KR101341721B1 - 부산물을 이용한 아미노산 비료 조성물의 제조방법 - Google Patents

부산물을 이용한 아미노산 비료 조성물의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 부산물을 이용한 아미노산 비료 조성물 제조 방법에 관한 것으로, 어피 부산물로부터 아미노산 비료 조성물과 고분자 콜라겐 및 저분자 콜라겐 펩타이드를 제조할 있으며, 이에 따라 폐기되는 어피를 이용하여 아미노산이 풍부한 비료 조성물과 고분자 콜라겐 및 저분자 콜라겐 펩타이드를 경제적으로 제조할 수 있다.

Description

부산물을 이용한 아미노산 비료 조성물의 제조방법{manufacturing process of amino acid fertilizer compositions by using marine by-products}
본 발명은 부산물을 이용한 아미노산 비료 조성물의 제조 방법에 관한 것이다.
어업 및 양식 어류의 가공 공정에서 발생되는 수산 부산물(머리, 꼬리, 내장 등)은 단백질 함량이 매우 높아 유기성 비료로 활용되거나, 고온 건조 과정을 거친 후 수분 조정제와 함께 발효시켜서 사료의 단백질원인 어분으로 활용되고 있다.
종래의 수산 부산물 어분 제조방법을 살펴보면, 어업 및 양식 어류 및 수산 부산물을 수증기로 증숙하거나 고온에서 건조한 후 미강(쌀겨)이나 야자박 등의 수분 조정제를 첨가하여 장시간 동안 발효시켜서 어분을 제조하게 된다.
이러한 수산 부산물 어분은 수분 조정제 첨가 및 발효 과정 등으로 인해 제조 원가 및 제조공정 시간이 증가되어 채산성이 떨어지는 문제가 있다. 또한 발효 과정 중에 악취 및 침출수 등의 발생으로 인해, 작업 위생이 떨어지고 환경에도 악영향을 미치게 된다.
또한, 수산 부산물 어분은 어류의 내장을 포함하기 때문에 내장에 들어있는 효소들에 의해 단백질이 변성되거나 부패될 수 있고, 뼈에 들어있는 인 성분에 의해 사료로 이용시 대상어들의 소화불량을 야기하여 소화장애 및 성장장애를 일으킬 수 있다는 문제점이 있다.
최근에는 아미노산 액상비료를 통한 제조 산업이 주를 이루고 있으며, 시판되는 제품의 경우 ‘아미노산 종합영양제’로 작물을 더욱 튼튼하게 하거나 아미노산 액비 직접 사용으로 질소효율을 높이고 생육 증진 효과에도 도움을 주는 제품이 있다. 또한 뿌리 착근 활착 촉진, 낙과 방지, 과실 비대 효과에도 우수한 성능을 주는 제품이 생산되고 있다.
식물은 아미노산을 식물체 내에서 자체적으로 합성하거나 외부로부터 흡수하여 단백질 형태로 저장 또는 대사에너지로 전환, 생리활성 등 다양한 용도로 사용한다. 또한 토양미생물의 영양원으로 작용하여 미생물의 증식을 활발하게 하며 식물의 뿌리활력과 토양 부식을 증대시킨다. 토양 부식은 보수력을 향상시키고, 각종 영양원을 고정화하여 토양의 생산력을 높이는 효과가 있다.
특히, 현재 사용하는 질소비료는 토양중에서 질산태(질산)로 전환되어 흡수되지만 작물체내의 질소는 대부분 아미노산과 같은 유기태질소(유기산)가 우선적으로 엽록체나 단백질로 전환되어 생육에 작용한다. 유기질소가 이용되어 일정 수준 이하가 되면 뿌리로부터 질산태질소를 흡수하여 다시 아미노산 등으로 전환하는 과정이 반복되므로 아미노산 액비를 직접 사용하는 경우 질소효율이 높고 단기간내에 생육효과가 나타나게 된다.
아미노산 비료로 개발된 것으로는 대개 식물이나 동물의 단백질을 가수분해하여 얻는데, 그러한 방법이 개시되어 있는 주요한 특허로는 곡물을 염산과 황산 혼합물로 가수분해하여 아미노산 혼합물을 얻는 방법에 관한 미국특허 2,555,276호가 있고, 단백질을 무수 유기용제-암모니아 혼합물로 가수분해하여 아미노산을 얻는 방법에 관한 미국특허 4,665,158호 등이 있다. 이러한 방법들은 순수한 아미노산을 얻기 위하여 제조과정에서 발생하는 불순물을 제거하기 위한 과정을 가지고 있고, 가수분해 시간이 오래 걸리며, 수율이 높지 않아 얻어지는 아미노산의 가격이 높다는 단점을 가지고 있으며, 또한 살균력이 없다는 단점이 있다.
콜라겐은 동물 체내에 가장 풍부하게 존재하는 단백질로서 체단백질의 약 30% 이상을 차지하며, 최소 19종류 (Type Ⅰ-ⅩⅨ) 이상인 것으로 밝혀져 있다(Nakamura, Y.N. et al., Relationship among collagen amount, distribution and architecture in the M. Longissimus thoracis and M. pectoralis profundus from pigs. Meat Science, 64, pp 43-50, 2003). 또한, 콜라겐은 동물의 결합조직의 주요 단백질이며, 조직이나 장기를 지탱하게 하고 체표를 둘러싸고 있어 체형을 유지시키는 역할을 한다. 특히 생체에서 피부, 연골, 뼈 등의 결합조직의 주요한 구성성분으로 40%는 피부, 20%는 뼈와 연골, 그 외 혈관과 내장 등 전신에 넓게 분포되어 있다.
