KR950014171B1 - 식이 섬유를 표백/위생처리하는 방법 - Google Patents

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Description

식이 섬유를 표백/위생처리하는 방법

본 발명은 리그노셀룰로즈 식이 섬유를 처리하고 표백되고 위생처리된 생성물을 고수율로 제공하는 방법에 관한 것이다.

인간계 및 비인간계에 사용하기 위한 식이 섬유의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않다. 식이 섬유는 건강 및 질환 저항성, 생리학적 물질 대사, 및 예방 의약품에서 중요한 역할을 한다. 체계내에서 식이 섬유의 잇점을 유익하게 하기 위하여 섬유-함유 식품을 개발하려고 상당히 노력하여 왔다. 이를 위해서는 몇가지 부산믈을 처리하여, 수율을 낮추고 상응하는 커다란 노폐물 처리 문제를 일으키는 리그닌 성분을 많이 또는 전부 제거해야 한다.

인간과 같은 단위(單胃) 동물은 셀룰로즈를 탄수화물 식품으로 전환시키는 능력이 부족하다. 다라서, 유용한 천연 리그노셀룰로즈 섬유가 셀룰로즈로 전환되고, 동시에 커다란 노폐물 흐름이 야기되는 것은 바람직하지 않다. 그러나, 섬유를 흰색 빵과 같은 담색 식품에 혼입시키려는 경우, 섬유를 위생처리하거나 표백처리하는 것과 같은 몇가지 처리가 바람직하다.

알칼리성 과산화수소는 면, 목재 펄프등과 같은 셀룰로즈 물질을 위한 표백제로서 오랫동안 알려져 왔다. 그러나, 과산화수소로 처리하는 것은 8.5 이상의 pH에서 수행하는 것으로 알려져 있다. 다량의 리그닌을 갖는 목재를 표백처리하는 경우, 최대 초기 pH는 12%의 펄프 점조도에서 약 10.0 내지 10.5이다.

고울드(Gould)의 미합중국 특허 제4,649,113호 및 제4,806,475호는 농산물 부산믈의 리그닌을 제거한 후 소의 사료, 화학 사료 또는 식이 섬유를 분리 함으로써 이들 성분을 제조하는 공정이 기술되어 있다. 농작물의 부산물 및 기타 비목질 리그노셀룰로즈 섬유질은 약11.2 내지 11.8 범위의 조절된 pH에서 과산화수소로 처리한다. 이 기질은 부분적으로 리그닌이 제거되고, 수율을 낮춘다.

티손(Tyson)의 미합중국 특허 제4,842,877호에는 다단계 공정에 의해 식품 등급의 섬유를 제조하는 공정이 교시되어 있다. 이 공정은 pH 11.5에서 섬유의 리그닌을 제거하며, 후속적으로 반셀룰로즈를 제거한다. 이 공정은 비용이 비싸고 수율이 낮으며 커다란 노폐물 흐름을 만들기 때문에 바람직하지 않다.

젤크스(Jelks)의 미합중국 특허 제3,939,286호에는 완두콩과 같은 콩 종자의 외피를 섬유성 제품으로 전환시키는 저수율(∼65%) 공정이 특허청구되어 있다. 이 공정은 처리해야 하는 다량의 바람직하지 못한 노폐물을 생성한다. 과산화수소는 섬유로부터의 물질을 용해시키는 단계들 중의 하나에서 사용된다.

과산화수소 및 기타 과산화수소 대신 이산화질소를 사용하여 밀가루의 글루텐을 개선시키면서 다갈색 효과를 피하는 것에 대해 기술되어 있다. 영(Young)의 미합중국 특허 제2,777,749호에는 피로인산나트륨의 존재하에 밀가루 및 옥수수전분을 과산화수소 증기로 표백 및 산화시킬 수 있다고 기술되어 있다.

