KR101326757B1

KR101326757B1 - 옥피를 원료로 하여 옥피 유래 추출물을 선택적으로 제조하는 방법

Info

Publication number: KR101326757B1
Application number: KR1020130032790A
Authority: KR
Inventors: 서원준; 송영복
Original assignee: (주)세전
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2013-11-08

Abstract

본 발명은 옥피를 원료로 하여 옥피 유래 추출물을 선택적으로 제조하는 방법에 관한 것으로, 본 발명에 의할 경우 아라비노즈, 아라비노즈와 자일로즈의 혼합물 또는 자일로올리고당 함유 추출액을 선택적으로 고순도로 제조할 수 있다.

Description

옥피를 원료로 하여 옥피 유래 추출물을 선택적으로 제조하는 방법{Method for selective production of the extract from corn fiber}

본 발명은 옥피를 원료로 하여 옥피 유래 추출물을 선택적으로 제조하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 옥피를 원료로 하여 강산 중 황산을 사용하여 분해후 사이즈배제크로마토그래피를 이용하여 아라비노즈, 아라비노즈와 자일로즈의 혼합물 및 자일로올리고당 함유 옥피 유래 추출물을 선택적으로 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.

L-아라비노즈와 D-자일로즈는 자연계의 대표적인 5탄당으로, 이들 모두 우수한 생리 기능성이 보고되어 있는데, 고혈당으로 인한 당뇨병 등의 예방식으로 이용 가능한 단당류로 주목되고 있다.

L-아라비노즈의 생리기능상 유용한 연구로는 다수의 국내 외 논문이 있는데, 예를 들면 한국식품과학회지 v35no.5=171, pp757-763, 2003에는, "L-아라비노즈를 설탕과 함께 섭취시 슈크라제의 활성을 억제함으로써 혈당치의 상승을 억제하고 이로 인한 지방 합성량을 감소시킴으로써 비만, 당뇨, 고혈압과 고지혈증 등의 예방에 이용될 수 있다"라고 기재되어 있다.

또한, 식품공업=Food industry no.181, pp38-67, 2004에는, "아라비노즈는 양질의 감미를 갖는 천연 펜토오즈로, 연구용 시약 이외에는 지금까지 거의 이용되지 않았으나 최근 아라비노즈가 설탕의 소화흡수를 선택적으로 억제한다는 흥미 있는 결과가 임상 및 동물실험에서 확인되었다"라고 기재되어 있다.

또한, 일본 공개특허공보(특개2008-141998)에는, "아라비노즈가 슈크라제(sucrase) 저해작용에 의한 슈크로즈 부하 시에 혈당상승억제작용 및 체지방축적억제작용이 확인되어, 비만, 당뇨병, 고혈압, 고지혈증 등의 건강장해를 예방할 수가 있는 등의 효과가 있다"라고 기재되어 있다.

한편, L-아라비노즈는 사탕무우 펄프 등을 원료로 하여 제조되는데, 유기산을 이용하여 L-아라비노즈를 추출하는 공정에 관해서 본 발명자들이 2007년 12월 14일자로 출원(출원번호 10-2007-0131291)하여 등록받은 바 있다.

한편, 강산을 이용하여 사탕무우 펄프 등의 원료를 분해한 가수분해액은 강산의 사용으로 말미암아 가수분해 수율이 높은 장점이 있으나, 원료가 함유한 여러가지 당성분이 무차별적으로 용출되어 나오기 때문에, 여러 당성분들의 단순 혼합물로서는 의미가 있으나, 산업적으로 어떤 용도를 소구할 만큼의 가치 있는 추출물이라 할 수는 없다. 산업적으로 가치가 있는 추출물이 되기 위해서는 특정 성분이고순도로 농축되어 있어야 하는데, 강산을 사용할 경우 이와 같은 고순도의 제품을 얻기 힘들거나, 얻는다 하더라도 분리, 정제 과정이 매우 복잡해지는 문제가 있다.

본 발명에서는 상기와 같은 유용성분의 농축 분리 문제를 해결하고자, 농축 분리에 적합한 원료 소재를 발굴하고자 하였다.

또한, 발굴한 소재로부터 특정 유용성분(예로서, 아라비노즈 등)을 효과적으로 농축 분리할 수 있는 공정을 개발하고자 하였다.

본 발명은, 옥피에 황산을 첨가하여 가수분해하는 단계; 상기 가수분해 후, 원심분리 과정을 수행하여 잔사와 가수분해물로 분리하는 단계; 상기에서 분리된 가수분해물을 중화시키는 단계; 상기 중화 후, 침전물을 여과하고 여과액을 수득하는 단계; 이온교환수지를 사용하여 상기 여과액 중 잔류하는 이온을 제거함으로써 잔류 이온이 제거된 정제액을 회수하는 단계; 상기 정제액에 대해 사이즈배제크로마토그래피를 수행하여 추출물을 분리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 옥피 유래 추출물의 제조방법을 제공한다.

