KR20070002915A

KR20070002915A - 리그난류 화합물 고함유 참기름 및 그 생산방법

Info

Publication number: KR20070002915A
Application number: KR1020050058617A
Authority: KR
Inventors: 주영운
Original assignee: 주식회사 유맥스
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2005-06-30
Publication date: 2007-01-05

Abstract

본 발명은 리그난류 화합물이 다량 함유된 참기름 및 그 생산방법이 개시되어 있다. 상기 리그난류 화합물 고함유 참기름 생산방법은 참깨 원료로부터 직접 초임계 이산화탄소와 에탄올을 이용하여 리그난류가 고효율로 집적시키는데 그 특징이 있다.

참깨, 참기름, 초임계 이산화탄소, 리그난, 세사몰, 세사몰린, 항산화물

Description

리그난류 화합물 고함유 참기름 및 그 생산방법{Production method for Sesame Oil containing High Content of Lignans and the sesame oil thereof}

도 1은 초임계 이산화탄소를 이용하여 참깨 원료로부터 리그난류 화합물 고함유 참기름 추출 공정을 도시한 것이다.

도 2는 리그난류 화합물 중 세사몰의 HPLC 분석 크로마토그래프를 도시한 것이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 추출기 2 : 열교환기

3, 4 : 펌프 5 : 보조용매 저장조

6 : 이산화탄소 저장조 7 : 보조용매 분리기

8 : 감압기 9 : 감압밸브

10, 11 : 배출밸브 12, 13 : 공급밸브

본 발명은 리그난류 화합물 고함유 참기름 및 그 생산방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 본 발명은 초임계 이산화탄소를 이용하여 참깨 원료로부터 리그난류 화합물을 다량 함유하는 참기름을 분리 생산해내는 방법에 관한 것이다.

참깨는 참깨과(Pedaliaceae) 참깨속(Sesamum)에 속하는 1년생 초목(Sesamun indicum)으로 종자가 식품으로 사용된다. 참깨가 유량식물(油糧植物)중에서 특히 귀중한 유량식품(油糧食品)으로 인식이 되어 있는데 이는 언제부터인가 확실치는 않으나 다양한 약효를 지니는 건강에 좋은 식품으로 알려져 있다. 기원전 3세기경 중국의 고의서「신농본초경」에서는 참깨는 신장의 기능을 회복하여 신체에 활력을 주는 식품이고, 오장의 기능을 보강하고 원기를 주며 체력을 튼튼하게 하고 성장을 촉진시키며, 뇌를 좋게 한다고 쓰여져 있다.

참깨에 존재하는 주요 생리활성물질로서 토코페롤 외에도 리그난 화합물(Sesame lignans)을 들 수 있다. 리그난이라고 부르는 화합물은 파라히드록시 페닐프로판(p-Hydroxyphenylpropane)이라는 화합물이 짝지움한 구조를 갖는 저분자 천연물을 총칭하는 것으로 그 대표적인 것으로 세사민, 세사몰린, 세사몰, 세사미놀이 있다.

세사몰(Sesamol)은 항산화, 항암작용 및 간기능 개선등의 효과가 있는 것으로 알려진 매우 중요한 기능성 물질이다. 생체내 대사과정에서 발생하는 활성산소, 또는 free radical은 생성되어 축적되면 생체기능을 저하시킴과 동시에 노화 및 성인병의 원인으로 지적되고 있다. 이러한 활성산소에 의한 산화 스트레스는 노화, 암, 동맥경화 및 당뇨 등의 원인이라는 학설이 인정됨에 따라 오래 전부터 화성산 소 및 free radical 등의 산화 스트레스를 억제할 수 있는, 즉 항산화 기능을 갖는 식물을 찾는데 많은 노력을 기울여 왔다. 그 결과, 참깨로부터 리그난 화합물(lignans) 또는 그의 배당체의 존재가 밝혀지고 임상실험을 통하여 강한 항산화 효과를 발견하였다. 그 후 최근까지 항산화 물질인 이들 리그난 화합물의 생체 내에서의 생리활성에 대하여 많은 연구가 이루어지고 있다. 특히 최근에 이들 리그난 화합물 중 세사몰이 돌연변이를 억제하는 항돌연변이 효과가 항산화 효과와 병행되어 보고되었다(I.P. Kaur. and A. Saini, Mutation Research, vol 470, pp.71-76, 2000). 또한 세사몰의 항산화 효과는 참께에 같이 존재하는 토코페롤과 상승작용을 일으킨다는 연구보고(H. Yoshida and S. Takagi, Journal of the Science of Food and Agriculture, vol 79, pp.220-226, 1999)도 있다.

