KR20230044772A - 올리고당 제조를 위한 생강의 복합 가공 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 올리고당 제조를 위한 생강의 복합 가공 방법으로서, 구체적으로는 아임계 추출과 효소를 활용하여 생강으로부터 올리고당을 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 생강의 복합 가공 방법은 아임계추출을 사용하여 생강을 효율적으로 추출할 수 있으며, 아임계 추출과 효소를 활용하여 60% 이상의 수율로 올리고당을 제조할 수 있다. 또한, 상기 방법으로 제조된 올리고당은 쇼가올 등의 인체에 유익한 여러 가지 성분을 함유하여 면역, 당뇨, 위장 건강, 항암 등의 효과가 있다.

Description

올리고당 제조를 위한 생강의 복합 가공 방법{COMPLEX PROCESSING METHOD OF GINGER FOR PRODUCING OLIGOSACCHARIDE}
본 발명은 올리고당 제조를 위한 생강의 복합 가공 방법으로서, 구체적으로는 아임계 추출과 효소를 활용하여 생강으로부터 올리고당을 제조하는 방법에 관한 것이다.
생강(生薑, ginger)은 동남아시아 원산의 외떡잎식물 생강과 생강목에 속하는 여러해살이풀로 여러 나라에 걸쳐 식용, 약용으로 매우 빈번하게 사용되고 있다. 특유의 알싸한 맛과 향으로 각종 양념이나 소스의 재료뿐 아니라 차나 디저트에도 다양하게 활용되며, 몸을 따뜻하게 해 주고 살균 효과, 항염 효과, 식욕 증진 및 소화 흡수를 돕는 등 다양한 효능을 갖고 있다.
생강의 4분의 3은 수분이며, 전체 고형분의 40~60%는 전분이 차지하고 있다. 또한, 생강은 정유 및 비정유 성분을 가지고 있는데, 정유는 생강의 1~3%를 차지하고 zingiberene, curcumene 등의 성분을 포함하며, 비정유 성분에는 진저롤(gingerol), 쇼가올(shogaol) 등이 함유되어 있다.
쇼가올과 진저롤은 생강의 매운맛을 내는 성분으로 활성산소를 제거하는 항산화 효과가 우수하고 활성산소에 의한 유전자 손상을 차단함으로서 항암효과를 나타낸다. 해열과 진통 및 강력한 항염증효과가 있으며 중추신경계를 진정시키고 위 점막을 자극하여 위액 분비를 증가시키고 소화작용을 촉진하며 구토를 억제하는 작용이 있다.
그러나 쇼가올과 진저롤은 시간이 지남에 따라 가열될 때 다른 성분으로 변하기 때문에, 짧은 시간 안에 생강의 유익한 여러 가지 성분을 효율적으로 추출할 수 있는 방법이 필요하다.
한편, 올리고당(oligosaccharide)은 적은 수의 단당류(2-10개)를 포함한 당 고분자로서, 기존의 감미료인 설탕, 맥아당 등이 가진 건강상의 결점을 개선할 목적으로 효소 합성에 의해 만들어진 당으로 구성된 물질이다. 설탕과 비슷한 단맛을 내면서도 칼로리는 설탕의 75% 정도이기 때문에 설탕 대체물질로서 사용된다. 보통 요리에 주재료로 이용하지 않고 감미료의 보조재료로 이용되며, 올리고당은 포만감을 느끼게 하는 호르몬 분비를 촉진시켜 식욕을 감퇴시키는 효과가 있다.
올리고당은 식물에 함유되어 있으나, 함량이 적기 때문에 공업적으로 효소를 이용하여 생산하고 있으며, 생강은 다량의 전분을 함유하고 있어 당화 과정을 통해 올리고당을 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명은 생강의 유효한 성분을 효율적으로 추출하며, 이를 이용하여 올리고당을 제조하는 방법을 제공하고자 한다.
대한민국 등록특허 제10-1324926호
본 발명을 생강으로부터 올리고당을 제조하기 위하여 아임계 추출과 효소를 활용한 생강의 복합 가공 방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 생강의 복합 가공 방법으로서, (a) 생강을 분쇄하여 생강 분말을 제조하는 단계; (b) 상기 생강 분말을 아임계 추출하는 단계; (c) 상기 아임계 추출하여 얻어진 상등액 및 슬러지에 추출용 효소를 첨가하여 추출하는 단계; (d) 상기 효소 추출하여 얻어진 상등액에 발효용 효소를 첨가하여 발효시키는 단계; 및 (e) 상기 효소 발효된 상등액으로부터 올리고당을 정제하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 추출용 효소는 1차 추출용 효소 및 2차 추출용 효소를 포함하며, 상기 1차 추출용 효소는 cellulase, xylanase, beta-glucanase 및 pectin lyase 중 선택되는 하나 이상의 효소를 포함하고, 상기 2차 추출용 효소는 amylase와 phosphatase이며, 추가로 protease를 사용할 수 있다.