본 발명에서는 아라비노즈, 아라비노즈/자일로즈 혼합물, 자일로올리고당의 추출 또는 분리 대상의 소재로서, 옥피를 발굴하였으며, 가수분해를 위해 첨가하는 강산 중 황산을 특징적으로 선택하였다. 또한, 이온교환수지에 의한 정제를 한 후 농축 공정을 수행하고, 최종적으로 사이즈배제크로마토그래피를 통해 효과적으로 아라비노즈, 아라비노즈/자일로즈 혼합물, 자일로올리고당을 순차적으로 분리하였다. 본 발명의 추출과정은 도 1에 간단하게 도식화하였다.

본 발명에서 사용하는 옥피는 '옥수수 껍질'이라고도 하는데, 옥수수의 습식가공(wet milling)이나 건식가공(dry milling)시 발생하는 부산물인 옥수수 껍질로서, 셀룰로즈나 헤미셀룰로즈 등의 섬유질로 구성되어 있다. 하지만, 가공성이 좋지 못하여 현재는 대부분 가축 사료로 이용되고 있는 실정이다.

그런데, 부산물이라 하더라도 옥피에는 유용성분들이 여전히 많이 함유되어 있어, 우수한 식품소재의 원천이 될 수 있다. 옥피가 함유한 셀룰로즈나 헤미셀룰로즈 등의 섬유질에는 아라비노즈 또는 자일로즈로 구성된 아라비노자일란, 아라비난 등의 다당체를 다량 함유하고 있다. 이와 같은 다당체로부터 아라비노즈 또는 자일로즈 등을 추출하고자 하는 노력이 많이 경주되어 왔는데, 강산을 이용하여 옥피로 부터 상기 성분을 추출하고자 하는 경우, 목표로 하는 단당류 외에 다양한 당류들이 무차별적으로 추출액에 혼합되어 추출되는 문제가 있다. 추출물이 산업적으로 가치가 있으려면, 목표로 하는 특정 성분(예로서, 아라비노즈)이 농축되어 있어야 하고, 순도가 높아야 한다. 그런데, 강산을 이용할 경우, 무차별적인 당류의 추출로 인해 정제 공정에 상당한 비용과 공정의 추가가 요구된다. 따라서, 이를 개선할 수 있는 방법의 개발이 요구되는데, 본 발명에 의할 경우, 상기와 같은 문제가 해결되어, 옥피로부터 아라비노즈, 아라비노즈/자일로즈 혼합액, 자일로올리고당을 선택적으로 분리할 수 있는 것이다.

이하, 본 발명을 각 단계별로 세분하여 구체적으로 설명하고자 한다.

(1) 가수분해 단계

본 단계는 옥피에 황산을 첨가하여 가수분해하는 단계이다. 강산인 황산을 사용하여 가수분해를 함으로써, 옥피의 셀룰로즈 및 헤미셀룰로즈를 구성하고 있는 다당류(예로서, 아라비난, 자일란 등)로부터 단당류(예로서, 아라비노즈, 자일로즈) 또는 소당류(예로서, 자일로올리고당)를 신속하게 유리시킬 수 있다. 본 발명의 하기에 이어지는 단계들은 가수분해를 통해 유리된 단당류 또는 소당류를 농축 또는 정제하는 단계로서, 이들 단계를 거치면 단당류 또는 소당류가 순도 높게 정제될 수 있다.

한편, 본 단계에 있어서, 상기 가수분해는 바람직하게 옥피에 물을 옥피 대 비 물의 비율이 1:5~1:10이 되도록 섞은 후, 황산을 첨가하여 pH를 0.5~2.0으로 조정한 후, 90~120℃로 1~6시간 동안 끓이는 것이 좋다. 이때, 상기 가수분해는 바람직하게는 가압상태에서 수행되는 것이 좋은데, 가수분해 시간을 단축하고 수율을 증대시킬 수 있기 때문이다. 가압시 압력은 바람직하게 0.5~1.0 kg/cm² (온도 110~120℃)인 것이 좋다.

한편, 옥피에는 섬유질 이외에도 전분, 단백질, 지방, 미네랄 등 가공시 불순물로 발생할 수 있는 성분이 다량 함유되어 있다. 이들 성분은 여과 및 정제공정에서 품질에 악영향을 미치므로 전처리로 제거하는 것이 좋다.

따라서, 본 발명의 옥피 유래 추출물의 제조방법은 전처리 과정을 포함하는 것이 바람직하다. 전처리는 액화효소(알파-아밀라제)를 사용하는 방법과 황산을 사용하는 방법이 있다.

액화효소를 사용하는 방법은 본 발명의 상기 가수분해하는 단계 전에, 옥피에 액화효소를 첨가하여 전처리 가수분해하는 것이다. 옥피 대비 물의 비율이 1:5~1:20이 되도록 혼합한 후, 액화효소를 첨가하면, 옥피 중 전분질이 분해되며 제거된다.

황산을 사용하는 방법은 본 발명의 상기 가수분해하는 단계 전에, 옥피에 황산을 첨가하여 전처리 가수분해하는 것이다. 액화효소를 사용하여 전처리하는 경우, 전분질만 제거할 수 있기 때문에 불순물 제거 면에서 보면 부족하다. 따라서, 황산을 이용한 전처리 방법이 더 매력적일 수 있는데, 이때 바람직하게는 황산을 첨가하여 pH를 2.5~4.0로 조정한 후, 80~100℃의 온도에서 1~3시간 반응시키는 것이 좋다. 반응 후, 원심탈수기 혹은 여과기 등을 이용하여 탈수하면 전분질 및 이의 분해산물인 덱스트린, 올리고당, 맥아당, 포도당 등이 제거되고, 이외에도 미네랄, 단백질 분해물, 지방 분해물 등의 불순물도 대부분 함께 제거될 수 있다.

