KR20170105498A - 지질이 풍부한 분쇄 미세조류 가루를 제조하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다음의 단계들을 포함하는, 지질이 풍부한 미세조류의 가루를 제조하는 방법에 관한 것이다: (a) 바이오매스의 건조 중량당 50%를 초과하는 지질을 포함하는 미세조류의 바이오매스를 제공하는 단계; (b) 미세조류를 용해시키는 단계; (c) 미세조류 용해물을 25 wt%를 초과하는 고체 함량까지, 바람직하게는 35 wt% 내지 50 wt%의 고체 함량까지 농축하는 단계; (d) 이렇게 농축된 용해물에 열 처리를 적용하는 단계; (e) 단계 (d)에서 수득된 용해물을 고압 하에서 균질화하여 안정적인 에멀젼을 수득하는 단계; 및 (f) 미세조류 가루를 수득하기 위해 상기 에멀젼을 건조시키는 단계.
Description
본 발명은 높은 고체 함량의 바이오매스로부터 지질이 풍부한 분쇄된 미세조류 가루를 제조하는 방법으로, 이러한 미세조류는 클로렐라 속, 더욱 구체적으로는 클로렐라 프로토테코이데스(Chlorella protothecoides)인 것인 방법에 관한 것이다.
클로렐라 속의 미세조류는 단백질 및 기타 필수 영양소가 풍부하기 때문에, 그것들은 잠재적인 식품 공급원이라는 점은 당업자에게 잘 알려져 있다.
평균적으로, 그것들은 45%의 단백질, 20%의 지방, 20%의 탄수화물, 5%의 섬유질 및 10%의 미네랄 및 비타민을 함유하고 있다.
따라서, 필수적으로 단일 불포화 오일로 구성된 클로렐라 바이오매스의 오일 분획은 통상적인 식품에서 자주 발견되는 포화 오일, 수소화 오일 및 다가불포화 오일과 비교하여 영양상 및 건강상 장점을 제공한다.
따라서, 클로렐라는
- 전체 바이오매스의 형태로,
- 또는, 세포벽을 특히 기계적 수단에 의해 파괴한 클로렐라의 바이오매스를 건조시켜 얻은 가루의 형태로,
인체 또는 동물 영양에서 활용된다.
또한, 미세조류 가루는 다른 이익, 예컨대, 미세영양소, 식이섬유(가용성 및 불용성 탄수화물), 인지질, 당단백질, 식물성 스테롤, 토코페롤, 토코트리에놀 및 셀레늄을 제공한다.
식품 조성물 내로 도입될 바이오매스를 제조하기 위해, (광생물 반응기에서 광독립 영양에 의해 또는 어둠 하에서 및 클로렐라가 동화할 수 있는 탄소 공급원의 존재 하에 종속 영양적으로 배양하는) 배양 배지로부터 바이오매스가 수확된다. (발효 경로로 지칭된) 클로렐라의 종속 영양적 성장이 바람직하다.
발효 배지로부터 미세조류 바이오매스를 수확하는 시점에, 바이오매스는 수성 배양 배지 내에 주로 현탁액으로 있는 온전한 세포를 포함한다.
그러면, 바이오매스를 농축하기 위해, 전면 또는 접선 여과에 의해, 원심분리에 의해, 또는 당업자에게 추가적으로 공지된 임의의 수단에 의해, 고체-액체 분리 단계가 수행된다.
이렇게 해서 분리된 미세조류 바이오매스는 진공 포장된 케이크, 조류 플레이크, 조류 균질액, 온전한 조류 가루, 분쇄된 조류 가루 또는 조류 오일을 생산하기 위해 직접적으로 처리될 수 있다.
후속 처리를 촉진하기 위해 또는 다양한 응용, 특히 식품 응용에 있어서 바이오매스 이용을 위해, 온전한 전체 미세조류 바이오매스도 건조된다.
미세조류 바이오매스는 지질이 풍부한 미세조류 가루의 형태로, 분쇄된 건조 세포 물질의 형태로 주로 개량된다.
