KR102590473B1 - 개선된 알룰로스의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 알룰로스의 개선된 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 제조 공정에서 사용되는 원료 기질로서 원당을 활용하여 과당-함유 원료 용액 제조하는 것이다.
Description
본 발명은 알룰로스의 개선된 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 제조 공정에서 사용되는 원료 기질로서 원당을 활용하여 과당-함유 원료 용액 제조하는 것이다.
알룰로스(Pscicose)는 과당(D-fructose)의 에피머로서 희소당으로 알려진 기능성 당류의 일종으로, 설탕의 약 60 내지 70%의 높은 감미도를 나타내면서도 열량은 거의 제로 칼로리에 가까워 당뇨병의 예방 및 개선에 효능이 있는 것으로 알려져 있다. 또한 알룰로스는 용해성도 우수한 것으로 알려져 있어, 식품에의 활용이 주목되고 있는 소재 중 하나이다.
기능성 감미료로서 설탕 또는 과당 등을 대체할 수 있는 각광받는 당류 중 하나로서 알룰로스가 있다. 알룰로스는 화학적 또는 생물학적 방법으로 제조될 수 있으나,
알룰로스 전환 공정에 사용되는 반응 원료인 과당 함유 용액이 전분 등의 분해로부터 얻어지는 포도당을 이성화 반응으로 전환한 과당 이성화 반응물이거나 또는 설탕을 가수분해하여 얻어지는 것일 수 있다. 설탕 원료를 사용하여 알룰로스를 제조할 경우, 기존 원당에서 설탕을 만드는 공정이 필요하고 설탕 제조공정에서 제조원가 상승 및 수율 증가, 다수 공정의 추가 등의 문제점이 있다. 또한, 기존 옥수수로부터 얻어지는 이성화당의 경우 DP3이상의 물질이 포함되어 있어 분리능에 영향을 미치는 문제도 있다.
설탕 원료를 사용하여 알룰로스를 제조할 경우, 기존 원당에서 설탕을 만드는 공정을 제거할 수 있게 되고, 옥수수로부터 얻어지는 이성화당의 경우 DP3이상의 물질도 존재하여, 분리능에 영향을 미치기도 한다. 또한, 최근 포도당 및 과당 옥수수 시럽 및 기타 사탕 수수 공급원의 해외 제조업체와의 가격 경쟁으로 인해 원료 비용이 제조 원가에 부담을 주고 있어, 보다 저렴한 원료 및 공정으로 알룰로스를 제조할 필요성이 있다.
알룰로스 제조 공정에서 알룰로스 전환 반응 생성물에는 알룰로스 함량이 낮아 제품화 또는 결정화를 위해 알룰로스 순도를 증가시킬 필요가 있으며, 이를 위해 정제 및 농축하는 공정이 필요하다. 또한, 알룰로스는 결정 분말에 대한 요구가 있으나, 알룰로스는 결정성이 낮아 결정화하기 어렵다. 또한 알룰로스 농축물 또는 알룰로스 결정화 용액에 불순물을 포함하는 경우 제품 품질 확보를 위해 불순물을 제거할 필요가 있으며, 특히 일부 불순물을 알룰로스 결정화 또는 결정 성장에 방해가 되기도 한다.
따라서, 보다 저렴한 원료 및 공정으로 효율적인 알룰로스 제조 공정을 제공하고, 알룰로스 용액에 포함된 불순물의 함량 또는 알룰로스 제조과정에서 불순물의 생성을 최소화하는 알룰로스 제조 방법이 절실히 필요한 실정이다.
본 발명의 일 예는, 설탕 원료를 활용하여 알룰로스 순도 및 수율을 향상시키고 원료의 이용률을 높이고자, 설탕 원료를 활용하여 제조된 과당-함유 원료를 알룰로스 제조 공정의 원료로서 투입하여 알룰로스를 제조하는 방법 및 이에 사용되는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가 일 예는, 종래에 설탕을 사용하여 알룰로스를 제조하거나 전분을 이용한 이성화 과당을 이용할 경우에 비해, 설탕 제조공정 및 포도당 제조과정을 생략할 수 있어 공정을 단순화하고, 저가의 원료를 활용할 수 있어 생산비용을 감소할 수 있는 원당을 활용하여 제조된 과당-함유 원료를 알룰로스 제조 공정의 원료로서 투입하여 알룰로스를 제조하는 방법 및 이에 사용되는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 일 예는, 종래 전분을 이용한 이성화당에 포함된 DP3이상의 올리고당류 및 기타 불순물의 함량을 감소시켜 알룰로스 시럽 또는 분말에 포함된 불순물 함량을 제어한 원당을 활용하여 제조된 과당-함유 원료를 알룰로스 제조 공정의 원료로서 투입하여 알룰로스를 제조하는 방법 및 이에 사용되는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 설탕 제조용 원료를 이용하여 고순도 과당을 직접 제조하여 알룰로스 제조의 원료로 활용하여 알룰로스 순도 및 수율을 향상시키고 생성된 알룰로스에 포함된 불순물을 감소하고자, 원당으로부터 생성된 전화당을 과당 분리공정에 투입하여 과당-함유 원료를 제조하는 방법 및 이에 사용되는 장치를 제공하는 것이다.
알룰로스의 생물학적 제조방법은, 과당 에피머 전환 반응로 제조하고 분리 및 정제하는 공정을 포함하며, 알룰로스 제조 원료인 과당 또는 과당-함유 원료는 종래 전분 유래 과당의 경우 전분의 분해에 의한 포도당 제조, 포도당의 이성화 반응에 의한 과당 제조, 및 과당 분리 및 정제 공정을 포함하고, 설탕 유래 과당의 경우 원당과 같은 설탕 제조용 원료로부터 설탕을 분리 및 정제하는 공정, 설탕의 분해에 의한 포도당 및 과당을 제조하는 공정 및 과당 분리와 정제 공정을 포함한다. 즉, 전분 유래 과당은 직접 원료는 포도당을 포함하는 전분 유래 이성화당이고, 설탕 유래 과당은 원당 등의 설탕 제조용 원료에서 분리, 정제 및 결정화된 설탕이며, 이들 과당 제조 원료를 제조하기 위한 전단계가 필수적이다.
따라서, 종래 전분 유래 과당 또는 설탕 유래 과당의 경우, 공정의 최초 원료로부터 직접 과당을 제조하지 못하고, 과당 제조를 위한 원료로서, 전분 유래 과당은 포도당 제조공정을 포함하고 설탕 유래 공정을 설탕 분해 공정을 추가로 포함하여야 하는 적어도 2단계 공정을 진행해야 하므로 공정이 복잡하고 공정 수율이 낮아지고, 각 공정에서 부산물이 발생하는 문제점이 있다.
또한 전분 유래 과당은 과당 제조 공정의 전단계 반응인 포도당 제조 공정에서 DP3 이상의 불순물을 다수 포함하고 있어 과당 분리 및 정제를 어렵게 하고 전분 유래 과당을 이용하여 알룰로스를 생산하는 경우 알룰로스 전환 반응생성물에도 DP3 이상의 불순물을 포함될 수 있어 알룰로스 분리 및 정제 공정을 어렵고 복잡하게 할 수 있다. 설탕 유래 과당을 제조하기 위한 전단계 반응인 설탕 정제 공정은, 예를 들면 원당을 녹여 설탕으로 결정화하는 과정에서 부산물 제거를 위한 다수의 공정이 필요하게 된다.
이에, 본 발명에 따른 과당 제조용 원료는 별도의 이성화당 또는 설탕을 제조하는 공정을 포함하지 않고, 설탕 제조용 원료, 예를 들면 사탕수수, 사탕무우 원료의 착즙액(juice), 농축액, 또는 상기 착즙액 또는 농축액에서부터 당밀을 제거하고 얻어진 결정 용해액을 이용하여 직접 전화효소를 처리하고 과당을 분리 및 정제하는 공정을 수행할 수 있어 과당 제조용 원료를 제조하는 전단계 반응이 필요하지 않아 공정을 단순화할 수 있다.
알룰로스는 pH가 낮고 온도가 높을수록 불안정하여, 실제 생산 공정 중 특히 농축 단계에서 알룰로스의 함량이 변화된다. 이러한 문제는 고순도의 알룰로스 순도를 낮추게 하여 결정화 단계에 많은 영향을 주게 된다. 실제 이 과정에서 알룰로스의 함량이 감소되면서 부가적으로 생성되는 알룰로스 전환물(Impurity)의 함량이 증가하며, 이 성분이 알룰로스 결정 입자가 성장하는데 Inhibitor로 작용됨을 알 수 있었고, 이로 인해 결정 입자의 입도와 결정 수율에 큰 영향을 준다. 이에, 본 발명은 알룰로스 생산 과정에서 알룰로스 이외의 불순물을 조절하여, 알룰로스 결정 입자의 모양, 구조 및 크기, 결정 순도, 결정 생성 속도, 및 결정 수율을 향상시킬 수 있다. 상기 불순물은 알룰로스 변성체, 알룰로스 변성 중합체, 또는 알룰로스가 분해되는 과정에서 생성되어 전환된 중간체물질일 수 있으며, 히드록시메틸푸르푸랄(Hydroxymethylfurfural, HMF), 더욱 바람직하게는 5-HMF를 포함한다.
본 발명에 따라, 알룰로스 전환 반응생성물에 포함된 불순물, 예를 들면 5-HMF이 생성되지 않거나 생성을 최소화한 조건에서 알룰로스의 생산, 분리 및/또는 정제 공정을 수행하여, 알룰로스 시럽에 포함되는 불순물의 함량을 감소시키고, 이로 인해 결정화 원액의 불순물 함량을 감소시켜 결정 성장을 방해하는 불순의 함량을 낮추어 결정 모양과 결정 수율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따라 설탕 제조용 원료를 이용하여 고순도 과당을 직접 제조하고, 이를 활용하여 알룰로스를 제조하는 경우, 알룰로스 전환 반응의 원료가 되는 과당-함유 원료는 0.001 내지 2.2 mg/L, 예를 들면 2.2 mg/L 이하, 2.1 mg/L 이하, 2.0 mg/L 이하, 1.9 mg/L 이하, 1.8 mg/L 이하, 1.7 mg/L 이하, 1.6 mg/L 이하, 1.5 mg/L 이하, 1.4 mg/L 이하, 1.3 mg/L 이하, 1.2 mg/L 이하, 1.1 mg/L 이하, 1.0 mg/L 이하, 0.9 mg/L 이하, 0.8 mg/L 이하, 0.7 mg/L 이하, 0.6 mg/L 이하일 수 있으며, 구체적으로는 상기 과당-함유 원료는 45 내지 55 중량%의 고형분 함량을 갖는 것일 수 있다.
상기 알룰로스 전환 반응 생성물을 SMB를 이용한 고순도 분리 및 이온정제 공정을 수행한 후 얻어지는 알룰로스 시럽은 0.001 내지 5.7 mg/L, 예를 들면 5.7 mg/L 이하, 5.6 mg/L 이하, 5.5. mg/L 이하, 5.25mg/L 이하, 5.0mg/L 이하, 4.7 mg/L 이하, 4.5mg/L 이하, 4.25mg/L 이하, 4.0mg/L 이하, 3.7mg/L 이하, 3.5mg/L 이하, 3.25mg/L 이하, 3.0mg/L 이하, 2.7mg/L 이하, 2.5mg/L 이하, 2.25mg/L 이하, 2.0mg/L 이하, 1.7mg/L 이하, 1.5mg/L 이하, 또는 1.25mg/L 이하의 5-HMF 함량을 갖는 것일 수 있다. 이하일 수 있으며, 구체적으로는 상기 과당-함유 원료는 70 내지 75 중량%의 고형분 함량을 갖는 것일 수 있다.
