한국콩연구회

가공유지 

경화 

(1) 제조방법

유지의 수소첨가는 트리글리세라이드(Triglyceride)의 지방산기에 있는 탄소의 이중결합에 수소가 달라붙어, 포화결합으로 변하는 화학반응이다.이와 같은 반응은 유지를 일정한 온도로 가열한 후에 적당한 촉매(보통 니켈)를 넣고, 교반 하면서 수소가스를 흘려주면 일어나게 된다. 온도, 압력, 촉매의 종류, 수소의 양 등의 조건이 만족하게 되면 수소첨가 반응은 신속하게 일어나게 된다. 이러한반응이 계속진행되면 최종적으로는 트리글리세라이드의 모든이중결합이 포화되어 완전한 수소첨가가 되는 것이다.이러한경우에는 비교적 단단한(융점이 높은) 고체지를 얻을 수 있으며, 이러한 것은 공업용 원료로 사용된다. 공업적인 용도로 수소 첨가하는 공정을 경화라고 하는데, 이렇게 얻은제품을“경화유”라고도 한다. 반면식용의 경우에는 반응을 도중에 중단시키면, 불포화결합의 일부만 포화된 비교적 연한(융점이 낮은) 지방을 얻을 수 있다. 수소첨가의 촉매로는 금속의 화합물을 사용하는데, 니켈(Nickel: Ni)이 가장 널리 사용된다. 백금, 파라디움(Palladium), 동, 크롬(Chromium)등을 촉매로 사용하고자 하는 연구가 진행되고 있다.

(2) 반응의 과정

유지는 이중결합의 개수가 다른 다 종류의 불포화 지방산을 함유하고 있다. 이러한 유지에 수소첨가를 해본 결과 2가지의 중요한사실을 알게 되었다. 첫 번째 사실은,수소는 모든 불포화 지방산에 동시에, 또는 평균적으로 부착되지 않고, 처음에는 이중결합이 2개 이상인 지방산에 부착되어 이중결합 1개인 지방산을 만들고 나서, 이중결합이 1개인 지방산을 포화지방산으로 만든다는 것이다.올레인산(Oleic acid), 리놀레인산, 리놀레닌산이 혼재된 트리글리세라이드의 수소첨가는, 제1단계로서 리놀레닌산, 리놀레인산이 먼저 올레인산이 되고 나서, 올레인산이 스테아린산(Stearic acid)로 변하는 것이다.물론 반응조건의 선택에 따라서,이와같은단계적인 반응의 진행방법에 어느 정도의 차이는 있으나, 어떤 경향을 공통적으로 가지고 있는데, 이러한 경향을 “선택적”이라고 한다. 그리고 콩기름을 예로 들면, 리놀레닌산, 리놀레인산 등을 가능한 한 올레인산으로 바꾸고, 올레인산이 스테아린산으로 변하는 반응은 가능한 한 억제하도록 반응 조건을 조절하면서, 선택성을 일부 강조하는 방법을 선택적 수소첨가라고 부른다. 이러한 것은 부분 수소첨가 반응이기도 하다. 두 번째의 사실은, 수소첨가 반응의 도중에 이중결합의 위치 이동이 일어나서, 이러한 결과로서 다수의 위치이성체(같은 탄소수의 지방산이지만 이중결합의 위치가 다른 경우) 및 기하이성체 (시스형,트랜스형: Cis,Trans)가 생성된다는것이다. 따라서유지같은 혼합형트리글리세라이드의 수소첨가 생성물은 대단히 복잡하며 여러 갈래에 걸치게 된다.

(3) 선택성

여러 가지 불포화 지방산의 글리세라이드가 혼합되어 있을 경우, 수소는 불포화도가 높은 것부터 차례로 선택적으로 첨가하는 경우가 있는 것은 이미 설명한 대로이다. 그러나 이와 같은 선택성이 언제까지나 같은 정도로 나타난다고 할 수 없다. 첫째로, 선택성은 반응 조건에 따라서 강도가 변하며, 일반적으로 반응온도를 높게 할 것,수소 압력을 낮게 할 것, 촉매량을 증가 시킬 것, 액체의 교반을 완만하게 함으로써 선택성이 커진다. 둘째로, 해양 동물의 기름(어유 등)처럼 불포화도가 높은유지에서는 선택성이 강하다. 예를들면, 어유처럼 C20~C22의 고도 불포화지방산이 많은 글리세라이드는, 우선 이중결합 2개의 산까지 수소첨가가 되고 난 다음에는 비선택적으로 모두 포화지방산으로 바뀌고 만다. 셋째로, 에스테르에 비해서 지방산에는 선택성이 적다. 또 글리세라이드만이 아니고, 지방산등이 혼합되어 있는 경우의 수소첨가에서는 반응의 처음부터 일정 비율로 포화지방산이 생성된다. 일반적으로, 수소첨가의 선택성의 대소는 화합물의 화학 구조에 의해서 좌우된다고 한다. 실험 결과에 의하면, 이중결합의 수가 같은 경우에는 공역 결합을 가진 화합물 쪽이 비공역 화합물보다 빨리 수소첨가가 된다. 또 리놀레닌산과 리놀레인산의 에스테르는 이소리놀레인산과 올레인산의 에스테르보다 훨씬 빨리 수소 첨가되며, 그때의 수소가 부가되는 속도의 비교는 다음과 같다. 즉, 리놀레닌산과 에스테르는 리놀레인산의 2배, 올레인산의 40배의 속도로 수소 첨가가 된다. 따라서 수소 첨가된 유지 속에 공역 이중결합이 좀처럼 존재하지 않는 것이라든가, 리놀레닌산, 리놀레인산이 먼저 수소 첨가되는 것도 속도의 차이로 설명 될 수 있다.