통상적으로, 이러한 지질이 풍부한 미세조류 가루는 다음의 방식으로 약 20 내지 25% 고체를 함유하는 바이오매스로부터 제조된다:
- 성장 배지로부터 분리된 미세조류의 수집,
- 세포를 파괴하여 그로부터 관심 있는 분자 방출,
- 6.5 내지 7.5의 값까지 pH 조정,
- 저온살균 및 세척,
- 건조.
세포를 수집하는 제1 단계는 하나 이상의 고체/액체 분리 단계를 실현하여 수행된다.
바이오매스는 보통 침강, 원심분리 또는 여과에 의해 수집되고, 때때로 추가적인 응집 단계가 필요하다.
세포 파괴의 제2 단계에서, 몇몇 경로가 가능하다: 기계적(균질기, 비드 밀 또는 초음파 처리) 또는 비 기계적(알칼리성 경로, 동결/융해 사이클, 유기 용매 또는 삼투압 충격).
이러한 방법의 선택은 특히 파괴될 미세조류의 세포벽의 속성에 달려 있다.
그런 다음, 지질이 풍부한 미세조류 가루는 기계적으로 용해되거나 균질화된, 통상적으로 25% 미만의 고체 함량을 갖는 미세조류 바이오매스로부터 제조되는데, 이때, 이러한 균질물은 분무화 또는 플래시 건조된다.
이 미세조류 용해물을 기계적으로 수득하기 위해, 압력 분쇄기(pressure disruptor)가 예를 들어, 세포를 용해시키기 위해 제한된 오리피스를 통해 미세조류 세포를 함유하는 현탁액을 펌핑하는 데 이용될 수 있다.
고압(최대 1500바)이 적용된 후, 노즐을 통해 즉각적인 팽창이 이루어진다.
세포는 밸브에 닿는 것, 오리피스에서 액체의 높은 전단 및 배출구에서 압력의 급격한 강하라는 세 가지 상이한 메커니즘에 의해 용해될(또는 분쇄될) 수 있어, 세포가 파열되게 한다.
니로(Niro) 균질기(GEA Niro Soavi) 또는 임의의 기타 고압 균질기가 주로0.2 내지 5 미크론 크기의 세포를 처리하는 데 이용될 수 있다.
고압 하에서의 조류 바이오매스의 이러한 처리(대략 1000 바에서의 여러 차례 처리)는 일반적으로 세포의 90%를 초과하여 용해시키고, 5 미크론 미만까지 크기를 감소시킨다.
대안적으로, 미세조류 용해물을 수득하기 위해 차라리 비드 밀을 이용하기도 한다.
비드 밀에서, 세포는 작은 구형 입자들과 함께 현탁액으로 교반된다. 세포의 파괴는 전단력, 비드 사이의 분쇄 및 비드와의 충돌에 의해 발생한다.
이들 비드는 세포를 파괴시켜 그로부터 세포 내용물을 방출시킨다. 적절한 비드 밀에 대한 설명은 예를 들어, 특허 US 5 330 913에 제공되어 있다.
그러면 본래의 세포보다 더 작은 크기의 입자들로 이루어진 현탁액이 얻어지는데, 상기 현탁액은 "수중유적형" 에멀젼의 형태이다.
그 다음, 이 에멀젼은 분무 건조되고, 물이 제거되어, 세포 잔해, 세포 내 액체 및 오일을 함유하는 건조 분말을 남긴다.
제3 단계에서, 수득된 세포 추출물을 안정화하기 위해 pH 조정이 이루어진다.
제4 단계의 저온살균은 통상적으로 짧은 시간 동안 고온에서(HTST, 또는 초고온, UHT), 예를 들어, 6초 동안 140℃에서 수행되는 열 처리로 이루어진다.
세척은 가용성 불순물을 제거할 수 있게 한다.
하류 처리의 마지막 단계는 상기 현탁액(용해된 세포)을 탈수하는 데에 있다. 클로렐라, 세네데스무스(Scenedesmus) 및 스피룰리나(Spirulina) 속의 미세조류를 건조하기 위해 여러 가지 방법이 활용되었다. 가장 통상적인 방법은 바람직하게는 항산화제의 존재 하에서, 분무화, 건조 드럼에서의 건조 및 동결건조이다. 분무화는 산업적 규모에서 가장 자주 사용되는 방법이다.