(2) 가수분해물 분리 단계

본 단계는 상기 가수분해 후, 원심분리 과정을 수행하여 잔사와 가수분해물로 분리하는 단계이다. 본 단계를 통해 단당류 또는 소당류가 함유된 가수분해물을 분리하여 회수할 수 있다.

(3) 가수분해물 중화 단계

본 단계는 상기에서 분리된 가수분해물을 중화시키는 단계이다. 중화의 목적은 전 단계에서 첨가된 황산으로 말미암아 가수분해물 중 존재하는 황산이온(SO₄ ^2-)을 제거하기 위함이다. 중화반응을 통해 황산이온은 황산염의 형태로 침전시켜 제거할 수 있다. 다만, 첨가된 황산 중 80% 정도만이 염 형태로 침전되어 제거될 수 있으므로, 본 단계 이후, 황산이온을 제거하기 위한 추가 단계가 요구된다.

상기 중화는 바람직하게 가수분해물에 대해 알칼리를 첨가하여 수행하거나 가수분해물을 이온교환수지에 통과시켜 수행하는 것이 좋다. 알칼리 첨가는 알칼리이온과 황산이온 간의 염 생성 반응을 통해 황산이온을 제거하는 것이고, 이온교환수지는 황산이온이 결합할 수 있는 수지(bead, 구체적으로 음이온교환수지)를 사용하여 탈황산을 함으로써 중화하는 것이다. 이때, 가수분해물 내에 존재하는 황산이온 외 다른 양이온도 염생성 반응을 통해 제거될 수 있다.

상기 중화는 일 예로, 알칼리인 수산화칼슘 또는 탄산칼슘을 첨가하여 pH를 3.0~5.0으로 조정하여 수행할 수 있다. 수산화칼슘 또는 탄산칼슘을 첨가하는 경우 황산이온이 CaSO₄의 형태로 침전되어 제거된다.

(4) 가수분해물로부터 여과액 수득 단계

본 단계는 상기 중화 후, 침전물을 여과하고 여과액을 수득하는 단계이다. 이때, 여과는 일 예로 퍼라이트를 이용하여 수행할 수 있다.

한편, 본 발명의 옥피 유래 추출물의 제조방법은, 바람직하게는 본 단계의 여과액을 수득하는 단계 후, 하기 단계의 이온교환수지를 사용하여 정제액을 수득하는 단계 수행 전에 여과액을 농축하는 단계를 추가로 포함하는 것이 좋다.

또한, 상기 여과액의 농축 후, 농축 여과액을 탈색하는 단계를 추가로 포함하는 것이 더욱 좋다. 탈색은 활성탄을 사용하여 수행될 수 있다.

(5) 여과액 내 잔류 이온 제거 단계

본 단계는 이온교환수지를 사용하여 상기 여과액 중 잔류하는 이온을 제거함으로써 잔류 이온이 제거된 정제액을 회수하는 단계이다. 여과액에는 아라비노즈, 자일로즈, 자일로올리고당 외에 미제거 잔류 염, 산, 알카리가 혼재하며, 이들은 본 단계를 통해 제거될 수 있다.

본 단계에서는 양이온교환수지(K-칼럼) 또는 음이온교환수지(A-칼럼) 또는 이들의 혼상칼럼을 이용하여, Ca² ⁺, Na⁺, K⁺, Mg² ⁺, NH₄ ⁺ , F²⁺등의 잔류 양이온 및 SO₄^2-, Cl^-, COO^-, PO₄^3- 등의 잔류 음이온을 제거할 수 있다. 이외에 색소 및 이온성 유기물 성분도 이 공정을 통해 제거할 수 있는데, 정제공정을 거친 당액의 정제도는 비전도도가 0-10μS/cm까지 이른다.

본 단계에 있어서, 상기 이온교환수지에 의한 치환반응은 바람직하게 양이온교환수지 또는 음이온교환수지 또는 양이온음이온동시교환수지를 사용하는 것이 좋다. 더욱 바람직하게는 강산성양이온교환수지, 약염기성음이온교환수지, ‘강산성양이온교환수지와 강염기성음이온교환수지를 함께 사용하는 혼상수지탑’을 순차적으로 거치도록 하여 여과액 내 잔류 이온을 제거하는 것이 좋다.

(6) 목적물질의 선택적 분리 단계

본 단계는 상기 정제액에 대해 사이즈배제크로마토그래피(일명 분자체크로마토그래피)를 수행하여 추출물을 분리하는 단계이다. 본 단계를 통해 목적으로 하는 물질인 아라비노즈, 아라비노즈/자일로즈 혼합물, 자일로올리고당이 농축된 분획을 선택적으로 분리할 수 있다. 본 단계의 사이즈배제크로마토그래피 전에 정제액을 농축시키는 것도 좋다. 본 단계의 크로마토그래피 분리를 위한 정제액의 바람직한 조건은 20-60Bx, 40~70℃, 30μS/cm 이하이다.

