무수성 동물성 지방에서 유리지방산과 콜레스테롤을 줄이는 방법

무수성 동물성 지방에서 유리지방산과 콜레스테롤을 줄이는 방법{METHODS TO REDUCE FREE FATTY ACIDS AND CHOLESTEROL IN ANHYDROUS ANIMAL FAT}

혈청 콜레스테롤의 수준이 높거나, 고혈압, 비정상적 심전도(EKG) 등이 심장마비의 주요 원인이라는 것은 이미 오래전에 알려진 사실이다. 이들 인자들은 흡연, 비만, 운동부족의 효과가 관찰되기 훨씬 이전에 나타난다. 혈청 콜레스테롤 수준의 중요성은 해를 더할 수록 강조되고 있는데, 심혈관 연구에서 가장 일관된 조사결과중의 하나는 혈장 콜레스테롤이 높은 경우에 아테롬성동맥경화증과 연관이 있고 관상동맥 질환(CHD) 위험이 증가된다. 이런 효과는 일반적으로, 혈장 저밀도지단백(LDL)에 의해 중개되는데, LDL은 아테롬 발생성 지질단백질이다(Grudny, SM, Am. J. Clin. Nutr. 45:1168(1987)).

혈청 콜레스테롤 수준이 높은 경우 주원인은 유전질환, 이형 가족성 고콜레스테롤혈증(FH), 포화 지방-칼로리-콜레스테롤이 많은 음식을 먹는 식습관때문이다.

건강 전문가와 임상의들은 일반적으로, 식습관 관리가 고콜레스테롤혈증과 고지혈증 치료의 첫 단계라는데 의견을 같이한다. 이것은 이후의 약물 요법이 필요한 시기에도 적용된다. 이민 집단에서 CHD, 음식 및 혈청 콜레스테롤에서 변화용으로 식사가 중요한 역할을 한다는 확실한 증거를 보여준다(Dyerberg, J., Nutrition Review 44(4):125(1986)).

콜레스테롤 소비가 CHD의 주원인은 아니지만, Khosla, P.,와 KC Hayes(Biochem Biophys Acta 1210:13(1993))는 음식을 통한 과도한 콜레스테롤 섭취가 C _16:0 -풍부한 지방 기전에 상승효과를 발휘하여, 이들이 고콜레스테롤로 전환되도록 한다고 보고하였다. 음식물에 콜레스테롤이 없거나 정상적인 지질단백질 프로파일을 가지는 개인에서, C _16:0 이 전체 혈장 콜레스테롤 농도 또는 LDL이 상승시키지는 않는다(Hayes, KC, Food Technology Journal 50(4):92-97(1996)). 또한, 독성이 있는 콜레스테롤 산화물은 조직배양중인 대동맥 평활근의 퇴행을 유발하고, 아테롬성동맥경화증을 야기할 수 있다고 보고되었다.

유지방은 산화에 안정적이고, 다른 지방에서 발견되지 않는 독특한 향을 가진다. 유지방은 상업적 중요성 때문에 많은 관심을 받고 있다. 이것은 가공에 영향을 주는 독특한 특성을 유제품에 부여한다. 유지방은 필수 지방산의 좋은 원료이고 높은 비율의 짧은 사슬 지방산을 보유하는데, 이것이 소화를 용이하게 한다(Kennedy, J., Food Technol. 11:76(1991)). 또한, 유지방은 암을 저해하는 잠재적 능력이 있는 것으로 보이는 공액화 리놀산(CLA)을 함유한다(Yeong et al., J. Agric. Food Chem, 37:75-81(1989)). CLA는 반추동물의 산물에서 풍부하다는 점에서 특별하다. CLA는 소의 반추위에서 다중불포화된 지방산(PUFA)의 생체수소첨가(biohydrogenation) 과정동안 형성되고, 이후 우유에서 발견된다(Gurr, MI, Advanced Dairy Chemistry, Lipids, PF Fox(ed.), p. 349. Chapman&Hall, London(1994)). 코펜하겐(덴마크) 도시지역과 비교하였을때, 결장암 발생빈도가 1/4인 핀란드 시골지역의 식사습관을 역학 연구하였다(Maclennan, R., et al., Am. J. Clin. Nutr. 31:S239(1978)). 결장암 발생빈도가 낮은 지역은 발생빈도가 높은 그룹에 비하여 감자와 전유를 더 많이 소비하고, 흰빵과 육류는 적게 소비하였다. 유지방에는 높은 비율의 포화 지방산, 주로 C _16:0 (26.3%)과 콜레스테롤(0.2-0.4%)을 함유하는데, 결국 소비감소를 초래하였다. 이것은 유지방이 식이요법에 부적합하다는 인식 때문이다.

대부분의 자연 지방중에, 유지방은 화학적 성질과 기능적 특성이 가장 다양하다. 유지방의 용융점은 지방산 성분의 포화도와 사슬 길이가 증가함에 따라 증가한다(Walstra, P., et al., Advanced Dairy Chemistry, ipids(PF Fox(ed) Chapter 5, pp. 179-212 Chapman & Hall, London(1994)). 유지방의 용융점은 또한, 글리세롤 분자에서 지방산 잔기가 어디에 하는가에 따라 영향을 받는다(Walstra, P., et al., IBID). 원래 형태의 유지방을 다양한 식료품에 항상 적합한 것은 아니다. 가령, 유지방의 용융점 범위가 넓기때문에(-40℃ 내지 40℃(Walstra, P., et al., IBID)) 냉장 온도에서 엷게 발라먹을 수 있는 버터를 생산하는 것이 어렵고, 많은 소비자들이 꺼리게 되는 부분이다. 따라서, 제한된 기능성(유출성과 퍼짐성)으로 인해 유지방을 새로운 분야에 사용하는데 제한적 원인이 된다.

자연으로부터 적합한 지방을 항상 얻을 수는 없다. 자연상태의 동물 지방도 사용에 한계가 있다. 하지만, 원하는 건강상 특성을 가진 지방을 생산하기 위한 원료로서 동물성 지방은 경제적 자원이 될 수 있다.

유지산업에서 지방 분자를 변형시키는 신규한 기술을 찾고 있다. 최대의 장애물은 영양적 고려사항과 기능적 요구를 조화시키는 것이다. 물질적, 영양적 성과측면에서, 유지방 또는 유지방/식물유의 분자간 -에스테르화반응(interesterfication)은 소요의 연화점을 달성하는데 유용한 기술이다. 유지방의 분자간-에스테르화반응은 트리글리세롤에서 지방산의 분자내 위치를 변형시키고, 따라서 용융 반응, 결정화반응, 가소성을 변화시킨다. Christophe, AM등(Arch. Int. Physiol. Biochem 86:413(1978))은 화학 촉매를 이용한 유지방의 분자간 에스테르화반응은 사람에서 혈청 콜레스테롤을 상승시키는 능력을 감소시킨다는 것을 설명하였다. 분자간-에스테르화된 유지방은 시험관내에서 고유 유지방보다 췌장 리파아제에 의해 좀더 빠르게 가수분해되는 것으로 나타났다(Christophe, AM et al., Arch. Int. Physiol. Biochem 89:B156(1981)).

상대적으로 낮은 온도(50℃)에서 30분동안 화학 촉매 존재하에 지방 또는 유지 혼합물을 가열하여 분자간-에스테르화반응을 시킬 수 있다(Eckey., EW Ind. and Eng. Chem. 40:1183(1948)). 낮은 온도에서 짧은 시간내에 반응이 완성되도록 하기 위해 촉매가 사용된다. 알칼리 금속과 알칼리 금속 알킬레이트가 효과적인 저온 촉매인데, 이들 중에서 나트륨메톡사이드가 가장 많이 사용된다. 지방을 용융점이하에서 가열하는 직접 분가간-에스테르화반응은 결정화된 삼포화 글리세리드 침전물과 같은 지방으로부터 포화 지방산을 제거하는데 유용한 기술이고(Eckey, EW, Ind. and Eng. Chem. 40:1183(1948)), 따라서 영양적 특성(포화 지방산:불포화 지방산 비율)을 향상시킨다. Eckey는 25% 포화지방산을 함유하는 목화씨유로부터 19% 삼포화된 글리세리드를 제거할 수 있었다. 직접 분자간-에스테르화반응은 돈지(lard)의 질을 향상시키기 위하여 당분야에서 통상적으로 사용되고 있다(Hawley, HK, and GW Holman, J. Am. Oil Chem. Soc. 33:29(1956)).

