KR890005066B1 - 고온,고압하에서 압출시킨 뿌리작물 전분을 이용한 무증자 알콜 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

고온, 고압하에서 압출시킨 뿌리작물 전분을 이용한 무증자 알콜 제조방법

제1도는 실시예 1에서 각 당화효소별 생타피오카와 압출 타피오카의 반응시간에 따른 환원당 생성량을 나타낸 그래프.

제2도는 실시예 2에서 거미줄 곰팡이속 당화효소의 사용량에 따른 알콜수율을 나타낸 그래프.

제3도는 실시예 4에서와 같이 종래 방법과 본 발명 방법의 발효 시간에 따른 CO₂생성량을 나타낸 그래프.

본 발명은 고온, 고압하에서 압출시킨 뿌리작물 전분을 사용하여 동시 당화-발효 함으로써 원료 전분을 증자하지 않고 단기간에 효율적으로 알콜을 제조하는 방법에 관한 것이다. 전분질 원료를 사용하여 알콜을 생산할 경우 현재까지는 멸균에 의한 오염방지와 전분입자에 액화 및 당화효소의 작용을 용이하게 하기 위해 증자 공정이 선행되고 있다. 그러나 이는 막대한 에너지를 필요하며 증자 과정중 비 발효성 당이 많이 생성되며 전분의 호화에 의한 점성의 증가 때문에 고농도 사입이 어려우므로 근자에는 무증자법에 의한 알콜 발효에 관한 연구가 활발히 진행중이다.

한편, 무증자 알콜 발효법을 효율적으로 수행하기 위해서는 생전분을 효율적으로 분해할 수 있는 당화효소가 있어야 하는 데 이를 생산하는 미생물로는 Rhizopus sp, Rhizopus oryzae, Rhizopus niveus, Aspergillus niger, Endomyoopsis fibuligera 등이 알려져 있으며, 이들이 분비하는 효소를 사용하여 전분질 원료로서 쌀보리를 비롯한 옥수수, 쌀, 고구마, 사탕수수(sorghum) 등을 재료로 하여 무증자 알콜 발효에 성공한 것으로 보고 되었다. [한국산업미생물학회지 14,415(1986), Biotechnol.Bioeng., 25,1181(1983), J.Ferment. Technol, 59,485(1981)]그러나 이 경우 무증자 발효에 사용된 원료 전분은 쌀보리, 쌀, 옥수사 같은 곡류 전분이 주로 사용되었으며, 타피오카나 절간 고구마와 같이 뿌리작물 전분 특히 건조 보관된 뿌리작물 전분에 대한 연구는 미흡하다. 즉, 곡류전분은 비교적 간단한 전분 구조로 되어 있어 증자를 하지 않고도 생전분을 효율적으로 당화시킬 수 있는 효소만 있다면 성공적으로 무증자 알콜발효를 수행할 수 있으나 뿌리작물 전분은 펙틴 물질이 전분 입자를 둘러싸고 있어 당화효소의 침투가 어려워 궁극적으로 효율적인 당화가 수행되지 못함으로써 발효시간의 장기화 및 잡균 오염의 확률이 증가되 최종발효수율이 떨어지는 단점이 있다. 특히, 우리 나라의 경우 주정 원료로 사용되는 타피오카는 전량 수입에 의존하고 있으며 보관상의 문제로 건조된 펠렛(pellet)이나 칩(chip)상태로 사용하고 있는 실정이다. 이같은 원료의 특징은 건조로 인한 수분 함량의 감소로 생 타피오카를 분쇄하여 사용할 경우보다 효소의 작용이 어려워지기 때문에 무증자 알콜 발효의 원료로서 적합하다고 볼 수 없다.

따라서 이처럼 당화효소의 작용을 받기 힘든 뿌리작물 전분의 효율적 전처리 방법으로서 펙틴 디폴리머라제와 같은 조직연화 효소제를 사용하느 방법(J.Ferment.Technol. 59,485, 1981)과 산이나 알칼리로 전처리한 후 효소처리하는 방법(주정공업 4,18,1984)등의 연구등이 시도되고 있다. 그러나 전자와 같이 조직연화 효소를 사용하여 발효를 수행할 경우 조직연화 효소를 처리하지 않았을 때 보다 당화효소의 작용은 원활하며 당화율이 증가되 발효 수율은 증가되나 이때 사용되는 원료는 건조된 것이 아닌 수분을 그대로 함유하고 있는 생고구마 전분이므로 실제 건조된 타피오카나 절간 고구마 원료를 사용해 발효할 경우 조직 연화 속도 및 당화효소 작용 속도가 늦어져 발효 시간이 길어지고 발효율이 떨어지는 현상을 나타낸다. 또, 후자와 같이 산이나 알칼리로 전처리를 수행할 경우 전처리에 의한 펙틴질의 붕괴로 당화율을 높일 수 있으나 전처리 시간이 길고 복잡하여 발효 시간 단축에 아무 도움이 없으며 계속되는 산, 알칼리 처리로 발효 장치의 노후화가 가속되는 문제점 등이 있다.

