KR20030044821A - 분지화 효소에 의한 전분 및 전분 유도체의 연속식 변형방법 - Google Patents

분지화 효소에 의한 전분 및 전분 유도체의 연속식 변형방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 분지화 (branching) 효소를 전분 또는 전분 유도체를 함유하는 반응 매질 내로 연속적으로 도입시키는 것을 포함함을 특징으로 하는, 분지화 효소에 의해 전분 또는 전분 유도체를 변형시키기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

분지화 효소에 의한 전분 및 전분 유도체의 연속식 변형 방법 {Continuous Process for Modifying Starch and Its Derivatives by Branching Enzymes}
본 발명은 분지화 (branching) 효소에 의해 전분 및 전분 유도체를 변형시키기 위한 방법에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명은 분지화 효소를 반응 매질 내에 연속적으로 도입시키는, 전분 및 전분 유도체의 변형 방법에 관한 것이다.
전분은 2가지 중합체, 즉 아밀로스와 아밀로펙틴으로 이루어져 있다. 아밀로스는 선형 α-1,4 연결된 글루코스 동종중합체와 약간의 α-1,6 분지점을 갖는 단편이다. 아밀로펙틴은 그의 일부에 α-1,6 분지점에 의해 다른 선형 α-1,4 글루코스 사슬에 연결된 선형 α-1,4 글루코스 사슬로 이루어진 분지된 단편이다.
매우 잘 구조화된 전분 과립 형태로 밀집된 이들 2가지 동종중합체의 조합물은 식물을 위한 탄소원 저장분을 구성한다.
각 식물에서 생산된 전분은 가변 비율의 각각의 그의 아밀로스와 아밀로펙틴 성분, 또는 심지어 특정 분자량 분포의 각각의 상기 글루코스 동종중합체들로 이루어진다. 이것이 각종 전분과 전분 유도체가 보통 그들의 식물학상 기원에 따라 분류되는 이유이다.
전분과 전분 유도체의 기능상 특성은 또한 그들의 아밀로스와 아밀로펙틴 함량에 직접 의존한다.
따라서, 전분 현탁액을 젤라틴화 온도 이상으로 가열하면, 전분 과립이 팽창하고 아밀로스가 우선적으로 가용화된다.
그러나, 특히 특정 온도와 건조 재료 (matter) 조건 하에 상기 페이스트를 냉각시키는 동안 글루코스 동종중합체가 노화하여 빠르게 아밀로스로 (수시간), 보다 느리게 아밀로펙틴 (수일)으로 된다.
표현 "노화"는 상기 페이스트를 냉각시키는 동안 아밀로스와 아밀로펙틴 거대분자들이 수소 결합을 형성함으로써 서로 재결합하는 경향을 의미하는 것으로 이해된다.
실제로, 노화는 페이스트의 냉각 동안 불투명화시키고 점도를 증가시키며, 냉각 상태에서 3차원 겔 구조를 형성시킨다.
식품 산업에서 전분과 전분 유도체의 사용 분야의 전문가들은 이러한 노화 현상이 더 특히 식품의 질감을 해치고 저장 수명을 감소시킨다고 이구동성으로 말하고 있다.
또한, 전분의 조리 동안 아밀로스의 가용화에 이어 냉각시키면 전분의 잔류 지질과의 복합체화를 촉진시킨다.
아밀로스는 실제 지질이 삽입될 수 있어서 아밀로스-지질 복합체를 형성시킬 수 있는 나선형으로 존재한다.
이들 아밀로스-지질 복합체는 또한 특히 이들 전분으로부터 제조된 페이스트의 유동학적 거동을 혼란시켜 그의 콜로이드 상태를 손상시키는 불용물을 형성시킨다.
이는 제지 산업에서 필터의 블로킹과 종이의 품질 모두에 많은 기술상 문제를 야기할 것이다.
아밀로펙틴 풍부 전분질 물질로부터 및 따라서 예를 들어 밀랍질 종류로부터 종이 제품을 제조함으로써 이들 제품을 보다 허용가능하게 만드는 것이 알려져 있다.
아밀로스-지질 복합체의 형성에서의 제한이 또한 상기 사실로부터 매우 명백하게 기인한다.
그러나, 상기 아밀로펙틴 풍부 전분질 제품으로부터 얻은 겔 및 결합제의 안정성은 수개월의 저장 기간이 때때로 필요한 식품 산업의 요건에 충분하지 않다.
첫번째 해결책은 글루코스 동종중합체를 안정화시키는 것을 포함하며, 이는 화학제에 의한다. 이러한 작용은 에스테르화 및 에테르화 반응을 이용하여 가장 빈번하게 수행된다. 이는 특히 아세틸화와 히드록시프로필화 반응을 포함할 수 있다. 또한, 원하는 질감과 점도 특성을 얻기 위해, 이들 반응은 종종 가교결합 반응과 조합된다.
