경화유
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1. 개요
경화유는 불포화 지방산이 풍부한 식물성 기름에 수소를 첨가하여 고체 지방으로 만드는 공정으로, 19세기 말에 개발되었다. 이 기술은 마가린, 쇼트닝 등 식품의 생산에 활용되었으며, 보존성을 높이고 동물성 지방 대체재로 사용되면서 20세기 초 급격히 상업화되었다. 그러나 부분 경화 과정에서 트랜스 지방이 생성되어 건강에 유해하다는 연구 결과가 나오면서, 각국은 트랜스 지방 함량 규제를 강화하고 있다. 이에 따라 완전 경화, 팜유, 지방 교환 반응 등 트랜스 지방을 줄이거나 대체할 수 있는 기술들이 개발되고 있다.
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| 경화유 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 식용유지에 수소 첨가 반응을 일으켜 고체 또는 반고체 상태로 만든 것 |
| 다른 이름 | 경화 지방 |
| 제조 | |
| 공정 | 액체 기름에 니켈 촉매를 넣고 180~200°C로 가열하면서 수소를 불어넣음 수소 첨가 반응으로 불포화 지방산이 포화 지방산으로 전환 |
| 목적 | 산패 방지 및 보존성 향상 마가린, 쇼트닝 등 고체/반고체 유지 제조 |
| 종류 | |
| 완전 경화유 | 모든 불포화 지방산이 포화 지방산으로 전환된 고체 기름 |
| 부분 경화유 | 일부 불포화 지방산만 포화 지방산으로 전환된 반고체 기름 |
| 용도 | |
| 식품 | 마가린 쇼트닝 과자류 튀김용 기름 |
| 기타 | 비누 양초 윤활제 |
| 건강 관련 영향 | |
| 트랜스 지방산 생성 | 부분 경화 과정에서 트랜스 지방산 생성 가능성 트랜스 지방산은 심혈관 질환 위험 증가와 관련 |
| 포화 지방산 증가 | 과다 섭취 시 콜레스테롤 수치 상승 및 건강 문제 유발 가능성 |
| 기타 | |
| 주의사항 | 트랜스 지방산 함량이 낮은 제품 선택 및 과다 섭취 지양 |
2. 역사
경화유의 역사는 노벨상 수상자 폴 사바티에가 1890년대 후반에 수소 첨가 반응 연구를 진행하면서 시작되었다. 이후, 독일 화학자 빌헬름 노르만이 액체 기름에도 수소 첨가가 가능하다는 것을 발견하고 1902년에 관련 특허를 획득했다.[13][14][15]
2. 1. 수소 첨가 기술의 발전
노벨상 수상자 폴 사바티에는 1890년대 후반에 기체 수소 첨가 반응에 대한 연구를 진행했다. 1901년, 독일 화학자 빌헬름 노르만은 액체 기름에도 수소 첨가가 가능함을 발견했고, 1902년에 이 공정에 대한 특허를 획득했다.[13][14][15]
노르만의 수소 첨가 반응 공정은 저렴한 고래 기름 또는 생선 기름을 사람이 먹을 수 있도록 안정화하는 것을 가능하게 했다.[16]
2. 2. 상업화와 대중화
빌헬름 노르만은 1901년에 액체 오일도 수소 첨가 반응을 할 수 있음을 보였고, 1902년에 이 공정에 대한 특허를 받았다.[13][14][15] 1905년부터 1910년까지 노르만은 헤어포르트 회사에 지방 경화 시설을 건설했다. 비슷한 시기, 영국 워링턴에 있는 조셉 크로스필드 & 손스, 리미티드에서 대규모 경화유 생산 플랜트가 가동되었는데, 1909년 말에 생산이 시작되어 첫 해 생산량은 거의 3,000톤에 달했다.[16]
