KR20200006765A

KR20200006765A - 커피찌꺼기 전처리방법 및 그 방법으로 얻어진 커피찌꺼기유래다당류로부터 기능성 바이오슈가를 생산하는 방법

Info

Publication number: KR20200006765A
Application number: KR1020180080534A
Authority: KR
Inventors: 배현종; 웽퀜안; 웽?안; 조은진
Original assignee: 전남대학교산학협력단
Priority date: 2018-07-11
Filing date: 2018-07-11
Publication date: 2020-01-21
Also published as: WO2020013402A1; KR102090805B1

Abstract

본 발명은 커피찌꺼기로부터 만노-올리고당과 만노스를 포함하는 유용한 기능성 당을 생산하는 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 효소가수분해 효율을 증가시켜 수율을 향상시킬 수 있도록 커피찌꺼기를 전처리하는 전처리방법 및 그 방법으로 얻어진 커피찌꺼기유래다당류로부터 기능성 당을 생산하는 방법에 관한 것이다.

Description

커피찌꺼기 전처리방법 및 그 방법으로 얻어진 커피찌꺼기유래다당류로부터 기능성 바이오슈가를 생산하는 방법 {Pretreatment method of coffee grounds, and producing method of functional biosugar from polysaccharides derived from pretreated coffee grounds}

본 발명은 커피찌꺼기로부터 만노-올리고당과 만노스를 포함하는 유용한 기능성 당을 생산하는 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 효소가수분해 효율을 증가시켜 수율을 향상시킬 수 있도록 커피찌꺼기를 전처리하는 전처리방법 및 그 방법으로 얻어진 커피찌꺼기유래다당류로부터 기능성 바이오슈가를 생산하는 방법에 관한 것이다.

전 세계적으로 커피 소비가 지속적으로 증가하고 있다. 이에 맞춰서 커피의 생산량이 늘어나고 있을 뿐만 아니라 그로 인하여 커피의 제조 후에 생기는 커피 찌꺼기의 양 또한 매년 증가하고 있는 추세이다. 그런데, 커피 찌꺼기는 방향제나 퇴비 등 정도로 활용도가 제한되어 있어 커피숍에서는 무료로 배포하거나 대부분 폐기되고 있는 실정이다.

하지만, 커피 찌꺼기는 유기성 바이오매스로서 글루칸과 갈락토만난을 포함하는 탄수화물, 조지방, 조섬유, 조단백질, 조회분 등과 같이 다양한 유용성분을 포함하고 있다. 이와 같이 커피 찌꺼기는 복잡한 구성성분 때문에 특성에 맞는 전환 기술을 적용시켜야 효율을 향상시킬 수 있는 단점이 있지만 바이오-리파이너리 공정에 적용 가능한 바이오매스이다. 커피찌꺼기를 바이오-리파이너리 공정에 적용하는 기술이 개발되고 있는데, 예를 들어 커피 찌꺼기 내 조지방의 경우 열-화학적 처리법으로 오일을 추출한 후 바이오디젤 등 생산 원료로 활용하고, 탄수화물과 조섬유의 경우 가수분해하여 단량체인 글루코스, 갈락토스만노스 등의 환원당으로 전환시키는 기술 등이 있다.

특히, 커피 추출 후 남은 커피 찌꺼기는 만노스의 중합체인 만난의 함량이 기타 식물에 비하여 매우 높게 함유 하고 있는 특징이 있다. 만난을 가수분해하면 만노-올리고당과 만노스 단당을 생산할 수 있는데 항균, 항산화, 혈당 감소, 프리바이오틱 (prebiotic) 그리고 보습 등 다양한 효과로 의학 및 미용 산업에 활용되고 있다. 또한 만노-올리고당은 인간의 장 내에서 소화되지 않는 난소화성이기에 정장효과를 나타내며 장내 유익 세균의 활성을 돕는 프리바이오틱스로서의 기능성을 가지며 인간 체지방의 저감 작용에 효과가 있어 비만을 억제하는 도움이 되고 있다

