KR20020027003A - 복합 효소반응을 이용한 고순도 글루코노-델타-락톤의제조방법 - Google Patents

복합 효소반응을 이용한 고순도 글루코노-델타-락톤의제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복합 효소반응을 이용한 고순도 글루코노-델타-락톤의 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 20∼50중량%의 포도당 함유하는 포도당 용액에 포도당 고형분 기준으로 옥시다제 0.5∼3.0중량% 및 카탈라제 0.5∼3.0중량%를 투입하고, 산소를 0.2∼0.8vvm으로 공급하면서, 30∼40℃의 온도범위 및 5.0∼8.0의 pH 범위에서 반응시키는 복합 효소반응을 이용한 고순도 글루코노-델타-락톤의 제조방법에 관한 것이다. 상기 방법은 경제적으로 고순도의 글루코노-델타-락톤을 제조할 수 있는 효과가 있다.

Description

복합 효소반응을 이용한 고순도 글루코노-델타-락톤의 제조방법{Method for preparing high purity Glucono-delta-Lactone using a complex enzyme reaction}
본 발명은 복합 효소반응을 이용한 고순도 글루코노-델타-락톤의 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 포도당 산화효소인 글루코스 옥시다제(Glucose Oxidase)와 과산화수소 분해효소인 카탈라제(Catalase)의 복합적인 효소반응을 이용하여 고순도의 글루코노-델타-락톤을 제조하는 방법에 관한 것이다.
글루코노-델타-락톤(Glucono-delta-Lactone)은 포도당이 산화하여 형성되는 유기산 전구물질의 일종으로 김치, 과일, 벌꿀, 포도주 등에 존재하는 부드러운 산미제이다. 천연물질인 글루코노-델타-락톤은 인체내로 쉽게 흡수되고 대사과정을 거치면서 쉽게 분해되며 무해하기 때문에 미국의 식품의약국(FDA)에서 이미 안정한 식품첨가물로 인정하였다.
포도당이 산소가 존재하는 조건에서 글루코스 옥시다제에 의해 산화되면 글루코노-델타-락톤과 과산화수소로 전환되고, 여기서 발생한 과산화수소는 카탈라제에 의해 물과 산소로 분해된다. 이 과정을 요약하면 하기 반응식 1과 같다.
글루코스 + O2→ 글루코노-델타-락톤 + H2O2
H2O2→ H2O + 1/2 O2
글루코노-델타-락톤은 수용액이 되면 pH가 급격하게 변하는 일반적인 유기산과는 달리 수용액 중에서 서서히 가수분해되어 글루콘산(Gluconic acid)과 델타- 및 감마-락톤이 평형상태를 이루며 지속적으로 pH 조절작용을 하므로 식품의 산도조절제로 널리 사용된다. 또한 글루코노-델타-락톤의 수용액은 부드러운 산미를 가지므로 쥬스나 청량음료 등에 사용되기도 한다(한국 공개특허 제93-14138호, 제99-7314호, 제99-16434호, 제99-15580호 및 제99-49772호 참조).
글루코노-델타-락톤은 특정한 식물성 및 동물성 단백질을 응고시키며 이렇게 응고된 제품은 균일하게 조직이 형성되고 수율이 증대되는 특징을 갖는다. 이런 특징으로 인해 글루코노-델타-락톤은 대두 단백질의 응고제품인 두부나 유단백질을 이용한 치즈의 제조에 사용된다.
또한 글루코노-델타-락톤은 산패작용의 주요한 원인이 되는 금속이온과 결합할 수 있으므로 식품첨가제로 사용되어 식품의 안정성과 저장성을 증대시키는 역할을 하기도 한다.
축산육이나 어육의 가공산업에서 제품의 색도를 유지하기 위해 유기산을 사용하는데 이때 육질의 일부분이 유기산과 반응하며 급격한 산도변화에 의해 육질이 응고되며 품질을 저하시키는 현상이 발생하지만, 글루코노-델타-락톤을 사용하면 색도가 더욱 안정되기 때문에 햄이나 소세지 등의 제조에 있어서 상품성이 증대된제품을 생산할 수 있다.