따라서 이들 변형은 전분에 현저한 유동학적 특성을 부여하여, 이들을 전단과 같은 기계적 처리 또는 산 매질에 대해 보다 내성으로 만든다. 아세틸화 또는 히드록시프로필화는 부가적으로 조리 후 특히 저온에서 저장하는 동안 우수한 안정성을 부여한다.
그러나, 이렇게 수득한 제품은 화학적으로 처리된 단점이 있으며, 이는 소비자에게 종종 불량한 것으로 인지된다.
돌연변이, 하이브리드 또는 유전자 변형된 식물의 무손상 전분을 화학적으로 변형시키는 것을 목적으로 하는 방법에 대한 대안은 새로운 분지점을 전분 내로 시험관내 도입시키는 것을 포함한다.
따라서 이는 상기한 바와 같이 안정화 및(또는) 가교결합 반응을 이용하기 보다는 아밀로펙틴 또는 아밀로스 사슬의 재배치에 도달하는 것을 포함한다.
한가지 기술은 글리코겐 및(또는) 전분의 생합성을 위한 정제된 효소, 예를 들어 글리코겐 또는 전분 분지화 효소 (이들은 각각 글리코겐에서 α-1,6 분지점 또는 아밀로펙틴에서 α-1,6 분지점과 아밀로스에서 몇몇 분지점의 합성에 관여한다)를 사용하는 것을 포함한다.
이와 같은 방법은 수용성 전분질 물질의 제조와 이들을 함유하는 식품 또는 음료의 제조를 위한 특허 제JP 60-752,95호에 기재되어 있으며, 젤라틴화된 전분질 물질에 대한 분지화 효소의 작용으로부터 유래된 제품의 수용성 단편을 수집하는 것을 포함한다.
따라서 반응은 배치식으로, 즉, 특별히 주의하지 않으면서 변형시킬 전분질 물질과 분지화 효소를 혼합함으로써 수행된다.
마찬가지로, 분지화 효소와 개선된 식품의 제조를 다루고 있는 특허 제FR 2,499,588호에는, 젤라틴화 및 분산에 의해 제조된 전분질 물질의 용액을 먼저 분지화 효소의 작용에 노출시킨 다음, 후속적인 처리를 하지 않거나 또는 필요한 경우 농축 및(또는) 건조시킨 후 식품과 혼합한다.
전분질 물질은 또한 젤라틴화 및 효소 반응을 동시에 수행하기 위해 분지화 효소의 존재 하에 가열되고, 이어서 생성된 제품을 원하는 식품 내로 포함시킨다.
그러나, 상기 특허에 사용된 분지화 효소는 작용을 위한 최적 온도가 비교적 낮다 (대장균 (E. coli) 또는 감자로부터 추출된 효소에 대해 30℃ 정도, 바실루스 메가테리움 (Bacillus megaterium)에 대해 25℃ 정도).
대부분의 경우에 전분질 물질의 젤라틴화 온도는 100℃ 미만이지만, 높은 건조 재료 함량과 짧은 조리 시간을 포함한 산업적 조리에서는 관습적으로 100℃ 보다 높은 온도 (110 내지 170℃)를 필요로 하는 것으로 알려져 있으며, 이는 사용된 효소의 최적 기능을 위한 온도와는 명백하게 매우 부적합하다.
특허 제JP 60-752,95호와 제FR 2,499,588호에 추천된 실행은 전분질 물질을 사용된 분지화 효소의 최적 활성에 손해를 주어 달성되는 온도 조건 하에 젤라틴화하는 것이다.
따라서 이러한 처치 방식은 처리할 전분질 물질의 유동학적 거동을 분지화 효소의 작용 양식과 조화시키지 못한다.
종이를 카우칭하고 (couching) 표면피복하기 위한 방법에 관한 특허 제EP 690,170호의 교시내용은, 전분의 젤라틴화가 필수적인 인자이며 분지화 효소의 효과적인 작용을 허용하기 위해 전분이 완전히 젤라틴화되어야 할 필요가 있는 것으로 간주하기 때문에, 이러한 동일한 근거의 일부이다.
따라서 상기 젤라틴화 전후에 효소를 획일적인 방식으로 도입하면서, 전분을 배치식 또는 연속식으로 젤라틴화하는 것을 기술한다.
특허 출원 제EP 710,674호에 효소적 반응의 최적화를 젤라틴화 조건과 조화시키는 이러한 어려움에 부분적인 해결책이 제공되었으며, 여기서 감자 분지화 효소의 사용 또는 내열성 유기체로부터 유래된 분지화 효소의 사용이 기술되어 있다.
첫번째 경우, 대량 생산에 큰 어려움이 없기 때문에 감자로부터 단리된 분지화 효소를 사용하는 것이 추천된다. 따라서 반응 매질에 공급된 과도한 효소는 불만족스러운 효소 활성의 큰 손실을 보충한다.
이러한 해결책은 효소적 반응을 조절하는 것이 불가능하기 때문에 거의 만족스럽지 않다.
두번째 경우, 감자 분지화 효소보다 최적 온도가 더 높기 때문에 효소가 추천된다.
그러나, 효소의 내열성의 증가가 자동적으로 생성된 제품의 보다 우수한 품질을 의미하지는 않는다.