알룰로스에 포함된 고형분의 총함량 100중량%를 기준으로 히드록시메틸푸르푸랄의 함량을 0.01중량% 이하, 0.05 중량%이하, 0.06 중량%이하, 0.07 중량%이하, 0.08 중량%이하, 0.085 중량%이하, 0.09 중량%이하, 또는 0.095 중량%이하로 포함하거나, 예를 들면 포함하지 않을 수도 있다. 상기 히드록시메틸푸르푸랄은 5-히드록시메틸푸르푸랄일 수 있다.
설탕 제조용 원료로 알룰로스를 제조할 경우, 종래에 사용하는 전분 유래 이성화당 또는 설탕분해물을 제조하는 공정을 진행할 필요없이 직접적으로 효소 반응 및 탈색, 여과, 정제를 바로 들어가게 되어, 기존 공정에서 발생하는 제품의 손실 및 불필요 공정을 줄일 수 있게 된다. 전분 유래 이성화당은 원료에서 포함되는 DP3이상의 물질로 인해 분리능이 원당유래 과당-함유 기질에 비해 떨어지며, 설탕 분해물의 경우 설탕 제조에 진행되는 불필요한 공정을 없애는 장점을 보유하게 된다.
본 발명의 일예는 설탕을 함유하는 설탕 제조용 원료와 전화 효소를 이용하여 과당과 포도당을 함유하는 전화당 시럽(invert syrup)을 얻어, 과당 분리공정에 투입하여 과당-함유 원료를 제조하는 단계, 및
상기 과당-함유 원료를 이용하여 알룰로스 전환 반응을 수행하는 단계를 포함하는, 알룰로스의 제조방법에 관한 것이다. 상기 제조방법은, 전분 유래 포도당의 이성화 반응 또는 설탕 제조용 원료로부터 설탕을 분리 또는 정제하는 공정을 포함하지 않는다.
상기 과당 분리 공정은 상기 전화당 시럽을 활성탄 처리 공정, 이온정제공정, 모사이동층(SMB) 크로마토그래피를 이용한 고순도 분리 공정 및 농축 공정으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것일 수 있으며, 예를 들면 상기 과당 분리 공정은 상기 전화당 시럽을 이온정제, 모사이동층(SMB) 크로마토그래피를 이용한 고순도 분리 공정 및 농축 공정을 포함할 수 있다.
상기 전화당 시럽은 과당, 포도당 및 2당류 이상의 당류를 포함할 수 있으며 본 발명의 일예에서, 상기 설탕 제조용 원료로 제조된 상기 과당-함유 원료는 당류 고형분 함량 기준으로, DP3이상의 올리고당류 함량이 2.0중량%이하일 수 있다. 상기 전화당 시럽은 당류 고형분 함량이 10중량% 이상일 수 있으며, 또한 과당 분리 공정을 거쳐, 과당-함유 원료의 전체 당류 고형분 함량을 기준으로 과당 함량 90중량%이상의 과당-함유 원료를 제조하는 것일 수 있다.
상기 전화당 시럽의 전체 당류 고형분 함량을 기준으로, 과당 및 포도당의 합계 함량은 90 중량%이상일 수 있으며 자세하게는 상기 전화당 시럽에 포함된 과당 및 포도당의 합계 고형분 함량 100 중량%를 기준으로, 상기 과당은 40 중량%이상 및 상기 포도당은 60 중량%이하로 포함되는 것일 수 있다.
상기 제조방법으로 얻어지는 상기 과당-함유 원료는 0.001 내지 2.2 mg/L의 5-HMF를 포함할 수 있으며, 상기 알룰로스 전환 반응생성물은 0.001 내지 5.7 mg/L의 5-HMF를 포함하는 것일 수 있다.
상기 알룰로스 전환 반응물은 과당-함유 원료를 생물학적 알룰로스 전환 공정으로 처리하여 얻어진 것일 수 있으며 상기 알룰로스 전환 반응에 투입되는 과당-함유 원료의 과당 함량은, 전체 당류 고형분 함량 100중량%를 기준으로 85중량%이상일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일예는 1.0 중량% 이하의 5-HMF를 포함하는 알룰로스 함유 조성물에 관한 것으로서, 고형분 함량 기준으로, 알룰로스를 5 중량%이상으로 포함할 수 있으며 고형분 함량 기준으로, DP3이상의 올리고당류 함량이 2.0 중량%이하, 1.5 중량% 이하, 1.0중량% 이하, 0.5 중량% 이하, 0.1 중량% 이하, 0.05 중량% 이하, 0.01 중량% 이하, 0.005 중량% 이하, 0.001 중량% 이하, 또는 0.0001 중량% 이하, 바람직하게는 포함하지 않는 것일 수 있다.
이하, 본 발명을 더욱 자세히 설명하고자 한다.
본 발명에 따른 원당을 이용한 알룰로스 제조방법은, 설탕 제조용 원료를 이용한 과당 함유 산물의 제조하는 단계를 포함한다.
상기 설탕 제조용 원료를 이용한 과당 함유 산물의 제조하는 단계는, 상기 원당을 전화효소와 접촉시켜 원당 내 포함된 설탕을 가수분해하여 글루코스 및 과당의 혼합물로 전환시켜 과당-함유 산물, 예컨대 전화시럽(invert syrup)을 제조하는 공정이다. 전화효소(Invertase)를 이용하여 이당류 이상의 함량이 낮도록, 예를 들면 전체 당류 고형분 함량 100중량%을 기준으로, 10 중량% 이하, 9 중량% 이하, 8 중량% 이하, 7 중량%이하, 6 중량% 이하, 5 중량% 이하, 4 중량%이하, 3 중량 이하, 2중량% 이하, 1 중량%이하 또는 0.5 중량% 이하가 되도록 포도당과 과당으로 완전히 가수분해시켜 과당 및 포도당을 함유하는 전화당 시럽(invert syrup)을 제조한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 과당 제조 공정을 구체적으로 설명하면, 과당은 설탕을 포함하는 원당으로부터 얻어질 수 있다. 이를 통해, 포도당, 과당, 설탕과 같이 분리 및 정제된 원료를 대신하여, 원당을 사용하여 높은 수율의 알룰로스를 제조하고, 불순물, 예컨데 5-HMF를 포함하지 않는 알룰로스 제조방법을 제공하여 매우 낮은 비용으로 고수율로 알룰로스의 대량 생산을 가능하게 할 수 있다.
상기 전화단계 (inverting step)는 설탕을 포도당과 과당으로 분해하는 효소, 상기 효소를 생산하는 미생물 (예, 균체, 균체의 파쇄물, 미생물 배양물, 및 미생물 배양물의 상등액을 포함)을 포함하는 생촉매와 원당을 접촉시키는 단계, 예컨대, 상기 생촉매와 원당을 혼합하는 단계 또는 상기 생촉매가 고정화된 담체에 원당을접촉시키는 단계에 의하여 수행될 수 있다.
구체적으로, 설탕 제조용 원료 용액을 반응탱크에 넣고 물을 주입하여 고형분 함량 30 중량% 이상, 예를 들면 35 내지 45중량%, 바람직하게는 40 중량%으로 전화 효소 처리 원료를 제조하고, 상기 전화 효소 처리 원료를 온도 55 내지 75 ℃, 바람직하게는 60 ℃로 조절하고 염산을 첨가하여 pH 4.0 내지 5.5, 바람직하게는 pH 4.5로 조절한 후에, 전화효소(Invertase)를 고형분 대비 0.01 내지 5.0 중량% 예를 들면 0.01% 내지 1 중량%를 첨가하여 16 내지 48시간 또는 20 내지 28시간 동안 가수분해를 수행할 수 있다.
상기 전화효소는 설탕을 포도당과 과당으로 분해하는 효소라면 모두 사용할 수 있으며, 예를 들면 sumizyme INV-L(HBI ENZYME INC) 일 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
본 명세서에서 알룰로스 전환 반응을 위한 과당-함유 원료를 제조하기 위한 원료는, 설탕 제조를 위한 원료로서 사탕수수, 사탕무우 원료의 착즙액(juice), 농축액, 또는 상기 착즙액 또는 농축액에서부터 당밀을 제거하고 얻어진 결정 등을 포함한다. 전화당은 설탕 제조원료, 예를 들면 원당을 고온에서 산 가수분해하거나 인버타제(invertase)의 효소 처리로 가수분해하여 원당에 포함된 설탕이 포도당과 과당으로 분해된 것을 의미한다. 본 발명의 출발 물질은 바람직하게는 사탕 수수를 가압 한 후 얻은 사탕 수수 또는 사탕 무우의 주스 또는 착즙액 (예를 들어, 가공없이 추출됨)이다.
본 발명에 적용 가능한 원당은 시판 제품을 사용하거나, 사탕수수 또는 사탕무를 착즙 또는 착즙액의 추가 가공을 거쳐 제조한 것일 수 있다. 예를 들면 사탕 수수 착즙액을 제조하는 단계는, 사탕수수 줄기를 그대로 또는 절단하여 착즙액을 제조하고, 착즙액에 석회를 첨가하여 불순물을 걸러내는 동시에 pH를 높여 단백질, 지방, 부유물질을 침전시켜 불순물을 제거한다. 상기 불순물이 제거된 착즙액을 가열하여 농축하는 공정을 추가로 수행할 수 있으며, 원심분리하여 결정과 당밀을 분리하여 얻은 결정을 사용할 수 있다.
예를 들면, 사탕 수수를 착즙하여 사탕수수 주스를 얻고, 상기 착즙액을 여과하여 불순물을 제거하여 제조할 수 있으며, 선택적으로 농축공정을 수행할 수도 있다. 고형물뿐만 아니라 가용성 물질을 제거하여 효소를 오염 및 효율을 감소시킬 수 있는 물질을 제거하는 공정만 처리하는 것으로 충분하다. 효소 전환 단계를 수행하기 전에, 제조된 전화당(invert syrup)은 미생물의 생장을 억제하고 운송 비용을 줄이기 위해 고형분 함량 68중량%로 추가 농축을 수행할 수 있다.
상기 사탕수수 착즙액은 약 16 내지 23 중량%의 당류 함량을 가지며, 상기 당류 중에서 90 중량% 이상이 설탕(sucrose)이다. 전화효소로 처리하는 원료는 고형분 함량 35 내지 65 중량%, 예를 들면 45 내지 60 중량% (또는 브릭스)의 원당 용액일 수 있다.
상기 가수분해 완료 전화당액 (invert syrup) 또는 전화효소의 처리로 생성된 과당-함유 산물은 당류 고형분 함량이, 10중량% 이상, 15 중량%이상, 20 중량%이상, 25 중량%이상, 30 중량% 이상, 35 중량% 이상, 40 중량% 이상, 45 중량% 이상, 50 중량% 이상, 또는 55 중량% 이상일 수 있으며, 예를 들면 30 내지 80 중량%, 35 중량% 내지 80 중량%, 40 중량% 내지 80 중량%, 45 중량% 내지 80 중량%, 50 중량% 내지 80 중량%, 55 중량% 내지 80 중량%, 30 내지 75 중량%, 35 중량% 내지 75 중량%, 40 중량% 내지 75 중량%, 45 중량% 내지 75 중량%, 50 중량% 내지 75 중량%, 55 중량% 내지 75 중량%, 30 내지 70 중량%, 35 중량% 내지 70 중량%, 40 중량% 내지 70 중량%, 45 중량% 내지 70 중량%, 50 중량% 내지 70 중량%, 55 중량% 내지 70 중량%, 30 내지 65 중량%, 35 중량% 내지 65 중량%, 40 중량% 내지 65 중량%, 45 중량% 내지 65 중량%, 50 중량% 내지 65 중량%, 55 중량% 내지 65 중량%, 30 내지 60 중량%, 35 중량% 내지 60 중량%, 40 중량% 내지 60 중량%, 45 중량% 내지 60 중량%, 50 중량% 내지 60 중량%, 또는 55 중량% 내지 60 중량%일 수 있다.