따라서 본 발명은 이를 개량할 목적으로 개발한 방법으로서 고온 고압하에서 순간적으로 전분 입자의 구조변형을 일으키는 압출과정을 거친 뿌리작물 전분을 사용하여 증자에 필요한 고 에너지를 소모하지 않고 발효시간을 단축시킴은 물론 알콜 수율을 증대시키는 새로운 알콜 제조방법이다. 즉, 뿌리작물 전분 원료를 고온 고압하에 순간적으로 압출시키면 증자 과정에서와 같은 전분 구조의 파괴와 동시에 젤라틴화(gelatinization)와 덱스트린화(dextrinization)가 일어나 당화효소의 작용을 쉽게 받을 수 있어 단시간에 전분이 포도당으로 분해됨으로 효모가 이용할 수 있는 발효성 당의 량이 증가하고 이에 따라 발효 초기 알콜 함량이 높아지므로 특히 공업적 규모의 무증자 알콜 발효에서 문제가 되는 잡균의 오염을 크게 방지함과 동시에 발효시간 단축과 발효효율 증가 효과를 얻을 수 있으며, 고온 고압하에서 순간적으로 반응이 일어나므로 비발효성 당의 생성도 거의 없고 전분 원료에 부착된 오염균의 치사 효과도 얻을수 있다.

본 발명은 국내에서 쌀보리 다음으로 주정원료로 많이 사용되고 있는 태국산 타피오카 칩과 펠렛 절간고구마 같은 뿌리 작물 전분을 고온 고압하에서 압출한 것을 원료로 사용하고 효소제로서는 거미줄 곰팡이속(Rhizopus sp.)이 생산하는 당화효소를 사용하였으며 효모는 일반적으로 알콜 제조시 사용되는 발효용 효모를 사용하였다. 본 발명에 따라 원료의 수분함량이 12-14％(W/W)되는 뿌리작물 전분을 10-20메시정도의 입자 크기로 마쇄한 후 일륜형 스크류우의 높은 층물림 조리 압출기(High shear cooking extruder with single screw)에서 원료 사입 속도 200g/min, 스크류우의 회전속도 120rpm, 바렐(Barrel)내부의 온도를 100-120℃로 하여 순간적으로 압출시킨 원료를 매시액(mashing liquor)과 1 : 2.5-1 : 3.5비율(중량비)로 섞어 슬러리를 만들고 증자 및 pH조정을 하지 않은 이 슬러리에 최소한 1g의 원료당에 거미줄 곰팡이속 당화효소 5-7유닛을 가한 후 알콜발효 효모를 약 2×10⁷cells/ml의 정도로 유지하면서 슬러리를 발효시킴으로써 증자 및 특별한 pH조정 없이도 종래의 매시내 생성 알콜 알콜 농도가 10%정도인 것에 반해 13% 정도의 최종알콜농도를 발효후 3일만에 얻을 수 있다.

본 발명의 제조방법을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

1) 압출 원료의 제조

압출에 사용되는 전분 원료는 건조된 타피오가 칩이나 펠렛, 절간 고구마 같은 뿌리작물 전분을 이용하며 이때 사용 원료의 전분가는 67.5％(W/W)이며 수분함량은 12-14%(W/W)이었다. 한편, 원료의 입자 크기가 너무 미세할 경우 압출기내에서 잼화되는 문제가 발생하므로 10-20메시 정도의 크기로 하는 것이 바람직하다.

이같은 원료를 일륜형 스크류우의 높은 층물림 조리 압출기(High shear cooking extruder with single screw)에서 원료사입 속도 200g/min, 스크류우의 회전속도 120rpm, 바렐 내부의 온도를 100-120℃로 하여 순간적으로 압축시켜 출발 원료를 얻는다.

2) 당화 및 발효

압출 전분을 매시액과 1 : 2.5-1 : 3.5비율(중량비)로 혼합하여 슬러리를 만든다. 이때 매시액은 물 또는 증류 폐액이라 알려진 증류 잔유물과 물과의 혼합물 또는 증류 폐액을 사용한다. 한편, 압출된 전분은 고온 고압하에서 순간적으로 처리하였기 때문에 표면적이 팽창되어 있는 상태이므로 매시액을 가할 경우 거이 대부분의 수분을 흡수하게 된다.