이들 효소의 사용은 반응 매질 내로 효소를 도입하는 동안 열 쇼크의 문제를 해결한다.
그러나, 상기 내열성 분지화 효소에 의한 전분의 변형 후 수득한 페이스트에서 아밀로스-지질 복합체형 구조물의 발현이 본 출원인들에 의해 관찰되었다.
따라서 선행 문헌에서는 분지화 효소를 사용하여 전분 또는 전분 유도체를변형시키기 위한 효과적인 방법을 이용가능하게 하기 위한 조건이 만족스럽지 못하다.
상기 방법에서는 특히 한편으로 전분 및 전분 유도체의 산업적 조리를 위해 요구되는 온도를, 다른 한편으로 분지화 효소의 최적 활성에 상응하는 온도를 가능하게 만드는 작동 조건이 확립되는 것을 필요로 한다.
따라서 이들 작동 조건은 반응 매질 내에서 불용성 물질의 형성을 제한함으로써 분지화 효소의 작동을 최적화시켜야 하며, 불용성 물질은 특히 전분 또는 지질과의 구조화된 조합물로부터 유래된 복합체의 노화로부터 기인하는 입자인 것이 가능하며, 이들 불용성 물질은 효소가 탄수화물 사슬의 분지 위치로 접근하는 것을 방해하고 형성된 제품의 품질의 손상을 야기할 수 있다.
어떠한 이론에 매이지는 않지만, 표현 "구조화된 아밀로스-지질 조합물"은 본 출원인들에게는 아밀로스와 지질의 가능한 결정형 결합을 의미한다.
본 출원인들은 수많은 학술 연구의 결과로 분지화 효소를 전분 또는 전분 유도체를 함유하는 반응 매질 내로 연속적으로 도입하는 것을 포함하는, 분지화 효소에 의한 전분 또는 전분 유도체의 변형 방법을 설계하고 창작함으로써 현재까지 조화시키기 어려운 것으로 생각되었던 이들 모든 목적을 조화시키게 되었다.
본 발명에 따른 분지화 효소에 의한 전분 또는 전분 유도체를 변형시키기 위한 방법은 첫번째 경우에 부분적으로 또는 완전히 겔화된 형태가 되도록 전분 또는 전분 유도체를 가열하는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 방법의 상기 제1 단계에서는 전분 또는 전분 유도체의 가용화를 확보하며, 이는 분지화 효소로 처리될 수 있다.
표현 "전분"은 본 발명의 목적에서 옥수수, 감자, 밀, 완두, 카사바 및 쌀 전분으로 이루어진 군 중에서 선택된 전분을 의미하는 것으로 이해된다.
표현 "전분 유도체"는 전분의 산 또는 효소적 가수분해의 산물, 및 또한 임의의 유형의 전분의 화학적 및 물리적 변형의 산물을 의미하는 것으로 이해된다.
본 발명에 따른 방법의 하나의 실시태양에서, 건조 재료 함량이 5 내지 50%인 전분유를 제조하고, 이를 달리 당업계의 숙련인에게 공지된 임의의 기술에 의해 전분의 젤라틴화 온도 또는 그 이상으로, 바람직하게는 100℃ 이상 내지 최대 200℃로, 더욱 더 바람직하게는 110℃ 이상 내지 최대 170℃의 온도로 가열한다.
표현 "분지화 효소"는 본 발명의 목적에서 글리코겐 분지화 효소, 전분 분지화 효소, 시클로말토덱스트린 글루코실 트랜스퍼라제, 트랜스-글루코시다제 및 이들 효소의 임의의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택된 분지화 효소를 의미하는 것으로 이해된다.
보다 구체적으로, 이들 분지화 효소는 고등 식물, 효모, 박테리아 및 단세포성 조류로 이루어진 군 중에서 선택된 유기체 및(또는) 미생물로부터 추출된다.
상기 전분유 또는 전분 유도체 유즙의 전체 또는 부분적 가용화 단계 후, 분지화 효소를 본 발명에 따라 분자내 복합체의 형성을 제한하는 조건 하에 반응 매질 내에 연속적으로 도입시킨다.
보다 구체적으로, 분지화 효소를 반응 매질 내에 도입시키기 위한 조건은 전분 및 구조화된 아밀로스-지질 조합물의 노화로부터 유래된 불용물의 형성을 제한하도록 시간과 온도에 관하여 설정된다.
따라서 이와 같이 부분적으로 또는 완전히 젤라틴화된 전분유를 본 발명에 따라 선택된 분지화 효소에 최적인 온도가 되도록 냉각시킨다.
본 출원인들은 본원에서 부분적으로 또는 완전히 젤라틴화된 전분유를 분지화 효소의 최적 작동을 위한 온도를 얻을 때까지 연속적으로, 신속하게 및 제어된 방식으로 냉각시키는 것이 필요하다는 것을 발견하기에 이르렀다.
