KR100445337B1 - 식품가공 부산물인 간장박을 사용한 기능성 고분자 중합체헤테로폴리사카라이드-7 (ｐｓ-7)의 제조방법 - Google Patents

식품가공 부산물인 간장박을 사용한 기능성 고분자 중합체헤테로폴리사카라이드-7 (ｐｓ-7)의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산가수분해간장(화학간장) 및 양조간장(발효간장)의 대량생산 과정에서 발생하는 부산물인 산가수분해간장박과 양조간장박을 기능성 고분자 중합체인 헤테로폴리사카라이드-7 (heteropolysaccharide-7, PS-7) 생산 배지의 질소원으로 사용하는 단계를 포함하는 고분자 중합체 PS-7을 경제적으로 제조하는 방법에 관한 것으로, 종래의 방법에 사용되는 박토-펩톤의 원가에 해당하는 배지비용을 줄일 수 있어 전체 직접생산비의 50% 이상을 절감할 수 있으며, 환경 오염성 물질의 원천적 처리에 의한 환경오염 방지 및 정화비용의 절감 등의 뛰어난 효과가 있다.

Description

식품가공 부산물인 간장박을 사용한 기능성 고분자 중합체 헤테로폴리사카라이드-7 (ＰＳ-7)의 제조방법{Method for the production of functional biopolymer heteropolysaccharide-7 (PS-7) with soybean pomaces, the agro-industrial byproducts}
본 발명은 발효부산물을 이용하여 고분자 중합체 헤테로폴리사카라이드-7(PS-7)을 제조하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 산가수분해간장 및 양조간장의 대량생산 과정에서 발생하는 부산물인 산가수분해간장박과 양조간장박을 PS-7 생산 배지의 질소원으로 이용하여 기능성 고분자 중합체 PS-7을 제조하는 방법에 관한 것이다.
대부분의 미생물들은 전분 또는 포도당과 같은 탄소원과 박토-펩톤, 효모 추출액, 염화암모늄, 폐당밀 등의 질소원을 포함하는 영양원과 적당한 환경에서 생육을 시작하며, 그 중에는 우리 생활에 필요한 기능성 고분자 중합체를 생산하는 미생물들도 있다. 미생물이 생산하는 기능성 고분자 중합체로는 풀루란(pullulan), 잔탄(xanthan), 커드란(curdlan), 젤란(gellan) 및 헤테로폴리사카라이드-7(heteropolysaccharide-7, PS-7) 등이 있으며 교질화제, 유화제, 안정제 및 젤형성제 등으로 식품산업 및 화공산업에 널리 사용되고 있다. 이와 같은 고분자 중합체는 국내에서 생산되지 않고, 전량을 외국에서 수입하고 있는데, 1997년의 수입액은 약 800억원 정도이었으며, 식품의 질을 향상시키기 위하여 필수 불가결한 물질이므로 수입량은 계속 증가할 것이다.
특히, 식품 및 화학공업에 필요한 젤란은 미국에서 전량 수입하여 사용하고 있는데, 이는 젤란의 생산비용이 외국에서 수입하는 비용보다 비싸기 때문이다. 따라서, 젤란의 대용품을 개발하거나 젤란을 생산하는 기술을 획기적으로 개발하여 생산단가를 낮추어야 할 것이나, 이에 대한 국내의 기술은 미미한 실정이고, 젤란의 단점을 개선한 차세대 기능성 고분자 중합체로 PS-7의 대량생산기술은 선진국에서도 아직 산업화 기술이 개발되지 않은 실정이다.
한편, 유용한 산물의 생산과정에서 필수 불가결하게 부가적으로 생산되는 환경 오염성 폐기물 및 부산물의 이용에 대한 연구는 환경 및 자원의 재활용적 측면에서 많은 연구자들에 의하여 진행되어 왔다. 상기 식품가공 부산물 중, 산가수분해간장(화학간장) 및 양조간장(발효간장)의 대량 생산 과정에서 발생되는 산가수분해간장박과 양조간장박이 그 일예에 해당한다. 즉, 간장의 대량생산을 위하여 콩의 산가수분해 또는 발효가 끝난 후에 반응액 및 배양액을 착즙하여 간장을 분리하고 난 찌꺼기인 산가수분해간장박과 앙조간장박은 생산규모에 따라 매 회 10 내지 100톤 이상 발생되며 수분함량이 비교적 낮고 전체 탄수화물의 농도가 약 20%, 조단백의 함량이 약 30% 이상 되기 때문에, 일반적인 정화시설 및 방법으로는 정화가 불가능하여 특수 정화업체에 의뢰하고 있는 실정이다. 따라서, 식품가공산업의 폐기물 및 부산물을 미생물의 영양원으로 개발하여 고분자 중합체를 생산할 수 있다면, 이는 환경오염의 원천적인 방지와 이를 이용한 고부가가치의 산물을 생산한다는 측면에서 매우 중요한 의미를 지닌다고 할 것이다.