그럼에도 불구하고, 분자간-에스테르화반응은 유지방 업종에는 사용되지 않고 있는데, 그 이유는 유지방 FFA를 제거하기 위한 유지방 향, 정제, 탈취에 종종 유해하기 때문에 실행가능성이 제한된다(Frede, 1991; Bulletin of the International Dairy Federation No 260/1991). FFA가 일단 생성되면 촉매를 소모시키거나 불활성화시킨다. Screenivsan, B., J. Am. Oil Soc. 55:796(1978)은 0.1의 산가(AV)가 1000 lb 유(油)당 0.1 lb 나트륨메톡사이드의 효과를 무력화시킬 수 있다고 보고하였다. 따라서, 분자간-에스테르화반응에 앞서 무수성 유지방으로부터 FFA를 제거하는 것이 중요하다. 또한, FFA는 에스테르화된 지방산보다 산화될 가능성이 많고, 따라서, 유리지방산(FFA)는 유지방을 "쓴맛"으로 나타내는 향을 상실한(off-flavor) 특징을 가지는 산화성 산패를 일으키게 만든다.

미국 특허 5,382,442(Perlman et al., 1995)에서는 식물성 기름이나 어유 및 동물성 지방의 산화 안정성을 증가시키는 혼합 공정을 설명하였다. 지방 혼합물은 식물성 기름이나 어유 및 콜레스테롤 감소된 동물성 지방으로 구성되는데, 상기 동물성 지방은 미리스트산 1에 대해 리놀렌산 2 내지 9비율로 이루어진다. 유지의 정제와 탈취는 FFA를 제거하기 위하여 유지 공업에서 일반적으로 사용되는 기술이다. 대부분의 유럽과 미국 정제업자가 사용하는 알칼리 정제(Braae, Am. Oil Chem. Soc. 53:353(1976); Carr, RA, J. Am. Oil Chem. Soc. 53:347(1976))는 유지를 75-90℃로 가열하고, 기름의 종류(대다유, 옥배유, 팜유, 홍화유, 낙화생유)에 따라 30초동안 12 내지 18°Be' 수산화나트륨의 농축된 가성용액(단기-혼합 공정) 또는 0.2초동안 28°Be' 수산화나트륨(초단기-혼합 공정)으로 이를 처리하는 것으로 구성된다. 유지방에 이들 공정을 이용하게 되면 유지방의 주요 향미 성분인 락톤에 유해한 결과를 준다. 락톤(γ 또는 δ)은 γ또는 δ-하이드록시산의 고리형 에스테르로, 이는 농축된 가성 용액의 존재하에 바로 가수분해되어 하이드록시산의 사슬이 개방된 염이 된다. 결과적으로, 선행 공정, 짧은 반응시간, 고농도 가성용액, 높은 온도는 유지방에는 적용할 수 없다.

유지 산업에 통상적으로 사용되는 탈취는 고도 진공(3-10 토르)하에 200 내지 275℃의 열유(hot oil)에 증기를 불어넣는 과정으로 구성된다. 정제 공정은 FFA, 지수용성 비타민(A, E, D, K), 모노글리세리드, 스테롤, 일부 색소(예, 카르티노이드)가 동시에 제거된다. 용어에서 암시하는 바와 같이, 탈취는 유지의 향과 맛을 제거하기 때문에 향미없는 최종생성물이 만들어지고, 이는 유지방에서 극히 바람직하지 못한 것이다. 따라서, 농축된 알칼리 금속 수산화물을 이용한 정제 및 유지방의 탈취는 양질의 휘발성 유지방 향미, 향기, 비타민을 손실시키는 FFA를 감소시키게 한다. 이로부터 유지방은 다른 값싼 원료물질과 동일한 등급으로 떨어진다.

미국 특허 3,560,219(Attebery)는 치즈훼이(cheese whey)와 같은 수용성 음식물에 용해된 지질을 침전시키기 위한 알칼리 조건하에 금속 염을 이용하였다. 하지만, 이 공정은 유리지방산에 대한 선별성이 없는데, 그 이유는 음식물내 모든 지질물질이 침전되었기 때문이다. 따라서, 이런 공정은 순수한 지질(예, 무수성 유지방)로 구성되는 음식물에 사용할 수 없다.

따라서, 유지방을 침전시키지 않고 양질의 휘발성 유지방 향미 성분을 손상시키지 않으면서 유지방으로부터 FFA를 제거하는 기술이 필요하다는 것을 인지하였다. 사람 식사의 콜레스테롤 함량과 관련된 우려로 인해, 식료품 가공업자들은 유지방으로부터 콜레스테롤을 줄이기 위한 몇가지 기술을 개발하게 되었다.

효소에 위한 유지방 콜레스테롤의 감소

콜레스테롤 환원효소는 NADPH의 존재하에 콜레스테롤에서 코프로스탄올로의 전환을 촉진하는데, 상기 코프로스탄올은 체내에 흡수되지 않고 배설된다(MacDonald, IA, et al., J. Lipid Res. 24:675(1983)-현재까지 제한적으로 성공하였다. 콜레스테롤 옥시다제로 처리한 우유제에서, 콜레스테롤 농도가 37℃에서 3시간이내에 78%가 감소되었다(Smith, M., et al., Journal of Agricultural and Food Chemistry, 39:2158(1991)). 콜레스테롤 산화물은 자체 독성인 것으로 보고되고 있다(Peng, S.-K, and RJ Morin, Biological Effects of Cholesterol Oxides. CRC Press, Boca Raton, Ann Arbor, London 1991). 이들 공정은 무수성 유지방에는 활용할 수 없다.

단기-경로 증류(SPD)

SPD는 실제적으로 가스가 존재하지 않는 공간, 예를 들면 진공으로 분자를 증발시키는 것으로 구성된다. 조절 인자는 분자가 증류 액체의 가열 표면으로부터 이탈하고 냉각된 응축기 표면에 흡수되는 속도가 된다. 고유 기름으로부터 비타민 A와 E, 스테롤, 휘발성물질의 제거 및 단일- 및 이중글리세리드 및 지방산의 분리는 화학적, 제약학적 분야이외에 식품과 연관하여 이용된다. Arul등(J. Am. Oil Chem Soc. 65:1642(1988))은 SPD를 이용하여 245℃, 265℃, 220mmHg, 100mgHg 압력에서, 유지방을 4개 분취물로 분별하였다. 실온에서 2개 분취물은 액체이고, 1개 분취물은 반-고체이고, 다른 하나는 고체였다. 고체 분취물은 고유 유지방에서 2.6mg/g 지방 또는 액체 분취물에서 16.6mg/g 지방에 비하여 0.2mg/g 지방 농도로 콜레스테롤을 함유한다. 유지방을 SPD 처리하면 상이한 화학적 물리적 특성을 갖는 유지방으로부터 분취물을 수득할 수 있는 기회를 제공한다. 하지만, 이 기술에는 몇가지 단점이 있다: (1) 콜레스테롤 감소가 관찰되는 생산량이 적은 분취물은 고체이고, 따라서 기능성이 제한된다; (2) 고온을 이용하면 트리글리세롤을 분해 또는 중합시킬 수 있고, 특히 진공에서 증류할 때 상당히 불포화된 트리글리세롤을 분해 또는 중합시킬 수 있다; (3) 많은 자본을 투자해야 한다.

초임계 액체 추출법(SFE)

이 공정에서, 산물은 높은 압력과 온도하에 고밀도, 저점도, 감소된 표면장력의 가스(일반적으로 이산화탄소)로 처리한다. 이 기술은 단백질에서 지질제거 (delipidation), 여러 식품으로부터 콜레스테롤 감소, 커피와 차에서 카페인제거, 홉 열매로부터 쓴맛 성분을 제거하는데 사용되고 있다. 이 과정은 잠재적인 독성이 없는 용매를 활용하고, 독성 부산물도 생성되지 않는다(Friedrich, J P. and EH Pryde, J. Am. Oil Chem. Soc. 61:223(1984)). Arul등(J. Food Sci. 52:1231-1236(1987))은 10-35MPa 및 50 내지 70℃에서 8개의 상이한 분취물로 분별하였다. 이들은 용융점이 낮거나 중간정도의 용융점을 가진 분취물에 집중된다는 것을 발견하였다. Lim, S.과 Rizvi, SSH(J. Food Science 61(4):817-821(1996))는 88.5% 공정 수율로, 92.6%의 전체 콜레스테롤 감소를 달성하였다. 추출은 40℃, 24.1-27.5 MPa에서 실시하였다. 콜레스테롤을 감소시키는데 있어서, 초임계 이산화탄소가 무차별적으로 용해된다는 것이 큰 단점인데, 그 이유는 일부 트리글리세롤이 유지방의 정상적인 방향(aromatic) 균형을 파괴할 수 있는 콜레스테롤과 함께 추출되기 때문이다.

