KR970005348B1 - 생전분 또는 생전분질 입자를 미세입자로 단편화(斷片化)시키는 미세입자 전분의 제조 방법 - Google Patents

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Description

생전분 또는 생전분질 입자를 미세입자로 단편화(斷片化)시키는 미세입자 전분의 제조 방법

본 발명은 생전분과 또는 생전분질 입자를 기능성과 반응성을 증대시키기 위하여 보다 적은 미세입자로 단편화 시키는 새로운 미세입자 전분의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명 제조방법의 특징은 전분 분해효소의 입자에 대한 침식작용과 고형 매체의 분쇄 마찰작용을 동시에 상호보완적으로 이용하는 것으로 견고한 구조를 가지고 있는 생전분 또는 생전분질 입자를 고효율로 단편화 시키는 것이다.

생전분 또는 생전분질은 아밀로오스와 아밀로펙틴이 조밀하게 연결된 매우 단단한 입자구조를 기본단위로 하여 형성되어 있다.

생전분은 옥수수, 감자, 고무마, 밀, 쌀과 같은 각종 생전분질을 가공하여 얻으며, 얻어진 생전분 입자의 크기는 전분의 종류에 따라 다르지만 대체로 10-100 마이크로메터 전후로서, 각종 산업분야에 이용시 전분의 호화온도(플리되는 온도), 팽윤성, 점성, 투명성, 젤화, 그리고 노호성과 같은 전분의 가공특성들은 입자의 크기에 많은 영향을 받게 된다.

전분 및 전분질은 주로 식용으로 사용되고 있다.

그러나 현재는 그 사용분야가 다변화되어 식용이외에도 식품, 섬유, 제지, 그리고 화학공업분야에서 다양한 용도로 이용되고 있다.

식품산업에서 기호, 음료, 축산 및 수산 가공식품의 중점제, 분산제, 향보존제 등으로 이용된다.

섬유공업에서는 섬유사의 제직성을 높이기 위한 실의 가호, 나염, 그리고 호제등으로 이용된다.

제지공업에서는 주로 표면사이징제, 코팅제, 내부첨가제, 그리고 판지의 층간접착제등으로 이용되고 있다.

또한 화학공업에서는 전분을 변성화시며 접착제, 분산제, 증점제, 미끄럼 방지용 분말등으로 이용하고 있다.

그리고 최근에는 폴리에틸렌과 같은 재료와 혼합하여 생붕괴성 플라스틱의 제조에 이용되며, 또한 각종 흡수성 수지의 원료가 된다.

그외에도 중금속 포접제, 계면활성제, 세제, 화장품, 목재가공, 농약의 서방제등 많은 분야에서 이용되고 있다.

지금까지 전분을 이용할 때에는 생전분 입자를 보다 작은 입자로 단편화 시키지 않고 기본구조인 입자 상태로 사용하고 있으며, 또한 화학적으로 변성시키거나 또는 가열 호화시켜 사용할 경우에도 생전분 입자상태 그대로 사용하고 있다.

그러나 생전분 입자를 보다 작은 크기로 미세화시켜 얻어진 단편화 생전분 입자를 사용할 경우에는 기능성 및 반응성에서 장점이 많으며, 따라서 다음과 같은 분야에 넓게 응용될 수 있다.

단편화된 미세 생전분 입자를 식품용으로 이용할 경우 원래의 전분 입자에 비하여 크기가 적으므로 열의 전달이 용이하여 낮은 온도에서 쉽게 호화되며, 용해성이 향상되고, 호화액의 투명도가 증가되며, 용액상에서 쉽게 침전되지 않아 분산성이 향상되고, 전분 분자가 분산되므로 재배열 침전되는 노화가 억제되어 저온 안정성이 향상된다.

또한 흡습성은 저하되는 반면 물에 대한 보수성은 향상되는 특징을 갖게 된다.

단편화된 미세 생정분 입자를 제지공업에 이용할 경우에도 호화액의 점도가 안정되고, 호화액중에 전분이 균일하게 분산되므로 종이 표면에 정착이 안정하게 되는 장점을 갖게 된다.

단편화된 미세 생전분 입자를 섬유공업에 이용할 경우 호화액이 안정되고, 점도가 증가되며, 호화전분의 입자가 골고루 분산되고, 섬유사로의 침투성이 향상되는 장점을 갖게 된다.