에를 들어, 에스케리치아 콜리 (Escherichia coli) 또는 바실루스 속의 미생물 (비. 스테아로써모필루스 (B. stearothermophilus), 비. 메가테리움 (B. megaterium))로부터 추출되거나 또는 유전자 변형된 유기체로부터 생산된 글리코겐 분지화 효소가 선택되면 전분 페이스트는 효소의 최적 작동을 위한 온도, 즉, 20 내지 30℃로 되어야 하거나, 또는 효소가 비. 스테아로써모필루스와 같은 내열성 미생물로부터 유래되는 경우에 60 내지 75℃로 되어야 한다.
전분 또는 부분적으로 또는 완전히 젤라틴화된 전분 유도체의 용액을 100 내지 200℃의 그의 초기 온도로부터, 전분의 노화 또는 구조화된 아밀로스-지질 조합물의 형성을 피하는 것을 가능하게 만드는 조건 하에 예를 들어 1 내지 15분 동안 신속하게 냉각시키기 위해 선택되는 것이 유리할 것이며, 이는 이하에 예시될 것이다.
이어서 용액의 pH를 상기 효소의 작동 양식과 일치하는 값으로 조정한다.
본 발명의 또다른 본질적인 특징은 분지화 효소를 연속적으로 도입시키는 단계에 있다.
따라서 본 출원인들은 그와 같이 처리된 전분 또는 전분 유도체의 변형 정도를 최적화하는 것을 가능하게 하는 것은 사실상 분지화 효소를 반응 매질에 연속적으로 첨가함에 의해서이지, 당업계의 기술상태에서 추천되던 바와 같이 젤라틴화 조건을 조정함으로써가 아니라는 것을 보여줄 수 있게 되었다.
예를 들어 정제된 대장균 글리코겐 분지화 효소에 있어서, 이하 예시하는 바와 같이 90 내지 600 ㎖/h의 속도로 0.5 내지 15 ㎎/㎖의 단백질로 희석된 효소를 0.5 내지 50 ℓ/h의 속도로 5 내지 50% 건조 재료 함량의 전분 또는 전분 유도체의 용액의 스트림으로 연속적으로 첨가하고 30초 내지 15분 동안 냉각시키는 것이 유리하게 선택된다.
반응의 종료시, 효소를 최종적으로 열탈활성화시킬 것이다. 최적 온도가 30℃인 효소의 경우 상기 효소를 완전히 불활성화시키기 위해 적절한 기간에 걸쳐 70℃의 온도 증가가 허용된다. 최적 온도가 70℃인 분지화 효소에 대해 열불활성화는 100℃에서 수행될 것이다.
전분 및 전분 유도체를 변형시키기 위한 종래의 방법과 비교한 본 발명에 따른 방법의 효능은 하기 분석 파라미터들을 모니터함으로써 결정한다.
분지화 효소의 작용에서 기인한 α-1,6 결합의 수준, 그와 같이 변형된 산물의 몰 질량 및 환원당 함량의 결정은 본 출원인들의 소유의 특허 출원 제WO 00/66633호에 지시된 바와 같이 수행한다.
그와 같이 처리된 전분 또는 전분 유도체의 용액의 점도 측정은 하기 시험에따라 수행한다. 점도의 분석은 분석하고자 하는 제품에 따라, 건조 제품의 질량을 칭량하고 (표준품 또는 화학적으로 변형된 옥수수 전분에 대해 3 g 건조, 찰옥수수 전분에 대해 4.5 g 건조), 여기에 "Rapid Visco Analyzer" (RVA Newport)의 보울 내에 98% 순도에서 글리세롤 6.75 g을 첨가한 다음, 탈염수로 28 g으로 조정하는 것을 포함한다.
글리세롤의 부재 하에 건조 제품의 질량의 점도를 측정하는 것이 또한 가능하며, 이 경우 표준 옥수수 전분에 대한 7 g 건조 재료를 탈염수로 28 g으로 조정한다.
이어서 전체를 주의깊게 균질화시킨다. 이어서 시간/온도 및 RVA 속도 프로필을 다음과 같이 확립한다. 샘플을 100 rpm에서 25℃의 온도에서 5초 동안, 이어서 500 rpm에서 15초 동안 교반한다.
나머지 프로필에 대해 160 rpm에서 계속 교반한다. 25℃의 초기 온도를 10분 동안 유지한 다음 8분에 걸쳐 90℃로 증가시킨다. 이 온도를 3분 동안 유지시킨 다음 8분에 걸쳐 30℃로 감소시키고, 상기 30℃의 값에서 5분 동안 유지시킨다.
선택된 점도는 34분에서 30℃에서 프로필의 종료시 센티포이즈 단위로 측정한 점도이다. 이어서 RVA 보울을 4℃에서 7일 동안 보관한 다음 점도를 다시 기록한다. 이를 위해, 샘플을 160 rpm에서 30℃에서 20분 동안 교반한다. 선택된 점도는 15 내지 20분의 점도의 평균이다.
본 발명의 다른 특징과 이점은 하기하는 비제한적인 실시예에 의해 분명해질 것이다.
