KR101904019B1

KR101904019B1 - 폐해조류와 효소를 활용한 알긴산 소재화 방법

Info

Publication number: KR101904019B1
Application number: KR1020180028458A
Authority: KR
Inventors: 김후자; 김호영; 이경옥; 이효정; 김현정; 현수정
Original assignee: 재단법인경북테크노파크; 경상북도; 주식회사 화수목
Priority date: 2018-03-12
Filing date: 2018-03-12
Publication date: 2018-10-05

Abstract

본 발명은 폐해조류와 효소를 활용한 알긴산 소재화 방법에 관한 발명으로, 폐해조류를 수거하여 염분 및 부착물을 수세 건조한 후 파쇄하는 재료준비단계와, 발효조에 적재한 후 효소를 투입하고 안정화하는 효소처리단계와, 황산용액으로 추출하여 팽윤시키는 황산추출단계와, 여액을 제거하고 잔사에 탄산나트륨용액을 투입하여 추출하는 알칼리처리단계와, 물을 첨가하여 진탕을 조성하고 감압여과하는 여과단계와, 잔사를 제거한 여액에 염화수소를 투입하여 pH를 산성으로 조절하는 산처리단계와, 원심분리하여 상등액을 제거한 침전물에 에탄올과 수산화나트륨을 첨가하여 pH를 중성으로 조절하는 원심분리단계와, 여액을 제거한 잔사에 에탄올과 아세톤 혼합용매를 투입하여 세척하는 용매세척단계와, 건조하여 알긴산을 추출하는 알긴산추출단계를 포함하여 구성함에 따라 폐해조류를 이용해 알긴산의 추출 효율을 극대화하여 소재화하는 방법을 제공하는 것이 특징이다.

Description

폐해조류와 효소를 활용한 알긴산 소재화 방법{ALGINIC ACID MATERIALIZATION METHOD USING WASTE SEAWEED AND ENZYMES}

본 발명은 폐해조류와 효소를 활용한 알긴산 소재화 방법에 관한 발명으로, 더욱 상세하게는 폐해조류를 수거하여 알긴산 추출 재료로 활용하되 효소를 이용해 알긴산의 추출 효율을 극대화하는 일련의 소재화 방법을 구성함으로써 폐해조류 업사이클링에 의한 알긴산 소재화 방법의 산업화를 도모하는 기술에 관한 것이다.

일반적으로, 바다에는 녹조류, 갈조류, 홍조류 등으로 구분되는 다수의 해조류가 생육하고 있다.

해조류는 수중에 서식하면서 엽록소로 동화작용을 하여 포자에 의해 번식하는데 최근 기상이변 등으로 인해 대형 군락을 이루며 그 양이 급속도로 증가하고 있다.

이와 같은 해조류는 조류를 타고 해변으로 밀려들어와 흉물스럽게 방치되고 있어 주변 경관을 해치고 있는 실정이다. 특히 하절기에는 고온 다습한 기후로 인해 해조류가 쉽게 부패하고 악취 발생을 초래할 뿐만 아니라 대부분의 폐해조류는 인력을 동원하여 일일이 수거한 후 소각, 폐기 처리하고 있으므로 심각한 환경문제가 되고 있다.

한편, 해조류에는 다당류의 일종인 알긴산 성분이 다량 함유되어 있다. 알긴산(Alginic acid)은 사람의 소화효소로 분해되지 않으므로 영양성분으로서의 가치가 없다. 따라서 해조류의 알긴산 관련 기술은 주로 시판중인 해조류를 이용해 알긴산을 분해하거나 녹색 색소인 클로로필의 활용과 관련한 기술 개발에 촛점이 맞춰져 있는 실정이다.

그러나, 최근 연구 개발을 통해 불용성인 알긴산을 처리하여 식품, 화장품, 의약품 제조 등 다양한 산업에서 소재로 활용하고 있으며, 예컨대 직물풀, 수성도료, 에멀션화제, 및 아이스크림, 잼, 마요네즈 등의 증점제로 이용되고 있다.

