KR0162726B1

KR0162726B1 - 프락토올리고당 혼합액에서 프락토올리고당의 분리방법

Info

Publication number: KR0162726B1
Application number: KR1019960018307A
Authority: KR
Inventors: 인만진; 최경호; 채희정; 김민홍
Original assignee: 이덕림; 주식회사미원
Priority date: 1996-05-28
Filing date: 1996-05-28
Publication date: 1998-11-16
Also published as: KR970074941A

Abstract

본 발명은 95% 이상의 순도로 프락토올리고당 성분만을 분리하는 방법으로, 분리과정에서 일어나는 올리고당의 분해를 최소화하여 80% 이상의 높은 회수율로 회수할 수 있고, 공업적인 규모로 분리할 수 있으므로 경제적인 면에서 효율적이다. 프락토올리고당의 분리방법은 다이아이온 UBK 계열 또는 다우웩스 모노스페어 계열의 강산성 양이온 교환수지를 수지탑에 충진하고, 나트륨 형으로 만든후, pH가 7.5~9.5범위인 프락토올리고당 혼합액을 65~75℃의 분리온도에서 SV(공간속도) 0.2~0.4의 통액속도로 통과시켜서 분리하는 것을 특징으로 한다.

Description

프락토올리고당 혼합액에서 프락토올리고당의 분리방법

본 발명은 기능성 건강 감미료인 프락토올리고당이 함유된 혼합액에서 프락토올리고당 성분을 분리하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분리 과정 중 프락토올리고당의 분해를 방지하고, 프락토올리고당을 고순도, 고회수율로 얻을 수 있으며, 공업적인 규모로 분리를 행할 수 있는 경제적인 프락토올리고당의 분리 방법에 관한 것이다.

프락토올리고당은 설탕의 과당 잔기에 1~3분자의 과당이 β(1-2)결합으로 결합되어 있는 구조로, 천연계에 특히, 고등식물에 많이 함유되어 있으며, 양파, 돼지감자, 아스파라거스, 우엉 등에 미량 함유되어 있다고 알려져 있다. 또 프락토올리고당은 인체내의 효소에 의하여 분해되지 않는 난소화성 당으로 섭취하면 위에서 분해되지 않고 장에 도달하여 장내 유익균종인 비피더스균의 증식을 촉진하는 작용이 알려지면서, 정장작용, 변비예방 등의 간기능 강화 및 당뇨, 고지혈증 등과 같은 성인병 예방 차원에서 건강식품소재로 널리 사용되고 있다. 또한 충치를 유발하는 구강세균이 자화하지 못하는 특성 때문에 충치예방에도 효과가 있다고 알려져 있다.

프락토올리고당은 기질인 설탕에 과당전이효소(fructosyl transferase)를 작용시켜 제조되며, 이러한 제조공정은 상업화되어 있다. 프락토올리고당의 제조 효소반응으로 생성되는 반응액은 프락토올리고당, 미반응 설탕, 부산물인 포도당과 소량의 과당이 함유되어 있는 복합 혼합물로, 통상적으로 프락토올리고당의 함량을 고형분 총량에 대해 50~60중량%이다.

프락토올리고당의 혼합물은 경제적인 면에서 별도의 정제없이 사용되기도 하지만, 40~50중량%가 함유된 기타의 당류는 쉽게 소화, 흡수되는 것으로서 성인병 환자에게는 사용할 수 없는 문제점이 있다. 따라서, 순수한 프락토올리고당 성분만을 분리하여 사용하면 프락토올리고당의 용도, 효과 및 부가가치를 높일 수 있다.

종래의 프락토올리고당의 분리방법으로는 다음과 같은 방법이 알려져 있다. 알칼리 금속형 또는 알칼리 토류 금속형의 강산성 양이온 교화수지를 충진한 고정상에서 프락토올리고당과 기타 당의 혼합액을 하강 또는 상승법으로 통액하여, 그 유출액을 순서대로 적어도 2회 이상 순환 충진함으로서 순수한 프락토올리고당을 분리하는 방법(일본 공개특허공보 소59-179100)이 있으나, 이 방법은 이온교환수지탑의 높이와 직경의 비(이하 L/D)가 120으로 매우 커서 공업적인 규모로 실행하기 어려우며, 회수율도 40%이하로 낮은 단점이 있다.

