KR910004827B1 - 각질곡류로부터 주류양조, 알콜발효, 및 포도당 제조의 α-화 기질을 제조하는 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

각질곡류로부터 주류양조, 알코발효, 및 포도당 제조의 α-화 기질을 제조하는 방법

제 1 도는 재래식 α-화 공정

제 2 도는 기류식 팽화기에 의한 α-화 공정

제 3 도는 백미, 현미, 나락의 팽화성 비교.

본 발명은, 벼(나락), 보리, 옥수수등과 같은 각피를 갖는 전분질 곡류로부터 주류양조, 알코올반효 및 포도당 제조등에 사용되는 α-화된 기질을 제조하는 방법에 관한 것으로, 기류식 팽화기에 도정되지 않는 나락, 통보리, 옥수수등을 넣고, 열풍으로 가열하면 각질 팽화라고 하는 하나의 공정으로 종래의 곡류α-화 공정인 정미(정맥)→수침→증자라는 공정을 대폭 생략화하고, 동시에 당화시간 및 발효시간도 현저히 단축시키며, 당화율과, 발효율도 최대화 할뿐만 아니라, 저 에너지와 저 시설비료도 상기와 같은 제조가 가능하도록 하면서, 유해폐수의 발생이 전혀 없고, 부생하는 왕겨의 사료적 가치도 향상시키도록 하기 위한 것이다.

경제적인 알코올 생산 방법의 확립은 석유자원의 고갈에 대비한 자동차연료등 미래 에너지 공급에서 중요한 의미를 가지며, 알코올은 각종주류, 의약품 및 유기용재등 넓은 용도가 있기 때문에 생활수준향상이나 공업발전에 따라 알코올 생산의 중요성은 더욱 증가하게 될 것이다. 알코올을 얻기 위해서는 당밀이나 폐당밀과 같은 당질 원료와 고구마, 보리, 옥수수, 쌀과 같은 전분질 원료가 쓰일 수 있는데, 당밀이나 패당밀은 당화 공정을 거치지 않고 알코올 발효를 할 수 있는 장점이 있으나 공급이 불안정하고 수송비가 많이 들며 악성폐수가 많이 발생되는 단점이 있다. 감자나 고구마같은 서류 전분질은 저장 수명이 짧은 단점이 있기 때문에, 안정된 전분질 곡류는 쌀이나 보리 옥수수등이 있으나 가격이 비싼 이유로, 그리고 쌀은 주식이라는 특수성 때문에 쌀로부터의 알코올 발효는 그간 많은 제한이 있어왔다. 그러나 1980년을 기점으로 쌀이 자급된 점, 주식인 쌀은 언제나 충분히(남아돌게)비축되어야 하는 점, 또한 축산물의 소비증가로 인한 쌀의 소비량 감소경향, 쌀은 충분히 갖고 있어도 쌀을 수입하는 조건을 수출되는 무역이 이루어지고 있는 점, 녹색혁명을 달성한 태국, 중국, 대만등이 최근 쌀재고가 늘어남에 다른 미국과 쌀수출에서 경쟁적으로 값을 내리고 있는 점등을 감안할 때 쌀의 주식 외적인 소비 연구는 주식의 안정적 확보, 무역조건 개선, 석유가 고가화시 대체에너지 대책 및 고미의 학리적인 처리에 있어서 절실한 문제가 아닐 수 없다. 잉여쌀의 소비는 알코올생산, 제과, 포도당 제조등 여러각도에서 생각할 수 있으나 가장 효과적인 것은 알코올 발효라고 생각할 수 있다.

쌀(보리)를 원료로 하여 알코올을 생산하기 위해서는 우선 이들 전분질 원료를 맥아당이나 포도당까지 당화시켜야 한다. 이와 같이 전분을 당화하여 맥아당과 포도당을 만들기 위해서는 당화 시작전에 쌀이나 보리중의 전분을 아밀라제의 작용을 받을 수 있도록 전분을 호화(α-화)시켜야 하는데 전분을 잘 호화시키기 위해서는 호화전에 전분입자 사이에 수분이 잘 스며들도록 하면서 가열해야 전분의 수소결합이 와해되어 호화된다. 그러기 위해서는 쌀이나 보리는 정미기(정맥기)로 정미하여 왕겨를 벗겨 현미를 얻고 그다음 현미의 겨층을 제거하여 백미로 만들어야만 수침중 흡수가 잘된다. 백미의 수분함량은 약 13%정도로 이 수분조건에서는 가열하여도 충분한 호화(α-화)가 되지 않기 때문에 결국 당화가 일어나지 않게 되므로 수침을 실시하여 쌀의 수분함량을 40-45%정도로 높여 주어야 한다.

