KR20120073730A - 리그노셀룰로오스계 바이오매스로부터의 저분자량 수용성 식이섬유의 추출방법 - Google Patents

리그노셀룰로오스계 바이오매스로부터의 저분자량 수용성 식이섬유의 추출방법 Download PDF

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Abstract

리그노셀룰로오스계 바이오매스를, 수용성 식이섬유 추출 후 추출물의 pH가 3.8 내지 4.5가 되도록 미리 조제해 둔 물에 현탁시킨 후, 140 내지 170 ℃에서 10분 내지 5시간 동안 열수 추출하고, 상온까지 급속 냉각하는 단계를 포함하는 본 발명의 리그노셀룰로오스계 바이오매스로부터의 수용성 식이섬유 추출방법에 의해, 단당류와 리그닌 분해산물은 적게 함유하면서도 2당류 이상의 자일로올리고당 등은 다량 함유하고 있는 저분자량의 수용성 식이섬유를 고수율로 추출할 수 있으며, 또한 후속의 정제와 농축에 유리하여 저렴한 비용으로 질 좋은 수용성 식이섬유를 수득할 수 있다.

Description

리그노셀룰로오스계 바이오매스로부터의 저분자량 수용성 식이섬유의 추출방법 {EXTRACTION METHOD OF WATER SOLUBLE, LOW MOLECULAR WEIGHT DIETARY FIBER FROM LIGNOCELLULOSIC BIOMASS}
본 발명은 리그노셀룰로오스계 바이오매스로부터 저분자량의 수용성 식이섬유를 고수율로 추출하는 방법에 관한 것이다.
식이섬유란 사람의 효소계에 의해서는 소화될 수 없는 섬유상 물질을 총칭하며, 대부분 식물에 의해 만들어진 비전분계 물질로 구성된다. 가장 중요한 식이섬유로 거론되는 것이 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌, 펙틴 및 검류이다. 이러한 식이섬유는 식품산업에서 젤리 등의 디저트 제품, 캔디 등의 기호식품, 잼 등의 보조식품을 비롯하여 음료, 유제품, 정장성 유제품 등에 기능성 재료로서 주로 사용되고 있다. 최근에는 기능성 화장품, 건강보조식품 및 의약용 전구체 등으로의 수요가 급격히 늘고 있다.
식이섬유는 물에 녹는 정도에 따라서 수용성 식이섬유와 비수용성 식이섬유로 분류되며, 수용성 식이섬유와 비수용성 식이섬유는 그 이화학적 성질과 화학적 조성이 매우 다르고, 용도 또한 크게 다르다. 일례로 수용성 식이섬유는 분자량이 비교적 작고 수용성인 올리고당으로, 기능성 음료와 정장제의 제조에 널리 사용되고 있다.
현재 식이섬유의 주원료는 밀과 같은 곡류이며, 양파, 바나나 및 생강이 부원료로 사용되고 있다. 원료로부터 식이섬유를 추출하는 방법으로는 가성소다를 이용하는 알카리 추출법(Anna Ebringerova 등, 2000)이 오래 전부터 주로 이용되고 있으며, 여기에 과산화수소 등을 첨가하여 추출효율을 높이는 방법이 보고되었다.
그러나 이러한 기술들에 의해서 얻어진 식이섬유는 당의 중합도가 높은 고분자이지만, 추출과정에서 강알카리에 의해 아세틸기(acetyl group)와 각종 유로닐산(uronic acid) 등 곁사슬이 대부분 제거되기 때문에 물에 잘 녹지 않는 성질을 나타내게 된다. 따라서 이를 이용하여 저분자량의 수용성 올리고당을 제조하기 위해서는 추가적으로 효소를 이용한 선택적 가수분해를 수행하여야 하므로, 수용성 식이섬유의 제조에는 유용하지 않다.
최근에는 수용성 식이섬유의 제조에 열수추출 기술을 적용하고자 하는 시도가 많이 보고되고 있다. 이때 주로 얻어지는 수용성 식이섬유는 리그노셀룰로오스계 바이오매스에 가장 풍부한 성분 중의 하나인 헤미셀룰로오스의 가수분해물이며, 화학적으로는 자일로오스(자당)와 아라비노오스 등 5탄당이 베타결합을 하고 있는 자일로올리고당(xylooligosaccharide)이 가장 많다. 또한 이 올리고당에는 전술한 아세틸기와 각종 유로닐산 등의 곁사슬과, 페룰산(ferulic acid)과 같은 리그닌 구성성분이 포함되어 있어 여러 가지 생리활성을 나타낸다고 알려져 있다.
