KR20040059105A

KR20040059105A - 천연 헤미셀룰로오즈를 제조하는 방법

Info

Publication number: KR20040059105A
Application number: KR1020020085645A
Authority: KR
Inventors: 이옥구
Original assignee: 이옥구
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2002-12-27
Publication date: 2004-07-05
Also published as: KR100476239B1

Abstract

본 발명은 벼의 도정 부산물인 왕겨(rice husk) 또는 볏짚으로부터 수용성 또는 불용성의 헤미셀룰로오스를 효과적으로 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 추출원료를 중성세제용액으로 가열해 세척한 후 알칼리 처리하여 가용 헤미셀룰로오스를 용해 및 추출한 다음 필터로 불용물질을 제거하고 알칼리 추출액에 산을 가해 용해된 헤미셀룰로오스를 침전으로 회수한다. 얻어진 침전에 대해 산화환원 반응을 유도하여 헤미셀룰로오스를 탈색처리하고 이후 얻어진 침전용액의 산도를 적절히 조절함으로써 수용성 헤미셀룰로오스를 회수함과 동시에 불용성 헤미셀룰로오스를 분리하는 것을 특징으로 한다. 또한 본 발명은 제조공정을 통해 수용성 헤미셀룰로오스를 간편한 방법으로 불용성으로 전환하는 방법을 제공하고 있어서, 제조공정에서 가변적으로 불용성 헤미셀룰로오스 생산량을 증대시키는 것이 가능하다. 본 발명자는 최대 35% 수준의 높은 회수율을 지니는 천연 헤미셀룰로오스를 제조하는 공정을 개발함으로써 향후 농가 부산물로부터 대향으로 수용성 및 불용성 헤미셀룰로오스를 효과적으로 제조할 수 있게 되었고, 이를 통해 다양한 생리적 기능을 지닌 기능성 식품의 소재개발 또는 건강식품으로 활용 가능한 기능성 헤미셀룰로오스 소재의 대량공급을 이룰 수 있게 되었다.

Description

천연 헤미셀룰로오즈를 제조하는 방법{A process of producing water soluble and water insoluble hemicellulose}

본 발명은 농가 부산물인 왕겨(rice husk) 또는 볏짚(rice stalk)으로부터 다양한 생리적 활성기능을 지닌 헤미셀룰로오스를 추출 및 제조하는 방법을 제공하고 있다. 천연자원으로부터 헤미셀룰로오스를 추출하여 제조하는 방법은 사탕수수, 옥수수, 밀, 보리와 같은 곡류유래 산물등을 대상으로 개발되어져 왔다. 특히 헤미셀룰로오스 연구가 많은 사람들에게 관심을 받아온 주된 이유는 본 물질이 우리 몸에 필요한 식이섬유의 다양한 기능을 수행하기 때문이외에 이러한 천연 고분자 소재들로부터 구성 성분인 단당류를 산업적으로 얻고자 하는 다양한 시도 때문이다.

식이섬유는 용해성에 따라서 불용성과 수용성으로 구분되며 대표적인 불용성식이섬유로는 셀룰로스(cellulose)와 리그닌(lignin)을 들 수가 있다. 수용성 식이섬유로는 구아검, 아라비아검, 펙틴 및 헤미셀룰로오스가 여기에 포함된다. 헤미셀룰로오스는 셀룰로스 및 펙틴질을 제외한 식물 세포벽을 구성하는 다당류의 총칭으로, 단당류가 중합되어 복잡하게 결합되어 있는데 불용성의 헤미셀룰로오스 A 와 수용성의 헤미셀룰로오스 B 로 구분되며 수용성의 헤미셀룰로오스 B 는 5 탄당인 자일로스(xylose)와 아라비노스(arabinose)로 이루어진 다당류인 아라비노자일란(arabinoxylan)을 주성분으로 하고 있다. 곡류의 껍질을 이용하여 식이섬유를 제조하는 방법에 대해서는 다양한 기술이 소개되어 왔다.

