KR20190011450A - 푸코오스를 포함하는 다당류 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 바이오매스에 당화효소를 첨가하여 당화 시키는 당화액 제조 단계, 및 상기 제조된 당화액에 미생물을 첨가하여 발효시키는 발효 단계를 포함하는 푸코오스를 포함하는 다당류 제조 방법에 관한 것으로, 바이오매스로부터 고부가가치의 다당류를 제공할 수 있고, 친환경적이고 희소당인 푸코오스를 포함하는 다당류 제조방법을 제공할 수 있다.

Description

푸코오스를 포함하는 다당류 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF EXO-POLYSACCHARIDE COMPRISING FUCOSE}
본 발명은 친환경적이고, 희소당인 푸코오스를 포함하는 다당류 제조방법에 관한 것이다.
다당류는 고분자 바이오 화합물질로 단당류가 반복적으로 중합된 구조를 띄고, 그 물리적 화학적 특성에 의해 식품, 도료, 의약 및 화장품 산업에 널리 이용되고 있다. 또한, 생물에서 얻어진 다당류들은 일반적으로 독성이 없고, 생물학적인 분해가 되기 때문에 지속 가능한 발전을 위해 적합한 물질로 알려져 있다. 다당류를 생산하는 최근 동향에 따르면, 생산 시스템이 식물이나 해조류로부터의 추출에서 미생물 발효에 의한 시스템으로 전환되고 있음을 알 수 있다.
그러나 기존의 연구들은 발효 기질로 정제된 당 (글루코오스나 수크로오스) 또는 당 알코올 (글리세롤)등을 이용하고 있고, 미생물 발효 공정에 있어서 기질의 가격이 전체 생산 단가의 20~40%를 차지한다고 보고되었다. 그러므로, 미생물 발효를 통해 경제성 있게 다당류를 생산하기 위해서는 재생 가능한 작물 및 산업 부산물과 같은 가격이 낮은 기질로 변경해야 하는 실정이다.
즉 단가가 낮은 발효 기질을 이용하여, 부가가치가 높고 기능성을 갖는 희소당을 포함하는 다당류를 생산할 수 있는 경제적인 다당류 제조 방법에 대한 관심이 증대되고 있다.
본 발명의 목적은 바이오매스를 기질로 이용함으로써 친환경적이고, 경제성을 갖춘 푸코오스를 포함하는 다당류 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 바이오매스에 당화효소를 첨가하여 당화 시키는 당화액 제조 단계 및 상기 제조된 당화액에 미생물을 첨가하여 발효시키는 발효 단계를 포함하는 푸코오스를 포함하는 다당류 제조 방법을 제공한다.
상기 바이오매스는 목질계 바이오매스(Lignocellulosic biomass), 해조류계 바이오매스 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것일 수 있다.
상기 바이오매스는 폐목재, 다시마 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것일 수 있다.
상기 당화액 제조단계는, 상기 바이오매스를 황산 용액으로 전처리 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 당화액은 효모 추출물(Yeast extract), 인산수소이칼륨(K2HPO4), 인산이수소칼륨(KH2PO4) 및 황산마그네슘(MgSO4)을 더 포함할 수 있다.
상기 미생물은 바실러스 (Bacillus), 엔테로박터 (Enterobacter), 클렙시엘라 (Klebsiella), 애어로박터 (Aerobacter), 아조토박터 (Azotobacter), 어비니아 (Erwinia), 슈도모나스 (Pseudomonas), 클라비박터 (Clavibacter), 살모넬라 (Salmonella), 쟌토모나스 (Xantomonas), 스핑고모나스 (Sphingomonas), 자이모모나스 (Xymomonas), 류코노스톡 (Lueconostoc) 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나인 것일 수 있다.
상기 미생물은 클렙시엘라 뉴모니아(Klebsiell pneumoniae), 폐렴막대균, 클레브시엘라 옥시토카, 칼림마토박테리움 그래뉼로마티스, 및 클렙시엘라 테리게나로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 클렙시엘라 속인 것일 수 있다.
상기 미생물은 상기 당화액 100 부피%에 대하여 3 내지 7 부피%로 첨가되는 것일 수 있다.
