KR20020032310A

KR20020032310A - 옥피로부터 수용성 식이섬유의 제조 방법

Info

Publication number: KR20020032310A
Application number: KR1020010063445A
Authority: KR
Inventors: 우동호; 김진건
Original assignee: 김일웅; 주식회사 삼양제넥스
Priority date: 2000-10-24
Filing date: 2001-10-15
Publication date: 2002-05-03
Also published as: KR100413384B1

Abstract

본 발명은 옥피를 이용한 수용성 식이섬유의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 옥수수전분을 생산하기 위한 습식 공정에서 발생되는 부산물인 옥수수 껍질(옥피)에서 효소를 이용하여 전분 및 단백질을 제거한 다음 알칼리 추출, 효소 처리, 여과, 정제 및 건조하여 헤미셀룰로스(hemicellulose)가 주성분을 이루는 저점도, 고투명도의 수용성 식이섬유를 높은 수율로 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명으로 제조된 수용성 식이섬유는 각종 음료 및 식품 등에 식이섬유 강화를 위해 범용적으로 사용 가능하고 또한 유화안정성도 매우 뛰어나 마요네즈, 드레싱 또는 아이스크림 등 각종 유화 식품에 사용될 수 있다.

Description

옥피로부터 수용성 식이섬유의 제조 방법{Method for preparing soluble dietary fiber from corn hull}

본 발명은 옥피로부터 수용성 식이섬유를 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 식이섬유는 "사람의 소화 효소로 소화되지 않는 식물 중의 난소화성 성분의 총체"라고 정의된다.

식이섬유는 용해성에 따라 불용성 및 수용성으로 구분되며, 후자의 경우 혈청 콜레스테롤 상승억제 효과가 우수한 것으로 알려지고 있는데 수용성 식이섬유의 지질대사 개선 작용의 메커니즘은 소화관에서의 지질 흡수의 저해, 담즙산의 배설 촉진, 대장에서 섬유소의 발효로 발생되는 단쇄 지방산, 특히 프로피온산 (propionic acid)이 간장에서의 콜레스테롤 생합성을 억제하는 점 등을 들 수 있다. 대표적인 불용성 식이섬유로는 셀룰로스, 리그닌 등을 들 수 있으며, 수용성 식이섬유로는 구아검, 아라비아검, 펙틴 및 헤미셀룰로스 등이 있다. 또한, 과거부터 곡물 등의 식물 세포벽 및 세포 내용물에 포함되어 있는 식물성의 난소화성 성분 등을 조섬유라고 칭해 왔는데 대표적인 것으로 쌀, 옥수수와 같은 곡류 및 두류의 껍질을 들 수 있다.

한편, 옥수수전분을 제조하는 경우 습식처리공정으로 생산되는 옥피는 식이섬유 함량이 높으며, 특히 헤미셀룰로스가 다른 곡류의 외피보다 풍부하게 함유되어 있어 우수한 식이섬유 소재로서 이용될 수 있다. 헤미셀룰로스는 셀룰로스 및 펙틴질을 제외한 식물 세포벽을 구성하는 다당류의 총칭으로, 단당류가 중합되어 복잡하게 결합되어 있는데 불용성의 헤미셀룰로스 A와 수용성인 헤미셀룰로스 B로 구분되며, 수용성의 헤미셀룰로스 B는 5탄당인 자일로스와 아라비노스로 이루어진 다당류인 아라비노자일란(arabinoxylan)을 주성분으로 하고 있다. 아라비노자일란은 사람의 소화 효소로 분해되지 않는 β-1,4-결합을 가지기 때문에 우수한 식이섬유 소재가 될 수 있다.

곡류의 껍질을 이용하여 식이섬유를 제조하는 방법에 대해서는 다음과 같은 여러가지 제안이 있어 왔다:

일본공개특허 평성 1-242530은 옥피에 글루코아밀라제를 40 ℃에서 24시간동안 작용시켜 전분을 제거하고 0.5N 수산화나트륨 용액(2%)을 가해 실온에서 18시간동안 추출한 다음 원심분리한 액에 트리클로로아세트산을 첨가하여 단백질을 침전시킨 후 원심분리액을 셀로판 튜브에 넣어 3일간 물로 투석시키고 에탄올을 가해 방치시켜 얻어지는 침전(최종 수율 : 13%)을 회수하는 방법에 대해 제시하고 있다.

일본공개특허 평성 3-209331은 옥수수 습식공정에서 생산된 옥피를 물과 혼합된 상태에서 호모게나이저로 처리하여 체로 사별한 다음 잔사에 수산화나트륨 또는 수산화칼슘 용액을 가해 추출하고 원심분리액을 pH 7로 중화한 다음 그대로 드럼 드라이어를 통해 건조하거나 중화액에 알칼리 자일라나제를 처리한 후 각종 정제 과정을 거쳐 분무건조하여 분말로 하는 방법에 대해 제시하고 있다.

일본공고특허 평성 6-11764는 탈지 미강을 원료로 열수하에서 내열성 아밀라제를 첨가하여 전분을 제거하고 pH 10 이상의 알칼리 또는 pH 3 이하의 산성 조건하에서 추출하여 얻어진 수용성 헤미셀룰로스 B획분 함유액을 중화한 후 한외여과막으로 여과하여 불용성 성분을 제거하고 정제 공정을 거쳐 수용성 헤미셀룰로스 (최종 수율 : 3.5 ~ 8%)를 제조하는 방법에 대해 제시하고 있다.