상기 전화효소 처리 산물에 포함된 당류는 과당과 포도당이 주성분이며 나머지 이당류 이상 당류를 포함할 수 있다. 상기 과당과 포도당의 합계 함량은, 전체 당류 고형분 함량 100중량%을 기준으로, 90 중량% 이상, 91 중량% 이상, 92 중량% 이상, 93 중량%이상, 94 중량%이상, 95 중량% 이상, 96 중량%이상, 97 중량 이상, 98중량%, 99 중량%이상 또는 99.5 중량%이상일 수 있으며, 포도당과 과당을 제외한 나머지 당류, 예컨대 이당류 이상의 당류는 전체 당류 고형분 함량 100중량%을 기준으로, 10 중량% 이하, 9 중량% 이하, 8 중량% 이하, 7 중량%이하, 6 중량% 이하, 5 중량% 이하, 4 중량%이하, 3 중량 이하, 2중량% 이하, 1 중량%이하 또는 0.5 중량% 이하일 수 있으며, 예를 들면, 0.5 내지 1.0 중량%일 수 있다.
상기 전화효소 처리 산물에 포함된 포도당과 과당 함량은, 전화효소의 작용에 의해 원료에 포함된 설탕을 분해하여 동량의 포도당과 과당을 생성하므로 포도당과 과당 함량은 중량비로 1:1이므로 상기 과당과 포도당의 합계 함량 100중량%를 기준으로 50중량%의 함량으로 포함될 수 있으며, 또는 전화 효소를 처리하기 전 원당에 포함된 포도당과 과당의 함량에 따라 설탕 분해로 얻어지는 동량의 포도당 과당 함량을 더하여 최종 전화 생성물에 포함된 포도당 및 과당 함량이 결정될 수 있으므로, 상기 전화효소 처리 산물에 포함된 포도당과 과당 함량은, 상기 과당과 포도당의 합계 함량 100중량%를 기준으로 과당 함량은 예를 들면, 40 중량% 이상, 42.5 중량% 이상, 45 중량% 이상, 46 중량% 이상, 47 중량% 이상, 47.5 중량% 이상, 48 중량% 이상, 48.5 중량% 이상, 49 중량% 이상, 49.5 중량% 이상, 50 중량% 이상, 51 중량% 이상, 52 중량% 이상, 53 중량% 이상, 54 중량%이상, 55 중량% 이상, 56중량% 이상, 57중량% 이상, 58중량% 이상, 또는 59중량% 이상일 수 있으며, 예를 들면 40 내지 60중량%, 42.5 내지 60중량%, 45 내지 60중량%, 46 내지 60중량%, 47 내지 60중량%, 47.5 내지 60중량%, 48 내지 60중량%, 48.5 내지 60중량%, 49 내지 60중량%, 49.5 내지 60중량%, 50 내지 60중량%, 51 내지 60중량%, 52 내지 60중량%, 53 내지 60중량%, 54 내지 60중량%, 55 내지 60중량%, 56 내지 60중량%, 57 내지 60중량%, 58 내지 60중량%, 59중량% 내지 60중량%, 40 내지 55중량%, 42.5 내지 55중량%, 45 내지 55중량%, 46 내지 55중량%, 47 내지 55중량%, 47.5 내지 55중량%, 48 내지 55중량%, 48.5 내지 55중량%, 49 내지 55중량%, 49.5 내지 55중량%, 50 내지 55중량%, 51 내지 55중량%, 52 내지 55중량%, 53 내지 55중량%, 54 내지 55중량%, 40 내지 54중량%, 42.5 내지 54중량%, 45 내지 54중량%, 46 내지 54중량%, 47 내지 54중량%, 47.5 내지 54중량%, 48 내지 54중량%, 48.5 내지 54중량%, 49 내지 54중량%, 49.5 내지 54중량%, 50 내지 54중량%, 51 내지 54중량%, 52 내지 54중량%, 53 내지 54중량%, 40 내지 53중량%, 42.5 내지 53중량%, 45 내지 53중량%, 46 내지 53중량%, 47 내지 53중량%, 47.5 내지 53중량%, 48 내지 53중량%, 48.5 내지 53중량%, 49 내지 53중량%, 49.5 내지 53중량%, 50 내지 53중량%, 51 내지 53중량%, 52 내지 53중량%, 40 내지 52중량%, 42.5 내지 52중량%, 45 내지 52중량%, 46 내지 52중량%, 47 내지 52중량%, 47.5 내지 52중량%, 48 내지 52중량%, 48.5 내지 52중량%, 49 내지 52중량%, 49.5 내지 52중량%, 50 내지 52중량%, 51 내지 52중량%, 40 내지 51중량%, 42.5 내지 51중량%, 45 내지 51중량%, 46 내지 51중량%, 47 내지 51중량%, 47.5 내지 51중량%, 48 내지 51중량%, 48.5 내지 51중량%, 49 내지 51중량%, 49.5 내지 51중량%, 50 내지 51중량%, 40 내지 50중량%, 42.5 내지 50중량%, 45 내지 50중량%, 46 내지 50중량%, 47 내지 50중량%, 47.5 내지 50중량%, 48 내지 50중량%, 48.5 내지 50중량%, 49 내지 50중량%, 49.5 내지 50중량%, 40 내지 49중량%, 42.5 내지 49중량%, 45 내지 49중량%, 46 내지 49중량%, 47 내지 49중량%, 47.5 내지 49중량%, 48 내지 49중량%, 48.5 내지 49중량%, 40 내지 48.5중량%, 42.5 내지 48.5중량%, 45 내지 48.5중량%, 46 내지 48.5중량%, 47 내지 48.5중량%, 47.5 내지 48.5중량%, 48 내지 48.5중량%, 40 내지 48중량%, 42.5 내지 48중량%, 45 내지 48중량%, 46 내지 48중량%, 47 내지 48중량%, 47.5 내지 48중량%, 40 내지 47중량%, 42.5 내지 47중량%, 45 내지 47중량%, 46 내지 47중량%, 40 내지 46중량%, 42.5 내지 46중량%, 45 내지 46중량%, 40 내지 45중량%, 또는 42.5 내지 45중량%일 수 있다. 상기 과당과 포도당의 합계 함량 100중량%를 기준으로 포도당 함량은 과당 함량의 잔량일 수 있다.
(2) 과당 함유 산물로부터 고순도 과당을 얻는 단계
고형분 함량 35 내지 45 중량%의 원당 용액을 전화효소(Invertase)를 이용하여 효소 가수분해하여 얻어진 과당 및 포도당 혼합액을 탈색공정, 이온정제공정 및 농축공정을 수행하여 과당 43 내지 48 중량%의 원료 시럽을 제조하는 단계이다.
상기 탈색 공정은 알룰로스 용액에 활성탄을 접촉시켜 온도 40 내지 50℃에서 0.5 내지 5시간 동안 반응한 후에, 상기 활성탄을 포함한 반응액을 고액분리 공정을 수행하여 여액을 수득하고, 불순물은 여과 잔류물로 제거될 수 있다. 상기 여과는 필터프레스와 같은 여과 장비를 이용하여 수행할 수 있다.
상기 활성탄 반응 공정에서 선택적으로 교반할 수 있으며, 상기 반응액의 교반 속도는 5 내지 500rpm, 바람직하게는 50 내지 300rpm일 수 있다. 상기 교반속도는 활성탄의 분산 정도 및 교반에 소요되는 비용을 고려하여 적절히 선택할 수 있다. 활성탄과 반응액의 접촉시간은 활성탄의 분산정도 및 불순물의 제거효율 등을 고려하여 적절히 선택할 수 있으며, 예를 들면, 0.5 내지 5시간, 바람직하게는 0.5 내지 2시간일 수 있으며, 접촉시간이 짧으면 불순물 제거 예를 들면 탈색이 충분히 이루어지지 않을 수 있으며, 접촉시간이 길면 주요성분의 파괴 및 갈변이 일어날 수 있다.
상기 활성탄 처리 공정에 사용된 상기 활성탄은 석탄계 또는 목질계 유래일 수 있으며, 활성탄의 기공 입경 사이즈에 따라 선택적으로 불순물을 제거할 수도 있다
상기 이온정제공정은 양이온 교환수지, 음이온 교환수지, 및 양이온과 음이온교환수지가 혼합된 수지로 이루어지는 군에서 선택된 1종의 이온 수지를 이용하여 수행될 수 있으며, 상기 알룰로스 전환 산물의 이온 정제 공정을 유사하게 과당의 이온정제 공정에 적용할 수 있다.
일 구체예에서, 과당-함유 원료를 제조하는 방법은 (1)원당에 전화효소를 처리하여 포도당과 과당을 포함하는 혼합액을 제조하는 전화 공정 공정; (2)상기 전화산물을 이온정제 및 모사 이동층(simulated moving bed, SMB) 크로마토그래피를 이용한 분리를 수행하여 과당 분획과 라피네이트를 얻는 과당 분리 공정을 포함하는 과당-함유 원료를 제조하는 공정을 포함한다.
본 명세서에서, 용어 "라피네이트(raffinate)"라 함은 추잔액이라고도 하며, 분리공정에 투입된 원료가 분리공정을 통과하여 얻어지는 산물에는 분리공정으로 함량을 높이고자 하는 목적 물질을 포함하는 목적 분획과, 분리공정에서 제거 또는 함량을 감소하고자 하는 물질 등을 포함하는 잔류액을 포함하며, 상기 잔류액 라피네이트라고 한다.
알룰로스 전환 반응의 기질인 과당-함유 원료는, 원당에 전화효소를 접촉시켜 과당을 함유하는 전화당 시럽을 제조하고, 상기 전화당 시럽에서 고순도 과당을 분리하는 공정을 수행할 수 있다.
상기 전화당 시럽에서 고순도 과당을 분리하는 공정은, 먼저 (A)원당과 전화촉매를 사용하여 과당을 함유하는 전화당 시럽을 제조하는 전화공정, (B)상기 전화당 시럽을 과당 제조의 분리공정인 제1차 이온정제, SMB 크로마토그래피를 이용한 분리 및 제2차 이온정제로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 공정으로 수행할 수 있으며, 추가적으로 활성탄 처리 및 여과 처리 공정을 수행할 수 있다.
본 발명의 과당 제조 공정은 연속식과 배치식 모두 사용 가능하며, 일 실시예에 따르면 연속식 공정을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 예에서, 과당 반응물을 분리 및 농축하기 위해서, 단계(A)에서 얻어진 전화당 반응물을 제1차 이온정제 및 SMB 크로마토그래피 분리 공정을 수행할 수 있다. 상기 과당 제조의 분리 공정은 통상의 과당 제조의 분리 공정과 동일한 방법, 공정 및 반응 조건으로 수행할 수 있다. 상기 제1차 이온정제 및 SMB 크로마토 그래피는 상기 (2)항목의 알룰로스 전환 반응물의 분리공정에서 기술한 바와 실질적으로 동일하다.
본 발명의 과당 제조의 분리 공정은 제1차 이온정제, SMB 크로마토그래피 분리, 제2차 이온정제 및 농축 공정을 포함할 수 있으며, 선택적으로 과당 이성화 반응물의 불순물을 제거하는 공정은 탈염공정, 탈색공정 또는 탈색과 탈염 공정을 수행할 수 있다. 상기 불순물을 제거하는 공정은 여과를 이용한 불용성 물질의 제거 공정, 및 활성탄을 이용한 탈색 공정, 유색 성분과 이온 성분 등의 불순물을 제거하기 위해 이온교환 수지가 충진된 컬럼에 통액시켜 수행할 수 있다. 상기 과당 이성화 반응물의 불순물을 제거하는 공정을 거쳐 과당 함량 40 내지 44 중량%의 과당 시럽을 수득한다.
