통신부에서 지원하는 한국연구재단(NRF), 그리고 해양수산부에서 지원하는 국립해양과학기술원(KIMST)의 지원을 받아 수행되었다. 그 결과를 인정받아 국제 저명 학술지인 ‘Chemical and Biological Technologies in Agriculture’에 2024년 3월 14일자 온라인판에 “Innovative approach for semi-continuous production of puerarin palmitate via transesterification with novel immobilized lipase”의 제목으로 게재되었다. 이 저널은 JCR(Journal Citation Reports) 학문 분야별 ‘Agriculture, Multidisciplinary’ 분야 최상위 2.6%(2위)에 해당하는 권위있는 학술지다.

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