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SUMMARY

CONTENTS

목차

제1장 연구개발과제의 개요 21

제1절 연구개발의 목적 21

제2절 연구개발의 필요성 21

제3절 연구내용 및 범위 24

가. 왕겨탄화 초액의 소재화 기술개발 24

나. 왕겨 탄화 초액의 기능 특이성 구명 24

다. 왕겨 초액을 이용한 기능성포장재개발 24

라. 왕겨탄화 초액의 생산기술확립 24

제2장 국내외 기술개발 현황 25

제1절 미곡 부산물 활용 기술 25

1. 기술 분야 25

2. 기술 범위 25

3. 국내외 기술개발 동향 및 관련 산업 현황 26

4. 국내외 기술 및 관련 산업비교 30

5. 관련 분야 전망 31

제2절 왕겨의 특성 31

제3절 왕겨 초액, 목초액 현황 35

1. 국내외 왕겨 초액의 활용 35

2. 목초액의 활용 36

제3장 연구 개발 수행 내용 및 결과 42

제1절 왕겨 초액의 정제 및 품질 특성 42

1. 서언 42

2. 재료 및 방법 43

3. 결론 및 요약 58

제2절 왕겨 초액의 기능 특이성 59

1. 천연 항균, 항산화제 현황 59

2. 왕겨 초액의 항산화 활성 61

3. 왕겨 초액의 항균 활성 63

4. 왕겨 초액의 항산화, 면역, 독성 실험결과 68

제3절 왕겨초액의 소재화 기술개발 77

1. 식품첨가물 기준 품질 특성 77

가. 재료 및 방법 77

나. 결과 및 고찰 81

2. 왕겨초액의 살균소독력 82

가. 재료 및 방법 82

나. 결과 및 고찰 82

3. 식용유의 항산화 효과 85

가. 재료 및 방법 85

나. 결과 및 고찰 86

4. 갈변 억제 효과 87

가. 재료 및 방법 87

나. 결과 및 고찰 87

5. 김치의 품질 특성 91

가. 재료 및 방법 91

나. 결과 및 고찰 92

6. 음료의 품질 특성 99

가. 재료 및 방법 99

나. 결과 및 고찰 101

7. 백미 유통 중의 품질 변화 103

가. 재료 및 방법 103

나. 결과 및 고찰 104

8. 상추의 표면 미생물 세정효과 107

가. 재료 및 방법 107

나. 결과 및 고찰 107

9. 딸기 유통중의 품질변화 108

가. 재료 및 방법 108

나. 결과 및 고찰 109

10. 포도 유통 중의 품질변화 114

가. 재료 및 방법 114

나. 결과 및 고찰 115

다. 결론 118

11. 종합 결론 118

제4절 왕겨초액을 이용한 기능성 포장지 개발 120

1. 초액의 적정 첨가량 120

2. 초액 첨가에 따른 원지의 물성 변화 122

3. 기능성 봉지 제조 123

4. 왕겨초액의 제지용 슬라임 콘트롤제 적용성 126

가. 재료 및 방법 126

나. 결과 및 고찰 127

5. 왕겨초액으로 제조한 과일봉지에 저장한 감귤의 저장성 127

가. 재료 및 방법 128

나. 결과 및 고찰 129

다. 결론 131

6. 왕겨초액을 이용한 기능성 포장재 제조 및 특성 131

가. 재료 및 방법 131

나. 실험방법 132

다. 결과 및 고찰 134

라. 결론 137

7. 왕겨초액 도공 골판지상자의 선도 실험 138

가. 재료 및 방법 138

나. 측정항목 138

다. 실험결과 139

라. 결론 142

8. 기능성 포장재에 저장한 포도의 품질특성 142

가. 실험방법 142

나. 측정항목 142

다. 실험결과 144

라. 결론 147

9. 천연 펄프몰드(MFP)에 저장한 계란의 품질 특성 148

가. 재료 및 실험방법 148

나. 결과 및 고찰 150

10. 결론 및 요약 186

제5절 왕겨초액의 항당뇨 독성 실험 187

1. 왕겨초액을 단회 경구 투여한 랫드의 독성시험 187

가. 시험물질 및 대조물질 187

나. 재료 및 방법 187

다. 실험 결과 189