수침에 의해서 이런 수분에 도달하는데는 15℃에서 10-12시간 걸린다. 더욱 수침중 온도가 높으면 산폐되므로 자주 물갈이를 하여 줌으로써 많은 양의 폐수가 발생하게 된다. 이와 같이 곡류를 수침하면 물을 빼는 노력과 시간 및 시설이 필요하게 된다. 수침후 봉빼기가 끝나면 증자공정에 들어가는데 증자는 100℃에서 60-90분 실시하는게 일반적이다. 이 경우 정미시간(1)+수침시간(10-12시간)+물빼기(2)+증자(1)에 최소 14-16시간 소요되고 에너지면에서 볼 때 도정(정미)+증자(알코올 생산에너지의 40%)에 많은 에너지가 소요되며, 시설명에서도 정미기, 수침탱크, 증자탱크, 고온 보일러등의 시설과 그의 운용에 인력이 많이 필요하게 된다. 또한 사용된 용수는 BOD를 크게 증가시키는 하수를 발생하게 된다. 따라서 , 상기와 같이 지적된 여러 가지의 점을 감안하여 창안된 본 발명에서는 주류양조, 알코올발효 및 포도당제조의 원료로 사용하기 위하여 도정하지 않는 나락, 보리, 옥수수와 같은 각질 전분질 곡류를 210±10℃의 기류식 팽화기중에서 50-60초 팽화시켜 α-화 기질을 얻는 것을 특징으로 하는 각질 곡류로부터 주류양조, 알코올발효 및 포도당 제조의 α-화 기질을 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것인데, 특히 본 발명에서는, 도정하지 않는 상태의 각질곡류를 기류식팽화기내에서 가열시켜, 곡류조직내의 수증기압에 의하여 곡류의 껍질 부분이 파열되면서 팽화되도록 한 것으로서, 가열에 의하여 커진 수증기압이 곡류의 껍질로서 전적으로 억제되어 있는 상태로 있다가, 어느 일정압력에 이르러 순간적으로 껍질이 파열되면서, 곡류알맹이가 팽창되게한 것이므로, 껍질내부의 수증기압을 최대화시킬뿐 아니라, 동시에 팽화의 정도를 극대화시키면서, 팽화를 연속화하고 에너지의 소모를 적게하여 경제적인 기질을 얻도록 한 것이다.

여기서, 팽화란, 기류식 팽화기내에서 적당한 수분을 함유한 곡류에 열풍을 매체로 열을 가하면 조직중의 수분과 공기가 팽창하여 곡류중의 수중기압이 증가하다가 1.7-2.0 기압으로 도달되면 곡류의 껍질부분이 파열되면서 곡류 조직내의 높은 수중기압에 의해 공기나 수분이 분출되면서 조직이 팽창되어 주변 기압과 평형이 될때까지 조직이 팽창되는 현상이며, 이에 부가하여, 전분원료를 분쇄하거나 정미한 후 충분하게 가수하여 호화하는 것은 전분 구조의 규칙성을 와해하여 수분의 침투 및 당화효소의 작용이 가능하도록 하기 위하여 증자(증강)하는데 이러한 결과는 팽화에 의하여 규칙성(수소결합도)을 와해(낮게)하는 것이나 마찬가지로 물리적으로 보면 같은 α-화라 할 수 있는 것이다.

이러한 팽화는 전분을 구성하는 아밀로스와 아밀로팩틴중 아밀로팩틴함량이 많을수록 잘되는 것으로 알려져 있어서 통일계 보다는 일반계, 멥쌀 보다는 찹쌀이 기류식 팽화기에 대한 팽화성이 크다.

본 발명의 기술요지를 구체적으로 설명하기 위해서 실험에 의하여 주어지는 실시예를 들어보면 다음과 같다.

[실험방법]

1. 쌀, 보리, 밀 , 옥수수의 팽화

곡류를 정선한 후 기류식 전열팽화기에 각각 60g을 넣고 210+5℃에서 50-65초 동안 팽화하였다. 이때의 전압은 112volts였다.

2. 쌀, 보리, 옥수수, 밀의 호화

쌀은 제 1 도에서와 같이 15℃에서 12시간 수침한 후 20분간 물을 뺀다음 삼각 플라스크에 넣어 60분간 증자하였고, 밀, 보리, 옥수수는 약 50mesh로 분쇄한 후 물을 뿌려 흡수시킨 후 100℃에서 30분간 증자하여 당화시료로 하였다.

3. 고지제조와 당화조건

밀기울에 동량의 물을 가하여 살균한 배지에 Aspergillus shirousami를 접종하여 30℃에서 3일간 배양하여 상기 1, 2에서 처리한 전분질 완료 10g에 살균한 증류수 45ml와 1g의 고지를 넣어 30℃에서 당화하면서 DNS 비색법으로 생성된 환원 당량을 정량하여 당화율과 당화 속도를 산출하였다.