1909년, 프록터 앤 갬블은 노르만 특허에 대한 미국 권리를 획득했다.[8] 1911년, 그들은 부분적으로 수소 첨가된 면실유로 구성된 최초의 수소 첨가 쇼트닝인 크리스코를 판매하기 시작했다. 1920년대, 경화유로 만든 마가린과 스프라이와 같은 식물성 쇼트닝은 빵, 파이, 쿠키, 케이크를 굽는 데 버터와 라드를 대체하기 시작했다.[18]
1960년대까지 미국과 기타 서방 국가에서 가공된 식물성 지방이 동물성 지방을 대체하면서 경화유 생산은 꾸준히 증가했다. 초기에는 낮은 비용과 함께, 마가린의 경화 지방이 버터의 포화 지방보다 건강하다는 주장이 제기되기도 했다.[17]
2. 3. 트랜스 지방 문제와 변화
20세기 초, 콩이 단백질 공급원으로 미국에 수입되면서 다량의 콩기름이 부산물로 생산되었다. 당시 소비자들은 버터 지방을 충분히 확보하기 어려웠다. 마가린 제조업체들은 수소 첨가 지방이 기존의 동물성 지방과 액체 식물성 지방을 혼합하는 것보다 더 효과적이라는 사실을 발견했다. 1920년까지 영국에서는 수소 첨가 콩기름으로 만든 마가린과 크리스코, 스프라이 같은 식물성 쇼트닝이 빵, 파이, 쿠키, 케이크 등을 만드는 데 버터와 라드를 대체하기 시작했다.[18]수소 첨가 지방 생산은 1960년대까지 꾸준히 증가했는데, 이는 미국을 비롯한 서구권 국가에서 가공된 식물성 지방이 동물성 지방을 대체했기 때문이다. 초기에는 낮은 비용으로 인해 경제적인 논쟁이 있었고, 옹호자들은 마가린의 수소 첨가 지방이 버터의 포화 지방보다 건강에 좋다고 주장했다.[17]
이후 식품 산업은 트랜스 지방의 건강 문제, 라벨 표시 의무, 허용된 식품 첨가물에서 트랜스 지방 제외 등에 대응하여 부분 수소 첨가 지방 대신 다른 대안을 찾기 시작했다.[9][10][11] 트랜스 지방 형성을 유발하지 않는 완전 수소 첨가 지방, 포화 지방 함량이 높아 실온에서 더 단단한 팜유 및 코코넛 오일 같은 식물성 오일, 그리고 지방 상호 에스테르화 등이 대체 기술로 활용되었다.
3. 제조 공정
올레산이나 리놀레산 등 불포화 지방산을 많이 함유한 식물성 기름(예: 대두유, 면실유)이나 고래기름, 어유 등에 니켈 등의 촉매를 사용하여 수소를 첨가한다. 이를 통해 불포화 지방산의 탄소 간 이중 결합 위치에 수소가 화학적으로 결합한다. 원료로는 식물성 기름 외에 고래 기름, 어유 등이 사용되기도 한다.
3. 1. 수소 첨가 반응
고온, 고압 조건에서 기름과 금속 촉매(주로 니켈) 혼합물에 수소를 주입하면, 기름 속 불포화 지방산의 탄소-탄소 이중 결합이 끊어지고, 각 탄소 원자에 수소 원자가 결합하게 된다. 이를 수소 첨가(수소 첨가)라고도 한다.[1]
완전 경화는 모든 이중 결합을 단일 결합으로 변환시켜 불포화 지방을 포화 지방으로 만든다. 부분 경화는 일부 이중 결합만 단일 결합으로 바꾸어, 불포화 지방산의 비율을 낮춘다. 수소의 양, 반응 온도, 시간, 촉매 등을 조절하여 경화 정도를 조절한다.[1]
마가린이나 팻 스프레드에는 부분 경화유가 원료로 사용되지만, 이 제조 과정에서 트랜스 지방산이 생성된다. 트랜스 지방산은 건강에 대한 영향이 있기 때문에, 부분 경화유에 포함된 트랜스 지방산의 생성량을 줄이도록 수소 첨가 방법을 개선하고 있다.
완전히 수소 첨가를 한 경화유는 불포화 지방산인 트랜스 지방산을 포함하지 않는다.