또한 열수추출에 의해 추출되는 헤미셀룰로오스 가수분해물은 상당부분이 작은 분자량을 가진 자일로올리고당이며, 식이섬유로 작용할 수 없는 자일로오스 등의 단당류를 다량 함유한다. 상세하게는, 열수추출시 온도가 통상적으로 140 ℃ 이하인 경우, 전분과 같은 비식이섬유가 주로 추출되고 자일로올리고당과 같은 식이섬유는 거의 녹아나오지 않는다. 그러나, 추출온도가 올라갈수록 바이오매스 중 헤미셀룰로오스의 가수분해가 촉진되는 동시에 단당류로의 추가 가수분해가 증가하여 올리고당의 수율은 급격히 저하된다. 이는 고온에서 물이 산성화되고, 또한 바이오매스의 헤미셀룰로오스 곁사슬에 붙어있는 아세트산 등 각종 산이 유리되어 산성이 가속화됨으로써 산촉매에 의한 가수분해가 더욱 촉진이 되기 때문이다.
이에 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하고, 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 이용하여 저분자량의 수용성 식이섬유를 추출하기 위한 방법을 예의 검토한 결과, 특정한 온도 범위 내에서 바이오매스를 열수추출하되 추출 후 추출물의 산도가 일정한 범위 내에 들어가도록, 필요한 경우 열수추출 전에 바이오매스 현탁액에 염기를 첨가함으로써 자일로오스 등의 단당류 생성을 억제하고, 상대적으로 올리고당을 고수율로 얻을 수 있다는 것을 발견하여, 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 리그노셀룰로오스계 바이오매스로부터 저분자량의 수용성 식이섬유를 고수율로 추출할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적에 따라, 본 발명은 리그노셀룰로오스계 바이오매스를, 수용성 식이섬유 추출 후 추출물의 pH가 3.8 내지 4.5가 되도록 추출용매에 현탁시켜 140 내지 170 ℃에서 10분 내지 5시간 동안 열수 추출한 후 상온까지 급속 냉각하는 단계를 포함하는, 리그노셀룰로오스계 바이오매스로부터의 수용성 식이섬유 추출방법을 제공한다.
본 발명의 리그노셀룰로오스계 바이오매스로부터의 수용성 식이섬유 추출방법에 의해, 단당류와 리그닌 분해산물은 적게 함유하고 이당류 이상의 자일로올리고당 등은 다량 함유하는 저분자량의 수용성 식이섬유를 고수율로 추출할 수 있으며, 이에 따라 후속의 정제와 농축에 유리하여 저렴한 비용으로 질 좋은 수용성 식이섬유를 수득할 수 있다.
이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 명세서에서 사용된 용어 "리그노셀룰로오스계 바이오매스"는 바이오매스의 구성성분으로 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌을 주로 함유하는 육상식물을 의미하며, 그 예로는 옥수수 줄기, 해바라기 줄기, 볏짚, 밀짚, 보리짚, 오일팜나무(oil palm tree) 등의 초본류; 및 백합나무, 버드나무 및 가문비나무 등의 목본류를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어 "바이오매스의 열수추출"은 분쇄된 바이오매스에 물을 가한 후 상온 이상의 온도에서 추출하는 조작을 통칭하는 것으로, 상세하게는 본 발명에서 얻고자 하는 수용성 식이섬유를 제외한, 끓는 물에 추출될 수 있는 성분을 제거하기 위해 바이오매스 분말을 120 ℃ 이하의 끓는 물로 추출하는 추출 전처리 공정과, 수용성 식이섬유를 추출해 내기 위해 이미 끓는 물에서 추출될 수 있는 성분이 제거된 바이오매스에 물 또는 낮은 농도의 알카리 수용액을 가하여 140 내지 170 ℃에서 추출하는 공정 둘 모두를 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어 "저분자량의 수용성 식이섬유"는 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 주요 구성성분 중 하나인 헤미셀룰로오스가 가수분해되어 생성되는 2분자 이상의 자일로오스 등으로 이루어진 다당류를 총칭하며, 바이오매스의 종류에 따라 포도당(glucose), 아라비노오스(arabinose), 갈락토오스(galactose) 및 만노오스(mannose) 등의 육탄당과 오탄당이 곁사슬로 연결되어 있을 수 있고, 아세틸기와 유로닐기, 페룰산 등이 결합되어 있을 수 있다.
또한 본 명세서에서 사용된 용어 "산가수분해"는 추출물에 들어있는 자일로올리고당을 자일로오스 형태로 만들어 고속액체크로마토그래프(HPLC)로 분석하기 위해 식이섬유 추출물에 황산을 가하고 고온에서 화학적으로 가수분해하는 조작을 말하며, 식이섬유 추출과는 무관한 일종의 분석기술이다.
