KR20020031561A

KR20020031561A - 인삼 올리고당 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20020031561A
Application number: KR1020000062095A
Authority: KR
Inventors: 황재관; 최문정; 윤정미
Original assignee: 황재관
Priority date: 2000-10-21
Filing date: 2000-10-21
Publication date: 2002-05-02
Also published as: KR100385913B1

Abstract

본 발명은 인삼 올리고당 및 그 제조방법에 관한 것으로 인삼 엑기스 제조시 부산물로 발생되는 인삼박에 다당류가수분해 효소인 셀룰라제(cellulase), 헤미셀룰라제(hemicellulases), 펙티나제(pectinases)를 단독처리하거나 또는 2종 이상의 혼합효소액을 인삼박에 첨가하여 인삼박내에 존재하는 다당류 성분을 수용성 저분자 올리고당 물질로 가수분해 한 후 한외여과기(ultrafiltrator)에 순차적으로 통과시킨 다음 분자량별로 분획하여 건조함으로써 제조한 인삼 올리고당 및 그 제조방법을 제공하는 뛰어난 효과가 있다.

Description

인삼 올리고당 및 그 제조방법{Oligosaccahrides from Ginseng and process for preparation thereof}

본 발명은 인삼 올리고당 및 그 제조방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 다당류 가수분해 효소처리 공정에 의해 인삼박으로부터 제조한 인삼 올리고당 및그 제조방법에 관한 것이다.

인삼(Panax ginseng C. A. Meyer)은 아시아 극동지역(북위 33-48: 한국, 북만주, 소련일부)에 자생하는 식물로서, 식물분류학상 오가과 인삼속에 속하는 다년생 숙근초로서 약 11종이 알려져 있다. 특히 한국내에서 생산되는 인삼은 고려인삼으로 불리우며 그 약리활성이 가장 뛰어난 것으로 잘 알려져 있다. 인삼은 생산공정에 따라 수삼, 홍삼, 백삼 및 태극삼 등의 형태로 제조되고 있다.

인삼은 현대 과학적인 연구결과를 통하여 동맥경화, 고혈압, 스트레스, 피로회복, 정력증진, 저혈압, 갱년기 장애, 당뇨병, 암, 노화방지 등 각종 성인병에 대한 예방 및 치료효과가 매우 뛰어난 것으로 밝혀져 있다(Nutrition, 16(5), 391-392(2000); European Journal of Clinical Pharmacology, 55(8), 567-575 (1999)).

산업적으로 인삼은 열수나 알코올 등의 용매를 이용하여 엑기스를 추출하여 이용하고 있다. 엑기스를 추출한 후 발생하는 인삼박의 주성분은 대부분 다당류로 구성된 식이섬유 물질로 구성되어 있어 각종 생리활성이 기대됨에도 불구하고, 단순히 사료로 이용되거나 폐기되는 등 산업적인 활용이 매우 미흡하다.

올리고당(Oligosaccharides)은 저분자의 탄수화물 물질로서 생산방식에 따라 두종류로 나뉘어 진다. 즉, 당류의 효소적 생물전환(enzymatic biocon version)에 의해 제조되는 이소말토올리고당(isomalto-oligosaccharide), 프럭토올리고당(fru cto-oligosaccharide), 갈락토올리고당(galacto-oligosaccharide)등과 다당류의 가수분해에 의해 제조되는 이눌린 올리고당(inulin oligosaccharide), 알긴산올리고당(alginate oligosaccharide), 키토산 올리고당(chitosan oligosaccharide)으로나뉘어 진다 (식품산업과 영양. 3(1), 18-23(1998)).

상기 올리고당은 유용한 장내미생물에 대한 증식을 촉진하는 비피도인자 (bifidogenic factor)로서의 생리활성을 지니며 다당류 가수분해물에 의해 생성되는 올리고당의 경우에는 혈중 콜레스테롤 저하작용, 항균작용, 면역체계 활성화 작용 등 각종 생리학적 및 약리학적인 기능성을 지니고 있다 (Lebensm. Wiss. Technol., 27, 1-9(1996); Tren. Food Sci. Technol., 7, 353-368(1996)).