콜라겐은 2중 나선구조를 하고 있는 근원섬유단백질과는 달리 3중 나선구조로, 그 직경이 약 14~15 nm, 길이는 280~300 nm, 평균 분자량은 약 300 KDa이며(Lehninger, A.L. Biochemistry, 2nd ed., pp.145, 1975), (Gly-X-Y)n과 같은 규칙적인 형태의 아미노산 배열을 가지며 섬유상 단백질의 기본단위 분자인 트로포콜라겐(tropocollagen) 분자 내 또는 트로포콜라겐(tropocollagen) 분자 간의 공유결합성 교차결합(crosslinking)에 의해 물리적, 생물학적으로 안정한 구조를 형성하고 있다(McClain, P.E. et al., Amino acid composition and cross-linking characteristics of collagen intramuscular connective tissue of striated muscle(Bos taurus). International Journal of Biochemistry, 2(7), pp 121-124, 1971).
콜라겐은 예전부터 피혁이나 젤라틴의 원료로서 응용되어 왔고 최근에는 그 응용분야가 더욱 다양해지고 있다. 식품 산업에서는 가식성 케이징(casing) 원료로 소세지(sausage), 살라미(salami) 등 육의 포장재에 이용되고 있다. 의약품에 응용되는 콜라겐은 화상이나 상처에 의해 손상된 피부에 대해 치유 효과가 있는 것으로 보고되고 있다(Jeyanthi, R. et al., Solid tumour chemotherapy using implantable collagen-poly (HEMA) hydrogel containing 5-fluorouracil. Journal of Pharmacy & Pharmacology, 43, pp.60-62, 1991). 이처럼 콜라겐은 식품, 의약품의 기능성 소재로 이용되고 있을 뿐만 아니라 피부의 보습성을 높이는 기능이 있어 화장품의 기초 재료 등 다양한 분야에 널리 이용되고 있다.
유통되는 콜라겐은 대부분 소, 돼지, 닭 등의 육상가축 유래 콜라겐으로 광우병, 돼지콜레라, 조류인플루엔자와 같은 병원성 인자에 대한 안전성 문제가 대두되어 일본에서는 해양생물 유래 콜라겐(이하 마린콜라겐)으로 대체되고 있는 실정이다.
최근의 여러 논문을 통하여 단백질 가수분해물로부터 얻어진 펩타이드가 주름 개선, 보습 증진, 탄력 증가와 특정 피부 효능을 나타낼 수 있는 잠재적인 소재로 활용되고 있으며, 대표적인 것이 콜라겐 가수분해물이다.
콜라겐 펩타이드라는 명칭으로 불리는 콜라겐 가수분해물은 돈피, 어류의 비늘 등에서 고분자 콜라겐을 추출한 후, 효소 분해 등의 후처리 과정을 통해 가수분해시켜 펩타이드 형태로 저분자화시킨 것을 말하며 최근에는 분자량을 1,000~5,000 정도까지 낮춘 콜라겐 제품들이 판매되고 있다.
한편, 현재까지 어피부산물은 음식물쓰레기로 분류되어 일반음식물과 같이 퇴비로 대부분 활용되었다. 건조한 어피는 단백질을 포함한 유용물질 함량이 90%이상이어서 활용도가 매우 높아 콜라겐 추출, 화장품, 건강보조식품, 접착제 등 다양하게 이용할 수 있다. 근래 콜라겐을 이용한 건강보조제, 화장품 등 다양한 상품이 상용화되고 있으나 많은 부분 수입에 의존하고 있다.
국내 1인당 수산물소비가 세계 1위인 일본과 앞뒤를 다투는 상황에서 점차 증가하는 어피부산물의 활용은 수입대체 및 양질의 수산단백질, 콜라겐의 공급으로 경제적 상승효과 및 친환경적 산업개발에 매우 적합하다.
또한, 콜라겐, 알부민, 미오신, 엘라스틴 등 다양한 고분자 단백질을 다량으로 함유하고 있어, 고품질의 콜라겐으로 활용이 가능하며, 어피 부산물의 단백질원으로서 이용은 생선회의 소비가 높은 국내에서 수거가 용이하며, 국내 해산어 양식도 꾸준히 이루어지고 있는 만큼 안정된 수량 확보를 기대할 수 있어 해산어류 어피부산물의 유효이용 가능성에 대한 평가가 절실한 상황이다.
이에 본 발명자들은 상기한 문제점을 해결하고 폐기되는 수산부산물의 제로 이미션을 목적으로 개발된 것으로 어류의 껍질인 어피 부산물을 이용하여 마린콜라겐을 분리해냄으로써 필수 아미노산이 풍부한 비료 조성물을 제조하고, 상기 알칼리 추출 후 알카리잔사를 산추출, 펩신소화 공정 등을 통한 마린콜라겐을 추출하고 이온교환크로마토그래피로 정제하여 고순도 마린콜라겐을 분리할 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명에서 해결하고자 하는 기술적 과제는 부산물을 이용하여 아미노산이 풍부한 비료 조성물 및 고부가가치의 마린콜라겐을 제조하는 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명에서 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 방법에 따라 제조된 아미노산 비료 조성물을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명에서 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 상기 방법에 따라 제조된 고분자 또는 저분자 마린콜라겐을 제공하기 위한 것이다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에서는 부산물을 이용한 아미노산 비료 조성물 제조 방법을 제공한다.
바람직하게, 본 발명의 아미노산 비료 조성물은 하기 단계를 포함하는 방법에 의해 제조될 수 있다:
(S1) 어피부산물을 분쇄하여 어피분말을 형성하는 분쇄단계;
(S2) 상기 어피분말을 알칼리 추출하여 단백질이 함유된 탈알칼리 용액을 수득하는 단계;
(S3) 상기 탈알칼리 용액을 알칼리 가수분해하여 아미노산 염 용액을 수득하는 단계;
(S4) 상기 아미노산 용액을 중화반응시켜 아미노산 액상비료를 수득하는 단계; 및
(S5) 상기 아미노산 액상비료에 미량요소를 첨가하는 단계.
