KR100446975B1 - 포도당 탈수모액(하이드롤)을 이용한 분말포도당 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 옥수수 및 기타 전분류를 당화(가수분해)하여 포도당을 제조하는 과정에서 부가적으로 발생하는 탈수 모액(하이드롤)을 이용하여 분말포도당을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 분말포도당 제조 방법은 다음단계 ; 가) 하이드롤에 함유된 당류중 단당류의 함량을 92%이상으로 증가시키는 단계 나) 농축, 결정화 및 분리 건조하는 단계를 포함하며, 상기 가)의 단계는 1) 하이드롤을 20-33중량%로 희석하여 50-60℃로 가온한 후, 2) 당화 효소, 프로테아제 혹은 고정화 효소를 독립적으로 혹은 병존 사용하여 재당화하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다. 본발명의 방법에 의해 하이드롤을 보다 효율적으로 활용하여 분말포도당을 생산하는 것이 가능하다.

Description

포도당 탈수모액(하이드롤)을 이용한 분말포도당 제조방법{Production of powder dextrose from hydrol}

본 발명은 옥수수 및 기타 전분류를 당화(가수분해)하여 포도당을 제조하는 과정에서 발생하는 탈수 모액(이하 "하이드롤"이라 칭한다)을 이용하여 분말포도당을 제조하는 방법에 관한 것이다.

현재 전세계적으로 제조, 사용되는 포도당류는 크게 무수결정 포도당, 함수결정 포도당의 결정포도당과 정제 포도당으로 분류된다. 위의 2종류는 모두 옥수수 또는 기타 전분류를 당화하여 제조하는 것으로써, 결정포도당 중 무수결정 포도당은 순수한 포도당 분자만을 결정화시킨 제품으로 의약용 무수포도당과 식용 무수포도당으로 구분되어 사용되며, 함수결정 포도당은 포도당 분자와 결정수가 혼합된 상태로 결정화시킨 제품으로 일반적으로는 식용으로 사용된다. 마지막으로 정제 포도당은 정제된 일정 농도의 포도당 용액을 분무 건조하여 제품화한 것으로 식용 또는 사료용으로 사용되고 있다.

상기 포도당들의 제조공정은, 전분의 액화, 당화, 정제, 농축, 결정화, 탈수, 건조하는 단계로 이루어지며, 특히 결정포도당은 결정화 방법에 따라 무수결정 포도당과(농축결정화) 함수결정 포도당(냉각결정화)으로 구분된다. 결정화 후, 탈수공정에서 결정으로 제품화되는 부분 이외에, 모액으로 나오는 하이드롤이 발생되며, 이것이 함유한 고형분 중 80중량%이상은 단당류인 포도당이다. 여기서 하이드롤이라 함은 탈수모액 뿐 아니라, 포도당 제조시 사용하는 수세수와 세정수 등의 물을 이용하여 포도당을 용해시킨 후 같은 당도를 갖는 모든 액을 포함한다.

일반적으로 단당류의 함량이 높은 당액의 당화공정에서는 기존 당액내 존재하는 단당류가 올리고당류의 가수분해를 저해하므로 단당류의 함량을 증가시키기 매우 어렵다. 따라서, 함유한 고형분의 80%이상이 단당류인 하이드롤의 경우, 당화효소를 이용하여 단당류의 함량을 증가시키기 보다는 주로 60중량%로 단순 농축하여 발효 배지의 액상 탄소원으로 이용하여 왔다. 그러나 이경우, 큰 저장부피 및 저장 중 외부 온도에 따른 고결등의 문제로 기존 결정 포도당의 생산량까지 조절해야 하는 경우가 발생한다. 하이드롤은 고과당 제조공정에 일부 투입하여 하이드롤 내 존재하는 포도당 성분을 과당으로 전환시켜 재활용하는 경우도 있으나, 과당공정에 추가된 하이드롤이 고과당내 올리고당의 함량을 증가시켜 이를 원료로 하는 투명한 탄산음료 제조시 백탁을 발생시키며, 하이드롤을 농축하여 포도당 원액과 혼합하여 함수결정 포도당 생산공정으로 재사용하는 시도도 있었으나, 이때에는 포도당 액내에 상대적으로 올리고당 함량 증가와 포도당 함량 감소로 인하여 포도당 결정 수율을 감소시키는 부작용을 보였다. 따라서, 하이드롤을 효과적으로 재활용 할 수 있는 방법의 요구되었으며, 이에 대하여 예의 연구한 결과, 하이드롤을 이용하여 분말포도당을 제조하는 방법을 발명하게 되었다.

