KR20190097286A - 당밀로부터 베타인의 회수 방법 - Google Patents

당밀로부터 베타인의 회수 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 당밀로 필수적으로 구성된 원료로부터 베타인의 회수 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 i. 당밀 내 염의 총량을 (전체 건조 물질에 대해) 2 중량% 미만 수준까지 낮추는, 탈염 단계; ii. 당밀에 프룩탄-형성 효소를 작용시켜 프룩탄-함유 당밀(프룩탄-당밀)을 형성하는, 전환 단계; 및 iii. 프룩탄-당밀을 크로마토그래피로 분리시켜 베타인-함유 분획물을 수득하는, 분리 단계를 포함하고, 이때 (i) 단계를 (iii) 단계 이전에 수행하며, (i) 단계를 (ii) 단계 이전, 도중, 또는 후속으로 수행할 수 있다. 상기 원료는 고농도(thick) 주스를 대안적으로 함유하거나, 고농도 주스로 필수적으로 구성될 수 있다.

Description

당밀로부터 베타인의 회수 방법{PROCESS FOR THE RECOVERY OF BETAINE FROM MOLASSES}
본 발명은 당밀(molasses)로 필수적으로 구성된 원료로부터 베타인을 회수하는 방법에 관한 것이다.
당밀로 구성된 원료로부터 베타인을 회수하는 방법이 US-A-5 127 957에 공지되어 있다. 이러한 공지된 방법에 의하면, 사탕무 당밀의 공급액을 모의 이동층 크로마토그래피 시스템에 공급한다. 용리액으로 물을 사용한다. 크로마토그래피 분리법으로 인해 다양한 분획물(fraction), 예를 들면, 베타인 함량이 더 높은 분획물과, 수크로오스 함량이 더 높은 분획물이 형성된다. US-A-5 127 957의 실시예 1에서, 베타인 함량이 더 높은 분획물은 70.9 중량%의 베타인(건조 물질 기준) 및 11.1 중량%의 수크로오스(건조 물질 기준)를 포함하며; 수크로오스 함량이 더 높은 분획물은 86.6 중량%의 수크로오스(건조 물질 기준) 및 3.3 중량%의 베타인(건조 물질 기준)을 포함한다.
상기 공지된 방법의 단점은 당밀 내의 다른 분획물들로부터 베타인을 분리하는 작업이 항상 최적은 아니라는 것이다. 이에 본 발명의 목적은 상기 단점을 줄이는 데에 있다.
상기 목적은
i. 당밀 내 염의 총량을 (전체 건조 물질에 대해) 2 중량% 미만 수준까지 낮추는, 탈염 단계;
ii. 당밀에 프룩탄-형성 효소를 작용시켜 프룩탄-함유 당밀(프룩탄-당밀)을 형성하는, 전환 단계;
iii. 프룩탄-당밀을 크로마토그래피로 분리시켜 베타인-함유 분획물을 수득하는, 분리 단계
를 포함하고,
(i) 단계를 (iii) 단계 이전에 수행하며, (i) 단계를 (ii) 단계 이전, 도중, 또는 후속으로 수행할 수 있는 방법을 통해 달성된다.
본 발명에 따른 방법의 한 가지 장점은 고순도의 베타인-함유 분획물을 더 효율적으로 수득할 수 있다는 것이다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 장점은 상기 공지된 방법에서의 수크로오스-함유 분획물과 비교하여 본 방법의 중요한 다른 분획물, 즉, 프룩탄-함유 분획물의 수치가 상기 공지된 방법의 상응하는 수크로오스-함유 분획물보다 높다는 것이다.
Iraj Ghazi 및 그 외의 저자는 J. Agric. Food Chem., 2006, 54 (8), 2964 내지 2968 페이지에 사탕무 가공처리시 얻게 되는 설탕 시럽과 당밀을 어떻게 프룩토올리고당(FOS)의 효소적 합성을 위한 저가의 가용 기질로서 산정하게 되었는지 개시하고 있다. 트랜스프룩토실레이트화(당전이) 활성을 지닌 것이 특징인 시판 중의 펙티나제(Pectinex Ultra SP-L, Aspergillus aculeatus사)를 생체 촉매로 사용하였다.
본 발명의 방법은 베타인의 회수에 관한 것이다. 본원에서 의미하는 바와 같이, 베타인은 가령 사탕무(베타 불가리스(Beta vulgaris))에서 발견되며 하기 구조 화학식(I)을 갖는 양성이온(zwitter ion)인 글리신 베타인 또는 N,N,N-트리메틸글리신이란 의미로 사용된다:
Figure pat00001
(I)
알려진 바와 같이, 포유 동물에서 베타인은 이를테면 삼투압 기여자이고, 메틸 공여체로서의 역할을 하는 등 여러 기능을 가진다. 이들 기능 덕분에 베타인 시장이 형성되었으며, 이에 따라 효율적인 방식으로 베타인을 하나의 제품으로 제조하는 것이 바람직하게 되었다. 베타인의 공급원들 중 알려진 한 그룹은 예를 들어 사탕무 당밀과 같은 베타인-함유 당밀이다.
