KR20090063794A

KR20090063794A - 유기산을 이용한 ｌ-아라비노스의 추출 방법

Info

Publication number: KR20090063794A
Application number: KR1020070131291A
Authority: KR
Inventors: 서원준; 송영복
Original assignee: (주)세전
Priority date: 2007-12-14
Filing date: 2007-12-14
Publication date: 2009-06-18
Also published as: KR100954217B1

Abstract

본 발명은 식물 섬유질에 함유되어 있는 L-아라비노스를 고수율 및 고순도로 최적의 생산성을 갖게 추출하는 방법에 관한 것으로, 유기산 및 이온교환수지 방법을 이용하여 강산 및 강산의 중화 시 필요한 알칼리 화학물질을 사용하지 않고서도, L-아라비노스를 효율적으로 추출할 수 있고, 중화과정에서 회수된 유기산을 사용하여 추출 공정에 재사용함으로써 생산 원가를 줄일 수 있으며, 결과적으로 폐수 방출량까지 줄여 경제적·환경적 측면에서 매우 우수한 L-아라비노스의 추출 방법을 제공한다.

식물, 섬유, L-아라비노스, 유기산, 정제, 추출, 헤미셀룰로스

Description

유기산을 이용한 Ｌ-아라비노스의 추출 방법{Method for separation of L-arabinose using organic acid}

본 발명은 농림부산물인 식물 섬유질로부터 L-아라비노스를 추출하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 식물 섬유질의 헤미셀룰로스 함유되어 있는 L-아라비노스를 고수율 및 고순도로 최적의 생산성을 갖게 추출하는 방법에 관한 것이다.

L-아라비노스는 자일로스와 함께 자연계의 식물체에 존재하는 대표적인 5탄당으로 장내에서 설탕을 비경쟁적으로 강하게 저해하는 사실이 보고되면서부터 비만 억제 감미료로 주목받고 있다.

또한, L-아라비노스는 설탕과 함께 섭취 시 지질 생성 효소의 활성을 억제하고, 간의 트리아실글리세롤(Triacylglycerol)의 함량을 감소시켜 체지방 증가를 예방한다고 알려져 있다..

L-아라비노스는 감미도가 설탕의 약 50% 정도이며, 미질은 설탕과 가까워 설탕을 주원료로 하는 제과 등의 식품에 폭 넓게 이용 가능하며, 과혈당 관련 질환의 예방 및 체지방 축적 억제용 첨가물로 개발되고 있다. L-아라비노스를 설탕에 3% 적용할 때 설탕섭취의 50%가 저해된다는 보고도 있다.

L-아라비노스는 임상 실험 결과, 당뇨병 치료제로 이용되는 아카보스(Acarbose)나 미그리톨(Miglitol) 같은 α-글리코시데이즈 저해제에 비해 위장 장애 및 부작용이 적은 것으로도 알려져 있다.

한편, 천연의 식물 섬유로부터 L-아라비노스를 추출 및 분리하는 종래의 기술로는 식물 섬유로부터 헤미셀룰로스를 알칼리로 추출하여 아라비난, 아라비노자일란 등의 중합체를 획득한 후, 이를 다시 산 가수 분해하여 L-아라비노스를 획득하는 방법이 있다.

그런데, 황산, 염산 등의 강산을 이용하면 단당류에 대한 분해능은 강하지만, 강산의 독성으로 인하여 내산성 설비가 필요하며, 더욱이 목적하지 않은 단당류까지 분해 되어 정제 공정에 많은 비용과 어려움을 발생한다. 또한, 추출물의 중화 과정에서 발생되는 많은 염의 처리는 생산 원가의 상승 및 환경 문제를 많이 야기하기도 한다.

이에 본 발명은 강산을 사용하지 않고서도 높은 비율의 L-아라비노스를 추출할 수 있는 방법을 개발하여 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 L-아라비노스의 중합체를 함유하는 식물 섬유질을 포함하는 원재료에 수산, 사과산, 구연산, 호박산, 젖산 및 개미산 중 선택되는 어느 하나 이상의 유기산을 첨가하여 추출함으로써 추출물을 수득하는 단계(a); 수득된 추출물을 여과하여 여과박과 여과액을 추출하는 단계(b); 및, 추출된 여과액을 산을 흡착할 수 있는 음이온교환수지에 흘려 L-아라비노스를 함유하는 중화액을 회수하는 단계(c);를 포함하는 것을 특징으로 하는 L-아라비노스의 추출 방법을 제공한다.