특히, 해조류에 함유된 다당류들이 생리활성에 유효한 것으로 알려지면서 식이섬유로서의 콜레스테롤 저하효과와 고지혈증 예방 등의 기능성이 주목받고 있다.

해조류로부터 알긴산을 추출하기 위한 관련 공지 기술의 일례로서 한국공개특허 제 10 - 2002 - 0011842 호에는 해조류에서 알긴산을 추출하기 위한 방법에 관한 기술을 개시한 바, 해조류를 수세한 후 묽은 염산 세척공정, 알카리에 의한 알긴산 추출공정, 초음파 진동 여과공정을 포함하는 알긴산 추출 방법을 구성한다.

다른 예로서, 한국공개특허 제 10 - 2015 - 0112401 호에는 알긴산이 함유된 갈조류를 수세하여 불순물을 제거하는 수세단계와, 상기 갈조류를 물과 글리세린 혼합액에 침전시킨 후 70℃ ∼ 80℃의 온도에서 4시간 ∼ 6시간 동안 불리며 증류하여 알긴산이 글리세린과 혼합되도록 하는 혼합단계와, 상기 혼합액에 침전시켜 불린 갈조류를 5℃ ∼ 40℃의 온도에서 3일 ∼ 7일간 교반시키며 숙성하는 숙성단계와, 상기 숙성된 갈조류와 혼합액을 압착하여 용출하는 용출단계와, 상기 용출된 추출물을 진공농축기에 투입하여 75℃ ∼ 105℃의 온도에서 4시간 ∼ 6시간 동안 물을 증류시키며 갈조류 추출물을 농축하는 농축단계로 구성한다.

한국공개특허 제 10 - 2002 - 0011842 호 (2002.02.09) 한국공개특허 제 10 - 2015 - 0112401 호 (2015.10.07) 한국등록특허 제 10 - 0185532 호 (1999.03.20) 한국공개특허 제 10 - 1984 - 0000883 호 (1984.03.26)

상기와 같은 종래 기술이 적용되는 알긴산 추출 기술은 해조류를 알칼리성 수용액으로 가열 교반하면서 알긴산을 추출하는 형태로 이루어진다.

그러나, 종래 기술에 의한 추출 방식으로는 재료로 사용된 해조류로부터 알긴산 추출률이 극히 미미한 수준에 그치고 있으며, 시판 해조류를 알긴산 추출 재료로 이용할 경우 유의적인 수준의 생산성을 기대하기 어려워 산업화가 어려운 실정에 있다.

또한, 폐해조류를 해변 등에 방치할 경우 환경문제를 유발할 뿐만 아니라 수거 및 처리에 따른 경제적 문제를 내포하고 있어 보다 친환경적인 활용 방안이 절실하게 요구되는 실정이다.

따라서, 폐해조류를 보다 적극적으로 활용하되 고부가가치 창출이 기대되는 알긴산 추출 효율을 극대화하여 산업화할 수 있는 기술의 개발이 필요하다.

이에 본 발명에서는 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서,

폐해조류를 수거하여 염분 및 부착물을 수세하고, 수분율이 60~70%로 건조한 후 파쇄하는 재료준비단계와,

건조된 폐해조류를 발효조에 적재한 후 효소를 투입하고 55℃에서 7시간 처리하여 안정화하는 효소처리단계와,

효소처리된 결과물을 황산용액으로 추출하여 팽윤시키는 황산추출단계와,

황산추출된 결과물의 여액을 제거하고 잔사에 탄산나트륨용액을 투입하여 추출하는 알칼리처리단계와,

알칼리처리된 결과물에 물을 첨가하여 진탕을 조성하고 감압여과하는 여과단계와,

감압여과된 결과물의 잔사를 제거한 여액에 염화수소를 투입하여 pH를 산성으로 조절하는 산처리단계와,

산처리된 결과물을 원심분리하여 상등액을 제거한 침전물에, 에탄올과 수산화나트륨을 첨가하여 pH를 중성으로 조절하는 원심분리단계와,

원심분리된 결과물을 여과하여 여액을 제거한 잔사에, 에탄올과 아세톤 혼합용매를 투입하여 세척하는 용매세척단계와,

세척된 결과물을 40℃에서 24시간 건조하여 알긴산을 추출하는 알긴산추출단계를 포함하여 구성한다.

