KR20140044901A - 옥수수 섬유로부터 헤미셀룰로스의 추출 방법 - Google Patents

옥수수 섬유로부터 헤미셀룰로스의 추출 방법 Download PDF

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KR20140044901A
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로히트 에이. 메데카르
앤드류 제이. 호프만
시안-종 한
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테이트 앤드 라일 인그리디언츠 어메리카즈 엘엘씨
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Abstract

옥수수 섬유를 하나 이상의 약산을 포함하는 추출 유체와 접촉시키는 단계, 결과로 얻어진 섬유와 유체의 혼합물의 온도를 상승시켜 옥수수 섬유의 헤미셀룰로스를 유체 중으로 가용화하는 단계, 상기 혼합물을 냉각시키는 단계, 및 냉각된 추출 혼합물을, 용해된 헤미셀룰로스를 포함하는 가용성 분획과 셀룰로스를 포함하는 불용성 분획으로 분리하는 단계를 포함하는, 옥수수 섬유의 하나 이상의 성분을 분리하는 방법.

Description

옥수수 섬유로부터 헤미셀룰로스의 추출 방법{Process of extraction of hemicellulose from corn fiber}
본 출원은, 그 전체가 참조에 의해 본 명세서에 포함된, 2011년 7월 7일에 제출된 미국 가출원 제61/505373호의 이익을 주장하는 정규 출원이다.
본 발명은 전반적으로 분쇄된 옥수수의 가공에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 옥수수 섬유로부터 헤미셀룰로스를 추출하는 것에 관한 것이다.
미국에서 옥수수의 습식 제분(wet milling)은 매년 4백만 톤을 초과하는 옥수수 섬유를 생산한다. 지금까지, 이 옥수수 섬유는 미국에서 동물의 사료용으로 이용되었다. 옥수수 섬유는, 무엇보다도, 옥수수 섬유 검(gum) 및 아라비노자일란(arabinoxylan)으로도 지칭되는 헤미셀룰로스를 포함한다. 옥수수 헤미셀룰로스는 잠재적으로 동물 사료용으로의 그의 용도를 훨씬 초과하는 상업적인 가치를 갖는다. 예를 들면, 옥수수 헤미셀룰로스는 음료 향미 유화(beverage flavor emulsification)와 같은 적용에 있어서 아라비아 검(gum Arabic)에 대한 대체물질로 이용될 수 있다고 여겨진다. 추가로, 옥수수 헤미셀룰로스는 필름 형성, 농집(thickening), 유화, 및 수성 용액과 현탁액의 안정화와 같은 적용에 있어서 유용할 수 있다고 여겨진다. 또한, 옥수수의 헤미셀룰로스와 그의 제한된 가수분해 산물을 포함하여, 3 내지 10의 중합도(degree of polymerization: DP)를 갖는 아라비노자일란 올리고당(arbinoxylan oligosaccharide: AXOS)은, 식품 및 음료에서 칼슘과 마그네슘의 증가된 흡수, 감소된 콜레스테롤 흡수, 강하된 혈장 콜레스테롤, 간에서의 콜레스테롤 축적 감소, 및 바람직한 비피더스 효과(bifidogenic effect)와 같은 건강상의 이점을 제공할 수 있다는 것이 알려져 있다.
옥수수 헤미셀룰로스에 대한, 가능한 상대적으로 고부가가치인 적용의 수를 고려하면, 옥수수 섬유로부터 상업적 규모로 헤미셀룰로스를 추출하는 방법이 계속해서 조사 및 개발 활동의 대상이 되어왔다는 것은 놀랄 일이 아니다. 예를 들면, 미국 특허 제6,147,206호 (Donner 등)는 알칼리성 용액에 의한 제분 옥수수 섬유의 처리 동안 또는 그 후에 과산화수소에 의한 처리를 포함하는 고분자량 헤미셀룰로스를 수득하는 방법을 개시하고, 이는 종종 "알칼리성 과산화수소(alkaline hydrogen peroxide)" 또는 "AHP" 방법으로 지칭된다. 이 AHP 방법에 의해 생성된 헤미셀룰로스는 물에서 높은 용해도를 갖는다. AHP 방법으로부터 헤미셀룰로스의 수율은 약 35 중량% (25℃에서 24시간 추출) 내지 약 42 중량% (60℃에서 2시간 추출)의 범위 내인 것으로 알려져 있다. AHP 최종 산물에 대하여 수행된 몰 질량 검출과 결합된 크로마토그래피 분석은, 고분자량 성분 (8.4-16.1 x 105 g/mole) 및 저분자량 성분 (1.1-2.1 x 105 g/mole)을 갖는 이봉 몰 질량 분포(bimodal molar mass distribution)을 밝혔다. 백색의, 푹신한(fluffy) 셀룰로스/아라비노자일란 혼합물 (cellulose/arabinoxylan mixtures: CAX)은 옥수수 섬유 검 생산 후 남아있는 고체 잔여물로부터 생성되었다. CAX는, L-아라비노스, D-자일로스, 및 D,L-갈락토스 수준으로부터 밝혀진 바와 같이, 유의한 양의 당을 함유한다. 극단적인 AHP 조건 (예를 들면, 1시간, 100℃) 하에서 제조된 CAX일지라도, 유의한 양의 당 (예를 들면, 약 33 중량%)을 함유한다.
또 다른 공지된 헤미셀룰로스의 추출 방법은 염산 또는 황산을 이용하는 것을 포함한다. 그러나, 이와 같은 방법은 상당한 단량체로의 가수분해를 야기하여, 추출된 산물은 주로 에탄올 또는 유기산으로의 발효를 위해 이용된다. 예를 들면, 121℃에서 2시간 동안 1.0% 황산에 의해 옥수수 섬유를 처리하는 것은 약 63.3 중량%의 총 당 수율을 초래한 것으로 보고되었다.
또한, 옥수수 섬유로부터 헤미셀룰로스를 추출하는 또 다른 공지된 방법은, 셀룰로스-함유 물질을 액체 암모니아에 의해 처리하여 셀룰로스의 화학적 반응성 및 생물학적 반응성을 증가시키는 단계를 포함하는, 암모니아-폭발 (ammonia-explosion: AFEX) 방법으로 알려져 있다. 보다 구체적으로, AFEX 방법은 (a) 셀룰로스-함유 물질을 암모니아와 1시간 미만 동안 약 140 psia 내지 약 180 psia의 범위인 처리 압력, 및 주위 온도에서 접촉시키는 단계, (b) 처리 압력으로부터 대기압까지 압력을 폭발적으로 감소시키는 단계, 및 (c) 암모니아를 셀룰로스-함유 물질로부터 분리시켜, 셀룰로스-함유 물질 중 셀룰로스의 가분해성(digestibility)을 증가시키고 섬유로부터 및 셀룰로스-함유 물질의 세포벽 내로부터 단백질의 이용가능성을 증가시키는 단계를 포함한다. AFEX 방법 후, 결과로 얻어진 옥수수 섬유는, 상업용 아밀라제, 자일라나제, 및 에탄올 생산에서 사용하기 위한 셀룰라제 셀룰로스 성분의 혼합물에 의한 효소 분해(enzymatic digestion)에 적용되었다. 분해된 물질은 약 30 내지 40 중량 % 글루코스 및 올리고당을 포함하였다.
옥수수 섬유로부터 헤미셀룰로스를 추출하는 또 다른 공지된 방법은 효소에 의해 매개되는 셀룰로스로부터-에탄올까지의 공정(cellulose-to-ethanol process)의 일부로서 순차적인 SO2-촉매 증기 폭발 및 효소에 의한 가수분해를 포함한다. 옥수수 섬유 중 셀룰로스와 헤미셀룰로스의 조합물을 폭쇄처리 섬유(steam exploded fiber)를 이용하여 단량체 당으로 전환시키는 효율은 약 80%만큼 높은 반면, 효소에 의한 가수분해 전 증기 폭발이 없는 전환 효율은 약 15%에 그쳤다.
옥수수 섬유로부터 헤미셀룰로스를 추출하는, 전술된 공지된 방법은 각각 한계를 갖는다. 고품질 헤미셀룰로스는 알칼리와 과산화수소의 조합 처리에 의해 제조될 수 있다. 그러나, 알칼리 첨가, 산 중화, 및 에탄올 침전에 의해 생산 단가는 매우 높다. 황산-기반 또는 염산-기반의 추출은 헤미셀룰로스의 당으로의 대규모 가수분해를 유발하는 것으로 나타났고, 이는 추출 물질을 검 대체물(gum replacer), 저당 천연 가용성 섬유, 또는 저당 증량제(bulking agent)와 같은, 고부가가치 산물로서 부적합하게 하는 경향이 있다. 암모니아 폭발 방법의 시험은, 유의한 갈변 반응(browning reaction)과 함께 총 섬유의 20% 미만이 가용화되게 했고, 잔여 암모니아가 추출된 헤미셀룰로스에서 발견되었다. 추가로, 옥수수 섬유에 대한 고온 액체 또는 증기 처리로부터 헤미셀룰로스의 수율은 너무 낮아서 상업적으로 실행가능하지 않다.
전술을 고려할때, 하나 이상의 하기 특성(attribute)를 갖는, 옥수수 섬유로부터 헤미셀룰로스를 추출하는 방법에 대한 필요성이 여전히 존재한다: 이 방법은 상업적 규모로 용이하게 구현될 수 있고, 비교적 낮은-비용이고; 검 대체물, 저당 천연 섬유, 및/또는 저당 증량제와 같은, 하나 이상의 비교적 고부가가치의 산물을 생성할 수 있다.
발명의 요약
본 발명은 옥수수 섬유의 하나 이상의 성분을 분리하는 방법으로서, 상기 방법은:
(a) 헤미셀룰로스, 셀룰로스, 및 리그닌을 포함하는 매트릭스(matrix)를 포함하는 옥수수 섬유를, 하나 이상의 약산을 포함하는 추출 유체(extraction fluid)와 접촉시켜 추출 혼합물(extraction mixture)을 형성하는 단계;
(b) 상기 추출 유체가 헤미셀룰로스와 리그닌 간 결합을 가수분해를 통해 절단하기에 충분한 산성을 갖도록 상기 추출 혼합물의 온도를 T SOL 로 조절함으로써, 상기 옥수수 섬유의 헤미셀룰로스를 가용화하여, 가용화된 헤미셀룰로스를 상기 추출 유체 중에 용해시키는 단계;
(c) 상기 추출 유체가 용해된 헤미셀룰로스를 실질적으로 탈중합화시키기에 충분한 산성을 갖지 않도록 상기 추출 혼합물의 온도를 T QUENCH 로 조절함으로써, 가수분해를 퀀칭시키는 단계(quenching); 및
(d) 상기 추출 혼합물을 용해된 헤미셀룰로스를 포함하는 가용성 분획과 셀룰로스를 포함하는 불용성 분획으로 분리하는 단계를 포함하는 것인 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 용해된 헤미셀룰로스의 양이 탈-전분 옥수수 섬유의 중량 기준 약 30 내지 약 75%의 범위이고, 상기 용해된 헤미셀룰로스의 중량 기준 40% 이상은 3 이상의 중합도(degree of polymerization)를 갖도록, 탈-전분 옥수수 섬유 및, 하나 이상의 약한 카르복실산을 포함하는 추출 유체를 포함하는 추출 혼합물의 온도를 조절하여, 상기 탈-전분 옥수수 섬유로부터 추출 유체 중으로 헤미셀룰로스를 가용화 및 용해시키는 단계를 포함하는, 탈-전분 옥수수 섬유의 하나 이상의 성분을 분리하는 방법에 관한 것이다.
