고순도 Oleic Acid의 분리정제를 통한 Triolein 합성에 관한 연구

김지성, 홍준기, 이성권, 최청송

서강대학교 화학공학과

A Study on Structuring Lipids of High Purity Triolein via Separation and Purification Method of Oleic Acid

Ji-Seong Kim, Jun-Kee Hong, Seong-Kweon Lee, Cheong-Song Choi

Department of Chemical Engineering, Sogang University

서론

최근 진행되고 있는 Triglyceride의 제조방법에 대한 연구는 원료로부터 분자 증류 또는 초임계 유체 추출법에 의한 분리 또는 효소를 이용한 합성 및 분리에 의존하는 경향을 보이고 있다. 그러나 초임계 유체 추출법과 분자증류법은 고온에 의한 원료의 열적 안정성의 저하와 고순도 분리에 기술적인 어려움, 그리고 많은 장치비가 요구되는 불리한 조건을 가지고 있으며, 효소를 이용한 방법은 고가의 효소가 필요할 뿐만 아니라 많은 반응시간이 요구되는 등 대량생산을 통한 산업화에 경제성 결여되는 치명적인 단점을 가지고 있다. 그러나 본 연구에서는 요소 포접화합물(Urea inclusion compound) 결정화를 이용한 지방산 분리정제법을 응용함으로써 위와같은 단점을 극복한 새로운 공정을 개발하였다. 요소포접화합물 결정화법은 이미 널리 알려진 방법중의 하나이나 long-chain 지방산과 불포화 지방산의 고순도 분리에는 적합하지 않은 것으로 알려져 있었다. 그러나 요소포접화합물 결정화를 이용하는 경우 저가의 원료로부터 상품의 부가가치를 극대화할 수 있으며 GLA(□-linolenic acid), ALA(□-linolenic acid), CLA (conjugated linoleic acid), EPA(eicosapentaenoic acid), DHA(docosahexaenoic acid)등 요즘 주목받고 있는 오메가-3 지방산의 고순도 분리에 매우 탁월하다(1).

본 연구에서는 이러한 요소 포접화합물 결정화를 통해 올레산의 고순도 제조를 수행하고 글리세롤의 -OH기를 제조된 올레산으로 치환하여 지질 구조화를 수행함으로써 고순도의 Triolein을 제조하는데 목적이 있다. 요소 포접화합물 분리법과 고-액 크로마토그래피(SLC)를 통해 제품에 포함된 색소와 불순물, mono-, di-glyceride, 미반응된 올레산이 제거된 고순도의 투명한 triolein을 분리하였다.

고순도 Oleic Acid 정제

올리브유는 대략 70%의 올레산(oleic acid)를 포함하고 있어 고순도 올레산의 분리정제에 적합하다. 본연구에서는 올리브유로부터 고순도의 oleic acid를 제조하기 위해 올리브유의 지방산 전환과 두차례의 요소포접을 수행하였으며 99%이상의 oleic acid를 얻을 수 있었다.

요소포접을 이용하여 지방산을 분리하는 방법은 요소수용액이나 요소-알코올 용액과 지방산의 혼합용액을 냉각하여 요소가 결정화되면서 지방산을 포접하는 요소포접방법과 활성화된 고체요소에 헥산-지방산 용액을 섞어 지방산이 요소 표면에 흡착되도록 하는 방법을 이용하였다(1). 후자의 방법은 TG합성 이후에 이용하였으며 올레산의 분리에는 전자의 방법을 이용하였다.

