KR101361727B1 - 커피찌꺼기를 이용한 미생물 배양용 배지 제조 방법 및 이를 이용한 ｌ（＋）형 젖산 생산방법 - Google Patents

커피찌꺼기를 이용한 미생물 배양용 배지 제조 방법 및 이를 이용한 ｌ（＋）형 젖산 생산방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 커피찌꺼기를 이용한 미생물 배양용 배지 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 커피찌꺼기를 이용한 미생물 배양용 배지는, 버려지는 커피 찌꺼기를 이용함으로써 비용을 절감할 수 있어 매우 경제적이다. 또한, 본 발명에 따른 커피찌꺼기 유래 가용당을 포함하는 미생물 배양용 배지에 젖산 생산 미생물을 배양함으로써 배지에 포함된 가용당을 고효율로 젖산으로 전환시킬 수 있어 경제적이며 효율적이다.

Description

커피찌꺼기를 이용한 미생물 배양용 배지 제조 방법 및 이를 이용한 Ｌ（＋）형 젖산 생산방법{Method for preparing medium for microbial culture using coffee ground and producing method for L(+) lactic acid using the same}
본 발명은 커피찌꺼기를 이용한 미생물 배양용 배지 제조방법과 이를 이용한 L(+)형 젖산 생산에 관한 것이다.
미생물 배양에 있어서 원료물질로 탄수원, 질소원, 일반 무기염류 등의 배지분이 사용되고 있으며, 탄소원, 질소원, 무기염류가 혼합된 형태의 추출물, 소화물 등이 사용되고 있다. “추출물”로 가장 많이 사용되는 것으로 효모 발효 추출물(yeast extract), 소고기 추출물(beef extract), 맥아 추출물(malt extract) 등이 있다. “소화물”은 펩톤 등의 가수분해 산물로, 단백질을 원료로 하여 산, 효소 등의 처리를 통해 아미노산 등 미생물 필수 영양원으로 사용될 수 있도록 제조된 물질을 말한다. 예를 들어, 소화물은 우유, 콩, 육류, 미생물 등의 단백질 함유물질을 원료로 제조된다. 이러한 물질들은 생체물질을 원료로 하며, 생체 발육에 필요한 여러 가지 비타민, 무기물, 탄소원, 질소원 등을 균형있게 포함하고 있어 미생물 배양용 배지 성분의 주원료로 사용되고 있다. 예로서 LB 배지(Luria-Bertani medium)의 경우 효모 추출물(Yeast extract)과 트립신에 의해 소화된 단백질 가수분해물인 트립톤이 포함되어 있으며, 효모 배양 시 많이 사용되는 YM 배지도 효모 추출물과 맥아 추출물이 포함되어 있다. 이러한 추출물은 미생물 성장에 중요한 역할을 하며, 산업적 미생물 배양에 있어서 가장 중요한 성분이다.
한편, 우리나라에서 발생되는 커피 찌꺼기 폐기물의 처리는 지금까지 대부분 매립이나 소각에 의존해왔는데, 매립 처리법은 커피의 카페인, 탄닌(Tannin) 성분과 여타 다른 성분 등으로 인해 토양과 여타 생물에 어떤 영향을 끼칠지 알 수 없고, 소각처리법은 연소가스가 발생하여 대기오염을 일으킬 수 있다.
그럼에도 우리나라의 커피 소비량은 국민 1인당 1년에 333잔을 소비하는 엄청난 소비량을 보이고 있으며, 이와 관련하여 커피 찌꺼기 또한 상당량이 배출되고 있다. 일부 커피 찌꺼기를 탈취제 등의 용도로 사용하고 있지만, 이는 개인적인 소비에 그치고 있으며, 그 비율은 미미한 수준이다.
따라서, 계속적으로 생산이 증가되고 있는 커피 찌꺼기를 재활용하여 쓰레기 방출을 줄이고 산업적으로 유용하고 효과적으로 이용할 수 있는 방법에 대한 필요성이 절실하게 요구된다.
