KR102563473B1 - Method for manufacturing biosugar from seaweed and biosugar using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 해조류를 이용한 바이오슈가의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 바이오슈가에 관한 것으로, 보다 상세하게는 과산화수소 수용액에 해조류를 넣고 일정 온도를 유지하면서 혼합하여 액상 혼합물을 준비하는 단계, 상기 액상 혼합물에 아가레이즈(agarase)를 넣고 혼합하여 당화액을 제조하는 단계, 상기 당화액에 입자상 불순물을 제거하는 분리 정제 단계, 상기 분리 정제 단계를 거친 당화액을 감압 증류하여 농축액을 제조하는 단계, 및 농축액에 알코올을 넣고 혼합하여 바이오슈가 갈락토오스를 입자화하고 수득하는 단계를 포함하여 이루어짐으로써, 바이오 화학 소재 제조의 중요한 중간 물질로서 활용되게 되는 바이오슈가를 용이하게 분리, 제조하는 공정 기술을 제공한다.The present invention relates to a method for producing biosugar using seaweed and biosugar manufactured using the same, and more particularly, to preparing a liquid mixture by adding seaweed to an aqueous hydrogen peroxide solution and mixing while maintaining a constant temperature, the liquid mixture preparing a saccharification solution by adding and mixing agarase into the saccharification solution, separating and refining to remove particulate impurities from the saccharification solution, distilling the saccharification solution that has undergone the separation and purification step under reduced pressure to prepare a concentrate, and concentrate A process technology for easily separating and producing biosugar, which is used as an important intermediate material for biochemical material production, is provided.
Description
본 발명은 해조류를 이용한 바이오슈가의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 해조류를 과산화수소와 아가레이즈(agarase) 효소를 이용하여 당화시켜 바이오슈가를 수득하는 바이오슈가 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 바이오슈가에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing biosugar using seaweed, and more specifically, to a method for producing biosugar by saccharifying seaweed using hydrogen peroxide and an agarase enzyme to obtain biosugar, and biosugar produced using the same It is about.
갈락토우스(galactose)는 해조류의 구성물질인 당류 중 하나로서 추후 화학반응용 원료 및 생리활성 물질 개발 및 제약 응용시 유용한 기능성이 예상되는 매우 중요한 후보물질이며, 또한 상기 갈락토우스는 바이오 나일론 66 레진의 원료 물질인 아디픽산을 화학 합성 제조하는데 사용되는 출발물질로서 향후 바이오 나일론의 원료물질이 되는 매우 중요한 물질이다. Galactose is one of the sugars that are constituents of seaweed, and is a very important candidate material that is expected to have useful functionality in the future development of raw materials for chemical reactions and physiologically active substances and pharmaceutical applications. As a starting material used in the chemical synthesis and production of adipic acid, a raw material of resin, it is a very important material that will become a raw material of bio-nylon in the future.
갈락토우스는 주로 해조류에 많이 포함되어 있으며 해조류를 원료로 이용하여 가수분해하는 당화 공정을 통해 생성된다. 일반적인 해조류의 당화 공정은 염산이나 황산 등과 같은 산성 물질을 사용하여 산화 반응을 통해 당화시키는 경우가 대부분이다. Galactose is mainly contained in seaweed and is produced through a saccharification process of hydrolysis using seaweed as a raw material. In most cases, the saccharification of seaweed is saccharified through an oxidation reaction using an acidic substance such as hydrochloric acid or sulfuric acid.
그러나 종래의 산화 반응을 이용한 방법의 경우 해조류가 가지고 탄수화물을 완전히 당화시키지 못하는 문제가 있었다. 또한 산성 물질을 투입하는 방법의 경우, 산 처리 이후 효소 투입 처리 당화 공정을 진행하기 위해서는 추가적으로 사전에 중화 처리를 해야 하며, 이 중화처리 공정은 염기성 물질의 투입 및 이후 발생하는 염을 제거해야 하는 복잡한 공정이다. 그러므로 종래의 산화 반응을 이용한 당화방법은 바이오슈가 제조 기술의 경제성을 향상시키는 데 큰 걸림돌이 되는 단점이 있다.However, in the case of the conventional method using an oxidation reaction, seaweed has a problem in that carbohydrates cannot be completely saccharified. In addition, in the case of the method of adding an acidic substance, in order to proceed with the enzyme input treatment and saccharification process after acid treatment, additional neutralization treatment must be performed in advance. It is fair. Therefore, the conventional saccharification method using an oxidation reaction has a disadvantage that is a major obstacle to improving the economic feasibility of bioshuga manufacturing technology.
또한 산성 물질 처리 방법은 당화 수율을 최대한 높일 수 없는 문제점이 있다. 즉 산성 물질의 농도를 높여서 최대한 해조류 세포벽을 분해한다고 하는 경우, 반응과 동시에 생성된 바이오슈가는 상기 산성물질에 의하여 구조가 변형되는 문제가 발생하기 때문에 도리어 부산물 농도가 증대되는 문제점이 있다.In addition, the acidic material treatment method has a problem in that the saccharification yield cannot be maximized. That is, when the concentration of the acidic substance is increased to decompose the cell walls of seaweed as much as possible, the structure of the biosugar produced at the same time as the reaction is deformed by the acidic substance, so the concentration of by-products increases.
