KR19990033721A - 어류로부터의 수용성 collagen 추출방법 및 기능성 collagen 화 장품과 collagen 발효 음료의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 특허에서는 어류(Cat fish) 또는 어류로부터 폐기되어지는 어류 껍질, 머리 부분, 뼈, 내장 등에서 collagen을 추출, 분리하는 방법과, 이것으로부터 citric acid 혹은 ascorbic acid로 수용성 collagen을 제조하는 방법을 언급하였다.

이와 같이 얻어진 수용성 collagen을 기초로 하여 기능성 화장품(pack, essence)을 제조하는 방법을 제시하였다.

또한 collagen 함량이 높은 Cat fish의 등뼈와 머리 부분을 이용하여 과즙과 함께 유기산 발효를 하여서 기능성 collagen 발효 음료 제조 방법을 제시하였다.

Description

어류(Cat fish)로부터 수용성 collagen 추출방법 및 기능성 collagen 화장품과 collagen 발효 음료의 제조방법

우리 나라 수산물의 총 생산량(1990년대 후반)은 328만톤, 여기에 수입량을 합친 총 공급량은 년간 393만톤이다. 이중 가공 원료로 이용되는 것은 총 공급량의 86.6%인 340만톤이며, 나머지 53만톤은 일부 동물 사료로 이용될 뿐, 대부분이 폐기 처분되고 있다.

본 특허에서는 폐기 처리된 53만톤의 어패류 폐기물로부터 유효 단백질인 collagen을 추출하여 신소재로 재활용하고자 한다.

일반적으로 수산 가공 공장에서 원료어를 처리할 때 육을 채취하는 과정에서 부산물로 얻어지는 물고리의 머리부분, 껍질, 내장, 뼈 등의 잔사가 전 물고기의 1/3 이상을 차지한다. 이중 어류의 뼈나 껍질에는 다량의 collagen이 함유되어 있는데, 이것 중에서 수산 가공 부산물인 어류 껍질에서 수용성 collagen을 추출하기 위해 collagen 함량이 높은Cat fish의 껍질과 뼈로부터 효율적으로 수용성 collagen을 추출했다.

수용성 collagen은 피부의 탄력을 유지시키고, 잔주름을 예방하며, 특히 피부의 수분 보습력을 높이는 기능이 있어 화장품 기초재료로서 널리 사용되고 있으며, 특히 천연의 생체 고분자로서 피부와 반응시 면역학적 반응이 적어 의공학용으로도 널리 사용되어지고 있다.

Collagen은 시간이 지남에 따라 collagen 분자간에 교차 결합이 형성되어 불용성 collagen으로 변하며, 따라서 수용성 collagen 함량은 어린 동물의 근육조직에 많이 존재하고 있다. 현재 수용성 collagen이 주로 추출되는 곳은 어린 송아지 가죽이며, 그 양은 송아지 가죽의 1% 미만으로 아주 소량 추출되며, 무두질 등의 전처리 과정을 거치므로 여기서 얻어지는 수용성 collagen은 매우 비싸며, 또한 신선한 collagen을 얻기에는 전처리 과정에서 추출시간이 많이 소요되고 있는 실정이다.

어류의 머리부분, 껍질, 내장, 뼈 등에는 수용성 collagen 함량이 매우 많으며, 또한 소나 돼지에서처럼 무두질 등의 과정이 필요없어 신선한 상태에서 바로 collagen을 추출할 수 있다는 장점이 있다.

그래서 본 특허에서는 collagen 함유량이 많은 어류(Cat fish)의 머리부분, 껍질, 뼈 등에서 collagen을 추출하고자 한다.

이와 같은 collagen을 여러 소재에서 추출하고 있는데, 미국 특허 5,106,949(1992 Kemp et. al.) 또는 5,162,506(1992, Hadden)에서는 송아지 껍질로부터 collagen을 회수하는 방법에 대하여 언급하고 있다. 여기서는 송아지 가죽으로부터 collagen을 얻어내는 방법으로 우선 송아지 가죽으로부터 털과 지방을 제거하는 무두질 과정이 필요하며, 그 회수량도 원료 가죽 1kg에서 수용성 collagen을 12g 정도 회수하였다고 보고하고 있다.