대한민국 공개특허 2002-0032310 는 옥피로부터 아밀라제 혹은 단백질 분해효소를 이용하여 전분 및 단백질을 제거하는 공정을 거쳐 0.1 내지 3%의 알칼리 추출공정과 셀룰라제 및 셀로비아제를 처리하여 반응시키는 공정, 탈색 및 탈염의 과정으로 이온교환수지를 이용하는 방법을 통해 식이섬유함량이 20% 이상, 최대 33.4%의 회수율을 얻는 공정을 제시하고 있다.

일본공고특허 평성 6-11764는 탈지미강을 원료로 열수하에서 내열성 아밀라제를 첨가하여 전분을 제거하고 pH 10 이상의 알칼리 또는 pH 3 이하의 산성조건하에서 추출하여 얻어진 수용성 헤미셀룰로오스 B 분획을 중화한 다음 한외여과막으로 여과하여 불용성 성분을 제거하고 정제공정을 거쳐서 수용성 헤미셀룰로오스 (최종수율 3.5 내지 8%)를 제조하는 방법을 제시하고 있다.

대한민국 공개특허 2002-0006559 는 식물체로부터 아세톤을 처리하여 엽록소를 제거하고 알코올추출 및 원심분리로 당류와 지방질등을 제거한 다음 알칼리추출을 하여 반수용성 헤미셀룰로오스를 얻는 방법을 제기하고 있다.

이와 같은 선행 방법들은 곡류의 외피로부터 수용성식이섬유를 제조하는데 있어서 전분 및 단백질 제거 시 물리적 또는 효소처리 후 원심분리 함으로써 미세 섬유소까지 제거되어 손실이 초래되고 알칼리 추출 시 물에 대해 용해도가 낮은 수산화칼슘을 이용함으로 인해 추출효율 저하와 함께 최종시료의 회분함량이 높을 수 있고 이로 인해 정제과정에 과부하가 초래될 수가 있다. 또한 추출공정의 비효율성으로 인해 최종 수용성 식이섬유의 회수율이 전반적으로 낮게 되는데 종래의 최대 회수율은 13%정도이다. 또한 알코올 같은 유기용매를 이용함으로써 공정의 복잡성이 가중되는 점 등은 여전히 산업화의 장애가 되어 왔다. 본 발명은 왕겨 또는 볏짚 등을 대상으로 최대 35%의 회수율로 헤미셀룰로오스를 추출할 수 있는 공정을 제시하고 있으며 특히 본 발명에 의해 얻어진 수용성 헤미셀룰로오스는 물에 ~ 10mg/ml 수준까지 용해성을 보이고 있다.

본 발명은 왕겨 혹은 볏짚으로부터 수용성 및 불용성 헤미셀룰로오스를 높은 회수율로 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명은 농가 부산물인 왕겨 혹은 볏짚으로부터 헤미셀룰로오스를 제조하는 목적에 적용이 가능하다. 2001년 3월 베트남의 국립축산연구소가 발표한 왕겨 및 볏짚의 구성성분 조사를 실시한 결과에 따르면, 왕겨에는 20.65%, 볏짚에는 29.94%의 헤미셀룰로오스가 함유된 것으로 보고되고 있다. 최근 우리 나라 벼 생산량이 연 평균 약 730만톤이 되니까 부산물인 왕겨는 약 146만톤, 쌀겨는 약 58만톤 정도 발생되는 것으로 추정된다. 본 발명의방법은 이러한 엄청난 양의 버려지는 천연자원으로부터 생리적 활성을 지닌 헤미셀룰로오스를 추출 및 제조하는 방법을 제공하고 있다. 한편 국내 농촌진흥청의 자료에 따르면 왕겨에는 조섬유(crude fiber)가 35~46%, 가용성 당질(carbohydrates)이 22~35%, 회분(ash)이 13~21%, 조단백질(crude protein)이 2~3% 들어 있는 것으로 보고하고 있다.

도 1은 왕겨 또는 볏짚으로부터 수용성 및 불용성의 헤미셀룰로오스를 제조하는 방법을 도시한다.

도 2는 본 발명에 의해 제조된 수용성 및 불용성 헤미셀룰로오스의 산(pH 3) 및 알칼리(pH 8) 조건에서의 현미경 사진(200배 확대)이다.

