KR20200062940A

KR20200062940A - 한천올리고당 제조 방법

Info

Publication number: KR20200062940A
Application number: KR1020180148950A
Authority: KR
Inventors: 오정훈; 심태양; 이동훈; 김봉규
Original assignee: (주)밀양한천
Priority date: 2018-11-27
Filing date: 2018-11-27
Publication date: 2020-06-04
Also published as: KR102144574B1

Abstract

본 발명은, 한천올리고당 제조방법에 관한 것으로, NaOH 또는 Ca(OH)2를 함유한 물을 처리조에 넣고 설정된 온도로 가열하는 (1)과정과; 상기 처리조에 천초를 포함하는 원재료를 투입하여 설정된 시간 동안 혼합하여 천초를 반응시키는 (2)과정과; 반응된 천초를 수세하는 (3)과정과; 수세한 천초를 산처리하는 (4)과정과; 산처리한 천초를 고온, 고압에서 처리하는 (5)과정과; 고온, 고압 처리된 천초를 여과, 건조하는 (6)과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에, 본 발명에 따르면, 한천의 원재료에 별다른 효소를 사용하지 않고 원재료로부터 간단하고 편리하게 한천올리고당을 제조할 수 있으며, 제조 공정이 단순하고 제조 비용을 절감할 수 있다.

Description

한천올리고당 제조 방법 {Agar oligosaccharides Manufacturing Method}

본 발명은 한천올리고당 제조 방법에 관련된 것으로, 효소 등을 이용하지 않고 보다 효과적으로 한천올리고당을 제조할 수 있도록 방법을 개선한 한천올리고당 제조 방법에 관한 것이다.

올리고당(oligosaccharides)은 단당이 글리코사이드(glycoside) 결합에 의해 탈수축합된 중합도 2~10(분자량은 300~2000대 가량)의 소당류에 대한 총칭이며 구성하고 있는 당의 종류에 따라 호모올리고당(homooligosaccharides)과 헤테로올리고당(heterooligosaccharides)으로 구분된다. 올리고당에 대한 관심과 연구는 생리활성적인 특성에서 시작되었지만 근래 생리적 특성뿐만이 아니라 보습성, 흡습성, 점도, 전분질 식품의 노화방지, 분해 및 착색에 대한 안정성 등의 식품의 물리화학적인 특성에도 여러 가지 영향을 주는 것으로 밝혀져 관심이 증대되고 있다. 올리고당은 구성당의 종류, 결합 방식, 분자 상태에 따라 다양한 종류가 있고 종류마다 이화학적 특성이 다르다. 대표적으로 키토 올리고당, 프락토 올리고당, 이소말토 올리고당, 대두 올리고당 등의 다양한 올리고당 관련 연구가 진행되어 있다.

해양에 존재하는 대부분의 해조류에는 현재 식품산업에 유용하게 쓰이고 있는 많은 종류의 다당류가 존재하고 있다. 대표적인 종류로 한천(agar)과 알긴산(alginic acid), 카라기난(carrageenan) 등이 있다.

그러나 이와 같은 다당류들은 동종 혹은 이종의 단당류가 결합된 복잡한 구조를 지니고 있으며, 분자량이 크기 때문에 생리ㆍ기능성 등에 대한 연구를 수행함에 있어 많은 어려움을 겪고 있다. 그래서 많은 연구자들이 이들의 구조를 밝혀내기 위하여 화학적ㆍ효소학적 방법으로 가수분해시켜 이들의 구조를 해석하고 있다.

이 중 비교적 지명도가 높은 것이 한천(agar-agar)이며, 한천은 홍조류(red seaweeds)에서 추출된 점질성의 다당류이다. 한천(agar)은 홍조류의 세포벽 구성성분인 점질성의 난소화성 복합다당류로서, 일종의 식이섬유원이다.

보다 상세하게는, 한천은 갈락토스(galactose)와 갈락토피라노스 (galactopyranose)로 구성된 중합체로, 아가로스(agarose)와 아가로펙틴 (agaroection)으로 구성되어 있는 복합다당류이다(Duckworth, M and W Yaphe, Carbo Res 16, 189-197(1971)). 상기 아가로스와 아가로펙틴의 구성비와 관련하여, 한천은 주로 아가로스 70%와 아가로펙틴 30%으로 구성되어 있는 것으로 보고되고 있다. 상기 아가로스는 중성 다당류로서, 알파-D-갈락토스 잔기와 3,6-안하이드로 (anhydro)-알파-L-갈락토스 잔기로 구성되며, 이들 잔기가 상호반복하여 직쇄 구조를 이루고 있다. 상기 아가로펙틴은 산성 다당류로서, 아가로스에 황산염, 글루콘 산(gluconic acid) 및 파이루베이트(pyruvate)기가 결합된 형태이다. 이 중 황산염과 글루콘 산 잔기의 결합위치는 불부명하나, 파이루베이트 잔기는 D-갈락토스 잔기의 4,6 위치에 결합하여 4,6,-o-(1-c-아르복시에틸리딘)-D-갈락토스의 구조를 형성하며, 홍조류에 따라서 아가로스 중의 D-갈락토스 잔기의 일부는 6-O-메틸화되어 있다.