WO 98-40413은 옥피로부터 내열성 알파-아밀라제를 이용하여 전분질을 제거하고 수산화나트륨과 수산화칼슘의 혼합용액을 과산화수소와 병용하여 추출한 다음 황산으로 pH를 낮춘 후 헤미셀룰로스 A와 같은 불용성 물질을 한외여과하고 농축후 바로 분무건조하거나 알코올 침전을 유도하여 색상이 개선되고 점도가 낮은 콘화이버검 (최종 수율 : 3%)을 제조하는 방법에 대해 제시하고 있다.

이와 같은 선행 기술의 방법들은 곡류의 외피로부터 수용성 식이섬유를 제조하는데 있어서 전분 및 단백질 제거시 물리적 또는 효소 처리 후 원심분리함으로써 미세 섬유소까지 제거되어 옥피의 손실이 초래되고 알칼리 추출시 물에 대해 용해도가 낮은 수산화칼슘을 이용함으로 인해 추출효율 저하와 함께 최종 시료의 회분 함량이 높을 수 있고 이로 인해 정제 과정에 과부하가 초래된다. 또한 알칼리 추출 후 원심분리함으로써 추출액을 최대로 회수할 수 없어 최종 수용성 식이섬유의 수율이 전반적으로 낮게 되는데 종래의 최대 회수율은 13% 정도이다. 또한, 알코올 등과 같은 유기용매를 이용함으로써 공정의 복잡성이 가중되는 점 등은 여전히 산업화의 장애가 되어 왔다.

본 발명은 옥피로부터 헤미셀룰로스가 주성분인 저점도 및 고투명도의 수용성 식이섬유를 높은 수율로 제조하는 방법을 제공하는 것이다

본발명은 옥피로부터 수용성의 저점도 식이섬유를 높은 수율로 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 방법은

(i) 옥피로부터 전분 및 단백질을 제거하는 공정;

(ii) 전분 및 단백질이 제거된 옥피를 알칼리 용액으로 추출하고 여과하는 공정 ;

(iii) (ii)단계에서 얻은 알칼리 추출액에 셀룰라제와 셀로비아제를 처리하여 반응시키는 공정;

(iv) (iii)단계에서 얻은 효소 반응액에 흡착제를 처리하고 막여과를 통하여 여과액을 얻는 공정; 및

(v) 상기 여과액을 정제하는 공정으로 이루어진다.

본 발명의 방법에서 필요한 경우, 투명도 및 여과성 등을 더욱 향상시키기 위해 (iii) 단계에서 자일라나제를 추가로 처리할 수 있다. 또한, 바람직하게는 상기 단계 (iii)의 효소반응을 하기전에 알칼리 추출액에 대해 탈염 및 탈색처리를 위한 이온교환수지 처리를 수행하는 공정을 추가로 포함할 수 있다.

본 발명에 사용되는 옥피는 상업적으로 용이하게 입수할 수 있으며, 품질 수준은 시중에 유통되고 있는 것이면 특별한 한정 없이 사용할 수 있다.

본 발명에서 옥피 중의 전분 및 단백질을 제거하는 방법은 일반적으로 알려진 방법, 예를 들어 효소처리 방법, 즉 아밀라제, 글루코아밀라제 등의 전분 분해 효소와 단백질 분해 효소를 처리하는 방법을 이용할 수 있다. 1개의 전분분해 효소와 단백질 분해 효소를 동시에 처리하거나, 하나씩 처리할 수 있다.

본 발명에서는 효소를 이용하여 옥피 중의 전분 및 단백질을 제거한 후 여과포를 이용하여 여과함으로써 옥피의 회수율을 향상시킬 수 있다.

옥피 중 70% 이상을 차지하고 있는 헤미셀룰로스를 추출하기 위해 알칼리 용액을 사용하여 고온에서 교반한다. 알칼리 용액은 수산화나트륨 단독 또는 수산화나트륨과 수산화칼슘을 병용해서 사용할 수 있고, 수산화나트륨 단독으로 사용하는 경우 더 높은 회수율, 식이섬유함량 및 작업공정상의 잇점을 기대할 수 있다. 헤미셀룰로스를 효과적으로 추출하기 위하여 저농도의 수산화나트륨을 사용하는 것이 바람직하다. 알칼리 용액으로 추출한 후 여과포를 이용하여 여과함으로써 추출액의 회수율을 최대로 할 수 있다.

추출액을 산으로 중화한 후 셀룰라제와 셀로비아제 또는 이 두 효소와 함께 자일라나제를 동시 첨가하여 반응시킬 수 있고 바람직하게는 셀룰라제, 셀로비아제 및 자일라나제를 처리함으로써 수용성 식이섬유의 수율을 향상시킴과 동시에 추출액의 점도를 저하시킬 수 있고 투명도를 향상시킬 수 있으며, 여과성이 좋아져 생산공정상 이롭다.

또는, 알칼리 추출액을 효소로 처리하기 전에 양이온과 음이온 교환수지로탈염 및 탈색하면 이후 첨가되는 효소의 양을 감소시키면서 동질의 수용성 식이섬유를 얻을 수 있다.