본 발명은 왕겨로부터 수용성 및 불용성 헤미셀룰로오스를 높은 회수율로 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 방법은

(i) 왕겨 또는 볏짚(이하 왕겨)으로부터 NDF (중성세제 불용성섬유)를 얻는 공정

(ii) 왕겨유래의 NDF를 알칼리용액으로 추출하고 여과하는 공정

(iii) (ii)단계에서 얻은 알칼리용액에 산을 처리하여 헤미셀룰로오스를 침전으로 회수하는 공정

(iv) (iii)단계에서 얻어진 침전에 대해 세척하고 탈색하는 공정

(v) 상기단계에서 얻어진 탈색된 헤미셀룰로오스 분획으로부터 수용성 및 불용성 헤미셀룰로오스를 선별적으로 얻는 공정

(vi) 마지막 단계로서 각각 얻은 수용성 또는 불용성 헤미셀룰로오스를 에어드라이(air drying) 또는 분무 건조하여 분말을 얻은 후, 밀링(milling)하고 적절한 체망을 통과하여 미세분말을 얻는 공정으로 이루어진다.

본 발명의 방법에서는 필요한 경우, 헤미셀룰로오스의 회수율을 증대시키기 위해 수용성 헤미셀룰로오스 분획에 칼슘을 적절히 첨가해 줌으로써 불용성 헤미셀룰로오스로 전환하여 회수하는 공정을 추가 도입할 수 있다.

본 발명에서 얻은 수용성 헤미셀룰로오스 분획은 용액의 pH 3 내지 4이상의 조건에서 맑은 용액을 유지하며 미약한 노란색을 띠는 성상의 용액으로서 0.22㎛의 무균필터를 쉽게 통과할 수 있을 정도로 투명하여 음료 같은 수용액 제품에 적절히 활용이 가능하다.

본 발명에 사용되는 왕겨는 상업적으로 용이하게 입수할 수 있으며, 품질수준은 국내 미곡처리장에서 발생하는 왕겨의 품질수준이면 특별한 한정 없이 사용할 수 있다. 한편 볏짚을 사용할 경우 잘 건조된 볏짚을 짧게 자른 후 동일한 과정을 거쳐 헤미셀룰로오스를 회수할 수 있다.

본 발명에서 사용되는 왕겨는 헤미셀룰로오스 함량이 20.65%로 알려져 있고 단백질의 함량이 건조중량 대비 왕겨의 경우 0.44%, 볏짚의 경우는 0.82%의 단백질을 유지하고 있어서 수용성 및 불용성 헤미셀룰로오스를 얻는데 적합한 재료가 된다. 또한 볏짚의 경우 헤미셀룰로오스 함량은 29.94%로 알려져 있다. 본 발명에서는 NDF (neutral dietary fiber)를 얻기 위해 섬유소를 제외한 모든 가용성 당질 또는 단백질을 제거하기 위하여 중성세제 단독 또는 중성세제와 이디티에이(EDTA)가 혼합된 세척용액으로 가열 세척하여 순수한 NDF만을 얻은 다음 헤미셀룰로오스를 추출 및 회수할 수 있다.

왕겨 중 20.65%를 차지하는 헤미셀룰로오스를 추출회수하기 위해 알칼리 용액을 사용하여 고온에서 교반추출한다. 알칼리 용액은 수산화나트륨 용액을 사용할 수가 있으며 헤미셀룰로오스를 효과적으로 추출하기 위해서는 저 농도의 수산화나트륨을 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 확인한 최적의 수산화나트륨 처리농도는 0.5 내지 1M 농도의 용액을 사용하는 것이다. 또한 알칼리 용액으로 추출한 후 부직포로 구성된 여과포를 사용하여 원심분리를 통해 왕겨와 알칼리 추출용액을 효과적으로 분리할 수 있다.

추출액에 인산(phosphoric acid)을 가해 추출된 모든 가용성분을 침전으로 유도할 수 있다. 침전으로 얻어진 짙은 갈색의 침전은 옥살산(oxalic acid)과 과망간산칼륨(potassium permanganate)과의 산화환원 반응을 통해 탈색되어 침전으로 얻을 수 있다. 탈색과정의 반응식의 요약은 다음과 같다.