4. 알코올 발효

상기 1, 2에서 처리한 전분질 원료(10g)에 고지(Aspergillus shirousami)와 살균된 증류수 45ml를 넣고, 여기에 주모(Saccharomyes cerevisiae)를 5ml접종하고 30℃에서 알코올 발효시키면서 생성된 에탄올 산화법으로 정량하였다.

5. 왕겨의 cellulase에 의한 분해도

왕겨를 cutting mill 로 분쇄하여 40-59mesh로 한후 5g을 취하여 pH 4.8의 0.05M sodium acetate buffer 45ml에 현탁시키고 2% 효소(동양화성제:Trichoderma sp에서 얻은 것, 일제)액 2ml를 가하여 50℃에서 3시간 반응시킨 후 5분간 끓여 효소반응을 정지시키고 여과하여 여액중의 환원당을 DNS법으로 비색정량하였다.

6. 팽화를 위한 곡물의 최적형태 및 품종

나락, 쌀, 통보리, 쌀보리, 통옥수수, 통밀의 기류식 팽화기에 의한 팽화정도를 확인하기 위하여 실험방법 1에 의해서 얻은 결과는 표 1과 같다. 표 1에서 볼 때 통밀은 팽화가 극히 불량하고 보리쌀과 쌀은 도정을 안한 나락이나 통보리보다 팽화정도가 낮았다. 즉 나락의 팽화정도와 통옥수수의 팽화정도가 아주 좋았고 통보리는 약간 팽화되었다. 따라서 기류색 팽화기에 의한 곡류의 팽화는 나락과 통옥수수가 유리한 곡류로 나타났고, 통밀, 보리쌀, 백미는 이용할 수 없는 형태이다. 이와 같은 팽화정도가 큰 이유는 가열될때 내압을 유지할 수 있는 건전한 껍질(각질)의 존재와 전분질의 구성분인 아밀로펙틴(amylo-pectin)이 많은데 있으므로 기류식 팽화 곡류로는 찹쌀, 찰옥수수가 적당하며 이는 곧 α-화 가공특성이 좋다고 할 수 있다. 쌀의 최적 팽화 형태는 제 3도에서와 같이 왕겨층이 있는 나락이 가장 유리하다.

[표 1]

기류식 팽화기로 팽화한 쌀, 보리, 옥수수, 밀의 팽화에 의한 부피증가율 비율

#곡류 60g의 부피(ml)

## 팽화 증강율=

×100

[실시예 1]

일반계 나락(동진)으로부터 실험방법 1에 의하여 얻은 α-화 미와 실험방법 2에(재래적인 방법)의해 얻은 증자미에 대하여 각각 실험방법 3에 따라 당화율과 당화시간을 조사한 것은 표 2에서 볼 수 있고 또 한편으로 이들 팽화미(α-화 전분)와 증자미(α-화 전분)에 대한 방법 3에 의한 알코올 발효율과 발효시간을 조사한 결과 표 3에서 볼 수 있다.

[실시예 2]

찰보리(수원 235호)를 실험방법 1에 의해 얻은 α-화맥(팽화맥)과 실험방법 2(재래방법)에 의해서 얻은 증자맥에 대한 당화율과 당화시간은 표 2와 같고, 알코올 발효율과 발효시간(속도)를 조사한 결과는 표 3과 같다.

[실시예 3]

실험방법 1에 의해서 얻은 α-화 옥수수(팽화옥수수)와 실험방법 2(재래식 방법)에 의해서 얻은 증자 옥수수에 대하여 얻은 당화율과 당화시간(속도)은 표 2에서 볼 수 있고, 알코올 발효율과 발효시간(속도)을 조사한 결과는 표 3에서 볼 수 있다.

[표 2]

α-화 방법이 쌀보리, 옥수수의 당효율과 당화시간에 미치는 결과

[표 3]

