KR100837680B1 - 유지 조성물의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유지 조성물의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 팜스테아린을 화학적 촉매로 처리하여 균질화시킨 후 1,3-위치특이적 리파아제에 의한 에스테르 교환반응을 헥산의 존재하에 효율적으로 일어날 수 있도록 하여 저렴한 비용과 안정적으로 모유 지방과 유사한 유지 조성물을 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.

팜스테아린, 모유 지방, 에스테르 교환반응

Description

유지 조성물의 제조방법{PROCESS FOR PRODUCTION OF LIPID COMPOSITION}

도 1은 본 발명의 제조방법에 있어서의 전체 공정에 대한 흐름도이다.

본 발명은 모유 지방과 유사한 유지 조성물의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 원료 조달이 용이한 유지를 출발물질로 하고 유지 조성물의 제조공정을 단순화, 효율화시킴으로써 저렴한 비용과 안정적으로 유지 조성물을 생산할 수 있는 방법에 관한 것이다.

모유를 수유한 유아는 총 칼로리의 약 50~60% 정도를 모유 지방으로부터 공급받는데, 모유의 지질은 트리글리세라이드(triglyceride) 98%, 인지질 0.8%, 콜레스테롤 0.5% 등으로 구성된다. 모유 내의 트리글리세라이드는 그 조성이 특이한데 트리글리세라이드의 2-위치의 구성 지방산 중 절반 이상이 팔미트산(palmitic acid)으로 구성되고 이 위치의 팔미트산은 소화효소에 의해서 가수분해가 되지않고 담즙과 함께 미셀(micelle)을 이루어 인체 내부로 흡수가 된다. 또한 트리글리세라이드의 1,3-위치에 팔미트산이나 스테아르산(stearic acid)등이 존재할 경우 소화효소에 의해 유리지방산으로 분해가 되어 주위의 칼슘에 결합하여 불용성염을 형성 하는 경우가 많다. 이런 불용성염의 형성은 팔미트산의 흡수율을 낮게 하고 각종 미네랄의 흡수도 저해하게 된다.

따라서 모유 지방과 유사한 유지 조성물을 제조하기 위한 방법은 일반적으로 트리글리세라이드의 2-위치에 팔미트산의 함량을 높게 하고 1,3-위치에서는 포화지방산의 함량을 낮게 하고 대신 불포화지방산이나 중쇄지방산의 함량을 높게 하기 위한 공정으로 이루어진다.

이러한 제조공정과 관련하여 WO 94/26854에서는 트리글리세라이드를 1,3-위치특이적 효소를 사용하여 불포화지방산 잔기로 전환시키고, 디글리세라이드를 리파아제G로 제거한 다음, 1,3-위치특이적 효소에 의한 불포화지방산 잔기로의 전환을 다시 반복하는 제조방법을 개시하고 있고, 대한민국 특허 10-0598607에서는 1,3-위치특이적 효소로 유지를 가수분해하여 생긴 가수분해물을 지방산 부분과 글리세라이드 부분으로 분획한 다음 1,3-위치특이적 효소로 2번에 걸친 에스테르 교환반응을 하는 제조방법을 개시하고 있는데, 효소에 의한 반응을 반복하는 것은 결국 전체 공정의 시간이 길어지는 결과를 가져와 생산단가가 높아지게 된다. 대한민국 특허 10-0528307에서는 팜유, 식물유, 아라키돈산(arachidonic acid)의 원료인 오일, 도코사헥사에노산(docosahexaenoic acid)의 원료인 오일을 혼합한 것을 출발물질로 하여 다불포화지방산(PUFA)의 산화를 많이 유발하지 않으며 지질 조성물을 제조하는 방법을 개시하고 있는데, 출발물질 자체가 고가이면서 수급도 용이하지 않다면 이 또한 유지의 생산에 있어 큰 부담이 되게 된다.