올리브유의 지방산 전환은 AOAC방법에 준하여 수행하였다(1,2). 지방산으로 전환된 올리브유는 팔미트산(palmitic acid)과 스테아린산(stearic acid)과 같이 올레산보다 탄소수가 적고 이중결합이 없어 요소에 쉽게 포접되는 포화지방산과 리놀산(linoleic acid)과 같이 이중결합이 2개 또는 그 이상인 지방산으로서 올레산보다 요소포접이 어려운 지방산의 혼합물 형태로 존재한다. 따라서 첫 번째 요소포접은 전자의 지방산들을 제거하는 공정으로, 두 번째 요소포접은 올레산만을 포접하는 공정으로 수행되었다. 두 번째 요소포접과정에서 올레산이 객물질(guest material)로 포접된 요소포접화합물은 저온에서 상전이(phase transition)하는 특성을 가지고 있으며 이는 올레산의 선택적 분리에 불리하게 작용하므로 주의하였다(1,2). 이와 같이 분리된 올레산의 분석은 Gas Chromatography (HP5890)을 통해 수행하였으며 결과는 표 1과 같다.

Oleic Acid의 에스터화

Triolein의 합성을 위해 고순도로 제조된 올레산의 에스터화(esterification)가 필요하다. 일반적인 지방산의 에스터화 반응은 다음과 같다.

황산에 의해 이온화된 지방산과 에탄올이 결합함으로써 ester가 생성되는 위와 같은 반응에서 물의 존재는 emulsion의 형성에 영향을 주므로 제거하여야 한다. 따라서 본 연구에서는 ester화 반응 중 필연적으로 형성되는 물을 흡수하기 위해 무수황산나트륨을 첨가해 주었다.

TG 합성과 분석

TG합성반응이 원활하게 이루어지도록 잘 건조된 알칼리금속 탄산염을 촉매로 사용한다. 본 연구에서는 촉매로서 탄산나트륨(Na2CO3, sodium carbonate)을 사용하였다. 탄산나트륨은 글리세롤에는 녹지만 TG에는 녹지 않으므로 반응이 끝난 후 간단히 여과함으로써 제거할 수 있다(3). 글리세롤에 sodium carbonate를 용해시킨 후 150℃로 가열하여 잘 건조된 oleic acid ethylester를 분할 주입하였다. 글리세롤과 에스터는 0.14 : 1로 혼합하고 촉매는 미량 주입하였으며, 반응온도는 150℃, 감압된 상태를 2시간동안 유지하며 반응을 수행하였다. 글리세롤의 양은 합성된 제품의 TG분율에 매우 큰 영향을 주므로 과량이 주입되지 않도록 주의하였으며 반응시 물이 존재하지 않도록 잘 건조된 원료와 촉매를 사용하였다.

합성된 제품의 분석은 TLC(thin layer chromatography)로 수행하였으며 결과는 그림 1의 (a)와 같다. 전개액은 헥산, 에틸에테르를 주로 하고 아세트산과 메탄올을 추가하여 혼합용액이 적정한 용리세기를 가지도록 하였다. 발색제는 Molybdenum blue(SIGMA)를 4.2M H2SO4와 1 : 1 로 혼합하여 사용하였으며 TLC plate는 순수한 silica를 입힌 plate(Sigma-Aldrich)를 이용하였다. 그림 1의 (a)와 같이 합성된 제품에는 triglyceride, diglyceride, monoglyceride 및 미반응된 지방산의 혼합물로 존재한다.

TG의 SLC 분리

합성이 끝난 원료에는 미반응된 올레산, 올레산 에틸에스터, monoglyceride, diglyceride, 색소 및 불순물이 포함되어 있으므로 고순도의 triolein을 얻기 위해 한차례의 요소포접화합물 분리법과 고-액 크로마토그래피를 수행하였다. 요소포접화합물에 의한 분리는 요소결정의 표면을 활성화하여 미반응된 올레산과 올레산 에틸에스터, monoglyceride가 결정표면에 흡착되도록 하는 것으로 활성화정도에 따라 분리능력이 달라진다. 요소에 포접된 물질의 분석결과는 그림 1의 (b)와 같다. Diglyceride와 triglyceride는 요소에 포접되기 어렵기 때문에 여액에 남게 되며 고-액 크로마토그래피를 수행함으로써 순수한 triolein의 분리를 수행할 수 있었다. 컬럼의 직경은 5□이며 충진물은 원료의 양에 대해 적정량에 해당하는 70~230mesh의 Silica(MERCK)를 이용하였고, 이동상으로는 헥산을 사용하여 수행하였다. TG합성이 끝난 원료 40g에 대한 고-액 크로마토그래피 수행결과는 그림 1의 (c)와 같다. 그림 1에서 알 수 있듯이 요소포접에 의해 혼합물에 존재하던 지방산과 monoglyceride가 완전히 제거되었으며 고-액 크로마토그래피에 의해 triglyceride와 diglyceride를 분리할 수 있었다. 표 2에 정리한 것과 같이 용출액을 80□단위로 채취하여 분석한 결과 용출액의 누적부피가 400□에서 480□인 경우 triglyceride만이 검출되어 100%의 triolein임이 증명되었으며 이후부터 diglyceride가 함께 검출되었다.

