KR100472861B1 - 혈압완화 효능을 갖는 편백 정유의 가열촉진 시스템에 의한 추출법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 우리 나라 남부지방에 용재수종으로 조림된 측백나무과의 상록교목인 편백(扁柏 : Chamaecyparis obtusa Sieb. et Zucc, 영명 Japanese cypress 또는 Hinoki cypress) 가지와 잎을 이용하여 혈압완화에 효능을 갖는 휘발성 정유(Essential oil, 피톤치드)를 수직형(vertical type) 가열촉진시스템에 의해 추출하는 방법과 혈압완화 효능을 갖는 편백 정유조성물에 관한 것이다. 구체적으로는 편백의 가지와 잎을 일정한 크기로 분쇄하여 특별히 제작한 수직형(vertical type) 가열촉진시스템(도1)의 증류조 내부에 투입하고, 보일러로부터 스팀을 증류조 내부와 외장 파이프에 도입하여 원료를 단시간에 가온, 추출, 냉각하여 정유성분을 증류액과 함께 포집하고 이 증류액 중에 떠 있는 기름성분을 회수함으로써 정유를 얻는 가열촉진시스템을 이용한 새로운 추출법과, 혈압완화 효능을 갖는 휘발성 monoterpene, sesquiterpene 및 이들 유도체의 혼합물을 함유하는 것을 특징으로 제조된 천연 유기화합물에 관한 것이다.

Description

혈압완화 효능을 갖는 편백정유의 가열촉진시스템에 의한추출법{Distillation method of Japanese Cypress(Chamaecyparis obtusa essential oil alleviating against blood pressure by promoted heating system}

본 발명은 숲가꾸기 부산물인 편백(扁柏 : Chamaecyparis obtusa Sieb. et Zucc, 영명 Japanese cypress 또는 Hinoki cypress)의 가지와 잎으로부터 인체에 무해하며 혈압완화 효능을 갖는 휘발성 monoterpene, sesquiterpene 및 이들 유도체의 혼합물로 구성된 천연정유(유기화합물)를 특수 제작한 수직형(vertical type) 가열촉진시스템(도1)에 의해 추출하는 방법에 관한 것이다.

정유는 주로 식물체내에서 생성되지만 통상 유선(油腺 또는 선모(腺毛) 내에 함유되어 있거나 수지내에 녹아있는 형태로 식물체의 공동에 존재한다. 그 대부분은 종자식물의 꽃, 꽃봉오리, 잎, 가지, 줄기, 뿌리 등 각 부위에서 얻어지며, 조성은 식물의 종류에 따라 다르다. 정유를 포함하여 식물성분이라 부르는 것은 식물의 대사산물로서 어떤 기관에서 또는 어떤 목적으로 생성되는지를 이해하는 것은 정유화학 연구 측면에서 매우 중요하다.

휘발성 정유는 식물체가 주위의 미생물로부터 자신을 지키기 위해 발산하는 일종의 항생물질이라 할 수 있다. 그러나 항생물질은 죽이려고 하는 균을 즉시 사멸시키고, 그 활력이 지나쳐서 몸에 이로운 균도 함께 죽여 버리는 양면성을 지니고 있다. 휘발성 정유의 좋은 점은 수목이 가지고 있는 특성상 어떤 균을 죽일 것인가에 초점을 맞출 수 있고 인간의 신체에 무리 없이 부드럽게 흡수되는 점, 그리고 화학합성 물질이 아니라는 점이 특징이다. 정유는 강력한 항균력을 가지는 외에도, 우리 인간에게는 악취제거, 스트레스 해소, 긴장완화, 구충, 이뇨, 거담, 강장, 항염증, 쾌적효과 등 다양한 기능을 제공한다. 아울러 자폐증세가 있는 어린이나 우울증에 시달리는 노인들에게 자신감과 적극성을 갖게 해 주며 여성들의 피부미용에도 특별한 효과가 있어 갈수록 각광을 받고 있다. 최근 독일, 러시아, 일본 등에서는「산림요법」이라는 건강법이 행해지고 있는데, 이것은 숲 속에 들어가서 나무가 발산하는 향기를 마심으로써 정신의 안정효과, 진정효과를 기대하려는 것이다.

수목의 향기성분인 정유는 다양한 용도로 사용되고 있으며, 현재 전량 수입에 의존하고 있다. 통상 물에 불용, 유기용제에 가용인 액체로서 방향 또는 취기가 있다. 대부분이 물보다 가벼우나 그 중에는 정자유, 계피유 등과 같이 물보다 무거운 것도 있으며 비중은 0.7∼1.07의 범위에 있다. 상온에서 액체이지만 냉각하면 결정을 석출하는 것이 있으며, 그 결정을 stearoptene(腦分)이라 하며 결정화되지 않는 부분을 oleoptene(油分)이라 한다. 비점은 통상 150∼350 의 범위이다. 정유의 주요 용도는 향료이며 각종 방향제원료, 식품첨가제, 탈취제, 식품향료(flavor), 과향 엣센스(fruit essence), 화장품향료(cosmetic perfumes), 공기청향제(air freshener) 등에 이용된다. 이 외에도 약용, 공업용, 부유선광제(floatation oil) 등의 용도가 있다.

