초록 ▼

○ 연구결과
• 효소적 공법에 의한 POS/SOS 합성 최적화 조건 확립(회분식)및 특성 연구
- 카놀라유의 반응 표면 분석을 통한 코코아버터 유사 재구성지질 합성 최적화 연구를 수행하였다.
반응기질로는 카놀라유(Canolaoil;Ca)와 palmiticethylester(PEE)와 stearicethylester(StEE)를 이용하였으며,효소는 LipozymeTLIM을 사용하여 반응기질의 몰비율과 반응효소의 양,반응시간을 독립변수로 하고,D-optimal계획에 의한 반응표면분석에 따라 합성을 실시하였다.반응을 통해

○ 연구결과
• 효소적 공법에 의한 POS/SOS 합성 최적화 조건 확립(회분식)및 특성 연구
- 카놀라유의 반응 표면 분석을 통한 코코아버터 유사 재구성지질 합성 최적화 연구를 수행하였다.
반응기질로는 카놀라유(Canolaoil;Ca)와 palmiticethylester(PEE)와 stearicethylester(StEE)를 이용하였으며,효소는 LipozymeTLIM을 사용하여 반응기질의 몰비율과 반응효소의 양,반응시간을 독립변수로 하고,D-optimal계획에 의한 반응표면분석에 따라 합성을 실시하였다.반응을 통해 acyl-migration은 최소로 일어나며,POS 및 SOS,POP의 함량은 최대로 합성되는 조건을 최적화 조건으로 결정하였다 최적화 조건은 기질 몰비율은 1:3:9(Ca:PEE:StEE)이며,반응효소의 양은 6%이고,반응시간은 40min이었다.
-Camelliaoil과 PEE,그리고 StEE를 기질로 하고 LipozymeTLIM을 촉매로 하여 interesterification을 통한 POS를 많이 함유한 반응물을 합성하였다.반응 조건(반응효소비율,반응시간,기질의 비율)을 독립변수로 하여 중심 합성 계획에 의한 반응 표면 분석을 통하여 POS의 함량은 높이고,sn-2 position의 acylmigration을 낮추어 합성하는 최적화 조건을 얻었다.POS를 많이 함유한 반응물의 합성 최적화 조건은 반응 효소양(X₁)= 5.9%,반응시간(X₂)= 60 min,그리고 기질비율(X₃)= 1:3(1 mole의 camelliaoil:3mole의 palmiticethylester+3mole의 stearicethylester)이었다.
• 효소적 공법에 의한 POS/SOS 합성 최적화 조건 확립(연속식)
- 카놀라유(Ca)와 palmiticethylester(PEE),stearicethylester(StEE)의 기질 몰비율을 1:2:2,1:2:4,1:2:6,1:3:6(Ca:PEE:StEE,w/w/w)로 하여 Lipozyme TLIM의 양(100g,125g,150g)별로 충진되어 있는 연속식반응기에서 기질유량(8g/min,13g/min)에 따라 코코아버터 유사지를 합성하였다.연속식 반응기에서 충진되어 있는 효소의 양이 높을수록 생성되는 POP/POS/SOS의 함량은 높아졌으며,각 기질의 몰비율에서 기질의 유량이 낮을수록 그리고 StEE의 기질 비율이 증가할수록 POS와 SOS의 함량이 증가하는 경향을 나타내었다.
- 반응물에서 palmitic acid(C16:0,P)와 stearic acid(C18:0,S) 함량이 증가할수록 카놀라유에서 palmiticacid와 stearicacid의 합성율이 증가함을 나타낸다.기질 몰비율(Ca:PEE:StEE,1:2:2,1:2:4,1:2:6,1:3:6)에서 효소양이 클수록 그리고 기질 유량이 낮을수록 palmiticacid와 stearicacid의 합성율이 높아지는 경향을 나타내었다.
• 효소적 공법(연속식)에 의하여 합성한 반응물의 정제법(fractionation)연구 및 물리화학적 특성 연구
- LipozymeTLIM 으로 각각 100g,125g,150g으로 충진되어 있는 연속식 반응기에서 카놀라유(Ca)와 palmiticethylester(PEE),stearicethylester(StEE)를 기질 몰비율별(Ca:PEE:StEE,1:2:4,1:2:6,1:3:6),기질의 유량별(8g/min,13g/min)로 반응하였다.이렇게 합성한 반응물을 가지고 증류를 수행하여 ethylester를 제거하고,triacylglycerol(TAG)를 획득한 후 acetonefractionation을 통한 정제를 수행하였다.
