전분으로부터 말토올리고당의 생산 및

다공성 흡착제를 이용한 말토펜타오스의 흡착 분리

권태옥, 이재욱*, 정흥조*, 조규진, 문일식

순천대학교 화학공학과, 서남대학교 화학공학과*

Production of Maltooligosaccharides from Starch and Adsorption Separation of Maltopentaose by Porous Adsorbents

Tae Ouk Kwon, Jae Wook Lee, Heung Joe Jung, Gyoujin Cho, Il Shik Moon

Department of Chemical Engineering, Sunchon National University, Sunchon

Department of Chemical Engineering, Seonam University, Namwon*

서 론

말토올리고당은 전분을 산에 의한 가수분해 혹은 amylase등의 효소에 의해  D-glucose 단위의 □-1.4결합에서 생기는 당류를 쉽게 얻을 수 있다. 이중 Glucose의 중합도가 2와 5인 말토스(maltose) 및 말토펜타오스(maltopentaose)는 감미료로서 우수한 성질을 지니고 있어 식품분야에 널리 이용되어질 뿐 아니라 고순도의 말토펜타오스 제품은 의료분야에서 많은 응용분야가 기대되고 있는 고부가가치 소재이다.

본 연구에서는 상업용 □-amylase인 Termamyl을 이용하여 말토펜타오스 생산에 최적인 가수분해 반응조건을 탐색하고, 생산된 말토올리고당 중에서 말토펜타오스 농도를 향상시키기 위한 활성탄 흡착 및 고분자수지가 충진된 고정층 컬럼에서 고순도 분리를 위한 크로마토그래피 공정에 관하여 다룬다.

실 험

실험에 사용한 효소는 endo형의 상업용 □-amylase로서 노보사의 Termamyl이었다. 완충용액은 인산 완충액과 아세테이트 완충액을 pH를 조절하여 사용하였다. 사용한 흡착제는 야자각을 원료로 하여 제조한 국내산 활성탄(삼천리, Korea)와 Styrene에 DVB를 가교제로 공중합시킨 망상구조형의 비이온성 합성수지인 SP207(Mitsubishi Kasei Co.)을 사용하였다. 사용한 흡착제의 물리적 특성을 Table 1에 나타내었다. 사용한 흡착물질은 글루코스(Glucose:G1), 말토스(maltose:G2), 말토트리오스(maltotriose:G3), 말토테트라오스(maltotetraose:G4), 그리고 말토펜타오스(maltopentaose:G5)이며, 글루코스 및 말토스는 Junsei Chemical Co.(Japan)로부터, 그리고 말토트리오스, 말토테트라오스, 말토펜타오스는 Sigma Co. (USA)로부터 구입한 후 정제과정 없이 초순수 증류수를 사용하여 용액을 제조하였다. 실험은 흡착제를 칼럼에 충진시킨 후 활성탄 흡착실험에서는 시료를 Sequential 방식을 사용하여 파과곡선을 구하였고, 크로마토그래피 실험에서는 Injector를 사용하여 일정양(20□)을 펄스로 주입하여 크로마토그램을 얻었다. 유출된 말토올리고당의 분석은 Shim-pack HPLC-NH2 (4.6mm×50mm, Japan) Chromatopac과 RID-10A refractive index detector가 부착된 HPLC (Shimazu, Japan)를 이용하여 peak를 얻었다. 사용한 실험조건을 Table 2에 나타내었다.

Table 1. Properties of Porous Adsorbents

Properties	Activated Carbon	SP207	Unit
Surface area	904	630	m2/g
Particle size	300	412	um
Particle density	856	611	kg/m3
Particle porosity	0.45	0.40	-
Moisture content	0.5	50	%
Average pore size	26.7	105	Å

Table 2. Experimental Conditions for Dynamic Operations.