한편 미국 특허 5,420,248(1995, Pierre Devictor, Lyons et. al.)에서는 넙치 또는 가자미에서 collagen을 추출하는데 있어서 전처리 방법으로 phosphate buffer에서 2번 수세한 후, 0.25M의 acetic acid에서 추출하였다. 이 때, 추출 수율은 1kg에서 40g을 얻을 수 있었다. 그러나 본 특허에서는 0.1N의 NaOH와 3% H₂O₂로 전처리한 후, ascorbic acid 또는 citric acid로 가용화시켜 collagen을 회수하였다. 그 결과 Cat fish 표피에서 추출된 collagen은 1kg당 175g의 수율로 얻을 수 있었다.

또 추출한 collagen의 탈색과 불순물을 제거하는 방법으로, 미국 특허 4,894,441(1990, Claudio Menicagli)에서는 기존 collagen의 정제과정으로 희석된 유기산을 이용해서 생체 조직에서 collagen을 추출한 다음, 무기염을 첨가해서 collagen을 얻어낸 뒤, 25℃의 acetic acid에 가용화 시킨 후, 다시 NaCl을 사용해서 정제하는 방법을 보여주고 있다. 그러나 본 특허에서는 Cat fish skin을 잘게 자른 후, 10℃에서 0.1N의 NaOH와 3% H₂O₂용액에서 6~8시간 교반을 통해 탈색시켰으며, 3~4회의 수세를 한 후 0.1N의 NaOH 용액에서 다시 교반(24hrs.)시킨 후 다시 수세함으로서 collagen 중의 불순물을 제거할 수 있었다.

그리고 김진수, 조순영(한국 농화학회지, 39(2) 134~339) 등은 어류 껍질에서 gelatin을 얻었다고 보고하고 있다. 하지만 본 특허에서의 Cat fish collagen은 변성온도(22℃, 참조 [실시예 3]보다 낮은 10~15℃에서 collagen을 가용화시켰기 때문에 김진수(한국농화학회지, 36(4) 290~295)의 가자미 껍질에서 gelatin을 얻는 방법과는 달리 gelatin이 아닌 순수 수용성 collagen으로 추출할 수 있었다.

또한, 미국 특허 5,411,887(1995, Sjolander Einar), 5,460,967(1995, Fink David Jr.), 5,316,942(1994, Fink David Jr.) 등에서는 송아지 또는 소에서의 수용성 collagen의 추출 수율을 높이기 위해 효소로 collagen의 가교결합을 분해시킨 다음, 복잡한 분리·정제 공정을 통해 수용성 collagen을 얻을 수 있었다. 그러나 본 특허에서는 효소를 사용하지 않고 곧바로 복잡한 과정없이 ascorbic acid 또는 citric acid에 가용화시키므로서 수용성 collagen을 얻을 수 있었다. 여기서 수용성 collagen을 얻기 위해 사용했던 ascorbic acid는 기능성 화장품 원료로서 수용성 항산화제이며, 또한 피부조직에서 피부섬유를 합성하는 효소를 활성화시키는 역할을 한다. 한편 수용성 collagen은 피부보습제 및 노화방지제로 알려져 있다. 또한 ascorbic acid는 기능성 화장품 원료로서 수용성 항산화제이며, 또한 피부조직에서 피부섬유를 합성하는 효소를 활성화시키는 역할을 한다. 한편 수용성 collagen은 피부보습제 및 노화방지제로 알려져 있다. 그래서 본 특허에서는 Cat fish로부터 collagen을 추출, 분리, 정제할 때 ascorbic acid 및 citric acid를 사용하므로 이것들이 갖는 기능과 수용성 collagen이 갖는 기능을 합하여 기능성 collagen 화장품을 만들 수 있었다.

또한 [표 1]에서 보여준 바와 같이 김세권(식품공업, 31~50(1993))은 어류에서 추출된 수용성 collagen은 소에서 추출한 collagen에 비해 필수아미노산의 조성이 높다고 보고하였다. 그리고 대부분의 단백식품에서 부족한 아르기닌의 함량이 높아, 소에서 추출한 collagen보다 필수아미노산 조성이 최적으로 배합되어 있어 우수한 단백식품이 될 수 있으므로 Cat fish로부터 추출한 collagen을 원료로 발효 음료를 만들었다.

그러나 이제까지는 어류를 발효한 제품으로는 주로 젓갈만을 생각하였으며, collagen이 식품 원료로 사용된 경우에는 주된 재료가 아닌 식품에 안정제 등의 첨가제나, 소시지 케이싱 혹은 캡슐 등의 식용 gelatin으로 사용되었다. 하지만 본 특허에서는 어류에도 가용성 collagen 함량이 높음을 이용하여, 전처리(수세와 탈색, 부분적인 비 collagen 물질 제거) 과정이 끝난 어류 collagen에 사과 과즙을 첨가하여 유기산 발효를 시켜 수용성 collagen을 추출하여 저온에서도 gel화가 되지 않는 고농축 collagen 음료를 제조하였다.

