Two-step enzymatic synthesis of mixed lauric acid esters with antibacterial and antioxidant activities

Abstract

In this study, two-step enzymatic synthesis of multifunctional mixed lauric acid esters (MLE) was conducted in a gas-solid-liquid multiphase system (GSL-MPS) as an alternative to the conventional purification process. Erythorbyl laurate was synthesized in the first reaction, and the second acyl acceptor was added in the second reaction for the conversion of the residual lauric acid into the new products. Glycerol was selected as the second acyl acceptor for the second reaction as it showed the highest esterification reaction efficiency among four candidates including PEG 600 (Polyethylene glycol 600), propylene glycol, glycerol, and lactic acid. The molar ratio of lauric acid to glycerol for the second reaction of the two-step MLE synthesis was determined as 1.0, considering the monolaurin content, which affects the emulsion stability. As a result, MLE composed of 1.33% erythorbyl laurate, 39.39% monolaurin, 44.19% dilaurin, 2.27% trilaurin, 2.84% erythorbic acid, 2.93% lauric acid, and 7.06%(w/w) glycerol was produced from the two-step enzymatic synthesis. The effects of MLE on emulsion properties were evaluated by the measurements of the droplet size and zeta potential of 5.0%(w/w) oil-in-water emulsions prepared with various concentrations of MLE. Emulsions containing MLE with the concentration below 2.0%(w/w) were stable over 15 days of storage at 25oC, and this might be attributed to the negatively charged and monodispersed oil droplets. Antibacterial activity of MLE against two Gram-positive and two Gram-negative bacteria was investigated in the oil-in-water emulsion. The time-kill curves of MLE showed the concentration-dependent bactericidal effect against Gram-positive bacteria at the concentration ranging from 0.5 to 2.0%(w/w). Lipid oxidation inhibition effect of MLE was evaluated in the oil-in-water emulsion by ferric thiocyanate method. The amounts of lipid hydroperoxide produced during thermally accelerated oxidation decreased with the increasing MLE concentration, indicating that lipid oxidation inhibition effect was dependent on MLE concentration. In conclusion, MLE produced via the two-step synthesis could be used as a multifunctional food additive with antibacterial and antioxidant activities for the oil-in-water emulsion-type food products.

효소적 합성 후 기질이 잔존하는 경우, 용매 추출, 재결정화, 분자 증류 등의 정제 과정을 통해 잔존 기질이 제거되거나 회수된다. 그러나 이러한 과정은 번거로울 뿐 아니라, 과량의 유기용매와 고에너지를 필요로 한다는 단점을 가진다. 본 연구에서는 복잡한 정제 과정 대신 간단하게 잔존 기질을 활용하는 방법으로 라이페이스-촉매에 의한 다기능성 혼합물의 2단계 효소적 합성에 관한 연구가 진행되었다. 1차 반응에서는 erythorbyl laurate가 합성되었고, 2차 반응에서는 잔존 lauric acid와 에스터 결합 형성이 가능한 2차 아실 수용체가 첨가되어 새로운 에스터 화합물이 추가적으로 합성되었다. 2차 아실 수용체의 선정을 위해 lauric acid와 4가지 후보 물질인 PEG 600, propylene glycol, glycerol, lactic acid의 에스터화 반응 효율을 비교하였다. 반응 효율의 지표인 초기 lauric acid 전환 속도 및 lauric acid 전환율 모두 glycerol과의 반응에서 가장 높게 나타나 glycerol이 2차 아실 수용체로 선정되었다. 2차 반응의 기질 몰 비율 결정을 위해 lauric acid와 glycerol의 몰 비율에 따른 에스터화 반응을 6 시간 동안 진행한 후 생성된 glyceride의 조성을 비교하였다. Monolaurin, dilaurin, trilaurin으로 구성된 glyceride 중에서 양친매적 구조에 의해 에멀젼 안정성에 가장 큰 영향을 미치는 monolaurin 함량을 고려하여 lauric acid와 glycerol의 기질 몰 비율을 1.0으로 결정하였다. 결과적으로, 2단계 효소적 합성을 통해 1.33% erythorbyl laurate, 39.39% monolaurin, 44.19% dilaurin, 2.27% trilaurin, 2.84% erythorbic acid, 2.93% lauric acid, 7.06%(w/w) glycerol로 구성된 다기능성 혼합물, 즉 mixed lauric acid esters (MLE)가 생산되었다. Erythorbyl laurate가 수중 유적형 에멀젼에 적합한 다기능성 식품 첨가제인 것을 고려하여, MLE가 수중 유적형 에멀젼 특성에 미치는 영향과 에멀젼에서 MLE의 항균력 및 항산화력을 평가하였다. 에멀젼 특성은 MLE를 농도별로 첨가하여 제조된 5.0%(w/w) 수중 유적형 에멀젼의 입자 크기와 제타 전위 측정을 통해 평가되었다. 그 결과 2.0%(w/w) 이하의 MLE가 첨가된 에멀젼은 25oC에서 15일 동안 안정하게 유지되었다. Time-kill assay를 통한 항균력 평가 결과 MLE를 0.5%(w/w) 이상의 농도로 처리하였을 때 그람 양성균인 S. aureus ATCC 12692와 L. monocytogenes ATCC 19115에 대해 농도 의존적 살균 효과를 보였고, 열 가속 산화 조건 하에서 MLE의 지질 산화 지연 효과 평가 결과 MLE 농도가 증가함에 따라 지질 과산화물의 생성이 감소하였다. 따라서 2단계 효소적 합성을 통해 생산된 항균력과 항산화력을 가지는 MLE는 수중 유적형 에멀젼 유형의 식품에 다기능성 식품 첨가제로 활용 가능할 것으로 기대된다