추가적으로, 본 발명은 탈-전분 옥수수 섬유의 하나 이상의 성분을 분리하는 방법으로서, 상기 방법은, (a) 용해된 헤미셀룰로스의 양이 탈-전분 옥수수 섬유의 중량 기준 약 50 내지 약 60%의 범위이고, (b) 상기 용해된 헤미셀룰로스는 (i) 상기 용해된 헤미셀룰로스의 중량 기준 약 30 내지 약 40%인 총량의 단당류와 이당류, (ii) 상기 용해된 헤미셀룰로스의 중량 기준 약 5% 미만인 총량의 올리고당, 및 (iii) 상기 용해된 헤미셀룰로스의 중량 기준 약 55 내지 약 70%인 총량의 다당류를 포함하도록, 추출 혼합물의 온도가 약 2분 내지 약 10분 범위의 지속시간 동안 약 120℃ 내지 약 150℃의 범위에 있도록 추출 혼합물의 온도를 조절하고, 그 후 상기 범위 미만의 온도로 상기 추출 혼합물을 퀀칭시켜, 탈-전분 옥수수 섬유로부터, 약 6.5 중량부의 탈-전분 옥수수 섬유 및 약 100 중량부의 추출 유체를 포함하는 추출 혼합물의 추출 유체 중으로, 헤미셀룰로스를 가용화 및 용해시키는 단계를 포함하고, 상기 추출 유체는 시트르산을 약 0.01 M 내지 약 0.05 M의 농도로 포함하는 것인 방법에 관한 것이다.
발명의 상세한 설명
본 발명은, 적어도 부분적으로, 헤미셀룰로스, 셀룰로스, 및 리그닌을 포함하는 매트릭스를 포함하는, 옥수수 섬유의 하나 이상의 성분을 분리하는 방법에 관한 것이다. 요구되지는 않으나, 본 발명의 일 구체예에서, 옥수수 섬유 원료 물질은 탈-전분 옥수수 섬유이다. 유리하게는, 탈-전분 옥수수 섬유를 사용하는 것은 일반적으로 보다 높은 퍼센트의 섬유를 갖는, 본 방법의 산물을 생성하며, 이는 최종 산물을 식품 성분으로서 보다 바람직하게 만드는 경향이 있다. 즉, 전분 또는 가수분해된 전분의 유의한 양을 포함하는, 본 발명의 방법에 의해 생성된 산물을 고려하지 않을 경우 (예를 들면, 에탄올 생성을 위한 발효 공정에서 산물의 이용), 비-탈-전분(non-de-starched) 옥수수 섬유가 바람직할 수 있다. 또한, 본 발명의 방법에서 이용되는 탈-전분 옥수수 섬유는 효소, 수세(water washing), 및 그의 조합과 같은, 적용가능한 탈-전분 공정에 따라 탈-전분될 수 있다. 전술을 고려하여, 옥수수 섬유, 탈-전분 옥수수 섬유, 및 부분적으로 탈-전분된 옥수수 섬유가 본 발명의 방법에서 이용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
보다 구체적으로, 본 발명의 방법은 옥수수 섬유를 하나 이상의 약산을 포함하는 추출 유체와 접촉시켜, 추출 혼합물을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 방법은, 추출 유체가 헤미셀룰로스와 리그닌 간 결합을 가수분해를 통해 절단하기에 충분한 산성을 갖도록 추출 혼합물의 온도를 T SOL 로 조절함으로써 옥수수 섬유의 헤미셀룰로스를 가용화하여, 가용화된 헤미셀룰로스를 추출 유체 중에 용해시키는 단계를 더 포함한다. 상기 방법은, 추출 유체가 용해된 헤미셀룰로스를 실질적으로 탈중합화시키기에 충분한 산성을 갖지 않도록 추출 혼합물의 온도를 T QUENCH 로 조절함으로써, 전술된 가수분해를 퀀칭시키는 단계를 더 포함한다. 또한, 상기 방법은 추출 혼합물을 용해된 헤미셀룰로스를 포함하는 가용성 분획과 셀룰로스를 포함하는 불용성 분획으로 분리하는 단계를 포함한다. 따라서, 이 방법을 수행함으로써, 적어도 헤미셀룰로스가 옥수수 섬유로부터 분리된다. 추가 가공이 요구되는 경우, 상기 방법은 또한, 전술된 가용성 분획을 처리하여 추출 유체로부터 용해된 헤미셀룰로스를 분리하는 단계를 포함할 수 있다.
약산
전술된 바와 같이, 본 발명의 방법은 약산을 이용하는 것을 포함한다. 일반적으로, 강산 (예를 들면, HCl 및 H2SO4)과 달리, 약산 (예를 들면, 시트르산 및 아세트산)이 물에 용해될 경우, 히드로늄 이온 (H3O+)를 형성하는 반응은 완결까지 진행하지 않는다. 예를 들면, 25℃의 0.1 M 아세트산 용액 중 아세트산 분자의 약 1%만이 그의 양성자를 물로 전달함으로써 이온화한다. 본 명세서에 기재된 pK a 에 대한 모든 참조는 달리 표시되지 않는 한 25℃에서의 값이라는 것이 주목되어야 한다. 반트호프식(van't Hoff equation)에 따르면 pK a 를 포함한 평형 상수는 온도에 따라 변화한다는 것이 알려져 있다.
산성화도는 통상적으로 산도 상수 K a 의 음수 로그인 pK a 로 표시된다. 이 관행은 히드로늄 이온 농도를 pH로 표시하는 것과 유사하다. pK a 의 크기와 산의 세기 간에는 역의 관계가 존재한다 - pK a 값이 클수록, 산은 약하다. pK a 는 음수를 포함한다; HCl은 -7의 pK a 를 갖는 매우 강한 산으로 간주되는 반면, 질산은 -1.4의 pK a 를 갖는 약산으로 간주된다. 일반적으로, -2를 초과하는 pK a 를 갖는 산은 약산으로 간주된다. -2 이하의 pK a 값을 갖는 산은 pH 0에서 99%보다 높은 비율로 해리된다 (1 M의 산). 약산은 아세트산과 같은 일양성자산 (하나의 양성자를 잃는 산)과, 세 가지 pK a 값(pK a 1=2.15, pK a 2=7.2, 및 pK a 3=12.37)에 해당하는 세 개의 양성자를 잃을 수 있는 인산 (H3PO4)과 같은, 다양성자산 (하나보다 많은 양성자를 잃을 수 있는 산)을 포함한다.
본 발명의 특정 구체예에서, 추출 유체에 존재하는 각각의 약산은 -2를 초과하는 pK a , 0 이상, 2 이상, 또는 4 이상의 pK a 를 갖는다.
본 발명의 특정한 다른 구체예에서, 추출 용액은 강산을 포함하지 않는다. 따라서, 추출 유체에 존재하는 유일한 산은 약산이다. 이와 같은 구체예에서, 추출 유체에 존재하는 각각의 약산은 -2를 초과하는 pK a , 0 이상, 2 이상, 또는 4 이상의 pK a 를 갖는다.
인산 및 질산과 같은 무기 약산이 추출 유체에 포함될 수 있을지라도, (및, 실제로, 추출 유체 중의 유일한 약산일지라도), 본 발명의 다른 구체예에서 추출 유체는 하나 이상의 카르복실산을 포함한다. 다른 구체예에서, 추출 유체 중 하나 이상의 약산은 하나 이상의 카르복실산으로 이루어진다. 약산인 카르복실산의 예는 시트르산, 락트산, 말산, 아세트산, 푸마르산, 포름산, 옥살산을 포함한다. 일 구체예에서, 추출 유체에 포함되는 하나 이상의 카르복실산은 시트르산, 락트산, 말산, 아세트산, 푸마르산, 포름산, 옥살산, 및 그의 조합으로 구성된 군으로부터 선택된다. 다른 구체예에서, 하나 이상의 카르복실산은 시트르산, 말산, 푸마르산, 및 그의 조합으로 구성된 군으로부터 선택된다. 다른 구체예에서, 하나 이상의 카르복실산은 시트르산이다.
일반적으로, 추출 유체에서 약산(들)의 양은 약산의 총 농도가 약 0.001 M 내지 약 10 M 범위에 있도록 한다. 즉, 지금까지의 실험 결과는, 본 발명의 방법이 약산(들)의 총 농도가 약 0.01 M 내지 약 1 M 범위에 있는 경우, 원재료 비용, 안전성, 시간, 효율 간 바람직한 균형을 가지며 수행될 수 있다는 것을 나타낸다.
추출 유체 중 물에 대하여, 본 발명에 따라 적합한 변이가 이용될 수 있다. 즉, 추출된 헤미셀룰로스 및 AXOS가 식품 성분으로 이용될 경우, 일반적으로 탈이온수 또는 증류수가 바람직하다.
추출 혼합물 중 추출 유체와 옥수수 섬유의 상대적인 양
실현 가능성(practicality)은, 적어도 충분한 추출 유체 액체(extraction fluid wet)를 포함하는 추출 혼합물을 형성하고, 처리될 옥수수 섬유의 양을 현탁 및/또는 용해시키게 한다. 즉, 추출 유체 대 옥수수 섬유의 비율이 과도하게 결정적인 것으로 여겨지지 않는다. 실제로, 본 발명의 방법은 추출 유체 대 옥수수 섬유의 비율이 비교적 넓은 범위 내에 존재할 수 있는 추출 혼합물에 의해 수행될 수 있다고 여겨진다. 예를 들면, 본 발명의 일 구체예에서, 상기 방법은 추출 혼합물이 약 1:100 내지 약 60:100의 범위인 옥수수 섬유 대 추출 유체의 중량비를 갖도록 조절된다. 다른 구체예에서, 추출 혼합물은 약 3:100 내지 약 20:100의 범위인 옥수수 섬유 대 추출 유체의 중량비를 갖는다.
헤미셀룰로스를 가용화하는 단계
전술된 바와 같이, 본 발명의 방법은 추출 유체가 헤미셀룰로스와 리그닌 간 결합을 가수분해를 통해 절단하기에 충분한 산성을 갖도록 상기 추출 혼합물의 온도를 T SOL 로 조절함으로써, 상기 옥수수 섬유의 헤미셀룰로스를 가용화하여, 가용화된 헤미셀룰로스를 상기 추출 유체 중에 용해시키는 단계를 포함한다. 또한, 본 발명의 방법은 추출 유체가 용해된 헤미셀룰로스를 실질적으로 탈중합화시키기에 충분한 산성을 갖지 않도록 상기 추출 혼합물의 온도를 T QUENCH 로 조절함으로써, 가수분해를 퀀칭시키는 단계를 포함한다.
비교적 낮은 온도 (예를 들면, 약 50℃ 미만)에 있는 경우, 추출 혼합물 중 약산은 옥수수 섬유의 성분을 공격하거나 그와 반응하지 않는 경향이 있다. 예를 들면, 비교적 낮은 온도에서, 추출 혼합물 중 약산은 헤미셀룰로스와 리그닌 간 다수의 결합을 가수분해를 통해 절단하기에 충분한 산성을 갖지 않는다. 대조적으로, 용액 중 강산은 비교적 낮은 온도에서 헤미셀룰로스와 리그닌 간 결합을 절단하기에 충분한 산성을 가질 것이다 (옥수수 섬유의 양과 관련하여, 반응의 정도는, 물론, 용액 중 산의 농도 및 pH에 상당 부분 의존적이다). 따라서, 본 발명의 방법은, 추출 혼합물의 산성을 중화시키기 위해 화학물질을 첨가할 필요 없이, 옥수수 섬유 중 화학 결합의 가수분해가 비교적 단순하고, 신뢰가능하며, 안전한 방식으로 제어되도록 한다. 헤미셀룰로스와 리그닌 간 결합을 유의한 속도로 절단시키기 위하여, 추출 혼합물의 온도는, 추출 혼합물에 존재하는 약산(들)이 헤미셀룰로스와 리그닌 간 결합을 가수분해를 통해 절단하기에 충분히 산성을 갖는 온도인, T SOL 까지 단순히 상승시킨다.
역으로, 원하는 양의 가수분해가 일어난 후, 본 방법에서의 가수분해 반응은, 추출 유체가 용해된 헤미셀룰로스의 화학 결합을 유의하게 가수분해하기에 충분한 산성을 갖지 않는 온도인, T QUENCH 까지 추출 혼합물의 온도를 조절함으로써 (낮춤으로써) 효과적으로 퀀칭 또는 중지될 수 있다. 달리 기술하면, T QUENCH 값은 분리된 헤미셀룰로스의 가수분해가 모든 의도와 목적에 있어서 효과적으로 중지될 수 있을 정도로 추출 유체의 산도가 충분히 낮게 한다. 염산 또는 황산은 그들이 화학적으로 중화될때까지 용해된 헤미셀룰로스의 글리코시드 결합을 지속적으로 가수분해하므로, 염산 또는 황산을 이용하는 기존의 알려진 방법에 비하여 이 방법은 특히 유리하다. 결과적으로, 이와 같은 강산을 이용할 경우, 옥수수 섬유로부터 분리된 헤미셀룰로스의 상당 부분은 당 (DPI-2)으로 분해되는 경향이 있었다. 따라서, 단순히 추출 혼합물의 온도를 감소시킴으로써 가수분해가 근본적으로 중지될 수 있으므로, 옥수수 섬유로부터 분리된 헤미셀룰로스의 보다 많은 부분이 DP3+인 반면, 분리된 헤미셀룰로스의 비교적 높은 총 수율이 여전히 가능하도록 본 발명의 방법은 조절될 수 있다.
