1. 서 론
감귤은 사과나 배 등의 다른 과일에 비해 저장성이 떨어지고, 수확 기에 일시적으로 대량 출하가 되므로 가격 하락을 방지하기 위한 물 량 조절과 비상품 감귤의 처리를 위해 감귤의 가공을 확대할 필요가 있다[1].
제주특별자치도에서 생산되는 감귤의 약 10~20%가 가공용으로 처 리되고 있다. 이에 따라 매년 5~7만 톤의 감귤박이 발생하는데, 2016 년부터 감귤박의 해양투기가 불가능하게 됨에 따라 감귤박의 처리에 어려움을 겪고 있다[2].
현재 감귤껍질을 이용한 바이오겔 등의 화장품, 약품(한약) 재료로 의 활용 등의 연구가 진행되고 있지만, 감귤박에 남아 있는 농약 등으 로 인해 산업화에는 어려움이 있다. 따라서 감귤박의 다양한 분리 공 정과 가공을 통해 새로운 수요 창출이 필요하다[3,4].
감귤껍질에는 대략 0.21 v/w%의 정유(精油, essential oil)가 함유되 어 있고, 정유의 70~90%는 리모넨으로 알려져 있다. 그러나 감귤가공 공장에서 배출되는 감귤박에는 내피가 포함하고 있어 감귤박의 정유 함량은 이보다 낮을 것으로 판단되나 감귤박의 정유 함량에 대한 정 확한 함량은 아직 보고된 바 없다[5].
리모넨은 향이 좋고 세척력이 우수하여 각종 어린이용 로션, 크림 등 화장품에 사용되고 식물 살충제, 세정제 및 얼룩 제거제, 공기 청 정제, 페인트의 석유 용매 대체 제품, 페인트 제거제, 왁스 제거제, 모 델 비행기 접착제의 용제, 스티커 자국 제거제, 감귤 향을 내는 식품 첨가제, 향수의 향료, 기계 부품의 기름 제거와 같은 세척 목적 용매 로 사용되고 있다. 최근에는 청소 제품에서 사용량이 증가하고 있으 며 알킬로이드의 쓴맛을 가리기 위한 향으로 일부 의약품에 사용되고 있다[6-8].
바이오 에탄올은 가장 대표적인 바이오 연료로서 전체 바이오 연료 의 80%를 차지하고 있다. 바이오 에탄올은 휘발유를 대체하는 운송용 연료로 활용하고 있는데, 높은 산소 함유량에 따른 강한 부식성 등으 로 휘발유를 전적으로 대체하지는 못하고 첨가제의 형태로 이용되고 있다[9].
현재 바이오 에탄올 생산에 사용되는 원료 대부분은 곡류 유래의 전분이나 열대작물에서 얻어지는 당류이다. 미국에서는 대부분이 옥 수수 전분의 가수분해 시에 얻어지는 포도당을 원료로 하여 바이오 에탄올을 생산하고 있고, 브라질에서는 사탕수수에서 얻어지는 설탕 을 원료로 하고 있다[10]. 따라서 바이오 에탄올 원료로서 식량으로 사용되는 농산물을 대체할 수 있는 바이오매스의 확보 및 활용이 필 요하며, 이에 따라 볏짚이나 나무 등의 목질계와 해조류 등을 활용한 바이오 에탄올을 생산하려는 연구가 진행되고 있다[11].
건조된 감귤박에 남아 있는 리모넨은 감귤박을 발효하여 바이오 에 탄올을 생산할 때 저해물질로 작용한다고 알려져 있다[12]. 따라서 저 비용으로 감귤박 내의 리모넨의 분리가 가능하다면, 분리된 리모넨을 활용할 수 있을 뿐만 아니라 리모넨이 분리, 제거된 감귤박으로부터 바이오 에탄올 발효 생산할 때 바이오 에탄올 생산효율을 크게 향상시 킬 수 있을 것으로 판단된다.