본 발명은 리그노셀룰로오스계 바이오매스로부터 저분자량의 수용성 식이섬유의 추출시 헤미셀룰로오스의 가수분해를 촉진할 수 있는 고온에서 실시하면서도 단당류로 추가 가수분해되는 현상을 억제하기 위해서 추출물의 산도를 일정 범위 내로 유지하여 열수추출함으로써, 2분자 이상의 당으로 이루어진 수용성 식이섬유를 고수율로 수득하는 것을 특징으로 한다.
더욱 상세하게, 본 발명에 따른 리그노셀룰로오스계 바이오매스로부터의 수용성 식이섬유 추출방법은 리그노셀룰로오스계 바이오매스를, 수용성 식이섬유 추출 후 추출물의 pH가 3.8 내지 4.5가 되도록 추출용매에 현탁시켜 140 내지 170 ℃에서 10분 내지 5시간 동안 열수 추출한 후 상온까지 급속 냉각하는 단계를 포함한다.
본 발명에 있어서, 수용성 식이섬유의 원료가 되는 리그노셀룰로오스계 바이오매스는 식물의 구조적 성분(structural components)이 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌으로 이루어진 육상식물로서, 초본류와 목본류를 모두 포함한다. 본 발명에서 원료로 사용할 수 있는 초본계 바이오매스의 예로서는, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 농업 부산물로 얻어지는 옥수수 줄기, 해바라기 줄기, 볏짚, 밀짚, 보리짚, 오일팜나무 등을 들 수 있으며, 목본계 바이오매스로는 백합나무, 버드나무 및 가문비나무 등을 들 수 있다. 또한 에너지 작물로서 최근 많은 관심을 끌고 있는 억새와 갈대 등도 본 발명의 수용성 식이섬유의 열수추출 기술을 적용할 수 있는 리그노셀룰로오스계 바이오매스에 포함된다.
이러한 바이오매스는 바이오에너지의 생산 혹은 바이오리파이너리 공정을 위해서 통상적으로 가공하는 형태, 즉, 파쇄 혹은 분쇄된 상태로 이용될 수 있으며, 추출 효율을 높이고 불순물의 생성을 억제하기 위해서는 곱게 분쇄된 형태가 바람직하다.
또한 바이오매스로부터 수용성 식이섬유의 열수추출 과정에서 불순물로서 함께 추출될 수 있는 성분들, 예를 들면 전분 등의 비구조적 성분(non-structural components)을 미리 제거하기 위해 120 ℃ 이하의 물로 먼저 추출한 바이오매스 전처리물을 본 발명의 바이오매스 원료로 사용하는 것은 본 발명의 기술에 의한 수용성 식이섬유의 추출 효율에 큰 영향을 미치지 않는 범위 내에서 더욱 바람직한 원료가 될 수 있다.
이어서, 상기와 같은 방법으로 준비한 바이오매스를, 수용성 식이섬유 추출 후 추출물의 pH가 3.8 내지 4.5가 되도록 추출용매에 현탁시킨 후, 밀폐된 상태에서 교반과 동시에 가열하여 140 내지 170 ℃에 도달한 후부터 10분 내지 5시간 동안 유지하면서 열수 추출 공정을 실시한다.
상기 추출용매로는 물을 사용할 수 있으며, 추출효율을 높이기 위해 상기 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 추출용매에 현탁시키기 전, 추출물의 pH가 3.8 내지 4.5가 되도록 염기를 물에 첨가한 후 이를 추출용매로 사용할 수도 있다.
상세하게는 본 발명의 수용성 식이섬유의 열수추출 방법은 추출온도 140 내지 170 ℃, 바람직하게는 150 내지 160 ℃에서, 열수추출 후 추출물의 산도, 즉 pH가 3.8 내지 4.5일 때 2분자체 이상의 올리고당이 최대 수율로 얻어질 수 있다. 따라서, 예비실험에서 식이섬유의 추출 후 추출물의 산도를 측정하고, 이 pH가 3.8 내지 4.5가 되도록 만들 수 있는 양의 염기를 녹인 물에 바이오매스를 현탁시키는 것이 보다 바람직하다. 이때 사용될 수 있는 염기로는 수산화나트륨(sodium hydroxide), 수산화칼륨(potassium hydroxide) 및 수산화칼슘(calcium hydroxide) 등을 들 수 있으며, 열수추출 후 추출물의 산도를 3.8 내지 4.5 내로 유지할 수 있는 염기라면 특별히 그 종류와 첨가량에 한정을 두지 않는다. 열수 추출물의 산도가 3.8 미만이면 헤미셀룰로오스의 추출율 증가와 함께 단당류의 증가율이 더욱 증가하여 결과적으로 식이섬유의 수율이 저하되어 바람직하지 않고, 반대로 4.5를 초과하면 단당류의 생성량은 감소하지만 헤미셀룰로오스의 추출율이 감소하여 결과적으로 식이섬유의 추출율 저하를 초래하므로 바람직하지 않다.