이에 본 발명자들은 경제적으로 PS-7을 제조할 수 있는 방법을 개발하고자 예의 연구 노력한 결과, 산가수분해간장 및 양조간장의 대량생산 과정에서 발생하는 부산물인 산가수분해간장박과 양조간장박을 PS-7 생산 배지의 질소원으로 이용하여 경제적으로 PS-7을 제조할 수 있음을 확인하였고, 산가수분해간장박 또는 양조간장박을 사용하여 제조한 PS-7의 분자량과 화학 성분이 박토-펩톤을 사용하여 제조한 PS-7과 동일함을 확인하여, 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서 본 발명의 목적은 산가수분해간장(화학간장) 및 양조간장(발효간장)의 대량 생산 과정에서 발생되는 산가수분해간장박과 양조간장박을 PS-7 생산 배지의 질소원으로 이용하여 기능성 고분자 중합체 PS-7을 제조하는 방법을 제공하는데있다.
도 1은 본 발명의 PS-7을 제조하는 방법을 도식적으로 나타낸 공정도이다.
도 2는 산가수분해간장박 또는 양조간장박의 농도에 따른 본 발명의 PS-7의 생산 수율을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 헤테로폴리사카라이드-7(heteropolysaccharide-7)을 생산하는 미생물을 산가수분해간장 또는 양조간장 제조시에 발생하는 산가수분해간장박 또는 양조간장박을 함유하는 배지에 접종하여 25 내지 35℃에서 150 내지 200rpm으로 24 내지 48시간 동안 종균배양하여 종균배양액을 수득하는 단계; 상기 종균배양액을 종균배양에서 사용한 배지와 같은 조성을 갖는 배지에 3 내지 5%(v/v) 접종한 후, 25 내지 35℃에서 150 내지 200 rpm으로 3 내지 5일 동안 본배양하여 배양액을 수득하는 단계; 상기 배양액을 원심분리하여 얻은 상등액에 유기용매를 가하여 추출액을 분리한 후, 원심분리하여 침전물을 수득하는 단계; 상기 침전물을 증류수에 용해시킨 후, 투석하여 투석 내부분획물을 수득하고, 진공 동결건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 중합체 헤테로폴리사카라이드-7의 제조방법을 제공한다.
한편, 상기 제조공정에 있어,
헤테로폴리사카라이드-7을 생산하는 미생물은 베이제린키아 인디카(Beijerinckia indica) ATCC 21423 인 것이 바람직하다.
또한 산가수분해간간장박 또는 양조간장박은 전체 배지성분에 대하여 1.5 내지 2.5%(w/v)인이 바람직하다.
그리고 원심분리는 5000 내지 9000×g의 범위에서 10 내지 30분 동안 수행하는 것이 바람직하다.
또한 유기용매는 이소프로판올 또는 에탄올인 것이 바람직하다.
그리고 투석은 배제 분자량이 10,000 내지 15,000인 것이 바람직하다.
또한 배지는 1 내지 5 g/L의 K2HPO4, 0.1 내지 0.5 g/L의 MgSO4·7H2O, 0.6 내지 0.9 g/L의 NH4NO3, 20.0 내지 50.0 g/L의 포도당을 포함하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 산가수분해간장 및 양조간장 제조 공정의 부산물인 산가수분해간장박과 양조간장박을 이용한 고분자 중합체 PS-7의 제조방법을 공정별로 나누어 구체적으로 설명하고자 한다.
제 1 단계: 종균배양
PS-7을 생산하는 미생물의 질소원으로서 산가수분해간장 및 양조간장 제조 공정의 부산물인 산가수분해간장박 또는 양조간장박이 함유된 배지에 접종하여, 25 내지 35℃에서 150 내지 200rpm으로 24 내지 48시간 동안 종균배양한다.
산가수분해간장 및 양조간장 제조 공정의 부산물인 산가수분해간장박 또는 양조간장박을 전체 배지성분에 대하여 1.5 내지 2.5%(w/v)로 하여 사용하며, 배지는 1 내지 5 g/L의 K2HPO4, 0.1 내지 0.5 g/L의 MgSO4·7H2O, 0.6 내지 0.9 g/L의 NH4NO3, 20.0 내지 50.0 g/L의 포도당이 포함된 것을 사용하는 것이 바람직하다.
제 2 단계: 배양액의 수득
상기 제 1공정에서 생산된 종균 배양액을 종균배지의 조성과 같은 배지에 3 내지 5%(v/v) 접종하고, 25 내지 35℃에서 150 내지 200rpm으로 3 내지 7일 동안 배양하여 배양액을 수득한다. 이때, PS-7을 생산하는 미생물은 당업계에서 통상적으로 사용되는 균주를 사용할 수 있으나, 베이제린키아 인디카(Beijerinckia indica) ATCC 21423이 바람직하다.
