KR100367721B1 - Manufacture of water soluble low-molecular alginate by microwave pretreatment and hot water extraction - Google Patents
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Abstract
알긴산은 갈조류의 세포벽 성분으로 분자량이 큰 산성 다당류이며, 실제 알긴산이 가지는 물성으로 다양한 분야에서 널리 이용되고있는 중요한 해조 다당이다. 본 발명에서는 알긴산 제조공정중의 산, 알칼리 처리와같은 공정대신에 마이크로파 전처리와 열수추출만을 행하여 공정을 회기적으로 단축시키고, 아울러 알긴산의 점도를 낮추고, 분자량이 적은 냉수 가용성 알긴산을 제조하는데 그 목적이 있다.Alginic acid is an acidic polysaccharide having a high molecular weight as a cell wall component of brown algae, and is an important seaweed polysaccharide widely used in various fields due to its physical properties. In the present invention, instead of the acid and alkali treatment in the alginic acid production process, only microwave pretreatment and hot water extraction are performed to shorten the process periodically, to lower the viscosity of alginic acid, and to prepare cold water-soluble alginic acid having a low molecular weight. There is this.
Description
본 발명은 미역과 다시마로부터 마이크로파 전처리와 열수추출로 저점도 및 저분자량의 알긴산제조 방법에 관한 것이다. 기존에 행해지고있는 알긴산 제조 방법은 알칼리 용액중에서 가온하여 알긴산을 추출하는 것으로 전처리로 산처리의 유무라든지 알칼리 처리농도를 달리하거나 가열조건을 달리하여 만든 나트륨형 알긴산이 대부분이다.The present invention relates to a low viscosity and low molecular weight alginic acid production method by microwave pretreatment and hot water extraction from seaweed and kelp. Conventional alginic acid production method is the extraction of alginic acid by heating in an alkaline solution, most of the sodium alginic acid produced by the pre-treatment, whether or not acid treatment, the alkali treatment concentration or different heating conditions.
일반적으로 알긴산의 제조공정은 탄산나트륨 처리에의한 알칼리 추출공정으로 거의 일반화 되어있고, 알긴산 제조기술은 크게 진보나 변화된 바 없는 상태이다.In general, the alginic acid production process is almost generalized to the alkali extraction process by sodium carbonate treatment, alginic acid production technology has not been greatly advanced or changed.
알긴산은 대개 탄산나트륨이나 수산화 나트륨등이 함유된 알칼리성 용액에서 쉽게 용해되기때문에 알칼리 조건하에서 추출되고있다. 이러한 과정을 거쳐 제조된 알긴산은 대개 나트륨형 알긴산으로 분자량은 수십만에서 수백반으로 매우 다양하며, 대체적으로 강한점성을 가진다. 이런 알긴산은 상온에서 용해시키기에는 많은 시간이 소요되며, 알콜성 용액에서는 침전하는 특성이 있다. 또한 알긴산 농도가 높아질수록 강한 점성을 가지게되며, 일정농도 이상에서는 액상식품 특유의 물성을 소실케하는 단점을 가지고 있기 때문에 이용에 제한점을 가지고 있다. 무엇보다도 알긴산 제조 공정중에 산처리, 알칼리 처리, 수세처리등의 과정을 거치면서 많은 공해를 유발시킬 가능성이 있으며, 공정및 소요시간도 매우 길어지는 커다란 단점을 가지고 있다.Alginic acid is usually extracted under alkaline conditions because it is readily soluble in alkaline solutions containing sodium carbonate or sodium hydroxide. Alginic acid prepared through such a process is usually sodium alginic acid, which has a very high molecular weight ranging from hundreds of thousands to hundreds of halves. Such alginic acid takes a long time to dissolve at room temperature, and precipitates in alcoholic solution. In addition, the higher the alginic acid concentration has a stronger viscosity, and has a limitation in use because it has the disadvantage of losing the physical properties of liquid foods above a certain concentration. Above all, there is a possibility of causing a lot of pollution through the process of acid treatment, alkali treatment, and water treatment during the alginic acid manufacturing process, and has a big disadvantage that the process and the time required are very long.