L형 젖산(L(+)-lactic acid)은 생분해성 플라스틱의 원료인 PLA(Poly Lactic Acid)의 물질로서 PLA 생산에 필요한 물질이다. 현재 PLA 또는 PLA를 제조하는 재료나 생분해성 플라스틱 원료를 전량 수입에 의존하고 있으며, 이것 또한 옥수수를 이용하여 생산하고 있다. 이는 국제 식량 시장에서 옥수수를 포함한 곡물가격의 상승을 유도하게 될 우려가 있어 당류 등을 L형 젖산으로 저비용 고효율로 전환할 수 있는 방법 개발의 필요성이 있다.
대한민국 특허 출원 제10-20007-0030029호
본 발명자들은 방출이 지속적으로 증가하고 있는 커피찌꺼기를 효과적으로 이용하기 위한 방법에 대하여 연구하던 중, 커피찌꺼기를 일정한 방법으로 처리하는 경우 이에 의해 가용당이 생성되어 유용한 미생물 배양용 배지를 제공할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 커피찌꺼기를 이용한 미생물 배양용 배지 및 이의 제조방법을 제공하고 상기 배지에서 L형 젖산을 생산하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 1) 커피 찌꺼기를 동결건조하여 분말로 만드는 단계; 2) 단계 1)의 커피찌꺼기 분말에 알칼리성 경화제를 가하고 100 내지 120℃에서 30 내지 90분 동안 가열하는 단계; 3) 단계 2)의 가열된 커피찌꺼기 분말의 카페인을 제거하고 건조시키는 단계; 4) 단계 3)의 건조된 커피찌꺼기 분말에 당 분해효소를 첨가하고 배양하여 가용당을 생성하는 단계; 및 5) 상기 단계 4)의 가용당을 포함한 배양액을 원심분리하여 액상을 수득한 후 멸균하는 단계; 를 포함하는 커피찌꺼기를 이용한 미생물 배양용 배지의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 제조방법에 의하여 제조되는 커피찌꺼기를 이용한 미생물 배양용 배지를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 미생물 배양용 배지에 젖산-생산 미생물을 배양하여 젖산을 생산하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 커피찌꺼기를 이용한 미생물 배양용 배지는, 버려지는 커피 찌꺼기를 이용함으로써 비용을 절감할 수 있어 매우 경제적이다. 또한, 본 발명에 따른 커피찌꺼기 유래 가용당을 포함하는 미생물 배양용 배지에 젖산 생산 미생물을 배양함으로써 배지에 포함된 가용당을 고효율로 젖산으로 전환시킬 수 있어 경제적이며 효율적이다.
도 1은 커피찌꺼기 분말에 알칼리성 경화제 (KOH, Ca(OH)2, NaOH, Ba(OH)2) 를 120℃, 60분 간 처리하기 전(A)과 처리한 후(B)의 커피 찌꺼기 분말의 형태를 나타낸 도이다.
도 2는 커피 성분 중 카페인에 의한 미생물의 생장 저해효과를 배지에서의 미생물 성장형태(A)와 농도에 따른 생장 저해 그래프(B)로 나타낸 도이다.
도 3은 커피찌꺼기를 이용한 미생물 배양용 배지에서 락토바실러스 람노서스(Lactobacillus rhamnosus)를 배양한 후, 젖산이 효과적으로 생산됨을 확인한 결과를 나타낸 도이다.