본 발명의 방법에서는 원료를 사용한다. 주요한 일 구현예에 의하면, 원료는 당밀로 필수적으로 구성된다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 조성물 또는 가공 단계와 관련하여 '필수적으로', '필수적으로 구성(된)', '필수적으로 모두' 및 이와 유사한 표현들은, 달리 명시되지 않는 한, 조성물 또는 가공 단계에서 일탈이 발생할 수 있되, 이러한 일탈에 의해 조성물 또는 가공 단계의 본질적인 특성 및 효과가 실질적으로 영향받지 않는 범위까지만 발생할 수 있다는, 일반적인 의미를 지닌다.
본원에서 사용되는 당밀이란 용어는 수크로오스의 제조 방법, 구체적으로는 결정화 단계에서 형성되는 부산물이라는 통상적 의미를 지니며; 더 나아가, 본 발명에 따른 방법에서 사용될 때 당밀은 베타인을 함유해야 한다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 당밀이란 용어는 수크로오스의 제조 방법에서 수득되는 상태의 당밀, 또는 그의 희석된 형태를 지칭하므로, 바람직하게는 수성 상을 이용하여 희석 처리를 한다. 본원에서 의미하는 당밀이란 용어는 또한 하나 이상의 전처리를 거쳤지만, 여전히 상당한 양의 수크로오스, 베타인 및 염을 계속 함유하고 있는 당밀을 포괄한다. 이러한 전처리의 일 예는 수크로오스의 양을 10, 20 또는 30% 내지 50, 60 또는 심지어 70% 감소시키는 것이고; 이러한 전처리의 또 다른 예는 소위 연화 단계로서, 칼슘의 양을 10, 20, 30 또는 40% 내지 50, 60 또는 심지어 70% 감소시키는 것을 목표로 한다. 일 구현예에서는 당밀을 물로 희석하고; 다른 구현예에서는 당밀을 비나스(발효잔사)로 희석한다. 일 구현예에 의하면, 전환 단계가 발생하도록 당밀을 부분 발효된 비나스로 완전히 대체함에 따라, 비나스는 충분한 양의 수크로오스를 갖게 된다. 바람직하게, 당밀은 사탕무 당밀이다. 알려진 바와 같이, 전형적으로 사탕무 당밀은, 전처리를 거치지 않은 비희석된 형태의 총 중량에 대해, 45 내지 65 중량%의 수크로오스; 통상 3 내지 8 중량%의 베타인; 통상 6 내지 10 중량%의 아미노산, 펩타이드 또는 단백질; 약 1 중량%로 적은 양의 비-수크로오스 탄수화물, 이를테면 프룩토오스 및 글루코오스; 및 상당한 양의 다른 화합물, 이를테면 유기염 및 무기염을 함유할 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 당밀 내의 유기염 및 무기염을 포함한 염의 전체 양을 2 중량%(전체 건조 물질 기준) 미만 수준까지 낮추는 (i) 탈염 단계를 포함한다. 탈염 단계는 일반적으로 알려진 바와 같으며; 이 단계를 수행하는 한 방식은 예를 들어 이온교환 수지와 같은 수지를 사용하는 크로마토그래피를 통한 방식이다. 탈염 단계는 두 연속 단계, 즉 제1 '주요' 단계 및 제2 '폴리싱(polishing)' 단계 형태로 수행될 수 있다. 당업자에 알려진 바와 같이, 탈염 단계에서는 강산 양이온 교환 수지와 같은 이온교환 수지를 사용할 수 있으며; 이때 통상 수지 내의 양이온은 주로 교환 목적으로 존재하는 것이 아니라, 탄수화물과 같은 비이온성 화합물로부터 염과 같은 이온성 화합물을 분리시키는데 도움을 주는 역할을 위해 존재하는 것임을 주목한다. (i) 탈염 단계에서 양이온성 수지를 사용하였다면, 상기 수지의 양이온 형태가 당밀 내에 존재하는 주요 양이온 또는 양이온들을 반영하는 것이 바람직하며; 종종 실제로, 이는 칼륨 및/또는 나트륨 형태의 수지를 유리하게 사용할 수 있다는 것을 뜻할 수 있다. 탈염 단계에서, 비록 양성 이온이지만 베타인은, 통상, 비이온성 화합물의 분획물에 포함된다는 것이 밝혀졌다.
바람직하게는, 당밀 내 염들의 전체 양을 당밀 내 전체 건조 물질의 1.5, 1.0, 0.75, 0.60, 0.50, 0.40, 0.30, 0.25, 0.20, 0.15, 0.10 중량% 미만 수준까지, 또는 심지어 0.08, 0.05, 0.04, 0.03, 0.02, 또는 0.01 중량% 미만 수준까지 낮춘다. 동시에, 당밀로부터의 베타인이 당밀로부터 분리된 염을 함유한 분획물 또는 분획물들에 손실되는 양을 최소로 유지해야 한다. 바람직하게, (i) 탈염 단계에 진입된 베타인이 당밀로부터 분리된 염을 함유한 분획물 또는 분획물들에 손실되는 총량은 40, 35, 30, 25, 20 중량% 이하, 또는 심지어 15 또는 10 중량% 이하이다. 마찬가지로, 당물로부터의 탄수화물이 당밀로부터 분리된 염을 함유한 분획물 또는 분획물들에 손실되는 양을 최소로 유지해야 한다. 바람직하게, (i) 탈염 단계에 진입된 탄수화물이 당밀로부터 분리된 염을 함유한 분획물 또는 분획물들에 손실되는 총량은 40, 35, 30, 25, 20 중량% 이하, 또는 심지어 15 또는 10 중량% 이하이다.