효소반응액을 활성탄 등의 흡착체로 처리한 후 최종 막여과를 수행하고, 이온교환수지를 처리함으로써 최종 정제한 다음 농축 후 건조하여 높은 수율로 수용성 식이섬유를 제조할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 옥피를 이용한 수용성 식이섬유의 제조방법을 공정에 따라 기술한다.

제 1공정 : 옥피 중 전분 및 단백질의 제거

옥수수전분 생산시 발생되는 옥피를 5% 정도의 수분 함량이 되도록 오븐에서 건조한 다음 옥피 대비 중량비로 10 내지 20배, 바람직하게는 15배의 증류수와 혼합하고 3 내지 5%의 수산화나트륨 표준 용액으로 pH를 5.8 ~ 6.0으로 맞춘다. 항온수조에 담근 다음 교반하면서 혼합물의 온도를 90 내지 100 로 가열한 후 알파-아밀라아제를 건조 옥피 대비 0.05 내지 5%, 바람직하게는 0.1 ~3% 첨가하여 1 내지 5시간 교반한 다음 여과포를 이용하여 탈수한다. 이때 물로 옥피를 충분히 세척할 수 있다. 알파-아밀라아제는 예를 들어 터마밀(Termamyl; Novo Nordisk LTD.)과 같은 내열성인 것이 바람직하다. 여과포는 일반적으로 사용되는 폴리에스터, 폴리아마이드의 재질로 내부 공극이 36 ~ 100 마이크로미터, 바람직하게는 44 ~ 53 마이크로미터 크기의 것을 사용한다. 전분이 제거된 옥피를 상기와 동일한 양의 증류수에 분산시키고 상기와 동일한 수산화나트륨 용액으로 pH를 7.0으로 하고 45 내지 55℃로 조절한 항온수조에 담근 다음 단백질 분해 효소를 건조 옥피 대비 0.05 ~5%, 바람직하게는 0.2 ~ 2% 첨가하여 1 내지 5시간동안 교반한 다음 상기와 동일한 방법으로 충분히 세척하면서 탈수함으로써 전분 및 단백질이 충분히 제거된 옥피를 얻을 수 있다. 단백질 분해효소는 곰팡이, 예를들어 아스퍼질러스 오라이제(Aspergillus oryzae) 유래의 플라보자임 (Flavourzyme) 또는 바실러스 리케니포미스(Bacillus licheniformis)유래의 알칼라제(Alkalase) 등의 것을 사용할 수 있다. 여과포를 사용하여 탈수한 경우가 원심분리를 이용한 경우보다 옥피의 회수율이 향상됨을 실시예 1에서 볼 수 있다.

제 2 공정 : 알칼리 추출

전분과 단백질이 제거된 탈수 옥피에 알칼리 용액을 첨가하여 헤미셀룰로스를 추출한다. 탈수 옥피는 그대로 사용하거나 또는 약간 건조하여 사용할 수 있다. 수산화나트륨 용액은 0.1 ~ 3%, 바람직하게는 0.5 ~ 0.7%의 저농도 수산화나트륨 용액을 옥피 대비 중량비로 15 내지 25배, 바람직하게는 20 ~ 25배 수준으로 혼합할 수 있다.

탈수 옥피와 알칼리 용액 혼합물을 항온수조에 담근 다음 가열하여 70 내지 90 ℃에서 1 내지 5시간 충분히 교반하면서 헤미셀룰로스를 추출한다. 이어서, 상온으로 냉각한 다음 여과포로 진공 여과하여 추출액을 얻는다. 여과포는 제 1공정의 것과 같은 것을 사용할 수 있다. 실시예 3에서 확인되듯이, 여과포를 사용하여 여과하는 경우, 원심분리를 이용한 경우보다 알칼리 추출액의 회수율과 투명도가 증가되어 결국, 이후 공정에서의 여과성 및 최종 수율의 증가를 가져올 수 있다.

제 3공정 : 탈염 및 탈색

알칼리 추출액를 제조한 후에 셀룰라제, 셀로비아제 및 자일라나제 등의 효소로 처리하는 효소처리공정을 바로 수행할 수도 있으나, 효소처리 공정전에 알칼리 추출액에 대해 이온교환수지를 이용하여 탈염 및 탈색공정을 추가로 수행할 수도 있다. 탈염 및 탈색 처리공정을 추가하는 경우에는 다음 효소처리 단계에서 사용하는 효소량을 줄일 수 있으며, 수율도 높게 나타난다는 장점이 있다.

상기 알칼리 추출액의 탈색 및 탈염은 전분당 제조에서 일반적으로 이용되는 이온교환수지를 이용하여 수행할 수 있다. 예를 들어, 강산성 양이온교환수지, 약염기성 음이온교환수지 등을 이용할 수 있다. 이온교환수지는 건조 옥피 대비 1 내지 10배, 바람직하게는 4배의 부피비로 첨가한다. 이온교환수지는 예를 들어, 양이온의 경우 스티렌계 강산성 수지 SK1B를, 음이온의 경우 스티렌계의 강염기성 Cl형 또는 약염기성 OH형 수지를 사용할 수 있다.