세사민은 간장에서의 알콜분해를 촉진시키는 효과가 보고 되고 있으며 음주시의 간장보호와 숙취예방을 위한 건강식품으로서 세사민 캡슐이 시판되고 있다. 또 암세포의 증식을 억제하는 효과가 있는 것도 보고 되고 있다 특히 화학물질에 의해 유발된 유방암의 증식억제에 효과가 있다고 한다. 또 혈청 콜레스테롤의 농도를 낮추는 작용, 혈압상승을 억제하는 작용도 보고 되었다. 참깨가 가지고 있는 특수성분인 리그난류의 종류, 함량 및 그 작용을 요약하면 다음 표 1과 같다.

참깨 리그난의 종류, 함량 및 그 기능

종류	함량(100%)	기능 및 작용
세사민(Sesamin)	0.2~0.5	프로스타그린딘제어, 콜레스테롤 강하, 간기능활성
세사몰린(Sesamolin)	0.1~0.3	화학적으로 유발된 유방암의 예방효과, 분해하면 세사몰, 세사미놀로 되어 강력한 항산화성
세사몰리놀	미량	강력한 항산화물질, 열에 안정
세사미놀	미량	항산화물질
피노레시놀	미량	항산화물질
P₁	미량	세사몰린의 분해산물, 강력한 항산화물질
세사몰	미량	강력한 항산화물질

현재 참기름은 한국인에게 가장 선호되는 유지이다. 현재 참기름의 제조방법은 전통적인 방법으로서, 참깨를 고온에서 볶은 후 압착하여 뽑아내고 있다. 하지만 이러한 전통적인 방법은 여러 문제점을 내포하고 있는데, 첫째 그러한 물리적인 압착을 통해서는 참깨 속에 존재하는 모든 유지를 뽑아낼 수 없어 수율이 높지 못한 점과, 둘째로는 참깨 속에 존재하는 세사몰과 같은 생리활성물질의 대부분이 빠져 나오지 않고 참깨박에 남아있어 아깝게 폐기되고 있다는 점이다. 따라서 생리 활성성분이 다량 함유된 참기름을 고수율로 제조하는 방법으로서 유기용매를 이용하는 화학적 추출방법이 가장 유망하다. 그러나 이같은 유기 용매의 사용은 환경문제를 유발할 가능성이 많고 무엇보다도 유기 용매를 식품 제조에 사용한다는 것에 대한 소비자들의 큰 부정적인 반응이 예상된다. 따라서 독성 유기용매를 사용하지 않으면서 포함된 생리활성물질, 특히 리그난류 화합물을 다량 함유하는 참기름 제조방법을 개발하여 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 초임계 이산화탄소를 이용하여 참깨로부터 리그난류 화합물이 다량으로 함유된 참기름 및 그 생산방법을 제공하는 데 있다.

본 발명은 리그난류 화합물을 고함유한 참기름을 생산하는 방법을 제공한다.

본 발명에서 리그난류 화합물로는 세사몰, 세사몰린, 세사민, 세사몰리놀, 세사미놀, 페노레시놀 등이 있다.

본 발명에서는 참깨 고유의 리그난류 화합물을 고함유한 참기름을 고효율적으로 추출하기 위하여 초임계 유체를 이용한 초임계 추출법을 사용한다.

본 발명에서 상기 초임계 추출법은 참깨를 입경크기 1.25mm이하의 미세입자로 분쇄하는 단계와; 상기 참깨원료 분말을 초임계 이산화탄소를 사용하여 온도 35∼80℃, 압력 500bar에서 유속 0.0085m/sec이하로 추출하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.