한편, 식물 세포벽은 셀룰로오스(cellulose), 헤미셀룰로오스(hemicellulo- ses), 펙틴(pectin) 등의 다당류 성분과 리그닌(lignin), 당단백질 등으로 구성되어 있다. 그런데 이들 구성성분들은 서로 유리된 상태로서 존재하는 것이 아니라 대부분 공유결합, 수소결합, 이온결합, 소수결합 등을 통하여 강하게 연결되어 불용성 상태로 존재한다 (한국영양식량학회지, 23(2):358-370(1994)).

일반적으로 식물 세포벽으로부터 다당류 성분을 수용화 하거나 가수분해하기 위한 통상적인 방법으로 고온하에서 산이나 알카리 용액을 이용하고 있으나, 이러한 화학적 가수분해 방식은 환경폐수의 다량 발생, 용기의 부식 등과 같은 많은 문제점을 내포하고 있어 산업적으로 적용하기는 어렵다.

식물 세포벽을 구성하고 있는 불용성 다당류 성분들은 다당류 가수분해 효소를 이용하여 효율적으로 수용화 될 수 있다. 인삼박은 대부분 다당류 성분으로 구성되어 다당류 가수분해를 사용할 경우 저분자의 올리고당 생산이 가능하다. 인삼의 구성 다당류는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 펙틴으로 구성되어 있어 이들에 대한 가수분해 효소인 셀룰라제(cellulase), 헤미셀룰라제(hemicellulases), 펙티나제(pectinases) 등을 이용하면 매우 효율적으로 가수분해가 가능하다.

또한, 셀룰라제, 헤미셀룰라제, 펙티나제 등의 다당류 가수분해 효소는 상업적으로 쉽게 구할 수 있어 산업적인 적용이 용이하다. 특히, 이들 상업적인 효소는 단일 효소로 이루어져 있는 것이 아니라 여러 효소가 복합적으로 구성되어 있기 때문에 복합 다당류로 구성되어 있는 식물 세포벽의 가수분해에 더욱 효율적으로 이용될 수 있다.

종래에 대한민국 특허 등록번호 제 1997-8129호에는 인삼 또는 알콜추출 인삼박으로부터 산성다당체를 분리하는 방법이 공지된 바 있다. 상기 발명은 인삼박에 온수로 처리하면서 효소를 가하고 최종 산물에 60% 이상의 알콜을 가하여 고분자량의 다당체를 침전시킴으로써 분리하는 방법으로서 고분자량의 다당체는 비교적 잘 침전되나 저분자량의 당류는 알콜에 의해 충분히 침전될 수 없다는 단점이 있다. 그뿐만 아니라, 상기 발명에서는 사용한 효소의 구체적인 적용 특성이나 제조회사를 정확히 명시하지 않으나 목적으로 하는 최종 산물이 고분자의 다당체인 것으로 보아 가수분해 효소활성이 낮은 효소를 적용하여 가급적 다량의 다당체 생산에 주안점을 둔 발명으로 사려된다.

따라서, 상기 발명에서는 인삼박으로부터 저분자량의 올리고당의 제조방법에 관하여는 전혀 암시된바 없으며 지금까지 인삼박을 이용한 저분자량의 올리고당 제조방법도 문헌상 공지된바 없다.

본 발명자는 상기와 같은 점들을 착안하여 다당류 가수분해효소를 이용하여 인삼박으로부터 저분자량의 인삼 올리고당을 효율적으로 제조함으로써 본 발명을완성하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 다당류 가수분해 처리에 의해 인삼으로부터 저분자량의 올리고당 제조방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 인삼으로부터 다당류 가수분해효소를 이용하여 제조한 저분자량의 올리고당을 제공함에 있다.

본 발명의 상기 목적은 인삼 엑기스 제조시 가공부산물로 발생하는 인삼박에 다당류 가수분해 효소인 셀룰라제, 헤미셀룰라제, 펙티나제를 단독 처리하거나 또는 이들 효소의 혼합액을 인삼박에 대해 중량비로 1:1∼1:0.001의 비율로 첨가하고 30∼60℃에서 30분∼6시간 동안 교반하면서 반응시켜 인삼박내에 존재하는 다당류를 가수분해한 다음 가열처리하여 효소를 불화성화 시키고 분자량 500∼5,000인 한외여과막에 순차적으로 통과시킨 다음 분자량별로 분획하고 건조하여 인삼올리고당을 제조함으로써 달성하였다.