또한 본 발명의 수용성 식이섬유의 열수추출 방법은 바이오매스 현탁액의 열수추출온도를 140 내지 170 ℃에서 일정한 시간 동안 유지하는 것이 중요하다. 열수추출 온도가 140 ℃ 미만인 경우 헤미셀룰로오스의 가수분해로 생성된 단당류의 농도가 감소하지만 수용성 식이섬유의 수율은 더욱 감소하게 되어 바람직하지 않고, 반대로 열수추출 온도가 170 ℃를 초과하는 경우 헤미셀룰로오스의 가수분해 속도가 증가하지만 동시에 단당류의 생성량 또한 급속히 증가하여 수용성 식이섬유의 수율이 감소하기 때문에 바람직하지 않다. 따라서, 열수추출 온도는 이 범위를 벗어나지 않는 것이 바람직하며, 저분자량의 올리고당으로 이루어진 식이섬유를 최대의 수율로 추출하기 위해서는 열수추출 온도를 150 내지 160 ℃로 유지하는 것이 더욱 바람직하다. 또한 열수추출 온도를 160 ℃로 유지하는 경우 추출속도와 추출율을 극대화할 수 있으므로 가장 바람직하다.
또한 본 발명의 수용성 식이섬유의 열수추출 방법은, 상기 추출물의 산도와 열수추출 온도에 더하여 열수추출 시간을 10분 내지 5시간 동안 유지해 주는 것이 바람직하다. 상기 시간 범위 내에서 열수추출물의 산도가 3.8에 가까울수록 또한 열수추출 온도가 170 ℃에 가까울수록 추출시간은 짧게 하고, 이와 반대로 산도가 4.5에 가까울수록 또한 열수추출온도가 140 ℃에 가까울수록 추출시간을 길게 유지하는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명의 수용성 식이섬유의 열수추출시 최적 조건은 식이섬유를 추출하고자 하는 바이오매스의 종류에 따라서 조금씩 달라질 수 있는데, 바이오매스로 밀짚을 사용하는 경우 160 ℃에서 추출한 추출물의 pH가 약 3.9일 때 가장 우수한 추출율을 얻을 수 있고, 바이오매스로 보리짚을 사용하는 경우 160 ℃에서 추출한 추출물의 pH가 약 4.1일 때 가장 우수한 추출율을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 열수추출 방법을 사용하여 리그노셀룰로오스계 바이오매스로부터 수용성 식이섬유를 추출하고자 할 때 바이오매스의 특성에 의해서 추출물의 산도가 pH 3.8 내지 4.5에서 유지되는 경우라면 염기를 첨가하지 않고도 온도를 조절함으로써 저분자량의 식이섬유를 최대수율로 추출할 수 있다. 따라서, 본 발명의 열수추출 방법에서 추출 용매인 물에 대한 염기의 첨가는 필수요건은 아니며, 추출물의 최종 pH가 3.8 내지 4.5로 유지될 수 있도록 조절하는 것이 가장 중요한 요건이라 할 수 있다.
본 발명에 있어서, 바이오매스로부터 수용성 식이섬유를 추출하기 위해 물에 바이오매스 분말을 현탁시킬 때 바이오매스와 물의 혼합비율은 바이오에너지 산업이나 바이오리파이너리 산업에서 통상적인 바이오매스의 전처리에서 볼 수 있는 비율로, 예컨대, 바이오매스와 물 혹은 염기 수용액의 비율을 1:99부터 20:80까지 사용할 수 있다. 열수추출 온도의 정밀한 조절과 반응물의 균일한 혼합을 위해서는 그 비율이 1:99 내지 15:85 가 바람직하며, 더욱 바람직하게는 1:99 내지 10:90 이 좋다.
이어서 추출물을 상온까지 급속 냉각함으로써 리그노셀룰로오스계 바이오매스로부터 저분자량의 수용성 식이섬유를 추출할 수 있다. 냉각 공정은 통상의 방법에 따라 실시할 수 있으므로 본 명세서에서는 상세한 설명을 생략한다.
상기한 바와 같이, 열수추출 공정에 의해 수득되는 식이섬유 추출물의 산도가 일정 범위 내에서 있도록 상기 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 추출용매에 현탁시키기 전, 미리 추출용매인 물에 염기를 첨가하는 등 전처리하여 산도를 조절하고, 이어 일정한 온도 범위 내에서 일정시간 열수추출하는 본 발명의 추출 방법은, 바이오매스로부터 헤미셀룰로오스가 올리고당으로 가수분해되어 추출되는 속도를 증가시키는 동시에 자일로오스 등의 단당류로 추가 가수분해되는 현상을 억제함으로써, 수득된 추출물은 단당류와 리그닌 분해산물은 적게 함유하면서도 2당류 이상의 자일로올리고당 등은 다량 함유하고 있다. 그 결과, 저분자량의 수용성 식이섬유의 수율을 극대화할 수 있다.