2. 왕겨초액을 급여한 랫드의 장기독성 및 유전독성시험 196

가. 실험동물 196

나. 검역 및 순화 196

다. 처리구 분리 196

라. 사육환경 196

마. 시험 결과 198

3. 왕겨초액을 급여한 db/db mouse의 혈당강하 효과 203

가. 재료 및 방법 203

나. 실험 결과 205

4. 왕겨초액을 투여한 흰쥐의 알콜 해독에 대한 효능평가 213

가. 처리구 분리 213

나. 사육환경 213

다. 사료 및 물의 급여방법 214

라. 알콜 및 왕겨초액 투여 214

마. 혈액 채취 215

바. 분석항목 216

사. 실험 결과 216

5. 결론 및 요약 221

제6절 왕겨 탄화시설 및 정제시설 222

1. 탄화 설비 222

2. 왕겨초액 정제시설 227

3. 왕겨초액 경제성 229

가. 초기 설비투자 229

나. 제조원가 230

4. 왕겨초액 판매가격 추정 236

5. 결론 및 요약 237

(부록) 왕겨탄화기 운전메뉴얼 238

제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 253

제5장 연구개발 성과 및 성과활용 계획 254

제6장 연구개발 과정에서의 수집한 해외과학 기술정보 255

제7장 참고문헌 258

I. 제목

왕겨 탄화 초액의 고부가가치 활용 기술개발

II. 연구개발의 목적 및 필요성

1. 연구개발의 목적

본 연구의 목적은 미곡 부산물 왕겨 탄화공정에서 생성되는 왕겨 초액을 이용하여 식품산업의 고부가가치 소재로 활용될 수 있도록 유효효능 구명과 활용방법의 개발이다. 이를 통하여 환경 유해물질로 인식되던 왕겨의 활용성을 높일 수 있는 기반이 구축되고 환경 친화적 유기 농법에 이용되고 있는 왕겨의 제한적 활용성을 고부가가치 식품 소재화로 활용도를 높여 쌀산업의 중심인 RPC의 운영 활성화 및 관련 식품소재 산업의 발전에 기여함에 있다.

2. 연구개발의 필요성

국내 쌀 생산에서 얻어지는 주요 부산물은 볏짚, 왕겨, 미강, 미숙립 및 싸라기 등이 있으며, 싸라기, 미숙립, 볏짚 및 미강은 식용이나 가축의 사료로 활용되고 있지만, 왕겨의 경우 퇴비, 가축깔개 및 과수농과 잡초방지 등에 제한적으로 이용되고 있다. 국내 왕겨 생산량은 '07년 벼 총생산량인 5,961천톤을 기준할 때, 약 20% 정도인 연간 약 120만톤의 왕겨가 생산이 되고 있다.

왕겨는 퇴비, 농자재 등으로 활용이 제한되고 있어 Kg당 약 10원 정도로 업체에게 판매되고 있는 반면, 일부지역에서의 경우에는 왕겨 운반비 및 인건비를 지불하는 조건으로 왕겨를 처리하고 있는 등 왕겨처리 방법에 많은 어려움을 겪고 있는 실정이다.

최근에 땅 살리기 운동과 함께 토양개선 및 원예, 화훼작물의 재배에서 상토용으로 왕겨탄화 기술이 보급되기 시작하였다. 탄화왕겨는 토양의 물 흡수보관능력이 우수하고, 통기성이 높아 친환경농업이 각광받고 있는 실정에서 탄화시설의 보급은 확대될 것이다. 왕겨 탄화시설은 차별화된 안전한 고품질쌀 생산 정책에 힘입어 통합 RPC 및 임도정공장에서 설치를 계획하고 있다.

이때 발생되는 왕겨초액의 용도가 아직 명확하게 구명되어 있지 않다. 왕겨 중량의 약 16~20% 정도의 왕겨초액이 생산되므로 국내에서는 약 20(만톤/년) 정도 왕겨초액을 얻을 수 있어 상품화가 가능한 물량이다.

왕겨 탄화시설은 매우 고가(약 8억원) 시설로 왕겨초액을 고기능 고부가가치 소재화 기술을 개발할 경우, 왕겨 kg당 약 200g의 왕겨초액으로 왕겨의 부가가치를 5~10배 이상 향상시킬 수 있을 것이다.

특히, 건강 지향적인 소비자의 욕구를 충족시키기 위한 안전 고품질 농식품 생산에 유용한 식품 소재로 개발이 가능하다. 왕겨초액은 다양한 기능성 식품소재로 개발하면 우리 쌀산업의 중심인 RPC의 경영개선 및 쌀의 품질 및 가격 경쟁력 향상 크게 기여할 것이다.

