KR20230173492A - 베타-리밋 덱스트린의 제조방법 - Google Patents
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-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Abstract
본 발명은 리간드 포집능을 갖는 다기능성 베타-리밋 덱스트린(Beta-limit dextrin) 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 전분 현탁액을 교반 하에 가열하여 호화액을 제조하는 단계; 상기 호화액을 냉각시킨 후 가수분해효소를 첨가 및 교반하여 반응시키는 단계; 및 상기 반응 후 끓는 물에 정치하고, 부산물을 제거하여 베타-리밋 덱스트린을 수득하는 단계;를 포함하는, 베타-리밋 덱스트린의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 베타-리밋 덱스트린 제조방법은 베타-리밋 덱스트린의 수율 및 분리 효율을 높일 수 있으며, 본 발명에 따른 베타-리밋 덱스트린 제조방법에 의해 제조된 베타-리밋 덱스트린은 소수성 물질의 포집능이 뛰어나 다양한 지질과 복합체를 형성할 수 있어, 고부가가치 식품 소재, 약품 및 화장품 소재 등 다양한 분야에서 활용할 수 있다.
본 발명에 따른 베타-리밋 덱스트린 제조방법은 베타-리밋 덱스트린의 수율 및 분리 효율을 높일 수 있으며, 본 발명에 따른 베타-리밋 덱스트린 제조방법에 의해 제조된 베타-리밋 덱스트린은 소수성 물질의 포집능이 뛰어나 다양한 지질과 복합체를 형성할 수 있어, 고부가가치 식품 소재, 약품 및 화장품 소재 등 다양한 분야에서 활용할 수 있다.
Description
본 발명은 리간드 포집능을 갖는 다기능성 베타-리밋 덱스트린(Beta-limit dextrin) 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 전분 현탁액을 교반 하에 가열하여 호화액을 제조하는 단계; 상기 호화액을 냉각시킨 후 가수분해효소를 첨가 및 교반하여 반응시키는 단계; 및 상기 반응 후 끊는 물에 정치하고 부산물을 제거하여 베타-리밋 덱스트린을 수득하는 단계;를 포함하는, 베타-리밋 덱스트린의 제조방법에 관한 것이다.
전분은 식물체가 탄수화물을 저장하는 형태로, 다양한 곡류와 서류에 많이 존재한다. 이러한 전분은 글루코오스(포도당)을 단위체로 하여 알파-1,4 결합으로 연결된 선형 구조를 주요하게 가지는 아밀로오스(amylose)와, 이에 다량의 알파-1,6 결합을 통해 가지친 분지 구조를 주요하게 가지는 아밀로펙틴(amylopectin)의 두 분자로 구성된다.
이러한 전분을 가수분해하여 얻어지는 저분자량의 다당류 탄수화물을 '덱스트린(dextrin)'이라고 하며, 특정한 기능성 및 목적을 갖는 덱스트린에는 사이클로덱스트린(cyclodextrin), 난소화성 덱스트린(undigestible/indigestible dexrin), 베타-리밋 덱스트린(beta-limit dextrin) 등이 있다. 사이클로덱스트린은 6개 내지 8개의 포도당이 환형 구조를 이루고 있으며, 동공 구조에 유기화합물 및 금속 화합물질 등을 포접할 수 있으며, 휘발성 물질의 안정화, 쓴 맛 제거, 불용성 물질의 가용화 등의 목적으로 사용될 수 있다. 난소화성 덱스트린은 산분해 및 가열 공정으로 가수분해 효소에 대한 저항성을 갖는 구조를 형성하거나, 또는 산가수분해 및 효소에 의한 가수분해를 통해 가소화성(digestible) 구조를 제거한 저분자 덱스트린이다.
한편, 리밋 덱스트린(limit dextrin)은 효소를 사용하여 전분을 최대 한계까지 가수분해시킨 산물을 말하며, 특히 베타-리밋 덱스트린은 전분에 베타-아밀라아제(beta-amylase)를 반응 한계까지 처리하여 생산되는 가수분해 산물을 말한다. 베타-아밀라아제는 전분 분자의 비환원성 말단에서부터 알파-1,4 결합을 말토오스 단위로 가수분해하는 작용을 하며, 알파-1,6 결합의 분지 또는 치환된 작용기를 가지는 구조에서는 더 이상 가수분해 작용을 하지 않는다. 이러한 베타-아밀라아제는 전분으로부터 말토오스를 생성하거나 전분의 당화(글루코오스로의 전환 효율을 높이기 위한 목적으로 알파-아밀라아제 계열 효소와 혼합되어 주로 사용되어 왔으나, 이를 통해 생산할 수 있는 베타-리밋 덱스트린은 식품 소재로서 널리 주목받지 못하고 있는 실정이다.
베타-리밋 덱스트린(베타-한계 덱스트린, beta-limit dextrin, BLD)은 그 자체 또는 이의 개량체로서 국내에서는 널리 연구되지 않았으며, 그 기능성 또는 활용처가 제안되지 않고 있다. 국내 상용 소재 또한 부재하며, 시판 소재로는 시약용으로 Megazyme 사에서 lintnerized maize starch로부터 제조한 베타-리밋 덱스트린 제품이 있다
이러한 배경 하에서, 본 발명자들은 베타-리밋 덱스트린의 생산 공정을 개발함으로써, 고부가가치 식품 소재로서 사용할 수 있음을 확인하여 본 발명을 완성하였다.
Korean J. Food Sci. Technol. Vol. 27, No. 1, pp.105~111(1995)
본 발명의 목적은 (a) 전분 현탁액을 교반 하에 가열하여 호화액을 제조하는 단계; (b) 상기 호화액을 냉각시킨 후 가수분해효소를 첨가 및 교반하여 반응시키는 단계; 및 (c) 상기 반응 후 끓는 물에 정치하고, 부산물을 제거하여 베타-리밋 덱스트린을 수득하는 단계;를 포함하는, 베타-리밋 덱스트린(beta-limit dextrin)의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 제조방법에 의해 제조되는 베타-리밋 덱스트린을 제공하는 것이다.
이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 한편, 본 출원에서 개시된 각각의 설명 및 실시형태는 각각의 다른 설명 및 실시 형태에도 적용될 수 있다. 즉, 본 출원에서 개시된 다양한 요소들의 모든 조합이 본 출원의 범주에 속한다. 또한, 하기 기술된 구체적인 서술에 의하여 본 출원의 범주가 제한된다고 볼 수 없다.
상기 목적을 달성하기 위한 일 양태로서, 본 발명은 (a) 전분 현탁액을 교반 하에 가열하여 호화액을 제조하는 단계; (b) 상기 호화액을 냉각시킨 후 가수분해효소를 첨가 및 교반하여 반응시키는 단계; 및 (c) 상기 반응 후 끓는 물에 정치하고, 부산물을 제거하여 베타-리밋 덱스트린을 수득하는 단계;를 포함하는, 베타-리밋 덱스트린(beta-limit dextrin)의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 용어 "베타-리밋 덱스트린(beta-limit dextrin)"은 전분에 베타-아밀라아제를 반응 한계까지 처리하여 생산되는 가수분해 산물을 의미한다.