이하, 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명의 예시일 뿐 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
제조예 : 리그노셀룰로오스계 바이오매스로부터 추출성 성분을 제거한 시료의 조제
식용 옥수수(대학 찰옥수수, 충북대학교 2009년 생산 종자), 벼(추청벼), 식용보리 및 우리밀을 수확한 직후 줄기를 베어 햇빛에 말린 다음 20메쉬 이하의 분말이 되도록 분쇄하였다(이하 ‘풍건시료’라 함). 이 풍건시료를 105 ℃의 고온건조기에 넣고 48시간 동안 건조한 다음, 무게를 재어 수분함량을 측정하였다. 풍건시료 건조중량으로 150 g을 면섬유로 만든 자루에 넣은 후, 20 리터의 물이 담긴 찜통에 넣고 1시간 동안 끓였다. 자루를 건져내어 뜨거운 상태에서 압착하여 짜내고 건더기를 10리터의 증류수에 넣고 불렸다가 다시 짜기를 5회 반복하여 추출성 성분을 제거하였다. 추출성 성분이 제거된 시료를 그늘에 널어 건조한 후, 가볍게 부수고, 밀폐용기에 넣어 보관하면서 본 발명의 수용성 식이섬유의 열수추출에 시료(이하 ‘추출성 성분 제거 시료’라 함)로 사용하였다.
실시예 1-1 내지 1-4: 보리짚으로부터 수용성 식이섬유의 열수추출
내압용기(pressure vessel, 15ml용, Chemglass사제, 미국) 4개에 증류수를 각각 10 ml씩 넣었다. 여기에 상기 제조예에서 수득된 추출성 성분 제거 보리짚 시료를 풍건시료 건물중 1 g 상당량으로 넣었다. 내압용기를 마개로 밀봉한 후 145, 150, 155 및 160 ℃의 오일수조에 넣고 추출하였다. 열수추출 30분 후부터 5시간 후까지 일정한 시간 간격으로 오일수조로부터 시료를 꺼내어 찬물로 식힌 다음 잘 섞어주었다.
실시예 2-1 내지 2-4: 밀짚으로부터 수용성 식이섬유의 열수추출
내압용기(15ml용, Chemglass사제, 미국) 4개에 증류수를 각각 10 ml씩 넣었다. 여기에 상기 제조예에서 수득된 추출성 성분 밀짚 시료를 풍건시료 건물중 1 g 상당량으로 넣었다. 내압용기를 마개로 밀봉한 후 145, 150, 155 및 160 ℃의 오일수조에 넣고 추출하였다. 열수추출 30분 후부터 5시간 후까지 일정한 시간 간격으로 오일수조로부터 시료를 꺼내어 찬물로 식힌 다음 잘 섞어주었다.
실시예 3: 보리짚으로부터 수용성 식이섬유의 열수추출
내압용기(15ml용, Chemglass사제, 미국)에 증류수를 10 ml 넣고, 여기에 수산화나트륨을 0.0022 g을 첨가하여 용해시킨 후, 상기 제조예에서 수득된 추출성 성분 제거 보리짚 시료를 풍건시료 건물중 1 g 상당량으로 넣었다. 내압용기를 마개로 밀봉한 후 160 ℃의 오일수조에 넣고 추출하였다. 열수추출 3시간 후 오일수조로부터 꺼내어 찬물로 식힌 다음 잘 섞어주었다.
실시예 4: 밀짚으로부터 수용성 식이섬유의 열수추출
내압용기(15ml용, Chemglass사제, 미국)에 증류수를 10 ml 넣고, 여기에 수산화나트륨을 0.0016 g을 첨가하여 용해시킨 후 상기 제조예에서 수득된 추출성 성분 제거 밀짚시료를 풍건시료 건물중 1g 상당량으로 넣었다. 내압용기를 마개로 밀봉한 후 160 ℃의 오일수조에 넣고 추출하였다. 열수추출 3시간 후 오일수조로부터 꺼내어 찬물로 식힌 다음 잘 섞어주었다.
실시예 5-1: 옥수수 줄기로부터 수용성 식이섬유의 열수추출
내압용기(15ml용, Chemglass사제, 미국)에 증류수를 10ml 넣고, 여기에 상기 제조예에서 수득된 추출성 성분 제거 옥수수 줄기 시료를 풍건시료 건물중 1g 상당량으로 넣었다. 내압용기를 마개로 밀봉한 후 160 ℃의 오일수조에 넣어서 추출하였다. 열수추출 5시간 후 오일수조로부터 꺼내어 찬물로 식힌 다음 잘 섞어주었다.