이하, 본 발명의 과제 해결 수단에 대해 각 단계를 세분해서 더욱 상세히 설명하고자 한다.

(1) 단계(a): 추출 단계

본 단계(a)는 L-아라비노스의 중합체를 함유하는 식물 섬유질을 포함하는 원재료에 수산, 사과산, 구연산, 호박산, 젖산 및 개미산 중 선택되는 어느 하나 이상의 유기산을 첨가하여 추출함으로써 추출물을 수득하는 단계이다.

원재료는 본 단계 전에 바람직하게 수세 과정을 거치는 것이 최종 생산된 L-아라비노스가 식품의 소재로 적용되는 점을 고려할 때 바람직하다.

L-아라비노스의 중합체는 L-아라비노스가 L-아라비노스 끼리 또는 다른 중심체(backbone; 일 예로, 자일로스 결합 사슬)에 곁가지로 중합된 것을 지칭하는 것으로, 일 예로는 아라비난(arabinan) 또는 아라비노자일란(arabinoxylan)이 있고, L-아라비노스의 중합체를 함유하는 식물 섬유질은 헤미셀룰로스(hemicellulose)가 있다.

한편, 본 단계(a)에 있어, L-아라비노스의 중합체를 함유하는 식물 섬유질을 포함하는 원재료로는 L-아라비노스의 중합체를 함유하고 있는 것이라면 특정의 것에 국한되지 않고, 사용할 수 있으나, 바람직하게는 옥수수피, 쌀겨, 사탕무우 펄프, 미강 및 사과 섬유 중 선택되는 어느 하나 이상을 사용하는 것이 좋다.

한편, 본 단계(a)에서 사용되는 유기산은 pH가 1.5~5.0인 것이 바람직한데, 이 pH의 영역에서 L-아라비노스의 추출 수율이 증대되기 때문이다. 이때, 사용되는 유기산은 유기산이 0.1~3.0%(v/v) 함유된 유기산 수용액인 것이 바람직하다.

한편, 본 단계(a)에서 사용되는 유기산의 첨가 비율은 바람직하게 원료 100g 당 500~3000mL의 비율인 것이 좋다. 이보다 첨가 비율이 낮으면 용매인 유기산의 재료로의 침투성이 떨어져 추출 수율이 떨어지고, 이보다 첨가 비율이 높으면 불순물의 함량이 높아져 아라비노스의 추출 농도가 낮아지는 문제가 발생하기 때문이다.

한편, 본 단계(a)에서 추출은 특정의 온도 및 특정의 시간에 반드시 한정되 는 것은 아니나, 경제성을 고려했을 때 바람직하게 90℃~120℃의 온도로 0.5~48시간 동안 수행하는 것이 좋다.

(2) 단계(b): 여과 단계

본 단계(b)는 상기 단계(a)로부터 수득된 추출물을 여과하여 여과박과 여과액을 추출하는 단계이다.

여과는 추출물을 박과 액으로 분리할 수 있는 것이라면 특정의 방식 및 회수에 반드시 국한되는 것은 아니나, 바람직하게 부직포, 여과포 또는 여과망을 이용하여 1차 여과하고, 한외여과를 통해 2차 여과하는 것이 좋다. 여과 수준에 있어 차이를 둔 2단계 여과에 의해 여과막의 막힘 등을 방지할 수 있고, 여과 수율을 증대시킬 수 있기 때문이다.

(3) 단계(c): 중화액 회수 단계

본 단계(c)는 추출된 여과액을 산을 흡착할 수 있는 음이온교환수지에 흘려 L-아라비노스를 함유하는 중화액을 회수하는 단계이다. 여과액이 음이온교환수지를 통과하면서 유기산은 음이온교환수지에 흡착되고, L-아라비노스를 함유하는 용액은 수지를 통과해서 중화액으로 회수된다.