본 발명은 1) 커피 찌꺼기를 동결건조하여 분말로 만드는 단계; 2) 단계 1)의 커피찌꺼기 분말에 알칼리성 경화제를 가하고 100 내지 120℃에서 30 내지 90분 동안 가열하는 단계; 3) 단계 2)의 가열된 커피찌꺼기 분말의 카페인을 제거하고 건조시키는 단계; 4) 단계 3)의 건조된 커피찌꺼기 분말에 당 분해효소를 첨가하고 배양하여 가용당을 생성하는 단계; 및 5) 상기 단계 4)의 가용당을 포함한 배양액을 원심분리하여 액상을 수득한 후 멸균하는 단계; 를 포함하는 커피찌꺼기를 이용한 미생물 배양용 배지의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기의 제조방법으로 제조되며, 커피찌꺼기 유래 가용당을 포함하는 미생물 배양용 배지를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기의 커피찌꺼기 유래 가용당을 포함하는 미생물 배양용 배지에 젖산-생산 미생물을 배양하여 젖산을 생산하는 방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 커피찌꺼기를 이용한 미생물 배양용 배지의 제조방법에 대하여 단계별로 상세히 설명한다.
상기 1) 단계는 커피찌꺼기를 동결건조하는 단계로, 커피찌꺼기를 70℃ 내지 80℃의 초저온 냉동고에서 10 내지 15시간 동안 냉동하고 동결건조기에서 3 내지 5일 동안 동결건조하여 수분이 없는 상태의 커피찌꺼기 분말을 얻는다.
상기 “커피찌꺼기” 는 원두 또는 인스턴트 커피 생산 후 커피로부터 얻어지는 모든 잔류 물질을 말한다.
상기 2) 단계는 커피찌꺼기 분말을 가열하는 단계로, 상기 1) 단계에서 얻은 커피찌꺼기 분말에 알칼리성 경화제를 가하고 100 내지 120℃에서 30~ 90분 동안 가열한다.
상기 “알칼리성 경화제”는 커피찌꺼기 분말을 가열하는 동안 커피찌꺼기에 포함된 리그닌을 제거하는 역할을 한다. 상기 알칼리성 경화제는 당업계에 사용되고 있는 알칼리성 경화제를 제한없이 포함할 수 있으나, 바람직하게는 수산화칼륨, 수산화칼슘, 수산화나트륨, 수산화바륨으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 알칼리성 경화제는 30 내지 40g/L 농도로 제조하여 사용할 수 있다.
상기 3) 단계는 가열된 커피찌꺼기 분말에서 카페인을 제거하는 단계로, 상기 2) 단계에서 얻어진 커피찌꺼기 분말을 상온에서 식힌 후 흐르는 물로 세척한다. 이때, 커피색이 나오지 않을 때까지 세척하여 커피찌꺼기 분말에 남아있는 카페인을 함께 제거한다. 그 다음, 커피찌꺼기 분말을 40 내지 60 ℃의 건조오븐에서 1 내지 3일간 건조시킨다.
상기 “카페인 제거”에 의하여 커피 찌꺼기 분말에 남아있는 카페인으로 인하여 미생물이 자라지 못하는 한계점을 극복할 수 있다. 상기 카페인의 제거 방법은 커피찌꺼기 분말을 물에 반복하여 세척하는 방법 이외에 탄소 필터 또는 압축 이산화탄소를 이용하는 방법 등을 이용하여 제거할 수 있다. 본 발명에서는 저렴한 비용의 미생물 생장 배지의 제조를 위해서 물에 반복하여 세척하여 카페인을 제거하는 방법이 바람직하다.
상기 4)단계는 커피찌꺼기 분말에 당분해 효소를 첨가하고 배양하여 가용당을 생성하는 단계로, 상기 “당분해 효소”는 커피찌꺼기에 포함된 다당류를 분해할 수 있는 당업계에 공지된 분해 효소를 제한없이 사용할 수 있으며, 바람직하게는 셀룰라아제 및/또는 자일란아제일 수 있다. 상기 당분해 효소는 45~50℃에서 5일 내지 10일 동안 커피 찌꺼기에 처리할 수 있다.