<실시예 1>
하기 지시한 바와 같이 대장균으로부터 유래된 정제된 글리코겐 분지화 효소를 사용하여 표준 옥수수 전분에 대해 배치식 및 연속식으로 2가지 시험을 수행하였다.
"배치식" 변형 공정에 대해, 10% 건조 재료 함량을 갖는 전분유를 제조하였다. 4 내지 5 바아의 압력 하에 145℃의 열 유체에 의해 가열된 관형 조리기 (cooker)를 통해 40 ㎖/분의 속도로 통과시킴으로써 가용화를 수행하였다.
100℃에 가까운 온도에서 1 ㎏의 페이스트를 회수한 다음 교반하면서 2시간에 걸쳐 30℃의 온도로 냉각시켰다.
0.1 N NaOH를 사용하여 pH를 7.5 정도의 값으로 조정하였다. 전분 1 g당 균질하게 정제된 효소 0.84 ㎎을 30℃의 용액 내에 직접 도입시키고 20시간 45분 동안 반응을 수행하였다. 반응의 종료시 70℃로 가열하여 효소를 탈활성화시켰다.
연속식 공정에 대해, 10% 건조 재료 함량을 갖는 동일한 전분유를 4 내지 5 바아의 압력 하에 145℃의 열 유체에 의해 가열된 관형 조리기를 통해 18 ㎖/분의 속도로 통과시킴으로써 가용화시켰다.
냉각은 30℃에 도달하도록 하기 위해 -5℃에서 2개의 냉각기 내로 통과시킴으로써 상기 동일한 속도에서 5분에 걸쳐 수행하였다.
0.1 N NaOH를 사용하여 pH를 7.5로 연속적으로 조정하고, 1.2 ㎎/㎖로 희석된 효소를 온-라인 혼합기 앞에 1.6 ㎖/분의 속도로 연속적으로 도입시켰다.
반응은 30℃의 자동온도조절 반응기 내에서 20시간 45분 동안 수행하고, 반응의 종료시 70℃로 가열하여 효소를 탈활성화시켰다.
하기 표 1에서는 대조군 (A)와 비교한 배치식 (B) 및 연속식 (C)으로 변형된 표준 전분의 분지 수준, 몰 질량, 점도 및 환원당 함량의 값을 보여준다.
대조군 (A)에 대해서, 10% DM을 함유하는 표준 옥수수 전분유를 제조하였다. 4 내지 5 바아의 압력 하에 145℃의 열 유체에 의해 가열된 관형 조리기 내로 40 ㎖/분의 속도로 통과시킴으로써 가용화를 수행하였다. 이어서 용액을 30℃로 냉각시켰다.
환원당 (%) α-1,6 결합의 수준 몰 질량 MW(달톤) RVA 점도(센티포이즈)
초기 7일
A 0.15 3.4 5×106 16,100 겔
B 0.16 3.5 4.6×105 54 47
C 0.16 5.6 2.9×105 23 26
제품 B 및 C에서는, 대조군에 비해 용액의 동일한 안정성이 관찰되었고 동일한 환원당 함량이 관찰되었다 (이는 처리된 전분의 가수분해 없이 사슬의 재분포와, 오염 아밀라제 활성의 부재를 실제 확인시켜 준다).
반면, 연속식 공정에 의해서, 분지 수준이 현저하게 증가하였고 몰 질량은 저하되었으며 질량의 분산이 매우 낮았다.
분자량 분포 프로필의 크로마토그래피 분석에서는 실제 제품 B와 C 사이의 차이를 명백하게 보여주었다.
제품 C에 있어서 분포는 매우 좁고 2 ×105달톤 상에 중심을 둔 반면, 제품B에 있어서는 보다 확산되어 "다분산성"이고 3 ×105달톤 상에 중심을 두었다.
용액 중 제품 C의 점도가 제품 B의 점도보다 더 낮은 것이 또한 관찰되었다.
따라서 본 발명에 따른 연속식 공정은 실제 효소적 반응을 최적화시킬 수 있었다.
실제로, 본 실시예는 분지화 효소의 반응성이 연속식 공정 동안 더 우수하다는 것을 명백하게 보여주며, 상기 공정은 특히 전분의 노화를 크게 제한시킬 수 있다.
<실시예 2>
실시예 1에 지시한 바와 같이 대장균으로부터 유래된 정제된 글리코겐 분지화 효소를 사용하여 표준 옥수수 전분에 대해 배치식 및 연속식으로 2가지 시험을 수행하였으며, 실시예 1과의 유일한 차이는 효소적 반응을 60℃에서 수행한 것이다.
상기 반응 온도는 대장균으로부터 단리된 효소에 대한 최적 반응 온도보다 훨씬 더 높지만, 산업적 효소를 사용하기 위한 통상적인 산업적 조건과 보다 더 일치하는 이점이 있다.
따라서, 본 발명에 따른 공정의 효능을 상기한 작동 조건 하에 시험하는 것이 중요하다.
"배치식" 변형 공정에서는, 10% 건조 재료 함량을 갖는 전분유를 제조하였다.