한천은 소화 효소에 의해 분해되기 어려운 다당류이므로 영양원으로 제공되지는 아니하였으나, 오래전부터 젤리 등의 원료 등 식품산업에 사용되었고, 건강에 대한 관심의 고조와 함께 다이어트 식품으로도 이용되고 있다. 또한, 한천은 미생물 고체 배지와 실험실 시약 등 분자생물학 실험의 중요 재료로 이용되고 있으며, 제육 가공에서는 안정제로, 화장품이나 음식물에서는 겔화제로 사용되며, 치과인상 (dental impression) 재료, 사진에 멀젼의 콜로이드 방지제로 이용되고, 제약분야에서도 사용되는 등 매우 다양한 산업 분야에서 사용되고 있다.

뿐만 아니라, 한천의 분해산물은 생체에 다양한 기능성을 나타내는 고부가가치 재료로서의 활용 가능성이 높고, 신약개발에도 중요한 것으로 보고되어 있다. 구체적으로, 상기 한천의 분해산물 중 한천올리고당(agar oligosaccharides)은 현재까지 세균성장 억제 효과, 전분노화 방지 효과, 대식세포 활성화 효과, 항산화 효과, 항암활성, 피부보습효과 및 피부미백효과가 있는 것으로 보고되어, 항암제, 소염제, 빈혈제, 면역증강제 및 노화방지제 등으로 활용 가능한 것으로 보고되고 있다.

상기와 같은 기능성을 가진 한천올리고당을 생산하기 위한 한천의 분해 방법은 산가수분해법 및 한천분해효소(agarase)를 이용한 효소가수분해법이 있다.

그러나, 효소에 의한 가수분해법의 경우, 효소가 온도 및 수소이온농도(pH)에 대해 안전성이 낮고 당화 반응이 진행됨에 따라 효소-기질 복합체가 점점 증가하여 활성이 저하하는 현상 때문에 일정 농도 이상의 기질 증대를 기대하기 힘들었다. 또한 균주로부터 효소를 분리 정제하는 비용이 많이 들고, 효소 가격이 비싼 반면, 당화반응 후 효소와 생성 환원당의 분리 및 효소의 재사용이 불가능하다는 단점을 가지고 있다. 특히, 한천은 실온에서 0.3wt% 이상 첨가되어 있을 경우 기질이 굳어 겔(gel)을 형성하는 성질을 가지고 있어 반응 공정 중에 생물촉매인 효소와 반응시 기질의 확산이 저하되므로 효소반응이 저해되어 효율적인 반응산물을 생산하기에 부적합한 단점도 가지고 있다. 따라서 효소 가수분해법에 의한 한천 올리고당의 대량생산은 시설 등에 많은 비용이 소비되기 때문에 실용화가 불가능한 실정이다.

반면, 산 가수분해법의 경우에는 온도나 수소이온농도(pH)에 큰 영향을 받지 않으며, 단시간 내에 반응이 가능하고, 기질을 대량으로 처리할 수 있으며, 비용도 저렴하다는 장점을 가지고 있어 대량 생산 공정에 많이 이용되어지고 있다. 그러나, 무기산인 황산이나 염산 등을 사용할 경우, 올리고당의 갈변 문제, 심각한 반응기 재질 부식 문제, 식용 가능한 식품첨가물로서의 부적합성, 분해시 부산물이 다량 생성되는 등의 단점을 가지고 있다.

따라서, 한천의 원재료인 천초를 이용하여 유기산 처리, 고압 처리를 통한 한천올리고당을 제조하는 것이 바람직하다.

