KR19980066147A

KR19980066147A - 종자를 이용한 효소산물 및 사료원료의 생산

Info

Publication number: KR19980066147A
Application number: KR1019970001499A
Authority: KR
Inventors: 배희동
Original assignee: 배희동
Priority date: 1997-01-20
Filing date: 1997-01-20
Publication date: 1998-10-15
Also published as: JPH10248421A; TW491893B; NL1006478C2; ID19583A; CN1188803A; CN1118570C; DE19728673A1; NL1006478A1; JP2001190229A; ES2123469A1; US6063431A; ES2123469B1; CA2211271A1; KR100222638B1

Abstract

본 발명은 효소를 생산할 목적으로 화본과 곡류종자와 두과종자를 발아시키는 기술에 관한 것과 이들 발아종자로부터 파이테이스등 고역가의 각종효소산물을 생산하는 기술을 제공한다.

특히 본 발명은 발아종자를 분쇄하여 경제성이 있는 배합사료원료로서의 용도와 그것으로부터 얻은 효소산물의 동물약품의 부형제로서의 용도를 제공한다.

종자를 이용한 효소산물의 생산은 종자선별, 발아배양건조, 분쇄 및 포장의 4개공정을 결합하여 이루어진다.

Description

종자를 이용한 효소산물 및 사료원료의 생산

본 발명의 목적은 종자를 이용한 고역가 효소생산에 관한 것이다.

더욱 상세하게는 본 발명의 목적은 화본과 또는 두과종자를 적절한 환경조건에서 발아시킬 때 고역가의 효소를 다량 얻을 수 있다는데 착안하여 활성이 높은 효소를 대량 생산하는 기술을 제공함을 그 목적으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은 발아 종자로부터 획득한 사료원료를 배합사료원료로 이용하므로서 가축의 생산성을 향상시키는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 발아종자로부터 얻은 효소사료를 투여하므로서 가축이 배설하는 가축분의 배설량을 감소시키므로서 환경오염을 방지하는데 있다.

효소는 기질과 결합하여 그 이용성을 극대화시키는 단백질의 일종으로서 생명체의 생물학적 기전(Biological mechanism)을 유지·활성화하는데 필수적인 물질이다. 효소는 이같은 생화학적 특성과 중요성이 알려진 후 식품, 의약산업 및 생물공학분야에 적극적으로 이용되어 왔으며 그의 효율적인 생산에 많은 연구업적이 달성되어 있다.

그러나 효소생산을 산업화함에는 많은 어려움이 있다. 그중의 하나는 첫째 효율이 우수한 미생물을 개발하여야 한다는 점이다. 또 하나의 문제는 다양한 생육환정(PH,온도 등)에서도 효소활성을 안전하게 유지할 수 있는 방법이 개발되어야 한다는 점이다. 셋째는 대량생산방법을 개발하여야 한다는 점이다. 이러한 문제점들을 효과적으로 타개하기 위하여 유전공학기법을 이용하여 효소를 생산코자 하는 시도가 다각도로 이루어지고 있으나 규모와 경제성에서 불리하여 그 실용화에는 애로가 있어 왔으며 성공율도 그리 높지 않은 실정이다.

본 발명은 미생물을 이용한 효소생산의 제문제점들을 극복하기 위하여 착안된 것으로 특히 식물종자가 발아할때는 효소활성이 극대화되는데 착안하게 되었다.

본 발명자는 특히 보리, 밀, 옥수수등 화본과 식물과 대두, 캐놀라(canola)등 두과식물의 경우에도 이들 종자가 발아할 때 전분분해효소(amylase), 섬유소분해효소(cellulase), 펙틴분해효소(pectinase), 카르복실메틸셀룰로스분해(CMCase), 베타글루칸분해효소(β-gluncanse), 헤미셀룰로스분해효소(Xylanase), 단백질분해효소(Proteinase)의 활성화가 극대화되고 특히 유기태인분해효소(Phytase)효소활성이 증가되는 것을 발견하였다.

따라서, 본 발명은 식물종자를 발아시키고 적절한 시기에 수득하여 고역가의 효소를 내재시키는 효소생산방법을 제공한다.

한편, 가축이 섭취하는 전분질원료인 곡류에는 유기태인이 다량 함유되어 있어 단위가축이 활용할 수 없는 단점이 있다. 이는 닭, 돼지, 개와 같은 단위가축의 소화기관에 유기태인을 분해할 수 있는 효소를 분비하지 못하기 때문이다.

