KR20190024434A - 목질계 바이오매스 유래 자일로올리고당의 중합도별 생산 방법 - Google Patents

Abstract

본원 발명은 목질계 바이오매스의 열수전처리물 부터 분리된 액상가수분해물로부터 단당류인 자일로오스 또는 다양한 중합도를 가지는 자일로올리고당의 중합도별 생산방법에 대한 것이다. 본원 본원 발명은 목질계 바이오매스의 열수전처리 온도와 시간의 조절을 통하여 다양한 중합도를 가지는 자일로올리고당의 쉽게 생산할 수 있는 장점이 있다.

Description

목질계 바이오매스 유래 자일로올리고당의 중합도별 생산 방법{Production method of xylooligosaccharide derived from lignocellulosic biomass with different degree of polymerization}

본원 발명은 목질계 바이오매스의 열수전처리물로 부터 분리된 액상가수분해물로부터 단당류인 자일로오스 또는 다양한 중합도를 가지는 자일로올리고당의 중합도별 생산방법에 대한 것이다.

올리고당은 식품 첨가제 및 영양제로서 광범위하게 사용되는 중합체성 탄수화물의 중요한 군을 형성하는 것으로 올리고당은 중합도 2 내지 10인 글리코시드 결합에 의해 연결된 단량체 당 단위로 구성되고, 이러한 올리고당은 산 또는 효소에 의해 각각의 단량체 당 구성성분으로 손쉽게 가수분해된다. 올리고당은 식품 첨가제로서 유용하게 만드는 몇몇 건강상의 이점을 제공하는데 올리고당의 생리 화학적 및 생리학적 성질은 생산된 올리고당의 혼합물에 좌우하여 달라진다. 중합도 3 내지 10을 갖는 올리고당은 프리바이오틱이고, 낮은 열량값을 갖고, 가용성 식이섬유로서 사용된다.

일반적으로 이러한 올리고당은 비-효소적 방법이나 효소적 방법에 의해 생산된다. 비-효소적 방법은 시작 물질로서 단당 또는 이당을 사용하는 화학적 합성 및 천연 원료로부터의 올리고당의 추출을 통한 것이고, 효소적 방법은 촉매로서 글리코시다제 및 글리코트랜스퍼라제(glycotransferase)를 사용하는 올리고당의 합성 및 다당류의 올리고당으로의 효소 가수분해를 이용하는 것이다.

이러한 종래기술로 미국 공개특허 US2009-0062232A에는 식물 재료의 알칼리 처리, 압력 및 열 처리 이후 고체-액체 분리로 구성되는 식물 재료로부터의 고순도 자일로올리고당의 제조 방법에 대하여 기재되어 있고, 미국 공개특허 US2012-0232264A에는 제1 단계로 자일로올리고당으로서 헤미셀룰로오스를 방출하도록 온도 100 내지 200 ℃에서 가압된 물로의 바이오매스의 처리하고 제2 단계에서, 불용성 잔여물은 셀로올리고당을 얻도록 200 내지 300 ℃의 온도에서 가압된 물로 다시 처리하여 얻어진 자일로올리고당 및 셀로올리고당은 각각 자일로스 및 포도당을 생성하도록 고체 산 촉매를 사용하여 추가로 가수분해하는 기술이 기재되어 있다.

이러한 종래기술에서 효소적 및 화학적 방법을 사용하여 바이오매스로부터 자일로올리고당이나 셀로올리고당을 생산하는 것으로 효소적 방법은 전분 및 비-탄수화물 성분의 제거를 위해 아밀라아제, 글루코아밀라아제, 프로테아제, 풀루나제(pullunase) 및 리파아제와 같은 세포벽 개질 효소로의 바이오매스의 처리를 수반한다. 그 후에, 바이오매스에 함유된 탄수화물은 각각 자일로올리고당 또는 셀로올리고당을 생산하도록 자일라나제나 셀룰라제를 사용하여 가수분해된다. 종래기술에 기재된 두 단계 방법은 다당류 추출을 위한 화학적 사전 처리 및 그 이후에 특정 효소를 사용하는 올리고당으로 이의 가수분해를 필요로 함에 따라 전반적인 생산비가 증가하는 단점이 존재한다.

