KR920001380B1 - 고정된 글루코아밀라제를 사용하여 높은 덱스트로스치를 갖는 전분가수 분해물을 제조하는 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

고정된 글루코아밀라제를 사용하여 높은 덱스트로스치를 갖는 전분가수 분해물을 제조하는 방법

본 발명은 고정된 글루코아밀라제를 사용하여 높은 덱스트로스 함량을 가진(적어도 93% 이상이며 보통 95%나 또는 그 이상) 전분 가수분해물을 얻는 방법에 관한 것이다. 명세서 및 청구범위 전체에 걸쳐 따로 언급이 없는 한 퍼센트는 건조중량 기준이다.

덱스트로스는 희석되거나 또는 부분적으로 전환된 전분을 가용성 글루코아밀라제를 사용하는 뱃치법으로 당화(糖化)시킴으로써 전분으로부터 얻는 것이 보통이며, 이 방법으로 보통 95%나 그 보다 약간 더 많은 덱스트로스를 함유하는 최종 가수 분해물을 얻는다.

근년에 들어 가용성 상태대신 고정된 상태의 효소를 사용함으로써 많은 효소적 처리공정에 큰 진보를 가져왔다. 고정 효소법은 반응이 연속적 체계로 수행될 수 있게 해주며(기질을 고정 효소상이나 컬럼을 통해 연속적으로 통과시켜줌으로써) 이들은 효소를 더 효율적으로 사용할 수 있게 해주며 공정과 최종 생성물을 좀더 정확히 조절할 수 있게 하며, 가용성 효소를 사용하는 방법에서 보다 정제과정이 덜 요구되며 에너지 소모가 더 적게된다.

따라서 전분으로부터 덱스트로스를 생성하는데 있어 고정 글루코아밀라제 분야에 많은 연구가 이루어져 왔으나 대부분 보고된 방법들은 종래 방법에서 얻어질 수 있는 것보다 낮은 수치의 덱스트로스를 생성시켰다. 즉 종래의 가용성 글루코아밀라제를 사용하는 뱃치법에서는 덱스트로스를 95% 또는 그 이상 얻는데 반해, 93% 또는 그 이하의 수치밖엔 나타내지 못했다.

이것을 주제로 근래에 특허된 3개의 특허는(이 분야에 수많은 다른 특허들과 간행물들이 발표되었음) 미국특허 4011137(Thompson et al), 미국특허 4132595(Hebeda et al) 및 미국특허 4202939(Mueller et al)이다. 미국특허 4011137에는 고정 글루코아밀라제와 고정 알파-아밀라제 및 임의로 플루라나제로 구성된 효소계를 사용하여 전분을 덱스트로스로 전환시키는 방법이 소개되어 있다. 이들 실시예들은 모두 연속법이라기보다는 뱃치법으로서, 사용된 알파-아밀라제의 종류, 알파-아밀라제의 글루코아밀라제에 대한 비율 및 풀루라나제의 존부 여부에 따라 최종 덱스트로스치가 약 92%부터 96.7%만큼 높은 수치까지 얻어졌다.

미국특허 4132595에는 희석되거나 또는 일부 전환된 전분(호정 당량, DE 2-20)을 우선 30-85DE까지 가용성 글루코아밀라제로 당화시킨 다음 결과 생긴 가수분해물을 최종당화를 위해 고정된 글루코아밀라제 매쓰를 통해 통과시키는 방법이 소개되어 있다. 이 방법에서는 약 93%-97%의 덱스트로스치가 얻어지나 물론 이 방법은 완전 연속 조작법을 적용할 수가 없으며 비교적 희석된 기질, 즉 고체함량이 5-10%인 것에서만 최고의 덱스트로스치가 얻어진다.

미국특허 4202939에 따르면 글루코아밀라제는 이것을 특수방법으로 콜로이드성 실리카와 복합체를 만들어 고정되게 한 다음 결과 생성된 효소조성물은 희석되거나 또는 부분적으로 가수분해된 전분을 덱스트로스로 가수분해하는데 사용했다. 이 특허에서 보고된 최고 덱스트로스치는 기질로서 71DE 전분 가수분해물을 사용했을때 93.1±0.4%였다.