감귤박에 함유된 리모넨을 분리하는 기존의 감귤박 처리 기술로는 100~150 °C 스팀을 이용하여 분리하는 방식이 주로 사용되어왔으나, 이 방법은 리모넨 분리조와 건조 설비를 분리 설치해야 하고 에너지 소모가 많아 경제성이 없다. 반면에 벤튜리를 이용한 진공건조 공정 은 벤튜리와 연결된 챔버를 벤튜리에 의해 감압하고, 감압하에서 리 모넨(대기압에서 비점은 175 °C)과 수분의 비점을 낮추어 리모넨을 분리하는 방식으로서 진공펌프를 사용하지 않고 벤튜리만을 이용하 여 챔버를 감압시키므로 기존 방법에 비해 에너지를 크게 절약할 수 있는 장점이 있다. 따라서 벤튜리를 이용한 진공건조 공정에 의해 감 귤박으로부터 리모넨을 분리하고, 건조된 감귤박으로부터 바이오 에 탄올을 생산한다면 감귤박의 처리뿐만 아니라 리모넨의 분리 및 바이 오 에탄올의 생산효율 증대의 효과를 동시에 얻을 수 있을 것으로 기 대된다. 따라서 본 연구에서는 벤튜리를 이용한 진공건조 공정에 의 해 감귤박으로부터 리모넨을 분리 가능성을 확인하고, 이러한 과정 중에 건조된 감귤박을 이용하여 바이오 에탄올을 생산하는 기술에 대 한 기초 데이터를 제시하였다.
2. 재료 및 방법
2.1. 실험재료 및 장치
본 연구에 사용한 폐 감귤박은 서귀포에 있는 감귤가공공장에서 배 출된 것을 사용하였다. 본 연구에서 사용한 폐 감귤박은 죽(porridge) 형태로서 부패를 방지하기 위하여 냉동고에서 보관한 후 필요에 따라 상온에서 해동한 후 사용하였다. 일반적인 진공건조기는 건조기 내를 감압하기 위하여 진공펌프를 사용하지만, 벤튜리 진공건조기는 벤튜 리에서 분사되는 유체의 운동에너지를 이용하여 감압한다. 벤튜리 진 공건조기는 일반적인 진공건조기에 비해 소형화 및 경량화가 가능하 고 소음과 진동이 거의 없으며 구조가 간단하여 고장률이 낮고 보수 가 간단하다.
본 연구에서 사용한 벤튜리 진공건조기의 모식도를 Figure 1에 나 타내었다. 감귤박을 넣는 챔버, 가열기, 온도 및 압력계이지, 콘덴서, 냉각수 공급 펌프, 수조 및 순환펌프로 이루어져 있다. 챔버에 감귤박 을 넣고 챔버의 온도를 올려주면서 순환펌프를 이용하여 수조의 물을 벤튜리에 공급하면 챔버에 진공이 걸리면서 감귤박의 수분과 정유가 기체 상태로 콘덴서로 이동한다. 콘덴서에서는 수분과 정유가 응축되 고 응축된 수분과 정유는 밀도차에 의해 층 분리가 일어난다.
본 연구에서 감귤박의 진공건조는 냉동된 폐 감귤박을 상온에서 해 동을 한 다음, 진공건조기의 챔버에 놓고 건조하였다. 이때 평균 가열 온도는 110 °C, 챔버의 평균온도는 50 °C, 압력은 – 95 kPa로 유지하 며 15시간 동안 건조하였다.
2.2. 당화 및 에탄올 발효
당화와 발효의 동시 효과를 알아보기 위하여 감귤박을 당화제로 당 화한 다음, 에탄올 발효 효모를 넣고 발효하는 방법(Run-1)과 당화제 와 에탄올 발효용 효모를 동시에 첨가하여 발효하는 방법(Run-2)을 각각 이용하여 에탄올 발효를 하고 두 방법을 비교하였다.
2.3. 분석방법
추출된 정유 중의 리모넨의 함량은 GC/MS로 측정하였다. 에탄올 발효 용액에서의 에탄올 농도는 발효 용액을 0.45 μm 실린지 필터로 여과한 후 여과액의 에탄올 농도를 굴절계(refractometer)를 이용하여 측정하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 건조 방법에 따른 수분 및 리모넨 함량 변화
벤튜리 진공건조, 자연건조 및 열풍건조에 의해 감귤박을 각각 건 조하고, 건조 방법에 따른 수분 및 리모넨 함량을 비교하였다.
