Transcript 3_식품산업연구센터-교육자료

건강기능식품 개발자를 위한 실무교육
기능성 원료 개발시 고려해야 할 사항
1. 건강기능식품 기능성 원료의 개발
2. 제조과정의 방법과 고려할 사항
전라남도 생물산업진흥재단 식품산업연구센터
Contents
1. 건강기능식품 기능성 원료의 개발
1) 기능성 원료의 표준화
2) 원재료 표준화
3) 제조공정 표준화
4) 결론
1) 기능성 원료의 표준화
기능성 원료 표준화
 일정한 효과(활성)를 함유한 원료 생산
 유효성분 함량이 가능한 높은 원료 생산
 원료의 수율 최적화 공정 확립
 기준규격에 적합한 원료의 안정적 생산
지표성분설정
원재료표준화
제조공정표준화
• 물질 분리 및 정제
• 식물 종
• 추출
- 용매분획
• 사용부위
- 용매, 온도, 시간 등
- Column 분리
- 단일화합물
• 기능/지표 성분
설정
• 채취시기
• 원산지
• 농축
- 온도, 압력, 시간 등
기능성평가
• 안전성(독성)평가
• 시험관 및
동물시험
• 건조
- 건조(VD, FD, SD 등)
• 분말
• 인체적용시험
원료 생산공정
농축
원재료
농축액
식품제형
분말
FD (동결건조)
전처리
저장
물(주정)추출
SD (분무건조)
분말
VD (진공건조)
생산
원료
추출·발효
공정
초임계추출
정
캡슐
Pouch
음료
최종
제품
유화공정
미세캡슐화
2) 원재료 표준화
식물 종
품종간 차이
뿌리, 줄기, 잎
사용부위
농추
식용가능 여부
계절, 월별
채취시기
채취장소
건조 방법
수확 후 보존
보관방법
Plant Metabolism
Primary metabolites
Light
Water
CO2
O2
NH3
Minerals
Sugars
Oligosaccharides
Polysaccharides
- Cellulose
- Pectin
- Lignin
Lipids
Amino Acids
Proteins
Hormones
Vitamins
Other protective
Substances etc
•
•
•
•
•
•
Starch
Cell wall
Cutin
Nucleic Acids
Membrane
Enzymes
•
•
•
•
•
Alkaloids
Terpenoids
Phenolics
Oils
etc
Secondary metabolites
원재료 표준화
품종 부위별차이
품종,
부위간 차이
부위별 α-glucosidase 저해효과
120
품종 A
100
80
60
40
품종 B
20
0
NegControl
Pos-Control
잎
열매
꽃
품종 C
200
150
100
50
Anthocyanin Profile
0
품종 A 품종 B 품종 C
Total anthocyanin
원재료 표준화
품종, 시기, 위치별 성분변화
350
300
250
200
150
100
50
0
5월
6월
7월
8월
300.0
9월
품종 A
품종 B
200.0
100.0
0.0
어린 잎
중간 잎
큰잎
원재료 표준화
수확 후 보존
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
25도
35도
45도
55도
동결건조
수확 후 건조 조건별 기능(지표)성분 함량 변화
3) 제조공정 표준화
제조공정 표준화
추출용매의 결정
수용성 화합물 A 추출수율 (%)
40
 원료의 추출에 사용되는 추출용매의 선택
30
1) 공전 3장 개별기준 및 규격 또는 건강기능
식품 기능성 원료 인정에 관한 규정에 따 20
라 사용해야 함.
10
2) 공전에 정해지지 않은 용매나 효소 등은
식품첨가물의 기준 및 규격에 적합한 것을 0
사용하여야 함.
40
3) 부득이 식품용도로 사용할 수 없는 용매는
제조 공정 중 이를 제거하는 공정을 추가 30
해야 함.
20
4) 기능(지표)성분을 효율적으로 잘 추출할
10
수 있는 최적 극성의 용매를 선택.