2MnO^4-(aq) + 16H⁺(aq) + 5C₂O₄ ^2-(aq) →10CO₂(g) + 8H₂O(l) + 2Mn²⁺(aq)

최적의 반응조건에서 얻어지는 부산물은 망간이온 뿐이며, 독성을 지닌 물질은 전혀 발생되지 않는다. 본 발명에서는 탈색과정을 완료한 후에 용액의 pH를 저하시켜서 모든 헤미셀룰로오스를 침전으로 회수한다. 이의 목적은 위 반응식에서 보듯이 반응 산물인 망간이온을 제거해 주는 목적과 더불어 일부 잔존하는 옥살산은 후공정에서 첨가할 수도 있는 칼슘이온과 반응을 하여 백색침전을 유도하기 때문에 이를 방지하기 위하여 적절한 산으로 미리 교체해 주는 목적도 있다. 탈색이 완료된 직후, 침전을 세척해 주는 적합한 산은 아세트산 단독사용이 적합하며 또는 아세트산-이디티에이(acatic acid-EDTA)가 혼합되어 사용될 수 있다.

본 발명에서는 탈색 및 세척이 완료된 침전을 수산화나트륨을 사용하여 용액의 pH를 4 내지 6 범위 이상으로 조절해 주어 수용성 헤미셀룰로오스를 상등액으로 추출할 수 있다. 약산성 또는 중성이상의 용액에서 불용성 헤미셀룰로오스는 여전히 침전으로 남아 있게 되며 대부분의 수용성 헤미셀룰로오스는 상등 액에 존재하게 된다. 이후 원심분리를 통해 불용성과 수용성의 헤미셀룰로오스 분리가 가능하다. 얻어진 수용성 헤미셀룰로오스는 인산을 가해 pH를 저하시키면 침전으로 재회수가 가능하며 또는 수용액에 칼슘을 첨가해 주어 킬레이트(chaleate)시킨 다음 침전으로 회수할 수 있다. 수용성 헤미셀룰로오스는 수용액 상태에서 맑게 용해되어 있으며 0.22㎛를 쉽게 통과할 수 있어 용액의 무균처리가 가능하다.

본 발명에서는 불용성 침전으로 얻어진 헤미셀룰로오스와 수용성 헤미셀룰로오스 단독 또는 수용성 헤미셀룰로오스에 칼슘처리하여 불용성으로 전환한 후 불용성 헤미셀룰로오스와 서로 합쳐져서 얻어질 수 있다.

이하에서는 본 발명의 왕겨 또는 볏짚을 이용한 수용성 및 불용성 식이섬유(일명 헤미셀룰로오스)의 제조방법을 공정에 따라 기술한다.

제 1공정: 단백질 또는 불순물 제거과정

본 발명의 시작물질은 잘 건조된 왕겨 또는 볏짚이 될 수 있으며 자연적으로 건조된 원료를 사용할 경우 원료 50g당 0.5 내지 1L에 해당되는 물을 첨가하여 교반하면서 일차세척을 완료한 다음 동일한 조건의 비율대로 물을 첨가하고 여기에 최종 0.01 내지 0.5%(v/v)의 중성세제 단독 또는 1 내지 10mM EDTA가 혼합된 중성세제 용액이 되게 하여 70 내지 100 ℃에서 1 내지 3시간동안 가열해 줌으로써 해당 온도범위에서 단백질 및 불순물을 일차로 추출 제거한다. EDTA의 첨가는 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스 또는 리그닌사이의 결합매개체로 주로 칼슘이 결합되어 있기 때문에 이를 제거해 줌으로써 헤미셀룰로오스 추출을 용이하게 함이 목적이다. 단백질 세척과정이 완료되면 충분한 물로 원료물질을 세척해 주고 탈수과정을 거쳐서 추출공정으로 이동하게 된다.

제 2공정: 알칼리 추출

단백질 및 불순물이 제거된 원료물질에 알칼리 용액을 첨가하여 헤미셀룰로오스를 추출한다. 수산화나트륨 용액은 0.3M 내지 3M, 바람직하게는 0.5M 내지 1M의 농도범위에서 사용가능하며 추출부피는 원료물질 대비 중량 비로 10배 내지 20배 범위 내에서 적용가능 하다. 추출온도는 70도 내지 100도 범위로 하여 3시간 내지 6시간 범위로 적용하여 헤미셀룰로오스를 추출할 수 있다.