또한, 목질계 바이오매스를 구성하는 헤미셀룰로오스는 자일로오스 외에 갈락토오스, 만노오스, 아라비노오스와 같은 다양한 당으로 구성되어 있고, 해당 당 분자 내에는 여러 유기산이 결합되어 있는 경우도 있다. 이와 같은 헤미셀룰로오스 구조 내 작용기 중 하나인 아세틸기는 수용액 상태에서 분해될 경우 아세트산으로 전환된다. 상기 아세트산이 액상 가수분해물 내 다량 존재할 경우 pH를 감소시켜 산 가수분해를 촉진시킨다. 이를 통해 산 가수분해에 상대적으로 약한 헤미셀룰로오스가 다른 구성성분에 비해 쉽게 액상 가수분해물로 빠져나오게 된다. 열수 처리와 같은 열화학적 공정에서 투입되는 열에너지가 클수록 헤미셀룰로오스 내 아세틸기는 많이 분해되게 되고 용매의 pH를 감소시켜 산 가수분해를 촉진시키므로 반응 조건의 변화에 따른 pH의 변화는 자일로올리고당의 생산에 영향을 미칠 것으로 알려져 있다.

또한, 일반적으로 자일로올리고당이 체내에서 프리바이오틱스로써 기능할 경우, 중합도가 2 또는 3인 자일로비오스와 자일로트리오스가 프로바이오틱스의 생육에 도움을 주는 것으로 알려져 있다. 하지만 중합도의 차이에 따른 자일로올리고당의 분리와 정제가 비교적 어렵기 때문에 중합도가 4 이상인 자일로올리고당의 생리 활성에 대한 연구가 어려운 실정이다.

미국 공개특허 US2009-0062232A 미국 공개특허 US2012-0232264A

본원 발명은 목질계 바이오매스로 부터 단당류인 자일로오스 또는 다양한 중합도를 가지는 자일로올리고당의 중합도별 생산방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본원 발명은 기존의 자일로올리고당 생산 공정에 있어 큰 비용을 차지하는 효소를 사용하지 않고 열화학적인 공정으로 자일로올리고당을 생산하는 방법을 제공 하고자 한다.

본원 발명에서는 상기 과제를 해결하기 위하여 목질계 바이오매스의 열수전처리 공정에서 열수전처리 온도와 시간의 조절을 통하여 다양한 중합도를 가지는 자일로올리고당의 중합도별 생산방법을 제공한다.

본원 발명은 목질계 바이오매스의 열수전처리 온도와 시간의 조절을 통하여 다양한 중합도를 가지는 자일로올리고당의 쉽게 생산할 수 있는 장점이 있다.

본원 발명은 열화학적 공정으로 자일로올리고당을 생산하므로 기존의 효소적 공정에 필수적인 효소의 구매 비용 및 효소 당화 공정에서 발생하는 비용이 소모되지 않는다.

또한, 본원 발명에 따르면 효소적 공정에서 생산이 어려운 중합도 4 이상의 자일로올리고당의 생산이 가능하다.

본원 발명의 자일로올리고당은 헤미셀룰로오스를 분해함에 있어 산 또는 염기 촉매를 사용하지 않으므로 촉매 비용이 들지 않고 친환경적 압력 통제가 가능한 연속식 반응장치에도 적용가능하다.

도 1은 본원 발명의 일 구현예에 따른 열수 처리 및 효소 당화 후 전환 산물의 물질 균형(mass balance)를 나타낸 것이다.
도 2는 본원 발명의 일 구현예에 따른 열수 처리 조건 변화에 따른 효소 당화 결과이다.
도 3은 본원 발명의 일 구현예에 따른 열수 처리 조건 변화에 따른 액상 가수분해물 내 자일로오스 및 자일로올리고당의 함량 분포를 나타낸 것이다.
도 4는 본원 발명의 일 구현예에 따른 열수 처리 조건 변화에 따른 액상 가수분해물 내 자일로오스 및 자일로올리고당의 함량 분포(중합도별 정리)를 나타낸 것이다.

이하, 본원 발명에 대해 상세하게 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본원 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 달리 언급되지 않으면 모든 백분율은 중량 백분율(weight percent)을 의미한다.