상기에서 참깨를 분쇄하는 단계 전에 참깨를 200℃이상에서 30분이상 배전하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

또한 상기 초임계 추출시 초임계 이산화탄소와 더불어 보조용매로서 1.0%이하의 물을 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 초임계 유체를 이용하는 참기름 추출방법에 대해 설명하기 이전에 초임계 유체의 추출에 대해 설명하면, 초임계유체 추출은 초임계 상태의 유체가 갖는 여러 장점을 이용하여 기술로, 증류(distillation)와 추출(extraction)의 원리가 같이 적용되는 복합 기술의 성격을 갖기 때문에 여러 가지 독특한 장점을 갖는다. 초임계 유체는 압력 온도의 조작에 의하여 고밀도 상태에서 저밀도 상 태의 어떤 조건 설정도 가능하기 때문에 분획 및 분리 등의 선택성이 뛰어나서 고순도의 제품을 얻을 수 있고, 추출 용매를 손실없이 거의 완전하게 회수할 수 있으며, 잔존 용매가 없는 정제물을 얻을 수 있다. 또한 초임계 유체의 점도가 작아 시료에의 침투성이 좋아 추출효율이 높으며 또한 확산 계수(diffusion coefficient)가 크므로 추출속도가 빠르며, 비교적 저온에서 추출하므로써 열에 의한 영양물질의 손상을 피할 수 있고, 시료와 초임계 유체와의 밀도차이가 크고 초임계 유체의 점도가 낮으므로 추출 잔유물과 용매의 분리가 용이한 장점 등의 많은 장점을 가지고 있다. 하지만 고압 장치를 사용하여야 하므로 시설비 및 유지비가 많이 드는 단점이 있어 초임계 유체를 이용하는 추출은 고효율로 이루어져야만 경제성이 있는 것으로 알려져 있다.

초임계 유체로서 이산화탄소를 가장 많이 이용하는데, 이산화탄소는 그 임계 압력이 7.4 MPa이고, 임계 온도가 31℃로 낮아 일반적으로 초임계 조건을 만들기 쉽고, 이산화탄소 자체가 독성이 없고 비용이 저렴하기 때문에 가장 선호되고 있다. 초임계 이산화탄소는 비극성 용매로서 유지와 같이 극성이 낮은 물질의 추출에 다양하게 활용되고 있다. 또한 알코올과 같은 극성을 지닌 물질을 일부 첨가함으로서 초임계유체의 극성 변화를 쉽게 유도할 수 있어 즉, 용해력을 현저하게 바꿀 수 있어, 트리글리세라이드 이외의 유지 성분들의 추출에도 활용할 수 있는 장점이 있다.

본 발명은 초임게 유체를 참깨와 접촉시켜 참깨에 있는 리그난류 화합물이 고함량 함유된 참기름을 추출하는 추출기와, 추출이 끝는 후 초임계 유체속에 참기 름을 분리시키는 기능을 갖는 감압분리기를 특징으로 하고 있다. 상기 감압분리기에서는 추출기에서 나온 초임계 유체를 감압하여 고순도의 참기름을 얻고, 감압분리기에서 분리된 초임계 유체 용매를 다시 회수하여 추출기로 공급하여 재사용하는 순환장치 등으로 구성되어 있다.

도 1은 초임계 이산화탄소를 이용하여 참깨로부터 리그난류 화합물을 다량 함유하는 참기름을 추출하는 장치를 개략적으로 도시한 개략도이다.

본 발명에 따른 참기름 추출장치를 보다 구체적으로 살펴보면, 도 1에 도시된 바와 같이, 2개 이상의 추출기(1)에 원료인 참깨를 충진하고, 열교환기(2)를 통하여 초임계 이산화탄소를 추출기(1)의 하단부에 공급한다. 이때, 공급밸브(12), (13)는 각각의 추출기(1)에 공급되는 초임계 이산화탄소의 공급을 조절한다.

이렇게 공급된 초임계 이산화탄소는 충진된 참깨와 접촉하여 참기름을 추출하며 상승한 뒤 추출기 밖으로 방출되는데, 이때 방출되는 이산화탄소와 참기름의 혼합물은 배출밸브(10),(11)에 의해 방출량이 조절되며, 추출된 초임계 이산화탄소와 참기름의 혼합물은 감압밸브(9)를 경유하며 감압되면서 감압기(8)로 이송된다.

