KR102389473B1 - 바이오매스로부터 오탄당 기반 올리고당을 제조하는 방법 - Google Patents

바이오매스로부터 오탄당 기반 올리고당을 제조하는 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102389473B1
KR102389473B1 KR1020190171678A KR20190171678A KR102389473B1 KR 102389473 B1 KR102389473 B1 KR 102389473B1 KR 1020190171678 A KR1020190171678 A KR 1020190171678A KR 20190171678 A KR20190171678 A KR 20190171678A KR 102389473 B1 KR102389473 B1 KR 102389473B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
exchange resin
ion exchange
biomass
biomass extract
enzyme
Prior art date
Application number
KR1020190171678A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20210079662A (ko
Inventor
한민
함충현
이애라
김선홍
이관형
김학준
Original Assignee
대상 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 대상 주식회사 filed Critical 대상 주식회사
Priority to KR1020190171678A priority Critical patent/KR102389473B1/ko
Priority to PCT/KR2020/013142 priority patent/WO2021125515A1/ko
Publication of KR20210079662A publication Critical patent/KR20210079662A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102389473B1 publication Critical patent/KR102389473B1/ko

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P19/00—Preparation of compounds containing saccharide radicals
    • C12P19/04—Polysaccharides, i.e. compounds containing more than five saccharide radicals attached to each other by glycosidic bonds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08B—POLYSACCHARIDES; DERIVATIVES THEREOF
    • C08B37/00—Preparation of polysaccharides not provided for in groups C08B1/00 - C08B35/00; Derivatives thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08B—POLYSACCHARIDES; DERIVATIVES THEREOF
    • C08B37/00—Preparation of polysaccharides not provided for in groups C08B1/00 - C08B35/00; Derivatives thereof
    • C08B37/0003—General processes for their isolation or fractionation, e.g. purification or extraction from biomass
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08B—POLYSACCHARIDES; DERIVATIVES THEREOF
    • C08B37/00—Preparation of polysaccharides not provided for in groups C08B1/00 - C08B35/00; Derivatives thereof
    • C08B37/0006—Homoglycans, i.e. polysaccharides having a main chain consisting of one single sugar, e.g. colominic acid
    • C08B37/0057—Homoglycans, i.e. polysaccharides having a main chain consisting of one single sugar, e.g. colominic acid beta-D-Xylans, i.e. xylosaccharide, e.g. arabinoxylan, arabinofuronan, pentosans; (beta-1,3)(beta-1,4)-D-Xylans, e.g. rhodymenans; Hemicellulose; Derivatives thereof

Abstract

본 발명은 헤미셀룰로스가 함유된 바이오매스로부터 자일로올리고당과 같은 오탄당 기반 올리고당을 효율적으로 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 오탄당 기반 올리고당의 제조 방법은 효소 분해 단계 이전에 활성탄에 의한 탈색 공정 및 이온교환수지에 의한 1차 정제 공정이 수행되고, 1차 정제 공정에 의해 바이오매스 추출액의 pH 조절 및 불순물이 제거되어 기존의 화학약품을 사용하여 효소 분해 반응에 적합한 pH를 조절하는 공정에 비해 효소 분해 단계 이후의 이온교환수지에 의한 2차 정제 공정의 과부하를 감소시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 방법을 사용하여 바이오매스로부터 오탄당 기반 올리고당을 제조하는 경우 전체 공정 효율이 개선되고 바이오매스로부터 고품질의 자일로올리고당과 같은 오탄당 기반 올리고당을 안정적으로 생산할 수 있다.