상기 발효용 효소는 glucoamylase이며, 상기의 방법으로 제조된 올리고당의 함량이 60% 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기의 방법에 따라 가공된 생강 가공물을 포함하고, 면역강화, 당뇨, 위장 기능 강화, 또는 항암효과를 내며, 올리고당의 함량이 60% 이상인 기능성 식품 조성물인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 생강의 복합 가공 방법은 아임계추출을 사용하여 생강을 효율적으로 추출할 수 있으며, 아임계 추출과 효소를 활용하여 60% 이상의 수율로 올리고당을 제조할 수 있다. 또한, 상기 방법으로 제조된 올리고당은 쇼가올 등의 인체에 유익한 여러 가지 성분을 함유하여 면역, 당뇨, 위장 건강, 항암 등의 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 생강의 복합 가공 방법을 나타낸 공정도이다.
도 2는 본 발명의 생강의 복합 가공 방법의 메커니즘을 나타낸 도면이다.
도 3은 DPPH 항산화능 측정의 Trolox Standard Curve 그래프이다.
도 4는 DPPH 항산화능 측정의 Inhibition Ratio of Trolox 그래프이다.
도 5는 DPPH 항산화능 측정의 Trolox Equivalent Antioxidant Capacity(TEAC) 그래프이다.
아래에서는 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용, <실시예> 및 <시험예>를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하는 것이지만, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으므로 본 발명의 범위가 아래 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본 발명의 명세서 전체에서, 어떤 단계가 다른 단계와 "상에" 또는 "전에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 단계가 다른 단계와 직접적 시계열적인 관계에 있는 경우 뿐만 아니라, 각 단계 후의 혼합하는 단계와 같이 두 단계의 순서에 시계열적 순서가 바뀔 수 있는 간접적 시계열적 관계에 있는 경우와 동일한 권리를 포함할 수 있다.
본 발명의 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 용어 "~ (하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
생강(生薑, ginger)은 동남아시아 원산의 외떡잎식물 생강과 생강목에 속하는 여러해살이풀이다. 여러 나라에 걸쳐 식용, 약용으로 매우 빈번하게 쓰이는데 감자와 비슷하게 덩이줄기를 이용한다. 특유의 알싸하고 매운 맛은 진저론(Zingerone)과 진저롤(Gingerol), 쇼가올(Shogaol)이라는 성분이 내는 것으로, 주요 생리활성으로 항산화 기능, 관절염 개선, 수술 후 구토/메스꺼움 예방, 입덧/현기능 완화, 혈당 감소에 대한 효과가 알려져 있다.
생강은 감기로 인한 오한, 발열, 두통, 구토, 해수, 가래를 치료하며 식중독으로 인한 복통설사, 복만에도 효과가 있어 끓는 물에 생강을 달여서 차로 마시기도 한다. 말려서 쓸 경우 몸을 따뜻하게 하는 효과와 양기를 돋궈주는 효과가 있다. 약리작용으로 위액분비촉진, 소화력 증진, 심장흥분 작용, 혈액순환촉진, 억균작용 등이 보고되었다.
또한, 뿌리줄기는 말려 갈아서 빵·과자·카레·소스·피클 등에 향신료로 사용하기도 하고, 껍질을 벗기고 끓인 후 시럽에 넣어 절이기도 하며 생강차와 생강주 등을 만들기도 한다.
본 발명은 생강의 복합 가공 방법에 관한 것으로서, 구체적인 사항은 후술한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 생강의 복합 가공 방법에 대하여 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 생강의 복합 가공 방법을 나타낸 공정도이다.
도 1을 참조하면, 생강의 복합 가공 방법(S100)은 생강 분쇄 단계(S110), 아임계 추출 단계(S120), 효소 추출 단계(S130), 효소 발효 단계(S140), 올리고당 정제 단계(S150)를 포함한다.
(a) 생강 분쇄 단계
생강을 세척한 후 껍질을 제거하고 1~3mm 두께로 절단한 다음, 60~80℃ 사이의 온도에서 10~20시간 열풍건조하여 핀밀분쇄기로 100~130mesh의 크기로 분쇄해 생강분말을 만든다.
(b) 아임계 추출 단계
물의 임계점(374.2℃ 22.1MPa) 이상은 액체도 기체도 아닌 초임계수(super-critical water)라 하는데, 그 이하의 고온·고압수(130~200℃ 20기압 정도) 상태의 물은 아임계수(sub-critical water)라 한다. 아임계수는 강력한 가수분해력과 유기물 용해력이 있기 때문에 이를 이용하여 유용성분의 추출에 사용하는 기술이 아임계 추출법이다. 아임계 상태의 물을 이용한 아임계 추출은 일반적인 추출방법보다 매우 짧은 시간 안에 유용물질을 선택적으로 얻을 수 있는 환경 친화적 공정이다.