이러한 해조류의 당화공정 중에 생성된 당화공정 산물인 갈락토우스는 단당류로서 액상의 당화액 상태에서 바로 입자로 얻어내기에는 매우 어렵다. 왜냐하면 해조류는 해조류에 원래 존재하는 단백질 성분 및 불순물들이 존재하고, 동시에 당화 시 투입하는 산성 화학물질이 존재하기 때문이다. Galactose, which is a saccharification product produced during the saccharification of seaweed, is a monosaccharide, and it is very difficult to obtain it directly as particles in a liquid saccharification liquid state. This is because seaweed contains protein components and impurities originally present in seaweed, and at the same time, acidic chemicals introduced during saccharification exist.
이처럼 현재 해조류 당화의 연구개발은 주로 산성 화학물질로 당화 후 중화처리 후 발효 공정을 통하여 바이오 에탄올과 같은 연료 물질을 제조하는 연구들이 주로 이루어지고 있을 뿐이며 바이오슈가를 입자화하는 제조 기술 공정은 미진하다.As such, the current research and development of seaweed saccharification is mainly focused on producing fuel materials such as bioethanol through fermentation after saccharification with acidic chemicals, neutralization, and fermentation. .
상기와 같은 점을 감안한 본 발명의 목적은, 종래의 산성 방법을 이용한 기술들과 대비 간단하고 경제적이며 산업적으로 매우 유용한 기술을 제공하기 위한 것으로, 구체적으로 본 발명의 해조류 유래 바이오슈가 제조 방법은 해양자원인 해조류를 과산화수소를 사용하여 1차적으로 구조적 해체를 하고, 이후 아가레이즈(agarase) 효소를 사용하여 2차적으로 당화시키는 기술로 바이오슈가를 제조하고 이후 바이오슈가를 분리, 입자화하여 수득하는 방법을 제공하는 것이다.Considering the above points, an object of the present invention is to provide a technology that is simple, economical, and industrially very useful compared to conventional acidic methods. Specifically, the method for producing biosugar derived from seaweed of the present invention A method in which seaweed, a resource, is first structurally dismantled using hydrogen peroxide, and then biosugar is produced by a technology of secondary saccharification using an agarase enzyme, and then the biosugar is separated and granulated. is to provide
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 바이오슈가 제조 방법은, 과산화수소 수용액에 해조류를 넣고 혼합하여 액상 혼합물을 준비하는 단계(S110), 상기 액상 혼합물에 아가레이즈(agarase)를 넣고 당화액을 제조하는 단계(S120), 상기 당화액에 입자상 불순물을 제거하는 분리 정제 단계(S130), 상기 분리 정제 단계를 거친 당화액을 감압 증류하여 농축액을 제조하는 단계(S140) 및 상기 농축액에 알코올을 넣고 혼합하여 바이오슈가 갈락토오스를 입자화하고 수득하는 바이오슈가 수득 단계(S150)를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, as shown in FIG. 1 , the biosugar manufacturing method of the present invention includes preparing a liquid mixture by adding and mixing seaweed in an aqueous hydrogen peroxide solution (S110), and agarase in the liquid mixture. ) to prepare a saccharification solution (S120), a separation and purification step of removing particulate impurities from the saccharification solution (S130), distilling the saccharification solution that has undergone the separation and purification step under reduced pressure to prepare a concentrated solution (S140), and It is characterized in that it comprises a biosuga obtaining step (S150) in which alcohol is added to the concentrate and mixed to obtain biosuga galactose particles.
액상 혼합물을 준비하는 단계(S110)는 해조류를 과산화수소 수용액으로 액상 상태에서 접촉 처리하여 분해함으로써 해조류 세포벽으로부터 갈락토우스(galactose)를 포함하는 이당류, 사당류, 기타 소당류 등 올리고당 수준의 물질을 함유하는 액상 혼합물을 준비한다.In the step of preparing the liquid mixture (S110), seaweeds are contacted and decomposed with an aqueous hydrogen peroxide solution in a liquid state, thereby disaccharides including galactose from the seaweed cell walls, tetrasaccharides, and other oligosaccharide-level substances such as oligosaccharides. Prepare a liquid mixture to
상기 액상 혼합물을 준비하는 단계(S110)에서 40℃ 내지 90℃ 온도로 유지하면서 과산화수소 수용액의 500cc 당 해조류 5g 내지 15g의 비율로 혼합하는 것이 바람직하다.In the step of preparing the liquid mixture (S110), it is preferable to mix at a rate of 5 g to 15 g of seaweed per 500 cc of the hydrogen peroxide aqueous solution while maintaining the temperature at 40 ° C to 90 ° C.
그리고 상기 과산화수소 수용액의 농도는 2 중랑% 내지 5 중량%이며, 바람직하게는 3.5 중량%인 것을 사용할 수 있다.And the concentration of the hydrogen peroxide aqueous solution is 2 jungnang% to 5% by weight, preferably 3.5% by weight can be used.
일 구현예에 있어 액상 혼합물 준비단계는 시중에서 판매하는 시약으로 35 중량% 농도의 과산화수소를 증류수에 혼합하여 최종적으로 3.5 중량% 과산화수소 수용액 500 cc에 해조류 5g 내지 15g를 넣고 40℃ 내지 90℃ 온도로 유지하면서 혼합할 수 있다. 여기서 해조류는 액상 혼합물 준비단계 이전에 건조시켜 약 0.1 ~ 10 mm 의 크기로 분쇄한 것을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 해조류의 무게는 이렇게 분쇄된 해조류의 무게이다.In one embodiment, the liquid mixture preparation step is a commercially available reagent, 35% by weight of hydrogen peroxide is mixed with distilled water, and finally, 5g to 15g of seaweed is added to 500 cc of 3.5% by weight hydrogen peroxide aqueous solution at a temperature of 40 ° C to 90 ° C. It can be mixed while holding. Here, the seaweed is preferably dried and pulverized to a size of about 0.1 to 10 mm before preparing the liquid mixture, and the weight of the seaweed is the weight of the seaweed thus pulverized.
