KR20110063952A

KR20110063952A - 셀룰로오스 분해 미생물을 이용한 식물추출물 제조방법

Info

Publication number: KR20110063952A
Application number: KR1020090120332A
Authority: KR
Inventors: 김성천
Original assignee: 김성천
Priority date: 2009-12-07
Filing date: 2009-12-07
Publication date: 2011-06-15

Abstract

본 발명은 셀룰로오스 분해 미생물을 이용한 식물추출물 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 식물추출물 제조방법은, 셀룰로오스가 주성분인 세포벽이 있는 식물을 절단 또는 분쇄하여 식물재료를 제조하는 단계; 및 상기 식물재료를 셀룰로오스 분해 미생물로 에탄올 발효하여 식물추출물을 획득하는 단계; 를 포함한다. 본 발명에 따른 식물추출물 제조방법은, 식물추출물 제조에 셀룰로오스 분해 미생물만을 사용하기 때문에 유용성분이 함유된 식물추출물 수급 문제를 획기적으로 개선할 수 있고, 종래 식물추출물 제조 시에 필수적으로 수반되는 유기용매 등의 추출 공정이 필요하지 않아 공정비용을 낮출 수 있으므로, 경제적 및 환경적으로 매우 유리하다.

Description

셀룰로오스 분해 미생물을 이용한 식물추출물 제조방법{Method for Producing Plant Extract Using Cellulose Breakdown Microorganism}

본 발명은 식물추출물의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 셀룰로오스 분해 미생물의 발효를 이용하여 셀룰로오스를 주성분으로 하는 세포벽을 가지는 식물로부터 유용성분의 식물추출물을 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 식물은, 세포막의 바깥쪽에 세포벽이 있고, 엽록소가 있어 광합성으로 독립영양생활을 하며, 이동 운동을 하지 않는 것으로 정의한다.

식물 세포벽은 셀룰로오스(cellulose), 헤미셀룰로오스(hemicellulose), 펙틴(pectin) 등의 다당류 성분, 리그닌(lignin), 및 당단백질 등으로 구성되어 있다. 그런데 이들 구성성분들은 서로 유리된 상태로서 존재하는 것이 아니라 대부분 공유결합, 수소결합, 이온결합, 소수결합 등을 통하여 강하게 연결되어 불용성 상태로 존재하므로, 잘 소화되지 아니한다.

아울러 대부분의 식용식물에는 수산기( -OH)를 2개 이상 갖고 있는 물질인 폴리페놀(polyphenol) 화합물, 비타민C(Vitamin-C), 비타민E, 카로틴(Carotene) 등의 항산화물질(Antioxidant)과 같은 몸에 유용한 다양한 성분들이 함유되어 있다.

식물로부터 유용성분을 추출하는 방법으로는, 주로 흑설탕과 같은 당류나 에틸알코올(Ethyl alcohol)을 이용하여 발효하는 방법이 이용되고 있다. 발효라는 의미는, 광의적으로는 미생물이 에너지를 얻기 위해서 자신의 효소로 유기화합물을 분해하여 알코올류, 유기산류, 이산화탄소 등을 생성하면서 특유한 최종산물을 만들어내는 현상이며, 협의적으로는 미생물이 산소가 존재하지 않는 상태에서 탄수화물(당류)이 분해하여 에너지를 얻는 과정으로, 술·된장·간장·치즈 등의 제조 등에 옛날부터 이용되어 왔다. 발효공정에서 숙성기간은 짧게는 몇 개월에서 길게는 수십 년 내지는 수백 년을 소요하기 때문에, 많은 용기와 넓은 장소를 필요로 하므로, 많은 물량을 상업적으로 처리를 하기 위해서는 시설비와 인건비가 높은 문제점이 있다.

식물로부터 유용성분을 함유하는 식물추출물을 얻는 다른 방법으로서는, 예를 들어 식물분쇄물에 에탄올, 메탄올 등의 극성용매 또는 그들과 정제수의 혼합용액을 10배(중량비) 가량 가하여 냉각콘덴서가 부착된 추출기에서 약 80℃의 온도로 24시간동안 가열하여 추출물을 얻고, 얻은 추출물을 여과하여 감압 농축시킨 후 농축추출액을 얻고, 얻은 농축추출액에 2배(중량비)에 해당하는 정제수와 4배(중량비)에 해당하는 에틸아세테이트, 메칠렌클로라이드 등의 비극성용매를 첨가하고, 마지막으로 강하게 진탕한 후 상층인 비극성용매층을 분리하여 감압 농축하는 방법 등이 있다.

이와 같은 물리 화학적 방법은 식물 세포벽으로부터 다당류 성분을 수용화 하거나 가수분해하기 위해 고온에서 산이나 알칼리 용액을 사용하는 것인바, 이러 한 화학적 가수분해 방식은 환경폐수의 다량 발생, 용기의 부식 등과 같은 문제점을 내포하고 있어 산업적으로 적용하기 쉽지 않다.

본 발명의 목적은, 식물로부터 유용성분을 추출하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 목적은, 셀룰로오스를 주성분으로 하는 세포벽을 가지는 각종 식물을 셀룰로오스 분해 미생물로 발효시켜 해당 식물의 유용성분을 함유한 식물추출물(액)을 획득하는 방법을 제공함으로써, 보다 저렴하고 간단하게 식물로부터 유용성분을 획득할 수 있도록 하고자 하는 것이다.