제 4공정 : 효소의 처리

알칼리 추출액 또는 알칼리 추출액에 탈염 및 탈색 처리를 한 추출액에 대해서, 추출액의 pH를 효소가 활성을 나타내는 4.0 내지 5.5, 바람직하게는 4.7~5.0로 조절하고 항온수조에 담근 후 가열하여 효소의 작용 온도로 한 다음 셀룰라제와 셀로비아제를 투입하여 교반하면서 반응시킨다. 바람직하게는, 셀룰라제와 셀로비아제의 투입과 동시에 자일라나제를 추가로 첨가함에 의해 여과성이 향상될 수 있고 저점도, 고투명도의 효소반응액을 얻을 수 있다.

바람직한 효소 사용량은, 알칼리 추출후 바로 효소처리 공정을 수행하는 경우 대략 셀룰라제와 셀로비아제의 사용량이 동일하며 0.1 내지 5 중량%, 바람직하게는 0.1 내지 3%로 처리할 수 있다. 효소 양이 적으면 식이섬유의 점도가 높아져 여과 등 작업성이 저하되며, 효소 양이 많으면 시간을 단축시킬 수 있으나 제조원가가 상승한다.

다만, 알칼리 추출후 이온교환수지를 이용한 탈염 및 탈색 처리공정을 수행한 후에 효소처리 공정을 수행하는 경우에는 셀룰라제 100중량부에 대해 셀로비아제 10 내지 90 중량부를 사용하더라도 동등한 최종 산물을 얻을 수 있다. 셀룰라제의 사용량은 건조 옥피 대비 0.1 내지 5 중량% 사용할 수 있으며, 셀로비아제의 사용량은 0.1내지 5%, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 3%이다.

제5공정 : 흡착제 처리 및 여과 정제

효소 반응액에 건조 옥피 대비 흡착제를 처리한 다음 여과한다. 흡착제로는 활성탄, 폴리스틸렌등의 흡착수지를 사용할 수 있다. 여과를 위해서는 0.5 마이크로미터 이하, 바람직하게는 0.45 ~ 0.2 마이크로미터의 막여과를 통해 투명한 추출액을 얻을 수 있다.

제 6공정 : 최종 정제, 농축 및 건조

추출액의 최종 정제공정은 식이섬유 제조에서 일반적으로 이용되는 이온교환수지를 이용하여 탈염, 탈색 등의 공정으로 수행할 수 있다. 예를 들어, 강산성 양이온교환수지, 약염기성 음이온교환수지, 혼합수지 처리 등을 이용할 수 있다. 교환수지는 건조 옥피 대비 1 내지 10배, 바람직하게는 4배의 부피비로 첨가한다. 혼합수지는 활성화시킨 강산성 양이온교환수지와 강염기성 음이온교환수지를 1 대 2의 부피비로 혼합하여 사용한다. 교환수지는 예를 들어, 양이온의 경우 스티렌계강산성 수지 SK1B를, 음이온의 경우 스티렌계의 강염기성 Cl형 또는 약염기성 OH형 수지를 사용할 수 있다. 최종 정제를 거친 효소반응액을 10%의 농도로 진공 농축한 다음 동결건조 또는 분무건조하여 분말을 얻는다. 제3공정을 하는 경우에는 최종정제 공정에서 양이온, 음이온 수지 처리를 생략할 수도 있으므로 공정을 간단히 할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 설명하기 위한 것으로 이들 실시예에 의해 본 발명의 범위가 한정되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자들에게 있어서 자명할 것이다.

실시예

실시예 1

건조 옥피(수분 함량 2.8%) 50g을 옥피 대비 중량비로 15배의 증류수와 혼합한 다음 정속 교반기로 교반하면서 1N 수산화나트륨 용액을 가해 pH를 5.8로 조절하였다. 이어서, 미리 95℃로 조절된 항온수조에 옮기고 내열성 알파-아밀라제 (Novo Nordisk Ltd., Termamyl 120LS, Denmark)를 건조 옥피의 고형분 대비 2.0%(v/w) 첨가하여 2시간동안 반응한 다음 폴리에스터 재질의 여과포 (삼성후직, 55-5528, 대한민국)로 탈수하면서 추가의 증류수로 세척하였다. 이어서, 전분 제거 옥피에 중량대비 15배의 증류수를 첨가한 다음 교반하면서 1N 수산화나트륨 용액으로 pH를 7.0으로 조절하고 단백질 분해 효소 (Novo Nordisk Ltd., Flavourzyme, Denmark)를 건조 옥피의 고형분 대비 2.0%(w/w) 첨가하여 50 ℃로 조절된 항온수조에서 2시간동안 반응시킨 후 전술한 여과포를 이용하여 추가의 증류수로 세척하면서 탈수하였고 50℃ 오븐에서 건조하여 전분과 단백질이 제거된 옥피를 얻었다. 옥피회수율을 표 1에 나타냈다.

실시예 2

실시예 1에서 사용한 단백질 분해효소 대신에, 알칼라제(Novo Nordisk Ltd., Alkalase, Denmark)를 건조 옥피의 고형분 대비 2.0%(w/w) 첨가하여 55 ℃로 조절된 항온수조에서 2시간동안 반응시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동이하게 수행하여 전분과 단백질이 제거된 옥피를 얻었다. 옥피회수율을 표 1에 나타냈다.

비교예 1

실시예 1과 동일하게 실험하면서, 알파-아밀라제와 단백질 분해 효소 반응 후, 여과포를 이용해 진공 여과하는 대신에 원심분리기를 이용하여 3,000rpm에서 원심분리하여 탈수하는 실험을 진행하고, 전분 및 단백질이 제거된 옥피의 회수율을 비교하였다(표 1).