그 다음, 모사 이동층 흡착 분리 방법(simulated moving bed, SMB)을 이용하여 포도당 라피네이트와 과당 분획을 얻고, 상기 과당 분획을 제2차 이온정제 및 농축 공정을 수행하여 전체 고형분 100중량%를 기준으로, 고형분 농도 45 내지 55 중량%의 과당 용액을 얻을 수 있다.
상기 포도당과 과당의 분리를 위해서는 상기 알룰로스 전환 반응물의 분리공정에서 사용한 SMB 크로마토마토그래프 분리공정과 실질적으로 동일하게 수행할 수 있으며, 예를 들면 220 내지 320 ㎛의 입도를 가지는 칼슘(Ca)형 강산성 양이온 수지를 사용할 수 있다. 상기 고순도 분리 공정은 40 내지 60 ℃온도, 예를 들면 60 ℃에서 수행될 수 있다.
본 발명의 과당 제조 공정은 연속식과 배치식 모두 사용 가능하며, 바람직하게는 연속식 공정이다. 이하, 본 발명에 따른 과당 라피네이트 재순환을 통한 과당 제조 공정을 각 단계별로 자세히 기술하고자 한다.
제1차 이온정제방법으로, 유색 및 이온 성분 등의 불순물을 제거하기 위해 알룰로스 제조의 제1차 이온정제와 동일 또는 상이한 방법으로 수행할 수 있으며, 동일 종류 또는 상이한 종류의 이온교환수지가 충진된 분리탑을 1개 또는 2이상 사용하여 수행할 수 있다. 상기 이온 정제 공정은 이온정제에 사용되는 수지의 물성 및 이온 정제 효율을 고려하여 공정 조건을 설정하여 수행할 수 있다.
상기 불순물을 제거하는 공정은 불용성 물질의 제거 공정, 및 활성탄을 이용한 탈색 공정, 유색 성분과 이온 성분 등의 불순물을 제거하기 위해 이온교환 수지가 충진된 컬럼에 통액시켜 수행할 수 있다. 예를 들면, 고순도 분리 공정에서 얻어진 과당 분획을, 제2차 이온정제, 및 농축 공정을 수행하여 목적하는 과당 함량을 갖는 과당 원료를 제조할 수 있다.
본 발명의 과당 제조 공정에 포함된 농축 공정은 다양한 방법으로 농축하여 과당 함량을 85중량% 이상으로 포함하도록 한다. 예를 들면, 모사 이동층 흡착 분리 방법으로 얻어진 과당 분획(예를 들면, 고형분 농도 20 내지 30 중량%을 농축 공정을 통해 고형분 농도 45 내지 55 중량%로 농축할 수 있다. 상기 과당 제조 공정에서 농축하는 공정은 70 내지 85 ℃의 온도하에서 10 내지 15 분 동안 농축하는 것을 포함할 수 있다. 상기 농축은 연속진공농축장치(Falling Film Evaporator) 또는 박막진공농축기(Thin Film Evaporator)를 이용하여 감압 또는 진공 조건하에서 농축할 수 있다. 상기 과당 제조 공정에서 농축하는 공정은 70 내지 85 ℃의 온도하에서 10 내지 15 분 동안 농축하는 것을 포함할 수 있다.
(3) 과당액을 이용하여 알룰로스 함유 산물을 얻는 단계
본 발명에 따른 알룰로스 제조방법에 있어서, 원당에서 얻어지는 전화당 시럽에서 과당을 분리한 고순도 과당액을 알룰로스 전환반응의 기질로 사용하는 것이다.
일 구체예에서, 알룰로스 제조방법은 (1)과당-함유 원료로 알룰로스 전환 반응물을 제조하는 알룰로스 전환 공정; (2)상기 전환 반응물을 이온정제 및 모사 이동층(simulated moving bed, SMB) 크로마토그래피를 이용한 분리를 수행하여 알룰로스 분획과 과당 라피네이트를 얻는 알룰로스 분리 공정을 포함한다. 상기 알룰로스 제조방법은, (3)알룰로스 제조의 분리 공정에서 얻어지는 상기 알룰로스 분획을 이온정제, 농축 및 결정화하는 알룰로스 결정화 공정을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 알룰로스 제조 공정은 연속식과 배치식 공정을 모두 사용가능하며, 일 실시예에 따르면 연속식 공정을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 과당 분리공정에서 얻어지는 최종 산물을 알룰로스 전환 반응을 위한 반응 원료로서 알룰로스 제조 공정에 투입한다. 고순도 분리 공정을 거쳐 얻어진 과당 분획의 과당 함량은 85중량% 이상이고, 농축 공정을 거쳐 얻어지는 최종 산물의 과당 함량은 85 내지 95 중량% 또는 85 내지 99 중량% 일 수 있다. 상기 알룰로스 전환 반응에 투입되는 과당 원료는 과당 함량이 85중량%이상, 예를 들면 85중량% 내지 99중량%이고 1당류 및 2당류의 함량은 5 중량%이하, 예를 들면 1 중량% 내지 5 중량%일 수 있다. 구체적인 일 예에서, HPLC 측정시 2BX(20g/L)로 본다면 포도당(50%)기준 10g/L이며, HMF는 0.01g/L 기준으로 설정 시 0.05%중량으로 확인할 수 있다.
본 발명은, 알룰로스 전환 공정의 원료 기질로서 원당을 이용하여 과당-함유 원료를 사용함으로써 알룰로스의 생산 수율을 최대로 높이고 알룰로스의 제조원가를 낮출 수 있다. 또한, 알룰로스 제조 공정에서, 원당으로부터 직접적으로 과당-함유 원료를 제조함으로써 설탕을 이용하여 과당-함유 원료를 제조하기 위한 종래의 방법에서 별도로 설탕 제조공정 및 설탕 분해 처리 장치가 필요하지 않아 공정 설계 및 운영면에서 유리하다.
일 구체예에서, 알룰로스 제조방법은 과당-함유 원료로 알룰로스 전환 반응물을 제조하는 알룰로스 전환 공정, 및 상기 전환 반응물을 이온정제 및 모사 이동층(simulated moving bed, SMB) 크로마토그래피를 이용한 분리를 수행하여 알룰로스 분획과 라피네이트를 얻는 알룰로스 분리 공정을 포함한다. 본 발명의 알룰로스 제조 공정은 연속식과 배치식 공정을 모두 사용가능하며, 일 실시예에 따르면 연속식 공정을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
알룰로스 전환 공정은, 알룰로스 전환 반응을 수행하여 과당-함유 원료로부터 알룰로스를 전환하는 공정으로서, 공정의 산물로서 과당으로부터 전환된 알룰로스를 함유하는 반응액을 얻는다.
본 발명의 일 구체예에서, 생물학적 방법에 따라 알룰로스를 제조하는 방법으로는 알룰로스 에피머화 효소를 생산하는 균주 또는 알룰로스 에피머화 효소를 암호화하는 유전자가 도입된 재조합 균주를 배양하고, 이로부터 얻어진 알룰로스 에피머화 효소를 과당-함유 원료와 반응하여 생산할 수 있다. 상기 알룰로스 에피머화 효소는 액상 반응 또는 고정화 효소를 이용한 고상 반응으로 수행될 수 있다.
또는, 알룰로스 에피머화 효소를 생산하는 균주 또는 알룰로스 에피머화 효소를 암호화하는 유전자가 도입된 재조합 균주를 얻고, 균주의 균체, 상기 균주의 배양물, 상기 균주의 파쇄물, 및 상기 파쇄물 또는 배양물의 추출물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 알룰로스 생산용 조성물을, 과당-함유 원료와 반응하여 제조될 수 있다. 알룰로스 에피머화 효소를 생산하는 균주의 균체를 이용하여 알룰로스를 제조하는 경우 액상 반응 또는 고정화 균체를 이용한 고상 반응으로 수행될 수 있다.
본 발명의 구체적 일예에서, 알룰로스 에피머화 효소를 생산하는 균주는 높은 안정성을 가지면서도 고수율로 과당으로부터 알룰로스를 전환할 수 있거나 알룰로스 에피머화 효소를 생산할 수 있는 균주일 수 있으며. 상기 균주는 자연에서 분리한 균주 또는 이의 돌연변이 균주인 non-GMO 균주, 또는 알룰로스 에피머화 효소를 암호화하는 유전자를 숙주세포에 도입한 재조합 균주일 수 있다. 본 발명의 일예에서는, 상기 non-GMO 균주로는 알려진 다양한 균주를 사용할 수 있다. 상기 재조합 균주는 다양한 숙주세포, 예컨대 대장균, 바실러스속 균주, 살모넬라속 균주 및 코리네박테리움속 균주 등을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 GRAS 균주인 코리네박테리움속 균주일 수 있으며, 코리네박테리움 글루타리쿰일 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 알룰로스 전환 공정은 생물학적 방법으로 수행하며, 예를 들어 고상반응인 경우, 상기 알룰로스 에피머화 효소 또는 균체를 담체에 고정화하고 컬럼에 충진시키는 단계 및 상기 충진된 컬럼에 과당 용액을 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다. 효소나 균체가 고정화된 담체를 충진시킬 컬럼 및 상기 컬럼에 충진시키는 방법은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 사용된 효소나 균체, 또는 고정화 담체에 따라 적합한 것으로 용이하게 선택하여 수행할 수 있다. 본 발명의 일 구체예에서, 상기 고정화된 효소 또는 균체를 컬럼에 충진시켜 충진상 컬럼(packed-bed column)을 제조할 수 있다. 충진상 컬럼에 기질인 과당 용액을 공급하는 것에 의해 효소 반응, 즉, 과당의 알룰로스로의 전환이 수행될 수 있다.
상기 알룰로스의 전환반응에 있어서, 불순물 생성을 방지 또는 감소시키기 위해 방지 또는 감소시키는 방법의 일예는, 알룰로스 생산 공정을 pH는 4 이상 및/또는 온도는 70℃ 이하에서 수행하는 방법일 수 있다. 구체적으로 상기 반응은 pH 4.5 내지 7.5, 예컨대, pH 4.7 내지 7.0, 또는 pH 5.0 내지 6.0 또는 pH 5.0 내지 5.5의 조건 하에서 수행될 수 있다. 또한, 상기 반응은 30℃ 이상, 예컨대 40℃ 이상의 온도 조건 하에서 수행될 수 있다. 상기 과당을 알룰로스로 전환시키는 효소(예컨대, 에피머레이즈)는 금속 이온에 의하여 활성화가 조절될 수 있으므로, 상기 알룰로스 생산에 있어서, 금속 이온을 첨가하면 과당에서 알룰로스로의 전환 효율, 즉 알룰로스 생산률이 증가될 수 있다. 따라서, 상기 알룰로스 생산용 조성물은 구리 이온, 망간 이온, 칼슘 이온, 마그네슘 이온, 아연 이온, 니켈 이온, 코발트 이온, 철 이온, 알루미늄 이온 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속 이온을 추가로 포함하는 것일 수 있다.
알룰로스 및 이의 제조방법에 관한 자세한 기술내용은 한국공개특허 제2014-0021974호, 한국공개특허 제2014-0054997, 한국공개특허 제2014-0080282호, 또는 한국등록특허 제10-1318422호에 기재되어 있다.
본 발명에 따른 알룰로스 전환 공정에 투입되는 과당 원료는 생물학적 방법 또는 화학적 방법으로 제조될 수 있으며, 바람직하게는 생물학적 방법이다. 상기 과당 원료는 원당을 생물학적 또는 화학적으로 가수분해하여 포도당과 과당을 포함하는 시럽을 제조하고, 과당을 분리하여 알룰로스 전환 공정에 투입되는 과당 원료로 사용할 수 있다.