- Lipozyme TLIM 효소가 150 g 충진되어 있는 연속식 반응기에서 유량이 8 g/min 일때,합성한 1:2:6의 몰비율에서는 POP/POS/SOS 조성이 각각 8%,34%,52% 이었으며,1:3:6의 몰비율에서는 POP/POS/SOS 조성이 각각 12%,43%,36% 이었다.또한,유량이 13g/min에서 합성한 1:2:6의 몰 비율에서는 POP/POS/SOS 조성이 각각 7%, 33%, 50% 이었으며, 1:3:6의 몰비율에서는 POP/POS/SOS 조성이 각각 9%,42%,42% 이었다.
- Lipozyme TLIM 효소가 100 g 충진되어 있는 연속식 반응기에서 유량이 8 g/min일때,POP/POS/SOS 조성이 합성한 1:2:4의 몰비율에서는 각각 6%,33%,46% 이었으며,1:2:6의 몰비율에서는 각각 9%,36%,43% 이었으며,1:3:6의 몰비율에서는 각각 11%,41%,33% 이었다.
- 기질 1:3:6의 몰비율에서는 유량이 13 g/min 일때, 효소양 150 g, 125 g, 100 g에 따라 SMS(Saturated-Monounsaturated-Saturated)의 조성은 각각 90%, 93%, 82% 이었으며,SSM(Saturated-Saturated-Mono unsaturated)의 조성은 3%, 2%, 3%를 나타내었다. 이때 SSM/SMS ratio은 150g,125g,100g 일때 각각 3.3%,2.2%,3.3% 이었다.기질 유량이 클수록 SSM/SMS ratio가 낮아지는 경향을 보였으며,이는 곧 acylmigration이 낮아짐을 의미하였다.
- 기질 1:2:2(Ca:PEE:StEE,w/w/w)몰비율을 LipozymeTL IM 효소 125g으로 충진되어 있는 packed-bedreactor에서 기질의 유량은 8g/min으로 총 기질무게가 대략 15kg정도로 반응하여 코코아버터 대체지의 대량합성을 수행하였다.대량 합성한 반응물 15kg을 증류를 통하여 ethylester를 제거한 후 얻어진 triacylglycerol 반응물은 대략 6 kg 정도 획득하였다. 이를 acetone fractionation을 25℃와 4℃,6℃(three-stepfractionation)에서 분획을 수행한 후 정제하여 코코아버터 유사지를 생성하였다.이때 분별 후에 획득한 코코아버터 유사지의 총 수율은 13-14%내외를 나타내었다.분별 후 코코아버터 유사지의 POP/POS/SOS 함량은 각각 13.4%,51.8%,32.3%를 나타내었다.지방산 조성은 palmiticacid, stearicacid,oleicacid의 함량은 각각 21.82%,42.23%,42.23% 이었다.
• 팔미트산/스테아린산 에틸에스테르(palmitic/stearicethylester)대량합성 및 정제법 확립
- Ccocoabutterequivalent(CBE)합성을 위한 중요한 중간체인 팔미트산 에틸에스테르와 스테아린산 에틸에스테르의 합성을 200L 급 Pilot반응기에서 각각 실시하였다.최종의 팔미트산 에틸 에스테르 94.2kg(수율 85.8%)을 합성하였으며,스테아린산 에틸 에스테르 73.2kg(수율 85.8%)을 합성하였다.
• 효소적 공법에 의한 회분식 에스테르 교차 대량 합성 및 고진공 박막 증류 장치(TFE,High Vacuum ThinFilm Evaporatoe)를 이용한 TAG/Ethylester의 분리
- 회분식 에스테르 교차 대량합성을 위하여 회분식반응기에서 high oleicoil과 앞절에서 대량합성에 성공한 Stearicethylester(StEE)를 기질 무게비율 비율(56kg:78kg)를 효소(LipozymeTLIM)의 2.0kg을 혼합하여 45℃에서 10시간 동안 2회 반복실험을 실시하였다.이때 합성된 POS/SOS의 조성은 25%를 나타내었다.
