KR20000067595A - 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물로부터 디에이치에이를 생산하 - Google Patents

음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물로부터 디에이치에이를 생산하 Download PDF

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Abstract

본 발명은 음식물 찌꺼기 또는 농축산부산물을 원료로 하여 DHA(Docosahexaenoic acid)를 생산하는 방법에 관한 것이며, 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물을 가수분해 효소, 상기 가수분해 효소를 생산할 수 있는 곰팡이류를 포함하는 누록 또는 묽은 황산을 이용하여 액화 및 당화시키는 공정; 액화 및 당화된 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물을 DHA 생산 미생물로 발효시키는 공정; 및 발효된 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물을 건조시켜 사료화하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물로부터 DHA 함유 사료를 생산하는 방법이 제공되고, 이로써 폐기되는 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물의 양을 줄여 환경 오염을 예방할 수 있고, 저렴한 비용으로 두뇌의 주요 구성 성분이며 각종 질병의 예방과 치료에 효과가 있는 DHA를 함유하는 사료를 생산할 수 있다.

Description

음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물로부터 디에이치에이를 생산하는 방법{PRODUCTION OF DHA (DOCOSAHEXAENOIC ACID) FROM FOOD WASTES OR AGRICULTURAL AND LIVESTOCK FARMING WASTES}
본 발명의 목적은 심각한 환경문제를 야기하고 있는 음식물 찌꺼기들을 보다 효율적으로 활용함으로써 음식물 찌꺼기에 관련된 환경문제를 해결함과 동시에 농축산 부산물을 재활용하여 고부가가치를 창출하고자 하는 것이다.
본 발명의 목적은 DHA 생산 미생물을 이용하여 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물을 발효시켜 DHA를 생산하는 방법을 제공하며, DHA를 보다 저렴한 비용으로 생산할 수 있도록 함과 동시에 DHA를 함유한 고품질의 사료를 생산하는 기술을 확립함으로써, 음식물 찌꺼기 및 농축산 부산물을 보다 효율적으로 처리하고 재이용하고자 하는 것이다.
(1) 발명이 속하는 기술분야
본 발명은 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물을 원료로 하여 DHA를 생산하는 방법에 관한 것이며, 보다 상세하게는 DHA 생산 미생물을 이용하여 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물을 발효시켜 DHA를 함유한 사료를 생산할 수 있도록 하는 방법에 관한 것이다.
(2) 배경기술
가정이나 음식점으로부터 발생하는 각종 음식물 찌꺼기는 자원 낭비의 측면에서 뿐만아니라 그 처리에 있어서도 여러 가지 문제점을 유발하고 있다. 최근 들어 환경에 대한 사회적 관심이 집중되면서 쓰레기 분리 수거를 통해 자원을 재활용하고자 하는 운동이 확산되고 있지만, 여전히 재활용 가능한 많은 쓰레기가 그대로 처분되고 있는 실정이다.
각종 유기물과 수분을 중심으로 하는 음식물 쓰레기는, 전통적으로 손쉽고 경제적이었던 단순매립방법에 의해 처리되는 것이 일반적이었으나 매립지 부족과 침출수로 인한 토양과 수질오염 등의 문제로 인하여, 최근에는 소각처리나 비료 또는 사료 등으로의 활용방안 쪽으로 나가고 있는 추세이다 (한국 유기성 폐기물 자원화 협의회지,2(1), 51-64 (1994)).
그러나, 음식물을 소각처리하는 경우 비록 다른 건조한 쓰레기들과 혼합하여 연소한다고 하더라도, 음식물에 함유된 수분으로 인하여 보조연료를 사용할 수 밖에 없기 때문에 소각효율이 저하될 뿐만아니라 저온 소각시 발생하는 다이옥신이 공해문제로 대두되는 등 또 다른 문제점을 내포하고 있다.
따라서 최근에는 상기한 바와 같은 여러 가지 문제점을 안고 있는 음식물 쓰레기의 매립 또는 소각과 같은 단순 폐기방법으로부터 음식물에 포함된 유기물을 적절히 이용하는 방안들에 대한 연구가 활발히 진행되고 있고, 이런 연구의 대부분은 음식물 쓰레기로부터 유기질 비료나 사료를 생산하는 것이며, 그 대표적인 예로서는 바실러스속 미생물을 이용하여 음식물 쓰레기를 유기질 비료로 제조하는 방법이다. 그러나 지금까지 개발된 음식물 쓰레기 재활용 방법의 대부분은 퇴비나 사료를 생산하는 것에 한정되어 있었다.