감압기(8)에서는 추출된 참기름과 이산화탄소가 분리되며, 분리된 이산화탄소는 저장조(6)로 순환되어 재 사용되며, 감압기(8)에서 분리된 참기름은 보조용매 분리기(7)를 경유하여 최종 제품으로 수거된다.

이산화탄소 저장조(6)에는 순환되어 공급되는 이산화탄소 외에 전 공정에서 발생하는 약간의 손실을 보충하도록 외부에서 이산화탄소가 보충될 수 있다.

저장조(6)에 저장된 이산화탄소는 펌프(3)를 통하여 가압되어 초임계 상태로 열교환기(2)를 통하여 추출기에 공급된다.

이러한 과정은 참깨로부터 목표로 정한 참기름 추출 수율에 이를때까지 연속적으로 진행된다. 또한 연속운전을 위하여, 추출기(1)는 2개 이상을 설치하여 다수의 공급밸브(12),(13)와 다수의 배출밸브(10),(11)를 조절하여 교대로 사용하는데, 사용하지 않는 추출기에서는 추출이 끝난 폐참깨를 제거하고 새로운 참깨를 충진하여 다음번의 추출에 대비한다.

이와 관련하여, 본 발명에 따른 초임계 유체를 이용하는 참기름 추출방법에 대해 설명한다.

본 발명에 따른 초임계 유체를 이용하는 고함량 리그난류 화합물 고함유 참기름 추출방법은 기본적으로 참깨를 추출기에 충진하고, 참깨가 충진된 추출기에 초임계 유체를 투입하여 참기름을 추출하고, 이렇게 추출된 초임계 유체와 참기름의 혼합물을 감압시켜 분리하며, 분리된 유체를 펌프에 의해 가압하여 재 순환시키는 공정으로 구성된다.

이때, 리그난류 화합물의 추출효율을 향상시키기 위하여 참깨를 미세입자로 파쇄하는 전처리공정이 더 추가되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 초임계 유체는 여러가지가 사용될 수 있지만, 이산화탄소를 사용하는 것이 가장 바람직하며, 특히 온도는 35∼100℃, 압력은 100∼800 bar일 때가 추출효율이 좋다.

또한, 초임계 이산화탄소를 추출기에 공급할 때에 보조용매를 같이 공급하여 사용하면 추출효율이 크게 증가하는데, 보조용매로는 주로 알콜류가 많이 사용되며 본 발명에서는 잔류용매에 의한 잠재적 위험성을 근본적으로 제거하기 위하여 물(water)을 사용하였으며, 그 농도는 1% 이하인 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 추출방법 및 공정의 우수성을 실제 실험을 통하여 검증하였으며, 그에 따른 결과들을 표들에 기재하여 표시하였다.

실시예 1: 참기름 추출 효율 향상을 위한 참깨의 전처리공정

상기 공정에서 원료 참깨의 성상을 변화시키면서 참기름의 추출 효율을 측정하였다. 원료 참깨는 종자 형태, 단편형태(flake), 및 파쇄한 미세 입자 형태로 하여 1시간 동안 60℃, 500bar의 초임계 이산화탄소로 추출함으로써 참기름을 제조하였다. 그 후 참기름 속에 함유되어 있는 리그난류 화합물 중 세사몰 함량을 측정하였다.

세사몰은 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC, High Performance Liquid Chromatography)로 분석하였다. 고정상으로 상기 C18 칼럼(AQUA 5μC18, 250x4.6 mm)을 사용하였다. 이동상의 조건은 하기 표 2와 같이 수행하였다. 시료는 에탄올로 용해하여 여과한 뒤 20㎕를 주입하였다. 검출기는 UV검출기를 사용하여, UV 290nm에서 측정하였다.

이동상의 조건

시간(분)	아세토나이트릴(acetonitrile)	물(H₂O)	유속
0	3	7	1mL/min
10	6	4	1mL/min
15	9	1	1mL/min

도 2는 세사몰의 HPLC분석 크로마토그래피이다.