4 내지 5 바아의 압력 하에 145℃의 열 유체에 의해 가열된 관형 조리기를 통해 27 ㎖/분의 속도로 통과시킴으로써 가용화를 수행하였다.
100℃에 가까운 온도에서 0.5 ㎏의 페이스트를 회수한 다음 60℃의 온도를 얻기 위해 교반하면서 2시간 30분에 걸쳐 냉각시켰다.
0.1 N NaOH를 사용하여 pH를 약 7.5로 조정하고, 전분 1 g당 균질하게 정제된 효소 2.2 ㎎을 60℃의 용액 내로 직접 도입시키고 19시간 동안 반응을 수행하였다. 반응의 종료시 70℃로 가열하여 효소를 탈활성화시켰다.
연속식 공정에서는, 10% 건조 재료 함량을 갖는 동일한 전분유를 4 내지 5 바아의 압력 하에 145℃의 열 유체에 의해 가열된 관형 조리기를 통해 35 ㎖/분의 속도로 통과시킴으로써 가용화시켰다.
냉각은 60℃에 도달하도록 하기 위해 6시간에 걸쳐 동일한 속도에서 수행하였다. 0.1 N NaOH를 사용하여 pH를 7.5로 연속적으로 조정하고, 3.1 ㎎/㎖로 희석된 효소를 온-라인 혼합기 앞에 2.5 ㎖/분의 속도로 연속적으로 도입시켰다.
반응은 60℃의 자동온도조절 반응기 내에서 22시간 30분 동안 수행하고, 반응의 종료시 70℃로 가열하여 효소를 탈활성화시켰다.
하기 표 2에서는 대조군 (D)와 비교한 배치식 (E) 및 연속식 (F)으로 변형된 표준 전분의 분지 수준, 몰 질량, 점도 및 환원당 함량의 값을 보여준다.
대조군 (D)에 대해서, 10% DM을 함유하는 표준 옥수수 전분유를 제조하였다. 4 내지 5 바아의 압력 하에 145℃의 열 유체에 의해 가열된 관형 조리기를 통해 28 ㎖/분의 속도로 통과시킴으로써 가용화를 수행하였다. 이어서 용액을 60℃로 냉각시켰다.
환원당 (%) α-1,6 결합의 수준 몰 질량 MW(달톤) RVA 점도(센티포이즈)
초기 7일
D 0.1 3.4 >5×106 17,003 겔
E 0.1 3.2 >5×106 11,953 겔
F 0.1 3.8 >5×106 3675 겔
효소의 연속식 첨가는 분지화 효소가 거의 견디지 못하는 온도에서조차 수득된 전분의 분지 수준을 향상시키고, 얻어진 용액의 점도의 결과가 실제 예시하는 바와 같이, 새로운 물리화학적 성질을 부여할 수 있었다.
본 실시예는 효소의 연속식 첨가를 갖는 공정의 이점을 또한 예시한다.
실제로, 표준 옥수수 전분의 노화 현상을 제한하는 온도에서조차, 분지화 효소의 연속식 첨가는 배치식 공정으로 생산된 제품에 비해 향상된 특징을 갖는 제품을 얻을 수 있었다.
<실시예 3>
찰옥수수를 사용하여 시험을 수행하였지만, 이 품질의 전분은 노화하는 경향이 보다 적은 것으로 이해된다.
그러나, 특히 제지 용도에서 예를 들어 산화 처리 이후 찰전분으로부터 제조된 제제의 안정성을 유지하기 어렵다는 것이 또한 인정된다.
따라서 연속식 변형 이후에 배치식 변형 공정 동안보다 훨씬 더 가공된 찰전분을 얻는 것에 관한 것이다.
"배치식" 변형 공정에서는, 15% 건조 재료 함량을 갖는 찰전분유를 제조하였다.
4 내지 5 바아의 압력 하에 145℃의 열 유체에 의해 가열된 관형 조리기를 통해 25 ㎖/분의 속도로 통과시킴으로써 가용화를 수행하였다.
100℃에 가까운 온도에서 1 ㎏의 페이스트를 회수한 다음 30℃의 온도를 얻기 위해 교반하면서 4시간 15분에 걸쳐 냉각시켰다.
0.1 N NaOH를 사용하여 pH를 약 7.5로 조정하고, 전분 1 g당 균질하게 정제된 효소 2.1 ㎎을 30℃의 용액 내로 직접 도입시키고 20시간 동안 반응을 수행하였다. 반응의 종료시 70℃로 가열하여 효소를 탈활성화시켰다.
연속식 공정에서는, 15% 건조 재료 함량을 갖는 동일한 전분유를 4 내지 5 바아의 압력 하에 145℃의 열 유체에 의해 가열된 관형 조리기를 통해 25 ㎖/분의 속도로 통과시킴으로써 가용화시켰다.
냉각은 30℃에 도달하도록 하기 위해 5 내지 10분에 걸쳐 동일한 속도에서 수행하였다. 0.1 N NaOH를 사용하여 pH를 7.5로 연속적으로 조정하고, 3.1 ㎎/㎖로 희석된 효소를 온-라인 혼합기 앞에 2.5 ㎖/분의 속도로 연속적으로 도입시켰다.
