식물성 유지 중의 sterol류 함량분석 및 콜레스테롤 흡수저해물질의 제조를 위한 수소첨가반응 조건

채희정1, 인만진2, 김동청3, 김의용4

호서대학교 식품가공학전공1, 청운대학교 식품영양학과2,

순천제일대학 식생활과3, 서울시립대학교 화학공학과4

Analysis of Sterols in Vegetable Oils and Hydrogenation Conditions for the Production of a Cholesterol Absorption Inhibitor

Hee Jeong Chae1, Man-Jin In2, Dong Chung Kim3, Eui Yong Kim4

Department of Food Technology, Hoseo University1, Department of Human Nutrition and Food Science, Chungwoon University2, Department of Food Science, Soonchon First College3, Department of Chemical Engineering, The University of Seoul4

서론

Cholesterol은 뇌, 근육, 신경 조직 등의 필수적 구성성분이나 혈관에 고농도로 존재할 경우 동맥경화, 고혈압, 뇌출혈, 심장마비, 발작을 일으키는 주원인이 되어 인체에 매우 유해하다(1). 이러한 유해성 때문에 cholesterol의 흡수를 저하시키기 위해 cholesterol과 구조적으로 매우 유사한 식물성 sterol (phytosterol)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

□-Sitostanol은 phytosterols 중 □-sitostanol과 stigmasterol의 이중결합에 수소를 첨가하여 제조할 수 있으며, phytosterols은 유지의 정제과정에서 검화되지 않는 성분으로 식물의 배아에 존재하고 그 함량이 높은 식물로는 옥수수, 대두, 참깨, 현미, 유채 등이 있다(2).

본 연구에서는 다량의 □-sitostanol을 얻을 수 있는 원료를 얻기 위하여 시판중인 식물성 유지류와 대두유의 제조과정에서 생성되는 부산물의 phytosterols의 함량을 분석하였으며, sterol에서 stanol을 전환시키는 수소첨가반응의 최적조건을 조사하였다. 특히 수소첨가반응조건 중 온도, 압력, 촉매량의 변화에 따른 sterol과 stanol의 조성의 변화와 반응속도의 변화를 비교 분석하였다.

재료 및 방법

본 실험에서 사용된 식물성 유지류는 Sigma Chemcial Co.(USA)으로부터 구입하였고, 대두박 추출 잔사물은 D-제약으로부터 공급받아 시료로 사용하였다. 촉매로는 Aldrich Co.(Milwaukee. WI)의 상업용 촉매인 Pd/AC (Palladium, 5wt% on activated carbon)을 사용하였다.

비누화반응: 식물성 유지 7종과 대두박 추출 잔사물에 함유되어 있는 sterol과 stanol을 Fenton의 방법(3)에 의해 비누화반응을 실시하였다. 비누화반응 후 10%의 NaCl 용액 100ml를 가한 후 n-hexane으로 추출하여 농축시켰다. 농축된 용액에 chloroform을 가하여 5ml로 채운 후 GC 분석시료로 사용하였다.

수소첨가반응: 고압반응기(Godo Engineering Co., Korea)에서 반응온도, 수소압력, 촉매량 등을 변화시켜 수소첨가 반응을 실시하였다. 반응물질로 stigmasterol을 chloroform에 용해시켜 수소첨가반응을 수행하였다. 반응기에 50ml의 반응물과 반응물의 0.1%(w/v)의 촉매를 넣은 후 air를 제거하기 위해 N2질소를 흘려주었다. 설정된 온도에 도달한 후 반응기 내부를 수소로 채웠다. 교반이 시작되는 순간을 반응이 시작되는 시점으로 보았으며, 일정시간 간격으로 sampling valve를 통해 시료를 채취하였다. 채취된 시료는 촉매를 제거하기 위해 여과를 한 후, Gas Chromatograph로 분석을 하였다.

분석방법: 내부표준법을 적용하여 gas chromatography (Young-Lin 600D)를 사용하여 정량분석하였다. 내부표준물질(5□-cholestane)과 표준물질을 이용하여 Fenton과 Sim의 방법(4)으로 내부표준물질에 대한 스테롤과 스탄올의 면적비와 중량비로부터 전환상수(conversion factor; K)를 구하였으며, 분석의 재현성을 위해 표준물질을 10회 반복하여 분석한 후 머무름 시간(retention time; RT)의 평균과 변이계수(coefficient of variation; CV)를 계산하여 비교하였다. Gas chromatograph의 분석은 인 등(5)의 방법에 의하여 실시하였다.

결과 및 고찰

식물성 유지 7종과 대두박 추출 잔사물 속에 포함되어 있는 sterol과 stanol의 조성은 Table 1과 같다. 식물성 유지 7종에 함유되어 있는 총 sterol의 함량은 corn oil이 가장 높은 수치를 보였으며 soybean oil, cotton oil, safflower oil, sunflower oil 등의 순으로 높게 나타났다. 대두박 추출 잔사물에 포함되어있는 sterol의 총 함량은 식물성 유지에서 보다 최소 20배 이상 높게 나타났다.

Table 1. Sterols contents of plant oils.

	campesterol (mg/g)	stigmasterol (mg/g)	□-sitosterol (mg/g)	stigmastanol (mg/g)	total sterols (mg/g)
Corn oil	0.652	0.212	1.153	0.120	2.017
Soybean oil	0.475	0.369	1.051	0.203	1.895
Cotton oil	0.229	0.109	1.154	0.065	1.492
Safflower oil	0.398	0.214	0.592	0.246	1.204
Sunflower oil	0.130	0.086	0.464	0.000	0.680
Peanut oil	0.126	0.071	0.143	0.391	0.340
Olive oil	0.089	0.073	0.157	0.391	0.319
대두박 추출 잔사물	2.837	1.742	4.327	0.836	8.906

□-sitosterol의 함량을 보면 대두박 추출 잔사물이 73%로 가장 높았으며 식물성 유지의 경우 약 40%이상 나타났다. 또한 stigmastanol의 함량도 대두박 추출 잔사물이 가장 많은 양을 차지하였고 유지의 경우에는 함량이 그다지 높지 않음을 알 수 있었다.

