KR101424681B1

KR101424681B1 - 스테비올 제조방법 및 스테비올 생산용 배지 조성물

Info

Publication number: KR101424681B1
Application number: KR1020120138757A
Authority: KR
Inventors: 김무성; 이상린; 윤준식
Original assignee: 주식회사 마크로케어
Priority date: 2012-12-03
Filing date: 2012-12-03
Publication date: 2014-08-01
Also published as: KR20140070985A

Abstract

본 발명은 국(麴)균을 사용하여 스테비오사이드로부터의 글리코시드 잔사를 분리하여 비당체인 스테비올을 수득하는 스테비올 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 적은 양의 종균을 사용하여 짧은 시간과 낮은 온도에서 높은 회수율로 스테비올을 얻을 수 있다.

Description

스테비올 제조방법 및 스테비올 생산용 배지 조성물{PREPARATION METHOD OF STEVIOL AND MEDIUM FOR KOJI MOLD CULTURE}

본 발명은 국(麴)균을 사용하여 스테비오사이드로부터 글리코시드 잔사를 분리하여 비당체인 스테비올을 수득하는 스테비올 제조방법 및 스테비올 생산용 배지 조성물에 관한 것이다.

일반적으로 스테비오사이드(stevioside)는 스테비아 레바우디아나(Stevia rebaudiana) 식물에 함유된, 설탕의 200배 정도 단맛이 나는 화합물의 총칭으로서 좀더 정확하게는 스테비올 배당체(steviol glycoside)를 말한다. 스테비올 배당체에는 스테비오사이드(stevioside), 레바우디오시드 A(rebaudioside A), 레바우디오사이드 C(rebaudioside C), 둘코사이드(dulcoside) 등을 함유하며 스테비올은 이러한 화합물에서 당부분을 제외한 비당체(aglycone)이다.

스테비올은 인지적 작용을 향상시키기 위해 사용될 수 있으며(국제특허출원공개 제2009/071277호), 모발생성을 강화하는데 사용할 수 있고(국제특허출원공개 제2011/009863호). 항균작용 및 식물성장 촉진 등의 작용이 보고되어 있다.

스테비오사이드로부터의 스테비올을 제조하기 위한 다양한 방법이 시도되었다. 스테비오사이드의 산 가수분해는 산 조건하에 제조된 스테비올이 이소스테비올로 재배열되는 문제가 있어 사용하기 어려운 부분이 있으며(Kohda et al 1976 Phytochemistry 15: 981-983]), 나트륨 페리오데이트를 사용하여 스테비올을 제조하는 다른 방법(Ogawa et al 1980; Tetrahedron 36: 2641-2648)은 유용한 수율을 달성하기 위해 과량의 값비싼 나트륨 페리오데이트(약 10 mol 당량 초과) 및 고도로 희석된 시스템을 필요로 하여 경제적이지 않다.

최근 상업적인 대규모 생산을 위해 시판 중인 사이톨라제 PCL5를 사용하여 스테비오사이드로부터 스테비오를 제조하는 방법에 대한 특허(국제특허출원공개 제2011/08903110호, 대한민국특허공개 제2012-0127443호)가 있다. 그러나 이 효소는 펙틴(pectin) 분해를 위해 제조된 효소로서 주성분인 펙티나제(pectinase) 이외의 극소량 효소류가 스테비올 형성에 관여하는 것으로 추정되어, 실제 스테비올 생성을 위한 바람직한 농도는 전체 스테비오사이드의 50% 이상, 바람직하게는 90중량% 초과라고 명시되어 있는 바와 같이 다량의 효소제품 장시간 사용되어야 하는 단점이 있다.

국제특허출원공개 제2009/071277호 국제특허출원공개 제2011/009863호 대한민국특허공개 제2012-0127443호

이에 본 발명자들은 효율적인 스테비올 제조방법에 대해 다각적으로 연구를 진행한 결과, 국균 배양시 스테비오사이드를 배지 중 탄소원으로 사용하면 국균에 의해 글리코시드 잔사가 분리되어 비당체인 스테비올 회수가 가능함을 확인하여 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 적은 양의 종균을 사용하여 짧은 시간과 낮은 온도에서 높은 회수율로 스테비올을 얻을 수 있는, 효율적인 스테비올 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은,

탄소원으로 스테비오사이드를 함유하는 배지에서 국균을 배양하는 단계와,

상기 배지로부터 스테비올을 회수하는 단계

를 포함하는 스테비올 제조방법을 제공한다.

또한 본 발명은,

탄소원, 질소원 및 무기염류를 포함하는 국균 배양용 배지 조성물에 있어서,

상기 탄소원으로 스테비오사이드를 포함하는 스테비올 생산용 배지 조성물을 제공한다.

본 발명에 따르면, 종래 기질의 50-90%에 해당하는 다량의 효소를 사용하는 것에 비해 소량의 종균을 배양하여 스테비올을 수득할 수 있다.