본 발명의 상기 (a) 단계의 전분은 쌀 전분, 옥수수 전분, 찰옥수수 전분, 찹쌀 전분, 밀 전분, 찰 밀 전분, 타피오카 전분, 감자 전분, 찰 감자 전분, 보리 전분, 찰 보리 전분, 고구마 전분, 콩(pea) 전분, 사고(sago) 전분, 아마란스 전분, 수수(sorghum) 전분, 찰수수 전분, 바나나 전분, 녹두 전분, 동부 전분, 귀리 전분 및 이들 전분의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있으며, 바람직하게는 쌀 전분일 수 있다.
본 발명의 상기 (a) 단계의 현탁액은 전분을 증류수에 현탁시켜 제조하는 것일 수 있다. 상기 현탁은 5 내지 30%의 농도로 이루어지는 것일 수 있으며, 바람직하게는 10%의 농도로 진행되는 것일 수 있다. 저농도에서 이루어지는 경우 수율이 낮을 수 있으며, 고농도에서 이루어지는 경우 호화에 의해 점도가 급증하여 반응이 고르게 일어나지 않을 수 있다.
본 발명의 상기 (a) 단계의 가열은 70 내지 95℃에서 진행되는 것일 수 있으며, 바람직하게는 90℃에서 진행되는 것일 수 있다. 상기 가열이 70℃ 미만의 온도에서 진행되는 경우 전분이 충분히 호화되지 않을 수 있으며, 95℃를 초과할 경우 전분이 충분히 호화되기 전 가열 챔버에 붙은 부분이 타는 현상이 발생하여 수율 및 품질이 감소할 수 있다.
본 발명의 상기 (b) 단계의 냉각은 50℃ 내지 60℃에서 진행되는 것일 수 있으며, 바람직하게는 50℃에서 진행되는 것일 수 있다.
본 발명의 상기 (b) 단계의 가수분해효소는 베타-아밀라아제(beta-amylase)일 수 있다.
본 발명의 용어 "베타-아밀라아제"는 아밀라아제의 한 종류로 다당류의 알파-1,4 글루코사이드 결합을 가수분해하여 비환원당 말단으로부터 연속적으로 말토오스 단위를 제거하는 효소이다.
본 발명의 상기 베타-아밀라아제는 전분 1g당 0.5 내지 20 BAMU의 양으로 첨가되는 것일 수 있으며, 바람직하게는 10 내지 20 BAMU의 양으로 첨가되는 것일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 전분 1g당 10 BAMU의 양으로 첨가되는 것일 수 있다.
본 발명의 상기 (b) 단계의 가수분해효소를 첨가 및 교반하여 반응시키는 단계는 약 37℃ 내지 약 70℃의 온도 범위에서 약 12시간 내지 약 48시간동안 진행되는 것일 수 있으며, 바람직하게는 약 40℃ 내지 60℃의 온도 범위에서 약 12시간 내지 24시간동안 진행될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 반응이 상기 온도 범위 및 시간 범위 미만으로 진행되는 경우 효소 반응이 온전히 진행되지 않을 수 있으며, 상기 온도 범위 및 시간 범위를 초과하여 진행되는 경우 효소가 변성되거나 불필요한 부산물이 과도하게 생성될 수 있다.
본 발명의 상기 (c) 단계의 끓는 물에 정치하는 단계는 약 80℃ 내지 95℃의 온도 범위에서 약 30분 내지 1시간동안 진행될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 상기 (c) 단계의 베타-리밋 덱스트린의 수득은 에탄올 침전 후 원심분리하여 수득하는 것일 수 있다.
상기 에탄올은 1배 내지 5배의 첨가량으로 첨가될 수 있으며, 바람직하게는 2.5배 내지 3배의 첨가량으로 첨가될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 3배의 첨가량으로 첨가될 수 있다.
본 발명의 상기 원심분리는 3000 내지 9000 RPM, 바람직하게는 약 9000 RPM의 조건으로 수행할 수 있으나, 원심분리를 통해 베타-리밋 덱스트린의 효율적인 분리가 가능한 조건이라면 상기 조건에 제한되지 않고 적용될 수 있다.
본 발명의 상기 (c) 단계의 베타-리밋 덱스트린의 수득은 여과를 통해 수득하는 것일 수 있다.
본 발명의 상기 여과는 한외여과, 연속희석식 한외 여과, 세라믹 여과, 중력여과, 압력여과, 원심여과, 진공여과, 필터프레스 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으며, 바람직하게는 연속희석식 한외 여과일 수 있다.
상기 여과는 1차 여과 후 농축액을 회수한 뒤 회수한 농축액에 지속적으로 RO수(Reverse Osmosis Water)을 투입하여 연속적으로 여과하는 것일 수 있다.
상기 여과는 6,000 내지 30,000 Da 크기의 MWCO(Molecular Weight Cut-Off)를 가지는 막을 이용하여 수행되는 것일 수 있으며, 바람직하게는, 30,000 Da 크기의 MWCO를 가지는 막을 이용하여 수행되는 것일 수 있다. 또한, 상기 RO수는 연속적으로 분당 240 내지 600 mL의 속도로 투입되는 것일 수 있으며, 바람직하게는 분당 300 mL의 속도로 투입되는 것일 수 있다.
본 발명의 (c) 단계의 부산물 제거 이후 건조하는 단계를 추가로 포함할 수 있으며, 상기 건조는 동결건조, 고온건조, 실온건조, 드라잉 오븐(drying oven) 건조, 분무건조 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 (b) 단계 이후에 동일 농도의 전분 호화액을 첨가하는 단계를 추가로 포함하는 것일 수 있으며, 상기 베타-리밋 덱스트린 제조방법의 (a) 단계의 전분 호화액과 동일한 농도의 전분 호화액을 추가로 첨가하는 유가식 공정을 수행함으로써, 같은 양의 전분을 이용하더라도 적은 양의 효소가 소요될 수 있으며 최종 생산 수율이 증가하여 베타-리밋 덱스트린의 생산 효율을 극대화시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 전분 호화액은 1시간 내지 2시간 간격으로 2회 이상 추가로 첨가되는 것일 수 있으며, 바람직하게는 1시간 내지 2시간 간격으로 2회 내지 3회에 걸쳐 추가로 첨가되는 것일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1시간 간격으로 2회에 걸쳐 추가로 첨가되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 상기 동일 농도의 전분 호화액은 (a) 단계에서 제조된 전분 호화액 %(w/v)과 동일한 농도의 전분 호화액일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 또 다른 일 양태로서, 본 발명은 상기 베타-리밋 덱스트린 제조방법에 의해 제조된 베타-리밋 덱스트린을 제공한다.
본 발명의 상기 베타-리밋 덱스트린은 주요 가지 사슬 길이가 DP(Degree of Polymerization) 1 내지 7 범위의 가지 사슬을 갖는 것일 수 있으며, 바람직하게는 DP 3 내지 4 범위의 가지 사슬을 갖는 것일 수 있다.