물론, 특정한 추출 혼합물에 대한 최소 T SOL 및 최대 T QUENCH 는, 적어도 부분적으로, 추출 유체 중에 존재하는 특정한 약산에 의존적일 것이다. 그럼에도 불구하고, 특정한 추출 혼합물에 대한 적절한 T SOL 및 T QUENCH 를 결정하는 것은 통상의 기술자에게 용이하다. 본 발명의 일 구체예에서, T SOL 은 약 50℃ 내지 약 350℃의 범위에 있다. 다른 구체예에서, T SOL 은 약 120℃ 내지 150℃의 범위에 있다. 본 발명의 일 구체예에서, T QUENCH 는 약 5℃ 내지 40℃의 범위에 있다. 다른 구체예에서, T QUENCH 은 약 10℃ 내지 30℃의 범위에 있다.
유사하게, 추출 혼합물이 T SOL 에 있는 (즉, T SOL 의 온도에서) 지속시간(duration)인 t SOL 은, 추출 유체 중에 용해되어야 하는 헤미셀룰로스의 양, 결국, 적어도 부분적으로, T SOL 범위 내에서 선택된 정확한 온도(들)에 의존적일 것이다. 일반적으로, 온도가 높을수록, 가수분해를 통해 옥수수 섬유의 구성성분 간 결합이 더 빨리 절단되고, 이 경우 이들 구성성분은 분리된다 (예를 들면, 용해된 헤미셀룰로스). 일반적으로, t SOL 의 지속시간이 길수록, 옥수수 섬유 중 더 많은 헤미셀룰로스가 추출 유체 중에 용해된다. 그에 의해 분리된 헤미셀룰로스의 전반적인 수율이 증가된다. 그러나 이 지속시간이 길수록, 용해된 헤미셀룰로스의 더 많은 양이 당 (DP1-2)으로 탈중합화된다. 따라서, 본 발명의 방법의 실시자는, t SOL 을 포함한 전술된 변수에 대해, 원하는 결과를 제공하는 값을 선택할 것이다. 이와 같은 값의 결정은 본 명세서에 개시된 정보에 기초하거나, 통상적인 실험을 통해, 또는 둘 모두에 의해 이루어질 수 있고, 통상의 기술자에게 간단한 것이다. 본 발명의 일 구체예에서, 추출 혼합물은 약 1분 내지 약 200분의 범위인 t SOL 의 지속시간 동안 T SOL 에 존재한다. 다른 구체예에서, 추출 혼합물은 약 2분 내지 약 10분의 범위인 t SOL 의 지속시간 동안 T SOL 에 존재한다.
요구되지는 않더라도, 리그닌과 셀룰로스로부터 원하는 양의 헤미셀룰로스의 분리가 일어난 후, 옥수수 섬유로부터 분리되고 추출 유체 중에 용해된 헤미셀룰로스의 탈중합화를 최소화하기 위하여, 추출 유체의 온도를 비교적 신속하게 낮춤으로써 가수분해 반응을 퀀칭시키는 것이 종종 바람직하다. 추출 유체의 가열 및 비교적 신속한 온도의 감소는, 고온수, 증기, 수돗물, 또는 냉각수를 흘려보냄으로써 열을 가하거나 제거하는 재킷(jacket)을 이용하는 것과 같은 적절한 방식에 의해 달성될 수 있다. 본 발명의 일 구체예에서, 퀀칭시키는 단계 동안 T SOL 로부터 T QUENCH 로의 평균 변화 속도는 약 0.1℃/s 내지 약 5℃/s의 범위에 있다. 다른 구체예에서, 퀀칭시키는 단계 동안 T SOL 로부터 T QUENCH 로의 평균 변화 속도는 약 0.5℃/s 내지 약 1℃/s의 범위에 있다.
본 발명의 방법은 연속적인 방식으로 수행될 수 있다는 것이 주목되어야 한다. 예를 들면, 추출 혼합물은 이 혼합물의 임의의 부분이 T SOL 인 유지 시간이 t SOL 이 되도록 이 혼합물을 약 T SOL 이상의 온도에 있는 구역(zone)을 통해 보냄으로써 T SOL 까지 가열될 수 있다. 가수분해 반응은 이 혼합물을 T QUENCH 이하인 온도에 있는 구역을 통해 보냄으로써 퀀칭된다. 유사한 연속식 장치/작동(operation)의 특정한 예는, 본 명세서에 그 전체가 참조에 의해 포함되는 미국 특허 제4,256,509호에 기술되어 있다.
추출 혼합물을 분획으로 분리하는 단계
전술된 바와 같이, 또한, 본 발명의 방법은 추출 혼합물을 용해된 헤미셀룰로스를 포함하는 가용성 분획과 셀룰로스 및 리그닌을 포함하는 불용성 분획으로 분리하는 단계를 포함한다. 이는 여과 또는 원심분리와 같은 적절한 방식에 의해 달성될 수 있다.
요구되지는 않더라도, 원할 경우, 셀룰로스 및 리그닌을 포함하는 분리된 불용성 분획은 오븐 건조 또는 가열될 수 있는 취입 공기(blown air)에 의한 건조와 같은 적절한 방식에 의해 건조될 수 있다. 추가로, 원할 경우, 분리된 가용성 분획 또한 용매 (예를 들면, 물)를 증발시키도록 처리하여, 이전에 용해된 고체 헤미셀룰로스를 포함하는 건조된 가용성 분획을 산출할 수도 있다. 용매의 증발은 분무 건조, 동결 건조, 또는 오븐 건조와 같은 적절한 방식에 의해 달성될 수 있다.
방법의 산물
전술된 바와 같이, 본 발명의 방법은, 옥수수 섬유로부터 추출되거나 분리된 헤미셀룰로스 및 AXOS를 포함한, 가용성 물질의 양을 제어하도록 수행될 수 있다. 또한, 전술된 바와 같이, 본 발명의 특정 구체예에서, 상기 방법은 탈-전분 옥수수 섬유를 가지고 수행된다. 예시로서, 이와 같은 구체예에서, 상기 방법은 가용성 분획의 용해된 헤미셀룰로스는 탈-전분 옥수수 섬유의 중량 기준 약 30 내지 약 75% 범위의 양으로 존재하고, 불용성 분획의 셀룰로스는 탈-전분 옥수수 섬유의 중량 기준 약 15 내지 약 30% 범위의 양으로 존재하도록 수행될 수 있다. 다른 이와 같은 구체예에서, 가용성 분획의 용해된 헤미셀룰로스는 탈-전분 옥수수 섬유의 중량 기준 약 50 내지 약 60% 범위의 양으로 존재하고, 불용성 분획의 셀룰로스는 탈-전분 옥수수 섬유의 중량 기준 약 20 내지 약 30% 범위의 양으로 존재한다.
또한, 본 발명의 방법은 이와 같이 분리된 헤미셀룰로스의 중합도를 조절하도록 수행될 수 있다는 것이 언급된다. 예시로서, 상기 방법은 특정 구체예에서, 가용성 분획의 용해된 헤미셀룰로스는 (i) 용해된 헤미셀룰로스의 중량 기준 약 20 내지 약 75% 범위인 총량의 단당류와 이당류, (ii) 용해된 헤미셀룰로스의 중량 기준 약 10% 미만인 총량의 올리고당, 및 (iii) 용해된 헤미셀룰로스의 중량 기준 약 25 내지 약 70% 범위의 총량인 다당류를 포함하도록 수행될 수 있다. 다른 구체예에서, 가용성 분획의 용해된 헤미셀룰로스는 (i) 용해된 헤미셀룰로스의 중량 기준 약 30 내지 약 40% 범위인 총량의 단당류와 이당류, (ii) 용해된 헤미셀룰로스의 중량 기준 약 5% 미만인 총량의 올리고당, 및 (iii) 용해된 헤미셀룰로스의 중량 기준 약 55 내지 약 70% 범위인 총량의 다당류를 포함한다.
다른 구체예에서, 상기 방법은, 용해된 헤미셀룰로스의 양이 탈-전분 옥수수 섬유의 중량 기준 약 30 내지 약 75%의 범위이고, 상기 용해된 헤미셀룰로스의 중량 기준 40% 이상은 3 이상의 중합도(degree of polymerization)를 갖도록, 탈-전분 옥수수 섬유 및, 하나 이상의 약한 카르복실산을 포함하는 추출 유체를 포함하는 추출 혼합물의 온도를 조절하여, 상기 탈-전분 옥수수 섬유로부터 추출 유체 중으로 헤미셀룰로스를 가용화 및 용해시키는 단계를 포함한다. 또 다른 구체예에서, 용해된 헤미셀룰로스의 중량 기준 30% 이상은 11 이상의 중합도를 갖는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 용해된 헤미셀룰로스의 중량 기준 10% 이하는 3 내지 10의 중합도를 갖는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 용해된 헤미셀룰로스의 중량 기준 60% 이하는 1 내지 2의 중합도를 갖는 것이 바람직할 수 있다.
또 다른 구체예에서, 탈-전분 옥수수 섬유의 하나 이상의 성분을 분리하는 방법은 (a) 용해된 헤미셀룰로스의 양이 탈-전분 옥수수 섬유의 중량 기준 약 50 내지 약 60%의 범위이고, (b) 상기 용해된 헤미셀룰로스는 (i) 용해된 헤미셀룰로스의 중량 기준 약 30 내지 약 40%의 범위인 총량의 단당류와 이당류, (ii) 용해된 헤미셀룰로스의 중량 기준 약 5% 미만인 총량의 올리고당, 및 (iii) 용해된 헤미셀룰로스의 중량 기준 약 55 내지 약 70%의 범위인 총량의 다당류를 포함하도록, 추출 혼합물의 온도가 약 2분 내지 약 10분 범위의 지속시간 동안 약 120℃ 내지 약 150℃의 범위이도록 추출 혼합물의 온도를 조절하고, 그 후 추출 혼합물을 상기 범위 미만의 온도로 퀀칭시켜, 탈-전분 옥수수 섬유로부터, 약 6.5 중량부(part by weight)의 탈-전분 옥수수 섬유 및 약 100 중량부의 추출 유체를 포함하는 추출 혼합물의, 시트르산을 약 0.01 M 내지 약 0.05 M의 농도로 포함하는 추출 유체 중으로 헤미셀룰로스를 가용화 및 용해시키는 단계에 의해 수행될 수 있다.
도 1은 본 발명의 방법의 상이한 구체예에 따라 탈-전분 옥수수 섬유로부터 추출된 가용성 분획의 당류 분포(saccharide distribution)를 비교하는 도표이다.
도 2는 본 발명의 방법의 상이한 구체예에 따라 탈-전분 옥수수 섬유로부터 추출된 가용성 분획 중 당 (DP1-2)과 가용성 섬유 (DP 3 이상 또는 DP3+)의 퍼센트를 비교하는 도표이다.
도 3은 추출된 가용성 분획(HC 1, 7428-145로 표시됨)의 당류 분포를 5 DE 말토덱스트린, 갈락토스, 아라비노스, 및 자일로스에 비교하는 도표이다.
도 4는 본 발명의 방법의 상이한 구체예에 따라 추출된 상이한 헤미셀룰로스/AXOS 시료의 분자량 분포의 겔 투과 크로마토그래피 (GPC) 프로파일을 나타낸다.
도 5는 황산 (강산)을 이용하여 39.3%의 수율로 추출된 가용성 분획의 당류 분포에 비하여, 시트르산 (약산)을 이용하여 본 발명의 방법에 따라 58.4%의 수율로 추출된 가용성 분획의 당류 분포를 나타내는 도표이다.
하기 개시된 구체예는 여러 형태로 구체화될 수 있는 본 발명을 나타내는 것에 불과하다. 따라서, 하기 실시예에 개시된 특정한 구조상, 기능상, 및 절차상의 세부 내용은 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
옥수수 섬유의 탈-전분 방법
40% 건조 고체 (dry solid: d.s.)를 갖는 Vetter의 옥수수 섬유 약 750 g을 스틸 용기 내에서 총 중량 4 kg까지 정제수와 함께 혼합하였다. 섬유 현탁액을 2-블레이드 (직경 45 mm) 교반 축(stirring shaft)이 구비된 Maxima 디지털 교반기 (Fisher Scientific, Pittsburgh, PA)에 의해 고온 플레이트 상에서 끓는점 (약 95℃)까지 가열하였다. 현탁액의 pH를 1 N NaOH 용액을 이용하여 약 6.5까지 조정하였다. 또한, 1 M CaCl2 용액 약 6 mL를 첨가하였다. 그 후 약 6 mL의 Termamyl SC DS (Novozymes North America, Inc., Franklinton, NC)를 섬유 현탁액에 첨가하고 약 95℃에서 약 1.5 시간 동안 효소 반응을 수행하였다. 섬유 현탁액을 알루미늄 호일을 이용하여 스틸 용기 내에 밀봉하고 밤새도록 실온에 두었다. 그 후, 섬유 현탁액을 약 57℃까지 가열하고 pH를 30 중량% 시트르산 용액을 이용하여 약 4.5까지 조정하였다. 약 6 mL의 Spirizyme Fuel (아밀로글루코시다제, Novozymes North America, Inc., Franklinton, NC)을 이 현탁액에 첨가하고 약 57℃에서 약 3시간 동안 반응시켰다. 그 후, 현탁액의 온도를 약 50℃까지 감소시키고 (pH는 약 4.5) 약 6 mL의 ProSteepTM (프로테아제, Genencor International, Inc., Rochester, NY)를 첨가하고 단백질이 약 1.5시간 동안 가수분해되도록 하였다. 그 후, 온도를 약 85℃까지 상승시키고 약 5분 동안 유지시켜 프로테아제와 아밀로글루코시다제를 불활성화시켰다. 탈-전분 섬유를 진공하에서 No.2 여과천(filter cloth)이 있는 Buchner 깔때기 (Filtration Services, 2171 E. Andrews St., Macon IL 62544) 상에서 여과하고 결과로 얻은 젖은 섬유 케익(wet fiber cake)을 강제 통풍 오븐(forced air oven) 내에서 약 50℃에서 건조시켰다.
