옥수수 섬유로부터 피토스테롤을 에탄올 추출하는 방법 document_id A220623043681

"습식-분쇄" 공정은 옥수수를 에탄올, 옥수수 감미료 및 전분으로 전환시킬 수 있는 공정이다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "옥수수 섬유"는 "습식 분쇄 공정으로부터 얻어지는 생성물로서 정의되며, 그 습식 분쇄 공정은 상승된 온도에서 수성 이산화황 중에 옥수수 낟알(corn kernel)을 침지하는 개시 단계 및 이어서 적당히 제분하고 전분, 단백질 및 기타 성분으로부터 외부 섬유 층을 물리적으로 분리하는 단계를 수반한다"는 것을 나타낸다. 옥수수 섬유는 처리된 옥수수 부셀(bushel) 당 13%의 비율로 옥수수 습식 분쇄에 의해 생산된다. 옥수수 정련 협회(Corn Refiners Association)에 따르면, 습식-밀(wet-mill)에서 1일 당 15,000 톤 이상의 옥수수 섬유가 생산된다. 옥수수 섬유와 더불어, 옥수수로부터 단백질 부분, 오일 부분 및 전분 부분이 섬유 스트림과 함께 분리되고, 섬유 옥수수 배아 박(corn germ meal)과 더불어, 그 스트림 내로 혼합되는 섬유 상에 분무되는 옥수수 침지액(corn steep liquor) 및 증류폐액(stillage)과 함께, 처리된 옥수수의 약 25% 전체가 옥수수 글루텐 피드 스트림(corn gluten feed stream)의 부분이 된다. 옥수수 침지액은 옥수수 낟알의 초기 침지 단계로부터 유도되는 액체이고, 증류폐액은 에탄올 발효 브로쓰의 증류로부터 유래하는 것으로 주로 물, 비휘발성 물질, 및 주로 효모 세포 덩어리(cell mass)로부터 유도된 고형분을 포함하고 있는 찌꺼기(bottoms)이다. 그 옥수수 침지액 및 찌꺼기는 영양분 및 단백질을 옥수수 글루텐 피드에 제공하며, 그 옥수수 글루텐 피드는 동물 사료로서 고체인 저가 부산물 스트림이다. 본 발명에서는 옥수수 섬유 스트림을 보다 값비싸고 유용한 성분들로 등급을 올리는 비용 효율적인 방법이 제공된다. 옥수수 섬유는 대략 15-25% 전분, 10-13% 단백질, 33-42% 헤미셀룰로즈, 15-18% 셀룰로즈, 3-6% 회분(ash), 3-6% 오일, 및 1-2% 기타 성분으로 구성된다. 헤미셀룰로즈는 50-55% 크실로즈, 30-35% 아라비노즈, 4-6% 갈락토즈, 3-5% D-글루쿠론산 및 만노즈, 쿠마린산, 및 퍼룰린산을 비롯한 기타 성분 2-5%로 구성된다. 설비(plant)에서 탈수 프레스로부터 나오는 옥수수 섬유 스트림은 30-50% 고형분을 함유한다. 옥수수 섬유의 열화학적 처리 동안, 섬유는 130-180℃로 가열하며, 상기 온도는 전분 및 헤미셀룰로즈를 가용화시키고 반면에 셀룰로즈를 순수 상태로 잔류시킨다. 전분은 2가지 유형의 글루코즈 중합체, 아밀로즈 및 아밀로펙틴으로 구성된다. 아밀로즈는 α-1,4-글리코사이드 결합에 의해 연결된 글루코즈 분자를 지닌 선형 중합체이고, 아밀로펙틴은 α-글리코사이드 결합에 의해 연결된 글루코즈 분자를 지니고 β-1,6-연결된 분지를 지닌 고급 분지형 중합체이다. 옥수수 섬유에서 헤미셀룰로즈는 β-1,4 연결된 크실로즈 골격으로 구성되고 아라비노즈, 크실로즈, 갈락토즈, 글루쿠론산, 만노즈, 퍼룰린산 및 쿠마린산으로 구성된 측쇄를 지니고 있다. 전분은 가열과 전분 분해 효소 또는 황산과의 조합에 의한 가수분해에 의해 섬유로부터 제거할 수 있다. 이러한 조건 하에서, 전분 중합체는 제일 먼저 용해성 올리고사카라이드로 가수분해되고, 이 올리고사카라이드는 추가로 이차적인 산 또는 효소 가수분해 단계에 의해 글루코즈로 가수분해될 수 있다. 헤미셀룰로즈는 121℃ 이상의 온도에서 옥수수 섬유를 처리함으로써 부분적으로 가수분해할 수 있지만, 크실란 골격에서 단량체로의 완전 가수분해는 산 또는 효소에 의한 추가 처리를 필요로 한다. 전분 및 헤미셀룰로즈의 가수분해는 또한 단일 단계로 조합할 수 있다. 침지 공정으로부터 유래하는 잔류 이산화황을 함유하는 천연 그대로의 옥수수 섬유는 산의 임의적인 첨가에 의해 고온에서 처리할 수 있다. 이러한 처리는 전분 및 헤미셀룰로즈의 동시적인 가수분해를 일으킨다. 