단편화된 미세 생전분 입자를 전분과 플라스틱을 혼합한 생붕괴성 플라스틱의 제조에 이용할 경우, 플라스틱 재료와 혼합성과 균일성이 향상되어 전분의 고함량 첨가가 가능하며 고품질의 생붕괴성 플라스틱을 얻을 수 있다.

단편화된 미세 생전분 입자를 잉크 및 페인트 분야에 이용할 경우, 입자의 크기가 작고 형태가 불규칙하므로 색소 및 안료의 분산성을 향상 시킬수 있다.

단편화된 미세 생전분 입자를 의약품 분야에 이용할 경우에도 분산성, 접착성, 그리고 호화안정성이 향상된 뿐만아니라 인체내의 효소에 의하여 분해속도가 낮아 중량제, 분해성 캡슐 제조 원료, 약품전달매체로서 이용될 수 있다.

또한 생전분을 이용한 변성전분 제조의 경우에는 각종 변성반응은 전분입자의 표면에서 진행되기 때문에 전분입자가 미세화 될 수록 비표면적이 크게 증가됨으로 반응이 균일하게 또한 밀도 있게 진행되므로 고품질의 변성전분을 얻을 수 있다.

그러나 생전분 입자는 앞에서와 같이 매우 단단한 입자구조를 기본단위로 하고 있고, 또한 입자 자체의 크기도 50-100 마이크로메터로 매우 적어 일상적인 방법으로는 쉽게 미세화되지 않는다.

현재 알려져 있는 생전분 입자의 단편 미세한 방법으로는 입자의 산처리, 효소분해, 콜로이달 밀링, 감마선 조사등과 같은 각종 방법이 제안되고 있다.

산처리 방법은 생전분 입자를 0.5-10%의 염산이나 황산용액에 현탁시키고, 상온 또는 55℃범위에서 교반하면서 목적으로 하는 크기에서 중화시켜 탈수 건조하여 제조한다.

이 경우 반응은 주로 표면에서 일어나므로 생전분 입자의 모양은 그대로 유지되고 단지 전분의 크기가 감소한다.

그러나 산처리 조건의 조절이 어렵고, 단편화 효용성이 매우 낮은 단점이 있다.

효소분해 방법은 각종 전분 가수분해 효소를 이용하여 생전분 입자를 부분적으로 분해시켜 입자구조를 다공성으로 변화시키는 것으로 입자의 크기는 크게 변하지 않는다.

이 방법 또한 전분 입자의 단편화 효율이 낮아 산업적으로 이용하는 데는 많은 문제점을 안고 있다.

상기와 같은 방법으로 단편화 시킨 미세전분 입자는 제지공업에서 코팅제, 표면 사이즈제 등으로 일분 이용되고 있다.

물리적인 전분의 단편화 방법으로는 생전분 입자를 수용액상에 현탁한 후 매우 강한 물리적인 힘으로 입자를 파괴시키는 콜로이달 밀링(Colloidal milling)방법과 감마선을 조사하여 입자를 붕괴시키는 방법등이 제안되고 있으나 이러한 방법들은 효용성과 설치비용 및 에너지 소모등으로 인한 경제성이 낮아 현재 산업적으로 전혀 이용되지 않고 있다.

본 발명은 위와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 전분 분해효소의 입자에 대한 침식작용과 고형 매체의 분쇄마찰효과를 동시에 사용하여 생전분 또는 생전분질입자를 보다 미세한 입자로 고효율로 단편화시킴으로써, 기능성과 효용성이 크게 향상된 단편화 미세 전분입자를 제조토록 하는 새로운 방법에 관한 것이다.

본 발명을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명 사용 전분은 옥수수, 감자, 고구마, 타피오카, 쌀, 밀과 같은 각종 전분질을 가공하여 얻은 입자상 생전분, 또는 옥수수, 감자, 고구마, 쌀, 밀, 보리, 쌀보리, 율무, 밤, 수수의 곡분과 같은 생전분질도 이용된다.

본 발명 사용 효소는 알파-아밀레이즈, 베타-아밀레이즈, 글루코아밀레이즈 풀루라네이즈, 사이클로덱스트린 글루카노트랜스퍼레이즈와 같은 각종 전분 분해효소가 이용된다.

본 발명 사용 고형 매체로는 유리구, 테프론, 세라믹, 실리카와 같은 신소재 등의 구형, 타원형, 무정형등 여러 형태의 분쇄마찰 작용을 줄 수 있는 것을 사용한다.