시트르산을 이용한 헤미셀룰로스의 추출
약 90 g의 탈-전분 옥수수 섬유 (DS)를 정제수와 혼합(combine)하여, 혼합된 중량이 약 1450 g이 되도록 하였다. 여기에 약 20 g의 30 중량% 시트르산 용액을 추가 부피의 정제수와 함께 첨가하여, 총 중량이 약 1500 g이고 pH가 약 2.8이 되도록 하였다. 섬유 현탁액을 교반 및 그의 재킷(jacket)을 통한 제어된 증기 가열이 구비된 2-리터 고압 스테인레스 스틸 반응기로 옮겼다. 현탁액을 약 150℃까지 가열하고 그 온도에서 약 2분 또는 약 10분 동안 유지시켜, 헤미셀룰로스를 가용화하였다. 그 후 현탁액을 재킷 중 수돗물을 이용하여 신속하게 냉각시켰다. 반응 후, pH는 약 2.8이었다. Buchner 깔때기 상의 팽팽한(tight) No. 2 여과천을 이용하여 용액을 여과하고, 결과로 얻은 섬유 케익을 정제수로 세척하고 약 50℃에서 강제 통풍 오븐 내에서 약 24시간 동안 건조시켰다. 여과물 및 세척수의 중량을 기록하고 강제 통풍 오븐 수분 방법(forced air oven moisture process) (약 1.5시간 동안 약 105℃)을 이용하여 수분을 측정하였다. 건조된 섬유의 중량 및 수분을 물질 수지(mass balance)의 계산을 위해 기록하였다.
고성능 액체 크로마토그래피 ( HPLC )
전술된 추출 방법에서 얻은 산물을 실버 형태의 Aminex® 레진-기반 컬럼을 이용하는 HPLC에 적용하여, 상이한 중합도 (DP)의 당으로 분리하였다 (DP1 내지 10의 당류 분포). 탄수화물 분리를 위한 Aminex® 레진-기반 컬럼은 크기 배제 메카니즘 및 리간드 교환 메카니즘의 조합을 이용한다. 보다 구체적으로, 올리고당 분리의 경우, 크기 배제가 분리의 일차적인 메카니즘이다 (낮은 가교도 레진(low crosslinked resin)은 탄수화물을 통과시키고 올리고당은 크기에 의해 분리되게 한다). 단당류 분리의 경우, 리간드 교환이 일차적인 메카니즘이고, 당의 히드록실기와 레진에 고정된-상대이온의 결합을 포함한다. 리간드 교환은 상대이온 (Ag+, Ca++ 등)의 성질 및 탄수화물의 히드록실기의 공간 배향에 의해 영향을 받는다.
Waters 사에서 구입한, 컬럼이 30 cm의 길이 및 7.8 mm의 내경을 갖는 HPLC 시스템(HPX-42A)을 이용하여 시료를 분석(run)하였다. 이 시스템을 하기 조건하에서 작동시켰다: 컬럼 온도는 약 85℃이고; 용매는 탈이온화 탈기수(deionized degassed water)이며; 유속은 약 0.6 mL/분이고; 검출기의 민감도는 16X로 설정되었으며; 주입 부피는 약 20 ㎕이고; 작동 시간(run time)은 약 25분이었다. 시료는 약 1%의 건조 고체를 가졌다. 덱스트로스에서부터 말토헥소스 (DP6)까지 알려진 직쇄 탄수화물을 함유하는 표준 시료를 준비하고 분석하여 가능한 치환된 탄수화물의 보유시간(retention time)을 비교하였다.
겔 투과 크로마토그래피 ( GPC )
전술된 추출 방법에서 얻은 산물을 그의 크기 또는 용액 중 유체역학적 부피(hydrodynamic volume)에 기초하여 분자를 분리하는, GPC에 적용하였다. 시료를 물에 희석하고 연속으로 변하는 구멍 크기의 4개의 컬럼을 이용하여 분자를 분리하였다: Waters 사의 Ultrahydragel® 120 Å 컬럼; 2개의 250 Å 컬럼; 및 하나의 1000 Å 컬럼. 용리액은 0.1 N NaNO3가 첨가된 물이고 유속은 약 0.6 ml/분이었다. 분리 후, 미가공 데이터(raw data)를 다채널 크로마토그래피 소프트웨어 패키지(multichannel chromatographic software package)에 입력하는 시차 굴절률 검출기(differential refractive index detector)에 의해 분자를 검출하였다. 좁은 다분산도 교정 기법(narrow polydispersity calibration technique)을 이용하여 일련의 다당류 분자량 표준 시료와의 비교에 기초하여 분자량 분포를 계산하였다.
맥동 전류 검출에 의한 고-성능 음이온-교환 크로마토그래피 ( High -performance anion - exchange chromatography with pulsed amperometric detection : PHPAE - PAD )
전술된 추출 방법의 산물을 PHPAE-PAD에 적용하였다. 탄수화물을 그의 음이온 형태로 전환시키고 강염기성 음이온 교환수지(strong basic anion exchanger) 상에서 수산화물 형태로 분리하였다. 탄수화물 음이온을 맥동 전류 검출에 의해 금 작업전극(gold working electrode)에서 검출하였다. 수산화나트륨 중 아세테이트의 기울기 용리(gradient elution)를 갖는 Dionex Carbopac PA1 컬럼 세트에 의해 분리를 달성하였다. 초기 분석 조건은 4분 동안 1.2 mL/분에서 100 mM 수산화나트륨이었다. 다음 20분 동안, 아세트산나트륨을 0 내지 375 mM 농도로 첨가하고 10분 동안 375 mM 농도에서, 100 mM NaOH/ 375 mM NaOAc을 유지하였다. 시료와 표준 시료를 모두 물에 희석하였다.
덱스트로스 결정
전술된 추출 방법의 산물 시료를 희석하여 0.2% 미만의 덱스트로스를 함유하도록 하였다. 덱스트로스를 YSI 모델 27 분석기 (Yellow Springs Instrument Co., Yellow Springs, Ohio)를 이용하여 분석하였다.
전분 함량 분석
전술된 추출 방법의 산물을 전분 함량에 대하여 분석하였다. 시료 중 전분을 젤라틴화한 후 아밀라아제 및 아밀로글루코시다제를 이용하여 ß-D-글루코스로 가수분해하였다. 그 후 글루코스를 YSI 모델 27 덱스트로스 분석기에 의해 분석하였다.
시료를 커피 그라인더(coffee grinder)에 의해 분쇄한 후 시료 중 약 0.2 내지 0.4 g을 50 mL 플라스크에 첨가하고 약 20 ml의 탈이온수를 첨가하였다. 플라스크를 알루미늄 호일로 씌우고 약 121℃ 및 20 psi에서 약 20분 동안 오토클레이브하여(autoclave) 전분을 젤라틴화하였다. 그 후 약 5.0 ml의 아세테이트 완충액 (200 ml 중 33.0 g 무수 아세트산 나트륨 및 24.0 ml 빙초산) 및 약 0.4 ml의 염화칼슘 (6.25%)을 각 플라스크 내에 첨가하였다. 플라스크를 씌우고 200 rpm의 속도로 진탕하면서 약 60℃에서 약 45분 동안 인큐베이션하였다. 효소에 의한 가수분해 후, 시료를 YSI 덱스트로스 분석기를 이용하여 덱스트로스에 대해 분석하였다. 덱스트로스의 전분으로의 전환에 대하여 전환계수 0.9를 이용하였다(전분 중량 = 0.9 x 덱스트로스 중량).
단백질 함량 분석
단백질의 결정을 위하여 Kieldahl 질소 방법을 이용하였다(Bradstreet, 1954).
회분( ash ) 함량 분석
(시료의 수분 함량 및 종류에 따라) 약 2 내지 10 g의 시료를 도가니(crucible)에 첨가하였다. 분젠 버너(Bunsen burner) 상에서 시료를 가열하여, 더 이상 불꽃이나 연기가 지속되지 않을 때까지 시료를 숯으로 만들었다. 시료를 538℃에서 머플 가마(muffle furnace) 내에 두고 5시간 이상 또는 밤새도록 (16시간) 가열하였다. 퍼센트로 표시된, 시료 중량 대비 잔여 중량의 비율을 회분의 함량 (중량%)으로 결정하였다.
지방 함량 분석
약 2.5 내지 5.0 g의 시료를 약 150 ml의 3 N HCl과 함께 400 ml 유리 비커에 첨가하였다. 비커를 씌우고 오토클레이브에 넣고 약 15분 동안 약 121℃ 및 20 psi에서 가열하여 전분과 단백질 복합체로부터 지방 성분을 유리시켰다. 유리된 지방 성분을 여과에 의해 분리하고 석유 에테르를 이용하여 여과지로부터 추출하였다. 용매 증발 후 중량 측정에 의해(gravimetrically) 지방 잔여물을 결정하였다. 퍼센트로 표시된, 시료 중량 대비 지방 잔여물의 비율을 시료 중 총 지방의 척도로 결정하였다.
수분 또는 건조 고체(d.s.)의 분석
불용성 셀룰로스 물질의 수분을 Computrac 수분 분석기 (Model MAX 1000, Arizona Instrument LLC, Chandler, AZ)를 이용하여 결정하였다. 가용성 분획 중 건조 고체(d.s.)를, 약 105℃에서 약 1.5시간 동안 76 mm 직경을 갖는 알루미늄 팬 내의 약 12 g의 용액을 건조시키는 단계를 포함하는 강제 통풍 오븐 방법을 이용하여 결정하였다. 약 70℃에서 약 5시간 동안 진공 건조 오븐을 이용하여 건조된 가용성 분획의 d.s를 결정하였다. 퍼센트로 표시된, 시료 중량 대비 건조된 물질의 중량 비율을 건조 고체의 함량 (중량%)로 결정하였다.
황산 가수분해
약 0.15 N 황산을 이용하여 약 4시간 동안 끓는 물이 담긴 수조 내에서 가용성 물질 및 불용성 물질을 가수분해시켰다. 약 0.6 ml의 1 N 황산을 4 ml의 총 용액에 첨가하였다. 가용성 물질의 d.s.는 약 1.73 중량%이고 불용성 물질의 d.s.는 약 4.82 중량%였다.
효소 가수분해
약 5 ml의 2.03 중량% 가용성 분획을 10 ㎕의 효소에 의해 밤새도록 (약 16시간) 가수분해하고 약 10분 동안 그의 용기를 끓는 물 수조에 접촉시킴으로써 효소를 용액을 가열하여 불활성화시켰다.
결과 및 논의
Vetter의 옥수수 섬유로부터 탈-전분 섬유의 수율은 표 1에 기재된 바와 같이 약 65중량%였다.
옥수수 섬유의 탈-전분
출발 물질 최종 물질 중량 (g) d.s.* (wt%) 건조 고체 (g)
옥수수 섬유 　 750 40.0% 300.0
섬유 슬러리(fiber slurry) 4000 7.5% 300.0
　 여과 + 세척 4567 2.2% 101.4
　 탈-전분 섬유 케익
(fiber cake)		 205 95.3% 195.4
　 여과물 및 케익으로부터의 총 d.s. 　 　 296.8
　 탈-전분 섬유의 수율 　 　 65.1%
* 건조 물질(dry substance)
탈-전분 공정 전후의 옥수수 섬유의 조성이 표 2에 나타난다.