[참고문헌]

공개특허공보 제10-2009-0122018호 (2009. 11. 26)

본 발명의 목적은, 한천의 원재료에 별다른 효소를 사용하지 않고 원재료로부터 간단하고 편리하게 한천올리고당을 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 제조 공정이 단순하고 제조 비용을 절감할 수 있는 한천올리고당 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 올리고당의 갈변문제, 분해 시 부산물이 다량 생성을 예방할 수 있는 한천올리고당 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 냉수 및 온수에 모두 용해될 수 있는 한천올리고당 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은, NaOH 또는 Ca(OH)2를 함유한 물을 처리조에 넣고 설정된 온도로 가열하는 (1)과정과; 상기 처리조에 천초를 포함하는 원재료를 투입하여 설정된 시간 동안 혼합하여 천초를 반응시키는 (2)과정과; 반응된 천초를 수세하는 (3)과정과; 수세한 천초를 산처리하는 (4)과정과; 산처리한 천초를 고온, 고압에서 처리하는 (5)과정과; 고온, 고압 처리된 천초를 여과, 건조하는 (6)과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 한천올리고당 제조 방법에 의하여 달성된다.

또한, 상기 (1)과정에서 알카리 반응을 시키는 상기 NaOH는 1~10wt% 또는 Ca(OH)2는 0.1~1wt%를 포함하고, 상기 처리조 내부의 혼합 용액의 온도는 75 ~ 90℃이며, 상기 (2)과정에서 상기 처리조에서 천초를 2~5 시간 반응시키는 것이 바람직하다.

또한, 상기 (4)과정에서 천초를 산처리하는 산처리 물질은 천초 대비 구연산 1~5wt%, 황산 1~2wt%를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 (5)과정에서 고온 및 고압을 유지할 수 있는 밀폐된 고온고압조에서 115~125℃를 유지하고, 상기 (6)과정의 중화는 1~10wt% NaOH를 이용하여 pH 6.0~7.0 사이에서 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 한천의 원재료에 별다른 효소를 사용하지 않고 원재료로부터 간단하고 편리하게 한천올리고당을 제조할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.

또한, 제조 공정이 단순하고 제조 비용을 절감할 수 있는 한천올리고당 제조 방법을 제공할 수 있다.

또한, 올리고당의 갈변문제, 분해 시 부산물이 다량 생성을 예방할 수 있는 한천올리고당 제조 방법을 제공할 수 있다.

또한, 냉수 및 온수에 모두 용해될 수 있는 한천올리고당 제조 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 한천올리고당을 GPC 분석을 한 그래프,
도 2은 도 1의 그래프의 GPC Calibration Plot을 도시한 그래프,
도 3은 한천올리고당의 냉수 및 온수의 용해성을 보여주는 사진이다.

본 발명의 일실예에 따라 원재료인 천초를 이용하여 한천올리고당을 제조하는 방법(이하에서 '한천올리고당 제조 방법'이라 함)에 대하여 도 1 내지 도 3을 참조하여 이하에서 구체적으로 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 한천올리고당을 GPC 분석을 한 그래프이고, 도 2은 도 1의 그래프의 GPC Calibration Plot을 도시한 그래프이며, 도 3은 한천올리고당의 냉수 및 온수의 용해성을 보여주는 사진이다.

한천올리고당 제조 방법은, NaOH를 함유한 물을 처리조에 넣고 설정된 온도로 가열하는 (1)과정과; 상기 처리조에 천초를 포함하는 원재료를 투입하여 설정된 시간 동안 혼합하여 천초를 반응시키는 (2)과정과; 반응된 천초를 수세하는 (3)과정과; 수세한 천초를 산처리하는 (4)과정과; 산처리한 천초를 고온, 고압에서 처리하는 (5)과정과; 고온, 고압 처리된 천초를 여과, 건조하는 (6)과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 한천올리고당 제조 방법의 일실시예는 다음과 같다.

우선 물과 NaOH 용액을 혼합하여 수용할 수 있는 처리조에 5wt% NaOH 용액을 넣어 가열한다(물 1700g에 5wt% NaOH 용액 200g 비율). 처리조 내의 용액의 온도가 80~90℃(바람직하게는 85℃)가 되면 천초(수분 함량 18wt% 이하)를 투입(상기 혼합액에 100g 비율로 투입)하여 섞어준 뒤 3시간 동안 천초와 용액이 반응되도록 한다. 3시간 후 체와 같이 천초가 빠지지 않는 거름수단에 천초를 걸쳐 흐르는 물에 천초를 5회 수세한다.

다음, 수세된 천초의 물기를 짜내고 천초를 처리조에 담아 물을 1400g 넣은 다음 원재료인 천초 대비 구연산 4wt%, 황산 1wt%의 비율로 1시간에 걸쳐 산처리 한다.

