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KR20010083600A - 고농도 당성분을 포함하는 식품가공 부산물을 이용한고분자 중합체 풀루란의 제조방법 - Google Patents

고농도 당성분을 포함하는 식품가공 부산물을 이용한고분자 중합체 풀루란의 제조방법 Download PDF

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KR20010083600A
KR20010083600A KR1020000007467A KR20000007467A KR20010083600A KR 20010083600 A KR20010083600 A KR 20010083600A KR 1020000007467 A KR1020000007467 A KR 1020000007467A KR 20000007467 A KR20000007467 A KR 20000007467A KR 20010083600 A KR20010083600 A KR 20010083600A
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pullulan
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이남규
김성구
신명교
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이진우
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Abstract

본 발명은 탄소원으로서 식품가공 부산물인 밥당화폐액, 엿기름 당화폐액 또는 사과박을 배지에 첨가하는 공정을 포함하는 고분자 중합체 풀루란을 경제적으로 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 풀루란을 생산하는 미생물을 탄소원으로서 고농도 당성분을 포함하는 식품가공 부산물이 함유된 배지에 접종하여, 20 내지 40℃에서 150 내지 200rpm으로 55 내지 85시간 동안 배양한 종균 배양액을 전기 배지에 2 내지 8%(v/v)로 접종하고, 20 내지 40℃에서 150 내지 200rpm으로 3 내지 7일 동안 배양하여 배양액을 수득하는 공정; 전기 수득된 배양액을 원심분리하여 얻은 상등액에 유기용매를 가하여 추출하고, 전기 추출액을 원심분리하여 침전물을 수득하는 공정; 및, 전기 침전물을 증류수에 용해시킨 후, 투석하여 투석 내부분획을 수득하고, 전기 투석 내부분획을 진공 동결건조하는 공정을 포함한다. 본 발명의 식품가공 부산물을 이용한 고분자 중합체 풀루란의 제조방법을 이용하면, 종래의 방법에 사용되는 포도당의 원가에 해당되는 직접생산비의 약 50%를 줄일 수 있으며, 환경 오염성 물질의 원천적 처리에 의한 환경오염 방지 및 정화비용의 절감 등의 효과를 가져오므로 경제적으로 풀루란을 제조할 수 있다.

Description

고농도 당성분을 포함하는 식품가공 부산물을 이용한 고분자 중합체 풀루란의 제조방법{Process for Preparing Pullulan Employing Waste Materials Containing High Concentration of Sugars from Food-processing Industry}
본 발명은 식품가공 부산물을 이용한 고분자 중합체 풀루란의 제조방법에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 탄소원으로서 고농도 당성분을 포함하는 식품가공 부산물인 밥당화폐액, 엿기름 당화폐액 또는 사과박을 배지에 첨가하는 공정을 포함하는 고분자 중합체 풀루란의 제조방법에 관한 것이다.
대부분의 미생물들은 전분 또는 포도당과 같은 탄소원과 효모 추출액, 염화암모늄, 폐당밀 등의 질소원을 포함하는 영양원과 적당한 환경이 조성될 경우, 생육을 시작하며, 그 중에는 우리 생활에 필요한 고분자 중합체를 생산하는 미생물들도 있다. 미생물이 생산하는 고분자 중합체로는 풀루란(pullulan), 잔탄(xanthan), 커드란(curdlan), 젤란(gellan) 등의 교질화제, 유화제, 안정제 및 젤이 이에 속하며, 식품산업 및 화공산업에서 널리 사용되고 있다. 이와 같은 고분자 중합체는 국내에서 생산되지 않고, 전량을 외국에서 수입하고 있는데, 1997년의 수입액은 약 800억원 정도이었으며, 식품의 질을 향상시키기 위하여 필수 불가결한 물질이므로 수입량은 계속 증가할 것이다.
특히, 식품 및 화학공업에 필요한 풀루란은 미국 및 일본에서 전량 수입하여 사용하고 있는데, 이는 풀루란의 생산비용이 외국에서 수입하는 비용보다 비싸기 때문이다. 따라서, 풀루란을 생산하는 기술을 획기적으로 개발하여 생산단가를 보다 더 낮추거나, 보다 저렴한 배지를 사용하여 직접 생산비를 낮추어야 할 것이나, 이에 대한 국내의 기술은 전무한 실정이다.