800
수용성 화합물 A 함량 (mg/g)
총량
600
400
200
0
H2O
25% EtOH 50% EtOH 75% EtOH100% EtOH
지용성 화합물 Q 추출수율 (%)
600
지용성 화합물 Q함량 (mg/g)
500
총량
400
300
200
100
0
0
H2O
25% EtOH 50% EtOH 75% EtOH
100%
EtOH
제조공정 표준화
처리온도 및 추출온도의 영향
C1 \ C2 \ C8 \ C9 \ C10 \ C11 \ C12
2.5
4.500
Mean
Max
OD
Mean
Max
OD
Max
OD
4.000 Mean
Mean
Max
OD
Mean
Max
OD
Mean
Max
OD
2
3.500
3.000
OD
W at Mean Max OD
2.000
1.500
Mean Max OD
Mean Min OD
Mean Min OD
Mean Min
Min OD
OD
Mean
0.000
300
350
400
450
500
550
600
Wavelength (nm)
처리
온도
추출
온도
추출
용매
C1
C2
C8
C9
C10 C11 C12
-
-
100
100 100
30
60
30
60
물
물
물
물
-
-
100
70
70
물
물
주정
OD
OD
OD
Min
Min
Min
Mean
Mean
Mean
atat
at
WW
W
OD
Min
Mean
at
W
0.500
1
W at Mean Max OD
1.000
1.5
W at Mean Max OD
OD
Max
at Mean
W
OD
MaxOD
Mean Max
WatatMean
W
W at Mean Max OD
2.500
0.5
0
C1
C2
C8
C9
c10
C11
C12
제조공정 표준화
추출용매의 영향
C2 \ C3 \ C4 \ C5 \ C6 \ C12
4.500
4.000
2.5
Mean Max OD
Mean
Max
OD
Mean
Mean
MeanMax
Max
MaxOD
OD
OD
Mean
Max
OD
2
3.500
3.000
1.5
OD
OD
Max
Mean
W at
OD
Max OD
Mean Max
at Mean
W
at
W
W at Mean Max OD
W at Mean Max OD
2.500
2.000
1.500
1
0.5
1.000
Mean Min OD
Mean
OD
Mean Min
Min OD
0
0.000
300
350
400
450
500
550
600
Wavelength (nm)
C2
C3
C4
C5
C6
C12
전처리
-
-
-
-
-
분쇄
추출
용매
물
25%
주정
50%
주정
70%
주정
주정
70%
주정
OD
OD
Min
MinOD
Mean
MeanMin
atMean
WW
Watat
0.500
E0
E25
E50
E70
E100
E70 분쇄
0
실온
40도
60도
지표성분 총량
추출수율
지표성분
함량(mg/g)
지표성분 총량
추출수율
지표성분
함량(mg/g)
지표성분 총량
추출수율(%)
지표성분
함량(mg/g)
제조공정 표준화
추출온도의 영향
 온도에 따른 추출 수율의 변화
120
100
80
60
40
20
제조공정 표준화
원료분쇄도의 영향
6시간 추출 후
30
분쇄한것
25
25
분쇄하지 않은것
20
20
15
15
10
10
5
5
0
0
0
0.5 hr
1 hr
2 hr
4 hr
6hr
8 hr
19 hr
미분 분쇄
약간 파쇄
분쇄하지 않음
제조공정 표준화
추출시간의 영향
추출시간이 증가할 때 추출 수율은 일정 시간이 되면 더 이상 증가하거나
감소하지 않지만 지표성분의 함량은 시간이 지날수록 감소할 수 있음
120
지표성분 함량(mg/g)
추출수율
100
지표성분 총량
80
60
40
20
0
0 hr
0.5 hr
1 hr
2 hr
4 hr
6 hr
24 hr
제조공정 표준화
추출횟수의 영향
 추출횟수는 차수별 추출 수율을 고려하여 설정
70%
80%
90%
1차
70
80
90
2차
91
96
99
3차
97.3
99.2
99.9
100
70
90
80
90
80
70
60
50
1차
2차
3차
제조공정 표준화
추출조건의 최적화
조건
결 과
원재료의
분쇄도
원재료를 분쇄할수록 용매와 용질의 접촉면적이 넓어짐으로
확산속도가 증가하여 추출 속도는 증가하지만
용매의 용해도 선택성이 감소하여 불필요한 성분의 추출도 증가.