본 발명 단편화 미세전분의 제조방법은 수용액에 생전분 또는 생전분질 분말을 고농도로 현탁시키고 전분 분해효고와 분쇄마찰매체를 첨가하여 계속 또는 간헐적으로 교반하면서 반응시켜 단편화 하거나 또는 생전분 입자를 먼저 효소로 처리하여 침식시키고 이를 분쇄마찰매체로 처리하여 단편화시킨 후 얻어진 단편화된 미세 전분을 원심분리나 필터를 이용하여 물과 분리하여 제조하거나 또는 건조하여 분말화하여 제조한다.

분쇄마찰매체를 포함한 반응액의 교반 및 혼합에는 회전축과 회전익을 이용한 기계적교반, 반응기 자체를 교반시키는 회전통 교반기, 유체를 활용한 유동층반응기 등 반응액을 원활히 분쇄마찰시킬 수 있는 구조를 지닌 반응기이면 된다.

교반강도는 원활한 효소반응을 촉진시킬 수 있고 전분의 구조를 변화시키는데 적절한 교반속도를 이용하여야 하며, 1,000rpm과 같은 과다한 교반은 효소를 실활시켜 역효과를 주게 된다.

생전분(질)의 첨가농도는 현탁액의 유동성이 유지되는 한계인 600g/ℓ 이내까지 가능하며, 전분 분해효소의 첨가량은 효소의 종류에 따라 결정되며, 생전분의 분해에 적합한 농도면 된다.

고형 매체의 첨가량은 첨가 전분질 무게의 5배 이내가 적합하며, 반응온도는 60℃이내가 적당하나 전분호화가 일어나지 않는 70℃까지도 가능하다.

수소이온온도(pH)는 각종 전분분해효소의 기원에 따라 적절히 조절하여야 한다.

본 발명을 실시예에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.

(실시예 1)

증류수 또는 초산완충용액(pH4.8) 1ℓ에 옥수수 생전분 300g, 글루코아밀레이즈 3,100unit, 그리고 직경3mm 구형 세라믹구 400g을 첨가하고, 50℃에서 20rpm으로 각각 30분 1,2,4, 그리고 8시간 동안 교반 반응시킨 후 원심분리하여 얻어지는 단편화된 미세 전분입자구조를 주사형 전자현미경으로 관찰한 결과는 제1도(사진)의 (2)~(6)과 같다.

비교를 목적으로 원래의 옥수수 생전분(제1도의 (1))과 분쇄마찰매체를 첨가하지 않고 글루코아밀레이즈만으로 1,4,8시간 반응시킨 옥수수 생전분입자(제1도의 (7)(8)(9)), 그리고 효소를 첨가하지 않고 세라믹구로 4,8,24시간 콜로이달 밀링시킨 옥수수 생전분입자(제1도의 (10)(11)(12))의 구조도 관찰하였다.

제1도에 의하면 본 발명에서와 같이 분쇄마찰매체를 첨가하고 효소반응시킨 생전분은 2시간 반응 이후 매우 작은 입자로 단편화 되었다.

그러나 분쇄마찰매체를 첨가하지 않고 효소반응시킨 생전분은 8시간 동안 처리한 후에도 입자의 표면에 구멍이 생겼을 뿐 형태는 그대로 유지되었다.

그리고 콜로이달밀링시킨 옥수수 생전분입자도 24시간 동안 처리한 후에야 입자가 일부분 단편화 되었다.

또한 본 발명의 방법으로 30분, 1,2,4, 그리고 89시간동안 처리하여 단편화시킨 미세 전분, 고형메체를 첨가하지 않고 8시간동안 효소만으로 처리한 옥수수 생전분 입자, 그리고 효소를 첨가하지 않고 8시간동안 콜로이달 밀링시킨 옥수수 생전분 입자의 평균 입자 크기를 측정한 결과는 아래의 표(1)과 같다.

위의 표(1)을 검토하여 보면 본 발명의 방법으로 단편화 시킬 경우 반응시간이 경과함에 따라 평균 입자 크기는 점차적으로 감소하였으며, 4시간 반응후 단편화된 미세전분입자의 크기는 원래 생전분에 비하여 지름이 약 3분의 1로 단편화 되었으며, 이를 구형으로 가정하고, 구체적으로 환산할 경우에는 27분의 1에 불과함을 알 수 있고, 더욱이 입자 모양을 불규칙하므로 표면적으로 그보다 훨씬 큼을 알 수 있다.

반면 고형 매체를 첨가하지 않고 효소만으로 처리한 전분입자의 크기와 효소를 첨가하지 않고 콜로이달밀링시킨 전분입자의 크기는 8시간 후에도 큰 변화가 없었다.