본원 발명에서는 상기 목적을 달성하기 위하여, 목질계 바이오매스를 신속한 수화와 마찰식 분쇄를 통하여 평균입경이 감소하고 표면적이 증가한 섬유질의 수화물을 제조하는 전전처리물 제조단계; 상기 전전처리물을 열수를 이용하여 처리하는 열수 전처리단계; 열수로 전처리된 바이오매스를 고상과 액상으로 분리하는 고액분리 단계; 및 상기 고액분리 단계를 통하여 분리된 액상으로부터 자일로오스 또는 자일로올리고당을 분리하는 올리고당 분리단계를 포함하는 목질계 바이오매스 유래 자일로올리고당의 중합도별 생산 방법을 제공한다.

본원 발명의 일 구현예에 따른 상기 전전처리물 제조단계는 원료 바이오매스에 물을 함께 첨가하여 이축스크루분쇄기(twin screw extruder)를 이용하여 마찰식 분쇄를 수행하는 것일 수 있다.

보다 구체적으로 이러한 전전처리물의 평균입경은 사용하는 목질계 바이오매스의 종류에 따라 다소 다를 수 있지만 1 내지 5 mm 내외가 바람직하며, 이 전전처리에 적합한 장비는 바이오매스의 수화와 마찰식 분쇄를 동시에 수행할 수 있는 이축 스크루 압출기(twin screw extruder)가 바람직하다. 이 이축 스크루 압출기는 바이오매스의 수화와 동시에 마찰 분쇄에 유용하도록 니딩블럭과 전진스크루를 1조 이상 6조 이하로 배치하는 것이 바람직하며, 너무 미세하게 분쇄되지 않고 표면적을 넓혀주기 위해 1조 내지 4조 배치하는 것이 더욱 바람직하다. 본원 발명에서 목질계 바이오매스의 전전처리에는 바이오매스의 신속한 수화와 마찰분쇄가 용이하도록 바이오매스를 먼저 충분히 수화시키는 것이 바람직한데, 이를 위해 마른 바이오매스 중량 이상의 물을 가하는 것이 좋으며, 바이오매스 중량의 2배 내지 10 배의 물을 가하는 것이 더욱 바람직하다.

본원 발명의 일 구현예에 따른 상기 열수 전처리 단계는 170 내지 190 ℃의 온도 범위에서 이루어지는 것 일 수 있다.

본원 발명의 일 구현예에 따른 열수 전처리의 반응 온도가 150℃ 이하인 조건에서는 자일로오스와 자일로올리고당이 액상 가수분해물 내에 0.1% 미만으로 존재하였다. 상기 온도 조건에서는 목질계 바이오매스 내 헤미셀룰로오스 영역의 분해가 원활하지 않아 액상 가수분해물로 분해되는 자일로오스 및 자일로올리고당이 거의 나타나지 않은 것으로 사료된다. 또한 원료에서 12.3%로 나타난 자일로오스 함량이 150℃ 이하 온도 조건에서 열수 처리를 실시한 후 고형 가수분해물 내에 11.9%로 확인되었고, 상기 두 시료 사이에 큰 차이가 없었다.

반면에, 열수 전처리 조건이 170℃, 30분으로 변화하면서 액상 가수분해물 내 자일로오스(0.63%)와 자일로올리고당(6.13%)의 함량은 증가하였고, 170℃, 50분 조건에서 자일로올리고당의 최대 함량(8.26%)을 확인하였다. 하지만 180℃, 30분으로 열수 처리 조건이 가혹해짐에 따라 자일로올리고당의 함량이 감소하기 시작하였고(5.83%), 열수 처리가 보다 가혹한 조건으로 변화할수록 그 함량이 더욱 감소하였다. 한편 자일로오스 함량은 열수 처리 조건이 180℃, 30분일 경우 1.78%로 증가하여 상기 자일로올리고당 함량 변화와 상반되는 결과가 나타났다. 바이오매스 내 자일란은 가수분해 과정을 통해 가해진 열에너지에 비례하여 액상 가수분해물로 분해되지만, 가해진 열에너지가 클수록 중합도가 높은 형태의 자일로올리고당에서 중합도 낮은 형태인 자일로오스로 용해되었다.

본원 발명의 일 구현예에 따른 상기 열수 전처리 단계는 10 내지 50 분간 이루어지는 것 일 수 있다.