하지만, 커피 찌꺼기에는 만난뿐만 아니라 리그닌을 포함한 다량의 페놀 화합물과 지질 성분 또한 함유되어 있어 가수분해가 어렵고, 기타 성분이 혼합되어 순수도가 낮은 단점을 가지고 있다. 이 문제를 해결하기 위해 만노-올리고당과 만노스의 순수도를 향상시키기 위해서 리그닌과 지질을 제거할 기술이 필요하며, 선택적으로 만노스와 만노-올리고당을 생산할 수 있는 기술 개발이 요구되는 실정이다.

1. 특허공개번호 제10-2011-0077722호 2. 특허등록번호 제10-1763064호

본 발명자들은 다수의 연구결과 커피찌거기를 바이오매스로 사용하여 기능성 당 제조시, 다당류 생산 효율을 증가시킬 수 있는 커피찌꺼기 전처리 기술을 개발함으로써 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 리그닌을 제거한 후 지방을 포함한 유기화합물을 순차적으로 제거함으로써 커피 찌꺼기에 다량으로 함유하여 효소 가수분해 작용을 억제하는 리그닌 및 지질을 비롯한 유기화합물을 효과적으로 제거하여 고순도의 커피찌꺼기유래다당류를 생산할 수 있는 커피찌꺼기 전처리방법 및 그 방법으로 얻어진 커피찌꺼기유래다당류를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 커피찌꺼기 전처리방법을 통해 폐기되어 버려질 커피 찌꺼기로부터 상업에 활용 가능한 상품의 생산이 가능하도록 전처리된 커피찌꺼기유래다당류로부터 효소의 조합 및 당화 시간 변화에 따른 만노-올리고당과 만노스를 선택적으로 생산할 수 있으며, 최종 산물에 적합한 효소의 조합군 및 당화의 시간을 선별하여 최적화된 바이오슈거 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 명시적으로 언급되지 않았더라도 후술되는 발명의 상세한 설명의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자가 인식할 수 있는 발명의 목적 역시 당연히 포함될 수 있을 것이다.

상술된 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 커피찌꺼기를 탈리그닌화 시키는 제1단계; 및 상기 제1단계에서 얻어진 탈리그닌화 커피찌꺼기를 탈지화하는 제2단계;를 포함하는 커피찌꺼기 전처리방법을 제공한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1단계는 커피찌꺼기에 전처리 제1용액을 처리하여 탈리그닌화 시키는 단계; 탈리그닌화 커피찌꺼기를 분리하여 색이 나오지 않을 때까지 온수로 세척하는 단계; 및 세척된 탈리그닌화 커피찌꺼기를 건조하는 단계;를 포함한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 전처리제1용액은 아염소산나트륨과 초산 혼합용액(NaClO₄+ acetic acid), 수산화나트륨용액(NaOH), 과산화수소수와 수산화나트륨혼합용액(H₂O₂+ NaOH), 수산화나트륨과 황산 혼합용액(NaOH+H₂SO₄), 과산화아세트산용액(peracetic acid)로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상이다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 전처리제1용액이 아염소산나트륨과 초산 혼합용액이면, 상기 혼합용액에 포함된 아염소산나트륨과 초산은 1:1의 중량비로 혼합된다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 2단계는 상기 탈리그닌화 커피찌꺼기와 전처리 제2용액을 1:5 내지 1:15(w/v) 비율로 혼합한 후 탈지화 반응시켜 커피찌꺼기유래다당류를 얻는 단계;를 포함한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 전처리 제2용액은 헥산(hexane), 메탄올(MeOH), 에탄올과 벤젠혼합용액(EtOH-Benzene), 메틸렌클로라이드(methylene chloride), 에테르(ether), 클로로폼(chloroform), 에탄올(ethanol), 아세톤(acetone)으로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상이다.