본 단계의 사이즈배제크로마토그래피는 바람직하게 상기 정제액 중 존재하는 아라비노즈, 자일로즈 및 자일로올리고당이 순차적으로 분리될 수 있는 분리계수(separation factor)를 갖는 것이 좋다. 본 단계의 사이즈배제크로마토그래피를 적용할 경우, 상기 정제액 중 존재하는 아라비노즈, 자일로즈 및 자일로올리고당을 고유의 분리계수(separation factor)에 의해 각각 선택적으로 분리할 수 있기 때문이다.

본 단계에 있어서, 바람직하게 상기 사이즈배제크로마토그래피는 아라비노즈, 자일로즈 및 자일로올리고당의 선택적 분리가 용이한 이온교환수지의 크기인 0.12-0.3mm, 균일계수 1.6이하의 강산성양이온교환수지를 크로마토그래피용 충진제로 사용하는 것이 좋다.

한편, 정제액을 대상으로 하여 본 단계의 사이즈배제크로마토그래피를 수행하는 과정은 도 2에 도시하였고, 본 단계의 운전을 일 예를 통해 설명하자면, 하기와 같다.

먼저, 사이즈배제크로마토그래피는, 내경 2cm, 높이 200cm의 이중관의 칼럼을 사용하였다. 칼럼온도는 60℃로 순환펌프를 이용하여 온수를 순환시키면서 유지하였다. 분리탑에 충진한 분리수지는 Amberlite CR1310 Na-form(Rohm & Haas)로서, 600ml(분리수지칼럼 높이로 약 195cm)를 충진한 후, 염산을 4%용액, 1.2L를 조제한 후, 시간당 2 bed volume으로 1시간 통액하여 Na를 H로 치환했다. 이후 순수를 이용하여 시간당 5-10 bed volume으로 pH:4가 될 때까지 세정한 후 NaCl 5%용액, 1.2L를 만들어 1시간 통액하여 Na-form으로 치환하였으며, 이를 순수(1μS/cm)를 사용하여 세척하여 분리칼럼으로 이용했다.

이어서, 40-60Bx의 원액 50ml를 60℃에서 유속 15ml/min로 상기의 분리칼럼에 주입한 후 이어서 용리수를 같은 속도로 흘렸다. 하부의 배출구로 당액이 비치기 시작할 때부터 1분 간격으로 샘플링하여 굴절당도계(Refractometer, Atago N-1)를 이용하여 농도(Bx)를 측정하고, 하기 표 1의 HPLC시스템을 이용하여 당조성을 분석했다. 하기의 표 2는 각 샘플에서 당을 분석한 결과이다.

펌프	SP930D (Younglin / Korea)	유속 : 1ml/min
오븐	CTS30 (Younglin / Korea)	온도 : 80℃
칼럼	SC 1011 (Shodex/Japan)	이동상 : Water
디텍터	RI750F (Younglin / Korea)

운전시간 (min)	유속 (ml/min)	Brix	glu↑	glu	Xyl.	Ara
0	0	0.0	0.0	0.0	0.0	0.0
17	15	1.8	1.8	0.0	0.0	0.0
18	15	3.4	3.4	0.0	0.0	0.0
19	15	5.2	5.2	0.0	0.0	0.0
20	15	6.2	6.2	0.0	0.0	0.0
21	15	6.6	6.4	0.2	0.0	0.0
22	15	7.0	5.7	1.0	0.3	0.0
23	15	8.0	5.1	1.9	1.0	0.0
24	15	9.4	4.2	2.9	2.2	0.0
25	15	11.4	3.6	3.7	4.1	0.0
26	15	13.2	2.9	4.0	5.3	0.9
27	15	14.4	2.2	4.0	6.4	1.8
28	15	15.2	1.7	3.7	7.0	2.9
29	15	15.2	1.1	3.2	7.0	3.9
30	15	14.6	0.8	2.4	6.2	5.1
31	15	13.2	0.6	1.8	5.2	5.6
32	15	11.2	0.4	1.1	3.9	5.7
33	15	9.0	0.0	0.6	2.8	5.5
34	15	7.0	0.0	0.3	1.7	5.0
35	15	5.0	0.0	0.1	1.0	3.9
36	15	3.4	0.0	0.1	0.5	2.9
37	15	2.4	0.0	0.0	0.2	2.2
38	15	1.8	0.0	0.0	0.1	1.7
39	15	1.2	0.0	0.0	0.1	1.1
40	15	1.0	0.0	0.0	0.1	0.9
41	15	0.8	0.0	0.0	0.1	0.7
42	15	0.6	0.0	0.0	0.0	0.6
43	15	0.4	0.0	0.0	0.0	0.4
44	15	0.4	0.0	0.0	0.0	0.4
45	15	0.0	0.0	0.0	0.0	0.0

각 성분이 상기와 같이 분리되어 나오는 것을 재시험을 통해 확인한 후, 원액주입과 용리수 주입 및 예상배출액의 시간대를 맞추어 분리하여, 도 3과 같은 연속적인 그래프를 얻을 수 있다.