본 발명은 하기 단계를 포함하는, 리그노셀룰로즈 섬유질을 처리하기 위한 고수율 공정에 관한 것이다 :

(a) 과산화수고를 함유한 충분한 양의 슈용액을 리그노셀룰로즈 섬유질상에 균일하게 분포시켜 건조 리그노셀룰로즈 섬유질 100중량부당 약 5 내지 약15중량부의 과산화수소와 적어도 5중량부의 물을 반응 혼합물로서 제공함으로써 상기 반응 혼합물의 건조 중량을 기준으로 약 40 내지 70부의 리그노셀룰로즈 섬유질을 제공하는 단계, (b) 상기 반응 혼합물의 pH를 약 3 내지 약 7로 유지시키는 단계, 및 (c) 반응 혼합물의 과산화수소 양을 적어도 약 50%까지 감소 시키기에 충분한 시간 동안 반응 혼합물을 약 20℃ 내지 약 100℃로 유지시켜, 위생처리되고 표백된 리그노셀룰로즈 섬유질을 고수율로 제공하는 단계.

당해 분야의 숙련된자는 천연 다당류 섬유의 리그닌 성분이 섬유 색상의 원인이 되는 발색단 또는 색 본체(color body)를 함유하는 것으로 인지할 것이다. 리그닌을 제거하면 색상은 감소할 것이지만, 결과적으로 수율은 감소하며, 결국은 순수한 셀룰로즈가 수득된다. 본 발명의 목적을 위해, 고수율 공정은, 50℃ 미만에서, 본래 섬유질 공급원이 귀리 껍질, 쌀겨 또는 콩껍질인 경우 세척한 후에 75% 내지 95% 수율의 위생처리되고 표백된 리그노셀룰로즈 섬유질을 갖는 공정으로 정의된다. 수율은 적어도 80%가 바람직할 것이다.

그러나, 본 발명은 공정중의 세척 단계로 한정되는 것은 아니며 ; 최종 세척 단계는 때때로 바람직할 수 있지만, 선행 기술의 대조물과 수율을 중요하게 비교하기 위해 실시예에서 필요하다. 수율은 세척단계 없이도 높다. 선행 기술의 공정과는 달리 본 발명은 섬유상에 나트륨 화합물과 같은 실질적인 화학 부산물을 남기지 않기 때문에 세척단계가 공정에 필수적이지는 않다.

본 발명은 또한 다량의 에너지가 소모되지 않는 잇점을 갖는다. 다른 선행 공정과 같이 다량의 물을 증발시킬 필요가 없기 때문에 수율을 감소시키는 고온이 필요하지 않다. 간단하고 저렴한 장치를 사용하는 "건식"공정이 필수적이다.

적합한 리그노셀룰로즈 섬유는 야채, 과일 및 곡류의 껍질, 외피 및 펄프와 같은 임의의 편리한 공급원으로부터 수득할 수 있다. 귀리 껍질, 쌀겨, 콩껍질 및 사탕수수 펄프 또는 부산물이 특히 바람직하다.

과산화수소는 혼합을 용이하게 하기 위해 묽은 용액의 분무액으로 반을 혼합물에 혼입시키는 것이 바람직하다. 그러나, 리그노셀룰로즈 섬유가 이미 상당량의 물을 함유하는 경우, 과산화수소는 보다 농축된 용액으로 기할 수도 있다. 반응열 또는 촉진된 분해산물의 열로 인해 혼합물이 태워지거나 점화되기 때문에 50중량% 이상으로 농축된 과산화수소를 건조 리그노셀룰로즈 섬유에 기하는 것은 이롭지 않다.