정유의 대부분은 물에 녹지 않으므로 수증기의 열에 의해 향기성분이 변화되지 않는 것에는 수증기증류법이 가장 간편하며, 가장 널리 사용되고 있는 방법이다. 서로 불용인 혼합물 증기의 전 압력은 순성분 각각의 증기압의 합과 같으므로, 정유의 증기압과 물의 증기압의 합이 증류조 내의 압력과 같아지면, 정유는 수증기와 함께 비등하여 유출하게 된다. 정유성분의 비점(150∼350 )보다 훨씬 낮은 온도에서 유출시킬 수 있으므로 성분의 분해나 변질의 염려가 거의 없다. 그러나 head space를 수증기 증류 초기에 놓쳐버릴 위험이 있다. Ross oil, orange flower oil은 수용성 성분을 함유하고 있으므로 수증기 증류시 수용성 성분은 물쪽으로 이동한다. 일반적으로 장미수라 하는 것은 이 물을 일컫는다. 잎, 줄기, 뿌리의 경우는 수확한 직후 또는 중량의 1/3 내지 1/4 정도로 건조한 것을 사용하며, 목질부의 가지나 줄기, 근주는 절삭기로 잘게 부수어 사용하고, 종자나 열매는 분쇄기로 분말화한 다음 일반적으로 수평형(horizontal type) 수증기증류식 추출장비로 추출한다.

상기와 같은 일반적인 수평형 추출장비를 사용하여 추출할 경우 증류조에 원료투입이 수월하다는 장점은 있으나 원료투입량에 제한을 받게 되어 단위시간당 추출효율이 낮아지는 커다란 단점이 있으며, 투입원료에의 열전달 시간이 오래 걸리고, head space를 수증기 증류 초기에 놓쳐버릴 위험이 있다는 등의 문제점이 있다. 따라서 투입원료에 대한 열전달은 신속하고 일정해야 할 필요성이 요구되고 있으며, 그 결과 생산되는 산물인 정유의 품질에도 미묘한 차이가 발생할 수 있다는 문제점도 아울러 내포하고 있다.

본 발명은 이와 같은 문제점에 착안하여 고안된 것으로, 수직형(vertical type) 가열촉진시스템을 사용함으로써 투입원료에의 열전달 시간과 추출시간을 단축하여 경제성을 높이는 한편, 혈압완화 효과를 일정하게 유지하면서 생산되는 편백정유의 품질을 제고시키는 추출방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 장치의 정유추출 방법은 식물성 정유를 추출하기 위한 원료목분을 제조하는 단계와 일정한 크기로 분쇄된 원료목분을 미세한 스테인레스 바스켓에 적재하여 호이스트를 이용, 증류탱크에 공급하는 단계와, 증류탱크 내에 충진된 원료목분을 단시간 내에 가열하기 위한 고온고압의 스팀을 증류탱크의 내부와 외부 케이스에 장착된 스팀 가열라인에 공급하는 단계, 증류탱크 내부의 원료목분이 고온의 외부 스팀과 내부 스팀으로 급속히 가열됨으로써 통상의 추출장치로는 추출하기 어려운 정유성분까지도 신속하고 완벽하게 휘발시키는 단계, 정유성분을 함유한 수증기가 증류탱크의 수증기 출구 쪽에 설치된 증기량 자동조절 밸브를 통하여 증류탱크 내부의 압력을 일정하게 유지하면서 정유함유 수증기를 냉각기로 공급하는 단계, 냉각탑과 냉각수 순환펌프에 의해 냉각기 내부에 순환되고 있는 냉각수로 인하여 냉각기에 공급되는 수증기가 응축되어 유수분리기에 의해 순수한 정유와 유출수를 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기에서 증류탱크 내부의 온도를 섭씨 105∼110℃의 저온을 유지시킴으로써 고품질의 정유를 얻고자 하였으며, 이에 따라 소요되는 많은 추출시간을 품질의 저하없이 획기적으로 단축시킬 수 있고, 증류탱크내의 원료목분을 신속히 일정온도까지 올려줌으로서 원료내에 함유된 고비점 정유성분까지도 추출함으로서 정유의 추출효율을 획기적으로 높일 수 있는 것이 특징이다.