농축산 부산물 또한 음식물 찌꺼기와 유사한 문제점들을 가지고 있다.
1997년 우리나라 전체 사료 생산량은 약 1,400 만톤으로 추정되며 그 중 98% 정도가 외국으로부터 수입된 곡물이다. 국내에서 DHA 함유 사료를 생산하거나 기술 개발 연구를 진행중인 대표적인 업체는 1∼2개가 있는데 현재 사료 원료를 수입에 의존하고 있다. 식용 또는 약용의 DHA 생산 및 기술 개발을 하고 있는 제약회사 등의 업체들도 역시 어류에서 DHA를 추출, 생산하고 있다. 최근 한국 해양연구소는 DHA를 만들어내는 해양 미생물 균주 수종을 남해바다의 군집 생물군으로부터 분리하는데 성공했다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 환경오염의 원인이 되고 있는 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물을 보다 효율적으로 활용해서 관련된 환경문제를 해결하고, 또한 음식물 찌꺼기와 농축산 부산물을 재활용하여 고부가가치를 창출하고자 하는 것이다. DHA 생산 미생물을 이용하여 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물을 발효시켜 DHA를 생산하는 방법을 제공하며, DHA를 보다 저렴한 비용으로 생산할 수 있도록 함과 동시에 DHA를 함유한 고품질의 사료를 생산하는 기술을 확립함으로써, 음식물 찌꺼기 및 농축산 부산물을 보다 효율적으로 처리하고 재이용하고자 하는 것이다.
도1은 Thraustochytrium roseum에 의한 DHA 발효의 시간대별 진행을 보여주는 그래프
본 발명에 따라, DHA 생산 미생물 Thraustochytrium roseum을 이용하여 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물로부터 DHA를 생산하고 DHA 함유사료를 생산하는 방법이 제공되며, 발효 원료로 사용되는 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물을 액화 및 당화하여 전처리하는 공정, 전처리된 음식물 찌꺼기 또는 농축산부산물을 발효시키는 공정에 의해 DHA를 생산하며, 사료화 과정을 거친 최종 생산물은 DHA 함유 사료로 사용한다.
본 발명에서 원재료는 일반적으로 가정, 음식점, 농축산물 생산 및 처리 시설 등에서 발생하는 탄수화물, 지방 및 섬유소 등을 주성분으로 하는 밥, 면류, 과실류, 채소류, 생선류, 고기류, 볏짚, 쌀겨, 내장, 닭털, 동물 피등을 포함하고 있어서 본 발명에 따른 방법에 의해 DHA를 생성할 수 있는 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물을 의미한다.
전처리 공정은, 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물을 분쇄기로 분쇄하여 증기로 찐 (증자한) 후에 가수분해효소나 이들 효소를 생산할 수 있는 곰팡이류를 포함하는 누룩 또는 묽은 황산을 이용하여 액화 및 당화시키는 공정이다. DHA 발효공정은 전처리된 음식물 찌꺼기 및 농축산 부산물을 멸균한 후 활성이 강한 DHA 생산 미생물 Thraustochytrium roseum을 사용해 DHA를 생산하는 공정이고, 발효 후 생산물은 사료화 과정을 거친 후 DHA 함유 사료로 사용한다.
전처리 공정에서, 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물들은 가수분해 반응의 효율을 높이기 위하여 가능한한 작은 크기가 되도록 통상의 분쇄기를 사용하여 잘게 분쇄한다. 분쇄된 원료들은 고온 (예, 10O℃)의 증기로, 예컨대 40분간 쪄서 조직 (structure)을 연화 증자한 다음, 가수분해하여 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물에 포함된 유기물을 액화 및 당화시킨다.
액화 및 당화를 위한 가수분해처리 방법으로서는, 전분과 (헤미)셀룰로스를 포도당과 크실로스로 가수분해하는 α-아밀라제(α-amylase), 글루코아밀라제(glucoamylase), 크실란아제(xylanase), 셀루라제(cellulase)와 같은 산업용 가수분해효소의 단독 또는 혼합물로 처리하는 방법, 묽은 황산으로 처리하는 방법, 및 상기 효소들을 생산할 수 있는 곰팡이를 포함하는 누룩으로 처리하는 방법을 들 수 있다. 본 가수분해 처리는 분쇄된 기질 (음식물 찌꺼기 및 농축산 부산물)에 적당량의 가수분해효소를 투입하여 가열하거나 효소의 활성온도 (예, 50℃)에서 배양함으로써 이루어진다.