 d.s.
(wt%)		 덱스트로스
(wt%)		 단백질
(wt%)		 전분
(wt%)		 지방
(wt%)		 회분
(wt%)
건조된 Vetter의 옥수수 섬유 94.34 0.52 10.5 20.87 2.71 0.8
탈-전분 옥수수 섬유 95.3 0.2 9.4 0.1 4.68 0.62
추출된 헤미셀룰로스 (AXOS)의 수율은 표 3에 기재된 바와 같이 약 33 중량% 내지 약 65 중량% 범위에 있었다.

시료 ID
출발 물질
추출 조건		 헤미셀룰로스
분획 수율
(wt%)
HC 1 탈-전분 옥수수 섬유 (6 wt%) 0.4% 시트르산,
150℃, 10분		 58.4
HC 2 탈-전분 옥수수 섬유 (6 wt%) 0.4% 시트르산,
150℃, 2분		 32.9
HC 3 탈-전분 옥수수 섬유 (6 wt%) 0.4% 시트르산,
160℃, 2분		 64.7
가용성 분획의 당류 분포가 도 1 및 2에 나타난다. 당류의 조성은 이봉 분포(bimodal distribution)를 갖는다: 단량체 (아라비노스, 자일로스 및 갈락토스) 및 보다 높은 중합도 (DP11, DP12, 및 그 이상)를 갖는 화합물. DP1 및 DP2 당류는 당으로 간주되는 반면, DP3+ 당류는 사람의 소화 효소에 의해 분해되지 않으므로 잠재적으로 수용성 섬유이다. 도 2는 가용성 분획이 약 39 중량% 내지 약 45 중량% 범위 내의 농도로 당 (DP1 및 DP2)을 함유하고 약 55 중량% 내지 약 61 중량% 범위 내의 농도로 DP3+를 함유한다는 것을 보여준다.
결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 가용성 분획의 수율과 당류 분포를 조절하기 위해 본 발명의 방법의 여러 파라미터를 선택하는 것이 가능하다. 일반적으로, 이들 결과는, 가용화 온도인 T SOL , 및/또는 추출 혼합물이 가용화 온도에서 존재하는 지속시간인 t SOL 을 증가시키는 것은 가용성 분획의 수율을 증가시키는 경향이 있지만, 또한 그것은 상기 가용성 분획 중 DP3+ 당류의 양을 감소시키는 경향이 있다는 것을 나타낸다. 즉, 전술된 결과는, 가용화 온도가 추출 혼합물이 가용화 온도에 있는 지속시간보다 수율과 당류 분포에 보다 큰 역할을 수행하는 경향이 있다는 것을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 추출된 헤미셀룰로스/AXOS의 당류 분포를 아라비노스, 자일로스, 갈락토스, 및 덱스트로스 당량(dextrose equivalence: DE) 5인 말토덱스트린의 크로마토그래피 프로파일에 비교하였다. 무엇보다도, 비교는 무당(non-sugar) 분획의 대부분이 중량에 있어서 말토덱스트린 DE 5와 유사하다는 것을 나타낸다.
도 4를 참조하면, 추출된 헤미셀룰로스/AXOS의 GPC 분자량 분포는, 150℃에서 2분 동안의 추출이 150℃에서 10분 동안의 추출보다 더 많은 고분자량 분획을 생성하였다는 것을 나타낸다. 160℃에서 2분 동안의 추출은 150℃에서 2분 동안의 추출보다 더 많은 당과 더 적은 고분자량 분획을 생성하였다.
150℃에서 10분 동안의 추출 후, 탈-전분 옥수수 섬유, 가용성 분획, 및 불용성 분획의 조성을 분석하여 가용성 분획의 순도를 확인하였다. 결과가 표 4에 기재된다.
150℃에서 10분 동안 추출 후 탈-전분 옥수수 섬유 및 가용성 및 불용성 분획에서 회분, 덱스트로스 , 수분, 단백질, 지방 및 전분의 함량
설명 회분 덱스트로스 수분 단백질 지방 전분
%_현재(as is) %_현재 %_현재 %_현재 %_현재 %_현재
탈-전분 옥수수 섬유 1.047 0.07 3.7 8.47 5.14 0.12
가용성-옥수수 섬유 추출물 1.47 0.22 11.83 4.85 0.36 0.83
불용성-옥수수 섬유 추출물 <0.05 0.02 3.6 10.85 9.92 0.21
성공적인 탈-전분 방법으로 인해, 탈-전분 옥수수 섬유, 가용성 분획, 및 불용성 분획에서 덱스트로스와 전분이 거의 발견되지 않았다는 것이 주목되어야 한다. 거의 모든 지방과 대부분의 단백질이 추출 후 불용성 분획에 존재하였다.
표 5는 탈-전분 섬유 및 헤미셀룰로스로부터 덱스트로스, 단백질, 지방 및 전분의 제거(subtraction) 유무에 따른, 추출된 가용성 분획의 수율을 비교한다.
150℃에서 10분 동안 추출 후 덱스트로스 , 단백질, 지방 및 전분을 제거한/제거하지 않은 탈-전분 옥수수 섬유로부터의 헤미셀룰로스의 수율
출발 물질 최종 물질 중량 (g) 건조 고체 (%) 건조 고체 (g)
탈-전분 섬유 93.46 96.3% 90.0
D, P, F 및 S*를 제거한 탈-전분 섬유
77.1
시트르산 20 30.0% 6.0
정제수 1404.0
불용성 물질 44 96.4% 42.4
D, P, F 및 S*를 제거한
불용성 물질
33.2
가용성 2589 2.0% 52.6
건조된 가용성 59.4 88.17% 52.4
D, P, F 및 S*를 제거한
건조된 가용성
48.7
(헤미셀룰로스 함유)
가용성 물질의 수율
58.4%
D, P, F 및 S*를 제거한
(헤미셀룰로스 함유)
가용성 물질의 수율