본 발명의 목적은, 세포벽의 존재로 인하여 함유한 유용성분의 추출이 어려울 수밖에 없는 각종 식물로부터 유용성분을 추출함에 있어서, 여러 가지 문제가 있는, 종래 물리 화학적 방법이 아닌, 셀룰로오스 분해 미생물을 함유한 배지에서의 배양을 통해 세포벽을 분해하여 그 유용성분을 추출함으로써, 종래 방법의 제반 문제점들을 해소하고자 하는 것이다.

본 발명에 따라, 셀룰로오스 분해 미생물을 이용한 식물추출물 제조방법이 제공된다.

본 발명에 따른 식물추출물 제조방법은, 셀룰로오스가 주성분인 세포벽이 있는 식물을 절단 또는 분쇄하여 식물재료를 제조하는 단계; 및 상기 식물재료를 셀 룰로오스 분해 미생물로 에탄올 발효하여 식물추출물을 획득하는 단계; 를 포함한다.

바람직하게, 상기 발효과정은 혐기성 조건에서 진행한다.

바람직하게, 상기 식물재료에는 탄수화물이 더 추가되고, 상기 발효과정의 배지는 상기 셀룰로오스 분해 미생물 이외에 상기 탄수화물을 발효시키는 제2 미생물을 더 포함한다.

바람직하게, 상기 셀룰로오스 분해 미생물은 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스 세포를 포함한다.

본 발명에 사용할 수 있는 식물은 독성이 없는 채소류, 산채 및 야채류, 약초, 과일류, 종자류, 해조류 중에서 잎, 뿌리와 열매를 어느 한 종류나 2종류 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 본 발명에 사용할 수 있는 식물의 예를 열거하면 다음과 같다.

채소류(Vegetables)로는 상추(Lettuce), 로메인 레터스(Romane Lettuce), 셀러리(Celery; 양미나리), 부추(Korean leek), 쑥갓(Crown daisy), 시금치(Spinach), 신선초, 미나리(Dropwort), 겨자(Mustard), 적겨자(Red Mustard Leaf), 곱슬겨자잎(Curled Mustard Leaf), 녹두 잎, 누른대나무의 순죽순(Bamboo sprout), 로젤(Roselle)의 어린 꽃받침과 포, 배추(Oriental cabbage), 양배추(Cabbage), 깻잎(Perilla leaf), 케일(Kale), 레드 케일(Red Kale), 아욱(Curled mallow), 치커리(Chicory), 레드 치커리(Red Chicory), 연근, 우엉(Burdock), 무 및 무청, 비트(Beet), 선인장, 갓, 호박 및 호박의 잎, 콩잎, 알로에(Aloe), 엔디 브(Endive; 보쌈 치커리), 삼엽채(참나물, Mitsuba), 땅두릅, 아스파라거스(Asparagus), 양상추(Head lettuce), 칼리플라워(Cauliflower; 꽃양배추), 브로콜리(Broccoli; 녹색꽃양배추), 빨간양배추(Red Cauli), 파슬리(Parsley; 향미나리), 고구마순, 고추잎, 경수채(Mizuna)새싹, 그린피스(Green peas), 근대(Leaf beet), 적근대(Red Rhuvard Chard), 달래(Wild rocambole), 머위(Butterbur), 쌈추(Korean cabbage; 배추와 양배추의 종간교잡 쌈채소), 오크립(Oak leaf), 트레비소(Treviso; Radicchio), 청경채(Pakchoi ), 토스카노(Toscano), 용설채, 파셀리(Parsley), 오크리프(Oak Leaf), 엔다이브( Endive), 트레비소(Treviso), 적샐러드 바울(Red Salad Bowl), 다채(Tatsoi), 콜라드(Collard), 플룬(Prune), 유채(Rape), 토마토, 당근, 파인애플(Pineapple) 등을 사용할 수 있다.

산채·야채류로는 비름, 원추리, 돌나물, 두릅, 엄나무, 쑥, 고들빼기, 머위, 미역취, 참취, 개미취, 개발딱취(단풍취), 바위떡풀, 누룩치, 원추리, 천문동, 밀나물, 민들레의 잎과 뿌리, 달맞이의 어린 순과 뿌리, 냉이의 잎과 뿌리, 미나리냉이, 얼레지, 도라지의 순과 뿌리, 더덕의 순과 뿌리, 잔대의 어린 순과 뿌리, 모싯대, 단풍취, 산마늘(맹이), 부지깽이(천동초), 고추냉이의 잎과 뿌리, 순무, 갓), 씀바귀의 잎과 뿌리, 다래나무의 어린 순, 가죽나무 잎, 금불초, 기린초, 가는 산꼬리풀, 가래나무의 어린 순, 질경이의 어린 잎과 뿌리, 괭이밥의 어린 잎, 금낭화의 어린 잎, 금불초의 어린 순, 금윤판나물, 기름나물, 명아주, 냉이, 냉초, 넓은잎쥐오줌풀의 어린 순, 넓은잎쥐오줌풀의 어린 순, 노루귀, 누리장나무의 어린 순, 느릅나무의 어린 잎, 다닥냉이의 어린 순, 닥나무의 어린 순, 달래, 닭의장풀, 사상자의 어린순, 산달래, 산오이풀, 산자고, 쇠무릎, 쇠별꽃의 어린 순, 약쑥의 어린 순, 어수리, 조뱅이, 좀꿩의다리, 질경이의 어린 잎, 참당귀의 어린 순, 청미래덩굴의 어린 순과 열매, 화살나무의 어린순, 흰꿀풀, 야관문, 녹차 등을 사용할 수 있다.