본 발명에서는 포도당 제조시 발생하는 함유 고형분의 80%이상이 포도당인 하이드롤의 단당류 함량을 증가시키고, 농축, 결정화 및 분리건조하므로서 기존 분말 포도당과 당조성이 유사한 분말 포도당을 만드는 방법에 관한 것이며, 단당류의 함량을 증가시키는 방법으로, 하이드롤의 농도 및 온도 등을 조절하고, 소량의 당화효소, 프로테아제 혹은 고정화당화 효소를 독립적으로 혹은 병존사용하여 재당화시키는 방법이 있다. 이하 상세한 설명은 다음과 같다.

본 발명에서는 결정 포도당류의 제조공정 중 탈수공정에서 발생한 하이드롤내 단당류를 증가시켜 분말포도당을 제조하는 방법으로 가) 하이드롤에 함유된 당류중 단당류의 함량을 증가시키는 단계, 나) 농축, 결정화 및 분리건조하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 단당류의 함량을 증가시키는 단계는, 단당류의 함량을 더욱 증가시키기 위해 하이드롤을 희석하여 20-33중량%의 농도로 조절하여, 50-60℃로 가온한 후, α-아밀라제, 글루코아밀라제 등의 당화 효소, 프로테아제 혹은 고정화 효소를 독립적으로 혹은 병존 사용하여 재당화하는 단계를 포함할 수있다.

각 단계별로 상세하게 설명하면 다음과 같다.

가) 단당류의 함량을 증가시키는 단계

본 발명에서 사용될 수 있는 하이드롤은 곡물의 전분을 당화한 포도당액으로 부터 결정포도당류를 생산하고 발생하는 탈수모액을 의미하며, 여기에 함유된 고형분의 80% 이상은 단당류인 포도당이다. 이는 결정포도당 제조시 발생하는 탈수모액 뿐 아니라, 포도당 제조시 사용하는 수세수와 세정수 등의 물을 이용하여 포도당을 용해시킨 후 같은 당도를 갖는 모든 액을 포함한다. 일반적으로 하이드롤은 단당류의 함량이 낮아 분말포도당 제조시 결정이 쉽게 생성되지 않아 분말포도당 제조를 위해 단당류 함량을 증가시키는 것은 중요하다. 본 발명에서는 단당류 함량을 증가시키기위해 하이드롤을 재당화하는 방법을 사용하며, 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.

1) 하이드롤에 물을 가하여 희석하며, 함유하는 고형분이 20-33중량%가 되도록 하이드롤의 농도로 조절한 후, 온도는 50-60℃로 조절하고, pH는 4.0-5.0으로 조절한다. 함유하는 고형분 함량 중 80%이상이 단당류인 포도당을 함유하는 하이드롤의 재당화의 효율을 높이고, 효소의 사용량을 감소 시키기 위해서는 용액의 농도 조절이 중요하며, 농도가 묽은 경우, 즉, 20중량%이하인 경우는 재당화 후, 농축 및 건조를 위해 비용이 과다하게 발생하고, 농도가 진한 경우, 즉 33중량%이상의 농도조건에서는 효소의 활성이 저하되어 양호한 재당화 효과를 볼 수 없으므로, 각 당화 방법을 고려할 때, 회분식당화를 실시하기 위해서는 용액 농도가 약 28-33중량%인 것이 바람직하고, 연속식 당화를 실시하기 위해서는 약 23-28%의 농도가 적절하다.

2) 당화 효소를 이용하여 재당화를 실시한다.

하이드롤을 재당화 시킬 때, 당화 시간이 길어지면 다당류가 단당류로 분해된 후 다시 재결합하여 다당류를 형성하는 역반응이 발생하므로 사용하는 당화 방법에 따라 당화 시간을 적절하게 조절해 주어야 하며, 당화 효소의 투입량도 당화 효소의 종류에 따라 다르게 적용해야 한다. 당화를 위해 α-아밀라제, 글루코아밀라제 등의 당화 효소, 프로테아제 혹은 고정화 효소를 독립적으로 혹은 병존하여 사용할 수 있으며, 여기에는α-아밀라제, 글루코아밀라제 등의 당화 효소를 이용한 회분식 재당화, α-아밀라제, 글루코아밀라제 등의 당화 효소에 가지분해 효소인 프로테아제를 첨가한 회분식 재당화, 혹은 고정화 당화 효소를 이용한 연속식 재당화 등의 방법이 포함된다. 본 발명에서의 조건에 따라 재당화를 시행할 경우, 사용하는 당화 효소의 양은 대체적으로 하이드롤 내 존재하는 포도당 고형분 1톤당 0.1-0.7kg정도이며, 효소의 역가 및 반응시간을 고려할 때 당화 시간은 회분식 당화인 경우 68시간-80시간이 바람직하다.