건조 전과 진공건조, 자연건조 및 열풍건조에 의해 15시간 동안 건 조된 감귤박의 수분함량을 측정하고, 그 결과를 Figure 2에 나타내었 다. 건조 전의 감귤박 수분함량은 89.2%이었으며, 15시간 건조 후의 진공건조, 열풍건조 및 자연건조에 의해 건조된 감귤박의 수분함량은 각각 17.0%, 85.3% 및 88.6%이었다. 따라서 본 연구에서 사용한 진공 건조가 자연건조와 열풍건조에 비해 감귤박의 수분 제거에 매우 효과 적임을 알 수 있었다.
건조된 감귤박으로부터 정유를 추출하기 위하여 노르말 헥산을 사 용하여 용매추출하였다[13]. 건조한 감귤박 1 g을 100 mL 듀란병에 넣고 여기에 노르말 헥산 10 mL를 첨가하여 쉐이킹 인규베이터(25 °C, 150 rpm)에서 1시간 동안 추출하였고, 추출된 정유 중의 리모넨의 함량은 GC/MS로 측정하였다[13].
Figure 3에 진공건조, 열풍건조 및 자연건조에 의해 15시간 동안 건 조된 감귤박의 리모넨 함량을 나타내었다. 벤튜리 진공건조, 열풍건조 및 자연건조에 의해 건조된 감귤박의 리모넨 함량은 각각 3.2%, 22.4% 및 41.6%이었다. 따라서 벤튜리 진공건조가 열풍건조 및 자연 건조에 비해 수분뿐만 아니라 리모넨의 제거에 매우 효과적임을 확인 할 수 있었다.
자연건조 또는 열풍건조에 의해 감귤박을 건조할 때는 리모넨 등의 정유가 그대로 대기 중으로 방출되어 정유의 활용이 불가능하다. 하 지만 벤튜리 진공건조 방법은 감귤박으로부터 수분과 정유의 제거가 가능할 뿐만 아니라 분리된 수분과 정유의 회수가 가능하다. 즉 벤튜 리를 이용하여 감귤박을 건조하게 되면 감귤박에 함유된 수분과 정유 는 기화되면서 감귤박에서 분리되고, 기화된 수분과 정유는 콘덴서에 의해 응축되어 액체 상태로 상 변화되어 회수된다. 상 변화된 수분과 정유는 각각 친수성 및 소수성으로서 밀도차에 의해 두 층으로 분리 되며, 위층과 아래층은 각각 리모넨을 함유한 정유 층과 플로럴 워터 이다. 벤튜리 진공건조에 의해 추출된 정유의 양은 4.21 mL/kg 감귤 박이었으며, 추출된 정유의 79.9%는 리모넨이었다.
3.2. 건조 감귤박의 에탄올 발효
당화와 발효의 동시 효과를 알아보기 위하여 Run-1과 Run-2를 각 각 이용하여 에탄올 발효를 하고 두 방법을 비교하였다.
Run-1은 250 mL 세럼병에 증류수 100 mL를 채우고 감귤박 일정량 을 넣은 다음, 당화제를 2 mL을 넣고 50 °C, 100 rpm으로 운전되는 쉐이킹 인큐베이터에서 48시간 동안 당화한 후에 Saccharomyces cerevisiae 5 g을 넣고 실링 한 다음, 40 °C, 100 rpm으로 운전되는 쉐이 킹 인큐베이터에서 48시간 동안 발효하였다.
Run-2는 250 mL 세럼병에 증류수 100 mL를 채우고 감귤박 일정량 을 넣은 다음, 당화제를 2 mL와 Saccharomyces cerevisiae 5 g을 각각 넣고 실링을 한 후, 40 °C, 100 rpm으로 운전되는 쉐이킹 인큐베이터 에서 에탄올 발효를 48시간 실시하였다.