도 1은 본 발명의 바람직한 인삼 올리고당 제조방법을 공정별로 도시한 개략도이다.

도 2a는 표준물질 풀루란(pullan)과 유당(lactose)을 이용하여 작성한 겔침투 크로마토그래피(gel permeation chromatography)의 표준곡선이다.

도 2b는 본 발명 인삼 올리고당의 분자량을 나타낸 겔침투 크로마토그래피 결과이다.

도 3은 본 발명 인삼 올리고당을 첨가한 배지에서의 비피도박테리움 롱검(Bifidobacterium longum)의 생육곡선(growth curve)이다.

본 발명은 건조인삼박 20g에 증류수 500mL를 넣고 30분간 교반한 후 필트라제 BR을 2g 가하여 50℃에서 2시간 교반한 다음 100℃에서 20분간 가열하여 효소를 불활성화 하고 원심분리하여 상등액을 획득한 후 한외여과막에 통과시킨 분획을 건조하여 인삼올리고당을 제조하는 단계; 겔침투 크로마토그래피를 이용하여 상기 인삼 올리고당의 분자량을 측정하는 단계; 상기 본 발명 인삼 올리고당을 첨가한 MRS broth에서 비피도박테리움 롱검의 증식효과를 측정하는 단계; 상기 인삼 올리고당 제조시 가수분해효소의 종류에 따른 생산수율과 분자량를 측정하는 단계; 상기 인삼 올리고당 제조시 가수분해효소를 혼합하여 첨가했을때의 생산수율과 분자량을 측정하는 단계; 분자량이 각기 다른 한외여과막에 인삼 올리고당액을 통과시켜 분자량이 다양한 인삼 올리고당을 제조하는 단계로 구성된다.

본 발명 건조 인삼분말이나 인삼박에 물을 가하여 교반시킨 다음 다당류 가수분해효소인 셀룰라제(cellulase), 헤미셀룰라제(hemicellulases), 펙티나제(pec- tinases)를 단독 또는 혼합하여 첨가하였다. 이 때 다당류 가수분해 효소의 첨가방법으로는 상업용으로 판매되고 있는 효소를 사용하였다.

본 발명에서는 사용한 상업용는 셀룰라제로서 셀루클라스트(Celluclast, Novo Nordisk, Denmark)을, 헤미셀룰라제로서 세레믹스 L(Ceremix L Novo Nordisk, Denmark), 필트라제 BR(Filtrase BR Gist-Brocades, Netherlands), 울트라플로 L(Ultraflo L, Novo Nordisk, Denmark)을, 펙티나제로서 펙틴넥스(Pectinex, Novo Nordisk, Denmark)를 사용하였다.

효소반응 후에는 원심분리하여 상등액으로부터 인삼 올리고당 분획을 얻은 후 이를 한외여과기를 이용하여 분자량별로 분획한 후 이를 동결건조 하거나 열풍건조 하였다.

상기 다당류 가수분해 효소를 이용한 효소적 방법에 의한 인삼 올리고당의 제조방법을 제조공정별로 상세히 설명한다.

본 발명 인삼올리고당의 바람직한 제조방법은 도 1에 공정별로 도시하였다.

제 1공정: 인삼박의 제조

홍삼, 백삼 및 태극삼 등의 인삼제품에 열수나 에탄올 또는 메탄올 등의 용매를 가하여 인삼 내부의 엑기스(extract)를 추출한 후 가공부산물로 생산된 인삼박을 수거한다. 상기 인삼박에 잔류하는 수분이나 용매를 가열증발기나 동결건조기를 이용하여 건조한 후 분쇄하여 인삼박을 제조한다. 본 발명에서 사용한 인삼박의 당성분을 페놀-황산법(pheonol-sulfuric method)에 의해 분석한 결과 총 인삼박의 98% 이상이 당성분의 다당류로 구성되어 있는 것으로 나타났다.