발표된 영국특허 출원 GB 2049698A(CPC International Inc.) 또한 고정된 글루코아밀라제에 관한 것이나 여기 설명된 방법은 말로스함유 전분 가수분해물을 고정된 글루코아밀라제 매쓰를 통해 연속적으로 통과시킴으로써 말토스(적어도 20%이상)와 덱스트로스(44-48%를 넘지 않음) 모두를 함유하며 나머지가 더 높은 당류로(삼당류 이상)되어 있는 비결정성 시럽을 생성한다. 이 영국특허 출원에는 이 방법을 아주 높은 덱스트로스치를 함유하는 가수분해물을 얻는데 사용할 수 있다는 어떤 제시도 되어 있지 않다.

본 발명은 전분가수분해물이 적어도 40이 DE와 적어도 45%의 말토스함량을 가지며 접촉 시간이 적어도 93%이상의 덱스트로스를 함유하는 생성물을 생성시키기에 충분함을 특징으로 하는, 당화조건하에서 고정된 글루코아밀라제와 전분 가수분해물을 접촉시킴으로써 전분으로부터 덱스트로스를 생성시키는 방법으로 이루어진다.

본 발명의 중요한 점은 앞서 언급한 바와같은 말토스함유 가수분해물을 기질로서 사용하는 것으로써, 글루코아밀라제가 적당시간 동안 반응조건하에서 활성 및 불용성인 상태로 남아 있는 고정효소계를 사용해야하나 이 방법은 글루코아밀라제를 고정시키는 어떤 특수방법이나 사용되는 담체에 의존하지 않는다.

경제적인 면과 간편성면에서 볼때 글루코아밀라제를 적당한 다공성 담체에 흡착시켜 고정시키는 것이 바람직하며 시판되는 그런 물질들이 많이 있다. 음이온성 이온교환 능력을 가진 두올라이트(Duolite) ES568 및 두올라이트 ES562와 같은 다공성 페놀성 수지들은 모두 다이아몬드 샴록사에 의해 제조된 것으로 아주 적합한 것으로 밝혀졌다.

당화는 단지 고정된 글루코아밀라제를 말토스함유 기질을 포함하는 탱크에 첨가함으로써 뱃치식으로 수행될 수 있으나, 아주 바람직한 방법은 고정된 효소를 용기에 바람직하게는 컬럼에 넣어 그것을 통해 기질을 통과시킴으로써 연속적으로 반응을 진행시키는 방법이다. 실시예로부터 알수 있겠으나 이런 연속법은 매우 장시간에 걸쳐 수행될 수 있으며 적어도 20%에서 30%까지의 고체를 함유하는 기질을 사용할 수 있으므로 공업용으로 매우 실용성이 있다.

비록 DE가 적어도 40이며 말토스함량이 적어도 45%이상인 어떤 가수분해물도 본 발명을 실시하는데 적합하나 바람직한 기질은 DE가 20 또는 그 이하인 희석되거나 또는 일부 전환된 전분(α-아밀라제 같은 효소에 의해 DE가 이미 12-20으로 전환된 것이 가장 바람직하다)을 β-아밀라제를 사용하여 가수분해하여 제조한 전분가수분해물이다. 좀덜 바람직한 기질 제조법으로는 산으로 희석된 전분을 β-아밀라제로 가수분해하거나 또는 효소로 희석된 전분을 β-아밀라제나 또는 다른 말토스 생성효소와 플루라나제(이것에 의해 매우 말토스함량이 높은 기질이 생성된다) 또는 진균성 아밀라제로 가수분해시키는 것이다. 사용되는 기질들은 시장에서 구입이 가능하거나 또는 쉽게 제조될 수 있는 것들이다. 가장 바람직한 기질 즉 최고의 덱스트로스치를(하기 실시예 1에 설명된 바와같이) 산출하는 기질이 극히 제조하기가 간단하며 저렴하다는 사실은 본 발명의 방법을 공업용으로 적합하게끔 해준다.