그러나, 이 통상적인 방법에 따르면, 미세조류 바이오매스가 중량 기준 50% 이상의 함량으로 오일을 함유하고 있으므로, 용해될 미세조류 바이오매스의 고체 함량을 제한하는 것이 필요하다.
특히, 높은 고체 함량의, 지질이 풍부한 바이오매스 (오일)로부터 생산될 때, 용해된 세포의 현탁액은 상 분리를 겪을 자연스러운 경향을 나타낼 것이다.
사용된 출발 물질이 25%를 초과하고, 특히 28%를 초과하는 고체 함량의 바이오매스라면, 지질이 풍부한 미세조류 가루를 수득하는 것이 정말 어렵거나, 바이오매스의 고체 함량이 35%를 초과한다면 심지어 불가능하다.
특히, 35%를 초과하는 고체 함량에서, 지질이 풍부한 미세조류 바이오매스의 밀링된 물질이 취급될 때 가루 제조를 위해 분무화 단계 전에 사용되는 증발 장치(로타베이퍼(Rotavapor®)와 같은 장치)에 유감스러운 오일 방울 군집이 형성된다.
이렇게 해서 수득된 "수중유적형" 에멀젼은 불안정하며, 따라서 점착성의 "버터" 텍스쳐의 형성을 초래하므로 효율적으로 건조시킬 수 없다.
그러나, 25%를 초과하는 고체 함량의 바이오매스로부터 미세조류 가루를 제조하는 방법을 이용하는 것이 산업적 수준에서 처리되는 부피면에서 더 경제적인 것으로 보인다.
발명의 대상
따라서, 낮은 고체 함량에서의 작업을 요하지 않는, 지질이 풍부한 미세조류 가루를 제조하는 방법에 대한 충족되지 않은 요구는 여전히 존재한다.
광범위한 연구 후, 출원인 회사는 다음의 단계들을 포함하는 지질이 풍부한 미세조류 가루를 제조하는 방법을 제공함으로써 이러한 요구가 충족될 수 있음을 발견했다:
(a) 바이오매스의 건조 중량 기준 50%를 초과하는 지질을 포함하는 미세조류 바이오매스를 제공하는 단계;
(b) 미세조류를 용해시키는 단계,
(c) 미세조류 용해물을 중량 기준 25%를 초과하는 고체 함량까지, 바람직하게는 중량 기준 35% 내지 50%의 고체 함량까지 농축하는 단계,
(d) 이렇게 농축된 미세조류 용해물에 열 처리를 적용하는 단계,
(e) 이렇게 수득된 농축된 용해물을 고압에서 균질화하여 안정적인 에멀젼을 수득하는 단계,
(f) 상기 에멀젼을 건조시켜 미세조류 가루를 수득하는 단계.
본 발명의 목적을 위해, 용어 "지질이 풍부한"은 50%를 초과하는 지질을 함유함을 의미한다.
본 발명의 목적을 위해, 용어 "안정적인 에멀젼"은 유상과 수상의 상 분리가 부존재함을 지칭한다.
본 발명에 따르면, 단계 (a)에서, 고려 중인 미세조류는 바람직하게는 클로렐라 속, 더욱 구체적으로는 클로렐라 프로토테코이데스(Chlorella protothecoides), 훨씬 더 구체적으로는 (당업자에게 잘 알려진 특정 작동 조건하의 어둠 속에서 배양이 이루어지기 때문이거나 균주가 돌연변이되어 더 이상 이들 색소를 생산하지 않기 때문에) 그 자체가 당업자에게 공지된 임의의 방법에 의해 클로로필 색소를 잃은 클로렐라의 미세조류이다.
이러한 미세조류 바이오매스는 클로렐라 속, 바람직하게는 클로렐라 프로토테코이데스의 미세조류의, 종속 영양 조건 하에서 및 빛의 부존재 하에서, 발효에 의해 우선적으로 제조되는 바이오매스이다.
발효 조건은 당업자에게 잘 알려져 있다. 사용되는 적절한 배양 조건은 특히 Ikuro Shihira-Ishikawa와 Eiji Hase의 논문 "Nutritional Control of Cell Pigmentation in Chlorella protothecoides with special reference to the degeneration of chloroplast induced by glucose", Plant and Cell Physiology, 5, 1964에 기술되어 있다.