Description

바이오매스로부터 오탄당 기반 올리고당을 제조하는 방법{Manufacturing method of pentose-based oligosaccharide from biomass}
본 발명은 오탄당 기반 올리고당의 제조 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 헤미셀룰로스가 함유된 바이오매스로부터 자일로올리고당과 같은 오탄당 기반 올리고당을 효율적으로 제조하는 방법에 관한 것이다.
자일로올리고당(xylo-oligosaccharide)은 2~8개의 D-자일로오스로부터 β-1,4-자일로오스 글리코시드 결합을 통해 형성되며, 이는 기능성 올리고당류의 중요 구성원이다. 자일로올리고당의 당도(saccharinity)는 자당 및 글루콘산보다 낮고, 자당 당도의 약 40%에 달한다. 자일로올리고당은 pH 및 열에 대한 안정성이 비교적 양호하고, 산성 조건(pH=2.5-7) 하에서의 가열에 의해서도 기본적으로 분해되지 않으므로, 요구르트, 유산균 음료, 탄산 음료 등 산성 음료에 많이 사용된다. 자일로올리고당은 보통 자일란을 다량 함유하는 식물 원료로부터 제조하는데, 예를 들면 목분, 옥수수심, 목화씨 껍질, 벼 껍질, 평지씨 껍질 원료와 같은 다양한 바이오매스를 엔도형 자일라나제를 이용해 가수분해한 후, 분리 및 정제하여 얻는다.
바이오매스로부터 자일로올리고당과 같은 오탄당 기반 올리고당을 제조하는 기술과 관련하여, 대한민국 등록특허공보 제10-0450563호에는 (a) 자일란 함유 식물성 원료를 물에 침지하여 팽윤시킨 후 폭쇄처리하고, (b) (a)에서 얻은 폭쇄물에 물을 가하여 슬러리화한 후 고액분리장치로 고액분리하여 조당액을 얻고, (c) (b)에서 얻은 조당액을 원심분리한 후 상층액을 정밀여과막으로 여과하고, (d) (c)에서 얻은 여과액을 이온교환 수지에 통액하여 탈색된 당액을 얻은 후 농축하는 단계를 포함하는, 자일란 함유 식물성 원료로부터 자일로올리고당을 생산하는 방법이 개시되어 있다. 또한, 대한민국 등록특허공보 제10-0653748호에는 (1) 옥수수심(corncob) 분말과 물을 1:6~10의 비로 혼합하고, 옥수수심의 중량을 기준으로 0.1~1.5%의 약산 촉매제를 이용해 155℃-180℃의 조건 하에 30분-120분 동안 고온 분해시켜, 자일란을 추출하는 단계; (2) 자일란 용액의 pH를 5.0-6.0으로 조정하고, g당 50-85UI 단위의 활성 자일라나제의 비율로 자일라나제를 첨가하고, 45-60℃ 조건 하에 4-10시간 동안 효소 분해시킨 다음, 온도를 90℃-105℃로 높인 후 10분-30분 동안 상기 온도를 유지시켜, 자일라나제를 불활성화하는 단계; (3) 옥수수심 분말을 여과 제거하여 자일란당액을 얻는 단계; (4) 자일란당액을 활성탄과 이온 교환 수지를 이용해 이물을 제거하여 탈색하는 단계; (5) 대분자 차단막을 이용해 대분자 자일란은 차단하고, 자일로올리고당액은 여과시키고, 차단된 대분자 자일란은 다시 효소 분해 과정으로 복귀시키는 단계; 및 (6) 자일로올리고당액에 대해 나트륨 여과막을 통해 농축 탈염하는 단계를 포함하는 자일로올리고당의 제조 방법이 개시되어 있다. 또한, 대한민국 공개특허공보 제10-2019-0024434호에는 목질계 바이오매스를 신속한 수화와 마찰식 분쇄를 통하여 평균입경이 감소하고 표면적이 증가한 섬유질의 수화물을 제조하는 전전처리물 제조단계; 상기 전전처리물을 열수를 이용하여 처리하는 열수 전처리단계; 열수로 전처리된 바이오매스를 고상과 액상으로 분리하는 고액분리 단계; 및 상기 고액분리 단계를 통하여 분리된 액상으로부터 자일로오스 또는 자일로올리고당을 분리하는 올리고당 분리 단계를 포함하는 목질계 바이오매스 유래 자일로올리고당의 중합도별 생산 방법이 개시되어 있다.
상기 대한민국 등록특허공보 제10-0653748호에 개시된 자일로올리고당 제조방법은 중국 기업인 산동 롱라이브 바이오-테크놀로지 컴퍼니 리미티드에 의해 개발된 기술이며, 바이오매스로부터 자일로올리고당을 제조하기 위한 방법은 바이오매스를 수용액 상에서 80℃의 온도로 예열하고 초산을 투입한 후 160~170℃에서 1.5~2 hr 동안 가열 분해시키는 전처리 단계(Pre-Treatment)→염산 용액 또는 수산화나트륨을 이용하여 전처리된 용액의 pH를 5.5로 조절하는 단계(pH Control)→자일라나제를 첨가하고 효소 분해반응을 실시한 후 여과하여 당액을 수득하는 단계(Enzyme hydrolysis)→당액에 활성탄 분말을 첨가하고 탈색 반응을 진행한 후 여과하여 1차 탈색 당액을 수득하는 단계(1st Active carbon)→1차 탈색 당액을 농축하여 자일로올리고당 시럽을 수득하는 단계(Evaporation)→자일로올리고당 시럽에 활성탄 분말을 첨가하고 탈색 반응을 진행한 후 여과하여 2차 탈색 시럽을 수득하는 단계(2nd Active carbon)→2차 탈색 시럽을 이온교환수지에 통과시켜 정제하는 이온교환 정제 단계(Ion exchange)→정제된 시럽을 한외여과하는 단계(Ultra Filtration)→한외여과된 시럽을 나노여과하는 단계(Nano Filtration)→나노여과된 시럽을 농축하는 단계로 구성된다. 상기 대한민국 등록특허공보 제10-0653748호에 개시된 자일로올리고당 제조방법의 경우 전처리 단계에서 초산과 같은 약산을 사용하고 효소 분해반응 전에 염산이나 수산화나트륨으로 pH를 조절하기 때문에 이온교환수지에 유입되는 2차 탈색 시럽의 전도도가 5,000 ㎲ 이상이고, 이로 인해 이온교환수지의 교체 주기 또는 재생 주기가 매우 짧아지게 되고 전도도가 50 ㎲ 이하인 이온정제 산물을 수득하기가 어려우며 결과적으로 이온교환 정제 공정의 과부하 및 공정 비용 상승을 유발하게 된다.
본 발명은 종래의 기술적 배경하에서 도출된 것으로서, 본 발명의 목적은 이온교환 정제 공정의 과부하를 적정 수준으로 방지하고 여과 단계의 작업성이 향상되어 바이오매스로부터 안정적으로 오탄당 기반 올리고당을 제조할 수 있는 방법을 제공하는데에 있다.
본 발명의 발명자들은 열수를 이용하여 바이오매스로부터 자일란을 추출하고, 추출된 자일란을 효소 가수분해한 후 이온교환수지로 정제하여 자일로올리고당 함유 정제액을 수득하는 방법에 있어서, 1) 효소 가수분해 단계 이전에 염산이나 수산화나트륨과 같은 화학약품 대신 이온교환수지 정제 공제 공정을 이용하여 바이오매스 추출액의 pH를 효소 가수분해 반응 최적 pH로 조절하거나, 2) 효소 가수분해 단계 이전에 바이오매스 추출액을 탈색하고 염산이나 수산화나트륨과 같은 화학약품 대신 이온교환수지 정제 공제 공정을 이용하여 바이오매스 추출액의 pH를 효소 가수분해 반응 최적 pH로 조절하면 효소 가수분해 이후의 여과 작업성이 크게 개선되고 이온교환 정제 공정의 과부하가 최소화되어 고품위의 자일로올리고당을 안정적으로 제조할 수 있다는 점을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.
본 발명에서 사용하는 용어인 '헤미셀룰로스'는 식물 세포벽을 이루는 셀룰로스 섬유의 다당류 중 펙틴질을 뺀 것으로서, 주성분으로 자일란(xylan), 글루칸(glucan), 글루쿠로노자일란(glucuronoxylan), 아라비노자일란(arabinoxylan), 자일로글루칸(xyloglucan), 글루코만난(glucomannan) 등을 포함한다. 본 발명에서 사용하는 용어인 '고/액 분리'은 고상과 액상의 혼합물을 고상과 액상으로 분리하는 방법을 의미하며, 공지의 다양한 방법을 포함하는 개념이다. 공지의 고/액 분리 방법의 예로는 원심분리, 프레스 여과, 여과포 여과, 막 여과 등이 있다. 본 발명에서 사용하는 용어인 '바이오매스'는 화학 원료 또는 공업 원료로 이용되는 식물 자원을 의미한다.
상기 목적을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 예는 (a) 헤미셀룰로스가 함유된 바이오매스(Biomass)와 물(Water)의 혼합물로 이루어진 바이오매스 슬러리를 150~200℃의 온도 조건으로 열처리한 후 고/액 분리하여 바이오매스 추출액을 수득하는 단계; (b) 상기 바이오매스 추출액을 이온교환수지에 통과시켜 1차 이온교환 정제를 실시하고 pH가 4.8~6.5의 범위로 조정된 바이오매스 추출액을 수득하는 단계; (c) 상기 pH가 조정된 바이오매스 추출액에 자일란을 분해할 수 있는 효소를 첨가하고 효소 가수분해 반응을 실시한 후 여과하여 효소 가수분해 산물 용액을 수득하는 단계; (d) 상기 효소 가수분해 산물 용액을 농축하여 효소 가수분해 산물 농축액을 수득하는 단계; 및 (e) 상기 효소 가수분해 산물 농축액을 이온교환수지에 통과시켜 2차 이온교환 정제를 실시하고 전도도가 50 ㎲ 이하인 자일로올리고당 함유 정제 용액을 수득하는 단계를 포함하는 오탄당 기반 올리고당의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 예에 따른 오탄당 기반 올리고당의 제조방법에서, 상기 (a) 단계의 헤미셀룰로스가 함유된 바이오매스는 자일란(xylan), 글루쿠로노자일란(glucuronoxylan) 또는 아라비노자일란(arabinoxylan)에서 선택되는 1종 이상이 함유된 식물 자원 또는 식물 자원의 특정 부위라면 그 종류가 크게 제한되지 않으며, 자일란 함유량 내지 경제성 등을 고려할 때 코끼리풀, 옥수수 속대 또는 사탕수수 바가스에서 선택되는 1종 이상으로 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 (a) 단계의 바이오매스 슬러리에서 바이오매스 건조 중량 농도는 크게 제한되지 않으며, 원활한 작업성 내지 자일란 추출 효율 등을 고려할 때 바이오매스 슬러리 전체 중량을 기준으로 5~30%(w/w)인 것이 바람직하고, 8~15%(w/w)인 것이 더 바람직하다. 또한, 상기 (a) 단계의 열처리는 바이오매스로부터 자일란을 효율적으로 추출하기 위해 고압에서 진행되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 (a) 단계의 열처리 온도는 160~200℃인 것이 바람직하고, 170~195℃인 것이 바람직하다. 또한, 상기 (a) 단계의 열처리 시간은 자일란을 적정 수준으로 추출하는 범위에서 크게 제한되지 않으며, 예를 들어 5분 내지 2 hr의 범위에서 선택될 수 있고, 경제성 등을 고려할 때 5분 내지 60분의 범위에서 선택되는 것이 바람직하고 5분 내지 30분의 범위에서 선택되는 것이 더 바람직하다.
본 발명의 일 예에 따른 오탄당 기반 올리고당의 제조방법에서, 상기 (b) 단계의 1차 이온교환 정제를 위해 사용되는 이온교환수지는 양이온교환수지 및 음이온교환수지를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 이온교환수지는 이온교환수지는 1단 양이온교환수지, 2단 음이온교환수지 및 3단 혼상 이온교환수지가 순차적으로 배치된 총 3단의 이온교환수지로 구성될 수도 있고, 총 1단의 혼상 이온교환수지일 수도 있다. 또한, 상기 혼상 이온교환수지는 양이혼교환수지와 음이온교환수지의 혼합물로서, 양이혼교환수지 대 음이온교환수지의 혼합 부피비는 1:1 내지 1:4인 것이 바람직하고, 1:1.5 내지 1:3인 것이 더 바람직하다. 또한, 상기 양이온교환수지 및 음이온교환수지는 바이오매스 추출물의 불순물 제거 및 pH 조절 기능 등을 고려할 때 각각 강산성 양이온교환수지 및 약염기성 음이온교환수지인 것이 바람직하다. 또한, 상기 (b) 단계에서 이온교환수지에 통과되는 바이오매스 추출액의 유량은 바이오매스 추출 원료 내지 추출 조건, 이혼교환수지의 특성 내지 부피 등에 따라 다양한 범위에서 선택될 수 있으며, 예를 들어 2~20 ㎖/min의 범위에서 선택될 수 있고 4~15 ㎖/min의 범위에서 선택될 수 있고, 5~10 ㎖/min의 범위에서 선택될 수 있다. 또한, 상기 (b) 단계에서 바이오매스 추출액의 pH를 원하는 범위로 조정하기 위해 이온교환수지를 통과한 바이오매스 추출액은 소정의 시간 간격으로 분획되어 수집되고 특정 분획만이 혼합되어 이후의 (c) 단계의 효소 가수분해 반응에 사용될 수 있다. 또한, 상기 (b) 단계에서 바이오매스 추출액의 불순물을 적정 수준으로 제거하고 바이오매스 추출액의 pH를 원하는 범위로 조정하기 위해 1차 이온교환 정제는 여러번 반복되어 실시될 수 있고, 예를 들어 2회 내지 10회 반복되어 실시될 수 있다. 또한, 상기 (b) 단계에서 1차 이온교환 정제를 통해 수득한 바이오매스 추출액의 pH 범위는 이후의 (c) 단계에서 사용하는 효소의 최적 pH를 고려하여 선택될 수 있고, 자일란을 분해할 수 있는 효소의 일반적인 최적 pH를 고려할 때 5.0~6.0인 것이 바람직하고, 5.0~5.5인 것이 더 바람직하다.