팜유는 종려나무의 과육부에서 얻어지는 것으로 모유 지방과 유사한 유지 조성물을 제조하는 원료로 선호되고 있는데, 이는 팜유의 지방산 조성의 특징이 포화지방산인 팔미틴산의 함량이 매우 높다는 것에 기인한다. 팜유는 용도를 다양화하고 부가가치를 높이기 위하여 산지에서 분별을 하게 된다. 즉 팜스테아린과 팜올레인 등으로 분별을 여러 차례 하게 되는데 그 기준이 되는 것이 요오드값(Iodine Value, IV)이다. 요오드값은 지방 100g에 첨가되는 요오드의 g수를 말하는데 불포화지방산을 많이 포함하는 지방은 요오드값이 높다. 팜스테아린이 요오드값 20~25(평균 22.5)인 경우는 트리글리세라이드 중 총포화지방산(C₁₆이상)이 약 86%이며 이중 팔미틴산이 약 80%이다. 이 80%중 1,3-위치에는 56%, 2-위치에는 24%가 존재한다. 요오드값이 15 이하의 팜스테아린은 총포화지방산의 함량 90% 중 팔미틴산이 85% 이상으로 2-위치의 팔미틴산이 26~27%로 모유 지방과 유사한 유지 조성물을 제조하기 위한 출발물질로는 더 이상적이라 할 수 있으나 요오드값이 20~25인 경우는 일반상품으로 나오지만 요오드값이 15 이하인 경우는 주문생산에 의하기 때문에 단가가 비싸고 원료조달이 용이하지 않다는 문제가 있다.

트리글리세라이드의 1,3-위치의 에스테르 교환반응은 대부분의 경우 1,3-위치특이적 리파아제를 사용하여 이루어지는데, 반응이 원활하게 이루어지기 위해서는 분자와 분자끼리 잘 반응할 수 있는 조건이 필요하나 유지의 경우 높은 점도를 가지므로 반응이 근본적으로 원활하지 않아 이를 극복하기 위하여 같은 반응을 2회 반복하거나 기질 대비 효소의 사용량을 증가시키는 등의 방법이 사용되고 있는데 이는 생산단가가 상승하는 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 트리글리세라이드의 2-위치에 팔미틴산의 함량이 높으면서도 단가가 낮고 안정적으로 공급될 수 있는 물질을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 트리글리세라이드의 1,3-위치의 에스테르 교환반응이 원활하게 이루어질 수 있는 조건을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 팜스테아린 중 요오드값이 20~25에 해당하는 것을 소듐 메톡사이드로 무작위로 에스테르 교환반응을 하여 2-위치에 팔미틴산의 함량을 높게 하는 방법을 제공한다.

다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 1,3-위치특이적 리파아제의 반응을 헥산의 존재하에 시킴으로써 점도를 낮추어 반응이 원활하게 일어날 수 있는 방법을 제공한다.

이하에서, 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명은 모유 지방과 유사한 유지 조성물을 생산하기 위해서

(1) 팔미트산을 많이 함유하는 팜스테아린을 화학적 촉매에 의해 무작위적으로 반응시켜 지방산 잔기의 분포를 균질화시키는 단계;

(2) 상기 (1)단계에서 생성된 팜스테아린을 불포화 장쇄지방산, 중쇄지방산, 헥산과 혼합한 다음 1,3-위치 특이적 리파아제를 이용하여 에스테르 교환반응을 시키는 단계;

(3) 분별증류기로 반응하지 않은 혼합 지방산을 제거하는 단계;

(4) 리파아제G를 사용하여 디글리세라이드를 제거하는 단계; 및

(5) 일반적인 정제과정을 통하여 미반응물질을 제거하는 단계를 포함하는 유지 조성물의 제조방법에 관한 것이다.