상기 알룰로스 생산 방법에 있어서, 효율적인 알룰로스 생산을 위하여, 기질로서 사용되는 과당의 농도는 전체 반응물 기준으로 85 w/v% 이상, 90 w/v% 이상, 또는 95 w/v% 이상일 수 있으며, 예를 들면 85 내지 99 w/v%, 88 내지 99 w/v%, 88 내지 99w/v%, 85 내지 87 %(w/v), 88 내지 90 %(w/v), 91 내지 93 %(w/v), 94 내지 99 %(w/v) 또는 97 내지 99 %(w/v)일 수 있다. 과당의 농도는 공정의 경제성 및 과당의 용해성을 고려하여 결정할 수 있으며, 상기 과당은 완충용액 또는 물(예컨대 증류수)에 용해된 용액 상태로 사용될 수 있다.
(4) 알룰로스 함유 산물로부터 고순도 알룰로스를 얻는 단계 (알룰로스 전환 반응물의 분리공정)
본 발명의 일 예에서 알룰로스 전환 공정에서 얻어지는 산물은 원료 기질인 과당과 생산물인 알룰로스를 포함하는 혼합물이며, 고순도 분리공정을 거치면서 목적 물질인 알룰로스의 함량이 증가된 알룰로스 분획과 잔류액을 얻으며, 잔류액에는 알룰로스 전환 반응의 기질인 과당이 다량 포함되므로 과당 라피네이트를 의미할 수 있다.
본 발명에 따른 알룰로스 제조 공정은, 상기 알룰로스 전환 반응생성물을 이온정제 및 모사이동층(SMB) 크로마토그래프 분리 공정을 포함하는 알룰로스 전환 반응생성물의 분리공정을 포함할 수 있다. 구체적인 일예에서, 상기 알룰로스 전환 반응생성물을 SMB 크로마토그래피 분리를 수행하여, 전환 반응물보다 알룰로스 함량이 높은 알룰로스 분획과 과당 라피네이트로 분리하고, 상기 알룰로스 분획은 알룰로스 농축 공정 또는 결정화 공정으로 투입되고, 과당 라피네이트는 과당 제조 공정으로 투입되어 재순환한다.
상기 알룰로스 분획 내 알룰로스의 함량은 85중량% 이상, 예를 들면 85 중량% 내지 95 %(w/w) 이상이 되도록 분리/정제하는 것을 포함할 수 있다.
상기 알룰로스 제조 공정에서 이온 정제 공정은 반응물 내 포함된 이온을 제거하는 공정으로서, SMB 크로마토그래피 분리 공정 이전 및/또는 이후에 수행할 수 있다. 상기 SMB 크로마토그래피 분리를 수행하기 전에 이온정제 공정을 수행하는 제1차 이온정제는 하기 알룰로스 분획의 제2차 이온정제와 동일 또는 상이한 방법으로 수행할 수 있으며, 예를 들면 동일 종류 또는 상이한 종류의 이온교환수지가 충진된 분리탑을 1 개 또는 2 개 이상 사용하여 수행할 수 있다. 상기 이온 정제 공정은 이온정제에 사용되는 수지의 물성 및 이온 정제 효율을 고려하여 35 내지 50 ℃ 온도, 예를 들면 38 내지 58 ℃에서 수행될 수 있다.
본 발명의 일예에서, 상기 알룰로스 전환 반응물의 제1차 이온 정제 공정을 수행하기 전에, 선택적으로 알룰로스 전환 반응물을 활성탄으로 처리하는 공정을 추가로 수행할 수도 있다. 상기 활성탄 처리는 불순물로 작용하거나, 알룰로스의 변성을 유도할 수 있는 고분자 또는 저분자 유기물, 유색이온성 물질 또는 단백질 등을 흡착시켜 제거하는 것이다. 상기 활성탄 처리 공정에 사용된 상기 활성탄은 석탄계 또는 목질계 유래일 수 있으며, 활성탄의 기공 입경 사이즈에 따라 선택적으로 불순물을 제거할 수도 있다. 상기 활성탄 공정은 알룰로스 용액에 활성탄을 접촉시켜 온도 40 내지 50℃에서 0.5 내지 5시간 동안 반응한 후에, 상기 활성탄을 포함한 반응액을 고액분리 공정을 수행하여 여액을 수득하고, 불순물은 여과 잔류물로 제거될 수 있다. 상기 여과는 필터프레스와 같은 여과 장비를 이용하여 수행할 수 있다.
본 발명의 일 예에서, SMB 크로마토그래피를 이용한 고순도 분리 공정은 분리과정에서 상 변화가 없어 물질의 안정성 확보에 용이한 분리방법이다. 이러한 흡착 분리방법 중에서 액상 흡착 분리방법으로는 크로마토그래피 분리방법이 많이 사용되고 있다. 이중, 모사 이동층 흡착 분리 방법(simulated moving bed, SMB)은 1961년 미국특허 제2,985,589호 에서 제안된 분리 기술로, 다수의 컬럼을 이용하여 연속적으로 분리함으로써 기존의 회분식 크로마토그라피에 비해 순도 및 생산성이 우수하고, 적은 용매의 사용이 가능하다는 장점을 지닌다. 상기 모사 이동층(SMB) 흡착 분리 공정은 분리대상 혼합물의 주입과 라피네이트 및 추출물의 생산이 연속적으로 이루어지는 공정이다.
SMB의 기본 원리는 칼럼 사이의 위치를 일정 시간 간격으로 움직임으로써 고정상과 이동상의 향류의 흐름을 모사하고 연속적인 분리를 가능하게 하는 것이다. 흡착제와 친화력이 약해서 빨리 움직이는 물질은 액상의 흐름 방향으로 움직여서 extract로 모이고 흡착제와 친화력이 강해서 느리게 움직이는 물질은 고정상의 흐름 방향으로 움직여서 라피네이트(raffinate)로 모인다. 칼럼은 연속적으로 연결되어 있으며 입구는 혼합물과 이동상, 출구는 목적 추출물(extract)과 라피네이트로 구성된다.
상기 SMB에서 분리수지로서 단당 분리 공정에도 널리 사용되고 있는 염이 첨가된 강산의 양이온 교환수지를 사용하므로 분리공정을 수행 후 얻어지는 산물에는 금속이온이 포함된다. 상기 강산의 양이온 교환수지의 예는 칼슘 활성기가 부착된 양이온교환수지일 수 있다.
도 1은 일반적인 모사 이동층(SMB) 흡착 분리 장치의 공정도를 나타낸다. 일반적인 모사 이동층(SMB) 흡착 분리 장치는 하나 또는 그 이상의 컬럼으로 구성된 4개의 구간과 각 구간 사이에 위치한 탈착제(desorbent) 유입 포트, 강 흡착질인 추출물(extract) 배출 포트, 분리대상 혼합물(feed) 유입 포트 및 약 흡착질인 라피네이트(raffinate) 배출 포트로 구성된다. 유사 이동층(SMB) 흡착 분리 장치를 사용한 혼합물의 분리방법은 방향족 탄화수소의 혼합물의 분리, 에틸벤젠의 분리 공정, 키랄 화합물의 분리 공정 등에 적용될 수 있으며, 의약품 제조 과정 중 최종 산물 혹은 중간 물질인 라세미 혼합 의약품의 분리 공정 등에 적용될 수 있다.
상기 고순도 분리 공정은 45 내지 70 ℃온도, 예를 들면 50 내지 65 ℃에서 수행될 수 있다.
(5) 알룰로스 농축 또는 결정화 공정
본 발명의 알룰로스 제조 공정에서 SMB 크로마토그래피를 이용한 고순도 분리공정에서 얻어진 알룰로스 분획은 알룰로스 농축 공정을 거쳐 액상 시럽으로 제품화하거나, 알룰로스 결정화 공정을 거쳐 알룰로스 결정으로 제품화할 수 있다.
상기 단계 (4)에서 SMB 크로마토그래프 분리 공정에서 얻어진 알룰로스 분획을 이온정제하고 농축하여 얻어진 농축물을 제조하는 단계이다. 상기 농축물은 알룰로스 시럽제품으로 사용되거나, 결정화 공정에 투입되어 알룰로스 결정으로 제조될 수 있다.
본 발명의 일예에서, 상기 SMB 크로마토그래피를 이용한 고순도 분리공정에서 얻어진 알룰로스 분획을 제2차 이온정제 공정을 수행할 수 있으며, 상기 분리 공정에서 수행한 제1차 이온정제와 동일 또는 상이한 방법으로 수행할 수 있다.
알룰로스 결정을 수득하기 위한 알룰로스 용액 중 알룰로스의 함량은 과포화 상태로 높은 농도로 포함되어야 하나, 알룰로스 전환 반응물의 알룰로스의 함량은 낮기 때문에 직접 결정화를 수행할 수 없으며 결정화 단계 전에 알룰로스를 함량을 증가시키기 위해 정제하고 원하는 수준까지 농축하는 공정을 수행해야 한다.
본 발명의 일 구체예에서, 상기 정제된 알룰로스 용액을 농축시키는 단계는 40 내지 75 ℃ 또는 55 내지 75 ℃ 온도에서 수행될 수 있다. 농축액의 온도가 75 ℃보다 높아지면 D-알룰로스의 열변성이 일어날 수 있으며, 40 ℃보다 낮아지면 원하는 수준의 농축을 달성하기 어렵다. 농축이 진행되면서 증발열에 의해 반응물의 온도가 급격히 증가되므로, 농축액의 온도를 75 ℃이하로 유지하면서 신속하게 농축해야 한다.
본 발명의 일 구체예에서, 알룰로스의 열변성 및 원하는 수준의 농축을 달성하기 위하여, 55 내지 75℃온도, 바람직하게는 60 내지 70 ℃범위에서 농축할 수 있다. 상기 농축 공정은 원하는 농축 수준을 달성할 때까지 1회 또는 2회 이상 반복 수행할 수 있다.
구체적으로, 상기 SMB 크로마토그래피 분리공정에서 얻어진 알룰로스 분획의 농축 공정은 다양한 방법으로 수행할 수 있으며, 농축물의 고형분 함량이 70브릭스 이상이 되도록 할 수 있다. 예를 들면, 모사 이동층 흡착 분리 방법으로 얻어진 알룰로스 분획(예를 들면, 고형분 함량 20 내지 30중량%)을 농축 공정을 통해 고형분 함량 70 브릭스 이상으로 농축할 수 있다. 상기 알룰로스 농축물의 고형분 함량은 70브릭스 이상, 예를 들면 70 브릭스 내지 85브릭스일 수 있다. 불순물 생성 방지 또는 감소시키기 위해, 상기 농축 공정은, SMB 크로마토그래피 분리 공정에서 얻어진 알룰로스 분획을 40 내지 70℃ 이하의 온도 조건에서 수행할 수 있으며, 선택적으로 상기 농축 공정을 적어도 2단계 이상으로 나누어 수행할 수 있다. 예를 들어, 상기 농축 공정을 2단계로 나누어 수행하는 경우에는 알룰로스 시럽을 30 내지 50Bx 농도가 되도록 1차로 농축을 수행하고, 1차 농축액을 다시 60 내지 85Bx 농도로 2차로 농축을 수행할 수 있다.
상기 알룰로스 제조 공정에서 농축하는 공정은 55 내지 75 ℃온도 범위에서 10 내지 15 분 동안 농축하는 것을 포함할 수 있다. 상기 농축은 연속진공농축장치(Falling Film Evaporator) 또는 박막진공농축기(Thin Film Evaporator)를 이용하여 감압 또는 진공 조건하에서 농축할 수 있다.
상기 알룰로스 농축물에 포함된 알룰로스 함량은 상기 SMB 크로마토그래피 분리 공정에서 얻어진 알룰로스 분획의 알룰로스 함량과 변동이 거의 없으며, 고형분 함량이 증가하여 이후 결정화 공정을 수행할 수 있도록 한다. 상기 알룰로스 농축물에 포함된 알룰로스 함량은 고형분 총함량 100중량%를 기준으로 94 중량%이상, 95 중량%이상, 96 중량%이상, 97 중량%이상, 98 중량%이상 또는 99중량%이상일 수 있다.