본 발명의 일 예에 따른 오탄당 기반 올리고당의 제조방법에서, 상기 (c) 단계의 자일란을 분해할 수 있는 효소는 헤미셀룰로스를 구성하는 주성분인 자일란(xylan), 글루쿠로노자일란(glucuronoxylan) 또는 아라비노자일란(arabinoxylan)을 분해할 수 있는 공지의 다양한 효소에서 선택될 수 있고, 자일로올리고당 생성 효율을 고려할 때 자일라나제(Xylanase), 자일로시다제(Xylosidase) 또는 아라비노푸라노시다제(Arabinofuranosidase)에서 선택되는 1종 이상으로 구성되는 것이 바람직하고, 자일라나제(Xylanase), 자일로시다제(Xylosidase) 및 아라비노푸라노시다제(Arabinofuranosidase)의 혼합 효소 조성물인 것이 더 바람직하다. 또한, 상기 (c) 단계의 효소는 효소 가수분해 반응 효율 및 경제성 등을 고려할 때 바이오매스 추출액에 함유된 자일란(Xylan) g 당 50~250 unit의 양으로 첨가되는 것이 바람직하고, 바이오매스 추출액에 함유된 자일란(Xylan) g 당 150~220 unit의 양으로 첨가되는 것이 더 바람직하다. 또한, 상기 (c) 단계의 효소 가수분해 반응 온도는 첨가된 효소의 최적 온도 범위에서 선택될 수 있고, 자일란을 분해할 수 있는 효소의 일반적인 최적 온도를 고려할 때 45~60℃의 범위에서 선택되는 것이 바람직하고 48~55℃의 범위에서 선택되는 것이 더 바람직하다. 또한, 상기 (c) 단계에서 효소 가수분해 반응 후 반응 산물을 여과하는 방법은 공지의 다양한 여과 방법에서 선택될 수 있으며, 작업성 또는 이후의 (e) 단계에서 수행되는 2차 이온교환 정제 등을 고려할 때 막 여과 방법인 것이 바람직하다. 상기 막 여과 방법으로는 정밀여과(Micro-filtration, MF), 한외여과(Ultra-filtration, UF), 나노여과(Nano-filtration, NF) 등이 있다. 정밀여과(Micro-filtration, MF)는 약 0.025~20 ㎛의 공경을 가진 막(membrane)을 여과재로 사용하여 물질을 분리하는 여과 방법이다. 한외여과(Ultra-filtration, UF)는 약 0.01~0.001 ㎛의 공경을 가진 막(membrane)을 여과재로 사용하여 물질을 분리하는 여과 방법이다. 상기 (c) 단계에서의 여과는 정밀여과(Micro-filtration, MF)만 수행되는 1단으로 구성될 수도 있고, 정밀여과(Micro-filtration, MF) 및 한외여과(Ultra-filtration, UF)가 순차적으로 수행되는 2단으로도 구성될 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 오탄당 기반 올리고당의 제조방법에서, 상기 (d) 단계는 (c) 단계에서 수득한 효소 가수분해 산물 용액의 당 농도에 따라 선택적으로 생략되거나 추가될 수 있는 단계이다. 또한, 상기 (d) 단계에서 효소 가수분해 산물 용액을 농축하기 위한 방법은 공지의 다양한 농축 방법에서 선택될 수 있고, 예를 들어 상온 증발, 감압 증발, 진공 증발 등이 있다. 또한, 상기 (d) 단계에서 수득된 효소 가수분해 산물 농축액의 당 농도는 크게 제한되지 않으며, 농축 과정의 경제성 또는 이후 (e) 단계에서 수행되는 2차 이온교환 정제의 효율 등을 고려할 때 20~35 브릭스(Brix)인 것이 바람직하고, 22~30 브릭스(Brix)인 것이 더 바람직하다.
본 발명의 일 예에 따른 오탄당 기반 올리고당의 제조방법에서, 상기 (e) 단계의 2차 이온교환 정제를 위해 사용되는 이온교환수지는 양이온교환수지 및 음이온교환수지를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 이온교환수지는 이온교환수지는 1단 양이온교환수지, 2단 음이온교환수지 및 3단 혼상 이온교환수지가 순차적으로 배치된 총 3단의 이온교환수지로 구성될 수도 있고, 총 1단의 혼상 이온교환수지일 수도 있고, 효소 가수분해 산물 농축액에 함유된 이온성 물질 및 불순물 제거 효율 등을 고려할 때 총 3단의 이온교환수지로 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 혼상 이온교환수지는 양이혼교환수지와 음이온교환수지의 혼합물로서, 양이혼교환수지 대 음이온교환수지의 혼합 부피비는 1:1 내지 1:4인 것이 바람직하고, 1:1.5 내지 1:3인 것이 더 바람직하다. 또한, 상기 양이온교환수지 및 음이온교환수지는 효소 가수분해 산물 농축액에 함유된 이온성 물질 및 불순물 제거 효율 등을 고려할 때 각각 강산성 양이온교환수지 및 약염기성 음이온교환수지인 것이 바람직하다. 또한, 상기 (e) 단계에서 이혼교환수지를 통과한 효소 가수분해 산물 농축액은 소정의 시간 간격으로 분획되어 수집되고 전도도가 50 ㎲를 초과하는 분획은 규격외로 관리되고, 전도도가 50 ㎲ 이하인 분획만 혼합되어 자일로올리고당 함유 정제 용액으로 수득될 수 있다. 또한, 상기 (e) 단계에서 수득되는 자일로올리고당 함유 정제 용액의 전도도는 50 ㎲ 이하를 만족하면 크게 제한되지 않으며, 고품위의 자일로올리고당 제품을 담보하는 측면을 고려할 때 25 ㎲ 이하인 것이 바람직하고, 10 ㎲ 이하인 것이 더 바람직하다.
본 발명의 일 예에 따른 오탄당 기반 올리고당의 제조방법은 고순도의 자일로올리고당을 제공하기 위해 바람직하게는 상기 (e) 단계 이후에, (f) 자일로올리고당 함유 정제 용액을 크로마토그래피로 분리하여 자일로올리고당을 수득하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 (f) 단계는 구체적으로 (e) 단계에서 수득한 자일로올리고당 함유 정제 용액을 농축하고, 농축액을 크로마토그래피 칼럼에 통과시켜 고순도의 자일로올리고당 함유 시럽을 수득하는 것으로 구성될 수 있다. 상기 고순도의 자일로올리고당 함유 시럽은 자일로올리고당(xylooligosaccharide) 함량이 약 70%(w/w) 이상이며, 80%(w/w) 이상인 것이 바람직하고 90%(w/w) 이상인 것이 더 바람직하다. 상기 고순도의 자일로올리고당 함유 시럽은 분무 건조, 동결 건조 등과 같은 다양한 건조 방법을 통해 분말 형태 등으로 고형화될 수 있다.
상기 목적을 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 예는 (a') 헤미셀룰로스가 함유된 바이오매스(Biomass)와 물(Water)의 혼합물로 이루어진 바이오매스 슬러리를 150~200℃의 온도 조건으로 열처리한 후 고/액 분리하여 바이오매스 추출액을 수득하는 단계; (b1') 상기 바이오매스 추출액에 활성탄을 첨가하고 탈색 반응을 실시한 후 고/액 분리하여 탈색된 바이오매스 추출액을 수득하는 단계; (b2') 상기 탈색된 바이오매스 추출액을 이온교환수지에 통과시켜 1차 이온교환 정제를 실시하고 pH가 4.8~6.5의 범위로 조정된 바이오매스 추출액을 수득하는 단계; ( c') 상기 pH가 조정된 바이오매스 추출액에 자일란 또는 아라비노자일란을 분해할 수 있는 효소를 첨가하고 효소 가수분해 반응을 실시한 후 여과하여 효소 가수분해 산물 용액을 수득하는 단계; (d') 상기 효소 가수분해 산물 용액을 농축하여 효소 가수분해 산물 농축액을 수득하는 단계; 및 (e') 상기 효소 가수분해 산물 농축액을 이온교환수지에 통과시켜 2차 이온교환 정제를 실시하고 전도도가 50 ㎲ 이하인 자일로올리고당 함유 정제 용액을 수득하는 단계를 포함하는 오탄당 기반 올리고당의 제조방법을 제공한다. 또한, 본 발명의 다른 예에 따른 오탄당 기반 올리고당의 제조방법은 바람직하게는 상기 (e') 단계 이후에, (f') 자일로올리고당 함유 정제 용액을 크로마토그래피로 분리하여 자일로올리고당을 수득하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 예에 따른 오탄당 기반 올리고당의 제조방법은 전술한 본 발명의 일 예에 따른 오탄당 기반 올리고당의 제조방법과 비교할 때 바이오매스 슬러리의 열처리에 의해 바이오매스 추출액을 수득하는 단계 및 1차 이온교환 정제에 의해 pH가 조정된 바이오매스 추출액을 수득하는 단계 사이에 바이오매스 추출액을 활성탄으로 처리하여 탈색된 바이오매스 추출액을 수득하는 단계가 추가된 것이다. 따라서, 본 발명의 다른 예에 따른 오탄당 기반 올리고당의 제조방법을 구성하는 (a') 단계, (b2') 단계, (c') 단계, (d') 단계, (e') 단계 및 (f') 단계는 각각 본 발명의 일 예에 따른 오탄당 기반 올리고당의 제조방법을 구성하는 (a) 단계, (b) 단계, (c) 단계, (d) 단계, (e) 단계 및 (f) 단계에 대응되므로, 각 단계들의 기술적 특징에 대한 구체적인 설명을 생략한다.
본 발명의 다른 예에 따른 오탄당 기반 올리고당의 제조방법에서, 상기 (b1') 단계의 활성탄은 바이오매스 추출액의 탈색 효율 및 경제성 등을 고려할 때 바이오매스 추출액에 함유된 당 전체 중량 대비 1~8%(w/w)의 양으로 첨가되는 것이 바람직하고 2~6%(w/w)의 양으로 첨가되는 것이 더 바람직하다. 또한, 상기 (b1') 단계의 탈색 반응 온도는 첨가되는 활성탄의 특성에 따라 다양한 범위에서 선택될 수 있고, 활성탄의 일반적인 최적 온도를 고려할 때 50~90℃의 범위에서 선택되는 것이 바람직하고, 60~80℃의 범위에서 선택되는 것이 더 바람직하다. 또한, 상기 (b1') 단계의 탈색 반응 시간은 활성탄의 특성, 활성탄 첨가량, 탈색 반응 온도 등에 따라 다양한 범위에서 선택될 수 있고 적정 수준의 탈색 효과를 담보하는 측면을 고려할 때 20분 내지 4 hr의 범위에서 선택되는 것이 바람직하고, 30분 내지 2 hr의 범위에서 선택되는 것이 더 바람직하다.
본 발명에 따른 오탄당 기반 올리고당의 제조 방법은 효소 분해 단계 이전에 활성탄에 의한 탈색 공정 및 이온교환수지에 의한 1차 정제 공정이 수행되고, 1차 정제 공정에 의해 바이오매스 추출액의 pH 조절 및 불순물이 제거되어 기존의 화학약품을 사용하여 효소 분해 반응에 적합한 pH를 조절하는 공정에 비해 효소 분해 단계 이후의 이온교환수지에 의한 2차 정제 공정의 과부하를 감소시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 방법을 사용하여 바이오매스로부터 오탄당 기반 올리고당을 제조하는 경우 전체 공정 효율이 개선되고 바이오매스로부터 고품질의 자일로올리고당과 같은 오탄당 기반 올리고당을 안정적으로 생산할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 기술적 특징을 명확하게 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명의 보호범위를 한정하는 것은 아니다.
1. 실험재료 및 분석 방법
(1) 바이오매스 시료
코끼리풀(Elephant grass, 태국산), 옥수수 속대(corncob, 인도네시아산), 사탕수수 바가스(Suger cane bagasse, 인도네시아산)
(2) 효소
엔도자일라나제(Endo-xylanase), 베타자일로시다제(Beta-xylosidase) 및 아라비노푸라노시다제(Arabinofuranosidase)의 혼합 효소 조성물
(3) 이온교환수지
양이온교환수지(특성 : 강산성; 제품명 : SCR-B; 제조사 : 삼양사), 음이온교환수지(특성 : 양염기성; 제품명 : S4286; 제조사 : Lanxess)
(4) 기타 처리 약품
활성탄(제품명 : AP-2; 제조사 : Mitubishi, 일본), pH 조절제(NaOH, CaCO3)
(5) 분석기기
HPLC, pH meter, 전도도 측정기
HPLC 분석 조건은 다음과 같다.
* HPLC 장치 : Agilent Technology 1260 Infinity
* HPLC 칼럼 : Shodex Sugar SP0810
* HPLC 검출기 : RI(Refractive Index) detector
* 이동상 용매 : 물
* 유량 : 0.5 ㎖/min
* 칼럼 온도 : 80℃
* 검출기 온도 : 50℃
(6) 페놀류(Phenolics)
페놀류(Phenolics)는 바이오매스에서 유래된 리그린(Lignin) 성분을 나타내며, Folin-Denis 방법을 이용하여 분석하였다.
(7) 부산물(By-product)
부산물(By-product)은 바이오매스를 열수로 전처리하여 추출액을 수득하는 과정에서 과분해에 의해 발생한 성분들로서, 구체적인 예로 Acetic acid, Formic acid, 5-HydroxymethylfurfuralHMF), Furfural이 있으며, National Renewable Energy Laboratory(NREL, USA)의 'Determination of Sugars, Byproducts, and Degradation Products in Liquid Fraction Process Samples' 방법에 의거하여 분석하였다.
(8) 이온교환 정제 용량
