KR0136438B1 - 고온 에탄올 발효에 유용한 신규 효모 균주 및 이를 이용한 에탄올 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 38℃에서도 최대 에탄올 발효능이 거의 유지되는 신규 사카로마이세스 세레비지애 균주 및 이를

이용한 고온 발효에 의한 에탄올 제조 방법을 제공한다.

Description

고온 에탄올 발효에 유용한 신규 효모 균주 및 이를 이용한 에탄올 제조방법

본 발명은 전분질을 원료로 한 고온 에탄올 발효에 유용한 신규 효모 변이주 및 이를 이용하여 고온에서 에탄올을 제저하는 방법에 관한 것이다.

현재 에탄올 발효에 주로 이용되는 발효 효모는 30℃ 전후의 온도에서 발효 활성이 좋고 33℃ 정도의 온도까지는 발효 활성이 떨어지지 않아 발효수율이 높으나, 35℃ 이상, 특히 38℃ 이상의 온도가 되면 발효 활성이 급격히 떨어지고 발효 수율도 현저히 저하하게 된다.

또한, 효모에 의해 알콜발효가 개시되면 자체의 발효 열 생성 때문에 발효액의 온도가 상승하게 되어 적합한 온도를 유지시키기 위해 생성된 빌효열을 제거해야 되므로 발효조 내에 많은 냉각수의 순환이 필요하게 된다.

그러나, 여름철에는 실내 온도도 높게 되어 냉각수의 온도가 높으므로 다량의 냉각수를 순환시켜도 생성된 발효열을 충분히 제거할 수가 없어서 발효액의 온도가 일정시간 동안 35℃ ,심하게는 38℃ 이상의 고온으로 유지되는 경우가 많아 효모의 발효활성이 저하되어 발효수율이 나빠지는 경우가 잦게 된다. 이럴 경우 35℃ 이상, 바람직하게는 38℃ 이상의 고온에서도 최대 발효활성이 그대로 유지되는 고온성 발효 효모를 사용하게 된다면

발효액의 온도 관리가 무척 용이하게 되고, 따라서 냉각수의 소요량이 감소하게 되어 발효시 비용이 적게들며, 발효의 안정성이 유지되어 높은 발효 수율을 얻을 수 있어 생산성을 높일 수 있게 된다.

35℃ 이상의 고온에서 에탄올 발효시키는데 사용될수 있는 효모 균주는 사카로마이세스 세리비지애 JY 10035(대한민국 특허출원 공개 90-016458호)가 개발된 바 있으나, 이는 옥수수를 전분으로 사용할때는 효과가 우수하지만 쌀, 타피오카, 쌀보리 등을 사용하여 고온에서 발효할때는 효율이 떨어지는 것으로 나타났으며, 또한 옥수수를 사용할때도 38℃까지는 발효효율이 높으나 40℃에서는 현격히 효율이 떨어지는 양상을 보여 주었다. 현재 실제 공정에서 옥수수는 사용하지 않고 쌀, 터피오카, 쌀보리 등의 전분 원료가 주로 사용되는 점을 고려해 볼 때, 옥수수이외의 전분 원료에서 효과가 뛰어나며, 38℃ 이상 40℃까지의 고온에서도 높은 발효율을 나타낼 수 있는 고온 발효 효모균주의 개발이 요구되고 있다.

본 발명자들은 이러한 조건을 만족시키는 신규 효모 균주를 개발하고자 노력한 결과 신규 균주 사카로마이세스 세레비지애(Saccharomyces cerevisiae)168를 개발하였다.

즉, 본 발명의 목적은 종래 에탄올 생산에 사용되어 왔던 발효효모보다 높은 온도에서도 최대 발효 활성을 그대로 유지하며 특히, 에탄올 발효에 널리 사용되는 쌀,타피오카,쌀보리 등의 다양한 전분원료를 발효시킬때도 높은 발효수율을 얻을 수 있는 고온 발효성 신규 효모균주 및 이 균주를 이용한 고온 발효에 의한 에탄올 제조방법을 제공함에 있다.

즉, 본 발명은 사카로마이세스 세레비지애(Saccharomyces cerevisiae) 168 균주를 제공한다.

또한 본 발명은 사카로마이세스 세레비지애 168 균주를 사용하여 35℃ 이상의 고온에서 전분을 포함하는 에탄올 제조방법을 제공한다.

본 발명에 의하면 여름철이나 기온이 높은 지역 또는 냉각수가 부족한 경우에도 효모의 발효활성을 높게 유지할 뿐만 아니라 여러 가지 종류의 전분원료를 고온에서 효과적으로 발효시켜 높은 발효수율을 쉽게 얻을 수 있다. 본 발명의 균주 사카로마이세스 세레비지애 168은 후술하는 방법에 의해 자연계로 부터 추출한 효모 모균주 사카로마이세스 세레비지애 H7을 자외선 조사에 의해 돌연변이를 유발시켜 얻은 것이며, 1994년 7월 5일자로 한국종균협회에 기탁되어 있다(기탁번호 KFCC-10833). 모 균주인 사카로마이세스세레지애 H7은 다음과 같은 균학적 성질을 갖는다.