따라서 본 발명에서는 알긴산 제조공정중의 산, 알칼리 처리와 같은 공정대신에 마이크로파 전처리와 열수추출만을 행하여 공정을 획기적으로 단축시키는데 일차적인 목적이 있으며, 아울러 알긴산 점토를 낮추고, 분자량이 적은 냉수 가용성 알긴산을 제조하는데 목적이 있다.Therefore, the present invention has a primary purpose of significantly shortening the process by performing only microwave pretreatment and hot water extraction instead of processes such as acid and alkali treatment in the alginic acid manufacturing process. The purpose is to manufacture.
도 1은 마이크로파 전처리에의한 알긴산의 제조공정을 나타낸 도면.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The figure which shows the manufacturing process of alginic acid by the microwave pretreatment.
1)알긴산의 제조공정1) manufacturing process of alginic acid
마이크로파 전처리를 이용한 알긴산의 추출은 건조 원조분말(수분함량 12-14%)에 40 배량(W/V)의 증류수를 가한 후, 일정시간(30min) 방치후 100℃, 90-120분간 마이크로파 처리후, 3배량의 증류수를 가한 다음, 95℃ 항온수조에서 60분간교반 추출을 행한다. 추출된 반응액을 여과(celite 545)나 원심분리(5000rpm, 10min)하여 얻어진 추출액에 메탄올을 첨가하여 알긴산을 침전시켜 회수하고 수세후 건조하여 최종 알긴산 제품으로 한다. 제조 공정은 도 1과 같다.Extraction of alginic acid using microwave pretreatment was performed by adding 40 times (W / V) of distilled water to the dry aid powder (water content of 12-14%), and then leaving it for a certain period of time (30 min) and then microwave treatment at 100 ° C for 90-120 minutes. After adding 3 times of distilled water, it extracts for 60 minutes in 95 degreeC constant temperature water bath. The extracted reaction solution was added to methanol extract by filtration (celite 545) or centrifugation (5000rpm, 10min) to precipitate alginic acid to recover, washed with water and dried to obtain the final alginic acid product. The manufacturing process is as shown in FIG.
2) 마이크로파 전처리 조건에 따른 알긴산 추출2) Alginic Acid Extraction According to Microwave Pretreatment Conditions
마이크로파 전처리에의한 알긴산 추출과정을 간단히 살펴보면, 분말 원조 2g을 마이크로파 분해장치 시료 용기에 취하고 여기에 80ml의 증류수를 가하여 분말 해조가 충분히 수분을 흡수할 수 있도록 상온에서 30분간 방치하였다. 다음으로 80-120℃까지 처리 온도 조건을 달리 하면서 60-120분간 마이크로파 처리를 행한후, 이 시료에 220ml의 증류수를 첨가하고 추출 온도 조건을 달리 하면서 교반추출을 행하였다. 추출액을 원심분리(5,000rpm, 10min) 한 다음 상층액에대해 동일량의 메틸알콜을 첨가하여 알긴산을 침전시키고 침전물을 열풍건조기(40℃)에서 건조한 후 분쇄하여 분말 알긴산으로 하였다.Briefly looking at the alginic acid extraction process by microwave pretreatment, 2g of the powder aid was taken in a microwave digester sample container, and 80ml of distilled water was added thereto and allowed to stand at room temperature for 30 minutes so that the powdered algae could sufficiently absorb water. Next, after microwave treatment for 60-120 minutes while varying the treatment temperature conditions up to 80-120 ℃, 220ml of distilled water was added to the sample and stirring extraction was performed while changing the extraction temperature conditions. The extract was centrifuged (5,000 rpm, 10 min) and the same amount of methyl alcohol was added to the supernatant to precipitate alginic acid, and the precipitate was dried in a hot air dryer (40 ° C.) and pulverized to obtain powder alginic acid.