이온교환 정제 용량은 이온교환수지 투입량 대비 전도도가 50 ㎲ 이하인 시료의 배출량을 의미한다. 예를 들어, 이온교환수지 투입량이 300 ㎖이고, 이온교환수지를 통과한 후 전도도가 50 ㎲ 이하인 시료의 배출량이 2400 ㎖인 경우 이온교환 정제 용량은 8 Bv(bead volume)의 값을 갖는다.
2. 바이오매스 추출액의 제조
건조 중량을 기준으로 바이오매스 500g을 정량한 후, 이를 4500㎖의 물(water)과 균일하게 혼합하여 바이오매스 함량이 10%(w/w)인 바이오매스 슬러리를 제조하였다. 이후, 상기 바이오매스 슬러리를 7L 용량의 고압 반응관에 넣은 후 원료별 최적 조건인 180~190℃의 온도 조건에서 약 10분 동안 가열하고 냉각 및 여과하여 바이오매스 추출액 4000㎖를 수득하였다. 바이오매스 원료별 바이오매스 추출액의 물성은 하기 표 1 및 표 2에서 보이는 바와 같다.
[표 1 : 바이오매스 추출액의 일반 물성]
바이오매스 추출액 원료 pH 전도도
(㎲)		 Phenolics
(g/㎏)		 By-product
(g/L)		 당 농도
(g/L)
코끼리풀 3.5 1117 1.99 4.5 11.2
옥수수 속대 3.5 1725 2.7 1.14 10.7
사탕수수 바가스 3.4 873 1.7 1.07 9.8
[표 2 : 바이오매스 추출액의 당 조성]
바이오매스 추출액 원료 당 조성(wt %) XOS DP 조성(wt%)
Glucose Xylose Arabinose COS XOS AOS 2~6 6<
코끼리풀 1.8 17 5.4 5.4 67.9 2.7 69.4 30.6
옥수수 속대 1.9 5.6 3.7 2.8 82.2 3.7 48.7 51.3
사탕수수 바가스 1.0 11.2 1.0 2.0 82.7 2.0 46.3 53.7
* COS : 약 2-10개의 D-glucose가 beta(1→4) 결합된 형태의 cello-oligosaccharide
* XOS : 약 2-10개의 D-xylose가 beta(1→4) 결합된 형태의 xylo-oligosaccharide
* AOS : 약 2-10개의 D-arabinose가 beta(1→4) 결합된 형태의 arabino-oligosaccharide
* XOS DP : XOS를 구성하는 xylose 모노머의 중합도
3. 바이오매스 추출액으로부터 자일로올리고당의 제조
비교제조예 1.
전술한 바와 같이 코끼리풀(태국산)을 원료로 사용하여 바이오매스 추출액 약 4,000㎖를 제조하였다. 제조된 코끼리풀 유래 바이오매스 추출액을 '바이오매스 추출액 전처리 시료 비교1'로 명명하고, HPLC 분석을 통해 추출액 내 자일란(Xylan) 함량 및 기본 물성 등을 분석하였다.
이후, 자일로올리고당 중 기능성이 가장 뛰어나다고 알려진 DP 2~6의 자일로올리고당 함량을 증가시키기 위해 바이오매스 추출액에 혼합 효소 조성물을 180 unit/g Xylan의 양만큼 투입하고, 50℃의 온도에서 24 hr 동안 효소 가수분해 반응을 실시 하였다. 효소 가수분해 산물 용액을 95℃의 온도 조건하에서 30분 동안 가열하여 잔류 효소를 불활성화시킨 후, 50℃로 냉각하고 1㎛ 공경(Pore size)의 필터페이퍼를 이용하여 시료를 여과하였으며, 여과 과정중의 작업성은 필터페이퍼의 교체 주기로 판단하였다. 해당 공정을 거친 시료를 '효소분해 산물 비교1'로 명명하고, XOS DP 조성, 여과 공정 작업성, 기본 물성 등을 분석하였다.
여과된 효소 가수분해 산물 용액의 농축 공정은 해당 시료의 전도도(1117 ㎲)가 너무 높아 생략하였고, 이후 1단 양이온교환수지 100㎖, 2단 음이온교환수지 100㎖ 및 3단 혼상 이온교환수지(양이온교환수지 대 음이온교환수지의 혼합 부피비는 1:2임) 100㎖로 구성된 총 3단의 이온교환수지(이온교환수지 총량 300㎖)에 여과된 효소 가수분해 산물 용액을 통과시켜 이온성 물질 및 기타 불순물을 제거하였고, 전도도 50 ㎲ 이상의 분획(fraction)은 규격외로 관리하였다. 이온교환수지에 의한 정제 결과, 최종적으로 2,370㎖의 효소분해 산물 용액이 전도도 50 ㎲ 이하의 분획(fraction)으로 배출되었고, 이때 이온교환 정제 용량은 7.9 Bv로 분석되었다. 해당 공정을 거친 시료를 '효소분해 산물 이온정제 비교1'로 명명하고, 다양한 물성을 분석하였다.
비교제조예 2.
전술한 바와 같이 코끼리풀(태국산)을 원료로 사용하여 바이오매스 추출액 약 4,000㎖를 제조한 후, 3%(w/w) NaOH 수용액을 이용하여 코끼리풀 유래 바이오매스 추출액의 pH를 5.2로 조절하였다. pH가 조절된 코끼리풀 유래 바이오매스 추출액을 '바이오매스 추출액 전처리 시료 비교2'로 명명하고, HPLC 분석을 통해 추출액 내 자일란(Xylan) 함량 및 기본 물성 등을 분석하였다.
이후, 자일로올리고당 중 기능성이 가장 뛰어나다고 알려진 DP 2~6의 자일로올리고당 함량을 증가시키기 위해 바이오매스 추출액에 혼합 효소 조성물을 180 unit/g Xylan의 양만큼 투입하고, 50℃의 온도에서 24 hr 동안 효소 가수분해 반응을 실시 하였다. 효소 가수분해 산물 용액을 95℃의 온도 조건하에서 30분 동안 가열하여 잔류 효소를 불활성화시킨 후, 시료 내 총 당류 중량 대비 4%(w/w)에 해당하는 양의 활성탄을 투입하고 70℃의 온도에서 1 hr 동안 교반하여 탈색 공정을 수행하였다. 탈색 공정 종류 후 해당 시료를 1㎛ 공경(Pore size)의 필터페이퍼를 이용하여 여과하였으며, 여과 과정중의 작업성은 필터페이퍼의 교체 주기로 판단하였다. 해당 공정을 거친 시료를 '효소분해 산물 비교2'로 명명하고, XOS DP 조성, 여과 공정 작업성, 기본 물성 등을 분석하였다.
여과된 효소 가수분해 산물 용액의 농축 공정은 해당 시료의 전도도(4970 ㎲)가 너무 높아 생략하였고, 이후 1단 양이온교환수지 100㎖, 2단 음이온교환수지 100㎖ 및 3단 혼상 이온교환수지(양이온교환수지 대 음이온교환수지의 혼합 부피비는 1:2임) 100㎖로 구성된 총 3단의 이온교환수지(이온교환수지 총량 300㎖)에 여과된 효소 가수분해 산물 용액을 통과시켜 이온성 물질 및 기타 불순물을 제거하였고, 전도도 50 ㎲ 이상의 분획(fraction)은 규격외로 관리하였다. 이온교환수지에 의한 정제 결과, 최종적으로 1,620㎖의 효소분해 산물 용액이 전도도 50 ㎲ 이하의 분획(fraction)으로 배출되었고, 이때 이온교환 정제 용량은 5.4 Bv로 분석되었다. 해당 공정을 거친 시료를 '효소분해 산물 이온정제 비교2'로 명명하고, 다양한 물성을 분석하였다.
비교제조예 3.
전술한 바와 같이 코끼리풀(태국산)을 원료로 사용하여 바이오매스 추출액 약 4,000㎖를 제조한 후, CaCO3 분말을 코끼리풀 유래 바이오매스 추출액의 pH가 5.2가 될 때까지 투입하였다. pH가 조절된 코끼리풀 유래 바이오매스 추출액을 '바이오매스 추출액 전처리 시료 비교3'으로 명명하고, HPLC 분석을 통해 추출액 내 자일란(Xylan) 함량 및 기본 물성 등을 분석하였다.
이후, 자일로올리고당 중 기능성이 가장 뛰어나다고 알려진 DP 2~6의 자일로올리고당 함량을 증가시키기 위해 바이오매스 추출액에 혼합 효소 조성물을 180 unit/g Xylan의 양만큼 투입하고, 50℃의 온도에서 24 hr 동안 효소 가수분해 반응을 실시 하였다. 효소 가수분해 산물 용액을 95℃의 온도 조건하에서 30분 동안 가열하여 잔류 효소를 불활성화시킨 후, 시료 내 총 당류 중량 대비 4%(w/w)에 해당하는 양의 활성탄을 투입하고 70℃의 온도에서 1 hr 동안 교반하여 탈색 공정을 수행하였다. 탈색 공정 종류 후 해당 시료를 1㎛ 공경(Pore size)의 필터페이퍼를 이용하여 여과하였으며, 여과 과정중의 작업성은 필터페이퍼의 교체 주기로 판단하였다. 해당 공정을 거친 시료를 '효소분해 산물 비교3'으로 명명하고, XOS DP 조성, 여과 공정 작업성, 기본 물성 등을 분석하였다.
여과된 효소 가수분해 산물 용액의 농축 공정은 해당 시료의 전도도(4460 ㎲)가 너무 높아 생략하였고, 이후 1단 양이온교환수지 100㎖, 2단 음이온교환수지 100㎖ 및 3단 혼상 이온교환수지(양이온교환수지 대 음이온교환수지의 혼합 부피비는 1:2임) 100㎖로 구성된 총 3단의 이온교환수지(이온교환수지 총량 300㎖)에 여과된 효소 가수분해 산물 용액을 통과시켜 이온성 물질 및 기타 불순물을 제거하였고, 전도도 50 ㎲ 이상의 분획(fraction)은 규격외로 관리하였다. 이온교환수지에 의한 정제 결과, 최종적으로 1,680㎖의 효소분해 산물 용액이 전도도 50 ㎲ 이하의 분획(fraction)으로 배출되었고, 이때 이온교환 정제 용량은 5.6 Bv로 분석되었다. 해당 공정을 거친 시료를 '효소분해 산물 이온정제 비교3'으로 명명하고, 다양한 물성을 분석하였다.
비교제조예 4.
전술한 바와 같이 코끼리풀(태국산)을 원료로 사용하여 바이오매스 추출액 약 4,000㎖를 제조하였다. 이후, 코끼리풀 유래 바이오매스 추출액에 총 당류 중량 대비 4%(w/w)에 해당하는 양의 활성탄을 투입하고 70℃의 온도에서 1 hr 동안 교반하여 탈색 공정을 수행하였다. 탈색 공정 종류 후 해당 시료를 1㎛ 공경(Pore size)의 필터페이퍼를 이용하여 여과하고, 이후 3%(w/w) NaOH 수용액을 이용하여 탈색 및 여과된 코끼리풀 유래 바이오매스 추출액의 pH를 5.2로 조절하였다. 해당 공정을 거친 시료를 '바이오매스 추출액 전처리 시료 비교4'로 명명하고, HPLC 분석을 통해 추출액 내 자일란(Xylan) 함량 및 기본 물성 등을 분석하였다.
이후, 자일로올리고당 중 기능성이 가장 뛰어나다고 알려진 DP 2~6의 자일로올리고당 함량을 증가시키기 위해 탈색 및 여과된 바이오매스 추출액에 혼합 효소 조성물을 180 unit/g Xylan의 양만큼 투입하고, 50℃의 온도에서 24 hr 동안 효소 가수분해 반응을 실시 하였다. 효소 가수분해 산물 용액을 95℃의 온도 조건하에서 30분 동안 가열하여 잔류 효소를 불활성화시킨 후, 50℃로 냉각하고 1㎛ 공경(Pore size)의 필터페이퍼를 이용하여 시료를 여과하였으며, 여과 과정중의 작업성은 필터페이퍼의 교체 주기로 판단하였다. 해당 공정을 거친 시료를 '효소분해 산물 비교4'로 명명하고, XOS DP 조성, 여과 공정 작업성, 기본 물성 등을 분석하였다.
여과된 효소 가수분해 산물 용액의 농축 공정은 해당 시료의 전도도(5191 ㎲)가 너무 높아 생략하였고, 이후 1단 양이온교환수지 100㎖, 2단 음이온교환수지 100㎖ 및 3단 혼상 이온교환수지(양이온교환수지 대 음이온교환수지의 혼합 부피비는 1:2임) 100㎖로 구성된 총 3단의 이온교환수지(이온교환수지 총량 300㎖)에 여과된 효소 가수분해 산물 용액을 통과시켜 이온성 물질 및 기타 불순물을 제거하였고, 전도도 50 ㎲ 이상의 분획(fraction)은 규격외로 관리하였다. 이온교환수지에 의한 정제 결과, 최종적으로 2,010㎖의 효소분해 산물 용액이 전도도 50 ㎲ 이하의 분획(fraction)으로 배출되었고, 이때 이온교환 정제 용량은 6.7 Bv로 분석되었다. 해당 공정을 거친 시료를 '효소분해 산물 이온정제 비교4'로 명명하고, 다양한 물성을 분석하였다.
제조예 1.
전술한 바와 같이 코끼리풀(태국산)을 원료로 사용하고 바이오매스 추출액 제조 과정을 총 4회 반복하여 바이오매스 추출액 약 16L를 제조하였다. 이후, 코끼리풀 유래 바이오매스 추출액을 1단 양이온교환수지 100㎖, 2단 음이온교환수지 100㎖ 및 3단 혼상 이온교환수지(양이온교환수지 대 음이온교환수지의 혼합 부피비는 1:2임) 100㎖로 구성된 총 3단의 이온교환수지(이온교환수지 총량 300㎖)에 통과시켜 1차 이온교환 정제 공정을 실시하고 시료의 pH를 5.0~5.5로 조정하였다. 구체적으로 이온교환수지에 시료를 7.5 ㎖/min의 속도로 투입하였고, 분획 수집기(Fraction collector)를 이용하여 5분 간격으로 정제된 시료를 분류하였다. 이온교환수지에 의해 정제된 분획별 시료의 혼합시, 혼합액의 pH가 설정 범위에 적합하더라도 전도도가 50 ㎲ 이상인 경우 또는 혼합액의 전도도가 50 ㎲ 이하이더라도 pH가 설정 범위외가 되면 시료의 혼합을 중단하였다. 1차 이온교환 정제 공정에 의해 pH가 조절된 시료를 '바이오매스 추출액 전처리 시료 제조1'로 명명하고, HPLC 분석을 통해 추출액 내 자일란(Xylan) 함량 및 기본 물성 등을 분석하였다. 상기 '바이오매스 추출액 전처리 시료 제조1'의 pH를 제어하기 위해 이온교환 정제 공정을 3회 반복한 결과 이온교환 정제 용량의 평균 값은 13.4 Bv 이었고, 약 12L의 pH가 조절된 시료를 얻을 수 있었다. 또한, 이온교환수지 통과 후 바이오매스 추출액 내에 존재하는 이온성 물질 교환에 의한 물 생성 및 이온교환수지 충진액에 의한 부피 변화로 인해 '바이오매스 추출액 전처리 시료 제조1'의 당 농도는 변화하였으나, 당 조성은 크게 변화하지 않았다.
