박철환 광운대 교수팀, 생촉매 기반 항산화 물질 연속생산 전략 제시

신규 고정화효소 개발 성공 "생촉매 기반 항산화 물질의 연속생산 안정화 이뤄내"

박철환 광운대 화학공학과 교수(오른쪽 사진)와 이혜선 석사과정(제1저자)./사진제공=광운대

광운대학교는 최근 박철환 화학공학과 교수 연구팀이 항산화 물질 푸에라린 팔미테이트(Puerarin Palmitate) 합성에 필요한 고정화효소의 안정성을 개선, 생촉매에 기반한 항산화 물질(플라보노이드)의 연속생산 전략을 제시했다고 26일 밝혔다.

플라보노이드는 식물에서 발견되는 천연 항산화제를 총칭한다. 항산화 효과 외에도 항암, 항염증, 노화 방지 등의 효능을 갖고 있다. 고령화와 팬데믹으로 건강에 대한 관심이 높아짐에 따라 플라보노이드와 같은 천연 항산화 물질이 주목받고 있다. 그중 푸에라린은 번식력이 우수한 갈근(칡)에 풍부하게 함유돼 바이오매스로의 활용 가능성이 크다.

푸에라린을 포함한 플라보노이드의 단점은 생체이용률이 낮다는 것이다. 따라서 효소를 이용해 플라보노이드 유도체의 합성률을 개선하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 다만 합성조건이 까다로워 연속식 합성까지 성공한 연구는 거의 존재하지 않는다.

플라보노이드 유도체의 연속생산이 어려운 원인 중 하나는 합성에 사용되는 고정화효소의 낮은 안정성이다. 시판되는 고정화효소 제품은 주로 흡착과 같은 물리적 고정화를 통해 제조한다. 이 경우 지지체로부터 효소가 이탈하기 쉬워 반응조건을 조절하기 어렵고, 분리·정제 과정이 복잡하다.

박 교수팀은 글루타르알데하이드 분자를 활용한 공유결합 고정화 방식을 적용했다. 화학적으로 제조한 고정화효소는 보다 강력한 결합으로 효소 손실을 야기하지 않는다.

연구팀은 푸에라린 팔미테이트를 합성하는데 가장 적합한 효소로 'Thermomyces lanuginosus lipase'(TL lipase)을 선정했다. TL lipase는 글루타르알데히드(Glutaraldehyde, GA) 분자와의 공유결합 고정화를 통해 담체인 실리카겔에 고정된다. 팀은 이 고정화효소를 'TL GASG'라고 명명했다.

TL GASG는 기존 고정화효소보다 △용매 안정성 △열 안정성 △작동 안정성 △재사용성 측면에서 더 우수하다. TL GASG를 푸에라린 팔미테이트 합성반응에 적용한 결과, 3시간 이내에 97% 이상의 전환율을 달성했다. 또 TL GASG를 이용한 푸에라린 팔미테이트 합성반응에 반연속 시스템을 적용하면 10회 이상의 공급물 주입 후에도 85% 이상의 누적 전환율을 유지하는 결과를 보였다. 연속 반응기로의 확대적용은 물론 상업적 활용 가능성을 증명한 셈이다.

박 교수는 "이번 연구는 플라보노이드 유도체의 연속생산과 상용화 가능성을 확장하기 위해 기획됐다"며 "효과적인 효소 선택과 고정화 효소 개발, 효소 반응 특성화, 반연속 반응기 시스템 설계 순으로 연구를 수행했다"고 설명했다. 이어 "향상된 작동 안정성을 갖춘 고정화효소는 연속 반응기에 적용할 수 있어 일관된 품질을 유지하고, 하위공정을 간소화할 수 있다. 자본과 운영 비용을 절감해 산업적 활용에 도움이 될 것"이라고 덧붙였다.

한편 이번 연구는 과기정통부 산하 '한국연구재단'(NRF)과 해수부 산하 '국립해양과학기술원'(KIMST)의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 'Innovative approach for semi-continuous production of puerarin palmitate via transesterification with novel immobilized lipase'라는 제목으로 국제학술지 'Chemical and Biological Technologies in Agriculture'(JCR 2.6%) 온라인판에 개재됐다.

박철환 광운대 화학공학과 교수팀의 연구자료 이미지./사진제공=광운대

권태혁 기자 taehkd@mt.co.kr