초임계유체추출장치(SFT-100XW, Supercritical Fluid Technologies, Inc., Newark, DE, USA)를 사용하며, 추출조에 상기 생강분말과 생강분말 100g 당 1L에 해당하는 양의 증류수를 넣는다. 120~125℃에서 2bar의 압력으로 1시간 동안 가열하여 추출한다.
(c) 효소 추출 단계
상기 아임계 추출 단계에서 얻어진 상등액 및 슬러지를 반응기로 옮기고 1차 추출용 효소를 첨가하여 45~55℃에서 12시간 효소 반응시킨 후, 2차 추출용 효소를 첨가하여 45~55℃에서 12시간 효소 반응시킨다.
상기 1차 추출용 효소는 cellulase, xylanase, beta-glucanase 및 pectin lyase 중 선택되는 하나 이상의 효소를 포함하고, 상기 2차 추출용 효소는 amylase와 phosphatase이며, 추가로 protease를 사용할 수 있다.
amylase는 상등액 및 슬러지에 포함된 다당류를 저분자산성다당체, 고분자산성다당체 및 인 함유 덱스트린으로 분해한다. 인 함유 덱스트린은 phosphatase에 의해 인산기가 제거되어 고분자산성다당체가 된다. 고분자산성다당체는 protease에 의해 저분자산성다당체로 분해되며, 이 반응은 가역반응이다. 저분자산성다당체는 산성당(카복실기로 한쪽 또는 두쪽 끝이 치환된 단당류)이 된다.
(d)효소 발효 단계
상기 효소 추출 단계에서 얻어진 상등액에 발효용 효소를 첨가하여 45~55℃에서 12시간 발효시킨다. 상기 발효용 효소는 glucoamylase를 사용한다.
glucoamylase에 의해 산성당, 저분자산성다당체 및 고분자산성다당체는 포도당으로 분해된다. 또한, 포도당은 이소 인말토오스를 거쳐 올리고당으로 되며, 이 반응은 가역반응이다.
(e) 올리고당 정제 단계
상기 발효물에서 이물질을 제거하고 올리고당을 분리·정제한다.
<실시예>
생강분말 250g과 증류수 2.5L를 초임계유체추출장치에 넣고 121℃, 2bar의 조건에서 1시간 동안 추출하였다(수율 38.24%). 상기 추출액에 Viscozyme L(b-glucanase, xylanase, cellulase, hemicellulase)를 처리하여 50℃의 온도에서 12시간 동안 효소 반응시킨 후, amylase, phosphatase 및 protease를 첨가하여 효소 반응시켰다(수율 65.02%). 상기 액에서 생강박분말 20%를 제거한 후, AMG 300L(glucoamylase)를 처리하여 효소 발효시켰다. 65.02%의 수율로 올리고당을 얻었다.
본 발명의 생강의 복합 가공 방법에 대하여 열수추출법과 비교 및 DPPH 항산화능 측정을 진행하였다.
<시험예 1> 열수추출법과 아임계추출법 비교
일반적으로 사용되는 열수추출법과 본 발명에서 사용된 아임계추출법을 비교하였다.
1-1. 시험 방법
① 열수추출법 : 생강분말 250g을 증류수 2.5L에 넣고 100℃에서 1시간 동안 가열하여 추출한다.
② 아임계추출법 : 초임계유체추출장치를 이용하여 생강분말 250g을 증류수 2.5L에 넣고 121℃에서 2bar의 압력으로 1시간 동안 가열하여 추출한다.
1-2. 시험 결과
열수추출물의 수율은 29.56%이며, 아임계추출물의 수율은 38.24%로서, 아임계추출법을 사용시 더 효과적으로 추출이 가능하다는 것을 확인할 수 있다.
<시험예 2> DPPH 항산화능 측정
항산화는 활성산소를 제거하여 산화가 진행되는 것을 억제하거나 완화하는 것을 의미한다. 인간을 포함한 생물은 호흡이라는 과정을 통해 ATP 등의 에너지를 얻는다. 이러한 과정에서 필연적으로 흡입된 산소의 2%를 활성산소로 변환시키게 된다. 이 활성산소는 Free radical을 가진 산소를 의미하며, free radical은 세포막 산화, 촉진, 노화, DNA 변형 등의 문제를 야기한다.
DPPH 항산화능 측정은 DPPH free radical과 항산화물질이 반응하여 DPPH free radical이 감소되는 정도를 측정하는 것이다. DPPH(2,2-diphenyl hydrazy)는 안정한 유리기(stable free radical)로서, 분자 내 비공유 전자(N·)를 갖고 있으나 전자나 free radical과 반응하면 안정한 구조 (N-H)로 변한다. DPPH는 수용액 상태에서 보라색이지만, free radical이 소거되면 전자공여능(electron donating ability)이 되며 담황색으로 변한다. 이때 감소하는 흡광도 값을 UV/Vis 분광광도계를 이용하여 515~517nm에서 측정하여 free radical 소거능력을 측정한다.
