KR20030096457A - 효소반응을 이용한 글루콘산 칼슘의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 효소반응을 이용하여 글루콘산 칼슘을 제조하는 방법에 관한 것으로, 반응기 내부를 효소반응에 적합한 산도(pH)로 조절함과 동시에 경제적인 방식으로 직접 고순도의 글루콘산 칼슘을 제조하기 위하여, 상압하에서 반응기 내의 산소를 0.2∼0.8vvm 으로 유지하면서, 글루코스 옥시다제와 카탈라제 효소반응을 이용하여 포도당을 산화시키고, 이에 pH 조절제 및 칼슘공급원으로서 탄산칼슘을 첨가하여 글루콘산 칼슘을 제조하는 구성으로 되어 있다.
Description
본 발명은 효소반응을 이용한 고순도 글루콘산 칼슘(Calcium Gluconate)의 제조방법에 관한 것으로, 특히 포도당 산화효소인 글루코스 옥시다제(Glucose Oxidase)와 과산화수소 분해효소인 카탈라제(Catalase)의 반응조건을 최적화하여 고순도의 글루콘산(Gluconic Acid)을 제조함과 동시에, 상기 효소반응의 최적화를 위한 산도(pH) 조절목적 및 칼슘의 원료물질로서 탄산칼슘(CaCO3)을 첨가함으로써 글루콘산 칼슘을 제조하는 방법에 관한 것이다.
글루콘산 칼슘은 포도당이 산화되어 형성된 유기산인 글루콘산이 칼슘과 킬레이트를 형성하여 만들어지는 것으로, 인체의 장 점막을 통하여 쉽게 흡수되어 대사과정을 거치면서 쉽게 분해되며 무해하기 때문에, 식품첨가물 공전과 미국 식품의약국(FDA)의 GRAS에 이미 등재되어 있고, 일본 및 기타 여러나라에서 식품첨가물로 인정되어 건강보조 및 기능성식품, 우유, 음료 및 영유아용 특수영양식품 등에칼슘강화를 목적으로 첨가되는 등 널리 사용되고 있다.
특히, 고순도 글루콘산 칼슘은 의약품 용도로 사용되고 있는데, 뼈가 생성되는 양보다 흡수되어 없어지는 양이 더 많아지게 되는 40∼50대 갱년기 여성에 많이 나타나는 질병인 골다공증의 칼슘보충제로서 주사제 형태로 사용되고 있으며, 구루병 및 골연화증 치료에도 사용되고 있다.
종래의 글루콘산 칼슘 제조방법은 전기화학적 촉매산화법, 미생물을 이용한 발효법 등으로 발전되어 왔으며, 현재는 미생물 특히 에스퍼질러스(Aspergillus)속 곰팡이를 이용한 발효법이 산업적인 제조방법으로 되어 있지만, 이들은 직접 글루콘산 칼슘을 제조하는 방법이 아니라 원료물질에 해당하는 글루콘산 및 글루콘산 나트륨을 제조하는 방법들이다.
상기 전기화학적 촉매산화법은, 전기화학적 촉매를 이용하여 포도당을 산화시킴으로써 글루콘산을 제조하는 방법이지만, 산업적으로는 사용할 수 없는 낮은 전환수율, 고가의 장비, 파생되는 산업폐수의 처리문제 및 기술적인 문제등으로 현재는 사용 되지 않고 있다.
또한, 미생물을 이용한 발효법에 관해서 살펴 보면, 여러 가지 미생물을 이용한 글루콘산 및 글루콘산나트륨의 제조방법이 있으나, 생산수율 측면에서 현재는 에스퍼질러스(Aspergillus)속 곰팡이를 이용한 발효법이 일반적이다. 미생물을 이용한 발효법은 미생물 발효의 특성상 발효기내에 생성된 글루콘산으로 인하여 pH가 급격히 떨어져 미생물의 생장이 억제되기 때문에, 적절한 pH 조절제를 첨가하여 pH를 일정수준으로 유지시켜 주어야 글루콘산의 생산수율을 극대화할 수 있다. pH 조절제로는 염기성 물질이 모두 포함될 수 있지만 제조단가, 균체 생장성, 고농도 발효에서의 용해도 등을 고려하여, 가성소다(NaOH)가 글루콘산 발효에 널리 쓰이고 있다.