약초의 잎, 줄기, 열매와 뿌리로서는, 구기자잎, 가시오갈피의 순·줄기·뿌리와 열매, 오갈피나무의 잎·열매·줄기와 뿌리, 하수오, 지치, 갈근, 갈퀴나물, 감국, 강활의 어린잎, 개곽향의 어린잎, 개구리자리의 어린잎과 줄기, 개구릿대의 어린 순, 개당주나무의 어린잎, 개모시풀의 어린 순, 개별꽃의 어린 줄기와 잎, 개사철쑥의 어린 잎, 개암나무의 어린 순, 개연꽃의 어린 잎, 갯무의 어린 잎, 생강 잎과 뿌리, 겨우살이, 구기자나무의 어린순과 뿌리, 구릿대, 금떡쑥의 어린 순, 두충의 잎과 껍질, 둥굴레의 잎과 뿌리, 칡의 어린순과 뿌리, 만삼의 어린순과 뿌리, 산구절초, 삼지구엽초, 삽주의 어린순과 뿌리, 연명초, 오미자나무의 어린 순과 열매, 오배자), 당귀의 잎·줄기와 뿌리, 위령선, 익모초, 인동초 잎·줄기와 꽃봉오리, 인삼의 잎·줄기·열매, 황기의 줄기와 뿌리, 시호의 줄기와 뿌리, 지황, 천궁의 잎과 뿌리, 황금의 뿌리, 조릿대, 헛개나무, 현삼, 황련, 뽕잎과 뿌리, 어린 송엽, 함초, 감나무의 어린잎 등의 약초의 잎 등을 사용할 수 있다.

과일류로는, 포도, 복숭아, 앵두, 자두, 버찌(양앵두; Cherry), 목과, 배, 매실, 살구, 대추, 감, 밤, 키위(kiwi), 딸기, 구기자, 감귤, 사과, 바나나, 멜론, 매실, 용과(Dragon fruit) 등을 사용할 수 있다.

야생식물의 열매로는, 머루, 산복숭아, 산배, 개살구, 대추, 개암, 다래, 으 름, 산딸기, 복분자, 오디(뽕나무 열매), 오배자, 능금, 보리수나무 열매, 오미자, 오갈피, 산사자, 등롱과, 산수유 등을 사용할 수 있다.

종자류로서는, 현미, 솔방울, 피너츠(Peanuts), 아몬드, 참깨, 배아 등을 사용할 수 있다.

해조류로는, 청각, 파래, 청태, 톳, 미역, 대황, 다시마, 김, 모자반, 튀각, 카라기닌(Carrageenin)과 담수조류인 조류(Algae) 등을 사용할 수 있다.

향이 나는 식물추출물을 제조하고자 하는 경우는, 상기 식물로서는, 로즈메리(Rosemary), 라벤더(Lavender), 세이지(Sage), 타임(Thyme), 페퍼민트(Peppermint), 오레가노(Oregano), 레몬밤(Lemonbalm), 레몬버베나(Lemon Verbena), 안젤리카(Angelica), 바질(Basil Sweet), 보리지(Borage), 캐모마일(Chamomile), 코리안더(Coriander), 데이지(Daisy), 딜(Dill), 휀넬(Fennel), 제라늄(Geranium), 헬리오트러프(Heliotrope), 히솝(Hyssop), 아이리스(Iris), 아이비(Ivy), 쟈스민(Jasmine), 마조람(Marjoram), 매도우스위트(Meadowsweet), 민트(Mint), 머그워트(Mugwort), 머스타드시드(Mustard Seed), 펜시(Pansy), 파슬리(Parsley), 로즈(Rose), 루(Rue), 서던우드(Southernwood), 발레리안(Valerian), 버베인(Vervain), 웜우드(Wormwood), 앰버그리스(Ambergris), 아미리스(Amyris), 아니스스타(Anise-Star), 아보카도(Avocado), 베이(Bay), 벤조인(Benzoin), 버거못(Bergamot), 버취(Birch), 까유풋(Cajuput), 캐머마일(Camomile), 캠퍼(Camphor). 캐러웨이(Caraway), 카더먼(Cardamon), 캐시어(Cassia), 캐스터리움(Castoreum), 세다우드(Cedarwood), 셀러리(Celery), 시나몬(Cinnamon), 씨트로 넬라(Citronella), 씨빗(Civet), 클로우버버드(Clove Bud), 쿠민(Cumin), 싸이프레스(Cypress), 엘레미(Elemi), 유컬립터스(Eucalyptus), 펜넬(Fennel), 프랭킨센스(Frankincense), 갈바늄(Galbanum), 그레이프프루트(Grapefruit), 과이악우드(Guaiacwood), 히솝(Hyssop), 이머텔(Immotelle), 아이리스(Iris), 호호바(Jojoba), 쥬니퍼(Juniper), 라빈딘(Lavandin), 라벤다 스파이크(Lavenda Spike), 레몬(Lemon), 레몬그라스(Lemongrass), 라임(Lime), 린던브로섬(Linden Blossom), 리치아쿠베바(Litsea Cubeba), 맨더린(Mandarine), 마저럼스웨트(Marjoram Sweat), 머르(Myrrh), 머틀(Myrtle), 네롤리(Neroli), 니아올리(Niaouli), 너트멕(Nutmeg), 오렌지(Orange), 오렌지발삼(Orange Balsams), 파츌리(Pachouli), 팔마로자(Palmarosa), Parsely 파슬리(Parsely), 페티그렌(Petigrain), 피멘토(Pimento), 파인니들(Pine Needle), 로즈(Rose), 로즈우드(Rosewood), 샌들우드(Sandalwood), 산톨리나(Santolna), 스피아민트(Spearmint), 스위트아몬드(Sweet Almond), 타게티스(Tagetes), 탠저린(Tangerine), 타라곤(Tarragon), 티트리(Tea Tree), 테러빈스(Terebinth), 통카콩(Tonca Bean), 버비너(Verbena), 베티버(Vetivert), 바이올렛(Violet), 맥아(Wheatgerm), 얘로우(Yarrow), 일랑 일랑(Ylang Ylang)와 같은 허브식물 중에서 한 종류 이상 사용할 수 있으며, 이외의 허브식물도 독성이 없으면 종류에 관계없이 사용할 수 있다.