한편, 유기산을 재활용하기 위해 바람직하게 단계(c)의 유기산이 흡착된 음이온교환수지에 물을 흘려 유기산을 용출한 후, 유기산 용출액을 단계(a)에서 재사용하는 것이 좋다. 이때, 유기산 용출액의 pH를 (a)에서 사용한 유기산의 최초 pH 와 일치하게 조절하는 단계(c-1);을 추가로 포함하는 것이 좋다. pH를 최초 첨가된 유기산과 맞게 조절함으로써, 단계(a)의 추출 공정을 균일한 조건에서 연속적으로 수행할 수 있기 때문이다.

한편, 본 발명의 L-아라비노스 추출 방법은 용출된 중화액을 양이온 교환수지 및 음이온 교환수지를 순차적으로 통과시키는 단계(d)를 추가적으로 포함하는 것이 좋다. 이와 같은 양이온 교환수지 및 음이온 교환수지의 순차적 통과에 의해 중화액의 전도도(conductivity)가 낮아지는데, 이는 중화액이 많이 탈염된 것을 의미하고, 탈염이 많이 되었다는 것은 식품에 첨가되었을 경우, 대상 식품의 물성에 큰 변화를 주지 않기 때문에 매우 바람직하다. 이때, 상기 양이온 교환수지 및 음이온 교환수지의 순차적 통과는 임의 조합에 의해 n차 반복되는 것이 좋다.

한편, 본 발명의 L-아라비노스 추출 방법은 단계(c)의 중화 후, 농축하는 단계(e)를 추가로 포함하는 것이 좋다. 농축액은 식품에 첨가되었을 경우, 소량으로도 첨가의 목적을 달성할 수 있고, 대상 식품의 물성을 변화시키지 않기 때문에 바람직하다.

이상에서 살펴 본 본 발명은 유기산 및 이온교환수지 방법을 이용하여 강산 및 강산의 중화 시 필요한 알칼리 화학물질을 사용하지 않고서도, L-아라비노스를 효율적으로 추출할 수 있고, 유기산을 회수하여 중화시킨 후, 다시 추출 공정에 재사용함으로써 생산 원가를 줄일 수 있으며, 결과적으로 폐수 방출량까지 줄여 경제 적·환경적 측면에서 매우 우수한 L-아라비노스의 추출 및 정제 공정을 개발하여 제공한다.

이하, 본 발명의 내용을 하기 실시예를 들어 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명의 권리범위가 하기 실시예에만 한정되는 것은 아니고, 그와 등가의 기술적 사상의 변형까지를 포함한다.

실시예 1~5: L-아라비노스 슈가 시럽의 제조

본 실시예 1~5 중 실시예 1에서는 식물 섬유의 일 예로 사탕무우 펄프(sugar beet pulp: SBP; 건조분, 수분함량 10% 이하)를 사용하고, 유기산으로는 수산을 사용하여, 본 발명의 추출 방법에 의해 L-아라비노스를 추출하고자 하였다.

한편, 본 발명의 방법에 의해 L-아라비노스를 추출한 후, 설탕, 물엿 등을 혼합하여 L-아라비노스 슈가 시럽을 최종 제품의 예로 제조하였다.

자세한 제조 공정을 다음과 같았다.

1) 추출: 세척된 SBP에 0.5% 수산 수용액을 16배 투입하고 교반하면서 온도를 100℃까지 승온한 후 유지시켰다. 증발된 물의 양을 보충하면서 24시간 동안 추출하였다.

2) 여과: 추출이 끝난 추출액을 여과망(20mesh)을 사용하여 1차 여과한 후 UF(Ultra Filteration ; 한외여과)를 통하여 여과액을 분리하였다.

3) 중화: 분리된 여액 1496g (pH 1.5)을 음이온 교환 수지탑 (Lewatte MP 64 ; 400ml)을 통과시켜 중화액(pH 4.6)을 획득하고, 이를 다시 양이온 교환 수지탑(Lewatte S100H ; 600ml) 및 음이온 교환 수지탑 (Lewatter MP 62WS ; 600ml)를 통과시켜 전도도(conductivity)가 낮은 정제된 액을 획득하였다.

4) 농축: 이온교환수지탑을 통과시켜 획득된 낮은 전도도의 추출물을 진공 농축기, 진공박막농축기 등을 이용하여 농축함으로써, L-아라비노스 함유 시럽을 획득(44Brix)하였으며, TLC 분석을 통해 L-아라비노스가 함유되어 있음을 확인하였다.