나) 농축, 결정화 및 분리건조 단계

상기 가)의 단계에서 생성된 농축액은 기존 포도당과 유사한 당조성을 가지므로, 기존 방법과 유사하게 농축, 결정화 및 분리 건조를 할 수 있다.

단, 분리 건조시 사용하는 분무 건조기에 하이드롤을 주입하는 주입액의 농도와 열풍의 온도는 제품의 품질에 상당한 영향을 끼치므로 이를 유의하여야 한다. 즉, 주입액의 농도가 낮으면, 제품의 입도가 작아짐과 동시에 제품내 수분함량이 증가하여 포장 후 방치시 제품이 덩어리지는 현상이 발생하여 제품화하기곤란하며, 반대로 높을 경우는 제품 입도가 커지나 건조기 내부에서 덩어리지는 현상이 발생하여 정상적인 제품으로 생산하기 어렵다. 또한 열풍의 온도가 낮을 경우는 건조가 되지 않아 제품 수분이 증가하며, 온도가 너무 높을 경우는 제품 표면의 수분이 증발함과 동시에 건조할 제품이 용해되는 현상으로 장기 보관시 내부 수분에 의한 덩어리지는 현상이 발생하게 된다. 따라서 분무 건조기의 운전조건에 대하여 여러가지 변동을 시도했었고, 본 발명에 적용한 분말포도당의 결정화 및 분리건조 방법은 다음과 같다.

1) 상기 가)의 재당화 공정을 거쳐, 함유 당류의 92중량%이상으로 단당류의 함량이 증가된 당액의 불순물을 제거하기 위하여, 여과하고 탈색한 후 이온 정제하고 65-75중량%로 농축한다.

2) 65-75중량% 농축액은 10-30℃냉각시킨 후, 동일온도에서 20-40시간 방치하여 결정을 얻는다.

3) 생성된 결정은 80-150℃의 열풍을 20-40시간 동안 주입하여 분말 포도당을 얻는다.

상기의 방법으로 얻어진 분말포도당은 기존에 판매되는 정제 포도당과 거의 흡사한 당조성 및 입도분포를 보인다. 기존 유통되는 분말 포도당의 성분을 분석한 결과, 단당류 94∼95%, 2당류 2∼4%, 3당류 1∼2%, 기타당류 1%이하의 구성비를 갖고 있었으며, 실시예를 보면, 본 발명에서 하이드롤을 재당화하여 제조한 분말 포도당의 당 조성비와 거의 비슷함을 알 수 있다.

본 원 발명을 실시 예에 따라 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같으며, 하기실시예는 단지 본 발명을 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위는 이들에 국한되지 않는다.

실시예 1.

고형분 함량이 53중량%인 하이드롤을 취하여 교반기가 부착된 4개의 압력용기에 각각 100ℓ씩 넣고, 물 75ℓ씩을 넣은 후 4개의 압력용기를 60℃로 가온하였다. 여기에 α-아밀라제 5g, 21g, 40g, 53g을 계량하여 4개의 압력용기에 각각 가한 후 72시간 회분식 재당화 시켰다. 재당화가 완료된 액은 여과, 탈색, 이온정제, 농축을 실시하여 고형분 함량 70중량%액을 제조한 후 15-24℃로 냉각하고 이를 30시간 방치하여, 결정을 형성, 육성시켰다. 결정육성이 완료된 액을 75-85℃의 열풍이 주입되는 분무 건조기에 주입하여 분무건조시켜 포도당 함량이 증가한 품질이 우수한 분말포도당을 제조하였다. 제조한 분말포도당은 고형분 91.8%, 수분 8.2%의 분말상으로 당조성은 아래의 표 1과 같다.

하이드롤을 α-아밀라제로 회분식 재당화한 후 분말포도당의 당조성

α-아밀라제 투입량	5 g	21 g	40 g	53 g
단당류2당류3당류그 외 당류	93.94.11.10.9	94.14.50.80.6	94.94.50.40.2	94.84.70.40.1

실시 예2.

