Development of Optimum Process for Continuous Hydrolysis of Fish Skin Gelatin Using a Three-Step Recycle Membrane Reactor

재순환 3단계 막반응기를 이용한 어피젤라틴의 연속적 가수분해 최적화 공정 개발

The enzymatic hydrolysate of gelatin extracted from fish skin was fractionated and recycled through the membrane reactor according to the molecular weight for the purpose of using as functional material. In addition, the enzymatic hydrolysis conditions of gelatin, enzyme stability by membrane and mechanical shear, and effect on the long-term operational stability of the recycle membrane reactor were investigated. Using the pH-drop technique, Alcalase, pronase E and collagenase were identified as the most suitable enzymes for the hydrolysis of fish skin gelatin. The optimum hydrolysis conditions in the 1st-step membrane reactor(1st-SMR) by Alcalase were enzyme concentration 0.2mg/ml, substrate-to-enzyme ratio(S/E) 50(w/w), $50^{\circ}C$, pH 8.0, reaction volume 600ml and flow rate 6.14ml/min. In the 2nd-SMR by pronase E were enzyme concentration 0.3mg/ml, S/E 33(w/w), $50^{\circ}C$, pH 8.0, reaction volume 600ml and flow rate 6.14ml/min. In the case of 3rd-SMR, enzyme concentration 0.1mg/ml, S/E 100(w/w), $37^{\circ}C$, pH 7.5, reaction volume 600ml and flow rate 10ml/min. Decreased enzyme activities by mechanical shear and membrane were 30% and 15% in the 1st-SMR, were 14% and 5% in the 2nd-SMR, and 18% and 8% in the 3rd-SMR, respectively. Under the optimum conditions, the degree of hydrolysis in the 1st, 2nd and 3rd-SMR were 3.5%(Kjeldahl method, 87%), 3.1%(77%) and 2.7%(70%), respectively. The productivity of hydrolysate in the continuous three-step membrane reactor was 430mg per enzyme(mg) for 10 times of volume replacements.

어피로부터 추출한 젤라틴을 효소로 가수분해시킨 가수분해물을 분자량 크기에 따라 분획하여 이를 기능성 소재로서 이용할 목적으로 연속식 3단계 막(1st-SMR, MWCO 10,000; 2nd-SMR, MWCO 5,000; 3rd-SMR, MWCO 1,000) 반응기 장치를 이용하여 젤라틴 가수분해 최적조건이 구명되었고, 또한 막반응기 장치를 장시간 작동하였을 때, 기계적인 응력과 막에 의한 효소활성 및 안정성에 미치는 인자, 그리고 분자량이 서로 다른 가수분해물 획분의 생산량을 높이기 위한 최적화 공정에 대하여 검토하였다. 재순환 3단계 막반응기 장치에서 pH-drop법으로 선정하여 사용한 효소는 Alcalase(1단계), pronate E(2단계)였으며, 3단계에서는 collagenase(3단계)를 사용하였다. 최적 가수분해조건은 1단계의 경우, 효소농도 0.2mg/ml, 기질대 효소비 50(w/w), 온도 $50^{\circ}C$, pH 8.0, 반응부피 600ml 및 유출속도 6.14ml/min였으며, 2단계는 효소농도 0.3mg/ml, 기질대 효소비 33(w/w), 그외의 조건은 1단계와 동일하였다. 그리고 3단계의 경우는 효소농도 0.1mg/ml, 기질대 효소비 100(w/w) 및 유출속도는 10ml/min이였다. 1단계 막반응기를 1시간 작동하였을 때의 기계적인 전단응력 및 막에 의한 효소활성 저하는 30% 및 15%였으며, 2단계 및 3단계는 각각 14%, 5% 및 18%, 8%였다. 1단계, 2단계 및 3단계 막반응기의 최적 가수분해조건하에서 가수분해도는 각각 3.5%(Kjeldahl방법, 87%), 3.1%(77%) 및 2.7%(70%)였으며, 연속식 3단계 막반응기에서 가수분해물의 최종생산량은 부피대체율 10배에서 효소 mg당 430mg이었다.