한편, 필요한 산물의 생산에 부가적으로 생산되는 환경 오염성 폐기물 및 부산물의 이용에 대한 연구는 환경 및 자원의 재활용적 측면에서 많은 연구자들에 의하여 진행되어 왔다. 전기 식품가공 부산물 중, 고농도 당성분을 포함하는 것으로서 전통음료 중의 하나인 식혜와 사과쥬스의 대량 생산과정에서 필수 불가결하게 발생하는 고농도 당성분을 포함하는 부산물 즉, 밥당화폐액, 엿기름 당화폐액 및 사과박이 있다. 식혜 및 사과쥬스의 대량생산 공정에서 생산규모에 따라 1일에 10 내지 20톤 이상 발생되는 전기 고농도 당성분을 포함하는 부산물의 전체 당 농도는 약 20%가 되기 때문에, 일반적인 정화시설 및 방법으로는 정화가 불가능하여 특수 정화업체에 의뢰하고 있는 실정이다. 따라서, 식품가공산업의 폐기물 및 부산물을미생물의 영양원으로 개발하여 고분자 중합체를 생산할 수 있다면, 이는 환경오염의 원천적인 방지와 이를 이용한 고부가가치의 산물을 생산한다는 측면에서 매우 중요한 의미를 지닌다고 할 것이다.
이에, 본 발명자들은 경제적으로 풀루란을 제조할 수 있는 방법을 개발하고자 예의 연구노력한 결과, 식품가공 부산물로서 전통식품 중의 하나인 식혜의 대량생산과정과 사과를 착즙하여 사과쥬스를 생산하는 공정에서 필수 불가결하게 발생하는 고농도 당성분을 포함하는 부산물 즉, 밥당화폐액, 엿기름 당화폐액 및 사과박을 탄소원으로 사용하여, 경제적으로 풀루란을 제조할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
결국, 본 발명의 주된 목적은 고농도 당성분을 포함하는 식품가공 부산물을 이용한 고분자 중합체 풀루란의 제조방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 풀루란의 제조방법을 도식적으로 나타낸 공정도이다.
도 2는 탄소원에 따른 본 발명의 풀루란의 생산 수율을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 식품가공 부산물을 이용한 고분자 중합체 풀루란의 제조방법은 풀루란을 생산하는 미생물을 탄소원으로서 고농도 당성분을 포함하는 식품가공 부산물이 함유된 배지에 접종하여, 20 내지 40℃에서 150 내지 200rpm으로 55 내지 85시간 동안 배양한 종균 배양액을 전기 배지에 2 내지 8%(v/v)로 접종하고, 20 내지40℃에서 150 내지 200rpm으로 3 내지 7일 동안 배양하여 배양액을 수득하는 공정; 전기 수득된 배양액을 원심분리하여 얻은 상등액에 유기용매를 가하여 추출하고, 전기 추출액을 원심분리하여 침전물을 수득하는 공정; 및, 전기 침전물을 증류수에 용해시킨 후, 투석하여 투석 내부분획을 수득하고, 전기 투석 내부분획을 진공 동결건조하는 공정을 포함한다.
이하, 본 발명의 식품가공 부산물을 이용한 고분자 중합체 풀루란의 제조방법을 공정별로 나누어 구체적으로 설명하고자 한다.
제 1공정: 배양액의 수득
풀루란을 생산하는 미생물을 탄소원으로서 고농도 당성분을 포함하는 식품가공 부산물이 함유된 배지에 접종하여, 20 내지 40℃에서 150 내지 200rpm으로 55 내지 85시간 동안 배양한 종균 배양액을 전기 배지에 2 내지 8%(v/v)로 접종하고, 20 내지 40℃에서 150 내지 200rpm으로 3 내지 7일 동안 배양하여 배양액을 수득한다: 이때, 풀루란을 생산하는 미생물은 당업계에서 통상적으로 사용되는 균주를 사용할 수 있으나, 에어로바시디움 풀루란스(Aerobasidium pullulans)가 바람직하다. 또한, 전기 식품가공 부산물로서는 밥당화폐액, 엿기름 당화폐액 또는 사과박을 전체 배지성분에 대하여 1 내지 10%(w/v 또는 v/v)로 하여 사용하며, 배지는 3 내지8g/L의 K2HPO4,0.01 내지 1g/L의 MgSO4ㆍ7H2O, 0.3 내지 1.5g/L의 (NH4)2SO4, 0.5 내지 3.0g/L의 NaCl 및 1.0 내지 5.0g/L의 효모 추출물이 포함된 것을 사용한다.