당밀로부터의 베타인 및/또는 탄수화물이 (i) 탈염 단계에서 손실되는 것을 제한시키는 조작은 공지된 바와 같은 방식, 이를테면 바람직하게는 크로마토그래피 분리법의 절차를 최적화시킴으로써 달성될 수 있다.
당밀 내 염의 양을 줄이면 본 발명의 방법에서 나중에 수행되는 (iii) 분리 단계의 효율에 유리한 영향을 미친다는 것이 밝혀졌다. 더욱이, (i) 탈염 단계가 식품용-품질 제품, 즉 인간이 섭취하기에 적합한 제품을 더 효율적으로 제조할 수 있게 하는 장점을 지닐 수 있다는 것이 밝혀졌다.
본 발명에 따른 방법에 의하면, (ii) 전환 단계에서 당밀은 프룩탄-형성 효소의 작용을 받는다. 이는 공지된 방식을 통해 달성될 수 있다. 당밀은 그 자체 또는 희석된 형태로 존재할 수 있으며; 바람직하게, 당밀은 희석된 형태로 존재하고, 이때 희석 처리는 바람직하게 물을 사용하여 행해진다. 임의의 희석 처리 또는 더 많은 희석 처리로 인해 사용된 효소의 효율이 감소된다면, 당업자는 일반 방식으로 희석 처리의 장점과 효율 감소를 비교하여 균형을 맞춤으로써 특정 환경에 대한 최적 조건을 확립해야 한다. 일 구현예에 의하면, 유리형(free form)이면서, 당밀과 완전히 혼합되는 효소가 적절한 효소이며; 이러한 효소-함유 당밀을 효소의 활성이 뚜렷해지는 온도 및 pH 조건에 둔다. 대안으로는, 효소의 활성이 뚜렷해지는 온도 및 pH 조건에 당밀을 먼저 둔 후, 효소와 혼합한다. 또 다른 구현예에서, 효소는 고정화된 형태로 이용가능하며, 이러한 고정화된 효소를 따라 당밀이 유동되는 동안, 당밀은 또한 적절한 온도 및 pH 조건 하에 있게 된다.
본 발명에 따른 방법에 사용되는 효소는 수크로오스로부터의 프룩탄 형성을 촉진시킬 수 있어야 한다. 부산물로 유리 글루코오스가 형성될 수 있다.
본원에 사용되는 바와 같이 프룩탄이란 용어는 선택적으로 글루코오스 출발 모이어티를 갖는 프룩토실-프룩토오스 연결로 주로 구성된 탄수화물 물질에 대한 총칭으로서의 일반적 의미를 가진다. 프룩탄의 의미에는 보다 구체적인 화합물들인 이눌린(여기서, 프룩토실-프룩토오스 연결은 주로 β(2->1) 형임), 및 레반 (levan)(여기서, 프룩토실-프룩토오스 연결은 주로 β(2->6) 형임)이 포함된다. 이눌린 및 레반 둘 다 선형 또는 분지형일 수 있으며, 둘 다 다분산계 형태(즉, 다양한 중합도의 혼합물 형태) 또는 단분산계 형태일 수 있다.
보통, 이눌린은 다분산계, 즉 사슬 길이가 다양한 화합물들의 혼합물이며, 이때 개별 화합물의 중합도(DP)의 범위는 2 내지 100 이상일 수 있다. n개의 프룩토오스 모이어티로 구성되는 개별 이눌린 화합물은 흔히 화학식 Fn으로 표시되는 한편, 1개의 글루코오스 출발 모이어티와 m개의 프룩토오스 모이어티를 갖는 개별 이눌린 화합물은 흔히 화학식 GFm으로 표시된다. 본원에 사용되는 바와 같이, 약자 FOS로 쓰이는 프룩토-올리고당은 단분산계 또는 다분산계인 이눌린 물질의 한 특정 형태를 가리키며, 이때 개별 화합물의 DP는 2 내지 10, 실제로는 흔히 2 내지 9, 또는 2 내지 8, 또는 2 내지 7 범위이다. 시판 중인 FOS는, 보통, 수평균 중합도 (
Figure pat00002
)가 약 2 내지 5인 다분산계 물질이다. 수크로오스로부터 합성된 FOS 화합물은 통상 화학식 GFm을 갖는 화합물로 주로 구성되며, 화학식에서 m은 상기 화합물의 중합도에서 1을 뺀 값이다.
실제로, FOS는 올리고프룩토오스로도 지칭된다. 본원에 사용되는 바와 같이, 프룩토-올리고당이란 용어와 올리고프룩토오스란 용어는 동의어인 것으로 간주한다.
수크로오스로부터 프룩탄의 형성은 프룩토실트랜스퍼라제 활성을 갖는 효소를 선택함으로써 실현될 수 있다. 이들 효소는 그 자체로, 예를 들면, 효소 분류 번호 EC 2.4.1.99 또는 EC 2.4.1.9로 분류되어 알려져 있다. 이러한 효소에 대해 문헌 "The Production of Fructooligosaccharides from Inulin or Sucrose Using Inulinase or Fructosyltransferase from Aspergillus ficuum" Barrie E. Norman & Birgitte Hojer-Pedersen, Denpun Kagaku vol 36, No. 2, pp 103-111 (1989)에 처음 개시되었다.
또한, 일부 β-프룩토푸라노시다제 또는 인버타제, 즉 EC 3.2.1.26으로 분류되는 효소 역시 프룩토실트랜스퍼라제 활성을 가질 수 있으므로, 본 발명에 따른 방법에 적합할 수 있다고 알려졌다.