본 발명은 상술된 어느 하나의 전처리방법으로 얻어진 것을 특징으로 하는 커피찌꺼기유래다당류를 제공한다.

바람직한 실시예에 있어서, 그 표면이 다공성이고, 3291.6 cm^-1, 2919.4 cm^-1, 2851.5 cm^-1, 1708.9 cm^-1에서 투과도가 증가된다.

본 발명은 상술된 커피찌꺼기유래다당류에 펙티나제를 처리하여 5시간 내지 7시간동안 단기 가수분해하는 단계; 및 상기 단계에서 얻어진 단기 가수분해물로부터 만노-올리고머를 분리하는 단계;를 포함하는 만노-올리고머 제조방법을 제공한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 만노-올리고머는 만노비오스(mannobiose) 및 만노핵소스 (manno hexose)를 각각 20% 이상 포함한다.

본 발명은 상술된 만노-올리고머가 분리되고 남은 잔여고형물에 펙티나제 및 β-글루코시다제를 처리하여 20 내지 30시간 동안 당화하는 단계;를 포함하는 바이오슈가 제조방법을 제공한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 바이오슈가 중 만노스의 비율이 48-50%이다.

본 발명은 상술된 제조방법으로 얻어진 바이오슈가를 에탄올 발효시키는 발효단계; 및 상기 발효단계에서 얻어진 발효액으로부터 에탄올과 만노스를 분리하는 단계;를 포함하는 만노스 및 바이오에탄올 제조방법을 제공한다.

상술된 본 발명의 커피찌꺼기 전처리방법에 의하면, 리그닌을 제거한 후 지방을 포함한 유기화합물을 순차적으로 제거함으로써 커피 찌꺼기에 다량으로 함유하여 효소 가수분해 작용을 억제하는 리그닌 및 지질을 비롯한 유기화합물을 효과적으로 제거하여 고순도의 커피찌꺼기유래다당류를 생산할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 커피찌꺼기 전처리방법을 통해 폐기되어 버려질 커피 찌꺼기로부터 상업에 활용 가능한 상품의 생산이 가능하도록 얻어진 커피찌꺼기유래다당류로부터 효소의 조합 및 당화 시간 변화에 따른 만노-올리고당과 만노스를 선택적으로 생산할 수 있으며, 최종 산물에 적합한 효소의 조합군 및 당화의 시간을 선별하여 최적화된 바이오슈거 제조방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 이러한 기술적 효과들은 이상에서 언급한 범위만으로 제한되지 않으며, 명시적으로 언급되지 않았더라도 후술되는 발명의 실시를 위한 구체적 내용의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자가 인식할 수 있는 발명의 효과 역시 당연히 포함된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 커피 찌꺼기를 시작물질로 하여 다양한 바이오슈거를 생산하는 과정이 도시된 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 얻어진 전처리 전 커피찌꺼기와 전처리 후 얻어진 커피찌꺼기유래다당류를 주사전자현미경 (SEM)을 이용하여 관찰한 결과 이미지이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 전처리 전 커피 찌꺼기와 전처리 후 얻어진 커피찌꺼기유래다당류를 적외선분광기(FT-IR)을 이용하여 관찰한 결과 이미지이다.
도 4는 다양한 효소의 당화 조건에서 전처리 되지 않은 커피 찌꺼기로부터 단당류의 생산량 및 당화 효율을 관찰한 결과 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 다양한 효소의 당화 조건에서 전처리 된 커피찌꺼기유래다당류로부터 단당류의 생산량 및 당화 효율을 관찰한 결과 그래프이다.
도 6은 다양한 효소의 당화 조건에서 전처리 되지 않은 커피찌꺼기로부터 만노-올리고당류의 생산량 및 당화 효율을 관찰한 결과 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 다양한 효소의 당화 조건에서 전처리 된 커피 찌꺼기 유래 다당류로부터 만노-올리고당류의 생산량을 관찰한 결과 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 pectinase 당화 조건에서 커피찌꺼기유래 다당류로부터 만노스와 만노-올리고당 생산량을 관찰한 결과 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 커피 찌꺼기 유래 다당류로부터 다양한 바이오슈가 생산 mass balance 모식도이다.