바람직하게, 본 발명의 고분자 마린콜라겐은 하기 단계를 포함하는 방법에 의해 제조될 수 있다:
(S1) 어피 부산물을 분쇄하여 어피분말을 형성하는 분쇄단계;
(S2) 상기 어피분말을 알칼리 추출하여 비콜라겐성 단백질이 제거된 알칼리잔사를 수득하는 단계;
(S3) 상기 알칼리잔사에 산용액을 가하여 산추출하여 산가용성 콜라겐을 수득하는 단계;
(S4) 상기 산가용성 콜라겐을 펩신을 사용하여 소화시켜 펩신 가용화 콜라겐을 수득하는 단계; 및
(S5) 상기 펩신 가용화 콜라겐을 이온교환크로마토그래피를 수행하여 고분자 마린콜라겐을 수득하는 단계.
또한, 바람직하게, 본 발명의 아미노산 비료 조성물은 하기 단계를 포함하는 방법에 의해 제조될 수 있다:
상기 아미노산 비료 조성물의 제조가 하기 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:
(S1) 어피부산물을 분쇄하여 어피분말을 형성하는 분쇄단계;
(S2) 상기 어피분말을알칼리 가수분해하여 아미노산 염 용액을 수득하는 단계;
(S3) 상기 아미노산 용액을 중화반응시켜 아미노산 액상비료를 수득하는 단계; 및
(S4) 상기 아미노산 액상비료에 미량요소를 첨가하는 단계.
또한, 본 발명의 저분자 마린콜라겐은 하기 단계를 포함하는 방법에 의해 제조될 수 있다:
(S1) 어피 부산물을 분쇄하여 어피분말을 형성하는 분쇄단계;
(S2) 상기 어피분말을 알칼리 가수분해하여 알칼리잔사를 수득하는 단계;
(S3) 상기 알칼리잔사에 산용액을 가하여 산추출하여 산가용성 콜라겐을 수득하는 단계;
(S4) 상기 산가용성 콜라겐을 펩신을 사용하여 소화시켜 펩신 가용화 콜라겐을 수득하는 단계; 및
(S5) 상기 펩신 가용화 콜라겐을 이온교환크로마토그래피를 수행하여 저분자 마린콜라겐을 수득하는 단계.
상기한 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에서는 상기 방법에 따라 제조된 아미노산 비료 조성물을 제공한다.
상기한 또다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에서는 상기 방법에 따라 제조된 고분자 또는 저분자 마린콜라겐을 제공한다.
본 발명은 어피 부산물 폐기물을 발생시키지 않는 제로 이미션을 목적으로 하는 것으로 어피 부산물로부터 아미노산 비료 조성물과 고분자 콜라겐 및 저분자 콜라겐 펩타이드를 제조할 수 있으며, 이에 따라 폐기되는 부산물을 이용하여 아미노산이 풍부한 비료 조성물과 고분자 콜라겐 및 저분자 콜라겐 펩타이드를 경제적으로 제조할 수 있다.
도 1은 열풍건조한 넙치 어피 분말의 100배 광학현미경사진이고,
도 2는 동결건조한 넙치 어피 분말의 100배 광학현미경사진이고,
도 3은 농어의 등쪽 및 배쪽 피부 조직절편을 나타내는 사진이고,
도 4는 넙치의 등쪽 피부 조직절편을 나타내는 사진이고,
도 5는 넙치의 배쪽 피부 조직절편을 나타내는 사진이고,
도 6은 조피볼락의 등쪽 및 배쪽 피부 조직절편을 나타내는 사진이고,
도 7은 참돔의 등쪽 및 배쪽 피부 조직절편을 나타내는 사진이고,
도 8은 본 발명의 전체 공정을 도식화하여 나타낸 것이다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에서는 부산물을 이용한 아미노산 비료 조성물 및 마린콜라겐 생산을 통한 제로 이미션 방법을 제공한다.
본 발명에서 제로 이미션이란 어류와 같은 수산물의 내장, 꼬리, 머리, 껍질 등의 폐기물을 발생시키지 않고 제로화 될 수 있도록 수산물의 부산물을 가공 처리하는 것을 의미한다.
바람직하게, 본 발명에서 상기 수산물은 농어, 조피볼락, 넙치 및 참돔으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 어류인 것을 특징으로 하며, 어류의 머리, 꼬리, 내장 및 껍질로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 바람직하게 수산 부산물로서 어피 부산물을 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 수산 부산물의 알칼리 추출 잔사로 고분자 콜라겐 수득 방법과 수산 부산물의 알칼리 가수분해 잔사로 저분자 마린콜라겐 펩타이드 수득 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 아미노산 비료 조성물의 제조는 하기 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다:
(S1) 어피부산물을 분쇄하여 어피분말을 형성하는 분쇄단계;
(S2) 상기 어피분말을 알칼리 추출하여 단백질이 함유된 탈알칼리 용액을 수득하는 단계;
(S3) 상기 탈알칼리 용액을 알칼리 가수분해하여 아미노산 염 용액을 수득하는 단계;
(S4) 상기 아미노산 용액을 중화반응시켜 아미노산 액상비료를 수득하는 단계; 및
(S5) 상기 아미노산 액상비료에 미량요소를 첨가하는 단계.
바람직하게, 본 발명에서는 상기 단계 (S2)에서 알칼리 추출을 0.05 내지 0.2M 농도의 수산화 나트륨, 수산화 칼슘 또는 수산화 칼륨을 이용하여 수행하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 본 발명에서는 상기 단계 (S3)에서 수득된 탈알칼리용액 10 내지 50 중량%에 대해 수산화 나트륨, 수산화 칼슘 또는 수산화 칼륨을 함유한 10 내지 30% 알칼리 수용액 50 내지 90중량%를 혼합하여 알칼리 가수분해를 수행하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 본 발명에서는 상기 알칼리 가수분해를 상압 또는 가압조건하에 30 내지 200℃의 온도로 반응시켜 탈알칼리 용액에 함유된 불용성 단백질 이외에 올리고펩타이드 염 또는 아미노산염을 포함하는 혼합물로 수득하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 본 발명에서는 상기 단계 (S4)에서 중화반응을 인산, 염산 및 황산으로 이루어진 군에서 선택된 무기산 또는 아세트산의 유기산을 사용하여 수행하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 본 발명에서는 상기 고분자 마린콜라겐의 제조가 하기 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
(S1) 어피 부산물을 분쇄하여 어피분말을 형성하는 분쇄단계;
(S2) 상기 어피분말을 알칼리 추출하여 비콜라겐성 단백질이 제거된 알칼리잔사를 수득하는 단계;
(S3) 상기 알칼리잔사에 산용액을 가하여 산추출하여 산가용성 콜라겐을 수득하는 단계;
(S4) 상기 산가용성 콜라겐을 펩신을 사용하여 소화시켜 펩신 가용화 콜라겐을 수득하는 단계; 및
(S5) 상기 펩신 가용화 콜라겐을 이온교환크로마토그래피를 수행하여 고분자 마린콜라겐을 수득하는 단계.