반응은 30℃의 자동온도조절 반응기 내에서 22시간 30분 동안 수행하고, 반응의 종료시 70℃로 가열하여 효소를 탈활성화시켰다.
하기 표 3에서는 대조군 (G)와 비교한 배치식 (H) 및 연속식 (I)으로 변형된 표준 전분의 분지 수준, 몰 질량, 점도 및 환원당 함량의 값을 보여준다.
대조군 (G)에 대해서, 15% DM을 함유하는 찰옥수수 전분유를 제조하였다. 4 내지 5 바아의 압력 하에 145℃의 열 유체에 의해 가열된 관형 조리기를 통해 25 ㎖/분의 속도로 통과시킴으로써 가용화를 수행하였다. 이어서 용액을 30℃로 냉각시켰다.
환원당 (%) α-1,6 결합의 수준 몰 질량 MW(달톤) RVA 점도(센티포이즈)
초기 7일
G 0.03 4.3 >5×106 4120 8096
H 0.04 6.5 2.8×105 50 60
I 0.05 7.8 2.5×105 54 65
따라서 분지화 효소를 사용하는 찰전분의 본 발명에 따른 연속식 처리는 배치식 공정에 비해 분지 수준을 현저하게 증가시키고, 여전히 시간에 따른 우수한 안정성과 만족스러운 유동학적 거동을 갖는 제품을 생산할 수 있었다.
<실시예 4>
시험은 실시예 3에서와 같이 찰옥수수를 사용하여 수행하였지만, 처리는 60℃에서 분지화 효소를 사용하여 수행하였다.
"배치식" 변형 공정에서는, 15% 건조 재료 함량을 갖는 밀랍질 전분유를 제조하였다.
4 내지 5 바아의 압력 하에 145℃의 열 유체에 의해 가열된 관형 조리기를 통해 22 ㎖/분의 속도로 통과시킴으로써 가용화를 수행하였다.
100℃에 가까운 온도에서 0.5 ㎏의 페이스트를 회수한 다음 60℃의 온도를얻기 위해 교반하면서 1시간 30분에 걸쳐 냉각시켰다.
0.1 N NaOH를 사용하여 pH를 약 7.5로 조정하고, 전분 1 g당 균질하게 정제된 효소 2.2 ㎎을 60℃의 용액 내로 직접 도입시키고 19시간 동안 반응을 수행하였다. 반응의 종료시 70℃로 가열하여 효소를 탈활성화시켰다.
연속식 공정에서는, 15% 건조 재료 함량을 갖는 동일한 전분유를 4 내지 5 바아의 압력 하에 145℃의 열 유체에 의해 가열된 관형 조리기를 통해 25 ㎖/분의 속도로 통과시킴으로써 가용화시켰다.
냉각은 60℃에 도달하도록 하기 위해 8분에 걸쳐 동일한 속도에서 수행하였다. 0.1 N NaOH를 사용하여 pH를 7.5로 연속적으로 조정하고, 3.1 ㎎/㎖로 희석된 효소를 온-라인 혼합기 앞에 2.9 ㎖/분의 속도로 연속적으로 도입시켰다.
반응은 60℃의 자동온도조절 반응기 내에서 22시간 30분 동안 수행하고, 반응의 종료시 70℃로 가열하여 효소를 탈활성화시켰다.
하기 표 4에서는 대조군 (J)와 비교한 배치식 (K) 및 연속식 (L)으로 변형된 찰전분의 분지 수준, 몰 질량, 점도 및 환원당 함량의 값을 보여준다.
대조군 (J)에 대해서, 15% DM을 함유하는 찰옥수수 전분유를 제조하였다. 4 내지 5 바아의 압력 하에 145℃의 열 유체에 의해 가열된 관형 조리기를 통해 22 ㎖/분의 속도로 통과시킴으로써 가용화를 수행하였다. 이어서 용액을 60℃로 냉각시켰다.
환원당 (%) α-1,6 결합의 수준 몰 질량 MW(달톤) RVA 점도(센티포이즈)
초기 7일
J 0.03 4.7 5×106 2589 6511
K 0.03 4.8 >5×106 2303 겔
L 0.04 6.3 >5×106 2105 3382
따라서 분지화 효소를 사용하는 찰전분의 본 발명에 따른 연속식 처리는 배치식 공정에 비해 분지 수준을 현저하게 증가시키고, 여전히 시간에 따른 우수한 안정성과 배치식으로 수행된 변형과 완전히 일치하는 유동학적 거동을 갖는 제품을 생산할 수 있었다.
<실시예 5>
하기 지시한 바와 같이 비. 스테아로써모필루스로부터 유래된 정제된 글리코겐 분지화 효소를 사용하여 표준 옥수수 전분에 대해 배치식 및 연속식으로 2가지 시험을 수행하였다.
"배치식" 변형 공정에서는, 10% 건조 재료 함량을 갖는 전분유를 제조하였다.