상기 식물들은 그 자체를 그대로 사용할 수도 있지만, 발효 효율을 높이기 위해 절단 및/또는 분쇄하여 사용한다. 본 발명에서는 세정 및 건조의 전처리 과정 을 거쳐 적당한 크기와 입자로 절단 및/또는 분쇄한 식물을 '식물재료'라 한다.

절단기로 식물의 크기를 줄이는 경우, 통상적으로, 그 결과 얻어지는 식물재료는 사실상 섬유상이며, 그 직경에 대한 길이의 비는 예를 들면, 5배 이상, 10배 이상, 15배 이상, 20배 이상, 25배 이상 등으로 할 수 있다. 분쇄하는 경우 통상적으로, 그 결과 얻어지는 식물재료는 가루 형태이며, 통상적으로, 예를 들면, 5 마이크론 미만(예, 4 마이크론 미만, 2.5 마이크론 미만, 1 마이크론 미만)의 직경을 가진, 실질적으로 구형 입자로 할 수 있다. 식물재료는 상대적으로 높은 표면적 및/또는 높은 다공성을 갖는 섬유상 재료인 것이, 발효율과 가수분해율을 향상시킬 수 있어 바람직하다.

본 발명에 따른 식물추출물 제조방법은, 셀룰로오스를 주성분으로 하는 세포벽이 있는 다양한 식물재료를 포함한 액체배지에서 혐기성인 셀룰로오스 분해 미생물을 배양하여 발효시킨 후, 그 발효 결과물로부터 해당 식물의 유용성분이 함유된 식물추출물(액)을 획득하는 것이다.

본 발명에 사용되는 혐기성 셀룰로오스 분해 미생물(예, 세균)은 다양한 서식지(예, 토양, 침전물, 습지, 포유류의 장 등)에서 분리된다(Madden, et al., (1982) Int J Syst Bacteriol 32,87-91; Madden; Murray et al., (1986) Syst Appl Microbiol 8, 181-184; He et al., (1991) Int J Syst Bacteriol 41, 306-309; Monserrate et al., (2001) Int J Syst Evol Microbiol 51, 123-132.).

대표적인 혐기성 셀룰로오스 분해 세균인 클로스트리듐 파이토퍼멘탄 스(Clostridium phytofermentans) 세포(아메리칸 타입 컬쳐 콜렉션 700394^T)는 매사추세츠 주(USA)에 있는 콰빈 저수지 근처 수목 지구의 간헐하천 바닥의 젖은 침니(slit)로부터 분리되었다.

클로스트리듐 파이토퍼멘탄스는 식물 세포벽의 대부분을 차지하는 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스 모두에서 왕성하게 생장하는데, 분비효소에 의해 이들 다당류를 절단한 후, 육당류 와 오당류로 당화시킨 후, 이들을 발효하여 에탄올 및 에너지를 생산한다.

일반적으로, 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스 세포는 둥근 말단포자(직경이 0.9~1.5㎛)를 형성하는 길고, 얇고, 곧은 운동성 막대세포(3.0~15.0㎛로 0.5~0.8)이다. 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스 세포의 부가적인 특징은 Warnick et al., Int. J. Systematic and Evol. Microbiology, 52, 1155-1160 (2002)에 기재되어 있다.

클로스트리듐 파이토퍼멘탄스는 단독으로 또는 하나 이상의 다른 미생물과 조합하여, 탄수화물 또는 탄수화물의 혼합물을 포함하는 물질을 가연성 연료(예, 에탄올, 프로판올 및/또는 수소)로 대규모로 발효시킬 수 있음을 보고되었다. 예를 들면, 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스는 톱밥, 나무 가루(wood flour), 나무 펄프, 종이 펄프 폐기물 스팀, 목초(예, 스위치그래스), 바이오매스 식물 및 곡물(예, 크람베(Crambe)), 조류(algae), 쌀겨, 사탕수수 찌꺼기, 황마, 잎, 목초 베어낸 것, 옥수수 마초, 옥수수 속, 옥수수 알갱이(옥수수 가루), 증류기 곡물(distillers grain), 및 증류기 용질(distillers solute) 등의 폐기물 바이오매스를, 에탄올, 프로판올 및 수소로 발효시킬 수 있다. 게다가, 유기산(예, 포름산, 락트산 및 아세트산) 또는 그들의 짝염기(예, 포르메이트, 락테이트, 아세테이트) 등의 다른 유용한 유기물도 생산할 수 있다. 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스는 고효율로 많은 종류의 물질을 연료로 발효시킬 수 있다. 또한, 폐기물, 예를 들면, 락토스, 폐휴지, 잎, 목초 베어낸 것, 및/또는 톱밥을 이용하여 연료를 제조할 수 있다.

본 발명에 따라 결과로 얻어지는 식물추출물은, 혐기성 셀룰로오스 분해 미생물(예, 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스 세포)이 식물 중에 존재하는 '발효가능 물질'을 1차적으로 발효시켜 에탄올을 생산하고, 이렇게 생성된 에탄올이 2차적으로 식물의 유용성분을 추출하는 과정에 의해 얻어지는 것으로 생각된다.