상기 베타-리밋 덱스트린은 지질과의 복합체 형성능이 증가된 것일 수 있으며, 바람직하게는 쌀 전분으로부터 수득된 베타-리밋 덱스트린은 지질과의 복합체 형성능이 증가된 것일 수 있다.
본 발명의 상기 지질은 라우릭산(lauric acid), 팔미트산(palmitic acid), 스테아르산(stearic acid), 미리스트산(myristic acid), 올레산(oleic acid), 리놀레산(linoleic acid), 글리세롤(glycerol), MCT 오일 및 팜유로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있으나 이에 제한되지 않으며, 바람직하게는 라우릭산일 수 있다.
본 발명에 따른 베타-리밋 덱스트린 제조방법은 베타-리밋 덱스트린의 수율 및 분리 효율을 높일 수 있으며, 본 발명에 따른 베타-리밋 덱스트린 제조방법에 의해 제조된 베타-리밋 덱스트린은 소수성 물질의 포집능이 뛰어나 다양한 지질과 복합체를 형성할 수 있어, 고부가가치 식품 소재, 약품 및 화장품 소재 등 다양한 분야에서 활용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 베타-리밋 덱스트린의 제조방법을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명에서 유가식 공정을 포함하는 베타-리밋 덱스트린의 제조방법을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명에서 한외여과의 원리(a) 및 단회 여과 공정의 모식도(b)이다.
도 4는 본 발명에서 단회여과 공정 전후의 GPC 크로마토그램을 비교한 그래프이다.
도 5는 본 발명에서 다회여과 공정의 모식도이다.
도 6은 본 발명에서 다회여과 공정 전후의 GPC 크로마토그램을 비교한 그래프이다.
도 7은 본 발명에서 반복희석식(연속희석식) 여과 공정의 모식도이다.
도 8은 본 발명에서 연속희석식 여과 공정 전후의 GPC 크로마토그램을 비교한 그래프이다.
도 9는 쌀전분 및 찰옥수수 전분의 호화 전후 및 효소반응 후를 비교한 결과이다.
도 10은 본 발명의 한외여과 시스템 내 마이크로필터의 오염 요소를 나타낸 사진이다.
도 11은 본 발명의 베타-리밋 덱스트린의 분리 공정 단계별 말토오스의 농도를 나타낸 결과이다.
도 12는 본 발명의 베타-리밋 덱스트린의 분리 공정 시간별 상대 피크 면적비를 나타낸 결과이다.
도 13은 쌀전분과 베타-리밋 덱스트린의 분자량 분포를 비교한 그래프이다.
도 14는 쌀전분과 베타-리밋 덱스트린의 가지사슬 길이 분포를 비교한 그래프이다.
도 15는 본 발명의 지질 복합체 형성 모델 스터디를 위한 DSC 온도 변화 조건을 나타낸 그래프이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 생전분, 베타-리밋 덱스트린 및 탈분지전분과 4종 지방산 간에 형성된 복합체의 용융 엔탈피를 나타낸 그래프이다.
도 17은 본 발명에 따른 쌀전분 유래 베타-리밋 덱스트린과 찰옥수수 전분 유래 베타-리밋 덱스트린의 지질 복합체 형성능을 비교한 그래프이다.
도 18은 본 발명의 쌀전분 유래 베타-리밋 덱스트린의 투명도를 나타낸 그래프이다(1% 페이스트).
도 19는 본 발명의 쌀전분 유래 베타-리밋 덱스트린의 용해도를 나타낸 그래프이다(1% 페이스트).
도 2는 본 발명에서 유가식 공정을 포함하는 베타-리밋 덱스트린의 제조방법을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명에서 한외여과의 원리(a) 및 단회 여과 공정의 모식도(b)이다.
도 4는 본 발명에서 단회여과 공정 전후의 GPC 크로마토그램을 비교한 그래프이다.
도 5는 본 발명에서 다회여과 공정의 모식도이다.
도 6은 본 발명에서 다회여과 공정 전후의 GPC 크로마토그램을 비교한 그래프이다.
도 7은 본 발명에서 반복희석식(연속희석식) 여과 공정의 모식도이다.
도 8은 본 발명에서 연속희석식 여과 공정 전후의 GPC 크로마토그램을 비교한 그래프이다.
도 9는 쌀전분 및 찰옥수수 전분의 호화 전후 및 효소반응 후를 비교한 결과이다.
도 10은 본 발명의 한외여과 시스템 내 마이크로필터의 오염 요소를 나타낸 사진이다.
도 11은 본 발명의 베타-리밋 덱스트린의 분리 공정 단계별 말토오스의 농도를 나타낸 결과이다.
도 12는 본 발명의 베타-리밋 덱스트린의 분리 공정 시간별 상대 피크 면적비를 나타낸 결과이다.
도 13은 쌀전분과 베타-리밋 덱스트린의 분자량 분포를 비교한 그래프이다.
도 14는 쌀전분과 베타-리밋 덱스트린의 가지사슬 길이 분포를 비교한 그래프이다.
도 15는 본 발명의 지질 복합체 형성 모델 스터디를 위한 DSC 온도 변화 조건을 나타낸 그래프이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 생전분, 베타-리밋 덱스트린 및 탈분지전분과 4종 지방산 간에 형성된 복합체의 용융 엔탈피를 나타낸 그래프이다.
도 17은 본 발명에 따른 쌀전분 유래 베타-리밋 덱스트린과 찰옥수수 전분 유래 베타-리밋 덱스트린의 지질 복합체 형성능을 비교한 그래프이다.
도 18은 본 발명의 쌀전분 유래 베타-리밋 덱스트린의 투명도를 나타낸 그래프이다(1% 페이스트).
도 19는 본 발명의 쌀전분 유래 베타-리밋 덱스트린의 용해도를 나타낸 그래프이다(1% 페이스트).
이하, 실시예를 통하여 본 발명의 구성 및 효과를 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1. 베타-리밋 덱스트린의 제조
1-1. 베타-리밋 덱스트린 제조 공정 - 일반 공정
베타-리밋 덱스트린을 제조하기 위해, 쌀 전분을 일반 증류수에 현탁시킨 뒤, 80 내지 95℃에서 교반 가열하여 호화를 유도하였다. 호화된 페이스트를 50℃ 수준에 이르도록 냉각시킨 뒤, 베타-아밀라아제를 10 BAMU/g-전분 수준으로 첨가하여 교반하여 반응시켰다. 이를 끓는 물에 정치하여 효소 반응을 정지시키며, 이 때 증류수 대신 일반 상수(수돗물) 또한 사용 가능하며, 대량생산 시에는 일반적인 발효탱크 또는 진공추출농축기 등 가열 교반이 가능한 장비인 경우 종류에 관계없이 사용할 수 있으며, 용량에 따라 가열 공정의 호화 및 효소 반응 정지 시간을 조정할 수 있다.
고순도의 베타-리밋 덱스트린을 회수하기 위하여 3배 용량의 에탄올을 침전 후 원심분리를 할 수 있으며, 침전물을 동결건조 또는 일반 드라잉 오븐(drying oven) 건조하여 분말을 회수하였다. 또는, 한외여과를 통해 반응 부산물인 말토오스(maltose)를 제거한 후, 이를 동결건조, 드라잉 오븐 건조 또는 분무건조를 통해 분말 형태로 회수하였다(도 1).