이후, 자일로올리고당 중 기능성이 가장 뛰어나다고 알려진 DP 2~6의 자일로올리고당 함량을 증가시키기 위해 1차 이온교환 정제 공정에 의해 pH가 조절된 바이오매스 추출액에 혼합 효소 조성물을 180 unit/g Xylan의 양만큼 투입하고, 50℃의 온도에서 24 hr 동안 효소 가수분해 반응을 실시 하였다. 효소 가수분해 산물 용액을 95℃의 온도 조건하에서 30분 동안 가열하여 잔류 효소를 불활성화시킨 후, 50℃로 냉각하고 1㎛ 공경(Pore size)의 필터페이퍼를 이용하여 시료를 여과하였으며, 여과 과정중의 작업성은 필터페이퍼의 교체 주기로 판단하였다. 해당 공정을 거친 시료를 '효소분해 산물 제조1'로 명명하고, XOS DP 조성, 여과 공정 작업성, 기본 물성 등을 분석하였다.
이후, 감압농축기를 이용하여 여과된 효소 가수분해 산물 용액을 약 25 브릭스(Brix)의 당 농도가 될 때까지 농축하고, 1단 양이온교환수지 25㎖, 2단 음이온교환수지 25㎖ 및 3단 혼상 이온교환수지(양이온교환수지 대 음이온교환수지의 혼합 부피비는 1:2임) 25㎖로 구성된 총 3단의 이온교환수지(이온교환수지 총량 75㎖)에 효소 가수분해 산물 농축액을 통과시켜 2차 이온교환 정제 공정을 실시하였고, 이를 통해 이온성 물질 및 기타 불순물을 제거하였고, 전도도 50 ㎲ 이상의 분획(fraction)은 규격외로 관리하였다. 2차 이온교환 정제 공정 실시 결과, 이온교환 정제 용량이 20 Bv인 경우에도 정제된 시료의 전도도가 50 ㎲ 이하로 안정적인 이온교환 정제가 유지되는 것을 확인하였고, 약 2,400㎖의 2차 이온교환 정제 시료를 얻을 수 있었다. 해당 공정을 거친 시료를 '효소분해 산물 이온정제 제조1'로 명명하고, 다양한 물성을 분석하였다.
제조예 2.
전술한 바와 같이 코끼리풀(태국산)을 원료로 사용하고 바이오매스 추출액 제조 과정을 총 4회 반복하여 바이오매스 추출액 약 16L를 제조하였다. 이후, 코끼리풀 유래 바이오매스 추출액에 총 당류 중량 대비 4%(w/w)에 해당하는 양의 활성탄을 투입하고 70℃의 온도에서 1 hr 동안 교반하여 탈색 공정을 수행하였다. 탈색 공정 종류 후 해당 시료를 1㎛ 공경(Pore size)의 필터페이퍼를 이용하여 여과하였다. 이후, 탈색 및 여과된 코끼리풀 유래 바이오매스 추출액을 1단 양이온교환수지 100㎖, 2단 음이온교환수지 100㎖ 및 3단 혼상 이온교환수지(양이온교환수지 대 음이온교환수지의 혼합 부피비는 1:2임) 100㎖로 구성된 총 3단의 이온교환수지(이온교환수지 총량 300㎖)에 통과시켜 1차 이온교환 정제 공정을 실시하고 시료의 pH를 5.0~5.5로 조정하였다. 구체적으로 이온교환수지에 시료를 7.5 ㎖/min의 속도로 투입하였고, 분획 수집기(Fraction collector)를 이용하여 5분 간격으로 정제된 시료를 분류하였다. 이온교환수지에 의해 정제된 분획별 시료의 혼합시, 혼합액의 pH가 설정 범위에 적합하더라도 전도도가 50 ㎲ 이상인 경우 또는 혼합액의 전도도가 50 ㎲ 이하이더라도 pH가 설정 범위외가 되면 시료의 혼합을 중단하였다. 1차 이온교환 정제 공정에 의해 pH가 조절된 시료를 '바이오매스 추출액 전처리 시료 제조2'로 명명하고, HPLC 분석을 통해 추출액 내 자일란(Xylan) 함량 및 기본 물성 등을 분석하였다. 상기 '바이오매스 추출액 전처리 시료 제조2'의 pH를 제어하기 위해 이온교환 정제 공정을 3회 반복한 결과 이온교환 정제 용량의 평균 값은 20 Bv 이었고, 약 18L의 pH가 조절된 시료를 얻을 수 있었다. 또한, 이온교환수지 통과 후 바이오매스 추출액 내에 존재하는 이온성 물질 교환에 의한 물 생성 및 이온교환수지 충진액에 의한 부피 변화로 인해 '바이오매스 추출액 전처리 시료 제조2'의 당 농도는 변화하였으나, 당 조성은 크게 변화하지 않았다.
이후, 자일로올리고당 중 기능성이 가장 뛰어나다고 알려진 DP 2~6의 자일로올리고당 함량을 증가시키기 위해 1차 이온교환 정제 공정에 의해 pH가 조절된 바이오매스 추출액에 혼합 효소 조성물을 180 unit/g Xylan의 양만큼 투입하고, 50℃의 온도에서 24 hr 동안 효소 가수분해 반응을 실시 하였다. 효소 가수분해 산물 용액을 95℃의 온도 조건하에서 30분 동안 가열하여 잔류 효소를 불활성화시킨 후, 50℃로 냉각하고 1㎛ 공경(Pore size)의 필터페이퍼를 이용하여 시료를 여과하였으며, 여과 과정중의 작업성은 필터페이퍼의 교체 주기로 판단하였다. 해당 공정을 거친 시료를 '효소분해 산물 제조2'로 명명하고, XOS DP 조성, 여과 공정 작업성, 기본 물성 등을 분석하였다.
이후, 감압농축기를 이용하여 여과된 효소 가수분해 산물 용액을 약 25 브릭스(Brix)의 당 농도가 될 때까지 농축하고, 1단 양이온교환수지 25㎖, 2단 음이온교환수지 25㎖ 및 3단 혼상 이온교환수지(양이온교환수지 대 음이온교환수지의 혼합 부피비는 1:2임) 25㎖로 구성된 총 3단의 이온교환수지(이온교환수지 총량 75㎖)에 효소 가수분해 산물 농축액을 통과시켜 2차 이온교환 정제 공정을 실시하였고, 이를 통해 이온성 물질 및 기타 불순물을 제거하였고, 전도도 50 ㎲ 이상의 분획(fraction)은 규격외로 관리하였다. 2차 이온교환 정제 공정 실시 결과, 이온교환 정제 용량이 20 Bv인 경우에도 정제된 시료의 전도도가 50 ㎲ 이하로 안정적인 이온교환 정제가 유지되는 것을 확인하였고, 약 2,400㎖의 2차 이온교환 정제 시료를 얻을 수 있었다. 해당 공정을 거친 시료를 '효소분해 산물 이온정제 제조2'로 명명하고, 다양한 물성을 분석하였다.
제조예 3.
전술한 바와 같이 코끼리풀(태국산)을 원료로 사용하고 바이오매스 추출액 제조 과정을 총 4회 반복하여 바이오매스 추출액 약 16L를 제조하였다. 이후, 코끼리풀 유래 바이오매스 추출액에 총 당류 중량 대비 4%(w/w)에 해당하는 양의 활성탄을 투입하고 70℃의 온도에서 1 hr 동안 교반하여 탈색 공정을 수행하였다. 탈색 공정 종류 후 해당 시료를 1㎛ 공경(Pore size)의 필터페이퍼를 이용하여 여과하였다. 이후, 탈색 및 여과된 코끼리풀 유래 바이오매스 추출액을 총 1단의 혼상 이온교환수지(양이온교환수지 대 음이온교환수지의 혼합 부피비는 1:2임) 100㎖에 통과시켜 1차 이온교환 정제 공정을 실시하고 시료의 pH를 5.0~5.5로 조정하였다. 구체적으로 이온교환수지에 시료를 7.5 ㎖/min의 속도로 투입하였고, 분획 수집기(Fraction collector)를 이용하여 5분 간격으로 정제된 시료를 분류하였다. 이온교환수지에 의해 정제된 분획별 시료의 혼합시, 혼합액의 pH가 설정 범위에 적합하더라도 전도도가 50 ㎲ 이상인 경우 또는 혼합액의 전도도가 50 ㎲ 이하이더라도 pH가 설정 범위외가 되면 시료의 혼합을 중단하였다. 1차 이온교환 정제 공정에 의해 pH가 조절된 시료를 '바이오매스 추출액 전처리 시료 제조3'으로 명명하고, HPLC 분석을 통해 추출액 내 자일란(Xylan) 함량 및 기본 물성 등을 분석하였다. 상기 '바이오매스 추출액 전처리 시료 제조3'의 pH를 제어하기 위해 이온교환 정제 공정을 6회 반복한 결과 이온교환 정제 용량의 평균 값은 21.2 Bv 이었고, 약 12.7L의 pH가 조절된 시료를 얻을 수 있었다. 또한, 이온교환수지 통과 후 바이오매스 추출액 내에 존재하는 이온성 물질 교환에 의한 물 생성 및 이온교환수지 충진액에 의한 부피 변화로 인해 '바이오매스 추출액 전처리 시료 제조3'의 당 농도는 변화하였으나, 당 조성은 크게 변화하지 않았다.
이후, 자일로올리고당 중 기능성이 가장 뛰어나다고 알려진 DP 2~6의 자일로올리고당 함량을 증가시키기 위해 1차 이온교환 정제 공정에 의해 pH가 조절된 바이오매스 추출액에 혼합 효소 조성물을 180 unit/g Xylan의 양만큼 투입하고, 50℃의 온도에서 24 hr 동안 효소 가수분해 반응을 실시 하였다. 효소 가수분해 산물 용액을 95℃의 온도 조건하에서 30분 동안 가열하여 잔류 효소를 불활성화시킨 후, 50℃로 냉각하고 1㎛ 공경(Pore size)의 필터페이퍼를 이용하여 시료를 여과하였으며, 여과 과정중의 작업성은 필터페이퍼의 교체 주기로 판단하였다. 해당 공정을 거친 시료를 '효소분해 산물 제조3'으로 명명하고, XOS DP 조성, 여과 공정 작업성, 기본 물성 등을 분석하였다.
이후, 감압농축기를 이용하여 여과된 효소 가수분해 산물 용액을 약 25 브릭스(Brix)의 당 농도가 될 때까지 농축하고, 1단 양이온교환수지 25㎖, 2단 음이온교환수지 25㎖ 및 3단 혼상 이온교환수지(양이온교환수지 대 음이온교환수지의 혼합 부피비는 1:2임) 25㎖로 구성된 총 3단의 이온교환수지(이온교환수지 총량 75㎖)에 효소 가수분해 산물 농축액을 통과시켜 2차 이온교환 정제 공정을 실시하였고, 이를 통해 이온성 물질 및 기타 불순물을 제거하였고, 전도도 50 ㎲ 이상의 분획(fraction)은 규격외로 관리하였다. 2차 이온교환 정제 공정 실시 결과, 이온교환 정제 용량이 20 Bv인 경우에도 정제된 시료의 전도도가 50 ㎲ 이하로 안정적인 이온교환 정제가 유지되는 것을 확인하였고, 약 2,400㎖의 2차 이온교환 정제 시료를 얻을 수 있었다. 해당 공정을 거친 시료를 '효소분해 산물 이온정제 제조3'으로 명명하고, 다양한 물성을 분석하였다.
제조예 4.
전술한 바와 같이 옥수수 속대(인도네시아산)을 원료로 사용하고 바이오매스 추출액 제조 과정을 총 4회 반복하여 바이오매스 추출액 약 16L를 제조하였다. 이후, 옥수수 속대 유래 바이오매스 추출액에 총 당류 중량 대비 4%(w/w)에 해당하는 양의 활성탄을 투입하고 70℃의 온도에서 1 hr 동안 교반하여 탈색 공정을 수행하였다. 탈색 공정 종류 후 해당 시료를 1㎛ 공경(Pore size)의 필터페이퍼를 이용하여 여과하였다. 이후, 탈색 및 여과된 옥수수 속대 유래 바이오매스 추출액을 총 1단의 혼상 이온교환수지(양이온교환수지 대 음이온교환수지의 혼합 부피비는 1:2임) 100㎖에 통과시켜 1차 이온교환 정제 공정을 실시하고 시료의 pH를 5.0~5.5로 조정하였다. 구체적으로 이온교환수지에 시료를 7.5 ㎖/min의 속도로 투입하였고, 분획 수집기(Fraction collector)를 이용하여 5분 간격으로 정제된 시료를 분류하였다. 이온교환수지에 의해 정제된 분획별 시료의 혼합시, 혼합액의 pH가 설정 범위에 적합하더라도 전도도가 50 ㎲ 이상인 경우 또는 혼합액의 전도도가 50 ㎲ 이하이더라도 pH가 설정 범위외가 되면 시료의 혼합을 중단하였다. 1차 이온교환 정제 공정에 의해 pH가 조절된 시료를 '바이오매스 추출액 전처리 시료 제조4'로 명명하고, HPLC 분석을 통해 추출액 내 자일란(Xylan) 함량 및 기본 물성 등을 분석하였다. 상기 '바이오매스 추출액 전처리 시료 제조4'의 pH를 제어하기 위해 이온교환 정제 공정을 6회 반복한 결과 이온교환 정제 용량의 평균 값은 20.3 Bv 이었고, 약 12.2L의 pH가 조절된 시료를 얻을 수 있었다. 또한, 이온교환수지 통과 후 바이오매스 추출액 내에 존재하는 이온성 물질 교환에 의한 물 생성 및 이온교환수지 충진액에 의한 부피 변화로 인해 '바이오매스 추출액 전처리 시료 제조4'의 당 농도는 변화하였으나, 당 조성은 크게 변화하지 않았다.
이후, 자일로올리고당 중 기능성이 가장 뛰어나다고 알려진 DP 2~6의 자일로올리고당 함량을 증가시키기 위해 1차 이온교환 정제 공정에 의해 pH가 조절된 바이오매스 추출액에 혼합 효소 조성물을 180 unit/g Xylan의 양만큼 투입하고, 50℃의 온도에서 24 hr 동안 효소 가수분해 반응을 실시 하였다. 효소 가수분해 산물 용액을 95℃의 온도 조건하에서 30분 동안 가열하여 잔류 효소를 불활성화시킨 후, 50℃로 냉각하고 1㎛ 공경(Pore size)의 필터페이퍼를 이용하여 시료를 여과하였으며, 여과 과정중의 작업성은 필터페이퍼의 교체 주기로 판단하였다. 해당 공정을 거친 시료를 '효소분해 산물 제조4'로 명명하고, XOS DP 조성, 여과 공정 작업성, 기본 물성 등을 분석하였다.
이후, 감압농축기를 이용하여 여과된 효소 가수분해 산물 용액을 약 25 브릭스(Brix)의 당 농도가 될 때까지 농축하고, 1단 양이온교환수지 25㎖, 2단 음이온교환수지 25㎖ 및 3단 혼상 이온교환수지(양이온교환수지 대 음이온교환수지의 혼합 부피비는 1:2임) 25㎖로 구성된 총 3단의 이온교환수지(이온교환수지 총량 75㎖)에 효소 가수분해 산물 농축액을 통과시켜 2차 이온교환 정제 공정을 실시하였고, 이를 통해 이온성 물질 및 기타 불순물을 제거하였고, 전도도 50 ㎲ 이상의 분획(fraction)은 규격외로 관리하였다. 2차 이온교환 정제 공정 실시 결과, 이온교환 정제 용량이 20 Bv인 경우에도 정제된 시료의 전도도가 50 ㎲ 이하로 안정적인 이온교환 정제가 유지되는 것을 확인하였고, 약 2,400㎖의 2차 이온교환 정제 시료를 얻을 수 있었다. 해당 공정을 거친 시료를 '효소분해 산물 이온정제 제조4'로 명명하고, 다양한 물성을 분석하였다.