이와 같은 근거에서, 본 발명에 따른 식물추출물 제조방법은, 상기 식물재료에 상기 '발효가능 물질'로서 탄수화물을 더 추가하고, 상기 발효과정의 배지에는 상기 셀룰로오스 분해 미생물 이외에 상기 탄수화물을 1차적으로 발효 및 분해하는 미생물(후술하는 제2 미생물)을 더 포함시킴으로써 1차 발효 효율을 향상시켜 결과적으로 2차적인 식물 유용성분의 추출효율을 향상시킬 수 있다.

이로써, 본 발명에 따른 방법은, 추가한 고분자량의 탄수화물이 포함된 상기 식물재료를 발표(가수분해)하도록 구성된 가수분해 유닛과, 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스 세포로 대표되는 혐기성 셀룰로오스 분해 미생물가 분산되어 있는 배지를 적절히 유지된 발효기를 포함하는 발효플랜트를 구축하여 실현할 수 있다.

상기 발효플랜트에서, 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스 세포는 혐기적인 환경에서 배양되며, 이런 혐기적인 환경은 배지의 표면 아래에 잠기는 가스 출구를 포함 하고 있는 기포발생기(bubbler)를 통해서 실질적으로 산소가 없는 가스를 버블링 시킴으로써 조성 및 유지할 수 있다.

상기 발효플랜트에서, 배지에서의 반응으로부터의 과잉 유출물 및 가스는 상부공간을 채우고 결국에는 용기 벽에 형성된 가스 출구 구멍을 통과하여 빠져나오도록 할 수 있다.

혐기적인 상태를 유지하기 위해서 사용될 수 있는 가스로는 N₂, N₂/CO₂(80:20), N₂/CO₂/H₂(83:10:7), 및 노벨(Nobel) 가스(예, 헬륨 및 아르곤) 등이 있다.

발효플랜트에서 균질성을 조성 및 유지하기 위해서 배지를 교반할 수 있고, 이런 균질성은 스케이팅 또는 진동 용기에 의해 유지할 수 있다.

본 발명에 적용하는 식물재료에 추가되는 상기 발효가능 물질로서 탄수화물에는 저분자량 탄수화물을 포함시킬 수 있다. 저분자량 탄수화물은, 예를 들면, 단당류, 이당류, 올리고당류 또는 이들의 혼합물일 수 있다.

상기 단당류는 예를 들면, 갈락토오스, 갈락토오스 유도체, 3,6-안하이드로갈락토오스, 글루코오스, 푸코오스, 람노오스, 크실로오스 및 만노오스 또는 이들의 혼합물일 수 있다.

상기 저분자량 탄수화물은 고분자량 다당류물질(예, 우무, 전분, 및 섬유소)을 절단(breaking down)하여 얻을 수 있다. 상기 절단은 별도의 과정으로 행한 후에 결과의 저분자량 탄수화물을 투입할 수 있다. 다른 예로서 고분자량 탄수화물 을 직접 배지에 첨가하여 그 자리에서 저분자량 탄수화물로 절단되게 할 수도 있다.

상기 저분자량 탄수화물은 효소 또는 효소들(예, β-아가라제, β-갈락토시다제, β-글루코시다제, 엔도-1,4-β-글루카나제, α-아밀라아제, β-아밀라아제, 글루코아밀라아제 및 셀룰라제)을 이용하여 다당류물질을 절단하여 생성할 수 있다. 이들 효소는 효소 제제의 형태로 다당류물질원에 첨가하거나, 유기체에 의해 발효 과정 도중에 자체적으로 생산되도록 할 수 있다. 효소적 절단은 T. Juhasz, Food Tech. Biotechnol.(2003), 41, 49을 참조할 수 있다.

첨가되는 탄수화물로서는 락토스를 사용할 수 있다. 락토스는 치즈 산업에 의해 대량으로 생산된다. 예를 들면, Elliott, Proceedings of the 38th Annual Marschall Cheese Seminar(2001)에 의해, 년간 약 4억7천만 파운드가 미국 치즈 산업에 의해 생산되며, 또 다른 7억2천6백만 파운드가 유럽에서 생산되는 것으로 추정되었다.

락토스는, 셀룰로오스 분해 미생물, 예를 들면 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스 세포 단독의 증식 기질로서, 또는 다른 증식 기질과 함께, 발효기에 사용된다. 저분자량 탄수화물의 발효를 증대시키고 및/또는 셀룰로오스 또는 기타 고분자량 탄수화물의 분해 및 발효를 촉진시키기 위해, 발효기에 락토스를 첨가할 수 있는 것이다.

또한, 상기 발효가능 물질로서 탄수화물에는 하나 이상의 고분자량 탄수화물을 포함할 수 있다. 고분자량 탄수화물은, 예를 들면, 전분, 및 섬유소 또는 이들 의 혼합물이다.

내부에 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스가 분산되어 있는 배지를 포함하는 발효기는 식물추출물(액) 등의 발효 생산물이 지속적으로 제거되도록 구축할 수 있다. 이때 원하는 생산물의 농도는 일정하게 유지되거나, 또는, 예를 들면, 초기 농도를 약 10mM ~ 25mM로 하여 발효 2시간, 3시간, 4시간, 5시간, 6시간, 또는 10시간 후에 측정했을 때, 평균 농도의 약 25 퍼센트 내로 유지되게 할 수 있다.