본 발명에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 발명의 설명에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다. 특히, 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등이 사용되는 경우 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되는 것으로 해석될 수 있다.

시간 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시간 적 선후관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함한다.

이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.

그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 본 발명을 설명하기 위해 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

본 발명의 기술적 특징은 커피 폐기물에서 리그닌과 지질을 효과적으로 제거할 수 있는 커피찌꺼기 전처리방법에 있다. 즉, 커피 찌꺼기에는 만난뿐만 아니라 리그닌을 포함한 다량의 페놀 화합물과 지질 성분 또한 함유되어 있어 가수분해의 어려움과 기타 성분이 혼합되어 순수도가 낮은 단점이 있었기 때문이다.

따라서, 본 발명의 커피찌꺼기 전처리방법은 커피찌꺼기를 탈리그닌화 시키는 제1단계; 및 상기 제1단계에서 얻어진 탈리그닌화 커피찌꺼기를 탈지화하는 제2단계;를 포함한다.

먼저, 제1단계는 커피찌꺼기에 전처리 제1용액을 처리하여 탈리그닌화 시키는 단계; 탈리그닌화 커피찌꺼기를 분리하여 색이 나오지 않을 때까지 온수로 세척하는 단계; 및 세척된 탈리그닌화 커피찌꺼기를 건조하는 단계;를 포함할 수 있다.

여기서, 탈리그닌화 시키는 단계는 커피찌꺼기와 전처리 제1용액을 1:3 (w/v)의 부피비로 혼합한 후 70℃ 내지 100℃의 온도범위에서 2 내지 4시간 동안 교반하여 반응시켜 수행할 수 있다. 1시간 간격으로 전처리 제1용액으로 1 g 아염소산나트륨 (NaClO₄) 와 1 mL 초산(acetic acid)을 첨가할 수 있다. 이 때, 전처리제1용액은 아염소산나트륨과 초산 혼합용액(NaClO₄+ acetic acid), 수산화나트륨용액(NaOH), 과산화수소수와 수산화나트륨혼합용액(H₂O₂+ NaOH), 수산화나트륨과 황산 혼합용액(NaOH+H₂SO₄), 과산화아세트산용액(peracetic acid)로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상으로서, 농도는 0.5% 내지 30 중량%일 수 있다. 혼합용액의 경우 각각 1:0.5~2의 중량비로 혼합될 수 있는데, 특히, 전처리제1용액이 아염소산나트륨과 초산 혼합용액이면, 상기 혼합용액에 포함된 아염소산나트륨과 초산은 1:1의 중량비로 혼합되는 것이 바람직하다. 탈리그닌화 반응시 끝나면 상온까지 냉각시킨 후 탈리그린화된 커피찌꺼기를 분리한 후 온수로 처리하는데, 80 ℃ 이상의 온수를 사용하여 처리된 온수에 더 이상 색이 베어나지 않을 때까지 처리한다. 그 후 탈리그닌화 커피찌꺼기를 50℃ 내지 70℃의 온도로 건조시킨다.

또한, 제2단계는 상기 탈리그닌화 커피찌꺼기와 전처리 제2용액을 1:5 내지 1:15(w/v) 비율로 혼합한 후 탈지화 반응시켜 커피찌꺼기유래다당류를 얻는 단계;를 포함한다. 여기서, 제2단계는 일구현예로서 속슬렛추출기를 이용하여 탈리그닌화된 커피찌꺼기와 전처리 제2용액을 1:10~20(w/v) 비율로 혼합하여 50℃ 내지 70℃의 온도범위에서 5-7시간 동안 반응시켜 수행될 수 있다. 이 때 전처리 제2용액은 헥산(hexane), 메탄올(MeOH), 에탄올과 벤젠혼합용액(EtOH-Benzene), 메틸렌클로라이드(methylene chloride), 에테르(ether), 클로로폼(chloroform), 에탄올(ethanol), 아세톤(acetone)으로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다. 탈지화 반응이 수행되어 얻어진 커피찌꺼기 유래다당류는 50-70℃의 온도조건에서 건조될 수 있다.