이같은 난점을 극복하기 위하여 배합사료제조시에 반드시 무기태인(Inorganic Phosphate)을 첨가하여야 하며 이로 인하여 사료가격의 상승요인이 될 뿐만 아니라 과다한 무기태인의 공급으로 인하여 환경오염의 큰 원인이 되어 있다.

따라서, 단위가축이 이용할 수 없는 유기태인을 분해할 수 있도록 유기태인 분해효소(phytase)를 배합사료중에 첨가한다면 가축의 사료 이용성을 높이고 가축의 생산성을 극대화하여 생산비를 감소시킬 뿐만 아니라 환경오염도 감소시킬 수 있는 것이다.

최근에는 이러한 논리에 맞추어 상기 단위가축은 물론 소, 사슴, 염소, 양과 같은 반추가측의 사료에도 파이테이스를 비롯한 다양한 종류의 효소를 첨가하여 사용하고자 하는 시도가 다각적으로 이루어지고 있다. 예컨대 미국을 비롯한 캐나다, 일본, 네덜란드, 독일, 영국, 핀랜드 등에서는 이미 이 분야에 많은 연구가 진행되고 있으며 네덜란드도 사료에 파이테이스의 첨가를 이미 의무화하고 있는 실정이다.

우리나라와 같이 국토가 좁고 인구는 많으며 가축의 사육두수가 생대적으로 많은 국가에서는 가축이 유기태인을 이용하지 못하기 때문에 방사되는 분뇨로 인하여 하천과 초지의 오염은 실로 심각한 실정이서 파이테이스의 효용가치는 매우 높다고 할 것이다.

따라서 본 발명은 곡물종자중의 파이테이스 효소를 이용하여 가축의 사료이용성을 높히고 따라서 환경오염의 피해도 극복하고 사료가격을 현저히 낮출뿐만 아니라 가축의 성정촉진을 현저히 증대시키고자 하였다.

더욱기, 본 발명은 식물종자가 발아할 때 생성되는 효소의 생성기전을 활용하여 경제적이고 효율적인 효소생산을 제공하고 있다.

지금까지 식물종자의 발아를 통한 파이테이스의 실용화에 대하여는 연구보고 된 바 없다.

본 발명에서 곡류종자의 발아를 통하여 효소를 생산하는 기술을 다음과 같은 원리에 입각하였다.

일반적으로 식물은 번식을 위하여 종자를 생산하게 되는데 종자가 발아할 때 특히 발아초기에 식물의 원활한 성장을 도모키 위하여 축적된 다량의 영양분이 분해이용된다. 종자가 함유하고 있는 영양분으로는 에너지원으로서 전분, 지질 및 단백질을 비롯하여 인(phosphate)과 같은 성장에 필수적인 무기물(minerals)등이다. 종자내에 축적된 이러한 영양분은 발아시에 이용이 용이한 형태로 전환되어야 하는데 이때 효소가 필수적으로 요구된다. 따라서, 식물종자는 일정한 발아조건이 되었을 때 다양한 효소분비활동이 시작된다.

한편, 식물종자가 일정한 환경조건에서 발아가 개시된다면 이는 효소에 의하여 축적된 영양소가 분해되어 성장과 물질이동에 필요한 에너지와 무기질을 사용하게 되는 것이며 이때 다양한 종류의 효소가 생성된다. 특히 에너지 대사에 필수적인 아데노신트리포스페이트(ATP)의 구성물질인 인(Phosphate)은 유기태로부터 분해되어 공급되는데 이때 파이테이스가 작용한다. 그 밖에도 베타글루칸을 분해하는 효소와 단백질 분해효소등 각종 효소가 생성되어 축적된 영양분을 분해하여 이용하게 된다. 이때 생성되는 효소의 양과 활성도는 식물종자의 종류와 발아조건 예컨대 온도, 습도, 종자의 함수량 및 배양기간 등에 따라서 달라진다. 동일한 곡류종자 예컨대 벼종자라하더라도 단백질의 함량이나 전분의 구조적 차이로 인하여 생성되는 효소의 양과 활성도는 벼의 종자나 품종에 따라 달라진다.