본원 발명의 일 구현예에 따른 자일로올리고당의 함량이 높은 170℃ 조건에서 비교적 반응 시간이 짧은 10분간 열수 처리를 할 경우 자일로올리고당의 함량은 0.75%로 낮게 나타난 반면 상기 온도 조건에서 반응 시간을 50분으로 연장할 경우 자일로올리고당의 함량은 8.26%로 확인되었다. 한편 열수 처리를 180℃ 조건에서 진행할 경우 반응 시간이 10분인 경우와 50분인 경우 자일로올리고당의 함량은 각각 4.30%와 4.45%로 나타났다. 상기 결과를 통해 자일로올리고당의 생산에 적절한 온도 조건이 필요하고, 높은 반응 온도 조건을 단시간 유지하는 것 보다 적절한 온도 조건을 장시간 유지하는 것이 적절한 것으로 사료된다. 이는 자일란 등 헤미셀룰로오스의 결합 구조인 글리코시딕 본드가 가수분해를 통해 분해될 때 과도한 열에너지가 가해질 경우 대부분의 결합이 파괴되어 단량체 형태가 다수 발생하는 반면, 일정한 열에너지가 지속적으로 가해질 때 반응 속도 역시 완화되어 올리고당이 생성 및 유지된 결과이다.

본원 발명의 일 구현예에 따른 상기 열수 전처리 단계는 180 내지 190 ℃온도에서 30 내지 50 분간 이루어져 자일로오스의 생산이 주를 이루는 것 일 수 있다.

본원 발명의 일 구현예에 따른 자일로오스는 본원 발명에서 목표로 하는 자일로올리고당이 열에너지에 의해 중합도가 낮아진 결과물이다. 따라서 상기 자일로올리고당의 생산 조건으로 언급한 170℃ 조건보다 높은 온도 조건인 180 내지 190℃에서 높은 함량을 나타냈다. 또한 자일란-자일로올리고당-자일로오스로 이어지는 분해 과정 중 지속적인 가열(반응 시간의 증가)이 자일로오스의 함량 증가를 일으키는 것으로 확인되었다. 하지만 열수 처리 조건이 190℃, 50분일 경우 30분인 경우 보다 자일로오스의 함량은 소폭 감소하였고, 210℃에서 열수 처리가 진행될 경우 자일로오스의 함량은 0.26%까지 크게 감소하였다. 상기 조건에서 자일로오스의 함량감소는 액상 가수분해물로 분해된 자일로오스가 푸르푸랄 등 5탄당 유래 화합물로 전환된 결과로 사료된다.

본원 발명의 일 구현예에 따른 상기 열수 전처리 단계는 170 내지 180 ℃온도에서 30 내지 50 분간 이루어져 자일로비오스와 자일로트리오스의 생산이 주를 이루는 것 일 수 있다.

본원 발명의 일 구현예에 따른 자일로비오스와 자일로트리오스는 효소적 생산 공정에서 주로 생산되는 자일로올리고당으로써 상기 열수 처리 조건에서 자일로비오스와 자일로트리오스의 최대 함량은 각각 3.04%와 2.12%로 나타났다. 특히 자일로비오스는 열수 처리 공정을 통해 다른 중합도의 자일로올리고당과 자일로오스 보다 높은 함량으로 생산되었다. 따라서 효소적 생산 공정에서의 주 생산 산물인 자일로비오스와 자일로트리오스를 효소 없이 열화학적 공정을 통해 다량으로 생산할 수 있음을 확인하였다.

본원 발명의 일 구현예에 따른 열수 전처리 단계는 170 내지 180 ℃온도에서 10 내지 30 분간 이루어져 자일로테트라오스, 자일로펜토오스 및 자일로헥사오스의 생산이 주를 이루는 것 일 수 있다.