도 3의 그래프는 본 발명을 통해 우리가 목적으로 하는 성분이 농축되어 있는 추출물 분획을 선택적으로 회수할 수 있음을 보여준다.

본 발명에 의할 경우, 기존의 강산을 이용한 추출 제조 방법에 비해, 아라비노즈, 아라비노즈/자일로즈 혼합물, 자일로올리고당 등의 성분을 효과적이고 선택적으로 분리할 수 있다.

도 1은 본 발명의 추출과정을 모식화한 블록다이아그램이다.
도 2는 본 발명에서 아라비노즈, 아라비노즈/자일로즈 혼합물, 자일로올리고당을 선택적으로 분리하기 위한 사이즈배제크로마토그래피의 모식도이다.

이하, 본 발명의 내용을 하기 실시예 및 실험예를 통해 더욱 상세히 설명하고자 한다. 다만, 본 발명의 권리범위가 하기 실시예에만 한정되는 것은 아니고, 그와 등가의 기술적 사상의 변형까지를 포함한다. 하기에서 특별한 언급이 없는 "%"는 "중량%"임을 밝혀둔다.

[ 실시예 1: 황산 전처리 후 황산을 이용한 상압 추출]

수분 7%의 건조 옥수수 껍질 900g에 대해 증류수 9000g을 넣고, 0.1N 황산 용액을 사용하여 pH 3.0으로 조정한 후, 95~100℃에서 1시간 교반하면서 전처리를 실시했다.

전처리 후, 원심탈수를 하여 폐액을 제거하고, 전처리가 완료된 옥수수 껍질 고형분 620g을 회수했다. 회수된 옥수수 껍질에 대해 10배수의 증류수와 0.2 N 황산 용액을 가하여 pH 1.4로 조정한 후, 95~100℃에서 5시간 동안 교반하면서 추출 및 가수분해를 실시했다.

그 후 원심탈수를 실시하여 폐잔사와 가수분해 추출물을 분리하였다. 가수분해 추출물에 수산화칼슘을 가하여 pH 4.0으로 중화 후 활성탄과 퍼라이트를 투입하여 탈색을 한 후 여과를 실시하였다.

여과가 완료된 추출물은 진공 농축기를 이용하여 25Bx까지 농축한 후 여과하여 이온정제 작업을 실시하였다. 이온 정제는 강산성양이온교환수지 칼럼, 약염기성음이온교환수지 칼럼, 혼상수지탑(강산성양이온교환수지, 강염기성음이온교환수지가 칼럼 내부에 함께 들어있으며 정제를 위한 이온교환 역할을 하는 칼럼) 의 순서로 통액하여 전기전도도가 2 μS/cm이하의 통과액을 얻었다. 그 후, 이를 50Bx까지 농축하였다.

농축된 시료는 사이즈배제크로마토그래피 분리 칼럼(내경 2cm, 높이 200cm의 2중자켓 칼럼, 0.12-0.3mm 크기, 균일계수 1.6이하의 강산성양이온교환수지 충진)을 이용하여 분리 후 농축을 하여, 자일로올리고당 추출물 (A시럽)은 분리원액(사이즈배제크로마토그래피 분리 직전의 정제액) 고형분 대비 25.2%, L-아라비노즈와 D-자일로즈 혼합 추출물 (B 시럽)은 분리원액 고형분 대비 51.4%, L-아라비노즈 함유 추출물(C 시럽)은 분리원액 고형분 대비 23.4%의 수율을 얻었다. 이는 최초 옥피 고형분 대비 자일로올리고당 추출물(A 시럽)은 7.8%, L-아라비노즈와 D-자일로즈 혼합 추출물(B시럽)은 15.9%, L-아라비노즈 함유 추출물(C 시럽)은 7.3%에 해당한다. 이들의 고형분 농도는 70Bx로 했다.

[ 실시예 2: 액화효소 전처리 후 황산을 이용한 상압 추출]

수분 7%의 건조 옥수수 껍질 900g에 대해 증류수 9000g을 넣고, 가성소다 0.1N액으로 pH를 6.0~6.5로 조정한 후, 액화효소(Novozymes사 , Liquozyme Supra)를 건조 옥수수껍질 고형분 대비 0.1%를 투입하여, 95~100℃에서 1시간 교반하면서 전처리를 실시했다.

전처리 후, 원심탈수를 통하여 폐액 을 제거하고, 전처리가 완료된 옥수수 껍질 고형분 710g을 회수했다. 회수된 옥수수 껍질에 대해 10배수의 증류수와 0.2 N 황산 용액을 가하여 pH 1.4로 한 후, 95~100℃에서 5 시간 동안 교반하면서 가수분해 추출을 실시했다.

그 후, 원심탈수를 실시하여 잔사와 가수분해 추출물을 분리하였다. 가수분해 추출물에 수산화칼슘을 가하여 pH 4.5로 중화한 후 활성탄과 퍼라이트를 투입하여 탈색을 한 후, 여과를 실시하였다.