59.5%
*D: 덱스트로스, P: 단백질, F: 지방, S: 전분
덱스트로스, 단백질, 지방 및 전분의 제거 후 수율은 59.5%까지 증가하였다. 불용성 셀룰로스 분획은 68% 총 식이섬유(AOAC 방법 991.43), 11% 단백질 및 10% 지방을 갖는다.
가용성 헤미셀룰로스 및 불용성 분획의 순도를 100℃에서 약산(mild acid) 가수분해 후 HPAEC에 의한 단량체 분석에 의해 분석하였다. 총 단량체 중 각 단량체 (아라비노스, 갈락토스, 글루코스, 및 자일로스)의 퍼센트가 표 6에 기록되어 있다.
시료 처리 아라비노스 갈락토스 글루코스 자일로스
(g) (wt%) (g) (wt%) (g) (wt%) (g) (wt%)
추출된
헤미셀룰로스
(150℃, 10분)
대조군
1718
71.1
153
6.3
11
0.5
534
22.1
추출된
헤미셀룰로스
(150℃, 10분)		 황산
0.15 N,
100℃, 4시간
4118
39.1
1025
9.7
267
2.5
5118
48.6
불용성 셀룰로스 분획
(150℃, 10분)		 황산
0.15 N,
100℃, 4시간
1313
15.6
941
11.2
174
2.1
6002
71.2
산 가수분해된 헤미셀룰로스 중 글루코스의 함량은 단지 2.5%이고, 이는 추출된 헤미셀룰로스 중 전분의 유의한 오염이 존재하지 않는다는 것을 시사한다. 추출된 헤미셀룰로스를 4개의 상업용 효소에 의해 가수분해하였고 총 단량체 중 가장 높은 글루코스 퍼센트는 표 7에 기재된 바와 같이 7%였고, 이는 일부 가수분해된 셀룰로스로부터 나온 것일 수 있다.
시료 처리 아라비노스 갈락토스 글루코스 자일로스
(㎍/g) (wt%) (㎍/g) (wt%) (㎍/g) (wt%) (㎍/g) (wt%)
추출된
헤미셀룰로스
(150℃, 10분)
대조군
1718
71.1
153
6.3
11
0.5
34
22.1
Accelerase®XC에 의해 가수분해된 추출된 헤미셀룰로스
자일라나제/
셀룰라제/
소수물질*