이와 같은 본 발명이 실현되는 발효기에는 본 발명에 사용되는 식물재료, 또는 탄수화물과의 혼합물이 연속적으로 공급된다.

클로스트리듐 파이토퍼멘탄스용 배지는 완충액(예, NaHCO₃, NH₄Cl, NaH₂PO₄·H₂O, K₂HPO₄ 및 KH₂PO₄), 전해질(예, KCl 및 NaCl), 성장인자, 계면활성제, 및 킬레이트제 등의 부가적인 성분을 포함할 수 있다.

성장인자로는, 예를 들면, 비오틴, 폴산, 피리독신·HCl, 리보플라빈, 우레아, 효모 추출물, 티민, 트립톤, 아데닌, 시토신, 구아노신, 우라실, 니코틴산, 판토텐산, B12(시아노코발라민), p-아미노벤조산, 및 티옥트산을 들 수 있다. 미네랄로는, 예를 들면, MgSO₄, MnSO₄·H₂O, FeSO₄·7H₂O, CaCl₂·2H₂O, CoCl₂·6H₂O, ZnCl₂, CuSO₄·5H₂O, AlK(SO₄)₂·12H₂O, H₃BO₃, Na₂MoO₄, NiCl₂·6H₂O, 및 NaWO₄·2H₂O를 들 수 있다.

킬레이트제로는, 예를 들면, 니트릴로트리아세트산을 들 수 있다. 계면활성제로는, 예를 들면, 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리프로필렌 글리콜(PPG), PEG와 PPG 의 공중합체 및 폴리비닐알콜을 들 수 있다.

본 발명에 적용되는 발효 조건에서, 바람직하게 배지의 온도는 약 45℃ 미만, 예를 들면, 42℃ 미만(예, 약 34℃ ~ 38℃, 또는 약 37℃)으로 유지할 수 있고, 약 5℃ 보다 높은 온도, 예를 들면, 15℃보다 높은 온도로 유지된다.

본 발명에 적용되는 발효 조건에서, 바람직하게 배지의 pH는 약 9.5 미만, 예를 들면, 약 6.0 ~ 9.0, 또는 약 8 ~ 8.5로 유지할 수 있다. 일반적으로, 발효시키는 동안, 배지의 pH는 통상적으로 1.5 pH 단위 이상까지 많이 변화하지는 않는다. 예를 들면, 발효가 약 pH 7.5에서 시작되는 경우, 통상적으로, 발효의 종결점에서는 pH 6.0보다 낮아지지 않으며, 이것은 세포(미생물)의 성장 범위 내이다.

클로스트리듐 파이토퍼멘탄스 세포는 비교적 고농도의 에탄올, 예를 들면, 7중량% 이상(예, 12.5 중량%)에 적응하지만, 보다 높은 농도의 에탄올(예, 20 중량% 에탄올)에 적응시킬 수 있다. 예를 들어 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스는 발효시키기 전에 에탄올이 풍부한 환경(예, 7 중량% 에탄올)에서 성장시켜서, 연속적으로 고농도의 에탄올(예를 들면, 2 중량% 에탄올에서 시작하여, 다음은 5 중량% 에탄올, 그 다음에는 10 중량% 에탄올)에 적응시키는 방식으로 높은 농도의 에탄올에 적응시킬 수 있다.

클로스트리듐 파이토퍼멘탄스 세포에 의한 발효는 에탄올 이외의 생산물이 생산될 수 있다. 일반적인 발효 생산물로는 알코올(예, 에탄올, n-프로판올, 이소프로판올, n-부탄올, 또는 이들의 혼합물) 및 수소프로판올연료를 생산하나, 기타 생산물로서 유기산(예, 포름산, 락트산, 아세트산, 또는 이들의 혼합물) 또는 그들 의 짝 염기(예, 포르메이트, 락테이트 또는 아세테이트 이온) 또는 그들의 염을 생산할 수 있다.

클로스트리듐 파이토퍼멘탄스로 대표되는 셀룰로오스 분해 미생물은 단독이 아닌, 효모 또는 진균(fungi)(예, 사카로마이세스 세레비시에(Saccharomyces cerevisiae), 피키아 스티피티스(Pichia stipitis), 트리코데르마 종(Trichoderma species), 아스페르질러스 종(Aspergillus species) 또는 기타 박테리아(예, 자이모모모나스 모빌리스 (Zymommonas moblis), 클렙시엘라 옥시토카(Klebsiella oxytoca), 에스케리치아 콜리(Escherichia coli), 클로스트리듐 아세토부틸리쿰(Clostridium acetobutylicum), 클로스트리듐 베이제린크키이(Clostridium beijerinckii), 클로스트리듐 파피로솔벤스(Clostridium papyrosolvens), 클로스트리듐 셀룰로라이티쿰 (Clostridium cellulolyticum), 클로스트리듐 조수이(Clostridium josui), 클로스트리듐 테르미티디스(Clostridium termitidis), 클로스트리듐 셀룰로시(Clostridium cellulosi), 클로스트리듐 셀레레크레센스(Clostridium celerecrescens), 클로스트리듐 포풀레티(Clostridium populeti), 클로스트리듐 셀룰로보란스(Clostridium cellulovorans)) 등의 하나 이상의 다른 제2 미생물과 조합하여 사용할 수 있다.

예를 들면, 셀룰로오스 분해 클로스트리듐(균주 C7)은 성장 기질로서 셀룰로오스를 함유하는 배지 중에서 제2 미셍물로서 자이모모나스 모빌리스와 공배양하여 성장시켰을 때, 에탄올 수율이 클로스트리듐 단독 배양보다 2.5배 높은 것으로 보고된다(Leschine and Canale-Parola, Current Microbiology, 11:129-136, 1984).