제 3공정: 헤미셀룰로오스 침전

추출이 완료된 다음, 실온까지 용액의 온도를 내린 다음, 첨가해준 수산화나트륨을 적정하기 위해 인산(phosphoric acid) 원액을 사용하여 당량 비로 첨가하여 용액의 pH를 2 내지 3 이하, 바람직하게는 pH 2 이하의 범위로 조절한다. 필요할 경우 인산 원액을 추가로 첨가하여 원하는 pH로 조절할 수 있다. 용액의 pH가 저하되면서 알칼리 추출물이 갈색의 침전으로 얻어지게 된다. 원하는 pH에 도달되면 원심분리 또는 실온에서 하루 이상 방치하는 자연침강 법을 이용하여 상등 액을 제거할 수 있으며 회수된 침전은 탈색공정으로 이동하게 된다.

제 4공정: 추출물의 탈색공정

회수된 침전물을 2.5% 내지 5%의 옥살산(oxalic acid)으로 교반현탁한 다음, 다시 원심분리를 통해 침전을 얻는다. 본 과정은 탈색에 앞서서 기존의 인산 및 기타 침전물에 함유된 용매성분을 옥살산으로 대체 교환하기 위한 작업이다. 옥살산으로 세척된 갈색침전이 회수되면 무게(wet weight) 중량대비 1배 내지 4배수의 범위에서 2.5% 내지 5%의 옥살산 용액으로 잘 현탁하고 여기에 물에 포화된 과망간산칼륨 용액을 (첨가한 옥살산 용액 부피 / 2.5) 용량 만큼 넣어주어 반응을 시작한다. 본 반응은 실온에서 실시할 경우, 2시간 내지 10시간 이내로 완결된다. 반응이 완결되면 용액의 색은 전반적으로 엷은 노란색 또는 무색을 띠게 되며 백색의 침전물이 보이게 된다. 반응이 종결되면 인산원액을 적절히 가해 용액의 pH가 2 이하가 되게 조절한 다음 원심분리하여 침전을 회수한다.

제 5공정: 불용성 또는 수용성 헤미셀룰로오스 제조공정

회수된 침전으로부터 불용성 및 수용성 헤미셀룰로오스를 얻기 위해 100mM 식초산으로 현탁하고 원심분리를 하여 침전을 세척한다. 필요한 경우 이를 반복 실행한다. 이의 목적은 이전의 탈색공정에서 사용된 모든 용액과 일부 잔존량을 세척해 주기 위함이다. 얻어진 침전을 물에 현탁하고 수산화나트륨을 사용하여 용액의 pH를 4 내지 7범위로 조절한다. 이때 얻은 상등액에는 수용성 헤미셀룰로오스가 함유되어 있다. 본 공정에서 용해되지 않고 남아있는 백색의 침전은 불용성 헤미셀룰로오스이다. 불용성 헤미셀룰로오스와 분리된 수용성 헤미셀룰로오스는 별도로 회수하여 수용성 제품으로 활용되거나 또는 인산을 첨가하여 용액의 pH를 2 이하가 되게 하면 수용성 헤미셀룰로오스를 침전으로 다시 회수될 수 있다. 또한 수용성헤미셀룰로오스의 침전은 칼슘용액을 첨가하여 유도할 수도 있다. 첨가되는 칼슘용액의 농도는 최종농도 기준으로 50mM 내지 500mM의 범위로 가능하다. 수용성 헤미셀룰로오스는 칼슘의 첨가로 인하여 침전으로 회수가 되는데 엷은 노란색 또는 갈색의 침전으로 얻어진다.

제 6공정: 건조 및 분말제조

상기공정에서 얻어진 수용성 헤미셀룰로오스의 칼슘침전물 또는 불용성 헤미셀룰로오스는 공기상 건조법(air flow drying)으로 건조가 가능하다. 건조분말은 미세입자 제조기를 통해 보다 가는 분말로 제조되어 용도에 따라 활용될 수 있다. 이와 같이 제조된 왕겨 또는 볏짚에서 유래된 수용성 및 불용성 헤미셀룰로오스는 건강식품의 원료 또는 식품첨가물 형태로 사용될 수가 있다.