제 3 단계: 배양액 추출
상기 수득된 배양액을 원심분리하여 얻은 상등액에 유기용매를 가하여 추출하고, 상기 추출액을 원심분리하여 침전물을 수득한다. 이때, 원심분리는 5000 내지 9000×g의 범위에서 10 내지 30분 동안 실시하고, 유기용매는 이소프로판올올 또는 에탄올을 사용하는 것이 바람직하다.
제 4 단계: 헤테로폴리사카라이드-7의 제조
상기 침전물을 증류수에 용해시킨 후, 투석하여 투석 내부분획을 수득하고, 전기 투석 내부분획을 진공 동결건조한다. 이때, 투석은 배제 분자량이 10,000 내지 15,000인 것을 사용하여 1 내지 5일 동안 증류수를 3 내지 7회 교체함으로써 수행하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 구성을 실시예를 들어 더욱 상세히 설명하지만 본 발명을권리범위가 하기 실시예에만 한정되는 것은 아니다.
실험예 1: 산가수분해간장 및 양조간장 제조 공정의 부산물인 산가수분해간장박과 양조간장박의 성분분석
산가수분해간장 및 양조간장 제조 공정의 부산물인 산가수분해간장박과 양조간장박의 성분을 검정된 식품분석법(식품분석, 김경삼외, 효일문화사, 1999)에 의하여 분석하였다. 산가수분해간장박과 일정 시간 발효된 배양액을 착즙하여 간장을 수거한 찌꺼기인 양조간장박의 일반적인 성분 및 수분 함량은 비슷하였으며, 각각의 구성성분은 표 1에 나타내었다.
발효식품 제조 공정의 부산물인 간장박의 성분분석
성분 함량(%)
탄수화물 17.2
조단백 33.4
조지방 8.1
무기염류 29.4
칼슘 0.4
인 0.5
수분 11.0
실시예 1: 질소원으로서 산가수분해간장박 또는 양조간장박을 이용한 PS-7의 제조
PS-7을 생산하기 위한 배지의 조성은 1 내지 5g/L의 K2HPO4, 0.1 내지 0.5g/L의 MgSO4·7H2O, 0.6 내지 0.9g/L의 NH4NO3, 0.25 내지 1.5g/L의 산가수분해간장박 또는 양조간장박으로 구성되었고, 탄소원으로 포도당을 멸균한 후 멸균된 배지에 무균적으로 2%(w/v)으로 혼합하여 사용하였다. 종균배양은 고체 배지에서 일정시간 배양한 베이제린키아 인디카(Beijerinckia indica) ATCC 21423을 한 백금니 취하여 250㎖ 용량의 플라스크에 멸균하여 준비된 50㎖의 배지에 접종한 후, 30℃에서 180rpm의 진탕 속도로 48시간 진탕 배양하였다. 본배양은 종균배양한 배양액을 500㎖ 용량의 플라스크에 멸균되어 준비된 150㎖의 동일 배지에 5%(v/v)를 접종하여 종균배양과 동일한 방법으로 5일간 배양하였다. 상기 배양액을 8000×g의 범위에서 20분간 원심분리하여 침전물을 제거한 상등액을 회수하였다. 상기 회수한 상등액에 2배 용량의 95% 에탄올을 첨가하고, 잘 혼합하여 4℃에서 하룻밤 동안 방치하였다. 이 용액을 8000×g의 범위에서 20분간 원심분리하고 상등액을 제거한 후, 침전물을 95% 에탄올로 3회 세척하였다. 세척한 침전물을 적당한 양의 증류수에 용해시킨 다음, 3일 동안에 5회 증류수를 바뀌어 주면서 투석하여 염성분을 포함한 저분자 물질을 제거하였다. 사용된 투석막은 배제 분자량 12,000인 것을 사용하였으며, 투석 후 PS-7을 진공 동결건조하여 건조물을 회수하였다.
비교 실시예 1: 질소원으로서 박토펩톤을 이용한 PS-7의 제조
질소원으로서 박토펩톤을 이용한다는 것을 제외하고는, 실시예 2의 제조방법과 동일한 방법으로 PS-7을 제조하였다.
실험예 2: PS-7의 생산성 비교
실시예 1 및 비교 실시예 1에서 제조된 PS-7의 생산성 결과를 표 2와 도 2에 나타내었다. 표 2와 도 2에서 보듯이, 산가수분해간장박과 양조간장박은 종래의 PS-7 생산 배지의 질소원인 박토-펩톤의 경우보다 높은 생산성을 나타내었다. 이는 산가수분해간장 및 양조간장 제조 공정의 부산물인 산가수분해간장박과 양조간장박이 PS-7 생합성의 최적 질소원으로 사용할 수 있다는 것이며, 이와 같은 결과는 PS-7을 생산하기 위한 직접 생산비를 50% 이상 절감할 수 있음을 의미한다. 또한, 풀루란의 생산성 증가에 따른 생산 설비와 간접 생산비의 절약 및 환경 오염물질의 정화에 소요되는 비용의 감소까지를 고려한다면, 대체할 수 있는 박토-펩톤의 원가 이상의 생산비를 절감하는 결과이다.
