KR101379450B1 - 모유 성분인 갈락토실락토스가 강화된 갈락토올리고당의 제조 방법 - Google Patents

모유 성분인 갈락토실락토스가 강화된 갈락토올리고당의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 효소를 이용하여,갈락토실락토스 함량이 40 중량% 이상인 갈락토올리고당을 제조하는 방법에 대한 것이다.

Description

모유 성분인 갈락토실락토스가 강화된 갈락토올리고당의 제조 방법{A PREPARATION METHOD OF GALACTOOLIGOSACCHARIDES WITH ENHANCED GALACTOSYLLACTOSE WHICH IS A INGREDIENT OF MOTHER'S MILK}
본 발명은 갈락토실락토스 함량이 높은 갈락토올리고당의 제조 방법에 대한 것이다.
갈락토올리고당은 모유에 존재하며 생리기능이 우수한 다당류로, 이를 이용한 제품이 많이 개발되고 있다(한국공개특허 10-1997-0043065호). 이 중에서도 갈락토실락토스(galactosyllactose)는 인체 면역기능에 도움을 주는 것으로 알려져 있다.
갈락토실락토스는 3당류로 구성되어 있으며, 유당을 원료로 하여 제조되는 생리기능성이 우수한 갈락토올리고당 성분의 일종이다(도 1). 또한 갈락토실락토스는 인체의 대장에 존재하는 비피더스균이나 락토바실러스균 등을 증식시키는 효과가 있는 것으로 알려져 있어서 배변활동 개선이나 설사예방 식품 등 유아 및 노인들을 대상으로 하는 식품 등에 사용되고 있다. 또한, 갈락토실락토스는 대장활동 개선을 통해서 피부의 노화속도를 억제시켜 주는 효과가 있는 것으로 알려져 있는데, 이는 대장내 균총변화(장내 유익균의 증식효과)를 통해서 원활한 배변활동을 유도하므로서 피부의 노화를 억제시키는 것으로 추정된다.
그런데 종래 방법대로 유당으로부터 갈락토올리고당을 제조하는 경우, 상기 갈라토올리고당 내 갈락토실락토스 함량은 그다기 높지 않다. 그러므로 본 발명자들은 갈락토실락토스 함량이 높은 갈락토올리고당에 대하여 연구하던 중 특정 효소들을 이용하여 제조 시 갈락토실락토스 함량이 높은 갈락토올리고당을 제조할 수 있는 것을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 갈락토실락토스 함량이 높은 갈락토올리고당의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 위하여 본 발명은,
유당을 물에 용해시키는 단계;
상기 유당 용액에 하기 1) 내지 3) 으로부터 선택된 하나 이상의 효소 및 베타-갈락토시다제를 첨가하여 효소 반응을 시키는 단계
1) 락타제
2) 글루코스 옥시다제
3) 카탈라제;및
상기 효소 반응액을 정제하는 단계를 포함하는,
갈락토실락토스 함량이 40 중량% 이상인 당액의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 갈락토실락토스 함량이 40 중량% 이상인 갈락토올리고당을 제조할 수 있다.
도 1은 갈락토실락토스의 구조들을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 제조 방법을 나타내는 모식도이다.
도 3은 종래 당액의 제조 방법을 나타내는 모식도이다.
본 발명은
유당을 물에 용해시키는 단계;
상기 유당 용액에 하기 1) 내지 3) 으로부터 선택된 하나 이상의 효소 및 베타-갈락토시다제를 첨가하여 효소 반응을 시키는 단계
1) 락타제
2) 글루코스 옥시다제
3) 카탈라제;및
상기 효소 반응액을 정제하는 단계를 포함하는,
갈락토실락토스 함량이 40 중량% 이상인 갈락토올리고당의 제조방법에 대한 것이다.
또한 본 발명은
유당을 물에 용해시키는 단계;
상기 유당 용액에 하기 락타제 및 베타-갈락토시다제를 첨가하여 효소 반응을 시키는 단계;
효모를 추가로 첨가하는 단계;
상기 효소 반응액을 정제하는 단계를 포함하는,
갈락토실락토스 함량이 40 중량% 이상인 갈락토올리고당의 제조방법에 대한 것이다.
또한 본 발명은
유당을 물에 용해시키는 단계;
상기 유당 용액에 글루코스옥시다제, 카탈라제 및 베타-갈락토시다제를 첨가하여 효소 반응을 시키는 단계;및
상기 효소 반응액을 정제하는 단계를 포함하는,
갈락토실락토스 함량이 40 중량% 이상인 갈락토올리고당의 제조방법에 대한 것이다.
이하, 본 발명을 자세히 설명한다.