이렇게 해서 만들어진 발효의 최종산물은 글루콘산 나트륨으로서, 후처리 공정인 균체제거 공정, 결정화 공정을 통하여 글루콘산 나트륨이 만들어지며, 이온교환 처리공정을 통하여 글루콘산이 생산된다. 이와 같이 제조된 글루콘산을 이용하여 글루콘산 칼슘이 최종적으로 만들어지게 된다.
그러나, 이와 같은 발효법을 이용한 글루콘산 칼슘의 제조는 낮은 단위시간당 생산수율, 복잡한 정제공정, 및 이에 파생되는 산업폐수 처리문제 등으로 제조 원가가 높아 다른 칼슘강화제 등과 비교하여 가격 경쟁력에서 뒤떨어진다.
이에 대하여, 한국특허 제0261015호에서는 효소반응을 이용한 방법으로서, 산소가압 조건하에 중화제인 수산화칼슘을 이용하여 글루콘산 칼슘을 제조하는 방법에 관해 기술하고 있으며, 이는 또한 사용한 효소 등을 재사용하도록 하고 있는 등 경제적인 측면도 고려하고 있다.
그러나 본 발명자들은, 상기 발명에 있어서 공기 대신 산소를 투입할 경우에는 상압조건하에서도 효소반응이 충분히 잘 일어나기 때문에, 상기 효소반응의 결정적 요인은 카탈라제를 이용하여 글루코스 옥시다제 활성의 저해물질로 작용함과 동시에 효소반응 중 지속적으로 발생되는 과산화수소를 얼마나 효과적으로 제거함으로써, 글루코스 옥시다제의 활성을 최대한 유지시킬 수 있느냐에 있다는 것을 발견하였다.
또한, 효소의 일반적인 특성상 효소활성은 적절한 농도의 안정제가 없는 상태와 비교적 높은 온도에서는 급격히 떨어지기 때문에, 위 발명에서 제시하는 반응후 효소의 재사용 가능성은 구체적이지 못하다는 문제가 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 종래의 미생물을 이용한 발효법 대신 글루코스 옥시다제와 카탈라제의 효소반응을 이용하여 고순도의 글루콘산을 생성시킨 후 이에 탄산칼슘을 첨가함으로써, 상기 효소반응에 적합한 산도(pH)로 조절함과 동시에 경제적인 방식으로 직접 고순도의 글루콘산 칼슘을 제조하는 것에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 글루콘산 칼슘을 제조하기 위한 글루코스 옥시다제와 카탈라제 효소반응의 최적화 조건을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 글루콘산 칼슘의 제조방법은, 상압하에서 반응기내의 산소를 적정량으로 유지하면서, 글루코스 옥시다제와 카탈라제 효소반응을 이용하여 포도당을 산화시키고, 이에 pH 조절제 및 칼슘공급원으로서 탄산칼슘을 첨가하여 글루콘산 칼슘을 제조하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명에 의한 글루콘산 제조방법을 설명한다.
본 발명에 의한 글루콘산 제조방법은, 글루콘산 칼슘의 가장 경제적인 생산을 위해서 종래의 미생물발효 대신 실질적인 효소반응을 통한 제조방식을 채택하고 있다. 즉, 포도당을 글루콘산으로 전환시키는 글루코스 옥시다제의 반응, 상기 반응에서 생성되는 과산화수소를 분해하기 위한 카탈라제의 반응에 이어, pH 조절제인 탄산칼슘을 첨가함으로써 상기 반응에 적절한 pH를 조절함과 동시에 목표 산물인 글루콘산 칼슘을 제조하도록 하고 있다.
이와 같은 방식은, 균체를 제거하고 부산물을 제거하는 후속공정을 필요로 하지 않고, 포도당을 직접 글루콘산 칼슘으로 전환하기 때문에, 고순도의 글루콘산 칼슘을 얻게 할 뿐만 아니라 생산수율면에 있어서도 훨씬 유리하다.
