보고서 정보
주관연구기관 |
고려대학교 Korea University |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2015-03 |
과제시작연도 |
2013 |
주관부처 |
농림축산식품부 Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs(MAFRA) |
등록번호 |
TRKO201500011174 |
과제고유번호 |
1545007251 |
사업명 |
고부가가치식품기술개발 |
DB 구축일자 |
2015-07-18
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DOI |
https://doi.org/10.23000/TRKO201500011174 |
초록
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Ⅳ. 연구개발결과
본 연구에서는 1) 기능성 포스파티딜콜린의 합성 및 농축, 정제 방법 개발, 2) 기능성 리소포스파티딜콜린의 합성 및 정제 방법 개발, 3) 기능성 포스파티딜콜린 및 리소포스파티딜콜린의 최적 활용 제품 개발을 수행하였다. 첫 번째로, 기능성 포스파티딜콜린의 합성 및 농축, 정제 방법 개발을 위하여 Thermomyces lanuginosus 또는 Fusariumoxysporum 으로부터 유래된 포스포리파아제 A1 (PLA1)을 효소로 고정체를 이용하여 고정화시키고, 인지질로 포스파티딜콜린 (phosphatidy
Ⅳ. 연구개발결과
본 연구에서는 1) 기능성 포스파티딜콜린의 합성 및 농축, 정제 방법 개발, 2) 기능성 리소포스파티딜콜린의 합성 및 정제 방법 개발, 3) 기능성 포스파티딜콜린 및 리소포스파티딜콜린의 최적 활용 제품 개발을 수행하였다. 첫 번째로, 기능성 포스파티딜콜린의 합성 및 농축, 정제 방법 개발을 위하여 Thermomyces lanuginosus 또는 Fusariumoxysporum 으로부터 유래된 포스포리파아제 A1 (PLA1)을 효소로 고정체를 이용하여 고정화시키고, 인지질로 포스파티딜콜린 (phosphatidyl choline) 및 지방산으로 n-3 PUFA을 기질로 사용하여 산가수분해 반응 및 에스테르 교환반응을 통해 원하는 지방산의 함량을 높인 재구성 인지질을 합성하는 방법을 최적화하였다. 반응산물의 정제를 위한 초임계추출법과 liquid-liquid fractionation을 최적화하였다. 기질로 사용된 n-3 PUFA의 DHA 함량은 약 70% 이었다. 먼저, PLA1 효소의 최적 고정체로 Lewatit VP OC 1600을 선정 하였고, 산가수분해 반응의 최적조건은 몰비율 1:8 (인지질:지방산), 온도 55℃, 효소량 20%(기질량 대비), 수분함량 1.0%(기질량 대비)이었다. 그 결과, n-3 PUFA의 최적 결합률로 57.4 몰%을 얻었고, 그 때의 인지질 수율은 16.7 몰%이었다. 인지질의 수율을 높이기 위한 에스테르 교환반응의 최적조건은 몰비율 1:8 (인지질:지방산), 온도 55℃, 수분함량 1.0%(기질량 대비) 이었다. 그 결과 최대 인지질 수율은 56 몰%이었다. 지방산을 제거를 위한 초임계이산화탄소 추출의 최적 조건으로 추출 압력 6000psi, 온도 45℃가 선정되었다. 초임계 추출이 끝난 후 추출되지 않고 남은 시료에서 인지질의 함량이 산가수분해 반응 후 함량 11.3 중량%에서 36.4 중량%로 증가하였다. 초임계 추출이 끝난 시료에서 잔류 지방산 및 리소포스파티딜콜린를 제거하기 위하여 liquid-liquid fractionation을 실시한 결과, 디클로로메탄이 최적용매로 선정되었고, 10mL 디클로로메탄에 대하여 25mL 증류수를 사용하는 것이 적합하다는 것이 확인되었다. 최종적으로 얻어진 PC 농축물에서 PC의 함량은 72.6 중량%이었고, 이는 초임계 추출 후 36.5 중량%와 비교하여 약 2배, 산가수분해 반응 후 11.3 중량%와 비교하여 약 7배 가량 농축된 값이었다. 