갈락토올리고당
본 발명의 갈락토올리고당은 유당을 원료로 하여 효소 반응 등에 의하여 제조되는 이당류 내지 육당류의 갈락토스 함유 올리고당으로 유당을 제외한다. 본 발명의 갈락토올리고당은 4-베타-갈락토바이오스, 6-베타-갈락토바이오스, 3’-갈락토실락토스, 4’-갈락토실락토스, 6’-갈락토실락토스, 4-베타-디-갈락토실락토스, 4-베타-트리-갈락토실락토스, 4-베타-테트라-갈락토실락토스 등을 포함한다.
<제조예 1>
유당을 반응탱크에 투입한 후, 열수를 가하고 교반기를 가동시켜 유당용액 농도가 약 40∼45%가 되도록 한다. 유당용액의 농도가 40∼45% 범위 내가 되면, 효소의 반응온도를 55∼60 ℃가 되도록 반응탱크 온도를 조정한다. 반응탱크 온도가 조정된 다음, 락타제와 베타-갈락토시다제를 반응탱크에 투입하여 효소반응이 일어나게 하였다. 이 때, 베타-갈락토시다제는 유당을 갈락토올리고당으로 합성시키며, 락타제는 특이적으로 유당성분을 분해시킨다.
약 24~48 시간 동안 효소 반응을 시키며, 이때 HPLC를 사용하여 반응액의 당조성을 분석하여 갈락토올리고당 함량이 50 중량% 이상이 되면, 이후에 효모를 반응탱크에 투입하여 이미 생성된 당액 내 존재하는 글루코스와 갈락토스 성분을 발효하여 에탄올과 초산으로 변환시킨다.
이때 글루코스와 갈락토스 성분이 발효되면서, 갈락토올리고당 내 갈락토실락토스 성분이 상대적으로 점차 높아지면서 효모 발효 전, 갈락토올리고당 내 갈락토실락토스 함량이 약 20% 수준에서 발효 후 40 중량% 이상, 바람직하게는 45 중량% 이상, 더욱 바람직하게는 50 중량% 이상, 더더욱 바람직하게는 55 중량% 이상의 수준으로 높아지게 되며, 당액 내 갈락토올리고당 함량도 초기 40% 수준에서 약 75% 이상으로 높아지게 된다. 이 때 발효시간은 약 24∼48시간이 소요된다. 효소반응과 효모반응이 모두 완료되면 반응탱크에 분말활성탄을 투입하여 70~80 ℃에서 20분 내지 50분 간 교반하면서 당액의 색상물질을 흡착시킨다.
다음 공정에서 당액을 여과시켜 당액의 활성탄과 이물을 제거한 다음, 이온 정제 공정을 통해서 초산 성분을 제거한다. 이때 제거 반응 메카니즘은 하기 식 1과 같으며, 생성된 -CH3COO(-)는 이온 정제 공정에서 제거된다.
<식 1>
R-OH(-) + CH3COO(-)/H(+) -> R-CH3COO(-) + H2O
주1) R : Resin 본체
주2) OH(-) : Resin 본체에 결합되어 있는 관능기
당액을 이온정제 처리하여, 초산을 제거한 후, 농축 공정을 통해서 원하는 농도로 당액을 농축한다. 당액의 농축 농도는 용도, 수요 등에 따라 적당히 정할 수 있으나, 약 75%의 농도로 농축시키는 것이 일반적이다(도 2).
<제조예 2>
제조예 1과 동일하게 유당용액을 제조한 후, 베타-갈락토시다제와 글루코스 옥시다제 및 카탈라제(catalase)를 반응탱크에 동시에 또는 연속적으로 투입하여 효소반응을 진행시킨다. 이때 공정의 편의성을 위하여 베타-갈락토시다제와 글루코스 옥시다제 및 카탈라제를 동시에 투입하는 것이 바람직하다.
이때 효소반응에서 유당으로부터 생성된 글루코스 성분은 글루코스 옥시다제
와 반응하여 글루콘산으로 변환되며, 반응 메카니즘은 하기 식 2와 같다. 상기 식 3에서 생성되는 H2O2는 카탈라제에 의하여 제거되며, R-C6H12O6(-)는 추후 이온교환수지에 의하여 제거된다.
<식 2>
1) C6H12O6 + Glucose-oxidase -> C6H12O7 + H2O2
2) C6H12O7 + H2O2 + Catalase -> H2O2 + O2 + C6H12O7
3) R-OH(-) + C6H12O7 -> R-C6H12O6(-) + O3 (이온교환공정)
주1) R : Resin 본체
주2) OH(-) : Resin 본체에 결합되어 있는 관능기
효소반응이 완료되면 이후의 공정은 제조예 1과 동일하다.