상기 발효 단계는 pH 3.0 내지 9.0, 온도 25 내지 60 ℃ 에서 실시되는 것일 수 있다.
상기 다당류는 화학식 1로 표시되는 것일 수 있다.
<화학식 1>
Figure pat00001
본 발명은 저렴한 바이오매스로부터 고부가가치의 푸코오스를 포함하는 다당류 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명은 또한 친환경적이고, 희소당인 푸코오스를 포함하는 다당류 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1 및 2에 따른 균주의 생육 속도를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 및 2에 따라 제조된 다당류의 푸코오스 함량을 나타낸 그래프이다.
도 3은 실시예 1 및 2에 따른 배지에서 성장한 균주와, 비교예 1에 따른 배지에서 성장한 균주의 다당류 생산량을 그래프로 나타낸 것이다.
이하 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 바이오매스에 당화효소를 첨가하여 당화 시키는 당화액 제조 단계, 및 상기 제조된 당화액에 미생물을 첨가하여 발효시키는 발효 단계를 포함하는 푸코오스를 포함하는 다당류 제조 방법을 제공할 수 있다.
1. 당화액 제조 단계
본 발명에 따른 푸코오스를 포함하는 다당류 제조 방법은 바이오매스에 당화효소를 첨가하여 당화 시키는 당화액 제조 단계를 포함한다.
상기 바이오매스는 나무(Wood), 지푸라기(Straw), 잔디(Grass) 등을 포함하는 목질계 바이오매스(Lignocellulosic biomass)인 것일 수 있다. 목질계 바이오매스는 지구상 가장 널리 분포하는 바이오매스로 비식용 자원이면서 건조중량당 다량의 당 (50~60%)을 함유하고 있기 때문에 바이오 화학물질 및 바이오연료 생산에 적합하다.
본 발명에 따른 푸코오스를 포함하는 다당류 제조 방법에서는 상기 목질계 바이오매스 중에서 목본류로 분류되는 견목(Hard wood)을 사용하는 것이 바람직하고, 건설 재료나 가구로 사용되고 버려지는 폐목재를 사용하는 것이 가장 바람직하다. 본 발명에서는 발효 조건과 미생물을 최적화함으로써, 재사용이 어려운 폐목재로부터 다당류를 추출할 수 있다. 상기 폐목재는 재료 수급이 용이하고, 재료비용 절감의 효과를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 또한, 추출이 끝난 폐목재는 수분 및 당류 등이 추출되어 폐기물의 부피가 감소하고 추출에 사용되는 효소로 인하여 분해가 촉진되는 효과가 있어 재료 수급부터 폐기까지 친환경적 공정이다.
또는 상기 바이오매스는 해조류 바이오매스인 것일 수 있고, 구체적으로 해조류 바이오매스는 우뭇가사리, 김, 코토니, 개도박, 둥근돌김, 개우무, 새발, 참풀가사리, 꼬시래기, 진두발, 참도박, 가시우무, 비단풀, 단빅, 돌가사리, 석목, 지누아리 등의 홍조류, 미역, 다시마, 헛가지말, 민가지말, 패, 고리매, 미역쇠, 감태, 곰피, 대황, 쇠 미역사촌, 모자반, 괭생이 모자반, 지충이, 톳 등의 갈조류, 청태, 해캄, 파래, 청각, 구슬청각, 옥덩굴, 염주말 등의 녹조류 및 클로렐라, 스피루리나 등의 미세조류 중에서 선택되는 어느 하나인 것일 수 있다.
특히, 상기 해조류 바이오매스는 다시마인 것이 바람직하며, 다시마는 우뭇가사리 등 다른 해조류에 비해 가격이 저렴하여 경제적으로 푸코오스를 생산할 수 있다.
해조류 바이오매스는 비식용 자원임과 동시에 목질계 바이오매스대비 단위면적당 생산량이 높고 세대간격이 짧아 차세대 바이오매스로 주목 받고 있다. 상기 언급한 바와 같이, 각각의 바이오매스를 기질로 이용하여 미생물 발효를 통해 다당류를 생산하여 생산 원가를 저감시키는 효과를 볼 수 있다.