결과 및 고찰

본 연구에서는 고순도의 올레산을 분리하기 위하여 고가의 장치비용과 수시간의 반응시간이 요구되는 다른 공정에 비해 매우 경제적인 요소포접화합물 결정화법을 이용하여 99% 이상의 올레산을 제조하였으며, 고순도의 올레산을 이용하여 고순도의 triolein을 제조하였다.

Triolein은 의약품이나 식품 첨가제로서 사용되는 등 널리 응용되는 성분이다. 또한 triolein과 같은 long-chain triglyceride은 medium-chain triglyceride와 함께 체중조절을 위한 다이어트 식품으로 연구가 진행되어 왔다(4). 특히 medium-chain triglyceride와 달리 long-chain triglyceride에는 앞서 언급한 오메가-3 지방산이 함유되어 있어 더욱 관심이 크다. 본 연구에 의해 수행된 triolein의 제조는 의약산업과 식품산업등 인체의 생리조절 물질로 응용되는 오메가-3 지방산을 저가의 장치비용과 원료비로 대량 생산할 수 있음을 보여주고 있을 뿐만 아니라 고순도의 triglyceride를 경제적으로 제조하는 공정을 보여주고 있다.       본 연구는 특정 지방산만을 함유하는 triglyceride를 제조하는 지질 구조화에 대한 연구로서 의미가 있다. 최근 지질 구조화에 대한 대부분의 연구가 많은 시간과 비용을 요구하는 효소에 의한 합성방법에 의존하는 경향을 보이고 있어 본 연구에 의한 공정의 의미가 크다고 하겠다.

참고문헌

1. C.S.Choi., "Effect of Oleic Acid on the Separation of □-Linolenic Acid from Seed Oil of Oenothera Lamarkiana", The 4th Korean-Japan Symp. on  Separation Tech.,(1996).

2. Haagsma, N., Van Gent, C. M., de Jong, R. W. and van Doorn, E., JAOCS, 99, 117 (1982).

3. Eberhard Peukert, H., Horst Rutzen, L., Gerhard Wollmann, H.: U.S. Patent 5,254,722 (1985).

4. Andr□ C. Bach., Yves Ingenbleek., and Anny Frey., Journal of Lipid Research, 37, 708 (1996).

표 . Gas Chromatography (GC) 조성분석 결과

성 분		올리브유 원료	2차 요소포접물
Palmitic Acid	C16:0	9.8%	-
Stearic Acid	C18:0	4.2%	-
Oleic Acid	C18:1	71.4%	99.3%
Linoleic Acid	C18:2	13.9%	0.7%
Linolenic Acid	C18:3	0.7%	-

표 2. Thin Layer Chromatography 수행에 의해 검출된 성분

성분	원료	요소 포접물	크로마토그래피 용출액
			0	320	400	480	560	640	720
TG			-	-
DG			-	-	-	-
MG			-	-	-	-	-	-	-
FFA			-	-	-	-	-	-	-

그림 1. 올레산으로부터 (a)합성된 원료와 (b)요소포접에 의해 합성된 원료로부터 분리된 물질, (c)액체 크로마토그래피에 의해 분리된 Triolein의 Thin Layer Chromatogram.

(a)     (b)	(c)