따라서 본 발명은 다양한 종류의 식물종자에 대하여 최적발아조건을 규명하고 효소생산을 극대화하는 발아조건을 선택하므로서 축산업 및 사료산업에 효과적으로 이용할 수 있도록 하였다. 특히 파이테이스 효소생산을 중점으로 하였으며 기타효소를 보조적으로 검토하였다.

도 1은 본 발명을 수행하기 위해 가장 적합한 실시예를 보인 블록도이다.

이하, 본 발명은 종자선별, 배양, 건조, 분쇄 및 포장공정으로 나누어 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다.

제 1공정 : 종자선별공정

빈에 저장된 종자를 스크린(Screen)으로 옮겨 파쇄되었거나 박피된 종자는 스크린을 사용하여 1차 선별하고 배아발육이 완벽하지 못한 종자와 곰팡이에 오염된 종자는 도 1과 같이 2차 선별된다. 1차 스크린선별이 끝난 종자는 소금용액(NaC1)에 침지하여 가라앉은 것만 채취하며(2차 선별), 부유되는 종자는 수거하여 폐기한다. 1, 2차 과정을 통하여 선별된 종자는 비이온 친수성 계면활성제(nonionic hydrophy emulsifier)가 함유된 용액으로 옮겨 침지한 후 발아배양기로 옮긴다.

제 2공정 : 발아배양공정

비이온 친수성 계면활성제(nonionic hydrophylic emulsifier)로 처리하여 배양기로 옮긴 종자는 균일하게 배치한 후 배양기내 습도와 온도를 유지하고 배양한다. 이때 종자가 생산하는 효소의 함량이 최고치에 달하는 시기에 배양을 증료하고 건조공정으로 옮긴다.

제 3공정 : 건조공정

제 2공정결과 발아가 완료된 종자(이하 효소산물이라 한다)는 수거한 후 열풍건조시킨다.

제 4공정 : 분쇄 및 포장공정

제 3공정결과 건조가 완료된 효소산물은 도 1에 도시한 바와같이 3가지로 나누어 제품으로 완성하게 된다. 첫 번째 과정은 순도 높은 효소산물을 얻기위한 것으로 외피를 제거한 후 0.1㎜크기로 분쇄하여 진공포장하는 것이며, 두 번째 과정은 가축사료에 첨가할 목적으로 제조하는 것으로 외피와 함께 분쇄하여 포장하게 된다. 그리고 세 번째 과정은 공정이 종료된 순도높은 분말제품을 완충용액에 침지시켜 효소를 추출하고 원심분리하는 과정으로써 액상효소용액을 제조하는 과정이다. 세과정이 끝나 제조된 효소산물은 모두 건냉소에 보관한다.

이하 본 발명 곡류 또는 두과식물종자로부터 효소생산 및 사료화방법을 구체적인 실시예를 들어 설명한다.

실시예 1

보리를 선별하여 1.5%소금용액에 침지한 후 물에 담구어 종자의 수분함량을 50%가 되게하고 배양기의 온도을 25-30℃로 유지하여 30시간 배양시켰다. 이때 배양기내의 습도 90-95%를 유지하였다. 싹의 길이가 2.0㎝일 때 발아를 중단시키고 열풍건조시켰다. 이때 열풍건조기의 온도는 40℃에서 36시간 유지하였다. 발아조건된 보리종자의 수분함량은 9%정도였다.

실시예 2

실시예 1과 동일하게 하되 발아속도를 촉진하기 위하여 친수성 계면활정제(nonionic hydrophylic emulsifier)로서 0.05%폴리솔베이트에 12시간 침지하였다. 이때 발아기간을 12-24시간 단축할 수 있었다. 발아건조된 보리종자의 수분함량은 약 12%였다.

실시예 3

곡류종자중 벼를 사용한 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 처리하여 함수량 약 9%의 싹이 난 종자를 얻었다.

실시예 4

곡류종자 밀을 사용한 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 처리하여 함수량 약 9%의 싹이 난 밀종자를 얻었다.

실시예 5

대두를 선별하여 3.0%의 소금용액에 침지하고 수분함량 60%, 발아온도 30℃에서 36시간 배양하였다. 이때 배양기내 습도는 필요시 90-95%를 유지하였다.

떡잎의 길이 1㎝일 때 배양기의 가동을 중단한 후 열풍건조시켰다. 이때 열풍건조기의 온도를 80℃로 하고 24시간 통풍하였다. 발아건조된 대두종자의 수분함량은 약 12%였다.