당화액 제조 단계는 구체적으로 목질계 바이오매스에 농황산 당화기법을 사용할 수 있고, 해조류 바이오매스에는 희황산 당화기법을 사용할 수 있다.
농황산 당화기법은, 황산 용액 전처리 단계를 더 포함할 수 있다. 당화액 제조 단계를 황산용액 전처리 단계와 당화 단계로 나누어 설명하면, 바이오매스 황산용액 전처리 단계는 바이오매스 100 중량부를, 황산 용액 75 내지 85 중량부에 침전시킨 후 25 내지 50 ℃에서 30 내지 180 분 동안 열처리하는 것일 수 있다. 상기 황산 용액은 바이오매스의 종류에 따라 농도를 조절하여 사용하는 것이 바람직하며, 70 내지 99 부피%의 농도 중에서 선택되는 것일 수 있다. 상기 전처리 단계의 온도 조건은 발효저해 물질이 생기지 않도록 15 내지 80 ℃에서 실시하는 것이 가장 바람직하다. 당화 단계는 전처리가 완료된 바이오매스에 물을 첨가하여 황산의 농도를 15 내지 35 부피%로 낮추고 25 내지 50 ℃에서 30 내지 180 분 동안 반응시키는 것일 수 있다.
희황산 당화기법은 바이오매스 100 중량부를, 황산 용액 0.5 내지 2 중량부에 침전시킨 후 100 내지 121 ℃에서 5 내지 60 분 동안 열처리 하는 것일 수 있다. 상기 황산 용액은 바이오매스의 종류에 따라 농도를 조절하여 사용하는 것이 바람직하며, 0.1 내지 6 부피%의 농도 중에서 선택되는 것일 수 있다.
2. 발효 단계
본 발명에 따른 푸코오스를 포함하는 다당류 제조 방법은 상기 제조된 당화액에 미생물을 첨가하여 발효시키는 발효 단계를 포함한다.
구체적으로는 상기 당화액을 탄소원으로하는 배지 조성물을 제조하고, 상기 배지 조성물에 상기 미생물을 접종하여 배양하는 방법으로 탄소원을 발효시키는 것일 수 있다.
상기 배지 조성물은, 효모 추출물(Yeast extract), 인산수소이칼륨(K2HPO4 potassium phosphate (dibasic) 제2인산칼륨), 인산이수소칼륨(KH2PO4 potassium phosphate (monobasic) 제1인산칼륨), 및 황산마그네슘(MgSO4)을 더 포함할 수 있다.
상기 미생물은 바실러스 (Bacillus), 엔테로박터 (Enterobacter), 클렙시엘라 (Klebsiella), 애어로박터 (Aerobacter), 아조토박터 (Azotobacter), 어비니아 (Erwinia), 슈도모나스 (Pseudomonas), 클라비박터 (Clavibacter), 살모넬라 (Salmonella), 쟌토모나스 (Xantomonas), 스핑고모나스 (Sphingomonas), 자이모모나스 (Xymomonas), 류코노스톡 (Lueconostoc)으로 이루어지는 군에서 선택되는 것일 수 있고, 클렙시엘라 속(Klebsiell)인 것이 가장 바람직하다. 더욱 구체적으로는, 클렙시엘라 뉴모니아(Klebsiell pneumoniae), 폐렴막대균, 클레브시엘라 옥시토카, 칼림마토박테리움 그래뉼로마티스, 및 클렙시엘라 테리게나로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 클렙시엘라 속인 것일 수 있다.
상기 미생물은 상기 당화액 100 부피%에 대하여 3 내지 7 부피%로 첨가되는 것일 수 있다. 3 부피% 미만이면 미반응, 미발효된 당화액 부분이 생겨 추출 효율이 낮아지는 문제가 발생할 수 있고, 7 부피% 초과하면 추가비용이 발생할 수 있고, 과발효되는 문제가 발생할 수 있다.