또한 글루코노-델타-락톤은 의약품과 관련하여 비타민제제의 경우 안정제로 사용되고, 피부자극 완화제로써 핸드로션이나 크림 등의 화장품에 사용되기도 한다.
이런 다양한 용도를 갖는 글루코노-델타-락톤은 현재 미생물 발효를 통해 생산되고 있다. 일반적으로 아스퍼질러스(Aspergillus)속 곰팡이가 포도당 산화효소인 글루코스 옥시다제와 과산화수소 분해효소인 카탈라제를 동시에 생성하므로 아스퍼질러스속 곰팡이를 발효하면서 포도당을 투입하는 유가식 배양방법을 수행하게 되는데, 이때 곰팡이가 생성한 효소에 의해 발효조에 투입된 포도당이 글루코노 -델타-락톤으로 전환된다. 이렇게 발효가 끝난 배양액에서 균체를 제거하는 후속공정을 통해 최종적으로 글루코노-델타-락톤을 생산한다. 미국특허 제4,256,645호에 따르면, 유기용매, 및 팔라듐 또는 플라티늄 촉매 존재하에서 글루코스를 산소와 접촉시켜 글루코노-델타-락톤을 제조하는 공정을 개시하고 있다.
그러나 곰팡이를 이용한 발효방법에 의해 생산되는 글루코노-델타-락톤은 발효과정 중에서 곰팡이의 복잡한 대사과정을 통해 생성되는 다양한 부산물과 배지 성분 등이 혼입되어 있기 때문에 고순도의 글루코노-델타-락톤을 생산하기 어렵다. 또한 발효중 미생물균체의 생장을 유지하기 위해 투입되는 산도 조절제로 일반적으로 가성소다를 사용하는데 여기에 포함된 나트륨 이온이 글루코노-델타-락톤 분자와 결합하여 소듐-글루코네이트(Na-Gluconate)를 형성하므로 고순도의 글루코노-델타-락톤을 생산하기 어려우며 글루코노-델타-락톤에 혼입된 소듐-글루코네이트를제거하는 것은 현실적으로 어렵다.
또한 글루코노-델타-락톤을 생산하는데 소요되는 포도당을 균체가 생장하면서 탄소원과 에너지원으로 사용하기 때문에 투입된 포도당에 대한 글루코노-델타-락톤의 생산수율도 경제적이지 못하다.
글루코노-델타-락톤의 생산은 미생물 균체의 생장에 따라 진행되므로 미생물의 배양기간이 글루코노-델타-락톤의 생산에 소요되는 기간이 된다. 따라서 포도당이 효소반응에 의해 글루코노-델타-락톤으로 전환되는 실제 반응시간은 매우 짧으나, 이와는 별도로 미생물의 배양기간이 3일 이상 소요되기 때문에 글루코노-델타-락톤의 생산을 위해서는 3일 이상의 기간이 소요된다.
이에 본 발명자들은 복합적 효소반응을 이용한 경제적인 고순도 글루코노-델타-락톤을 생산하는데 필수적인 글루코스 옥시다제와 카탈라제의 효소반응조건에 대해 온도, 산도, 투입되는 포도당의 농도, 공급되는 산소량 등을 결정하였으며, 투입되는 글루코스 옥시다제와 카탈라제의 효소량을 결정하여 최종적으로 가장 경제적으로 고순도의 글루코노-델타-락톤을 제조하는 방법을 고안하게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 글루코스 옥시다제와 카탈라제의 복합적 효소반응을 이용하여 경제적으로 고순도 글루코노-델타-락톤을 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 온도, 산도, 투입되는 포도당의 농도, 공급되는 산소량, 투입되는 글루코스 옥시다제와 카탈라제의 효소량에 대해 최적의 효소반응조건을 설정하고 이에 따라 가장 경제적으로 고순도의 글루코노-델타-락톤을 생산하는 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 복합 효소반응을 이용한 고순도 글루코노-델타-락톤의 제조방법은 20∼50중량%의 포도당 함유하는 포도당 용액에 포도당 고형분 기준으로 옥시다제 0.5∼3.0중량% 및 카탈라제 0.5∼3.0중량%를 투입하고, 산소를 0.2∼0.8vvm으로 공급하면서, 30∼40℃의 온도범위 및 5.0∼8.0의 pH 범위에서 반응시키는 것으로 구성된다.
