KR100862548B1 - 무 트랜스 지방 함유 유지류 개발을 위한 저온에서의효소적 에스테르 교환반응 - Google Patents

Abstract

본 발명은 트랜스 지방을 함유하지 않는 유지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 1) 식물성유 유래 극도 경화유와 정제 올리브유를 혼합하는 단계; 2) 상기 혼합유에 리파아제를 첨가하고 65∼80℃에서 1∼4 시간동안 반응시키는 제1 반응 단계; 및 3) 상기 2) 단계를 거친 혼합유를 40∼60℃에서 44∼47 시간동안 반응시키는 제2 반응 단계를 포함하는 효소적 에스테르교환반응(Enzymatic Interesterification: EI)을 거쳐 제조된 트랜스 지방을 함유하지 않는 유지 및 그 제조방법에 관한 것이다.

극도 경화유, 올리브유, 무 트랜스 지방 함유 유지, 리파아제, 에스테르교환반응

Description

무 트랜스 지방 함유 유지류 개발을 위한 저온에서의 효소적 에스테르 교환반응{Enzymatic interesterification in low temperature for development of trans fat free in the fats and oils}

본 발명은 트랜스 지방을 함유하지 않는 유지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 1) 식물성유 유래 극도 경화유와 정제 올리브유를 혼합하는 단계; 2) 상기 혼합유에 리파아제를 첨가하고 65∼80℃에서 1∼4 시간동안 반응시키는 제1 반응 단계; 및 3) 상기 2) 단계를 거친 혼합유를 40∼60℃에서 44∼47 시간동안 반응시키는 제2 반응 단계를 포함하는 효소적 에스테르교환반응(Enzymatic Interesterification: EI)을 거쳐 제조된 트랜스 지방을 함유하지 않는 유지 및 그 제조방법에 관한 것이다.

대부분의 트랜스 지방은 식물성 유지에 수소를 첨가하는 경화공정(Hydrogenation) 과정 중에 다량 생성되며 특히 부분 경화유(Partially hydrogenaed fat)에 많이 함유되어 있는 것으로 알려져 있다. 이러한 부분 경화유 들은 마가린과 쇼트닝 등의 가공유지나 이들 성분을 주 원료로 제조한 스넥류, 과자류, 빵 및 초코렛 등에 널리 사용되어져 왔다. 최근 식생활 패턴이 바뀌면서 가공식품이나 패스트푸드 섭취가 증가되고 결과적으로 트랜스 지방 섭취 또한 증가되고 있다. 그러나 트랜스 지방은 동맥경화나 심장질환 등의 각종 질병을 발생시킨다는 연구보고가 발표되었으며 이에 따라 기존 트랜스지방이 다량 함유된 부분 경화유를 대체할 수 있는 “무” 트랜스지방 함유 유지류를 개발하는 방법이 시도 되어져 왔다. 일례로, 기존의 유지를 용매와 혼합하거나 단독으로 저온에서 결정화하여 여러 분획으로 얻는 기술이 개발되었으며, 이렇게 얻어진 여러 분획들은 각기 다른 물성들을 갖는다. 그러나, 이러한 방법은 유지의 물리적인 성질을 이용한 것으로 천연 유지라는 장점이 있으나 고체지방지수를 충족시키지 못하는 문제가 있어 마가린 및 쇼트닝의 원료로 사용하기에 한계가 있었다.

경화 공정 개선은 기존의 경화공정의 반응조건 및 촉매 종류 등을 변화시키는 방법으로 전기촉매 경화법(Electro-catalytic hydrogenation), 정밀 촉매 경화법(Precise catalytic hydrogenation) 및 초임계용매상태 경화법(Supercritical fluid state catalytic hydrogenation) 등이 있으나 이들 방법 역시 기존의 경화 공정에 기본을 두고 있기 때문에 근본적인 해결책이 되고 있지 못하다. 그러나 완전히 경화시킨 극도 경화유는 트랜스지방이 거의 없어 트랜스지방 저감화에 많이 이용되고 있다.

