KR20000073415A

KR20000073415A - 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물로부터 키토산을 생산하는 방

Info

Publication number: KR20000073415A
Application number: KR1019990016678A
Authority: KR
Inventors: 정봉환; 임종철
Original assignee: 정봉환
Priority date: 1999-05-10
Filing date: 1999-05-10
Publication date: 2000-12-05

Abstract

본 발명은 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물을 원료로 하여 키토산을 생산하는 방법에 관한 것이며, 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물을 가수분해효소, 상기 가수분해 효소를 생산할 수 있는 곰팡이류를 포함하는 누룩 또는 묽은 황산을 이용하여 액화 및 당화시키는 공정; 액화 및 당화된 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물을 키토산 생산 미생물로 발효시키는 공정; 및 발효된 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물을 건조시켜 사료화하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물로부터 키토산 함유 사료를 생산하는 방법이 제공되고, 이로써 폐기되는 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물의 양을 줄여 환경오염을 예방할 수 있고, 항균, 면역증강등 다양한 생리활성이 있어 각종 질병의 예방과 치료에 효과가 있는 고기능성 키토산을 함유하는 사료를 저렴한 비용으로 생산할 수 있다.

Description

음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물로부터 키토산을 생산하는 방법{PRODUCTION OF CHITOSAN FROM FOOD WASTES OR AGRICULTURAL AND LIVESTOCK FARMING WASTES}

(기술 분야)

본 발명은 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물을 원료로 하여 키토산을 생산하는 방법에 관한 것이며, 보다 상세하게는 키토산 생산 미생물을 이용하여 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물을 발효시켜 키토산 함유 사료를 생산할 수 있도록 하는 방법에 관한 것이다.

(배경 기술)

음식물 찌꺼기 생성량은 15,088.8톤으로 전체 쓰레기의 약 30%를 차지하고 있으나(환경부,1995), 대부분이 다른 일반 폐기물과 함께 매립 처분되고있어 매립지 확보의 어려움 및 공중위생 등의 사회적인 문제를 가중시키고있는 실정으로 적절한 처리 및 관리 대책이 시급하다. 종래 음식물 찌꺼기는 돼지나 기타 가축의 사료로 이용되었지만 그 이용률은 전체 배출량에 비해 매우 낮은 편이다. 이러한 음식물 찌꺼기는 일반가정을 비롯한 식당가, 시장 및 집단 급식소 등에서 주로 배출되는데 수분함량이 75∼85%로 높고 발열량이 낮아 소각, 퇴비화 등의 처리방법이 경제적이지 못한 것으로 인식되어 거의 전량이 매립 처분되고 있다. 지하수 오염이나 매립 부지 확보 문제로 인하여 재활용이나 자원 회수기술에 관심을 모으고 있으나 실용화된 기술이 아직 미비한 실정이다.

미생물 발효를 통한 음식물 찌꺼기의 사료화나 퇴비화는 폐기물의 안정화라는 환경적인 측면 뿐만아니라 재생산에 의한 자원화라는 점에서 매우 이상적인 방법으로 고려되어 왔다. 그러나 퇴비화에 있어 가장 큰 장애요인은 우리나라 음식물이 대체로 염분이 높아 식물 성장에 악영향을 주는 염류장애 현상을 일으킬 수 있다는 것과 환경보전 측면의 가치보다 상품의 부가가치가 낮아 국가의 지원 없이는 민간업체가 선뜻 나서는 것을 꺼려하고 있다. 또다른 재활용 방법인 사료화의 경우 사료자체의 부가가치가 높아 비교적 경제성이 있다.

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 키토산 함유 사료를 생산하거나 기술 개발 연구를 진행중이라고 알려진 업체는 없으며, 식용 또는 약용의 키토산 생산 및 기술 개발을 하고 있는 제약회사 등의 업체들도 화학적인 방법에 의해 게나 새우 등의 갑각류에서 추출, 생산하고 있다.

키토산은 천연 고분자 다당류로서 자연계에서는 접합균류인 Mucor, Rhizopus속 곰팡이의 세포벽 주성분으로 존재하며 녹조류, 게, 새우 등 무척추 동물에도 존재한다. 인위적으로는 게, 새우 껍질로부터 얻어진 키틴을 고온, 알칼리 처리 하여 생산하고 있다.

키토산은 아민기에 의해 양전하를 띠므로 산업적으로 다양하게 이용되고 있다. 효소 및 균체의 고정화, 점도 조절제, 접착제, 응집제, 금속이온의 착물화 등에 이용되고 있으며, 식품공업과 의료공업에서 기능성 성분으로 활용되고 있다.