상기 액상 혼합물을 준비하는 단계(S110)에서 상기 제시된 과산화수소 수용액 및 해조류의 혼합 비율이 벗어나 해조류의 양이 많을 경우, 해조류의 분해가 미흡하여 후속 공정의 효과성이 저하될 수 있으며, 이와 반대로 해조류의 양이 적을 경우에는 과도한 해조류의 분해로 인해 최종 수득물질인 바이오슈가인 갈락토우스 이외에 불순물이 증대되어 바이오슈가 수득률이 감소되는 문제점이 발생한다.In the step of preparing the liquid mixture (S110), if the amount of seaweed exceeds the mixing ratio of the aqueous hydrogen peroxide solution and the seaweed presented above, the decomposition of the seaweed may be insufficient and the effectiveness of the subsequent process may be reduced. When the amount is small, impurities in addition to galactose, which is the final biosugar, are increased due to excessive decomposition of seaweed, resulting in a decrease in biosuga yield.
그리고 상기 액상 혼합물을 준비하는 단계의 혼합 온도로 제시된 40℃ 내지 90℃ 온도범위를 벗어나는 경우 해조류의 분해성능이 오히려 저하되고나, 반응 안전성이 저하되는 문제점이 발생한다.In addition, when the mixing temperature in the step of preparing the liquid mixture is out of the suggested temperature range of 40 ° C to 90 ° C, the decomposition performance of seaweed rather deteriorates and the reaction safety deteriorates.
그 다음 당화액을 제조하는 단계(S120)는 상기 준비된 액상 혼합물 500cc 당 아가레이즈(agarase) 1g 내지 2g을 넣고, 30℃ 내지 45℃ 온도에서 72시간 내지 96시간 동안 혼합함으로써 액상 혼합물에 포함된 올리고당 수준의 당물질을 가수분해하여 단당류인 갈락토우스를 포함하는 당화액을 제조할 수 있다.Then, in the step of preparing a saccharification solution (S120), 1 g to 2 g of agarase per 500 cc of the prepared liquid mixture is added and mixed at a temperature of 30 ° C to 45 ° C for 72 hours to 96 hours, thereby oligosaccharides included in the liquid mixture A saccharification solution containing galactose, a monosaccharide, may be prepared by hydrolyzing a sugar substance of the same level.
상기 당화효소인 아가레이즈의 투입량이 하한으로 1g 미만일 경우, 아가레이즈 양이 상대적으로 적어 가수분해 효율이 감소하고, 반대로 아가레이즈가 2g을 초과할 경우에는 가수분해 효율 대비 과도한 효소의 사용량에 따른 당화 공정 비용이 증가되는 문제점이 있다.When the amount of agarase, the saccharification enzyme, is less than 1 g as the lower limit, the amount of agarase is relatively small, and the efficiency of hydrolysis is reduced. There is a problem that the process cost increases.
상기 당화액을 제조하는 단계에서 반응온도는 30℃ 내지 45℃정도 이며, 바람직하게 35℃ 내지 40℃에서 반응이 수행되는 것이 바람직하다. 만약 상기 제시된 온도 범위를 벗어나는 경우 아가레이즈 효소의 활성이 크게 저하되고, 특히 45℃를 초과하면 단백질 효소인 아가레이즈 효소의 변성이 유발되어 효소의 활성이 낮아진다.In the step of preparing the saccharification solution, the reaction temperature is about 30 ° C to 45 ° C, and preferably the reaction is performed at 35 ° C to 40 ° C. If the temperature is out of the above suggested temperature range, the activity of the agarase enzyme is greatly reduced, and in particular, when the temperature exceeds 45° C., the protein enzyme, the agarase enzyme, is denatured and the enzyme activity is lowered.
그리고 반응 시간은 72시간 내지 96시간이 적절하며, 72시간 미만인 경우 효소의 성능이 최대한 활용되지 못하는 단점이 있고 96시간을 초과할 경우 당화 효율 대비 과도한 공정시간이 소요된다는 문제점을 가지고 있다.In addition, the reaction time is appropriately 72 hours to 96 hours, and if it is less than 72 hours, the performance of the enzyme is not utilized to the maximum, and if it exceeds 96 hours, there is a problem that excessive process time is required compared to the saccharification efficiency.
상기 당화 효소로 사용되는 아가레이즈(agarase)는 해양유래 균주인 사카로파거스 데그라단스 2-40(Saccharophagus degradans 2-40)를 배양하여 얻어지는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 그러나 이에 특별히 한정된 것은 아니다.The agarase used as the saccharification enzyme is preferably obtained by culturing Saccharophagus degradans 2-40, which is a marine-derived strain. However, it is not particularly limited thereto.
본 발명에서 사용되는 사카로파거스 데그라단스 2-40은 통상적으로 구입(Saccharophagus degradans ATCC 43961)할 수 있으나 이에 한정되지 아니하는 다양한 방법으로 얻을 수 있다.Saccharophagus degradans 2-40 used in the present invention can be purchased commercially (Saccharophagus degradans ATCC 43961), but can be obtained by various methods, not limited thereto.