에스테르 교환반응은 현재 유지 제조에 있어서 가장 많은 비중을 갖고 시도되는 방법으로 화학적 촉매를 사용하는 화학적 에스테르교환반응(Chemical Interesterification: CI)과 효소를 사용하는 효소적 에스테르교환반응(Enzymatic Interesterification: EI)이 있다. CI의 경우에는 알칼리 촉매가 주로 사용되며, 소듐 메톡사이드(sodium methoxide)가 가장 널리 사용되고 있다. 현재 국외 뿐 아니라 국내 주요 가공유지업체에서도 CI 방법을 사용하여 여러 종류의 가공유지 제품을 생산하고 있다. 효소를 사용하는 EI의 경우에는 촉매로 리파아제가 사용되며, 리파아제를 생산하는 미생물의 종류에 따라 활성도와 특이성이 다른 것으로 알려져 있다. EI의 장점은 비교적 공정이 간단하고 제품 생산이 용이하며 트랜스 지방이 거의 생성되지 않고 식품의 안정성이 확보되며 친환경적이라는 점이다. 때문에 효소적 에스테르교환반응을 선호하는 것은 세계적인 추세라 할 수 있다. 그러나 이러한 효소적 에스테르교환반응의 효율적인 반응조건의 운영에 대한 지식은 매우 낙후된 실정이며 국외의 경우에도 고온에서의 반응조건만이 발표되어 있는 실정이다.

이에 본 발명자들은 기존 트랜스지방이 다량 함유된 부분 경화유를 대체할 수 있는 “무” 트랜스지방 함유 유지를 개발하고자 노력한 결과, 먼저 식물성유 유래 극도 경화유와 올리브유를 혼합한 혼합유를 극도경화유의 융점에서 반응시킨 다음 상기 극도 경화유의 융점 보다 낮은 온도에서 반응시키는 효소적 에스테르교환반응(Enzymatic Interesterification: EI)을 거침으로써 효소의 잔존 활성을 높여주고 트랜스지방이 함유되지 않는 유지를 제조할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 트랜스지방이 함유되지 않는 유지를 낮은 온도에서 반응시키는 효소적 에스테르교환반응을 통하여 효소 잔존 활성을 높이는 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 1) 식물성유 유래 극도 경화유와 정제 올리브유를 혼합하는 단계; 2) 상기 혼합유에 리파아제를 첨가하고 65∼80℃에서 1∼4 시간동안 반응시키는 제1 반응 단계; 및 3) 상기 2) 단계를 거친 혼합유를 40∼60℃에서 44∼47 시간동안 반응시키는 제2 반응 단계를 포함하는 효소적 에스테르교환반응(Enzymatic Interesterification: EI)을 거쳐 제조된 트랜스 지방을 함유하지 않는 유지 및 그 제조방법을 제공한다.

본 발명에서는 효소를 이용한 에스테르교환반응에 있어서 기존에 고온에서만 반응하여 오던 방법을 저온으로 온도를 감소하여 반응시킴으로써 효소의 잔존 활성을 높여주어 보다 오랫동안 효소를 사용할 수 있어서 경제성을 높여주었고, 에너지를 절감하였으며, 반응온도의 감소로 인한 가수분해반응의 감소로 유리지방산, 모노글리세라이드(monoglyceride) 및 디글리세라이드(diglyceride) 등의 부산물을 감소시켜 정제손실(refining loss)을 줄여주었고, 온도에 민감한 유지를 보다 낮은 온도로 유지시킴으로써 유지 산패의 원인인 유리라디칼의 생성을 줄여 생산된 유지의 품질을 향상시켰다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 발명에서는 하기 단계들을 포함하는 유지의 제조방법을 제공한다:

1) 식물성유 유래 극도 경화유와 정제 올리브유를 혼합하는 단계;

2) 상기 혼합유에 리파아제를 첨가하고 65∼80℃에서 1∼4 시간동안 반응시키는 제1 반응 단계; 및

3) 상기 2) 단계를 거친 혼합유를 40∼60℃에서 44∼47 시간동안 반응시키는 제2 반응 단계.

본 발명에서 사용하는 용어 “극도 경화유”란 식물성 유지에 수소 첨가 반 응을 통하여 이중결합을 갖는 지방산 함량이 0.2% 이하가 되도록 제조한 유지를 말한다.