1-2. 베타-리밋 덱스트린 제조 공정 - 유가식 기질 첨가 공정
먼저, 쌀 전분을 일반 증류수에 현탁시킨 뒤, 80 내지 95℃에서 교반 가열하여 호화를 유도하였다. 효소 반응 초기에 전분 10%(w/v) 호화액에 베타-아밀라아제를 전분 1g 당 10 BAMU 수준으로 첨가하였으며, 동일 농도의 전분 호화액을 2회에 걸쳐 추가로 첨가하여 아래 비교예 1-1과 총 투입 전분 양이 동일하게 하였다. 50℃에서 24시간동안 반응시킨 뒤 이를 끓는 물에 정치하여 효소 반응을 정지하고, 이를 정제하여 부산물인 말토오스를 제거한 뒤 건조하여 분말 형태의 베타-리밋 덱스트린을 수득하였다(도 2).
비교예 1-1. 일반 공정
쌀 전분을 일반 증류수에 현탁시킨 뒤, 80 내지 95℃에서 교반 가열하여 호화를 유도하였다. 효소 반응 초기에 전분 10%(w/v) 호화액에 베타-아밀라아제를 전분 1g 당 10 BAMU 수준으로 첨가하였으며, 50℃에서 24시간동안 반응시켰다. 반응 후, 이를 끓는 물에 정치하여 효소 반응을 정지하고, 이를 정제하여 부산물인 말토오스를 제거한 뒤 건조하여 분말 형태의 베타-리밋 덱스트린을 수득하였다.
비교예 1-2. 일반 공정 - 기질 농도 증가
쌀 전분을 일반 증류수에 현탁시킨 뒤, 80 내지 95℃에서 교반 가열하여 호화를 유도하였다. 효소 반응 초기에 전분 20%(w/v) 호화액에 베타-아밀라아제를 전분 1g 당 10 BAMU 수준으로 첨가하였으며, 50℃에서 24시간동안 반응시켰다. 반응 후, 이를 끓는 물에 정치하여 효소 반응을 정지하고, 이를 정제하여 부산물인 말토오스를 제거한 뒤 건조하여 분말 형태의 베타-리밋 덱스트린을 수득하였다.
상기 투입한 전분의 무게 대비 최종 산물의 무게를 구하여 수율을 계산하였다.
| 일반 공정 (비교예 1-1) |
일반 공정 - 기질 농도 증가 (비교예 1-2) |
유가식(Fed-batch) 공정 (실시예 1-2) |
|||||||
| starch (g) | dw (mL) |
enzyme(U) (U/g) |
starch (g) |
dw (mL) |
enzyme(U) (U/g) |
starch (g) |
dw (mL) |
enzyme(U) (U/g) |
|
| S0 | 9 | 90 | 90(10) | 18 | 90 | 180(10) | 3 | 30 | 30(10) |
| S1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 3 | 30 | 0(6.6) |
| S2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 3 | 30 | 0(3.3) |
| total | 9 | 90 | 90(10) | 18 | 90 | 180(10) | 9 | 90 | 30(3.3) |
| β-limit value (%) | 52.6 | 56.5 | 52.3 | ||||||
| Yield(%) | 7.89 | 10.22 | 13.89 | ||||||
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 초기 기질 농도 및 효소 첨가량을 증가시킨 경우, 기질 당 효소 처리 유닛이 동일함에도 불구하고 일반 공정 대비 최종 수율이 증가하였다. 특히, 본 발명의 실시예에 따른 유가식(Fed-batch) 공정으로 기질(전분 현탁액)을 주입한 경우, 동일한 양의 전분에 대해 효소 첨가 수준이 1/3 수준으로 매우 낮음에도 불구하고, 반응 수준이 유사한 베타-리밋 덱스트린의 수율이 크게 증가하였으며, 이 때 기질 양을 증가시키는 것보다도 생산 효율이 증가함을 확인하였다.
실시예 2. 베타-리밋 덱스트린의 회수
베타-아밀라아제 반응 원액으로부터 말토오스와 베타-리밋 덱스트린을 분리하기 위하여, 6,000 내지 30,000 Da의 MWCO를 갖는 분리막이 장착된 MF/UF 정제시스템을 활용하였으며(SSE-MF50, SSE), 단회 여과, 다회 여과, 연속희석식 여과의 방법을 시험하였다. 여과 과정 중 횟수 및 효소 반응 원액(beta-hydrolysate), UF 통과액(filtrate), UF 미통과액(concentrate)을 적당 농도로 희석하여 겔 투과 크로마토그래피(Gel permeation chromatography, GPC) 또는 이온 크로마토그래피에 주입하여, 각 용액의 베타-리밋 덱스트린과 말토오스의 상대적 분포 및 말토오스의 농도를 구하였다.
한외여과(Ultrafiltration, UF) 시스템을 활용한 분리 전략을 시험하였다. UF는 당류, 단백질 등의 생체물질 및 고분자물질 등의 분리에 이용될 수 있으며, 막의 UF 막의 분리 성능은 분획 분자량을 바탕으로 나타내었다. 여과 과정 중 UF 필터의 오염(fouling)을 최소화하고 분리 효율을 높이기 위하여 분리하고자 하는 대상 물질에 따라 적절한 막 및 모듈의 선정, 최적 운전 조건 등의 확립이 요구되었다. 본 연구에서는 베타-리밋 덱스트린과 말토오스를 효과적으로 분리하여 최종 물질의 순도를 높이기 위해 UF 공정 운용 전략 및 필터의 공경(pore) 크기 등을 다양하게 시험하였다.
2-1. UF 단회여과에 의한 분리정제 평가
UF 단회여과에 의한 분리 정제를 시험하였다(도 3). 10% 찰옥수수 전분 현탁액으로부터 베타-리밋 덱스트린을 제조하였으며, MWCO 6,000 Da 크기의 필터를 사용하였다. UF에 의한 물질의 분리 원리와 공정 모식도를 도 3에 나타내었다. 이 때 저분자인 말토오스는 물에 완전히 용해된 상태로 필터를 통과하여 filtrate에서 검출되며, 고분자인 베타-리밋 덱스트린은 필터를 통과하지 못하여 concentrate 내에 농축되어 회수될 것으로 예상하였다. 효소 반응 원액(beta-hydrolysate), UF 통과액(filtrate), UF 미통과액(concentrate)을 각각 회수하여 고분자 및 저분자 물질의 상대적인 분포를 비교하였다.
