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문제 정의
- 본 연구에서는 일반적으로 널리 알려진 전분 함량 외에 감자의 일반성분인 수분, 단백질, 조지방, 조섬유, 회분 등의 함량을 분석하고 이러한 일반성분들의 함량이 바이오에탄올 생산에 어떠한 영향을 미치는지에 대하여 조사하였다. 또한 감자의 품종 및 단위 재배 면적당 에탄올 생산량을 비교하고자 하였고, 이러한 연구결과는 바이오 에탄올을 생산하기 위한 감자의 육종 방향과 품종 선정을 제시해 주는데 유용할 것이다.
제안 방법
- 4배 희석한 분해액 20 ml를 Semimicro Kjeldahl 증류장치로 증류하였다. 0.1 N H2SO4에 포집된 총 질소량을 0.1 N NaOH로 적정하여 소비된 ml 수를 공시험액과의 차이로써 측정하였다(AOAC, 1990).
- 생산 시기가 다른 고운, 하령, 대서, 조원, 가원 5 품종의 감자 괴경을 사용하였다. 각 품종은 2010년 4월 10일에 파종하여 동년 6월 30일, 7월 9일, 7월 20일 3차례 수확하였다. 이들은 모두 농촌진흥청 국립식량과학원 고령지농업연구센터로부터 제공받았다.
- 감자 5품종의 전분, 수분, 조단백, 조지방, 조섬유, 회분 등의 일반성분 함량과 에탄올 생산량을 조사하였고, 그 결과를 Table 1에 나타내었다. 전분량은 14.
- 감자로부터 바이오에탄올을 생산함에 있어, 감자 품종, 성분 함량, 감자 수확시기가 에탄올 생산에 미치는 영향을 조사하였다.
- 194 g을 첨가하여 60℃에서 1시간 당화과정 처리 후 Saccharomyces cerevisiae ATCC26603 균주 3 loop의 균체를 접종하여 30℃에서 4일간 배양 후 에탄올 생산량을 증류법에 의하여 측정하였다(AOAC, 1990). 발효 후 생산된 에탄올량(%, v/v)으로부터 기질 1톤당 에탄올 생산량(리터, 99.5% 에탄올)의 에탄올 생산수율(L/ton)을 계산하였다.
- 수분 함량 분석을 위해 각 분쇄한 원료 2 g을 칭량하여 105℃에서 24시간 동안 건조한 후 증발된 수분량을 측정하였다(AOAC, 1990).
- 조섬유 함량 분석은 수회 탈지한 시료 2 g을 삼각플라스크에 옮긴 후 1.25% H2SO4와 1.25% NaOH을 이용하여 분해하고, 남은 시료를 작열 회화한 후 잔류한 무게를 측정하여 조섬유 함량을 측정하였다(AOAC, 1990).
- 조지방 함량 분석을 위해 각 분쇄한 원료 2 g을 에테르로 추출하고 조지방을 포함하고 있는 용기를 건조하여 무게를 측정하였다(AOAC, 1990).
- 냉각 후 28%(w/v) NaOH로 중화시켰다(Hsu, 1996). 중화된 시료를 적당 배율로 희석하고 3, 5-dinitrosalicylic acid(Sigma, USA)을 사용하여 환원당을 측정한 후(Miller, 1959) 전분함량으로 환산하였다.
- 회분 함량 분석은 각 분쇄한 원료 2 g을 회화용기에 넣고 700℃에서 작열 회화한 후 잔류한 회분의 무게를 측정하였다(AOAC, 1990).
대상 데이터
- 생산 시기가 다른 고운, 하령, 대서, 조원, 가원 5 품종의 감자 괴경을 사용하였다. 각 품종은 2010년 4월 10일에 파종하여 동년 6월 30일, 7월 9일, 7월 20일 3차례 수확하였다.
데이터처리
- 원료 작물의 각 성분 분석 및 에탄올 발효 측정은 3 반복하였으며, 각 결과를 종합하여 각 성분과 에탄올 생산량과의 관계를 SAS 프로그램을 통하여 회귀 분석하였다.
이론/모형
- 감자를 분쇄하여 10%(v/v) Termanyl 120 L(Novozyme, Denmark) 액화효소를 200 μl 첨가하여 90℃에서 1시간 처리 후, 다시 95℃에서 1시간 액화하고, Aspergillus sp. 유래의 복합 당화효소(4,500 SP) 0.194 g을 첨가하여 60℃에서 1시간 당화과정 처리 후 Saccharomyces cerevisiae ATCC26603 균주 3 loop의 균체를 접종하여 30℃에서 4일간 배양 후 에탄올 생산량을 증류법에 의하여 측정하였다(AOAC, 1990). 발효 후 생산된 에탄올량(%, v/v)으로부터 기질 1톤당 에탄올 생산량(리터, 99.