더욱이, 엔도이눌리나제 활성을 갖는 효소, 이를테면 EC 3.2.1.7로 분류되는 효소 또한 수크로오스의 존재 하에, 구체적으로는 수크로오스 함량이 40 또는 50 중량% 또는 그 이상으로 높은 혼합물 내에서 작용하는 경우에, FOS와 같은 프룩탄의 형성을 야기할 수 있다.
더 나아가, 레반수크라제 활성을 갖는 효소, 이를테면 EC 2.4.1.10으로 분류되는 효소는 본 발명에 따른 방법에 사용하기에 적합할 수 있다.
또한, 이눌린 신타아제 활성을 갖는 효소, 이를테면 가령 EP-A-1298204에 개시된 효소는 본 발명에 따른 방법에 사용하기에 적합할 수 있다.
본 발명의 전환 단계에 사용하기에 바람직한 효소의 한 예는 엔도이눌리나제 Novozyme 960(공급업체: Novozymes)이다. 본 발명의 전환 단계에서 사용하기에 바람직한 효소의 또 다른 예는 Pectinex Ultra SP-L(공급업체: Novozymes)이다. 본 발명에 따르면 이러한 효소를 이용하여 프룩토실트랜스퍼라제 및/또는 엔도이눌리나제 활성을 갖는 2종 이상 효소의 조합물을 구성하는 것도 가능하다.
본 발명의 주요 구현예에 의하면, 수크로오스로부터 프룩토올리고당(FOS)의 형성을 촉진할 수 있는 효소를 당밀과 접촉시킨다. 이에 따라 이러한 주요 구현예는 본 발명에 따른 방법에 관한 것으로, 상기 방법의 전환 단계에서는 당밀에 엔도이눌리나제 활성 및/또는 프룩토실트랜스퍼라제 활성을 갖는 효소를 작용시켜 프룩토올리고당-함유 당밀(FOS-당밀)을 형성한 다음, 분리 단계를 FOS-당밀에 수행한다.
본 발명에 따른 방법에 필요한 효소의 양은 다양한(공지된 바와 같은) 요인들, 이를테면 가공처리 온도, 원료 양, pH, 허용되는 가공처리 시간, 및 원하는 전환율에 따라 결정된다. 본 기술 분야에서 일반적으로 허용되는 과정을 따라 당업자는 본 발명의 방법을 위해 이들 요인과 다른 관련 요인들은 결정할 수 있다.
본 발명에 따른 방법에서는, 프룩탄-함유 당밀, 바람직하게는 FOS-함유 당밀을 생성하기에 충분하게 긴 시간 동안 효소가 당밀에 효소가 작용하도록 한다. 본 발명에 따라 이 단계의 수행 기간은 원하는 프룩탄, 바람직하게는 FOS의 양에 따라 주로 선택된다. 당업자라면 숙지하고 있듯이, 이 기간은 흔히 0.5 또는 1시간 내지 72시간, 바람직하게는 1.5 또는 2시간 내지 50시간, 더 바람직하게는 3 또는 4시간 내지 36시간 범위이며, 해당 기간 동안 프룩탄-함유 당밀(프룩탄-당밀), 바람직하게는 FOS-함유 당밀(FOS-당밀)이 형성된다.
(ii) 전환 단계에서, 당밀 내 수크로오스의 5 중량% 내지 100 중량%가 전환되는 것이 바람직하다. 더 바람직하게는 수크로오스의 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 또는 90 중량% 이상이 전환된다. 본질적으로 모든 수크로오스가 전환되는 것이 특히 바람직하다. 전환되는 수크로오스의 비율(%)이 증가하면, 후속의 베타인 회수 단계가 더 효율적으로 수행될 수 있다는 것이 밝혀졌다.
프룩탄-당밀, 바람직하게는 FOS-당밀의 형성이 완료된 후, 유리형, 비고정화된 효소를 사용하여 당밀과 혼합시킨 경우에는, 효소를 확실히 비활성화시키는 것이 바람직할 수 있다. 이 경우라면, 효소 비활성화 단계를 시행할 수 있다. 효소 비활성화는 이에 대해 공지된 것과 같은 방법으로 달성될 수 있으며, 각 특정 효소의 종류에 따라 다를 수 있다. 이러한 비활성화 방법의 일 예는 온도를 가령 약 80, 85 또는 90℃ 수준까지 높인 후, 이렇게 높아진 온도에서 5 내지 30분의 지속 시간을 갖는 것이다. 이러한 온도에 노출시키는 것의 추가 이점은 존재가능한 모든 박테리아의 양이 감소된다는 것이다. 효소 비활성화 방법의 또 다른 예는 UHT(초-저온살균) 처리이다.
(i) 탈염 단계를 먼저 수행한 다음, (ii) 전환 단계를 수행할 때 본 발명의 방법이 기능을 발휘할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 그러나, (ii) 전환 단계를 먼저 수행한 다음, (i) 탈염 단계를 수행할 때에도 본 발명의 방법이 기능을 발휘할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 또한 (i) 단계 및 (ii) 단계를 동시에 수행가능하다는 것도 고려된다.