키틴이나 키토산을 섭취했을 경우의 생리활성 기능은 혈압조절 작용, 항균 ·항곰팡이 작용, 장 기능의 개선(소화흡수 촉진작용), 탈취효과, 콜레스테롤 개선작용, 응집작용, 면역증강 작용, 중금속 흡착성, 지혈효과, 항암효과, 항종양 활성, 노화의 억제, 체질의 개선, 생체리듬의 조절, 병후 회복의 촉진, 간 기능의 강화, 혈당상승의 억제, 관절염의 치료 효과 등이 보고되었다.

본 발명의 목적은 심각한 환경문제를 야기하고 있는 음식물 찌꺼기와 농축산 부산물들을 보다 효율적으로 처리·활용함으로써 음식물 찌꺼기, 농축산 부산물에 관련된 환경문제를 해결함과 동시에 고부가가치를 창출하고자 하는 것이다.

본 발명의 목적은 키토산 생산 미생물을 이용하여 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물을 발효시켜 항암 작용, 면역력 강화, 콜레스테롤의 조절, 혈당의 조절, 장기능의 개선, 중금속의 흡착과 배설, 산성체질의 개선 등에 효과가 있는 키토산을 생산하는 방법을 제공하며, 새우나 게 등의 갑각류에서 키틴/키토산을 분리할 때, 그 과정에서의 화학처리는 2차적인 오염을 발생시키지만 미생물을 이용하게되면 이 문제를 해결할 수 있다. 또한, 키토산을 보다 저렴한 비용으로 생산할 수 있도록 함과 동시에 키토산을 함유한 고품질의 사료를 생산하는 기술을 확립함으로써, 음식물 찌꺼기 및 농축산 부산물을 보다 효율적으로 처리하고 재이용하고자 하는 것이다.

도1은 Gongronella butleri USDB0201의 키토산 발효의 시간대별 진행을 보여주는 그래프

본 발명에 따라, 키토산 생산 미생물을 이용하여 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물로부터 키토산을 생산하고 키토산 함유 사료를 생산하는 방법이 제공되며, 발효 원료로 사용되는 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물을 액화 및 당화하여 전처리하는 공정, 전처리된 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물을 발효시키는 공정에 의해 키토산을 생산하고, 사료화 과정을 거친 최종 생산물은 키토산 함유 사료로 사용한다.

본 발명에서 원재료는 일반적으로 가정, 음식점, 집단 급식소, 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 피 등을 포함하고 있어서 본 발명에 따른 방법에 의해 키토산을 생성할 수 있는 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물을 의미한다.

전처리 공정은, 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물을 분쇄기로 분쇄하여 증기로 찐(증자한) 후에 가수분해 효소나 이들 효소를 생산할 수 있는 곰팡이류를 포함하는 누룩을 처리하거나 또는 묽은 황산을 이용하여 액화 및 당화시키는 공정이다. 키토산 발효공정은 전처리된 음식물 찌꺼기 및 농축산 부산물을 멸균한 후 활성이 강한 키토산 생산 미생물을 사용해 키토산을 생산하는 공정이고, 발효 후 생산물은 사료화 과정을 거친 후 키토산 함유로 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, 100℃)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 가수분해 처리 방법으로는 전분과 (헤미)셀룰로스를 포도당과 크실로스로 가수분해하는 α-아밀라제(α-amylase), 글루코아밀라제(glucoamylase), 크실란아제(xylanase), 셀룰라제(cellulase)와 같은 산업용 가수분해 효소의 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 가수분해 효소를 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., Bacillus sp., Candida sp., 젖산 박테리아 등)을 함유하고, 이들 미생물에 포함된 아밀라제(α-amylase, glucoamylase), 프로테아제등의 효소 작용으로 당과 아미노산 등의 분해산물을 생성하는 시중으로부터 구입 가능한 통상의 누룩을 의미한다.

원료 전처리 공정이 끝나면 멸균처리(예, 121℃에서 15분)한 후, 활성을 강화시킨 키토산 생산 미생물을 접종하고, 활성온도(25℃)로 발효온도를 유지하며 키토산을 발효시킨다. 이 과정에서 전처리된 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물에 포함된 당성분이 발효되어 키토산이 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 키토산이 함유되어 있으므로, 게나 새우 등의 갑각류에서 추출 생산한 키토산과 동일한 효능을 갖는 키토산함유 사료가 된다.

키토산은 면역력 강화, 노화 억제, 질병 예방, 병으로부터의 회복 촉진, 생체리듬의 조절, 세균 및 곰팡이의 발생 예방에 효과가 있다. 게나 새우 등의 갑각류에서 추출한 키토산보다는 미생물에 의한 생물공학으로 대량 생산한 키토산 함유 사료는 경제성 뿐만아니라, 갑각류에서 추출하는 과정에서 발생하는 2차 폐기물 (폐수 포함)도 막을 수 있고, 가축들에 있어 질병에 저항효과가 커지게 하며 영양효과가 좋게 하는 효과를 얻을 수 있다. 따라서 본 발명에 의하면, 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물로부터 키토산을 얻는것과 동시에 양질의 사료를 얻을 수 있게 된다.