성능/효과
- 1. 단순 회귀분석 결과에 의해서 감자의 전분과 수분 함량이 에탄올 생산량에 유의하게 영향을 주는 것으로 나타났는데, 전분 함량이 높을수록 그리고 수분함량이 적을수록 에탄올 생산이 증가하였다.
- 2. 감자 품종별 중량 및 단위면적당 에탄올 생산수율을 조사한 결과, 하령 감자가 94.3±1.9 L/ton과 3111.9±62.7 L/ha으로서 가장 높은 에탄올 생산수율을 나타내었고, 조원이 79.9±0.9 L/ton과 2556.8±28.8 L/ha로 가장 낮았다.
- 3. 가장 많은 에탄올 생산을 나타낸 수확 시기는 품종마다 다르게 나타났는데, 최적 수확시기가 6월 30일인 경우는 고운과 대서이었고, 7월 9일의 경우는 하령과 가원이었다. 조원의 경우는 6월 30일과 7월 9일의 에탄올 생산량이 비슷하였고, 7월 9일이 약간 높게 나타났다.
- 4. 이상의 결과들로부터 에탄올 생산을 위한 감자는 그 품종과 수확시기의 선택이 중요함을 알 수 있다. 전체 적으로 볼 때 가장 많은 에탄올 생산량은 하령 감자를 7월 9일에 수확한 것에서 나타났다.
- 2%로 변화 폭이 큰 편이었다. 5품종 중에서 각 성분별로 함량이 가장 많은 품종은 전분-하령, 수 분-조원, 조단백-가원, 조지방-대서 및 조원, 조섬유-하령, 회분-가원이었고, 에탄올 생산량은 하령이 가장 많았다.
- 가장 높은 하령과 가장 낮은 조원의 단위면적당 에탄올 생산 수율의 차이는 555.1±33.9 L/ha이었다.
- 고구마의 경우는 본 연구의 감자와 마찬가지로 전분이 많을수록, 수분이 적을수록 에탄올 생산량이 많았다(이 등, 2008). 따라서 이상 보고된 모든 작물에서 공히 전분이 많을수록 에탄올 생산량이 많았으나, 수분의 경우는 감자와 고구마에서만 에탄올 생산에 영향을 끼쳤는데, 그 이유는 감자와 고구마가 다른 곡류 작물보다 수분함량이 월등히 많아 전분함량이 크게 좌우되었기 때문으로 사료된다.
- 2에 각각 나타내었다. 먼저 전분 함량의 경우 수확시기에 따라 전분 함량이 차이가 있게 나타났고, 감자 품종에 따라서도 전분 함량이 가장 많은 수확시기가 다르게 나타났다. 즉, 수확시기 6월 30일에 가장 많은 전분량을 나타낸 품종은 고운, 대서, 조원이었고, 7월 9일에 가장 많은 전분량을 나타낸 품종은 하령과 가원이었다.
- 본 연구에서 가원감자의 경우 총 단백질량이 제일 많은 반면(1.9±0.1%) 에탄올 생산량은 상대 적으로 적었다(9.3±0.1%).
- 이들 감자의 일반성분 함량분석을 토대로 SAS 프로그램을 통해 단순 회귀분석을 한 결과, 유의수준 10% 하에서 전분함량과 수분이 에탄올 생산에 영향을 주는 것으로 나타났다(Table 2). 전분의 경우 양의 값으로, 그리고 수분의 경우 음의 값으로 표준화회귀계수가 큼을 알 수 있는데 이는 전분이 많을수록 에탄올 생산량이 증가하고, 수분이 많을수록 에탄올 생산량은 감소한다는 것을 의미한다.
- 이상의 결과들로부터 에탄올 생산을 위한 감자는 그 품종과 수확시기의 선택이 중요함을 알 수 있다. 전체적으로 볼 때 가장 많은 에탄올은 하령 감자를 7월 9일에 수확한 것에서 나타났다.
- 이에 비하여 본 실험에서 사용된 감자들은 습중량당 에탄올 생산량 79.9±0.9 ~ 94.3±1.9 L/ton, 단위면적당 에탄올 생산량 2556.6±28.8 ~ 3111.9±62.7 L/ha으로서 본 연구에서의 감자 에탄올 생산 수율이 유럽지역에서의 감자 에탄올 생산보다 더 많았다.
- 전반적으로 본 실험에 사용된 모든 감자 품종들에서 전분량이 많을수록, 그리고 수분이 적을수록 많은 에탄올 생산량을 나타내었다. 이 등(2008)의 실험 결과에 의하면 여러 작물에서 공히 전분이 많을수록 에탄올 생산이 많았는데 그 외에 쌀보리의 경우 단백질 함량이 낮을수록 그리고 조섬유 함량이 많을수록 에탄올 생산이 많았고, 현미의 경우에는 회분 함량이 높을수록 에탄올 생산이 낮게 나타났으며, 옥수수의 경우는 전분외에 에탄올 생산량에 영향을 끼치는 성분이 없었다.