이하 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
본 발명에 따르면, 글루코노-델타-락톤의 가장 경제적인 생산을 위해서는 기존의 미생물 발효를 통한 생산방식에서 탈피하여 실질적인 복합적 효소반응 즉, 포도당을 글루코노-델타-락톤으로 전환시키는 글루코스 옥시다제의 반응과 여기서 생성되는 과산화수소를 분해하는 카탈라제의 반응을 이용한 생산방식으로 전환해야 한다.
그러면 균체를 제거하고 부산물을 제거하는 후속공정이 필요없게 되며 포도당을 곧바로 글루코노-델타-락톤으로 전환하기 때문에 고순도의 글루코노-델타-락톤을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 생산수율에 있어서도 훨씬 유리하다. 또한 짧은 효소반응을 통해 글루코노-델타-락톤이 생산되기 때문에 생산에 소요되는 기간도 단축할 수 있다. 이는 단위 시간당 생산성을 극대화할 수 있으므로 글루코노-델타-락톤을 위해 필요로 하는 기계설비에 대한 투자도 상대적으로 절약할 수 있으므로 글루코스 옥시다제와 카탈라제의 복합적 효소반응을 통한 고순도의 글루코노-델타-락톤을 경제적으로 생산할 수 있다.
복합적으로 효소반응을 이용해서 고순도의 글루코노-델타-락톤을 생산하기 위해서는 각 효소의 특성과 효소반응에 영향을 주는 각각의 요소들에 대한 조건을 설정하여 최적의 효소반응을 유지하는 것이 필요하다.
본 발명에 따른 고순도의 글루코노-델타-락톤은 20∼50중량%의 포도당 함유하는 포도당 용액에 포도당 고형분 기준으로 옥시다제 0.5∼3.0중량% 및 카탈라제 0.5∼3.0중량%를 투입하고, 산소를 0.2∼0.8vvm으로 공급하면서, 30∼40℃의 온도범위 및 5.0∼8.0의 pH 범위에서 반응시켜 제조된다.
본 발명에 사용되는 포도당 용액은 고형분의 농도가 20∼50중량%인 것이 반응효율면에서 바람직하며, 본 발명에 사용된 글루코스 옥시다제는 시판중인 아스퍼질러스 니이거 (Aspergillus niger)에서 유래한 효소를 구입하여 사용하였으며, 카탈라제는 시판중인 마이크로코커스 리소데익티쿠스(Micrococcus lysodeikticus)에서 유래한 효소를 구입하여 사용하였다. 상기 옥시다제 및 카탈라제의 사용량은 각각 포도당 고형분 기준으로 옥시다제 0.5∼3.0중량%와 카탈라제 0.5∼3.0중량%가 바람직하다.
또한, 포도당을 글루코노-델타-락톤으로 전환하기 위해서는 글루코스 옥시다제가 필요하며 이 효소반응을 최적으로 수행하기 위해서는 산소가 반드시 공급되는 조건이어야 한다. 산소를 공급하는 방법은 공기를 주입하거나 순수한 산소를 주입하기도 한다. 본 발명에서는 최적의 효소반응조건을 유지하기 위해 산소를 주입하였다. 산소의 공급량은 0.2∼0.8vvm이 바람직하다. 아울러, 최적의 반응온도는 30∼40℃가 바람직하며, 최적의 pH는 5.0∼8.0이 바람직하다.