제조예 5.
전술한 바와 같이 사탕수수 바가스(인도네시아산)을 원료로 사용하고 바이오매스 추출액 제조 과정을 총 4회 반복하여 바이오매스 추출액 약 16L를 제조하였다. 이후, 사탕수수 바가스 유래 바이오매스 추출액에 총 당류 중량 대비 4%(w/w)에 해당하는 양의 활성탄을 투입하고 70℃의 온도에서 1 hr 동안 교반하여 탈색 공정을 수행하였다. 탈색 공정 종류 후 해당 시료를 1㎛ 공경(Pore size)의 필터페이퍼를 이용하여 여과하였다. 이후, 탈색 및 여과된 사탕수수 바가스 유래 바이오매스 추출액을 총 1단의 혼상 이온교환수지(양이온교환수지 대 음이온교환수지의 혼합 부피비는 1:2임) 100㎖에 통과시켜 1차 이온교환 정제 공정을 실시하고 시료의 pH를 5.0~5.5로 조정하였다. 구체적으로 이온교환수지에 시료를 7.5 ㎖/min의 속도로 투입하였고, 분획 수집기(Fraction collector)를 이용하여 5분 간격으로 정제된 시료를 분류하였다. 이온교환수지에 의해 정제된 분획별 시료의 혼합시, 혼합액의 pH가 설정 범위에 적합하더라도 전도도가 50 ㎲ 이상인 경우 또는 혼합액의 전도도가 50 ㎲ 이하이더라도 pH가 설정 범위외가 되면 시료의 혼합을 중단하였다. 1차 이온교환 정제 공정에 의해 pH가 조절된 시료를 '바이오매스 추출액 전처리 시료 제조5'로 명명하고, HPLC 분석을 통해 추출액 내 자일란(Xylan) 함량 및 기본 물성 등을 분석하였다. 상기 '바이오매스 추출액 전처리 시료 제조5'의 pH를 제어하기 위해 이온교환 정제 공정을 6회 반복한 결과 이온교환 정제 용량의 평균 값은 22.6 Bv 이었고, 약 13.6L의 pH가 조절된 시료를 얻을 수 있었다. 또한, 이온교환수지 통과 후 바이오매스 추출액 내에 존재하는 이온성 물질 교환에 의한 물 생성 및 이온교환수지 충진액에 의한 부피 변화로 인해 '바이오매스 추출액 전처리 시료 제조5'의 당 농도는 변화하였으나, 당 조성은 크게 변화하지 않았다.
이후, 자일로올리고당 중 기능성이 가장 뛰어나다고 알려진 DP 2~6의 자일로올리고당 함량을 증가시키기 위해 1차 이온교환 정제 공정에 의해 pH가 조절된 바이오매스 추출액에 혼합 효소 조성물을 180 unit/g Xylan의 양만큼 투입하고, 50℃의 온도에서 24 hr 동안 효소 가수분해 반응을 실시 하였다. 효소 가수분해 산물 용액을 95℃의 온도 조건하에서 30분 동안 가열하여 잔류 효소를 불활성화시킨 후, 50℃로 냉각하고 1㎛ 공경(Pore size)의 필터페이퍼를 이용하여 시료를 여과하였으며, 여과 과정중의 작업성은 필터페이퍼의 교체 주기로 판단하였다. 해당 공정을 거친 시료를 '효소분해 산물 제조5'로 명명하고, XOS DP 조성, 여과 공정 작업성, 기본 물성 등을 분석하였다.
이후, 감압농축기를 이용하여 여과된 효소 가수분해 산물 용액을 약 25 브릭스(Brix)의 당 농도가 될 때까지 농축하고, 1단 양이온교환수지 25㎖, 2단 음이온교환수지 25㎖ 및 3단 혼상 이온교환수지(양이온교환수지 대 음이온교환수지의 혼합 부피비는 1:2임) 25㎖로 구성된 총 3단의 이온교환수지(이온교환수지 총량 75㎖)에 효소 가수분해 산물 농축액을 통과시켜 2차 이온교환 정제 공정을 실시하였고, 이를 통해 이온성 물질 및 기타 불순물을 제거하였고, 전도도 50 ㎲ 이상의 분획(fraction)은 규격외로 관리하였다. 2차 이온교환 정제 공정 실시 결과, 이온교환 정제 용량이 20 Bv인 경우에도 정제된 시료의 전도도가 50 ㎲ 이하로 안정적인 이온교환 정제가 유지되는 것을 확인하였고, 약 2,400㎖의 2차 이온교환 정제 시료를 얻을 수 있었다. 해당 공정을 거친 시료를 '효소분해 산물 이온정제 제조5'로 명명하고, 다양한 물성을 분석하였다.
상기 비교제조예 1 내지 4 및 제조예 1 내지 5의 자일로올리고당 제조방법에서 사용한 단위공정(Unit process)의 조합을 하기 표 3에 정리하였다. 하기 표 3에 기재된 단위공정은 왼쪽에서 오른쪽으로 순차적으로 진행된다.
구분 바이오매스 원료 탈색 공정 pH 조절 공정 효소분해 공정 탈색 공정 막 여과 공정 농축 공정 이온교환 정제 공정
활성탄 화학약품 이온교환 정제 활성탄 MF
비교제조예 1 코끼리풀 ○ ○ ○ ○
비교제조예 3 코끼리풀 ○
(NaOH)		 ○ ○ ○ ○
비교제조예 3 코끼리풀 ○
(CaCO3)		 ○ ○ ○ ○
비교제조예 4 코끼리풀 ○ ○
(NaOH)		 ○ ○ ○
제조예 1 코끼리풀 ○
(다단)		 ○ ○ ○ ○
제조예 2 코끼리풀 ○ ○
(다단)		 ○ ○ ○ ○
제조예 3 코끼리풀 ○ ○
(혼상)		 ○ ○ ○ ○
제조예 4 옥수수 속대 ○ ○
(혼상)		 ○ ○ ○ ○
제조예 5 사탕수수 바가스 ○ ○
(혼상)		 ○ ○ ○ ○
* MF(Micro-filtration, 정밀여과) : 약 0.025~20 ㎛의 공경을 가진 막(membrane)을 여과재로 사용하여 물질을 분리하는 여과방법
4. 바이오매스 추출액으로부터 자일로올리고당의 제조하는 방법의 공정 단계별 작업성 및 물성 분석
비교제조예 1 내지 4 및 제조예 1 내지 5의 자일로올리고당 제조방법을 수행하는 동안 서로 대응되는 공정 단계를 거친 시료에 대해 동일한 이름을 부여하였고, 단위공정의 작업성 및 시료의 다양한 물성을 분석하였다.
(1) 바이오매스 추출액 전처리 시료
바이오매스 추출액 전처리 시료는 자일로올리고당 제조방법을 구성하는 표 3의 단위공정들 중 왼쪽으로부터 시작하여 탈색 공정 내지 pH 조절 공정을 거친 시료이다. 바이오매스 추출액 전처리 시료의 분석 결과는 하기 표 4 및 표 5에서 보이는 바와 같다.
[표 4 : 바이오매스 추출액 전처리 시료의 일반 물성 및 작업성]
바이오매스 추출액 전처리 시료 구분 pH 전도도
(㎲)		 Phenolics
(g/㎏)		 By-product
(g/L)		 당 농도
(g/L)		 이온교환 정제 용량(Bv)
비교1 3.5 1117 2.0 4.5 11.2
비교2 5.2 4970 2.0 4.4 11.2
비교3 5.2 4460 2.0 4.4 11.2
비교4 5.2 5191 1.4 4.4 10.6
제조1 5.1 14 0.0 0.5 6.4 13.4
제조2 5.3 26 0.0 0.5 6.1 20.0
제조3 5.2 26 0.6 2.1 9.1 21.2
제조4 5.2 13 0.2 0.6 8.7 20.3
제조5 5.3 10 0.2 0.4 8.0 22.6
* 상기 제조1 내지 제조5에서의 당 농도 감소는 pH 조절을 위해 도입한 이온교환 정제 공정의 희석 효과에 의한 것임
[표 5 : 바이오매스 추출액 전처리 시료의 당 조성]
바이오매스 추출액 전처리 시료 구분 당 조성(wt %) XOS DP 조성(wt%)
Glucose Xylose Arabinose COS XOS AOS 2~6 6<
비교1 1.8 17.0 5.4 5.4 67.9 2.5 69.4 30.6
비교2 1.8 17.1 5.5 5.4 67.8 2.4 69.3 30.7
비교3 1.9 17.1 5.5 5.3 67.8 2.4 69.3 30.7
비교4 1.9 16.0 5.8 3.8 70.0 2.5 69.8 30.2
제조1 1.0 17.2 5.1 6.0 67.7 3.0 69.4 30.6
제조2 0.9 17.2 5.0 6.1 67.8 3.0 69.9 30.1
제조3 1.1 17.0 4.9 6.1 67.8 3.1 69.8 30.2
제조4 1.2 5.5 3.4 3.0 82.4 4.6 49.5 50.5
제조5 0.6 11.1 1.3 2.3 82.6 2.1 46.8 53.2
(2) 효소분해 산물 시료
효소분해 산물 시료는 바이오매스 추출액 전처리 시료를 자일로올리고당 제조방법을 구성하는 표 3의 단위공정들 효소분해 공정 내지 막 여과 공정으로 처리한 시료이다. 효소분해 산물 시료의 분석 결과는 하기 표 6 및 표 7에서 보이는 바와 같다.
[표 6 : 효소분해 산물 시료의 일반 물성 및 작업성]
효소분해 산물 시료 구분 pH 전도도
(㎲)		 Phenolics
(g/㎏)		 By-product
(g/L)		 당 농도
(g/L)		 1㎛ 필터페이퍼 교체 주기(회)
비교1 3.4 1270 2.0 4.5 11.2 3
비교2 5.1 5130 2.0 4.4 11.2 6
비교3 5.0 4583 2.0 4.4 11.2 6
비교4 5.1 5325 1.4 4.4 10.6 4
제조1 5.0 126 0.0 0.5 6.4 0
제조2 5.2 151 0.0 0.5 6.1 0
제조3 5.0 153 0.6 2.1 9.1 0
제조4 5.0 146 0.2 0.6 8.7 0
제조5 5.2 134 0.2 0.4 8.0 0
* 1㎛ 필터페이퍼 교체 주기를 통해 제조1 내지 제조5에서 여과 작업성이 크게 향상된 것을 확인할 수 있음
[표 7 : 효소분해 산물 시료의 당 조성]
효소분해 산물 시료 구분 당 조성(wt %) XOS DP 조성(wt%)
Glucose Xylose Arabinose COS XOS AOS 2~6 6<
비교1 2.0 36.9 5.2 5.2 48.9 1.8 74.1 25.9
비교2 2.9 36.8 5.1 4.3 49.2 1.7 94.2 5.8
비교3 3.0 37.1 5.2 4.2 49.0 1.5 94.7 5.3
비교4 2.7 36.3 5.4 3.0 50.8 1.8 94.5 5.5
제조1 2.3 36.9 5.1 4.7 48.9 2.1 96.7 3.3
제조2 2.2 36.7 4.8 4.9 49.3 2.1 94.3 5.7
제조3 2.4 36.7 4.7 4.8 49.2 2.2 95.3 4.7
제조4 3.5 28.9 3.2 0.7 60.4 3.3 85.0 15.0
제조5 2.3 34.4 1.4 0.6 59.8 1.5 88.3 11.7
(3) 효소분해 산물 이온정제 시료
효소분해 산물 이온정제 시료는 효소분해 산물 시료를 자일로올리고당 제조방법을 구성하는 표 3의 단위공정들 중 농축 공정 내지 마지막 공정인 이온교환 정제 공정으로 처리한 시료이다. 효소분해 산물 이온정제 시료의 분석 결과는 하기 표 8 및 표 9에서 보이는 바와 같다.
[표 8 : 효소분해 산물 이온정제 시료의 일반 물성 및 작업성]
효소분해 산물 이온정제 시료 구분 pH 전도도
(㎲)		 Phenolics
(g/㎏)		 By-product
(g/L)		 당 농도
(g/L)		 이온교환 정제 용량(Bv)
비교1 4.4 14 0.1 0.6 6.8 7.9
비교2 5.5 28 0.06 0.4 6.8 5.4
비교3 5.3 26 0.07 0.5 6.8 5.6
비교4 5.6 31 0.0 0.4 6.4 6.7
제조1 5.4 6 0.0 0.0 15.1 20<
제조2 5.6 5 0.0 0.0 15.0 20<
제조3 5.4 6 0.0 0.0 15.1 20<
제조4 5.4 4 0.0 0.0 15.0 20<
제조5 5.6 6 0.0 0.0 15.0 20<
* 제조1 내지 제조5는 비교1 내지 비교4에 비해 동일량의 효소분해 산물을 이온교환 정제 공정으로 처리시 이온교환수지 재생 횟수가 약 1/5 내지 1/6 수준으로 감소되고, 동일량의 자일로올리고당을 생산하기 위한 전체 제조 공정을 기준으로 비교하여도 이온교환수지 재생 횟수가 약 1/3 수준으로 감소하기 때문에 전체 이온교환 정제 공정의 효율을 크게 개선시킬 수 있음
[표 9 : 효소분해 산물 이온정제 시료의 당 조성]
효소분해 산물 이온정제 시료 구분 당 조성(wt %) XOS DP 조성(wt%)
Glucose Xylose Arabinose COS XOS AOS 2~6 6<
비교1 2.2 36.2 4.7 5.7 49.5 1.7 74.0 26.0
비교2 2.9 35.8 4.6 4.7 50.3 1.6 94.3 5.7
비교3 3.3 36.4 4.3 4.6 50.0 1.5 94.9 5.1
비교4 3.0 35.6 5.1 3.3 51.3 1.7 94.6 5.4
제조1 2.5 35.8 4.8 5.2 49.7 2.0 96.8 3.2
제조2 2.4 35.4 4.5 5.4 50.3 2.0 94.5 5.5
제조3 2.0 36.0 4.4 5.3 50.2 2.1 95.1 4.9
제조4 3.9 28.3 2.7 0.8 61.3 3.1 85.4 14.6
제조5 2.5 33.5 1.3 0.7 60.7 1.3 88.6 11.4
이상에서와 같이 본 발명을 상기의 실시예를 통해 설명하였지만 본 발명이 반드시 여기에만 한정되는 것은 아니며 본 발명의 범주와 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형실시가 가능함은 물론이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 본 발명에 첨부된 특허청구의 범위에 속하는 모든 실시 형태를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (8)

