지구온난화에 따른 기후 변화 문제가 대두되면서 전 세계적으로 온실가스 감축을 위해 노력하고 있다. 이에 따라, 원유 대신 바이오매스를 원료로 하여 다양한 화학제품 및 바이오연료를 생산하는 바이오리파이너리(biorefinery)가 주목받고 있다. 바이오리파이너리 플랫폼(platform) 기술 개발을 통해 기능성 물질, 바이오가스, 바이오폴리머와 같은 바이오제품 생산이 가능하다. 농업부산물(agriculture residues)인 땅콩 겉껍질은 친환경적이고 경제적이며 저비용 바이오매스 중 하나이다.
본 연구의 목적은 땅콩 겉껍질로부터 다양한 고부가가치물질 생산을 위한 바이오리파이너리 플랫폼 기술을 개발하는 데 있다. 먼저, 땅콩 겉껍질 내 존재하는 생리활성물질인 루테올린(luteolin) 생산을 위해 추출 공정 최적화를 수행하였다. 그 결과, 단시간(1시간)에 최대 루테올린 추출 수율(100%)을 달성하기 위한 조건 유도 방정식을 도출하였다. 해당 방정식은 y = -1.8475 x + 159.57이며, 각각의 변수 범위는 각각 33.8℃ ≤ 온도(x) ≤ 48.5℃, 70.0% ≤ MeOH 농도(y) ≤ 97.5%이다. 땅콩 겉껍질 추출물에 대한 우수한 항산화, 항노화 활성도 확인되었다. 향후 땅콩 겉껍질 추출물은 기능성 소재로서 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 다음으로, 루테올린 추출 후 땅콩 겉껍질 잔여물로부터 자일로스 생산을 위한 공정 최적화가 수행되었다. 우선, 묽은 산 가수분해 과정에서 생성되는 발효 저해인자 아세트산(acetic acid)과 포름산(formic acid)이 자일리톨 생산과 세포 생장에 미치는 영향이 조사되었다. 그 결과, 1.5 g/L 이하의 아세트산이 포함된 배지에서는 발효 저해 효과가 확인되지 않았으며, 2.0 g/L 아세트산이 포함된 배지에서는 자일리톨 생산과 세포 생장에 대해 대조군 대비 약 54.0%의 저해 효과가 확인되었다. 포름산의 경우, 최대 2.0 g/L의 농도에서도 저해 효과가 확인되지 않았다. 해당 결과를 기반으로, 1.5 g/L 이하의 아세트산이 생산되면서 자일로스를 최대로 생산할 수 있는 조건이 도출되었다. 최적 조건은 70.60분의 반응 시간, 2.57 wt%의 황산, 75.00 g/L의 바이오매스 로딩양이다. 이후, 최적 조건에서 회수된 땅콩 겉껍질 가수분해물을 활용하여 자일리톨 발효가 수행되었다. 그 결과, 땅콩 겉껍질 가수분해물 기반 배지(8.0 g/L 자일로스, 1.46 g/L 아세트산, 0.67 g/L 포름산)에서 약 0.47 g/L의 자일리톨이 생산되었으며, 이는 대조군에서 생산된 0.56 g/L 자일리톨 대비 약 17.67% 저해된 수치이다. 이 결과는 땅콩 겉껍질 내 존재하는 다른 페놀계 화합물이나 아세트산과 포름산의 시너지 효과일 것으로 사료된다. 최종적으로, 땅콩 겉껍질 300 kg 에서 약 480g의 루테올린과 약 24 kg의 자일로스를 회수할 수 있으며, 해당 양의 자일로스를 미생물 발효에 활용한다면 약 1.5kg의 자일리톨을 생산할 수 있는 것으로 추정된다.
본 연구에서는 농업부산물을 활용하여 다양한 바이오제품을 생산함으로써 바이오리파이너리 플랫품 기술들을 제안하고 있다. 본 연구는 항산화물질 루테올린을 단시간 내에 추출할 수 있는 공정을 개발하였으며, 자일리톨을 포함한 다양한 고부가가치물질 생산에 활용될 수 있는 자일로스 회수 공정을 개발하였다는 데 의의가 있다.