효소 고정화는 효소를 일정한 곳에 물리적으로 구속하여 계속·반복적으로 촉매 활성을 나타내는 방법으로 효소 적용의 편리성, 이용성, 안정성, 재사용성 및 저장성 등을 향상시킨다. 효소 고정화 방법 중 공유결합에 의한 효소 고정화는 가장 널리 사용되고 있는 방법으로 효소의 활성에 직접적으로 관여하지 않은 아미노산 잔기와 담체 표면에 유도된 기능기 사이의 공유결합에 의해 효소를 고정화한다. 특히, 담체와 효소의 결합이 강해 외부 조건 변화에 의한 효소의 구조적 변화가 적으며, 효소가 반응 중에 쉽게 분리되지 않고, 기질과 접촉이 용이할 뿐만 아니라 고정화에 의해 효소의 열 안정성이 증가한다. 고정화 담체는 효소와 상호작용하여 활성 및 안정성 등에 영향을 주기 때문에 충분한 반응기와 물리·화학적 안정성, 경제성 등이 요구된다. 키토산은 키틴을 탈아세틸화하여 얻은 천연고분자로 인체에 대한 안정성, 항균성, 방취성, 흡착성, 보습성, 상처 치유 촉진성, 생분해성 등이 우수하며 부가가치가 높아 다양한 분야에서 적용되고 있다. 특히, 분자 내에 수산기(-OH)와 유리 아미노기(-NH2)를 가지고 있어 고정화 담체로 사용 시 가교제인 GA 및 효소와 결합시키기 쉬울 뿐 아니라, 경제성, 우수한 친수성, 높은 다공성, 효소에 대한 낮은 입체 장해(steric hinderance)를 가진다. 이에 파우더, 비드, 멤브레인 등 다양한 형태의 고정화 담체가 연구되고 있다. 키토산 섬유를 부직포 형태로 제조하면 부직포 자체가 가지는 이점뿐 아니라, 통기성, 흡수성, 생체 친화성, 유연성이 우수하고 항원성이 없기 때문에 기능성 담체로서 적합하다. 트립신은 대표적 단백질 분해효소로 세제에 첨가되어 단백질 오구에 대한 세정력을 증대시키거나, 소염효소로서 몸의 표면 및 내부의 염증 치료에 사용되는 등 기능성 효소로 이용되고 있다.
이상의 선행연구를 살펴본 결과, 키토산을 효소 고정화 담체로 이용하여 트립신을 고정화한 연구는 다수 보고되고 있지만, 키토산 부직포를 고정화 담체로 이용하여 트립신의 최적 고정화 조건 설정에 관한 연구는 보고된 바 없다.
이에 본 연구는 현재까지 연구된 바 없는 키토산 부직포를 효소 고정화 담체로 사용해 가교제인 글루타알데하이드를 이용한 최적의 트립신 고정화 방법을 제시하고자한다. 또한 본 연구를 통해 효소 고정화를 이용한 기능성 소재의 개발 가능성을 확인함으로써 섬유 산업에 적용 가능한 기능성 섬유소재에 관한 기초 연구 자료를 확립하고자 한다.
연구 내용은 첫째, 키토산 부직포에 GA로 가교 시 최적 조건은 가교 용액의 pH, GA 농도, 가교 시간 변화에 따른 가교율 및 가교 효율 평가를 통해 설정하였다. 둘째, GA 가교 순서에 따른 선가교 및 후가교에 의한 두 가지 방법으로 트립신을 고정화 한 후, 고정화된 트립신의 활성 평가를 통해 고정화 방법을 설정하였다. 셋째, 설정한 고정화 방법에 따라 트립신 고정화 시 최적 조건은 고정화 용액의 pH, 트립신 농도, 고정화 시간 및 온도의 조건 변화에 따라 고정화된 트립신의 활성 평가를 통해 설정하였다. 넷째, 자유 및 고정화 트립신의 pH 및 온도 안정성을 비교?평가하고, 고정화 트립신의 저장성 및 재사용성을 평가하였다. 마지막으로 분광학적 분석과 표면관찰을 통해 키토산 부직포에 GA 가교 및 트립신 고정화 여부를 확인하였다.
이상의 과정을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다. 키토산 부직포 에 GA 가교 시 가교 최적 조건은 pH 10.0, GA 농도 3%(v/v), 2시간이다. GA 가교 순서에 따라 트립신을 고정화 한 결과, GA 선가교 방법이 GA 후가교 방법보다 트립신 고정화에 더 효과적 이며, GA 선가교로 고정화된 트립신의 활성은 자유 트립신 활성의 약 40%를 나타냈다. GA 가교한 키토산 부직포에 트립신 고정화시 최적 조건은 pH 8.5, 트립신 농도 8%(o.w.f), 30분, 25℃로 설정하였다. 자유 및 고정화 트립신의 pH 및 온도에 대한 안정성을 비교한 결과, 고정화 트립신은 자유 트립신에 비해 pH 안정성은 낮았지만, 온도 안정성은 매우 우수하였다. 특히, 고정화 트립신은 65℃의 고온에서도 우수한 활성을 나타내 고정화에 의해 트립신의 열 안정성이 향상됨을 확인하였다. 고정화 트립신의 저장성은 4℃에서 20일간 보관에도 초기 활성의 약 80%를 유지하였으며, 재사용성은 15회 재사용 시 초기 활성의 약 50%를 유지하였다. 키토산 부직포에 GA 가교 및 트립신 고정화 여부는 분광학적 분석과 표면 관찰을 통해 확인하였다. 본 연구를 통해, 키토산 부직포 담체에 GA를 이용한 트립신의 고정화가 효과적으로 이루어졌으며, 효소 고정화를 이용한 기능성 섬유소재의 개발 가능성을 확인하였다.