또한, 상기 효소처리단계에서 투입되는 효소는 글루코아밀라아제, 프로테아제, 펙티나아제 효소 중에서 선택되는 1종 또는 그 이상으로 구성한다.

따라서, 해변에 방치되는 폐해조류를 이용해 알긴산 추출 효율을 극대화하여 소재화하는 방법을 제공할 수 있는 목적 달성이 가능하다.

본 발명은 폐해조류를 수거하여 알긴산 추출 재료로 사용하고, 효소처리단계를 포함한 일련의 추출 과정을 통해 알긴산의 추출 효율을 극대화하여 소재화하는 방법을 제공하는 이점이 있다.

따라서, 본 발명은 버려지는 해조류를 보다 친환경적인 방법으로 재활용하여 종래 수거 및 폐기에 따른 제반 비용뿐만 아니라, 알긴산 추출에 사용되는 재료 수급에 따른 비용 부담을 절감하여 경제적 효과를 도모하는 이점이 있다.

아울러, 고부가가치를 가지는 알긴산의 추출률을 종래 기술에 비해 약 20 ~ 40% 증대하여 생산성을 향상함으로써 다양한 산업부분에서 폐해조류 추출 알긴산을 소재화하도록 하는 효과를 기대할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 폐해조류와 효소를 활용한 알긴산 소재화 방법의 과정을 도시한 흐름도.

이하, 본 발명의 폐해조류와 효소를 활용한 알긴산 소재화 방법의 바람직한 실시 예에 따른 구성과 작용을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 하기의 설명에서 당해 기술분야의 통상의 기술자가 용이하게 구현할 수 있는 부분에 대한 구체적인 설명은 생략될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 폐해조류와 효소를 활용한 알긴산 소재화 방법의 과정을 도시한 흐름도이다.

본 발명의 기술이 적용되는 폐해조류와 효소를 활용한 알긴산 소재화 방법은 주로 해변 등에 방치되는 폐해조류를 수거하여 알긴산 추출 재료로 활용하되 효소를 이용하여 알긴산의 추출 효율을 극대화하는 일련의 소재화 방법을 구성함으로써 폐해조류를 적극 재활용하여 친환경적이면서 높은 생산성을 가지는 알긴산 소재화 기술에 관한 것임을 주지한다.

이를 위한 본 발명의 폐해조류와 효소를 활용한 알긴산 소재화 방법은 도 1에 도시한 바와 같은 재료준비단계 내지 알긴산추출단계로 이루어지는 일련의 단계들을 포함하여 구성하며 구체적으로는 하기와 같다.

재료준비단계는 크게 수거, 세척, 건조 과정으로 세분화할 수 있다. 본 발명은 일반적으로 시판되는 해조류 대신 해변 등에 방치된 해조류를 재료로 이용하므로 재료준비단계를 통해 대량의 해조류를 수거하여 재료로 활용하기 위한 상태로 준비한다.

수거한 폐해조류의 표면에는 특유의 점액질 물성으로 인해 모래나 각종 부착물이 점착되어 있으며 염분이 다량 포함되어 있다.

따라서, 수거한 폐해조류를 텀블링 방식의 회전 세척기에 투입하여 부착물을 수세로 제거한다.

세척 과정을 거친 폐해조류는 건조기를 이용해 수분율을 60~70% (고형분30~40%)로 건조한 후 소정의 크기로 균등하게 파쇄한다.

효소처리단계는 상기 재료준비단계를 거쳐 건조된 폐해조류를 발효조에 적재한 후 효소를 투입하고 55℃에서 7시간 처리하여 안정화하는 단계이다.

상기 효소처리단계에서 투입되는 효소는 글루코아밀라아제, 프로테아제, 펙티나아제 효소 중에서 선택되는 1종 또는 그 이상으로 구성하여 폐해조류를 가수분해함으로써 후속 단계에서 알긴산 추출 효율의 증대를 도모한다.