3. 2. 트랜스 지방 생성 문제
부분 수소 첨가 과정에서 남아있는 불포화 탄소 결합의 일부가 ''시스''–''트랜스'' 이성질체화되어 트랜스 지방으로 전환되는데, 이는 심혈관 건강에 위험이 있는 것으로 나타났다.[2] 시스 결합에서 트랜스 결합으로의 전환은 트랜스 구조가 자연적인 시스 구조보다 에너지가 낮기 때문에 화학적으로 유리하다. 평형 상태에서 트랜스/시스 이성질체 비율은 약 2:1이다.이러한 ''트랜스'' 지방산은 건강에 부정적인 영향을 미친다는 연구 결과가 많다. 그 결과, 많은 국가에서 트랜스 지방 규제를 제정하여 산업화된 식품에서 트랜스 지방의 양을 제거하거나 심각하게 제한하고 있으며, 식품에 대한 트랜스 지방의 의무적인 라벨링을 포함한다.[3][4] 미국 식품의약국(United States Food and Drug Administration)은 부분 경화유가 일반적으로 안전하다고 인정되지 않는다고 결론 내리고, 2018년부터 이를 식품이 아닌 식품 첨가물로 분류하고 있다.[5]
마가린이나 팻 스프레드에는 일부 불포화 지방산에 수소 첨가를 한 부분 경화유가 원료로 사용되고 있지만, 이 제조 공정에서 트랜스 지방산이 생성되는 것이 밝혀졌다. 트랜스 지방산이 건강에 미치는 영향이 시사됨에 따라, 부분 경화유에 포함된 트랜스 지방산의 생성량을 줄이도록 수소 첨가 방법을 개선하는 데 힘쓰는 제조 기업도 있다.
4. 문제점 및 규제 동향
부분 수소 첨가 과정에서 일부 불포화 탄소 결합이 ''시스''–''트랜스'' 이성질체화되어 트랜스 지방으로 전환되는데, 이는 심혈관 건강에 위험이 있는 것으로 나타났다.[2] 시스 결합에서 트랜스 결합으로의 전환은 트랜스 구조가 자연적인 시스 구조보다 에너지가 낮기 때문에 화학적으로 유리하다. 평형 상태에서 트랜스/시스 이성질체 비율은 약 2:1이다.
트랜스 지방 함량이 높은 부분 경화유를 대체하기 위해 다음과 같은 방법들이 사용된다.[6]
- 개선된 수소 첨가 공정을 통해 트랜스 지방 함량을 낮춘 부분 경화유를 생산할 수 있다.[2]
- 단일 불포화 지방산이 풍부한 오일(특히 올레산)은 육종을 통해 얻을 수 있으며, 다중 불포화 지방이 풍부한 조상에 비해 안정성이 높아 유통기한을 연장하는 데 도움이 된다.[2]
- 팜유, 팜핵유, 코코넛 오일과 같은 열대 오일은 본래 포화 지방이 풍부하며, 원하는 지방산 농도를 높이기 위해 추가로 분획할 수 있다.[2]
- 지방 교환 반응을 사용하여 여러 유형의 지방을 혼합하여 중간 특성을 가진 오일을 얻을 수 있다. (예: 대두유와 완전 경화 대두유를 지방 교환 반응하여 반고형 오일 생산)[2]
4. 1. 트랜스 지방의 유해성
여러 연구에서 트랜스 지방이 심혈관 건강에 부정적인 영향을 미친다고 결론내렸다.[2] 그 결과, 많은 국가에서 산업화된 식품에서 트랜스 지방의 양을 제거하거나 심각하게 제한하는 것을 목표로 하는 트랜스 지방 규제를 제정했으며, 여기에는 식품에 대한 트랜스 지방의 의무적인 라벨링이 포함된다.[3][4] 미국 식품의약국(United States Food and Drug Administration)은 부분 경화유가 일반적으로 안전하다고 인정되지 않는다고 결론을 내리고, 2018년부터 이를 식품이 아닌 식품 첨가물로 분류하고 있다.[5]많은 건강 관련 단체들은 트랜스 지방과 포화 지방의 식단 섭취를 제한하거나 대체하고, 불포화 지방을 섭취할 것을 권장한다.[7]
4. 2. 국제적인 규제 동향
여러 연구에서 ''트랜스'' 지방산이 건강에 부정적인 영향을 미친다고 결론 내렸다. 그 결과, 많은 국가에서 산업화된 식품에서 트랜스 지방의 양을 제거하거나 심각하게 제한하는 것을 목표로 트랜스 지방 규제를 제정했으며, 여기에는 식품에 대한 트랜스 지방의 의무적인 라벨링이 포함된다.[3][4] 미국 식품의약국(United States Food and Drug Administration)은 부분 경화유가 일반적으로 안전하다고 인정되지 않는다고 결론 내리고, 2018년부터 이를 식품이 아닌 식품 첨가물로 분류하고 있다.[5]4. 3. 대한민국의 규제 동향