[표 1] Cat fish collagen 및 소(결체조직) collagen의 아미노산 조성

(잔기수/1000잔기수)

[실시예 1]

살아있는 상태의 Cat fish에서 fillet을 뜨고 남은 부분인 skin과 등뼈, 머리부분을 채취하여 chopper 처리(0.3~0.5cm)한 시료를 사용했다.

3% H₂O₂, 0.1N NaOH 용액에 20%의 시료를 넣어 10℃에서 4~6시간 교반하였다.

그 결과 탈색과 동시에 지방질과 무기질 등의 분순물이 녹아 나오게 한 다음, 수차례 수세를 통해 백색의 collagen을 얻을 수 있었다.

다음 [표 2], [표 3], [표 4]는 이와 같은 탈색 조건 및 1차 collagen에서의 불순물 제거 공정의 반응시간에 따른 경시변화이다.

[표 2] 과산화수소 농도 변화에 따른 Cat fish 표피의 탈색 효과

* 조건 : H₂O₂농도 변화, 시료량 20%, 반응시간 6hrs., 온도 10℃

* 과산화수소 농도만을 높이면 완전 탈색이 이루어지지 않는다.

[표 3] 과산화수소 농도와 가성소다 용액에 따른 Cat fish 탈색 효과

* 조건 : H₂O₂농도 변화, NaOH 0.1N, 시료량 20%, 반응시간 6hrs., 온도 10℃

* 탈색 및 비 collagen 물질 공정을 함께 하면 H₂O₂3%에서도 깨끗이 탈색이 일어남.

[표 4] 과산화수소와 가성소다 수용액에서 반응시간에 따른 Cat fish 탈색 효과

* 조건 : 반응시간 변화, H₂O₂농도 3%, NaOH 0.1N, 시료량 20%, 온도 10℃

* 적정 탈색시간은 6~8시간이었고, 12시간 이상이 되면 수세 후 갈색의 성상을 띄는 것으로 보아서 재 염색됨을 알 수 있다.

이러한 경시변화의 결과 위에서 언급하였듯이 가장 적절한 탈색 및 1차 비 collagen 물질 제거 조건은 3% H₂O₂100㎖ 기준으로, 시료 20%, NaOH 0.1N로 10℃에서 6시간 반응임을 알 수 있다. 다음의 [표 5]는 이러한 조건으로 처리한 시료의 수율을 나타낸 것이다.

[표 5] Collagen 분리·정제 및 회수율

[실시예 2]

실시예 1에서 보인 collagen 중 불순물 제거 공정에서 나온 collagen을 다시 10℃의 0.1N NaOH 용액에서 24시간 반응시켰다. 그 결과 skin 속에 있는 무기질과 지방질을 녹아나게 한 후, 수회에 걸쳐 수세하여 백색의 순수 collagen을 얻을 수 있었다(참조 [표 6]). 이와 같이 얻어진 순수 collagen을 수용성 collagen으로 만들기 위해 증류수에 citric acid 혹은 ascorbic acid(참조 [표 7])를 collagen양 대비 5% 농도로 첨가한 뒤, 순수 collagen 시편을 넣어 10℃에서 24시간 교반시켰다. 그 결과 덩어리로 된 collagen이 녹아났다. 이 것을 80mesh의 체로 거른 뒤, 그 모액을 냉장고에 보관, 또는 동결 건조시켜 분말상태로 하여 5℃에서 보관하였다. 그리하여 수용성 collagen을 얻을 수 있었다.

[표 6] 수용성 collagen 중의 성분표

[표 7] Citric acid 혹은 Ascorbic acid 수용액 중에 collagen의 가용화

[실시예 3]

실시예 1과 실시예 2에서 찾은 조건으로 추출한 Cat fish collagen의 변성점은 Oswald법을 이용하여서 측정하였다. 그 결과는 아래 [표 8]과 [그림 1]에 나타냈듯이 22℃임을 알 수 있다.

