[5]오메가3지방산과 증류법의 이해

오메가3지방산은 원재료인 동물이나 식물의 지방 저장형태인 트리글리세라이드(triglyceride), 즉 중성지방에서 글리세롤 백본에 매달려 있는 다양한 지방산들 중 하나이다.

글리세롤은 hydroxyl기를, 지방산은 carboxyl 기를 갖고 있어 두 그룹이 결합해 ester 결합을 형성한 모양으로 트리글리세라이드를 이루고 있다. 따라서 오메가3지방산 생산 프로세스의 첫 단계는 트리글리세라이드의 가수분해로 이 ester 결합을 분해해 글리세롤과 여러 종류의 지방산들을 얻어내는 것이다 이 방법에는 Twitchell process와Colgate-Emery procness 가 있으며, 가수분해의 정도는 이어지는 정제 시 잔여 지방 생성량을 결정지어 정제 공정의 효율성에 영향을 미칠 수 있다. 여기까지가 어류를 포획후 원료상품 생산을 위한1차 원유(crude oil)이며 포함된 가수분해 지방산들은 여전히 불순물을 갖고 있다. 그래서 이후 정제와 분리를 위해 증류와 분별의 과정을 거치게 된다. 증류는 2종 이상 성분을 함유하는 액체를 그 액체가 갖는 증기압의 차를 이용해 분리 및 정제하는 방식이다.

증류(distillation)를 통한 지방산의 정제는 100년이상 지속돼 왔으며, 현재까지도 순도가 높은 지방산을 생산하기 위한 가장 일반적이고 가장 효과적인 정제법으로 인정되고 있다. 즉, 100년간 증류법도 IT기술등 현대식 최첨단 기술들과 융합해 진화돼 왔기 때문에 가장 많이 사용되며 인정되고 있는 정제기술이다. 이는 현시대에 증류방식이 가장 안전하고 효율적임을 근거한다. 증류는 낮은 그리고 높은 끓는점을 갖는 모든 불순물과 악취 원인물까지 제거한다.

증류에는 조작압에 따라 상압(atmospheric)증류, 감압(under reduced pressure / vacuum)증류 그리고 분자(molecular)증류가 있으며, 현재 지방산을 포함하는 대부분의 건강기능식품의 가공 및 정제에서는 열분해를 피하기 위해 대부분 감압 또는 분자 증류로 이뤄진다. 또 전체적인 공정방식에 따라 배치식 증류(batch) 또는 연속 (continous)증류가 있고 정제만을 하는 단순증류(simple distillation), 정제와 분별(지방산 길이에 따른 분리)을 같이 하는 분별증류(fractional distillation)가 있다.

현대식 증류법(modern distillation)은 지방산의 열에 대한 민감성 때문에, 실용성과 경제성이 허용하는 범위의 낮은 온도에서, 증류 unit에 머무는 시간마저 최소화하는 첨단 복합공정 시스템을 개발해 이뤄지고 있다. 과거 고온에서 직접 열처리하는 단순원시적 증류법의 적용은 이젠 보기 힘들다. 오늘날 보다 독창적인 첨단 복합증류 공정시스템을 갖춘 하이엔드급 원료제조사들은 산패도(PV, AV, TOTOX) 기준치와 불순물 함량 제한선(max)을 일반적인 또는 IFOS에서 제시하는 수치보다 더욱 타이트하게 설정해 수시로 생산물을 검증하며 관리하기에 증류방식을 이용해 고품질의 오메가 3지방산 원료 및 상품을 생산하고 있다. 이런 현대식 증류 공정의 각unit들은 높은 진공상태, 효율적인 간접 가열, 접촉시간의 최소화(순간적인 접촉시간), 증기와 응축물사이로 효율적인 물질의 이동, 경제성에 의해 설정되어 가동되고 있다.