또한, 본 발명은 상술된 전처리 방법으로 얻어진 커피찌꺼기유래다당류를 제공하는데, 커피찌꺼기유래다당류는 그 표면이 다공성으로서 리그닌 및 지질 등의 성분이 제거되어 표면적이 넓어진 특성을 갖는다. 또한, 3291.6 cm^-1, 2919.4 cm^-1, 2851.5 cm^-1, 1708.9 cm^-1에서 투과도가 증가된 특성을 나타내는 것을 알 수 있어 전처리에 의하여 리그닌이 감소된 결과를 화학적으로 확인할 수 있다.

본 발명의 만노-올리고머 제조방법은 커피찌꺼기유래다당류에 펙티나제를 처리하여 5시간 내지 7시간동안 단기 가수분해하는 단계; 및 상기 단계에서 얻어진 단기 가수분해물로부터 만노-올리고머를 분리하는 단계;를 포함한다. 여기서 만노-올리고머는 만노비오스(mannobiose) 및 만노핵소스 (manno hexose)를 각각 20% 이상 포함할 수 있다.

본 발명의 바이오슈가 제조방법은 만노-올리고머가 분리되고 남은 잔여고형물에 펙티나제 및 β-글루코시다제를 처리하여 20 내지 30시간 동안 당화하는 단계를 포함할 수 있는데, 바이오슈가 중 만노스의 비율이 48-50%이다.

본 발명의 만노스 및 바이오에탄올 제조방법은 제조된 바이오슈가를 에탄올 발효시키는 발효단계; 및 상기 발효단계에서 얻어진 발효액으로부터 에탄올과 만노스를 분리하는 단계;를 포함하여 수행될 수 있다.

여기서, 바이오슈가 제조방법과 만노스 및 바이오에탄올 제조방법은 만노-올리고머 제조방법에 통합되어 수행될 수 있다.

실시예 1

커피찌꺼기를 다음과 같이 순차적으로 탈리그닌화 및 탈지화하여 커피찌꺼기유래 다당류를 얻었다.

(1)제1단계 : 커피찌꺼기 탈리그닌화

커피 찌꺼기 10 % (w/v)에 커피 찌꺼기 건중량 대비 1% (w/w) 아염소산나트륨 (Sodium chlorite; NaClO2)과 1% (w/w) 초산 (acetic acid; C2H4O2)이 혼합된 용액을 80 ℃의 온도에서 3시간 동안 교반하여 반응시키며, 매 1시간 간격으로 동일한 농도의 아염소산나트륨과 초산을 전처리 용액에 첨가한다. 반응이 끝난 전처리 용액을 실온에서 온도를 낮춘 후, 1번 와트만 페이퍼 (Whatman paper No. 1)를 이용하여 전처리용액으로부터 탈리그닌화된 커피 찌꺼기를 분리한다. 그 후, 뜨거운 물을 용액에 색이 나오지 않을 때까지 부어준다. 탈리그닌화 커피 찌꺼기를 60℃의 드라이오븐에서 건조시킨다.

(2) 커피 찌꺼기의 탈지화

탈리그닌화된 커피 찌꺼기와 헥산 (hexane)을 1:10 (w/v) 비율로 혼합하여 속슬렛추출기를 이용하여 60 ℃에서 6시간 동안 반응하여 탈지화시켰다. 그 후 반응이 끝난 결과물을 60℃의 드라이오븐에서 건조시켜 커피찌꺼기유래 다당류를 얻었다.

실시예 2

커피찌꺼기 유래 다당류로부터 다음과 같이 만노-올리고머를 생산하였다.