여과가 완료된 추출물은 진공 농축기를 이용하여 25Bx 까지 농축한 후 여과하여 이온정제 작업을 실시하였다. 이온 정제는 강산성양이온교환수지 칼럼, 약염기성음이온교환수지 칼럼, 혼상수지탑(Mixed bed)의 순서로 통액하여 전기전도도가 300μS/cm의 통과액을 얻었으며 이를 50Bx까지 농축하였다. 실시예 2에서는 실시예 1과 달리 이온교환수지에 의한 정제에서 전기전도도가 불량하고 거품발생이 많아서 크로마토그래피 공정을 적용할 수 없었다.

[ 실시예 3: 황산을 이용한 전처리 후 황산을 이용한 가압 추출]

수분 7%의 건조 옥수수 껍질 900g에 대해 증류수 9000g을 넣고 0.1N의 황산 용액을 사용하여 pH 3.0으로 조정한 후, 95~100℃에서 1시간 동안 교반하면서 전처리를 실시했다.

전처리 후, 원심탈수를 하여 폐액을 제거하고, 전처리가 완료된 옥수수 껍질 고형분 610g를 회수했다. 회수된 옥수수 껍질에 대해 10배수의 증류수와 0.2 N 황산 용액을 가하여 pH 1.4로 조정하고 1 Kg/cm² 가압상태에서 120℃, 3시간 동안 가수분해 추출을 실시했다.

그 후, 원심탈수를 실시하여 잔사와 가수분해 추출물을 분리하였다. 가수분해 추출물에 수산화칼슘을 가하여 중화 후 활성탄과 퍼라이트를 투입하여 탈색을 한 후 여과를 실시하였다.

여과가 완료된 추출물은 진공 농축기를 이용하여 25Bx까지 농축한 후 여과하여 이온정제 작업을 실시하였다. 이온 정제는 강산성양이온교환수지 칼럼, 약염기성음이온교환수지 칼럼, 혼상수지탑의 순서로 통액하여 전기전도도가 3 μS/cm의 통과액을 얻었으며 이를 50Bx 까지 농축하였다.

농축된 시료는 사이즈배제크로마토그래피 분리 칼럼(내경 2cm, 높이 200cm의 2중자켓 칼럼, 0.12-0.3mm 크기, 균일계수 1.6이하의 강산성양이온교환수지 충진)을 이용하여 분리 후 농축을 하여 자일로올리고당 추출물 (A시럽)은 분리원액(사이즈배제크로마토그래피 분리 직전의 정제액) 고형분 대비 24.5%, L-아라비노즈와 D-자일로즈 혼합 추출물 (B 시럽)은 분리원액 고형분 대비 44.5%, L-아라비노즈 함유 추출물(C 시럽)은 분리원액 고형분 대비 23.0%를 얻었다. 이는 최초 옥피 고형분 대비 자일로올리고당 추출물(A 시럽)은 7.6%, L-아라비노즈와 D-자일로즈 혼합 추출물(B 시럽)은 13.8%, L-아라비노즈 함유 추출물(C 시럽)은 7.1%에 해당한다. 이들의 고형분 농도는 70Bx로 했다.

[ 실시예 4: 액화 효소를 이용한 전처리 후 황산을 이용한 가압 추출]

수분 7%의 건조 옥수수 껍질 900g에 대해 증류수 9000g을 넣고, 가성소다 0.1N액으로 pH를 6.0~6.5로 조절한 후, 액화효소(Novozymes사 , Liquozyme Supra)를 건조 옥수수껍질 고형분 대비 0.1% 투입하여, 95~100℃에서 1시간 동안 교반하면서 전처리를 실시했다.

전처리 후, 원심탈수를 통하여 폐액을 제거하고, 전처리가 완료된 옥수수 껍질 고형분 710g을 회수했다. 회수된 옥수수 껍질에 대해 10배수의 증류수와 0.2 N 황산 용액을 가하여 pH 1.4로 조정하고, 1 Kg/cm²가압상태에서 120℃, 3 시간 동안 교반하면서 가수분해 추출을 실시하였다.

그 후 원심탈수를 실시하여 잔사와 가수분해 추출물을 분리하였다. 가수분해 추출물에 수산화칼슘을 가하여 중화 후 활성탄과 퍼라이트를 투입하여 탈색을 한 후 여과를 실시하였다.

여과가 완료된 추출물은 진공 농축기를 이용하여 25Bx까지 농축한 후 여과하여 이온정제 작업을 실시하였다. 이온 정제는 강산성양이온교환수지 칼럼, 약염기성음이온교환수지 칼럼, 혼상수지탑(Mixed bed)의 순서로 통액하여 전기전도도가 450μS/cm의 통과액을 얻었으며 이를 50Bx까지 농축하였다. 실시예 4 에서는 실시예 1과 달리 이온교환수지에 의한 정제에서 전기전도도가 불량하고 거품발생이 많아서 크로마토그래피 공정을 적용할 수 없었다.

[ 실시예 5: 황산 전처리 후 황산을 이용한 상압 추출 - 음이온교환수지로 중화]

수분 7%의 건조 옥수수 껍질 900g에 대해 증류수 9000g을 넣고 0.1N의 황산 용액을 사용하여 pH 3.0으로 조정한 후, 95~100℃에서 1시간 교반하면서 전처리를 실시했다.