이하, 본 발명에 따른 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물로부터 키토산을 생산하는 방법을 구체적인 실시예를 통해 상세히 설명한다. 이하의 구체예는 본 발명에 따른 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물로부터 키토산을 생산하는 방법을 예시적으로 설명하는 것일뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 아니한다.

실시예 1 : 누룩에 의한 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물의 액화 및 당화

음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물을 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 농축산 부산물을 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 주석산 나트륨을 녹여 증류수에 의해 250㎖로 맞춘 시약을 제조하고, 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.

(표1)

실시예 2: 가수분해 효소처리에 의한 음식물 찌꺼기 및 농축산 부산물의 액화 및 당화

분쇄기를 사용하여 음식물 찌꺼기 및 농축산 부산물을 잘게 분쇄하여 100℃의 증기로 40분간 증자한 후, 산업용으로 시판되는 가수분해 효소인 α-아밀라제, 글루코아밀라제, 크실란아제 및 셀루라제를 각각 사용하여 가수분해 반응을 시킨다음, 실시예 1과 동일한 방법으로 당화정도를 측정하였다(표2). 이때 각 효소반응의 기질로서는 물 1L에 200g(건조중량)의 음식물 찌꺼기 및 농축산 부산물을 균일하게 혼합한 것을 사용하였고, 50℃로 맞춘 진탕배양기에서 170rpm으로 18시간 동안 반응시켰다. 표2에 나타난 것처럼 글루코아밀라제를 처리했을 때 당화율이 가장 좋은 것으로 나타났다.

(표2)

실시예 3 : 묽은 황산에 의한 음식물 찌꺼기 및 농축산 부산물의 액화 및 당화

음식물 찌꺼기 및 농축산 부산물을 잘게 분쇄하여 100℃의 증기로 40분간 증자한 후, 여러 가지 농도의 묽은 황산을 첨가하여 가수분해 반응을 진행시키고 전술한 방법으로 당화정도를 측정하였다(표3). 이때의 반응은 물1L에 200g(건조중량)의 음식물 찌꺼기 및 농축산 부산물을 균일하게 혼합한것을 사용하여 121℃에서 15분간 진행하였다.

(표3)

실시예 4 : Gongronella butleri USDB0201에 의한 키토산 발효

실시예 1에 따라 누룩으로 액화 및 당화시킨 음식물 찌꺼기와 농축산 부산물에 USDB(미국)에 기탁된 기탁된 기탁번호 USDB0201의 Gongronella butleri를 접종하여 진탕배양기에서 25℃, 200rpm으로 키토산 발효를 7일간 진행시켰으며, 그 결과를 도1에 나타내었다. 도1에 도시된 바와 같이, 발효시간이 경과함에 따라 미생물과 키토산 생산량이 증가하였고 당성분 (sugars)의 양은 감소하였다. 발효 3일 경과 시점에서 미생물 농도 22.5g/L과 최대 키토산 농도 1.3g/L를 얻을 수 있다.

실시예 5 : 키토산 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 키토산을 함유한 기능성 사료로 활용할 수 있다.

이상에서 설명한 발명에 따른 음식물 찌꺼기 또는 농축산 부산물로부터 키토산을 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

폐기되는 음식물 찌꺼기와 농축산 부산물을 가수분해 효소, 상기 가수분해 효소를 생산할 수 있는 곰팡이류를 포함하는 누룩 또는 묽은 황산을 이용하여 액화 및 당화시키는 공정; 액화 및 당화된 음식물 찌꺼기와 농축산 부산물을 키토산 생산 미생물을 이용해 발효시키는 공정; 및 미생물에 의해 발효가 진행된 키토산 함유 발효액을 사료화하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 음식물 찌꺼기와 농축산 부산물로부터 키토산을 생산하는 방법
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 키토산을 생산하는 방법
제1항에서 있어서, 상기 가수분해 효소인 α-아밀라제, 글루코아밀라제, 크실란아제 및 셀룰라제로부터 선택되는 적어도 하나의 효소인 것을 특징으로 하는 음식물 찌꺼기와 농축산 부산물로부터 키토산을 생산하는 방법
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 키토산 생산 미생물은

Gongronella butleri USDB0201인 것을 특징으로 하는 음식물 찌꺼기와 농축산 부산물로부터 키토산을 생산하는 방법
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 키토산을 생산하는 방법