본 실시예에서 사용되는 글루코아밀라제 제제는 흑색국균(Aspergillus niger)(이 효소의 가장 일반적인 공급원임)으로부터 유도된 시중에서 입수가능한 제품이나 다른 글루코아밀라제를 사용할 수도 있다. 물론 효소의 최고 결합력과 보지력을 제공해 주는 고정법은 물론 최적당화조건(즉 온도 및 pH)은 사용되는 특정 글루코아밀라제에 따라 달라지게 된다. 어떤 특정 효소제제의 최적 조건의 선택은 기술자의 재량에 따른다. 제제는 트란스글루코사이다제 활성이 낮아야하며 가장 많이 시중에서 사용되는 글루코아밀라제 제제들은 이 기준에 맞는다. 이런 제제를 사용할때 고정에 앞서 다른 효소를 제거하기 위한 전 처리 단계는 필요가 없다.

반응중 pH는 보통 대부분의 글루코아밀라제 제제에 사용될 수 있는 범위인 3.0-7.0이다. 가용성 글루코아밀라제를 사용하는 종래의 방법에서 최적 pH는 약 4.2 또는 4.2-4.5범위인 것으로 알려져 있으며, 고정된 글루코아밀라제를 사용한 대부분의 보고된 방법들 또한 이 pH범위를 추천하고 있다. 놀라웁게도 본 발명의 방법은 pH 3-4, 바람직하게도 약 3.5에서 최고 덱스트로스치가 얻어진다.

고정된 글루코아밀라제와 기질을 접촉시키는 시간은 물론 높은 덱스트로스치를 얻는데 중요하며, 이 접촉시간은 기질의 유속에 의해 컬럼내에서 또는 기타 연속 조작으로 조절된다. 실시예들에 나타난 바와같이 유속을 적당히 조절함으로써 95% 및 그 이상의 덱스트로스치가 얻어질 수 있다.

반응중 온도는 보통 40°-70℃ 범위이며 45-55℃가 바람직하다. 연속조작중 물론 유속을 감소시키는 대신 또는 유속을 감소시키면서 온도를 올려줌으로써 일정한 품질의 생성물을 얻을 수 있다.

앞서 언급한 바와같이 고체농도가 20-30%인 기질(뱃치법에서 보통 사용되는 것들과 유사함)을 사용할 수 있으며 예상한 바와같이 뱃치법의 경우 모든 다른 조건이 같은 경우엔 농도가 낮을수록 높은 수치의 덱스트로스치를 얻을 수 있다.

하기 실시예는 본 발명의 실시를 나타낸 것이다. 이들은 예시를 목적으로 나타낸 것으로 청구범위를 한정 짓는 것으로 해석해서는 안된다.

[실시예 1]

본 발명의 범위 내외에 있는 각종 기질들의 비교

크기 4.5×40cm의 더블쟈켓 유리컬럼에 다이아몬드 샴록사에서 제조된 페놀-포름알데히드형의 다공성 약 음이온 교환수지인 두오라이트 ES-568 수지 600ml를 충전시켰다. 수지를 70℃의 탈광수로 30분간 상류 방향으로 세척하여 공기방울을 모두 제거한 다음 충전된 수지를 실온에서 0.1M 초산염 완충액(pH 4.2)으로 1시간 동안 4BVH(시간당 베드용량) 속도로 하류 방향으로 세척했다. 이어 글루코아밀라제 용액을 담체 ml당 8단위의 효소가 부하되게끔 공급해주고 수지상에 효소를 고정시키기 위해 4BVH의 유속으로 24시간 재순환시켰다. 그후 수지는 탈광수를 사용하여 4BVH의 속도로 1시간 세척하고 유출물은 결합 효소를 측정하기 위해 수거했다. 1단위 글루코아밀라제를 pH 4.3 및 60℃에서 20D.E.의 4%d.s. 말토덱스트린으로부터 시간당 1g의 환원당을 산출해내는 효소 활성의 양으로 생각하고, 결합효소의 양을 하기 공식을 사용하여 계산했다.

98.6%의 결합력이 컬럼에서 측정되었다.