(1) 가수분해를 위한 다양한 효소의 단백질 정량

다양한 효소(cellulase: Celluclast 1.5L; Trichoderma reesei 26921; Trichoderma longibrachiatum 자체 생산 cellulase, pectinase: 자체 생산 pectinase)를 브래드퍼드 단백질 정량법을 이용하여 각 단백질의 농도를 정량한다.

(2) 커피 찌꺼기 유래 다당류의 효소 가수분해

50 mM 시트르산나트륨 (sodium citrate) 완충용액에 실시예1에서 얻어진 커피찌꺼기 유래 다당류를 기질 농도 10%와 각각의 다른 효소 (4.1 mg/g 바이오매스)를 첨가하여 45 ℃에서 24시간 반응 시킨다. 2시간 간격으로 채집한 당화액은 10분간 끓여서 가수분해 반응의 진행을 끝냈다.

(3) 가수분해 시간에 따른 만노-올리고당 및 만노스 분리 생산

50 mM 시트르산나트륨 (sodium citrate) 완충용액에 커피 찌꺼기 유래 다당류를 기질 농도 10%와 자체 생산 pectinase (4.1 mg/g 바이오매스)를 첨가하여 45 ℃에서 6시간 반응하여 상층액을 회수 후 동결건조하여 만노-올리고당을 얻었다.

실시예 3

실시예2에서 상층액을 회수한 후 남아있는 잔여고형물로부터 다음과 같이 바이오슈가를 생산하고, 생산 바이오슈가로부터 만노스 및 바이오에탄올을 생산하였다.

(1)바이오슈가 생산

실시예2에서 상층액을 회수한 후 남아있는 잔여고형물에 pectinase (4.1 mg/g 바이오매스)과 β-glucosidase (2.1 mg/g 바이오매스)를 첨가하여 45℃에서 24시간 반응시켰다. 그 후 상층액을 회수한 후 동결 건조하여 단당인 바이오슈가를 얻었다.

(2) 에탄올 발효 및 침투기화 (pervaporation)를 이용한 만노스 및 바이오에탄올 생산

상기 생산된 단당과 0.1% 펩톤 (peptone), 0.1% 이용하여 효모추출물 (yeast extract)을 50 mM 트리스-염화수소 (Tris-HCl) 완충용액 (pH 9.0)에 첨가하여 Saccharomyces cerevisiae KCTC 7906으로 30 ℃에서 6 시간 동안 발효시켰다. 발효한 용액은 원심분리와 막 필터를 하여 상층액을 회수 후 50 ℃에서 3 시간동안 분당 1.8 L의 유속으로 PDMS-PEI 막필터로 순환시키며 침투 쪽은 진공 펌프를 이용하여 5 mmHg 이하로 유지시켜 에탄올을 침투 쪽으로 기화 시킨다. 침투 쪽으로 기화 되어 스며든 에탄올은 액체 질소에 담긴 냉각 트랩으로 회수하여 바이오에탄올을 얻었다. 또한, 에탄올을 분리한 용액은 동결 건조하여 만노스를 얻을 수 있다.

비교예

커피찌꺼기 유래 다당류가 아니라 전처리되지 않은 커피찌꺼기를 사용한 것을 제외하면 실시예 2와 동일한 방법을 수행하여 만노-올리고머를 얻었다.

실험예 1

주사전자현미경 (SEM)을 이용하여 커피 찌꺼기와 커피 찌꺼기 유래 다당류의 초미세 구조의 다음과 같이 비교분석하고 그 결과를 도 2에 나타내었다.

SEM 분석을 위해 커피 찌꺼기와 커피 찌꺼기 유래 다당류를 0.1 M phosphate 완충액(pH 7.2)에서 2% (v/v) 파라포름알데하이드 (paraformaldehyde) 와 2% (v/v) 글루타르알데하이드 (glutaraldehyde)의 혼합물을 사용하여 고정시켰다. 0.1 M phosphate 완충액에서 여러 번 세척 한 후, 각 샘플을 농도를 달리한 에탄올에서 탈수시킨 다음 동결 건조시켰다. 모든 샘플은 금 (20 nm)으로 코팅시킨 후 SEM (S2400; Hitachi, Tokyo, Japan)을 통해 분석 하였다.