상기 (1)단계의 균질화반응은 트리글리세라이드의 2-위치의 팔미트산의 함량을 높이기 위하여 이루어진다. 요오드값이 15 이하인 팜스테아린의 경우 총포화지방산의 함량 90%중 팔미틴산이 85% 이상으로 2-위치에 팔미틴산 함량이 26~27%이기는 하나, 주문생산에 의하기 때문에 가격이 비싸고 원료조달이 용이하지 않다. 요오드값이 20~25인 팜스테아린은 주문생산이 아닌 일반상품으로 나와서 원료조달이 용이하고 총포화지방산의 함량이 약 86%이며 이중 팔미틴산이 약 80%이다. 이 80%중 1,3-위치에 56%, 2-위치에 24%가 존재하는데 2-위치의 팔미틴산 함량이 1,3-위치의 평균보다 약 4% 정도가 부족하므로 2-위치의 팔미틴산 함량을 높이기 위해서는 평준화가 필요하다. 1,2,3-위치 모두에서 무작위적으로 반응시키기에는 화학적 반응이 좋은데, 소듐 메톡사이드를 메탄올에 녹여서 촉매로서 사용하면 트리글리세라이드의 1,2,3-위치에 있는 지방산들 간에 에스테르 교환반응이 일어난다. 그 결과 지방산이 무작위로 분포하게 되면서 지방산이 1,2,3-위치에서 동등하게 재배열되어 1,2,3-위치 모두에서 각각 26~27%씩 팔미틴산을 갖게된다. 균질화 반응은 소듐 메톡사이드를 기질당 0.1 내지 1% 혼합하여 질소가스를 충진한 다음 교반속도 20rpm 내지 300rpm, 온도 60℃ 내지 80℃에서 30분 내지 2시간 동안 수행된다. 교반속도가 20rpm 미만이면 혼합이 제대로 일어나지 않고 300rpm이 넘으면 유화현상 이 일어난다. 반응온도가 60℃ 미만이면 원료인 팜스테아린의 녹는점이 59~60℃이므로 균질화 반응시 녹지 않아 반응이 일어나지 않고 80℃가 넘으면 소듐 메톡사이드의 반응이 너무 격렬하여서 트랜스지방과 같은 불리한 부산물이 발생하는 문제가 있다. 반응시간이 30분 미만이면 반응이 충분히 일어나지 않아서 원하는 수율을 얻을 수 없고, 2시간 넘게 반응시키더라도 더 이상 반응은 진행되지 않는다. 반응 후에는 황산 또는 염산을 가하여 pH 6 내지 8로 중화시킨 다음 수세하여 균질화반응을 완료한다.

상기 (2)단계의 에스테르 교환반응은 1,3-위치특이적 리파아제에 의해서 수행된다. 1,3-위치특이적 리파아제는 리조포스(Rhozopus), 아스퍼질러스(Aspergillu

s), 서모마이세스(Thermomyces) 또는 무코르(Mucor) 속에서 유래하거나, 췌장의 리파아제(pancreatic lipase) 또는 쌀겨(rice bran)의 리파아제일 수 있다. 또한 1,3-위치특이적 리파아제는 비고정화된 형태 또는 고정화된 형태로 사용될 수 있으나, 본 발명의 실시예에서는 고정화된 형태로 사용하였다. 단계 1의 균질화반응을 거친 팜스테아린 1 중량부에 불포화 장쇄지방산 1.5 내지 2 중량부, 중쇄지방산 0.5 내지 1 중량부, 헥산 1 내지 4 중량부를 혼합하는데, 바람직하게는 팜스테아린 1 중량부에 불포화 장쇄지방산 1.5 중량부, 중쇄지방산 1 중량부, 헥산 1.3 중량부를 혼합한다. 불포화 장쇄지방산의 배합량이 중쇄지방산보다 더 많은 이유는 중쇄지방산이 불포화 장쇄지방산보다 반응이 더 신속하므로 중쇄지방산의 함량이 너무 높아지는 것을 방지하기 위함이다. 헥산을 혼합하는 이유는 에스테르 교환반응은 근본적으로 그 반응이 원활하지 않은데 이는 유지 및 지방산의 높은 점도에 기인하는 것으로 점도를 낮추어 반응이 원활하게 일어날 수 있는 조건을 제공하고자 함에 있다. 헥산이 1 중량부 미만으로 혼합되면 점도를 낮추어 반응을 촉진하려는 효과가 미미하게 되고 4 중량부를 초과하게 되면 점도는 많이 낮아질 수 있으나 효소와 기질 간의 접촉까지 방해하여 원하는 효과를 얻을 수 없다. 상기 혼합물을 반응조에 넣고 온도 60℃ 내지 70℃를 유지한 상태에서 미리 수분과 기포를 제거한 1,3-위치특이적 리파아제를 기질대비 3 내지 10 중량%, 바람직하게는 5 중량%를 넣고 질소가스를 충전 후 300rpm의 교반조건에서 4시간 내지 24시간, 바람직하게는 4시간 내지 12시간 반응시킨다. 반응온도가 60℃ 미만에서는 팜스테아린이 녹지 않아서 반응이 제대로 일어나지 않고, 70℃을 초과하면 리파아제의 불활성화가 일어나게 된다. 반응시간이 4시간 미만인 경우에는 반응이 충분히 일어나지 않고, 24시간 넘게 반응시키더라도 더 이상 반응은 진행되지 않고 효소의 불활성화만 일어나게 된다. 반응이 완료되면 데칸테이션(decantation)으로 1,3-위치특이적 리파아제를 분리하고 헥산은 진공증발관에서 진공도 10torr 내지 60torr 이하, 바람직하게는 10torr 내지 30torr 이하에서 온도를 65℃로부터 105℃까지 올리면서 증발에 의해 제거한다.

반응하지 않은 지방산 및 반응으로 인하여 치환된 지방산은 분별증류기를 이용하여 제거할 수 있는데 진공하에서의 증기 증류가 사용될 수 있다.

에스테르 교환반응이 일어나지 않고 알코올기가 그대로 남아서 형성된 디글리세라이드 또는 모노글리세라이드는 리파아제G를 사용하여 지방산과 글리세롤로 분해한다.

정제과정은 일반적인 공정에 따라 탈산, 탈색, 탈취의 과정으로 수행된다. 탈산은 유지 중의 유리지방산을 제거하는 조작으로 가성소다용액을 사용하여 유리지방산을 중화시키면 지방산나트륨염, 즉 비누성분이 생성된다. 탈색과정에서는 카로티노이드계, 클로로필계 색소등이 제거되는데 흡착제로는 산성백토, 활성백토, 활성탄소등이 사용될 수 있다. 탈취는 알데하이드, 케톤 및 탄화수소 등의 냄새를 내는 물질을 제거하는 과정으로 진공수증기증류에 의해서 수행될 수 있다.

이하에서 본 발명을 실시예에 의해서 상세히 설명한다. 실시예는 발명을 예시하기 위한 것으로 이에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

[ 실시예 1] 균질화반응

팜스테아린(요오드값 22.5) 200g에 메탄올에 녹인 소듐 메톡사이드(28% 메탄올 용해물)를 기질 대비 0.5 중량%로 첨가하고 80℃에서 질소가스를 충진한 다음 60rpm으로 교반하면서 2시간 동안 무작위적으로 에스테르 교환반응을 시켰다. 반응 후 80℃의 온수로 수세수가 중성을 나타낼 때까지 반복수세하여 반응물 196g을 얻었다. 얻은 반응물을 다시 90℃로 가온한 다음, 60torr의 진공으로 건조하여 반응물 190g을 얻었다. 원료인 팜스테아린과 균질화반응 후의 반응물의 지방산 조성은 하기한 실시예 4의 분석방법으로 분석하였으며 그 결과는 표 1과 같다.

균질화반응 전,후의 지방산의 조성비 (단위:중량%)

	원료		반응물
	2-위치	1,3-위치	2-위치	1,3-위치
C12	0.00	0.04	0.00	0.04
C14	0.27	0.55	0.40	0.42
C16	24.07	56.06	26.51	53.62
C18	1.95	4.44	1.95	4.44
C18:1	5.61	4.76	3.19	7.18
C18;2	1.40	0.49	1.16	0.73
C20	0.00	0.36	0.09	0.27
합계	33.3	66.7	33.3	66.7

[ 실시예 2] 에스테르 교환반응

균질화반응의 생성물 50g에 불포화 장쇄지방산(올레인산(oleic acid) 70.24 중량%, 리놀산(linoleic acid) 10.10 중량%) 75g, 중쇄지방산(라우르산(lauric acid) 47.18 중량%, 미리스트산(myristic acid) 18.08 중량%) 50g을 혼합한 다음 온도를 62±1℃로 올렸다. 서모마이세스 라노지누스 유래의 1,3-위치특이적 리파아제를 고정화한 Lipozyme^® TL IM(Novozymes)을 온도 62±2℃의 온수조에서 60torr로 2시간 동안 감압건조하여 수분이 0.05% 이하임을 확인한 후, 기질대비 5%, 즉 8.75g을 온도 62±1℃로 올린 혼합물 원료에 첨가하여 40rpm으로 서서히 교반하면서 60torr의 진공으로 효소 내부의 기포를 제거하였다. 더 이상 기포가 나오지 않아 기포가 모두 제거되었음이 확인되면 기압을 상압으로 하고 n-헥산 100㎖를 혼합한 다음 질소가스를 충진하여 300rpm으로 교반하면서 5시간 반응시켰다. 반응이 끝나면 데칸테이션에 의해 효소를 분리한 후, 진공증류기를 이용하여 10torr의 진공 하에서 온도를 65℃에서 105℃까지 올리면서 헥산을 회수하였다.