마이크로파 전처리 조건에 따른 수율, 용해도 및 점도 특성을 표 2에 나타내었다. 마이크로파 처리 온도에 따라 추출 수율에서 큰 차이를 보여주고 있는데, 이는 마이크로파 자체가 비전리 방사선으로 피 조사체를 이온화 시키지 않으면서 온도 상승 효과만을 가져오는 전자파 에너지로 물질 내부의 가열이 가능한 열원으로 작용하기 때문이다. 따라서 마이크로파의 작용은 온도와 관련성이 있는 것으로 온도가 높아짐에따라 해조의 구조 파괴가 촉진되고 추출과정중에 용이하게 추출되는 것이다.Table 2 shows the yield, solubility and viscosity characteristics according to the microwave pretreatment conditions. Microwave treatment temperature shows a big difference in the extraction yield. The microwave itself acts as a heat source that can be heated inside the material with electromagnetic energy that only increases the temperature without ionizing the irradiated object with non-ionizing radiation. Because. Therefore, the action of the microwave is related to temperature, and as the temperature increases, the structural destruction of the seaweed is promoted and it is easily extracted during the extraction process.
알긴산 추출조건: 95℃-열수, 60분Alginic acid extraction condition: 95 ℃-hot water, 60 minutes
마이크로파 처리시간(min): A-30, B-60, C-90, D-120Microwave Processing Time (min): A-30, B-60, C-90, D-120
그리고 수율은 미역과 다시마 시료간에도 약간의 차이가 있었으며, 처리 시간에 따른 차이도 어느정도 있었다. 미역을 원료로 한 경우 처리시간 90분 이후로는 처리시간에 큰 영향을 받지 않는 것으로 나타났고, 다시마의 경우는 처리시간 120분까지 서서히 증가하는 경향을 보였다. 표2의 수율에대한 결과로부터 미역 및 다시마의 마이크로파 전처리 조건은 각각 100℃에서 90min, 100℃에서 120min이 최적 이었다. 한편, 마이크로파 처리 온도와 처리시간, 그리고 원료에따른 용해도 및 점도 특성을 살펴보면, 마이크로파 처리온도에 따른 용해도와 점도는 큰 차이를 보여주고 있는데, 80℃ 처리온도에서는 미역의 경우 용해도가 최대 69%, 100℃에서는 86% 정도인 반면, 다시마의 경우는 미역보다는 전체적으로 다소높은 77-94%였다. 시료간의 차이는 그 이유를 추정하기가 어려웠지만, 처리온도에 따른 용해도와 점도는 밀접한 상관을 가지고 있는 것으로 나타났다. 즉, 용해도가 높을수록 점도는낮은 경향을 보여주었는데, 해조 다당의 점도는 일반적으로 당질의 크기와 직접 관련이 있는 요소이기 때문에 용해도가 높은것은 분자 크기가 작은 것으로 용해도가 낮은것은 분자크기가 상대적으로 큰것으로 판단되었다. 특히 점도는 기존의 탄산나트륨으로 제조한 알긴산과는 현격한 차이가 있는데, 이들 사이에는 분자량의 차이도 클 것으로 예측된다.Yield was slightly different between seaweed and kelp samples, and there was some difference according to treatment time. When seaweed was used as a raw material, it was found that after 90 minutes of treatment time, the treatment time was not significantly affected, and in the case of kelp, it gradually increased to 120 minutes of treatment time. Microwave pretreatment conditions for seaweed and kelp were 90 min at 100 ° C and 120 min at 100 ° C, respectively. On the other hand, when looking at the microwave treatment temperature, treatment time, and solubility and viscosity characteristics according to the raw material, the solubility and viscosity according to the microwave treatment temperature shows a big difference. At 100 ° C, it was about 86%, while kelp was 77-94% overall higher than seaweed. It was difficult to estimate the reason for the difference between the samples, but the solubility and viscosity were closely correlated with the treatment temperature. In other words, the higher the solubility, the lower the viscosity. Since the viscosity of seaweed polysaccharides is generally a factor directly related to the size of the saccharide, the higher the solubility is the smaller the molecular size, the lower the solubility the relatively the molecular size. It was judged big. In particular, the viscosity is significantly different from the alginic acid prepared by conventional sodium carbonate, the molecular weight difference between them is expected to be large.