추출 온도
온도는 높을수록 추출은 잘되지만
불필요한 성분의 용출이 증가하고
열에 약한 기능성분의 불활성화를 초래 한다
추출 시간
시간은 질어질수록 확산평형이 이루어지면
불순물(잔사)의 유출이 늘어나 유효성분의 농도가 낮아진다.
추출 농도
원재료의 용매의 비율을 높이면 농도차가 커져
확산 속도는 빨라지지만 단위처리량이 작아지고 농축해야 할 용액이 많아져 생산성이
떨어진다.
용매 pH
산성용매는 알카로이드나 페놀류, 플라보노이드의 용해도를 증가시키고 염기성에서는
saponin의 추출 효율을 증가시킨다.
정제에 의한 함량 증가
Raw material
1 kg
Extraction
520~630 g
1st purification
122~131.6 g
2nd
purification
건강기능식품 신청 원료
52.7~60.2 g
52.7~60.2 g
기능성분 함량
5%
8~10%
38~41%
82.8~94.9%
82.8~94.9%
제조공정 표준화 예
공정
1차
추출
원재료
물 첨가량
추출
40 ℃
잔사 무게
농축
(80 ℃, 500 rpm)
Weight
or
Vol.
100 kg
4000 L
3 hr
4 hr
1 hr
2 hr
4.5 hr
농축액
건조 (FD)
추출
40 ℃
0
0.5
0.6
0.9
0.9
2.9
28.8
0.0242
0.0249
27.5
0.88
지표 지표
성분 성분
수율 함량
(%) (mg/g)
1 hr
0.2
2 hr
0.3
3 hr
0.3
4 hr
0.4
10.6
건조 (FD)
18.7 kg
(%)
지표성분 수율 (1차 추출)
120
100
-
-
96
100
0.96
80
3,579
17.9
21.5
74.1
80.5
77.2
83.9
2.96
2.81
60
40
20
69
19.7
62.1
64.7
3.1
0
원재료
62.2
-
농축
(80 ℃, 500 rpm)
최종
0.0207
0.0225
회수액
(kg)
총
고형분 지표
(kg) 성분
(g)
421 kg
원심분리
2차
추출
Brix
지표성분
농도
(mg/mL)
0.0129
1,050
17.7
54.7
57.0
3.1
15.2
45.6
47.5
3.0
2.6
13.6
14.1
5.2
(mg/g)
(mg/g)
3.5
추출
농축
건조
지표성분 함량 (1차 추출)
3
2.5
2
0.566
11.6
1.2
6.6
6.9
5.34
-
3.4
10.8
11.2
3.17
-
18.7
56.4
58.7
3.1
1.5
1
0.5
0
원재료
추출
농축
건조
제조공정 표준화 예
(%)
10
원재료100g
지표성분 0.97 mg/g
5
0
물 추출물
Fructose Glucose Sucrose Maltose
(ppb)
80
60
40
농축/건조
20
0
Hg
(%)
농축 후 건조 분말 18.7 g
지표성분 3.1 mg/g
• 제조수율 : 18.7 %
•지표성분 농축율 : 3.2배
Pb
Cd
As
(%)
8
80
6
60
4
40
2
20
0
0
총식이섬유
수용성식이섬유
수분
회분
조지방
조단백 탄수화물
Contents
2. 제조과정의 방법과 고려할 사항
1) 원재료 전처리
농축액
농축
원재료
2) 추출공정
3) 농축공정
4) 건조공정
전처리
생산
원료
건조
추출,
발효
분말
원재료의 전처리
전처리의 목적
 저장기간 연장(destruction of enzymes, toxins)
 안전성 확보(kill microorganisms)
 물성 개량(texture, flavor, color)
 새로운 제형 제품
 저장, 보호,식별을 위한 포장 개선
전처리 방법의 분류
원재료의 전처리
Blanching
1. 효소 불활성화**
A.