다양한 목재를 탄화시키는 과정에서 얻어지는 목초액은 그 성분이 원료목재에 따라 다르게 나타나는 등 품질이 균일하지 못한 성분조성임에도 이용방법에 대한 연구개발이 국내외서 이루어져 왔다. 반면 왕겨 초액은 균일한 성분조성과 목재가 갖는 오일성분이 없는 초액을 얻을 수 있다.

목초액은 항균성, 황산화성 항당뇨 및 항암성 등 다양한 기능을 갖는 것으로 보고되고 있으며 건강음료, 식품첨가제(햄, 소시지 등) 및 일부 식용이 가능한 것으로 홍보되고 있다. 반면, 왕겨초액은 성분조성, 식품첨가물, 기능성 및 활용에 관한 체계적인 연구가 전무한 실정이다.

왕겨초액 응축물을 일정기간 방치하면 페놀류등 분자량이 가벼운 상층 경질유 부분과 타르 물질등 분자량이 비교적 큰 하층부 그리고 초산, 페놀 및 무기물 등 유용한 물질이 풍부한 중간 수용액 층으로 분리된다. 왕겨초액은 왕겨의 탄화온도 탄화방법에 따라 생산량과 품질에 많은 차이가 있는 것으로 예측되고 있다. 따라서 식품 소재화 용도에 따라 적정 탄화 방법과 탄화조건을 확립하여 용도에 부합되는 소재 생산을 위해 운영 및 정제분리 기술개발이 필수적이다.

일본의 경우 토양살균, 축산 분뇨화, 탈취, 작물 해충 퇴치, 퇴비발효 촉진, 식물생장 및 뿌리생육 촉진 효과 등 환경 정화분야에 활용하고 있으며 일부 식품첨가제로 시판되고 있는 등 초기연구 단계로 국내의 기술개발이 시급하게 요구되고 있는 실정이다.

왕겨초액을 이용하여 절임식품 제조 공정에서 이상 발효에 의한 불쾌취 발생을 방지할 수 있고, 조직의 연부현상을 억제할 수 있는 등 전통식품에서 활용이 가능할뿐더러 강한 살균력을 이용한 과채류 세척수로 개발이 가능하고 왕겨초액에 함유되어 있는 항산력을 이용한 가공제품 또는 식용유지의 저장성을 향상시킬 수 있는 보존제로의 개발이 가능할 것이다.

따라서 왕겨초액의 항산화력, 항균력, 항당뇨성 등의 효과를 구명하고, 이 기능을 이용한 농식품의 절임, 세척, 보존제 및 향균 기능성 포장재 등 소재화 관련 연구가 필요하다.

개발된 실용화 기술은 실용화하여 대량생산 체계 기반구축 통해 차별화된 농식품 유통기술 보급에 이바지하고 쌀산업 중심지인 RPC의 경영개선과 품질차별화에 기여할 것이다.

III. 연구개발 내용 및 범위

가. 왕겨탄화 초액의 소재화기술개발

○ 왕겨활용 기술 조사 분석

○ 정제 분리기술 개발

○ 소재화 제품의 효과 구명

ㆍ김치의 절임 및 발효 특성

ㆍ기능성 음료 제조 기술

ㆍ옆채류의 세정 효과

ㆍ식용유 항산화 효과

ㆍ갈변 억제 효과

ㆍ과일 선도 유지효과

나. 왕겨 탄화 초액의 기능 특이성 구명

○ 항산화활성구명

○ 항균 활성 구명

○ 세포독성활성구명

○ 면역활성 구명

○ 항당뇨 효능 구명

○ 장기독성 및 유전독성

○ 알콜 분해성 구명

○ 살균 소독력 구명

다. 왕겨 초액을 이용한 기능성포장재개발

○ 항균 포장봉지 개발

○ 항균 골판지상자개발

○ 왕겨 초액을 이용한 천연항균용기 개발

라. 왕겨탄화 초액의 생산기술확립

○ 왕겨초액 생산 및 품질특성구명

○ 왕겨 초액의 대량생산 및 운영시스템 확립

IV. 연구개발결과

본 연구는 왕겨초액의 고부가가치 활용을 위한 관련 기술개발과제로 주요 연구결과를 살펴보면 왕겨초액에 함유된 유해물질의 효율적인 제거를 위한 정제방법의 개발과 항산화, 항균, 살균 및 항당뇨 등의 기능적 특이성 효능을 확인하였다. 이러한 결과를 이용 식품소재로 적용성을 구명하였다. 식품 발효에 미치는 영향, 건강음료 개발 가능성, 옆채류의 세척수 활용, 지방 항산화제 적용성 및 갈변 억제 효과 등을 분석하였다. 이와 함께 포장재에 왕겨초액 첨가방법을 개발하였으며 과채류 선도 유지효과를 구명하였다. 그리고 왕겨초액이 인체에 미치는 영향을 확인하기 위하여 동물 독성실험을 통한 안전성 실험을 수행하였다. 본 연구 결과는 다음과 같다.