실시예 5-2: 옥수수 줄기로부터 수용성 식이섬유의 열수추출
내압용기(15ml용, Chemglass사제, 미국)에 증류수를 10ml 넣고, 여기에 수산화나트륨을 0.0112 g을 첨가하여 용해시킨 후 상기 제조예에서 수득된 추출성 성분 제거 옥수수 줄기 시료를 풍건시료 건물중 1g 상당량으로 넣었다. 내압용기를 마개로 밀봉한 후 160 ℃의 오일수조에 넣어서 추출하였다. 열수추출 5시간 후 오일수조로부터 꺼내어 찬물로 식힌 다음 잘 섞어주었다.
실시예 5-3: 옥수수 줄기로부터 수용성 식이섬유의 열수추출
내압용기(15ml용, Chemglass사제, 미국)에 증류수를 10ml 넣고, 여기에 수산화나트륨을 0.0028 g 첨가하여 용해시킨 후, 상기 제조예에서 수득된 추출성 성분 제거 옥수수 줄기 시료를 풍건시료 건물중 1g 상당량으로 넣었다. 내압용기를 마개로 밀봉한 후 160 ℃의 오일수조에 넣어서 추출하였다. 열수추출 3시간 후 오일수조로부터 꺼내어 찬물로 식힌 다음 잘 섞어주었다.
실시예 6-1: 볏짚으로부터 수용성 식이섬유의 열수추출
내압용기(15ml용, Chemglass사제, 미국)에 증류수를 10ml 넣고, 여기에 수산화나트륨을 0.0058 g을 첨가하여 용해시킨 후 상기 제조예에서 수득된 추출성 성분 제거 볏짚 시료를 풍건시료 건물중 1g 상당량으로 넣었다. 내압용기를 마개로 밀봉한 후 160 ℃의 오일수조에 넣어서 추출하였다. 열수추출 5시간 후 오일수조로부터 꺼내어 찬물로 식힌 다음 잘 섞어주었다.
실시예 6-2: 볏짚으로부터 수용성 식이섬유의 열수추출
내압용기(15ml용, Chemglass사제, 미국)에 증류수를 10ml 넣고, 여기에 수산화나트륨을 0.0029 g 첨가하여 용해시킨 후, 상기 제조예에서 수득된 추출성 성분 제거 볏짚 시료를 풍건시료 건물중 1g 상당량으로 넣었다. 내압용기를 마개로 밀봉한 후 160 ℃의 오일수조에 넣어서 추출하였다. 열수추출 3시간 후 오일수조로부터 꺼내어 찬물로 식힌 다음 잘 섞어주었다.
비교예 1: 높은 산도에서 옥수수 줄기로부터 수용성 식이섬유의 열수추출
내압용기(15ml용, Chemglass사제, 미국)에 증류수를 10ml 넣고, 여기에 수산화나트륨을 0.0224 g 첨가하여 용해시킨 후, 상기 제조예에서 수득된 추출성 성분 제거 옥수수 줄기 시료를 풍건시료 건물중 1g 상당량으로 넣었다. 내압용기를 마개로 밀봉한 후 160 ℃의 오일수조에 넣어서 추출하였다. 열수추출 5시간 후 오일수조로부터 꺼내어 찬물로 식힌 다음 잘 섞어주었다.
비교예 2: 볏짚으로부터 수용성 식이섬유의 열수추출
내압용기(15ml용, Chemglass사제, 미국)에 증류수를 10ml 넣고, 여기에 상기 제조예에서 수득된 추출성 성분 제거 볏짚 시료를 풍건시료 건물중 1g 상당량으로 넣었다. 내압용기를 마개로 밀봉한 후 160 ℃의 오일수조에 넣어서 추출하였다. 열수추출 5시간 후 오일수조로부터 꺼내어 찬물로 식힌 다음 잘 섞어주었다.
비교예 3: 높은 산도에서 볏짚으로부터 수용성 식이섬유의 열수추출
내압용기(15ml용, Chemglass사제, 미국)에 증류수를 10ml 넣고, 여기에 수산화나트륨을 0.023 g 첨가하여 용해시킨 후, 상기 제조예에서 수득된 추출성 성분 제거 볏짚 시료를 풍건시료 건물중 1g 상당량으로 넣었다. 내압용기를 마개로 밀봉한 후 160 ℃의 오일수조에 넣어서 추출하였다. 열수추출 5시간 후 오일수조로부터 꺼내어 찬물로 식힌 다음 잘 섞어주었다.