수성 과산화수소의 농도는 약 10% 내지 약 50%, 바람직하게는 약 20% 내지 약 35%일 수 있다. 과산화수소 및 물은 둘다, 거의 건조한 섬유질을 저열 블렌더에 의해 또는 리본 밀, 패들혼합기등과 같은 혼합 수단에 의해 혼합하면서, 미세한 분무액으로 반응 혼합물에 혼입시키는 것이 편리하다. 과산화수소 및 물은 리그노셀룰로즈 섬유상에 균일하게 분포시켜 반응 혼합물을 형성해야 한다. 일반적으로, 반을 혼합물에 건조 리그노셀룰로즈 기질 100부당 약 5 내지 25중량부의 물을 공급하는 것이 바람직하다.

시판용 과산화수소는 보통 반응 혼합물을 pH 약 3내지 약 7로 조정하고 유지할 정도로 충분히 산성이다.

경우에 따라 충분한 산, 알칼리 또는 완충제는 pH를 목적으로 하는 범위로 유지하기 위해 반응 혼합물에 혼입할 수도 있다. 이러한 산, 알칼리 또는 완충제는 초기에 과산화수소, 물에 또는 리그노셀룰로즈 섬유상에 직접 혼입할 수도 있다.

임의로, 첨가제를 사용하여, 표백을 불충분하게 하는 과산화수고의 접촉 분해를 최소화하거나, 또는 과도한 가용화를 일으키는 리그노셀룰로즈의 공격을 최소화할 수도 있다.

반응 혼합물은 리그노셀룰로즈 섬유를 표백하고 위생처리하는데 충분한 시간 동안 약 20℃ 내지 약 100℃에서 반응 한다. 약 0.1% 이상의 농도에서 과산화수소는 대부분의 박테리아를 파괴시키기 때문에 본 발명에 사용된 건조 섬유의 중량을 기준으로 최소 5%의 농도는 실온 이하에서 조차도 매우 충분하다고 알려져 있다. 그러나, 표백 속도는 온도와 함께 증가하며, 귀리 껍질의 경우 표백의 바람직한 온도는 약 16 내지 20 시간 후에 50℃로 수득된다, 당해분야의 숙련된자는 과도한 실험을 하지 않고도 임의의 특징 리그노셀룰로즈 섬유 샘플을 표백하기 위한 최대 시간 및 온도를 쉽게 결정할 수 있다. 온도는 약 20℃ 내지 약 70℃로 유지하는 것이 바람직항 것이다.

그러나, 반응 혼합물의 부분 과열은 피하는 것이 중요 하다. 리그노셀룰로즈 섬유의 층은 효과적인 절연체이므로 반응열 또는 분해열로 인해 두꺼운 층의 내부는 외부보다 실질적으로 온도가 더욱 높으며, 이로써 섬유를 눋게 하거나 점화시키기에 충분하다.

또한 반응 혼합물로부터 충분한 물이 증발되어 목적하는 조성이 변화되는 것을 피하는 것이 중요하다. 이러한 증발은 반을 혼합물과 접촉하는 대기중에 약 100%의 습도를 유지시킴으로써 방지될 수 있다.

본 발명은 하기 실시예에 의해 및 하기 실험 설명 및 절차에 따라 더 예시된다 :

(명도 측정을 위한 샘플의 제조)

50℃에서 건조시킨 샘플을 0.55mm 스크린이 정착된 윌리(Wiley) 밀에서 연마시킨다, 엘레포(Elrepho)반사율 측정기와 함께 사용하기 위해 설계된 4.4㎝ 수동 압착기를 사용하여 대략 5g을 펠릿화한다

(명도 측정)

수동 압착된 펠릿의 명도(ISO)는 자아스(Zeiss) 2000엘레포 반사율 측정기를 사용하여 측정한다. 황색도는 명도 측정과 동시에 측정한다.

(과산화수소 분석)

표준 요오드측정법을 사용하여 분석한다. 첨부된 표에 보고된 분석값은 존재하는 오븐 건조시킨 귀리 껍질 중량의 중량%로 표현한다.

