전분으로부터 말토올리고당 생산과 활성탄 흡착에 의한

말토펜타오스 분리 (Ⅰ)

김영탁, 조규진, 이재석*, 문일식

순천대학교 공과대학 화학공학과

*광주 과학기술원 신소재공학과

Production of Maltooligosaccharides from Starch and Separation of Maltopentaose by Adsorption of them on Activated Carbon

Young-Tak Kim, Gyoujin Cho, Jae-Suk Lee*, Il-Shik Moon

Department of Chemical Engineering, Sun Chon National University, Sun Chon, Chun Nam 540-742, Korea

*Department of Material Science and Engineering, Kwangju Institute of Science and Technology (K-JIST), Kwangju, 506-303 Korea

서론

올리고당 개발은 1970년대 일본을 중심으로 시작되어 1980년대에 이르러 설탕과 전분 및 유당 등을 원료로한 각종 올리고당이 개발되었으며 산업화에 성공하고 있다.

올리고당 중에서 말토올리고당은 글루코스가 □-1→4 글루코시드 결합으로 2∼10개 연결된 당을 말하는데, 이는 대체감미료로서 우수한 특징을 가지고 있으며 인체내에서 비피더스 인자로 작용하고 혈당이나 콜레스톨의 상승억제 작용이 있다고 알려져 있다.1 특히 글루코스가 5개 연결된 말토펜타오스는 고순도의 제품이 혈청 중의 □-amylase 활성 측정을 위한 진단 시약용 기질로 사용되어 의료 분야에서도 많은 수요가 예상되는 고부가가치 물질이다.2 현재 일본에서는 말토트리오스(G3)와 말토테트라오스(G4)가 각각 50% 이상 시렆으로 제조된 Fuji-oligo G3, Fuji-oligo G4 제품이 시판되고 있으며 최근에 분획법에 의해 말토펜타오스 (G5)와 말토헥사오스 (G6)를 주성분으로 제조한 시렆을 개발하여 판매하기 시작하고 있으며 순도가 높은 제품은 고가로 판매되고 있다.3 국내에서는 생산하여 시판하는 회사는 없는 실정이나 일부회사에서 많은 관심을 가지고 있다.

본 연구에서는 상업용 □-amylase인 Termamyl을 이용하여 G5 생산4,5에 최적인 가수분해 반응조건을 탐색하고, 생산된 말토올리고당 중의 G5 농도를 향상시키기 위하여 활성탄 흡착 처리 공정6,7,8을 도입하였다.

G5 순도 향상을 위하여 이온교환수지를 이용하는 방법9,10 등이 특허로 알려져 있으며 실용화되고 있는데 이온교환수지 일정량에 대한 G5의 처리량이 소량이기 떄문에 경제적으로 문제점이 있다. 활성탄을 이용하여 G5 순도를 향상시킬수 있다면 경제적으로 큰 의미가 있을 것이다.

실험 재료 및 방법

1. 실험재료

실험에 사용한 효소는 endo형의 상업용 □-amylase로서 노보사의 Termmamyl이었다. 완충용액은 인산 완충액과 아세테이트  완충액을 pH를 조절하여 사용하였다.

활성탄은 여러 가지 활성탄을 구입하여 예비실험을 수행한 결과 G5 농도 향상에 효과가 있는 활성탄을 선택하여 본 실험에 사용하였으며, 활성탄의 비표면적은 904□/g, 평균세공직경은 23.3Å이었다.

2. 당류 분석

생산된 말토올리고당류의 분석은 Shimpack CLC-NH2(M) 칼럼이 부착된 HPLC (Shmazu LC-6AD)를 사용하였으며, 분석조건은 칼럼 온도 : 40℃, 이동상으로는 물과 아세토니트릴을 65:35의 비율, 유속: 1mL/min로하여 RI detector로 분석하였다.

3. 가수분해 반응 및 흡착 실험

효소는 완충용액에 적당량을 희석시켜 전체량이 100 mL가 되게 하였으며 그때의 농도를 효소 농도로 정의하였고, 전분은 적당량을 완충용액 50 mL에 용해시킨 다음 효소 용액 100 mL와 혼합하여 전체 용액 150 mL 중의 전분을 기준으로 기질농도를 정의하였다. 혼합용액은 항온이 유지되는 진탕 배양기에서 가수분해 반응시켜서 시간별로 채취, 100℃ 이상으로 가열하여 반응을 정지시킨후 원심분리하여 상부액을 0.25 □ 마이크로 필터로 여과하고 HPLC로 시료를 분석하였다.