진공 증기 증류

수년동안 유럽에서 유지의 정제와 탈취를 위해 진공 증기 증류를 활용하고 있다. 이 기술은 높은 진공하에 200-275℃의 뜨거운 기름에 과열 증기를 불어넣는 것으로 구성된다. General Mill, Inc(Minneapolis, USA)는 버터 기름에서 콜레스테롤 감소와 정제를 위한 진공 증기 증류에 대해 발표하였다(Marschner and Fine, US Patent No. 4,804,555 1989). 이 기술로 달성된 콜레스테롤 제거 비율은 90%이었고, 생산수율은 95%이었다. 이 기술의 주요 단점은 가열 증기가 콜레스테롤과 FFA와 함께 유지방에서 휘발성 향미 성분도 함께 제거한다는 것이다. 우수한 버터 향미의 손실로, 유지방은 다른 값싼 지방과 동일한 등급으로 떨어진다.

복합체 형성

이 기술은 콜레스테롤과 이의 에스테르를 복합제(예, β-사이클로덱스트린(β-CD)로 복합함으로써 유제와 유제품에서 콜레스테롤을 감소시키는데 사용된다.

사이클로덱스트린은 전분을 효소를 이용하여 분해하면 수득되는 고리형 올리고사카라이드다. 이들은 도넛형 고리로 정렬되어 있는 6개, 7개 또는 8개의 글루코스 단량체로 구성되는데, 이들 각각은 알파, 베타 또는 감마 사이클로덱스트린이라 칭한다. β-CD는 흡습성이 없으며, 30℃에서 13.6% 수분 및 86% 상대습도(RH)를 보유한다(Szejtli, J., et al, Inclusion compound 3:331(1984)). 사이클로덱스트린은 분자의 외곽 가장자리에 자유 하이드록실기의 존재로 인해 물에 녹는다(Szejtli, J., et al, Inclusion compound 3:331(1984)). 용해도는 온도에 대한 함수로, 온도가 높을수록, 용해도가 증가한다. β-CD의 용해도는 0.5℃, 0.8%에서 90℃, 39.7%로 증가한다. 소수성인 내부의 구멍은 사이클로덱스트린이 방향족 알코올, 지방산과 이들의 에스테르, 콜레스테롤과 같은 분자와 복합체를 구성할 수 있도록 한다. β-CD는 다음과 같은 몇가지 이유로 유지방내 콜레스테롤을 감소시키는데 사용되고 있다:

1 - β-CD 내부 구멍의 상대적 크기와 기하학적 형태는 자유 콜레스테롤 및 에스테르화된 콜레스테롤과 우수한 복합체 형성을 가능하게 한다;

2 - β-CD의 산업적 규모 생산의 현실화;

3 - 과거 십년동안 β-CD의 독성에 대한 집중적인 연구로, 음식 성분으로서 이의 안정성이 확인되었다.

현재, 사이클로덱스트린은 (1) 병원균, 곤충, 잡초를 조절하는 농업용 화합물의 휘발성을 억제하는데; (2) 캡술화로 안정성을 향상시킨 제약학적 산물(약물, 비타민), 방향제, 피부 관리 로션에; (3) 음료와 가공 식품에서 색깔, 향기, 향미 안정성을 향상시키는데 사용된다(Szejtli, J., et al, Inclusion compound 3:331(1984)).

임의의 분자가 복합체를 형성할 수 있는 지를 결정하는 가장 중요한 변수는 소수성, 상대적 크기, 사이클로덱스트린 구멍과 연관된 기하학적 배열이다(Szejtli, J., et al, Inclusion compound 3:331(1984)). 물에 용해되었을 때 사이클로덱스트린 분자는 더 작은 외부분자 또는 내부의 구멍에 있는 물보다는 친수성이 적은 분자의 작용기를 수용할 수 있다(Szejtli, J., et al, Inclusion compound 3:331(1984)). 수용액에서, 약간 비극성의 사이클로덱스트린은 에너지측면에서 비효율적 공정인 극성-비극성 상호작용으로 물분자에 의해 점유된다. 따라서, 이들 물분자는 물보다 극성이 덜한 "콜레스테롤이나 FFA 및 이들의 에스테르와 같은" 적당한 게스트 분자로 용이하게 치환된다(Szejtli, J., et al, Inclusion compound 3:331(1984)).

쥐에게 β-CD를 최대 1.6g/체중kg/day을, 개에게는 최대 0.6g/체중kg/day를 급식하여 β-CD를 6개월동안 지속적 경구 독성(Szejtli, J., et al, Inclusion compound 3:331(1984))에 대해 조사하였다. 체중증가, 음식 소비, 임상적-생화학적 수치는 영향을 받지 않았다. β-CD는 배아-독성 효과를 보이지 않았다. 따라서, 경구 투여된 β-CD는 비-독성 물질로서 간주할 수 있다(Szejtli, J., et al, Inclusion compound 3:331(1984)).

미국 특허 4,880,573(1989, Courregelongue et al.)은 10% β-CD를 이용하여, 무수성 유지방으로부터 스테롤의 41%를 제거하는 것을 설명하였다. EP-A1-0 326 469(1989)(유럽 특허, Bayol et al.)는 무수성 유지방으로부터 80% △ ⁴ -콜레스텐-3-one의 제거를 시사하였다. 미국 특허 5,232,725 (Roderbourg et al., 1993)는 β-CD를 복합제로 사용하는 단일 작업으로 유리지방산과 함께 동물지방의 콜레스테롤 함량을 37%이상 제거하는 공정을 설명하였다. 미국 특허 5,264,241(Gralle et al., 1993)은 β-CD를 이용하여 크림으로부터 50% 콜레스테롤과 52% FFA의 동시 제거를 보고하였다. 미국 특허 5,223,295(Maffrand et al.)는 수용성 배지하에 5시간동안 교반하면서 사이클로덱스트린과 스테로이드성 화합물을 복합하여 동물성 지방으로부터 콜레스테롤을 제거하는 공정을 설명하였다. 이 공정은 상대적으로 길뿐만 아니라, 단일 작업으로 콜레스테롤 함량을 제한적으로 감소시키는 것이 가능하다. 미국 특허 4,980,180(1990, Cully et al.)은 β-아밀라아제 이용하여 난 원료로부터 β-CD를 제거하는 방법을 설명하였다. 상기 특허는 사이클로덱스트린이 완전하게 제거되지 않는 문제점을 인지하였다. 호주에서, Okenfull등(1991)(PCT WO91/11114)은 유제품에서 콜레스테롤을 줄이는 공정(SIDOAK)을 발명하였다. 상기 공정은 10℃이하에서 β-CD를 우유에 첨가하고 혼합하는 것으로 구성된다. 콜레스테롤과 β-CD의 불용성 복합체는 원심분리로 제거하였다. 최대 콜레스테롤 감소는 80-90%이었다. Yen, CG,과 LJ Tsai(J. Food Sci. 60:561(1995))은 10% β-CD를 이용할 경우 돈지로부터 50% FFA와 함께 95% 콜레스테롤을 제거할 수 있다고 하였다. 미국 특허 5,484,624(Awad et al., 1996)는 β-CD를 이용하여, 계란 노른자의 콜레스테롤을 96%까지 감소시켰다. 복합체 β-CD-콜레스테롤은 원심분리하여 배지로부터 제거하였다. 이 공정은 50℃에서 10분간 β-CD와 희석된 난황 CP(<pH<10.5)를 혼합하는 것이다.

동물 지방으로부터 콜레스테롤과 FFA를 감소시키기 위하여 개발된 모든 β-CD 공정으로부터 얻은 최종적인 결론은 개선이 필요하다는 것이다. 영양적, 기능적 특성을 향상시키는 분자간-에스테르화반응에 의한 무수성 유지방을 변형시키는 공정과 촉매를 무력화시키는 높은 FFA 함량으로 인해, 여전히 제한적이다.

따라서, 선행 기술은 양질의 휘발성 향미 성분이나 유지방, 특히 락톤을 손상시키지 않고 콜레스테롤과 FFA를 동시에 감소시키는 공정이 개발되지 않는 한, 분자간-에스테르화반응이나 혼합에 의한 유지방의 변형 또는 콜레스테롤 함량 감소는 지방산물을 제조하는데 있어서 경쟁력이 없다는 것을 인정하였다. 유지방의 넓은 융점범위, -40 내지 40℃(Walstra et al., IBID)으로 냉장온도에서 엷게 발라먹을 수 있는 버터를 생산하는 것이 어렵게 하는데 대부분의 소비자들이 바람직하지 않은 것으로 간주하고 있다. 따라서, 제한된 기능성(유출성과 퍼짐성의 제한)으로 인해 유지방을 새로운 분야의 응용에 제약이 된다. 물리적 공정을 이용한 유지방을 상이한 여러 분취물로 분별시키는 것은 어느 정도 용융 성질을 향상시키는데 효과적이다. 하지만, 이런 기존 공정은 지루하고, 시간이 다수 소비되고 비용이 많이 든다. 분별과 관련된 다른 단점은 유지방의 정상적인 방향성 물질의 균형이 파괴된다는 점이다. 따라서, 선행 기술은 냉장온도에서 엷게 발라먹을 수 있도록 낮은 용융점을 갖는 부드러운 유지방을 생산하는 공정의 필요성을 인지하였다.