  1. (a) 헤미셀룰로스가 함유된 바이오매스(Biomass)와 물(Water)의 혼합물로 이루어진 바이오매스 슬러리를 150~200℃의 온도 조건으로 열처리한 후 고/액 분리하여 바이오매스 추출액을 수득하는 단계; (b) 상기 바이오매스 추출액을 이온교환수지에 통과시켜 1차 이온교환 정제를 실시하고 pH가 4.8~6.0의 범위로 조정된 바이오매스 추출액을 수득하는 단계; (c) 상기 pH가 조정된 바이오매스 추출액에 자일란을 분해할 수 있는 효소를 첨가하고 효소 가수분해 반응을 실시한 후 여과하여 효소 가수분해 산물 용액을 수득하는 단계; (d) 상기 효소 가수분해 산물 용액을 농축하여 효소 가수분해 산물 농축액을 수득하는 단계; 및 (e) 상기 효소 가수분해 산물 농축액을 이온교환수지에 통과시켜 2차 이온교환 정제를 실시하고 전도도가 50 ㎲ 이하인 자일로올리고당 함유 정제 용액을 수득하는 단계를 포함하는 방법으로서,
    상기 (b) 단계의 이온교환수지 및 (e) 단계의 이온교환수지는 양이온교환수지 및 음이온교환수지를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 오탄당 기반 올리고당의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계의 이온교환수지는 혼상 이온교환수지이고,
    상기 혼상 이온교환수지는 양이온교환수지와 음이온교환수지의 혼합물인 것을 특징으로 하는 오탄당 기반 올리고당의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 (c) 단계의 자일란을 분해할 수 있는 효소는 자일라나제(Xylanase), 자일로시다제(Xylosidase) 또는 아라비노푸라노시다제(Arabinofuranosidase)에서 선택되는 1종 이상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 오탄당 기반 올리고당의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 자일란을 분해할 수 있는 효소는 자일라나제(Xylanase), 자일로시다제(Xylosidase) 및 아라비노푸라노시다제(Arabinofuranosidase)의 혼합 효소 조성물인 것을 특징으로 하는 오탄당 기반 올리고당의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 (d) 단계의 효소 가수분해 산물 농축액은 당 농도가 20~35 브릭스(Brix)인 것을 특징으로 하는 오탄당 기반 올리고당의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 (e) 단계의 이온교환수지는 양이온교환수지, 음이온교환수지 및 혼상 이온교환수지가 순차적으로 연결된 3단의 이온교환수지이고,
    상기 혼상 이온교환수지는 양이온교환수지와 음이온교환수지의 혼합물인 것을 특징으로 하는 오탄당 기반 올리고당의 제조방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    (f) 자일로올리고당 함유 정제 용액을 크로마토그래피로 분리하여 자일로올리고당을 수득하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오탄당 기반 올리고당의 제조방법.
  8. (a') 헤미셀룰로스가 함유된 바이오매스(Biomass)와 물(Water)의 혼합물로 이루어진 바이오매스 슬러리를 150~200℃의 온도 조건으로 열처리한 후 고/액 분리하여 바이오매스 추출액을 수득하는 단계; (b1') 상기 바이오매스 추출액에 활성탄을 첨가하고 탈색 반응을 실시한 후 고/액 분리하여 탈색된 바이오매스 추출액을 수득하는 단계; (b2') 상기 탈색된 바이오매스 추출액을 이온교환수지에 통과시켜 1차 이온교환 정제를 실시하고 pH가 4.8~6.0의 범위로 조정된 바이오매스 추출액을 수득하는 단계; ( c') 상기 pH가 조정된 바이오매스 추출액에 자일란 또는 아라비노자일란을 분해할 수 있는 효소를 첨가하고 효소 가수분해 반응을 실시한 후 여과하여 효소 가수분해 산물 용액을 수득하는 단계; (d') 상기 효소 가수분해 산물 용액을 농축하여 효소 가수분해 산물 농축액을 수득하는 단계; 및 (e') 상기 효소 가수분해 산물 농축액을 이온교환수지에 통과시켜 2차 이온교환 정제를 실시하고 전도도가 50 ㎲ 이하인 자일로올리고당 함유 정제 용액을 수득하는 단계를 포함하는 방법으로서,
    상기 (b2') 단계의 이온교환수지 및 (e') 단계의 이온교환수지는 양이온교환수지 및 음이온교환수지를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 오탄당 기반 올리고당의 제조방법.
KR1020190171678A 2019-12-20 2019-12-20 바이오매스로부터 오탄당 기반 올리고당을 제조하는 방법 KR102389473B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190171678A KR102389473B1 (ko) 2019-12-20 2019-12-20 바이오매스로부터 오탄당 기반 올리고당을 제조하는 방법
PCT/KR2020/013142 WO2021125515A1 (ko) 2019-12-20 2020-09-25 바이오매스로부터 오탄당 기반 올리고당을 제조하는 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190171678A KR102389473B1 (ko) 2019-12-20 2019-12-20 바이오매스로부터 오탄당 기반 올리고당을 제조하는 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210079662A KR20210079662A (ko) 2021-06-30
KR102389473B1 true KR102389473B1 (ko) 2022-04-25