바람직하게, 본 발명에서는 상기 단계 (S2)에서 알칼리 추출을 0.05 내지 0.2M 농도의 수산화 나트륨, 수산화 칼슘 또는 수산화 칼륨을 이용하여 수행하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 본 발명에서는 상기 단계 (S3)에서 산용액이 초산인 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 본 발명에서는 상기 단계 (S3)에서 알칼리잔사와 산용액을 1:5 내지 10의 중량비로 혼합한 다음 실온에서 12 내지 24시간 동안 교반한 후 원심분리기를 이용하여 상등액을 분리하여 산 가용성 콜라겐을 수득하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서는 하기 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 아미노산 비료 조성물의 제조방법을 제공한다:
(S1) 어피부산물을 분쇄하여 어피분말을 형성하는 분쇄단계;
(S2) 상기 어피분말을알칼리 가수분해하여 아미노산 염 용액을 수득하는 단계;
(S3) 상기 아미노산 용액을 중화반응시켜 아미노산 액상비료를 수득하는 단계;
(S4) 상기 아미노산 액상비료에 미량요소를 첨가하는 단계.
또한, 본 발명에서는 하기 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저분자 마린콜라겐 펩타이드의 제조방법을 제공한다:
(S1) 어피 부산물을 분쇄하여 어피분말을 형성하는 분쇄단계;
(S2) 상기 어피분말을 알칼리 가수분해하여 알칼리잔사를 수득하는 단계;
(S3) 상기 알칼리잔사에 산용액을 가하여 산추출하여 산가용성 콜라겐을 수득하는 단계;
(S4) 상기 산가용성 콜라겐을 펩신을 사용하여 소화시켜 펩신 가용화 콜라겐을 수득하는 단계; 및
(S5) 상기 펩신 가용화 콜라겐을 이온교환크로마토그래피를 수행하여 저분자 마린콜라겐을 수득하는 단계.
한편, 본 발명에서는 상기 방법에 따라 제조된 아미노산 비료 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명에서는 상기 방법에 따라 제조된 고분자 또는 저분자 마린콜라겐을 제공한다.
이하에서는 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.
<알칼리 추출>
본 발명의 어피 부산물을 이용한 아미노산 비료 조성물 및 마린콜라겐의 제조방법에서 상기 알칼리 가수분해는 0.05 내지 0.2M 농도의 수산화 나트륨, 수산화 칼슘 또는 수산화 칼륨과 같은 알칼리 금속이온을 사용하여 수행되며, 더욱 바람직하게는 0.1 M의 수산화 나트륨을 사용한다.
<알칼리 가수분해>
1. 알칼리 가수분해 조건 확립
수산 부산물의 유용화 자원화를 위한 조건으로는 부산물의 완전 분해를 통하여 2차적인 부산물이 발생하지 않고, 반응물 및 생성물의 활용성이 우수하며, 공정이 단순하여 작업시간과 처리시간이 짧아야 하며, 유해성이 없어야 한다.
부산물 수급이 양호하며, 생산품의 시장성이 있고, 자원화 비용이 경제성이 있어야 한다. 이러한 조건에 부합하는 수산 부산물인 어피(어류 피부조직)의 가수분해를 통한 아미노산 비료 제조가 가장 적합하다.
단백질의 가수분해는 단백질의 펩타이드 결합을 산이나 알칼리로 가수분해하여 아미노산 또는 펩타이드를 생성하는 화학 반응으로서, 프로테올리시스(proteolysis)라고도 한다. 현재 단백질을 가수분해하는 방법으로는 열가수분해, 산-가수분해, 알카리-가수분해, 효소를 이용한 가수분해가 알려져 있으며 산-가수분해가 많다.
2. 가수분해반응 메커니즘
단백질을 포함하는 폐기물 또는 부산물을 알칼리 가수분해하면 반응 용기 내에는 생성된 아미노산염 및 과량의 알칼리가 존재하게 된다. 알칼리 가수분해 반응식은 다음 반응식 1과 같다.
[반응식 1]
NH2-CHR-CO-(NH-CHR-CO)n-2-NH-CHR-COOH + nMOH → nNH2-CHR-COOM
상기 식에서,
M은 나트륨, 칼슘, 칼륨이온 등의 금속 이온을 의미하며,
R은 알킬기이고, n과 m은 정수를 의미한다.
상기 반응식 1은 아미노산염을 생성하기 위한 가수분해 반응식이다. 아미노산염에 산을 첨가하게 되면 하기 반응식 2 내지 4와 같은 반응으로 중화 반응을 거쳐 등전점을 지나 산 영역에서 새로운 음이온 염이 아미노산의 아민염 형태로 되어 금속이 제거된다.
[반응식 2]
nNH2-CHR-COOM + aMOH + aHA → nNH2-CHR-COOM + aMA
[반응식 3]
nNH2-CHR-COOM + nHA → nNH3+-CHR-COO- + MA
[반응식 4]
nNH3+-CHR-COO- + nHA → nA-NH3+-CHR-COOH
상기 식에서,
M은 금속 이온, HA는 산을 의미하며,
n과 a는 정수를 의미한다.
