KR0136362B1 - 사이클로덱스트린의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 입자상을 갖는 변성전분 또는 일반 전분에서 선택된 기질을 녹인 전분액을 기질 전분액의 호화 개시온도보다 30℃ 낮은 온도에서 호화 개시온도보다 10℃ 높은 온도 범위에서 열처리시키고, 사이클로덱스트린 생성반응 온도에서 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼라제(Cyclodextrin glucanotransferase)를 작용시켜 생성된 사이클로덱스트린 혼합액을 원심분리, 여과등의 물리적 방법으로 미반응 전분을 제거시킴을 특징으로 하는 고함량 사이클로덱스트린의 제조방법에 관한 것이다.

Description

사이클로덱스트린의 제조방법

본 발명은 사이클로덱스트린(Cyclodextrin, CD)을 제조함에 있어서, 반응기질인 전분액을 호화되니 않는 가능한 범위의 온도로 열처리한후 일정반응 온도 즉 기질전분의 호화개시온도보다 30℃ 낮은 온도에서 호화개시온도 보다 10℃ 높은 반응온도에서 사이클로덱스트린을 생성한후, 원심분리나 여과등의 간단한 물리적방법에 의해 미반응전분을 제거함으로서 단위효소역가당 생산되는 사이클로덱스트린의 양을 크게 증대시켜 고수율, 고순도의 사이클로덱스트린을 제조하는 방법에 관한 것이다.

사이클로덱스트린은 1989년 빌리어(Villier)에 의해 처음 발견된 포도당의 중합체로서 6개 이상의 포도당이 알파-1,4-글루코사이드 결합(α-Glucoside linkage)을 이룬 환상의 올리고당이다. 특히 6, 7, 8개의 포도당으로 이루어진 것을 각각 알파-사이클로덱스트린(α-Cyclodextrin), 베타-사이클로덱스트린(β-Cyclodextrin), 감마-사이클로덱스트린(γ-Cyclodextrin)이라고 한다. 사이클로덱스트린은 소수성 물질을 포접할 수 있는 동공을 가지고 있어서 식품, 의약, 농약, 향료등에서 휘발성물질의 안정화, 고미의 제거, 불용성 물질의 가용화, 색깔의 안정화 등의 목적으로 이용되는 유용한 물질이다. 사이클로덱스트린의 생산방법은 전분에 사이클로덱스트린 생성효소인 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼라제(Cyclodextrin glucanotransferase, EC 2.4.1.19)나 그 효소의 생성 미생물을 반응시켜 제조한다. 통상의 사이클로덱스트린 제조방법은 전분액을 액화효소와 고온의 열을 이용하여 액화시킨후 사이클로덱스트린 생성효소인 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼라제를 작용시켜 사이클로덱스트린을 생산한다. 그러나 이 방법은 사이클로덱스트린 이외에 포도당, 맥아당, 올리고당등의 부산물이 다량생성되어 다음과 같은 단점을 갖게 된다. 즉 사이클로덱스트린의 생성비율이 낮아지고, 고순도의 사이클로덱스트린을 제조하기 위해서 반응생성물을 정제하여야 하고, 수용액중에 사이클로덱스트린 이외의 카보닐(알데히드기 또는 케톤기)를 갖는 덱스트린이 존재하면 이들 성분이 사이클로덱스트린 생성후에 아미로 카보닐 반응을 일으켜 최종제품의 품질을 손상시키고, 한편으로는 사이클로덱스트린 이외의 부산물이 단맛을 내므로 사용이 제한된다. 따라서 사이클로덱스트린 이외의 부산물이 적은 제품을 효율적으로 생산하는 방법이 요구된다. 일본국특허공보 소46-2380호에서는 기질전분의 D.E.를 15이하로 처리하는 방법이 개시되었으며, 일본국특허공개 소52-25043호에서는 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼라제를 액화효소로 이용하는 방법으로 사이클로덱스트린의 생성비율을 높이는 방법이 개시되었다. 그러나 이같은 방법들은 부산물의 생성을 최소한으로 하는 범위 내에서 기질을 액화시키는 것이 주된 내용이나, 사이클로덱스트린 생성 반응전에 일부 부산물이 생성되며, 액화효소로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼라제를 이용하는 경우 단위 효소당 사이클로덱스트린의 생산량이 매우 낮아지게 된다. 따라서, 기질인 전분액을 분해시키지 않는 물리적 방법에 의해 전분을 처리하여 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼라제와 반응할 수 있는 형태로 전환시키는 방법들이 제안되고 있다. 대한민국 특허공개 제92-937호 에서는 액화방법 대신에 분쇄마찰을 이용하여, 일본국특허공개 편1-168295호에서는 전분의 압출성형방법을 이용하여 기질인 전분을 효소가 이용할 수 있는 형태로 전환시키는 방법이 제안되었다. 그러나 이 방법들은 전분을 전처리하는 시간이 필요하며 새로운 장치의 도입이 필요하다. 일본국특허공개 평2-227088호에서는 이상의 방법들의 문제점을 극복하기 위하여 증기나 열수로 전분을 팽윤시켜 사이클로덱스트린을 생산하는 방법을 제안하였으나, 이 방법은 사이클로덱스트린을 제조하기 전에 전분을 열처리함으로서 기질인 전분의 점도가 높아져 고농도의 전분을 이용할 수 없으며 단순한 열처리방법에 의해 사이클로덱스트린의 생산시간을 단축시켰을 뿐이었다. 일본국 특허공개 평3-160896호는 이와같은 문제점을 해결하기 위하여 생전분은 60 ∼ 80%의 알코올 수용액에 첨가하여 고온 고압하에서 처리한 후 다시 용해하여 반응시켰으나 전처리를 별도로 실시하여 제조공정이 복잡하고 별도의 설비가 필요한 방법이다.