본원 발명의 일 구현예에 따른 자일로테트라오스, 자일로펜토오스 및 자일로헥사오스는 효소적 생산 공정에서 생산하기 어려운 자일로올리고당이다. 앞서 언급한 것과 같이 자일로테트라오스 이상의 중합도를 가지는 자일로올리고당의 생리 활성에 대해 구명한 연구는 드물어 향후 상기 중합도의 자일로올리고당 생산에 본원 발명 기술이 사용될 가능성이 높다. 중합도 4 내지 6인 자일로올리고당은 열수 처리를 170 내지 180℃ 온도에서 30 내지 50분간 진행되었을 경우 주로 생산되었다. 상기 열수 처리 조건에서 자일로테트라오스, 자일로펜토오스, 자일로헥사오스의 최대 함량은 각각 1.50%, 1.04%, 0.75%로 나타났다. 상기 중합도 4 내지 6인 자일로올리고당의 최대 함량은 자일로오스, 자일로비오스, 자일로트리오스에 비해 낮은 수치를 나타내는데, 중합도가 커질수록 투입되는 열에너지에 의해 쉽게 분해되기 때문이다. 그리고 자일로테트라오스, 자일로펜토오스, 자일로헥사오스는 중합도가 낮은 자일로올리고당 보다 낮은 반응 온도 조건에서 보다 많이 생산되는 것으로 확인되지만, 열수 처리 조건이 매우 온화할 경우 목질계 바이오매스의 헤미셀룰로오스 자체가 분해되지 않을 가능성이 높다.

본원 발명의 자일로올리고당은 고온고압반응장치를 이용하여 생산하였다. 외부와의 기체교환이 없는 상기 반응 장치를 이용하여 공시재료에 안정적으로 열에너지를 공급할 수 있다. 이를 통해 난분해성이 강한 바이오매스인 목질계 바이오매스를 이용한 경우에도 자일로올리고당을 원활하게 생산하였고, 투입되는 열에너지의 변화에 의해 자일로올리고당의 중합도가 서로 다른 결과물이 생성되었다. 상기 결과는 고온고압을 유지시킬 수 있는 대부분의 반응 장치에서 재연될 수 있고, 압력의 통제가 가능한 연속식 반응 장치에도 적용 가능하다. 본원 발명은 중합도가 6 이하인 자일로올리고당의 중합도별 생산 경향을 평가하였고, 열수 처리의 조건을 변화시킴으로서 원하는 중합도의 자일로올리고당을 다수 포함하는 결과물을 생산할 수 있는 특징이 있다. 이러한 점은 차후 중합도의 차이에 따른 자일로올리고당의 생리 활성에 대한 연구가 진행될 경우 특정 자일로올리고당의 생산에 도움을 줄 것으로 기대된다.

본원 발명의 자일로올리고당은 비효소적 공정에 의해 생산되어 비교적 높은 가격의 효소가 사용되지 않았기 때문에 생산 비용이 저렴한 장점이 있다. 또한 효소적 공정에 의해 생산된 자일로올리고당은 자일로트리오스보다 높은 중합도의 자일로오스를 생산할 수 없는 단점이 있다. 한편 본원 발명의 자일로올리고당은 용매로 사용한 물 이외에 다른 촉매를 사용하지 않고 생산되었다. 따라서 기존의 산 또는 염기 촉매를 이용하여 자일로올리고당을 생산한 공정에서 발생하는 촉매 가격 문제를 해결할 수 있고, 사용된 촉매의 회수에 대해 자유로운 장점을 지니고 있다.

이하, 본원 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면과 같이 본원이 속하는 기술 분야에서 일반적인 지식을 가진 자가 쉽게 실시할 수 있도록 본원의 구현 예 및 실시 예를 상세히 설명한다. 특히 이것에 의해 본원 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한을 받지 않는다. 또한, 본원 발명의 내용은 여러 가지 다른 형태의 장비로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 구현 예 및 실시 예에 한정되지 않는다.

1. 바이오매스의 분쇄

본원 발명에 따른 목질계 바이오매스로는 난분해성 수종인 유칼립투스(Eucalyptus pellita)를 이용하였다. 상기 목질계 바이오매스는 유칼립투스 칩을 이축스크루분쇄기에 넣고 물을 가하면서 마찰 분쇄하였다. 이축스크루분쇄기로 분쇄된 시료는 0.5 mm 이하의 분말 상태로써 수분 함량이 약 60%였으며 연속식 공정을 위해 건조 공정을 생략하였다. 이후 전처리 공정에 사용하기 전까지 지퍼백에 밀폐하여 4℃이하에서 보관하였다.