상기 반응식 2는 가수 분해된 아미노산염과 과량의 알칼리에 산을 적정하여 과량의 알칼리를 제거하는 반응식이다. 반응식 3은 아미노산염에 산을 가하면 등전점(isoelectric point)을 지나 아미노산이 형성되는 반응식이다. 반응식 4는 과량의 산과 아미노산의 양쪽성에 의해 새로운 음이온 염이 형성되는 반응식이다.
3. 가수분해를 위한 압력조건
알칼리추출 부산물의 가수분해를 통한 아미노산을 제조하기 위한 조건을 확립하기 위하여 압력과 가수분해 물질에 따른 단백질의 분해능을 확인하고 아미노산의 함량 및 성분을 분석한다. 반응압력에 따른 아미노산의 농도와 분자량을 수산화나트륨(NaOH) 및 수산화칼륨(KOH)을 이용해 규명하고자 한다.
<중화공정>
비료로서 사용하기 위해서는 pH 6.5~9.0 정도로 사용되어야 토질의 산성화 및 과다 염류 축적을 예방할 뿐만 아니라 염류 장애가 이미 발생한 토양의 친환경적 복원에도 기여가 가능하다. 상기 중화공정에는 알칼리 가수분해용액의 pH를 조절하기 위하여 염산, 인산, 황산 등 무기산 및 유기산을 사용할 수 있다. 더욱 바람직하게는 액상비료의 원료가 되는 인산을 사용한다.
< 마린콜라겐 제조>
펩신 가용화 콜라겐의 조제
어류의 피부조직은 마린테크노에서 자체 개발한 방법(특허 10-1035727)으로 건조 및 분말화하여 10배량의 0.1 M 수산화나트륨으로 균질화하여 알칼리추출을 통해 비콜라겐성 단백질과 내인성 콜라겐 분해효소를 효율적으로 제거한다.
증류수로 세척한 알칼리잔사는 다시 0.5 M 초산에서 돼지 펩신(EC 3.4.23.1; crystallized and lyophilized, Sigma, MO)으로 교반한 다음 원심분리(10,000g, 20분) 후 얻어진 상등액에 2.0M 염화나트륨을 넣어 침전된 콜라겐획분을 증류수로 투석하여 펩신 가용화콜라겐을 얻을 수 있다.
보다 구체적으로, 어피분말을 알칼리 용액으로 수산화나트륨 또는 수산화칼륨 용액을 이용할 수 있다. 어피분말과 알칼리 용액을 1:5 내지 10의 중량비로 혼합한 다음 실온(20~25℃)에서 12 내지 24시간 동안 교반한 후 원심분리기를 이용하여 비콜라겐성 단백질이 제거된 알칼리잔사를 분리한다. 수득한 알칼리잔사를 증류수로 세척한 다음 산용액을 가해 콜라겐을 추출한다. 산용액으로 염산, 황산 등의 무기산 또는 아세트산 등의 유기산을 이용할 수 있다. 알칼리잔사와 산용액을 1:5 내지 10의 중량비로 혼합한 다음 실온(20~25℃)에서 12 내지 24시간 동안 교반한 후 원심분리기를 이용하여 상등액을 분리하여 산 가용성 콜라겐을 수득한다.
이어서, 이온크로마토그래피 시스템을 이용하여 아래와 같이 진행한다. 펩신가용화콜라겐은 20 mM Na2HPO4에서 투석하여 펩신을 불활성화 한다음 2 M 요소를 포함한 50 mM 초산용액(pH 4.8)에서 투석하여 인산셀률로오스(P11, Whatman, Maidstone, UK)를 충진한 컬럼에서 0600 mM NaCl의 linear gradient(60 ml/h)로 진행한다.
230 nm에서 용출된 획분은 2.0 M NaCl을 포함한 0.5 M 초산용액으로 침전시켜 원심분리로 회수한 다음 증류수로 투석, 동결건조한 다음 고순도 마린콜라겐을 수득할 수 있다.
본 발명에 적용된 어피는 모든 어류의 껍질이 적용될 수 있으나, 바람직하게는 농어, 조피볼락, 넙치, 참돔을 포함하는 어류에서 선택된 적어도 어느 하나이다. 상기 4종류의 어류는 국내 양식 어류의 약 90%이상(2009년 기준)을 차지하므로 상대적으로 확보가 용이하다. 더욱 바람직하게 어피는 넙치의 껍질이다. 넙치의 껍질은 다른 3종류의 어종(농어, 조피볼락, 참돔)과 비교해 양식생산량이 2배 이상 높아 원료 확보가 용이하고, 넙치는 대부분 횟감으로 사용 후, 뼈는 매운탕으로 활용되는 경우는 있으나 껍질은 활용되는 경우가 없다. 또한 3종류 어종의 껍질과 비교해 비늘을 포함해도 회분 함량이 낮게 나타나, 비늘 제거과정이 필요가 없으며, 단백질 함량과 함께 지질함량도 높아 다른 어종의 어피에 비해 성분조성에도 유리하다.
본 발명은 어피 부산물을 알칼리 추출 후 불용성 단백질(콜라겐 획분) 이외를 알칼리 가수분해하는 것을 특징으로 하는 비료 조성물의 제조방법을 제공하며, 이에 따라 폐기되는 어피 부산물을 이용하여 아미노산이 풍부한 비료 조성물을 경제적으로 제조할 수 있다.
본 명세서에서, "비료"는 식물에 영양분을 공급하고 식물의 성장을 촉진하는 조성물을 의미한다. 본 발명의 조성물은 액상이거나 분말상 등 고체상일 수 있다. 특히 액상의 농축물일 수 있으며, 사용시에는 물 등의 액체로, 또는 흙, 모래, 토탄 등의 고체로 희석시켜 사용할 수 있다. 바람직하게는 물로 희석시켜 사용하는 경우이다.
본 발명의 조성물은 수분의 흡수와 유지를 위하여 습윤제를 추가로 포함할 수 있다. 사용될 수 있는 습윤제의 예로서는 프로판 디올, 폴리에틸린 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜(polypropylene glycol), 디프로필렌 글리콜(dipropylene glycol) 등의 다가 알콜과, 글리세린, 글리세롤, 솔비톨 등을 들 수 있다. 이러한 습윤제도 본 발명의 비료 조성물 1kg 당 0.001kg 내지 0.5kg 범위로 포함될 수 있다.