G5 순도가 최적인 조건에서 생산된 올리고당액을 원료로하여 활성탄 흡착 실험을 하였다. 흡착 실험은 200 mL 삼각 플라스크에 활성탄을 일정량 넣은 후 올리고당액을 채워서 항온이 유지된 진탕배양기에 넣고 일정시간 교반시켰다. 채취된 시료는 원심분리하고 마이크로 필터로 여과하여 HPLC로 분석하였다.

결과 및 토론

효소농도를 0.05%하여 30분간, 40℃에서 가수분해한 결과를 Fig. 1에 표시하였다. 여기서 G5 Selectivity는 생성된 G1(Glucose), G2(Maltose), G3(Maltotriose), G4(Maltotetraose), G5(Maltopentaose)까지의 전체량에서 생성된 G5만의 양으로 정의한다. 이하에서 당 표시는 G1, G2, G3, G4, G5로 하며 가수분해 결과 생성된 G6(Maltohexaose) 이상의 당은 G5까지의 당에 비해 훨씬 적은 양이어서 생략하고 계산하였다. G5의 수율은 원료로 사용한 전분에 대한 생성된 G5의 양으로 계산하였다.

Fig. 1에 나타난 바와같이 효소농도 0.05%일 때 전분농도는 0.3%가, G5의 선택도와  수율면에서 우수함을 알수 있었다.

반응온도가 가수분해에 미치는 영향을 조사하기 위하여 기질농도는 3.3%, 효소농도 0.2%로하여 온도를 변화하면서 실험한 결과 Fig. 2를 얻었다. 그림에 나타난 바와같이 40℃에서 G5 선택도와 수율이 우수함을 알수 있었다.

Fig. 3은 기질농도와 효소농도를 몇가지 변화시켜 가수분해 반응한 G5 선택도의 경시 변화이다. 행해진 반응시간에서 30분간 반응한 것이 G5 생산에 유리함을 알수 있었으며, 반응시간에 따라 큰 변화는 없었지만 30분 이상 반응하여도 G5 선택도를 개선시키지 못함을 알 수 있다.

생산된 G5 약 40% G5 올리고당액의 G5 순도 향상을 위하여 앞서 실험방법에서 언급한 바와같이 활성탄 처리를 수행하여 Fig. 4에 나타냈다. 흡착시간 30분에 G5의 순도가 60% 정도 향상되었으며 더 이상의 흡착 처리는 G5 순도 향상에 도움을 주지 못했다. G5의 순도가 향상되는 이유는 중합도가 G5보다 우선적으로 활성탄에 흡착하면서 상대적으로 G5 순도가 증가되는 것으로 사료된다.

차후 적합한 활성탄의 무게를 결정하고 흡착을 반복 처리하여 G5 순도 향상을 도모할 계획이며 활성탄 칼럼을 통한 연속적인 공정에 관하여도 검토할 계획이다.

감사  본 연구는 1996년 한국학술진흥재단의 지방대 육성과제 연구비 (과제번호 02 E 0217)의 일부로 수행되었으며 이에 감사드립니다.

참고문헌

1. 月刊 □□□□□□ Oct., 1989.

2. 月刊 □□□□□□ Dec., 1990.

3. Teruo Nakakuki, Oyo Toshitsu Kagaku, 42, 3, 275 (1995).

4. 矢崎 明, 日本特許公報 昭62-208294.

5. Pankratz, US Patent 4,029,516.

6. Yoshinori Kuba et a1. Enzyme Microb, Technol, vol. 12. January, 1990.

7. Ajisaka Katsumi et al, Denpun Kagaku. 36, 2, 113, 1989.

8. Tatsuaki Yamaguchi et a1, 日化, 11, 1577, l977.

9. 織田 信博, 日本特許公報 昭61-130297.

10. 織田 信博, 日本特許公報 昭62-120394.