1. 왕겨초액 생산을 위한 적정 탄화 및 응축수 온도는 350~360℃, 20~35℃ 범위로 이때 산량은 5.82%로 목초액과 죽초액의 3.1%, 3.19%, 일본 목초액의 경우 3.21%에 비하여 높은 함량을 보였다.

2. 가용성 무기물의 함량은 왕겨초액의 경우 4.2%Brix로 가장 높은 값을 보였다. 국내 목초액은 참나무가 2.6%Brix, 죽초액이 3.0%Brix를 보였다.

3. 왕겨초액의 유기물질 성분중 phenol과 cyclopentanone 등이 주요 성분이었다. phenol은 항산화 효과 및 미생물 생육억제 효과의 주요 원인 물질이다. 산성성분은 acetic acid와 propionic acid가 주성분이며 butyric acid 비율도 높은 것으로 나타났다.

4. 정제방법은 감압증류와 유기산을 산화 처리한 처리구들의 정제 효과가 비교적 우수한 것으로 나타났으며 정제한 초액에는 잔류 농약은 불검출되었다.

5. 초액의 무기물중 유해물질인 Pb, Cd, As, Hg는 검출되지 않았다. 이외의 Dimethylamine, o-Cresol, Methyl ethyl ketone 등은 검출되지 않았다.

6. 항균력 측정 결과 병원성 균주 및 Escherichia coli 모두에 대해서 일정 농도 이상에서는 항균활성이 있는 것으로 나타났다. 왕겨초액은 효모와 세균에 대한 항균 활성을 나타내는 것으로 확인되었으며, 효모 보다는 세균에 대한 항균력이 높은 것으로 조사되었다.

7. 항산화 활성 측정 결과 높은 항산화 효과를 보였으며 암세포 생장 억제율을 MTT assay 분석 결과 낮은 농도에서도 높은 억제정도를 가지는 것으로 나타났다. QR의 활성이 높아지는 것이 확인되어 암예방에 효과가 있을 것으로 사료된다.

8. 식품 첨가물 기준 정제 왕겨 초액의 품질은 기준에 적합한 범위에 속하였으며 페놀(2,6-디메톡시페놀로서)과 카르보닐(Carbonyls) 함량 기준은 적합하였으며 벤조피렌, 카드늄과 비소 등은 LOQ 이하로 검출이 되지 않았다.

9. 살균소독력 시험법에 따라 시험한 결과 청정조건, 오염조건에서 살균효과가 있는 것으로 나타났으며 주요 유효성분은 Phenol (1,1-dimethylpropyl), Acetic acid 및 Propanoic acid로 확인이 되었다.

10. 항산화성 효과를 분석한 결과 대조구에 비하여 2~3배 산화지연 효과가 있는 결과를 보였다. 이와함께 갈변 억제 효과가 있음을 확인 할 수 있었다

11. 발효식품 김치의 경우 첨가구에서 pH 변화가 늦고 미생물수가 낮게 나타났다. 발효 말기 조직감에서 왕겨초액을 첨가한 처리구가 대조군에 비해 아삭함이 높게 평가되었다. 따라서 왕겨초액을 첨가할 경우 김치의 발효 속도 및 항균성과 조직감에 영향을 미치는 것으로 판단되었다.

12. 한약재를 첨가한 음료의 기호성은 비교적 높게 나타났으며 백미 유통 중 품질에 미치는 영향을 분석한 결과 왕겨초액을 처리한 실험구가 대조구에 비하여 지방산가 증가속도가 늦은 결과를 보였다.

13. 상추를 이용하여 세정 후 미생물 제거는 초기 총균수의 1/200 수준, 대장균수는 1/500 수준으로 감소폭이 비교적 크게 나타났다.

14. 딸기 표면에 초액을 처리한 구의 경우 부패율이 47% 정도 감소하는 효과가 있음을 확인하였다. 포도의 경우에는 갈변이 억제되는 결과를 보였다.