글루코아밀라아제(Glucoamylase)는 탄수화물, 특히 다당류를 가수분해하는 효소로서 검은곰팡이, 누룩곰팡이, 리조푸스 오리제, 및 그 변종의 배양물에서 수득하여 고순도 정제된 효소이다. 당 사슬의 비환원성 말단으로부터 글루코오스를 절단해나가는 효소로서 전분 등의 α-1,4- 및 α-1,6-글리코시드 결합을 가수분해하여 포도당을 생성한다.

프로테아제는(Protease)는 단백질과 펩티드결합을 가수분해하는 효소로서 단백질분해효소라고도 하며 동식물의 조직이나 세포, 미생물에 널리 존재한다. 분해양식에 따라 단백질의 내부에서 펩티드를 유리시키는 엔도펩티다아제와 단백질 말단의 펩티드사슬을 분해하여 아미노산을 유리시키는 엑소펩티다아제로 분류할 수 있다.

펙티나아제(Pectinase)는 펙틴질 성분인 펙틴산, 펙틴, 펙트산 등의 α-1,4-글리코시드 결합을 가수분해하는 효소이다. 세균, 곰팡이, 효모, 식물, 곤충 등에 널리 분포하고 있다. 효소의 작용형식에서 α-1,4결합의 안쪽에서 임의로 분해하여 올리고당을 생성하는 엔도형 펙티나아제와 말단기에서 순차로 분해하여 단당류를 생성하는 엑소형 펙티나아제로 분류할 수 있고 전자는 액화형, 후자는 당화형 펙틴 가수분해효소에 속한다.

효소처리단계에서는 상기 효소의 활성화에 적합한 온도인 55℃에서 폐해조류를 발효하여 가수분해함으로써 폐해조류에 함유된 각종 유기물을 분해하여 추후 단계에서 알긴산의 추출 효율을 극대화하도록 구성한다.

황산추출단계는 효소처리된 결과물을 황산용액으로 추출하여 팽윤시키는 단계이다. 황산(H₂SO₄)은 강산성 화합물로써 물과 함께 희석하여 사용하며 효소처리된 결과물에 흡수시켜 탄수화물, 단백질 등 수소 및 산소를 함유하는 고분자 사슬을 용해한다. 구체적으로 상기 황산추출단계에서는 0.4N 황산용액을 이용해 75℃에서 10시간동안 추출한다.

알칼리처리단계는 황산추출된 결과물의 여액을 제거한 잔사에 탄산나트륨용액을 투입하여 추출하는 단계이다. 탄산나트륨(Na₂CO₃)은 알칼리 화합물로써 물과 함께 희석하여 사용하며 황산추출된 결과물을 알칼리 처리하여 단백질을 분해한다. 구체적으로 3% 탄산나트륨용액을 이용해 75℃에서 10시간동안 추출한다.

여과단계는 알칼리처리된 결과물에 물을 첨가하여 진탕을 조성하고 감압여과하는 단계이다. 구체적으로 알칼리처리물 중량의 80배에 해당하는 중량의 물을 첨가하여 조성한 용액을 필터프레스 또는 포켓필터를 이용해 감압여과한다.

산처리단계는 감압여과된 결과물의 잔사를 제거한 여액에 염화수소를 투입하여 pH를 산성으로 조절하는 단계이다. 염화수소(HCl)는 강산성 화합물로써 감압여과된 결과물의 여액에 10% 염화수소를 투입하여 pH를 2로 조절한다. 산처리에 의해 여액을 가수분해하며 생성된 침전물은 하기 원심분리단계에서 층분리된다.

원심분리단계는 산처리된 결과물을 원심분리하여 상등액을 제거한 침전물에 에탄올과 수산화나트륨을 첨가하여 pH를 중성으로 조절하는 단계이다. 구체적으로 20℃에서 3,000xg속도로 10분간 원심분리하고 침전물 중량의 20배에 해당하는 중량의 50% 에탄올을 첨가하고, 10% 수산화나트륨(NaOH)을 첨가하여 pH를 7로 조절한다. 에탄올은 중성이며 수산화나트륨은 염기성이므로 산처리된 결과물을 중성화한다.