3)알긴산의 추출조건3) Extraction condition of alginic acid
마이크로파로 전처리한 시료를 적절한 추출조건에서 처리하여 알긴산을 추출하게 되는데, 추출조건에 따른 알긴산 수율, 용해도 및 점도 특성을 확인한 결과는 표 2와 같다.Alginate is extracted by treating the sample pretreated with microwave under appropriate extraction conditions. The results of confirming the alginate yield, solubility and viscosity characteristics according to the extraction conditions are shown in Table 2.
마이크로파 처리조건: 미역-100℃(90min), 다시마-100℃(120min)Microwave treatment condition: Wakame-100 ℃ (90min), Kelp-100 ℃ (120min)
추출시간(min): A-30, B-60Extraction time (min): A-30, B-60
열수추출온도가 일긴산의 추출에 미티는 영향은 매우 큰것으로 나타났는데, 특히 다시마보다 미역에서 크다는것을 알 수 있으며, 추출시간을 길게 할수록 추출수율이 증대함을 알 수 있다. 다시마의 경우도 추출온도가 알긴산 추출 수율에 영향을 주는 것으로 확인되었으며 추출시간이 경과함에따라 수율이 증대되고 있으나, 미역에비해 그 폭은 작았다. 한편, 미역의경우 추출되는 온도가 높아짐에 따라 용해도는 추출온도 60℃를 제외하고는 큰 변화가 없는 것으로 나타났다. 이는 일단 마이크로파 전처리후의 추출 처리 조건이 추출 수율에는 어느정도 영향을 미치지만 추출되는 알긴산의 물리적 성상에는 큰 영향을 주지 않는다는 사실을 나타내며, 실제 물리적 성상이 다른 알긴산의 제조는 추출조건에서보다는 마이크로파 전처리 공정에서 결정이 된다는것을 확인하였다. 점도에 있어서도 80℃나 100℃ 추출온도에 큰 차이가 없는 것으로보아 용해도의 경향을 뒷받침해 주는 것으로 판단 되었다. 다시마 원료의 경우도 미역과는 약간의 차이는 있지만, 추출조건이 용해도나 점도에 절대적인 영향을 주는 요소가 아니라는 사실을 알 수 있었다. 하여튼 원료에따른 차이는 어느정도 있지만, 추출된 알긴산의 용해도와 점도같은 물리적 성질에는 마이크로파 전처리 공정이 중요한 요소로 작용하며, 열수 추출 조건은 크게 영향을 미치지 않는다는 것을 확인 하였다. 상기와 같은 결과는 알긴산 추출 수율에서는 가능한 고온의 열수 처리 조건(95℃)이 좋다는 것과 특정의 물리적 성상을 갖는 알긴산 제조는 마이크로파 전처리 조건을 적절하게 조합함으로서 목적을 달성할 수 있다는 중요한 사실을 확인 하였다.The effect of hot water extraction temperature on the extraction of ilgi-san was very large, especially in seaweed rather than kelp, and the extraction yield increased with longer extraction time. In the case of kelp, the extraction temperature affected the extraction yield of alginic acid. The yield increased with the extraction time, but the width was smaller than that of seaweed. On the other hand, in the case of seaweed as the extraction temperature increases, the solubility did not change significantly except the extraction temperature 60 ℃. This indicates that the extraction treatment conditions after microwave pretreatment affect the extraction yield to some extent but do not affect the physical properties of alginic acid to be extracted. A decision was made. In terms of viscosity, there was no significant difference in the extraction temperature of 80 ℃ or 100 ℃, it was judged to support the tendency of solubility. In the case of raw sea tangle, there is a slight difference from seaweed, but it can be seen that the extraction condition is not a factor that affects solubility or viscosity. In any case, it was confirmed that the microwave pretreatment process was an important factor in the physical properties such as solubility and viscosity of the extracted alginic acid, and the hydrothermal extraction conditions were not significantly affected. The above results confirm that it is important that alginate extraction yield is as good as possible in the hot water treatment condition (95 ° C.) and that alginic acid production with specific physical properties can achieve the purpose by appropriate combination of microwave pretreatment conditions. .