또한 효소반응에 걸리는 시간이 짧기 때문에 글루콘산 칼슘의 생산에 소요되는 기간도 단축시킬 수 있게 된다. 즉, 단위 시간당 생산성을 극대화할 수 있으므로 글루콘산 칼슘의 제조에 필요한 기계설비에 대한 투자도 상대적으로 절약할 수 있어, 글루코스 옥시다제와 카탈라제의 복합적 효소반응을 통해 고순도의 글루콘산 칼슘을 경제적으로 제조할 수 있다는 이점이 있다.
보다 구체적으로, 본 발명에 있어서 상기 효소반응은 산소가 존재하는 조건하에서 포도당(C6H12O6, Glucose)을 글루코스 옥시다제에 의해 산화시켜 글루콘산(C6H12O7, Gluconic Acid)과 과산화수소로 전환시키는 반응(글루코스 옥시다제 반응)과, 여기서 생성된 과산화수소를 카탈라제에 의해 물과 산소로 분해시키는 반응(카탈라제 반응), 및 pH조절제인 탄산칼슘을 첨가하여 최적 효소반응을 유지시킴과 동시에 글루콘산과 탄산칼슘의 킬레이트 반응을 유도하여 글루콘산 칼슘을 생성시키고 이산화탄소와 산소가 발생되는 반응으로 이루어져 있다. 이때, 여기서 발생된 산소를 다시 포도당의 산화에 이용함으로써, 가격면에서 비교적 고가인 산소를 최소량으로 하여 글루콘산 칼슘을 제조할 수 있도록 하고 있다.
상술한 과정을 반응식으로 요약하여 나타내면 다음과 같다.
C 6 H 12 O 6 + O 2 →C 6 H 12 O 7 + H 2 O 2 (글루코스 옥시다제 반응)
H 2 O 2 →H 2 O + 1/2 O 2 (카탈라제 반응)
C
6
H
12
O
7
+ CaCO
3
→(C
6
H
12
O
7
)
2
Ca + CO
2
+ O
2
본 발명에 사용된 글루코스 옥시다제는 시판중인 에스퍼질러스 나이저(Aspergillus niger)에서 유래한 효소를 구입하여 사용하였으며, 카탈라제는 시판중인 마이크로코커스 라이서덱티커스(Micrococcus lysodeikticus)에서 유래한 효소를 구입하여 사용하였다.
포도당을 글루콘산으로 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.
효소반응기는 기존의 발효기를 본 발명의 목적에 적합하도록 공기주입장치와 pH 조절장치를 약간 변형하여 사용하였고, 반응속도의 조절을 위해 경우에 따라서는 교반장치를 부착하여 사용하였다.
효소반응을 이용하여 고순도의 글루콘산 칼슘을 생성하기 위해서는 각 효소의 특성과 효소반응에 영향을 주는 각각의 요소들에 대한 조건을 적절히 설정하여 최적의 효소반응을 유지시킬 필요가 있다. 이에 본 발명자들은 글루코스 옥시다제와 카탈라제의 효소반응을 이용하여 고순도 글루콘산 칼슘을 경제적으로 생산하는데 필수적인 조건, 예컨대, 온도, pH, 투입되는 포도당의 농도, 공급되는 산소량, 투입되는 글루코스 옥시다제와 카탈라제의 효소량을 반복적인 실험을 통해 결정하였다.
이하 실시예를 통해 본 발명의 최적한 효소반응 조건을 구체적으로 설명하지만, 이것이 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
(실시예 1)
최적의 효소 반응조건에 대한 반응온도의 영향을 확인하기 위하여, 반응기의 온도를 25℃, 30℃, 35℃, 40℃, 45℃로 설정한 후, 각 경우에 있어서의 포도당에 대한 글루콘산 칼슘의 생성율을 조사하였다. 이 때, 온도를 제외한 다른 반응조건들에 대해선 각각의 경우에 있어서 단일화하였다. 상기 실시예의 결과를 (표 1)에 나타낸다.