그럼 가볍게 각 증류법에 대해 요약 정리해보기로 한다. 배치식(batch) 또는 회분 증류는 상압에서 이뤄지며 지방산 증류공정의 가장 오래된 형태이다. 소위 직접증류법(direct distillation)이다. 증기 분산관을 가진 포트에 지방산을 채우고 섭씨 260-316도로 직접 가열하여 섭씨 149도에서 응축된 수증기로 분산된다. 이와 같은 증류법은 상당히 많은 양의 증기를 필요로 하고, 많은 양의 지방산이 수증기에 혼입되므로 경제성이 떨어진다. 또한 이 증류법은 지방산이 높은 온도에서 상당시간 가열되어 열에 의한 불안정성을 갖게 되는데, 이는 끈적거리는 잔여물들 및 찌꺼기와 탈탄산화 및 중합 반응을 하며 복합물을 이루게 된다. 그래서 이러한 방식에서는 15-20%의 혼입된 지방산과 10-15%의 잔여물이 나올 수 있다. 또한 이러한 잔여물의 재분리와 증류는 더욱 품질이 낮은 지방산과 5-8%의 찌꺼기를 생산하게 된다. 이후 이 증류법은 감압과 저온에서 이루어지는 기술로 발전하게 된다. 열에 예민한 물질을 증류시 진공증류장치를 겸비한 스팀증류를 하는 것이 안전하다.

연속(continous)증류는 미리 가열된 지방산 피드가 파이프로 들어가서 각 파이프로 연결된 반응 챔버들을 통과하며 흐르며 증류되는 방식이다. 즉 직접 가열을 피한 것이다. 연속 증류의 하나로 수증기 증류(스팀 증류)에서는 과열증기가 파이프로 진입하여 분산관에 의해 각 챔버의 피드로 주입되어 아랫부분이 가열된다. 즉 반응 챔버에 주어진 낮은 압력과 과열증기에 의해 유도된 각 반응 챔버의 높은 온도로 매우 강력하게 증발을 일으켜 지방산을 순간 증류 (instantaneous distillation, 초단시간 증류)를 하게 된다. 압력을 낮추면 정상 끓는점보다 낮은 온도에서 액체가 끓기 시작하므로 낮은 온도에서도 분리가 가능한 감압증류방식이다. 다시 말하면, 직접적인 가열을 피하고 압력을 최대한 낮추어 비교적 낮은 온도에서도 폭발적인 증류를 순간적으로 일으킨다고 정리할 수 있다.

지방산 vapor는 파이프 헤더로 이동되어 수냉식 응축기(water-cooled condenser)에 의해 응축되어 수집된다. 증류기의 압력은 30-35mmHg에서 유지되며, 각 증류 챔버들의 온도는 섭씨90- 125도정도이고, 각 챔버들에 지방산이 머무는 시간은 약 30분이내라고 한다. 한가지 단점은 마지막 과정(응축)에서 유화(emulsion)가 생길 수 있다는 것이다. 물안에 있는 칼슘과 마그네슘염이 지방산과 만나서 소위 비누를 형성하게 되는 것이다. 그래서 이를 피하기 위해 건조 증류(dry distillation)가 이용되기도 한다.

분자(molecular)증류는 최소한 2가지 구조로 이뤄져 있다. Wiped film moleculat distillation unit과 centrifugal molecular distillation unit이다. 분자증류는 고진공상태에서 진행되어 증류온도를 크게 낮출수 있게 되어 산화작용을 최소화할 수 있다. 연속 증류가 가능하며 앞서 말한 스팀 증류를 이용한 연속 증류의 장점들외에 불필요한 수분 및 이물질의 제거, 비정상적 혹은 원치않은 지방산의 제거, 박테리아의 제거등이 있다.

분별(fractional)증류는 지방산들을 각 끓는점에 따라 분리하는 것이다. 분별증류는 기본적으로 연속증류와 동일한 방식으로 이루어진다. 단지 지방산들은 각각 체인의 길이가 다르기 때문에 이들을 분별해 증류하는 것이다.

요즘 오메가3지방산 제품의 홍보를 보면 증류법의 고온처리를 타깃으로 초임계 추출법을 강조하는 것이 유행처럼 번지고 있다. 지금까지 필자가 서술한 현대식 증류법을 읽고 이해했다면 그러한 정보가 얼마나 잘못 이용되고 있는지 알수 있을 것이다. 정보와 지식은 정확하고 정직하며 공정해야 한다.