본 발명에서는 식물성유 유래 극도 경화유로서 카놀라유 유래 극도 경화유를 사용하나 이에만 한정되지 않으며 당업자가 통상적으로 사용가능한 다른 식물성유 유래 극도 경화유를 대체하여 사용하여도 본 발명에서 제시하는 저온에서의 효소적 에스테르교환반응을 통하여 동일한 효능을 얻을 수 있고, 이 또한 본 발명의 범주에 속하는 것임을 자명할 것이다. 상기 식물성유 유래 극도 경화유와 올리브유의 혼합 비율은 1:9 내지 9:1의 중량비가 바람직하며, 가장 바람직하게는 4:6의 중량비로 혼합된다.

본 발명에서 사용하는 리파아제는 미생물, 식물 및 동물로부터 얻지는 것 중 어느 쪽도 사용이 가능하며, 예를 들어 리조퍼스 델레머(Rhizopus delemar), 무코미에헤이(Mucor miehei) 및 알칼리진 속(Alcaligenes sp.) 등의 미생물 유래로 글리세라이드(glyceride)의 1, 3번 위치에 선택성을 가지는 리파아제(lipase); 아스퍼질러스 니거(Aspergillus niger), 칸디다 안타르티카(Candida antarctica), 칸디다 실린드라세(Candida cylindracea) 및 지오트리쿰 칸디둠(Geotrichum candidum) 등의 미생물 유래의 랜덤형 리파아제; 대두 미누카 히마 종자 등의 식물 유래의 리파아제; 및 동물의 췌장 리파아제 등을 들 수 있다. 대개는 시판품을 이용하는 것이 편리하며, 이러한 리파아제로서 리파아제 그 자체 외, 흡착법 이온 혹은 공유결합법 포괄법 등의 일정한 규칙에 따라 얻어지는 고정화 리파아제들(Immobilized lipases), 예를 들어 상품명으로 Novo사의 리포자임(Lipozyme) RM IM(Rhizomucor miehei), 리포자임 TL IM(Thermomyces lanuginosus) 또는 노보자임(Novozym) 435(Candida antarctica); Amano사의 리파아제 PS-C(Burkholderia cepacia) 또는 리파아제 PS-D(Burkholderia cepacia); 또는 그 리파아제를 생산하는 능력이 있는 곰팡이, 효모 및 박테리아 등의 미생물 자체를 사용하기도 한다. 리파아제는 상기 혼합유에 대하여 1중량%로 함유되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 사용하는 극도경화유의 융점이 70℃이기 때문에 상기 제1 반응 단계에서의 반응온도는 65 내지 80℃ 이상에서 1∼4시간 이상 에스테르교환반응을 수행하는 것이 바람직하며, 이후 상기 융점 보다 낮은 온도에서, 바람직하게는 40∼60℃에서 최소 1시간 이상 에스테르교환반응을 수행함으로써 반응 촉매인 리파아제의 잔존 활성을 극대화할 수 있다.

이하 본 발명의 내용을 실시예에 의해 보다 상세하게 설명하기로 한다. 다만 이들 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시되는 것일 뿐 본 발명의 권리범위가 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.

[비교예 1]

카놀라유 유래 극도 경화유와 올리브유를 4:6의 중량비로 혼합한 시료 10g을 50 mL 삼각 플라스크에 넣고, 효소 0.1g을 넣은 후 마개를 닫고 회전식 진탕항온수조(orbital shaking water bath; New Brunswick, Model Innova 3100, NJ, USA)에서 300 rpm의 교반 속도 70℃에서 48시간 반응을 실시하였다.

[실시예 1]

카놀라유 유래 극도 경화유와 올리브유를 4:6의 중량비로 혼합한 시료 10g을 50 mL 삼각 플라스크에 넣고, 효소 0.1g을 넣은 후 마개를 닫고 회전식 진탕항온수조(orbital shaking water bath; New Brunswick, Model Innova 3100, NJ, USA)에서 300 rpm의 교반 속도로 반응을 실시하였다. 초기 반응온도는 70℃에서 1시간 동안 유지하였고, 잔여반응 시간, 즉 47시간을 60℃에서 반응하였다.