15. 기능성 포장재 제조시 종이의 물성과 내구성 그리고 선도유지 효능을 종합할 때 원지에 라텍스 배리어 코팅 후 왕겨초액을 도공하는 방식이 효능을 극대화시키는 방법으로 판단된다.

16. 골판지상자에 딸기의 선도유지 효능을 분석하였던 결과 50% 정도 감소되는 효과를 얻을 수 있었다. 과실봉지에 감귤을 저장한 경우 저장중 중량감소는 30%, 부패율 30% 이상 낮은 결과를 보여주었다.

17. 왕겨초액 이용해 천연 항균 펄프몰드(MFP ; Molded Fiber Pack)를 제조하여 계란의 유통 중 품질유지 효과를 분석한 결과 감량 방지 효과와 총균수가 안정적으로 변화하는 결과를 보였다. 그리고 관능분석 결과 냄새와 종합적 기호도에서도 대조구에 비해 전반적으로 높은 평가를 보였다.

18. 왕겨초액의 독성시험결과 단회 투여구의 경우 이상이 없는 결과를 보였으며, 장기독성 실험결과 투여량이 3ml/kg 이상 높은 투여구에서는 독성에 의한 폐사동물이 일부 발생하였다. 그러나 2ml/kg 이하의 투여구에는 별다른 이상소견이 관찰되지 않았다.

19. 유전독성 실험결과 분만 후 어미와 새끼 모두 이상 소견 없이 모두 건강한 상태였으며 왕겨초액을 투여한 처리구의 분만 마리수가 대조구에 비하여 33% 이상 높은 결과를 보였다.

20. 혈당 저하 실험을 수행한 결과 왕겨초액을 급여한 모든 처리구는 처음에 비하여 낮아지는 결과를 보였다. 대조구 경우에는 초기에 비하여 혈당이 지속적으로 높아지는 결과를 보였다.

21. 알콜 해독 효능 평가 결과 왕겨초액 급여구의 혈중 농도가 낮아지는 결과를 보여 알콜 분해 능력이 있는 것으로 확인이 되었다.

22. RPC의 백미 가공공정을 기준으로 하여 탄화기의 처리능력은 2.5톤과 4.5톤으로 하였다. 탄화 방식은 자체열원으로 탄화를 하는 직접 탄화방식으로 하였다.

23. 정제시스템은 감압증류장치에서 본 증류 후 산화 및 흡착공정 과정을 통하여 정제된다. 진공도 조절이 가능한 시설이며 초기, 중기 및 말기 증류액의 분리 회수가 가능한 구조로 구성이 되어있다. 생산능력은 시간당 100~150kg이다. 재료비와 시설투자비를 고려한 왕겨초액의 경제성 분석 결과 가격 경쟁력을 확보한 것으로 판단되었다.

24. 지금까지 본 연구에서 개발된 기술에 관하여서는 특허를 출원하였으며 국내의 전문학술지에 발표를 하였다. 본 기술은 참여업체에 기술이전을 추진중에 있으며 개발된 기술은 활용이 되도록 정책건의와 교육을 통해 벼. 생산 중심체인 RPC 등에서 활용토록 한다.

V. 연구성과 및 성과활용 계획

본 연구결과에서 도출된 왕겨초액의 정제기술과 항균, 항산화, 면역활성 등 기능성 결과와 부가가치를 향상 할 수 있는 식품소재화 활용기술 및 기능성 포장재개발 그리고 탄화시설의 개발 연구결과는 환경 유해물질로 인식되던 왕겨의 활용성을 높일 수 있는 기반이 구축되고 환경친화적 유기농법에 이용되고 있는 왕겨의 제한적 활용성을 고부가가치 식품 소재화로 활용도를 높혀 쌀산업의 중심인 RPC의 운영 활성화 및 관련 식품소재 산업의 발전에 기여 할 수 있을 것으로 판단된다. 이에 따라 개발된 기술은 활용이 되도록 정책건의와 교육을 통해 벼. 생산 중심체인 RPC 등에서 활용토록 한다.

주요 연구결과는 논문발표를 추진하고 본 연구결과 새로운 기술적 측면은 산업재산권을 출원하고 향후 관련 업체에 기술이전을 통한 산업화를 추진할 계획이다. 이와 함께 국내 RPC의 효율적 운영을 위한 통폐합 및 처리능력 증대를 위한 개보수에 발맞추어 RPC 설계 전문엔지니어링사에 자료를 제공하여 RPC 공정에 반영토록 하여 시설 기능의 효율적 설치에 활용하도록 한다.