대한민국 식품의약품안전처는 2007년부터 가공식품의 트랜스 지방 함량 표시를 의무화했다.[3][4] 현재 식품 100g당 트랜스 지방 함량이 0.2g 미만인 경우 '0g'으로 표시할 수 있다. 더불어민주당은 국민 건강 보호를 위해 트랜스 지방 규제를 더욱 강화해야 한다는 입장이다.5. 활용
경화유는 마가린, 팻 스프레드, 쇼트닝 등의 원료로 사용되는 식품 분야 외에도, 스테아린산 함량이 높아 비누 등의 공업 제품 원료로도 사용된다. 액체 기름을 고체화함으로써, 생산량이 적은 지방의 대용으로 유용하다. 또한, 포화 지방산은 불포화 지방산에 비해 산화를 덜 받기 때문에 변패되기 어렵고, 보존성이 뛰어나다. 동물성 유지에 비해 콜레스테롤 함유량이 적으며, 계면활성제의 원료 등으로 사용되는 경우도 있다(예: 경화 피마자유)[19]。
5. 1. 식품
1897년 폴 사바티에가 수소화 처리 방법을 발명하여 식물성 기름을 고체로 만들 수 있게 되면서, 마가린이나 쇼트닝으로 판매되기 시작했다[19]。경화유는 마가린, 팻 스프레드, 쇼트닝 등의 원료로 사용되며, 스테아린산 함량이 높아 비누 등 공업 제품 원료로도 사용된다. 액체 기름을 고체로 만들어 생산량이 적은 지방을 대체할 수 있다. 또한, 유지는 산화되면 과산화지질이 되지만, 포화 지방산은 불포화 지방산보다 산화가 덜 일어나 변질되기 어렵고, 보존성이 뛰어나다. 동물성 유지에 비해 콜레스테롤 함유량이 적다는 장점도 있다.
5. 2. 공업
스테아린산을 많이 포함하고 있어 비누, 화장품 등의 원료로 이용된다. 그 외, 계면활성제, 윤활유 등의 원료로도 사용된다(예: 경화 피마자유).[19]6. 대체 기술
부분 경화유는 트랜스 지방 생성 문제로 인해 심혈관 건강에 악영향을 미치는 것으로 알려져 많은 국가에서 규제하고 있다.[3][4] 미국 식품의약국(FDA)은 부분 경화유를 안전하다고 인정되지 않는 식품 첨가물로 분류했다.[5]
이러한 문제점을 해결하기 위해 트랜스 지방 함량을 줄이거나 다른 성분으로 대체하려는 노력이 이루어지고 있다.
- 개선된 수소 첨가 공정을 통해 트랜스 지방 함량이 낮은 부분 경화유를 생산할 수 있다.[2]
- 올레산이나 리놀레산 등 불포화 지방산 함량이 많은 식물성 기름에 니켈 등의 촉매를 사용하여 수소를 첨가하는 방법이 있다. 이 과정을 수소 첨가라고 하며, 원료로는 식물성 기름 외에 고래 기름, 어유 등이 사용되기도 한다.
- 마가린이나 팻 스프레드 제조 시 부분 경화유를 사용하지만, 트랜스 지방산 생성 문제가 있어 제조 기업들은 수소 첨가 방법을 개선하여 트랜스 지방산 생성량을 줄이려 노력하고 있다.
6. 1. 완전 경화
불포화 지방산에 수소를 완전히 첨가하면 포화 지방산이 되므로, 트랜스 지방이 생성되지 않는다.6. 2. 팜유 및 열대 오일
팜유, 팜핵유, 코코넛 오일과 같은 열대 오일은 자연적으로 포화 지방 함량이 높다. 이러한 열대 오일은 원하는 지방산 농도를 높이기 위해 추가로 분획할 수 있다.[2]6. 3. 지방 교환 반응 (Interesterification)
지방 교환 반응을 사용하여 여러 종류의 지방을 혼합하여 중간 특성을 가진 오일을 얻을 수 있다. 예를 들어, 대두유와 완전 경화 대두유를 지방 교환 반응을 통해 반고형 오일을 얻을 수 있다.[2]6. 4. 새로운 품종 개발
단일 불포화 지방산 (특히 올레산)이 풍부한 품종이 육종을 통해 개발되었으며, 이러한 품종은 다중 불포화 지방이 풍부한 기존 품종에 비해 안정성이 높아 유통기한을 늘리는 데 도움이 된다.[2]참조
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