본 발명의 방법에서, (iii) 분리 단계가 프룩탄-당밀에 수행된다. 분리 단계는 전환 단계 동안 또는 전환 단계 다음에 수행된다. 바람직하게, 분리 단계는 전환 단계 다음에 수행된다. 분리 단계에서는 프룩탄-당밀을 크로마토그래피로 분리시킨다. 알려진 바와 같이, 물질을 크로마토그래피로 분리시키면, 상기 물질이 다양한 분획물로 나뉠 수 있다. 본 발명에 따른 분리 단계는 베타인-함유 분획물이 형성되도록 수행되어야 한다. 당업자는 크로마토그래피 분리법에서 특정 고정상의 선택이 분리 성능에 영향을 미칠 수 있다는 것을 알고 있다. 크로마토그래피 분리법은 공지된 것과 같은 방식으로, 이를테면 프룩탄-당밀을 수지 위로 통과시킴으로써 수행가능하다.
본 발명의 주요 구현예에서, 분리 단계는 이온교환 크로마토그래피에 전형적인 수지를 사용함으로써 수행된다. 알려진 바와 같이, 다양한 수지가 이러한 목적에 사용가능하다. 본 발명에 따른 방법의 바람직한 일 구현예에서는 강산 양이온 교환 수지를 선택한다. 이러한 수지의 일 예는 스티렌-DVB 수지, 즉 디비닐벤젠 DVB와 공중합된 스티렌에 기반한 구조를 갖는 수지, 이를테면 DowexTM 수지이다.
이미 (i) 탈염 단계의 경우에서 그랬던 바와 같이, (iii) 분리 단계에서도, 이온교환 수지를 사용하는 목적은 주로 이온들을 교환하고자 하는 것이 아니며, 사실, 프룩탄-당밀은 매우 적은 양의 이온을 가지게 된다. 오히려, 베타인-함유 분획물 및 선택적으로는 다른 유용한 분획물들을 수득하는데 있어서 이온교환 수지가 분리 효율에 유리하게 영향을 미칠 수 있다는 것이 밝혀졌다. 또한, (강산) 양이온 교환 수지를 선택한다면, 양이온의 선택이 분리 효율에 영향을 미칠 수 있다는 것도 밝혀졌다. 본 발명의 일 구현예에 의하면, 본질적으로 나트륨 형태의 양이온 교환 수지가 바람직하다. 본 발명의 다른 구현예에 의하면, 본질적으로 칼륨 형태의 양이온 교환 수지가 바람직하다. 본 발명의 또 다른 구현예에 의하면, 본질적으로 칼슘 형태의 양이온 교환 수지가 바람직하다. 또 다른 바람직한 구현예들은 마그네슘 또는 철 형태의 수지를 포함한다.
본 발명의 주요 구현예에서는, 혼합된 형태의 양이온 교환 수지들을 사용하며; 이는 다른 형태의, 즉 적어도 수지들이 갖는 양이온 형태면에서 상이한 수지들의 혼합물로 구성된 수지 시스템을 사용하여 분리 단계를 수행한다는 것을 뜻한다. 본 주요 구현예에서의 양이온으로, 마그네슘, 철, 나트륨, 칼륨 및 칼슘이 바람직한 선택이다. 더 바람직하게는, 나트륨, 칼륨 및 칼슘을 사용한다.
칼슘 형태 수지의 함유량을 증가시키면 베타인의 분리 효율 개선에 기여할 수 있다는 것이 밝혀졌지만; 칼슘 형태 수지의 비율이 매우 높으면 수지로부터의 베타인 방출이 당물 내 다른 모든 화합물의 방출보다 매우 늦게 발생하는 상황으로 이어질 수 있다는 것 또한 밝혀졌다. 비록 이는 고순도 베타인-함유 분획물을 직접 수득할 수 있게 한다는 긍정적인 특징이지만, 어떤 상황 하에서는, 예를 들어 베타민-함유 분획물에 대해 원하는 순도가 지나치게 높지 않을 때, 더 많은 양의 용리액을 사용할 필요가 있다는 점에서 불리할 수도 있다. 따라서, 바람직한 일 구현예에 의하면, 양이온 교환 수지 시스템을 사용하고, 이때 수지 시스템의 5 내지 80 중량%는 칼슘 형태의 수지로 구성되며; 이에 따라 바람직하게 수지 시스템의 95 내지 20 중량%는 나트륨 및/또는 칼륨 형태의 수지로 구성된다. 바람직하게, 수지 시스템의 6, 7, 또는 8 중량% 내지 78, 76, 74, 72, 또는 70 중량%; 10 내지 65 또는 60 중량%; 12 또는 14 내지 55 또는 50 중량%; 15 내지 45 또는 40 중량%; 또는 18, 20 또는 22 내지 35 또는 30 중량%가 칼슘 형태이다. 이에 따라, 바람직하게는 수지 시스템의 22, 24, 26, 28, 또는 30 내지 94, 93, 또는 92 중량%; 35 또는 40 내지 90 중량%; 45 또는 50 내지 88 또는 86 중량%; 55 또는 60 내지 85 중량%; 또는 65 또는 70 내지 82, 80, 또는 78 중량%가 나트륨 및/또는 칼륨 형태이다.