이런 혼합 미생물은 고체 혼합물(에, 동결건조 혼합물)로서, 또는 미생물의 액체 분산액으로서 제공할 수 있으며, 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스와 공배양하여 성장시키거나, 또는 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스 첨가 전 또는 후에 다른 미생물을 첨가함으로써, 미생물들을 배양 배지에 순차적으로 첨가할 수도 있다.

본 발명에 사용 가능한 식물재료 중의 어느 하나 또는 그 혼합물은, 순차적으로 또는 동시처리 방식으로 혼합 미생물을 처리할 수 있다.

예를 들면, 식물재료를 상기 혼합 미생물(셀룰로오스 분해 미생물과 제2 미생물)과 동시에 처리(공배양)할 수 있고, 또는 우선 식물재료를 단일 또는 복수의 제2 미생물(예, 하나 이상의 효모, 진균 또는 기타 박테리아)로 처리한 다음, 그 결과 얻어진 식물재료를 하나 이상의 셀룰로오스 분해 미생물(예, 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스)로 처리할 수 있다.

선택적으로 식물재료를 초기에 하나 이상의 셀룰로오스 분해 미생물(클로스트리듐 파이토퍼멘탄스)로 처리한 다음, 그 결과 얻어진 식물재료를 하나 이상의 제2 미생물로 처리할 수 있다.

본 발명의 궁극적 목적은, 유용성분을 함유하는 식물로부터 유용성분을 함유하는 식물추출물을 추출하고, 유용성분을 함유하는 식물추출물을 음식이나 사료 등의 첨가물로서 사용하여 소화가 어려운 식물을 유용한 영양원으로 공급할 수 있도록 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 셀룰로오스 분해 미생물을 이용한 식물추출물 제조방법에 적용 가능한 구체예의 개요는 아래와 같다.

1. 세정 및 건조 단계

전술한 독성이 없는 목적하는 유용물질을 함유한 식물을 채취하여 깨끗한 물로 표면에 부착된 이물질을 세정한 다음, 통풍이 잘되는 곳에 널어서 표면에 부착된 수분을 건조한다.

2. 분쇄하는 단계

세정 및 건조한 식물을 일정한 크기(5∼15㎝)로 절단하거나(5㎝ 이하의 것은 그대로 사용함), 분쇄기 혹은 믹서(Mixer)에서 분쇄하여 식물재료를 제조한다.

3. 혐기성 발효하는 단계

내식성이 있는 스테인리스(stainless) 재질의 발효기 탱크(Tank)에 식물재료와 액체배지를 주입하고, 멸균 처리한 후에, 셀룰로오스 분해 미생물을 접촉하여 혐기조건에서 36~37℃에서 7~10일간 발효하여 여과공정으로 보낸다.

셀룰로오스 분해 미생물(클로스트리듐 파이토퍼멘탄스)을 이용하여, 대규모로 식물재료로부터 식물추출물을 생산하는 본 발명의 방법은, 기본적으로 화학적 및/또는 효소적 처리 없이 식물재료를 발효시킨다.

식물재료의 가수분해 및/또는 스팀처리는, 예를 들면, 식물재료의 다공성 및/또는 표면적을 증가시킬 수 있으며, 이로써 식물재로가 셀룰로오스 분해 미생물에 더 많이 노출되게 함으로써, 발효율 및 수율을 증가시킬 수 있다.

본 발명에 따른 식물추출물 제조방법은 목적하는 식물추출물 이외에 부수적으로 다른 생산물을 생산할 수 있다. 그 부수적 생산물로는 알코올 및 수소 등의 연료, 및 유기산, 이차대사산물 등이다.

4. 고형물을 여과하는 단계

셀룰로오스 분해 미생물 등에 의한 발효가 완료되면 10∼30 메시(Mesh) 및 100∼200 메시의 필터(Filter)를 순차적으로 통과시켜 1차 대형고형물질을 제거하고, 여액을 2차로 3,000∼10,000rpm으로 회전하는 원심분리기로 보내어 고형물질을 탈수처리하고, 탈수 여액을 0.22∼5μ(micron)의 여과포로 정밀여과처리를 한다. 고도로 여과처리를 필요로 하지 않은 경우에는 0.22∼5μ(micron)의 여과포 정밀여과처리를 생략하고, 원심분리기로 탈수 처리한 탈수 여액인 본 발명의 목적인 액상의 식물추출물을 수확한다. 처리용량이 소용량인 경우는 30∼150 메시의 체로 걸러서 고형물질을 제거하여도 된다.

5. 최종제품제조단계

액상의 식물추출물을 저장조에 공급하여 벌꿀, 비환원성이당류(Nonreducing disaccharide)인 자당(Sucrose) 또는 트레할로스(Trehalose), 비환원성 당 알코올(Nonreducing sugar alcohol)인 말티톨(Maltitol), 자일리톨(Xylitol), 솔비톨(Sorbitol), 에리쓰리톨(Erythitol), 락티톨(Lactitol), 만니톨(Mannitol) 중에서 한 종류 이상의 첨가제를 첨가하여 맛을 향상시키고, 이때 첨가제는 식물추출물(액)의 전체 중량을 기준으로 0.1∼5wt% 범위로 공급하면서 교반기로 교반하여 혼합한다. 최종 식물추출물은 포장 및 검사하여 식품으로서 제조 완료한다. 여기서 맛을 향상하기 위한 상기 첨가제는 반드시 첨가할 필요는 없다.