Figure 4는 발효 방법과 당화제의 종류에 따른 발효 에탄올의 농도 변화를 나타낸 그림이다. 감귤박의 당화에 사용한 당화제는 Celluclast, Viscozyme, Pectinex 및 Saczyme로 모두 4 종류를 사용하였다. 에탄올 발효에 사용한 감귤박은 벤튜리 진공건조에 의해 건조한 감귤박을 분 쇄기로 분쇄하여 감귤박의 크기가 12 mm의 것을 사용하였다.
Run-1에서는 Pectinex를 사용하였을 때, 에탄올 농도가 가장 높게 나타났으며, Run-2에서는 Celluclast를 사용하였을 때, 에탄올 농도가 가장 높게 나타났다. 또한 당화제의 종류와 관계없이 모든 조건에서 알코올 농도는 Run-2가 Run-1에 비해 높게 나타나, 당화제의 종류와 관계없이 당화와 발효를 동시에 하는 것이 당화와 발효를 순차적으로 하는 방법에 비해 더 효과적임을 알 수 있었다. 당화제로 Celluclast를 사용하였을 때, Run-1과 Run-2 방법으로 발효한 에탄올 농도는 각각 1.7%와 2.5%이었다.
일정량(5 g)의 진공 건조된 감귤박에 당화제와 알코올 발효용 효모 를 동시에 넣고 발효 온도를 각각 30 °C, 40 °C 및 50 °C로 하고 교반 속도를 100 rpm로 설정한 쉐이킹 인큐베이터에서 48시간 발효하였을 때, 온도 변화에 따른 알코올의 농도 변화를 Figure 5에 나타내었다. 당화제의 종류와 관계없이 에탄올의 농도는 40 °C > 30 °C > 50 °C 순으로 높게 나타났으며, Celluclast를 당화제로 사용하고 발효온도가 40 °C일 때, 에탄올 농도는 2.5%였다.
에탄올의 농도가 40 °C일 때 최대가 되는 이유는 당화공정은 온도 가 증가할수록 반응 속도뿐만 아니라 당화 수율이 증가하는 반면에 온도가 증가할수록 효모의 활성이 감소하기 때문인 것으로 판단된다 [14].
건조 방법이 서로 다른 감귤박을 사용하여 에탄올 발효를 실시하고, 건조방법에 따른 효과를 서로 비교하였다. 벤튜리 진공건조, 자연건조 및 열풍건조 방법에 의해 각각 15시간 동안 건조된 감귤박 5 g에 증류 수 100 mL, Celluclast 2 mL, 효모 5 g을 넣고 마개로 밀봉한 다음, 쉐이킹 인큐베이터에서 48 시간 동안 발효한 후 에탄올의 농도를 측 정하고 그 결과를 Figure 6에 나타내었다. 이때 쉐이킹 인큐베이터의 발효 조건은 40 °C, 100 rpm으로 하였다. 벤튜리 진공건조, 열풍건조 및 자연건조에 의한 감귤박의 에탄올 농도는 각각 2.4%, 1.4% 및 1.3%로 나타나 진공건조에 의해 건조한 감귤박이 가장 높게 나타났 다. 이러한 결과는 Figure 3에 나타낸 바와 같이 에탄올 발효 저해를 일으키는 리모넨이 벤튜리 진공건조에 의해 3.2%까지 감소하였기 때 문으로 판단된다.
당화제 혼합 사용의 효과를 살펴보았다. 이때 사용한 당화제는 모두 4 종류로서 Celluclast (C), Viscozyme (V), Pectinex (P) 및 Saczyme (S) 를 사용하였다.
두 종류의 당화제를 각각 1 mL씩 혼합(총 당화제 첨가량은 2 mL) 하여 에탄올 발효를 실시하고 그 결과를 Figure 7에 나타내었다. 이때 의 발효 조건은 동시발효(Run-2)로서 발효조건은 감귤박 5 g, 증류수 100 mL, 당화제 2 mL, 효모 5 g, 발효 온도 40 °C, 교반 100 rpm, 발효시간 48 시간으로 하였다.