추출 효율은 추출 분리된 참기름에 함유된 세사몰의 함량을 측정하여 수율로 환산하여 비교하였다. 효율은 참깨에 함유된 세사몰의 전체량을 100%로 하고 추출된 세사몰의 무게를 퍼센트로 계산하였다.

원료참깨의 형태에 따른 세사몰 추출효율

원료 참깨 형태	수율 (%)
종자 형태	2.3
단편형태(flake)	16.3
입자형태 (직경 1.25mm 이상)	89.8
미세입자형태 (직경 1.25mm 이하)	98.5

상기 표 3에 나타난 바와 같이, 세사몰 추출의 효율은 원료 참깨의 형태에 큰 영향을 받는다. 특히, 입자의 크기가 작을수록 효율이 좋은데, 이는 원료와 초임계유체의 접촉면적이 증가되어 추출효율이 높아진 것으로 여겨진다.

특히, 상기 실험에 사용된 원료참깨는 배전(볶음, roasting) 과정을 거친 것이다. 세사몰은 배전에 의하여 참깨 특유의 리그난 화합물인 세사몰린으로부터 생산되는데, 배전 조건이 원료참깨의 세사몰 함량에 큰 영향을 미친다. 따라서 주로 배전 온도와 시간에 따라 원료참깨 내 세사몰 함량이 결정된다.

표 4은 배전 온도에 따른 원료참깨 내 세사몰 함량 변화를 나타낸 것으로, 30분간 배전할 때 배전 온도가 200℃ 이상에서 세사몰 함량이 급격하게 증가함을 알 수 있었다. 또한 표 5는 배전 시간의 영향을 나타낸 것으로, 200℃에서 배전 시간을 증가시켰을 때 원료참깨의 세사몰 함량을 측정한 것이다. 배전시간이 길어질수록 세사몰 함량도 증가함을 알 수 있었다.

배전온도에 따른 원료 참깨의 세사몰 함량 변화

배전시간 : 30분	실험예1	실험예 2	실험예 3	실험예 4	실험예 5	실험예 6	실험예 7	실험예 8	실험예 9
배전온도(℃)	100	150	170	180	190	200	210	220	250
세사몰 함량(mg/L)	0	0	11	13	27	72	129	335	1100

배전시간에 따른 원료 참깨 내 세사몰 함량 변화

배전온도 200℃	실험예 10	실험예 11	실험예 12	실험예 13	실험예 14	실험예 15	실험예 16
배전시간(분)	30	40	50	60	70	80	90
세사몰 함량(mg/L)	72	120	207	235	257	362	398

상기 결과를 통해 만일 배전공정을 거치지 않는다면 세사몰린이 세사몰로 열분해되지 않아 세사몰의 함량보다는 세사몰린의 함량이 더욱 높으리라는 것을 알 수 있다. 따라서, 필요에 따라 배전공정의 수행여부를 결정할 수 있다.

실시예 2: 초임계 유체의 온도 변화에 따른 세사몰 추출 효율

상기 실시예에 따른 추출공정에서 초임계 이산화탄소의 온도를 35, 40, 50, 60, 70, 80℃로 변화시키며 참기름을 추출하고 세사몰 함량을 측정하였다. 이때 초임게유체의 압력은 500bar로 유지하였고, 참기름 추출 효율이 98% 될 때까지 추출하였다. 추출된 참기름에 함유된 세사몰 함량은 상기 언급된 방법으로 측정하였다.

표 6의 결과에서 보듯이 항산화물인 세사몰의 경우, 초임계 이산화탄소 조건에서 온도가 높을수록 추출함량이 높았다.

초임계 유체의 온도 변화에 따라 추출된 참기름의 세사몰 함량

온도(℃)	35	40	50	60	70	80
함량(mg/L)	161	179	203	210	229	242

실시예 3: 초임계 유체의 유속 변화에 따른 세사몰 추출효율

실시예 2에 따른 공정에서 초임계 이산화탄소의 유속을 변화시키면서 참기름을 추출하고 세사몰 함량을 측정하였다. 미세입자 형태의 원료가 충진된 추출기를 통과하는 초임계 유체의 유속(superficial velocity)을 변화시키며 추출하고, 추출된 참기름에 함유된 세사몰 함량은 상기 언급된 방법으로 측정하였다. 이때 초임계유체의 온도는 60℃, 압력은 500bar로 유지하였으며, 참기름 추출 효율이 98%될 때까지 추출하였다.