두 번째로, 기능성 리소포스파티딜콜린의 합성 및 정제 방법 개발을 위하여 대두 포스파티딜콜린을 포스포리파제 A1 촉매 하에 가수분해하여 리소포스파티딜콜린과 글리세로포스포콜린을 생산하고 반응표면분석법을 이용하여 반응 조건을 최적화하고자 하였다. 회분식반응기에서 생성되는 리소포스파티딜콜린과 글리세로포스포콜린 함량의 모델을 설립하기 위해서 온도, 반응시간, 수분함량, 효소량의 영향을 조사하였다. 아실기 이동을 억제하고 리소포스파티딜콜린의 함량을 최대로 하는 최적조건은 온도 60°C, 반응시간 3시간, 수분함량 10%(기질량 대비), 효소량 1%(기질량 대비)이었다. 리소포스파티딜콜린은 기존의 포스파티딜콜린보다 전체 불포화지방산 함량이 높고 주로 리놀레산(78mol%)으로 구성되어 있었다. 포스파티딜콜린을 완전히 가수분해하여 글리세로포스포콜린의 함량을 최대로 하는 최적조건은 온도 50°C, 반응시간 30시간, 수분함량 69%(기질량 대비), 효소량 13%(기질량 대비)이었다. 세 번째로, 개발한 기능성 포스파티딜콜린 및 기능성 리소포스파티딜콜린의 제품 개발을 위하여 시판 대두레시틴 적용 분야에 각각의 개질된 레시틴이 사용되고 있는바 당 과제를 통해 도출되는 효소적 개질을 거친 대두분말 PC의 적용 가능한 분야에 대한 가능성을 확인하였다. 이에 기존 화학적 합성 유화제를 배제하고 레시틴 단독 유화 제품에 적용하여 식품 가공분야에 우선 적용한다. 대두레시틴과 대두분말 PC의 순도 차이 이외 일반 분석에는 큰 차이가 없었다. 초기 표면장력 저하는 대두레시틴에 비해 대두분말 PC가 우수하였다. 더불어 유화 후 초기 표면장력은 각 시판 대두레시틴 제품의 투입농도와 비례한다는 사실을 확인하였다. Turbiscan 시험기를 이용하여 제조된 유화물을 상온(25도)에서 3일간 보관하면서 경과시간에 따른 유화 및 분산안정성에 대한 실험을 진행한 결과, 대두레시틴을 이용한 유화물이 대두분말 PC에 비하여 유화 안정성이 우수함을 확인하였으며, 이는 대두유를 O/W형으로 유화함에 있어 계면활성제로 이용한 대두레시틴과 대두분말 PC의 분자량에 대한 영향으로 추정된다. 대두분말 PC와 대두레시틴의 각 동일 조건에서의 평균입도 변화에 있어 대두분말 PC는 입도의 평균직경이 크게 증가하였지만, 대두레시틴은 큰 변화가 없는 것으로 보아, 대두레시틴의 유화안정성이 대두분말 PC에 비해 크게 양호한 상태임을 확인하였다. 시판중인 미국 Cargil社 Lyso-대두레시틴(EMULTOP IP)과 비교시 유사한 유화안정성과 유화특성을 확보한 LPC의 유화특성을 확인하였다. 특히, 표면장력 저하능력 평가에서 동일 표면장력 저하에 필요한 요구 농도가 시판 Lyso-대두레시틴 대비 1/100, 기능성 PC 대비 1/500의 매우 적은 투입 농도에서도 동일한 LPC의 표면저하능력을 확인할 수 있었다. Turbiscan을 사용하여 60도 온도 조건에서의 분산안정성 평가에 있어서 초기 안정성은 시판 Lyso-대두레시틴이 기능성 PC 및 LPC에 비해 우수하였으나 2일 이상 분산안정성은 기능성 PC가 보다 우수하였다. 시판 Lyso-대두레시틴의 평균 입도 반지름은 16.98um, 기능성 PC의 평균 입도 반지름은 28.64um, LPC의 평균 입도 반지름은 14.0um로 LPC의 평균 입도 반지름이 가장 안정적이었으나 평균 입도 분포폭은 시판 Lyso-대두레시틴 > LPC > 기능성 PC로 확인되었다. Bulk-Scale에서 Acetone Insoluble 함량 95.5%이고 Lyso-Form 20% 이상이며 잔류 산가가 40 이하인 상품성 높은 시제품을 생산 확인하였다. 식품분야 중 초코렛 점도 저하 용도로 사용 시 기존 화학합성품인 PGPR 대비 동등 이상의 Viscosity Modification 효과를 확인 하였다.