상기 발효 단계는 당화액을 포함하는 배지 조성물에 미생물을 접종한 후, 배지 조성물의 pH를 3.0 내지 9.0으로 조정하여, 온도 25 내지 60 ℃에서 10 내지 80 시간 동안 배양하는 것일 수 있고, 더욱 바람직하게는 배지 조성물의 pH를 6.0 내지 7.5로 조정하여, 온도 28 내지 37 ℃에서 10 내지 80 시간 동안 배양하는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
3. 푸코오스를 포함하는 다당류
상기 균주의 배양액에 함유된 다당류를 수득하여, 균주가 생산하는 푸코오스가 함유된 다당류를 수득하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 푸코오스는 면역작용을 상승시켜 알러지 반응을 완화시키는 등 다양한 기능성을 함유하고 있다. 식품 및 의약품 등의 산업에 이용될 수 있으므로 푸코오스가 함유된 다당류 생산 시 다당류의 부가가치를 높임으로 경제성을 확보 할 수 있다. 이러한 푸코오스를 포함하는 희소 다당류 자체의 고부가가치와 더불어, 재생 가능한 비식용 바이오매스를 기질로 이용함으로써, 발효를 통해 다당류를 생산하는데 경제적 한계를 극복하고 상업적 경쟁력을 확보 할 수 있다.
상기 다당류는 구체적으로 하기 화학식 1로 표시되는 것일 수 있다.
<화학식 1>
Figure pat00002
본 연구에서는 재생 가능한 2세대 바이오매스와 3세대 바이오매스를 기질로 이용하여 푸코오스를 포함하는 다당류를 미생물 발효를 통해 생산함으로써 다당류를 생산하는 발효공정에 경제성을 부여하고자 한다.
상기 방법으로 제조된 다당류는 푸코오스를 포함하는 것을 특징으로 하고, 푸코오스 이외에 갈락토오스, 갈락토오스 유도체, 3,6-안하이드로갈락토오스, 글루코오스, 람노오스, 크실로오스 및 만노오스로 구성된 군으로부터 선택되는 단당체를 더 포함할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 또한, 여기에 기재되지 않은 내용은 당 기술분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략한다.
[ 제조예1 : 당화액의 제조]
< 실시예 1>
목질계 바이오매스인 폐목재 100 중량부를 준비하였다. 폐목재는 농도 70 부피%의 황산용액 10 중량부에 30 분 동안 침지하여 전처리 하였다.
황산용액에 폐목재를 침전시킨 전처리 용액을 황산의 농도가 25 부피%가 되도록 물을 첨가하고 50 ℃에서 90 분간 교반하며 가수분해하여 당화액을 제조하였다.
상기 당화액은 글루코오스를 88.52 g/L를 포함하는 것을 확인하였다. 탄소원의 함량이 높으므로 당화액을 1/3배 희석시켜 사용하였다.
< 실시예 2>
해조류 바이오매스인 다시마(Laminaria japonica) 100 중량부를 준비하였다. 다시마는 농도 1.5부피%의 황산용액 10중량부에 121 ℃에서 10 분 동안 침지하여 산 당화 하였다.
황산용액에 다시마를 침전시킨 전처리 용액을 pH 7로 중화한 후 발효에 이용하였다.
상기 당화액은 만니톨을 27.28 g/L를 포함하는 것을 확인하였다.
[ 실험예 1: 탄소원에 따른 균주 생육 속도 및 발효 결과]
효모 추출물(Yeast extract), 인산수소이칼륨(K2HPO4), 인산이수소칼륨(KH2PO4), 탄소원 및 황산마그네슘(MgSO4)을 포함하는 배지 조성물을 제조하였다.
탄소원의 종류 및 함량은 하기 표 1에 나타내었다.
배지조성(g/L) 비교예1 실시예1 실시예2
효모 추출물(Yeast extract) 5 5 5
인산수소이칼륨(K2HPO4) 4.5 4.5 4.5
인산이수소칼륨(KH2PO4) 1.5 1.5 1.5
합성 글루코오스 30 - -
폐목재 유래 글루코오스 - 30 -
다시마 유래 만니톨 - - 30
황산마그네슘(MgSO4) 0.2 0.2 0.2
각각의 배지 조성물에 클렙시엘라 속 균주 K. pneumoniae KCTC 1305BP을 30℃, 200 rpm, 접종량(Working volume) 50 ml (배지 조성물 전체에 대하여 5 부피%)의 배양조건에서 미생물을 배양하였다.