위와 같은 문제점들을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 전분액을 호화되지 않는 가능한 범위의 온도 즉 기질전분의 호화개시온도보다 30℃ 낮은 온도에서 호화개시온도보다 10℃ 높은 온도에서 열처리한후 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼라제가 작용할 수 있는 최적의 온도로 맞추어 사이클로덱스트린을 생산하며, 생산된 반응액을 원심분리나 여과등의 간단한 물리적방법으로서 미반응전분을 제거함으로서 반응후 최종산물중의 사이클로덱스트린의 함량을 높게 하였다. 따라서 전분의 사이클로덱스트린으로의 전환율을 높이기 위해 많은 양의 효소를 이용하지 않아도 되므로 단위효소당 사이클로덱스트린의 생산량을 매우 높게 할 수 있는 잇점이 있는 것이다. 따라서 본 발명의 목적은 입자상을 갖는 변성전분 또는 일반 전분에서 선택된 기질을 녹인 전분액을 기질 전분액의 호화 개시온도보다 30℃ 낮은 온도에 호화 개시온도보다 10℃ 높은 온도 범위에서 열처리시키고, 사이클로덱스트린 생성반응 온도에서 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼라제(Cycildextrin glucanotrans ferase)를 작용시켜 생성된 사이클로덱스트린 혼합액을 원심분리, 여과등의 물리적 방법으로 미반응 전분을 제거시킴을 특징으로 하는 고함량 사이클로덱스트린의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명에서 사이클로덱스트린이라함은 알파-사이클로덱스트린, 베타-사이클로덱스트린, 감마-사이클로덱스트린 또는 그의 혼합물을 말한다. 본 발명에서 부산물이라 함은 사이클로덱스트린을 제외한 전분으로부터 생산되는 기타 생성물은 포도당, 맥아당, 올리고당을 말한다.