-고진공 박막 증류 장치를 이용하여 진공도 0.2torr하에서 220℃ 로 가열하여 약 5Liter/h의 속도로 원료를 주입하여 139.1kg의 반응 혼합물을 박막 증류하여 TAG 75.4kg과 EE 63.7kg분리하는데 성공하였다.분석결과 TAG는 순도가 99.5% 이상이었다.
• 용매(아세톤)를 이용한 TAG의 대량 분획법 확립 및 초콜릿 제조
- 연속식 반응기에서 기질 15kg을 가지고 증류 후 획득한 triacylglycerol로 이루어진 반응 정제물 5.1kg을 가지고 1차(25℃)와 2차(4℃),3차(6℃)분획을 통하여 최종 635g의 코코아버터 유사지를 획득하였다.
- 대량 합성 후 정제한 코코아버터 유사지 대략 635g을 가지고 초콜릿(화이트 초콜릿,다크 초콜릿,밀크 초콜릿)3종을 제조하였다.

Abstract ▼

IV. Results and opinion
1. Optimization of POS/SOS production by lipase-catalyzed reaction(Batch reaction) and their characteristic study
(1) Optimization of lipase-catalyzed production of structured lipid containing similar composition of triacylglycerols to cocoa butter from canola oil
•

IV. Results and opinion
1. Optimization of POS/SOS production by lipase-catalyzed reaction(Batch reaction) and their characteristic study
(1) Optimization of lipase-catalyzed production of structured lipid containing similar composition of triacylglycerols to cocoa butter from canola oil
• Synthesis conditions of cocoa butter equivalent were optimized using response surface method(RSM) by interesterification of canola oil(Ca), palmitic ethyl ester(PEE) and stearic ethyl ester(StEE). The reaction was catalyzed by immobilized lipase(Lipozyme TLIM) from Thermonyces lanuginosa to produce structured lipid containing similar composition of triacylglycerols to cocoa butter.
• Reaction conditions were optimized using D-optimal design with reaction factors as substrate molar ratio of canola oil to palmitic ethyl ester and stearic ethyl ester(Ca:PEE:StEE=1:1:3, 1:1.66:5, 1:2:6.1:2.33:7, 1:3:9, X1), enzyme ratio(2~6%, X2), and reaction time(30~270min, X3). The optimal conditions minimizing acyl-migration while maximizing 1-palmitoyl-2-oleoyl-3-stearoyl glycerol(POS), 1, 3-distearoyl-2-oleoyl glycerol(SOS), and 1, 3-dipalmitoyl-2-oleoyl glycerol(POP) were predicted, resulting in Ca: PEE : StEE=1:3:9,6% of enzyme ratio, and 40 min of reaction time. The reaction product of structured lipid was synthesized again under the same condition, showing 10.43 area% o facyl-migration, 25.31 area% of POS/PSO, 19.79 area% of SOS, and 11.22 area% of POP.
(2) Optimization of POS produced by lipase-catalyzed esterification using response surface methodology
• 1(3)-Palmitoyl-2-oleoyl-3(1)-stearoyl(POS) glycerol enriched reaction products was synthesized from camellia oil, palmitic ethyl ester, and stearic ethyl ester by lipase-catalyzed interesterification. Response surface methodology(RSM) was employed to optimize for the production of POS enriched reaction product(Y1, %) and content of stearic and palmitic acid at sn- 2 position due to acyl migration(Y2, %).
• Reaction factors were enzyme amount(X1, 2~6%), reaction time (X2,60~360min), and substrate molar ratio of camellia oil to palmitic ethyl ester and stearic ethyl ester(X3, 1~3 mol). The predictive models for Y1 and Y2 were adequate and reproducible due to no signification lack of fit(0.128 and 0.237) and satisfactory levels of R2(0.968 and 0.990,respectively).
• The optimal conditions for reaction product for maximizing Y1 while minimizing Y2 were predicted at the reaction combination of enzyme amount;5.86%, reaction time; 60min, and substrate molar ratio;1:3(3 mole of palmitic and 3 mole of stearic ethyl ester). Actual reaction was performed under the same condition above, and the resulted product contained 20.19% of TAG-P/O/S and 12.71% of saturated fatty acids at sn-2 position.