전처리 후 원심탈수를 하여 폐액을 제거하고, 전처리가 완료된 옥수수 껍질 고형분 620g를 회수했다. 회수된 옥수수 껍질에 대해 10배수의 증류수와 0.2 N 황산 용액을 가하여 pH 1.4로 조정한 후, 95~100℃에서 5 시간 동안 교반하면서 추출 및 가수분해를 실시했다.

그 후, 원심탈수를 실시하여 잔사와 가수분해 추출물을 분리하였다. 가수분해 추출물은 활성탄과 퍼라이트를 이용하여 여과를 실시하였다.

이후 여과액을 약염기성음이온교환수지 칼럼을 통과시켜 pH 4.5 수준까지 탈황산 중화하였다.

그 후, 활성탄과 퍼라이트를 투입하여 탈색을 한 후 여과를 실시하였다. 여과가 완료된 추출물은 진공 농축기를 이용하여 25Bx까지 농축한 후 여과하여 이온정제 작업을 실시하였다.

이온 정제는 강산성양이온교환수지 칼럼, 약염기성음이온교환수지 칼럼, 혼상수지탑(Mixed bed)를 순서로 통액하여 전기전도도가 2μS/cm의 통과액을 얻었으며, 이를 50Bx까지 농축하였다.

농축된 시료는 사이즈배제크로마토 분리 칼럼(내경 2cm, 높이 200cm의 2중자켓 칼럼, 0.12-0.3mm 크기, 균일계수 1.6이하의 강산성양이온교환수지 충진)을 이용하여 분리 후 농축을 하여 자일로올리고당 추출물 (A시럽)은 분리원액(사이즈배제크로마토그래피 분리 직전의 정제액) 고형분 대비 23.0%, L-아라비노즈와 D-자일로즈 혼합 추출물 (B 시럽)은 분리원액 고형분 대비 49%, L-아라비노즈 함유 추출물(C 시럽)은 분리원액 고형분 대비 21% 를 얻었다. 이는 최초 옥피 고형분 대비 자일로올리고당 추출물(A 시럽)은 7.1%, L-아라비노즈와 D-자일로즈 혼합 추출물(B 시럽) 15.2%, L-아라비노즈 함유 추출물(C 시럽)은 6.5%에 해당한다. 이들의 고형분 농도는 70Bx로 했다.

하기 표 3에 상기 실시예 1~5의 운전 조건 및 실험결과를 정리하였다.

실시예			1	2	3	4	5
	전처리		황산	액화 효소	황산	액화 효소	황산
	본처리		황산, 상압	황산, 상압	황산, 가압	황산, 가압	황산, 상압
	중화		Ca(OH)₂	Ca(OH)₂	Ca(OH)₂	Ca(OH)₂	약염기성음이온 교환수지
전처리	황산		0.1N		0.1N		0.1N
	액화효소	(DS 대비)		0.1%		0.1%
	pH		3.0	6.0	3.0	6.0	3.0
	옥피 회수	(고형분 회수율 %)	74	85	73	85	74
본처리	황산		0.2N	0.2N	0.2N	0.2N	0.2N
	상압		√	√			√
	가압				√	√
	온도(℃)		97	97	120	120	97
	시간 (hr)		5	5	3	3	5
	여과여액 (추출물)
		Bx	8	7	10	10	8
		고형분 회수율(%)	52	56	70	70	52
		pH	1.4	1.4	1.4	1.4	1.4
		Cond (μS/Cm)	6500	6500	9200	9200	6500
정제	중화 탈색 농축 이온정제 농축	수산화칼슘 중화	√	√	√	√
		약염기성음이온교환수지 중화					√
		Bx	50	50	50	50	50
		고형분 회수율(%)	31	28	31	28	31
		pH	4.5	4.5	4.5	4.5	4.5
		Cond (μS/cm)	2	300	3	450	2
	당 조성비	Xylo oligo & Glucose	48.0	67	47.9	47.0	37.5
		Xylose	27.0	12	29.7	32.2	38.5
		Arabinose	25.0	21	22.4	20.8	24.0
분리	A 시럽	Xylo oligo & Glucose	92.4		98.2		96.6
		Xylose	7.4		1.8		3.3
		Arabinose	0		0		0.1
		옥피 DS 대비 회수율(%)	7.81		7.59		7.13
		분리원액 고형분 대비 회수율(%)	25.2		24.5		23
	B 시럽	Xylo oligo & Glucose	36.8		37.2		36.3
		Xylose	42.4		43.4		44.9
		Arabinose	20.8		19.5		18.4
		옥피 DS 대비 회수율(%)	15.9		13.8		15.19
		분리원액 고형분 대비 회수율(%)	51.4		44.5		49.0
	C 시럽	Xylo oligo & Glucose	5.9		9.7		2.7
		Xylose	23.8		19.1		20.7
		Arabinose	70.1		71.2		76.6
		옥피 DS 대비 회수율(%)	7.3		7.13		6.51
		분리원액 고형분 대비 회수율(%)	23.4		23.0		21.0

[ 실시예 6: 황산 처리 시간에 따른 변화]

수분 7%의 건조 옥수수 껍질 900g에 대해 증류수 9000g을 넣고, 0.1N 황산 용액을 사용하여 pH 3.0으로 한 후, 95~100℃에서 1시간 교반하면서 전처리를 실시했다.