상기 알룰로스 결정화 공정은, 상기 고순도 분리 공정에서 얻어진 알룰로스 분획을 제2차 이온정제하는 단계, 상기 이온 정제된 알룰로스 분획을 농축하는 단계, 상기 농축물로부터 알룰로스를 결정화하여 알룰로스 결정과 알룰로스 결정화 모액을 얻는 단계를 포함한다. 상기 알룰로스 분리공정의 구체적인 예는, 제1차 이온정제, 고순도 크로마토그래피 분리, 제2차 이온정제, 농축 및 결정화 공정을 포함할 수 있으며, 선택적으로 알룰로스 전환 반응물을 탈염공정, 탈색공정 또는 탈색과 탈염 공정을 수행할 수 있다.
상기 알룰로스 분획 내 알룰로스의 함량은 85중량% 이상, 90중량% 이상, 91중량% 이상, 92중량% 이상, 93중량% 이상, 94중량% 이상 또는 95중량% 이상, 예를 들면 85 중량% 내지 99.9 %(w/w) 이상이 되도록 분리/정제하는 것을 포함할 수 있다.
상기 알룰로스 결정에 포함된 알룰로스는 순도 90중량%이상, 95 중량%이상, 또는 99중량%이상이며, 상기 결정화 모액 내 알룰로스 함량은 85중량%이상, 90중량%이상, 93 중량%이상, 또는 95 중량%이상, 예를 들면 85 중량% 내지 95 중량%일 수 있다.
본 발명의 방법에 의하여 수득된 알룰로스는 통상적인 방법에 의해 정제및/또는 결정화될 수 있으며, 이러한 정제 및 결정화는 당업자에게 통상적인 기술에 속한다. 예를 들어 원심분리, 여과, 결정화, 이온교환 크로마토그래피 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 방법에 의하여 이루어질 수 있다.
일 예에서, 상기 SMB 크로마토그래피를 이용한 고순도 분리공정에서 얻어진 알룰로스 분획을 제2차 이온 정제할 수 있으며, 상기 알룰로스의 분리 공정에서 사용한 제1차 이온정제와 동일 또는 상이한 방법으로 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 D-알룰로스 결정을 제조하는 방법은 정제된 D-알룰로스 용액를 농축시키는 단계를 포함할 수 있다. 알룰로스 결정을 수득하기 위한 알룰로스 용액 중 알룰로스의 함량은 70 중량% 이상이어야 한다. 알룰로스 에피머화 효소에 의해 제조된 알룰로스 용액 중 알룰로스의 순도는 20 내지 30 중량% 정도로 낮기 때문에 직접 결정화를 수행할 수 없으며 결정화 단계 전에 알룰로스를 정제하고 원하는 수준까지 농축해야 한다. 본 발명의 일 구체예에서, 알룰로스의 열변성 및 원하는 수준의 농축을 달성하기 위하여, 55 내지 75 ℃온도 범위에서 농축할 수 있다. 상기 농축 공정은 원하는 농축 수준을 달성할 때까지 1회 또는 2회 이상 반복 수행할 수 있다.
상기 냉각시켜 결정화하는 단계는, 열 교환기를 통하여 10 내지 25 ℃온도 범위로 급속히 냉각시킨 후, 승온과 냉각을 반복적으로 수행하여 결정성장을 유도시키는 것을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 D-알룰로스 결정을 제조하는 방법은 상기 결정화 단계에서 수득된 알룰로스 결정을 원심분리에 의해 회수하고, 탈이온수로 세척한 후, 건조시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 일예는, 생물학적 촉매를 이용하여 과당 원료로부터 알룰로스 전환반응을 수행하는 알룰로스 전환 반응기, 활성기가 부착된 양이온교환수지가 충진된 칼럼을 포함하고, 원료 투입구, 및 알룰로스 분획과 과당 라피네이트를 배출하는 배출구를 구비한 모사 이동층(simulated moving bed, SMB) 크로마토그래피 분리기를 포함하는 알룰로스 제조 장치에 관한 것이다.
상기 과당 분리 장치는 전화 반응물을 이온정제하는 이온교환수지가 충진된 칼럼을 구비한 이온정제기, 활성기가 부착된 양이온교환수지가 충진된 칼럼을 포함하고, 이온정제기를 통과한 반응물을 투입하는 투입구, 과당 분획과 라피네이트를 배출하는 배출구를 구비한 모사 이동층(simulated moving bed, smb) 크로마토그래피 분리기, 상기 분리기에서 배출된 과당 분획을 농축하는 농축기, 및 상기 농축기에서 배출된 과당-함유 원료를 알룰로스 제조 장치에 제공하기 위한 고순도 과당액 제조 장치와 알룰로스 제조 장치를 연결하는 연결부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 알룰로스를 제조하는 방법는, 종래에 설탕을 사용하여 알룰로스를 제조하거나 전분을 이용한 이성화 과당을 이용할 경우에 비해, 설탕 제조공정 및 포도당 제조과정을 생략할 수 있어 공정을 단순화하고, 저가의 원료를 활용할 수 있어 생산비용을 감소할 수 있으며, 종래 전분을 이용한 이성화당에 포함된 DP3이상의 올리고당류 및 기타 불순물의 함량을 감소시켜 알룰로스 시럽 또는 분말에 포함된 불순물 함량을 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 예에 따라 원당 유래 과당을 이용하여 제조된 알룰로스 전환 반응생성물의 HPLC 분석 결과이다.
도 2는 비교예 1에 따라 전분 유래 과당을 이용하여 제조된 알룰로스 전환 반응생성물의 HPLC 분석 결과이다.
도 3 내지 도 9는 원당을 이용한 설탕 제조 공정에서 얻어지는 시료의 HPLC 분석 결과로서, 각 시료는 원당 용액 및 설탕 제조용 결정화 모액이다.
도 10은 전분 유래 알룰로스와 원당 유래 알룰로스 용액에 대해 HPLC를 이용한 HMF 함량 분석을 위한 표준 곡선을 나타낸다.
도 2는 비교예 1에 따라 전분 유래 과당을 이용하여 제조된 알룰로스 전환 반응생성물의 HPLC 분석 결과이다.
도 3 내지 도 9는 원당을 이용한 설탕 제조 공정에서 얻어지는 시료의 HPLC 분석 결과로서, 각 시료는 원당 용액 및 설탕 제조용 결정화 모액이다.
도 10은 전분 유래 알룰로스와 원당 유래 알룰로스 용액에 대해 HPLC를 이용한 HMF 함량 분석을 위한 표준 곡선을 나타낸다.
이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 설탕 제조용 원료를 이용한 알룰로스 제조
원당 220kg와 증류수 180kg와 혼합하고 1N HCl으로 pH 4.12로 조정하여 고형분 함량 55bx를 갖는 반응액을 제조하고, 상기 반응액을 이용하여 온도 조건에서 0.1 중량%의 전화효소(Invertase)(Sumizyme INV-L, 옥전바이오켐)를 처리하였다. 상기 처리액을 24시간 반응하여 포도당 50.0 중량% 및 과당 48.6 중량%를 포함하는 반응 산물액을 얻었다. 상기 원당은 사탕수수에서 제조된 것으로서, 설탕함량 98.5%인 것이다.
상기 반응 산물액을 온도 80 ℃에서 활성탄 1.0 중량%을 처리하여 30분 동안 탈색하고, 활성탄을 여과하여 탈색처리를 수행하였다. 상기 탈색처리된 반응 산물액을 양이온 교환수지(SCRB), 음이온 교환수지(AMP24) 및 양이온과 음이온교환수지가 혼합된 수지(MB)에 시간당 이온교환수지 2배 부피의 속도로 통액시켜 유색 및 이온 성분 등의 불순물을 제거하였다. 상기 불순물을 제거한 산물을, 칼슘(Ca2+) 타입의 이온교환수지로 충진된 크로마토그래피를 이용하여 과당 분획을 위한 고순도 분리 공정(SMB)을 진행하여, 고형분 함량 중 과당 함량을 85 중량%의 과당 분획을 얻었다. 상기 과당 분획을 농축하여, 50 중량%의 고형분 함량 및 98.1 중량%의 과당 함량을 갖는 과당액을 얻었다.
상기 제조된 과당 원료를 이용하여, 알룰로스를 제조하였다. 구체적으로, 상기 제조된 50 중량%의 고형분 함량 및 98.1 중량%의 과당 함량을 갖는 과당액을 이용하여 유량 3.8 m3/hr로 알룰로스 전환 공정과 분리 공정을 수행하였다. 알룰로스 전환 공정을 거쳐 수득한 반응물의 알룰로스 함량은 20 내지 23 중량%이며, 이온정제 후 45 내지 50 중량%의 농도로 분리 공정을 통과하였다. Ca+ type 분리 (SMB) 수지를 이용하여 분리 시 발생되는 라피네이트는 시간당 3 m3씩 발생하였다.
상기 알룰로스 전환 공정은 알룰로스 효소가 고정된 탑에 과당액을 통액시켜, 21.8 중량% 알룰로스 함량의 저순도 알룰로스를 얻었으며, 구체적으로 한국등록특허 제10-1318422호에 기재된 제조방법에 따라 생물학적 방법으로 과당 기질로부터 알룰로스 시럽을 제조하였다.
이후 저순도 알룰로스를 음이온 교환수지 및 양이온과 음이온교환수지가 혼합된 수지에 통액시키켜 이온 수지를 통액한 저순도 알룰로스를 얻었다. 상기 수지를 통액한 저순도 알룰로스에 대해, 칼슘(Ca2+) 타입의 이온교환수지로 충진된 크로마토그래피를 이용하여 고순도의 알룰로스 분획을 분리하여, 알룰로스 함량 95 중량%이상의 고순도 알룰로스를 제조하였다. 상기 고순도 알룰로스를 음이온 교환수지 및 양이온과 음이온교환수지가 혼합된 수지에 통액시켜 이온정제된 고순도 알룰로스를 얻었다. 상기 얻어진 이온정제된 고순도 알룰로스를 농축하여, 고형분 함량 72 브릭스(Brix)을 가지며, 순도 98.5 중량%의 고순도 알룰로스 농축액을 제조하였다.
비교예 1: 전분 유래 알룰로스 제조 및 5-HMF 함량 분석
본 비교예에서 알룰로스 시럽의 제조방법은 실질적으로 실시예 1의 알룰로스 전환 공정 및 분리 공정을 수행하였으나 다만, 알룰로스 전환 반응의 기질로서, 과당 함량 90 중량%로 포함하는 전분 유래 과당 원료로부터, 50 mM PIPES 완충용액 pH7.5 및 60℃ 조건 하에서 반응시켜, 고형분 함량 72브릭스(Brix)을 갖는 알룰로스 순도 97.5 중량%의 알룰로스 농축액을 수득하였다.
상기 전분 유래 과당은 옥수수 전분을 30 내지 35 중량%가 되도록 물과 혼합한 후, 효소 가수분해를 진행하여 포도당 함량 88 중량% 이상의 당화액을 수득하였다. 그 다음, 상기 당화액을 진공드럼여과를 수행하여 불용성 물질들을 제거하여 과당 이성화 반응물(과당 함량 42 중량 % 시럽)을 얻었다. 상기 과당 이성화 공정을 통과한 반응생성물(과당 함량 42 중량 % 시럽)을 강산성 수지, 약염기성 수지, 및 강산성 수지와 약염기성 혼합수지로 구성된 제1차 이온정제 공정으로 통액하여 이온정제를 거쳐 고형분 50 중량%로 농축 후 SMB 크로마토그래피 공정을 통과시켰다. SMB 공정을 수행하여 과당 분획을 얻고, 상기 과당 분획을 제2차 이온정제 및 농축 공정을 수행하여 고형분 함량 50 브릭스(Brix) 및 과당 함량 90 중량%의 과당-함유 원료 용액을 얻었다.