전처리 효과를 확인하기 위해서 주사전자 현미경을 이용하여 이미지를 조사한 결과, 도 2에 도시된 바와 같이 전처리 후 커피 찌꺼기의 표면의 리그닌 및 지질 등의 성분이 제거되어 다공성으로 표면적이 증가되었음을 확인 할 수 있었다.

실험예 2

화학적 분석을 위해 적외선 분광기를 이용하여 커피 찌꺼기와 커피 찌꺼기 유래 다당류를 비교분석하고 그 결과를 도 3에 나타내었다.

도 3에 도시된 바와 같이 전처리 후 커피 찌꺼기 유래 다당류가 3291.6 cm-1, 2919.4 cm-1, 2851.5 cm-1, 1708.9 cm-1에서 투과도가 증가되었음을 관찰 할 수 있었는데, 이러한 관찰결과로부터 전처리에 의하여 리그닌이 감소되었음을 확인 할 수 있다.

실험예 3

커피 찌꺼기와 커피 찌꺼기 유래된 다당류의 당화를 위하여 비교예 및 실시예2와 같이 다양한 효소를 이용하여 가수분해한 후 비교 분석한 결과를 각각 도 4 및 도 5에 나타내었다.

도 4의 커피 찌꺼기 당화결과에 비하여 도 5의 전 처리된 커피찌꺼기 유래 다당류에 전반적으로 glucose, mannose, galactose 등의 전반적으로 단당의 생산량이 증가되었음을 관찰 할 수 있었으며, mannose의 생산량은 모든 효소에서 6시간 이후로 상승되었음 관찰 할 수 있었다.

실험예 4

실시예 3에서 얻은 당화액에서 만노-올리고머를 비교 분석한 결과, 도 6의 전처리 전 커피 찌꺼기에서 유래한 만노-올리고머에 비하여 도 7의 전처리 후 커피 찌꺼기 유래 다당류에서 유래한 만노-올리고머의 생산량이 높았다.

도 7에 도시된 바와 같이 생산된 만노-올리고머는 6시간 이후 급격히 감소되었음 확인 할 수 있었으며 자체 생산 pectinase에서 만노-올리고머의 생산량이 가장 높았음을 확인 할 수 있었다.

실험예 5

커피 유래 다당류를 자체생산 pectinase를 이용하여 가수분해 후 각 단당 및 올리고머의 농도를 분석하고 그 결과를 도 8에 나타내었다.

도 8에 도식된 바와 같이 24 시간에서 약 90 mg/mL의 단당이 생산됨을 관찰 할 수 있었으며 생산된 단당의 양은 만노스, 글루코오스, 갈락토오스 순으로 생산됨을 알 수 있었다. 만노-올리고머의 경우 6 시간에서 약 83 mg/mL의 총 만노-올리고머 생산됨을 관찰 할 수 있었으며 생산된 올리고머는 6시 이후로 감소되었음을 관찰 할 수 있었다.

실험예 6

커피 찌꺼기 100g으로 만노스 및 만노-올리고머 생산을 위한 mass balance를 분석하고 그 결과를 도 9에 도시하였다.