용매세척단계는 원심분리된 결과물을 여과하여 여액을 제거한 잔사에, 에탄올과 아세톤 혼합용매를 투입하여 세척하는 단계이다. 구체적으로 에탄올과 아세톤을 1:1로 혼합한 용매를 이용해 세척한다. 에탄올와 아세톤은 극성 유기용매로써 물과 혼합된 효소가 원심분리에 의해 침전된 것을 세척하여 정제한다.

알긴산추출단계는 세척된 결과물을 40℃에서 24시간 건조하여 알긴산을 추출하는 단계이다. 상기 용매세척단계에서 침전의 정제는 비교적 저온에서 효과적이므로 알긴산추출단계 역시 상기 온도에서 건조하여 알긴산을 추출한다.

이하에서는 전술한 바와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명을 포함하는 실시 예를 구성하고 그에 따른 효과에 대해서 면밀하게 파악하고자 한다. 이하의 설명은 본 발명에 대하여 바람직한 실시 예를 들어 설명하는 것이므로 본 발명은 하기 실시 예에 의해 한정되는 것이 아니며 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 제공될 수 있음은 당연하다 할 것이다.

<실시 예>

본 발명에 따른 실험군과 비교군을 제조하여 알긴산 추출 효율 검사를 실시함.

1. 재료준비단계 - 바닷가에서 폐기되는 해조류, 예컨대 구멍갈파래, 미역, 이끼깃털말 등을 수거하여 2차례 이상 수세하고 수분율 66.6%(고형분 33.4%)로 건조하여 시료를 준비한다. 재료준비단계의 실시 후 폐해조류에 잔류하는 부착물, 염분의 함량은 0.002% 미만으로 측정되었다.

2. 준비된 시료를 60℃에서 120분 동안 물로 추출하여 실험군1 내지 실험군3과 비교군으로 구분한다.

3. 효소처리단계 - 실험군1 내지 실험군3은 전술한 바와 같은 본 발명의 폐해조류와 효소를 활용한 알긴산 소재화 방법에 따라 효소처리단계를 실시한다. 실험군1 내지 실험군3은 효소처리단계에 사용되는 효소의 종류를 차별한다.

하기 표 1은 본 발명에 따른 실험군1 내지 실험군3과 비교군의 효소처리단계 실시 조건을 기재한 것이다. 비교군은 효소처리단계를 실시하지 않는다.

Sumizyme은 글루코아밀라아제 효소의 일종으로 고순도 정제 효소이다. Alcalase는 프로테아제 효소의 일종으로 정제된 효소와 달리 미생물에 의해 생산된 효소이다. Pectinex는 펙티나아제 효소의 일종이다.

구분	효소종류	효소투입량	시료량 (건조폐해조류)	추출용매	효소활성화 온도	효소활성화 pH
비교군	무첨가	-	0g	물 200ml	-	-
실험군1	Sumizyme	1g	20g	물 200ml	55℃	6~8pH
실험군2	Alcalase	1g	20g	물 200ml	55℃	6~8pH
실험군3	Pectinex	1g	20g	물 200ml	55℃	6~8pH

황산추출단계 내지 알긴산추출단계는 전술한 바와 같은 방식으로 실험군1 내지 실험군3과 비교군 모두 동일 조건으로 실시한다.

4. 황산추출단계 - 0.4N 황산용액으로 75℃에서 10시간 동안 추출한다. 시간이 경과함에 따라 실험군3→실험군1→실험군2 의 순으로 팽윤이 진행되었다.

5. 알칼리처리단계 - 황산 처리후 여액은 제거하고 잔사에 3% 탄산나트륨 용액을 투입하고 75℃에서 10시간 동안 처리한다.

6. 여과단계 - 추출 후 시료 무게의 80배의 물을 첨가하고 필터프레스로 감압여과한다.

7. 산처리단계 - 여과 잔사는 제거하고 여액은 10% 염화수소를 이용해 pH2로 조절한다.