Figure 5에 나타낸 바와 같이 Celluclast를 단독으로 사용하였을 때 에탄올 농도가 가장 높게 나왔고 Saczyme를 단독으로 사용하였을 때 에탄올 농도가 가장 낮게 나타났으나 Celluclast 또는 Saczyme를 다른 당화제와 혼합하여 사용한 경우에 혼합 당 화제 간의 에탄올 농도 차 이는 거의 없었다. 혼합 당화제를 사용하였을 때, 에탄올 농도는 각각 C+V 2.5%, C+P 2.6%, C+S 2.6%, V+P 2.5%, V+S 2.4% 및 P+S 2.6% 이었다.
세 종류의 당화제를 혼합 사용하여 Run-2의 발효조건에서 에탄올 발효를 실시하고 그 결과를 Figure 8에 나타내었다. 이때 총 당화제 양은 각각 2 mL로 하고 각 당화제의 양은 같게 하였다. 혼합 당화제 변화에 따른 에탄올 농도의 차이는 거의 없었다. 또한 세 종류의 당화 제를 혼합 사용하였을 때의 발효 에탄올 농도는 두 종류의 혼합 당화 제와 단일 당화제를 사용하였을 때의 에탄올 농도와 거의 차이가 없 었다. 혼합 당화제별 발효 알코올의 농도는 C+V+P 2.6%, C+V+S 2.5%, C+P+S 2.6% 및 V+P+S 2.4%였다.
Figure 9에 벤튜리 진공건조 된 감귤박의 질량 변화에 따른 에탄올 의 농도 변화를 나타내었다. 이때 발효 조건은 Run-2으로 하였으며, 당화제로는 Celluclast를 사용하였다. 본 실험조건에서 에탄올 농도는 감귤박의 양이 증가할수록 거의 직선적으로 증가하였다. 감귤박이 2.5, 5.0, 10 및 20 g일 때의 에탄올 농도는 각각 1.8%, 2.5%, 3.6% 및 7.2%이었다.
4. 결 론
본 연구에서는 벤튜리를 이용한 진공건조 공정에 의하여 감귤박으 로부터 리모넨을 분리하고 건조된 감귤박을 이용하여 바이오 에탄올 을 생산하기 위한 연구로서 감귤박으로부터 리모넨의 분리와 바이오 에탄올 생산에 대한 기초자료를 제시하였다.
벤튜리 진공건조, 열풍건조 및 자연건조에 의해 15시간 동안 건조 된 감귤박의 수분함량은 각각 17.0%, 85.3% 및 88.6%이었고, 리모넨 함량은 각각 3.2%, 22.4% 및 41.6%이었다. 따라서 벤튜리 진공건조가 열풍건조 및 자연건조에 비해 수분뿐만 아니라 리모넨의 제거에 매우 효과적임을 알 수 있었다.
벤튜리 진공건조에 의해 리모넨을 함유한 정유와 플로럴 워터를 각 각 얻을 수 있었으며, 벤튜리 진공건조에 의해 분리된 정유의 양은 4.21 mL/kg 감귤박이었고, 추출된 정유의 79.9%는 리모넨이었다.
벤튜리 진공건조, 열풍건조 및 자연건조에 의한 감귤박의 에탄올 농도는 각각 2.4%, 1.4% 및 1.3%로 나타나 진공건조에 의해 건조한 감귤박이 가장 적절하였다. 이러한 결과는 에탄올 발효 저해를 일으 키는 리모넨이 벤튜리 진공건조에 의해 3.2%까지 감소하여 리모넨의 저해 반응이 감소되었기 때문으로 판단된다.
당화제의 종류와 관계없이 당화와 발효를 동시에 하는 것이 당화와 발효를 순차적으로 하는 방법에 비해 에탄올 생산에 더 효과적임을 알 수 있었다. 또한 한 종류의 당화제를 사용한 경우와 두 종류 이상 의 당화제를 혼합한 혼합 당화제를 사용한 경우 간의 발효 에탄올 농 도의 차이는 없었다.