실시예 6

실시예 5와 같이 동일하게 실시하되 두과식물의 종자를 캐놀라(canale)로 하였다. 이때 발아건조된 캐놀라 종자내 수분함량은 10%였다.

실시예 7

실시예 5와 동일하게 실시하되, 발아속도를 촉진하기 위하여 친수성계면활성제로서 10% 폴리솔베이트80(plolysorbate : 80)에 4시간 침지하였다. 이때 발아기간을 24-36시간 단축할 수 있었다. 최종 대두종자의 함수량은 약 12%였다.

실시예 8

옥수수종자(corn)를 사용한 것외에는 실시예 5와 동일하게 처리하여 1.5㎝의 ℃싹이난 10% 함수량의 옥수수종자를 얻었다.

상기 실시예들을 통하여 열풍건조된 식물종자들을 이용하여 동물사료첨가제로 사용하기 위하여 분쇄기에 넣어 분쇄한 효소산물로부터 효소를 추출할 때 효소추출액에 효소의 역가를 안정시키기 위하여 0.5-1.0M의 MgCl₂를 사용하였다. 이를 원심분리기에 넣어 ×5000g으로 원심분리하여 액상효소제품을 얻었다. 이때 효소 추출을 위해서는 생물학적 완층용액을 사용하였다.

실험예 1

효소추출물의 역가(activity)에 대한 안전성 실험을 위하여 0.5-1.0M의 MgCl₂, CaCl₂, CoCl₂를 각각 처리하였다.

그 다음 안정성(Stabiliy)효과를 실험한 결과 CaCl₂보다 MgCl₂가 200배이상 높았다. 또한 4개월이상 장기보관이 가능하였다.

실험예 2

본 발명에 따라 발아시킨 보리종자로부터 추출한 전분분해 효소의 역가를 측정하기 위하여 시험관내 실험(in vitro)을 수행한 결과, 옥수수, 밀, 보리등의 기질(substrate)로부터 보리전분 분해효소에 의해 유리된 glucose함량이 옥수수 223.8μM, 밀 288.8μM, 보리 318.9μM로 각각 측정되었다.

기질은 발아시키지 않은 옥수수, 밀, 보리를 0.5㎜메시를 통과할 수 있는 입도로 분쇄하여 사용하였으며 배양온도와 배양시간은 각각 38℃에서 24시간이었다.

실험예 3

본 발명에 따라 발아시킨 보리종자로부터 추출한 유기인분해효소(Phytase)의 역가를 측정하기 위해 시험관에 실험(in vitro)을 실시예 2와 같이 수행한 결과, 상기 기질(substrate)로부터 유기인 분해효소에 의해 유리된 Phosptate의 함량이 각각 옥수수 613.7μg, 밀 373.9μg, 보리 1,573.8μg으로 측정되었다.

실험예 4

화본과 및 두과식물종자를 본 발명방법에 따라 발아처리한 것의 전분분해효소(amylase)역가를 발아처리하지 않은 것들을 통제구로 하여 실험한 결과는 다음표 1과 같이 그 상대적 증가율이 최소치 밀, 대구 210%에서 최대치 옥수수 1300%까지 현저한 증가를 보였다.

표 1

발아 및 비발아 곡류의 전분분해(amylase)효소역가

(Amylase activity of non-genninated and germinated cereal and oil seeds)

실험예 5

화본과 및 두과식물종자를 본 발명방법에 따라 발아처리한 것의 유기태인 분해효소(Phytase)역가를 발아처리하지 않은 것들을 통제구로 하여 실험한 결과는 다음표 2와 같이 그 상대적증가율이 최소치 밀, 대두 120%에서 취대치 47%까지 현저한 증가를 보였다.

표 2

발야 및 비발아 곡류의 유기태인 분해효소(Phytase)효소역가

(Phytase activity of non-germinated and germinated cereal and oi1 seeds)

실험예 6

발아된 보리종자로부터 추출한 각종효소의 역가(activity)를 측정하기 위하여 발아하지 않은 보리증자를 통제구로 하여 실시예 4와 같은 방법으로 실험한 결과 비발아종자에 비하여 대체로 Cellulase 300%, Pectinase 500%, CMCase 500%, Hemicellulase 300%, Prot iase 400%가 각각 높았다.