시험예 1: 수용성 식이섬유 열수추출물의 pH 측정
실시예 및 비교예에서 얻은 내압용기 내의 식이섬유 추출물에 pH 미터(meter) 전극을 넣어 열수 추출물의 상온에서의 산도를 측정하고, 평균치를 구한 다음 그 결과를 하기 표 1 내지 표 3에 나타내었다.
시험예 2: 바이오매스 열수추출물 중의 비식이섬유 성분으로서 자일로오스 농도 측정
실시예 및 비교예에서 얻은 추출물을 50 ml용 팔콘 튜브에 각각 옮기고 내압용기 내 잔류물을 증류수로 씻은 세척액 또한 각각의 팔콘 튜브에 첨가하였다. 여기에 증류수를 추가하여 내용물의 무게가 40 g이 되게 한 후, 이것의 일부를 취하여 증류수로 희석하여 1,000배 희석액을 조제하고, 이온크로마토그래프(DIONEX model IC-5000, 미국)로 자일로오스를 정량하였다. 그 결과로서 평균치를 표 1 내지 표 3에 나타내었다.
시험예 3: 바이오매스 열수추출물 중 식이섬유로서의 자일로올리고당 함유량 측정
열수추출물 중의 자일로올리고당 농도를 측정하기 위해서, 미국 국립 재생가능 에너지 연구소(National Renewable Energy Laboratory: NREL)의 분석방법(Laboratory Analytical Procedure)에 따라서 실시예 및 비교예에서 얻은 추출물 각각에 황산수용액을 가하여 산가수분해하였다. 이것의 일부를 취하여 1,000배 희석한 후 이온크로마토그래프(DIONEX model IC-5000, 미국)로 자일로오스를 정량하였다. 정량된 결과로부터 시험예 2의 단당류로서의 자일로오스 량을 제하여 자일로올리고당으로서의 자일로오스의 양을 산출하고, 그 결과로서 평균치를 표 1 내지 표 3에 나타내었다.
시험예 4: 바이오매스 열수추출물 중 3당류 이상의 자일로올리고당 평균 분자량 측정
실시예 및 비교예에서 얻은 추출물 각각에 대해 일부를 취하여 겔 침투 크로마토그래피(gel permeation chromatography: GPC)로 분석하고, 분석된 크로마토그램 상에서 피크(peak)의 분리가 완벽한 3당류 이상의 올리고당의 평균 분자량을 산출하였다. 그 결과로서 평균치를 표 1 내지 표 3에 나타내었다.
실시예 바이오매스 물
(ml)		 수산화
나트륨
첨가량
(g)		 추출
온도
(oC)		 추출
시간
(시간)		 추출 후 pH 추출물
중
자일로오스
(g)		 추출물 가수분해 후 자일로오스
(g)		 자일로올리고당으로서 자일로오스
(g)		 3당류 이상의 평균분자량
1-1 보리짚 10 0 145 5 4.44 0.20 4.7 4.5 6,552
1-2 10 0 150 5 4.22 0.40 6.5 6.1 4,112
1-3 10 0 155 4 4.04 1.0 8.7 7.7 2,137
1-4 10 0 160 3 4.02 1.3 10.0 8.7 1,817
표 1에 나타난 바와 같이, 보리짚으로부터 열수추출한 수용성 식이섬유의 양은 온도가 160 ℃에 가까울수록, 또한 추출물의 산도가 pH 4에 근접할수록 많아지며, 그 평균 분자량도 점차 작아져서 본 발명의 저분자량의 수용성 식이섬유의 제조에 유리한 것을 알 수 있다.
실시예 바이오매스 물
(ml)		 수산화
나트륨
첨가량
(g)		 추출
온도
(oC)		 추출
시간
(시간)		 추출 후 pH 추출물
중
자일로오스
(g)		 추출물 가수분해 후 자일로오스
(g)		 자일로올리고당으로서 자일로오스
(g)		 3당류 이상의 평균분자량
2-1 밀짚 10 0 145 5 3.92 0.44 8.0 7.6 3,515
2-2 10 0 150 4 3.81 0.64 9.5 8.9 2,842
2-3 10 0 155 3 3.89 1.1 7.2 6.1 2,039
2-4 10 0 160 2 3.85 1.0 8.1 7.1 2,134
표 2에 나타난 바와 같이, 밀짚으로부터 얻은 수용성 식이섬유의 양은 산도 3.8 부근에서 가장 높았으며 열수추출온도도 약간 낮은 150 ℃가 유리한 것을 알 수 있다.