상기 “가용당”은 글루코오스 또는 자일로오스 등의 단당류로서 탄수화물의 단위체인 다당류를 분해함으로써 얻어질 수 있다. 본 발명에서는 커피찌꺼기에 존재하는 헤미셀룰로오스, 셀룰로오스, 자일란을 분해하여 가용당을 얻을 수 있으며, 얻어지는 가용당은 미생물이 생장을 위해 유용하게 사용할 수 있다.
상기 “미생물”은 대장균, 바실러스(Bacillus)속, 락토바실러스(Lactobacillus)속, 슈도모나스(Pseudomonas)속, 스트랩토마이세스(Streptomyces)속 및 효모(yeast)속 미생물로 구성된 군 중 선택된 어느 하나인 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니며, 당업자에게 알려진 대장균, 바실러스속, 락토바실러스속, 슈도모나스 속, 스트랩토마이세스 속 및 효모 속 미생물이라면 제한없이 포함할 수 있다.
상기 5) 단계는 상기 4) 단계에서 얻은 가용당을 포함하는 배양액을 원심분리하여 액상을 수득한 후 멸균하는 단계이다.
상기의 방법으로 제조된 커피찌꺼기를 이용한 미생물 배양용 배지에 젖산-생산 미생물을 배양할 경우 90 내지 95% 효율로 배지에 포함된 가용당을 젖산으로 전환시킬 수 있어 저비용, 고효율로 젖산을 생산할 수 있다. 상기 “젖산”은 생분해성 플라스틱의 원료인 PLA(poly lactic acid)의 생산에 필요한 L형 젖산(L(+)-lactic acid)일 수 있다.
상기 젖산-생산 미생물은 5탄당과 6탄당을 모두 사용할 수 있는 미생물이라면 모두 포함될 수 있으며, 바람직하게는 글루코오즈와 자일로오즈를 사용할 수 있는 미생물일 수 있다. 예를 들어 락토바실러스 속, 엔테로코커스 속, 루코노스톡 속, 스트렙토코쿠스 속 등을 포함하나 이에 한정되지 않는다.
상기 락토바실러스 속 미생물은 락토바실러스 델브릭키이(Lactobacillus delbrueckii ), 락토바실러스 브레비스(Lactobacillus brevis ), 락토바실러스 아시도필루스(Lactobacillus acidophilus), 락토바실러스 불가리쿠스(Lactobacillus bulgaricus ), 락토바실러스 플란타룸(Lactobacillus plantarum) 및 락토바실러스 람노서스(Lactobacillus rhamnosus)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 락토바실러스 속 균주가 바람직하며, 특히 락토바실러스 람노서스가 가장 바람직하다.
상기 엔테로코커스 속 미생물은 엔테로코커스 패칼리스(E nterococcus faecalis), 엔테로코커스 아비움(Enterococcus avium ), 엔테로코커스 칼리나룸(Enterococcus gallinarum )으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 엔테로코서스 속 균주일 수 있다.
상기 루코노스톡 속 미생물은 류코노스톡 카노슘(Leuconostoc carnosum), 류코노스톡 시트륨(Leuconostoc citreum), 류코노스톡 메센테로이즈(Leuconostoc mesenteroides)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 류코노스톡 속 균주일 수 있다.
상기 스트렙토코쿠스 속 미생물은 스트렙토코쿠스 라티스(Streptococcus lactis), 스트렙토코쿠스 크레모리스(Streptococcus cremoris ), 스트렙토코쿠스 써모필러스(Streptococcus thermophilus ) 및 스트렙토코쿠스 패칼리스(Streptococcus faecalis)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 스트렙토코쿠스 속 균주일 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1. 커피찌꺼기 포함 미생물 배양용 배지의 제조
1.1 커피찌꺼기를 동결건조하여 분말 제조
커피 생산 후 버려지는 커피 찌꺼기를 회수하면 대부분 수분을 함유하고 있다. 수분을 제거하여 배지 제조를 위한 가수분해와 효소 처리를 용이하게 하기 위하여 동결건조를 수행하였다. 가로 51.5㎝, 세로 39.5㎝, 깊이 3㎝의 평판을 이용하여 영하 70℃ 내지 80℃의 초저온 냉동고에서 커피 찌꺼기를 12시간 냉동하였으며, 이 후 꺼내어 동결건조기에서 4일간 동결 건조시켜 수분이 없는 상태의 커피 분말 찌꺼기를 얻었다.