제 2공정: 다당류 가수분해 효소 처리공정

상기 제 1공정에서 제조한 인삼박을 증류수에 1∼10%(w/v) 첨가한 후 인삼박에 대해 중량비로 상업용 다당류 가수분해 효소인 셀룰라제, 헤미셀룰라제, 펙티나제 단독 또는 2종이상의 혼합 효소액을 1:1∼1:0.001을 가한 후 효소의 반응조건에 따라 온도 30∼60℃에서 30분∼480분간 교반한다. 상기 시료를 100℃에서 15분간 가열하여 효소를 불활성화 한 다음 5,000∼10,000 x g에서 10∼30분간 원심분리하여 상등액으로부터 수용성 인삼 올리고당 용액을 획득한다. 이 때 침전물은 건조하여 식이섬유로 활용할 수 있다.

제 3공정: 한외여과막을 이용한 분자량별 인삼 올리고당 제조공정

상기 제 2공정에서 제조한 인삼 올리고당 액을 한외여과기(ultrafiltrator)를 이용하여 분자량 500∼5,000의 한외여과막에 순차적으로 통과시킨 후 건조함으로써 분자량별 인삼 올리고당을 제조한다.

이하, 본 발명의 구체적인 방법을 실시예를 들어 상세히 설명하고자 하지만, 본 발명의 권리범위는 이들 실시예에만 한정되는 것은 아니다.

실시예 1: 본 발명 인삼 올리고당의 제조

건조 인삼박 20g에 증류수 500mL을 넣고 30분간 교반한 후 필트라제BR (Gist-Brocades, Netherlands)을 2.0g 가하고 나서 50℃에서 2시간 동안 교반하였다. 이를 100℃에서 20분간 가열하여 효소를 불활성화 한 다음 6,000 x g에서 10분간 원심분리한 후 상등액을 여과하였다. 상등액의 고형분 함량에 의해 인삼 올리고당의 수율을 측정한 결과 56.7%로 나타났다. 이러한 결과는 다당류 가수분해 효소의 처리에 의해 인삼박으로부터 인삼 올리고당 성분이 성공적으로 분리될 수 있음을 의미한다. 또한, 상기 실시예에서 제조한 올리고당은 알콜 첨가에 의해 침전물이 생성되지 않아 저분자량의 올리고당으로 구성되어 있음을 나타내었다.

본 발명 인삼 올리고당은 음료, 제과, 제빵류 및 건강식품 등에 사용할 수 있다.

실험예 1: 본 발명 인삼 올리고당의 분자량 측정

인삼 올리고당의 분자량 측정은 겔침투 크로마토그래피(gel permeationchromatography)를 이용하여 측정하였다. 분자량의 측정을 위해 사용한 겔침투 크로마토그래피는 미국 워터스사(Waters LC Module I)의 제품을 사용하였으며, 검출기는 히팅 챔버(heating chamber)가 부착된 M410-RI와 M2010 밀레니엄 소프트웨어(Millennium software)를 사용하였다. 컬럼은 울트라하이드로겔 (ultrahydrogel) 120 & 250 컬럼을 사용하였으며 이동상으로는 0.1M NaNO₃을 사용하였다. 분석시 이동상의 속도는 0.8mL/min이였고, 표준물질로는 풀루란(pullulan)과 유당(lactose)을 사용하였다.

실험 결과, 도 2a와 도 2b에 나타낸 바와 상기 실시예 1에서 제조한 인삼 올리고당의 무게평균분자량(weight molecular weight)은 1,050이였다.

실험예 2: 본 발명 인삼 올리고당의 장내미생물 증식효과

본 실험에서는 한국식품개발연구원에서 한국인의 분변에서 분리한 비피도박테리움 롱검(Bifidobacterium longum)을 장내미생물로서 사용하였다(Korean J. Dairy Sci., 11(1), 16-25, 1989). 비피도박테리움 롱검은 하기 표 1 나타낸 바와 같은 조성을 가진 20㎖ MRS broth에서 혐기적 조건으로 3차 계대배양하여 활성을 증가시킨 후 실험에 사용하였다. 이때, 올리고당을 포함하지 않은 배지를 대조구로 하였다. 상기 인삼 올리고당을 첨가한 배지와 첨가하지 않은 배지에 비피도박테리움 롱검을 접종하고 37℃ 인큐베이터(incubator)에서 배양하면서 2시간간격으로 배양액을 샘플링하여 660nm에서 흡광도(absorbance)를 측정하고 생육곡선을 작성하였다.