상기 과당-함유 용액을 이용하여, 실시예 1의 알룰로스 생산 공정과 실질적으로 동일한 방법으로 알룰로스 전환 반응물 제조, 이온정제, Ca+ type 분리 (SMB) 수지를 이용한 분리공정, 이온 정제, 및 농축 공정을 수행하여 알룰로스를 제조하였다. 상기 최종 얻어진 알룰로스 용액은 고형분 함량 72 브릭스(Brix) 및 알룰로스 순도 최대 99 중량% (공정상에서는 95~99%)의 고순도 알룰로스 농축액을 제조하였다.
시험예 1: 설탕 제조용 원료 유래 알룰로스의 5-HMF 함량 분석
(1)분석 시료 제조
실시예 1에서 제조한 알룰로스 제조용 원료 기질인 고순도 과당액(시료 1), 및 농축 공정을 진행한 고순도 알룰로스(시료 2)을 포함하는 2 가지 샘플을 준비하고, 정제수를 첨가하여 5 브릭스(Brix)로 희석하여 5-HMF 분석을 위한 분석시료를 제조하였다.
(2) 분광광도계를 이용한 분석
분광광도계를 이용한 5-HMF 함량의 측정방법으로서, 상기 분석 시료를 1ml quartz cuvet에 담아 280nm의 흡광도와 250nm의 흡광도에서 Spectrophotometer로 측정하고 수학식1로 계산하여 시료 내 5-HMF 함량을 얻었다. 상기 분광광도계를 이용한 5-HMF 함량의 측정 결과 및 HPLC 분석을 이용한 5-HMF 함량의 측정 결과를 표 1에 나타낸다. 하기 수학식 1에서 A(280nm) 및 A(250nm)는 280nm 또는 250 nm에서 각각 측정된 흡광도 수치이다. 상기 분광광도계를 이용한 5-HMF 함량의 측정 결과를 하기 표 1에 나타낸다.
하기 표 1의 분광광도계를 이용한 5-HMF 함량의 측정결과에 따르면, 알룰로스 전환 반응의 기질인 과당이 원당에서 제조된 실시예 1의 시료 1은 HMP 함량이 0.53(mg/L)이었다. 하기 표 2의 비교예 1에 따른 전분 유래 과당 (대조시료 1)은 분광광도계 분석 결과 HMP의 함량이 2.29(mg/L)인 것을 고려하면, 실시예 1의 원당 유래 과당 기질의 HMF 함량이 매우 낮음을 확인하였다.
실시예 1에 따른 시료 1 및 시료 2는, 비교예 1에 따른 대조시료 1 및 2와 현저한 HMF의 함량 차이를 볼 수 있었다. 따라서, 본 실시예에 따라 설탕 제조용 원료에서 유래된 과당-함유 원료와 이를 활용하여 제조된 알룰로스 시럽은, 전분 유래 과당-함유 원료와 이를 활용하여 제조된 알룰로스 시럽과 비교하여, 과당-함유 원료에서 5-HMF 함량 차이가 있을 뿐만 아니라, 제조 및 분리된 알룰로스 시럽에서도 HMF 함함량의 차이가 나며, 비교예에 비해서 현저히 낮은 상태를 유지하는 것으로 확인할 수 있었다.
(3) HPLC 분석
HPLC 분석을 이용한 5-HMF 함량의 분석 방법으로서, 구체적으로 상기 제조된 분석시료를 HPLC-UV 분석 조건은 C18(Shiseido, Capcell pak 4.6mm Φ x 250mm) 컬럼을 사용하여 30 ℃에서, 이동상으로 물 90%(v/v), 메탄올 10%(v/v) 를 0.6 ml/min 유속으로 흘려 주면서 수행하였으며, UV Detector를 사용하여 분석하였다. 상기 HPLC 분석을 이용한 시료 분석 결과는 HPLC 결과 그래프에서 각 피크의 면적을 하기 표 1에 나타내며, HPLC분석에 의한 C18 화합물(5-HMF)의 피크 면적을 이용하여 각 시료에 포함된 C18 화합물(HMF)의 상대적인 함량을 확인할 수 있다.
| 시료 | A280nm | A250nm | 분광광도계 분석 HMF(mg/L) | HPLC분석에 의한C18 면적 |
| 시료1 | 0.151 | 0.101 | 0.53 | * |
| 시료2 | 0.452 | 0.336 | 1.24 | 83.6 |
원당을 이용한 알룰로스 제조공정에서 얻어진 시료 내 5-HMF의 함량이 전분비교유래 과당을 이용한 알룰로스 제조공정에서 얻어진 시료와 비교해 더욱 낮음을 확인하였으며, 이에 실시예 1에 따른 생산물이 알룰로스 순도가 더 높은 것으로 확인되었다. 상기 표 1의 HPLC분석에 의한 C18 면적을 고려할 때, 시험예2 에서 진행한 HMF함량과의 차이가 현저히 많이 나는 것으로 확인하였다. 동일 고형분의 샘플에 대해 측정하였을 때 HMF의 피크가 높게 나오며, 면적을 바탕으로 비교해 보았을 때 전분유래 알룰로스가 HMF의 양이 조금 더 증가하는 것으로 확인되었다. 특히 마지막 농축공정을 끝내고 난 시료2와 대조시료2를 확인해보면, 면적값이 차이가 큰 것으로 확인되었다.
따라서, 원당 유래 알룰로스 제조시, 종래 전분유래로 알룰로스에 비해서 순도가 높고 부산물이 적은 고순도 알룰로스를 제조할 수 있다.
시험예 2: 전분 유래 알룰로스의 부산물 함량 분석
(1) 분석 시료 제조
비교예 1에서 제조한 알룰로스를 공정별로, 시험예 1의 시료와 같이 2종 시료를 얻고, 정제수를 첨가하여 5 브릭스(Brix)로 희석하여 분석시료를 제조하였다.
구체적으로, 상기 알룰로스의 제조공정 중에서, 원료 기질인 전분 유리 고순도 과당액(대조시료1) 및 농축 공정을 진행한 고순도 알룰로스(대조시료 2)을 포함하는 2 가지 샘플군을 채취하고, 5-HMF 분석을 위해 5 브릭스(Brix)로 희석하여 분석시료를 제조하였다.
(2) 분광광도계를 이용한 분석
시험예 1에 따른 분광광도계를 이용한 5-HMF 함량의 측정방법과 실질적으로 동일한 방법으로 분석시료를 분석하였다. 상기 분광광도계를 이용한 5-HMF 함량의 측정 결과를 하기 표 2에 나타낸다.
원당 유래 과당-함유 원료와 전분 유래 과당-함유 원료는 HMF 함량에서의 큰 차이가 있음을 확인하였다. 원당유래 알룰로스와 대비하여 전분유래 알룰로스를 제조하게 되면 제조 공정이 많아지게 되어, HMF의 양이 원당유래 알룰로스에 비해서 많아지게 된다. 이러한 예로 대조시료 2와 시료 2를 비교하면, 최종 HMF의 양 차이를 확인할 수 있으며, 최종 알룰로스의 순도에서도 원당유래가 높은 것을 알 수 있다.
따라서, 원당유래 알룰로스 제조시 기존에 전분유래로 만든 알룰로스에 비해서 순도가 높고 부산물이 적은 고순도 알룰로스를 제조할 수 있음을 확인하였다.
(3) HPLC 분석
시험예 1에 따른 HPLC 분석을 이용한 5-HMF 함량의 분석방법과 실질적으로 동일한 방법으로 분석시료를 분석하였다. 상기 HPLC 분석을 이용한 시료 분석 결과는 HPLC 결과 그래프에서 각 피크의 면적을 하기 표 2에 나타낸다.
| 시료 | A280nm | A250nm | 분광광도계 분석 HMF(mg/L) | HPLC분석에 의한C18 면적 |
| 대조시료1 | 2.359 | 2.146 | 2.29 | * |
| 대조시료2 | 0.767 | 0.227 | 5.83 | 136.8 |
HPLC를 활용하여 UV Detector로 HMF를 측정할 수 있으며, 원당유래 알룰로스와 전분유래 알룰로스의 HMF의 상대적인 차이를 비교하기 위해 동일 농도를 설정하여 HPLC를 측정하였고, 그 결과 시료 6과 대조시료 6을 확인하면, 면적의 차이를 확인 할 수 있으며, HMF의 양은 면적에 비례하는데, 원당 유래 알룰로스의 HMF의 양이 적은 것을 확인할 수 있었다.
시험예 3: 제조 단계 별 알룰로스 산물의 부산물 함량 분석
실시예 1에서 제조한 알룰로스 제조용 원료 기질인 과당액을 얻었으며, 상기과당액은 고형분 함량 50 브릭스 및 98.1 중량%의 과당 함량을 갖는 과당액을 시료 6-1로 분석에 사용하였다. 상기 과당액을 이용한 알룰로스 전환 공정으로 얻어진 알룰로스 전환 공정 산물을 시료 6-2로 사용하고, 상기 알룰로스 전환 공정 산물을 이온정제한 정제 산물을 시료 6-3으로 사용하고, 상기 이온정제된 정제 산물을 Ca+ type 분리 (SMB) 수지를 이용하여 분리하여 얻어진 알룰로스 분획을 시료 6-4로 사용하고, 상기 알룰로스 분획을 정제한 정제물을 시료 6-5로 사용하고, 상기 정제물을 농축하여 얻어진 고형분 함량 72 브릭스(Brix)의 순도 98.5 중량%의 고순도 알룰로스 농축액을 시료 6-6으로 사용하였다.
비교예 1에 따라 알룰로스 제조용 원료 기질인 전분 유래 과당액을 얻었으며, 상기 과당액은 고형분 함량 50 브릭스 및 90 중량%의 과당 함량을 갖는 과당액을 대조시료 6-1로 분석에 사용하였다. 상기 과당액을 이용한 알룰로스 전환 공정으로 얻어진 알룰로스 전환 공정 산물을 대조시료 6-2로 사용하고, 상기 알룰로스 전환 공정 산물을 이온정제한 정제 산물을 대조시료 6-3으로 사용하고, 상기 이온정제된 정제 산물을 Ca+ type 분리 (SMB) 수지를 이용하여 분리하여 얻어진 알룰로스 분획을 대조시료 6-4로 사용하고, 상기 알룰로스 분획을 정제한 정제물을 대조시료 6-5로 사용하고, 상기 정제물을 농축하여 얻어진 고형분 함량 72 브릭스(Brix)의 순도 95 중량%의 고순도 알룰로스 농축액을 대조시료 6-6으로 사용하였다.
상기 제조된 시료 6-1 내지 6-6 및 대조시료 6-1 내지 6-6에 정제수를 첨가하여 5 브릭스(Brix)로 희석하여 5-HMF 분석을 위한 분석시료를 제조하였다. 상기 5-HMF 분석 방법은 시험예 1의 시료 내 5-HMF 함량분석 방법과 실질적으로 동일한 방법으로 HPLC 분석을 수행하였으며, 분석결과를 하기 표 3에 나타낸다. 하기 표 3에서 변화량(퍼센트)는 원료 시료 6-1 또는 대조시료 6-1에 포함된 HMF함량을 기준으로 각 시료에 포함된 HMF의 상대적인 함량을 퍼센트로 표시한 것이다. 상기 HPLC 분석에 사용된 표준 곡선은 도 10에 나타낸다.
| 시료 | ppm | 원료기준 변화량(%) |
| 시료 6-1 | 4.36 | 100% |
| 시료 6-2 | 137.97 | 3085% |
| 시료 6-3 | 4.25 | 18% |
| 시료 6-4 | 17.03 | 311% |
| 시료 6-5 | 7.96 | 103% |
| 시료 6-6 | 8.37 | 113% |
| 대조시료 6-1 | 16.4 | 100% |
| 대조시료 6-2 | 110.9 | 576% |
| 대조시료 6-3 | 42.1 | 157% |
| 대조시료 6-4 | 82.1 | 401% |
| 대조시료 6-5 | 63.7 | 288% |
| 대조시료 6-6 | 46.0 | 180% |
상기 표 3는 원당을 이용한 알룰로스 제조공정에서 얻어진 시료 내 5-HMF의 함량과 전분을 이용한 알룰로스 제조공정에서 얻어진 시료 내 5-HMF의 함량을, 각각 제조 공정별로 채취한 시료에 대해 수행하였다. 상기 표 3의 결과에 따르면, HMF의 함량은 원료에서 기인한다기 보다는 제품 제조시 공정을 따르면서 최종 제품의 부산물의 함량이 증가한다는 것을 파악할 수 있다. 일례로 표 3을 확인하면, 원료의 고과당의 HMF 함량에 비해, 제품의 HMF의 함량의 차이를 확인할 수 있으며, 따라서 원당유래 알룰로스로 제조시 부산물의 함량을 줄일 수 있다는 것을 확인 할 수 있었다.