본 발명의 방법으로 위와 같은 조건에서 30분, 1,2,4, 그리고 8시간동안 반응시킨 후 생성된 단편화 전분의 양과 제조과정의 부산물인 포도당의 농도의 변화를 비교한 결과는 제2도와 같으며, 단편화가 진행된 2,4 시간 반응후 단편화 미세입자의 수율은 각각 77,54%였다.

본 발명의 방법으로 위와 같은 조건에서 8시간까지 단편화 시킨 미세전분의 아밀로오수 함량, 시차 주사 열량계로 축정한 호화 개시온도, 그리고 팽윤력 등을 측정한 결과는 아래의 표(2)와 같다.

위의 표(2)에 의하면 아밀로오스의 함량은 입자의 크기가 작아질수록 감소하여 원래 전분의 경우 29.6%였으며, 본 발명의 방법으로 4시간 동안 단편화 시킨 미세 전분의 경우 17.14% 까지 감소하였다.

호화 개시온도는 원래 전분은 67.8℃였으나 본 발명의 방법으로 4시간동안단편화시킨 미세전분의 경우 63.3℃로 크게 감소하였다.

또한 팽윤력은 원래 전분에 비하여 4시간 단편화시킨 미세전분은 45.5%로 원래 전분의 23.3%에 비하여 크게 증가하였다.

본 발명의 방법으로 위와 같은 조건에서 단편화 시킨 미세 전분의 온도변화에 따른 호화도의 변화를 측정한 결과는 제3도와 같으며, 또한 용해도의 변화를 측정한 결과는 제4도와 같다.

미세전분의 경우 원래 생전분에 비하여 각 온도에서의 호화도와 용해도는 모두 크게 증가하였다.

또한 전분의 농도가 0.5%(부피당 건물량 기준)되도록 현탁한 후 온도를 40~95℃까지 증가시키면서 전분용액의 투명도를 60mm에서 전분용액의 투광도로 측정한 결과는 제5도와 같다.

각 온도에서 미세전분용액의 투명도는 원래 생전분에 비하여 크게 향상되었다.

또한 본 발명의 방법으로 단편화시킨 미세전분의 분산성을 전분 농도 1.0%(부피당 건물량 기준)되도록 현탁한 후 상온에서 정치하면서 시간의 경과에 따라 상등액의 투광도를 측정하여 결정한 결과는 제6도와 같다.

단편화되지 않은 전분에 비하여 미세전분은 침가이 되지 않고 자익간 수용액 중에서 현탁되어 분산성을 유지하였다.

실시예 2

실시예 1과 같은 조건에서 글구코아밀레이즈 대신 다른 전분 분해효소인 알파-아밀레이즈, 베타-아밀레이즈, 플루라네이즈, 그리고 사이클로덱스트린 글루카노 트랜스퍼레이즈를 첨가하여 4시간 효소반응시킨후 생전분 입자의 구조변화를 관할한 결과는 제7도와 같으며, 효소의 종류에 큰 관련없이 모두 작은 입자로 단편화되어 미세 전분입자를 제조할 수 있었다.

실시예 3

감자, 고구마 생전분과 쌀, 밀, 율무 곡분 300g/ℓ를 실시예1과 같은 조건에서 단편화시켜 얻어진 미세생전분의 입자구조를 주사형 전자현미경으로 관찰한 결과는 제8도와 같다.

옥수수 전분 뿐만아니라 감자, 고구마 전분과 같은 정제된 생전분은 물론 쌀, 밀, 율무 가루와 같은 곡분을 이용할 경우에도 효과적으로 단편화시킬 수 있었으며 미세전분을 제조할 수 있었다.

Claims (1)

1. 생전분 또는 생전분질 입자를 수용액에 600g/ℓ범위내로 현탁시키고, 현탁액에 글루코아밀레이즈, 알파아밀레이즈, 베타아밀레이즈, 풀루라네이즈, 아이소아밀페이즈, 그리고 사이틀로텍스트린 글루카노트랜스퍼레이즈와 같은 전분 분해 효소와 세라믹구, 유리구와 같은 분쇄마찰효과를 줄 수 있는 고형매체를 첨가하여, 호화가 일어나지 않는 70℃이내에서 교반하면서 반응시켜 생전분 또는 생전분질 입자를 미세입자로 단편화(斷片化)시키는 미세입자 전분의 제조 방법.