본 발명에 사용하는 누룩은, 곰팡이, 효모, 세균 등의 미생물들(예, Aspergillus sp., Rhizopus sp., Penicillium sp., Mucor sp., Absidia sp., Saccharomyces sp., Bacillius sp., Candida sp., 젖산 박테리아 등)을 함유하고, 이들 미생물에 포함된 아밀라제( α-amylase, glucoamylase), 프로테아제 등의 효소작용으로 당과 아미노산 등의 분해산물을 생성하는 시중으로부터 구입 가능한 통상의 누룩을 의미한다.
원료 전처리 공정이 끝나면 멸균처리 (예, 121℃에서 15분)한 후, 활성을 강화시킨 DHA 생산 미생물 트라우스토키트리움 로제움(Thraustochytrium roseum : 기탁번호 ATCC28210)을 접종하고, 형광등을 설치한 배양기 내에서 활성온도(25℃)로 발효 온도를 유지하며 DHA를 발효시킨다. 이 과정에서 전처리된 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물에 포함된 당성분이 발효되어 DHA가 생성된다.
발효 후 생산물은 그 자체를 액상사료로 사용할 수 있고, 유통과정을 길게하기 위해서는 건조과정을 거친 후 수분함량을 11% 이하로 떨어뜨려 사료로 사용한다. 특히, 이렇게 생산된 사료에는 DHA (Docosahexaenoic acid)가 함유되어 있으므로, 어류에서 추출 생산한 DHA를 첨가시킨 기존의 DHA 사료와 동일한 효능을 갖게된다.
DHA는 불포화 지방산으로 뇌세포의 원활한 기능을 위한 필수물질로 두뇌개발 촉진 및 학습능력 향상효과를 얻을 수 있고, 건강한 시력을 유지시켜 주며 나빠진 시력은 회복시켜 주는 역할도 한다. 또한 고혈압, 동맥경화, 당뇨, 심장질환, 관절염, 암 등 각종 성인병을 예방, 치료해주며, 뇌혈관장애에 의한 노인성 치매증 치료, 예방에도 효과가 있다. 어류로부터 농축되는 DHA보다는 미생물에 의해 생물공학으로 대량 생산한 DHA 함유 사료는 경제성 뿐만아니라 가축들에 있어 질병에 저항효과가 커지게 하고 영양효과가 좋게 하는 효과를 얻을 수 있다. 따라서 본 발명에 의하면, 음식물찌꺼기 또는 농축산부산물로부터 DHA를 얻는 것과 동시에 양질의 사료를 얻을수 있게 된다.
이하, 본 발명에 따른 음식물 찌꺼기 또는 농축산부산물로부터 DHA를 생산하는 방법을 구체적인 실시예를 통해 상세히 설명한다. 이하의 구체예는 본 발명에 따른 음식물 찌꺼기 또는 농축산부산물로부터 DHA를 생산하는 방법을 예시적으로 설명하는 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 아니한다.
실시예1 : 누룩에 의한 음식물 찌꺼기 또는 농축산부산물의 액화 및 당화
음식물 찌꺼기 또는 농축산부산물을 잘게 분쇄한 후, 121℃의 증기로 15분간 처리하여 멸균 및 조직을 부드럽게 한 다음, 품온이 24-28℃ 정도로 떨어졌을 때 효소를 생산할 수 있는 곰팡이류를 포함하는 시판의 누룩 종균을 여러 가지 농도로 접종하였다. 이때 효소반응의 기질로서는 물 1L에 200g(건조질량)의 음식물 찌꺼기 또는 농축산부산물을 균일하게 혼합한 것을 사용하였다. 24-28℃에서 80-90% 이상의 습도를 유지하면서 2일간 배양하여 액화 및 당화 반응이 일어나도록 하였다. 이 배양물을 가지고 당농도를 측정해 표1과 같은 결과를 얻었다.
당의 정량은, 먼저 50㎖의 증류수에 4g의 NaOH를 녹이고, 이 용액에 0.25g의 3,5-디니트로살리실산과 75g의 주석산나트륨을 녹여 증류수에 의해 250㎖로 맞춘 시약을 제작하고, 1㎖의 시약에 당화된 샘플 100㎕을 첨가하고 100℃에서 10분간 가열한 후, 다시 상온으로 급냉하여 570nm에서 흡광도를 측정한 다음, 표준곡선으로부터 당농도를 구하는 방법 (DNS법)을 사용하였다.