초임계 이산화탄소의 유속(superficial velocity)을 변화시키면서 추출한 참기름의 세사몰 함량

유속 (m/sec)	0.0014	0.0028	0.0057	0.0085
세사몰 함량(mg/L)	465	310	210	188

표 7의 결과에서 보듯, 유속을 낮게하여 추출한 참기름의 세사몰 함량이 높은 것을 알 수 있다. 이는 세사몰은 원료 입자로부터 확산에 의하여 추출되는 메커니즘을 가지고 있기 때문이라 여겨진다. 따라서 세사몰 고함유 참기름을 추출하기 위해서는 낮은 유속으로 오래 추출하는 것이 유리함을 알 수 있었다.

실시예 4: 보조용매 첨가에 따른 세사몰 추출 효율

초임계 유체 추출에서 보조용매로서 주로 알콜류가 많이 사용되지만, 참기름 추출에서는 보조용매로 사용된 알콜류는 후처리 제거 과정에서 많은 문제를 일으키기 때문에 본 연구에서는 물을 보조용매로 사용하였다. 미세입자 형태로 참깨원료가 충진된 추출기에 초임계 이산화탄소에 물을 보조용매로 첨가하여 추출하고, 추출된 참기름에 함유된 세사몰 함량을 측정하였다. 이때 초임계 유체의 온도는 60℃, 압력은 300bar로 유지하였으며, 참기름 추출 효율이 98%에 이를때까지 추출하였다.

표 8은 상기 추출조건에서 보조용매인 물의 함량을 변화시키며 추출한 결과로서 보조용매에 의하여 세사몰 추출효율이 크게 증가함을 알 수 있었다.

초임계 이산화탄소에 보조용매 첨가에 의한 세사몰 추출 효율 변화

첨가된 물의 농도(%)	0	0.1	0.5	1.0
세사몰 함량(mg/L)	204	480	585	805

초임계 이산화탄소에 보조용매로서 물(H₂O)은 0.1%이하의 용해도를 보이는 것으로 알려져 있다. 표 8에 첨가된 물은 과포화조건 이지만 세사몰 추출 효율을 크게 향상시키는 결과를 보이고 있다.

한편, 표 9는 종래의 참기름 생산방식인 압착법과 본 발명방법에 따라 생산된 참기름에 존재하는 세사몰 함량을 비교한 것으로 본 발명 방법에 따르면 세사몰 함량을 6.6배, 보조용매 사용시에는 11.5배 각각 증가시켜 본 발명의 우수성을 보여주고 있다. 종래 생산 방법 결과는 시판되고 있는 참기름(A사 제품)을 분석하여 얻었다.

종래방법과 본 발명 방법에 의한 참기름 추출 효율 비교

	종래방법(압착식)	본발명(초임계유체 추출)	증가율(배)
참기름 내 세사몰 함량(mg/L)	70	465	6.6
참기름 내 세사몰 함량(mg/L)	70	805(보조용매 사용시)	11.5

이상, 상기 실시예와 실험예를 통하여 설명한 바와 같이 본 발명은 초임계 이산화탄소를 이용하여 참깨로부터 리그난류 화합물 고함유 참기름을 추출하는 방법을 제공하는 뛰어난 효과가 있으므로 식품공업상 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims

참깨를 200℃이상에서 30분이상 배전하는 단계; 참깨를 입경크기 1.25mm이하의 미세입자로 분쇄하는 단계와; 상기 참깨원료 분말을 초임계 이산화탄소와 1.0%이하의 물(H₂O)을 사용하여 온도 30∼80℃, 압력 500bar에서 유속 0.0085m/sec이하로 추출함을 특징으로 하는 리그난류 화합물 고함유 참기름 생산방법.
제 1항 기재의 방법에 의해 생산되어 리그난류 화합물의 농도가 465mg/L 내지 805mg/L 수준으로 고함유된 참기름.