제 2공정: 배양액의 추출
전기 수득된 배양액을 원심분리하여 얻은 상등액에 유기용매를 가하여 추출하고, 전기 추출액을 원심분리하여 침전물을 수득한다: 이때, 원심분리는 5000 내지 12000×g의 범위에서 10 내지 30분 동안 실시하고, 유기용매는 에탄올 또는 이소프로판올을 사용한다.
제 3공정: 풀루란의 제조
전기 침전물을 증류수에 용해시킨 후, 투석하여 투석 내부분획을 수득하고, 전기 투석 내부분획을 진공 동결건조한다: 이때, 투석은 배제 분자량이 10,000 내지 15,000인 투석막을 사용하여 1 내지 5일 동안 증류수를 3 내지 7회 교체함으로써 수행한다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
실시예 1: 고농도 당성분을 포함하는 식품가공 부산물의 성분분석
실시예 1-1: 밥당화폐액과 엿기름 당화폐액의 성분분석
전통음료인 식혜의 대량생산 공정에서 발생하는 고농도 당성분을 포함하는 부산물인 밥당화폐액과 엿기름 당화폐액의 성분을 액체 크로마토그래피를 사용하여 분석하였다. 액체 크로마토그래피는 굴절률 검출기(Model 410 refractive index detector, Waters 600E system, U.S.A.)가 장착되고, 겔여과 컬럼(Shodex KB800M, Shodex KM805, Waters, U.S.A.)이 두 개 연결된 것을 사용하였다. 시료의 농도와 주입 양은 각각 5.0mg/㎖와 100㎕이었으며, 시료의 이동속도는 분당 0.5㎖이었다. 액체 크로마토그래피를 이용한 분석 결과, 밥당화폐액과 엿기름 당화폐액의 전체 당농도는 약 20%이었다. 표 1은 밥당화폐액과 엿기름 당화폐액의 구성성분을 나타낸 것이다. 표 1에서 보듯이, 밥당화폐액의 주성분은 덱스트린, 말토트리오스 및 말토오스이었으며, 엿기름 당화폐액의 주성분은 덱스트린과 말토오스이었다.
밥당화폐액과 엿기름 당화폐액의 구성성분
밥당화폐액 엿기름 당화폐액
성 분 조 성(%) 성 분 조 성(%)
덱스트린말토펜토오스말토테트라오스말토트리오스말토오스과당포도당기타 241292325061 덱스트린말토펜토오스말토테트라오스말토트리오스말토오스과당포도당기타 220011484141
실시예 1-2: 사과박의 성분분석
사과쥬스의 대량생산 공정에서 발생하는 고농도 당성분을 포함하는 부산물인 사과박의 성분을 검정된 식품분석법(식품분석, 김경삼 외, 효일문화사, 1999)에 의하여 분석하였다. 사과를 착즙하여 사과쥬스를 생산한 후, 부산물로 생성되는 사과박의 수분 함량은 5.8%이었으며, 각각의 구성성분은 표 2에 나타내었다.
사과박의 구성 성분
구성성분 사과박(%) 건조사과박(%)
수분건물탄수화물조단백조지방조회분조섬유 5.894.266.54.74.21.517.3 010070.65.04.41.618.4
실시예 2: 탄소원으로서 밥당화폐액을 이용한 풀루란의 제조
풀루란을 생산하기 위한 배지의 조성은 5g/L의 K2HPO4, 0.2g/L의 MgSO4ㆍ7H2O, 0.6g/L (NH4)2SO4, 1.0g/L의 NaCl 및 2.5g/L 효모추출물로 구성되었고, 탄소원으로 밥당화폐액을 멸균한 후 멸균된 배지에 무균적으로 3%(v/v)으로 혼합하여 사용하였다. 전배양은 고체 배지에서 일정시간 배양한 에어로바시디움 풀루란스(Aerobasidium pullulans, ATCC 42023)을 한 백금니 취하여 250㎖ 용량의 플라스크에 멸균하여 준비된 50㎖의 배지에 접종한 후, 30℃에서 180rpm의 진탕 속도로 72시간 진탕배양하였다. 본배양은 전배양한 배양액을 500㎖ 용량의 플라스크에 멸균되어 준비된 150㎖의 동일 배지에 5%(v/v)를 접종하여 전배양과 동일한 방법으로 5일간 배양하였다. 전기 배양액을 8000×g에서 20분간 원심분리하여 침점물을 제거한 상등액을 회수하였다. 전기 회수한 상등액에 2배 용량의 95% 에탄올을 첨가하고, 잘 혼합하여 4℃에서 하룻밤 동안 방치하였다. 이 용액을 8000×g에서 20분간 원심분리하고 상등액을 제거한 후, 침전물을 95% 에탄올로 2 내지 3회 세척하였다. 세척한 침전물을 적당한 양의 증류수에 용해시킨 다음, 2 내지 3일 동안에 4내지 5회 증류수를 바뀌어 주면서 투석하여 염성분을 포함한 저분자 물질을 제거하였다. 사용된 투석막은 배제 분자량 12,000∼14,000인 투석막을 사용하였으며, 투석 후 풀루란을 진공 동결건조하여 건조물을 회수하였다.
