KR20200017104A - 반응 혼합물의 과산화물가 조정에 의하여 효소적 에스테르화의 효율을 향상시키는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 효소적 에스테르화의 효율을 향상시키는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 효소를 사용하여 트리아실글리세리드의 아실기를 다른 아실기로 교환하는 반응을 수행함에 있어서, 반응 혼합물의 과산화물가를 조절함으로써 반응 효율을 높여 전체 공정 효율 및 경제성을 보다 향상시킬 수 있는 방법에 관한 것이다.

Description

반응 혼합물의 과산화물가 조정에 의하여 효소적 에스테르화의 효율을 향상시키는 방법{Method for improving efficiency of enzymatic esterification by adjustment of peroxide value of reaction mixture}

본 발명은 효소적 에스테르화의 효율을 향상시키는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 효소를 사용하여 트리아실글리세리드의 아실기를 다른 아실기로 교환하는 반응을 수행함에 있어서, 반응 혼합물의 과산화물가를 조정함으로써 반응 효율을 높여 전체 공정 효율 및 경제성을 보다 향상시킬 수 있는 방법에 관한 것이다.

트리아실글리세리드 지방 및 오일은 음식산업에서 매우 광범위하게 사용되고 있는 물질로, 그 중에서 1,3-디올레오일-2-팔미토일 글리세리드(1,3-dioleoyl-2-palmitoyl glyceride, OPO)는 모유 지방의 중요한 성분으로 영양학적으로 연구가 많이 진행되었다.

모유 지방을 주로 구성하는 주요 지방산을 함유하는 지방 조성물은 식물 기원의 오일 및 지방에서 많이 발견되지만, 거의 모든 식물 기원 글리세리드가 2-위치에 포화지방산을 갖지 않는다. 이와 대조적으로, 모유 지방 내에서는 상당한 양의 포화지방산인 팔미트산(palmitic acid)이 글리세리드의 2-위치를 차지한다.

최근 유아건강에 대한 사람들의 관심이 높아지면서, 모유와 성분이 유사한 식품에 대한 수요가 증가하고 있다.

Innis(Adv. Nutr., 2:275-283, 2011)은 유아의 식이와 관련하여 트리아실글리세롤의 구조적 역할에 관련하여 기재하고 있다.

하지만, 통상의 분유는 분말우유 및 식물성 기름을 혼합한 형태로서, 분유의 기름성분을 분석하였을 때 2-위치에 팔미트산을 거의 함유하고 있지 않다.

이에 따라, 모유지방과 성분이 유사한, 2-위치에 팔미트산을 함유하고 있는 1,3-디올레오일-2-팔미토일 글리세리드(OPO)를 분유에 첨가하기 위한 고품질의 모유지방 대체지의 적용이 증가하고 있다.

OPO는 USU(Unsaturated-Saturated-Unsaturated) 트리글리세리드의 일종으로, Mohamad, et al(Lipase-catalyzed interesterification reactions for human milk fat substitutes production, 2013, 115, 270-285)는 리파제(lipase)를 이용하였을 때 트리아실글리세리드의 1,3-위치를 치환함으로써 1,3-디올레오일-2-팔미토일 글리세리드를 합성하는 연구가 주로 진행되어 왔음을 보여주고 있다. 리파제의 트리아실글리세리드의 1,3- 위치 특이적 반응 성질에 의해 트리아실글리세리드 지방의 2-위치에 포화지방산을 포함하는 글리세리드 백본(backbone)의 제공이 1,3-디올레오일-2-팔미토일 글리세리드(OPO)를 합성함에 있어서 중요하다.

이러한 선행기술들은 효소적 에스테르화 반응을 이용하는 것이지만, 반응의 진행에 따라 효소 활성이 감소하고, 그 결과, 전체 공정의 효율이 낮아진다. 따라서, 기존의 1,3-디올레오일-2-팔미토일 글리세리드(OPO) 생산 방법보다 고효율로 OPO를 제조할 수 있는 방법의 개발이 요청되고 있다.

본 발명은, 효소적 에스테르화 반응에 있어서 반응 효율을 높여 전체 공정 효율 및 경제성을 향상시킬 수 있는 방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 효소를 사용하여 트리아실글리세리드의 아실기를 다른 아실기로 교환하는 반응을 수행함에 있어서, 반응 혼합물의 과산화물가(peroxide value, POV)를 50 이하로 조정하는 것을 특징으로 하는, 효소적 에스테르화 방법이 제공된다.

본 발명의 일 태양에 따르면, (1) 출발물질로서 트리아실글리세리드 및 반응물질로서 상기 트리아실글리세리드 내의 아실기와는 상이한 아실기를 갖는 지방산을 포함하는 반응 혼합물에 대해 효소적 에스테르화 반응을 수행하여 상기 트리아실글리세리드의 아실기를 상기 지방산의 아실기로 교환하는 단계를 포함하되, 상기 단계에서 얻어진 반응 혼합물의 과산화물가를 50 이하로 조정하는 것을 특징으로 하는, 트리글리세리드의 제조 방법이 제공된다.