2-1. 시험 방법
① 마이크로 피펫을 이용해 시료나 표준물질(Trolox) 100㎕를 넣고 900㎕의 DPPH 용액을 잘 혼합하여 상온의 암소에서 30분간 반응시킨다.
② 분광광도계를 517nm 파장으로 설정한 후, 시료의 흡광도를 측정한다.
③ 표준물질 Trolox를 이용하여 Standard Curve를 작성한다.
④ Inhibition Ratio of Trolox는 Inhibition Ratio of Trolox(%)=(1-시료의 흡광도/대조구의 흡광도)×100로 하여 작성한다.
⑤ 각 샘플에 대하여 Trolox Equivalent Antioxidant Capacity(TEAC)를 측정한다.(TEAC=IC50(Trolox)/IC50(Sample))
2-2. 시험 결과
Trolox는 지용성과 수용성 두 가지의 성질을 띄고 있어 Free radical 소거능력 측정 시 사용되는 대표적인 표준물질이다. 표준물질인 Trolox의 농도를 0, 20, 40, 60, 80l, 100μg/ml로 하여 흡광도 값을 측정하였다. 대조군은 DPPH용액을 넣어 측정하였다. [도 2]는 Trolox Standard Curve 그래프로서, 방정식은 y = -0.003x + 0.4698, R2 = 0.9909로 나왔다. [도 3]은 Inhibition Ratio of Trolox 그래프로서, y = 0.6497x - 3.0284, R2 = 0.9909로 나왔다.
[도 3]은 Trolox Equivalent Antioxidant Capacity(TEAC) 그래프로서, 상기 <시험예 1>에서 얻어진 생강열수추출물과 생강아임계추출물의 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 생강아임계추출물 TEAC 측정값이 생강열수추출물보다 높았으며, 항산화능이 더 뛰어나다는 것을 확인할 수 있다.
전술된 바와 같이, 본 발명의 생강의 복합 가공 방법은 아임계추출을 사용함으로써, 생강을 일반적으로 사용되는 열수추출보다 높은 수율로 효율적으로 추출할 수 있으며, PPH 항산화능 측정을 통해 항산화능이 뛰어나다는 것을 확인할 수 있다. 아임계 추출과 효소를 활용하여 60% 이상의 수율로 생강으로부터 제조된 올리고당은 쇼가올 등의 인체에 유익한 여러 가지 성분을 함유하여 면역, 당뇨, 위장 건강, 항암 등의 효과가 있다. 또한, 생강의 맛과 향이 더해져 풍미가 우수하여 면역강화, 당뇨, 위장 기능 강화, 또는 항암효과를 위한 기능성 식품 조성물에 사용될 수 있다.
상기와 같이 명세서에 최적의 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
S100 : 생강의 복합 가공 방법
S110 : 생강 분쇄 단계
S120 : 아임계 추출 단계
S130 : 효소 추출 단계
S140 : 효소 발효 단계
S150 : 올리고당 정제 단계

Claims (6)

  1. (a) 생강을 분쇄하여 생강 분말을 제조하는 단계;
    (b) 상기 생강 분말을 아임계 추출하는 단계;
    (c) 상기 아임계 추출하여 얻어진 상등액 및 슬러지에 추출용 효소를 첨가하여 추출하는 단계;
    (d) 상기 효소 추출하여 얻어진 상등액에 발효용 효소를 첨가하여 발효시키는 단계; 및
    (e) 상기 효소 발효된 상등액으로부터 올리고당을 정제하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 생강의 복합 가공 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 아임계 추출은 120~125℃의 온도에서 2bar의 압력으로 1시간 추출하는 것을 특징으로 하는 생강의 복합 가공 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 추출용 효소는 1차 추출용 효소 및 2차 추출용 효소를 포함하며,
    상기 1차 추출용 효소는 cellulase, xylanase, beta-glucanase 및 pectin lyase 중 선택되는 하나 이상의 효소를 포함하고,
    상기 2차 추출용 효소는 amylase와 phosphatase이며, 추가로 protease를 사용하는 것을 특징으로 하는 생강의 복합 가공 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 발효용 효소는 glucoamylase인 것을 특징으로 하는 생강의 복합 가공 방법.
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항의 방법에 따라 가공된 생강 가공물을 포함하고, 면역강화, 당뇨, 위장 기능 강화, 또는 항암효과를 내는 것을 특징으로 하는 기능성 식품 조성물.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 생강 가공물 중의 올리고당 함량이 60% 이상인 것을 특징으로 하는 기능성 식품 조성물.
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