8. 원심분리단계 - 20℃에서 3000g의 속도로 10분간 원심분리한다. 상등액은 제거하고 침전물에 20배의 50% 에탄올과, 수산화나트륨을 첨가하여 pH7로 조절한다.

9. 용매세척단계 - Nylon cloth로 여과하고 잔사를 에탄올 아세톤 혼합용매로 세척한다.

10. 알긴산추출단계 - 40℃에서 24시간 건조하여 알긴산을 추출한다.

11. 하기 표 3에는 본 발명의 폐해조류와 효소를 활용한 알긴산 소재화 방법에 따른 실험군1 내지 실험군3과, 효소처리단계를 실시하지 않은 비교군의 알긴산 추출률 검사결과를 기재한 것이다.

구분	알긴산 추출률
비교군	21.2%
실험군1	29%
실험군2	29%
실험군3	26%

상기 표 2에 나타낸 바와 같이 Sumizyme과 Alcalase 효소를 이용해 효소처리단계를 실시한 실험군1 내지 실험군2와 Pectinex 효소를 이용한 실험군3이 효소의 종류에 따라 다소간의 차이는 있으나, 효소처리단계를 실시하지 않은 비교군에 비해 높은 알긴산 추출률을 나타내는 것을 확인할 수 있다.

이상에서와 같은 본 발명에 따른 폐해조류와 효소를 활용한 알긴산 소재화 방법은 조류에 의해 밀려 들어와 바닷가에 방치된 채로 폐기 처분되던 폐해조류를 이용하여 알긴산 추출의 재료로 사용하고, 특히, 효소처리단계를 포함한 일련의 추출 과정을 통해 알긴산의 추출 효율을 극대화하여 소재화하는 방법을 제공하는 이점이 있다.

따라서, 본 발명은 폐해조류를 재활용함으로써 친환경적이고 경제적 효과를 도모하는 이점이 있다.

특히, 식품, 화장품, 의약품 제조 등 다양한 산업분야에 사용되는 등 고부가가치를 가지는 알긴산의 추출률을 종래 기술에 비해 약 20 ~ 40% 증대하여 생산성을 대폭 향상함으로써 폐해조류에서 추출된 알긴산을 더욱 폭넓게 활용할 수 있으므로 산업상 이용가능성이 매우 클 것으로 기대된다.

해당 없음.

Claims

폐해조류를 수거하여 염분 및 모래와 부착물을 수세하고, 수분율이 60~70%로 건조한 후 파쇄하는 재료준비단계;
건조된 폐해조류를 발효조에 적재한 후 효소를 투입하고 55℃에서 7시간 처리하여 폐해조류에 함유된 유기물을 분해하고 안정화하는 효소처리단계;
효소처리된 결과물을 황산용액을 이용해 75℃에서 10시간동안 추출하여 고분자 사슬을 용해하고 팽윤시키는 황산추출단계;
황산추출된 결과물에서 여액을 제거한 잔사를 탄산나트륨용액을 이용해 75℃에서 10시간동안 추출하여 단백질을 분해하는 알칼리처리단계;
알칼리처리된 결과물에 물을 첨가하여 진탕을 조성하고 감압여과하는 여과단계;
감압여과된 결과물의 잔사를 제거한 여액에 염화수소를 투입하여 pH를 산성으로 조절하는 산처리단계;
산처리된 결과물을 원심분리하여 상등액을 제거한 침전물에 에탄올과 수산화나트륨을 첨가하여 pH를 중성으로 조절하는 원심분리단계;
원심분리된 결과물을 여과하여 여액을 제거한 잔사에, 에탄올과 아세톤을 1:1로 혼합한 용매를 투입하여 세척하는 용매세척단계;
세척된 결과물을 40℃의 저온에서 24시간 건조하여 알긴산을 추출하는 알긴산추출단계;로 이루어지고,
상기 효소처리단계에서 투입되는 효소는 글루코아밀라아제, 프로테아제, 펙티나아제 효소 중에서 선택되는 1종 또는 복수인 것을 특징으로 하는 폐해조류와 효소를 활용한 알긴산 소재화 방법.
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