("습식" 표백 절차)

약 160g의 오븐 건조시킨 연마된 껍질을 함유한 슬러리를 마개가 덮힌 넓은 유입구의 비이커에 넣고, 마이크로바 오븐에서 80℃로 가열한다. 농축된 표백액(25ml)을 호바트(Hobart) 혼합기에서 1 내지 2분 동안 예열된 펄프와 혼합한다. 이어서, 혼합물을 마개가 덮힌 비이커에 넣고, 70℃에서 1.5시간 동안 온도가 조절된 욕에 넣는다.

제1단계로, 3.8ml의 35% H₂O₂, 0.025g의 MgSO₄, 0.5g의 40℃ Be 나트륨 실리케이트 및 3.1ml의 6N NaOH 혼합물을 25ml로 희석시킴으로써 pH 11.5의 표백액 농축물을 제조한다.

1단계의 표백에 이어서, 샘플을 탈이온수로 2% 점조도로 희석시킨다. 이어서 생성물을 여과지를 사용하여 브크너(Buchner) 깔대기를 통해 여과한다.

제1단계 생성물의 작은 샘플중의 건조 물질 함량은 마이크로파 오븐에서 건조시키기 전과 건조시킨 후를 비교하여 측정한다.

습윤 고형물을 적당량의 물과 혼합하고, 마이크로파로 80℃까지 가온시키고, 이어서 호바트 혼합기에서 안정화제 농축물과 혼합한다. 제2단계의 표백 농축물은 목적하는 pH10.5를 이룩하는데 보다 적은 양의 NaOH가 필요하다는 것을 제외하고 이전과 같이 구성되어 있다.

혼합물을 혼합하고, 상기 제1단계에서와 같이 반응 시킨다. 세척전에 용액 pH를 묽은 H₃PO₄를 사용하여 ∼5.5로 맞춘다. 세척한 생성물을 50℃에서 강제 공기 오븐에서 건조시킨다. 이 공정은 통상의 연마된 목재 표백 공정과 유사하다.

(미합중국 특허 제4,649,113호의 절차)

20g(100% 기준으로)의 H₂O₂를 함유한 용액 1600ml를 제조한다. 연마된 기질(50℃에서 오븐-건조시킨 중량 80g)을 완전히 기계 교반하면서 이 용액에 현탁시킨다. pH는 NaOH를 사용하여 11.5로 조정하고, 용액부피는 2ℓ가 되게 한다.

반응물을 실온(RT)에서 24시간 동안 교반한다. 24시간 후에 기질을 H₃PO₄를 사용하여 pH∼5.5로 중화 시킨다.

이어서 슬러리를 미세한 체(∼100메쉬)를 통해 건조시키고, 압착하여 과량의 물을 제거한다. 이어서 습윤 펄프를 1600ml로 희석시키고, 교반하고, 다시 미세한 체를 통해 건조시킨다. 생성물을 50℃에서 강제 공기 오븐에서 건조시킨다.

(본 발명의 "건식" 표백 절차)

건조 귀리 껍질을 호바트 혼합기에 혼합하고, 목적하는 과산소 함량 및 수분 함량이 수득될 때까지 35% H₂O₂및 탈이온수를 플라스틱 수동 분무기 수단에 의해 가한다. 15분 동안 계속 혼합하고, 이어서 습윤 고형물을 특정 시간 및 온도에서 반응을 위해 옮긴다. 반응은 상기 "습식"절차에 기숙왼 바와 같이 수욕에 침지된 비이커에서 또는 강제 공기 오븐내의 특정하게 밀봉된 플라스틱 백에서 일어난다.

선택적 세척 단계 : 반응 종결시, 생성물을 물을 사용하여 5% 점조도로 희석시킨다. pH는 NaOH 또는 H₃PO₄를 사용하여 ∼5.5로 맞추고, 슬러리를 상기 절차에서와 같이 미세한 메쉬체를 통해 배수시킨다, 세척을 2회 반복하고, 상기 기술한 바와 같이 생성물을 단리시키고, 건조시킨다.