여과 또는 원심분리에 따른 전분과 단백질 제거 옥피의 회수율

처리 형태	옥피 회수율 (%)¹	비 고
진공 여과(실시예 1)	73.7	폴리에스터 여과포 이용
진공 여과(실시예 2)	74.2	폴리에스터 여과포 이용
원심분리(비교예 1)	65.0

¹옥피 회수율 = (전분 및 단백질 제거 건조 옥피 / 원료 옥피) x 100

실시예 3

실시예 1에서 얻은 전분 및 단백질이 제거된 옥피 37g에 0.5%의 수산화나트륨 용액 1L를 옥피와 혼합하였고 80 ℃로 조절된 항온수조에서 3시간동안 교반한 다음 여과포를 통과시켜 1차 알칼리 추출액을 얻었다. 회수율과, 스펙트로포토미터로 측정한 추출액의 투명도를 표 2에 나타낸다.

비교예 2

비교예 1에서 전분 및 단백질이 제거된 옥피를 사용하여, 실시예 3과 동일하게 알칼리로 처리한 뒤 여과대신 원심분리하여 알칼리 추출액을 얻었으며, 얻어진 추출액의 회수율과 투명도를 측정하여 표 2에 나타낸다. 진공여과한 경우에 추출액의 회수율과 투명도가 높음을 알 수 있다.

여과 또는 원심분리에 따른 옥피 알칼리 추출액의 회수율 및 투명도

실시예	회수율(%)¹	투명도(%)²	처리형태
실시예 3	55.3	62.7	폴리에스터 여과포이용한 진공여과
비교예 2	47.6	34.3	원심분리

¹회수율 = (알칼리 추출액의 고형분 함량 / 원료 옥피) x 100

²스펙트로포토미터를 이용한 투명도 (2% 농도, 720nm, 증류수를 100%로 함)

실시예 4

실시예 3에서 얻은 1차 알칼리 추출액 1.2L (고형분 함량 27.7g)를 10% 염산 용액을 사용하여 pH 4.8로 조절하고, 50℃로 맞춘 항온수조에 옮겨 셀룰라제(Novo Nordisk LTD., Celluclast, Denmark) 및 셀로비아제 (Novo Nordisk Ltd., Novozyme 188, Denmark)를 건조옥피에 대해 각각 3%씩 투입하여 3시간 동안 반응시키고 반응액에서 점도, 여과성, 투명도를 측정하여 표3에 나타낸다. 비교실험으로는 상기 셀룰라제 단독으로 3.0% 투입하여 동일조건으로 반응시켰다.

또한 같은 양의 1차 알칼리 추출액을 10% 염산을 사용하여 pH 4.8로 조절하고 60℃로 맞춘 항온수조에 옮겨 상기의 셀룰라제, 셀로비아제 및 자일라나제 ((Biocatalyst Co., Depol 333P, UK)를 각각 건조 옥피에 대해 3.0%씩 동시 투입하여 3시간 동안 반응시키고 반응액에서 점도, 여과성 및 투명도를 측정하여 표3에 나타낸다.

상기 효소반응액 중 세 종류의 효소를 동시 처리하여 얻어진 반응액에 분말 활성탄 (Norit Co., KB-B, Holland)을 2.5g 첨가하여 95℃에서 30초간 가열한 다음 상온으로 냉각하여 유리 여과기에 여과지(Advantec Co., Toyo 5A, Japan)를 깔고 1차 진공 여과한 후 계속해서 여과지(Whatman Internatinal Ltd., GF/B, UK)로 2차 여과한 다음 0.45 마이크로미터의 막여과 (Gelman Co., Metricel, USA) 및 0.2마이크로미터의 막여과 (Gelman Co., Super-200, USA)를 최종적으로 실시하였다. 얻어진 여과액을 강산성 양이온 교환수지(삼양사, SK-1B, 대한민국), 약염기성과 강염기성 음이온교환수지(삼양사, WA 30 ; PA 408, 대한민국) 및 혼합 수지(강산성 양이온 교환수지 및 강염기성 음이온 교환수지를 부피비로 1 대 2로 혼합) 200mL씩을 각 단계마다 투입하고 40℃ 항온수조에서 1.5시간동안 교반후 여과하여 탈색 및 탈염하였다.

최종적으로 진공 증발농축기 (EYELA, NE-1V, Japan)로 농축하여 당도계로 측정한 식이섬유의 농도가 10%(w/w)가 되도록 하였다. 최초 원료인 건조 옥피를 기준으로 한 수용성 식이섬유의 최종 수율은 23.1%, Prosky-AOAC법에 의한 식이섬유의함량은 91.9%였으며, 기타 일반 성분의 분석 결과는 표 4와 같다.

효소 처리 조건별 효소 반응액¹의 점도, 여과성 및 투명도

효소 처리	점도²(cps)	여과 속도³(초)	투명도⁴(%)
셀룰라제 단독	15.0	여과 안됨	6.4
셀룰라제 + 셀로비아제	10.0	201	64.7
셀룰라제 + 셀로비아제 + 자일라나제	8.0	55	95.5

¹효소 반응후 여과지 (Whatman Filter Paper, GF/B)로 여과하였음.