본 발명의 (iii) 분리 단계의 위에 언급한 주요 구현예에서 특정의 원하는 양이온 조성물을 가지며 유지하는 것이 바람직하다는 관점에서, (i) 탈염 단계의 주요 바람직한 구현예들에서 전술한 바와 같은 방식으로 (i) 탈염 단계를 수행해야 하는 것이 바람직하고; 당밀 내 양이온들을 제거하되, 임의의 남아있는 양이온이 (iii) 분리 단계에서 수지 시스템의 양이온 조성물에 상당한 영향을 미치지 않도록 하는 범위까지 제거해야 한다는 결론이 나온다. 바람직하게는, (i) 탈염 단계를 수행하되, (iii) 분리 단계에서 수득되는 분획물 또는 분획물들을 28 중량%로 물에 투입하였을 때 2 mS/cm 이하, 바람직하게는 1.5, 1 또는 0.5 mS/cm 이하의 전도도를 갖도록 수행한다. 더 바람직하게, 전도도는 400, 300, 200 또는 심지어 100 μS/cm 이하의 값을 갖는 등 훨씬 더 낮다.
알려진 바와 같이, 분리 단계에서 수지를 사용한 경우, 수지의 최적 유형을 선택하기 위해서는 예컨대 수지의 가교도를 변화시키는 등의 임의의 통상적 최적화 처리가 요구될 수 있다.
바람직하게, 크로마토그래피 분리법은 모의 이동층(SMB) 시스템에서 수행되거나, 또는 순차적 모의 이동층(SSMB)이나 개선형 모의 이동층(ISMB)과 같은 더 발달된 SMB 시스템에서 수행된다. 이는 분리 단계 및/또는 베타인-함유 분획물의 회수가 연속적으로 행해질 수 있다는 장점이 있다. 일 구현예에 의하면, 다수의 분획물을 동시에 생성할 수 있게 하는 시스템, 이를테면 NMCI 시스템을 선택한다.
놀랍게도, 프룩탄-당밀로부터 고순도의 베타인-함유 분획물을 회수할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 어떠한 이론에도 얽매이기를 원하지 않지만, 크로마토그래피 분리법에서 프룩탄(특히, FOS) 및 또한 가능하게는 글루코오스의 거동은 수크로오스의 피크보다 더 날카롭고 덜 분산된 피크가 존재하도록 하면서, 가능하게는 또한 고순도 베타인을 수득하는데 유리하게 특정의 다른 화합물들의 용리 거동에 영향을 줄 수 있도록 하는 것으로 여겨진다.
본 발명의 방법에서는 베타인-함유 분획물이 수득된다. 본원에서 의미하는 바와 같이, 베타인-함유 분획물이란 다른 건조-물질 성분들에 대한 베타인의 비율이 분리 단계에 들어가는 프룩탄-당밀과 비교하여 증가된 분획물을 뜻한다. 바람직하게, 다른 건조-물질 성분들에 대한 베타인의 비율은 적어도 25:75까지, 더 바람직하게는 40:60, 50:50, 60:40, 70:30, 80:20까지, 또는 심지어 적어도 90:10 또는 95:5까지 증가된다.
본 발명의 방법에서 수득되는 베타인-함유 분획물 또는 분획물들을, 꼭 필요하다면, 가령, 증발 또는 멤브레인 기법과 같은 방식을 통해 용리액의 양을 줄이거나 또는 심지어 본질적으로 0으로 만드는 농축 단계와, 후속으로 가능하게는 결정화 단계를 수행하는 등의 공지된 바와 같은 방식을 통해 추가 가공처리할 수 있다.
본 발명의 방법으로 하나 이상의 프룩탄-함유 분획물을 수득할 수도 있다. 프룩탄-함유 분획물을 수득하는 한 가지 방법은 SMB 시스템 또는 한 공급물로부터 다수의 생성물 분획물을 동시에 수득하도록 설계된 관련 시스템(이를테면, 공지된 NMCI 시스템)에서 분리 단계를 수행하는 것이다. 바람직하게는 FOS와 같은 프룩탄의 존재 덕분에, 이들 분획물의 가치는 동물 사료 또는 인간이 먹을 수 있는 식품과 같은 다양한 응용분야에서 상당할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 분리 단계는 매우 적은 양의 베타인과 조합되거나 심지어는 본질적으로 베타인이 무함유된 매우 높은 순도의 프룩탄-함유 분획물을 수득하도록 하는 방식으로 수행된다. 이 구현예에서 바람직한 것은 프룩탄의 양이 (전체 탄수화물 건조 물질에 대해 측정하였을 때) 70 또는 80 중량% 이상, 또는 심지어 90, 95, 98 중량% 이상, 또는 심지어 99 중량% 이상이고, 이에 따라 베타인의 양이 ((프룩탄-함유 분획물의 전체 건조 물질에 대해 측정하였을 때) 0.04 중량% 이하, 바람직하게는 0.03, 0.02, 또는 심지어 0.01 중량% 이하인, 프룩탄-함유, 바람직하게는 FOS-함유, 분획물이다.
그러나, 본 발명의 다른 구현예에서, 분리 단계는 프룩탄이 베타인과 유리하게 조합된 프룩탄-함유 분획물을 수득하도록 하는 방식으로 수행된다. 따라서, 또한, 본 발명은 프룩탄, 바람직하게는 프룩토-올리고당을 (전체 탄수화물 건조 물질에 대해 측정하였을 때) 적어도 10 중량% 함유한, 전환된 사탕무 당밀 제품에 관한 것이다. 바람직하게, 상기 전환된 사탕무 당밀 제품은 프룩탄, 바람직하게는 프룩토-올리고당을 (전체 탄수화물 건조 물질에 대해 측정하였을 때) 20, 30, 40, 50, 60, 65, 70, 75, 또는 심지어 적어도 80 중량% 이상 함유한다. 프룩탄, 바람직하게는 프룩토-올리고당의 양은 바람직하게 (전체 탄수화물 건조 물질에 대해 측정하였을 때) 98 또는 95 중량% 이하이다.