- 전분량은 14.8±0.4 ~ 18.0±1.7%, 수분함량은 75.8±0.8 ~ 81.2±0.3%, 조단백질 0.95±0.0 ~ 1.9±0.1%의 범위로 품종 간의 변화폭이 비교적 큰 반면에, 조지방 0.0±0.0 ~ 0.1±0.0%, 조섬유 0.4±0.0 ~ 0.6±0.0%, 회분 0.8±0.0~ 1.1±0.0%으로 변화 폭이 비교적 작았다.
- 이상의 결과들로부터 에탄올 생산을 위한 감자는 그 품종과 수확시기의 선택이 중요함을 알 수 있다. 전체 적으로 볼 때 가장 많은 에탄올 생산량은 하령 감자를 7월 9일에 수확한 것에서 나타났다.
- 이상의 결과들로부터 에탄올 생산을 위한 감자는 그 품종과 수확시기의 선택이 중요함을 알 수 있다. 전체적으로 볼 때 가장 많은 에탄올은 하령 감자를 7월 9일에 수확한 것에서 나타났다.
- 중량당 에탄올 생산수율은 습중량을 기준(wet weight base)으로 하였으며, 하령 감자가 94.3±1.9 L/ton으로서 가장 높은 에탄올 생산 수율을 나타내었고, 고운이 그 다음으로 가장 높았으며 그 다음 대서와 가원 그리고 조원이 79.9±0.9 L/ton의 순이었다.
- 먼저 전분 함량의 경우 수확시기에 따라 전분 함량이 차이가 있게 나타났고, 감자 품종에 따라서도 전분 함량이 가장 많은 수확시기가 다르게 나타났다. 즉, 수확시기 6월 30일에 가장 많은 전분량을 나타낸 품종은 고운, 대서, 조원이었고, 7월 9일에 가장 많은 전분량을 나타낸 품종은 하령과 가원이었다. 한편 7월 20일에 가장 많은 전분량을 나타낸 품종은 없었다.
- 전분의 경우 양의 값으로, 그리고 수분의 경우 음의 값으로 표준화회귀계수가 큼을 알 수 있는데 이는 전분이 많을수록 에탄올 생산량이 증가하고, 수분이 많을수록 에탄올 생산량은 감소한다는 것을 의미한다. 표준화회귀계수가 통계적으로 유의한 변수들 중에서 종속변수인 에탄올 생산량에 영향을 미치는 주요한 변수의 순서를 나타낸다고 할 때, 본 자료에서는 수분과 전분의 표준화회귀계수 값(절대값)이 2.40908과 1.62052으로 수분이 전분에 비하여 에탄올 생산량 변화에 있어서 조금 더 큰 영향을 주는 변수임을 알 수 있다.
- 한편 단위면적당 에탄올 생산량을 살펴보면 하령 감자가 3111.9±62.7 L/ha로 가장 높은 단위면적당 에탄올 생산수율을 보였고, 대서와 고운이 그 다음으로 가장 높았으며 그 다음 가원, 그리고 조원이 2556.8±28.8 L/ha로 가장 낮았다.
후속연구
- 낮은 전분과 높은 수분함량의 품종의 감자로부터는 높은 에탄올 생산수율을 얻을 수 없다. 따라서 에탄올 생산용 품종으로 감자를 육종하기 위해서는, 사람이나 동물의 영양섭취를 위해 단백질 양이 증가된 작물을 선택하기보다는, 전 분량을 늘리는 방향으로 육종을 하여야할 것이다. 예를 들면, 옥수수의 경우 높은 수분량(14%)과 낮은 전분량(67%) 으로부터 365 L/ton의 에탄올이 생산되지만, 최근에는 12%수분과 71% 전분으로부터 400 L/ton의 생산이 옥수수로부터 가능하게 되었다(Ingledew, 2005).
- 본 연구에서는 일반적으로 널리 알려진 전분 함량 외에 감자의 일반성분인 수분, 단백질, 조지방, 조섬유, 회분 등의 함량을 분석하고 이러한 일반성분들의 함량이 바이오에탄올 생산에 어떠한 영향을 미치는지에 대하여 조사하였다. 또한 감자의 품종 및 단위 재배 면적당 에탄올 생산량을 비교하고자 하였고, 이러한 연구결과는 바이오 에탄올을 생산하기 위한 감자의 육종 방향과 품종 선정을 제시해 주는데 유용할 것이다.
- 지금까지는 작물의 품종개발이나 생산량 증가 등의 목적이 식량자원으로서의 기능에 초점을 맞추어 연구가 진행되어 왔지만 앞으로의 연구방향은 바이오에너지 원료로서의 작물에 초점을 맞춘 품질이나 생산량 등에 관한 연구가 진행되어야 할 것으로 보인다(김 등, 2007). 한편, 현재까지 바이오에탄올의 공업적 생산 연구는 적은 양의 바이오매스를 이용하여 최대한의 바이오에탄올을 생산하기 위한 발효 균주와 공정 개발 연구에 주로 집중되어 왔다.
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