²점도계 이용 (2번 스핀들, 60rpm, 상온)

³효소 반응액 30mL를 여과지 (GF/B)로 여과시 경과 시간

⁴스펙트로포토미터를 이용한 투명도 (5% 농도, 720nm, 증류수를 100%로 함)

옥피로부터 제조한 수용성 식이섬유의 성분 분석

분석 항목	분석 결과	비 고 (분석법)
수분 (%)	5% 이하	일반 건조법
조단백 (%)	0.7	켈달법
조지방 (%)	0.1	속실렛법

조회분 (%)	0.5 이하	일반 회화법
pH (%, 5% 농도)	3.0 ~ 5.0	pH 미터 이용

점도 (cps, 5% 농도)	8 ~ 12	점도계 (LVF형) 이용
투명도 (T%, 5% 농도)	95 이상	스펙트로포토미터 이용

실시예 5

실시예 3에서 얻은 1차 알칼리 추출액 1.2L (고형분 함량 27.7g)를 10% 염산 용액을 사용하여 pH를 6.0으로 조절하고 강산성 양이온 교환수지(삼양사, SK-1B, 대한민국) 및 약염기성 음이온교환수지(삼양사, WA 30, 대한민국) 200mL씩을 차례대로 투입하고 40℃ 항온수조에서 1.5시간동안 교반후 여과하여 탈염 및 탈색하였다. 이어서 pH를 4.8로 조절하고, 55℃로 맞춘 항온수조에 옮겨 셀룰라제(Novo Nordisk LTD., Celluclast, Denmark) 및 셀로비아제 (Novo Nordisk Ltd., Novozyme 188, Denmark)를 건조옥피에 대해 각각 2.0% 및 0.4%씩 투입하여 3시간 동안 반응시키고 반응액에서 점도, 여과성, 투명도를 측정하여 표3에 나타낸다. 비교실험으로는 상기 셀룰라제 단독으로 2.0% 투입하여 동일조건으로 반응시켰다.

또한 같은 양의 1차 알칼리 추출액을 10% 염산을 사용하여 pH를 6.0으로 조절하고 상기와 동일한 조건으로 탈염 및 탈색을 거친 다음 pH 4.8로 조절하고 55℃로 맞춘 항온수조에 옮겨 상기의 셀룰라제, 셀로비아제 및 자일라나제 ((Biocatalyst Co., Depol 333P, UK)를 건조 옥피에 대해 각각 2.0%, 0.4, 2.0%씩 동시 투입하여 3시간 동안 반응시키고 반응액에서 점도, 여과성 및 투명도를 측정하여 표5에 나타낸다.

상기 효소반응액 중 세 종류의 효소를 동시 처리하여 얻어진 반응액에 분말 활성탄 (Norit Co., KB-B, Holland)을 2.5g 첨가하여 95℃에서 30초간 가열한 다음 상온으로 냉각하여 유리 여과기에 여과지(Advantec Co., Toyo 5A, Japan)를 깔고 1차 진공여과한 후 계속해서 여과지(Whatman Internatinal Ltd., GF/B, UK)로 2차 여과한 다음 0.45마이크로미터의 막여과 (Gelman Co., Metricel, USA) 및 0.2마이크로미터의 막여과 (Gelman Co., Super-200, USA)를 최종적으로 실시하였다. 얻어진 여과액에 혼합 수지[강산성 양이온 교환수지 및 강염기성 음이온 교환수지 (삼양사, PA 408, 대한민국)를 부피비로 1 대 2로 혼합] 200mL을 투입하고 40℃ 항온수조에서 1.5시간 동안 교반하여 최종적으로 정제하였다.

최종적으로 진공 증발농축기 (EYELA, NE-1V, Japan)로 농축하여 당도계로 측정한 식이섬유의 농도가 10%(w/w)가 되도록 하였다. 최초 원료인 건조 옥피를 기준으로 한 수용성 식이섬유의 최종 수율은 24.5%, Prosky-AOAC법에 의한 식이섬유의 함량은 92.1%였으며, 기타 일반 성분의 분석 결과는 표 6와 같다.

효소 처리 조건별 효소 반응액¹의 점도, 여과성 및 투명도

효소 처리	점도²(cps)	여과 속도³(초)	투명도⁴(%)
셀룰라제 단독	15.0	여과 안됨	6.4
셀룰라제 + 셀로비아제	9.5	190	68.0
셀룰라제 + 셀로비아제 + 자일라나제	9.0	57	96.1

¹효소 반응후 여과지 (Whatman Filter Paper, GF/B)로 여과하였음.

²점도계 이용 (2번 스핀들, 60rpm, 상온)

³효소 반응액 30mL를 여과지 (GF/B)로 여과시 경과 시간

옥피로부터 제조한 수용성 식이섬유의 성분 분석

분석 항목	분석 결과	비 고 (분석법)
수분 (%)	5% 이하	일반 건조법
조단백 (%)	0.6	켈달법
조지방 (%)	0.1	속실렛법
조회분 (%)	0.4 이하	일반 회화법
pH (%, 5% 농도)	3.0 ~ 5.0	pH 미터 이용

실시예 6

실시예 4와 동일한 방법으로 하되 셀룰라제 및 셀로비아제와 함께, 아스퍼질러스 나이거(Aspergillus niger)의 자일라나제 (Novo Nordisk Ltd., Shearzyme 500L, Denmark)를 동일량 처리하여 동일조건에서 반응을 수행하였다. 최종 시료의 옥피 대비 수율은 20.4%, 식이섬유 함량은 90.7%였다.