| 온도 | 생성율 |
| 25℃ | 75.9% |
| 30℃ | 84.3% |
| 35℃ | 93.1% |
| 40℃ | 96.2% |
| 45℃ | 84.5% |
상기 실험의 결과에 의하면, 반응기 내부의 온도가 30~40℃일 때 포도당에서 글루콘산 칼슘으로 원활하게 생성됨을 알 수 있다. 보다 구체적으로, 35℃보다는 40℃에서 글루콘산 칼슘의 생성율이 더욱 높은 것으로 나타났는데, 이는 온도에 따라 효소의 반응성이 증가된 결과이다. 한편, 45℃에서는 생성율이 낮아지는 현상을 보였는데, 이는 온도증가에 따른 효소의 불안정에 기인한 것으로 파악된다.
(실시예 2)
최적의 효소 반응조건에 대한 pH의 영향을 확인하기 위하여, 탄산칼슘 용액을 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, 각 경우에 있어서의 포도당에 대한 글루콘산 칼슘의 생성율을 조사하였다. 이 때, pH를 제외한 다른 반응조건들에 대해선 각각의 경우에 있어서 단일화하였다. 상기 실시예의 결과를 (표 2)에 나타낸다.
| 조절pH | 생성율 |
| 3.5 | 52.6% |
| 4.0 | 60.2% |
| 4.5 | 78.3% |
| 5.0 | 86.9% |
| 5.5 | 94.3% |
| 6.0 | 97.3% |
| 6.5 | 96.2% |
| 7.0 | 93.1% |
| 7.5 | 92.6% |
| 8.0 | 88.4% |
| 8.5 | 83.4% |
이 결과에 따르면, pH 5.0~8.0 범위에서 85% 이상의 높은 전환율을 보였으며, pH 6.0에서 97.3%의 최고 생성율을 보였다.
(실시예 3)
최적의 효소 반응조건에 대한 포도당 농도의 영향을 확인하기 위하여, 투입되는 포도당 용액의 농도를 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%로 조정한 후, 각 경우에 있어서의 포도당에 대한 글루콘산 칼슘의 생성율을 조사하였다. 이 때, 포도당 농도를 제외한 다른 반응조건들에 대해선 각각의 경우에 있어서 단일화하였다. 상기 실시예의 결과를 (표 3)에 나타낸다.
| 포도당 농도 | 생성율 |
| 20% | 97.7% |
| 25% | 99.1% |
| 30% | 98.7% |
| 35% | 97.4% |
| 40% | 92.3% |
| 45% | 89.3% |
| 50% | 80.7% |
(실시예 4)
최적의 효소 반응조건에 대한 산소의 영향을 확인하기 위하여, 반응기에 공기를 주입하는 경우와, 산소를 주입하는 경우로 나누어, 각 경우에 있어서의 포도당에 대한 글루콘산 칼슘의 생성율이 95%가 되었을 때의 시간을 측정하였다. 그 외 부차적인 반응조건들은 각 경우에 있어서 단일화하였다. 상기 실시예의 결과를(표 4)에 나타낸다.
| 반응기에 주입한 기체성분 | 95%가 되었을 때의 시간 |
| 공기 | 30.5Hrs |
| 산소(O2gas) | 9.5Hrs |
(실시예 5)
최적의 효소반응에 대한 산소농도의 영향을 확인하기 위하여, 산소 주입량을 각각 0.2vvm, 0.4vvm, 0.6vvm, 0.8vvm, 1.0vvm이 되도록 조절한 후, 각 경우에 있어서의 포도당에 대한 글루콘산 칼슘의 생성율을 조사하였다. 이 때, 산소농도를 제외한 다른 반응조건들에 대해선 각각의 경우에 있어서 단일화하였다. 상기 실시예의 결과를 (표 5)에 나타낸다.