2. Optimization of POS/SOS production by lipase-catalyzed reaction(Continuous reaction)
(1) Synthesis of artificial cocoa butter(POS/SOS reactants) in a continuous packed-bed reactor
• Artificial cocoa butters were synthesized by the lipase-catalyzed esterification using canola oil(Ca), palmitic ethyl ester(PEE), and stearic ethyl ester(StEE) in a packed-bed reactor.
Immobilized Lipozyme TL IM(sn-1,3 specific) was packed in to the reactor. The effects of reaction parameters(substrate molar ratio, lipase amount and flow rate) on the conversion of canola oil were investigated.
• For synthesis of artificial cocoa butter in a continuous packed-bed reactor, substrate molar ratios were 1:2:2, 1:2: 4, 1:2:6, and 1:3:6(Ca: PEE : StEE), and the amounts of TL IM-lipase were 150g, 125g, and 100g, respectively. The flow rates of substrates were 8g/min and 13 g/min.
• In the result of triacylglycerol composition, the content of triolein(OOO) derived from canola oil was reduced in POS/SOS reactants as increasing the content of palmitic acid(C16:0) and stearic acid(C18:0) in TAG molecules of POS/SOS reactants.
• In the reactants synthesized in a packed-bed reactor, the contents of POS and SOS increased when the reactions was carried out with high lipase amount, low flow rate, and high ratio of StEE.
(2) Properties of POS/SOS reactants synthesized in a continuous packed-bed reactor(fatty acid composition, symmetrical triacylglycerol composition)
• In the reactants synthesized in a packed-bed reactor, the increased contents of palmitic acid and stearic acid were observed in reaction conditions with high lipase amount and low flow rate. On the other hand, acylmigration was also observed in reaction conditions with high lipase amount and low flow rate.
• After removing the ethylesters(the by-products) from POS/SOS reactants, symmetrical TAG composition was presented as SMS(Saturated-Monounsaturated-Saturated) and SSM((Saturated- Saturated-Mono unsaturated). Typical SMS molecules are SOS(1, 3-distearoyl-2-oleoylglycerol), POS(1(3)-pal mitoyl-3(1)-stearoyl-2-oleoylglycerol), and POP (1, 3-dipal mitoyl-2-oleoylglycerol).
• Low level of SSM molecule was observed in reaction conditions operated with low lipase amount and high flow rate.
3. Fractionation and their physicochemical properties of POS/SOS reactants by lipase-catalyzed reaction(Continuous reaction)
(1) Fractionation of POS/SOS reactants synthesized by lipase-catalyzed reaction
• For the synthesis of artificial cocoa butter in a continuous packed-bed reactor, substrate molar ratios were 1:2:2, 1:2: 4, 1 : 2 : 6, and 1:3:6(Ca: PEE:StEE), and the amounts of TL IM-lipase were 150g, 125g, and 100g, respectively. The flow rates of substrates were 8 g/min and 13 g/min.
• Acetone fractionation was carried out to get the main POP/POS/SOS molecules from POS/SOS reactants synthesized in a packed-bed reactor.
• Fractionation was conducted in sequence at 25℃ and 4℃, and then the last obtained solid parts contained abundant POP/POS/SOS molecules.
• Among the POS/SOS reactants, the yield(%) of the last obtained solid part was high when it is produced at lower flow rate in a packed-bed reactor.
(2) Physicochemical properties of the fractionated POS/SOS reactants
•The contents of POP, POS, and SOS in cocoa butter were 10, 52, and 36%, respectively. In the fractionated POS/SOS reactants synthesized at flow rate of 8 g/min with Lipozyme TLIM of 150g, the contents of POP, POS, and SOS in 1:2:6 molar ratio were 8,34, and 52%, respectively. In addition, the contents of POP, POS, and SOS in 1:3:6 molar ratio were 12,43, and 36%, respectively. In the fractionated POS/SOS reactants synthesized at flow rate of 13 g/min with Lipozyme TLIM of 150g, the contents of POP, POS, and SOS in 1:2:6 molar ratio were 7,33, and 50%, respectively. Also, the contents of POP, POS, and SOS in 1:3:6 molar ratio were 9,42, and 42%, respectively.