산처리 후 중화 없이 115~125℃(바람직하게는 121℃)를 유지하면서, 1시간 동안 밀폐된 오토클레이브를 포함하는 고온고압조에서 고온 및 고압 처리를 한다. 여기서, 고온고압조는 고온을 유지하는 가운데 밀폐된 구조이므로 내부에서 압력이 발생되고, 이 경우 압력은 약 1.3~1.7 atm이고, 더욱 바람직한 압력은 1.5atm 이다.

이러한 고온, 고압 처리 후 pH 6.0 ~ 7.0으로 중화(중화 시 사용하는 용액은 5wt%의 NaOH)를 한 뒤 퍼라이트를 이용하여 여과를 한다. 여과 후 동결을 하여 동결건조를 진행하고 최종적으로 분쇄한다.

여기서, 여과 방법, 건조하는 방법 등은 전술한 방법 이외에도 다양한 공지의 방법으로 이루어질 수 있음은 물론이다.

이러한 과정을 거쳐 본 발명에서 최종적으로 제조된 결과물의 고분자를 측정한 것은 겔투과크로마토그래피(GPC, Gel Permeation Chromatography)이다.

고분자는 사슬의 길이(분자의 크기, 중합도)가 다른 혼합물로 되어 있어서 다분산(polydisperse)하다고 한다. 따라서 분자량이 작은 것부터 큰 것까지 분자량 분포를 갖게 되고, 저분자처럼 얼마라고 정확하게 말하기 어렵기 때문에 그 분자량을 평균값으로 나타내야 할 필요가 있다. 그래서 수평균 분자량, 중량평균 분자량 등의 용어를 사용한다. 분자량은 구성 분자의 분자질량(mi)과 몰수(Ni)의 항으로 정의되며, 수평균 분자량(Mn), 중량평균 분자량(Mw), 부피평균 분자량(Mz)은 아래의 <표 1>과 같고, Mw/Mn을 분산도(PD : Polydispersity)라고 한다. 세 가지 평균 분자량(분자 길이)에서도 알 수 있듯이 분자량은 Mn〈Mw〈Mz 순으로 된다. Monodisperse한 저분자에서는 Mn=Mw=Mz가 되고, Mw/Mn(polydisperse)가 크면 클수록 고분자의 분자량분포가 넓다는 뜻이다.

즉, GPC는 다공성 겔을 이용하여 분자량 차이에 의해 물질이 분리되는 현상을 이용한 장비이다. 신속하고 재현성 있는 데이터를 얻을 수 있어서 널리 사용되고 있다. 일반적으로 분자량이 큰 물질은 빨리 유출되고, 분자량이 작은 물질은 느리게 유출되어, 고분자가 컬럼 내부에서 얼마나 머무는지 시간을 측정하여 고분자의 분자량을 산출할 수 있다.

본 발명에 사용된 GPC는 Waters사의 Breeze System이라는 모델로, column으로 Water Ultrahydrogel Linear, 500, 250, 100을, 솔벤트는 0.02N NaNO3를, 온도는 30℃에서, 유량은 0.8ml/min로, 표준 PEG(Polyethylene Glycol)는 20600, 12600, 6690, 4290, 1400, 960, 430, 106 (MP 기준)을 각각 사용 내지 적용하였다.

그 결과 도 1과 같은 그래프를 도출할 수 있었고, 도 1의 그래프를 환산한 것이 도 2의 'GPC Callibration Plot'이고, 도 1 및 도 2의 내용을 구체적으로 숫자로 표시한 것이 <표 2>이다.

이와 대비되는 비교예 1 내지 3은 본 발명과 다소 상이한 조건에서 처리를 하였으며, 그 처리 내용을 구체적으로 비교하면 다음의 <표 3>과 같다.

구분	비교예 1	비교예 2	비교예 3	본 발명 (비교예 4)
천초량	100g
알카리처리	5wt% NaOH (3hr) 80℃	0.4wt% Ca(OH)2 (4hr) 80℃	0.4wt% Ca(OH)2 (4hr) 80℃	5wt% NaOH (3hr) 80℃
수세	5회
산처리	4wt%구연산, 1wt%황산	4wt%구연산, 1wt%황산	4wt%구연산, 1wt%황산 /1hr	4wt%구연산, 1wt%황산 /1hr
고온고압조	121℃ / 1.5hr	121℃ / 1.5hr	121℃ / 1hr	121℃ / 1hr
중화	pH 6.0~6.5	pH 6.0~6.5	pH 6.0~6.5	pH 6.5~7.0
여과	퍼라이트 여과
건조, 분쇄	동결 건조 및 분쇄
용해성	좋지 않음	좋지 않음	좋지 않음	좋음

도 1, 2 및 <표 2>에서 보는 바와 같이 GPC통해 먼저 컬럼을 통과한 평균 분자량이 큰 물질의 평균 분자량(Mw)은 '2602'임을 알 수 있다. 따라서, 본 발명자는 전술한 올리고당의 분자량을 비교하고 검토한 결과 평균 분자량 '2602'를 갖는 물질이 한천올리고당이라고 보았다.