상기 당화액을 제조하는 단계(S120) 이후 수득된 당화액은 바이오슈가인 갈락토우스를 포함하는 액상부와 미세한 입자상 고체부로 이루어지게 된다. 그러므로 바이오슈가인 갈락토우스를 분리하고 분술물을 제거하기 위해 분리 정제 단계(S130)를 수행한다.The saccharification solution obtained after the step of preparing the saccharification solution (S120) is composed of a liquid part containing galactose, which is a biosugae, and a fine particulate solid part. Therefore, a separation and purification step (S130) is performed to separate galactose, which is biosugar, and remove the fraction.
상기 분리 정제 단계(S130)는, 순서대로 실리카가 포함된 실리카 컬럼에 상기 당화액을 상온에서 중력 방식 혹은 가압 방식으로 접촉하여 입자상 불순물 및 단백질 정제하는 제1 분리 정제 단계(S131) 및 상기 제1 정제 단계를 거친 당화액을 멤브레인 필터(membrame filter)에 통과시켜 잔류하고 있는 미세한 입자상 불순물을 정제하는 제2 분리 정제 단계(S132)를 포함한다.In the separation and purification step (S130), the first separation and purification step (S131) of purifying particulate impurities and proteins by sequentially contacting the saccharification solution with a silica column containing silica by gravity or pressurization at room temperature, and the first separation and purification step (S131) and a second separation and purification step (S132) of purifying remaining fine particulate impurities by passing the saccharification solution that has undergone the purification step through a membrane filter.
상기와 같은 제1 분리 정제 단계(S131) 및 제2 분리 정제 단계(S132)는 각각 1회 또는 2회이상 반복 수행하여 상기 당화액 중의 입자상 불술물 및 단백질 등의 성분을 제거한다.The first separation and purification step (S131) and the second separation and purification step (S132) as described above are repeated once or twice or more to remove components such as particulate impurities and proteins in the saccharification solution.
상기 분리 정제 단계에서 상기 실리카는 입자의 직경이 100㎛ 내지 500㎛이며, 상기 멤브레인 필터의 공극 크기는 0.45㎛인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 그러나 이에 제한되지 않고 목적하는 액상의 바이오슈가 갈락토우스만을 분리할 수 있는 범위내에서 변경될 수 있다In the separation and purification step, it is preferable to use silica particles having a diameter of 100 μm to 500 μm and a pore size of the membrane filter of 0.45 μm. However, it is not limited thereto, and the desired liquid bioshu can be changed within a range capable of separating only galactose.
예를 들어, 20℃ 내지 30℃ 정도의 상온에서 당화액을 중력 혹은 가압과 같은 방식을 이용하여 0.1 mL/분 내지 20 mL/분의 유속(flow rate)로 입자의 직경이 100㎛ 내지 500㎛인 실리카 입자가 충진된 실리카 컬럼에 통과시켜 정제하고(S131), 이후 상기 컬럼을 통화한 액상 물질을 0.45㎛ 공극 크기를 갖는 멤브레인 필터에 통과시켜 미세한 고체 입자상 불순물을 제거한다(S132).For example, at a room temperature of about 20 ° C. to 30 ° C., the saccharification solution is 100 μm to 500 μm in diameter at a flow rate of 0.1 mL / min to 20 mL / min using a method such as gravity or pressurization. It is purified by passing it through a silica column filled with phosphorus silica particles (S131), and then the liquid material passed through the column is passed through a membrane filter having a pore size of 0.45 μm to remove fine solid particulate impurities (S132).
농축액을 제조하는 단계(S140)는 상기 분리 정제 단계를 거쳐 입자상 불순물이 제거된 당화액을 감압 증류하여 농축하는 단계이며, 구체적으로 회전감압증류 장치를 이용하여 30℃ 내지 60℃의 온도, 10 mbar 내지 150 mbar의 압력조건에서 당화액의 물을 감압 증발시켜, 상기 감압 증발 처리 전의 당화액 용액 부피의 약 1/10 내지 1/30 부피 수준으로 농축한 농축액을 제조할 수 있다.The step of preparing a concentrate (S140) is a step of concentrating the saccharified solution from which particulate impurities have been removed through the separation and purification step by distillation under reduced pressure, and specifically, using a rotary vacuum distillation apparatus at a temperature of 30 ° C to 60 ° C, 10 mbar Water in the saccharification solution is evaporated under reduced pressure under a pressure condition of from 150 mbar to 150 mbar to prepare a concentrate concentrated to a volume level of about 1/10 to 1/30 of the volume of the saccharification solution before the vacuum evaporation.
이렇게 정제된 당화액을 농축하여 부피를 줄임으로써, 이후 바이오슈가 입자화하여 수득하는 바이오슈가 수득 단계 공정을 용이하게 할 수 있으며, 이에 따라 제조시간 및 비용도 감축할 수 있다. 즉, 농축액이 1/30 부피보다 낮은 수준으로 농축되면, 그 만큼 농축액의 부피가 늘어나기 때문에 이후 과정에서 첨가되는 알코올의 양이 늘어나고, 바이오슈가의 수득 효율이 낮아질 수 있다. 반대로 1/10 부피를 초과하여 농축하게 되면, 오히려 이후 공정에서 교반이 잘되지 않고 바이오슈가의 석출이 잘 되지 않아, 마찬가지로 바이오슈가의 수율이 낮아질 수 있다. By concentrating the purified saccharification solution in this way to reduce the volume, it is possible to facilitate the process of obtaining biosugar obtained by granulating bioshu thereafter, and accordingly, manufacturing time and cost can be reduced. That is, if the concentrate is concentrated to a level lower than 1/30 volume, the volume of the concentrate increases correspondingly, so the amount of alcohol added in the subsequent process increases and the efficiency of obtaining biosugar may decrease. Conversely, if the concentration exceeds 1/10 of the volume, the yield of biosugar may also be lowered because stirring is not well performed in the subsequent process and biosugar is not well precipitated.