• In the fractionated POS/SOS reactants synthesized at flow rate of 8 g/min with Lipozyme TLIM of 100 g, the contents of POP, POS, and SOS in 1:2:4 molar ratio were 6,33, and 46%, respectively. In addition, the contents of POP, POS, and SOS in 1:2:6 molar ratio were 9,36, and 43%, respectively. The contents of POP, POS, and SOS in 1:3:6 molar ratio were 11,41, and 33%, respectively.
• In the fractionated POS/SOS reactants synthesized at flow rate of 13 g/min with substrate molar ratio of 1:3:6(Ca: PEE : StEE), the SMS contents of each reactant produced with 150 g, 125g, and 100g of Lipozyme TL IM were 90, 93 and 82%, respectively. In those condition, the SSM contents were 3, 2, and 3%, respectively. The low ratio of SSM/SMS was observed in the fractionated POS/SOS reactants produced in high flow rate. And that means low acylmigration.
(3) Fractionation and physicochemical properties of POS/SOS reactants produced by the large-scale reaction
• The scale-up production (approximately 15kg) of artificial cocoa butter was performed with molar ratio of 1:2:2(Ca: PEE : St EE, w/w/w) at flow rate of 8 g/min in a continuous bed reactor packed with Lipozyme TLIMof 125g.
• The POS/SOS reactant was refined to remove ethylesters and then fractionated by acetone at three-step process(25℃, 4℃,6℃). The yield(%) of the last obtained solid parts(artificial cocoa butter) was about 13-14%.
• After fractionation, the contents of POP, POS and SOS in artificial cocoa butter were 13.4, 51.8, and 32.3%, respectively.
4. Large-scale synthesis and their refining process of palmitic/stearic ethylester
• Scale-up production of palmitc ethylester and steric ethylester were carried out in a 200-L pilot reactor. Yields(%) of palmitc ethylester and steric ethylester were 85.8%.
5. Scale-up production of cocoa butter equivalent by lipase-catalyzed reaction in a batch reactor and separation of TAG and Ethylester
• The large-scale production of cocoa butter equivalent(CBE) was performed with weight ratio of 56 kg: 78 kg(High oleic oil: StEE) in a batch type reactor with Lipozyme TLIM of 2 kg.
• The ethylesters in POS/SOS reactants were successfully removed by high vacuum thin film evaporator. Purity(%) of refined TAG molecules was over 99.5%.
6. Scale-up fractionation of refined artificial cocoa butter and their chocolate preparation
• The scale-up fractionation of POS/SOS reactants(1:2:2 molar ratio) was conducted sequentially at 25℃, 4℃, and 6℃ by a three-stepprocess. Finally, the refined artificial cocoa butter of 635 g was obtained.
• Milk chocolate, white chocolate, and dark chocolate were prepared using there fined artificial cocoa butter.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 요약문 ... 3