실시예 7

옥피(수분 함량 5.7%) 200g을 8% 농도가 되도록 증류수와 혼합하고 정속 교반기로 교반하면서 1N 수산화나트륨 용액을 가해 pH를 5.8로 조절하였다. 이어서, 미리 95 로 조절된 항온수조에 옮기고 실시예 1의 동일 내열성 알파-아밀라제를 건조 옥피의 고형분 대비 1.0%(v/w) 첨가 후 2시간동안 반응한 다음 여과포로 탈수하였다. 전분이 제거된 옥피에 3.0L의 증류수를 첨가한 다음 교반하면서 1N 수산화나트륨 용액으로 pH를 7.0으로 조절하고 단백질 분해 효소(Novo Nordisk Ltd., Flavourzyme, Denmark)를 건조 옥피의 고형분 대비 1.0%(w/w) 첨가하여 50 로 조절된 항온수조에서 3시간 동안 반응하였다. 이어서, 여과포를 이용하여 탈수하고 오븐에서 건조 후 전분 및 단백질이 제거된 상태에서의 수율을 측정한 결과 74.0%였다. 알칼리 추출을 위해 0.5% 농도의 수산화나트륨 용액 3L를 옥피와 혼합하였고 40 로 조절된 항온수조에서 24시간동안 충분히 교반한 다음 여과포로 여과하여 1차 알칼리 추출액을 얻었다. 이어서, 10% 염산 용액으로 추출액의 pH를 4.8로 조절하여 50℃로 조절된 항온수조에 옮긴 다음 셀룰라제 (Novo Nordisk LTD., Celluclast, Denmark)와 셀로비아제 (Novo Nordisk Ltd., Novozyme 188, Denmark)를 건조 옥피 대비 각각 1.0%(v/w)씩 동시에 투입하여 5시간동안 반응시켰다. 반응 종료 후 분말 활성탄을 옥피 대비 10%(w/w) 첨가하여 95 에서 30초간 가열하고 0.45마이크로미터의 막여과(Gelman Co., Metricel, USA)를 최종적으로 실시하였다. 실시예 3에 기재된 방법에 따라 총 3단계의 이온교환수지 처리를 통해 탈색 및 탈염하였다. 당도계로 측정한 액상 식이섬유의 농도가 최종 10%(w/w)가 되도록 농축한 다음 원료로 한 건조 옥피를 기준으로 수용성 식이섬유의 최종 수율을 계산한 결과 21.5%, 식이섬유의 함량은 86.4%였다

실시예 8

실시예 1과 동일한 방법으로, 옥피 300g에 중량비로 15배의 증류수를 가해 효소로 전분 및 단백질을 제거한 옥피 수율은 68.6%였다. 전분과 단백질이 제거된 옥피에 5L의 0.5% 수산화나트륨 용액으로 추출한 다음 시료를 반으로 나누어 한쪽에는 셀룰라제와 셀로비아제를 건조 옥피 대비 5%(v/w)씩 투입하여 50℃에서 5시간 반응시켰고 다른 한쪽에는 상기의 효소외에 자일라나제 5%(w/w)를 동시에 투입하여 60℃에서 5시간 반응한 다음 동일하게 정제 과정을 거쳐 시료를 제조하고 상온에서 액상 식이섬유 농도를 5%(w/w)로 하여 점도를 측정한 결과 셀룰라제와 셀로비아제만 처리한 경우 10.0 cps, 두 효소외에 자일라나제를 동시에 처리한 경우는 9.0 cps를 나타내었는데 참고로 식품용 유화 안정제로 많이 이용하는 아라비아검(MSC Co., No. 10308, 대한민국)의 점도는 6.7 cps였다.

실시예 9

실시예 1과 동일한 방법으로 옥피로부터 전분 및 단백질을 제거한 후, 시료를 반으로 나누어 한쪽에는 수산화나트륨과 수산화칼슘을 같은 비율로 혼용하여 0.5% 농도로 한 알칼리 용액을 옥피 대비 중량비로 20배 가하였고 다른 한쪽에는 수산화나트륨 용액을 0.5%로 하여 단독으로 동일한 양을 가해 80 ℃에서 3시간동안 추출하였다. 실시예 4에서와 같이 세 종류의 효소를 3%씩 동시첨가 및 반응시킨 후 정제한 다음 최종 시료의 수율을 계산한 결과 수산화나트륨과 수산화칼슘을 병용한 경우는 15.1%, 수산화나트륨을 단독으로 한 경우는 20.1%였으며, 식이섬유의 함량은 수산화나트륨과 수산화칼슘을 동시처리한 경우 72.7%, 수산화칼슘 단독으로 처리한 경우는 84.3%이었다.

실시예 10

실시예 1과 동일한 방법으로 옥피로부터 전분 및 단백질을 제거하고, 시료를 3개로 나누어 각각 0.1, 0.5 및 1.0% 수산화나트륨 용액을 옥피 대비 중량비로 20배 적용하여 80 ℃에서 3시간동안 추출하였다. 실시예 4의 세 종류의 효소를 건조옥피 대비 3%씩 동시처리하고 정제 과정을 거친 다음 최종 시료의 수율을 계산한 결과 0.1% 농도의 경우 3.3%, 0.5% 농도의 경우는 30.0% 그리고 1.0% 농도의 경우는 33.4%였다. 그러나, 1.0%의 경우는 중화시 상대적으로 많은 양의 염이 생성되어 정제 공정에 부하가 많이 걸리는 불리한 점이 발생되었다.