본 발명에 따르면, 효소를 사용하여 트리아실글리세리드의 아실기를 다른 아실기로 교환하는 반응을 수행함에 있어서, 효소적 에스테르화 반응의 반응 효율을 높여, 전체 공정 효율 및 경제성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 구체예에 따르면, 효소적 에스테르화 반응을 통하여 트리팔미토일글리세리드로부터 디올레오일 모노팔미토일 글리세리드를 고효율로 또한 경제적으로 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에서 수행된 C52 농도 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 수행된 USU 농도 분석 결과를 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에서 효소적 에스테르화 반응의 출발물질로서 사용되는 트리아실글리세리드는 식용 유지일 수 있다.

상기 식용 유지로는, 액체 또는 고체의 식물성 유지 또는 동물성 유지, 상기 유지의 경화유 또는 에스테르 교환유, 상기 유지를 분별하여 얻을 수 있는 액체유, 고체지방 등 식용에 적합한 것이면 모두 사용 가능하다.

상기 식물성 유지의 구체적인 예로는 옥수수기름, 유채기름, 콩기름, 면실유, 팜유, 야자유, 미강유, 참기름, 카카오지방, 올리브유 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것을 들 수 있고, 상기 동물성 유지의 구체적인 예로는 어유, 돈지, 우지(소기름), 닭의 지방 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것을 들 수 있다. 이들 식용 유지는 단독으로 또는 둘 이상을 조합하여 사용할 수 있다.

일 구체예에서, 상기 트리아실글리세리드는 식물성 유지 중 팜유의 분별을 시행한 팜 분별유일 수 있다.

일 구체예에서, 상기 트리아실글리세리드에 존재하는 아실기는 독립적으로 4~24개의 탄소 원자, 보다 구체적으로는 12~22개의 탄소 원자, 보다 더 구체적으로는 14~20개의 탄소 원자를 가지는 포화 또는 불포화의 직쇄상의 지방족 아실기로부터 선택될 수 있다. 예컨대, 상기 트리아실글리세리드에 존재하는 아실기는 독립적으로 팔미토일기, 스테아로일기, 올레오일기 및 리놀레오일기로부터 선택될 수 있고, 바람직하게는 팔미토일기일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

일 구체예에서, 상기 트리아실글리세리드에 존재하는 아실기 중 적어도 하나는 팔미토일기이고, 바람직하게는 두 개, 보다 바람직하게는 세 개 모두 팔미토일기이다. 즉, 가장 바람직한 구체예에서, 출발물질인 트리아실글리세리드는 트리팔미토일글리세리드(PPP)이다.

본 발명에서 효소적 에스테르화 반응의 반응물질로서 사용되는 지방산은 상기 트리아실글리세리드 내의 아실기와는 상이한 아실기를 갖는다.

일 구체예에서, 상기 지방산으로는 4~24개의 탄소 원자, 보다 구체적으로는 12~22개의 탄소 원자, 보다 더 구체적으로는 14~20개의 탄소 원자를 가지는 포화 또는 불포화의 직쇄상의 지방산으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 지방산은 팔미틱산, 스테아릭산, 올레익산, 리놀레익산 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있고, 바람직하게는 올레익산일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

출발물질인 트리아실글리세리드 대 반응물질인 지방산의 혼합비는 중량비로 1:1 내지 1:7일 수 있고, 보다 구체적으로는 1:1 내지 1:5일 수 있으며, 보다 더 구체적으로는 1:1 내지 1:3일 수 있다.

본 발명에서는, 효소적 에스테르화 반응의 효율을 높이기 위하여, 상기 트리아실글리세리드 및 상기 지방산을 포함하는 혼합물('반응 혼합물'이라고도 함)의 과산화물가가 반응 시간 경과, 즉 반응 진행에 따라 상승하여, 효소적 에스테르화 반응의 효율이 낮아지는 문제를 해결하기 위하여, 반응 시간 동안 반응 혼합물의 과산화물가를 50 이하가 되도록 조정하는 것을 특징으로 한다. 구체적으로, 상기 반응 혼합물의 과산화물가는 47.5 이하, 보다 구체적으로 45 이하일 수 있고, 보다 더 구체적으로는 40 이하일 수 있으며, 보다 더 구체적으로는 35 이하일 수 있다.

상기 반응 혼합물의 과산화물가의 하한에는 특별한 제한이 없으나, 예를 들어 0 이상, 구체적으로 0.01 이상일 수 있다.