3625

56.4

625

9.7

349

5.4

1834

28.5
Accelerase®XY에 의해 가수분해된 추출된 헤미셀룰로스
자일라나제/
소수물질

3552

52.3

389

5.7

433

6.4

2421

35.6
Accelerase®1500에 의해 가수분해된 추출된 헤미셀룰로스
셀룰라제/
β-글루코시다제/
소수물질

3502

58.2

348

5.8

421

7.0

1742

29.0
Optimase®CX 255L에 의해 가수분해된 추출된 헤미셀룰로스
열안정성
자일라나제/소수물질

3434

60.2

325

5.7

329

5.8

1613

28.3
* 소수물질(minor)은 글루코아밀라제, α-아밀라제, 및 셀룰라제를 포함할 수 있다.
헤미셀룰로스/AXOS를 시트르산 추출과 동일한 조건 (10분 동안 pH 2.8, 150℃)에서 황산을 이용하여 추출하였다. 2 N 황산 용액 (총 7.8 g)을 이용하여 pH를 2.8까지 조정하였다. 표 8에 기재된 바와 같이, 황산 추출을 이용한 가용성 헤미셀룰로스의 수율은 39.3%로, 시트르산을 이용한 경우의 수율보다 유의하게 더 낮았다. 도 5에서 나타난 바와 같이, 시트르산 또는 황산을 이용해 추출된 가용성 분획의 당류 분포는 유사하다. 특정 이론에 구속되지 않으면서, 수율상 차이는, 적어도 부분적으로, 고온에서 시트르산의 pK a 가 황산보다 더 감소하여, 보다 높은 수율을 제공한다는 사실에 기인한다고 여겨진다. 또한, 온도가 감소할 경우 시트르산의 pK a 는 유의하게 증가하므로, pK a 는 가수분해가 실질적으로 중단될 정도로 충분히 높다고 여겨진다. 대조적으로, 황산은 35℃와 같이 비교적 낮은 온도에서 헤미셀룰로스를 지속적으로 가수분해하여, 이당류와 삼당류와 함께 자일로스, 아라비노스, 및 갈락토스를 생성한다.
출발 물질 최종 물질 중량
(g)		 d.s.
(wt%)		 d.s.
(g)
탈-전분 섬유 94.44 95.3 90.0
2 N 황산 7.8
정제수 1397.8
불용성 56 96.1 53.8
가용성 2622 1.35 35.4
(헤미셀룰로스를 함유하는)
가용성 수율
39.3
본 발명의 방법의 이들 실시예는 헤미셀룰로스를 추출하기 위해 식품 등급(food grade)의 약한 유기산인 시트르산을 이용했고, 따라서, 가용화 후 헤미셀룰로스의 가수분해가 조절될 수 있다. 저온에서는 대부분 약한 산 세기로 인해 가수분해가 거의 발생하지 않는다. 약산의 pK a 및 물의 pH는 온도가 증가함에 따라 감소하여, 산의 세기는 증가한다. 가용화는 온도가 증가될 경우에만 실질적으로 발생한다. 가용화 시간이 종료된 후, 옥수수 섬유 용액을 실온까지 퀀칭하여 가수분해를 중단시켰다. 추출된 헤미셀룰로스는 3 이상의 중합도 (DP3+)를 갖는 당류를 약 60 중량% 포함하고, 천연 가용성 섬유로 이용될 수 있다. 옥수수 섬유로부터 추출된 불용성 셀룰로스 물질은 약 68%의 총 식이 섬유를 포함하고, 천연 불용성 섬유로 이용될 수 있다.
본 발명의 원리가 설명되고 기술되었으므로, 이와 같은 원리로부터 벗어나지 않은 채 방식(arrangement)과 상세 사항에서 본 발명이 변경될 수 있다는 것은 통상의 기술자에게 명백할 것이다.
본 발명의 물질 및 방법이 여러 구체예 및 예시적인 실시예와 관련하여 기술되었으나, 본 발명의 개념, 사상 및 범위로부터 벗어나지 않은 채 본 명세서에 기술된 물질 및 방법에 변경이 가해질 수 있다는 것은 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 통상의 기술자에게 명백한, 모든 이와 같은 유사한 치환 및 변형은 첨부된 청구항에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 사상, 범위 및 개념 내에 있는 것으로 간주된다.
본 명세서에서 사용되는, "약 (about)"은 통상의 기술자에게 이해될 것이고 그것이 사용되는 문맥에 따라 어느 정도 변할 것이다. 통상의 기술자에게 명확하지 않은 용어의 사용이 있을 경우, 그것이 사용되는 문맥을 고려하여, "약"은 특정한 용어의 10%까지 가감되는 것을 의미할 것이다.
또한, 논의된 모든 범위는 모든 목적을 위하여 그 범위 내의 모든 하위 범위를 기술할 수 있고 또한 반드시 기술되어야 하며 모든 이와 같은 하위 범위는 본 발명의 일부이다. 나열된 범위는, 동일한 범위가 적어도 절반 (예를 들면, 하반부(lower half) 및 상반부(upper half)), 삼분의 일, 사분의 일, 십분의 일 등으로 분해될 수 있는 것으로 충분히 기술하고 가능하게 하는 것으로 용이하게 인식될 수 있다. 또한 추가로, 예를 들면, 5% 내지 20%의 범위는, 예시적인 목적으로 제공되는 임의의 수치, 하위 범위 등에 더하여, 5%, 5.5%, 9.7%, 10.3%, 15% 등과 같은, 그러나 이에 한정되지 않는 수치값, 및 5% 내지 10%, 10% 내지 15%, 8.9% 내지 18.9% 등과 같은, 그러나 이에 한정되지 않는 하위 범위를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (32)

  1. 옥수수 섬유의 하나 이상의 성분을 분리하는 방법으로서, 상기 방법은:
    (a) 헤미셀룰로스, 셀룰로스, 및 리그닌을 포함하는 매트릭스(matrix)를 포함하는 옥수수 섬유를, 하나 이상의 약산을 포함하는 추출 유체(extraction fluid)와 접촉시켜 추출 혼합물(extraction mixture)을 형성하는 단계;
    (b) 상기 추출 유체가 헤미셀룰로스와 리그닌 간 결합을 가수분해를 통해 절단하기에 충분한 산성을 갖도록 상기 추출 혼합물의 온도를 T SOL 로 조절함으로써, 상기 옥수수 섬유의 헤미셀룰로스를 가용화하여, 가용화된 헤미셀룰로스를 상기 추출 유체 중에 용해시키는 단계;
    (c) 상기 추출 유체가 용해된 헤미셀룰로스를 실질적으로 탈중합화시키기에 충분한 산성을 갖지 않도록 상기 추출 혼합물의 온도를 T QUENCH 로 조절함으로써, 가수분해를 퀀칭시키는 단계(quenching); 및
    (d) 상기 추출 혼합물을 용해된 헤미셀룰로스를 포함하는 가용성 분획과 셀룰로스를 포함하는 불용성 분획으로 분리하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 가용성 분획을 처리하여 추출 유체로부터 용해된 헤미셀룰로스를 분리하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서, 각 약산은 (25℃ 수용액에서) -2를 초과하는 pK a 를 갖는 것인 방법.
  4. 청구항 1 또는 2에 있어서, 각 약산은 (25℃ 수용액에서) 0 이상의 pK a 를 갖는 것인 방법.
  5. 청구항 1 또는 2에 있어서, 각 약산은 (25℃ 수용액에서) 2 이상의 pK a 를 갖는 것인 방법.
  6. 청구항 1 또는 2에 있어서, 각 약산은 (25℃ 수용액에서) 4 이상의 pK a 를 갖는 것인 방법.
  7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 약산은 하나 이상의 카르복실산으로 이루어지는 것인 방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 하나 이상의 카르복실산은 시트르산, 락트산, 말산, 아세트산, 푸마르산, 포름산, 옥살산, 및 그의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 방법.
  9. 청구항 7에 있어서, 상기 하나 이상의 카르복실산은 시트르산, 말산, 푸마르산, 및 그의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 방법.
  10. 청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추출 유체는 약 0.001 M 내지 약 10 M의 범위인 약산의 총 농도를 갖는 것인 방법.
  11. 청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추출 유체는 약 0.01 M 내지 약 1 M의 범위인 약산의 총 농도를 갖는 것인 방법.
  12. 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추출 혼합물은 약 1:100 내지 약 60:100의 범위인 옥수수 섬유 대 추출 유체의 중량비를 갖는 것인 방법.
  13. 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추출 혼합물은 약 3:100 내지 약 20:100의 범위인 옥수수 섬유 대 추출 유체의 중량비를 갖는 것인 방법.
  14. 청구항 1 내지 13 중 어느 한 항에 있어서, T SOL 은 약 50℃ 내지 약 350℃의 범위이고, T QUENCH 는 약 5℃ 내지 약 40℃의 범위이며, 퀀칭시키는 동안 T SOL 로부터 T QUENCH 로의 평균 변화 속도는 약 0.1 ℃/s 내지 약 5 ℃/s의 범위인 것인 방법.
  15. 청구항 1 내지 13 중 어느 한 항에 있어서, T SOL 은 약 120℃ 내지 약 150℃의 범위이고, T QUENCH 는 약 10℃ 내지 약 30℃의 범위이며, 퀀칭시키는 동안 T SOL 로부터 T QUENCH 로의 평균 변화 속도는 약 0.5 ℃/s 내지 약 1 ℃/s의 범위인 것인 방법.
  16. 청구항 1 내지 15 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추출 혼합물은 약 1분 내지 약 200분의 범위인 t SOL 동안 T SOL 인 것인 방법.
  17. 청구항 1 내지 15 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추출 혼합물은 약 2분 내지 약 10분의 범위인 t SOL 동안 T SOL 인 것인 방법.
  18. 청구항 1 내지 17중 어느 한 항에 있어서, 상기 옥수수 섬유는 탈-전분(de-starched) 옥수수 섬유인 것인 방법.
  19. 청구항 18에 있어서, 상기 가용성 분획의 용해된 헤미셀룰로스는 상기 탈-전분 옥수수 섬유의 중량 기준 약 30 내지 약 75% 범위의 양으로 존재하고, 상기 불용성 분획의 셀룰로스는 상기 탈-전분 옥수수 섬유의 중량 기준 약 15 내지 약 30% 범위의 양으로 존재하는 것인 방법.
  20. 청구항 18에 있어서, 상기 가용성 분획의 용해된 헤미셀룰로스는 상기 탈-전분 옥수수 섬유의 중량 기준 약 50 내지 약 60% 범위의 양으로 존재하고, 상기 불용성 분획의 셀룰로스는 상기 탈-전분 옥수수 섬유의 중량 기준 약 20 내지 약 30% 범위의 양으로 존재하는 것인 방법.
  21. 청구항 18에 있어서, 상기 가용성 분획의 용해된 헤미셀룰로스는 (i) 용해된 헤미셀룰로스의 중량 기준 약 20 내지 약 75% 범위인 총량의 단당류와 이당류, (ii) 용해된 헤미셀룰로스의 중량 기준 약 10% 미만인 총량의 올리고당, 및 (iii) 용해된 헤미셀룰로스의 중량 기준 약 25 내지 약 70% 범위의 총량인 다당류를 포함하는 것인 방법.
  22. 청구항 18에 있어서, 상기 가용성 분획의 용해된 헤미셀룰로스는 (i) 용해된 헤미셀룰로스의 중량 기준 약 30 내지 약 40% 범위인 총량의 단당류와 이당류, (ii) 용해된 헤미셀룰로스의 중량 기준 약 5% 미만인 총량의 올리고당, 및 (iii) 용해된 헤미셀룰로스의 중량 기준 약 55 내지 약 70% 범위인 총량의 다당류를 포함하는 것인 방법.
  23. 용해된 헤미셀룰로스의 양이 탈-전분 옥수수 섬유의 중량 기준 약 30 내지 약 75%의 범위이고, 상기 용해된 헤미셀룰로스의 중량 기준 40% 이상은 3 이상의 중합도(degree of polymerization)를 갖도록, 탈-전분 옥수수 섬유 및, 하나 이상의 약한 카르복실산을 포함하는 추출 유체를 포함하는 추출 혼합물의 온도를 조절하여, 상기 탈-전분 옥수수 섬유로부터 추출 유체 중으로 헤미셀룰로스를 가용화 및 용해시키는 단계를 포함하는, 탈-전분 옥수수 섬유의 하나 이상의 성분을 분리하는 방법.
  24. 청구항 23에 있어서, 상기 용해된 헤미셀룰로스의 중량 기준 30% 이상은 11 이상의 중합도를 갖는 것인 방법.
  25. 청구항 23 또는 24에 있어서, 상기 용해된 헤미셀룰로스의 중량 기준 10% 이하는 3 내지 10 범위의 중합도를 갖는 것인 방법.
  26. 청구항 23 내지 25 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용해된 헤미셀룰로스의 중량 기준 60% 이하는 1 내지 2 범위의 중합도를 갖는 것인 방법.
  27. 청구항 23 내지 26 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 약한 카르복실산은 시트르산, 락트산, 말산, 아세트산, 푸마르산, 포름산, 옥살산, 및 그의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되고, 상기 추출 유체는 약 0.001 M 내지 약 10 M 범위인 약한 카르복실산의 총 농도를 가지며, 및 상기 추출 혼합물은 약 1:100 내지 약 60:100 범위인 탈-전분 옥수수 섬유 대 추출 유체의 중량비를 갖는 것인 방법.
  28. 청구항 23 내지 27 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추출 혼합물의 온도를 조절하는 단계는 약 1분 내지 약 200분 범위의 지속시간 동안 약 50℃ 내지 약 350℃인 범위 내에 상기 온도를 유지한 후 상기 범위 미만의 온도로 퀀칭시키는 것을 포함하는 것인 방법.
  29. 청구항 23 내지 28 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추출 혼합물을 용해된 헤미셀룰로스를 포함하는 가용성 분획과 상기 탈-전분 옥수수 섬유로부터의 셀룰로스를 포함하는 불용성 분획으로 분리하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  30. 청구항 29에 있어서, 상기 셀룰로스는 상기 탈-전분 옥수수 섬유의 중량 기준 약 15 내지 약 30% 범위의 양으로 존재하는 것인 방법.
  31. 청구항 29 또는 30에 있어서, 상기 추출 유체로부터 상기 용해된 헤미셀룰로스를 분리하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  32. 탈-전분 옥수수 섬유의 하나 이상의 성분을 분리하는 방법으로서, 상기 방법은, (a) 용해된 헤미셀룰로스의 양이 탈-전분 옥수수 섬유의 중량 기준 약 50 내지 약 60%이고, (b) 상기 용해된 헤미셀룰로스는 (i) 용해된 헤미셀룰로스의 중량 기준 약 30 내지 약 40%인 총량의 단당류와 이당류, (ii) 용해된 헤미셀룰로스의 중량 기준 약 5% 미만인 총량의 올리고당, 및 (iii) 용해된 헤미셀룰로스의 중량 기준 약 55 내지 약 70%인 총량인 다당류를 포함하도록, 추출 혼합물의 온도가 약 2분 내지 약 10분 범위의 지속시간 동안 약 120℃ 내지 약 150℃의 범위에 있도록 추출 혼합물의 온도를 조절하고, 그 후 상기 범위 미만의 온도로 상기 추출 혼합물을 퀀칭시켜, 탈-전분 옥수수 섬유로부터, 약 6.5 중량부(part by weight)의 탈-전분 옥수수 섬유 및 약 100 중량부의 추출 유체를 포함하는 추출 혼합물의 추출 유체 중으로, 헤미셀룰로스를 가용화 및 용해시키는 단계를 포함하고, 상기 추출 유체는 시트르산을 약 0.01 M 내지 약 0.05 M의 농도로 포함하는 것인 방법에 관한 것이다.