[실시예 2]

카놀라유 유래 극도 경화유와 올리브유를 4:6의 중량비로 혼합한 시료 10g을 50 mL 삼각 플라스크에 넣고, 효소 0.1g을 넣은 후 마개를 닫고 회전식 진탕항온수조(orbital shaking water bath; New Brunswick, Model Innova 3100, NJ, USA)에서 300 rpm의 교반 속도로 반응을 실시하였다. 초기 반응온도 70℃에서 2시간 동안 유지하였고, 잔여반응 시간, 즉 46시간을 60℃에서 반응하였다.

[실시예 3]

카놀라유 유래 극도 경화유와 올리브유를 4:6의 중량비로 혼합한 시료 10g을 50 mL 삼각 플라스크에 넣고, 효소 0.1g을 넣은 후 마개를 닫고 회전식 진탕항온수조(orbital shaking water bath; New Brunswick, Model Innova 3100, NJ, USA)에서 300 rpm의 교반 속도로 반응을 실시하였다. 초기 반응온도 70℃에서 4시간 동안 유지하였고, 잔여반응 시간, 즉 44시간을 60℃에서 반응하였다.

[시험예 1] 에스테르 교환정도 분석

실시예 1∼3 및 비교예 1에서 제조한 유지의 효소에 의한 에스테르교환 반응정도를 알아보기 위하여 가스 크로마토그래피 방법을 이용하여 트리스테아린(tristearin)의 함량을 분석한 다음 하기 수학식 1에 따라 에스테르 교환정도(Degree of Conversion: DC %)를 산출하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

에스테르 교환정도 (DC %)

시간(hour)	비교예 1	실시예 1	실시예 2	실시예 3
0	0	0	0	0
1	23	23	23	23
2	35	29	35	35
4	47	29	41	47
6	58	38	58	59
8	62	54	56	64
12	71	57	58	71
24	85	75	71	83
48	85	82	80	82

상기 표 1의 결과에서, 실시예 3은 비교예 1과 비교하여 동등한 수준의 에스테르교환 정도를 보였다. 따라서, 실시예 3이 저온 에스테르 반응을 위해 이상적인 온도 시스템인 것을 확인할 수 있었다.

[시험예 2] 고체 유지 함량 비교

비교예 1과 실시예 3에 대한 고체 유지 함량(Solid Fat Content; SFC)을 조사하였다. 각 분석시료 3-5g을 SFC 측정용 셀에 넣고 초기 온도인 5℃부터 5℃ 간격으로 60℃까지 12개의 온도에서 고체 유지 함량을 측정하였다. 이 때, 사용된 측정 장비는 Bruker사의 고체 유지 함량 분석기(Low Resolution NMR)가 사용되었다. 상기 표 1의 결과에서 비교예 1과 실시예 3의 에스테르 교환반응은 반응 24시간에 평형에 도달하였다. 따라서 24시간 반응하여 평형에 도달한 에스테르 교환유지에 대하여 SFC 측정을 실시하였으며, 그 결과를 도 1에 나타내었다. 도 1의 결과에서, 비교예 1과 실시예 3의 SFC는 큰 차이를 나타내지 않았으며, 비교예 1과 실시예 3으로부터 얻어진 에스테르 교환유들의 물리적인 특성은 같았다.

[시험예 3] 효소의 잔존 활성

상기 시험예 1 및 2의 결과들로부터 실시예 3은 저온 에스테르 교환반응의 최적 조건임을 알 수 있었고, 이를 바탕으로 고온 에스테르 교환반응 조건인 비교예 1과 저온 에스테르 교환반응 조건인 실시예 3에 대하여 효소의 잔존 활성을 비교해 보았다. 비교예 1과 실시예 3은 에스테르 교환반응 24시간 이후 평형에 도달하였고 따라서 비교예 1과 실시예 3의 조건에서 반응시간을 24시간으로 고정하였다. 대조구는 비교예 1과 같이 70℃에서 24시간동안 에스테르 반응을 실시하였고, 처리구는 실시예 3과 같이 초기 에스테르반응을 70℃에서 4시간으로 하였고 나머지 에스테르반응을 60℃에서 20시간으로 하였다. 이들 대조구와 처리구에 대한 반응은 7일 동안 실시하였으며 1일 간격으로 에스테르 교환에 사용된 효소를 수거하였다. 반응 종료 후 클로로포름을 이용하여 효소로부터 유지를 세척하고 상온과, 40℃ 감압건조기에서 잔존 용매를 제거한 후 4℃ 냉장고에서 효소를 보관하면서 잔존 활성 측정에 사용하였다.