Family

ID=76477499

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190171678A KR102389473B1 (ko) 2019-12-20 2019-12-20 바이오매스로부터 오탄당 기반 올리고당을 제조하는 방법

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR102389473B1 (ko)
WO (1) WO2021125515A1 (ko)

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FI111960B (fi) * 2000-12-28 2003-10-15 Danisco Sweeteners Oy Erotusmenetelmä
KR100450563B1 (ko) * 2002-10-31 2004-09-30 대한제당 주식회사 자일로올리고당의 생산 방법
CN1303091C (zh) * 2004-04-05 2007-03-07 山东龙力生物科技有限公司 低聚木糖的制备方法
FI121237B (fi) * 2008-10-21 2010-08-31 Danisco Menetelmä ksyloosin ja liukosellun tuottamiseksi
KR101980598B1 (ko) * 2017-08-02 2019-05-21 대상 주식회사 올리고당 및 펄프를 제조하는 방법

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Xylooligosaccharides production, quantification, and characterization in context of lignocellulosic biomass pretreatment", Aqueous pretreatment of plant biomass for biological and chemical conversion*
Industrial Crops and Products, Vol. 99, pp. 41-48 (2017.01.31.)*

Also Published As

Publication number Publication date
WO2021125515A1 (ko) 2021-06-24
KR20210079662A (ko) 2021-06-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106715704B (zh) 糖液的制造方法
JP6020171B2 (ja) ろ過助剤の製造方法
EP3190189B1 (en) Method for producing sugar liquid
JP6597311B2 (ja) 糖液およびキシロオリゴ糖の製造方法
EP3733681B1 (en) Process for forming a lignin fraction
EP2749656B1 (en) Method of manufacturing sugar solution
EP2843061B1 (en) Method for producing sugar solution
CN111004827B (zh) 一种低聚木糖的制备方法
Jacquemin et al. Comparison of different twin-screw extraction conditions for the production of arabinoxylans
WO2018043666A1 (ja) 酸性キシロオリゴ糖の製造方法
CN110616237A (zh) 一种汽爆植物纤维原料制备低聚木糖的方法
EP2270237A2 (de) Verfahren zur Herstellung von Arabinoxylan
KR102389473B1 (ko) 바이오매스로부터 오탄당 기반 올리고당을 제조하는 방법
KR100939551B1 (ko) 셀로비오스의 정제 방법 및 제조 방법
CN112175111B (zh) 一种高效分离木质纤维材料获得高纯度各组分的方法
KR101584208B1 (ko) 옥피를 이용하여 자일로스가 풍부한 자일란을 제조하는 방법
US20210164064A1 (en) Mannose extraction method
CN107406866B (zh) 糖液的制造方法
KR20210137994A (ko) 피코시아닌의 추출 방법
EP3356563B1 (en) Methods of enriching arabinose fractions
Widsten et al. Isolation of Arabinose and Galactose from Industrial Sidestreams in High Yield and Purity.
Cassano et al. 1Institute on Membrane Technology, ITM-CNR, Rende, Italy; 2Galanakis Laboratories, Chania, Greece; 3ISEKI Food Association, Vienna, Austria
CN115181137A (zh) 一种采用物理爆碎法生产低聚木糖的工艺
CN111109445A (zh) 竹笋加工剩余物细粒的综合加工方法
Sablayrolles et al. Comparison of different twin-screw extraction conditions for the production of arabinoxylans

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant