KR100695671B1 - 해양 심층수를 이용한 탄산수소칼슘수의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해양 심층수를 이용한 탄산수소칼슘수 및 그 제조방법에 관한 것으로, 해양 심층수 원수, 이를 탈염한 농축수, 해양 심층수를 전기투석하여 칼슘 이온이 농축된 물 또는 이들을 혼합한 물에 이산화탄소를 주입함으로써 탄산수소칼슘이 포함된 탄산수를 제조하는 방법 및 이에 의해 생성된 탄산수소칼슘수에 관한 것이다.

해양 심층수, 탄산수, 탄산수소칼슘

Description

해양 심층수를 이용한 탄산수소칼슘수의 제조방법{Process for preparation of calcium hydrogen carbonate water using deep sea water}

본 발명은 해양 심층수 원수 (原水), 이를 탈염한 농축수, 해양 심층수를 전기투석하여 칼슘 이온이 농축된 물 또는 이들을 혼합한 물에 이산화탄소를 주입함으로써 탄산수소칼슘 [Ca(HCO₃)₂]이 포함된 탄산수를 제조하는 방법 및 이에 의해 생성된 탄산수소칼슘수 (calcium hydrogen carbonate water)에 관한 것이다.

해양 심층수는 햇빛이 도달하지 않는 수심 200m 이하에서 채수한 해수를 의미하는데 청정할 뿐 아니라 부영양성이 풍부하고, 저온에서 매우 오랫동안 숙성된 물이다.

심층수는 그린란드, 남극, 블라디보스톡의 해수가 빙하를 만나 급격하게 차가워지고, 해수가 얼면서 빠져 나오는 염분과 섞이면서 차갑고 무거워진 해수가 더 깊은 심해로 가라앉게 된다. 이렇게 무거운 물줄기는 수심 200m에서 최고 4000m 까지 깊은 바다 속으로 내려가 두꺼운 띠를 형성하는데, 이것이 바로 해양 심층수이다. 심해를 흐르는 심층수는 표층수와 20℃ 이상의 온도 차이가 나기 때문에 물 과 기름처럼 서로 섞이지 않는다.

심층수에는 햇빛이 닿지 않으므로 광합성이 일어나지 않아 무기 영양염을 많이 포함하며 오랜 세월을 거쳐 숙성된 해수로서 필수 미량 원소와 다양한 미네랄이 균형 있게 포함되어 있다.

따라서, 심층수가 청정하다는 것은 인공 물질로 오염되지 않았다는 것뿐만 아니라 분해해야 할 유기물이 적기 때문에 세균 번식이 아주 적다는 것을 의미한다.

또한, 숙성성의 의미는 표층수보다 "매우 세밀"하고, "부드럽다"는 의미로서, 저온과 높은 압력 때문에 밀도가 높아져 있고, 미세한 입자상의 미네랄이 오랜 시간에 걸쳐 해수에 녹아있음을 나타낸다.

미네랄이 풍부하다는 것은 해양 표층수에 들어 있는 미네랄 중 특정한 성분들은 생물이 소비하여 줄어들었지만 심층수는 항상 일정하게 유지하고 있다는 의미이다. 해양 심층수를 음료나 식품, 화장품, 기능성 음료 등에 이용하였을 때 나타나는 효과의 일부는 바로 이 미네랄 특성과 관계가 있다.

한편, 탄산수 즉, 소다수는 정제·살균한 물에 이산화탄소를 혼합하여 충전하여 밀봉시켜 보관하는 청량 음료로서, 보통 2차 가공을 하여 설탕, 향료, 산 및 색소 등을 첨가하여 레모네이드, 사이다 또는 시트론 등을 제조한다. 탄산수는 수분과 이산화탄소만으로 이루어졌으므로 영양가는 없으나 이산화탄소의 자극이 청량감을 주고, 동시에 위장을 자극하여 식욕을 돋우는 효과가 있다.

그러나, 현대인이 즐겨 마시는 탄산수는 치아 및 뼈를 부식시키며, 충치를 유발한다는 연구 결과가 발표된 바 있어, 이러한 단점을 보완한 탄산수를 개발할 필요성이 대두되고 있다.

본 발명의 목적은 해양 심층수를 이용한 탄산수소칼슘수 및 이를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 해양 심층수에 이산화탄소를 주입하면서 가열하는 단계를 포함하는 탄산수소칼슘수의 제조방법을 제공한다.

상기 가열은 175℃를 초과하지 않도록 하며, 20~100℃ 범위에서 수행하는 것이 바람직하다.

상기 이산화탄소를 주입하는 해양 심층수는 원수, 원수를 탈염한 농축수, 해양 심층수를 전기투석하여 칼슘 이온이 농축된 물 및 이들을 혼합한 물 중 어느 것을 사용하여도 무관하다.

원료로 사용되는 물은 상기 해양 심층수 원수 또는 원수를 탈염한 농축수를 전기투석을 통해 칼슘 및 마그네슘 이온의 농도를 증가시킨 후 이산화탄소를 주입하는 것이 바람직하다.

본 발명의 이산화탄소 주입 및 가열 공정은 진공 상태에서 수행되는 것이 바람직하다.

상기와 같이 이산화탄소를 주입하면서 가열한 후 제조된 물을 1~5℃, 바람직 하게는 1~2℃ 온도로 급랭하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 또한, 상기 방법에 의하여 제조된 탄산수소칼슘수 및 이 탄산수소칼슘수를 포함하는 음료수를 제공한다.

해수 내에서 칼슘은 대부분 CaCO₃ 수화물 형태로 존재하며, 마그네슘은 MgCl₂ 또는 MgSO₄ 형태로 존재한다. 따라서 해양 심층수에 이산화탄소를 주입하면서 가열하면 CaCO₃는 물과 반응하여 탄산수소칼슘을 만들 수 있다. 한편, 해양 심층수 원수 또는 탈염 농축수를 전기투석을 통하여 칼슘 및 마그네슘 이온의 농도를 증가시킨 후에도 밀폐된 용기 내에서 이산화탄소를 주입하여서 서서히 가열하면 CaCO₃가 형성되고 계속하여 이산화탄소를 주입하면서 가열하면 물과 반응하여 탄산수소칼슘이 형성되고 다량의 탄산수소칼슘이 형성되었을 때 급랭하여 탄산수소칼슘수를 제조할 수 있다.

해양 심층수를 이용하여 탄산수소칼슘을 얻을 수 있는 것은 전술한 바와 같이 심층수 중의 Ca가 탄산칼슘 (CaCO₃) 형태로 존재하기 때문이며, 특히 175℃ 미만의 온도에서는 CaCO₃가 수화물의 형태로 존재하기 때문이다. 즉, 탄산수소칼슘이 얻어지는 원리를 반응식으로 나타내면 하기와 같다.

[반응식 1]

CaCO₃·nH₂O + H₂O + CO₂ → Ca(HCO₃)₂ + nH₂O

한편, 해양 심층수가 아닌 일반 광천수에 이산화탄소를 주입하는 경우에는 본 발명과 달리 탄산수소칼슘수가 형성되는 것이 아니라, 탄산 (H₂CO₃)이 형성되어 치아 부식 등이 우려된다. 이는 일반 광천수에는, 해양 심층수와 달리 칼슘이 탄산칼슘 수화물 형태로 존재하지 않고 칼슘 이온의 형태로 녹아 있기 때문에 이산화탄소를 주입해도 칼슘과 결합된 탄산수소칼슘이 형성되는 것이 아니라 탄산이 형성되는 것이다.

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 한정하는 것은 아니다.

제조예 1. 해양 심층수 채취 및 정제

대한민국 동해의 수심 200~1100m에서 채수한 해양 심층수를 역삼투압 (reverse osmosis) 장치로 탈염하였다.

한편, 채수한 해양 심층수를 전기 투석 (electrodialysis) 장치를 이용하여 고농도의 미네랄을 추출하였다.

상기 역삼투압 방법 및 전기 투석법에 의해 생성된 물 각각에 포함되어 있는 원소량을 분석하여 하기 표 1에 나타내었다.

실시예 1~12. 탄산수소칼슘수의 제조 (1~12)

상기 두 개의 장치에서 생성된 물 즉, (i) 역삼투압 여과수와 전기투석 농축수를 중량비로 10~1000 : 0.1~100의 비로 혼합하거나, (ii) 역삼투압 여과수, 역삼투압 농축수와 전기 투석수를 10~1000 : 0.1~100 : 0.1~100의 비로 혼합한 후 미네랄이 함유된 경도가 약 20~2000, 바람직하게는 약 50~300이고, pH가 5.5~6.5 정도 되도록 하여 먹는 물 기준에 적합한 수준으로 조정하였으며 필요한 경우에는 짠맛을 제거하기 위하여 Na⁺와 Cl^-를 증류 및 은을 이용하여 침전시킨 후 원심분리를 하여 적절하게 제거하였다 (표 2 참조).

상기 표 2에 나타낸 혼합비로 혼합한 심층수에 CO₂를 주입하면서 80℃ 온도까지 서서히 가열하여 탄산수소칼슘수를 제조하였다.

농축 CO₂ 탱크에 있는 CO₂는 5cm/sec 이상의 속도로 주입하여 제품의 가스 용적이 1.0~3.0 (g/L) 이 되도록 하여 제조한다. 탄산수소칼슘수를 이용한 음료 종류에 따라 CO₂의 주입량은 달라질 수 있으나 제품의 가스 용적이 1.0~3.0 (g/L)이 되도록 제조하는 것이 음료의 적당한 청량감을 느낄 수 있게 하여 음용하기에 적합하다.

이와 같이 제조된 탄산수소칼슘수를 2℃까지 급랭하여 유지하였다.

[ 실험예] 석회질 보존율 실험

상기 실시예에서 제조한 탄산수소칼슘수와 일반 탄산수 (비교예 1~3)에 10g의 석회질을 담가 2시간 동안 방치하여 석회질 보존율을 실험하였다.

그 결과를 하기 표 3에 나타냈다.

비교예 1은 초순수에 단순히 이산화탄소를 주입하는 방법으로 이산화탄소를 주입하여 제조하였다.

상기 실험 결과로부터, 본 발명의 탄산수소칼슘수가 일반 탄산수에 비하여 석회질 보존율이 우수함을 확인할 수 있었다. 이는 본 발명의 탄산수소칼슘수가 치아를 부식시키지 않아 기존 탄산수의 단점을 극복할 수 있음을 의미한다.

[ 응용예 ] 탄산수소칼슘수를 이용한 청량 음료의 제조

상기 실시예에서 제조한 탄산수소칼슘수를 원액으로 하여 하기와 같이 청량 음료를 제조할 수 있다.

응용예 1. 탄산수소칼슘수를 이용한 과즙 음료의 제조 (1)

하기 조성에 의해 과즙 음료를 제조하였다.

조성 (배합%, 중량)

오렌지 과즙 3.0

액상 과당 11.0

시트르산 0.2

비타민 C 0.5

향료 0.1

실시예 1의 탄산수 잔량

응용예 2. 탄산수소칼슘수를 이용한 우유 음료의 제조 (2)

하기 조성에 의해 우유 음료를 제조하였다.

조성 (배합%, 중량)

그라뉴당 6.0

액상 과당 3.0

탈지 분유 0.7

발효유 0.1

펙틴 0.5

실시예 2의 탄산수 잔량

응용예 3. 탄산수소칼슘수를 이용한 커피 음료의 제조 (3)

하기 조성에 의해 커피 음료를 제조하였다.

조성 (배합%, 중량)

그라뉴당 8.0

탈지 분유 5.0

캬라멜 0.2

커피 파우더 2.0

향료 0.1

실시예 7의 탄산수 잔량

응용예 4. 탄산수소칼슘수를 이용한 녹차 음료의 제조 (4)

하기 조성에 의해 녹차 음료를 제조하였다.

조성 (배합%, 중량)

녹차 추출액 또는 파우더 1.0

액상 과당 8.0

시트르산 0.1

실시예 1의 탄산수 잔량

본 발명은 역삼투압 농축수를 전기투석하여 이용한 칼슘 이온 (Ca^{2 +})을 농축 한 후 이산화탄소를 주입하여 탄산수소칼슘수를 제조함으로써 치아의 부식을 방지할 수 있고, 다량의 칼슘 이온을 공급함으로써 기존 탄산수의 단점을 극복할 수 있는 탄산수를 제공할 수 있다.

또한 해양 심층수의 농축수는 칼슘 이외에도 다량의 알칼리 금속 이온을 함유하고 있어, 기존의 알칼리 이온수와 비교하면 산성화 예방에도 효과가 있다.

Claims (9)

1. 해양 심층수에 이산화탄소를 주입하면서 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄산수소칼슘수 (calcium hydrogen carbonate water)의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 가열은 175℃를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 탄산수소칼슘수의 제조방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 가열은 20~100℃ 범위에서 수행하는 것을 특징으로 하는 탄산수소칼슘수의 제조방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 해양 심층수는 원수 (原水) 또는 원수를 탈염한 농축수인 것을 특징으로 하는 탄산수소칼슘수의 제조방법.
5. 제1항 또는 제4항에 있어서,

   상기 해양 심층수 원수 또는 원수를 탈염한 농축수를 전기투석을 통해 칼슘 및 마그네슘 이온의 농도를 증가시킨 후 이산화탄소를 주입하는 것을 특징으로 하 는 탄산수소칼슘수의 제조방법.
6. 제1항에 있어서,

   상기 단계는 진공 상태에서 수행되는 것을 특징으로 하는 탄산수소칼슘수의 제조방법.
7. 제1항에 있어서,

   상기 이산화탄소를 주입하면서 가열한 후 제조된 물을 1~5℃ 온도로 급랭하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄산수소칼슘수의 제조방법.
8. 제1항의 방법에 의하여 제조된 탄산수소칼슘수.
9. 제8항의 탄산수소칼슘수를 포함하는 음료수.