바이오슈가 수득 단계(S150)는 상기 농축액에 -10℃ 내지 25℃ 저온의 알코올을 넣고 혼합하여 바이오슈가 갈락토오스 입자를 석출하고, 석출된 갈락토우스 입자는 여과한 뒤 건조하여 수득하는 것이다.In the step of obtaining biosugar (S150), alcohol at a temperature of -10°C to 25°C is added to the concentrate and mixed to precipitate biosugar galactose particles, and the precipitated galactose particles are filtered and dried.
상기 알코올은 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 프로판올(propanol) 및 부탄올(butanol) 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 사용하는 것이 바람직하다. 물론 이에 한정되지 않고 일반식 ROH(여기에서, R은 탄소수 1 내지 6의 알킬기이다)로 표시되는 지방족 알코올을 사용할 수 있다.As the alcohol, it is preferable to use at least one selected from methanol, ethanol, propanol, and butanol. Of course, it is not limited thereto, and an aliphatic alcohol represented by the general formula ROH (where R is an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms) may be used.
이렇게 상기 바이오슈가 수득 단계(S150)는 상기 저온의 알코올을 상기 농축액의 부피 대비 10배 내지 30배의 부피배 양으로 넣고 교반하면 바이오슈가인 갈락토오스 입자가 석출된다. 이 석출된 갈락토우스 입자는 멤브레인 필터로 여과한 다음 통상의 건조방법으로 입자를 건조하여 고형분의 갈락토우스를 수득할 수 있다.In this way, in the step of obtaining biosugar (S150), the low-temperature alcohol is added in an amount of 10 to 30 times the volume of the concentrate and stirred to precipitate biosugar galactose particles. The precipitated galactose particles can be filtered through a membrane filter and then dried by a conventional drying method to obtain solid galactose particles.
한편, 본 발명에서 해조류는 해조류 중에서 갈락토우스가 많이 포함되어 있는 홍조류를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 홍조류는 진두말속(Chondrus), 유케마속(Eucheuma), 돌가사리속(Gigartina), 개우뭇속(Pterocladia), 히프니아속(Hypnea), 둥근비단속(Iridaea), 카파피쿠스속(Kappaphycus), 우뭇가사리속(Gellidium), 또는 꼬시래기속(Gracilaria) 해조류일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.On the other hand, in the present invention, it is preferable to use red algae containing a large amount of galactose among seaweeds. The red algae are Chondrus, Eucheuma, Gigartina, Pterocladia, Hypnea, Iridaea, and Kappaphycus. , Gellidium, or Gracilaria seaweed, but is not limited thereto.
앞서 설명한 바와 같은 바이오슈가 제조 방법으로 바이오슈가를 제조 할 수 있으며, 이 바이오슈가는 갈락토우스로 바이오 나일론 원료물질인 아디픽산 등의 제조하는데 출발물질로서 바이오 플라스틱 분야에 사용될 수 있다.Biosugar can be produced by the biosugar manufacturing method as described above, and this biosugar is galactose and can be used in the bioplastics field as a starting material for producing adipic acid, a raw material for bionylon.
종래의 방법에서 당화액 상태에서 바이오슈가 입자를 얻어내기가 매우 어려웠으나 본 발명의 바이오슈가 제조방법은 과산화수소 수용액과 아가레이즈 효소를 복합적으로 사용하여 당화 처리를 하고, 이후 분리 정제 공정을 통하여 바이오슈가를 입자화하여 수득하는 단순한 공정으로 제조할 수 있는 바, 비식량 자원인 해조류를 이용하여 저렴한 비용으로 바이오슈가 갈락토우스의 대량 생산이 가능하다.In the conventional method, it was very difficult to obtain biosugar particles in a saccharified liquid state, but the biosugar manufacturing method of the present invention performs saccharification by using a hydrogen peroxide aqueous solution and an agarase enzyme in combination, and then separates and refines biosugar through a purification process. Since it can be produced by a simple process of obtaining granules, biosuga galactose can be mass-produced at low cost using seaweed, which is a non-food resource.
또한, 바이오 화학 소재 제조의 중요한 중간 물질로 활용되게 되는 바이오슈가 갈락토우스의 입자화가 가능하기 때문에, 더욱 효과적으로 바이오 나일론과 같은 바이오 소재를 제조가 가능하게 되는 원료를 제공함으로써 산업적으로 유용한 기술이다.In addition, since bioshu, which is used as an important intermediate material for biochemical material production, can be granulated into galactose, it is an industrially useful technology by providing a raw material that enables the production of biomaterials such as bionylon more effectively.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오슈가의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.1 is a flowchart illustrating a method for manufacturing biosugar according to an embodiment of the present invention.
이하, 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예 및 비교예를 들어 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예 및 비교예에 한정되지 않는다.Hereinafter, examples and comparative examples of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. However, the present application may be implemented in many different forms and is not limited to the examples and comparative examples described herein.
본원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Terms used herein are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, the terms "include" or "have" are intended to designate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features It should be understood that the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.
본 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.As used throughout this specification, the terms "about", "substantially", and the like are used at or close to the value when manufacturing and material tolerances inherent in the referenced meaning are given, and the understanding of the present invention To help prevent exploitation by unscrupulous infringers of the disclosed disclosure, exact or absolute figures are used.
아울러, “바이오슈가”란 바이오매스에서 얻을 수 있는 당물질로서 바이오화학의 기본이 되는 원료물질을 의미한다. 본 발명에의 제조 방법에 의해 생성되는 바이오슈가는 바람직하게 갈락토우스(glactose)이며, 본 명세서 전체에서 “바이오슈가”, “갈락토우스” 또는 “바이오슈가 갈락토우스” 등의 용어로 사용될 수 있다. In addition, “biosugar” means a raw material that is the basis of biochemistry as a sugar substance obtained from biomass. The biosugar produced by the production method of the present invention is preferably galactose, and throughout this specification, terms such as “biosugar”, “galactose” or “biosugar galactose” will be used. can
이하, 본 발명의 바이오슈가 제조 방법을 실시예, 비교예 및 실험예를 이용하여 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the biosugar manufacturing method of the present invention will be described in more detail using Examples, Comparative Examples, and Experimental Examples.
실시예 1은 대한민국 전라남도 완도 해안에서 채취한 홍조류 꼬시래기(sea string)를 건조시켜 약 0.1 mm 내지 10 mm 의 크기로 분쇄하여 준비한다. 그 다음 플라스크에 증류수 450cc 과산화수소(농도 35 중량%, ㈜대정화금 제품) 50cc를 혼합 후, 분쇄된 꼬시래기 10g을 투입한 후, 50℃에서 24시간 동안 교반한다. 용액의 교반을 멈추고 상온에서 24시간 동안 정치시킨 다음, 침전물을 제외한 상층부 액상 부분의 액상 혼합물만 취출한다.Example 1 is prepared by drying and pulverizing red algae sea string collected from the coast of Wando, Jeollanam-do, Korea, to a size of about 0.1 mm to 10 mm. Then, 450 cc of distilled water and 50 cc of hydrogen peroxide (concentration: 35% by weight, manufactured by Daejung Chemical Co., Ltd.) were mixed in the flask, and 10 g of pulverized string was added, followed by stirring at 50 ° C. for 24 hours. After stopping stirring of the solution and allowing it to stand at room temperature for 24 hours, only the liquid mixture of the upper liquid phase excluding the precipitate is taken out.
이후 상기 액상 혼합물에 효소로 아가레이즈(agarase)를 넣고 혼합하여 당화액을 제조하는 단계로 구성되는데, 상기 아가레이즈는 사카로파거스 데그라단스 2-40(Saccharophagus degradans 2-40)를 배양하여 얻어지는 효소로 그 구체적인 제조 방법은 다음과 같다.Thereafter, agarase as an enzyme is added to the liquid mixture and mixed to prepare a saccharification solution. The agarase is obtained by culturing Saccharophagus degradans 2-40 The obtained enzyme and its specific production method are as follows.
사카로파거스 데그라단스 2-40(Saccharophagus degradans 2-40)를 먼저 냉장보관이나 낭동보관으로 균의 활성이 떨어져 있기 때문에 떨어진 활성을 올리기 위해 사카로파거스 데그라단스 2-40(Saccharophagus degradans 2-40)를 오토클레이브(autoclave)로 멸균된 배지(50mM Tris-HCl, 2.3 % (w/v) Instant Ocean Sea Salt (Aquarium Systems), 0.1% (w/v) Yeast extract, 0.05% (w/v) ammonium chloride, 0.2%(w/v) agar, pH7.4)에 넣고 진탕 배양기(shaking incubator)에서 30℃, 약 200rpm의 속도로 16시간 배양하는 전배양을 실시한다. 전배양하여 얻은 전배양액 1mL를 새로운 배지 100mL에 옮긴 후, 다시 30℃에서 72시간동안 배양한다. 이후 균주 세포가 성장하면서 아가레이즈(agarase) 효소를 외부에 내놓기 때문이 이렇게 배양 후 아가레이즈를 얻는다. Since the activity of Saccharophagus degradans 2-40 ( Saccharophagus degradans 2-40) is first stored in a refrigerator or storage, the activity of the bacteria is reduced. 2-40) in an autoclave-sterilized medium (50mM Tris-HCl, 2.3% (w/v) Instant Ocean Sea Salt (Aquarium Systems), 0.1% (w/v) Yeast extract, 0.05% (w/v) /v) ammonium chloride, 0.2% (w/v) agar, pH 7.4) and perform pre-incubation in a shaking incubator at 30 ° C and about 200 rpm for 16 hours. After transferring 1 mL of the pre-culture medium obtained by pre-culture to 100 mL of a new medium, incubate again at 30 ° C for 72 hours. Afterwards, as the strain cells grow, the agarase enzyme is released to the outside, so the agarase is obtained after culturing in this way.
당화액을 제조하는 단계는 상기와 같은 방법으로 제조한 아가레이즈 2g을 상기 액상 혼합물에 넣고 37℃ 온도에서 72시간 동안 액상 혼합물과 아가레이즈가 고루 접촉되도록 교반시키며 당화시켜 당화액을 제조한다.In the step of preparing the saccharification solution, 2 g of the agarase prepared in the above manner is added to the liquid mixture and stirred for 72 hours at a temperature of 37 ° C. so that the liquid mixture and the agarase are evenly contacted, followed by saccharification to prepare a saccharification solution.
그 다음 상기 과정의 당화액을 100㎛ 내지 500㎛ 사이즈의 중성 실리카 입자가 충진된 실리카 컬럼을 통과시켜 분리 정제하며, 이때 컬럼에 충진한 실리키의 부피는 약 100cc 정도이다. 이후 실리카 컬럼을 통과시킨 당화액은 0.45㎛ 공극 크기를 가지는 멤브레인 필러를 사용하여 분리 정제한다.Then, the saccharification solution of the above process is separated and purified by passing through a silica column filled with neutral silica particles having a size of 100 μm to 500 μm. At this time, the volume of silica filled in the column is about 100 cc. Thereafter, the saccharification solution passed through the silica column is separated and purified using a membrane filler having a pore size of 0.45 μm.
실시예 2 내지 실시예 5는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 바이오슈가를 제조하되, 액체 혼합물 제조 온도조건, 아가레이즈 효소 투입량 및 알코올의 종류와 같은 일부 공정조건의 변화가 있으며, 이는 하기 표 1에 나타나 있다. In Examples 2 to 5, biosugar was prepared in the same manner as in Example 1, but there were changes in some process conditions such as temperature conditions for preparing the liquid mixture, amount of agarase enzyme and type of alcohol, which are shown in Table 1 below. appears in
비교예 1은 과산화수소를 사용하지 않는 것만 제외하고 이후 공정은 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하였다.Comparative Example 1 was performed in the same manner as in Example 1 except that hydrogen peroxide was not used.
비교예 2 내지 비교예 5는 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 수행하되, 아가레이즈 효소 투입량, 알코올 종류 및 당화액 제조 온도조건와 같은 일부 공정조건의 변화가 있으며, 이는 하기 표 1에 나타나 있다.Comparative Examples 2 to 5 were performed in the same manner as Comparative Example 1, but there were changes in some process conditions, such as the amount of agarase enzyme input, the type of alcohol, and the temperature conditions for preparing the saccharification solution, which are shown in Table 1 below.
B: 홍조류 꼬시래기(한국 완도산) 투입량
C: 과산화수소 수용액 및 꼬시리기 혼합 온도
D: 아가레이즈(agarase) 효소 투입량
E: 액상 혼합물과 아가레이즈 효소의 혼합 온도A: Amount of hydrogen peroxide aqueous solution
B: Amount of red algae seaweed (from Wando, Korea) input
C: mixing temperature of aqueous hydrogen peroxide solution and flirting
D: Agarase enzyme dosage
E: Mixing temperature of the liquid mixture and the agarase enzyme
실험예 1은 상기 실시예 1 내지 실시예 5에서 석출된 입자의 바이오슈가 갈락토우스 성분 여부를 판단하기 위해 시차 주사 열량계(Differential Scanning Calorimetry, DSC)를 이용하여 석출된 입자의 녹는점(melting point)를 측정하였으며, 그 물성은 하기 표 2에 나타내었다.In Experimental Example 1, the melting point of the particles precipitated in Examples 1 to 5 was determined by using Differential Scanning Calorimetry (DSC) to determine whether biosugar was a galactose component. ) was measured, and its physical properties are shown in Table 2 below.
(melting point, ℃)melting point
(melting point, ℃)
입자상 물질 생성 안됨A sticky substance is created
No particulate matter produced
입자상 물질 생성 안됨A sticky substance is created
No particulate matter produced
입자상 물질 생성 안됨A sticky substance is created
No particulate matter produced
입자상 물질 생성 안됨A sticky substance is created
No particulate matter produced
상기 표 2의 결과에 나타난 바와 같이 본 발명에 실시예 따른 제조된 바이오슈가(실시예 1 내지 실시예 5)는 모두 고체 입자상의 바이오슈가가 제조되며, 또한 녹는점 167℃로 갈락토우스가 생성됨을 확인할 수 있었다.As shown in the results of Table 2, all of the biosugars produced according to the examples of the present invention (Examples 1 to 5) were prepared in the form of solid particles, and galactose was produced with a melting point of 167 ° C. was able to confirm
그러나 이와 달리 비교예 1 내지 비교예 5는 입자상의 물질이 생성되지 않았으며, 녹는점도 45℃ 내지 66℃으로 갈락토우스가 생성되지 않았음을 확인할 수 있었다.However, in Comparative Examples 1 to 5, no particulate material was produced, and it was confirmed that galactose was not generated with a melting point of 45°C to 66°C.
종래에 일반적인 바이오매스로부터 바이오슈가를 제조하는 공정에는 매우 강하고 독성이 있는 염산이나 황산과 같은 산성 물질을 사용하거나, 그 제조 수율이 매우 낮고, 바이오슈가를 입자화하기 어려운 문제점이 있었다. 그러나 앞서 설명한 바와 같은 본 발명의 바이오슈가 제조방법에 따르면 비식량 해양자원 중 하나인 해조류로부터 종래 제조 공정방법에 비해 훨씬 간단한 공정을 통하여 저비용, 고수율로 다량의 바이오슈가를 입자를 제조할 수 있다.In the conventional process for producing biosugar from general biomass, there are problems in that very strong and toxic acidic substances such as hydrochloric acid or sulfuric acid are used, the production yield is very low, and it is difficult to granulate biosugar. However, according to the biosugar manufacturing method of the present invention as described above, a large amount of biosugar particles can be produced from seaweed, which is one of the non-food marine resources, through a much simpler process than conventional manufacturing processes at low cost and high yield. .