[실시예 1 내지 6]

표 I 에 기재된 바와 같이 절차에 따라 귀리 껍질로부터 샘플을 제조한다. 실시예1은 미합중국 특허 제4,649,113호의 공정에 의한 것이다. 실시예 2,3 및 4는 본 발명의 "건식 표백"절차에 의한 것이다. 실시예들을 반복하고, 후속적인 실행의 명도 및 황색도 측정값은 괄호에 나타낸다. 실시예5 "습식" 표백은 전형적인 2단계 습식 표백 절차이다. 실시예 6은 처리하지 않은 귀리 껍질의 명도 및 황색도 나타낸다.

[실시예 7 내지 11]

쌀겨는 상기와 같이 가공한다. 조건 및 결과는 표 II에 제시되어 있다. 명도 및 황색도 뿐만 아니라 실시예 10 및 11(본 발명의 공정)의 수율은 거의 보다 낮은 H₂O₂적용 속도에서 선행 기술의 공정보다 우수하다.

[실시예 7 내지 16]

콩껍질은 상기와 같이 가공한다. 결과는 표 III에 제시되어 있다.

[실시예 17 내지 21]

사탕수수 펄프는 상기와 같이 가공한다. 결과는 표 IV에 제시되어 있다.

[표 1]

연마된 귀리 껍질의 표백 처리 비교

1. ( )안의 샘플은 반복하여 수행한 것이다.

2. 습식 표백은 별도의 2단계(2×)로 수행하고, 1단계는 pH11.5에서, 2단계는 10.5에서 수행한다.

[표 2]

쌀겨의 표백처리 비교

* 2단계, pH 11.5에서 제 1 단계, pH 10.5에서 제 2단계

RT=실온

[표 3]

콩 껍질의 표백처리 비교

[표 4]

사탕수수 부산물의 표백처리 비교

Claims (9)

1. (a) 과산화수소를 함유한 충분한 양의 수용액을 리그노셀룰로즈 섬유질상에 균일하게 분포시켜 건조 리그노셀룰로즈 섬유질 100중량부당 5 내지 15중량부의 과산화수고와 건조 리그노셀룰로즈 기질 100부당 적어도 5중량부의 물을 반응 혼합물로서 제공함으로써 상기 반응 혼힙물의 건조 중량을 기준으로 40 내지 70부의 리그노셀룰로즈 섬유질을 제공하는 단계, (b) 상기 반응 혼합물의 pH를 3내지 7로 유지시키는 단계, 및 (c) 반응 혼합물의 과산화수소 양을 적어도 50%까지 감소시키기에 충분한 시간 동안 반응 혼합물을 20℃ 내지 100℃로 유지시켜, 위생처리되고 표백된 리그노셀룰로즈 섬유질을 고수율로 제공하는 단계를 특징으로 하는, 리그노셀룰로즈 섬유질을 고수율로 처리하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 리그노셀룰로즈 섬유질이 귀리 껍질, 쌀겨, 사탕수수 섬유 및 콩 껍질로 이루어진 그룹중에서 선택됨을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 단계(c)의 표백된 반응 혼합물을 세척함을 특징으로 하는 방법.
4. 제2항에 있어서, 단계(c)의 표백된 반응 혼합물을 세척함을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항에 있어서, 온도를 20℃ 내지 70℃로 유지함을 특징으로 하는 방법.
6. 제2항에 있어서, 온도를 20℃ 내지 70℃로 유지함을 특징으로 하는 방법.
7. 제3항에 있어서, 온도를 20℃ 내지 70℃로 유지함을 특징으로 하는 방법.
8. 제4항에 있어서, 온도를 20℃ 내지 70℃로 유지함을 특징으로 하는 방법.
9. 제1항에 있어서, 반응 혼합물이 리그노셀룰로즈 기질 100부당 5 내지 25중량부의 물을 함유함을 특징으로 하는 방법.