목적

본 발명의 목적은 동물지방, 특히 유지방으로부터 유리지방산을 제거하는 향상된 공정을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 콜레스테롤을 동물성 지방으로부터 제거하는 공정을 제공하는 것이다. 본 발명의 또다른 목적은 용융점을 낮추는 공정을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 실시하기에 저렴하고, 동물성 지방에서 향미를 보존하고, 통상적으로 이용가능한 장치를 이용하여 대량으로 밀봉할 수 있는 공정을 제공하는 것이다. 이들 목적은 다음의 상세한 설명 및 도면을 참고하면 자명해진다.

본 발명의 요약

본 발명은 무수성 동물지방에 존재하는 유리지방산(FFA)을 제거하여 가공된 동물성 지방을 생산하는 공정에 관하는데, 상기 공정은 다음과 같이 구성된다: (a) 알칼리 금속 수산화물 수용액과 액상 동물성 지방내 유리지방산의 반응혼합물에 제공하여, 액상 동물성 지방에 존재하는 FFA가 가용성 지방산 염(SFAS)을 형성하도록 하고, 여기서 상기 알칼리 금속 수산화물은 수산화칼륨, 수산화나트륨, 이들의 혼합물에서 선택되고; (b) SFAS와 알칼린 토류 금속염과 반응시켜, (a) 단계와 동시에 또는 (a) 단계이후에 SFAS가 반응 혼합물에서 불용성 지방산 염(IFAS)이 형성하도록 하고; (c) 반응혼합물로부터 IFAS를 분리하여 가공된 동물성 지방을 생산한다.

특히, 본 발명은 유리지방산과 콜레스테롤을 함께 제거하기 위한 β-사이클로덱스트린을 이용하는 것에 관한다. 또한, 본 발명은 융점을 낮추기 위하여 가공된 동물성 지방에 혼합하는데 식물성 기름을 이용하는 것에 관한다.

본 발명은 유리지방산(FFA), 특히 콜레스테롤 감소를 위한 공정 및 동물 지방, 특히 무수성 유지방에서 용융점을 낮추는 것에 관한다. 상기 공정에서 β-사이클로덱스트린; 중화제인 알칼리 금속 수산화물(Na 또는 K)로 구성된 수용액; 지방산 수용체인 알칼리 토류 금속(Ca 또는 Mg 염); 가급적 용융점이 낮은 식물성 기름을 사용한다. 특히, 본 발명은 약하게 가열한 용액과 동물성 지방 혼합물을 이용하여 FFA를 침전시키고, 용융점을 낮추고, β-사이클로덱스트린으로 콜레스테롤을 포접시키고, 이후 혼합물은 원심분리하여 지방산과 포접물의 불용성 염을 제거한다. 본 발명은 특히, 지질(무수성 우유지방)을 침전시키지 않거나, 무수성 유지방의 양질의 휘발성 향미 성분(락톤)에 손상을 주지 않으면서, 무수성 유지방으로부터 FFA를 선택적으로 제거하는 것에 관계한다.

도1은 무수 동물성 지방으로부터 FFA를 제거하는 적절한 공정을 보여주는 순서도이다. 정제 용액은 증류수, KOH, CaCl ₂ 로 구성된다. KOH:FFA의 몰 비율은 1:1이다. CaCl ₂ :FFA의 비율은 5:1이다.

도2는 FFA에 대해 CaCl ₂ 몰비율이 5가 되게 하고, AMF(w/w)에 대한 정제용액의 몰비율은 1로 하였을때, FFA 감소와 동물성 지방 수득률에 있어서 FFA에 대한 KOH의 몰비율이 미치는 영향에 대해 나타내주는 그래프이다(1분간의 혼합시간, 1800rpm의 혼합속도, 50℃ 온도, 실온에서 10분동안 1085 xg의 원심분리).

도3은 FFA에 대한 CaCl ₂ 몰비율을 5로 하고, AMF(w/w)에 대한 정제요액의 몰비율을 1로 하였을 때, FFA 감소와 동물성 지방 수득률에 있어서 FFA에 대한 KOH의 몰비가 미치는 영향을 보여주는 그래프이다(1분간의 혼합시간, 50℃ 온도, 실온에서 10분동안 1085 xg의 원심분리).

도4는 FFA에 대한 KOH 몰비율이 1이고, FFA에 대한 CaCl ₂ 몰비율을 5로 하였을 때, FFA 감소와 동물성 지방 수득률에 있어서 AMF:정제용액 중량비가 미치는 영향을 보여주는 그래프이다(1분간의 혼합시간, 50℃ 온도, 1800rpm의 혼합속도, 실온에서 10분동안 1085 xg의 원심분리).

도5는 AMP에 대한 정제용액의 중량비를 1로 하고, FFA와 KOH의 몰비율을 1로 하고, FFA에 대한 CaCl ₂ 몰비를 5로 하였을때, FFA와 동물성 지방 수득률에 있어서 혼합속도가 미치는 영향을 나타내는 그래프이다(10분간의 혼합시간, 50℃ 온도, 1의 FFA:KOH 몰비율, 5의 CaCl ₂ :FFA 몰비율, 실온에서 10분동안 1085 xg의 원심분리).

도6은 FFA:KOH 몰비율을 1로 하고 FFA에 대한 CaCl ₂ :FFA 몰비율을 5로 하고; AMF와 정제용액의 중량비를 1로 하였을때(1800rpm의 혼합속도, 50℃ 온도, 실온에서 10분동안 8700 xg의 원심분리), FFA 감소와 동물성 지방 수득률에 있어서 혼합시간의 효과를 보여주는 막대그래프이다.

도7은 FFA:KOH 몰비율을 1로 하고; FFA 에 대한 CaCl ₂ 의 몰비율을 5로 하고; 탈산용액:AMF 중량비를 1로 하였을때(1800rpm의 혼합속도, 50℃ 온도, 10분간의 혼합시간, 실온에서 10분동안 원심분리) FFA 감소 및 동물성 지방 수득율에 있어서 원심력의 효과를 보여주는 막대그래프다.

도8은 FFA와 AMF를 정제하는 적절한 공정을 보여주는 순서도다. 정제 용액은 증류수, KOH, CaCl ₂ 로 구성된다. KOH:FFA의 비율은 1:1이다. CaCl ₂ :FFA의 비율은 5:1이다.

도9는 혼합속도가 1000rpm이고, β-사이클로덱스트린:콜레스테롤 몰비율 5.58에서, AMF의 콜레스테롤 감소 퍼센트(Y ₁ )에 대한 반응 표면을 보여주는 그래프다.

도10은 혼합시간이 10분이고, β-사이클로덱스트린:콜레스테롤 몰비율 5.58에서, AMF의 콜레스테롤 감소 퍼센트(Y ₁ )에 대한 반응 표면을 보여주는 그래프다.

도11은 혼합시간이 10분이고, 혼합속도가 1000 rpm에서, AMF의 콜레스테롤 감소 퍼센트(Y ₁ )에 대한 반응 표면을 보여주는 그래프다.

도12는 KOH:FFA 몰비율이 1 이고, 혼합속도가 1000 rpm에서, AMF의 콜레스테롤 감소 퍼센트(Y ₁ )에 대한 반응 표면을 보여주는 그래프다.

도13은 KOH:FFA 몰비율이 1 이고, β-사이클로덱스트린:콜레스테롤 몰비율 5.58에서, AMF의 콜레스테롤 감소 퍼센트(Y ₁ )에 대한 반응 표면을 보여주는 그래프다.

도14는 KOH:FFA 몰비율이 1 이고, 혼합시간이 10분인 경우, AMF의 콜레스테롤 감소 퍼센트(Y ₁ )에 대한 반응 표면을 보여주는 그래프다.

도15는 AMF의 FFA 감소 퍼센트(Y ₂ )에 대한 반응 표면을 보여주는 그래프다.

도16은 콜레스테롤 FFA를 제거하고 다른 무수성 동물지방(AMF)의 융점을 낮추는 공정을 보여주는 순서도다. 액형은 증류수, 옥배유, KOH, CaCl ₂ 로 구성된다. KOH:FFA의 비율은 1:1이다. CaCl ₂ :FFA의 비율은 5:1이다. 물 대 옥배유 중량비율은 11.5:1.5이다.