본 발명에 의한 사이클로덱스트린 생산의 효과는 다음과 같다. 첫째, 입자상을 갖는 변성전분 또는 일반전분을 사이클로덱스트린을 생성하는 반응전에 별도로 처리하거나, 처리 후 첨가과정이 필요하지 않고 처리를 하기 위한 장치가 필요하지 않아 전분의 전처리에 필요한 비용이 적다. 둘째, 통상의 방법은 알파아밀라제인 액화효소를 사용하여 전분을 액화시킨 후 사이클로덱스트린을 생성시키기 때문에 액화반응시 알파아밀라제에 의해 전분이 분해되어 부산물인 포도당, 맥아당, 올리고당이 많이 생성된다. 그러나 본 발명에서는 통상의 방법과 달리 알파아밀라제인 액화효소를 사용하지 않기 때문에 부산물의 생성을 적게 한다. 셋째, 미반응 기질인 전분은 원심분리나, 여과등을 통해 쉽게 분리 가능하기 때문에 반응 종료후의 반응액이 맑고 깨끗하여 정제공정이 간단하다. 넷째, 본 발명의 특징으로 이와같은 공정을 거치면 반응액중 사이클로덱스트린의 비율이 높아져 생성물중의 사이클로덱스트린의 비율을 높여 사이클로덱스트린의 함량을 높일수 있다. 다섯째, 분리된 미반응전분은 열처리와 전분중 가용성부분이 제거되어 고부가가치의 새로운 용도의 전분과 전분당 제조에 이용할 수 있다. 여섯째, 통상의 방법은 생성물중의 사이클로덱스트린 함량비율을 높이기 위해 많은 양의 효소를 이용하지만 본 발명에서는 적은 양의 효소로도 높은 함량의 사이클로덱스트린이 제조되므로 단위효소당 사이클로덱스트린의 생산량이 매우 증대된다. 즉, 옥수수전분의 경우 50℃에서 75℃까지의 온도에서 열처리 한다. 본 발명에서 이용하는 효소는 바실러스 마세란스(Bacillus macerans) 유래의 사이클로덱스트린 글루카로트란스퍼라제를 이용하였다. 바실러스 마세란스(Bacillus macerans) 유래의 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼라제는 아마노(Amano Pharmaceutical Co.,LTD)사에서 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼라제라는 이름으로 시판하고 있다. 본 발명에 이용 가능한 효소는 사이클로덱스트린을 생산하는 어떠한 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼라제도 가능하다.

본 발명에서의 가장 중요한 요인은 전분의 열처리 온도로서 여러 전분중 기질로 선택된 전분의 호화개시온도보다 30℃ 낮은 온도에서 호화개시온도보다 10℃ 높은 온도까지, 바람직하게는 호화개시온도보다 25℃ 낮은 온도에서 호화개시온도까지의 온도에서 열처리 한다. 기질로 사용한 전분은 옥수수 전분을 이용하였으며, 본 발명에서 전분은 변성전분과 일반전분등 모든 전분이 이용가능하다. 본 발명에서 미반응 기질을 분리하는데 이용한 방법은 3800∼4200g의 원심분리력(Centrifugal Force)로 8∼12분간 처리하거나, 폴리에스터(Polyester) 재질의 여과포를 이용하였으며, 본 발명에 이용가능한 방법으로는 고형의 전분은 분리해 낼수 있는 원심분리력을 갖는 원심분리방법이나 공업적으로 이용가능한 여과포를 사용하는 여과등으로 고형의 미반응 전분과 액상의 산물을 쉽게 분리하는 방법이면 어떠한 것도 가능하다.

[실시예 1]

pH 6.0의 완충용액으로 10%의 밀전분유 200mL을 만든다. 65℃에서 1시간 열처리한후 바실러스 마세란스(Bacillus macerans) 유래의 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼라제를 건조물 대비 0.333%(48.4U/g)의 양, 즉 968U의 효소를 첨가한다. 55℃에서 24시간 반응후 IEC 모델 센트라-4 원심분리기와 820로터(CAT 820 ROTOR)를 이용하여 8000rpm으로 15분간 원심분리하여 미반응고형전분을 제거한다. 상등액중의 효소를 불활성화시키고 고속액체크로마토그래피법과 페놀프탈레인발색법으로 정량한다. 이하, 효소1단위라함은 0.2%의 가용성전분과 반응시킨후 기질의 요오드흡광도를 분당 10% 감소시키는 효소의 양을 1단위(1Unit)라 한다.