본 발명의 당액
본 발명의 방법을 이용하여 제조한 당액 내 갈락토올리고당은 갈락토실락토스 함량이 40 중량% 이상이다. 바람직하게는 본 발명의 당액 내 갈락토올리고당 내 상기 갈락토실락토스 함량은 45 중량% 이상이다.
또한 본 발명의 방법을 이용하여 제조한 당액 내 당 조성을 보면, 글루코스 및 갈락토스 함량은 20 중량% 미만이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
<재료 및 방법>
원재료인 유당 및 효소들은 시판되는 것을 구입하여 사용하였다.
HPLC 분석
시료당액에 초순수(비전도도값 : 0.05 uS/cm 이하)를 첨가하여 시료 당액 농도가 약 2.5-3.0%가 되도록 희석한다.(시료농도 분석은 Refrxtometer를 사용한다). 시료 당액의 농도를 조정한 다음, 0.2-0.45um 필터를 사용하여 시료용액에 함유되어 있는 이물질을 제거한 후, 이 시료를 HPLC 분석시료로 사용한다.
HPLC 분석 조건은 하기와 같다.
- HPLC 분석용컬럼 : Polyamine 계열의 컬럼(YMC-Pack Polyamine-Ⅱ/Japan)
- 컬럼사이즈, 입도 : 250 x 4.6 mmI.D. s-5um, 12nm
- 검출기(Detector) : RID (Refractive Index Detector)
- 컬럼온도(Column oven temperature) : 25-30℃
- 용매(Solvent) : 64% Acetontrile
- 유량(Flow rate) : 1.0 mL/min
- 분석시간(Run time) : 25분
- 시료주입량(Injection volume) : 20uL
- 표준시약 : 글루코스(Dextrose), 갈락토스(Galactose), 유당(Lactose)
우선, 해당 시료를 분석하기에 앞서, 상기 HPLC 분석 방법과 동일한 방법으로 표준시약을 HPLC로 분석하여 각 표준시약의 크로마토그램(chromatogram)에 그려진 피크의 머무른 시간(retention time)을 확인한다. 그 다음, 전처리한 분석시료를 HPLC에 주입하여 HPLC 크로마토그램을 구한 다음에 표준시약의 글루코스, 갈락토스 그리고 유당의 머무른 시간과 시료의 머무른 시간을 비교하여 머무른 시간(retention time)이 일치하면 동일한 성분으로 간주하고 아래의 식 3에 따라 갈락토올리고당 함량을 구한다.
<식 3>
갈락토올리고당 함량(DB%) = 100 - (글루코스함량 + 갈락토스함량 + 유당함량)
주1) DB% : Dry Basis. 무수물 기준이라는 의미임.
<실시예 1>
유당을 반응탱크에 투입한 후, 열수를 가하고 교반기를 가동시켜 유당용액 100 중량% 내 유당이 약 40∼45 중량%가 되도록 하였다. 유당용액의 농도가 40∼45% 범위 안에 들어오면 효소의 반응온도를 55∼60 ℃가 되도록 반응탱크 온도를 조정하였다. 반응탱크 온도가 조정된 다음, 락타제와 베타-갈락토시다제를 반응탱크에 투입하여 효소반응이 일어나게 하였다. 이 때 베타-갈락토시다제는 유당을 갈락토올리고당으로 합성시키고, 락타제는 특이적으로 유당성분을 분해시키는 반응을 진행한다.
상기 효소반응은 36 시간 동안 수행하였다. 이때 HPLC를 사용하여 반응 당액의 당조성을 분석하여 갈락토올리고당 함량이 50 중량% 이상이 되자, 효모를 반응탱크에 투입하여 이미 생성된 갈락토올리고당에 존재하는 글루코스와 갈락토스 성분을 발효하여 에탄올과 초산으로 변환시켰다. 효소 반응과 효모 반응이 모두 완료되고, 반응탱크에 분말활성탄을 투입하여 75 ℃에서 약 30분간 교반하면서 당액의 색상물질을 흡착시켰다.
그 후 당액을 여과시켜 당액의 활성탄과 이물을 제거한 다음, 이온 정제 공정을 통해서 초산성분을 제거하였다.
당액을 이온정제 처리하고, 초산을 제거한 후, 당액 내 고형분 농도가 75%의 농도가 되도록 당액을 농축시켰다. 즉, 농축된 당액 내 당 고형분은 75 중량%이고, 물이 25 중량%이다.