이하 실시 예에 의하여 본 발명은 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시 예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시 예에 국한되지 않는다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가지 자에게 있어서 자명할 것이다.

실시예 1

건조중량 200g의 왕겨를 물에 충분히 적신 후 0.01%(v/v)의 중성세제 함량이 되게 첨가하고 90 내지 100 ℃ 온도 범위로 하여 2시간 이상 가열 세척하였다. 세척 후 물기를 중력을 통해 제거한 다음 무게를 측정하니 400g이 되었다. 세척된 왕겨를 7g씩 취하여 용기에 넣은 후 각각 0.1, 0.3, 0.5, 1, 2, 3N의 수산화나트륨 50ml을 첨가하고 90 ℃에서 6시간동안 물중탕으로 가열하였다. 이후 각 처리조건별상등액을 1ml씩 반복 수 2회로 회수하고 첨가된 수산화나트륨 대비 당량 비로 인산을 첨가하여 알칼리 추출된 상등액의 침전을 유도하였다. 1500g에서 10분간 원심분리를 통해 침전을 회수하고 다시 각각의 용기에 0.1M 인산용액으로 침전물을 세척하였다. 최종적으로 얻은 침전물의 무게를 측정하니 각각 3.1, 3.17, 3.21, 3.25, 3.22, 3.27g을 얻었고 이를 추출농도조건 대비 추출량의 관계를 하기의 그림으로 나타내었다.

그림에서 보면 각 조건에서 알칼리 추출된 침전량의 무게는1M 수산화나트륨 농도를 최고점으로 하여 감소추세를 보이다가 처리된 수산화나트륨 농도가 증가할수록 추출량이 증가하는 경향을 보이고 있다. 각 조건별로 추출한 결과 알칼리 용액의 상태는 1M 추출액까지는 맑은 갈색의 용액상태를 보였으며 2 내지 3M 수산화나트륨 추출농도에서의 상등액은 불투명하며 노란 갈색을 띠었다.

실시예 2

실시예 1에서 준비된 왕겨를 각각 7g씩 취하고 각 용기에 0.5N 수산화나트륨75ml을 첨가하여 실온에서 24시간 또는 90℃ 조건에서 3시간 가열 또는 6시간 가열을 통해 각 처리조건에서의 추출량의 변화를 관찰하였다. 각 알칼리 추출액에서 1ml씩 3회 취하여 실시예 1에서와 동일한 방법으로 인산을 당량 비로 처리하여 침전을 얻고 무게를 평균하여 단위 ml당 실온에서 방치한 것은 10mg, 3시간 가열한 것은 76.7mg, 6시간 가열한 것은 86.7mg을 각각 회수하였다. 6시간 가열하여 얻은 양을 100으로 하여 환산하였을 때의 회수율을 퍼센트로 환산하여 아래의 그림에 표기하였다.

그림에서 보면 실온에 방치한 용기의 침전 회수량은 최고 추출량 대비 11.5% 수준에 지나지 않으며 3시간 동안 가열해준 용기의 알칼리 추출량은 최대 추출량 대비 88.5% 수준에 이르는 것으로 나타났다.

실시예 3

건조된 왕겨 58.6g을 1L의 물에 현탁하고 0.1%(v/v)의 중성세제를 첨가하여90 ℃에서 3시간동안 가열 세척하였다. 중성세제가 포함된 세척 액은 버리고 다시 물로 충분히 현탁한 다음 부직포가 장착된 탈수기를 사용하여 탈수하고 왕겨를 회수하였다. 이후 왕겨가 포함된 용기에 물을 가하고 최종농도로 0.5M 수산화나트륨 용액 1L가 되게 한 다음 90 ℃에서 3시간동안 가열 세척하였다. 가열 후 탈수기를 통해 얻은 알칼리 추출 액은 775ml이었으며 40ml씩 소분하고 인산을 당량 비로 가하여 최종 용액의 pH가 2 이하가 되게 한 다음 1500g x 10분 가동조건으로 원심 분리하여 얻은 침전의 무게는 총 97g 이었다.