α-화 방법이 쌀, 보리, 옥수수의 발효율과 발효시간에 미치는 영향^#

#발효방식은 복발효식

표 2에서 볼 때 쌀과 옥수수의 당화율은 증자한 것이 각각 82%와 80%이었으나 팽화한 쌀과 옥수수는 각각 84%와 82%로 증가하였다. 당화시간을 보면 쌀과 옥수수를 증자하여 당화한 경우 소요되는 시간은 각각 20시간과 25시간이었으나 이들을 팽화하여 α-화한 경우는 각각 5시간 내지 10시간 이내로 당화시간이 크게 단축된다. 한편 보리의 경우는 쌀과 옥수수의 경우와는 반대로 당화시간이 단축되지 않았고 당화율에서도 개선되지 않았는데 그 이유는 팽화시 쌀이나 옥수수는 조직이 크게 팽창된데 비해 보리는 팽화 부피가 작고, 물이나 효소의 침투가 어려운 껍질이 보리 배유부에 밀착된데 기인한다고 본다. 따라서 팽화에 의한 곡류의 α-화에는 쌀과 옥수수가 매우 적합한다. 한편 표 3에서 보면 증자미와 증자옥수수로부터의 발효율은 82%와 83%이었으나 팽화한 경우는 87%와 86%로 팽화한 것이 증가한 것보다 발효율이 약간 높았고, 발효시간을 보면 증자한 쌀과 옥수수의 경우 48시간 정도로 발효가 완료되었으나, 팽화한 경우는 24시간 이내로 발효가 완료되어 팽화한 쌀과 옥수수가 증자한 쌀과 옥수수보다 발효 시간이 약 절반으로 단축되는 효과를 볼 수 있었다. 그러나 보리에서는 발효율이나 발효시간 단축 효과를 볼 수 없었다. 이와 같이 쌀과 옥수수에서 발효시간이 크게 단축된 것은 증자미나 증자 옥수수 전분 보다는 곡류를 팽화함으로써 곡류의 조직이 수침투는 물론 효소가 작용하기에 좋도록 다공성 구조를 균일하게 가지게 되기 때문이며 그 결과 전분의 가수분해가 쉽게 일어나서 당화시간이 크게 단축된다. 이렇게 당화가 빨리 일어남으로써 효모에 의한 알코올 발효도 연동적으로 빨리 진행되는 효과를 볼 수 있다.

7. 공정단축효과

모든 산업사회에서 공정의 단순화, 에너지 절약과 폐수배출감소 및 시간단축 문제는 끊임없이 제기되는 과제이다. 쌀, 보리, 옥수수로부터 알코올을 생산할 때 곡류를 증자하는 대신 기류식 팽화기로 곡류전분의 α-화를 팽화공정으로 유도함으로써 표 4에서 보는 바와 같이 공정이 단순화 됨으로써 에너지가 절약되고, 또한 폐수가 전혀 발생하지 않는 점, 시간단축등의 획시적인 효과를 볼 수 있다.

[표 4]

재래식 α-화 공정과 팽화에 의한 α-화 공정에 있어서

공정단축과 시간단축 효과 및 폐수발생 유무

즉, 3단계 α-화 공정이 1단계 공정으로 단순화 되었고, 시간적으로 길게는 14-16시간, 짧게는 5-6시간 걸리던 α-화 시간이 50-90초로 단축되었다. 또한 폐수의 발생을 제로화(zero)하였고, 정미공정을 생략할 수 있다.

8. 왕겨의 소화율 향상과 농약 잔류량 감소효과

나락을 정미하면 20%(w/w)의 왕겨가 얻어진다. 이 왕겨는 소화효소가 가수분해하기 힘든 화학 구조적 단점이 있기 때문에 왕겨의 사료화 연구는 끊임없이 시도되고 있으나 경제적이고, 효과적인 방법은 아직 보고된바 없다. 그러나 팽화에 의한 나락의 α-화에서는 열처리된 왕겨가 별도의 열처리없이 부생되는데에 큰 의미가 있다. 이 왕겨를 실험방법 5에 의해서 일반 정미시 부생되는 왕겨의 소화율과 팽화시 얻어지는 왕겨의 소화율을 조사한 결과 일반 정미시 얻어지는 왕겨보다 팽화함으로써 왕겨의 소화율이 31.95%나 증가되는 사료적 가치향상 효과를 볼 수 있다.

한편, 쌀의 증산을 위해서 농약의 사용은 불가피하나 식품 섭취시나 짚과 왕겨의 사료화에서 농약의 잔류량이 문제가 되고 있다. 대부분의 농약은 열안정성이 낮기 때문에 조리중 상당량 분해되어 잔류량이 감소되나 일반도정에서 얻은 쌀과 왕겨에는 농약의 잔류량이 많을 수 밖에 없다. 그러나 팽화에 의한 나락의α-화에서는 210℃라는 고온에 나락이 노출됨으로써 팽화한 경우 증자한 것보다 잔류량이 50-70%이상 감소되었다.

따라서, 팽화에 의한 나락의 α-화는 왕겨의 사료화에 있어서 소화율의 향상은 물론 왕겨의 사료적 위생성을 향상시키는 점에서도 뚜렷한 효과를 볼 수 있다.

Claims (1)

1. 도정하지 않는 나락, 보리, 옥수수와 같은 각질 전분질 곡류를 한쪽이 대기압으로 개방되어 있는 기류식 팽화기내에 직접 넣고 기류식 팽화기내의 온도를 210±10℃로 유지시켜, 곡류의 각질내부의 수증기압이 1.7-2.0기압을 유지시키면서 50-60초로 팽화시켜 α-화 기질을 얻는 것을 특징으로 하는 각질 곡류로부터 주류양조, 알코올발효 및 포도당제조의 α-화 기질을 제조하는 방법.

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