이같은 현상은 슬러리에 가하는 효소제가 이미 젤라틴화 및 덱스트린화되어 있는 전분에 효율적으로 작용할 수 있게끔 도와줌으로써 단시간에 고농도의 발효성당을 유리시킨다. 이때 사용되는 효소제는 압출 원료 물질 1g당 거미줄 곰팡이속 당화효소 5-7유닛만 가하면 충분하다.

발효에 사용되는 효모스타아터는 종래의 방법으로 배양된 효모이고 슬러리에 혼합되는 효모의 양은 적어도 2×10⁷cells/ml을 유지한다. 통상의 알콜발효에서 효모는 그들의 활성을 pH4.0-5.0에서 유지하므로 슬러리의 특별한 pH조정 없이도 슬러리 내에 고농도 발효성당을 이용하여 초기 알콜 농도가 증가하게 됨으로 증자공정이 없음에도 불구하고 유해 미생물의 증식을 거의 억제할 수 있다.

이상에서 개발한 압출 전분을 이용한 당화 발효는 전분질의 증자 과정에 필요한 막대한 에너지를 절약할 수 있다는 점 뿐만 아니라, 기준의 무증자 방법을 적용하기 어려운 타피오카나 절간고구마와 같은 뿌리작물전분의 효율적 무증자 알콜 발효방법으로 매우 중요한 의미를 갖는다. 따라서 본 발명자들이 이미 개발한 생전분 분해력이 우수한 당화효소를 사용한, 무증자 발효법(한국산업미생물학회지, 14,415, 1986)과 압출된 뿌리 작물 원료를 사용하는 본 발명에 의해 사용전분 원료에 적합한 무증자 알콜 발효가 행하여 진다면 단기간에 경제적으로 전분으로부터 알콜을 생산할 수 있으며 이는 주정 원료로서 뿐만 아니라, 공업용 원료나 미래의 석유에너지 대체원으로 이용될 수 있다.

본 발명에서 환원당의 측정은 디나이트로살리실산(dinitro salicylic acid)방법에 의하여 행하였으며, 당화효소의 정량분석은 가용성 전분을 기질로 하여 pH 5.0, 40℃에서 30분간 반응시켜 10mg의 포도당을 생성할 때를 1유닛으로 하고 발효후의 알콜 함량은 증류하여 알콜 측정계로 측정하였다.

본발명을 실시예로 상술하면, 다음과 같다.

[실시예 1]

생 타피오카를 30메시 크기로 분쇄한 것과 고온 고압하에서 압출된 타피오카 전분 50g에 각각 증류수 300ml를 가하고 거미줄 곰팡이속(Rhizopus sp.) 또는 시판 당화효소(Aspergillus usamii)를 각각 10ml(300유닛)씩 첨가한 후 오염방지를 위해 톨루엔 1ml와 80%벤콜(benkol)0.4ml를 넣고 30℃에서 반응시켜 경과 시간별로 10ml씩 취하여 화트만(whatman)여과지를 사용하여 여과한 후 여액의 환원당을 측정하여 반응시간에 따른 전분 분해력을 측정한 바 제1도와 같았다.

즉, 제1도에서 보는 바와 같이 거미줄 곰팡이속(Rhizopou sp.)당화효소를 처리했을 경우 생타피오카는 초기 환원당 5mg/ml에서 반응 5시간 후에 11.3mg/ml에 불과했으나 압출된 타피오카는 초기 9.8mg/ml에서 5시간 후에 54.2mg/ml에 달해 약5배 정도 많은 환원당이 생성되어 압출 전분이 생전분에 비해 훨싼 당화효소에 의해 분해되기 쉽다는 것을 알 수 있었다. 한편, 생타피오카나 압출타피오카 모두 시판 당화효소인 아스퍼질러스우사미(Aspergillus usamii)의 당화효소보다 거미줄 곰팡이속(Rhizopus sp.)의 당화효소에 의해 더 잘 분해되어 실온에서 동시 당화 및 발효를 행하는 무증자 알콜 발효법에 적합한 당화효소는 거미줄 곰팡이속(Rhizopus sp.)가 생산하는 당화효소임을 알 수 있었다.

[실시예 2]

압출타피오카 원료를 거미줄 곰팡이속(Rhizopus sp.)당화효소의 처리량을 달리하여 1l의 메이셀(meisell)발효병에 압출된 타피오카 원료 100g, 증류수 280ml를 가하고 효모스타아터 40ml(1.0×10⁷cells/ml)를 가하여 혼합한 후 30℃에서 90시간 발효시켰을 때 알콜 수율은 제2도와 같았다. 즉, 원료 g당 7유닛까지는 효소 처리량에 비례하여 발효 효율과 알콜 수율이 증가하였으나 그 증가폭이 5유닛 이상에는 뚜렸한 차이를 보이지 않으므로 압출 전분을 이용한 알콜 발효에 있어 당화효소 사용량은 압출원료 g당 5-7유닛이 적당함을 알 수 있었다.