고형분 함량이 55중량%인 하이드롤을 취하여 실시 예1과 같은 방법으로 4개의 압력용기에 각각 하이드롤 100ℓ와 물 75ℓ를 넣은 후, 60℃로 가온하였다. 여기에 당화효소인 글루코 아밀라제 42g 이외에 가지분해 효소인 프로테아제를 계량하여 각각 2.8㎖, 5.5㎖, 8.3㎖, 11.0㎖를 넣은후 72시간 재당화 시켰다. 재당화가 완료된 액은 실시 예1과 같은 방법으로 정제, 농축, 결정화의 과정을 거쳐 분무 건조하여 포도당 함량이 증가되어 정제포도당과 품질의 차이가 없는 분말포도당을 제조하였다. 제조한 분말포도당은 고형분 92.0%, 수분 8.0%의 분말상으로 당 조성은 아래의 표 2와 같다.

글루코 아밀라제와 프로테아제로 회분식 재당화한 후 분말포도당의 당 조성

프로테아제 첨가량	2.8 ㎖	5.5 ㎖	8.3 ㎖	11.0 ㎖
단당류2당류3당류그 외 당류	95.422.251.171.16	95.112.391.271.23	95.662.201.121.03	95.792.171.070.97

실시 예3.

고형분 함량이 53중량%인 하이드롤에 물을 혼합하여 고형분 함량이 24중량%가 되도록 희석하고, 반감기가 75일인 고정화 당화 효소 15㎖를 컬럼에 충진한 후, 유량을 24㎖/Hr로 일정하게 유지하면서 주입하여 연속 재당화를 실시하였다. 재당화 시의 온도는 50℃가 되도록 가온하였다. 연속식 재당화가 완료된 액은 실시 예1과 같은 방법으로 정제, 농축, 결정화의 과정을 거쳐 분무 건조하여 포도당 함량이 증가된 기존의 정제포도당과 품질 차이가 없는 분말포도당을 제조하였다. 제조한분말포도당은 고형분 92.5%, 수분 7.5%의 분말상으로 당 조성은 아래의 표 3과 같다.

연속식 재당화한 후 분말포도당의 당 조성 변화

일 수	1일	10일	20일	30일	40일	50일	60일	70일
단당류 증가량 (%)	3.61	3.97	3.97	4.77	3.42	2.10	2.52	2.43

본 발명의 기술을 이용하면, 종래기술에 비해 다음과 같은 장점을 얻을 수 있다. 1) 소량의 당화효소를 사용하여 단당류가 과량으로 함유된 당액의 단당류를 추가로 증가시킬 수 있다. 2) 포도당 제조시 부가적으로 발생되는 하이드롤을 이용하여 기존 분말포도당과 당조성이 유사한 포도당을 제조할 수 있다. 3) 2)의 이유로 종래의 하이드롤 재활용 방법의 단점들을 극복하여 비용을 절감할 수 있다. 즉, 주로 발효배지의 액상 탄소원으로 이용함으로 발생할 수 있었던 저장, 고결, 포도당 생산량 조절등의 문제를 해결하여 비용을 절감할 수 있다.

Claims (5)

1. 포도당 제조시 발생하는 탈수모액(하이드롤)을 이용하여 분말포도당을 제조하는 방법에 있어서,

   가) 하이드롤에 함유된 당류중 단당류의 함량을 증가시키는 단계,

   나) 농축, 결정화 및 분리 건조하는 단계를 포함하며,

   상기가)의 단계는;

   i) 하이드롤을 20~33중량%로 희석하여 50~60℃로 가온한 후,

   ii) 당화효소, 프로테아제, 또는 고정화 당화 효소 중 적어도 어느 하나 이상을 사용하여 재당화 하는 단계를 포함하며,

   상기나)의 단계는;

   i) 재당화된 용액에 함유 당류의 농도가 65~75중량%가 되도록 농축하고,

   ii) 이를 냉각시켜 결정화 한 후, 분리하여

   iii) 생성된 결정을 80~150℃의 열풍을 사용하여 건조하는 단계

   를 포함하는 분말포도당의 제조방법
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 재당화하는 단계는 α-아밀라제 또는 글루코아밀라제를 단독 또는 혼합하여 당화 효소로 이용하는 것을 특징으로 하는 분말포도당의 제조 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 재당화하는 단계는 α-아밀라제 또는 글루코아밀라제를 포함하는 당화 효소와 동시에 가지분해 효소인 프로테아제를 이용하는 것을 특징으로 하는 분말포도당의 제조 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 재당화하는 단계는 반감기가 75일인 고정화 당화 효소를 이용하여 연속적으로 재당화시키는 것을 특징으로 하는 분말포도당을 제조하는 방법.