산가수분해간장 및 양조간장 제조 공정의 부산물인 산가수분해간장박과 양조간장박을 이용한 PS-7의 생산성
질소원 농도(%, w/v) 생산성(g/l) 변환율(%)
박토펩톤 0.025 3.75 18.75
0.050 5.80 29.00
0.075 2.17 10.85
0.100 2.10 10.50
0.125 2.04 10.20
0.150 1.98 9.90
산가수분해간장박 0.025 7.08 35.40
0.050 8.12 40.60
0.075 7.44 37.20
0.100 7.12 35.60
0.125 7.10 35.50
0.150 6.52 32.60
양조간장밥 0.025 7.60 38.00
0.050 8.40 42.00
0.075 7.62 38.10
0.100 7.56 37.80
0.125 7.41 37.05
0.150 7.24 36.20
이상, 상기에서 설명하고 입증하였듯이, 본 발명은 헤테로폴리사카라이드-7 (PS-7)의 제조시 질소원으로서 사용되는 박토-펩톤을 산가수분해간장 및 양조간장 제조 공정의 부산물인 산가수분해간장박 또는 양조간장박으로 대체하여 사용하기 때문에, 직접생산비의 50% 이상을 절감할 수 있고 헤테로폴리사카라이드-7 (PS-7)의 생산성을 약 45% 향상 할 수 있으며, PS-7 제조를 위한 미생물 생산배지의 질소원으로 산가수분해간장과 양조간장 제조 공정의 부산물인 산가수분해간장박 또는 양조간장박을 사용하기 때문에, 환경오염원의 정화를 위한 처리비용을 절감시킬 수 있으므로, 식품산업 및 화공산업상 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims (7)

  1. (a) 헤테로폴리사카라이드-7(heteropolysaccharide-7)을 생산하는 미생물을 산가수분해간장 또는 양조간장 제조시에 발생하는 산가수분해간장박 또는 양조간장박을 함유하는 배지에 접종하여 25 내지 35℃에서 150 내지 200rpm으로 24 내지 48시간 동안 종균배양하여 종균배양액을 수득하는 단계;
    (b) 상기 종균배양액을 종균배양에서 사용한 배지와 같은 조성을 갖는 배지에 3 내지 5%(v/v) 접종한 후, 25 내지 35℃에서 150 내지 200 rpm으로 3 내지 5일 동안 본배양하여 배양액을 수득하는 단계;
    (c) 상기 배양액을 원심분리하여 얻은 상등액에 유기용매를 가하여 추출액을 분리한 후, 원심분리하여 침전물을 수득하는 단계; 및
    (d) 상기 침전물을 증류수에 용해시킨 후, 투석하여 투석 내부분획물을 수득하고, 진공 동결건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 중합체 헤테로폴리사카라이드-7의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 헤테로폴리사카라이드-7을 생산하는 미생물은 베이제린키아 인디카(Beijerinckia indica) ATCC 21423인 것을 특징으로 하는 고분자 중합체 헤테로폴리사카라이드-7의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 산가수분해간간장박 또는 양조간장박은 전체 배지성분에 대하여 1.5 내지 2.5%(w/v)인 것을 특징으로 하는 고분자 중합체 헤테로폴리사카라이드-7의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 원심분리는 5000 내지 9000×g의 범위에서 10 내지 30분 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 고분자 중합체 헤테로폴리사카라이드-7의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 유기용매는 이소프로판올 또는 에탄올인 것임을 특징으로 하는 고분자 중합체 헤테로폴리사카라이드-7의 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 투석은 배제 분자량이 10,000 내지 15,000인 것을 특징으로 하는 고분자 중합체 헤테로폴리사카라이드-7의 제조방법.
  7. 제 1항 또는 제 3항에 있어서, 상기 배지는 1 내지 5 g/L의 K2HPO4, 0.1 내지 0.5g/L의 MgSO4·7H2O, 0.6 내지 0.9g/L의 NH4NO3, 20.0 내지 50.0g/L의 포도당을 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 중합체 헤테로폴리사카라이드-7의 제조방법.
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Title
Production of gellan gum by Pseudomonas elodea"; 이남규 동아대학교 석사학위 논문 *
동아대학교 대학원 생명자원과학과 김지모, 2002학년도 석사학위논문 *

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KR20040003538A (ko) 2004-01-13

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