실시예 11

실시예 1과 동일한 방법으로 옥피로부터 전분 및 단백질을 제거하고 시료를 3개로 나누어 0.5% 수산화나트륨 용액을 옥피 대비 중량비로 20배 적용하여 80 ℃에서 1, 3 및 10시간동안 추출하였다. 실시예 4의 세 종류의 효소를 건조옥피 대비3%씩 동시처리하고 정제 과정을 거친 다음 최종 시료의 수율을 계산한 결과 1시간 추출한 경우 24.9%, 3시간 추출한 경우 27.9% 그리고 10시간 추출한 경우는 26.7%였다.

실시예 12

실시예 1과 동일한 방법으로 옥피로부터 전분 및 단백질을 제거하고 시료를 3개로 나누어 0.5% 수산화나트륨 용액을 옥피 대비 중량비로 20배 적용하여 40, 60 및 80 ℃에서 3시간동안 추출하였다. 실시예 4의 세 종류의 효소를 건조옥피 대비 3%씩 동시처리하고 정제 과정을 거친 다음 최종 시료의 수율을 계산한 결과 40℃에서 추출한 경우 8.5%, 60℃에서 추출한 경우 15.4%, 그리고 80℃에서 추출한 경우는 21.7%였다.

실시예 13: 유화 안정성 실험

식용유 및 증류수를 1 대 1로 담은 후 분말 레시친 (Central Soya Co., Centrolex D, USA), 아라비아검(MSC Co., 10308, 대한민국) 및 실시예 6에서 제조한 2종의 옥피 추출 식이섬유를 각각 2%(w/w) 첨가하여 호모게나이저로 20,000rpm 이상에서 5분간 유화시킨 다음 유화액의 점도를 측정한 결과 분말 레시친의 경우는 23 cps, 아라비아검의 경우는 35 cps였으며, 옥피 추출 식이섬유의 경우 셀룰라제와 셀로비아제만 처리하여 제조한 것을 첨가한 유화액은 55 cps, 두 효소외에 자일라나제를 동시에 처리하여 제조한 것을 첨가한 유화액은 50 cps로 아라비아검에 비해 상대적으로 높은 점도를 나타내었다. 또한, 100 밀리리터 매스 실린더에 옮겨 유화액의 상태를 관찰하였는데 분말 레시틴, 아라비아검과 함께 옥피 추출 식이섬유 2종도 우수한 유화 안정성을 보였다. 그 후 10일 경과시 하부의 물층에서 약간의 분리 현상이 모두 발생되었으며, 30일 경과시 레시틴 첨가구는 상층의 기름층과 완전히 분리되었으나 아라비아검 및 옥피 추출 식이섬유는 비교적 안정한 유화 상태를 유지하였다.

본 발명은 옥수수가공산업에서 부산물로 발생하는 옥피를 이용하여 식이섬유 함량이 20% 이상, 최대 33.4%의 높은 수율로, 80% 이상의 헤미셀룰로스 함량인 수용성 식이섬유를 재현성있게 제조할 수 있다. 수용성 식이섬유는 높은 식이섬유 함량을 나타냄으로써 각종 음료 등에 식이섬유 강화를 위해 사용 가능하며, 유화 안정성도 매우 뛰어나 마요네즈, 드레싱 및 아이스크림 등 각종 유화 식품에서 기존의 레시친 및 아라비아검 등과 유사한 효과를 거둘 수 있다.

Claims

(i) 옥피로부터 전분 및 단백질을 제거하는 공정;

(ii) 전분 및 단백질이 제거된 옥피를 알칼리 용액으로 추출하고 여과포로 여과하는 공정;

(iii) (ii) 단계에서 얻은 알칼리 추출액에 셀룰라제 및 셀로비아제를 처리하여 반응시키는 공정;

(iv) (iii) 단계에서 얻은 효소 반응액에 흡착제를 처리하고 막여과를 통하여 여과액을 얻는 공정;

(v) 상기 여과액을 정제하는 공정으로 이루어지는 수용성 식이섬유의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 (i) 단계가 옥피에 아밀라제 및 단백질 분해효소를 동시에 또는 하나씩 처리하는 것에 의해 수행되는 것이 특징인 방법.
제 2 항에 있어서, 상기 (i) 단계에서 아밀라제 또는 단백질 분해효소 처리 후 여과포로 여과하는 것이 특징인 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 (ii) 단계에서 알칼리 용액이 0.1 내지 3% 수산화나트륨 용액인 것이 특징인 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 (iii) 단계에서 자일라나제를 추가로 처리하는 것이 특징인 방법.
제 1 항에 있어서, 건조옥피에 대해 상기 셀룰라제 및 셀로비아제를 각각 0.1 내지 5%로 처리하는 것이 특징인 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 (iii)단계를 수행하기 전에, (ii) 단계에서 얻은 알칼리 추출액을 중화후 이온교환수지로 탈염 및 탈색하는 공정을 추가로 포함하는 것이 특징인 방법
제 7 항에 있어서, 건조옥피에 대해 상기 셀룰라제를 0.1-5%, 및 상기 셀로비아제를 0.1-3%로 처리하는 것이 특징인 방법.