| 산소주입량 | 생성율 |
| 0.2vvm | 97.2% |
| 0.4vvm | 98.9% |
| 0.6vvm | 99.3% |
| 0.8vvm | 98.1% |
| 1.0vvm | 96.2% |
(실시예 6)
최적의 효소반응을 위해 투입하는 글루코스 옥시다제의 농도를 결정하기 위하여, 글루코스 옥시다제의 농도가 포도당에 대하여 각각 0.5%, 1.0%, 1.5%, 2.0%,2.5%, 3.0%가 되도록 조절하여 반응시킨 후, 각 경우에 있어서의 포도당에 대한 글루콘산 칼슘의 생성율을 조사하였다. 이 때, 글루콘산 칼슘의 농도를 제외한 다른 반응조건들에 대해선 각각의 경우에 있어서 단일화하였다. 상기 실시예의 결과를 (표 6)에 나타낸다.
| 글루코스옥시다제 농도 | 생성율 |
| 0.5% | 88.9% |
| 1.0% | 93.1% |
| 1.5% | 95.5% |
| 2.0% | 99.1% |
| 2.5% | 99.9% |
| 3.0% | 100.0% |
(실시예 7)
최적의 효소반응을 위한 카탈라제의 농도를 결정하기 위하여, 카탈라제의 농도가 포도당에 대하여 각각 0.5%, 1.0%, 1.5%, 2.0%, 2.5%, 3.0%가 되도록 조절하여 반응시킨 후, 각 경우에 있어서의 포도당에 대한 글루콘산 칼슘의 생성율을 조사하였다. 이 때, 카탈라제의 농도를 제외한 다른 반응조건들에 대해선 각각의 경우에 있어서 단일화하였다. 상기 실시예의 결과를 (표 7)에 나타낸다.
| 카탈라제 농도 | 생성율 |
| 0.5% | 81.1% |
| 1.0% | 96.3% |
| 1.5% | 98.5% |
| 2.0% | 100.0% |
| 2.5% | 100.0% |
| 3.0% | 100.0% |
본 발명의 효소반응을 이용한 글루콘산 칼슘의 제조방법에 의하면, 상압하에서 글루코스 옥시다제와 카탈라제의 효소반응을 이용하여 포도당을 산화시킨 후 이에 탄산칼슘을 첨가함으로써, 상기 효소반응에 적합한 산도(pH)로 조절함과 동시에 그 반응 생성물인 산소(O2)를 상기 포도당의 산화에 재이용할 수 있게 되어, 경제적인 방식으로 직접 고순도의 글루콘산 칼슘을 제조하는 것이 가능해진다.
또한 본 발명에 의하면, 글루콘산 칼슘의 제조를 위한 효소반응에 있어서, 적정한 포도당 농도, 글루코스 옥시다제와 카탈라제의 농도, 반응기 내의 pH, 온도, 산소주입량 등 효소반응에 있어서의 최적화조건을 제공할 수 있게 된다.
Claims (6)
- 상압하에서 반응기내의 산소를 0.2∼0.8vvm 으로 유지하면서, 글루코스 옥시다제와 카탈라제 효소반응을 이용하여 포도당을 산화시키고, 이에 pH 조절제 및 칼슘공급원으로서 탄산칼슘을 첨가하여 글루콘산 칼슘을 제조하는 것을 특징으로 하는 효소반응을 이용한 글루콘산 칼슘의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 반응기내의 온도는 30~40℃로 유지되고, pH는 5.0~8.0으로 유지되는 것을 특징으로 하는 효소반응을 이용한 글루콘산 칼슘의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 반응에 투입되는 포도당의 농도는 20~50%인 것을 특징으로 하는 효소반응을 이용한 글루콘산 칼슘의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 반응에 투입되는 글루코스 옥시다제의 농도는 포도당에 대하여0.5~3.0%인 것을 특징으로 하는 효소반응을 이용한 글루콘산 칼슘의 제조방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 하나에 있어서,상기 반응에 투입되는 카탈라제의 농도는 포도당에 대하여 0.5~3.0%인 것을 특징으로 하는 효소반응을 이용한 글루콘산 칼슘의 제조방법.
- 제1항에 있어서,산화된 포도당과 탄산칼슘의 반응산물로 생성되는 산소를, 포도당의 산화에 재이용하는 것을 특징으로 하는 효소반응을 이용한 글루콘산 칼슘의 제조방법.
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