5) L-아라비노스 함유 시럽 제조: 상기 방법으로 제조된 L-아라비노스 시럽에 설탕, 물엿, 정제수를 혼합하여 100℃로 가열 및 혼합한 후, 농축하여 L-아라비노스 슈가 시럽을 제조하였다. 제조된 L-아라비노스 슈가 시럽의 규격은 표 1과 같았다.

L-아라비노스 슈가 시럽의 규격

	함량 (%)
L-아라비노스	3.0
설탕	53.0
물엿	14.0

한편, 식물 섬유로 옥수수피(실시예 2), 쌀겨(실시예 3), 미강(실시예 4) 및 사과 섬유(실시예 5)를 사용하여 상기의 실시예 1과 동일한 방법으로 L-아라비노스를 추출하고, 표 1의 함량비에 따라 L-아라비노스 슈가 시럽을 각각 제조하였다.

실시예 6~13: 사탕무우 펄프로부터 다양한 유기산을 이용하여 L- 아라비노스 추출 수율 비교

본 실시예 6~13에서는 유기산의 종류, 농도, 추출 시간에 따라 식물 섬유로부터 가용성 고형분의 추출 수율과 L-아라비노스의 추출 수율을 비교하였다. 식물 섬유로는 사탕무우 펄프를 사용하였으며, 유기산으로는 수산, 사과산, 구연산, 호박산, 젖산 및 개미산을 사용하였다.

사탕무우 펄프(SBP)를 세척한 후 세척된 SBP에 0.5%, 1.0% 유기산 수용액을 16배씩 투입하고, 교반하면서 온도를 100℃까지 승온 후 유지시켰다. 증발된 물의 양을 보충하면서 하기의 시간을 유지하였다.

각 유기산의 종류 및 처리시간에 따른 가용화 고형분의 추출율과 L-아라비노스 추출 함량은 표 2 내지 9와 같았다.

0.5% 수산을 사용한 산 가수분해 시간과 L-아라비노스 농도

시간	가용화율	L-아라비노스 농도	L-아라비노스농도 / 가용화율
1	35.77	4.40	12.30
3	42.28	10.48	24.80
5	48.78	12.58	25.80
8	48.78	12.92	26.50
16	52.03	13.52	26.00
24	52.03	14.04	27.00
36	52.03	14.34	27.60

1.0% 수산을 사용한 산 가수분해 시간과 L-아라비노스 농도

시간	가용화율	L-아라비노스 농도	L-아라비노스농도 / 가용화율
1	42.12	9.85	23.40
3	48.60	17.46	35.90
5	51.84	17.73	34.20
8	55.08	17.91	32.50
16	61.56	17.69	28.70
24	61.56	16.07	26.10
36	61.56	16.02	26.00

0.5% 사과산을 사용한 산 가수분해 시간과 L-아라비노스 농도

시간	가용화율	L-아라비노스 농도	L-아라비노스농도 / 가용화율
1	20.83	0.00	-
3	26.04	0.09	0.35
5	28.64	0.36	1.30
8	31.24	0.74	2.40
16	39.06	2.24	5.70
24	40.36	2.90	7.40
36	41.66	4.38	10.50

1.0% 사과산을 사용한 산 가수분해 시간과 L-아라비노스 농도

시간	가용화율	L-아라비노스 농도	L-아라비노스농도 / 가용화율
1	23.52	0.07	0.30
3	32.92	0.85	2.60
5	35.28	1.73	4.90
8	42.33	2.61	6.20
16	51.74	4.79	9.30
24	53.24	5.69	10.70
36	56.44	6.43	12.40

0.5% 구연산을 사용한 산 가수분해 시간과 L-아라비노스 농도

시간	가용화율	L-아라비노스 농도	L-아라비노스농도 / 가용화율
8	36.45	0.73	2.00
112	36.45	0.73	2.00
24	36.45	3.97	10.90
28	36.45	5.54	15.20
34	39.06	6.99	17.90
48	46.87	10.54	22.50