Metabolites
B.
Maintain color
C.
Texture
D.
Flavor
E.
Nutritive value
2. 미생물의 감소(combination of rinsing action and heat)
3. 포장부피 감소– wilts vegetables and removes respiratory gases
4. 먼지, 이물질 등 제거etc.
** Enzyme tests:
• Peroxidase : phenols are oxidized to phenoxy radicals
• Catalase :decomposition of hydrogen peroxide to water and oxygen
• Lipoxygenase : dioxygenation of polyunsaturated fatty acids
Physical test:
• Wilting • Color
원재료의 전처리
Water Activity
이 론 : 자유수의 양을 줄이면
미생물이나 화학적 손상을 억제
건조제품 - Aw of 0.2 to 0.6

< 0.6
미생물생장 억제

0.2 - 0.3 화학반응 정지
중간수분 제품

0.8 to 0.9

보존제 첨가 요구
건조 제품의 장점
1.
생산비용 절렴
2.
저장과 운송에 유리
원재료의 전처리 (건조)
A. SUN DRYING
Slow process
Problems: no control
Microorganisms and pests can attack
Rain
High nutrient loss
Inexpensive products: grains, acid fruits,
spices
B. HOT AIR DRYING
More efficient/control
Lower nutrient loss
More expensive
Products: dried vegetables, pasta, some
fruits
C. DRUM DRYING
More efficient than hot air
Lower nutrient loss
Cost about equal with air
Products: potato pastes & slurries
D. SPRAY DRYING
Low nutrient loss
More expensive than drum or air drying
Good control/efficiency
Use only for liquids
Products: milk, instant tea and coffee
E. PUFF DRYING: PRESSURE DROP
Using heating systems; Air poppers;
Extruders.
F.FREEZE DRYING
Best nutrient quality
Best product quality (shape; rehydration)
Most expensive
Good control
Products: coffee, camping foods, military,
NASA
G. HOT OIL
Oil uptake, mouth feel/hand/calories
Oxidation, free fatty acid, and flavor concern
Products: potato chips, french fries, onion
rings,
some popcorn, doughnuts, some specialty
meats (different countries)
추출공정
추출의 원리
추출 : 원료(고형물질 또는 혼합액)로부터 유
기화합물을 분리해내는 공정(고-액, 액-액)
분배 계수 (distribution coefficient) :
용질의 분배를 정량적으로
분배 : 추출시 분리하고자 하는 용질이 두 개
의 섞이지 않는 용액 (액-액 추출) 또는 액상
과 고체(액상 고체) 사이에는 다른 분배
(unequal distribution)가 일어난다.
분배상수 :
이
용질(물질 A)의 분배는 다음과 같
정량적으로
분배상수
coefficient K)로 표시
(distribution
표현하는 계수 K
추출공정
pH의 영향
Bromocresol green has a yellow HIn form and a blue In form
bromocresol green
Also known as: 3',3'',5',5''-tetrabromo-m-cresol-sulfonephthalein
Type: HIn + H2O
In- + H3O+
HInd + H2O ⇌ H3O+ + Ind-
pK: 4.90
Approximate pH range for color change: 3.8-5.4
Color of acid form: yellow (Hin)
Color of base form: blue
(In-)
pH
3.9
4.9
5.9
In-
1
1
10
Hin
10
1
1
추출공정
용해도와 추출용매 선정
Compound
Benzoic acid
Naphthalene
p-Nitroaniline
Structure
Solubility in
water
Solubility in
organic solvent
Acidity (pKa)
Soluble (hot water)
0.34 g/100ml (25 °C)
<0.1 g/100
19 °C
THF 3.37 M, ethanol
2.58 M, methanol 2.91
M
soluble in benzene,
alcohol, ether,
acetone
4.21
mL
at
Approximately 30 mg/L
7.7g/100 mL in
methanol/ ethanol
1.0
pH 변화시
이동
염기성 수용액으로
산성 수용액으로
유기용매층으로
추출 조건
☞ pH를 높이거나
☞ 유기용매사용
☞ pH를 낮추거나
☞ 유기용매사용
유기용매사용
추출공정
추출 장치
Basket type
Agitation type
추출기 설계 시 고려사항
다양한 추출을 적용하기 위해서
1. 가압 또는 진공 추출을 위해
압력에 견딜 수 있도록
- 대량생산 연속공정
- 소량 다양한 제품
생산시 적합
1. 분쇄된 원료 자동
(진공) 투입
1. 원료는 미세 타공바
스켓에 담아 투입.