여기서, '과산화물가'란 유지 1kg에 대하여 유리된 요오드의 밀리당량으로부터 환산한 과산화물 산소의 밀리당량을 의미한다.

반응 혼합물의 과산화물가를 조정하는 방법에는 특별한 제한이 없으며, 목적하는 효과를 달성할 수 있는 범위 내에서, 출발/반응물질들의 종류 및 비율, 사용되는 효소의 종류 등에 따라, 이 기술 분야에서 통상 알려진 방법을 적절하게 사용할 수 있다. 일 구체예에서, 적절한 항산화 물질(예컨대, 토코페롤, 포르티움(Fortium), 아스코르빌 팔미테이트, 또는 이들 중 둘 이상의 혼합물)을 효소 반응 전에 반응 혼합물에 첨가하는 것에 의하여 과산화물가를 낮출 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

일 구체예에서, 반응 혼합물 총 100 중량%를 기준으로 한 항산화 물질의 첨가량은 0.01 내지 0.5 중량%일 수 있다. 보다 구체적으로, 반응 혼합물 총 100 중량%를 기준으로 한 항산화 물질의 첨가량은 0.02 중량% 이상, 0.03 중량% 이상, 0.04 중량% 이상 또는 0.05 중량% 이상일 수 있으며, 또한 0.4 중량% 이하, 0.3 중량% 이하, 0.2 중량% 이하 또는 0.1 중량% 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명에서 효소적 에스테르화 반응의 반응 온도는 사용되는 효소의 종류에 따라 정해질 수 있으며, 구체적으로, 40℃ 이상, 45℃ 이상, 50℃ 이상, 55℃ 이상 또는 60℃ 이상일 수 있고, 또한 85℃ 이하, 80℃ 이하, 75℃ 이하, 70℃ 이하 또는 65℃ 이하일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 반응의 효과와 공정의 효율을 최적화하기 위해서, 반응온도는 바람직하게는 40℃ 내지 80℃일 수 있고, 더 바람직하게는 45℃ 내지 70℃일 수 있다.

본 발명에서 효소적 에스테르화 반응의 효소로는 공지의 효소들을 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. 구체적으로는, 칸디다 안탁티카(Candida Antarctica B), 써모마이세스 라누기노서스(Thermomyces lanuginose), 리조퍼스 미에이(Rhizomucour miehei), 리조퍼스 델레마(Rhizopus　delemar), 뮤코 미에이(Mucormiehei), 알칼리제네스(Alcaligenes　sp .), 아스퍼질러스 니거(Aspergillus niger), 칸디다 실린드라세스(Candida cylindraces), 부콜데리아 세파시아(Burkholderia cepacia), 칸디둠(Geotricum candidum) 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 미생물 유래의 에스테르화 효소가 사용 가능하나, 이에 제한되지는 않는다.

본 발명에 따르면 효소적 에스테르화 반응이 진행되는 동안 효소 활성이 감소하는 것을 효과적으로 막을 수 있어, 효소의 교체 없이도 많은 양의 출발물질을 연속적으로 처리할 수 있다. 일 구체예에서는, 효소 1 중량부당 반응 혼합물 100 중량부 내지 3000 중량부, 또는 100 중량부 내지 2000 중량부, 또는 100 중량부 내지 1000 중량부를 효소의 교체 없이 연속처리할 수 있으나, 효소의 활성이 유지되는 한 그 이상의 양도 계속하여 처리될 수 있다. 예컨대, 효소 활성이 적절하다면, 효소 1 중량부당 반응 혼합물을 500 중량부 이상, 1000 중량부 이상, 2000 중량부 이상 또는 3000 중량부 이상 효소의 교체 없이 연속처리할 수 있으며, 그 상한에는 특별한 제한이 없고, 심지어, 10000 중량부 또는 그 이상까지도 처리가 가능하다. 바람직한 일 구체예에 따르면, 효소 1 중량부당 반응 혼합물 처리량은 1000 중량부 내지 3000 중량부일 수 있다.

일 구체예에서, 상기 제조방법에 따라 제조되는 트리글리세리드는 디올레오일 모노팔미토일 글리세리드일 수 있으며, 보다 구체적으로는 1,3-디올레오일-2-팔미토일 글리세리드(OPO)일 수 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 제공된 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이에 의해 제한되는 것은 아니다.

[ 실시예 ]

트리팔미토일글리세리드(PPP, 슈퍼스테아린) 대 올레익산(OA)의 1:2 중량비 혼합물(=과산화물가(POV) 54.5)을 준비하였다.

실험 세트별로 상기 혼합물 25g을 100mL 삼각 플라스크에 투입하고, 토코페롤을 이용하여 혼합물의 과산화물가를 각각 50.0, 47.5, 27.0 및 24.2로 조정하였다.