반응 원액의 GPC 분석 결과(도 4), 2개의 주요 피크가 관찰되었다. 두 피크 중 먼저 용출되어 나온 피크는 상대적으로 고분자량을 가지는 물질로, broad한 형태를 띠어 넓은 분자량 범위를 가지는 베타-리밋 덱스트린임을 확인하였다. 나중에 용출되어 나온 피크는 좁은 영역에서 비교적 sharp하게 관찰되었으며, 반응액 속에 고농도로 존재하는 저분자의 말토오스임을 확인하였다. 이 때 각 피크의 상대적인 면적 비율은 37.5:62.5로, 말토오스 농도가 매우 높게 관찰되었다. 1회 분리 공정을 거친 후, 필터를 통과한 물질은 92.4%가 말토오스로, 베타-리밋 덱스트린은 일부 저분자 영역을 제외하면 거의 filtrate에 혼입되어 나오지 않고 concenctrate 내에 잔존되어 효율적으로 두 물질의 분리가 가능함을 확인하였다. 그러나 concentrate 분석 결과, 베타-리밋 덱스트린의 상대 비율이 51.5%로 증가하는 동시에 말토오스의 상대 함량이 크게 감소하였으나 여전히 48.5% 수준의 고농도에 해당하여 베타-리밋 덱스트린의 순도를 높이기 위한 공정 수정이 요구되었다.
2-2. 다회여과에 의한 분리정제 평가
2-1에서 단회 여과에 의해 베타-리밋 덱스트린을 분리할 수 있는 가능성을 확인하였으나, 순도를 높이기 위해 말토오스의 추가 제거 공정을 도입하고자 하였다. 이를 위해, 아래의 그림에 나타낸 바와 같이 단회 여과 후 회수한 concentrate(농축액)을 재희석하여 다시 필터를 통과시키는 작업을 5회 반복하는 다회 여과 공정을 고안하였다(도 5). 단회여과 시험과 동일하게 10% 찰옥수수 전분 현탁액으로부터 베타-리밋 덱스트린을 제조하였다. 한편 기존 공정에서 6,000 Da MWCO 수준에서는 UF 공정 중 베타-리밋 덱스트린의 손실이 거의 발생하지 않았기 때문에, 유속 증가 등 분리 공정의 효율을 증대시키기 위하여 10,000 Da의 MWCO를 가지는 막을 이용하여 시험하였다.
반응 원액의 GPC 분석 결과(도 6), 베타-리밋 덱스트린과 말토오스의 상대적인 피크 면적 비율은 28.1:71.9로 확인되었다. 기존의 공정처럼 1회 분리 공정을 거친 후 concentrate를 분석한 결과, 베타-리밋 덱스트린 61.2%, 말토오스 39.8%로 확인되어, 기존 (51.5%:48.5%) 더 큰 공경(pore) 크기의 UF 분리막을 사용하는 경우 동일한 횟수의 분리 공정에서도 말토오스 제거 효율을 높일 수 있음을 확인하였다. 한편 5회 반복 여과를 거친 후 회수한 concentrate를 분석한 결과, 말토오스 피크가 눈에 띄게 감소하였으며, 이는 0.005% 농도 수준의 말토오스와 비슷한 면적에 해당하였다. 따라서 다회 여과 방식을 통해 단회 여과에 비해 효율적으로 말토오스를 제거하여 고순도의 생산물을 회수할 수 있음을 확인하였다.
2-3. 연속희석식 여과에 의한 분리정제 평가
2-2의 결과를 통해 다회 여과 시 고순도의 물질 분리가 가능함을 확인하였으나, 회분식 공정의 번거로움을 단순화시켜 공정의 효율성을 높이기 위해 도 7에 나타낸 바와 같은 연속식 공정을 고안하였다. 10% 찰옥수수 전분 현탁액으로부터 베타-리밋 덱스트린을 제조하였으며, 30,000 Da의 MWCO를 가지는 막을 이용하여 시험하였다. 반응 원액 단계에서 여과를 1회 실시하여 고농도의 maltose를 1차로 제거한 뒤(C1), RO수를 연속적으로 분당 400-500 mL의 속도로 투입하여 연속희석을 실시하였으며, 1시간 간격으로 UF 통과액(filtrate), UF 미통과액(concentrate)을 회수하여 잔존 말토오스의 농도를 측정하였다(C2-C11, F2-F11). concentrate 내 말토오스가 충분히 제거된 이후에는 RO수 공급을 중단하고 여과를 1회 실시하여 물을 제거하고 농축하였다(C12).
반응 원액에서 베타-리밋 덱스트린과 말토오스의 상대적인 피크 면적 비율은 38.15:61.84으로 확인되었으며, 이 때 말토오스의 농도는 55.55 mg/mL 수준으로 나타났다. 1회 여과 후 (C1) concentrate 내의 말토오스의 농도는 50.77 mg/mL 수준으로 감소하였다. RO수(Reverse Ososis Water)를 연속적으로 투입하여 희석과 여과를 동시에 수행하며 시간별로 concentrate를 분석한 결과, 공정이 계속될수록 concentrate 내의 베타-리밋 덱스트린이 차지하는 순도가 증가하고 말토오스의 농도는 감소하였다. 구체적으로, 베타-리밋 덱스트린의 상대적인 면적비는 초기 단계에 가파르게 상승하여 6시간만에 90%를 상회하는 동시에 말토오스의 농도 또한 초기 농도의 10% 미만인 4.33 mg/mL를 나타내었다. 말토오스의 농도가 1 mg/mL 미만이 되는 9시간 이전에서 여과공정을 중단하는 것이 적합할 것으로 판단되었으며, 특히 초기 4시간 이하의 여과액(filtrate)에서는 다른 저분자 당이 혼입되지 않은 말토오스를 고농도로 얻을 수 있으므로, 이를 회수하여 농축하는 경우 고품질의 말토오스의 제품 생산에 이용할 수 있을 것으로 판단되었다.
| GPC 분석 (Area%) | IC 분석 (maltose 농도, mg/mL) | |||||
| 시료 | 베타-리밋 덱스트린 |
말토오스 | ||||
| 반응원액 | 38.15 | 61.86 | 반응원액 | 55.55 | 반응원액 | 55.55 |
| C1 | 52.76 | 47.24 | C1 | 50.77 | F1 | 50.27 |
| C2 | 63.08 | 36.92 | C2 | 39.58 | F2 | 41.06 |
| C3 | 72.78 | 27.22 | C3 | 26.78 | F3 | 30.44 |
| C4 | 82.76 | 17.24 | C4 | 15.05 | F4 | 18.13 |
| C5 | 88.69 | 11.31 | C5 | 7.36 | F5 | 7.70 |
| C6 | 93.23 | 6.77 | C6 | 4.33 | F6 | 5.10 |
| C7 | 96.29 | 3.72 | C7 | 1.78 | F7 | 1.89 |
| C8 | 97.87 | 2.13 | C8 | 1.09 | F8 | 1.45 |
| C9 | 98.83 | 1.17 | C9 | 0.55 | F9 | 0.73 |
| C10 | 99.40 | 0.60 | C10 | 0.33 | F10 | 0.47 |
| C11 | 99.64 | 0.36 | C11 | 0.20 | F11 | 0.21 |
| 최종 농축 | 99.55 | 0.45 | 최종 농축 | 0.31 | - | - |
여과 및 최종 농축 완료 후 concentrate를 분석하여 분리 공정 이전의 반응 원액과 비교한 결과(도 8), 반응 원액에서는 고분자 영역이 넓은 영역에서 낮은 피크로 나타나고 말토오스의 피크가 매우 높게 관찰된 반면, C11 및 최종 농축액인 C12에서는 말토오스에 해당하는 피크가 관찰되지 않았다. 또한 35-50분 이전에 검출된 고분자 피크의 높이가 증가하고 RT 영역대가 줄어들어 순도가 증가함을 알 수 있었다. 이는 한편으로 고분자 물질 중에서도 상대적으로 분자량이 낮은 영역이 분리 여과 과정에서 일부 손실되었음을 가리키나, 다기능성을 나타내기 위한 소화흡수율 저감 구조의 형성에는 고분자에 해당하는 물질이 주요하게 기여하므로, 오히려 최종 산물로부터 생리기능성 증진 소재를 최종적으로 생산하기 위해서는 이러한 결과가 더 유리하게 작용할 수 있을 것으로 판단된다.