실험예 7

실험예 6와 동일하게 실험하되 보리종자 대신 대두종자(Soybean)를 공지재료로 사용하였던바, 각각 약 Amylase 2,500%, Cellulase 400%, Pectinase 600%, CMCase 500%, Hemicellulase 200%, Protiase 600%, Phytase 450%높았다.

동물사육실험예 1 : 돼지

실시예 1에서 생산된 발아된 보리종자 분쇄물을 다음과 같이 전분질사료원료로 사용하여 돼지에 투여하여, 3개월후에 통제구와 비교한결과 20%의 증체효과가 있었다.

일반사료배합비

전분질사료(본 발명사료원료) 40-50%

섬유질사료 20%

단백질 사료 20%

무형재, 약품, Mimeral등 10-20%

동물사육실험예 2 : 육계

실시예 5에서 생산된 떡잎이 생긴 대두종자 분쇄물을 다음과 같은 비율로 단백질 사료로 첨가사용하여 육계에 투여하여 8주후 일반사료를 먹인 통제구와 비교한 결과 15%의 증체효과를 보였다.

동물사육실험예 3 : 산란계

상기 동물사육실험예 2와 동이하게 하되 산란계에 투여한 결과 산란율이 일반사료를 먹인 통제구에 비하여 약 8-10%향상되었고, 초란시기도 약 2주 단축되었다.

동물사육실험예 4 : 개, 밍크, 여우

상기 동물실험예 2를 개, 밍크, 여우에 대하여 각각 실험한 결과 중체효과가 각각 15%, 13%, 20%가 향상되었고 밍크나 여우의 경우 털의 윤기가 훨씬 돗보였다.

본 발명은 이와같이 곡류종자를 발아하여 효소산물을 생산하는 방법으로서 이는 자연법칙을 이용하여 효소의 생산량을 극대화할 수 있는 기술로써 생산비용이 저렴할 뿐만 아니라 특히 사람이나 동물의 식품이나 사료원료로 사용할 수 있는 곡류를 사용하기 때문에 독성이나 안전성에 전혀 문제가 없다는 효과가 있다. 특히 효소산물 내에는 파이테이스 생산량을 극대화시켰음은 물론 기타 효소도 다량 함유하고 있음으로써 다양한 기질에 대한 분해상승효과가 있다. 또한 효소산물을 가축 사료로 사용할 경우 사료원료로서 각종 영양소를 함유하고 있기 때문에 배합사료 제조시 타원료사료에 대하여 탁월한 대체효과를 지니는 장점도 있다.

특히 단위가축이나 반추가축에 유기태인의 분해자화이용을 위해 파이테이스(Ptytase)의 첨가를 생략할 수 있으므로 사료산업의 경제화에 유리하며 결국 사료비를 엄청나게 절감할 수 있는 상승 효과가 있어 측산 및 사료 산업상 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims

효소를 생산할 목적으로 발아공정을 통하여 조제된 벼, 보리, 밀, 옥수수 등의 화본과 곡류종자 및 대두, 캐놀라(canola)등 두과곡류종자
발아종자의 분쇄물로부터 다량의 고역가 amylase, cellulase, Lipase, Pectinase, CMCase,β-glucanase, Xylanase, Proteinase 및 Phytase 효소산물을 생산하는 방법
제 2항에 있어서, 상기 효소산물을 완충액을 사용하여 효소를 추출하고 추출된 효소용액의 고역가의 안전성을 유지하기 위하여 0.5-1.0M의 MgCl₂를 첨가하는 방법.
제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 효소산물을 원심분리하여 액상효소제품을 얻은 공정을 더 포함하는 방법.
화본과 곡류종자 및 대두종자를 1.5-3.0% 소금용액에 침지하여 불량종자를 선별한후 종자내 함수량 40-60%가 되도록 발아온도 25-30℃, 배양기내 습도 90-95%를 유지하여 24-26시간 배양한 후 25-80℃에서 24-36시간 열풍건조하여 함수량 9-12%의 건조된 발아종자를 분쇄, 포장하여서 되는 일반 배합사료 원료의 제조방법.
제 5항에 있어서, 상기 발아공정에서 발아속도를 증가시키기 위해 비이온 친수성 계면활성제로서 0.05-10.0%폴리소르베이트80(Polysorbate : 80)을 사용하여 4-12시간 침지시킴을 특징으로 하는 방법.
발아종자로부터 얻은 효소산물의 사료원료 또는 동물약품의 부형제(Carrier)서의 용도.