이어 적재된 수지를 정량으로 1ℓ 비이커에 옮겨 균질이 되도록 교반했다. 이후 담체-효소를 2.5×30cm 크기 10개 컬럼에 각각 60ml씩 나누어 넣었다. 이들 각 컬럼들을 20% 건조성분으로된 특수 전분 가수분해 물로 채웠다. 공급된 전분 가수 분해물은 하기와 같다.

a) 12DE 효소 희석된 옥수수전분

b) 20DE 효소 희석된 옥수수전분

c) 30DE 말토스시럽, 2DE 효소 희석된 옥수수전분을 β-아밀라제로 전환시켜 얻은 것

d) 30DE 말토스시럽, 5DE 효소 희석된 옥수수전분을 β-아밀라제로 전환시켜 얻은 것

e) 42DE 고농도 말토스시럽, 12-20DE 효소 희석된 옥수수전분을 β-아밀라제로 전환시켜 얻은 것

f) 42DE 말토스-함유시럽, 산 희석 옥수수전분을 β-아밀라제로 전환시켜 얻은 것

g) 42DE 시럽, 20DE 효소 희석 옥수수전분을 α-아밀라제로 전환시켜 얻은 것

h) 50DE 시럽, 20DE 효소 희석 옥수수전분을 진균성 α-아밀라제로 전환시켜 얻은 것

i) 50DE 고농도 말토스 시럽, 효소 희석 옥수수전분을 β-아밀라제/풀루라나제로 전환시켜 얻은 것

j) 82DE 고동도 말토스시럽, 20DE 말코덱스트린을 글루코아밀라제 없이 미리 전환시켜 얻은 것(미국특허 413295에 따라)

이들 전분 가수 분해물들은 깨끗한 것이나 광물질을 제거한 것은 아니다. 150ppm SO₂약간을 공급물질에 첨가하고 염산을 사용하여 pH를 4.2로 맞추었다. 각종 컬럼을 실온에서 각각의 공급 물질로 1시간 동안 감미를 준 다음 컬럼 온도를 50℃로 올리고 유속을 3BVH로 맞추었다. 컬럼상에 적어도 10베드 용량이상을 통과시킨후 샘플을 꺼내 당 분해 여부를 분석했다. 이어 유속을 2BVH로 조절했다. 또 다시 샘플을 꺼내기전 적어도 10베드 용량을 컬럼상에 통과시켰다. 동일 과정을 1BVH 및 0.5BVH에 대해 반복했다.

표 1은 각종 공급물질로부터 얻어진 결과를 나타낸 것이다. 표에서 알수 있듯이 본 발명의 실시를 나타내는 공급물 e,h,i는 모두 0.5BVH에서 조작시 적어도 93% 이상의 덱스트로스치를 나타냈으며, 이들 덱스트로스치들은 j를 제외하고 미국특허 4132595의 방법에서 사용된 다른 공급물에서 얻어진 수치보다 높은 것이다. 물론 12-20DE 효소 희석 옥수수전분을 β-아밀라제로 가수분해하여 제조한 공급물 e가 가장 좋은 결과를 냈음도 알수 있다. 왜 공급물질 e가 예컨대 거의 동일량의 말토스를 함유하는 공급물 c 및 d보다 더 높은 덱스트로스치를 생성해낼 수 있으며, 중합도가 4이상이며 비교적 높은 말토스치 즉 41.5%를 갖고 있는 당류 거의 동일량을 함유하는 공급물 f보다 더 높은 덱스트로스치를 낼수 있나에 대해선 오직 추정만 할 수 있을 뿐이다.

또한 아주 상이한 당류 분해력을 가진 공급물 h와 i가 어떻게 거의 동일량의 덱스트로스를 산출해 내며, 전혀 다른 당류 분해력을 가진 공급물 j와 거의 동일량의 덱스트로스를 산출해내는가 또한 오직 추정만 할 수 있을 뿐이다. 그것이 어떤 기전에 의한 것이던간에 데이타는 DE′S가 적어도 40이상이며 말토스 함량이 적어도 45%인 기질을 사용할때 높은 덱스트로스 수율을 얻을 수 있음을 나타내고 있다.