가수분해된 전분 및 헤미셀룰로즈로부터 유래한 모노사카라이드는 발효 및 촉매 전환을 비롯한 수 많은 상이한 용도에서 사용되어 당 알콜 및 후속저인 폴리올을 생성할 수 있다. 전분으로부터 유래한 글루코즈는 효모 발효에 사용되어 에탄올을 생성할 수 있거나, 또는 다른 생성물로 발효될 수 있다. 또한, 크실로즈도 유사하게 발효되어 해당 기술 분야의 당업자에게 공지된 다수의 발효 유도 생성물을 생성할 수 있다. 퍼룰린산은 바닐린의 제조용 공급 원료로서 사용할 수 있다. 가수분해 단계 후 잔류 옥수수 섬유는 용매와 접촉하여 존재하는 오일을 추출할 수 있다. 예를 들면, 미국 특허 제5,843,499(Moreau at al.)에서는 피토스테롤을 함유하는 오일 분획은 항산화제, BHT의 존재 하에서 헥산을 사용하여 옥수수 섬유로부터 추출할 수 있다는 점을 개시하고 있다. 상기 특허(Moreau et al.)에 기술된 공정은 교반하면서 실온에서 건조 분쇄된 옥수수 섬유로 완성된다. 상기 특허(Moreau et al.)에 설명된 추출은 결과적으로 트리글리세라이드(TAG), 피토스테롤의 지방산 에스테르(St-FA), 유리 지방산(FFA), 토코페롤, 유리 피토스테롤(St), 및 피토스테롤의 퍼룰린산 에스테르(St-F)을 함유하는 혼성 오일을 생성한다. 상기 특허(Moreau et al.)에서는 정상 옥수수 섬유내 오일의 총 백분율이 3.33 중량%만큼 높게 존재한다는 점을 보고하고 있다. 추가로, 상기 특허(Moreau et al.)에서는 8% St-FA를 지닌 추출된 오일내 총 스테롤 함량(St-FA, St 및 St-F)이 대략 18%(wt/wt)이라는 점을 보고하고 있다. 베타-시토스테롤 및 이것의 글루코사이드 베타-시토스테롤을 비롯한 피토스테롤은 분자 콜레스테롤과 밀접하게 유사하다. 이들 분자는 인체내 콜레스테롤 흡수를 방해한다. 장으로부터 콜레스테롤의 저하된 흡수는 혈장 콜레스테롤 수준을 감소시키는 저밀도 리포단백질(LDL)을 감소시킨다. 본 발명의 목적에 있어서, 피토스테롤은 예를 들면 베타-시토스테롤, 시토스탄올, 캄페스테롤, 캄페스탄올, 스티그마스테롤, 스티그마스탄올, 브라시카스테롤, 및 스테롤 고리계를 함유하는 기타 화합물을 포함하지만, 이에 국한되는 것은 아니다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "총 스테롤"은 예를 들면 본 명세서에 기술된 모든 피토스테롤을 포함하지만, 이에 국한되는 것은 아니다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 피토스테롤은 또한 스테롤 글루코사이드, 스테롤 지방산 에스테르 및 스테롤 퍼룰레이트 에스테르를 포함한다. 상기 특허(Moreau et al.)에 개시된 방법은 본 발명에서 기술된 추출이 고함량 고형분의 열화학적 처리된 옥수수 섬유로 완성된다는 점에서 본 발명과는 유의적으로 상이하다. 또한, 본 발명의 추출 방법은 건조된 옥수수 섬유 또는 습윤된 미분쇄 옥수수 섬유에 대하여 수행할 수 있다. 완전 건조된 옥수수 섬유에 대한 필요성의 생략은 본 발명의 방법의 이점이 되는데, 이는 섬유를 65% 물(기계적으로 탈수된 옥수수 전분의 경우에 전형적임)에서 0% 미결합된 물로 감소시키는 데 요구되는 에너지가 높기 때문이다. 추가로, 낟알 분진 폭발은 낟알 저장 및 분쇄 조작의 경우 잠재적인 위험이 된다. 습윤된 미분쇄 옥수수 섬유를 처리함으로써, 낟알 분진 폭발의 가능성을 최소화하게 된다. 본 발명의 방법에서는 추출제(extractant) 0%/100% 물/에탄올 내지 30%/70% 물/에탄올의 농도를 사용하여 피토스테롤을 추출한다. 열화학적 처리 후 옥수수 섬유의 수분 함량은 65%인 경우, 전체 옥수수 섬유 스트림의 325 중량%는 무수 에탄올에 첨가하여 80%/20% 용매를 달성하는 것이 필요하다. 그러므로, 옥수수 섬유 내에 존재하는 물의 양을 추출 전에 감소시킬 수 있는 경우, 에탄올 용량은 크게 감소시킬 수 있다. 에탄올 및 에탄올/물 혼합물은 에탄올을 생성하는 현행 옥수수 습식 분쇄 설비와 가장 큰 상용성을 갖는데, 그 이유는 에탄올과 물이 모두 그러한 설비에서 사용하는 것이 가능하기 때문이다.