[비교예 1]

실시예 1의 10%의 옥수수 전분유 200mL를 65℃에서 1시간 열처리 하지 않고 대신 100∼120℃에서 30분동안 끓인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.

[비교예 2]

아마노사에서 제안하는 사이클로덱스트린의 생산방법은 10%의 감자전분유 200mL에 액화시에 1.67% (4.840U), 사이클로덱스트린의 생산시에 1.67%(4.840U)의 효소를 반응시켜 총 3.33%의 효소(9680U)를 전분과 반응시켜 사이클로덱스트린을 생산한다. 반응온도는 60℃이며 그외의 반응조건은 실시예 1과 동일한 pH 6.0, 24시간반응이다. 상세한 결과는 표 1에 명시하였다. 하기 표 1에서 나타난 바와 같이 실시예 1의 경우 전분을 완전히 호화시켜 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼라제와 가장 잘 반응할 수 있는 비교예 1보다는 단위효소 역가당 생산량이 18.8% 적으나 사이클로덱스트린의 순도응 69.2% 향상되었다. 또한 일반적인 사이클로덱스트린 생산 방법인 비교예 2보다는 단위효소 역가당 생산량이 479.3%가 사이클로덱스트린의 순도는 17.1%나 향상되었다(비교예 1의 경우 전분을 수용액상에서 완전히 호화시킨 것으로 점도등의 문제로 사이클로덱스트린의 생산공정에는 이용되지 못하는 방법이다. 그러나 전분이 완전히 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼라제와 반응을 할 수 있는 형태로 전환되는 방법으로 본원발명의 우수성을 비교하기 위해 실험한 것이다).

[표 1]

사이클로덱스트린 생산량 및 효소역가당 생산량 비교

표 1에서 CD는 사이클로덱스트린을 나타낸다.

[실시예 2]

7.0%의 옥수수 전분유 15L를 만든다. 65℃에서 1시간 열처리한 후 바실러스 마세란스(Bacillus macerans) 유래의 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼라제를 건조물 대비 0.333%(48.4U/g)의 양, 즉 50,820U의 효소를 첨가한다. 55℃에서 24시간 반응후 4000g의 원심분리력으로 10분간 원심분리하여 미반응 고형전분을 제거한다. 상등액중의 효소를 불활성화시키고 고속액체크로마토그래피법과 페놀프탈레인 발색법으로 정량한다. 상세한 결과는 표 2에 나타내었다.

[표 2]

사이클로덱스트린 생산량 및 효소역가당 생산량 비교

[실시예 3]

실시예 2와 동일한 방법으로 옥수수전분에 효소처리하여 사이클로덱스트린 혼합액을 만들고 미반응 고형전분을 폴리에스터(Polyester) 재질의 여과포로 제거시킨후 생산된 사이클로덱스트린을 고속액체 크로마토그래피법과 페놀프탈레인발색법으로 정량한다. 상세한 결과는 표 3.에 명시하였다.

[표 3]

사이클로덱스트린 생산량 및 효소역가당 생산량 비교

Claims (2)

1. 입자상을 갖는 변성전분 또는 일반 전분에서 선택된 기질을 녹인 전분액을 기질 전분액의 호화 개시온도보다 30℃ 낮은 온도에서 호화 개시온도보다 10℃ 높은 온도 범위에서 열처리시키고, 사이클로덱스트린 생성반응 온도에서 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼라제(Cyclodextrin glucanotransferase)와 작용시켜 생성된 사이클로덱스트린 혼합액을 원심분리, 여과등의 물리적 방법으로 미반응 전분을 제거시킴을 특징으로 하는 고함량 사이클로덱스트린의 제조방법
2. 제 1항에 있어서, 기질 전분액의 열처리 온도가 선택된 전분의 호화개시온도보다 25℃ 낮은 온도에서 호화개시온도까지의 온도 범위에서 열처리시킴을 특징으로 하는 고함량 사이클로덱스트린의 제조방법