산 가수분해를 이용한 농산폐자원으로부터 L-arabinose 생산

Abstract

섬유성 물질의 주요 탄수화물 구성성분이 cellulose, hemicellulose 및 lignin이고, 이중에서 hemicellulose에는 arabinose 가 포함되어 있다. Arabinose는 설탕과 함께 섭취할 경우 소장에서의 설탕 흡수를 감소시켜 체중감량과 비만 방지효과를 기대할 수 있는 기능성물질로서 α-glucosidase 저해 효과에 의한 과 혈당 수반 질환의 예방 및 치료제로서의 유용성이 보고 되어 있다. 본 연구에서는 국내의 주요 섬유성 농산 폐자원 중에서 arabinose를 저렴한 가격으로 생산하기 위한 기질을 선정하고, 이에 대한 산 가수분해 최적조건의 결정과 효소적 추출 및 arabinose의 분리를 위한 연구를 수행하였다. 식물성 섬유 원료를 고온?고압 반응기를 이용하여 기질을 H2SO4 용액에 넣은 후 가수 분해를 진행 한 결과 약 8.0%로 L-arabinose의 함량이 가장 많은 corn fiber를 최종적으로 선정하였다. 산 가수 분해 최적 조건은 산 농도 0.05% (v/v)에서 0.6% (v/v)까지 단계적으로 증가 시키면 arabinose의 양은 0.4%의 농도에서 4.8%로 가장 많이 산출 되었다. 또한 반응온도를 100℃~130℃로 하였을 때, 130℃에서 7.53%로 가장 높았다. 반응시간에 따른 실험은 60분 후에 총 당량이 40.95%로 가장 높았고 이후 감소하였다. 기질의 농도를 증가 시킨 경우, 오히려 당이 감소하는 경향을 보였다. 이러한 결과는 일정 기질에 대해서 산 용액이 접촉하는 면적이 적었기 때문으로 사료 된다. 본 실험을 통해서 산 가수 분해 최적 조건은 황산 농도 0.4%에서 130℃에서 1시간 반응 시켰을 때이고, 추출 수율은 7.53% 이었다. 산 가수분해와 효소 가수분해의 효율성을 비교하기 위하여 효소를 이용한 corn fiber 분해 연구를 실시하였다. 효소는 판매되고 있는 cellulase, hemicellulase, xylanase를 사용하였다. 기질농도를 10% (w/w)로 하여, reactor를 이용하여 100℃ 온도 조건으로 cooking 시킨 후, 각각의 enzyme을 15unit 첨가하여 반응을 시켰을 때, cellulase를 처리한 경우에 arabinose가 3.8%로 가장 높았으나, 수율은 산 가수 분해보다 낮았다. Corn fiber의 산 가수 분해물에서 arabinose만을 분리하기 위하여 효모 균주를 이용하였다. 발효는 C. tropicalis가 초기 농도 6.3 g/L의 arabinose를 다른 당들이 전부 소모되는 시간인 40시간 까지 5.95 g/L로 거의 이용하지 못하여 균주로 선정 되었으나, 매우 낮은 xylose의 농도로 인하여 발효에 의해 생성되는 xylitol의 수율 및 생산성이 너무 낮다는 문제가 있었다. Activated carbon을 통한 탈색 및 탈취는 배양액 1L에 100 g의 activated carbon을 혼합하여, spectrophotometer로 540 nm에서 측정한 결과 흡광도가 1.36에서 0.004로 낮아져서 대부분의 색소가 제거되었다. 이온 성분을 제거하기 위해서 양이온 교환수지인 C100H로 amonium, potassium, magnesium을 제거 하였고, 음이온 교환수지인 WA30, PA412로 chloride와 sulfate, nitrate phosphate를 제거 할 수 있었다. 결정화 단계에서는 총부피의 90%를 농축하여 5.95 g/L의 L-arabinose로부터 2.38 g의 결정을 얻을 수 있었고, 40%의 수율로 crude crystal의 형태로 얻을 수 있었다.