Properties	Fixed-bed	Chromatography	Unit
Column dimension	1.0×0.27	1.6×30	cm
Flow rate	1.0-6.0	0.7-2.0	ml/min
Temperature	25	25	℃
Concentration	1.0-2.0	100	mol/m3
Mobile phase	Water	IPA	-
Packing density	480	360	kg/m3
Packing porosity	0.47	0.45	-

결과 및 토론

본 연구의 최종목표는 고순도의 말토펜타오스를 얻기 위한 경제적 분리공정의 개발에 있다. 이를 위한 기초연구의 일환으로 전분으로부터 말토올리고당의 생산을 위한 효소 고정화 방법, 활성탄 흡착에 희한 말토펜타오스의 농축, 그리고 크로마토그래피 분리에 의한 말토펜타오스의 고순도 분리에 관하여 다루었다. Ca-alginate 고정화 방법을 이용한 효소의 안전성을 Fig. 1에 나타내었다. 이때 최적조건은 0.1M CaCl2 용액중에서 15분 정도 방치시키고 polyethyleneimine, glutaraldehyde 수용액중에서 10분 처리하였을 때 최대활성을 나타냈었고, 제조된 Ca-alginate 고정화 비드를 충진한 컬럼에서 말토펜타오스에 대해 선택율 42%, 수율 20%를 각각 나타내었다. 또한 이온교환수지에서는 선택율 52%, 수율 28% 정도로 G5를 생산하였다. 이온교환수지 고정화 비드를 이용하여 생산된 올리고당 액(G5 선택율 약 50%)을 플러그흐름 반응기와 활성탄 칼럼이 부착된 연속 반응기에서 G5 선택율을약 60% 까지 상승시킬 수 있었다. 이러한 결과는 전분으로부터 효소반응에 의해 제조된 말토올리고당 중 글루코스 및 말토스는 활성탄의 미세공에 까지 물질전달 되어 흡착될 수 있는 반면 말토트리오스, 말토펜타오스는 활성탄의 크기배제 효과에 의해 상대적으로 흡착량이 작으므로 말토펜타오스의 선택도가 증가하게 된 것이다. 이는 고순도 말토펜타오스를 얻기위한 크로마토그래피 전단계로 활성탄을 이용한 분리공정의 결합은 보다 경제적인 고순도 말토펜타오스를 얻을 수 있을 것이라 판단된다. 따라서 연속적인 연구의 일환으로 비이온성 고분자수지를 이용한 말토올리고당의 흡.탈착 특성 및 다양한 분리조건에서 단일 및 다성분의 크로마토그램을 실험적으로 확인하였다. 비이온성 고분자수지, SP207이 충진된 고정층에서 말토스의 파과곡선으로 흡착 및 탈착특성을 Fig. 2에 나타내었다. 순수한 증류수만을 이용하여도 짧은 시간내에 흡착된 Maltooligosaccharide의 대부분이 용출시킬 수 있다는 사실은 실제 흡착공정을 응용하는 측면에서 매우 중요한 결과이다. 활성탄이나 이온교환수지가 흡착용량은 크나 재생이 용이하지 못한 단점을 고려할 때 이는 의미 있는 결과이며 탈착 및 재생과정에 필요한 비용도 매우 저렴할 것으로 판단된다. Fig. 3은 활성탄에 대한 말토올리고당의 단일성분의 흡착 등온선을 나타낸 것이며, Fig. 4는 말토스/말토트리오스/말토펜타오스의 삼성분 크로마토그램 결과로서 만족스럽지는 않지만 크로마토그래피를 이용한 분리의 가능성을 제안하는 결과로 판단된다. 실험 결과로부터 말토올리고당의 분리 및 정제에 비이온성 고분자 수지인 SP207을 충진한 고정층 컬럼에서 흡착, 탈착 그리고 세척과정을 반복하는 주기적 공정이나 크로마토그래피 공정의 가능성을 제안할 수 있다. 분리도를 향상시키기 위한 구배용출방식(gradient elution mode)의 크로마토그래피 연구 및 실제 원액(broth)의로부터 말토펜타오스를 직접 분리하기 위한 연구가 계속 수행될 예정이다.

참고문헌

[1] J.W Lee, H.J Jung, H. Moon, and I.S. Moon, "Adsorption Equilbira of              Maltooligosaccharides on Activated Carbon", HAHAK KONGHAK, 37(6), 890-896

(1999)

[2] Il Shik Moon, and J.W. Lee, "Adsorption Dynamics of Maltooligosaccharides

in Activated Carbon Adsorbers", Carbon, in submission (2000)

Fig. 1 Stability of immobilized           Fig. 2 Adsorption and desorption of

Ca-alginate enzyme.                     maltose on SP 207 column

Fig. 3. Single-component adsorption isotherm of maltooligosaccharides on

activated carbon at 20 ℃.

Fig. 4. Chromatographic separation of maltooligosaccharides in a polymeric

sorbent column.