2. 연속자동 공정가능
2. 구조 간단,
적은 공간 필요.
3. Closed system
으로 운영
2. 에탄올을 사용하기 위하여
전기와 설비가 방폭에 적합
하도록 구축
3. 발효추출도 증가하는 추세에 있으
므로 발효기의 살균과 필요하다
면 멸균공기를 공급할 수 있도록
설계한다
추출공정
초임계 추출 장치
초임계유체를 용매로 사용하여 목적 성분을
선택적으로 취하거나 제거해 내는 추출법이다.
- 주로 이산화탄소를 용매로 이용, 추출이
바로 분리, 가장 효율적이나 고비용
- 이산화탄소의 경우 저임계점, 무독성의 특징
천연물, 식품, 의약품을 대상으로 응용
- 높은 극성을 유지하기 위해서 알콜류 등의
극성용매를 첨가 가능
농축공정
증발의 원리
표면적이
증가하면
…
 농축을 위해서는 액체(liquid)를 기체
(vapour) 로 증발시켜야 하는데
 증발속도를 높이기 위해서 충분한 에너지를
공급하고 표면적을 늘리는 것이 중요
 온도를 올리는 것은 유효성분을 파괴
물질마다 다른
증발속도(vapour pressure)
증발속도는 액상에서 날라가는 것과
다시 용해되는 속도의 균형을 이룸.
증발 (Evaporation)
끓음 (Boiling)
어떤 온도에서도 발생
끓는점에서 발생
표면에서만 일어남
액체 내에서 발생
Bubble이 생기지 않음
Bubble이 생김
증발속도
용액의 온도가
높아지면
습도가 높으면
바람이 불면
농축공정
Torr
atm
kPa
1 Torr(mmHg)
1
1.3*10-3
0.1
1 atm
760
1
100
kPa
0.1
100
1
진공
 진공(Vacuum)의 어원은 비어있음을
의미하는 그리스어로부터 유래.
 실제로는 공기 중에 노출되어 있는
진공용기가 사용되므로 진공장치에 의해
공기를 제거함으로써 진공상태 유도
 진공용기로부터 제거되는 공기양에
따라 진공의 정도가 결정
 현실적으로 전혀 공기가 존재하지
않는 진공을 얻는 것은 불가능
진공펌프의 선정방법
1. 진공용기의 크기
2. 용구되는 진공도
3. 배기 기체의 성질과 양
4. 원하는 작업시간
Rotary vane pump
장치명
대 상 물
진공증류장치 비타민 A, B, E, 등, 지방산등
진공농축장치 과즙, 육즙, 당액, 해수의 담수화,
진공탈포장치 마요네즈, 초코렛등 기타
진공건조장치
가루, 육류, 어류, 과실류,
혈청, BCG, 항생물질
진공냉각장치 식품(야채, 어류)
진공유송장치 분체의 이송, 판재의 흡착이송 등
Piston pump
Diaphram pump
농축공정
증기압과 진공
대기압하에서의 증기압
 진공(감압)상태는 다음 같은 특징을 갖게
되어 추출, 농축, 건조 시에 응용한다.