바이오매스 물
(ml)		 수산화
나트륨
첨가량
(g)		 추출
온도
(oC)		 추출
시간
(시간)		 추출 후 pH 추출물
중
자일로오스
(g)		 추출물 가수분해 후 자일로오스
(g)		 자일로올리고당으로서 자일로오스
(g)		 3당류 이상의 평균분자량
비교예1 옥수수 줄기 10 0.0224 160 5 4.81 0.08 4.4 4.3 미측정
실시예 5-1 10 0 160 5 3.83 1.9 6.5 4.6 미측정
실시예 5-3 10 0.0028 160 3 4.06 0.84 8.8 8.0 미측정
비교예2 볏짚 10 0 160 5 3.68 3.9 7.9 4.0 미측정
비교예3 10 0.023 160 5 5.07 0.048 4.1 4.1 미측정
실시예 6-2 10 0.0029 160 3 4.04 0.58 8.0 7.4 미측정
실시예 1-4 보리짚 10 0 160 3 4.02 1.3 10 8.7 1,817
실시예3 10 0.0022 160 3 4.18 0.93 8.6 7.7 1,826
실시예 2-2 밀짚 10 0 150 4 3.81 0.64 9.5 8.9 2,842
실시예4 10 0.0016 160 3 3.91 1.8 11.1 9.3 1,406
표 3에 나타난 바와 같이, 열수추출물의 산도를 pH 4.0 가까이 유지하기 위해서 바이오매스 현탁액에 수산화나트륨을 첨가한 추출시험에서 옥수수 줄기와 볏짚 모두 상대적으로 높은 수율로 저분자량의 수용성 식이섬유를 얻을 수 있었다. 또한 밀짚을 원료로 한 시험에서는 바이오매스 현탁액에 수산화나트륨을 소량 첨가함으로써 추출물의 산성을 약간 억제할 수 있었고, 이것을 통하여 보다 분자량이 작은 식이섬유를 더 얻을 수 있었다.
한편, 실시예 6-2에 따른 볏짚 추출물에서의 자일로올리고당의 수율은 92% 이상으로 높았으며 이때 추출물의 pH는 4.04였던 반면, 식이섬유 추출 후 추출물의 pH가 본 발명에서의 한정 범위를 벗어난 3.68인 비교예 2의 경우 추출물중 자일로오스의 함량이 높아, 이로 인해 수득되는 추출물 중 자일로올리고당의 수율(약 51%)이 실시예 6-2에 비해 현저히 낮았다. 이와 같은 결과로부터 리그노셀룰로오스계 바이오매스로부터 수용성 식이섬유를 추출할 때, 단당류인 자일로오스의 생성율을 낮추면서 2 이상의 자일로오스 분자가 주성분인 식이섬유로서 자일로올리고당을 최고의 수율로 추출하기 위해서는 식이섬유 추출 후 추출물의 pH가 3.8 내지 4.5이고, 140 내지 170 ℃의 온도에서 10분 내지 5시간 동안 열수추출을 실시하는 것이 바람직함을 알 수 있다.
본 발명의 시험예에서 제시한 수용성 식이섬유의 분석 수치는 식이섬유를 구성하고 있는 한 성분으로서 자일로오스 정량 결과만을 보여준 것이다. 실제로는 여기에 아라비노오스, 갈락토오스, 만노오스, 글루코오스, 아세틸기 및 각종 유로닐기가 붙어 있으므로 실제 식이섬유 중량이 아닌 편의상의 척도이이다.
이상, 본 발명을 상기 실시예를 중심으로 하여 설명하였으나 이는 예시에 지나지 아니하며, 본 발명은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 다양한 변형 및 균등한 기타의 실시예를 이하에 첨부한 청구범위 내에서 수행할 수 있다는 사실을 이해하여야 한다.

Claims (4)

  1. 리그노셀룰로오스계 바이오매스를, 수용성 식이섬유 추출 후 추출물의 pH가 3.8 내지 4.5가 되도록 추출용매에 현탁시켜 140 내지 170 ℃에서 10분 내지 5시간 동안 열수 추출한 후 상온까지 급속 냉각하는 단계를 포함하는, 리그노셀룰로오스계 바이오매스로부터의 수용성 식이섬유 추출방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 추출용매에 현탁시키기 전, 상기 추출 용매에 수용성 식이섬유 추출 후 추출물의 pH가 3.8 내지 4.5가 되도록 하는 양으로 염기를 첨가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 리그노셀룰로오스계 바이오매스로부터의 수용성 식이섬유 추출방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열수 추출은 150 내지 160 ℃에서 10분 내지 5시간 동안 실시되는 것을 특징으로 하는, 리그노셀룰로오스계 바이오매스로부터의 수용성 식이섬유 추출방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 리그노셀룰로오스계 바이오매스가 초본계 및 목본계 육상 바이오매스로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 리그노셀룰로오스계 바이오매스로부터의 수용성 식이섬유 추출방법.
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