본 발명은 수용성 액형과 β-사이클로덱스트린을 이용하여 FFA, 특히 무수성 유지방에서 용융점과 콜레스테롤을 감소시키는 공정을 제공한다. 수용성 액형은 알칼리 금속 수산화물(Na, K), 알칼리 토류 금속(Ca, Mg), 용융점이 낮은 식물성 기름 혼합물로 구성된다. 액형은 단일 작업으로 목적을 달성하기 위하여 특이적으로 고안하여 선행 공정에 비하여 본 발명에 많은 장점을 제공한다. 본원 공정은 유지방 향미를 보호하기 위해 매우 완화된 실험 조건하에 지방 수용체로 알칼리 금속 수산화물(Na 또는 K) 및 칼슘이나 마그네슘 염 희석 농축액(0.023 내지 0.058%)을 이용하여, 무수성 유지방에서 FFA를 적정하고 선택적으로 침전시킨다. 또한, 본원 공정은 본질적으로 유지방을 침전시키거나 이를 손상시키지 않고 유리지방산을 선택적으로 제거하기 위하여, 유지방내에 존재하는 유리지방산에 대하여 알칼리 금속 수산화물의 화학량을 사용한다. 본 공정은 유지방 손실을 줄이고, 수득률을 높이고, 콜레스테롤 감소를 늘이는 알칼리 토금속을 이용한다. 본원 공정은 유지방 향미 락톤을 보존하는데 효과적인 상대적으로 긴 반응시간과 낮은 온도를 이용하여 FFA를 감소시킨다. 본원 공정은 β-CD를 콜레스테롤에 대한 복합제로 사용하여, 무수성 유지방에서 콜레스테롤, 용융점, FFA를 동시에 감소시킨다. 본원 공정은 상업적으로 적합한 시간내에 동물성 지방에서 콜레스테롤, 융점, 무수성 유지방내 FFA를 현저하게 감소시킨다.

재료 및 방법

상업적 등급의 무염버터, 우지, 돈지는 동네 식료품가게에서 구하였다. 무염버터는 55℃에서 녹여 무수성 유지방으로 전환시키고, 실온에서 10분동안 5000 xg로 원심분리하고, 와트만 No.1 여과지로 상부 지방층을 여과하였다. AMF는 다음 사용을 위해 -20℃에 저장하였다.

전체 콜레스테롤을 추출하고, AOAC Official Methods of Analysis, 16th ed. Association of Official Analytical Chemists, Washington, DC 994.10(1995)에 따라 정량하였다. 불꽃 이온화 검출기 및 DB-1(100% 메틸 폴리실록산)이 0.1㎛ 막으로 피복된 융합된 실리카 모세관 칼럼(15mm X 0.25mm)(J&W Scientific, Folsom, CA)이 장착된 HEWLEFT PACKARD 5890A 가스 크로마토그래피(GC)(Avondal, PA)에서 기본 형태의 총콜레스테롤을 정량하였다.

FFA는 AOAC Official Methods of Analysis, 16th ed. Association ofOfficial Analytical Chemists, Washington, DC 969.17(1995)에 따라 측정하였다.

통계분석은 이차 순서 모델(SAS Institute, Inc. Cary NC(1985))에 맞게, 반응 표면 곡선(Sigma, 199?)을 생성시키는 소프트웨어 패키지를 이용하여 실시하였다. 각 반응에 제안된 모델(Y)은 다음과 같다:

Y = B ₀ + ΣB _i X _i + ΣB _ii X _i ² + ΣB _ij X _i X _j

여기서 B ₀ , B _i , B _ii , B _ij 는 상수로 상기 모델의 회귀계수이고, X _i 은 코드화된 수치로 독립변수다. 전체 회귀로부터 변수를 제거하는 기준은 R ² 값과 f-테스트의 유의성에 기초한다.

공정 개발

FFA의 제거 공정

무수성 유지방(AMF)으로부터 FFA를 제거하는 적절한 공정은 도1에 개요를 제시한다. 이 공정은 상대적으로 긴 반응시간, 낮은 농도의 알칼리 용액, 낮은 온도(40 내지 50℃)를 이용한다. 이는 농축된 알칼리 용액(12 내지 28°Be'), 높은 온도(75-95℃), 짧은 반응 시간(0.2 내지 30초)를 이용하는 선행 공정(면실유, 옥배유, 낙화생유, 대두유, 팜유에 사용)과는 대조적이다. 각 단계에 대한 유리(rational)는 하기에 제시한다. 이 글에서 밝힌 공정동안 정제용액은 성공적인 정제를 위한 핵심 조절인자다. 정제 용액은 알칼리 금속 수산화물(Na 또는 K) 및 Ca나 Mg 염화물의 수용성 혼합물로 구성된다.

실시예 1

희석된 알칼리 금속 수산화물 용액(KOH:FFA 몰비율은 1)을 FFA(1) 또는 이들의 에스테르(2)와 반응하는 경우, 다음과 같은 반응식을 얻는다.

RCOOH + KOH → RCOOK + H ₂ O (1)

RCOOR' + KOH → RCOOK + R'OH (2)

KOH의 양은 AMF에 존재하는 FFA의 함수다. KOH:FFA 몰비율이 1인 경우 도1에서 밝힌 실험조건하에, 배지에 존재하는 전체 FFA를 충분히 중화시킨다. 과량의 알칼리 용액은 사포닌화 반응에 의한 중성지방의 손실로 인해 수율에 치명적이다. 과량의 알칼리 용액은 과도한(OH ^- )가 다음의 2가지 반응식에 따라 락톤을 상응하는 하이드록시산으로 가수분해시키기 때문에, 향미에 매우 치명적이다.

반응식

FFA 감소와 수율에 대한 KOH:FFA 몰비율의 효과는 도2에 제시한다.

비교 실시예 2

0.293% FFA를 함유하는 10(g) 무수 유지방은 도1에서 개략적으로 밝힌 공정에 따라 0.763% CaCl ₂ 를 함유한 10㎖ dH ₂ O와 혼합하였다. CaCl ₂ 용액의 pH는 수산화칼륨으로 pH 7.5 내지 8.5범위의 알칼리성으로 조정하였다. 테스트된 알칼리성 pH에서 수득된 유리지방산 감소정도는 20%미만이었는데, 이는 CaCl ₂ 이후에 수산화칼륨을 첨가할 수 없다는 것을 보여준다.

비교 실시예 3

0.293% FFA를 함유하는 10(g) 무수성 유지방은 도1에서 개략적으로 밝힌 공정에 따라 0.763% CaCl ₂ 를 함유한 10㎖ Tris-HCl 완충용액과 혼합하였다. 완충용액의 pH는 pH 7.5 내지 8.5에서 변하였다. 알칼리성 pH에서 수득된 유리지방산 감소정도는 35%미만이었다. 결과는 실시예 2와 유사하였다.

실시예 4

FFA 감소와 수율에 대한 CaCl ₂ :FFA 몰비율 효과는 도3에 제시한다. Ca 또는 Mg 염화물은 카르복실레이트 수용체로 사용되었다. 이들은 다음과 같은 능력으로 인해 정제용액에 첨가한다: (1) 카르복실레이트와 반응하여 불용성 염(라임스톤과 유사)이 형성되고, 따라서 원심분리하여 배지로부터 염을 매우 효과적으로 분리할 수 있다; (2) 가용성 K 또는 Na 알칼리 금속염과 반응하여 불용성 알칼리 금속염이 형성되고, 에멀젼화에 의한 중성 지방의 손실을 최소화함으로써 수율을 향상시킨다; (3) KOH와 연계하여 FA 감소정도를 공동으로 상승시킨다; (4) 양이온으로 배지를 포화시키고, 다음 반응식이 일어나는 것을 방지함으로써 FFA 감소정도를 향상시킨다:

RCOO ^- + H ₂ O ⇔ RCOOH + OH ^-

과량의 양이온은 수율과 향미에 대한 과량 하이드록실기의 유해 효과에 의해, 가성 용액이 아닌 CaCl ₂ 또는 MgCl ₂ 로 제공해야 한다.

실시예 5

정제용액 대 AMF의 중량비율은 에멀젼화에 의한 손실 때문에 수율에 중요하다. 하지만, 도1에서 밝힌 실험조건하에, 도4에서 볼 수 있는 것과 같이 상이한 정제 용액 대 AMF 중량비에서도 수율에는 큰 차이가 없었다.