본 발명의 조성물은 표면장력을 줄여 본 발명의 조성물의 식물에 의한 흡수를 촉진시키기 위하여 계면활성제를 추가로 포함할 수 있다. 사용될 수 있는 계면활성제로서는 폴리옥시에틸렌솔비탄 지방산 에스테르, 폴리옥시에틸렌 지방산 에스테르, 디에탄올아민, 로릴황산나트륨(sodiumlaurylsulfate), 디에탄올아민(diethanolamine), 알킬 벤젠 술폰산나트륨, 알킬 염화암모늄(alkyl ammonium chloride) 등을 들 수 있다. 이러한 계면활성제는 본 발명의 비료 조성물 1kg 당 0.0001kg 내지 0.05kg 범위로 포함될 수 있다.
본 발명의 조성물은 무기 영양 원소를 추가로 포함할 수 있는데, 예컨대 그러한 무기 영양 원소로서는 칼륨, 마그네슘, 나트륨, 코발트, 구리, 철, 망간, 몰리브덴, 아연 등일 수 있다.
본 발명의 조성물은 공지의 살충제, 제초제, 식물 호르몬 등을 추가로 포함하거나 이들과 혼합되어 사용될 수 있다.
본 발명의 조성물은 쌍자엽 식물과 단자엽 식물 모두에 적용될 수 있다. 바람직하게는 농작물 특히 식용작물에 적용될 수 있다.
본 발명의 조성물이 적용될 수 있는 식물의 구체적인 예로서는 멜론, 대두, 애기장대, 담배, 가지, 고추, 페튜니아, 감자, 토마토, 배추, 유채, 양배추, 목화, 상추, 복숭아, 배, 딸기, 수박, 참외, 오이, 당근, 사과, 배, 호박, 벼, 보리, 밀, 호밀, 옥수수, 사탕수수, 귀리, 양파, 바나나, 감, 복숭아, 감귤, 무화과, 오이, 잔디 등을 포함한다.
본 발명의 조성물은 통상적인 비료 조성물과 동일한 방법으로 식물에 시비될 수 있다.
본 발명의 조성물을 작물에 시비할 때는 1~3,000배, 바람직하게는 500~2,000 배까지 희석하여 사용될 수 있으며, 재배 기간 동안 1~7 회 범위로 시비될 수 있다.
본 발명의 조성물의 적절한 시비 방법이나 시비량은 식물의 종류, 본 발명의 조성물의 성상, 희석 농도, 시비 횟수, 식물의 생장 정도 등에 달라질 수 있으며, 당업자는 그의 통상의 능력 범위 내에서 적절한 시비 방법이나 시비량을 결정할 수 있다.
본 발명의 조성물은 식물 재배 시 통상적으로 사용하는 무기질 또는 유기질 성분을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 질소, 인산, 칼륨이 함유된 것, 더욱 바람직하게는 질소, 인산, 칼륨, 무기물 및 미량원소가 함유될 수 있으나 식물 재배시 통상적으로 사용하는 것을 사용하는 것으로 이에 제한되지 않는다. 상기 무기물은 칼슘, 마그네슘, 황, 철 중에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있고, 상기 미량원소는 망간, 구리, 아연, 붕소, 몰리브덴 중에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
이하, 본 발명의 내용을 하기 실시예 및 실험예를 통하여 구체적으로 설명한다. 이는 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 권리 범위를 하기의 실시 예 및 실험예로 한정하는 것은 아니다.
<어피의 특성>
농어, 넙치, 조피볼락, 참돔으로부터 분리한 어피를 제 1, 제 2, 제 3, 제 4시험시료로 이용하였다.
1. 일반성분 분석
4종류의 어피에 대해 일반성분을 분석하여 하기 표 1에 나타냈다. 일반성분 분석은 AOAC(2000)방법에 따라 분석하였다. 수분은 105℃ 건조법, 회분은 550℃ 직접회화법, 지방은 soxhlet 추출법, 단백질은 micro-Kjeldahl법을 적용하였다.
구분
 수분(%)
 건중량(%)
조단백질 조지방 회분
제 1시험시료 81.10 ±0.43 72.81 ±0.43 25.47 ±2.59 1.80 ±0.17
제 2시험시료 80.87 ±1.07 88.91 ±3.64 17.07 ±0.45 1.97 ±0.15
제 3시험시료 79.37 ±0.56 80.59 ±1.68 5.10 ±0.71 10.90 ±1.87
제 4시험시료 76.11 ±0.31 94.11 ±0.31 4.10 ±1.36 0.70 ±0.00
상기 표 1을 살펴보면, 4종의 어류 중 넙치의 어피가 단백질 함량이 높으면서도 지질함유량도 높은 것으로 나타났다.
2.아미노산 분석
구성아미노산을 분석하기 위해 시료 0.5g을 18ml test tube에 칭량하여 6N HCl 3ml를 가한 다음 진공펌프를 이용하여 test tube를 sealing하였다.
sealing한 test tube는 121℃로 setting된 heating block에 24시간 동안 가수분해시킨다. 가수분해가 끝난 시료는 50℃, 40 psi의 rotary evaporator로 산을 제거한 후 Sodium loading buffer로 10ml 정용한 다음, 이 중 1ml를 취하여 membrane filter로 여과하여 아미노산 분석기로 정량분석하여 그 결과를 하기 표 2에 나타냈다.