• SUMMARY ... 10
• CONTENTS ... 15
• 목차 ... 16
• 제 1장 연구개발과제의 개요 ... 19
• 제 1절 연구개발의 필요성 ... 19
• 1.기술적 측면 ... 19
• 2.경제ㆍ산업적 측면 ... 21
• 3.사회ㆍ문화적 측면 ... 22
• 제 2절 연구개발의 목적 ... 22
• 1. 연구개발의 목표 및 내용 ... 22
• 가.연구개발의 최종목표 ... 22
• 제 2장 국내외 기술개발 현황 ... 24
• 제 1절 국내ㆍ외 관련기술의 현황과 문제점 ... 24
• 1. 국내 제품생산 및 시장 현황 ... 24
• 2. 국외 제품생산 및 시장 현황 ... 24
• 제 2절 개발기술의 산업화 방향 및 기대효과 ... 25
• 1. 효소적 공정을 이용한 유지생산의 산업화 ... 25
• 2. 인조 코코아버터(artificialcocoabutter)의 개발 및 산업화 ... 25
• 제 3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 26
• 제 1절 효소적 공법에 의한 POS/SOS 합성 최적화 조건 확립(회분식)및 산업화를 위한 stearic/palmiticethylester합성법 확립 ... 26
• 1. 효소적 공법에 의한 POS/SOS 합성 최적화 조건 확립(회분식)및 특성연구(제1세부과제) ... 26
• 가.카놀라유를 이용한 코코아버터 유사지의 효소적 합성 최적화 연구 ... 26
• 나.Camelliaoil로부터 POS를 함유한 코코아버터 유사지의 효소적 합성 최적화 연구 ... 36
• 2. 팔미트산/스테아린산 에틸에스테르(palmitic/stearicethylester)대량합성 및 정제법 확립(제1협동과제) ... 47
• 가.팔미트산 에틸 에스테르의 대량합성 ... 47
• 나.스테아린산 에틸 에스테르의 대량합성 ... 50
• 제 2절 효소적 공법에 의한 POS/SOS 합성 최적화 조건 확립(연속식)및 산업화를 위한 대량 합성 및 정제법 확립 ... 53
• 1. 효소적 공법에 의한 POS/SOS 합성 최적화 조건 확립(연속식)(제1세부과제) ... 53
• 가.연속식 반응기(packed-bed reactor)를 이용한 코코아버터 유사지의 효소적 합성 연구 ... 53
• 나.연속식 반응기(packed-bed reactor)를 이용한 코코아버터 유사지의 symmetrical 특성 연구 ... 63
• 2. 효소법에 의한 회분식 에스테르 교차 대량합성 및 고진공 박막 증류 장치(TFE, High Vacuum Thin Film Evaporatoe)를 이용한 TAG/Ethylester의 분리(제1협동과제) ... 68
• 가.효소법에 의한 회분식 에스테르 교차 대량합성 ... 68
• 나.고진공 박막 증류 장치(TFE,High Vacuum Thin Film Evaporator)를 이용한 TAG/Ethylester의 분리 ... 69
• 다.효소법에 의한 회분식 에스테르 교차 대량합성 및 고진공 박막 증류 장치(TFE, HighVacuum ThinFilm Evaporator)를 이용한 TAG/Ethylester의 분리 연구결과 ... 70
• 제 3절 효소적 공법(연속식)에 의한 POS/SOS 합성 반응물의 정제법,물리화학적 특성 연구 및 대량 정제를 통한 초콜릿 제조 ... 71
• 1. 효소적 공법(연속식)에 의하여 합성한 반응물의 정제법(fractionation)및 물리화학적 특성 연구(제1세부과제) ... 71
• 가.효소적 공법(연속식)에 의하여 합성한 반응물의 정제법(fractionation) ... 71
• 나.효소적 공법(연속식)에 의하여 합성 후 정제(fractionation)한 반응물의 특성연구 ... 73
• 다.효소적 공법(연속식)에 의하여 대량합성 후 정제(fractionation)한 반응물의 특성 연구 ... 84
• 2. 용매(아세톤)를 이용한 TAG의 대량 분획법 확립 및 초콜릿 제조(제1협동과제) ... 91
• 가.용매(아세톤)를 이용한 TAG의 대량 분획법 확립 ... 91
• 나.용매(아세톤)를 이용한 TAG의 대량 분획법 확립결과 요약 ... 94
• 다.대량 합성 후 얻어진 코코아버터 유사지를 이용한 초콜릿 제조 ... 94
• 제 4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 96
• 제 1절 연구개발의 목표와 내용 ... 96
• 1. 제 1 세부 연구기관 ... 96
• 2. 제 1 협동 연구기관 ... 97
• 제 2절 연차별 연구개발 목표와 수행내용 그리고 달성도 ... 97
• 1. 1차년도(2009) ... 97
• 2. 2차년도(2010) ... 98
• 3. 3차년도(2011) ... 99
• 제 3절 관련 분야의 기여도 ... 99
• 1. 기술적 측면 ... 99
• 2. 경제 및 산업적 측면 ... 100
• 제 5장 연구개발 성과 및 성과활용 계획 ... 101
• 제 1절 본 연구로부터 발생한 성과 ... 101
• 1. 국제 SCI급 학술지 논문 발표 ... 101
• 2. 국내 학술등재지 논문 발표 ... 103
• 3. 국내외학술대회 발표성과 ... 109
• 제 2절 본 연구결과의 활용계획 ... 110
• 제 6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 111
• 제 7장 참고문헌 ... 113
• 끝페이지 ... 114