Han Xu, Xiaoling Miao, Qingyu Wu의 논문 "High quality biodiesel production from a microalga Chlorella protothecoides by heterotrophic growth in fermenters", Journal of Biotechnology, 126, (2006), 499-507과 같은 기타 논문들은 종속 영양 배양 조건이, 즉, 빛의 부존재 하에서, 미세조류 세포에서 높은 함량의 지질이 있는 증가된 바이오매스를 수득할 수 있게 함을 보여준다.
고체 및 액체 성장 배지는 일반적으로 이러한 문헌에서 이용할 수 있고, 다양한 미생물 균주에 적합한 특정 배지 제조를 위한 추천 사항은 예를 들어, 조류 배양 컬렉션을 위해 텍사스대학교 오스틴(UTEX)이 유지하는 웹사이트인 www.utex.org/에서 온라인으로 찾아볼 수 있다.
미세조류 세포 배양을 담당하는 당업자는, 일반적인 지식 및 전술한 선행 기술에 비추어, 바람직하게는 지질이 풍부한, 적절한 바이오매스를 수득하기 위해, 배양 조건을 완전히 조정할 수 있을 것이다.
바이오매스의 생산은 발효조(또는 생물 반응기)에서 수행된다. 생물 반응기, 배양 조건 및 종속 영양 성장 및 증식 방법의 특정 예는 미생물 성장 및 지질의 효율을 개선하기 위해 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다.
일 특정 구현예에서, 발효는 글루코스 흐름 속도가 3 내지 10 g/l의 잔류 글루코스 농도를 유지하도록 조정된 유가 배치 방식으로 수행된다.
글루코스 공급 단계 중에, 배양 배지 내 질소 함량은 바람직하게는 30%, 40%, 50% 또는 60%의 양으로 지질을 축적할 수 있도록 제한된다. 발효 온도는 적절한 온도, 바람직하게는 25 내지 35℃, 특히 28℃로 유지된다. 용해된 산소는 에어레이션, 역압 및 발효조의 교반을 제어함으로써 바람직하게는 최소 30%로 유지된다.
바람직하게는, 따라서 본 발명에 유용한, 수득된 바이오매스가, 적어도 20%, 바람직하게는 20% 내지 40%의 고체 함량을 가지며, 지질 함량은 건조 중량 기준으로 50%를 초과한다.
예를 들어, 본 발명의 대상인 방법에 사용되는 바이오매스는 적어도 20%, 바람직하게는 20% 내지 40%의 고체 함량을 가지며, 지질 함량은 건조 중량 기준 50%를 초과하고, 섬유질 함량은 건조 중량 기준 10% 내지 50%이고, 단백질 함량은 건조 중량 기준 2% 내지 15%이고, 당류 함량은 중량 기준 10% 미만이다.
본 발명에 따르면, 단계 (b)에서, 미세조류 가루의 생산에 사용되는 바이오매스 세포는 그의 오일 또는 지질을 방출하도록 용해된다.
세포벽 및 세포 내 성분들은 예를 들어, 비드 밀을 이용하여, 응집되지 않은 세포 입자 또는 잔해까지 분쇄되거나 줄어든다.
분쇄기에서, 세포는 작은 비드와 함께 현탁액으로 교반된다. 세포의 파괴는 전단력, 비드 사이의 분쇄 및 비드와의 충돌에 의해 발생한다. 실제로, 이들 비드는 세포를 파괴하여 그로부터 세포 내용물을 방출시킨다. 적절한 비드 밀에 대한 설명은 예를 들어, 특허 US 5 330 913에 제공되어 있다.
바람직하게는, 용해를 수행하기 전에 항산화제가 바이오매스에 첨가된다.
이렇게 해서 "수중유적형" 에멀젼의 형태 내의 입자 현택액 형태의 미세조류 용해물이 수득된다.
본 발명에 따르면, 단계 (c)에서, 이러한 용해물은 농축되어, 중량 기준 25%를 초과하는, 바람직하게는 중량 기준 35% 내지 50%의 고체 함량의 용해물이 수득된다.
이러한 농축은 바람직하게는 원심분리에 의한 것이 아니라, 고온에서 물을 증발시켜 수행된다.