1.2 커피 찌꺼기 분말의 리그닌 분해
상기 1.1 단계에서 얻어진 커피찌꺼기 분말에는 리그닌 성분성분이 포함되어 있어 커피찌꺼기의 유용 다당류의 분해를 저해하는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하고 이 후 가수분해를 용이하게 수행하기 위하여, 알칼리성 경화제를 처리하였다. 알칼리성 경화제는 수산화칼륨, 수산화칼슘, 수산화나트륨, 수산화바륨를 각각 사용하였다. 알칼리성 경화제의 종류에 따른 차이는 없었다. 이하 알칼리성 경화제로 수산화칼륨을 이용하였다. 수산화칼륨을 증류수에 가하여 35g/L농도로 제조하여 사용하였으며, 커피찌꺼기 분말 100g에 만들어진 알칼리성 경화제 1L를 처리하였다. 알칼리성 경화제의 처리는 120℃에서 60분 동안 수행하였다.
결과를 도 1에 나타내었다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 알칼리성 경화제가 처리된 후의 커피찌꺼기 분말은 처리 전의 커피찌꺼기 분말에 비하여 커피 색이 다소 연해졌으며 보다 작은 입자가 되었음을 확인하였다.
1.3 커피찌꺼기 분말의 카페인 제거
커피찌꺼기 분말에는 카페인이 포함되어 있다. 포함된 카페인이 미생물의 생장에 어떠한 영향을 미치는지 확인하기 위하여, 일반 MRS 배지와 커피의 카페인을 0.1, 0.5, 1.0, 1.5 2.0 2.5 5.0g/L 농도로 첨가한 MRS배지에서 미생물의 생장을 비교하였다.
결과를 도 2에 나타내었다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 카페인이 첨가되지 않은 일반 MRS 배지에서는 미생물이 정상적으로 생장한 반면, 카페인 제거가 안된(일반 커피)가 첨가된 MRS 배지에서는 생장이 저해되었다(A) 또한, 카페인의 농도가 증가함에 따라 미생물의 생장 저해 효과가 더 큰 것을 확인하였다(B).
따라서, 커피 찌꺼기 분말을 이용한 미생물 배양 배지의 제조를 위해서 커피찌꺼기 분말에 포함되어 있는 카페인을 제거하기 위한 공정을 수행하였다. 즉, 상기 1.2에서 얻어진 커피찌꺼기 분말을 상온에서 식힌 후 체(U.S.A STANDARD Sieve)를 이용하여 흐르는 물에 커피색이 나오지 않을 때까지 세척하여 커피찌꺼기 분말에 남아있는 카페인이 함께 제거되도록 하였다. 세척을 끝낸 후 체에 있는 커피 찌꺼기 분말을 평판 용기에 옮겨서 50℃의 건조오븐에 넣고 2일간 건조시켰다. 완전히 건조된 커피 찌꺼기 분말은 공기 중 수분과의 접촉을 차단하기 위하여 밀폐 보관하였다.
1.4. 커피찌꺼기 분말로부터 가용당 생성 및 미생물 배양용 배지의 제조
상기 1.3에서 밀폐보관한 커피찌꺼기 분말에 포함된 다당류를 분해하여 미생물이 생장 시 이용할 수 있는 가용당을 생성하기 위하여 분해효소를 첨가하였다.