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Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011161685A2 (en) 2010-06-26 2011-12-29 Hcl Cleantech Ltd. Sugar mixtures and methods for production and use thereof
IL206678A0 (en) 2010-06-28 2010-12-30 Hcl Cleantech Ltd A method for the production of fermentable sugars
EP3401322B1 (en) 2011-04-07 2022-06-08 Virdia, LLC Lignocellulose conversion processes and products
CN104672468B (zh) 2012-05-03 2019-09-10 威尔迪亚公司 用于处理木质纤维素材料的方法
BR112015022479A2 (pt) * 2013-03-12 2017-07-18 Tate & Lyle Ingredients Americas Llc produto de arabinoxilano de grau alimentar de fibra de milho
US20150232582A1 (en) 2014-02-19 2015-08-20 Celanese Acetate Llc Hemicellulose Compositions
KR20170016386A (ko) 2014-06-02 2017-02-13 테티스, 아이엔씨. 개질된 생체중합체, 및 이의 제조 및 사용 방법
CN105315384A (zh) * 2014-06-18 2016-02-10 山东大学（威海） 一种梯度稀释氧化制备褐藻胶寡糖的方法
CN104448339A (zh) * 2014-12-04 2015-03-25 江南大学 一种乙二酸结合离子液体和有机溶剂从秸秆中提取木质素的方法
ES2764499T3 (es) 2015-01-07 2020-06-03 Virdia Inc Métodos para extraer y convertir azúcares de hemicelulosa
US11091815B2 (en) * 2015-05-27 2021-08-17 Virdia, Llc Integrated methods for treating lignocellulosic material
CN106748750B (zh) * 2015-11-19 2020-05-19 中国石油化工股份有限公司 一种由玉米秸秆中半纤维素制备乳酸的方法
CA3004346A1 (en) 2015-11-23 2017-06-01 Tethis, Inc. Coated particles and methods of making and using the same
GB201701569D0 (en) * 2017-01-31 2017-03-15 Knauf Insulation Ltd Improved binder compositions and uses thereof
EP3583223A4 (en) 2017-02-16 2020-12-23 Sweetwater Energy, Inc. HIGH PRESSURE ZONES FOR PRE-TREATMENT
CA3080899A1 (en) * 2017-11-13 2019-05-16 Sweetwater Energy, Inc. Methods of making specialized cellulose and other products from biomass
BR112022012348A2 (pt) 2019-12-22 2022-09-13 Sweetwater Energy Inc Métodos de fazer lignina especializada e produtos de lignina da biomassa
CN117158594A (zh) * 2023-09-12 2023-12-05 威海汉江食品股份有限公司 一种可溶性膳食纤维的提取方法及其应用

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4256509A (en) 1979-05-14 1981-03-17 A. E. Staley Manufacturing Company Physical modification of the viscosity characteristics of starchy flours
US4600590A (en) 1981-10-14 1986-07-15 Colorado State University Research Foundation Method for increasing the reactivity and digestibility of cellulose with ammonia
JPH0611764B2 (ja) * 1988-12-07 1994-02-16 雪印乳業株式会社 水溶性ヘミセルロースの製造方法
JP3191956B2 (ja) * 1991-08-13 2001-07-23 日本食品化工株式会社 アルコール性脂肪肝抑制剤
US5859236A (en) * 1996-02-29 1999-01-12 Burkart; Leonard Process for preparation of lignin and microcellulose
US6147206A (en) 1997-03-14 2000-11-14 National Starch And Chemical Investment Holding Corporation Isolation of hemicellulose from corn fiber
TR200202805T2 (tr) * 1999-10-15 2003-03-21 Cargill Incorporated Bitki tohumlarından yapılan fiberler ve kullanımları
US7709034B2 (en) 2005-04-19 2010-05-04 Archer-Daniels-Midland Company Soluble non-caloric fiber composition and process of preparing the same
CA2631021A1 (en) 2005-11-23 2007-10-25 Natureworks Llc Process for fractionating lignocellulosic biomass into liquid and solid products
WO2009003167A1 (en) * 2007-06-27 2008-12-31 Novozymes A/S Methods for producing fermentation products
EP3205672A1 (en) * 2008-03-14 2017-08-16 Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. Method and apparatus for lignocellulose pretreatment using a super-cellulose-solvent and highly volatile solvents
CN101285106B (zh) * 2008-06-10 2010-08-18 南京工业大学 一种高效水解木质纤维素类生物质同时制备多组分糖液及木质素的方法
EP2336195A1 (en) 2009-12-16 2011-06-22 Shell Internationale Research Maatschappij B.V. Process for Treatment of Lignocellulosic Biomass Material
MX2012008946A (es) * 2010-02-03 2012-12-05 Archer Daniels Midland Co Metodo de produccion de azucares que utiliza una combinacion de acidos para hidrolizar selectivamente materiales hemicelulosicos y celulosicos.
RU2541033C2 (ru) * 2010-02-03 2015-02-10 Арчер Дэниелс Мидлэнд Компани Усовершенствованный процесс фракционирования лигноцеллюлозной биомассы

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