Substance
Vapor
Pressure
(mmHg)
T(°C)
○ 공기에 의한 부식, 산화 등을 예방
Water(H2O)
17.5
20
○ 끓는점을 낮춰 빠르게 증발하도록 함
Propanol
18.0
20
Ethanol
67.5
20
Ethyl ether
520
20
Acetaldehyde
740
20
Butane
1,650
20
Formaldehyde
3,268
20
16,500
55
(농축, 건조, 금속처리 등)
수증기압과 온도의 관계
Propane
농축공정
Batch type
- 설치비가 연속식
농축기에 비해 저렴
박막하강형
강제순환형
원심박막형
Falling Film
Evaporator
Forced Circulation
Evaporator
Centrifugal Thin
Film Evaporator
- 얇은 증발막을 형성
열에 노출이 적음
- 고점도, 고비중,
고비점 제품 가능
- 열 노출 최소화
- CIP 용이
- 고점도 농축 가능
- 농축효율이 낮음
- 열에 노출되는
시간이 길어 제품의
품질 저하
- 기액 분리가 용이
- 고점도, 고비중,
고비점 제품의 적용
어려움
- 체류시간이 길어
열변성이 쉬움
- 잔량이 많아 CIP
불리
- 제품 손실이 적음
- 고농도의 순환에
불리
- 장비가 고가임
건조공정
건조
원료 중에 존재하는 수분을 증발(L→G) 또는 승화(L→G)시켜 제거하는 공정이다.
 건조과정에서는 수분의 증발에 필요한 잠열을 공급하기 위한 열전달과
 식품중의 수분이 공기 중으로 이동하는 물질전달이 동시에 발생
건조공정
건조특성
건조 곡선
건조의 목적
- 미생물 및 효소에 의한 변질의 방지를
통하여 저장성 향상
- 부피와 무게를 감소시킴으로서
포장에 도움을 주고 수송비를 절약
- 수분을 제거하여 분체의 상태로
혼합하여 제형의 적성을 향상
- 유효성분과 보존성, 기호성, 안정성 확보
물리적 변화
화학적 변화
1) 가용성 물질의 이동
1) 갈변현상 및 색소의 파괴
2) 수축
2) 단백질 변성 및 파괴
3) 표면경화
3) 지방의 산화
4) 비타민의 파괴
건조공정
건조방식
건조장비의 특성
진공건조
- 고농도액을 진공상태
에서 건조하여 함수율
10% 이하 건조가능
동결건조
- 동결된 상태에서
승화를 이용 건조
유동층건조
- 건조속도가 빠르고
균일한 건조 제품을
얻을 수 있다
- 열에 약한 제품 가능
- 진공상태의 저온에서
고농축, 건조가 가능
- 투자비가 저렴하고
내구성이 좋음
- 제품 건조 시
Puffing 현상이
발생될 수 있음
- 원물의 상태 보존 및
건조 후 복원력 우수
- 투자비용이 많음
- 생산비용이 높음
- 건조시간이 길다
- 입자 또는 분말상태의
고체입자 건조에 적합
분무건조
- 용액, 슬러리,
페이스트 건조
- 액상으로부터
직접 분말 회수
- 시간이 매우 짧다.
- 강한 열풍에 의한
미세입자의 손실
- 회분식, 연속식
조업이 가능함
- 열에 민감한 원료
처리가 가능
- 연속조작 및 대량
처리가 가능
생산라인 구성 (예)
생산라인 구성 (예)
생산라인 구성 (예)
결론
1. 기능성원료의 개발은 초기단계에서 실험실에서
의 조건들을 미리 pilot 규모의 생산공정을 적
용하여 시제품을 만들어보는 것이 매우 중요함.
2. 실제의 공정에서 최종 제품의 수율과 기능성분
의 함량을 검토한다
3 가능하다면 지표물질만으로 활성이 있는지를 확
인하기는 어려우므로 pilot 생산 샘플로 기본적
인 Bioassay를 수행함으로서 최종제품의 품질
을 확보하여,
4. 향후 생산공정에서의 문제점을 미리 해결한 후
표준화된 기능성원료를 사용하여 기능성평가를
수행하는 것이 바람직한 개발 전략이라 할 수
있다.
기능성원료 생산 모델 공정