전처리 후, 원심탈수를 하여 폐액을 제거하고, 전처리가 완료된 옥수수 껍질 고형분 620g을 회수했다. 회수된 옥수수 껍질에 대해 10배수의 0.2 N 황산 용액을 가하여 pH 1.4로 한 후, 95~100℃에서 2, 3, 4, 5, 6 시간 동안 교반하면서 가수분해 추출을 실시하였다.

가수분해 추출물에 수산화칼슘을 가하여 중화한 후, 활성탄과 퍼라이트를 투입하여 탈색을 한 후, 여과를 실시하였다. 회수된 조 추출물의 고형분 회수율을 비교하였다.

비교 결과, 하기 표 4와 같이 2, 3, 4, 5, 6 시간 가수분해 추출 후 회수된 고형분의 회수율은 각각 41.4, 50.3, 51.8, 53.7, 54.0%이었다.

전처리	옥피 (g)		900
	증류수 (g)		9000
	황산		0.1N
	옥피 회수	(고형분 회수율 %)	74	74	74	74	74
본처리	황산		0.2N	0.2N	0.2N	0.2N	0.2N
	상압		√	√	√	√	√
	온도(℃)		97	97	97	97	97
	시간 (hr)		2	3	4	5	6
	여과여액 (추출물)
		Bx	6.4	7.2	7.4	7.8	7.6
		추출 고형분 회수율(%)	56	68	70	72.6	73
		옥피대비 고형분회수율(%)	41.4	50.3	51.8	53.7	54.0
		pH	4.5	4.5	4.5	4.5	4.5
		Cond (μS/cm)	7400	8820	8500	8000	8560
	당조성비	Xylo oligo & Glucose	76.6	64.4	55.0	49.0	51.0
		Xylose	13.6	19.6	24.8	26.6	28.4
		Arabinose	9.8	16.0	20.2	24.4	20.6

Claims

옥피에 황산을 첨가하여 가수분해하는 단계;
상기 가수분해 후, 원심분리 과정을 수행하여 잔사와 가수분해물로 분리하는 단계;
상기에서 분리된 가수분해물을 중화시키는 단계;
상기 중화 후, 침전물을 여과하고 여과액을 수득하는 단계;
이온교환수지를 사용하여 상기 여과액 중 잔류하는 이온을 제거함으로써 잔류 이온이 제거된 정제액을 회수하는 단계; 및
상기 정제액에 대해 사이즈배제크로마토그래피를 수행하여, 상기 정제액을 아라비노즈, 아라비노즈와 자일로즈의 혼합물 및 자일로올리고당으로 분리하는 단계;를 포함하며,
상기 사이즈배제크로마토그래피는 강산성양이온교환수지인 것을 특징으로 하는 옥피 유래 추출물의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 옥피 유래 추출물의 제조방법은,
상기 가수분해하는 단계 전에,
옥피에 황산을 첨가하여 전처리 가수분해하는 전처리 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 옥피 유래 추출물의 제조방법.
제2항에 있어서,
상기 전처리 가수분해는,
황산을 첨가하여 pH를 2.5~4.0으로 조정한 후, 80~100℃의 온도에서 1~5 시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 옥피 유래 추출물의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 옥피 유래 추출물의 제조방법은,
상기 가수분해하는 단계 전에,
옥피에 액화효소를 첨가하여 전처리 가수분해하는 전처리 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 옥피 유래 추출물의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 가수분해는,
옥피에 물을 옥피 대비 물의 비율이 1:5~1:10 중량비가 되도록 섞은 후, 황산을 첨가하여 pH를 0.5~2.0으로 조정한 후, 90~120℃로 1~6시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 옥피 유래 추출물의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 가수분해는,
가압상태에서 수행되는 것을 특징으로 하는 옥피 유래 추출물의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 중화는,
가수분해물에 대해 알칼리를 첨가하여 수행하는 것을 특징으로 하는 옥피 유래 추출물의 제조방법.
제7항에 있어서,
상기 중화시키는 단계는,
알칼리로 수산화칼슘 또는 탄산칼슘을 첨가하여 pH를 3.0~5.0으로 조정하는 것을 특징으로 하는 옥피 유래 추출물의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 중화는,
가수분해물을 이온교환수지에 통과시켜 수행하는 것을 특징으로 하는 옥피 유래 추출물의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 옥피 유래 추출물의 제조방법은,
상기 여과액을 수득하는 단계 후, 이온교환수지를 사용하여 정제액을 수득하는 단계의 수행 전에 여과액을 농축하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 옥피 유래 추출물의 제조방법.
제10항에 있어서,
상기 여과액의 농축 후, 농축 여과액을 탈색하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 옥피 유래 추출물의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 이온교환수지는,
양이온교환수지 또는 음이온교환수지 또는 양이온음이온동시교환수지를 사용하는 것을 특징으로 하는 옥피 유래 추출물의 제조방법.