실시예 6

FFA 감소와 수율에 대한 혼합속도 효과를 도5에 제시한다. 정제용액을 AMF에 첨가한 후, 정제용액 용질과 FFA간의 완전한 접촉을 담보하기 위해 충분히 혼합해야 한다. 이 공정에 사용된 혼합기는 LIGHTIN LAB MASTER, 모델 L1UO3과 임펠러 형 A100(dia 1")이다.

실시예 7

도6에서 도시한 바와 같이, 모든 하이드록실기(OH ^- )는 FFA에 의해 소비되고 중화되었다. 혼합시간과 온도는 수율에 매우 중요하다. 임의 과량의 가성 용액이 중성유의 가수분해에 사용되기 때문에, 높은 가성 농축액 존재하에 고온에서 혼합시간을 길게 할 경우 가수분해 손실을 증가시킨다. 유지에 대한 선행 기술은 가수분해에 의한 손실을 예방하기 위하여 높은 가성 농도, 높은 온도, 매우 짧은 혼합시간을 사용하였다. 하지만, 본원 발명에서는 희석된 가성 용액(FFA:KOH 몰비율으 1), 정제용액으로 양질의 에멀젼을 만들면서 AMF를 완전하게 녹일 수 있을 만큼 낮은 온도, 검증된 광범위한 범위의 혼합시간(1 내지 10분)을 사용하여도 수득률에는 영향을 주지 않았다.

실시예 8

초기에 테스트한 원심력 범위는 도7에 제시한다. 생성된 알칼리 금속염은 원심분리하여 배지로부터 분리하였다. AMF의 결정화 및 이에 따른 불량 알칼리 금속염이 분리되는 것을 피하기 위하여, 혼합물을 가급적 즉시 원심분리한다. 원심분리는 빠르고 효율적이다.

실시예 9

LIGHTIN LAB MASTER(SI) 혼합기 모델 L1UO3과 임펠러 형 A100(dia 1")을 이용하여 2.07% FFA를 함유하는 10(g) 우지는 유지방은 온도가 70℃에 도달할 때까지, 1800rpm으로 10㎖ 정제용액(0.412% KOH와 5.409% CaCl ₂ )과 혼합하였다. 온도가 70℃에 도달한 직후, 동일 혼합속도(1800 rpm)에서 혼합기 타이머를 1분으로 설정하였다. 생성된 알칼리 금속염은 실온에서 10분동안 8700 xg로 즉시 원심분리하였다. FAA 감소된 우지는 상부 상층액에서 회수하였다. 정제된 우지의 FFA 함량은 0.08%이었다. 달성된 FFA 감소는 96.01%이었다.

실시예 10

LIGHTIN LAB MASTER(SI) 혼합기 모델 L1UO3과 임펠러 형 A100(dia 1")을 이용하여, 0.122% FFA를 함유하는 10(g) 돈지는 온도가 50℃에 도달할 때까지, 1800rpm으로 10㎖ 정제용액(0.024% KOH와 0.326% CaCl ₂ )과 혼합하였다. 온도가 50℃에 도달한 직후, 동일 혼합속도(1800 rpm)에서 혼합기 타이머를 1분으로 설정하였다. 생성된 알칼리 금속염은 실온에서 10분동안 8700 xg로 즉시 원심분리하였다. FAA 감소된 돈지는 상부 상층액에서 회수하였다. 정제된 돈지의 FFA 함량은 0.02%이었다. 달성된 FFA 감소는 83.60%이었다.

동물성 지방에서 FFA를 감소시키는 공정은 중화제인 알칼리 금속 수산화물 및 지방 수용체인 Ca나 Mg 염을 사용한다. 이 공정 주요 개념은 희석된 정제용액, 낮은 온도, 상대적으로 긴 반응시간을 이용하는 것이다. 상기 공정은 다수의 특성을 갖는데, 이들은 유지 정제에 사용되는 선행 공정에 비하여 상당히 실용적인 이점을 제공한다. 상기 공정은 기존 공정과는 대조적으로 효율적이고, 탈취없이 단일작업으로 AMF에 존재하는 FFA를 0.02%까지 감소시킬 수 있다. 본 공정에서 사용된 완화된 실험 조건은 AMF의 양질의 향미 성분인 락톤을 손상시키지 않는다.

FFA와 콜레스테롤을 제거하는 공정

AMF에 존재하는 FFA와 콜레스테롤을 감소시키기 위하여 개발된 공정은 도8에 개략적으로 제시한다.

실시예 11

0.395% 콜레스테롤과 0.293% FFA를 함유하는 10(g) AMF는 10㎖ 정제용액(0.0583% KOH와 0.763% CaCl ₂ )과 온도가 50℃에 도달할 때까지 1000rpm에서 혼합하였다. 50℃에서, 혼합물은 650mg β-사이클로덱스트린(β-사이클로덱스트린:콜레스테롤 몰비율 5.58)을 첨가하면서 10분이상 동일 속도로 혼합하였다. 생성된 알칼리 금속염 및 β-사이클로덱스트린:콜레스테롤 복합체는 실온에서 10분동안 8700 xg로 즉시 원심분리하였다. AMF에 존재하는 감소된 콜레스테롤과 FFA는 상부 상층액에서 회수하였다. 달성된 콜레스테롤과 FFA 감소정도는 각각, 54%와 92%이었다.

비교 실시예 12

0.395% 콜레스테롤과 0.293% FFA를 함유하는 10(g) AMF를 10㎖ 증류수와 온도가 50℃에 도달할 때까지 1000rpm에서 혼합하였다. 50℃에서, 혼합물은 650mg β-사이클로덱스트린(β-사이클로덱스트린:콜레스테롤 몰비율 5.58)을 첨가하면서 10분이상 동일 속도로 혼합하였다. 생성된 β-사이클로덱스트린:콜레스테롤 및 β-사이클로덱스트린:FFA 복합체는 실온에서 10분동안 8700 xg로 즉시 원심분리하였다. AMF에 존재하는 감소된 콜레스테롤과 FFA는 상부 상층액에서 회수하였다. 달성된 콜레스테롤과 FFA 감소정도는 각각, 54%와 49.65%이었다. 이 실험은 AMF에 존재하는 FFA의 감소정도를 향상시키는데 있어, 정제 용액이 중요하다는 것을 보여주는데, 그 이유는 FFA 감소정도가 42.35% 증가하였기 때문이다. 게다가, 콜레스테롤 감소정도에는 변동이 없다는 점에서, 정제용액은 콜레스테롤과 β-사이클로덱스트린사이의 복합체 형성에 아무런 영향을 주지 않는다는 것을 알 수 있다.

실시예 13

다수의 인자와 상호작용이 소요 반응에 영향을 주는 경우, 공정을 최적화하는데 있어 반응 표면 분석법(RSM)이 효과적이다(Hunter, 1959). 따라서, 콜레스테롤과 FFA 감소에 대한 독립 변수(KOH:FFA 몰비율, Cacl ₂ :FFA 몰비율, 혼합시간, β-사이클로덱스트린:콜레스테롤 몰비율, 혼합속도)의 종합적 효과의 최적화는 반응 표면 분석법을 이용하여 달성하였다. 2가지 반응을 측정하였다: 콜레스테롤 감소%(Y ₁ )는 샘플내 전체 콜레스테롤 함량 대 대조군내 전체 콜레스테롤 함량의 비율 ×100으로 정의하였다; FFA 감소%(Y ₂ )는 샘플내 전체 FFA 함량 대 대조군내 전체 FFA 함량의 비율 ×100으로 정의하였다. 예비실험에 기초하여, 도1에 도시한 5개의 독립변수는 KOH:FFA 몰비율, Cacl ₂ :FFA 몰비율, 혼합시간, β-사이클로덱스트린:콜레스테롤 몰비율, 혼합속도다. 다른 중요한 독립변수는 고정시켰다: 온도와 원심분리(8700 xg, 10분, 실온). 실험 계획은 5개 인자, 5가지 수준의 중심합성설계다(John L. Gill, Design and Analysis of Experiments in the Animal and Medical Science. Volume (2), Chapter 9, Michigan State university(1993)). 독립 변수의 코드화된 값은 -2(최소 수준), -1.0(중간 수준), 1.0과 2(최대 수준)이었다. 조사한 각 독립변수에서, 도8에 도시한 예비조사에 따른 중간값(0)을 선택하였다. 표2에서 보인 완전한 계획은 중심값의 6번 반복(0, 0, 0, 0, 0)을 비롯한 32개의 실험치로 구성된다.