또 프락토올리고당과 분리가 어려운 설탕에 효소를 작용시켜 포도당과 과당으로 분해한 후 크로마토그래피 분리공정으로 분리하는 방법(일본 공개특허 공보 소 59-95895)과 프락토올리고당을 자화하지 못하는 미생물을 프락토올리고당 혼합액을 함유한 배지에서 생육시켜 기타 당류를 소모시킨 후 배양액에서 순수한 올리고당을 회수하는 방법(일본 공개특허공보 소 62-14792)이 있으나, 이 방법은 별도의 효소반응 또는 미생물 배양 공정이 필요하고 이어서 분리공정을 거쳐야 하는 등 공정이 복잡하여 경제적인 측면을 고려하면 산업적으로 응용하기는 곤란하다. 또 L/D가 25~35인 고정상 이온교환수지탑에 강산성 양이온 교환수지인 SK-1BL을 사용하여 80~85℃의 온도조건에서 프락토올리고당 함유액을 통과시켜 분리하는 방법(한국공개특허공보 89-3959)이 있으나, 이 방법은 분리탑의 L/D를 줄여 실용화하고 분리조건을 개선하여 회수율이 60~70%로 향상되었으나, 이때 이용한 강산성 양이온 교환수지가 산으로 작용하므로, 프락토올리고당이 고온에서 낮은 내산성 때문에 분해되어 갈변반응을 일으키는 문제점으로 인해 회수율을 향상시키는데는 한계가 있다.

이에, 본 발명자들은 강산성 양이온 교환수지를 이용한 프락토올리고당의 분리에 있어서, 분리과정 중 강산성 수지에 의한 프락토올리고당의 분해를 방지하여 고순도 프락토올리고당을 높은 회수율로 분리할 수 있고, 공업적인 규모로 생산이 용이한 방법을 찾고자 연구를 거듭한 바, 프락토올리고당 함유 혼합액의 pH를 특정범위로 한정하고, 통액속도 및 분리온도를 특정의 범위로써 한정함으로써 강산성 수지에 의한 프락토올리고당의 분해를 최대한 역제할 수 있으며, 프락토올리고당의 순도 및 회수율을 증가시킬 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은, 강산성 양이온 교환수지를 이용한 프락토올리고당의 분리에 있어서, 강산성 수지에 의한 프락토올리고당의 분해 현상을 억제할 수 있고, 순도 및 회수율이 높으며, 공업적인 규모로 프락토올리고당의 분리를 행할 수 있는 프락토올리고당의 분리 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 프락토올리고당의 분리방법은, 상기 목적을 달성하기 위하여, L/D가 45~65인 이온교환수지탑에 강산성 양이온 교환수지를 충전하고 나트륨형으로 만든후, pH 가 7.5~9.5범위인 프락토올리고당 혼합액을 65~75℃범위의 분리 온도에서, SV 0.2~0.4의 통액속도로 통과시켜서 분리하는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 발명에서 분리매체로는 특별히 한정되지는 않지만, 강산성 양이온 교환수지인 다이아이온 UBK 계열 또는 다우웩스 모노스페어 계열의 수지 등을 사용할 수 있다. 수지는 관능기가 칼슘형인 것보다는 나트륨형인 것이 분리능이 우수하므로, 나트륨형으로하여 사용하고, 수지의 입자는 약 180~250㎛가 바람직하다.

다이아이온 UBK 계열 또는 다우웩스 모노스페어 계열의 수지는 이온교환수지이지만, 프락토올리고당의 분리 기작은 분자의 크기에 의한 것으로 분자량이 큰 성분이 먼저 분리탑에서 유출된다. 따라서 분리능을 향상시키려면 분리탑의 이론단수값을 크게 하여야 하며, 실질적으로는 분리탑의 L/D값을 크게한다. 그러나 L/D값이 100 이상이 되면 대량생산을 위한 상업화에 많은 문제점이 발생하므로, L/D값이 작을수록 공업화에 유리하다. 그러나, 담체의 분리능을 고려하면 L/D는 45~65범위가 바람직하다. 이는 한국공개특허공보 제89-3959호의 방법과 비교하면 L/D가 약 2배 높아진 것이지만, 경제성을 고려한 대량생산을 위해서는 문제가 되지 않는다.