또한, 종래 효소를 사용하는 경우 4-7일 정도의 시간이 필요한 것과 달리 배양시 3-7일 정도의 시간이면 충분하며, 통상 효소반응온도인 50 내지 60 ℃에 비해 낮은 온도에서 배양이 가능하여 에너지 소비가 적다.

또한, 종래의 효소를 사용한 방법의 경우, 생성된 포도당이 효소작용을 억제하여 별도의 포도당 제거 공정이 필요한데 반해, 국균 배양에 의해 생성된 포도당은 균주의 탄소원으로 소모되어 별도의 장치가 필요 없다는 장점이 있다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에서는 스테비오사이드로부터 스테비올을 제조하는 방법을 제시한다.

특히, 본 발명에서는 스테비오사이드를 기질로 하여 국(麴)균을 배양하여, 스테비오사이드로부터 글리코시드 잔사를 분리하여 비당체인 스테비올을 수득한다.

이때, 국균으로는 아스퍼질러스 오리재(Aspergillus oryzae), 아스퍼질러스 카와치(Aspergillus kawachii), 아스퍼질러스 우사미(Aspergillus usamii), 아스퍼질러스 시로우사미(Aspergillus shirousamii), 아스퍼질러스 나이거(Aspergillus niger), 모나스커스 필로서스(Monascus pilosus) 및 아스퍼질러스 아와모리(Aspergillus awamori)로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상을 사용할 수도 있으며, 바람직하게는 아스퍼질러스 오리재(Aspergillus oryzae)를 사용하나 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 스테비오사이드는 국균 배양을 위한 배지에 탄소원으로 사용한다. 바람직하기로 상기 배지는 액상배지로서 탄소원, 질소원 및 무기염류 포함한다.

이때 상기 스테비오사이드는 1 내지 50 w/v%, 바람직하게는 5 내지 20 w/v% 사용하며, 질소원으로서는 무기 질소원인 NaNO₃, NH₄NO₃, (NH₄)₂SO₄ 등을 0.1 내지 5 w/v%, 바람직하게는 1 내지 2 w/v% 사용할 수 있으며, 무기 질소원에 유기 질소원인 효모 추출물, 펩톤, 트립톤 또는 콩 추출물 등을 무기 질소원의 1/10 이하 양으로 사용할 수 있다. 이때 유기 질소원의 함량이 무기 질소원의 1/10을 초과하는 경우 스테비올 생성량이 줄어드는 문제점이 있다.

무기염류는 0.01 내지 5 w/v% 로 사용하며, K₂HPO₄, KH₂PO₄, MgSO₄ _, KCl, FeSO₄ 등을 상기 범위 내에서 적절히 첨가하여 사용한다

국균 배양은 24 내지 32 ℃에서, 바람직하게는 28 ℃에서 배양하며, 종균의 양은 배지에 대하여 0.1 내지 25 v/v%, 바람직하게는 5 내지 10 v/v% 사용이 적당하다. 상기 조건에 의해서 배양시에, 2 내지 10일간 배양할 수 있으나 통상 3 내지 7일이면 충분하다. 액상 발효기(fermentor)에서의 통기, 교반 등 배양조건은 통상의 배양조건을 사용하여 배양할 수 있다.

이렇게 배양하여 얻은 배양액으로부터 스테비올을 분리, 정제하여 회수한다.

구체적으로, 철망(mesh), 여과포 등 침전되는 스테비올이 잘 통과할 수 있는 정도의 여과장치를 통하여 여과함으로써 균사체를 제거한다. 여과액은 다시 원심분리 또는 미세 여과막을 사용하여 침전물인 스테비올을 회수한다. 침전물은 원심분리 또는 미세 여과막을 사용하여 물로 세척하여 스테비올의 순도를 올릴 수 있다.

이러한 본 발명에 따르면, 종래의 효소를 사용하는 방법의 경우, 기질의 50-90 중량%에 해당하는 다량의 효소를 사용하는 것에 비해 소량의 종균을 배양하여 증식시킴으로써 스테비올을 얻을 수 있다. 종래 효소를 사용하는 경우 4-7일 정도의 시간이 필요한 것과 달리 배양시 3-7일 정도의 시간이면 충분하며, 통상 효소반응온도인 50 내지 60 ℃에 비해 낮은 온도에서 배양이 가능하여 에너지 소비가 적다. 또한, 종래의 효소를 사용한 방법의 경우, 생성된 포도당이 효소작용을 억제하여 별도의 포도당 제거 공정이 필요한데 반해, 국균 배양에 의해 생성된 포도당은 균주의 탄소원으로 소모되어 별도의 장치가 필요 없다는 장점이 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 실험예를 기재한다. 하기 실시예는 본 발명을 보다 명확히 표현하기 위한 목적으로 기재될 뿐 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

효소인 사이톨라제 PCL5과 국균 배양에 의한 스테비올 생성을 비교하기 위해 하기와 같이 실험을 수행하였다. 기질로서 5 w/v%의 스테비오사이드(92%)를 2L를 사용하여 효소인 사이톨라제 PCL5을 기질과 동량으로 55 ℃ 및 28 ℃에서 각각 반응하여 스테비올 생성량을 확인하였다.