실시예 4

건조된 왕겨 73g으로부터 실시예 3에서와 동일한 방법으로 처리하여 얻은 침전물을 2.5% 옥살산 용액으로 세척한 후 1500g x 10분 가동조건으로 원심 분리하여 침전을 얻었다. 얻은 121g의 침전물에 2.5% 옥살산 용액을 403ml 첨가하여 충분히 현탁한 다음, 물에 포화된 과망간산칼륨 용액 134ml을 교반해 주면서 서서히 첨가하였다. 반응용액은 실온에서 2 내지 3시간 지속적으로 교반해 주었다. 산화환원 반응이 완료된 다음 실시예 3에서와 같이 인산을 가해 원심분리를 통해 침전으로 회수하였다. 이때 얻어진 침전물을 100mM 식초산에 재 현탁하여 세척해 준 다음 다시 원심분리하여 42g의 침전물을 얻었다. 42g의 침전물에 물을 400ml 가하여 현탁하고 수용성 헤미셀룰로오스를 얻기 위해 수용액의 pH가 6.5가 되게 수산화나트륨을 가하여 조절하였다. 동일한 조건에서 충분히 교반한 후 1500g x 10분 가동조건으로 원심분리하여 상등 액을 분리하고 16g의 침전을 회수하였다. 얻은 침전을 55 ℃ 건조기에서 일차 건조한 후, 추가로 에어건조(air drying)를 24시간 이상 실시하여 최종적으로 3.1g의 건조된 백색 헤미셀룰로오스를 얻었다.

실시예 5

실시예 4에서 얻은 pH 6.5의 상등액을 이분하여 186ml의 수용액을 준비하였다. 본 수용액에는 수용성 헤미셀룰로오스가 함유되어 있는데 이를 회수하기 위하여 인산을 첨가하여 최종 수용액의 pH가 1.85가 되게 하였다. 이전에서와 동일한 조건으로 원심분리하여 일부 수분을 포함한 총 28g의 침전물을 얻었다. 실시예 4에서와 동일한 방법으로 건조하여 최종 1.1g의 건조된 수용성 헤미셀룰로오스를 얻었다.

실시예 6

실시예 4에서 얻은 pH 6.5의 상등액을 이분하여 186ml의 수용액을 준비하였다. 본 수용액에는 수용성 헤미셀룰로오스가 함유되어 있는데 이를 회수하기 위하여 실시예 5에서 실시한 것과는 다른 회수방법을 실시하였다. 즉, 최종 10mM 칼슘농도가 되게 칼슘을 첨가하니 수용액의 pH는 약간 저하된 pH 5.5가 되었다. 시간이 지나면서 칼슘이 헤미셀룰로오스에 킬레이트되면서 불용성 헤미셀룰로오스가 형성되기 시작하였다. 이전에서와 동일한 조건으로 원심분리하여 총 16g의 침전물을 얻었다. 실시예 4에서와 동일한 방법으로 건조하여 최종 1.2g의 건조된 불용성의 헤미셀룰로오스를 얻었다. 이상에서와 같이 알칼리 추출액 침전물 121g으로부터 실시예 4에서와 같이 3.1g의 건조된 불용성 헤미셀룰로오스를 얻을 수 있었으며 또한 수용성 헤미셀룰로오스는 실시예 5에서와 같이 1.1g을 얻었다. 이는 상등 액을 이분하여 얻은 건조 중량이므로 총 수용성 헤미셀룰로오스는 2.2g이 될 수 있다. 따라서 최종적으로 회수된 수용성 헤미셀룰로오스는 2.2g이고 불용성 혜미셀룰로오스는 3.1g이므로 총 5.3g의 헤미셀룰로오스를 73g의 건조된 왕겨 추출물로부터 얻을 수 있었다. 왕겨의 헤미셀룰로오스 함량이 20.65%으로 알려져 있으므로 73g 왕겨의 이론적인 헤미셀룰로오스 함량은 15.1g이고 이로부터 5.3g의 헤미셀룰로오스를 얻을 수가 있었다. 따라서 본 공정의 헤미셀룰로오스 회수율은 35% 수준이 된다.