3)추출된 알긴산의 분자량3) Molecular weight of extracted alginic acid
상기의 마이크로파 전처리 및 열수 추출 방법, 기존의 탄산나트륨 추출방법과 시판제품 분자량을 측정한 결과는 표 3과 같다.The results of measuring the microwave pretreatment and hot water extraction method, the conventional sodium carbonate extraction method and the commercial product molecular weight are shown in Table 3.
시판되고 있는 알긴산의 경우, 제품종류에따라 차이는 있지만 대개 분자량이 100만 이상인 것으로 알려져 있고, 본 연구에서도 기존의 탄산나트륨을 이용한 추출법으로 제조된 알긴산의 분자량이 80만을 넘는 것으로 측정되었다. 본 발명의 마이크로파 전처리 및 열수 추출한 알긴산의 경우는 분자량이 이들 물리적 처리조건의 경우보다도 훨씬 작은 12,000-45,000 정도였다. 이러한 분자량과 앞에서 고찰한 용해도와 점도를 기존의 방법으로 제조한 알긴산과 비교해보면, 분자량의 크기와 점도가 직접적인 상관이 있음을 알 수 있고, 용해도는 나트륨의 유무와 관련지어 설명될 수 있다.Commercially available alginic acid is known to have a molecular weight of more than 1 million, although there are differences depending on the type of product, and in this study, the molecular weight of alginic acid produced by the extraction method using sodium carbonate was more than 800,000. In the case of the alginate obtained by microwave pretreatment and hydrothermal extraction of the present invention, the molecular weight was about 12,000-45,000, which is much smaller than that of these physical treatment conditions. Comparing the molecular weight and the solubility and viscosity discussed above with alginic acid prepared by the conventional method, it can be seen that the size and viscosity of the molecular weight has a direct correlation, solubility can be explained in relation to the presence or absence of sodium.
본 발명은 중요한 몇가지 의미를 갖는데, 첫째로 탄산나트륨을 이용한 공정이 매우 복잡한 반면, 본 연구의 공정은 매우 간단하게 알긴산을 제조할 수 있다는 점, 둘째로 저분자 이면서 용해성이 높고 저점도인 알긴산을 제조할 수 있다는점, 섹째로 본 연구에서 제조한 알긴산은 나트륨(sodium)이 붙어있지 않다는 점이다.일반적으로 알긴산은 나트륨이 붙어있지 않은경우 용해성이 없기 때문에 나트륨을 붙여 용해성을 유도한 제품인데, 이용의 측면에서 실제 나트륨의 첨가가 바람직하지 않은 경우에는 사용이 곤란했다는 점에서 본 연구의 물질적 전처리에의한 가용성 저점도 알긴산은 그 용도의 측면에서도 중요한 의미를 갖는다.The present invention has several important meanings: firstly, the process using sodium carbonate is very complicated, whereas the process of the present study is very simple to prepare alginic acid, and secondly, to prepare alginic acid having low molecular weight, high solubility and low viscosity. The alginic acid produced in this study does not have sodium attached.In general, alginic acid is a product that induces solubility by adding sodium because it is not soluble in the absence of sodium. Soluble low viscosity alginic acid by the material pretreatment of this study has important significance in terms of its use in that it is difficult to use when the addition of sodium is not desirable in terms of its use.
따라서 본 발명은 기존의 알긴산과는 물리적 특성이 전혀 다르며, 나트륨염이 붙어 있지 않은 화학적 특성도 뚜렸하게 구별되는 알긴산이다. 향후, 기능성 소재로서의 용도 개발이 기대되며, 이 용도의 측면에서 기존의 알긴산이 갖는 범위를 훨씬 확대할 수 있을 것으로 기대한다.Therefore, the present invention is completely different from the conventional alginic acid, alginic acid is also clearly distinguished chemical properties without the sodium salt attached. In the future, it is expected to develop a use as a functional material, and it is expected that the range of the existing alginic acid can be further expanded in view of this use.
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