구성아미노산
(mg/100g)		 제 1시험시료 제 2시험시료 제 3시험시료 제 4시험시료
Asp 3334 3187 3362 3088
Thr 1579 1391 1358 1424
Ser 2072 2204 2509 2268
Glu 5745 5216 5221 4249
Pro 6940 5737 5271 5744
Gly 11384 10845 10383 11080
Ala 5159 4628 4206 4835
Cys 112 153 195 193
Val 1373 1325 1448 1205
Met 1110 1144 990 1128
Ile 834 763 807 594
Leu 1820 1643 1677 1415
Tyr 479 446 461 441
Phe 1475 1336 1352 1300
His 1086 1010 1099 9248
Lys 2052 1943 1946 1968
Arg 4589 4199 4051 4202
Total 53332 48779 78217 56413
*EAA 15918 14754 14727 22484
*EAA(필수아미노산):Thr, Val, Met, Ile, Leu, Phe, His, Lys, Arg
상기 표 2의 결과를 살펴보면, 구성 아미노산인 프롤린, 글리신 등의 수치가 높게 나타났는데, 이는 어피의 주성분이 콜라겐으로 구성되어 있음을 나타내는 것이다.
4.조직학적 관찰
광학현미경 표본제작을 위해 어류의 피부를 절취한 시료들은 Drury and Wallington(1980)의 방법에 따라 aqueous Bouin's solution에 12시간 동안 고정한 다음, 24시간 동안 수세하였다. 그 후 ethanol을 이용한 단계별 탈수 후 Paraplast(McCormick, USA)에 포매하였다. 포매된 시료는 microtome(RM2235, Leica, Germany)을 이용하여 4-6μm 두께로 연속절편하여 조직표본을 만들었다. 제작된 조직표본은 Mayer's hematoxylin-eosin(H-E) 염색, alcian blue-periodic acid and Schiff's solution(AB-PAS, pH 2.5) 반응, Masson's trichrome 염색을 한 후 광학현미경으로 관찰하였고, 그 결과를 도 1 내지 도 5에서 보여주고 있다.
각 사진에서 Cc: 곤봉상세포(Club cell), Cf: 교원섬유(collagen fiber), Dl: 진피층(dermal layer), El: 상피층(epidermal layer), Mc: 점액세포(mucous cell), Mf: 근섬유(muscle fiber)을 의미한다.
도 1은 농어의 등쪽 및 배쪽 피부를 나타내는 것으로서, A는 등쪽 피부조직의 AB-PAS reaction 후 사진이고, B는 등쪽 피부조직의 Masson's trichrome 염색 후 사진이고, C는 배쪽 피부조직의 AB-PAS reaction 후 사진이고, D는 배쪽 피부조직의 Masson's trichrome 염색 후 사진이다. 도 2는 넙치의 등쪽 피부를 나타내는 것으로서, A는 H-E 염색 후 사진이고, B는 AB-PAS reaction 후 사진이고, C는 Masson's trichrome 염색 후 사진이다. 도 3은 넙치의 배쪽 피부를 나타내는 것으로서, A는 H-E 염색 후 사진이고, B는 AB-PAS reaction 후 사진이고, C는 Masson's trichrome 염색 후 사진이다. 도 4는 조피볼락의 등쪽 및 배쪽 피부를 나타내는 것으로서, A 및 B는 등쪽 피부조직의 Masson's trichrome 염색 후 사진이고, C 및 D는 배쪽 피부조직의 Masson's trichrome 염색 후 사진이다. 도 5는 참돔의 등쪽 및 배쪽 피부를 나타내는 것으로서, A 및 B는 등쪽 피부조직의 Masson's trichrome 염색 후 사진이고, C는 H-E 염색 후 사진이고, D는 Masson's trichrome 염색 후 사진이다.
도 3 내지 도 7을 참조하면, 참돔, 농어의 등쪽과 배쪽 피부계는 상피층, 진피층, 피하조직층 및 근육층으로 이루어져 있었고, 농어의 진피층은 등쪽과 배쪽 모두 잘 발달된 교원섬유로 이루어져 있었다. 넙치의 등쪽, 배쪽 피부계는 일반적인 구조인 상피층과 진피층으로 구성되어 있었고, 진피층은 교원섬유로 이루어져 있었다. 조피볼락의 등쪽과 배쪽 피부계 역시 상피층과 진피층으로 이루어져 있었고, 등쪽의 진피층은 교원섬유와 일부 근섬유가 포함된 구조를 하고 있었으며, 배쪽은 잘 발달된 교원섬유로 이루어져 있었다. 이렇듯 4종류의 어종 모두 등쪽 또는 배쪽의 진피층에 콜라겐 섬유인 교원섬유가 주로 발달된 것을 알 수 있었고, 어류의 피부 두께로 보았을 때, 상피에서 진피층의 두께가 가장 두꺼운 것으로 나타나, 넙치어피가 이용가능 부피가 넓어 콜라겐 섬유 단백질을 활용할 수 있는 가장 좋은 재료원임을 확인할 수 있었다.
참고로, 4종의 어류의 피부두께는 하기 표 3과 같다.
구분 부위 상피~진피층(um) 상피층(um)

농어		 등쪽 485.44 72.380
배쪽 490.278 75.823

넙치		 등쪽 540.237 49.231
배쪽 736.923 43.077

조피볼락		 등쪽 367.098 20.127
배쪽 528.481 23.418

참돔		 등쪽 287.447 18.515
배쪽 407.595 67.599
<실시예 1> 아미노산 비료 조성물 제조
농어로부터 분리된 어피를 세척한 후 -45℃에서 15시간 동안 급속동결시킨 다음 0.5torr의 진공도를 가진 동결건조기에서 -40℃로 48시간 동안 건조시킨 후 분쇄하여 어피 분말을 제조하였다. 어피분말과 0.1M의 수산화나트륨 용액을 1:10의 중량비로 혼합한 다음 20℃에서 18동안 교반한 후 원심분리기를 이용하여 아미노산염 용액을 수득하였다.
<실시예 2 내지 4> 아미노산 비료 조성물 제조
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 비료 조성물을 제조하되, 농어 대신에 넙치, 조피볼락, 참돔으로부터 각각 분리된 어피 분말을 이용하였다.