프락토올리고당 혼합액의 통액속도는 프락토올리고당의 분리탑내 체류시간에 반비례하므로 분리능과 프락토올리고당의 분해에 영향을 주는 중요한 인지이다. 따라서, 유속은 공간속도(space velocity, SV로 약함)로 0.2~0.4범위가 바람직하다. 통액속도가 SV로 0.4를 초과할 경우에는, 포도당과 설탕이 초기에 프락토올리고당과 같이 유출되어 분리능이 떨어지며, 0.2미만일 경우에는 고온조건에 체류하는 시간이 길어지므로 프락토올리고당의 분해와 갈변이 가속화된다. 따라서, 프락토올리고당 혼합액의 통액속도는 SV로 0.2~0.4범위가 바람직하다.

프락토올리고당 성분의 분리와 분해에 직접 영향을 주는 또다른 변수로는 온도와 pH조건이 있다. 일반적으로 온도가 높으면 분리능은 향상되나 강산성 양이온 교환수지를 매체로 이용하므로 프락토올리고당이 쉽게 분해된다. 따라서, 프락토올리고당 혼합액의 pH를 적당한 알칼리 조건으로 하는 것이 필요하다. 그러나, 온도와 pH는 상호 연관되어 있는 변수로 온도가 높으면 pH도 높은 조건에서 분리를 수행해야 하지만, 고온, 알칼리 조건일수록 착색반응이 잘 일어나므로 이점도 고려하여야 한다. 따라서, 분리능, 분해정도 및 발색정도를 고려하여, 분리 온도는 65~75℃로, 프락토올리고당 혼합액의 pHSMS 7.5~9.5범위로 하는 것이 가장 바람직하다.

상기한 조건으로 프락토올리고당의 정제 분리방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 프락토올리고당 혼합액을 30~50중량%로 희석하여 상기의 조건하에서 하강법으로 통액한다. 통상 0.25~0.45BV(bed volume, BV로 약함)의 범위(분획 1)에는 순수한 프락토올리고당이 포함되어 있으며, 0.45~0.65BV(분획2)에서는 프락토올리고당, 설탕 및 소량의 포도당이 혼합되어 유출된다. 0.65BV 이후(분획3)에는 포도당과 과당의 혼합액이 유출된다. 분획1은 그대로 사용이 가능하며, 분획3은 단당류만 함유되어 있으므로 농축하여 다른 용도(예, 발효배지, 사료 등)로 사용할 수 있다. 분획2는 프락토올리고당 성분의 회수를 위하여 상기의 조건으로 재순환한다. 분획2구간을 재순환하여 동일하게 실시한 후 분획1과 합하면 프락토올리고당의 회수율은 80~90%까지로 향상될 수 있다.

분리가 완료된 프락토올리고당 분획에는 원료에 존재하던 미량의 염류와 분리매체에서 유래된 염류가 혼합되어 있어 탈염공정이 필요하다. 일반적으로 탈염은 양이온과 음이온 교환수지를 단계적으로 사용하나, pH에 민감한 물질은 양이온 수지와 음이온 수지를 적당히 혼합한 혼상탑을 사용할 수도 있다. 본 발명에서는 공지의 방법으로 염을 제거하여 고순도의 프락토올리고당 제품을 얻었다.

탈염한 분리액은 역시 공지의 방법으로 농축하여 액상제품으로 사용할 수 있으며, 분무건조, 동결건조 등의 방법으로 건조하여 분말제품으로 사용할 수도 있다.

이상의 방법으로 제조한 고순도(프락토올리고당 함량 95%이상)의 프락토올리고당 제품은 건강식품, 건강보조식품 등에 식품첨가물로 사용될 수 있으며, 당뇨병, 고지혈증, 변비 등의 질환이 있는 사람들을 위한 환지식에 첨가하여 사용할 수 있다.

이하, 실시예를 들어 구체적으로 설명하지만, 본 발명이 이들 예로만 한정되는 것은 아니다.