Abstract
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IV. Results
Modification of phosphatidylcholine(PC) with n-3 polyunsaturated fatty acid (n-3 PUFA) in a batch reaction system and a packed bed reactor system (PBR) using immobilized phospholipase A1(PLA1). Fatty acid composition of PC from soybean was investigated. n-3 PUFA in PC was not detected
IV. Results
Modification of phosphatidylcholine(PC) with n-3 polyunsaturated fatty acid (n-3 PUFA) in a batch reaction system and a packed bed reactor system (PBR) using immobilized phospholipase A1(PLA1). Fatty acid composition of PC from soybean was investigated. n-3 PUFA in PC was not detected. For the modification of PC,the immobilization of phospholipaseA1 was carried out, and Lewatit VP OC 1600 was selected as a carrier for preparation of immobilized PLA1, which was used for modification of PC by acidolysis and re-esterification. Effect of several parameters such as temperature, enzyme loading, water content, and vacuum time in batch reaction system was investigated. Optimal conditions for modification of PC with n-3 PUFA in a batch reaction system were molar ratio of 1:8 (PC to n-3 PUFA), temperature of 55oC, enzyme loading of 20wt% (wt% on substrate weight), and water content of 1.0wt% (wt% on substrate weight), respectively. The highest incorporation (57.4 mol%) of n-3 PUFA into PC was obtained at 24 h and the yield of PC was 16.7 mol%. The yield of PC increased significantly by application of vacuum, even though a slight decrease of n-3 PUFA incorporation was observed. The same type of experiments in a packed bed reactor system (PBR) was investigated. Effect of several parameters such as molar ratio (PC to n-3 PUFA), temperature, water content, and residence time in reactor was investigated. Optimal conditions for modified of PC with n-3 PUFA in PBR system were molar ratio of 1:8 (PC to n-3 PUFA), temperature of 55℃, water content of 1.0 wt% (wt% on substrate weight), and 120 min of residence time, respectively. Consequently, PC from soybean was successfully modified by incorporation of residues of n-3 PUFA derived from fish oil using immobilized PLA1. In addition, supercritical carbondioxide extraction and liquid-liquid fractionation were performed for the separation of modified PC from reaction mixture. The recovery of PC ca. 20 wt% was obtained after the separation process. Moreover, PBR system was more effective than a batch reaction system when saving energy, and industrial aspect were considered. LPC and GPC were produced form PC by PLA1-catalyzed hydrolysis in a solvent system. The reactions were performed in a stirred batch reactor using a commercial fungal phospholipase A1 (Lecitase Ultra) as the biocatalyst. The effects of temperature, reaction time, water content, and enzyme loading on LPC and GPC content in the reaction products were elucidated using the models established. Optimal conditions for maximizing the LPC content while suppressing acyl migration, which causes GPC formation, were as follows: temperature, 60 °C; reaction time, 3 h; water content, 10% of PC; and enzyme loading, 1% of PC. The products obtained under these conditions contained 9.5% PC, 90.5% LPC, and no GPC. LPC had a higher total unsaturated fatty acid content than original PC had and was mainly composed of linoleic acid (78.0 mol% of the total fatty acids). While, optimal conditions to completely hydrolyze PC to GPC were: temperature, 50 °C; reaction time, 30 h; water content, 69% of PC; and enzyme loading, 13% of PC. Because a considerable amount of free fatty acids, which were released from PC by Lecitase Ultra, remained in the reaction products, further investigations on the removal of free fatty acids are required for the development of possible industrial applications of LPC and GPC.
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