<실시예 5> 마린콜라겐 제조
농어로부터 분리된 어피를 세척한 후 -45℃에서 15시간 동안 급속동결시킨 다음 0.5torr의 진공도를 가진 동결건조기에서 -40℃로 48시간 동안 건조시킨 후 분쇄하여 어피 분말을 제조하였다.
어피분말과 0.1M의 수산화나트륨 용액을 1:10의 중량비로 혼합한 다음 20℃에서 18동안 교반한 후 원심분리기를 이용하여 비콜라겐성 단백질이 제거된 알칼리잔사를 분리하였다. 그리고 알칼리잔사를 증류수로 세척한 다음 알칼리잔사와 0.5M 초산용액을 1:10의 중량비로 혼합한 다음 20℃에서 18동안 교반한 후 원심분리기를 이용하여 상등액을 분리하여 산 가용성 콜라겐(ASC)을 수득하였다.
그리고 산 가용성 콜라겐 5중량%, 정제수 94.5중량%, 에탄올 0.5중량%를 혼합하여 제 1시료를 준비하였다.
<시험예 1>
상기 실시예 1 내지 실시예 4에서 제조된 비료 조성물에 대하여 성분검사를 수행하여 하기 표 4에 나타내었다.
주요 지표 단 위 최종 개발목표 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4
1. 중금속(납으로서) ppm 20 이하 13 12 11 13
2. 비소 ppm 2 이하 1 1 1.2 0.9
3. 일반생균수 CFU/g 5,000 3,000 3,400 2,900 3,700
4. 대장균수 CFU/g 5,000 2,000 2,300 1,700 2,500
5. 곰팡이·효모수 개/g 10 8 7 8 9
6. 질소전량 % 3.2 3.1 3.0 2.7 3.1
7. 수용성인산 % 2.2 2.2 2.3 2.1 2.0
8. 수용성 칼리 % 6.2 6.0 5.8 6.1 6.2
9. 기능성 비료 수율 % 30 30 30 30 30
상기 표 4에서 보듯이, 본 발명에 따라 제조된 비료 조성물은 최종 목표로 하는 기준치에 모두 부합되는 우수한 비료 조성물로서 아미노산 성분이 풍부하고 금속 성분이 제거된 것을 알 수 있다. 또한, 비료 수율면에서도 월등히 향상되었음을 알 수 있다.
<시험예 2>
상기 실시예 1에서 수득한 샘플 A를 살포 용액으로 준비하고, 살포 대상은 벼(동안벼)와 옥수수로 선정한 후, 벼의 경우에는 환경 변화에 따른 수확량 변화를 조사하기 위하여 실험실 내에 페트(PET) 용기에서 재배하는 경우와 직접 노지에서 재배하는 경우를 비교하였다.
또한, 분얼이 이미 완료된 개체에 대하여 살포함으로써 수확량에 미칠 수 있는 분얼의 차이 효과를 배제하였다.
본 발명에서 각 작물에 살포한 비료의 식물 생장 촉진 효과를 확인하기 위하여 벼의 경우에는 수확 후의 간장, 무게, 알곡 무게, 천립중 등을 기록하였고, 옥수수의 경우에는 수확 후의 개체 무게를 기록하여 분석하였다.
구 분 벼의 총무게
(평균, g)		 무처리구 대비
무게증가량(%)		 알곡 총무게
(평균, g)		 무처리구 대비
수확증가량(%)
샘플 A 119.1 21.6 19.2 44.4
무처리구 97.9 0.0 13.3 0.0
표 5는 실시예 1에서 제조된 본 발명의 어피 부산물을 함유하는 비료 조성물을 희석하여 살포한 처리구의 경우, 무게 증가량은 무처리구와 비교하였을 때 20% 이상 증가하는 경향을 나타내고, 특히 알곡 총 무게는 40% 이상 증가하여 무처리구 대비 수확량의 증가는 더욱 현저함을 알 수 있다.
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이상, 본 발명은 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
본 발명은 어피 부산물을 비롯한 수산 가공 부산물의 제로 이미션을 목적으로 하는 것으로 부산물로부터 아미노산 비료 조성물과 고분자 콜라겐 및 저분자 콜라겐 펩타이드를 제조할 있으며, 이에 따라 폐기되는 폐기물을 이용하여 아미노산이 풍부한 비료 조성물과 고분자 콜라겐 및 저분자 콜라겐 펩타이드를 경제적으로 제조할 수 있다.

Claims (9)

  1. 수산부산물을 이용한 아미노산 비료 조성물의 제조 방법으로서, 하기 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:
    (S1) 어피부산물을 분쇄하여 어피분말을 형성하는 분쇄단계;
    (S2) 상기 어피분말을 알칼리 추출하여 단백질이 함유된 탈알칼리 용액을 수득하는 단계;
    (S3) 상기 탈알칼리 용액을 알칼리 가수분해하여 아미노산 염 용액을 수득하는 단계;
    (S4) 상기 아미노산 용액을 중화반응시켜 아미노산 액상비료를 수득하는 단계; 및
    (S5) 상기 아미노산 액상비료에 미량요소를 첨가하는 단계.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 수산부산물이 농어, 조피볼락, 넙치 및 참돔으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 어류이고, 어류의 머리, 꼬리, 내장 및 껍질로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 (S2)에서 알칼리 추출을 0.05 내지 0.2M 농도의 수산화 나트륨, 수산화 칼슘 또는 수산화 칼륨을 이용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 (S3)에서 수득된 탈알칼리용액 10 내지 50 중량%에 대해 수산화 나트륨, 수산화 칼슘 또는 수산화 칼륨을 함유한 10 내지 30% 알칼리 수용액 50 내지 90중량%를 혼합하여 알칼리 가수분해를 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 알칼리 가수분해를 상압 또는 가압조건하에 30 내지 200℃의 온도로 반응시켜 탈알칼리 용액에 함유된 불용성 단백질 이외에 올리고펩타이드 염 또는 아미노산염을 포함하는 혼합물로 수득하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 (S4)에서 중화반응을 인산, 염산 및 황산으로 이루어진 군에서 선택된 무기산 또는 아세트산의 유기산을 사용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
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