시험예 4: 알룰로스 산물의 보관 안정성 분석
실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 고순도 알룰로스를 시료로 사용하였으며, 구체적으로 상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 최종 알룰로스 용액을 고형분 함량 70 브릭스(Brix) 및 pH 4, 5, 6, 및 7 로 맞추어 분석 시료를 제조하고 10ml씩 취하여 분석에 사용하였다.
상기 분석 시료를 pH 4, 5, 6, 및 7 조건에서 이후 70 ℃에서 24시간 보관하여 가혹테스트를 진행하였고, 알룰로스 함량 및 부산물의 함량을 측정하기 위해서 HPLC 분석기기를 사용하였다. HPLC 분석 조건은, C18 (Shiseido, Capcell pak 4.6mm Φ x 250mm) 컬럼을 사용하여 30 ℃에서, 이동상으로 물 90%(v/v), 메탄올 10%(v/v) 를 0.6 ml/min 유속으로 흘려 주면서 수행하였으며, UV Detector를 사용하여 분석하였다. 실시예 1의 시료에 대한 HPLC 분석 결과를 도 1에 나타내고, 비교예 1의 대조시료에 대한 HPLC 분석 결과를 도 2에 나타낸다.
도 1의 HPLC 분석 결과 그래프에 나타낸 바와 같이, 비교예 1의 전분유래 알룰로스에 비해서, 실시예 1에 따른 알룰로스 시료는 보관 조건에서 감소폭이 적었으며, 부산물(5-HMF)의 함량의 증가폭도 비교예 1의 전분유래 알룰로스에 비해 적은 것으로 확인되었다.
도 2의 HPLC 분석 결과 그래프에 나타낸 바와 같이, 비교예 1의 전분유래 알룰로스는 70 ℃에서 24시간 보관 조건에서 알룰로스 함량의 감소폭과 부산물(5-HMF)의 함량의 증가폭이 실시예 1의 원당유래 알룰로스에 비해 크게 높게 나타남을 확인하였다.
따라서, 전분유래 알룰로스에 비해서 원당유래 알룰로스의 보관 안정성이 높다는 것을 확인할 수 있었다.
시험예 5: 알룰로스 산물의 pH 안정성 분석
실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 고순도 알룰로스를 시료로 사용하였으며, 구체적으로 상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 최종 알룰로스 용액을 1N HCl 및 1N NaOH를 이용하여 pH 4, 5, 6, 및 7로 조정한 후 70 브릭스(Brix)로 고형분 함량을 조절하고, 각각 pH를 pH 4, 5, 6, 및 7로 맞추어 분석시료를 제조하고, 분석 시료 10 ml씩 취하여 분석실험에 사용하였다.
이후에, 상기 분석 시료를 70 ℃에서 24시간 보관하여 가혹테스트를 진행하였고 이후 알룰로스 함량 및 부산물의 함량을, 시험예 1의 HPLC 분석방법과 실질적으로 동일한 방법으로 분석하였다. 실시예 1의 시료 및 비교예 1의 시료에 대한 HPLC 분석 결과를 표 4에 나타낸다. 상기 분석 시료 제조 직후의 알룰로스 함량을 대조구로 사용 하였다.
| 시료 | PH 조건 | 대조구 | 24시간경과후 | 감소량(중량%) |
| 실시예 1 | 4 | 98.1 | 92.6 | 5.5 |
| 실시예 1 | 5 | 98.3 | 95.5 | 2.8 |
| 실시예 1 | 6 | 98.2 | 96.0 | 2.2 |
| 실시예 1 | 7 | 98.2 | 96.2 | 2.0 |
| 비교예 1 | 4 | 96.7 | 89.9 | 6.8 |
| 비교예 1 | 5 | 97.0 | 92.7 | 4.3 |
| 비교예 1 | 6 | 96.9 | 92.8 | 4.0 |
| 비교예 1 | 7 | 96.9 | 93.3 | 3.6 |
실시예 1과 비교예 1에서 얻어진 알룰로스 시럽에 대한 pH 조건에 따른 가혹조건 보관 실험 결과를 비교하면, 실시예 1에 따른 원당유래 알룰로스의 감소량이 비교예 1의 전분유래 알룰로스에 비해 적어, pH 조건에 따른 보관 안정성 면에서 원당유래 알룰로스가 더욱 바람직한 것으로 확인되었다.
시험예 6: 설탕 정제 공정 별 부산물 분석
기존 설탕을 제조하는 공정에서 결정화 공정 진행 시 모액을 다시 재정제하는 공정으로 설탕을 제조하고 있으며, 상기 모액을 수득하여 HPLC방법으로 시험예 2의 분석조건과 동일한 조건으로 공정별 부산물을 분석하였다. 구체적으로, 분석 시료는 원당, 모액 1, 모액 2, 모액 3, 모액 4 이었다.
원당은 기존 공정에 들어가기 전에 채취하여 분석한 것이며, 이 원당을 녹여서 결정화 단계를 거치면 설탕이 나오고 설탕이 나오고 남은 액을 모액 1이며, 모액1을 다시 결정화시키면 처음 단계의 결정화 보다는 품질이 낮은 설탕이 만들어 지고 남은 액을 모액 2라고 한다. 이와 같이 2회 더 설탕을 결정화하고 순차적으로 얻어진 모액 3과 모액 4를 얻었다. 설탕을 결정화하는 공정에서 결정화 후 남은 액을 모액이라고 칭하며, 결정화 공정이 진행될수록 모액의 불순물 농도는 더욱 진해진다. 따라서 기존 원당을 용해하여 설탕 결정화를 진행하면 제품으로 수득되는 설탕을 제외하고 남은 모액에서 불순물이 짙어지게 된다.
상기 설탕 제조공정에서 얻어진 시료를 분석한 결과, 많은 미지의 피크들이 검출되어 있으며, 이러한 물질들은 설탕으로 제조되고 남은 물질로서 폐수처리와 같은 방법으로 버리게 되어, 추후 환경 문제를 야기할 수 있다. 설탕에서 알룰로스로 넘어갈 경우 설탕까지 제조하는 공정에서 많은 양의 부산물이 발생하게 되어 알룰로스를 제조하기까지의 많은 부산물을 처리해야 하는 공정이 필요하게 된다.
도 3 내지 도 9에 나타낸 바와 같이, 설탕에서 알룰로스로 넘어갈 경우 설탕까지 제조하는 공정에서 많은 양의 부산물이 발생하게 되어 알룰로스를 제조하기까지의 많은 부산물을 처리해야 하는 공정이 필요하게 된다. 실시예와 같이 원당으로 직접 알룰로스를 제조하게 되면, 이러한 공정을 거치지 않고 직접 알룰로스로 넘어가기 때문에 따로 부산물이 생길 공정이 없어서 유리하다.
Claims (24)
- 설탕을 함유하는 설탕 제조용 원료와 전화 효소를 이용하여 과당과 포도당을 함유하는 전화당 시럽(invert syrup)을 얻어, 과당 분리공정에 투입하여 과당-함유 원료를 제조하는 단계, 및
상기 과당-함유 원료를 이용하여 알룰로스 전환 반응을 수행하여 5.7 mg/L 이하 농도의 HMF를 포함하는 알룰로스 전환 반응 생성물을 얻는 단계를 포함하며,
상기 과당-함유 원료는 고형분 함량 기준으로, DP3이상의 올리고당류 함량이 2.0중량% 이하이고,
포도당의 이성화 반응 공정을 포함하지 않는, 알룰로스의 제조방법. - 제1항에 있어서, 상기 제조방법은, 설탕 제조용 원료로부터 설탕을 분리 또는 정제하는 공정을 포함하지 않는 것인, 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 과당 분리 공정은 상기 전화당 시럽을 활성탄 처리 공정, 이온정제공정, 모사이동층(SMB) 크로마토그래피를 이용한 고순도 분리 공정 및 농축 공정으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것인, 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 과당 분리 공정은 상기 전화당 시럽을 이온정제, 모사이동층(SMB) 크로마토그래피를 이용한 고순도 분리 공정 및 농축 공정을 포함하는 것인, 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 전화당 시럽은 과당, 포도당 및 2당류 이상의 당류를 포함하는 것인 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 전화당 시럽은 당류 고형분 함량이 10중량% 이상인 것인 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 전화당 시럽은 과당 분리 공정을 거쳐, 과당-함유 원료의 전체 당류 고형분 함량을 기준으로 90중량%이상의 과당을 함유하는 과당-함유 원료를 제조하는 것인 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 전화당 시럽의 전체 당류 고형분 함량을 기준으로, 과당 및 포도당의 합계 함량은 90 중량%이상인 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 전화당 시럽에 포함된 과당 및 포도당의 합계 고형분 함량 100 중량%를 기준으로, 과당은 40 중량%이상 및 포도당은 60 중량%이하로 포함되는 것인 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 과당-함유 원료는 0.001 내지 2.2 mg/L의 5-HMF를 포함하는 것인, 제조방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 알룰로스 전환 반응생성물은 0.001 내지 5.7 mg/L의 5-HMF를 포함하는 것인, 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 설탕 제조용 원료는 사탕수수 또는 사탕무우의 착즙액, 농축액, 또는 상기 착즙액 또는 농축액에서부터 당밀을 제거하고 얻어진 결정인 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 설탕 제조 원료는 사탕수수 또는 사탕무우의 착즙액 또는 농축액에서부터 당밀을 제거하고 얻어진 결정을 용해한 것인 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 전화당 시럽은 설탕 제조 원료의 착즙액, 농축액, 또는 상기 착즙액 또는 농축액에서부터 당밀을 제거하고 얻어진 결정을 이용한 전화효소 처리 원료를, 온도 55 내지 75 ℃ 및 pH 4.0 내지 5.0 으로 조정하고, 전화효소 처리 원료의 고형분 함량을 기준으로 0.01% 내지 1.0 중량%의 전화효소를 처리하여 수행하여 얻어진 것인 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 알룰로스 전환 반응물은 과당-함유 원료를 생물학적 알룰로스 전환 공정으로 처리하여 얻어진 것인 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 알룰로스 전환 반응에 투입되는 과당-함유 원료의 과당 함량은, 전체 당류 고형분 함량 100중량%를 기준으로 85중량%이상인 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 알룰로스 전환반응은 알룰로스 전환율이 15% 내지 70%인 생물학적 촉매를 사용하는 것인 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 알룰로스 분획을 농축하고, 상기 농축물로 부터 알룰로스를 결정화하여 알룰로스 결정과 결정화 모액을 얻는 단계를 추가로 포함하는 제조방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 전화당 시럽의 과당 및 포도당의 고형분 함량은, 전체 당류 고형분 함량을 기준으로 90중량% 이상이며, 상기 전화당 시럽의 포도당 고형분 함량은, 상기 과당 및 포도당의 고형분 함량 100중량% 기준으로 60중량% 이하인, 제조방법.
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2020
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