효소반응기는 기존의 발효기를 본 발명의 목적에 적합하도록 공기주입장치와 산도 조절장치를 약간 변형하여 사용하였고, 반응속도의 조절을 위해 경우에 따라서는 교반장치를 부착하여 사용하였다.
본 발명에 따라 글루코스 옥시다제와 카탈라제의 복합적 효소반응을 이용하여 경제적으로 고순도 글루코노-델타-락톤을 생산하는 방법에 대해서는 하기 실시예에서 보다 상세히 설명하지만, 이에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
최적 효소반응에 대한 온도의 영향
최적의 효소반응조건에 대한 반응온도의 영향을 확인하기 위하여 반응기의 온도를 25℃, 30℃, 35℃, 40℃, 45℃로 설정한 후, 트라이얼 앤 에러(Trial and Error) 방법과 직교배열표에 대한 통계적 실험방법에 의해 주인자를 변화시키고, 보조인자를 단일화하는 변형된 방법으로 부가적인 효소 반응조건을 단일화하고, 효소반응을 통해 전환된 포도당에 대한 글루코노-델타-락톤의 전환율을 조사한 결과는 하기 표 1에 제시한 바와 같다.
30∼40℃에서 포도당을 글루코노-델타-락톤으로 원활하게 전환하였으며 30℃ 보다는 35℃에서, 35℃ 보다는 40℃에서 더욱 높은 전환율을 보였는데, 이는 온도에 따라 효소의 반응성이 증가된 결과이다. 그러나 45℃에서는 전환율이 낮아지는 현상을 보였는데 이는 온도증가에 따른 효소의 불안정에서 기인한 것으로 파악된다.
최적 효소반응 온도의 영향
온 도 전 환 율
25℃ 72.3 %
30℃ 87.7 %
35℃ 92.2 %
40℃ 97.8 %
45℃ 83.4 %
실시예 2
최적 효소반응에 대한 pH의 영향
최적 효소반응조건에 대한 pH의 영향을 확인하기 위하여 수산화나트륨용액을 이용하여 효소반응이 진행되는 동안 반응기 내의 반응물의 pH가 각각 3.5, 4.0, 4.5, 5.0, 5.5, 6.0, 6.5, 7.0, 7.5, 8.0, 8.5가 되도록 조절하면서 실시예 1과 같이 효소반응을 통해 투입된 포도당에 대한 글루코노-델타-락톤의 전환율을 측정한 결과를 하기 표 2에 제시하였다.
이 결과에 따르면 pH 5.0∼8.0 범위에서 85% 이상의 높은 전환율을 보였으며, pH 6.0에서 97.3%의 최고 전환율을 보였다.
최적 효소반응 pH의 영향
조절 pH 전 환 율
3.5 53.4 %
4.0 61.7 %
4.5 83.5 %
5.0 87.9 %
5.5 94.6 %
6.0 97.3 %
6.5 96.2 %
7.0 90.1 %
7.5 88.6 %
8.0 85.4 %
8.5 82.2 %
실시예 3
최적 효소반응에 대한 포도당 농도의 영향
최적의 효소반응 포도당 농도의 영향을 확인하기 위하여 투입되는 포도당 용액의 농도를 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%로 조정한 후, 실시예 1과 같이 효소반응을 통해 투입된 포도당 농도에 대한 글루코노-델타-락톤의 전환율을 조사한 결과를 하기 표 3에 제시하였다.
최적 효소반응에 대한 포도당 농도의 영향
포도당 농도 전 환 율
20 % 97.2 %
25 % 99.3 %
30 % 98.9 %
35 % 97.3 %
40 % 92.5 %
45 % 89.2 %
50 % 80.4 %
실시예 4
효소반응에 대한 산소의 영향
실시예 1과 같은 조건하에서 최적의 효소반응에 대한 산소의 영향을 조사하기 위하여 반응기에 각각 공기 또는 산소를 주입하면서 포도당에 대한 글루코노-델타-락톤의 전환율이 95%가 되었을 때의 시간을 측정하여 결과를 하기 표 4에 나타냈다.