[실시예1]

온도조절용으로 자켓이 부착된 분리컬럼(D=1.1㎝, L=58㎝; L/D=52.7)에 강산성 양이온 교환수지 UBK 530(일본 미쓰비시 케미칼社 제품) 60㎖를 충진하여, 관능기를 나트륨형으로 만든후, 온수를 순환시켜 온도를 70℃로 유지한 다음, 프락토올리고당 42중량%, 기타 당 34중량%가 함유되어 있는 혼합액4g을 증류수로 40중량%까지 희석한 후, 수산화나트륨으로 pH를 9.0으로 조정하여 SV 1.3의 유속으로 하강법으로 통액하였다. 유출액 중 0.25 BV까지는 공극수로 폐기하고, 0.25~0.45BV 구간을 모아 HPLC로 분석하였다. 그 결과 올리고당의 순도는 95.1%이었으며 회수율은 70%였다.

[실시예2]

실시예1에서의 0.45~0.65BV 구간을 모아 pH를 다시 9.0으로 조정한 후, 실시예1과 동일하게 통액하고, 0.25~0.45BV 구간을 모아 실시예1에서 얻은 분획과 혼합하였다. 혼합액을 양이온, 음이온 교환수지의 혼상탑(예, Amberlite IRN-150, Dowex MR-3 등)에 통액하여 염을 95%이상 제거하고, 농축 동결 건조하여 백색의 순수한 프락토올리고당 분말 1.5g을 얻었다. 이를 분석한 결과 프락토올리고당의 함량은 95.5%이었으며 회수율은 85%이었다.

[시험예1] 프락토올리고당 혼합액의 pH의 영향

실시예1 및 실시예2에서와 동일한 방법으로 70℃에서 순수한 프락토올리고당을 분리하였다. 이때 프락토올리고당 혼합액의 pH에 따른 프락토올리고당의 회수율과 최종제품의 색도를 표1에 나타내었다. 색도는 건조분말을 2% 수용액으로 제조한후 420㎚에서의 흡광도로 측정하였다.

[시험예2] 분리온도의 영향

실시예1 및 실시예2에서와 동일한 방법으로 혼합액의 pH를 9로 조정하여, 순수한 프락토올리고당을 분리하였다. 이때 분리온도에 따른 프락토올리고당의 회수율과 최종제품의 색도를 표2에 나타내었다. 색도는 시험예1에서와 동일한 방법으로 측정하였다.

[시험예3] 통액속도의 영향

실시예1 및 실시예2에서와 동일한 방법으로 혼합액의 pH를 9로 조정하고, 70℃에서 순수한 프락토올리고당을 분리하였다. 이때 프락토올리고당 혼합액의 통액속도에 따른 올리고당의 회수율과 최종제품의 색도를 표3에 나타내었다. 색도는 시험예1에서와 동일한 방법으로 측정하였다.

[시험예4] 수지의 관능기의 영향

실시예1 및 실시예2에서와 동일한 방법으로 순수한 프락토올리고당을 분리하였다. 이때 수지의 관능기 칼슘형으로 분리하여 회수율을 비교하였다. 그 결과를 표4에 나타내었다.

상기한 시험예들에서 보는 바와 같이, 강산성 양이온 교환 수지를 수지탑에 충전하고, 수지의 관능기를 나트륨형으로 만든후, pH가 7.5~9.5범위인 프락토올리고당 혼합액을 65~75℃의 분리온도에서, SV 0.2~0.4의 통액속도로 통과시키는 방법으로 프락토올리고당을 분리하면, 분해과정 중 분해되지 않고 고순도의 프락토올리고당을 고회수율로 분리할 수 있다.

Claims

강산성 양이온 교환수지를 이용한 프락토올리고당의 분리에 있어서, 강산성 양이온 교환수지를 수지탑에 충진하는 공정; 관능기를 나트륨형으로 만드는 공정; 및 pH가 7.5~9.5범위인 프락토올리고당 혼합액을 65~75℃의 분리온도에서, SV(공간속도) 0.2~0.4의 통액속도로 통과시키는 공정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 프락토올리고당의 분리방법.