Claims (13)
상기 액상 혼합물에 아가레이즈(agarase)를 넣고 혼합하여 당화액을 제조하는 단계;
상기 당화액에 입자상 불순물을 제거하는 분리 정제 단계;
상기 분리 정제 단계를 거친 당화액을 감압 증류하여 농축액을 제조하는 단계; 및
상기 농축액에 알코올을 넣고 혼합하여 바이오슈가인 갈락토오스를 입자화하고 수득하는 바이오슈가 수득 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오슈가 제조 방법.preparing a liquid mixture by adding 5 g to 15 g of seaweed per 500 cc of hydrogen peroxide aqueous solution and mixing while maintaining the temperature at 40 ° C to 90 ° C;
preparing a saccharification solution by adding agarase to the liquid mixture and mixing;
Separation and purification step of removing particulate impurities from the saccharification solution;
preparing a concentrate by distilling the saccharified solution subjected to the separation and purification step under reduced pressure; and
and a biosugar obtaining step in which alcohol is added to the concentrate and mixed to obtain particles of galactose, which is biosugar.
상기 분리 정제 단계는,
실리카 컬럼에 상기 당화액을 중력 방식 혹은 가압 방식으로 접촉하여 정제하는 제1 분리 정제 단계; 및
상기 제1 정제 단계를 거친 당화액을 멤브레인 필터에 통과시켜 정제하는 제2 분리 정제 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오슈가 제조 방법.According to claim 1,
The separation and purification step,
A first separation and purification step of contacting and purifying the saccharified solution with a silica column in a gravity method or a pressurized method; and
and a second separation and purification step of purifying the saccharified solution that has passed through the first purification step by passing it through a membrane filter.
상기 아가레이즈(agarase)는 사카로파거스 데그라단스 2-40(Saccharophagus degradans 2-40)를 배양하여 얻어지는 효소인 것을 특징으로 하는 바이오슈가 제조 방법.According to claim 1,
The method for producing biosugar, characterized in that the agarase is an enzyme obtained by culturing Saccharophagus degradans 2-40.
상기 해조류는 홍조류이며,
상기 홍조류는 진두말속(Chondrus), 유케마속(Eucheuma), 돌가사리속(Gigartina), 개우뭇속(Pterocladia), 히프니아속(Hypnea), 둥근비단속(Iridaea), 카파피쿠스속(Kappaphycus), 우뭇가사리속(Gellidium) 및 꼬시래기속(Gracilaria) 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 바이오슈가 제조 방법.According to claim 1,
The seaweed is red algae,
The red algae are Chondrus, Eucheuma, Gigartina, Pterocladia, Hypnea, Iridaea, and Kappaphycus. , A method for producing biosugar, characterized in that at least one selected from Gellidium and Gracilaria.
상기 알코올은 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 프로판올(propanol) 및 부탄올(butanol) 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 바이오슈가 제조 방법.According to claim 1,
Wherein the alcohol is at least one selected from methanol, ethanol, propanol and butanol.
상기 과산화수소 수용액의 농도는 2 중량% 내지 5 중량%인 것을 특징으로 하는 바이오슈가 제조 방법.According to claim 1,
The method for producing biosugar, characterized in that the concentration of the aqueous hydrogen peroxide solution is 2% to 5% by weight.
상기 당화액을 제조하는 단계는 상기 액상 혼합물 500cc 당 상기 아가레이즈(agarase) 1g 내지 2g을 넣고 혼합하는 것을 특징으로 하는 바이오슈가 제조 방법.According to claim 1,
In the step of preparing the saccharification solution, 1 g to 2 g of the agarase is added and mixed per 500 cc of the liquid mixture.
상기 당화액을 제조하는 단계는 상기 액상 혼합물에 상기 아가레이즈(agarase)을 넣고 30℃ 내지 45℃ 온도에서 72시간 내지 96시간 동안 혼합하는 것을 특징으로 하는 바이오슈가 제조 방법.According to claim 1,
In the step of preparing the saccharification solution, the agarase is added to the liquid mixture and mixed at a temperature of 30 ° C to 45 ° C for 72 hours to 96 hours.
상기 농축액을 제조하는 단계는 30℃ 내지 60℃온도에서 10 mbar 내지 150 mbar의 압력으로 상기 정제 단계를 거친 당화액을 1/10 내지 1/30 부피로 농축하는 것을 특징으로 하는 바이오슈가 제조 방법.According to claim 1,
In the step of preparing the concentrated solution, the saccharified solution that has undergone the purification step is concentrated to a volume of 1/10 to 1/30 at a pressure of 10 mbar to 150 mbar at a temperature of 30 ° C to 60 ° C.
상기 바이오슈가 수득 단계는 상기 농축액에 -10℃ 내지 25℃ 저온의 알코올을 넣고 혼합하여 바이오슈가 갈락토오스 입자를 석출하고, 석출된 갈락토오스 입자는 여과한 뒤 건조하여 수득하는 것을 특징으로 하는 바이오슈가 제조 방법.According to claim 1,
In the step of obtaining biosugar, low-temperature alcohol at -10 ° C to 25 ° C is added to the concentrate and mixed to precipitate biosugar galactose particles, and the precipitated galactose particles are obtained by filtering and drying. .
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