따라서 stanol의 제조원료로 부가가치를 높이는 차원에서 식물성 유지보다 대두박 추출 잔사물을 사용하는 것이 바람직하다 판단된다.

담체인 활성탄에 Pd를 5% 담지시킨 촉매를 사용하여 수소첨가반응을 통해 stanol의 생성여부를 조사하였다. 수소첨가반응에 영향을 주는 인자로는 압력, 교반 속도, 촉매량, 온도와 반응물의 농도 등이 있다. 이들 인자 중에서 가장 영향을 주는 것은 온도이다. 반응이 진행됨에 따라 stigmasterol의 조성이 감소하고 □-sitosterol의 조성이 증가하였다. 또한 stigmastanol의 조성도 서서히 증가하는 경향을 보였다(데이터 제시 생략). 이로부터 수소첨가시 sterol에서 stanol로 전환됨을 알 수 있었다.

반응온도가 30℃, 50℃, 60℃의 경우에는 반응초기부터 □-sitosterol의 분율이 높았지만, 40℃의 경우에는 stigmastanol이 차지하는 분율이 반응 초기에 높다가 시간이 증가할수록 감소하는 것을 알 수 있었다.

Stigmastanol에 대한 선택도(Fig. 1)를 살펴보면, 0.07-0.19로 온도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내고 있다. 수율도 0.04-0.11로 역시 온도 증가에 따라 감소하는 경향을 보였다. Heterogeneous한 수소첨가반응의 경우, 선택도는 화학적인 면(열역학, 표면반응과 탈착-흡착에서의 속도론)과 물리적인 면(물질전달과 열전달)에 의존하게 된다. 선택도는 stigmasterol에서 stigmastanol로의 반응속도(rST->SA)에 대한 stigmasterol에서 □-sitosterol로의 반응 속도(rST->BS)의 비로서 해석이 될 수 있다. 온도에 따른 선택도의 감소는 rST->BS보다 rST->SA에 대한 어떠한 제약이 생겨 속도가 감소함을 의미한다. 이 때의 제약은 intraparticle diffusion limitation에 의한 것이다. 촉매입자내부에서 수소의 확산에 대한 저항이 생긴다면 부피당 수소압력이 줄어들기 때문에 선택도에 영향을 미치게 된다. 또한, 온도가 증가함에 따라 □-sitosterol의 탈착속도가 빠르기 때문에 더 이상의 반응이 진행되지 않고 평형에 도달하기 때문이거나, stigmastanol과 □-sitosterol의 활성화에너지가 비슷하여 온도를 증가시키는 경우 □-sitosterol이 형성되는 방향으로 반응이 진행되기 때문으로 추정된다.

Figure 1. The changes in conversion of stigmasterol, selectivity and

yield of stigmastanol with reaction temperature.

반응속도는 일반적으로 온도와 반응물의 농도에 대한 함수로서 표현된다. 수학적으로, heterogeneous한 수소첨가반응에 대한 속도식은 power law 형태를 사용하는데 이 식에서 k(실험 속도 상수)는 여러 가지 의미를 지니게 된다. 이 반응의 경우에는, 반응이 진행되어짐에 따라 반응 속도가 생성물의 농도에 영향을 받기 때문에 초기속도식을 이용하여 반응차수를 구하였다.

각기 다른 온도에서 초기 반응 속도의 stigmasterol과 H2의 농도에 대한 의존성을 다음의 power law 모델을 사용하여 조사하였다.

-rST,0 = k × CmST × PnH2                       (1)

ln (-rST,0) = ln k + m ln CST + n ln PH2         (2)

Stigmasterol과 수소에 대한 반응차수 n과 m은 각기 다른 반응온도에서 ln (-rST,0)와 ln CST 또는 ln PH2를 선형적으로 도식하여 구했다(Table 2). 수소와 stigmasterol에 대한 평균 차수는 각각 0.147과 0.705를 나타내었다. 그러나, stigmasterol에 대한 반응차수는 온도가 증가함에 따라 약간씩 감소하는 경향을 나타내고 있음을 알 수 있다.

일정한 수소압력하에서 겉보기 속도상수([eqn: k_a])의 온도의존성을 도시하고 Arrehenius 식을 이용하여 활성화에너지를 구한 결과 14.7 kJ/mol의 값을 나타내었다.

Table 2. Estimated Orders of the Hydrogenation Reaction.

Temperature (℃)	Reaction order
	m	n
30 40 50 60	0.707 0.703 0.695 0.684	0.151 0.153 0.145 0.141
Average	0.705	0.147

이상과 같은 여러 가지 반응조건의 탐색을 통하여 콜레스테롤 흡수저하 기능성 소재의 생산을 위한 반응시스템을 최적화하였다.

참고문헌

1. The Expert Panel, Arch. Inter. Med., 148, 36 (1988).

2. Gurr, M., Lipid Technol., 8, 114 (1996).

3. Fenton, M., J. Chromatogr., 624, 369 (1992).

4. Fenton, M. and Sim, J. S., J. Chromatogr., 540, 323 (1991).

5. In, M.-J., Kim, D. C., Chae, H. J., Kim, M. H., Im, B. S., Kim, E. Y., J. Korean Soc. Food Sci. Nutr., 28, 980 (1999)