실험 결과, 도 3에 나타낸 바와 같이 상기 실시예 1에서 제조한 인삼 올리고당을 배지 중에 첨가한 경우 배양 20시간이 경과된 후의 흡광도가 2.95였으며 첨가하지 않은 대조구의 경우에는 흡광도가 0.22였다. 즉, 본 발명 인삼 올리고당을 첨가한 경우 첨가하지 않은 대조구에 비해 비피도박테리움 롱검의 생육이 월등히 우수하였다.

비피도박테리움 롱검의 배양을 위한 MRS broth 배지조성

조 성	함 량
펩톤 (peptone)	20 g
육수(Meat extract)	10 g
효모 추출물(Yeast extract)	1 mL
트윈 80(Tween 80)	2 g
구연산 암모늄(Ammonium citrate)	5 g
아세트산 나트륨(Sodium acetate)	0.1 g
황산 마그네슘(MgSO4·7H2O)	0.05 g
황산 망간(MnSO4·5H2O)	2 g
한천(Agar)	15 g
인삼 올리고당	20 g
〔주〕배지의 총부피 1L, pH 6.0

실시예 2∼6: 인삼 올리고당의 제조시 가수분해효소의 종류에 따른 영향

가수분해 효소의 종류가 인삼 올리고당의 제조에 미치는 영향을 조사하였다. 건조 인삼박 10g에 증류수 500mL을 넣고 30분간 교반한 후 다당류 가수분해 효소로서 Celluclast(Novo Nordisk, Denmark), Ultraflo L(Novo Nordisk, Denmark), Ceremix(Novo Nordisk, Denmark), Pectinex(Novo Nordisk, Denmark), FiltraseBR(Gist-Brocades, Netherlands)을 각각 0.1g씩 가한 후 하기 표 2에 나타낸 바와 같은 조건에 따라 인삼 올리고당을 제조하였다. 상기 제조한 수용성 인삼 올리고당의 생산수율과 분자량은 각각 실시예 1과 실험예 1에서 사용한 동일한 방법으로 확인하였다.

실험 결과, 표 2에 나타낸 바와 같이 가수분해 효소의 종류에 따라 생산수율은 19.6∼43.1%, 분자량은 1,180∼1,820의 분포를 보였으며 헤미셀루라제인 필트라제BR(Filtrase BR)를 사용한 경우 올리고당 수율이 43.1%로 가장 우수하였으며 펙티나제인 펙틴넥스를 사용한 경우에도 올리고당 수율이 40.7%로 우수하였다. 이는 가수분해 효소의 종류에 따라 다양한 수율과 분자량을 갖는 인삼 올리고당의 생산이 가능하다는 것을 의미한다.

가수분해 효소의 종류에 따른 인삼올리고당의 생산

실시예	효 소(상품명)	반응온도	반응시간	반응 pH	올리고당수율(%)	분자량
실시예 2	Celluclast	60℃	1시간	5.0	20.5	1,820
실시예 3	Ceremix	30℃	1시간	6.5	38.9	1,530
실시예 4	Filtrase	50℃	1시간	6.0	43.1	1,250
실시예 5	Pectinex	50℃	1시간	5.0	40.7	1,180
실시예 6	Ultraflo	50℃	1시간	6.0	20.3	1,470

실시예 7∼10: 인삼올리고당 제조시 가수분해 효소의 혼합효과

상기 실시예 2∼6에서 사용한 효소를 중량비로 동량씩 두가지 또는 세가지를 혼합하여 실시예 2∼6과 동일한 조건에 의해 처리하였을 때 인삼 올리고당의 수율및 분자량의 변화를 조사하였다.

실험 결과, 표 3에 나타난 바와 같이 상기 실시예 2에서 셀루클라스트 (Celluclast)를 단독으로 사용하였을 경우에는 인삼 올리고당의 생산수율이 20.5%로 낮았으나, 다른 효소를 혼합한 경우에는 생산 수율이 크게 증가하여 셀루클라스트(Celluclast), 필트라제(Filtrase) 및 펙티넥스(Pectinex)를 함께 첨가하여 반응하였을 경우에 올리고당의 생산수율이 50.4%였다..