[ 실시예 3] 반응물의 정제

반응하지 않은 지방산은 온도 200~220℃, 5torr의 진공하에서 분별증류하여 분리하였고, 디글리세라이드는 리파아제G를 사용하여 제거하였다. 분별증류 후 남은 지방산과 디글리세라이드의 분해로 발생한 지방산은 가성소다 15% 용액으로 중화시켜 생성된 비누성분을 분리함으로써 제거하였고, 탈색은 산성백토를 이용하였다. 탈취는 3~6torr의 진공하에서 유지를 200~250℃로 가열하여 수증기를 불어 넣는 진공수증기증류에 의하여 행하여졌다.

전 반응을 거친 후 41g의 유지를 얻어 실시예 4의 분석방법에 의해 지방산의 조성을 분석하였고 그 결과를 표 2에 나타내었다.

원료 및 반응 후 유지의 지방산 조성

	팜스테아린 원료	불포화 장쇄지방산	중쇄지방산	반응후 트리글리세라이드	반응후 2-위치	반응후 1,3-위치
C6	0.00	0.00	0.41	0.10	0.00	0.10
C8	0.00	0.00	7.64	1.43	0.00	1.43
C10	0.00	0.00	6.20	1.36	0.00	1.36
C12	0.04	2.21	47.18	8.42	1.26	7.16
C14	0.82	0.97	18.08	3.68	0.35	3.33
C16	80.13	11.84	9.43	40.39	24.41	15.98
C18	6.39	2.66	2.92	3.76	1.78	1.98
C18:1	10.37	70.24	6.79	37.38	4.64	32.74
C18:2	1.89	10.10	0.15	2.83	0.71	2.12
C20 & U.K*	0.36	1.98	1.20	0.62	0.15	0.50
합계	100	100	100	100	33.3	66.7

(단위:중량%, *:Unknown(모르는 것))

[ 실시예 4] 지방산 조성의 분석

지방산 조성의 분석은 가스크로마토그래피로 수행하였다. 칼럼은 SP-Omega

wax 320(capillary column; polyethyleneglycol 100%; 30m×0.32㎜×0.52㎛)을 사용하였고, 주입부온도는 250℃, 칼럼온도는 200℃, 검출기온도는 260℃이였으며 유량은 1.0㎖/분이였다. 정성시험은 시료용액 및 지방산 표준용액을 각각 1~2㎕를 주입한 다음 상대적 머무름 시간(relative retention time)을 사용하여 각각의 지방산을 확인하였고, 정량은 정성시험에 의해 얻은 각 지방산의 피크 면적을 계산하여 구하였다. 2-위치의 지방산을 분석하기 위하여 시료를 췌장 리파아제로 처리 후 얇은 막 크로마토그래피(thin layer chromatography,TLC)에 의해 전개(전개용매; n-헥산:에테르:초산 = 50:50:1)시킨 다음 모노글리세라이드 부분을 긁어내어 상기한 지방산 분석방법에 의해 분석하였다.

본 발명에 의하면 단가가 낮고 안정적으로 공급이 가능한 요오드값 20~25의 팜스테아린을 소듐 메톡사이드로 무작위로 에스테르 교환반응을 시킴으로써 2-위치에 팔미틴산의 함량을 높게 하고, 헥산을 첨가하여 점도를 낮춘 상태에서 1,3-위치의 에스테르 교환반응이 효율적으로 일어날 수 있도록 하여 낮은 단가와 효율적인 방법으로 모유 지방과 유사한 유지 조성물을 제조할 수 있다.

Claims (5)

1. (1) 요오드값이 20내지 25인 팜스테아린을 소듐 메톡사이드에 의하여 지방산 잔기의 분포를 균질화시키는단계;

   (2)상기(1)단계에서 생성된 팜스테아린을 불포화 장쇄지방산, 중쇄지방산, 헥산과 혼합한 다음 1,3-위치 특이적 리파아제를 이용하여 에스테르 교환반응시키는 단계;

   (3)분별증류기로 반응하지 않은 혼합지방산을 제거하는 단계;

   (4)리파아제G를 사용하여 디글리세라이드를 제거하는 단계; 및

   (5)정제과정을 통하여 미반응물질을 제거하는 단계

   를 포함하는 유지 조성물의 제조방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 (2)단계의 팜스테아린, 불포화 장쇄지방산, 중쇄지방산, 헥산은 1 : 1.5~2 : 0.5~1 : 1~4 중량비로 혼합됨을 특징으로 하는 유지 조성물의 제조방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 (2)단계의 에스테르 교환반응은 60℃ 내지 70℃에서 4시간 내지 24시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 유지 조성물의 제조방법.

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