μ=μ₀(d₁·t₂) / (d₂·t₂) μ=시료의 점도 μ₀=표준액(증류수)의 점도 1

d₁: 시료의 비중(0.98)

t₂: 시료의 유출 시간

d₂: 표준액의 비중

t₂: 표준액의 유출시간(초)

y=22.763-0.1786x(y : 유출시간(초) x : 온도)

R²=0.99023

[표 8] 온도변화에 따른 collagen 수용액의 점도 변화

[그림 1] Cat fish collagen의 변성온도

[실시예 4]

실시예 1과 실시예 2에서 찾은 조건을 가지고 collagen의 적정 가용화 농도를 찾기 위해서 증류수 100에 citric acid 혹은 ascorbic acid 5%를 첨가하고, 온도는 10℃로 24시간 동안 교반시켰다. 그 결과 [표 9]에 보이는 바와 같이 가용화하는 collagen의 농도가 높을수록 교반이 어려워, 가용화되지 않는 collagen의 비율이 높아진다. 따라서 적정 collagen 시료는 5% 정도임을 알 수 있다.

[표 9] 물에 대한 collagen의 용해도

[실시예 5]

실시예 1과 실시예 2의 방법으로 추출한 수용성 collagen 액([표 10])과 그것을 동결건조([표 11])하여 그 함량을 조사하였다. 이 분석은 한국 식품 위생 연구원에 의뢰하였다. 그 결과는 Neuman & Logan 법(J. Biol. Chem., 1950)으로 계산하였다.

[표 10] 수용성 collagen 액의 성분함량

[표 11] 동결 건조한 collagen의 성분함량

[실시예 6]

수용성 collagen을 기능성 화장 소재로 사용하기 위해 수용성 고분자인 polyvinyl alcohol(PVA) 10%, 정제수 26%, carboxyl methyl cellulose 4.5%, 수용성 collagen 50%, ethyl alcohol 7%, 그리고 약간의 향료를 첨가하여 교반하였다.

백색의 점성물질이 만들어졌다. 이 것을 미용팩으로하여 피부에 도포한 후 일정 시간이 지난 후 제거한 결과, 사용한 사람 85%가 피부가 촉촉하고, 부드러워지며, 피부의 당김이 없어지고 피부에 윤기가 흘렀다고 하였다.

[실시예 7]

실시예 2에서 추출해낸 수용성 collagen을 이용해 기능성 화장품인 essence를 제조하는 방법으로, 수용성 collagen 80%, 글리세린 5%, 프로필렌 글리콜 5%, 에칠 알코올 10% 그리고 약간의 향료를 첨가해서 교반하여 제조하였다.

[실시예 8]

Cat fish의 등뼈, 머리 부분을 실시예 1의 방법으로 비 collagen 성분을 제거한 후, 등뼈, 머리 부분([표 12])에 약간의 사과 과즙을 넣어 37℃에서 유산 발효를 시켰다. 이때, 교반하면서 액중에 산소를 공급하였다.

그 결과 등뼈와 머리 부분에 있던 collagen 성분과 뼈 중에 함유되어 있는 칼슘 성분을 가용화시켜 이것을 음료화 하였다.

[표 12] Cat fish의 등뼈, 머리 부분으로부터 collagen 회수 및 정제한 후 collagen의 성분표

[실시예 9]

사과와 증류수를 2:1로 혼합한 것 20g에 실시예 1의 방법으로 추출한 두부와 등뼈 collagen 80g을 혼합하여 제조한 후, 37℃로 유지하면서 시간의 경과에 따른 collagen 음료의 형상의 변화를 살펴보았다. 그 결과는 아래 [표 13]에 나타내었듯이 발효한 액이 저온(0~5℃)에서 gel화가 일어나지 않으려면 72시간의 발효시간이 필요하였다.

[표 13] Collagen을 이용, 시간에 따른 발효 음료의 물성 변화

[실시예 10]

실시예 1과 실시예 8의 방법으로 발효시켜 만든 음료의 최종 생산량은 총 첨가량(전처리한 등뼈의 두부 80에 사과 과즙 20을 혼합)의 약 60%의 비율로 생산된다. 그리고 이 성분 함량(한국 식품 위생 연구원에 의뢰)은 아래 [표 14]에 나타내었다.

[표 14] 발효된 collagen의 성분함량

Claims (4)

1. 어류(Cat fish)로부터 collagen 추출, 분리, 정제 방법.
2. 어류(Cat fish)로부터 citric acid 혹은 ascorbic acid를 이용한 수용성 collagen 제조 방법.
3. 수용성 collagen을 이용한 기능성 화장품(pack, essence) 제조 방법.
4. 어류(Cat fish)로부터 과즙을 이용한 기능성 발효 음료 제조 방법.