이 과정에서 추출한 정유의 효능은 기화된 상태에서 랫트에 흡입시켰을 때 유의성있는 평균동맥혈압 변화를 가져오지는 않더라도 대조군과 비교하여 평균동맥압을 저하시키는 경향이 높은 것이 특징이다.

이하 첨부된 도면을 바탕으로 본 식물성 정유추출장치의 추출방법을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 추출방법을 설명하기 위한 개략적인 도면으로서 도면의 구성을 설명하면 다음과 같은 3가지 계통의 장치로 이루어져 있다.

1. 원료목분의 이송 및 공급장치와 추출 후 처리장치

2. 수증기 공급장치와 추출 후 발생되는 정유와 유출수 처리장치

3. 수증기 발생 보일러 연료 공급장치, 고압증기 공급 후 응축수 회수장치와 급수장치 등으로 이루어져 있다.

1번 계통을 설명하면 편백나무를 간벌하거나 가지치기를 하게 되면 발생되는 지엽 또는 가지를 목분제조기(7)를 이용하여 약 3 mm 이하의 톱밥과 같이 분쇄한 후 목분 이송팬(8)을 거쳐 라인(40)을 통하여 목분 공급용 호퍼(9)로 이동 적재한다. 적재된 호퍼로부터 100 마이크론 이하의 미세한 스테인레스망으로 구성된 목분 적재 바스켓(2)에 필요한 분량만큼을 하부로 공급한다. 적재된 목분은 호이스트(10)를 이용하여 증류탱크(1) 상부로 이동시킨 후 증류탱크의 상부 뚜껑(35)을 열고 적재 바스켓(2)에 목분을 적재한 채로 증류탱크(1) 내부에 투입한다. 이 과정이 끝난 후 증류탱크의 뚜껑(35)을 닫고 공기압축기(21)의 공기조절밸브(42)를 열어 뚜껑에 공급하여 완전하게 기밀을 유지시켜 준다. 정유추출이 끝나면 증류탱크(1) 내의 압력이 대기압과 같게 되기를 기다려 공기조절 밸브(42)를 잠그고 뚜껑내의 공기를 배출시킨 후 상부 뚜껑(35)을 열어준다. 다시 호이스트(10)를 이용하여 목분 적재 바스켓(2)을 들어올린 후 이동하여 부산물 처리호퍼(20)에 버린다. 다량의 수분을 함유한 채로 하부로 쏟아진 추출잔사는 탈수처리한 후 발효시켜 이용한다.

2번 계통을 설명하면 증기보일러(14)에서 발생된 약 9 bar의 수증기는 보일러의 출구에 설치된 감압밸브(31)를 통과한 후 약 6 bar로 감압되어 증기분배기(15)로 보내진다. 증기분배기에 공급된 6 bar의 수증기는 증류탱크(1)의 외부 케이싱 고압 증기라인(32)에 공급되어 이미 증류탱크(1) 내부에 투입한 원료목분의 온도를 신속하게 높여 주는 역할을 한다. 다시 고압 증기라인(6 bar)은 감압밸브(33)를 거쳐 1 bar의 저압 수증기가 증류탱크(1) 하부를 통하여 증류탱크 내부로 공급되어 원료목분에 함유된 정유성분을 포함한 기타 성분이 하부로부터 공급된 수증기에 의해 휘발되며, 정유를 함유한 이 수증기는 냉각기(3)로 보내진다. 이때 증류탱크(1)로부터 유출되는 수증기는 유량 조절밸브(34)에 의해 증류탱크(1)의 내부압력을 체크하는 압력센서(41)와 같이 연동하여 조절되며 증류탱크 내부압력을 1 bar 또는 조정된 압력으로 유지시키도록 증기통과량을 조절하며 수증기를 냉각기(3)로 이동시킨다. 이때 이미 냉각기(3) 내부에는 냉각탑(11)으로부터 공급된 냉각수가 순환되고 있기 때문에 냉각기(3)를 통과한 정유성분을 함유한 수증기는 냉각기(3) 내부에서 열교환 작용을 거쳐 응축되며, 이 응축수는 유수분리기(4)에 모이게 된다. 이때 유수분리기(4)에서는 물보다 가벼운 기름성분이 상층부에 뜨게 되며 이것을 회수하여 정유저장조(5)로 보내고, 하층부에 분리된 유출수는 유출수저장탱크(26)로 드레인하여 저장한다.

보통 저순도의 정유는 분리하는 시간이 약간 오래 걸리나 본 장치에서 추출한 고 순도의 정유는 유수분리기(4)에서 1분 이내에 분리가 가능하며 분리된 상부정유는 여과 및 탈수처리를 한 다음 정유저장장소로 이송하여 냉암소에 보관한다.

