아임계 및 초임계 수 가수분해를 이용한 미역으로부터 해조 단당류 및 아미노산 회수

Abstract

본 연구에서는 아임계 및 초임계 수 산화를 이용하여 미역을 가수분해 시키고 생성된 Mannose와 아미노산은 각 각 HPLC-RID와 Amino acid analyzer를 이용하여 정성 및 정량 분석을 수행하였다. 미역의 아임계 및 초임계 수 가수분해에 영향을 주는 주요 실험변수로는 반응온도, 반응압력, 촉매, 기질의 초임계 이산화탄소 처리 등을 변화 시켜 보다 안정적이고 효율적인 최적의 mannose 및 아미노산 생산 조건을 고찰하였으며 결론은 다음과 같다. 1. 미역의 주요 성분인 알긴산은 가수분해 되어 광학 이성질체인 D-Mannose 와 L-Mannose 로 분해되며 이러한 단당류는 중화과정 및 발효과정을 거쳐 바이오 에탄올 생산의 자원으로 사용될 수 있으며, 미역 단백질의 아미노산 조성은 동물성 단백질의 아미노산 조성과 거의 유사하며 영양적 가치도 뛰어나 바이오식품 소재로서 활용도가 매우 높다. 2. 미역으로부터 생산된 mannose 의 최고 생산수율은 347oC, 221 bar 에서 488 mg/1g sample 이었고 반응용매인 물의 아임계 수 영역부터 초임계 수 영역으로 진행 될수록 급격한 증가율을 나타내었으며 물의 임계점 부근에 이르면서 정점 둔화하였다. 하지만 반응 종료가 나타나지 않았으므로, 임계점 이상의 반응 조건에서 미역의 당화 반응 연구가 더 진행될 필요가 있다고 사료된다. 3. 미역의 이취성분을 제거한 시료와 원시료를 아임계 수 가수분해 시 두 기질 모두 200 ~ 220℃ 반응조건까지 아미노산 생성 수율의 증가를 보였으며, 220 ~ 260℃ 반응조건까지는 지속적인 감소를 보이는 유사한 경향을 나타내었다. 두 기질의 아미노산 생성 수율의 차이는 크지 않았지만 초임계 이산화탄소가 처리된 시료가 원시료에 비해 낮은 수율을 보였다. 이것은 초임계 이산화탄소를 이용한 미역의 이취성분 제거 시 사용된 보조용매인 ethanol 에 의해 미역의 단백질 함량이 감소 된 것으로 사료된다. 4. 비 촉매적 미역의 아임계 수 가수분해 반응에서 온도 변화에 따른 아미노산 농도는 반응 온도가 증가함에 따라 감소하였다. 이것은 반응 온도가 증가함에 따른 반응용매인 물의 용매력과 물질전달능력이 증가함에 따라 기질과 산소의 접촉을 활발하게 하여 기질의 산화를 촉진시키는 것으로 사료되며, 또한 아임계 수 가수분해를 이용하여 단백질로부터 아미노산 생성시 반응이 종료 되지 않고 생성된 아미노산은 아임계 수에 의해 지속적으로 산화되어 유기산으로 전환된 것으로 판단된다. 따라서 반응 종료 후 이러한 부가 반응을 방지하기 위해 반응 온도의 제어가 필수적이라고 볼 수 있으며 아임계 수 가수분해 반응시 아미노산의 최적 생성 수율을 위하여 더욱 세부적인 반응 온도에 대한 검토가 필요하다고 판단된다. 5. 산을 이용하여 미역을 가수분해하였을 경우 아미노산 생성 수율은 25.32 ㎍/mL 로 가장 낮은 수율을 나타내었으며 촉매적 아임계수 반응시 아미노산 생성 수율이 290.84 ㎍/mL 로 나타났으며, 비촉매적 아임계 수 반응 역시 아미노산 생성 수율이 148.95 ㎍/mL 로 산가수분해 반응보다 높은 생성 수율을 나타내었다. 결과적으로 아임계 및 초임계 수 산화 공정은 미역의 당화반응과 미역단백질로부터 아미노산 회수에 적합한 친환경 공정으로서 미역의 가수분해 반응이 기존의 가수분해 공정보다 반응성이 우수하며, 반응 시간을 단축하여 효율적인 단당류 및 아미노산 생성을 가능하게 함을 확인 할 수 있었으며 반회분식, 연속식과 같은 공정에서의 적용 가능성과 반응 시간의 영향 그리고 물의 임계영역 이상의 반응 효율등 향후 본 연구에서 수행하지 못한 연구가 필요할 것으로 보인다.

The objective of this research were to produce monosaccharide and amino acids from freezing-dried brown seaweed (Undaria pinnatifida) powder by sub- and supercritical water hydrolysis and to characterize the products. The hydrolysis was carried out in a batch type reactor consisting of 4.6 cm inside diameter and 200 cm3 vessel made of Hastelloy276. The reactor used in this study equipped a temperature controller and achieved heat quickly and was not quenched rapidly. Brown seaweed powder and 100 mL of 1 % acetic acid in distilled water were charged into the reactor at a ratio of 1:100(w/v). A stir inside the reactor was continuously moving at 100 rpm. The applied temperature and pressure ranges were 180 ~ 374°C and 8.82~221bar, respectively for 1 hour. Qualitative and quantitative analysis of products were performed by HPLC-RID. The hydrolysis product of brown seaweed was mannose. The efficiency of the reaction was increased with the temperature and pressure by inorganic catalyst. The efficiency of the reaction was checked by measuring reducing sugar, monosaccharide. The maximum yields of mannose (488 mg/1 g sample) was produced at high temperature and pressure (374oC, 221 bar) with 1% acetic acid. The total amino acid content was found to be significantly higher in brown seaweed hydrolyzed by low temperature and pressure comparing to high temperature and pressure. The amounts of low molecular weight amino acids (glycine, alanine, serine etc) were higher than that of high molecular weight amino acids. The amount of amino acid produced by subcritical hydrolysis of brown seaweed was increased with the addition of acetic acid. The amino acids were decomposed at high temperature and pressure. The maximum yields of amino acids (290.84 ㎍/mL) were produced at low temperature and pressure (220oC, 22 bar) with acid catalyst.