실시예 3. 베타-리밋 덱스트린의 파일럿 규모 생산
실시예 2에서 시험한 결과를 바탕으로, 2-3의 공정으로 최종 공정 조건을 확립하여, 본 시험으로서 5% 쌀 전분 현탁액으로부터 베타-리밋 덱스트린을 제조하였다. 찰옥수수 전분과는 달리 본시험에서 사용한 쌀전분은 현탁액의 점도, 호화에 의한 paste 형성 특성 및 효소 반응 원액의 흐름성 및 점도 등의 특성이 다르게 나타나 제조 농도 및 UF 공정의 변수를 전분의 특성에 맞게 재조정하여 생산하였다(도 9, 도 10). 대표적으로, 쌀전분의 효소반응액 내에 존재하는 완전히 호화되지 않은 전분 입자, ghost granule, 변성 단백질의 응집체 등이 UF 시스템에 장착된 마이크로필터 (공경 크기 1 μm)에 흡착되어 필터의 오염(fouling)을 형성함으로써 UF 시스템에 가해지는 압력을 과도하게 증가시켜 여과 효율을 감소시켰기 때문에, 마이크로필터의 교체 시점 및 RO수 투입 속도를 변경하였다.
5% 쌀전분 현탁액으로부터 회수한 베타-리밋 덱스트린의 분리정제 과정을 분석한 결과(도 11, 도 12), 찰옥수수전분 대비 낮은 아밀로펙틴 함량과 전분 농도로 인해 반응액에서 형성되는 말토오스의 절대적인 농도는 다소 낮은 것으로 확인되었다. 예비시험에서 관찰된 바와 마찬가지로, 공정이 계속될수록 concentrate 내의 베타-리밋 덱스트린이 차지하는 순도가 증가하고 말토오스 피크의 상대 면적비가 감소하였다. concentrate 내의 말토오스의 농도가 1 mg/mL 미만에 도달하는 시점에서 여과공정을 중단하였으며, 마지막 단계에서 RO수 공급을 중단하고 여과를 1회 실시하여 물을 제거하고 농축하였다.
이와 같이 회수한 베타-리밋 덱스트린의 순도를 확인하기 위하여 건조물 50 mg/mL 현탁액을 제조 후 분석한 결과, 말토오스의 농도가 0.94 mg/mL, 글루코오스 0.11 mg/mL로 전체 고형분 중 2% 및 0.2% 수준에 해당하여, 베타-리밋 덱스트린의 순도는 97 % 이상의 수준인 것으로 확인되었다.
실시예 4. 베타-리밋 덱스트린의 특성 평가
4-1. 구조 특성
상기 실시예에서 제조된 베타-리밋 덱스크린의 경우, 도 13에 나타낸 바와 같이 분자량 분포 변화에서 고분자 영역이 감소하고 저분자 영역이 증가하여, 분자량이 크게 감소됨을 확인하였으며, 특히 아밀로펙틴(amylopectin)의 다분지 구조 영역에서 베타-아밀라아제 작용에 의한 구조 변화가 유도되어 아밀로오스와 유사한 구조가 증가하였다.
또한, 도 14에 나타낸 바와 같이, 가지 사슬 길이 분포 변화에서 변형시키지 않은 생전분과, 베타-리밋 덱스트린의 가지 사슬 길이 분포를 DP 1-66 범위의 상대적인 함량을 구하여 비교하였다. 베타-아밀라아제의 작용에 의해 가지사슬 길이 분포의 유의미한 변화가 나타난 것을 확인할 수 있었다. 특히, 생 전분에서 관찰되지 않았던 DP 1-4의 매우 짧은 사슬이 새롭게 관찰되었다. DP 8 이상의 전 영역의 가지 사슬은 상대적 함량이 감소하였으며, 이로 인해 그 이하 길이의 짧은 사슬 함량이 눈에 띄게 증가하였다. 특히, 생전분이 DP 10-12의 가지 사슬을 최대 함량으로 가지는 것에 반해, 본 실시예에 따라 제조된 베타-리밋 덱스트린은 DP 3(말토트라이오스, maltotriose)에 해당하는 가지 사슬이 특이적으로 31.3%의 매우 높은 함량을 나타내었다.
하기 표 3에 나타낸 바와 같이, GPC 및 가지사슬 길이 분포 변화를 통해, 베타-리밋 덱스트린은 아밀로펙틴의 주사슬(backbone chain)로 이루어진 아밀로오스와 유사한 긴 사슬 구조를 가지고 있으며, DP 3-4의 짧은 가지사슬을 주요하게 가지고 있는 구조임을 확인하였다.
| 시료 | Relative distribution (%) | ||||
| DP 1-5 | DP 6-12 | DP 13-24 | DP 25-36 | DP 37-66 | |
| 전분 | 0.2±0.0 | 39.1±0.2 | 50.9±0.1 | 6.9±0.0 | 2.9±0.3 |
| 베타-리밋 덱스트린 | 49.8±2.2 | 31.5±2.5 | 14.0±1.2 | 3.1±1.0 | 1.6±0.5 |
4-2. 복합체 형성 특성
4-2-1. 모델 스터디
베타-리밋 덱스트린과 다양한 지질과의 복합체 형성 가능성을 탐색하였으며, 비교를 위하여 쌀전분과 탈분지 쌀전분을 시료로 하여 함께 비교하였다. 분말소재:물:지질의 중량비를 10:30:1이 되도록 하여 시차 주사 열량계(Differential Scanning Calorimetry; DSC) 팬에 넣어 밀봉하고 상온에 정치하여 수분평형시켰으며, 전분은 호화된 전분을 사용하였다. DSC 상에서 온도를 도 15와 같이 변화시켜 복합체의 형성을 유도하였다. 그 직후 30℃에서 180℃까지 10℃/min의 속도로 온도를 증가시켜 가열하여 얻은 흡열 곡선으로부터 전분-지질 복합체의 엔탈피 (ΔH: crystal melting enthalpy)를 구하였다.
그 결과, 도 16에 나타난 바와 같이, 생전분에 비해 베타-리밋 덱스트린은 월등히 복합체 형성능이 증가하였으며, 기존에 복합체 형성능이 뛰어난 것으로 알려진 탈분지 전분과 유사한 수준의 복합체 형성능을 가지는 것이 모형 실험을 통해 입증되었다.