도 9에 도시된 바와 같이 전처리에 의하여 61 g의 커피 유래 다당류를 얻을 수 있었다. 자체 생산된 pectinase로 6시간의 단기 가수분해 한 결과 상층액으로부터 약 15.9 g의 만노-올리고머 회수 할 수 있었으며 만노비오스 (mannobiose)와 만노핵소스 (mannohexose)가 각각 약 24%, 20%를 차지하고 있었다. 6시간 당화 후 남은 커피 유래 다당류는 자체생산 pectinase와 β-glucosidase를 이용하여 24시간 당화를 한 결과 약 25.6 g의 바이오슈가를 회수 할 수 있었으며 만노스의 비율은 약 49%로 나타났다. 생산된 바이오슈거를 발효와 투과막 증발을 통하여 약 3.1 g의 바이오 에탄올과 18.2 g의 mannose를 생산 할 수 있음을 관찰 할 수 있었다.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims

커피찌꺼기를 탈리그닌화 시키는 제1단계; 및
상기 제1단계에서 얻어진 탈리그닌화 커피찌꺼기를 탈지화하는 제2단계;를 포함하는 커피찌꺼기 전처리방법.
제 1 항에 있어서,
상기 제1단계는 커피찌꺼기에 전처리 제1용액을 처리하여 탈리그닌화 시키는 단계; 탈리그닌화 커피찌꺼기를 분리하여 색이 나오지 않을 때까지 온수로 세척하는 단계; 및 세척된 탈리그닌화 커피찌꺼기를 건조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 커피찌꺼기 전처리방법.
제 2 항에 있어서,
상기 전처리제1용액은 아염소산나트륨과 초산 혼합용액(NaClO₄+ acetic acid), 수산화나트륨용액(NaOH), 과산화수소수와 수산화나트륨혼합용액(H₂O₂+ NaOH), 수산화나트륨과 황산 혼합용액(NaOH+H₂SO₄), 과산화아세트산용액(peracetic acid)로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 커피찌꺼기 전처리방법.
제 3 항에 있어서,
상기 전처리제1용액이 아염소산나트륨과 초산 혼합용액이면, 상기 혼합용액에 포함된 아염소산나트륨과 초산은 1:1의 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 커피찌꺼기 전처리방법.
제 1 항에 있어서,
상기 2단계는 상기 탈리그닌화 커피찌꺼기와 전처리 제2용액을 1:5 내지 1:15(w/v) 비율로 혼합한 후 탈지화 반응시켜 커피찌꺼기유래다당류를 얻는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 커피찌꺼기 전처리방법.
제 5 항에 있어서,
상기 전처리 제2용액은 헥산(hexane), 메탄올(MeOH), 에탄올과 벤젠혼합용액(EtOH-Benzene), 메틸렌클로라이드(methylene chloride), 에테르(ether), 클로로폼(chloroform), 에탄올(ethanol), 아세톤(acetone)으로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 커피찌꺼기 전처리방법.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 전처리방법으로 얻어진 것을 특징으로 하는 커피찌꺼기유래다당류.
제 7 항에 있어서,
그 표면이 다공성이고, 3291.6 cm^-1, 2919.4 cm^-1, 2851.5 cm^-1, 1708.9 cm^-1에서 투과도가 증가되는 것을 특징으로 하는 커피찌꺼기유래다당류.
제 7 항의 커피찌꺼기유래다당류에 펙티나제를 처리하여 5시간 내지 7시간동안 단기 가수분해하는 단계; 및
상기 단계에서 얻어진 단기 가수분해물로부터 만노-올리고머를 분리하는 단계;를 포함하는 만노-올리고머 제조방법.
제 9 항에 있어서,
상기 만노-올리고머는 만노비오스(mannobiose) 및 만노핵소스 (manno hexose)를 각각 20% 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 만노-올리고머 제조방법.
제 9 항의 만노-올리고머가 분리되고 남은 잔여고형물에 펙티나제 및 β-글루코시다제를 처리하여 20 내지 30시간 동안 당화하는 단계;를 포함하는 바이오슈가 제조방법.
제 11 항에 있어서,
상기 바이오슈가 중 만노스의 비율이 48-50%인 것을 특징으로 하는 바이오슈가 제조방법.
제 11 항의 제조방법으로 얻어진 바이오슈가를 에탄올 발효시키는 발효단계; 및
상기 발효단계에서 얻어진 발효액으로부터 에탄올과 만노스를 분리하는 단계;를 포함하는 만노스 및 바이오에탄올 제조방법.