별도로 국균을 배양 배지로서 스테비오사이드 5 w/v%, NaNO₃ 0.3 w/v%, K₂HPO₄ 0.1 w/v%, KCl 0.05 w/v%, MgSO₄ 0.05 w/v%, FeSO₄ 0.001 w/v%, 잔부 증류수의 조성인 배지 2L에 미리 종균용 배지에 배양한 종균량 5 v/v% 접종하여 28℃에서 배양한 후 스테비올 생성량을 확인하였다. 반응 및 배양은 5L 발효조를 이용하여 진행하였으며, 효소반응에는 200rpm으로 교반하였고, 균 배양시에는 교반 300rpm, 통기 0.5 vvm의 조건으로 배양하였다. 스테비올 생성율은 투입한 투입한 스테비오사이드 대비한 스테비올의 양을 백분율(%)로 나타내었으며, 스테비올의 측정은 다음과 같은 HPLC 조건으로 분석하였다. 그 결과는 아래 표 1에 나타내었다.

* HPLC 조건

컬럼 : Optimapak C18

이동상(gradient) : A(ACN), B(0.1% TFA in DW)

유량 : 1.0 ml/min

검출 : UV 202 nm

구분		최대 생성시간(hr)	최대생성율(%)
효소반응	55 ℃	48	30.1
효소반응	28 ℃	96	31.8
균주배양	28 ℃	96	38.7

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 효소반응에 의한 스테비올의 생성은 고온에서 빨리 진행되며 저온에서는 속도가 늦은 반면 최종적으로 약간의 생성율 증가를 나타내었다. 반면 균주배양에 의한 스테비올의 생성은 균주의 성장조건인 저온에서 효소반응에 비해 높은 생성율을 나타내었다.

실시예 2

시료 제조를 위해 10%의 스테비오사이드(92%)를 2L를 사용하여 국균 배양을 진행하였다. 배양배지로서 스테비오사이드 10%, NaNO₃ 0.2 w/v%, 효모 추출물 0.1 w/v%, K₂HPO₄ 0.1%, KCl 0.05 w/v%, MgSO₄ 0.05 w/v%, FeSO₄ 0.001 w/v%, 잔부 증류수의 조성인 배지 2L에 종균량 5 v/v% 접종하여 28 ℃에서 배양하였다. 배양한 후 80 메시의 여과망을 통해 균사체를 제거하고 여과액을 회수한 후, 다시 원심분리하여 침전물을 회수하였다. 침전물은 물로 3회 세척하고 40 ℃에서 진공건조하였다. 회수한 건조물은 스테비올 함량 98% 이고 회수량은 72.3g 이었다.

실시예 3

다양한 국균에 대한 배양실험 결과, 아스퍼질러스 오리재(Aspergillus oryzae)가 스테비올 회수량이 높음을 확인하고, 이를 YM(yeast malt) 한천 배지에서 28 ℃, 5일간 배양하여 스테비올 제조용 종균으로 사용하였다.

시료 제조를 위해 10 w/v%의 스테비오사이드(92%)를 2L를 사용하여 아스퍼질러스 오리재(Aspergillus oryzae) 배양을 진행하였다. 배양 배지로서 스테비오사이드 10 w/v%, NaNO₃ 0.2 w/v%, 효모 추출물 0.1 w/v%, K₂HPO₄ 0.1 w/v%, KCl 0.05 w/v%, MgSO₄ 0.05 w/v%, FeSO₄ 0.001 w/v%, 잔부 증류수의 조성인 배지 2L에 종균량 5 v/v% 접종하여 28 ℃에서 배양하였다. 배양한 후 80 메시의 여과망을 통해 균사체를 제거하고 여과액을 회수한 후, 다시 원심분리하여 침전물을 회수하였다. 침전물은 물로 3회 세척하고 40 ℃에서 진공건조하였다. 회수한 건조물은 스테비올 함량 98.5% 이고 회수량은 79.0 g이었다.

Claims

탄소원으로 스테비오사이드를 함유하는 배지에서 아스퍼질러스 오리재(Aspergillus oryzae)를 배양하는 단계와,
상기 배지로부터 스테비올을 회수하는 단계
를 포함하는 스테비올 제조방법.
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제1항에 있어서, 상기 배양은 24~32 ℃에서 3 내지 7일 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 스테비올 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 아스퍼질러스 오리재(Aspergillus oryzae)는 배지에 대하여 0.1 내지 25 v/v%로 사용하는 것을 특징으로 하는 스테비올 제조방법.
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