<실시예 2>
상기 실시예 1과 같은 방법으로 유당 용액을 제조하고, 효소의 반응 온도가 55∼60 ℃가 되도록 반응탱크 온도를 조정하였다. 그 후, 베타-갈락토시다제ㅡ 글루코스 옥시다제 및 카탈라제를 반응탱크에 동시에 투입하여 60 시간 동안 효소반응을 진행시켰다. 이때 효소 반응에서 유당으로부터 생성된 글루코스 성분은 글루코스 옥시다제와 반응하여 글루콘산으로 변환된다.
효소반응이 완료된 후 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 당액 내 색상물질을 흡착시키고, 당액을 여과한 후 이온정제 공정을 수행하였다. 효소 반응에서 생산된 글루콘산은 이온정제 공정에서 제거되었다.
<비교예 1>
종래 방법에 의하여 당액을 제조하였다. 구체적으로는 먼저 유당을 반응탱크에 투입한 후, 열수를 가하고 교반기를 가동시켜 유당 용액 내 고형분 농도가 약 40∼45 중량%가 되도록 하였다. 유당 용액 내 고형분 농도가 40∼45 중량% 범위 안에 들어오면 베타-갈락토시다제를 반응탱크에 투입하여 효소반응을 진행시켰다. 상기 효소반응은 60 시간 동안 수행하였으며, 효소반응이 끝난 후 반응탱크에 분말활성탄을 투입하여 75 ℃에서 약 30분간 교반하면서 당액의 색상물질을 흡착시켰다. 그 후 당액을 여과시켜 당액의 활성탄과 이물을 제거한 다음, 이온교환수지를 이용하여 이온 정제 공정을 수행하였다. 그리고 이온 정제된 당액을 살균하고 50%의 농도로 농축한 후, 크로마토그래피를 수행하였다. 그 후 당액을 이온교환수지를 이용하여 정제한 후 다시 분말 활성탄을 투입하여 색상물질을 흡착시키고, 살균한 후 75 %의 농도로 농축하였다(도 3).
<실험예 1> 제조 방법에 따른 당액 내 당 조성 차이
상기 실시예 1 및 실시예 2의 당액 내 당 조성을 분석하였다. 그 결과, 비교예에 비하여 실시예 1 및 실시예 2의 갈락토실락토스 함량이 현저히 높은 것을 알 수 있었다(표 1).
당조성
(Sugar profile)		 비교예 1 실시예 1 실시예 2
글루코스 + 갈락토스
(Glucose + Galactose)		 30.5 5.0 5.8
갈락토바이오스
(Galactobiose)		 23.1 25.5 25.2
유당
(Lactose)		 22.4 19.3 18.9
갈락토실락토스
(Galactosyllactose)		 16.8 43.4 43.9
사당류 이상의 갈락토올리고당 7.2 6.8 6.2
*전체 갈락토올리고당
(Total Galctooligosaccharides)		 47.1 75.7 75.3
단위: DB%:
DB%: 무수물 기준(Dry Basis)
*전체 갈락토올리고당(TOS): 갈락토바이오스 + 갈락토실락토스 + 사당류 이상의 갈락토올리고당
<실험예 2> 제조 방법에 따른 당액의 수율 차이
상기 실시예 1 및 실시예 2의 수율을 분석하였다. 그 결과, 비교예 1에 비하여 실시예 1 및 실시예 2의 수율이 유의하게 높은 것을 알 수 있었다(표 2).
항목 비교예 1 신규 제조방법
(발효법)		 참조사항
생산방식 뱃치식/연속식 효모발효식 효소반응
생산수율(%)
(*전체 올리고당)		 75.4/81.9 86.7 83.7
제품순도(%)
(전체 올리고당 함량)		 75.0 이상 75.0 이상 75.0 이상
*전체 올리고당: 갈락토실락토스를 포함한 올리고당 함량

Claims (10)

  1. 유당을 물에 용해시키는 단계;
    상기 유당 용액에 락타제 및 베타-갈락토시다제를 첨가하여 효소 반응을 시킨 후 효모를 추가로 첨가하는 단계;및
    상기 효모가 첨가된 효소 반응액을 정제하는 단계를 포함하는,
    갈락토실락토스 함량이 40 중량% 이상인 갈락토올리고당의 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 락타제 및 상기 베타-갈락토시다제를 유당 용액에 첨가한 후, 상기 유당 용액 내 갈락토올리고당 함량이 50 중량% 이상이 될 때 효모를 추가로 첨가하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 효모에 의하여 글루코스 및 갈락토스가 에탄올 및 초산으로 변환되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 효모가 첨가된 후 상기 효소 반응액 내 갈락토올리고당 함량은 75 중량% 이상인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 갈락토올리고당은 갈락토실락토스 함량이 45 중량% 이상인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 효모가 첨가된 후 상기 효소 반응액 내 당 중 글루코스 및 갈락토스 함량은 20 중량% 미만인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
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