실시예 3: 탄소원으로서 엿기름 당화폐액을 이용한 풀루란의 제조
탄소원으로서 엿기름 당화폐액을 이용한다는 것을 제외하고는, 실시예 1의 제조방법과 동일한 방법으로 풀루란을 제조하였다.
실시예 4: 탄소원으로서 사과박을 이용한 풀루란의 제조
탄소원으로서 사과박을 이용한다는 것을 제외하고는, 실시예 1의 제조방법과 동일한 방법으로 풀루란을 제조하였다.
비교실시예 1: 탄소원으로서 포도당을 이용한 풀루란의 제조
탄소원으로서 포도당을 이용한다는 것을 제외하고는, 실시예 1의 제조방법과 동일한 방법으로 풀루란을 제조하였다.
실시예 5: 제조된 풀루란의 분석
실시예 2, 3, 4 및 비교실시예 1에서 제조된 풀루란을 박막 크로마토그래피(thin layer chromatography, TLC)와 가스 크로마토그래피(gaschromatography, GC)를 사용하여 분석하였다. 전기 실시예 및 비교실시예에서 제조한 풀루란을 1N HCl을 사용하여 100℃에서 2시간 가수분해시킨 후, 박막 크로마토그래피를 실시하였으며, 시판되는 풀루란(Sigma Co., U.S.A.)을 대조구로 사용하였다. 박막 크로마토그래피의 전개용매는 부탄올, 피리딘 및 증류수를 6:4:3의 비율(v/v/v)로 혼합한 용액을 사용하였으며, 아닐린(aniline)과 디페닐아민(diphenylamine)을 각각 1%(v/v)의 농도로 아세톤에 만든 용액(5㎖)과 85%(v/v) 인산용액(1㎖)을 혼합하여 만든 용액을 발색시약으로 사용하여 전개된 풀루란을 확인하였다. 아울러, 가스 크로마토그래피(GC Model 5890, Hewlett-Packard, U.S.A.)는 헬륨을 이동상으로 사용하고, 주입속도는 1.2㎖/분, 압력은 16.5기압으로 진행하였다. 분석은 시료 주입시 200℃로 3분 동안 유지시키고, 분당 8℃씩 증가시켜 280℃에서 실시하였으며, 시판되고 있는 풀루란을 대조구로 사용하여 확인하였다.
실시예 6: 풀루란의 생산성 비교
실시예 2, 3, 4 및 비교실시예 1에서 제조된 풀루란의 생산성 결과를 표 3과 도 2에 나타내었다. 표 3 및 도 2에서 보듯이, 밥당화폐액은 종래의 풀루란 생산 배지의 탄소원인 포도당의 경우보다 높은 생산성을 나타내었다. 이는 전통음료인 식혜의 대량생산 공정에서 필수 불가결하게 발생하는 환경오염성 부산물인 밥당화폐액이 풀루란 생합성의 최적 탄소원으로 사용할 수 있다는 것이며, 이와 같은 결과는 풀루란을 생산하기 위한 직접 생산비를 50% 이상 절감할 수 있음을 의미한다. 또한, 풀루란의 생산성 증가에 따른 생산 설비와 간접 생산비의 절약 및 환경 오염물질의 정화에 소요되는 비용의 감소까지를 고려한다면, 대체할 수 있는 포도당의 원가 이상의 생산비를 절감하는 결과이다. 아울러, 풀루란 생합성을 위하여, 탄소원으로 사용한 엿기름 당화폐액과 사과박의 경우, 풀루란의 생산성은 포도당을 사용하였을 때 보다 다소 낮지만, 포도당의 원가와 생산성을 동시에 고려해보면, 비교적 우수한 탄소원으로 사용할 수 있다는 결론을 얻었으므로 이 역시, 직접 생산비의 절감과 환경오염성 물질의 완전한 제거라는 효과를 기대할 수 있다.