2. 자일로올리고당의 생산(열수 처리)

트윈스크류-익스트루더로 분쇄된 시료는 자일로올리고당을 생산하기 위해 열수 처리를 진행하였다. 열수 처리는 122.9 g의 분쇄 시료(전건시료 기준 50 g)를 500 mL의 증류수(1:10, w/v)와 함께 내열 유리용기에 담은 뒤 스테인리스 재질(SUS316)의 반응기(한울엔지니어링, 군포)에 투입하여 진행하였다. 이때 반응온도는 130℃에서 210℃까지, 반응시간은 10분에서 50분까지 설정하였다. 열수 처리 후 목표 반응시간에 도달하면 ice chamber를 이용하여 반응기 온도가 50℃에 도달하도록 냉각시켰다. 냉각 후 반응기 내의 전처리 결과물을 필터페이퍼(Hyundai NO.52)를 이용하여 고형 가수분해물과 액상 가수분해물을 분리하였다.

3. 효소당화

효소 당화 공정은 전처리를 거친 고형시료를 이용하여 진행하였다. 고형시료는 전건 무게 기준 1 g을 투입하였으며, sodium acetate buffer (pH 5.0) 50 mL를 혼합하여 배양을 실시하였다. 효소 당화에 사용한 효소는 상용 효소인 Cellic CTec2 (Novozymes) 이다. 배양은 진탕배양기를 이용하여 50℃ 조건에서 72시간 동안 진행되었다.

도 1은 본원 발명의 일 구현예에 따른 열수 처리 및 효소 당화 후 전환 산물의 물질 균형(mass balance)를 나타낸 것이다. 유칼립투스를 이용하여 열수 처리를 진행한 뒤 자일로올리고당과 효소 당화 후 글루코오스를 생산한 결과, 공정 전후의 물질 균형(mass balance)를 나타낸 것이다.

원시료인 유칼립투스 내 글루코오스 함량과 자일로오스 함량은 각각 54.6%과 12.3%였으나 170℃, 50분 조건에서 열수 처리를 진행한 결과 고형 가수분해물 내 잔존 글루코오스와 자일로오스는 각각 50.8%와 2.1%로 확인되었다. 상기 고형 가수분해물을 이용하여 효소 당화를 실시한 결과 10.5%의 글루코오스를 생산할 수 있었다. 한편, 액상 가수분해물에는 단당류인 자일로오스가 1.3% 확인되었고, 자일로올리고당은 총 8.3% 생산되었다.

열수 처리를 진행한 후 고형 가수분해물의 화학적 조성변화를 하기 표 1에 제시하였다. 열수 처리는 반응온도가 130, 150, 210℃인 조건에서는 반응시간을 10분으로 고정하여 실시한 반면, 반응온도가 170, 180, 190℃인 조건에서는 반응시간을 10, 30, 50분으로 변화를 주어 진행하였다.

표 1에서 알 수 있듯이. 열수 처리 반응 조건의 변화에 따른 글루코오스와 Klason 리그닌의 함량 변화는 거의 발생하지 않았다. 이로부터 본원 발명에 따른 열수 처리 반응 조건들이 글루코오스와 Klason 리그닌의 분해에 큰 영향을 미치지 못함을 확인하였다.