A. 형태학적 성질

자낭균류에 속하는 효모로서 보통 난형(卵型) 또는 타원형이며 3.5-9.5 x 4.5-20μm의 크기를 갖는다.

B. 배양기의 특징

맥아즙에서 액침 배양시 구형, 난형, 타원형 또는 원통형의 형태를 보이며 출아법(出芽法)에 의해 번식한다.

배양기상의 먹이가 소실되면 배양기 하부에 침전된다. 맥아즙 한천 배지상에서는 약간 융기된 유백색 내지 담갈색의 매끄러운 표면을 갖는 집락(集落)을 형성한다.

C. 생리학적 특징

가. 통성 혐기성, 나. 생육 온도 : 15-40℃, 다. 생육 호적 온도 : 25-30℃, 라. 생육 pH : 3.5-7.0, 마. 생육 호적 pH : 5.0-5.5, 바. 발효 최적 온도 : 28-30℃

E. 이용하는 탄소원 : 포도당, 설탕, 맥아당, 갈락토오즈(galactose), 라피노오즈(raffinose), 이용 못하는 탄소원 : 젖당, 셀로비오즈(cellobiose), 자일로오즈(xylose), 아라비노오즈(arabinose), 램노오즈(rhamnose), 라이보오즈(ribose), 이눌린(inulin), 전분, 구연산, 이노시톨(inositol), 소르보오즈(sorbose)

F. 사카로마이세스 세레비지애 168은 상기 모 균주와 같은 균학적 성질을 갖는 외에 45℃ 정도의 고온까지 생육활성을 보이며 38℃까지 발효 활성이 최고치를 유지하며 40℃에서도 75%이상 80% 안팎의 높은 발효비율을 얻을 수 있다는 점에서 모 균주와 그 균학적 성질이 상이하다.

본 발명의 고온에서의 에탄올 발효 방법은 통상의 방법에 의해 증자 및 당화과정을 거친 당화요를 35℃ 정도까지 냉각한 후, 미리 통상적인 방법으로 증식시킨 주모를 전체 양의 3-10% 정도 첨가하여 발효액의 온도가 38℃가 초과되지 않도록 유지하면서 3-5일간 발효를 지속하여 줌으로써 이루어진다. 이때주모의 증식시에도 35℃ 내지 38℃ 정도의 온도를 유지해 주는 것이 주모 첨가후 효모의 증식개시 시간 단축에 유리하다.

본 발명의 방법에 의한 에탄올 생산의 원료는 타피오카, 고구마, 쌀보리, 옥수수, 쌀 등의 전분질 원료이며 발효 온도 관리를 제외한 원료 처리, 증자, 당화, 증류 등의 다른 공정은 통상적인 에탄올 제조방법과 동일하다.

사카로마이세스 세레비지애 168는 공지의 발효효모인 사카로마이세스 세레비지애(JY 10035)(대한민국 특허출원 공개 제90-016458호 참조)와 동일한 방법으로 배양할 수 있다. 즉, 맥아즙 배지, 코지즙 배지, YM 배지 등의 일반적인 효모용 배지에서 25-38℃에서 24시간 전후, 정치 배양하면 된다. 단, 이 효모의 고온 발효 활성을 유지하기 위해 35℃ 내지 38℃ 정도의 온도에서 배양하는 것이 더욱 좋다. 또, 한천이 들어간 사면 배지나 평판 배지에서 배양할 수도 있다. 본 발명의 신규 균주 사카로마이세스 세레비지애 168는 다음과 같은 방법으로 제조하였다.

A. 돌연변이 유발

중국 길림성에서 분리한 효모인 모 균주 사카로미이세스 세레비지애 H7을 YM 배지에 30℃에서 17시간 정치 배양한 배양액을 멸균수로 10배 희석한 액 20ml를 멸균 배양 접시에 담은 후 평판교반기상에서 교반시켜 주면서 광도 580μw/cm², 파장 253.7nm의 자외선 램프로 10분간 조사하여 인공 돌연변이를 유발시켰다.

B. 돌연변이주의 분리

앞서와 같이 처리된 액을 직경 9cm의 배양접시에 준비된 YM 한천 평판 배지위에 100μl 씩 접종 도말한 후 40℃에서 3일 배양한 후 생장이 양호한 콜로니(colony)만을 1차 선발하여 YM 한천 사면 배지에 접종한 후 40℃에서 배양하여 추후 선발에 사용하였다.

