Optimization of Interesterification Reaction for the Continuous Production of trans-Free Fat in a Packed Bed Enzyme Bioreactor with Immobilized Lipase

Epidemiological studies showed that high trans-fat consumption is closely associated with getting the risks of cardiovascular disease. The objective of this study was to produce trans-free fat through lipase-catalyzed interesterification, as a substitute for the cream margarine commonly used in industry. Optimum conditions for interesterification in a packed bed enzyme bioreactor (PBEB) were determined using response surface methodology (RSM) based on central composite design. Three kinds of reaction variables were chosen, such as substrate flow rate (0.4-1.2 mL/min), reaction temperature (60-70$^{\circ}C$), and ratio of fully hydrogenated canola oil (FHCO, 35-45%) to evaluate their effects on the degree of interesterification. Optimum conditions from the standpoint of solid fat content (SFC) were found to be as follows: 0.4 mL/min flow rate, 64.7$^{\circ}C$ reaction temperate, and 42.8% (w/w) ratio of FHCO, respectively. The half-life of immobilized lipase in PBEB with two stages at 60$^{\circ}C$ ($1^{st}$ stage) and 55$^{\circ}C$ ($2^{nd}$ stage) was about more than 30 days as estimated by extrapolating the incubation time course of tristearoyl glycerol (TS) conversion, whereas the half-life of the enzyme in PBEB with single stage at 65$^{\circ}C$ was only about 15 days. Finally, the results from SFC analysis suggest that trans-free fat produced in this study seems to be a suitable substitute for the cream margarine commonly used in industry.

고정화 리파제를 이용한 충진형 효소생물반응기 내에서의 무-트랜스 유지 연속 생산을 위한 에스테르 교환 반응의 최적화

연속식 효소적 에스테르 교환반응을 이용하여 무-트랜스 유지를 제조하기 위한 체계적이고 입체적인 최적조건을 확립하기 위하여 3가지 독립변수($X_1$: 원료유지 중 FHCO 함량(%), $X_2$: 반응온도($^{\circ}C$), $X_3$: 기질의 흐름속도(mL/min))를 선정하여 RSM을 통해 각각의 독립변수에 대한 종속변수인 TS 전환율(Y)을 표현한 회귀방정식은 Y = 93.1146$(X_3)^2$+ 3.2387($X_1$) ($X_3$) + 2.6038($X_2$) ($X_3$)으로 나타났다. 이 방정식을 이용하여 정준분석을 이행한 결과 35%(w/w)의 FHCO를 함유한 원료유지를 사용하고 PBEB 내에서 68.67$^{\circ}C$의 온도 하에서 원료유지와 효소가 충분히 접촉할 수 있도록 0.63 mL/min의 흐름속도로 연속식 공정을 수행하면 TS 전환율이 극대화 되는 것으로 나타났다. 한편, 트랜스 지방의 함량이 높은 유지를 대체하되 실제 산업체 현장에서 생산되는 기존의 유지를 대체하기 위해서는 TS 전환율 뿐만 아니라 효소적으로 생산된 에스테르 교환 유지의 SFC 경향을 기존 유지의 결과와 비교하는 작업이 필요한데, 이때 비교대상의 기존 유지로는 트랜스 지방 함량 및 이화학적 물성 측면에서의 예비실험 결과 대체 가능성이 가장 높은 크림용 마가린(margarine)을 선정하였으며, 이러한 기존의 유지를 대체할 수 있는 무-트랜스 유지를 제조하기 위하여 SFC 경향 및 TS 전환율을 동시에 고려한 연속식 효소적 에스테르 교환반응의 최적조건을 확립하였으며, 최적조건은 42.83%(w/w)의 FHCO와 57.17%(w/w)의 SO가 혼합된 원료유지를 기질로 사용하며 PBEB 내에서의 반응온도는 64.72$^{\circ}C$이고, 효소와 원료유지가 극대로 접촉하여 효소적 에스테르 교환이 이루어질 수 있도록 기질의 흐름속도를 0.40 mL/min으로 각각 유지하는 것으로 판명되었다. 이상의 최적조건 하에서 연속식 효소적 에스테르 교환반응에 의해 제조된 유지의 SFC 경향을 분석하되 기존의 크림용 마가린의 경우와 비교한 결과 유의적으로 유사함을 확인하였으며, 이로써 본 논문에 의해 생산된 유지는 크림용 마가린을 성공적으로 대체할 수 있는 것으로 판단하였다. 또한, 반응온도를 60$^{\circ}C$ 및 55$^{\circ}C$로 각각 설정하여 2 단계로 분리한 PBEB에서의 TS전환율 변화를 측정한 결과, 반응 30일 경과시점까지 66%이상의 TS전환율을 유지하였으며(효소활성 반감기=약 30일 이상), 단일단계의 반응온도 실험(효소활성 반감기=약 15일)과 비교 시 반감기를 두 배 이상 연장할 수 있음을 확인하였다.