0.5% 호박산을 사용한 산 가수분해 시간과 L-아라비노스 농도

시간	가용화율	L-아라비노스 농도	L-아라비노스농도 / 가용화율
8	37.24	-	-
112	37.24	-	-
24	40.35	1.21	3.00
28	40.35	1.90	4.70
34	43.45	3.43	7.90
48	49.66	6.01	12.10

0.5% 젖산을 사용한 산 가수분해 시간과 L-아라비노스 농도

시간	가용화율	L-아라비노스 농도	L-아라비노스농도 / 가용화율
8	33.26	-	-
112	33.26	-	-
24	33.26	2.19	6.60
28	36.03	2.63	7.30
34	38.80	3.92	10.10
48	47.12	5.98	12.70

0.5% 개미산을 사용한 산 가수분해 시간과 L-아라비노스 농도

시간	가용화율	L-아라비노스 농도	L-아라비노스농도 / 가용화율
8	39.05	-	-
12	39.05	-	-
24	39.05	4.92	12.60
28	42.05	6.85	16.30
34	42.05	9.54	22.70
48	48.06	11.77	24.50

Claims

L-아라비노스의 중합체를 함유하는 식물 섬유질을 포함하는 원재료에 수산, 사과산, 구연산, 호박산, 젖산 및 개미산 중 선택되는 어느 하나 이상의 유기산을 첨가하여 추출함으로써 추출물을 수득하는 단계(a);

수득된 추출물을 여과하여 여과박과 여과액을 추출하는 단계(b); 및,

추출된 여과액을 산을 흡착할 수 있는 음이온교환수지에 흘려 L-아라비노스를 함유하는 중화액을 회수하는 단계(c);를 포함하는 것을 특징으로 하는 L-아라비노스의 추출 방법
제1항에 있어서,

L-아라비노스의 중합체는,

아라비난 또는 아라비노자일란인 것을 특징으로 하는 L-아라비노스의 추출 방법
제1항에 있어서,

L-아라비노스의 중합체를 함유하는 식물 섬유질은,

헤미셀룰로스인 것을 특징으로 하는 L-아라비노스의 추출 방법
제1항에 있어서,

원재료는,

옥수수피, 쌀겨, 사탕무우 펄프, 미강 및 사과 섬유 중 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 L-아라비노스의 추출 방법
제1항에 있어서,

유기산은,

pH가 1.5~5.0인 것을 특징으로 하는 L-아라비노스의 추출 방법
제5항에 있어서,

유기산은,

유기산이 0.1~3.0%(v/v) 함유된 유기산 수용액인 것을 특징으로 하는 L-아라비노스의 추출 방법
제1항에 있어서,

유기산은,

원료 100g 당 500~3000mL의 비율로 첨가되는 것을 특징으로 하는 L-아라비노스의 추출 방법
제1항에 있어서,

추출은 90℃~120℃의 온도로 0.5~48시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 L-아라비노스의 추출 방법
제1항에 있어서,

여과는,

부직포, 여과포 또는 여과망을 이용하여 1차 여과하고, 한외여과를 통해 2차 여과하는 것을 특징으로 하는 L-아라비노스의 추출 방법
제1항에 있어서,

L-아라비노스의 추출 방법은,

단계(c)의 유기산이 흡착된 음이온교환수지에 물을 흘려 유기산을 용출한 후, 유기산 용출액을 단계(a)에서 재사용하는 것을 특징으로 하는 L-아라비노스의 추출 방법
제10항에 있어서,

L-아라비노스의 추출 방법은,

유기산 용출액의 pH를 단계(a)에서 사용한 유기산의 최초 pH와 일치하게 조절하는 단계(c-1);을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 L-아라비노스의 추출 방법
제1항에 있어서,

L-아라비노스 추출 방법은,

중화액을 양이온교환수지 및 음이온 교환수지를 순차적으로 통과시키는 단계(d)를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 L-아라비노스의 추출 방법
제12항에 있어서,

양이온 교환수지 및 음이온 교환수지의 순차적 통과는,

n차 반복되는 것을 특징으로 하는 L-아라비노스의 추출 방법
제1항에 있어서,

L-아라비노스의 추출 방법은,

단계(c)의 중화액을 회수한 후, 농축하는 단계(e)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 L-아라비노스의 추출 방법