Content (%)		Sugar					Lignin
Temp. (℃)	Time (min)	Glucose	Xylose	Galactose	Mannose	Arabinose	Klason lignin	Acid-soluble lignin
E. pellita		54.6 ±3.6	12.3 ±0.5	1.8 ±0.1	0.7 ±0.0	0.3 ±0.0	34.5 ±2.4	1.5 ±0.0
130	10	50.7 ±0.1	11.8 ±0.0	1.5 ±0.1	0.0 ±0.0	0.0 ±0.0	34.5 ±1.8	2.1 ±0.1
150	10	50.7 ±0.7	11.9 ±0.3	1.3 ±0.0	0.0 ±0.0	0.0 ±0.0	33.3 ±2.6	1.8 ±0.2
170	10	52.9 ±4.5	8.7 ±0.6	0.7 ±0.1	0.0 ±0.0	0.0 ±0.0	34.2 ±0.5	1.1 ±0.1
	30	49.7 ±2.9	2.9 ±0.3	0.0 ±0.0	0.0 ±0.0	0.0 ±0.0	30.9 ±0.7	1.3 ±0.1
	50	50.8 ±2.5	2.1 ±0.3	0.0 ±0.0	0.0 ±0.0	0.0 ±0.0	36.5 ±2.5	0.9 ±0.0
180	10	49.7 ±1.6	3.9 ±0.3	0.0 ±0.0	0.0 ±0.0	0.0 ±0.0	35.1 ±0.7	0.9 ±0.0
	30	48.7 ±0.0	1.7 ±0.1	0.0 ±0.0	0.0 ±0.0	0.0 ±0.0	33.5 ±0.4	0.9 ±0.1
	50	46.5 ±0.3	1.3 ±0.3	0.0 ±0.0	0.0 ±0.0	0.0 ±0.0	33.2 ±0.6	1.4 ±0.1
190	10	49.8 ±1.0	2.0 ±0.5	0.0 ±0.0	0.0 ±0.0	0.0 ±0.0	32.3 ±1.0	1.1 ±0.1
	30	44.0 ±2.5	0.8 ±0.0	0.0 ±0.0	0.0 ±0.0	0.0 ±0.0	36.2 ±1.5	0.9 ±0.1
	50	48.5 ±2.1	0.6 ±0.1	0.0 ±0.0	0.0 ±0.0	0.0 ±0.0	37.8 ±2.4	0.9 ±0.0
210	10	47.8 ±1.4	0.6 ±0.1	0.0 ±0.0	0.0 ±0.0	0.0 ±0.0	33.6 ±1.5	1.1 ±0.2

한편, 본원 발명에 따른 열수 처리 조건에 따라 함량에 큰 변화가 발생한 것은 자일로오스이다. 열수 처리 반응 조건이 130, 150℃인 경우 고형 가수분해물 내 자일로오스는 원시료와 유사한 함량을 나타냈다. 하지만 반응온도가 170℃로 증가하면서 자일로오스 함량은 감소하기 시작하여 180℃이상의 반응온도에서는 대부분의 자일로오스가 고형 가수분해물 내 잔존하지 않았다.

도 2는 본원 발명의 일 구현예에 따른 열수 처리 조건 변화에 따른 효소 당화 결과이다. 본원 발명에서는 효소 당화 공정 전후의 기질의 중량 차이를 통해 확인한 효소 당화율(주황) 뿐만 아니라 Bio-LC를 통해 확인한 글루코오스의 함량(검정)을 동시에 확인해 보았다. 그 결과 효소 당화율과 생성된 글루코오스 함량은 동일한 열수 처리 조건에서 유사한 결과를 나타냈다. 원시료인 유칼립투스는 효소 당화를 진행하여도 글루코오스가 거의 전환되지 않았고, 열수 처리 조건이 가혹해짐에 따라 효소 당화율 및 글루코오스의 함량이 증가하는 양상이 나타났다. 이와 같이 효소 당화 수율이 증가한 것은 상기 자일로오스의 함량 감소로 인한 세포벽의 공극 확장 및 효소 접근성 향상이 주요 원인으로 사료된다. 하지만 상기 분석 결과를 보면, 180℃ 이상의 반응온도 조건에서는 이미 대부분의 자일로오스가 분해되어 조건 변화에 따른 잔존 자일로오스 함량은 큰 차이가 없다. 따라서 효소 당화 수율의 증가는 자일로오스의 제거 효과 뿐만 아니라 세포벽의 구조 이완과 같은 탈구조화가 발생한 결과로 사료된다.

본원 발명에 따른 열수 처리 및 효소 당화 결과 최대 21.5%의 글루코오스 전환을 확인할 수 있었다. 하지만 열수 처리와 효소 당화 사이에 고형 가수분해물에 대한 추가 처리를 진행할 경우 글루코오스 수율이 향상될 수 있을 것으로 기대된다.