4-2-2. 실제 복합체 형성 시험
쌀전분, 베타-리밋 덱스트린, 탈분지 전분을 각각 10 g씩 100 mL 증류수에 분산시킴. 이를 30분간 끓인 뒤 121℃에서 30분 간 오토클레이브를 진행하였다. 지방산 중 가장 형성 효율이 뛰어난 라우릭산(lauric acid) (C12:0) 0.5 g을 에탄올 5 mL에 녹여 첨가하고, 90°C 수조(waterbath)에서 6시간 동안 인큐베이션(incubation)하여 복합체 생성을 유도하였다. 이를 상온 수준으로 냉각시킨 뒤, 3 배 부피의 에탄올을 첨가하고 원심분리하여 회수하는 과정을 2회 반복하였다. 이를 증류수 30mL에 재분산시킨 뒤, 원심분리하여 회수한 펠렛을 동결건조하였으며, 분쇄하여 80-메쉬(mesh) sieve를 통과시켜 시료로 사용하였다. 전분-지질 복합체 시료와 증류수를 1:3의 비율로 팬에 넣어 밀봉하고 상온에 정치하여 수분평형시켰다. 30℃에서 180℃까지 10℃/min의 속도로 온도를 증가시켜 가열하였다. 이 때 얻은 흡열 곡선으로부터 엔탈피 (ΔH: crystal melting enthalpy)를 구하였다.
| 시료 | T o (°C) | T p (°C) | T c (°C) | △H (J/g) | |
| 생전분 | 라우릭산 | 113.5±2.0 | 119.1±0.3 | 125.8±0.5 | 0.9±0.1 |
| 베타-리밋 덱스트린 | 라우릭산 | 110.4±0.9 | 116.5±1.2 | 123.3±1.1 | 2.3±0.2 |
| 탈분지 전분 | 라우릭산 | 113.3±0.7 | 118.8±0.8 | 125.9±1.4 | 0.7±0.1 |
그 결과, 표 4에 나타난 바와 같이, 베타-리밋 덱스트린의 경우 생전분 및 기존에 복합체 형성능이 뛰어난 것으로 알려진 탈분지 전분에 비해 복합체 형성능이 월등히 증가한 것을 확인하였다.
4-2-3. 식용유지와의 복합체 형성 특성 비교
베타-리밋 덱스트린과 다양한 식용유지와의 복합체 형성 가능성을 탐색하였으며, 비교를 위하여 찰옥수수 전분 유래의 베타-리밋 덱스트린을 함께 비교하였다. 분말소재:물:지질의 중량비를 10:30:1이 되도록 하여 DSC 팬에 넣어 밀봉하고 상온에 정치하여 수분평형시켰으며, 전분은 호화된 전분을 사용하였다. DSC 상에서 온도를 변화시켜 복합체의 형성을 유도하였다. 그 직후 30℃에서 180℃까지 10℃/min의 속도로 온도를 증가시켜 가열하여 얻은 흡열 곡선으로부터 전분-지질 복합체의 엔탈피 (ΔH: crystal melting enthalpy)를 구하였다.
| 시료 | T o (°C) | T p (°C) | T c (°C) | ΔH (J/g) | |
| 베타-리밋 덱스트린 |
- | 94.5±1.5 | 100.3±0.8 | 107.0±2.6 | 2.4±0.2 |
| LA 복합체 | 110.9±0.8 | 118.9±0.8 | 127.0±0.2 | 3.9±0.6 | |
| Palm oil 복합체 | 113.1±1.5 | 121.1±0.7 | 127.9±1.1 | 2.1±0.1 | |
| MCT oil 복합체 | 112.8±0.4 | 120.5±0.5 | 127.5±1.0 | 2.0±0.6 | |
표 5에 나타난 바와 같이, 용융 온도를 비교하였을 때, 베타-리밋 덱스트린의 용융 온도는 94.5 내지 107.0℃의 범위였으나 지질과의 복합체 형성 과정 이후에는 110.0 내지 127℃ 부근으로 변화한 것이 확인되었다. 이는 처음의 구조가 변화하여 각 지질과 안정적인 제2형 복합체를 형성한 것을 의미한다. 라우릭산과 같은 정제된 지방산보다는 팜유 및 MCT 오일과 같은 식용 유지에서 엔탈피가 낮아 복합체 형성 효율이 낮지만, 여전히 지질 복합체를 형성할 수 있음을 확인하였다.
동일한 방법으로 시험하였을 때, 쌀전분 유래 베타-리밋 덱스트린이 팜유(palm oil) 및 MCT oil과 복합체를 형성하여 기존 피크와는 다른 온도 범위에서 새로운 복합체의 형성을 나타내는 용융 피크를 나타내는 것과 달리, 찰옥수수 전분 유래 베타-리밋 덱스트린은 용융 피크를 보이지 않아 복합체를 형성하지 않는 것으로 확인되었다. 따라서 쌀전분 유래 베타-리밋 덱스트린이 특이적으로 찰옥수수 전분 유래 베타-리밋 덱스트린과는 달리 지질 등의 소수성 리간드와의 내포복합체 형성능이 뛰어난 것으로 판단되었다(도 17).
4-3. 투명도(Paste Clarity) 및 용해도(Solubility)
상기 실시예에서 제조된 쌀 전분 유래 베타-리밋 덱스트린의 투명도 및 용해도를 동일한 방법으로 제조한 찰옥수수 전분 유래 베타-리밋 덱스트린과 비교하였다.
먼저, 투명도 비교를 위해 15 mL 튜브에 1% 현탁액을 제조하여(0.05 g 베타-리밋 덱스트린, 5mL 증류수) 95℃에서 5 분 간격으로 현탁액을 볼텍싱 교반하며 가열하였다. 이를 5 분간 상온에서 냉각한 뒤 UV-Vis 분광광도계로 650 nm에서의 투과도(%T)를 측정하였다. 비교를 위해 쌀 전분 및 동일 방법으로 제조한 찰옥수수 전분 유래 베타-리밋 덱스트린을 함께 시험하였다.
도 18에 나타낸 바와 같이, 쌀 전분 및 쌀 전분 유래 베타-리밋 덱스트린 모두 유백색의 탁한 페이스트를 형성하였으며, 매우 낮은(1.2%T 이하)의 투과도를 나타내었다. 동일한 방식으로 제조한 찰옥수수 전분 유래 베타-리밋 덱스트린은 투명도가 매우 높은 특성을 가져, 쌀 전분 유래 베타-리밋 덱스트린과 찰옥수수 전분 유래 베타-리밋 덱스트린은 서로 확연히 구분되는 특성을 가졌다.
다음으로, 용해도 비교의 경우 50 mL 튜브에 1% 전분 현탁액을 제조하였다(0.1 g 전분(건물 기준), 10 mL 증류수). 현탁액을 50℃, 70℃, 90℃로 설정된 항온 수조에서 30 분간 정치한 뒤, 5 분간 상온에서 냉각하여 3,000 rpm에서 30 분간 원심분리하였다. 상등액 전체를 취하여 120℃ 오븐에서 2 시간 동안 건조 후 무게를 측정하였다. 용해도는 하기 계산식을 이용하여 구하였다.