효소의 잔존활성(에스테르 교환정도: DC%)

시간(day)	대조구	처리구
0	47	47
1	31	47
2	29	42
3	23	37
4	21	33
5	20	31
6	17	27
7	16	27

대조구 : 매일 70℃에서 24시간 처리한 효소

처리구 : 매일 70℃에서 4시간 나머지 20시간은 60℃에서 처리한 효소

표 2와 같이 대조구와 처리구로 나누어 두 실험군의 에스테르교환반응에 대한 효소 잔존활성을 식품 첨가물 공전법에 명시된 방법에 의하여 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다. 그 결과 처리구의 경우 대조구에 비해 잔존활성이 약 1.5∼1.7배 높은 것으로 나타났다.

효소의 잔존활성(가수분해역가)

시간(day)	대조구(Lu/g)	처리구(Lu/g)
0	209579	209579
1	139886	211835
2	132360	188864
3	103972	167704
4	95755	147674
5	89814	138621
6	75584	122993
7	70502	122442

대조구 : 24시간 70℃에서 처리한 효소

처리구 : 초기 4시간은 70℃에서 반응하고, 나머지 20시간은 60℃에서 처리한 효소

R:직선구간에서의 분(min)당 적정 소비 ml수

N: 수산화나트륨용액의 규정도

1000: 산의 mmol을 μmol로 변환시키는 계수

W: 시험용액 (최종 희석액) 1ml에 함유된 검체(효소)의 양(g)

상기에서 살펴본 바와 같이, 비교예 1과 실시예 3은 에스테르 교환 정도와 물리적 특성이 큰 차이를 나타내지 않은 반면에 효소의 잔존 활성에 있어서는 실시예 3의 경우가 월등히 높게 나타났다. 이와 같은 결과에서처럼 본 발명에서는 저온 에스테르 교환반응의 최적 조건을 개발하게 되었으며 고온 에스테르 교환반응조건 에서와 같은 에스테르 교환정도와 물리적 특성을 갖는 에스테르 교환유지를 생산할 수 있게 되었다. 또한 효소의 잔존활성 결과에서 볼 수 있듯이 저온 에스테르 교환반응 조건에서는 효소의 잔존 활성이 높은 것으로 나타나 경제적인 측면에 있어서도 높은 효과를 가져 올 수 있다.

도 1은 실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 유지의 고체 유지 함량(Solid Fat Content; SFC)을 보여주는 그래프이다.

Claims (5)

1) 카놀라유 유래 극도 경화유와 올리브유를 혼합하는 단계;

2) 상기 혼합유에 리파아제를 첨가하고 65∼80℃에서 1∼4 시간동안 반응시키는 제1 반응 단계; 및

3) 상기 2) 단계를 거친 혼합유를 40∼60℃에서 44∼47 시간동안 반응시키는 제2 반응 단계;

를 포함하는 효소적 에스테르교환반응을 거치는 유지의 제조방법.

제 1항에 있어서, 상기 카놀라유 유래 극도 경화유와 올리브유는 1:9 내지 9:1의 중량비로 혼합됨을 특징으로 하는 유지의 제조방법.

제 1항에 있어서, 상기 리파아제는 리조퍼스 델레머(Rhizopus delemar), 무코 미에헤이(Mucor miehei), 알칼리진 속(Alcaligenes sp.), 아스퍼질러스 니거(Aspergillus niger), 칸디다 안타르티카(Candida antarctica), 칸디다 실린드라세(Candida cylindracea) 및 지오트리쿰 칸디둠(Geotrichum candidum)을 포함하는 미생물 유래의 리파아제; 대두 미누카 히마 종자를 포함하는 식물 유래의 리파아제; 및 동물의 췌장 리파아제로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상임을 특징으로 하는 유지의 제조방법.

제 1항에 있어서, 상기 리파아제는 혼합유에 대하여 1 중량%로 첨가됨을 특징으로 하는 유지의 제조방법.

제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 의한 방법으로 제조된 유지.

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