도 3은 본원 발명의 일 구현예에 따른 열수 처리 조건 변화에 따른 액상 가수분해물 내 자일로오스 및 자일로올리고당의 함량 분포를 나타낸 것이다. 반응온도가 130, 150℃인 조건에서는 자일로오스와 자일로올리고당이 거의 확인되지 않았다. 이는 상기 고형 가수분해물의 화학적 조성 분석 결과 열수 처리 조건이 약하기 때문에 대부분의 자일로오스가 분해되지 않고 고형 가수분해물에 잔존하였기 때문으로 사료된다. 열수 처리 조건이 170℃, 30분으로 변화하면서 액상 가수분해물 내 자일로오스와 자일로올리고당 함량이 상승하기 시작하여 170℃, 50분 조건에서 자일로올리고당의 최대 함량을 확인하였다. 하지만 180℃, 30분으로 열수 처리 조건이 가혹해짐에 따라 자일로오스와 자일로올리고당 함량이 감소하기 시작하여 보다 가혹한 조건으로 변화하면서 그 함량이 점차 감소하였다. 이는 액상 가수분해물로 유리된 자일로오스와 자일로올리고당이 당 전환산물로 변화한 결과로 사료된다.

한편, 170℃, 10분 또는 180℃, 10분과 같이 짧은 반응시간의 열수 처리는 30분, 50분과 같은 긴 반응시간의 결과보다 자일로오스와 자일로올리고당의 함량이 적었는데, 충분한 반응시간의 확보가 자일로올리고당 생산에 필요한 인자인 것으로 사료된다. 열수 처리에 의한 헤미셀룰로오스의 분해는 산 촉매를 투입한 반응보다 pH에 의한 가수분해가 약하게 발생하므로, 원시료의 자일란이 쉽게 자일로오스로 분해되지 않고 자일로올리고당 형태로 액상 가수분해물에 유리될 수 있도록 한다. 하지만 열수 처리와 같은 열화학적 공정은 액상 가수분해물로 용해된 자일로오스와 자일로올리고당에 대해 낮은 선택성을 나타냈다.

도 4는 본원 발명의 일 구현예에 따른열수 처리 조건 변화에 따른 액상 가수분해물 내 자일로오스 및 자일로올리고당의 함량 분포(중합도별 정리)를 나타낸 것이다. 각 중합도별 최대 생산 조건은 자일로오스(DP=1)는 180℃, 50분; 자일로비오스(DP=2)는 180℃, 30분; 자일로트리오스(DP=3)는 170℃, 50분; 자일로테트라오스(DP=4)는 170℃, 50분; 자일로펜타오스(DP=5)는 170℃, 50분; 자일로헥사오스(DP=6)는 170℃, 30분으로 나타났다. 이를 통해 생성된 산물의 중합도가 높을수록 반응조건의 가혹도가 낮은 조건에 보다 많이 생성됨을 확인하였다.

Claims (6)

1. 목질계 바이오매스를 신속한 수화와 마찰식 분쇄를 통하여 평균입경이 감소하고 표면적이 증가한 섬유질의 수화물을 제조하는 전전처리물 제조단계;
   상기 전전처리물을 열수를 이용하여 처리하는 열수 전처리단계;
   열수로 전처리된 바이오매스를 고상과 액상으로 분리하는 고액분리 단계; 및
   상기 고액분리 단계를 통하여 분리된 액상으로부터 자일로오스 또는 자일로올리고당을 분리하는 올리고당 분리단계를 포함하는 목질계 바이오매스 유래 자일로올리고당의 중합도별 생산 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 열수 전처리 단계는 170 내지 190 ℃의 온도 범위에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 목질계 바이오매스 유래 자일로올리고당의 중합도별 생산 방법.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 열수 전처리 단계는 10 내지 50 분간 이루어지는 것을 특징으로 하는 목질계 바이오매스 유래 자일로올리고당의 중합도별 생산 방법.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 열수 전처리 단계는 180 내지 190 ℃온도에서 30 내지 50 분간 이루어져 자일로오스의 생산이 주를 이루는 것을 특징으로 하는 목질계 바이오매스 유래 자일로올리고당의 중합도별 생산 방법.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 열수 전처리 단계는 170 내지 180 ℃온도에서 30 내지 50 분간 이루어져 자일로비오스와 자일로트리오스의 생산이 주를 이루는 것을 특징으로 하는 목질계 바이오매스 유래 자일로올리고당의 중합도별 생산 방법.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 열수 전처리 단계는 170 내지 180 ℃온도에서 10 내지 30 분간 이루어져 자일로테트라오스, 자일로펜토오스 및 자일로헥사오스의 생산이 주를 이루는 것을 특징으로 하는 목질계 바이오매스 유래 자일로올리고당의 중합도별 생산 방법.

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