4 내지 5 바아의 압력 하에 145℃의 열 유체에 의해 가열된 관형 조리기를 통해 32 ㎖/분의 속도로 통과시킴으로써 가용화를 수행하였다.
100℃에 가까운 온도에서 1.8 ㎏의 페이스트를 회수한 다음 70℃의 온도를 얻기 위해 교반하면서 1시간 30분에 걸쳐 냉각시켰다.
0.1 N NaOH를 사용하여 pH를 약 6.5로 조정하고, 전분 1 g당 균질하게 정제된 효소 0.026 ㎎을 70℃의 용액 내로 직접 도입시키고 23시간 동안 반응을 수행하였다. 반응의 종료시 100℃로 가열하여 효소를 탈활성화시켰다.
연속식 공정에서는, 10% 건조 재료 함량을 갖는 동일한 전분유를 4 내지 5 바아의 압력 하에 145℃의 열 유체에 의해 가열된 관형 조리기를 통해 32 ㎖/분의 속도로 통과시킴으로써 가용화시켰다.
냉각은 70℃에 도달하도록 하기 위해 5-10분에 걸쳐 상기 동일한 속도에서 수행하였다. 0.1 N NaOH를 사용하여 pH를 6.5로 연속적으로 조정하고, 0.026 ㎎/㎖로 희석된 효소를 온-라인 혼합기 앞에 3.3 ㎖/분의 속도로 연속적으로 도입시켰다.
반응은 70℃의 자동온도조절 반응기 내에서 23시간 동안 수행하고, 반응의 종료시 100℃로 가열하여 효소를 탈활성화시켰다.
하기 표 5에서는 대조군 (M)와 비교한 배치식 (N) 및 연속식 (O)으로 변형된 표준 전분의 분지 수준, 몰 질량, 점도 및 환원당 함량의 값을 보여준다.
대조군 (M)에서, 10% DM을 함유하는 표준 옥수수 전분유를 제조하였다. 4 내지 5 바아의 압력 하에 145℃의 열 유체에 의해 가열된 관형 조리기를 통해 32 ㎖/분의 속도로 통과시킴으로써 가용화를 수행하였다. 이어서 용액을 70℃로 냉각시켰다.
환원당 (%) α-1,6 결합의 수준 몰 질량 MW(달톤) RVA 점도(센티포이즈)
초기 7일
M 0.1 3.4 >5×106 >24,000 겔
N 0.13 6.8 1.6×105 153 150
O 0.12 6.5 1.8×105 99 106
결과는 겉보기에는 비. 스테아로써모필루스로부터 유래된 내열성 분지화 효소를 사용한 표준 옥수수 전분의 배치식 처리와 연속식 처리 사이에 유의한 차이를 보이지 않았다.
그러나, 100℃에서 효소의 탈활성화 후 수집하여 원심분리시킨, 그와 같이 수득된 페이스트는 배치식 처리와 연속식 처리 사이에 양적으로 완전히 상이한 침전물을 가졌다.
이들 침전물은 지질을 처리된 전분의 아밀로스 단편과 복합체화시켜 수득한 것과 같은 구조물에 상응한다.
전분을 변형시키기 위한 배치식 공정에서, 이들 침전물은 페이스트의 12.9 중량% 정도에 달하는 반면, 연속식 처리에서는 4 정도의 인수로 이들 침전물을 제한시킬 수 있었다.
따라서 본 발명에 따른 연속식 전분 변형 공정이 뛰어난 품질의 페이스트의 제조에 특히 더 적합하다.

Claims (8)

  1. 분지화 (branching) 효소를 전분 또는 전분 유도체를 함유하는 반응 매질 내로 연속적으로 도입시키는 것을 포함함을 특징으로 하는, 분지화 효소에 의해 전분 또는 전분 유도체를 변형시키기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서, 전분 또는 전분 유도체를 가열하여 부분적으로 또는 완전히 젤라틴화된 형태가 되도록 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 분지화 효소를 반응 매질 내로 연속적으로 도입시키는 것을 전분 또는 전분 유도체의 노화 및 구조화된 아밀로스-지질 조합물의 형성을 제한하는 조건 하에 수행하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 분지화 효소를 반응 매질 내로 연속적으로 도입시키기 위한 조건이 시간과 온도에 관하여 설정되는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 분지화 효소가 고등 식물, 효모, 박테리아 및 단세포성 조류 (algae)로 이루어진 군 중에서 선택된 유기체 및(또는) 미생물로부터 추출된 것인 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 분지화 효소가 글리코겐 분지화 효소, 전분 분지화 효소, 시클로말토덱스트린 글루코실 트랜스퍼라제, 트랜스-글루코시다제 및 이들 효소의 임의의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택된 것인 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 전분이 옥수수, 감자, 밀, 완두, 카사바 및 쌀 전분으로 이루어진 군 중에서 선택된 것인 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 전분 유도체가 전분의 산 또는 효소적 가수분해의 산물, 및 또한 임의의 종류의 전분의 화학적 및 물리적 변형의 산물로 이루어진 군 중에서 선택된 것인 방법.
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