(4) 경화 유지의 응용 제품

경화된 유지의 응용분야는 다양하지만 첫째 마가린 및 쇼트닝의 가소성 유지의 원료, 둘째 산화안정성 증대에 따른 튀김유로서의 활용, 셋째 초콜릿 원료유지인 코코아버터 대용지로의 활용이다.

가. 가소성 유지의 원료

마가린 및 쇼트닝 등의 가소성 유지로 사용되는 원료유지는 단일 유종의 유지를 사용하기 보다는 2~3종의 유지를 혼합하여 사용한다. 유지는 고체지와 액체유가 혼합되어 있는 상태에서 유지의 보관 온도에 따라서 그 비율이 다르게 된다. 쇼트닝 및 마가린의 용도에 따라서 고체지 함량의 그래프가 특징을 나타낸다. 그 특징에 맞는 유지를 혼합할 때에 경화유를 사용하며, 그 경화유의 종류와 경화의 정도 및 선택, 비 선택의 경화 조건 등에 따라서 다양한 특성을 가진 유지를 제조할 수 있다. 다용도로 사용되는 쇼트닝의 혹은 페스트리용 쇼트닝은 낮은 온도나 실온 정도의 약간 높은 온도에서도 취급이 용이하고 그 기능을 나타낼 수 있도록 하기 위하여 가소성이 넓어야 한다. 그러나 유지방 대체용일 경우에는 가소성이 좁아서 실온에서는 굳어 있으나 약간의 열을 가하면 액상으로 변하는 특성을 가져야 한다.

나. 튀김용 유지

유지 경화의 장점으로서 중요한 것이 산화 안정성의 증가이다. 자연의 유지가 자체적으로 천연의 항산화제 등을 함유하고 있으나 이 원료 유지를 가공하는 중간에 많은 항산화 물질들을 잃어버리거나 변성을 일으키게 되어, 가공 식품들의 제조 공정이나 저장 기간의 요구 사항에는 못 미치는 경우가 많다. 즉 튀김 식품의 경우에는 유탕 상태의 온도에 따라서 유지의 열변성이 빨리 일어나게 되므로 좀 더 산화에 안정한 유지를 필요하게 되었다. 이를 해결하게 위하여 유지중의 다가불포화지방산의 함량을 줄이기 위하여 수소첨가에 의한 경화유의 사용이 증가하였다. 또한 유탕 처리된 식품을 수출 등의 장기간 유통이 필요한 경우에는 보관, 수송 및 유통 중에 발생하는 자동산화에 의한 풍미의 변화를 막기 위하여 수소첨가된 유지가 사용되었다.

다. 초콜릿용 유지

초콜릿은 코코아 제품 및 유지, 설탕과 유제품 등을 조합하여 고유의 제조기술로 만들어 지는 것이다. 초콜릿의 특징인 실내온도에서는 단단하지만 입안에서 쉽게 녹는 것은 초콜릿에 사용되는 코코아버터와 같은 유지의 특징에 기인한다. 코코아 버터는 그 생산량의 한계로 인하여 가격이 높기 때문에 순수한 초콜릿이 아닌 가공초콜릿에는 고가의 코코아 버터를 사용하지 않고 일반 유지를 경화하여 제조한 코코아버터 대용지를 많이 사용하게 된다. 코코아 버터 대용지로 많이 사용되는 것으로는 야자유나 팜핵유를 가공하여 경화시킨 제품(Cocoa Butter Substitute, CBS)이 있으며, 콩기름이나 팜올레인 분별유를 경화하여 제조한 제품(Cocoa Butter Replacer, CBR)등이 있다.

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쇼트닝 및 마가린 

1) 쇼트닝

쇼트닝이라는 용어는 어떤 기름이 윤활이 잘 되고 빵류의 구조를 흐물흐물하게 함을 뜻한다. 오랫동안 돈지, 어유와 같은 동물성 기름은 쇼트닝에 이용하는 주된 기름이었다. 참고로 복합 쇼트닝은 미국의 면실유 공업에서 그 근원을 발견할 수 있는데 돼지기름과 면실유를 섞어서 만든 쇼트닝을 돈지 화합물(lard compounds)이라고 부른다. 촉매를 이용한 수소첨가반응이 도입된 이후 쇼트닝 제조업자들은 식물성 기름만으로 가소성 쇼트닝을 만들 수 있었으며 이들 쇼트닝은 돈지 쇼트닝에 비하여 더 잘 섞이고 크림의 질이 우수하며 안정성이 높고 균질한, 다시 말하면 물리적으로 매우 우수한 특성을 가졌다.

2) 마아가린

마아가린은 버터를 대체할 싼 대체품으로 1869년 프랑스에서 처음 만들었으며 오늘날에는 높은 품질과 영양이 높은 제품의 마아가린을 생산하고 있다. 보통의 마아가린은 부분적인 수소첨가유을 사용하며 water in oil형태로 유화하여 만들어지며 일반적인 마아가린의 경우 유지는 최소한 80%, 그 외 물, 유화제, 소금 등을 첨가하여 만든다.