본 발명의 전환된 사탕무 제품은 더 나아가 베타인을 (전환된 사탕무 당밀 제품의 전체 건조 물질에 대해 측정하였을 때) 0.05 내지 2.0 중량% 함유한다. 이의 장점은 전환된 사탕무 제품의 영양적 프로파일이 프룩탄으로만 구성된 제품에 비해 개선되었다는 것이다. 베타인의 양은 바람직하게 (전체 건조 물질에 대해) 0.1 내지 1.5 중량%이다.
본 발명의 전환된 사탕무 제품은 소량의 유기염 및 무기염을 함유하며; 이는 탈염 단계를 시행하는 본 발명의 방법을 통해 제품을 수득하는 경우에 달성될 수 있다. 바람직하게, 본 발명의 전환된 사탕무 제품은, 28 중량%의 양으로 물에 투입되었을 때, 2 mS/cm 이하, 바람직하게는 1.5, 1 또는 0.5 mS/cm 이하의 전도도를 가진다. 더 바람직하게, 상기 전도도는 400, 300, 200 또는 심지어 100 μS/cm 이하의 값을 갖는 등, 훨씬 더 낮다.
본 발명의 전환된 사탕무 당밀 제품은 베타인 함량이 바람직하게는 (사탕무 당밀의 전체 건조 물질에 대해 측정하였을 때) 2, 2.5, 3, 3.5 또는 심지어 4 중량% 이상인 사탕무 당밀부터 수득될 수 있으며, 바람직하게는 수득된다. 바람직하게, 전환된 사탕무 당밀 제품은 수크로오스를 (전체 탄수화물 건조 물질에 대해 측정하였을 때) 25, 20, 15, 10, 5, 4, 3, 2 또는 심지어 1 중량% 이하로 함유한다. 바람직하게, 전환된 사탕무 당밀 제품은 베타인을 (전체 건조 물질에 대해) 1.0, 0.9, 0.8, 0.7, 0.6, 또는 0.5 중량% 이하로 함유한다. 더욱이, 전환된 사탕무 당밀 제품은 글루코오스를 (전체 탄수화물 건조 물질에 대해 측정하였을 때) 바람직하게는 35, 30, 25, 20, 15, 10, 5 또는 4 중량% 이하, 또는 3 또는 심지어 2.0, 1.5, 1.0 또는 0.5 중량% 이하로 함유한다. 일 구현예에 의하면, 전환된 사탕무 당밀 제품은 치아 건강에 대한 기준을 만족시키며; 본원에서 의미하는 바와 같이, 제품을 pH 원격 측정 시험으로 시험하였을 때 제품이 입 안의 pH를 5.7 이하의 수준까지 낮추지 않을 때, 해당 제품은 치아에 해롭지 않은 것으로 간주된다.
위에서 주목한 바와 같이, 본 발명의 분리 단계로 인해, 베타인-함유 분획물 및 프룩탄-함유 분획물과 같은 다수의 분획물을 수득할 수 있다. 이러한 방식으로 분리 단계가 시행된다면, 추가 구획물, 즉, 통상 전환 단계시 상당한 양으로 형성된 글루코오스가 주요 건조-물질 기여자인 분획물이 전형적으로 형성될 수도 있다.
본 발명의 대안적인 주요 구현예에서, 본 방법은 있는 그 상태의 당밀이 아닌 원료로서 고농도(진한) 주스, 또는 당밀과 고농도 주스의 혼합물을 사용한다. 본원에 사용되는 바와 같이, 고농도 주스란 용어는 수크로오스 제조 산업에서 흔히 갖는 의미, 즉 저농도(옅은) 주스에 증발 단계를 시행하여 수득되는 액체 스트림이다. 알려진 바와 같이, 저농도 주스란 용어는 얇게 썬 사탕무의 수성 추출액으로부터 수득되는 정제된 원 주스를 가리킨다.
(i) 탈염 단계를 위한 원료가 고농도 주스를 함유하거나 심지어 고농도 주스로 구성되었다면, 탄수화물의 양, 구체적으로 수크로오스의 양은 당밀로 필수적으로 구성된 원료의 경우에 비해 통상 더 높을 수 있다. 그러나, 다른 한편으로는, 본 발명의 단계들을 전술한 바와 같이 시행할 수 있다. 고농도 주스와 당밀의 혼합물을 원료로서 사용한다면, 고농도 주스와 당밀 간의 비율은 바람직하게 5:95 내지 95:5, 더 바람직하게는 30:70 내지 70:30으로 다양하다.
본 발명의 방법을 하기 실시예를 통해 설명하기로 하며, 이러한 실시예를 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 해석해서는 안된다.
실시예 1
탈염 단계
탈석회화한(decalcified) 사탕무 당밀(고형물 함량 60 Brix)을 ISMB에서 크로마토그래피법을 통해 탈염처리하였다. 크로마토그래피 컬럼 내 고체상은 일부는 칼륨 형태이고, 일부는 나트륨 형태인 양이온 교환 수지 시스템(DowexTM 99/320)이었다. 전체 수지 부피는 9.04 L, 용리액은 물, 용리액/당밀의 비율은 5.5, 유량은 시간 당 0.5 층부피(BV), 온도는 80℃로 하였다.