고농도 당성분을 포함하는 식품가공 부산물을 이용한 풀루란의 생산성
탄소원 생산성(g/L) 변환율(%)
밥당화폐액엿기름 당화폐액사과박포도당 3.01.41.62.0 157810
이상에서 상세히 설명하고 입증하였듯이, 본 발명은 탄소원으로서 고농도 당성분을 포함하는 식품가공 부산물인 밥당화폐액, 엿기름 당화폐액 또는 사과박을 배지에 첨가함으로써 고분자 중합체 풀루란을 경제적으로 제조하는 방법을 제공한다. 본 발명에 의하면, 풀루란의 제조시 탄소원으로서 사용되는 포도당을 식품가공 부산물인 밥당화폐액, 엿기름 당화폐액 또는 사과박으로 대체하여 사용하기 때문에 직접생산비의 50%를 절감할 수 있으며, 특히, 탄소원으로서 밥당화폐액을 사용할 경우에는 풀루란의 생산성 향상을 도모할 수 있다. 뿐만 아니라, 풀루란 제조시 고농도의 당성분을 포함하는 식품가공 부산물을 탄소원으로 사용하기 때문에, 환경오염원의 정화를 위한 처리비용을 절감시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (7)

  1. (ⅰ) 풀루란을 생산하는 미생물을 탄소원으로서 고농도 당성분을 포함하는 식품가공 부산물이 함유된 배지에 접종하여, 20 내지 40℃에서 150 내지 200rpm으로 55 내지 85시간 동안 배양한 종균 배양액을 전기 배지에 2 내지 8%(v/v)로 접종하고, 20 내지 40℃에서 150 내지 200rpm으로 3 내지 7일 동안 배양하여 배양액을 수득하는 공정;
    (ⅱ) 전기 수득된 배양액을 원심분리하여 얻은 상등액에 유기용매를 가하여 추출하고, 전기 추출액을 원심분리하여 침전물을 수득하는 공정; 및,
    (ⅲ) 전기 침전물을 증류수에 용해시킨 후, 투석하여 투석 내부분획을 수득하고, 전기 투석 내부분획을 진공 동결건조하는 공정을 포함하는 식품가공 부산물을 이용한 고분자 중합체 풀루란의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    풀루란을 생산하는 미생물은 에어로바시디움 풀루란스(Aerobasidium
    pullulans)인 것을 특징으로 하는
    식품가공 부산물을 이용한 고분자 중합체 풀루란의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    식품가공 부산물은 밥당화폐액, 엿기름 당화폐액 또는 사과박을 전체
    배지성분에 대하여 1 내지 10%로 사용하는 것을 특징으로 하는
    식품가공 부산물을 이용한 고분자 중합체 풀루란의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    배지는 3 내지 8g/L의 K2HPO4,0.01 내지 1g/L의 MgSO4ㆍ7H2O, 0.3 내지
    1.5g/L의 (NH4)2SO4, 0.5 내지 3.0g/L의 NaCl 및 1.0 내지 5.0g/L의 효모
    추출물로 구성된 것을 특징으로 하는
    식품가공 부산물을 이용한 고분자 중합체 풀루란의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    원심분리는 5000 내지 12000×g의 범위에서 10 내지 30분 동안 수행하는
    것을 특징으로 하는
    식품가공 부산물을 이용한 고분자 중합체 풀루란의 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    유기용매는 에탄올 또는 이소프로판올인 것을 특징으로 하는
    식품가공 부산물을 이용한 고분자 중합체 풀루란의 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    투석은 배제 분자량이 10,000 내지 15,000인 투석막을 사용하여 수행
    하는 것을 특징으로 하는
    식품가공 부산물을 이용한 고분자 중합체 풀루란의 제조방법.
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