[표 1]

[실시예 2]

본 발명의 방법이 통상적으로 수행되는 뱃치조작에서보다 연속공정으로 낮은 pH를 사용 한점에 의해 개선되었음을 나타내기 위해, 20ml 컬럼 2개를 병행처리하였다. 하나는 뱃치공정에서 바람직한 pH인 pH 4.2에서 조작하고, 다른 하나는 pH 3.5에서 조작하였다. 실시예 1에 일반적인 적재과정을 사용하였으며, 사용된 기질은 실시예의 가수분해물 e였다.

표 2는 얻어진 결과를 나타낸 것이다. 표에서 볼수 있듯이 pH 3.5에서 이소말토스가 적게 생겼다. 이 감소된 전화는 최종생성물을 덱스트로스치를 증가시키는 경향이 있다. 물론 시간이 연장되면 95%이상의 덱스트로스치가 얻어질 수 있으며 컬럼의 유속을 적당히 조절함으로써 96%이상의 수치도 얻을 수 있다.

[실시예 3]

본 발명의 방법이 각종 건조성분에서 사용될 수 있음을 나타내기 위해 기질 e, 20% 및 d.s.를 함유하는 200ml 컬럼을 가지고 병행처리하였다. 실시예 1의 일반적인 적재과정을 따랐으며 단지 공급물의 pH는 3.5로 조절했다.

그 결과를 하기 표 3에 나타냈다. 이들 결과는 약 3400시간의 긴 조작시간 후에 조차도 적어도 95% 이상의 덱스트로스 함량이 30% d.s.에서 얻어질 수 있음을 나타내준다. 유속을 주의하여 조절해주면 컬럼수명 기간내에 덱스트로스치를 일정치인 95+%로 유지시킬 수 있다. 데이타로부터 30% d.s.에서 얻어진 최대 덱스트로스치가 동일 조작조건하 20% d.s.에서 얻어진 최대 덱스트로스치보다 약간 낮음을 알 수 있다. 최대 덱스트로스치에 대한 d.s.의 영향은 또한 뱃치공정에서도 경험할 수 있는 것이다.

[표 2]

(a) 상기 표의 수치는 실시예 1과 동일조건하에서 얻어진 수치보다 약간 높으며, 이것은 효소적재 및 컬럼수명에 대한 유속의 조절이 좀더 적절했기 때문이다.

[표 3]

[실시예 4]

공급된 효소양의 영향을 알아보고 공급된 효소량이 많을수록 생산성이 증가했음을 나타내기 위해, 실시예 1에 설명된 것과같은 과정에 따라 컬럼을 채웠으며, 단지 다른것으로는 20A.U. 글루코아밀라제를 담체에 공급해주었으며, 컬럼은 20$ d.s.의 공급물(가수분해물 e)을 사용하여 pH 3.5에서 조작되었다는 것이다.

그 결과를 표 4에 나타냈다.

[표 4]

Claims (7)

1. 40℃ 내지 70℃의 온도 및 pH 3 내지 7에서 글루코아밀라제를 함유하는 컬럼에 가수분해물을 통과시킴에 의하여, 전분 가수분해물을 고정 글루코아밀라제와 접촉시켜서 전분으로부터 덱스트로스를 제조하는 방법에 있어서, 전분 가수분해물은 40 또는 그 이상의 호정당량치(Dextrose Equivalent Value)와 45% 또는 그 이상의 말토스 함량을 가지며 유속이 시간당 0.19 내지 1.26베드 용량인 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 전분 가수분해물이 일부 전환된 전분을 β-아밀라제로 가수분해하여 제조되었음을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, α-아밀라제를 사용하여 호정당량이 20보다 크지 않게 전분을 부분적으로 전환시킨다음 β-아밀라제로 가수분해하여 전분가수분해물이 제조되었음을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항 또는 2항에 있어서, 전분가수분해물을 pH 3 내지 4에서 고정된 글루코아밀라제와 접촉시킴을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항 또는 2항에 있어서, 가수분해물의 건조성분 농도가 20%이상임을 특징으로 하는 방법.
6. 제1항 또는 2항에 있어서, 글루코아밀라제가 다공성 담체상에 흡착에 의해 고정되었음을 특징으로 하는 방법.
7. 제1항 또는 2항에 있어서, 글루코아밀라제가 다공성 페놀성수지상에 흡착에 의해 고정되었음을 특징으로 하는 방법.