효소(Set 1: Novozym 40086, Set 2: Lipozyme TL IM)는 2.5 g(기질 대비 10중량%)의 양으로 따로 계량한 뒤, 반응 직전에 상기 과산화물가 조정된 반응 혼합물 각각에 투입하였다.

효소적 에스테르화 반응은 실험 세트별로 온도(Set 1: 55℃, Set 2: 60℃)가 맞춰진 shaking incubator에서 150 rpm의 교반 속도하에 진행하였으며, 반응 개시후 일정 시간(각각 0.5, 1, 1.5, 2, 3 및 4시간) 경과 시점에 반응 혼합물 상층을 1mL씩 취하여 분석하였다. 분석 방법은 다음과 같다.

1) 중성지질 탄소수 분석

가스 크로마토크래피를 이용하여 중성지질을 탄소수 별로 분리하고, C52(총 탄소수가 52(예: C18-C16-C18, C16-C18-C18 등)인 중성지질, 예컨대, SPS, SSP, OPO, OOP, LPL, LLP, OPL 등)의 농도를 분석하였다. 결과를 하기 표 1 및 도 1에 나타내었다.

2) 중성지질 구조 비율 분석

반응 개시후 4시간 경과 시점에, HPLC(디텍터: ELSD, 컬럼: silver ion column)를 이용하여 중성지질의 구조별 비율 및 USU(OPO) 농도를 분석하였다. 결과를 하기 표 2 및 도 2에 나타내었다.

과산화물가 측정 및 계산

유지 샘플 약 10~20g을 250mL 삼각플라스크에 넣고, 클로로포름 10mL을 가하여 완전히 녹인 후, 빙초산 20mL를 가하였다. 여기에 추가로 KI 포화용액 1mL을 가한 후, 마개를 막고 1분간 흔든 뒤, 냉암소에 10분간 방치하였다. 그 후, 증류수 75mL를 가하고, 이에서 1% 전분 용액 1mL를 첨가한 뒤, 0.01N Na₂S₂O₂ 용액으로 적정하여 흑갈색에서 무색이 되는 점을 종말점으로 하였다. 과산화물가는 다음 식에 의하여 계산되었다.

과산화물가 =

[(본시험 적정량- 공시험 적정량)(mL)× 0.01N Na ₂ S ₂ O ₂ 용액의 역가 ]/[시료 무게(g)]×10

상기 표 1 및 표 2로부터, 효소적 에스테르화 반응의 혼합물의 과산화물가를 본 발명에 따른 범위 이내로 조정한 경우, 효소 반응의 효율을 높여, 전체 공정 효율 및 경제성을 향상시킬 수 있었음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 효소적 에스테르화 반응을 통하여 트리팔미토일글리세리드로부터 디올레오일 모노팔미토일 글리세리드를 고효율로 또한 경제적으로 제조할 수 있음이 이로써 확인되었다.

Claims (8)

1. 효소를 사용하여 트리아실글리세리드의 아실기를 다른 아실기로 교환하는 반응을 수행함에 있어서, 반응 혼합물의 과산화물가를 50 이하로 조절하는 것을 특징으로 하는, 효소적 에스테르화 방법.
2. 제1항에 있어서, 출발물질이 트리아실글리세리드이고, 반응물질이 상기 트리아실글리세리드 내의 아실기와는 상이한 아실기를 갖는 지방산인, 효소적 에스테르화 방법.
3. 제2항에 있어서, 트리아실글리세리드에 존재하는 아실기가 독립적으로 4~24개의 탄소 원자를 가지는 포화 또는 불포화의 직쇄상의 지방족 아실기로부터 선택되고, 지방산이 4~24개의 탄소 원자를 가지는 포화 또는 불포화의 직쇄상의 지방산으로부터 선택된 하나 이상인, 효소적 에스테르화 방법.
4. 제2항에 있어서, 트리아실글리세리드에 존재하는 아실기가 독립적으로 팔미토일기, 스테아로일기, 올레오일기 및 리놀레오일기로부터 선택되고, 지방산이 팔미틱산, 스테아릭산, 올레익산, 리놀레익산 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 효소적 에스테르화 방법.
5. 제2항에 있어서, 트리아실글리세리드가 트리팔미토일글리세리드이고, 지방산이 올레익산인, 효소적 에스테르화 방법.
6. 제1항에 있어서, 효소 1 중량부당 반응 혼합물의 처리량이 1000 중량부 내지 3000 중량부인, 효소적 에스테르화 방법.
7. 제1항에 있어서, 반응 혼합물의 과산화물가를 47.5 이하로 조절하는 것을 특징으로 하는, 효소적 에스테르화 방법.
8. 제1항에 있어서, 제조된 트리글리세리드가 디올레오일 모노팔미토일 글리세리드인, 트리글리세리드의 제조 방법.

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