가수분해 효소의 혼합에 따른 인삼 올리고당의 제조

실시예	효 소(상품명)	반응온도	반응시간	반응 pH	올리고당수율(%)	분자량
실시예 7	Celluclast +Ceremix	40℃	1시간	6.0	38.5	1,670
실시예 8	Celluclast +Filtrase	50℃	1시간	6.0	48.6	1,320
실시예 9	Celluclast + Pectinex	50℃	1시간	6.0	47.2	1,120
실시예 10	Celluclast + Ultraflo	50℃	1시간	6.0	33.6	1,420
실시예 11	Celluclast + Filtrase +Pectinex	50℃	1시간	6.0	50.4	980

실시예 12∼16: 한외여과기를 이용한 인삼올리고당의 분자량 분획

상기 실시예 2∼6에서 제조한 인삼 올리고당액을 한외여과기(ultrafiltrator : Amicon, USA)를 이용하여 분자량 3000, 1000, 500의 한외여과막에 순차적으로 통과시킨 후 동결건조하였다. 인삼 올리고당의 분자량별 분획의 수율을 표 3에 나타낸 바와 같이 분자량이 3,000이상인 경우에 올리고당 생산 수율은 10%이하였으며분자량이 1,000∼3,000인 경우에는 올리고당 생산 수율이 15∼30%였고, 분자량 500∼1,000인 경우에는 올리고당 생산 수율이 40∼50%였으며 분자량 500이하는 생산 수율이 18∼20% 였다. 따라서 적용하는 효소의 종류에 따라 한외여과를 이용하면 분자량 분포가 다양한 인삼 올리고당의 조제가 가능함을 알 수 있었다.

한외여과를 이용한 분자량 분포가 다양한 인삼올리고당의 생산

분자량 분획	수 율(%)
분자량 분획	실시예 12	실시예 13	실시예 14	실시예 15	실시예 16
>3,000	9.4	10.6	8.9	8.1	7.4
1,000∼3,000	30.9	28.5	15.6	20.7	25.3
500∼1,000	39.1	40.7	52.1	53.4	47.6
<500	20.6	20.2	23.4	17.8	19.7

이상, 상기 실시예를 통하여 설명한 바와 같이 본 발명 인삼 올리고당 및 그제조방법은 다당류 가수분해 효소와 한외여과기를 이용하여 인삼박으로부터 용이하게 장내 비피도균 생육활성이 있는 인삼 올리고당을 제조하는 효과가 있으며 올리고당 생산시 적용하는 효소의 종류와 한외여과방법에 의해 분자량 분포가 다양한 인삼 올리고당을 제조할 수 있는 효과가 있으므로 식품가공산업상 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims

(a) 인삼 엑기스(extract)를 추출한 다음 가공부산물로 생산된 인삼박을 수거한 후 상기 인삼박에 잔류하는 수분이나 용매를 가열증발기나 동결건조기를 이용하여 건조하고 분쇄하여 인삼박을 제조하는 단계;

(b) 상기 상기 (a)단계의 인삼박에 다당류 가수분해 효소인 셀룰라제, 헤미셀룰라제, 펙티나제를 단독으로 처리하거나 이들 효소의 혼합액을 1:1∼1:0.001의 중량비로 첨가한 후 30∼60℃에서 30분∼6시간 동안 교반하여 인삼박내의 다당류를 가수분해하는 단계;

(c) 상기 (b)단계의 효소처리 시료를 100℃에서 10∼30분간 가열하여 효소를 불활성화 한 다음 5,000∼10,000 ×g에서 10∼30분간 원심분리하여 상등액으로부터 수용성 인삼 올리고당 용액을 획득하는 단계;

(d) 상기 (c)단계에서 원심분리 후 얻어진 상등액을 여과한 후 한외여과기를 이용하여 분자량 500∼5,000의 한외여과막에 순차적으로 통과시킨 후 분자량별로 분획하여 건조함으로써 인삼 올리고당을 제조하는 단계로 구성됨을 특징으로 하는 인삼 올리고당 제조방법.
제 1항의 기재된 방법에 의해 제조되고 분자량 500∼5,000의 저분자 다당류임을 특징으로 하는 인삼 올리고당.