ISMB에 공급될 때의 당밀의 조성을 표 1에 나타내었다. ISMB은 두 가지 분획물, 즉 염의 함량이 높은 분획물, 및 염이 가능한 한 적게 함유된 생성물 분획물을 수득하도록 설정되었다. 이들 두 분획물의 조성을 표 2에 나타내었다.
공급물
(전체 건조 물질에 대한 중량%)
수크로오스 62.9
베타인 6.67
염들 25.3
염의 함량이 높은 분획물
(전체 건조 물질에 대한 중량%) 		염이 가능한 한 적게 함유된 생성물 분획물
(전체 건조 물질에 대한 중량%)
수크로오스 29.82 88.11
베타인 0.48 10.51
염들 59.41 0.0
전환 단계
탈염 단계로부터 수득된 상태 그대로의 생성물 분획물은 전환 단계를 거치게 된다. 이러한 전환 단계에서는, 생성물 분획물을 엔도이눌리나제인 Novozymes 960과 접촉시켰다. 본 단계는 pH 6.4에서 24 시간 동안 56℃의 온도에서 행해졌다. 그 결과로 얻은 전환된 생성물 분획물의 조성을 표 3에 나타내었다.
화합물 농도
(전체 건조 물질에 대한 중량%)
수크로오스 5.1
베타인 6.54
FOS 50.15
글루코오스 32.1
프룩토오스 2.63
기타 3.48
분리 단계
전환 단계에서 수득된 상태 그대로의 전환된 생성물 분획물은 분리 단계를 거치게 된다. 본 단계는 NMCI(New MCI, Mitsubishi Chemical사 및 Nippon Rensui사가 원조 개발함)에서 시행되었으며; DowexTM 99/320으로 구성된 수지 시스템을 사용하고, 이때 수지의 20 중량%는 칼슘 형태였고, 수지의 80 중량%는 칼륨 형태였다. 세 가지 분획물, 즉 FOS 분획물, 베타인 분획물, 및 당류 분획물을 수득하도록 NMCI를 설정하였다. 주요 조작 조건은 다음과 같이 정해졌다: 온도 = 60℃, 유량 = 0.5 BV/h, 용리액 (물)/전환된 생성물 분획물의 비율 = 7.01. 그 결과로 생성된 세 가지 분획물의 조성을 표 4에 나타내었다.
화합물 농도 (전체 건조 물질에 대한 중량%)
당류 분획물 베타인 분획물 FOS 분획물
수크로오스 3.68 0.0 6.86
베타인 0.15 89.53 1.53
FOS 9.63 9.75 87.51
글루코오스 74.80 0.00 1.85
프룩토오스 6.21 0.72 0.0
기타 5.53 0.0 2.26
표 4에서 명백하듯이, 고순도의 베타인 분획물이 수득되었으며; 이 순도는 해당 생성물을 동물 사료용으로 사용하는데 충분하다. 또한, 수득된 상태 그대로의 FOS 분획물이 본 발명에 따른 전환된 사탕무 당밀 제품이다.

Claims (8)

  1. i. 전체 건조 물질에 대해 당밀 내 염의 총량을 0.5 중량% 이하까지 감소시키는, 탈염 단계;
    ii. 당밀에 프룩탄-형성 효소를 작용시켜 프룩탄-함유 당밀(프룩탄-당밀)을 형성하는, 전환 단계;
    iii. 프룩탄-당밀을 크로마토그래피로 분리시켜 베타인-함유 분획물을 수득하는, 분리 단계
    를 포함하고,
    (i) 단계를 (iii) 단계 이전에 수행하며, (i) 단계를 (ii) 단계 이전, 도중, 또는 후속으로 수행할 수 있으며,
    (iii) 분리 단계에서 강산 양이온 교환 수지를 사용하고,
    강산 양이온 교환 수지는 20 내지 95 중량%가 칼륨 형태인 수지 및 5 내지 80 중량%가 칼슘 형태인 수지로 구성된 수지 시스템인 것을 특징으로 하는,
    당밀로 필수적으로 구성된 원료로부터 베타인의 회수 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 프룩탄-형성 효소는 엔도이눌리나제 활성을 갖는 효소, 프룩토실트랜스퍼라제 활성을 갖는 효소, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 방법.
  3. 제 1항에 있어서, (i) 탈염 단계는 강산 양이온 수지를 고체상으로 사용하는 크로마토그래피 분리법으로 수행되는 것인 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 강산 양이온 교환 수지는 80 중량%가 칼륨 형태인 수지, 및 20 중량%가 칼슘 형태인 수지로 구성된 수지 시스템인 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 전환 단계에서는, 당밀에 엔도이눌리나제 활성을 갖는 효소 및/또는 프룩토실트랜스퍼라제 활성을 갖는 효소를 작용시켜 프룩토-올리고당-함유 당밀(FOS-당밀)을 형성하고, 상기 FOS-당밀에 분리 단계를 시행하는 것인 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 분리 단계를 모의 이동층(SMB) 크로마토그래피 시스템에서 수행하는 것인 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 분리 단계에서는 베타인-함유 분획물 이외에 프룩탄-함유 분획물 또한 수득되는 것인 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 원료는 고농도 주스를 함유하거나, 고농도 주스로 필수적으로 구성되는 것인 방법.
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