또한, 한천올리고당을 냉수 및 온수에 용해되는지에 대한 것을 확인한 결과 도 3의 사진에서와 같이 냉수 및 온수에 모두 쉽게 용해됨을 알 수 있었다.

즉, 종래기술에서는 수세 - 자숙 - 추출 - 여과 - 건조 - 분쇄한 분말을 이용하여 효소처리 등을 통해 한천올리고당이 만들어졌다. 다시 말하면, 한천 분말을 만든 상태에서 효소처리, 유기산처리 등을 통해 한천올리고당을 제조 내지 만들었다.

그러나, 본 발명의 경우에는 수세 - 산처리 - 고온, 고압 처리 - 중화 - 여과 - 건조 - 분쇄를 한 결과 분말에서 한천올리고당이 생성되었음을 확인할 수 있었다.

즉, 본 발명이 경우 공정 중간에 고온, 고압 처리를 하여 원재료 속에 존재하고 있던 한천올리고당과 관련된 성분들이 충분하게 녹아나오고 분해가 될 수 있는 구조를 가짐을 알 수 있었다(냉수 및 온수 용해성이 매우 좋음). 반면에, 비교예에서는 본 발명과 비교하여 고온 조건은 동일하게 하였으나, 압력이 걸리지 않은 상태에서 진행한 것이 본 발명의 차이이다. 이러한 결과로 본 발명의 경우 냉수, 온수에서 잘 용해가 되었으나, 비교예에서는 용해성이 본 발명과 비교하여 좋지 않은 것으로 미루어 고압 상태가 아니면 한천올리고당 성분이 충분하게 분해되지 않음을 알 수 있다. 이러한 것은 종래기술에서 자숙만을 한 상태에서 추출하여 한천 분말을 만든 경우에도 동일한 것으로 파악된다.

즉, 본 발명의 경우와 달리 비교예 1 내지 3에서와 같이 고온, 고압 처리 공정을 생략한 경우 천초에서 추출하고자 하는 성분이 충분하게 녹아나오지 않음을 확인할 수 있었다.

본 발명의 공정과 같이 고온, 고압 처리를 하는 경우 한천올리고당의 수율도 높아지고 냉수, 온수 등에 용해성도 매우 향상됨을 알 수 있었다.

이에, 본 발명에 따르면, 한천의 원재료에 별다른 효소를 사용하지 않고 원재료로부터 간단하고 편리하게 한천올리고당을 제조할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.

본 발명은 상술한 실시예를 제외한 기타 실시 방식으로 구현할 수 있다. 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식인들은 균등 교체 또는 등가적 변형으로 형성된 기술 방안은 본 발명의 보호범위에 속한다는 것을 이해해야 할 것이다.

Claims

NaOH 또는 Ca(OH)2를 함유한 물을 처리조에 넣고 설정된 온도로 가열하는 (1)과정과;
상기 처리조에 천초를 포함하는 원재료를 투입하여 설정된 시간 동안 혼합하여 천초를 반응시키는 (2)과정과;
반응된 천초를 수세하는 (3)과정과;
수세한 천초를 산처리하는 (4)과정과;
산처리한 천초를 고온, 고압에서 처리하는 (5)과정과;
고온, 고압 처리된 천초를 중화, 여과, 건조하는 (6)과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 한천올리고당 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 (1)과정에서 상기 NaOH는 1~5wt% 또는 상기 Ca(OH)2는 0.1~1.0wt% 포함하고, 상기 처리조 내부의 혼합 용액의 온도는 75~90℃이며,
상기 (2)과정에서 상기 처리조에서 천초를 2~5 시간 반응시키는 것을 특징으로 하는 한천올리고당 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 (4)과정에서 천초를 산처리하는 산처리 물질은 천초 대비 구연산 1~5wt%, 황산 1~2wt%를 포함하는 것을 특징으로 하는 한천올리고당 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 (5)과정에서 고온 및 고압을 유지할 수 있는 밀폐된 고온고압조에서 115~125℃를 유지하고,
상기 (6)과정의 중화는 1~10wt% NaOH를 이용하여 pH 6.0~7.0 사이에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 한천올리고당 제조 방법.