사용되는 증발기는 바람직하게는
- 플래시 유입구 온도: 60 내지 75℃, 바람직하게는 68℃
- 플래시 내의 온도: 35 내지 60℃, 바람직하게는 40℃
- 재순환 유속: 25 내지 45 m3/h, 바람직하게는 40 m3/h
조건 하의
- 33% 이하의 고체 함량의 바이오매스를 위한 강하막 증발기,
- 20 내지 45%의 고체 함량의 바이오매스를 위한 강제 유동 증발기이다.
본 발명에 따르면, 단계 (d)에서, 농축된 용해물은 열 처리된다. 이러한 열 처리는 특히, 높은 고체 함량의 용해물의 탈산소화/탈취를 가능하게 한다.
바람직하게는, 단계 (d)는 짧은 시간 동안 높은 온도에서(HTST, 또는 초고온, UHT), 예를 들어, 6초 동안 140℃에서 수행된다.
본 발명에 따르면, 단계 (e)는 단계 (d)의 종료 시에 수득된 용해물을 균질화하여, 상기 용해물의 높은 고체 함량에도 불구하고, 안정적인 수중유적형 에멀젼을 생성하는 데 있다.
이러한 균질화는 바람직하게는
- 제1 단계에서 150 내지 170 바, 바람직하게는 160 바의 압력, 및
- 제2 단계에서 35 내지 45 바, 바람직하게는 40 바의 압력과 함께,
두 단계로 이루어진 장치, 예를 들어, APV 회사가 판매한 가울린(Gaulin) 균질기에서 수행된다.
본 발명에 따르면, 최종 단계(단계 f)는 에멀젼을 건조시켜 미세조류 가루를 수득하는 데 있다.
건조는 바람직하게는 분무화에 의해 수행된다. 물이 제거되는 이 단계 종료 시, 세포 잔해와 지질을 함유하는 건조 분말이 수득된다.
건조 후, 분말의 물 함량 또는 수분 함량은 일반적으로 10% 미만, 우선적으로는 5% 미만이다.
선택적으로, 열 처리 단계 전에 용해물의 pH 조정이 수행될 수 있다.
특히, 열 처리에 이은 용해물의 고압 균질화에 의해, 본 발명의 대상인 방법은 유리하게도 50%를 초과하는 지질을 함유하고, 적어도 20%의 고체 함량을 나타내는, 미세조류의, 특히 클로렐라의 바이오매스로부터 지질이 풍부한 분쇄된 미세조류 가루를 수득하게 할 수 있다.
Claims (6)
- 다음 단계들을 포함하는, 지질이 풍부한 미세조류 가루를 제조하는 방법:
(a) 바이오매스의 건조 중량 기준 50%를 초과하는 지질을 포함하는 미세조류 바이오매스를 제공하는 단계;
(b) 미세조류를 용해시키는 단계,
(c) 미세조류 용해물을 중량 기준 25%를 초과하는 고체 함량까지, 바람직하게는 중량 기준 35% 내지 50%의 고체 함량까지 농축하는 단계,
(d) 이렇게 농축된 용해물에 열 처리를 적용하는 단계,
(e) 단계 (d)에서 수득된 용해물을 고압에서 균질화하여 안정적인 에멀젼을 수득하는 단계,
(f) 상기 에멀젼을 건조시켜 미세조류 가루를 수득하는 단계. - 제1항에 있어서, 미세조류는 클로렐라 속, 더욱 구체적으로는 클로렐라 프로토테코이데스(Chlorella protothecoides)인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 미세조류 용해물의 농축은 증발에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제3항에 있어서, 용해물의 농축은 다음 조건 하의 증발기에서 높은 온도로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법:
- 플래시 유입구 온도: 60 내지 75℃, 바람직하게는 68℃
- 플래시 내의 온도: 35 내지 60℃, 바람직하게는 40℃
- 재순환 유속: 25 내지 45 m3/h, 바람직하게는 40 m3/h. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 고압 균질화는
- 제1 단계에서 150 내지 170 바, 바람직하게는 160 바의 압력, 및
- 제2 단계에서 35 내지 45 바, 바람직하게는 40 바의 압력과 함께,
두 단계로 이루어진 장치에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 에멀젼의 건조는 분무화에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
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