다중 측정의 상응 계수(R ² ) 및 변이 계수(CV)를 이용한 각 반응 변이의 분석결과는 표3에 제시한다. F값과 R ² 의 분석으로부터, 5개중에서 4개의 독립변수(KOH:FFA 몰비율, 혼합시간, β-사이클로덱스트린:콜레스테롤 몰비율, 혼합속도)만이 콜레스테롤 감소(Y ₁ )에 영향을 주는 것으로 보인다. 실제로, 모델로부터 염화칼슘의 배제에도 불구하고, R ² 는 높은 상태(0.95)를 유지하였고, F-테스트의 유의성은 ＜0.001이었다. (Y ₁ )에 대한 예상 회귀 계수 및 4개의 선별된 인자에 대한 계수의 유의성 검사결과는 표4에 나타낸다. 또한, F값과 R ² 의 분석으로부터 5개중에서 3개의 독립변수(KOH:FFA 몰비율, CaCl ₂ :FFA 몰비율, 혼합시간)만이 FFA 감소(Y ₂ )에 영향을 주는 것으로 보인다. (Y ₂ )에 대한 예상 회귀 계수 및 3개의 선별된 인자에 대한 계수의 유의성 검사결과는 표5에 나타낸다. 모델 전부가 적합성을 보였다. 만족스런 R ² 값 및 ＜0.001의 F-테스트 유의성을 보이는 양 모델에 적절하고 유용하다. 상기 모델을 이용한 예상 Y ₁ , Y ₂ , 나머지 값은 표6과 7에 제시한다.

Y ₁ (콜레스테롤 감소 백분율)에 기초한 최적화

모델 Y ₁ 은 콜레스테롤 감소를 최대화하는 변이의 변화 방향을 나타내는데 유용하다. 유의성 회귀 계수(표4)에서 판단할 때, 콜레스테롤 감소에 영향을 주는 가장 중요한 인자는 KOH:FFA 몰비율, 혼합시간, β-사이클로덱스트린:콜레스테롤 몰비율, 혼합속도다. 이들은 현저한 일차 순서, 이차, 2개 인자 상호작용 관계를 보였다.

KOH:FFA 몰비율

KOH는 FFA를 중화시키고 배지에서 이들을 제거하는데 사용되었다. 검사한 KOH:FFA 몰비율 범위는 표2에 도시한다. 네거티브 기울기: b ₁ = -3.99(표4)는 임의의 혼합시간 또는 속도에서 KOH가 증가함에 따라 콜레스테롤 감소가 줄어든다는 것을 시사한다(도9와 도10). 콜레스테롤 감소에 대한 KOH의 네거티브 효과는 배지에 존재하는 FFA를 알칼리 금속염 분자로 전환시키는 능력때문일 수도 있다. 알칼리 금속염 분자는 응집하여 미포를 형성하는데, 그 이유는 배지에서 이들의 농도(10.39mM)가 올레이트산 나트륨에 대하여 1.5mM인 미포 임계 농도(cmc)를 초과하기 때문이다(Small, DM, Molecular Biology and Biotechnology, RA Meyers(ed), 503-511. VCH Publishers, Inc. USA(1995)). 음으로 대전된 카르복실레이트기는 미포의 표면에서 돌출하여, β-사이클로덱스트린 분자의 외부 가장자리의 하이드록실기와 수소결합을 형성하고, 따라서 β-사이클로덱스트린 분자에 대하여 콜레스테롤과 경합한다.

도11에서 도시한 바와 같은 KOH의 네거티브 효과를 상쇄하기 위한 β-사이클로덱스트린:FFA 몰비율을 높이는 것은 상업적으로 실현불가능하다. 반응 표면의 형태(도11) 및 2개 인자 상호작용 관계의 기울기(B ₁ B ₄ = 12.86)는 이들 2가지 변수간의 강한 상호작용이 있다는 특징이다. 칼슘염은 카르복실레이트 수용체다. 칼슘염을 첨가하면 실험# 18과 19에서 도시한 바와 같이 15%이상 콜레스테롤 감소가 증가한다(표2). 칼슘염은 가용성 알칼리 칼슘염과 반응하여 불용성 알칼리 칼슘염을 형성하는데, 이것은 알칼리 금속염 미포를 파괴하고, 따라서 콜레스테롤 감소에 대한 알칼리 금속염 미포의 유해 효과를 상쇄한다. 실험 영역내에서 사용되는 CaCl ₂ :FFA 몰비율은 모델에 별다른 영향을 주지 않는다. 검사한 CaCl ₂ :FFA 몰비율의 범위는 표2에 도시한다.

혼합 시간

콜레스테롤 감소 Y ₁ 정도는 혼합 시간에 상당히 의존한다. 파지티브 기울기 B ₃ = 10.76은 임의의 β-사이클로덱스트린:콜레스테롤 몰비율 또는 혼합속도에서 혼합시간이 증가함에 따라 콜레스테롤 감소비율도 증가한다는 것을 시사한다(도12와 도13). 검사한 혼합시간의 범위는 표2에 도시한다.

β-사이클로덱스트린:콜레스테롤 몰비율

이론적으로, 1몰의 β-사이클로덱스트린은 1몰의 화합물과 복합체를 구성한다(Szetli, J., Inclusion Compound 3:331(1984)). 좀더 큰 분자량 화합물은 하나이상의 사이클로덱스트린 분자와 복합체를 구성할 수 있다(Szetli 1984, IBID). 검사한 β-사이클로덱스트린:콜레스테롤 몰비율의 범위는 표2에 도시한다. 콜레스테롤 감소정도는 β-사이클로덱스트린:콜레스테롤 몰비율에 상당히 의존한다. 파지티브 기울기 B ₄ = 4.97은 β-사이클로덱스트린:콜레스테롤 몰비율이 증가함에 따라 콜레스테롤 감소도 증가한다는 것을 시사한다(도14).

혼합속도

혼합속도는 β-사이클로덱스트린과 콜레스테롤간의 접촉을 담보하고 수중유 에멀젼을 안정화시키는데 중요한 인자다. 온도가 50℃에 도달할 때까지, β-사이클로덱스트린을 첨가하고 LIGHTIN LAB MASTER(MS) 혼합기 모델 L1UO3과 임펠러 형 A100(dia 1")을 이용하여 10분동안 혼합하였다. 콜레스테롤 감소정도는 혼합속도에 상당히 의존한다. 파지티브 기울기 B ₅ = 30.44는 임의의 β-사이클로덱스트린:콜레스테롤 몰비율에서 혼합속도가 증가함에 따라 콜레스테롤 감소비율도 증가한다는 것을 시사한다. 반응 표면의 기울기(도14)는 β-사이클로덱스트린:콜레스테롤 몰비율 및 혼합속도간의 강한 상호작용의 특징이다. 검사한 혼합속도의 범위는 표2에 도시한다.

Y ₂ (FFA 감소 퍼센트)에 기초한 최적화

모델 Y ₂ 는 FFA 감소를 최대화하는 변이의 변화 방향을 나타내는데 유용하다. 유의성 회귀 계수(표5)에서 판단할 때, FFA 감소에 영향을 주는 가장 중요한 인자는 KOH:FFA 몰비율, CaCl ₂ :FFA 몰비율, 혼합속도다. 이들은 현저한 일차 순서, 이차, 2개 인자 상호작용 관계를 보였다.

KOH:FFA 몰비율

정확한 측정 강도(KOH:FFA 몰비율은 1)의 희석된 알칼리 금속 수산화물 용액을 FFA와 반응시키는 경우, 다음과 같은 결과의 반응식을 얻는다.

RCOOH + KOH → RCOOK + H ₂ O

KOH의 양은 AMF에 존재하는 FFA의 함수다. KOH:FFA 몰비율이 1인 경우 도8에서 밝힌 적절한 실험조건하에, 배지에 존재하는 모든 FFA를 중화시키기에 충분하다. 과량의 알칼리 용액은 사포닌화 반응에 의한 중성지방 손실로 인해 수율에 치명적인데, 그 이유는 과도한(OH ^- )가 락톤을 이에 상응하는 하이드록시산으로 가수분해시키기 때문이다. FFA 감소는 KOH:FFA 몰비율에 상당히 의존한다. 파지티브 기울기 B ₁ = 24.58(표5)은 임의의 혼합속도에서 KOH:FFA 몰비율이 증가함에 따라 FFA 감소비율도 증가한다는 것을 시사한다(도15). 검사한 KOH:FFA 몰비율의 범위는 표2에 도시한다.