실시예 7

실시예 3에서 얻은 5g의 침전물에 5% 옥살산 15ml을 첨가하여 충분히 현탁하고 물에 포화된 과망간산칼륨용액 6ml을 넣어 실온에서 3시간 동안 교반하면서 탈색을 진행하였다. 산화환원 반응이 완료된 용액은 백색의 헤미셀룰로오스를 포함하는 맑은 용액이 되었다.

실시예 8

실시예 5에서 얻은 건조된 수용성 헤미셀룰로오스를 0.23g 취하여 20ml의 5mM 수산화나트륨 용액에 용해하였다. 지속적으로 교반을 해 주면서 완전히 용해된 다음, 용액의 pH를 식초산으로 서서히 저하시켜 최종 pH 7 까지 조절하였다. 수용성 헤미셀룰로오스는 이 조건에서 여전히 물에 대한 용해성을 보전하고 있었으며 최대 11.5mg/ml까지의 농도로 물에 용해될 수 있음을 보여주었다.

이상에서 상세히 설명하고 입증하였듯이, 본 발명은 생리활성 물질인 천연유래 식이섬유(일명 헤미셀룰로오스)의 제조방법을 제공한다. 본 발명은 전 세계적으로 매년 방대한 양이 생산되는 쌀 도정 부산물인 왕겨 또는 볏짚으로부터 우리 몸에 유익한 식이섬유 및 식이섬유가 지니는 다양한 생리활성 기능을 저렴한 가격으로 제조하는 방법을 제공할 뿐 아니라 그동안 국내외에서 활용가치가 전무하였던 이러한 원료 물질들을 식품 및 건강에 유익한 물질의 추출원료로 활용하는 방법을 제공하고 있다. 본 발명은 이로써 향후 국내의 농가수익 개선에 큰 기여를 할 수 있을 뿐 아니라, 그 동안 폐기물로 인식되어 왔던 벼 도정 부산물로부터 몸에 유익한 영양성분을 추출하여 공급할 수 기반을 마련하게 되었다. 본 발명에 의한 최종산물은 건강식품 및 식품의 첨가물로 활용이 가능하다.

Claims

왕겨로부터 수용성 및 불용성 헤미셀룰로오스를 제조하는데 있어서

(1) 왕겨로부터 NDF (중성세제 불용성섬유)를 얻는 공정;

(2) 왕겨유래의 NDF를 0.5 내지 1M 농도의 수산화나트륨 용액으로 추출하고 여과하는 공정;

(3) (2)단계에서 얻은 알칼리 추출용액에 산을 처리하여 헤미셀룰로오스를 침전으로 회수하는 공정;

(4) (3)단계에서 얻어진 침전에 대해 산으로 세척한 후 산화제 처리를 통해 탈색하는 공정;

(5) 상기단계에서 얻어진 탈색된 헤미셀룰로오스 분획으로부터 용액의 pH조절을 통해 수용성 및 불용성 헤미셀룰로오스를 선별적으로 분리한 다음 수용성 헤미셀룰로오스를 회수하는데 있어서 산을 가해 침전으로 회수하거나 또는 칼슘을 가해 불용성으로 전환한 다음 회수하는 공정;

(6) 각각 얻은 수용성 및 불용성 헤미셀룰로오스를 에어드라이(air drying) 또는 분무건조하여 분말을 얻은 후, 밀링(milling)하고 적절한 크기의 체망을 통과하여 미세분말을 얻는 공정으로 이루어진 왕겨로부터의 수용성 및 불용성 식이섬유의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 (3)단계에서 알칼리 추출물에 포함된 헤미셀룰로오스의 회수를 위해 인산 또는 옥살산을 첨가하여 용액의 pH를 2.5 이하가 되게 하여 침전으로 회수하는 것이 특징인 방법.
제 1항에 있어서, 상기 (5)단계에서 수용성 식이섬유를 회수하는데 있어 최종농도가 50mM 내지 500mM 이 되게 칼슘을 첨가하여 불용성 식이섬유로 전환시켜 침전으로 회수하는 것이 특징인 방법.