본 발명에 따른 식물추출물의 제조방법은, 식물추출물 제조에 셀룰로오스 분 해 미생물을 사용하기 때문에, 종래에 식물추출물의 제조에 사용되었던 유기용매 등의 추출 공정이 필요하지 않아 공정비용을 낮출 수 있어 매우 경제적이고 환경친화적이며, 유용성분이 함유된 식물추출물의 수급문제를 획기적으로 개선할 수 있다.

이하, 첨부 구체적인 실시예를 통해 본 발명에 따른 식물추출물 제조방법을 상세히 설명한다. 이하의 구체예는 본 발명에 따른 식물추출물 제조방법을 예시적으로 설명하는 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 아니한다.

실시예 1. 식물재료의 제조

두릅 순 5g, 가시오갈피의 순 5g, 참취 50g, 미나리 100g, 상추 20g, 쑥갓 20g을 증류수로 세척한 후, 40℃에서 건조하여 분쇄기(Universal Cutting Mill, Fritsch사, 독일)로 대략 분쇄하고, Vibratory Sieve Shaker(Fritsch사, 독일)로 1mm이하로 분쇄하여 식물재료를 제조하였다.

실시예 2. 식물재료로부터 식물추출물의 제조

미생물발효기(INNO 200603, 이노바이오사, 한국)를 이용하여 생산하였다. 식물재료 각각 60 g/L을 함유하는 GS-2 배지 혹은 효모 추출물만을 포함하는 배양관에서, 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스를 증식시켰다. GS-2 배지는 효모 추출물 6.0; 우레아 2.1; K2HPO4 2.9; KH2PO4 1.5; MOPS 10.0; 트리소디움 시트레이트 디하이드레이트 3.0; 시스테인 하이드로클로라이드 2.0(각각 g/L로 표시됨)을 포함한다. 배지의 초기 pH는 7.5 였고, 초기 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스 농도는 0.8 ~ 1.1× 10⁷ 세포/mL였다. 배양물(culture)은 30℃, N₂ 분위기 하에서 배양하였다. 식물재료의 분해는 가시적으로 모니터링하였다.

36~37℃에서 10일간 발효한 다음, 50 메시의 체로 걸러서 고형물질을 제거한 식물추출물(액) 3ℓ를 세균여과기(구멍의 크기 0.22㎛)를 걸쳐 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스가 제거된 식물추출물을 수확하였다.

식물재료의 발효에서 발효 완료 시에 에탄올의 농도를 결정하였다. 에탄올 농도는 RI 검출기가 장착된 HPLC (Breeze HPLC system, Waters Co., USA)를 사용하여 분석하였으며, 칼럼은 Aminex HPX-87H (3007.8 ㎜, Bio-rad)를 사용하였다. 식물추출물을 식품공전에 제시된 방식으로 분석한 성분 분석치는 다음 표1의 내용과 같다.

식물추출물의 성분 분석치

항 목	함 량	분석방법
열량(㎉/ℓ)	142.5	식품공전
알코올(wt%)	21.3	HPLC법
단백질(g/ℓ)	0.23	식품공전
지방(g/ℓ)	0.09	식품공전
탄수화합물(g/ℓ)	38.27	식품공전
생균수(개/㎖)	검출되지 않음	식품공전
대장균수(개/㎖)	음성	식품공전

상기 표1의 내용에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 식물추출물 제조방법에 따라 식물추출물을 혐기성 발효만으로 수확할 수 있었으며, 이와 같이 본 발명에 의하면 종래에 비해 제조공정을 단순화시킬 수 있기 때문에 대량생산할 때 시설비 및 인건비를 저감할 수 있다.

그리고 본 발명은 혐기성 배양으로 유해성 미생물에 의한 부패나 변패가 일어날 수 없으면서, 최종적으로 제품을 생산하기 직전 세균여과처리공정에서 모든 미생물이 제거됨으로써 표1에서 보는 바와 같이 완벽하게 위생적으로 살균 처리되었다.

본 발명에 적용되는 셀룰로오스 분해 미생물은 세포벽의 주성분인 셀룰로오스를 분해하여 세포벽이 제거된 세포와 에탄올을 생성하고, 세포벽이 제거된 세포가 배지에서 터지면 그 유용성분이 셀룰로오스 분해 미생물에 의해 생성된 에탄올에 의해 용해되어 본 발명의 결과물인 식물추출물로 얻어진다.

따라서 본 발명에 의해 얻어지는 식물추출물은 유기용매 및 고온처리를 하지 않음으로써 유용성분은 손실 없이 식물추출물에 그대로 함유되어 있게 된다.

Claims

셀룰로오스가 주성분인 세포벽이 있는 식물을 절단 또는 분쇄하여 식물재료를 제조하는 단계; 및 상기 식물재료를 셀룰로오스 분해 미생물로 에탄올 발효하여 식물추출물을 획득하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 셀룰로오스 분해 미생물을 이용한 식물추출물 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 발효과정은 혐기성 조건에서 진행하는 것을 특징으로 하는, 셀룰로오스 분해 미생물을 이용한 식물추출물 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 식물재료에는 탄수화물이 더 추가되고, 상기 발효과정의 배지는 상기 셀룰로오스 분해 미생물 이외에 상기 탄수화물을 발효시키는 제2 미생물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 셀룰로오스 분해 미생물을 이용한 식물추출물 제조방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 셀룰로오스 분해 미생물은 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스 세포를 포함하는 것을 특징으로 하는, 셀룰로오스 분해 미생물을 이용한 식물추출물 제조방법.