본 발명의 실시예에 의한 탄소원에 따른 균주의 생육속도를 측정하여 도 1에 나타내었고, 상기 균주를 이용하여 생성된 푸코오스(Fucose)가 포함된 다당류의 함량을 도 2에 도시하였다.
또한 실시예 1 및 2에 따른 배지에서 성장한 균주와, 비교예 1에서 성장한 균주의 다당류 생산을 관찰하여 도 3에 도시하였다.
도 3을 참조하면, 합성 글루코스 배지에서 성장한 비교예 1의 균주 보다 폐목재 유래 글루코스 배지나 다시마 유래 만니톨 배지에서 성장한 실시예 1 및 2의 균주의 생육 속도가 빠른 것을 확인할 수 있었다.
특히, 다시마 유래 만니톨 배지에서 성장한 실시예 2 균주의 다당류 생산량은 합성 글루코스 배지에서 성장한 비교예 1 균주의 다당류 생산량에 비해 약 32% 정도 증가한 것을 확인할 수 있었다. 이는 다시마에 포함된 당은 환원된 정도가 높기 때문에 만니톨을 기질로 이용하는 경우 다당류의 생산량이 높아지는 것으로 판단된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (10)

  1. 바이오매스에 당화효소를 첨가하여 당화 시키는 당화액 제조 단계, 및
    상기 제조된 당화액에 미생물을 첨가하여 발효시키는 발효 단계,
    를 포함하는 푸코오스를 포함하는 다당류 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 바이오매스는 목질계 바이오매스(Lignocellulosic biomass), 해조류계 바이오매스 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것인 푸코오스를 포함하는 다당류 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 바이오매스는 폐목재, 다시마 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것인 푸코오스를 포함하는 다당류 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 당화액 제조단계는, 상기 바이오매스를 황산 용액으로 전처리 하는 단계를 더 포함하는 것인 푸코오스를 포함하는 다당류 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 당화액은 효모 추출물(Yeast extract), 인산수소이칼륨(K2HPO4), 인산이수소칼륨(KH2PO4) 및 황산마그네슘(MgSO4)을 더 포함하는 것인 푸코오스를 포함하는 다당류 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 미생물은 바실러스 (Bacillus), 엔테로박터 (Enterobacter), 클렙시엘라 (Klebsiella), 애어로박터 (Aerobacter), 아조토박터 (Azotobacter), 어비니아 (Erwinia), 슈도모나스 (Pseudomonas), 클라비박터 (Clavibacter), 살모넬라 (Salmonella), 쟌토모나스 (Xantomonas), 스핑고모나스 (Sphingomonas), 자이모모나스 (Xymomonas), 류코노스톡 (Lueconostoc) 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 푸코오스를 포함하는 다당류 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 미생물은 클렙시엘라 뉴모니아(Klebsiell pneumoniae), 폐렴막대균, 클레브시엘라 옥시토카, 칼림마토박테리움 그래뉼로마티스, 및 클렙시엘라 테리게나로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 클렙시엘라 속인 것인 푸코오스를 포함하는 다당류 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 미생물은 상기 당화액 100 부피%에 대하여 3 내지 7 부피%로 첨가되는 것인 푸코오스를 포함하는 다당류 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 발효 단계는 pH 3.0 내지 9.0, 온도 25 내지 60 ℃에서 실시되는 것인 푸코오스를 포함하는 다당류 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 다당류는 화학식 1로 표시되는 것인 푸코오스를 포함하는 다당류 제조 방법.
    <화학식 1>
    Figure pat00003
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20210039802A (ko) * 2019-10-02 2021-04-12 한국식품연구원 지충이의 효소 추출물로부터 분리된 다당류 분획물을 포함하는 항산화 조성물

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KR20210039802A (ko) * 2019-10-02 2021-04-12 한국식품연구원 지충이의 효소 추출물로부터 분리된 다당류 분획물을 포함하는 항산화 조성물

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