염화칼슘:FFA 몰비율

염화칼슘은 카르복실레이트 수용체로 사용되었다. 이들은 다음과 같은 능력으로 인해 정제용액에 첨가된다: (1) 카르복실레이트와 반응하여 불용성 염(라임스톤과 유사)을 형성하고, 따라서 원심분리를 이용하면 배지로부터 이들을 매우 효과적으로 분리할 수 있다; (2) 가용성 K 또는 Na 알칼리 금속염과 반응하여, 불용성 알칼리 금속염을 형성하고 에멀젼화에 의한 중성 지방의 손실을 최소화함으로써 수율을 향상시킨다; (3) 알칼리 금속염 미포를 파괴하고 음으로 대전된 미포 표면에서 β-사이클로덱스트린의 응집(flocculation)을 최소화시키고, 따라서 콜레스테롤 감소정도를 향상시킨다; (4) KOH와 연계하여 FFA 감소비율을 공동으로 상승시킨다; (5) 양이온으로 배지를 포화시키고, 따라서 다음 반응식이 일어나지 않도록 하여 FFA 감소비율을 향상시킨다.

RCOO ^- + H ₂ O ⇔ RCOOH + OH ^-

과량의 양이온은 수율과 향미에 대한 과도한 하이드록실기의 유해 효과에 의해, 가성 용액이 아닌 Ca염으로 제공한다. 검사한 CaCl ₂ :FFA 몰비율의 범위는 표2에 도시한다. FFA 감소에 대한 염화칼슘의 효과는 배지에 존재하는 β-사이클로덱스트린으로 예측하는데, 그 이유는 β-사이클로덱스트린 자체가 FFA를 감소시킬 수 있기 때문이다.

혼합속도

혼합속도는 정제용액 용질과 FFA간의 접촉을 담보하는데 중요한 인자다. 실험 영역내에서 사용되는 혼합속도는 FFA 감소정도에 약간의 영향을 준다(도15). 파지티브 기울기 B ₅ = 5.28(표5)은 혼합속도가 증가함에 따라 FFA 감소비율도 증가한다는 것을 시사한다. 검사한 혼합속도의 범위는 표2에 도시한다.

실시예 14

Y ₁ 에 대한 모델은 β-사이클로덱스트론:콜레스테롤 몰비율, 혼합시간, 혼합속도가 높을수록, 콜레스테롤 감소정도가 증가한다는 것을 보여준다. 표2의 #4와 #26에 사용되는 이들 3가지 독립변수의 결합효과는 각각 AMF 콜레스롤을 77.30%와 73.70% 감소시킨다. 이와 같은 처리에 대해 추가적 최적화시키면 콜레스테롤 감소정도를 향상시킬 수 있다. 표2의 실험에 사용되는 β-사이클로덱스트린의 양은 실험 #26에 사용되는 양보다 더 많다. 공정의 비용-효율성을 감안할 때, 표2의 실험 #26에 추가적 최적화를 실시한다. #26은 혼합시간에 대하여 최적화하는데, 그 이유는 β-사이클로덱스트린의 양을 증가시키는 것이 경제적으로 불가능하고, 더 높은 혼합속도를 사용하면 배지의 점도를 증가시켜 원심분리동안 문제를 야기하기 때문이다. 조사한 2가지 반응을 고려할 때, 혼합시간을 증가시키면 콜레스테롤 감소정도를 추가로 향상시킬 수 있다는 것이 밝혀졌다. 실제로, 콜레스테롤 감소에 대한 이론상의 수학적 모델은 30 내지 35분의 혼합시간동안 콜레스테롤이 완전히 제거될 수 있음을 보여준다.

본 발명의 주목적은 단일작업으로 동물지방에서 콜레스테롤, 유리지방산, 융점을 감소시켜 냉장온도에서 엷게 발라먹을 수 있는 건강에 좋은 지방을 만드는 것이다. 이들 목적은 도16에서 개략적으로 도시한 최종 최적화 공정을 이용하여 달성할 수 있다.

실시예 15

0.283% 콜레스테롤과 0.3% FFA를 함유한 10(g) AMF를 물 대 옥배유 중량비율이 각각 10:0, 11.5:1.5, 13:3, 16:6, 20:10인 10, 13, 16, 22, 30(g) "액형"과 1400rpm에서 온도가 50℃에 도달할때까지 혼합시킨다. 모든 실험에서 사용되는 "액형"은 KOH, CaCl ₂ , dH ₂ O, 옥배유로 구성된다. 상이한 성분의 비율은 다음과 같다: 1:1(고정비율)의 KOH:FFA 몰비율, 1:5(고정비율)의 FFA:CaCl ₂ 몰비율, 전술한 H ₂ O:옥배유의 변이 중량비율. 50℃에서, 혼합물에 650mg β-사이클로덱스트론을 첨가하면서, 30분 이상동안 동일속도(1400rpm)로 혼합하였다. 생성된 알카리 금속염 및 β-사이클로덱스트론:콜레스테롤 복합체는 실온에서 10분동안 8700 xg로 즉시 원심분리하였다. 변형된 무수성 유지방은 상부 상층액으로부터 회수한다. 달성된 콜레스테롤 및 FFA 융점 감소는 표8에 제시한다.

실시예 16

0.0796% 콜레스테롤과 0.547% FFA를 함유한 10(g) 우지는 온도가 50℃에 도달할 때까지, 10(g) "액형"(0.108% KOH, 1.42% CaCl ₂ , 물:옥배유 중량비율 10:0)과 1400rpm으로 혼합한다. 50℃에서, 혼합물에 650mg β-사이클로덱스트론을 첨가하면서, 30분 이상동안 동일속도(1400rpm)로 혼합하였다. 이후, 혼합물은 55℃로 가열하여, 알칼리 금속염 및 β-사이클로덱스트론:콜레스테롤 복합체의 분리를 향상시킨다. 생성된 알카리 금속염과 β-사이클로덱스트론:콜레스테롤 복합체는 실온에서 10분동안 8700 xg로 즉시 원심분리하였다. 원심분리기의 로터를 고온 수조에서 50℃로 가열하였다. 감소된 콜레스테롤과 FFA 우지는 상부 상층액으로부터 회수한다. 달성된 콜레스테롤 및 FFA 감소정도는 각각 100%와 98.16%이었다.

실시예 17

0.071% 콜레스테롤과 0.122% FFA를 함유한 10(g) 돈지는 온도가 50℃에 도달할 때까지, 10(g) "액형"(0.024% KOH, 0.326% CaCl ₂ , 물:옥배유 중량비율 10:0)과 1400rpm으로 혼합한다. 50℃에서, 혼합물에 650mg β-사이클로덱스트론을 첨가하면서, 30분 이상동안 동일속도(1400rpm)로 혼합하였다. 생성된 알카리 금속염과 β-사이클로덱스트론:콜레스테롤 복합체는 실온에서 10분동안 8700 xg로 즉시 원심분리하였다. 감소된 콜레스테롤과 FFA 우지는 상부 상층액으로부터 회수한다. 달성된 콜레스테롤 및 FFA 감소는 각각 100%와 95.5%이었다.

본 발명에 따른 공정은 중화제인 알킬리 금속 수산화물, 카르복실레이트 수용체인 칼슘염, 복합제인 β-사이클로덱스트론, 용융점이 낮은 식물성 기름을 이용하는 것에 기초하여, 동물지방에서 FFA, 콜레스테롤, 용융점을 감소시켜 냉장온도에서 엷게 발라먹을 수 있는 무수성 무콜레스테롤 유지방을 생산한다. 본원 공정의 개념은 희석된 수용성 "액형", 낮은 온도, 상대적으로 긴 반응시간을 이용하는 것이다. 본원 공정은 다수의 특성을 갖는데, 이들은 콜레스테롤 및 FAA 감소에 사용되는 선행 공정에 비하여 상당히 실용적인 이점을 제공한다. 본원 공정은 콜레스테롤이 단일작업으로 충분히 제거되고, 수득되는 콜레스테롤 감소가 선행기술에 비하여 적어도 20%이상 높다는 점에서 효율적이다. 관찰되는 FFA 감소는 92.40%이상인데, 이는 선행 공정에 비하여 45%이상 더 높다. 본원 공정은 단일작업으로 모든 목적을 달성할 수 있어 저렴하고 효율적인데, 이것은 기존 공정에 비하여 본원 공정에 다수 이점을 제공한다. 본원 공정은 산화 분해를 최소화하기 위하여, AMF를 공기에 노출시키지 않는 밀폐된 시스템에서 실시할 수 있다. 본원 공정은 값비싼 전문 장비를 필요로 하지 않는다.

본원 공정은 단지 가열과 혼합, 이후의 원심분리만을 필요로 한다.

FFA 또는 콜레스테롤이 없는 가공된 동물지방은 저지방 또는 무지방 유제에 균질화시켜, 전지 분유를 재구성하는데 사용할 수 있다. 이런 산물은 치즈 또는 아이스크림을 만드는데 사용할 수 있다.

인지하는 바와 같이, 전술한 내용은 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 이후에 첨부된 청구항으로만 본 발명을 한정한다.