[실시예 3]

압출온도를 변화시켜 얻은 원료를 사용할 때 알콜 발효에 미치는 영향을 조사하기 위해 10-20메시 크기의 타피오카 원료를 80-120℃의 온도 범위에서 압출시켜 알콜 발효를 실시예 2의 방법(효소 첨가량 7유닛)대로 수행하였을 때 원료의 압출시 압출 온도가 알콜 발효에 미치는 영향은 표1과 같았다. 즉, 압출온도의 영향은 크기 않았으며, 대략 100-120℃로 압출 온도를 유지하는 것이 좋았다.

[표 1]

(a)알콜(v/v, %)알콜의 부피함량

(b)생산량(1/ton) : 원료 톤당 알콜 생산량

(c)

[실시예 4]

기존에 공지된 알콜 제조방법인 증자법, 무증자법 및 저온증자법에 의한 알콜 제조법과 본 발명 방법인 알춥된 원료를 사용한 알콜 제조법을 비교하는 실험을 행하였다. 즉, 증자법에 의한 알콜 발효는 멸균 공정인 증자후 액화효소와 당화효소로 처리하였으며, 무증자 전분의 알콜 발효는 증자법과는 달리 증자를 하지 않고 동시 당화발효를 수행하였고, 저온 증자법은 전처리 과정에서 황산으로 pH를 조절하는 것을 생략하고 세균성(Bacillus subtilis)알파 아밀라제 5ml(2400유닛)를 첨가하여 70℃에서 1시간 액화시킨 것 이외에는 무증자의 경우와 동일한 방법으로 실시하였다. 이때, 증자, 무증자, 저온증자 방법에 사용된 원료는 생타피오카이며 본 발명의 방법에만 압출 전분이 사용되었다. 한편, 각 방법에 따른 발효 진행 상태의 비교는 초기 메이셀 발효병의 중량에서 각 발효시간 경과별 메이셀 발효병의 중량을 뺀 값을 CO₂생성량으로 하여 비교하였다. 일반적으로 열처리 및 액화효소 처리를 한 증자 및 저온증자 방법이 아무처리도 하지 않은 무증자 방법에 비해 높은 발효 효율을 나타내 거미줄 곰팡이속(Rhizopus sp.)의 당화효소가 생타피오카 원료에 효율적으로 작용할 수 없음을 알 수 있었다. 이러한 점을 고려하여 고온 고압하에서 순간적으로 전분의 입자 구조를 변화시키는 압출 과정을 거친 타이오카 원료를 사용하여 실시예 2에서와 같이 발효를 할 경우 발효 1일째 18.8g의 CO₂가 발효 3일에는 34g의 CO₂가 발생해 기존의 어느 방법에 비해서도 초기 발효 속도가 빨랐으며 발효시간도 1-2일 단축됨과 아울러 발효 효율도 93.1%로서 증자법보다 4-5%높은 수율을 나타냈다.

기타 뿌리작물 주정원료인 절간고구마에 대해서도 본 발명에 의해 개발된 방법을 적용시킨 결과 타피오카와 마찬가지로 최종 에탄올 수율이 90-95%로 압출 전분을 이용한 무증자 발효법이 뿌리작물 전분의 무증자 발효법보다 효율적임을 알 수 있었다.

각 알콜 제조방법에 따른 발효시간 경과별 CO₂생성량과 발효 결과를 각각 제3도 및 표 2와 같았다.

[표 2]

Claims (3)

1. 뿌리작물 전분과 매시액을 혼합한후 당화효소 및 알콜 발효 효모를 가하여 동시에 당화 발효시킴에 있어서, 뿌리작물 전분을 고온, 고압하에서 압출시켜 사용함을 특징으로하는 고온, 고압하에서 압출시킨 뿌리작물 전분을 이용한 무증자 알콜 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 고온 고압하에서 압출시킨 뿌리작물 전분은 수분함량이 12-14%(w/w)정도인 뿌리작물 전분을 10-20메쉬로 마쇄하여 일륜형스크류우의 높은 층물림 조리 압출기(High shear cooking extruder with single screw)에서 원료 사입속도 200g/min, 스크류우의 회전속도 120rpm, 바렐의 내부온도 100-120℃의 압출조건에서 순간적으로 압출하여 얻은것인 고온, 고압하에서 압출시킨 뿌리작물 전분을 이용한 무증자 알콜제조방법.
3. 제1항에 있어서, 뿌리작물 전분은 타피오카칩이나 펠렛, 절간고무마 중에서 선택한 것인 고온, 고압하에서 압출시킨 뿌리작물 전분을 이용한 무증자 알콜제조방법.

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