C. 고온 발효 우수 변이주의 선발

위와 같이 하여 얻어진 약 1500개의 균주를 쌀 당화액 시험관 배지(당도 20.0Brix)에 접종하여 40℃에서 3일간 배양한 후 배양액의 굴절율을 측정하여 굴절율이 적은 시험관을 택해 2차 선발하였다. 2차 선발된 100여개의 균주를 쌀 당화액 시험관 배지에 접종하여 40℃에서 3일간 발효후 발효액의 잔류당분 및 생성된 알코올량을 측정하여 당 소비가 많고 알코올 생성이 많은 균주들을 3차 선발하였다. 3차 선발된 10개의 균주를 사용하여 쌀을 원료로 하여 실제 에탄올 발효와 같은 방법으로 30℃에서 40℃까지 온도를 변화시켜 가면서 3일간 발효를 행하여 고온에서의 알코올 발효능력이 가장 우수한 균을 최종 선발하여 본 발명에 사용되는 사카로마이세스 세레비지애 168을 얻었다.

D. 변이주의 유전적 안전성 검사

위와 같이 하여 얻어진 고온 발효능 우수 효모 변이주 사카로마이세스 세레비지애 168의 유전적 안정성을 확인하기 위해 20세대에 이를 때까지 계대 배양을 계속하면서 각 세대마다 고온 발효능을 확인하였다. 즉, 쌀을 전분 원료로 하여 실제 주정 발효와 동일한 방법으로 처리하여 38℃에서 3일간 발효한 후 생성된 알코올 량을 측정해 본 결과 20세대에 이를 때까지 계속하여 모 균주의 30℃에서의 발효비율과 거의 동일한 발효수율(비율)을 보여주었다. 이 결과로 보아 본 발명에 제공된 균주는 유전적으로 고온 발효능이 안정된 상태인 것으로 알 수 있다.

실시예 1: 모 균주(H7) 및 변이주(168)의 온도별 발효시험

전분가가 각각 71%, 63.5%, 69.7% 및 73% 인 쌀, 쌀보리, 타피오카 및 옥수수의 분쇄물 각각 276g, 308g, 281g 및 268g에 물을 가하여 전체량을 1ι가 되게한 후 액화 효소(Kleistase)를 원료량의 0.3%(v/w) 첨가하여 110℃에서 30분 증자시킨 후 60℃로 냉각하여 원료량의 1.5%(v/w)량의 주정용 곡자를 첨가하여 1시간 당화시켜 냉각한 후, 여기에 모 균주 및 변이주를 쌀 당화액 배지에서 24시간 증식시켜 제조한 주모를 전체량의 3%씩 첨가하여 30℃, 35℃, 38℃, 40℃에서 발효시켜 72시간 후 생성된 알코올 량을 측정하였다. 또한, 비교균주로 JY10035(KCTC 8499P)를 사용하여 상기와 같은 방법으로 에탄올 발효기켜 생성된 알코올 량을 측정하였다. 상기 각 결과는 하기 표 1에 나타낸 바와 같다.

표 1: 각 효모 균주의 온도별 발효결과

* 발효비율(%)=실제발효를 통해 얻어진 알코올/원료중 전분이 이론상 생성할 수 있는 알코올량 x 100 위의 결과에서 보는 바와 같이 변이주를 이용하여 발효했을 때는 38℃에서 발효할 때도 모 균주를 이용하여 30℃에서 발효시 얻은 알코올 생성량과 같은 정도로 얻을 수 있으며 또 40℃ 발효에서도 75% 이상, 즉 77 내지 81%의 높은 발효비율을 얻을 수 있었다. 또한 비교균주 JY10035에 비해 발효비율이 높고, 특히 38℃ 내지는 40℃의 고온에서도 훨씬 안정적으로 발효시킬 수 있음을 알 수 있었다.

실시예 2 : 유전적 안정성 시험

변이주 168를 20세대까지 계대 배양을 실시하면서 3세대마다 실시예 1과 같은 방법으로 전분원료인 쌀의 분쇄물을 증자, 당화시켜 38℃에서 발효시켜 72시간 뒤에 생성된 알코올 량을 측정하였다(표 2).

표 2 : 각 세대별 알코올 생성량

위 결과로 보아 변이주가 20세대에 이를 때까지 고온 38℃에서 발효시 알코올 생성 능력이 일정하게 유지되므로 본 균주의 고온 알코올 능력이 유전적으로 안정되어 있는 것을 알 수 있다.

Claims (4)

1. 38℃에서도 최대 에탄올 발효능이 유지되며 40℃에서도 75% 이상의 발효비율을 유지하는, 고온 에탄올 발효에 유용한사카로마이세스 세레비지애(Saccharomyces cerevisiae) 168(기탁번호 KFCC-10833).
2. 사카로마이세스 세레비지애(Saccharomyces cerevisiae) 168(기탁번호 KFCC-10833)을사용하여 전분을 35 내지 40℃에서 발효시킴을 포함하는 에탄올의 제조방법.
3. 제 2항에 있어서, 38℃이상에서 발효시킴을 특징으로 하는 제조 방법.
4. 제 2항에 있어서, 발효시 전분 원료가 쌀,타피오카, 쌀보리, 고구마 또는 옥수수인 제조 방법.