용해도(%) =
도 19에 나타낸 바와 같이, 쌀 전분(생전분)이 매우 낮은 용해도를 가지는 것에 비해서, 베타-리밋 덱스트린은 용해도가 쌀 전분 대비 3 배-5 배 수준으로 증가하였다. 동일한 방식으로 제조한 찰옥수수 전분 유래 베타-리밋 덱스트린이 100%에 가까운 용해도를 가진 것에 비해, 본 실시예에 따른 쌀 전분 유래 베타-리밋 덱스트린은 비교적 용해도가 낮아 서로 확연히 구분되는 특성을 가졌다.
4-4. 소화율
상기 실시예에서 제조된 베타-리밋 덱스트린의 소화율을 측정하기 위해, 판크레아틴(pancreatin) (P7545, activity 8×USP/g, Sigma-Aldrich) 2g을 증류수 24 mL에 넣고 10분간 교반하였다. 이를 1,500×g로 10분간 원심분리 시킨 후 상층액 20 mL를 취해 증류수 3.6 mL, 아밀로글루코시다아제(amyloglucosidase) (Sigma-aldrich) 0.4 mL과 혼합하여 효소 용액을 제조하였다. 각 전분의 소화율을 평가하기 위해서, 전분 시료를 2 mL-마이크로튜브에 30 mg씩 칭량 후 소듐 아세테이트 버퍼(sodium acetate buffer) (pH 5.2) 0.75 mL에 분산시켰다. 이를 볼텍싱(vortexing) 하며 10분간 끓여 호화시킨 후, 10분 동안 37℃에서 보관하여 해당 온도에 이르게 하였다. 효소 용액 0.75 mL를 각 시료가 담긴 튜브에 넣고 37℃ 진탕배양기에서 240 rpm으로 교반시켜 가수분해 반응을 진행시켜 최종 산물을 포도당 형태로 얻어내었으며, 각 튜브를 10분간 끓여 효소의 가수분해 반응을 정지시켰다. 이를 원심 분리하여 상층액에 녹아있는 포도당의 농도를 GOD-POD 시험을 이용하여 분석하였다. 가수분해 이전 전분의 양과 가수분해에 의해 생성된 포도당의 양을 비교하여 Englyst 법으로 전분의 소화율을 계산하였다.
소화율 계산 결과, 아래의 표 6에 기재된 바와 같이, 베타-리밋 덱스트린은 생전분 대비 유의적으로 RDS(rapidly digestible starch)가 감소하고 RS(enzyme resistant starch) 함량이 증가하였으며, 탈분지전분(Debranced starch, DBR)은 생전분과 유사한 특성을 나타내었다. 라우릭산(lauric acid)과 복합체를 형성시킨 경우, 모든 시료에서 RDS가 감소하고 RS가 증가하는 소화율 변화가 나타났는데, 이 때 베타-리밋 덱스트린에서 가장 낮은 RDS와 가장 높은 RS 함량을 가져 혈당 조절의 생리 기능성을 가지는 소재로서의 활용 가능성이 가장 높은 것으로 판단되었다. 이는 탈분지전분과 차별되는 베타-리밋 덱스트린만의 장쇄 선형 구조에 기반한 것으로 판단되며, 전반적으로 베타-리밋 덱스트린은 그 자체 또는 지질과의 복합체를 형성시켜 저소화성 식품 소재 또는 방출 조절 특성이 요구되는 전달체로서 사용될 수 있다.
| 시료 | RDS (%) | SDS (%) | RS (%) |
| 생전분 | 78.9±0.4 | 6.0±0.7 | 15.1±0.5 |
| 생전분Х라우릭산 | 74.7±1.5 | 4.6±1.3 | 20.6±0.4 |
| 베타-리밋 덱스트린 | 70.8±0.6 | 5.6±0.6 | 23.6±0.3 |
| 베타-리밋 덱스트린Х라우릭산 | 62.5±1.3 | 10.0±1.0 | 27.5±0.3 |
| 탈분지전분 | 78.9±0.4 | 9.3±0.9 | 11.7±0.8 |
| 탈분지전분Х라우릭산 | 76.3±0.6 | 7.1±1.2 | 16.6±1.3 |
Claims (14)
- (a) 전분 현탁액을 교반 하에 가열하여 호화액을 제조하는 단계;
(b) 상기 호화액을 냉각시킨 후 가수분해효소를 첨가 및 교반하여 반응시키는 단계; 및
(c) 상기 반응 후 끓는 물에 정치하고, 부산물을 제거하여 베타-리밋 덱스트린을 수득하는 단계;
를 포함하는, 베타-리밋 덱스트린(beta-limit dextrin)의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 단계 (a)의 전분은 쌀 전분, 옥수수 전분, 찰옥수수 전분, 찹쌀 전분, 밀 전분, 찰 밀 전분, 타피오카 전분, 감자 전분, 찰 감자 전분, 보리 전분, 찰 보리 전분, 고구마 전분, 콩(pea) 전분, 사고(sago) 전분, 아마란스 전분, 수수(sorghum) 전분, 찰수수 전분, 바나나 전분, 녹두 전분, 동부 전분, 귀리 전분 및 이들 전분의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인, 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 단계 (a)의 가열은 70℃ 내지 95℃의 온도 범위에서 수행되는 것인, 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 단계 (b)의 가수분해효소는 베타-아밀라아제(beta-amylase)인, 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 단계 (b) 이후에, 동일 농도의 전분 호화액을 추가로 첨가하는 단계를 더 포함하는, 제조방법. - 제5항에 있어서,
상기 전분 호화액은 1시간 내지 2시간 간격으로 2회 내지 3회에 걸쳐 추가하는 것인, 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 단계 (c)에서 에탄올 침전 후 원심분리하여 베타-리밋 덱스트린을 수득하는 것인, 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 단계 (c)에서 여과를 통해 베타-리밋 덱스트린을 수득하는 것인, 제조방법. - 제8항에 있어서,
상기 여과는 한외여과, 연속희석식 한외 여과, 세라믹 여과, 중력여과, 압력여과, 원심여과, 진공여과, 필터프레스 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것인, 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 여과는 연속희석식 한외 여과인, 제조방법. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 제조방법에 의해 제조되는, 베타-리밋 덱스트린.
- 제11항에 있어서,
상기 베타-리밋 덱스트린은 쌀 전분으로부터 제조된 것인, 베타-리밋 덱스트린. - 제11항에 있어서,
상기 베타-리밋 덱스트린은 지질과의 복합체 형성능이 증가된 것인, 베타-리밋 덱스트린. - 제13항에 있어서,
상기 지질은 라우릭산(lauric acid), 팔미트산(palmitic acid), 스테아르산(stearic acid), 미리스트산(myristic acid), 올레산(oleic acid), 리놀레산(linoleic acid), 글리세롤(glycerol), MCT 오일 및 팜유로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인, 베타-리밋 덱스트린.
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040092732A1 (en) | 2000-02-28 | 2004-05-13 | Grain Processing Corporation | Process for preparing dextrins |
-
2022
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Korean J. Food Sci. Technol. Vol. 27, No. 1, pp.105~111(1995) |
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