(표 1)
실시예2 : 가수분해효소처리에 의한 음식물 찌꺼기 및 농축산부산물의 액화 및 당화
분쇄기를 사용하여 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물을 잘게 분쇄하여 100℃의 증기로 40분간 증자한 후, 산업용으로 시판되는 가수분해효소인 α-아밀라제, 글루코아밀라제, 크실란아제 및 셀룰라제를 각각 사용하여 가수분해 반응을 시킨다음, 실시예1과 동일한 방법으로 당화정도를 측정하였다
(표 2). 이때 각 효소반응의 기질로서는 물 1L에 20Og(건조중량)의 음식물찌꺼기 및 농축산 부산물을 균일하게 혼합한 것을 사용하였고, 50℃로 맞춘 진탕배양기에서 170rpm으로 18시간 동안 반응시켰다. 표2에 나타난 것처럼 글루크아밀라제를 처리했을 때 당화율이 가장 좋은 것으로 나타났다.
(표 2)
실시예3 : 묽은 황산에 의한 음식물 찌꺼기 및 농축산부산물의 액하 및 당화
음식물 찌꺼기 및 농축산 부산물을 잘게 분쇄하여 100℃의 증기로 40분간 증자한 후, 여러 가지 농도의 묽은 황산을 첨가하여 가수분해반응을 진행시키고 전술한 방법으로 당화 정도를 측정하였다(표3). 이때의 반응은 물 1L에 200g(건조중량)의 음식물 찌꺼기 및 농축산부산물을 균일하게 혼합한 것을 사용하여 121℃에서 15분간 진행하였다.
(표 3)
실시예4 : 트라우스토키트리움 로제움 (Thraustochytrium roseum)에 의한 DHA 발효
실시예1에 따라 누룩으로 액화 및 당화시킨 음식물 찌꺼기와 농축산 부산물에 ATCC (미국)에 기탁된 기탁번호 ATCC28210의 트라우스토키트리움 로제움 (Thraustochytrium roseum)을 접종하여 형광등을 설치한 진탕배양기에서 25℃, 200rpm으로 DHA 발효를 7일간 진행시켰으며, 그 결과를 도1에 나타내었다. 도1에 도시된 바와 같이, 발효시간이 경과함에 따라 미생물과 DHA 생산량이 증가하였고 당성분(sugars)의 양은 감소하였다. 발효 5일 경과 시점에서 최대 미생물 농도 23.6g/L와 최대 DHA 농도 2.3g/L을 얻을 수 있었다.
실시예5 : DHA 함유 발효액의 사료화
전처리한 음식물 찌꺼기 및 농축산 부산물 발효액 자체를 액상사료로 사용할 수 있고, 고상사료는 원심분리기를 이용하여 발효액으로부터 침전물을 얻고, 침전물은 수분함량이 11% 이하가 되게 진공 건조하였다. 이렇게 만들어진 사료는 DHA를 함유한 기능성 사료로 활용할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 음식물 찌꺼기 및 농축산 부산물로부터 DHA를 생산하는 방법에 의하면, 폐기되는 음식물 찌꺼기와 농축산 부산물의 양을 줄임으로써 폐기물에 의한 환경오염을 감소시킬 수 있을 뿐만아니라 자원을 재활용하여 저렴한 비용으로 고기능성 사료를 생산할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 폐기되는 음식물 찌꺼기와 농축산 부산물을 가수분해효소, 상기 가수분해효소를 생산할 수 있는 곰팡이류를 포함하는 누룩, 또는 묽은 황산을 이용하여 액화 및 당화시키는 공정; 액화 및 당화된 음식물 찌꺼기와 농축산부산물을 DHA 생산 미생물을 이용해 발효시키는 공정; 및 미생물에 의해 발효가 진행된 DHA 함유 발효액을 사료화하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 음식물 찌꺼기와 농축산부산물로부터 DHA를 생산하는 방법
  2. 제1항에 있어서, 상기 액화 및 당화 공정 이전에 음식물 찌꺼기와 농축산 부산물을 분쇄 및 증자하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음식물 찌꺼기와 농축산 부산물로부터 DHA를 생산하는 방법
  3. 제1항에 있어서, 상기 가수분해효소는 α-아밀라제, 글루코아밀라제, 크실란아제 및 셀루라제로부터 선택되는 적어도 하나의 효소인 것을 특징으로 하는 음식물 찌꺼기와 농축산 부산물로부터 DHA를 생산하는 방법
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 DHA 생산 미생물은 트라우스토키트리움 로제움 (Thraustochytrium riseum ATCC28210)인 것을 특징으로 하는 음식물 찌꺼기와 농축산 부산물로부터 DHA를 생산하는 방법
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 발효액을 사료로 사용할 수 있도록 액상 자체 또는 건조시키는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음식물 찌꺼기와 농축산 부산물로부터 DHA를 생산하는 방법
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