즉, 용기에 150ml의 물을 넣고 건조된 커피찌꺼기 분말 20~30g을 넣어 혼합한 후, pH를 4.5~5.5로 맞추고 멸균시켰다. 이 후 상온에서 커피찌꺼기 분말을 식히고 2%의 셀룰라아제 및/또는 2%의 자일란아제를 첨가한 후 45~50℃로 7일간 배양하였다. 7일간 효소처리가 끝난 후 원심분리기를 이용하여 분해, 당화되지 못한 리그닌과 나머지 고체부분을 배지로 사용될 액상부분과 분리하였다. 원심분리로도 제거가 되지 않은 리그닌 부분과 작은 찌꺼기는 진공흡입 여과를 하여 추가적으로 제거하였다. 분리된 액상부분은 멸균을 하고 최종적으로 미생물 배양용 배지로 사용하였다.
실시예 2. 커피찌꺼기를 이용한 미생물 배양용 배지에서 젖산의 생산
상기 실시예 1에서 제조된 미생물 배양용 배지에서 락토바실러스 람노서스를 배양하여 미생물의 당 전환 효율을 확인하였다. 락토바실러스 람노서스는 균류 배양 배지인 MRS 배지에서 배양되어 L형 젖산을 생산하는 미생물로 알려져 있다. 커피찌꺼기를 이용한 미생물 배양용 배지에는 커피찌꺼기로부터 얻어지는 다당류 외에 추가적인 첨가물은 처리하지 않았다.
결과를 도 3에 나타내었다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 1x 또는 6x 의 커피찌꺼기를 이용한 배지에서 락토바실러스 람노서스를 배양한 결과 글루코오스와 자일로오스를 젖산으로 효과적으로 전환시키는 것을 확인하였으며, 전환 효율은 최대 90.15%인 것을 확인하였다. 이로부터, 본 발명은 커피찌꺼기를 이용하여 저렴한 배지를 제조할 수 있으며, 커피찌꺼기를 이용한 배지에 포함된 가용당이 락토바실러스 람노서스에 의해 L형 젖산(L(+)-lactic acid)으로 효과적으로 전환될 수 있음을 확인하였다.

Claims (13)

1) 커피 찌꺼기를 동결건조하여 분말로 만드는 단계;
2) 단계 1)의 커피찌꺼기 분말에 알칼리성 경화제를 30 내지 40g/L농도로 처리하고 110 내지 120℃에서 30 내지 90분 동안 가열하는 단계;
3) 단계 2)의 가열된 커피찌꺼기 분말을 물에 세척하고, 40 내지 60℃ 조건에서 2 내지 3일 동안 건조하는 단계;
4) 단계 3)의 건조된 커피찌꺼기 분말에 셀룰라아제, 자일란아제 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 당 분해효소를 첨가하여 혼합하고, 상기 혼합물을 45 내지 50℃로 5 내지 10일 동안 처리하는 단계; 및
5) 상기 단계 4)의 효소 처리물을 원심분리하여 상등액을 수득한 후 멸균하는 단계;
를 포함하는 글루코오즈 및 자일로오즈 대사능을 갖는 미생물 배양용 배지의 제조방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 단계 2)에서 알칼리성 경화제는 수산화칼륨, 수산화칼슘, 수산화나트륨, 수산화바륨으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 글루코오즈 및 자일로오즈 대사능을 갖는 미생물 배양용 배지의 제조방법.
삭제
삭제
삭제
삭제
제1항 또는 제3항의 방법에 따라 얻어진 상등액으로 이루어진 글루코오즈 및 자일로오즈 대사능을 갖는 미생물 배양용 배지.
제8항에 따른 글루코오즈 및 자일로오즈 대사능을 갖는 미생물 배양용 배지에 락토바실러스 람노서스(Lactobacillus rhamnosus)를 배양하는 단계를 포함하는, L형 젖산 생산하는 방법.
삭제
삭제
삭제
삭제
KR1020120029297A 2012-03-22 2012-03-22 커피찌꺼기를 이용한 미생물 배양용 배지 제조 방법 및 이를 이용한 ｌ（＋）형 젖산 생산방법 KR101361727B1 (ko)

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