효소반응에 따른 공기 및 산소의 영향
반응기에 주입한 기체성분 95% 전환되었을 때의 시간
공기 22.8 Hrs
산소(O2가스) 7.2 Hrs
실시예 5
최적 효소반응에 대한 산소주입량의 영향
최적의 효소반응에 대한 산소농도의 영향을 확인하기 위하여 산소주입량을 각각 0.2vvm, 0.4vvm, 0.6vvm, 0.8vvm, 1.0vvm이 되도록 조절한 후, 실시예 1과 같이 포도당에 대한 글루코노-델타-락톤의 전환율을 조사한 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
최적 효소반응에 대한 산소주입량의 영향
산소주입량 전 환 율
0.2 vvm 95.6 %
0.4 vvm 98.3 %
0.6 vvm 99.2 %
0.8 vvm 98.9 %
1.0 vvm 97.2 %
실시예 6
최적 효소반응을 위한 글루코스 옥시다제 농도의 영향
최적 효소반응을 위해 투입하는 글루코스 옥시다제의 농도를 결정하기 위하여 포도당에 대하여 각각 0.5%, 1.0%, 1.5%, 2.0%, 2.5%, 3.0%가 되도록 효소를 첨가하여 반응시킨 후, 실시예 1과 같이 포도당에 대한 글루코노-델타-락톤의 전환율을 조사한 결과를 하기 표 6에 나타냈다.
글루코스 옥시다제 농도의 영향
글루코스옥시다제 농도 전 환 율
0.5 % 88.2 %
1.0 % 93.5 %
1.5 % 95.2 %
2.0 % 99.3 %
2.5 % 99.9 %
3.0 % 100.0 %
실시예 7
최적 효소반응에 대한 카탈라제 농도의 영향
최적 효소반응을 위한 카탈라제의 농도를 결정하기 위하여 포도당에 대하여 각각 0.5%, 1.0%, 1.5%, 2.0%, 2.5%, 3.0%가 되도록 첨가하여 반응시킨 후, 실시예 1과 같이 포도당에 대한 글루코노-델타-락톤의 전환율을 조사한 결과를 하기 표 7에 나타내었다.
카탈라제 농도의 영향
카탈라제 농도 전 환 율
0.5 % 82.5 %
1.0 % 97.2 %
1.5 % 99.2 %
2.0 % 99.9 %
2.5 % 100.0 %
3.0 % 100.0 %
실시예 8
35중량%의 포도당 함유하는 포도당 용액에 포도당 고형분 기준으로 옥시다제2중량% 및 카탈라제 2중량%를 투입하고, 산소를 0.5vvm으로 공급하면서, 35℃ 및 pH 6.5에서 약 7시간 반응시켰다. 이때의 수율은 98% 이상이었으며, 순도는 99% 이상이었다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 방법은 글루코스 옥시다제와 카탈라제의 복합적 효소반응을 이용하여 경제적으로 고순도의 글루코노-델타-락톤을 제조할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

  1. 20∼50중량%의 포도당 함유하는 포도당 용액에 포도당 고형분 기준으로 옥시다제 0.5∼3.0중량% 및 카탈라제 0.5∼3.0중량%를 투입하고, 산소를 0.2∼0.8vvm으로 공급하면서, 30∼40℃의 온도범위 및 5.0∼8.0의 pH 범위에서 반응시키는 것을 특징으로 하는 복합 효소반응을 이용한 고순도 글루코노-델타-락톤의 제조방법.
KR1020000058137A 2000-10-04 2000-10-04 복합 효소반응을 이용한 고순도 글루코노-델타-락톤의제조방법 KR20020027003A (ko)

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