유수분리기(4)에서 분리되는 정유의 양과 스팀소비량을 감안하여 정유추출이 거의 끝난 것으로 판단되면 저압 증기공급 밸브(36)를 잠근 후 고압증기(6 bar)와 저압증기(1 bar)의 바이패스밸브(37)를 열어 고압증기를 증류탱크(1)의 저압증기라인을 통하여 공급하여 줌으로서 잔존 정유성분을 함유한 수증기를 냉각기(3)로 불어낸다. 다음, 바이패스밸브(37)를 잠근 후 증류탱크의 내부압력이 대기압에 이르렀을 때 증류탱크 뚜껑(35)을 열고 목분 적재바스켓(2)을 들어낸다. 이후 증류탱크(1) 내부를 청소한 다음 상기 과정을 반복한다. 분리된 정유와 유출수는 각각 별도의 저장탱크에 보관하여 이용한다.

3번 계통은 보일러의 연료를 경유저장탱크(13)로부터 공급받아 스팀보일러(14)를 가동하여 상용압력 9 bar로 운전한다. 발생된 수증기는 앞서 기술한 2.의 과정을 거쳐 고압수증기는 냉각·회수하여 응축수 회수탱크에 저장하고 다시 보일러에 공급한다. 공급된 저압수증기는 모두 냉각기(3)를 통과하여 응축시키고, 정유를 분리한 다음 유출수 상태로 회수하여 장기저장한다. 공급된 수증기를 회수하여 사용하는것이 일반 냉수를 증기 보일러에 공급 하여 증기를 발생 하는것 보다 매우 경제적이나 본 장치는 배출한 수증기가 모두 정유와 또는 유출수로 사용되기때문에 회수가 불가능 하다.

따라서 에너지 절감 차원에서 냉각기(3)을 통과한 냉각수가 고온임을 착안하여 냉각기를 통과한 온수를 보일러(14)보급수로 사용하기 위하여 급수압력탱크(16)로부터 냉각탑(11)으로 이어지는 라인에 보급수밸브(43)를 설치하고 냉각기(3)를 통과한 온수라인(38)에 전동 바이패스밸브(39)를 설치하여 냉각탑(11)측의 전동 유량조절밸브(40)와 연동시켜 보급수를 공급한다. 이렇게 회수된 온수는 응축수탱크(17)로 이송하여 보일러(14)의 스팀 발생용 공급수로 재활용한다. 또한 증류탱크(1)에 공급되는 보급수로도 활용되어 에너지 절약측면에서 매우 바람직한 방법이라 할 수 있다.

한편 유수분리기(4)에서 회수한 정유를 적절한 용도에 이용하기 위해서는 일정의 숙성기간을 거쳐야 하므로 냉암소에 보관하여 정유성분의 변질을 최소화한다. 유수분리기(4)에서 회수한 유출수는 단시간 유출수 저장탱크(6)에 저장하면서 일부 침전물을 제거한 다음 다시 장기간 저장탱크로 이송하여 안정화시킨다. 일정기간이 지나 유출수가 안정화된 후 별도의 용도로 사용한다.

이하 본 발명에 의해 추출된 정유의 혈압에 미치는 영향을 실시예에 의해 보다 상세하게 설명하기로 한다.

〈실시예 1〉정유의 혈압에 미치는 영향

상기에서 설명한 추출장치를 이용하여 편백 정유를 얻었으며 실험동물은 ICR 마우스와 SD 랫트를 구입하여 사육실에서 실험전 1주일동안 새로운 환경에 적응하도록 하였다. 실험시작 직전의 마우스는 6주령으로 체중은 30㎖/g이고, 랫트는 8주령으로 220±20g이었다. 사육실의 실내온도는 23℃, 조명은 12시간동안 150∼300Lux로 하였다. 고형사료와 수돗물은 자유급식시켰다.

랫트의 대퇴동맥에 실험 1일전에 카테터를 장착한 후 Escort Ⅱ(DUBS, USA)를 이용하여 평균동맥혈압을 측정하였다. 랫트 5마리씩을 각각의 군에 배치하고 기화정유를 2시간 동안 흡입시켰으며, 흡입직전을 0분으로 하고 15분간격으로 2시간 동안 측정하였다. 각종 실험의 결과는 정유 처치를 하지 않은 군을 대조로 하여 그 변화를 Student's t-test 또는 x2-test로 분석하였다. 유의성 검정은 대조군과 비교하여 p값이 5% 미만일 때로 하였다.

시험물질이 정상 랫트의 혈압에 영향을 미치는지 알아보기 위한 실험결과는 <도 8>과 같이 나타났다. 정유를 흡입시키면서 2시간 동안의 혈압변화를 15분 간격으로 측정했을 때 편백정유는 다른 정유와 마찬가지로 전반적으로 동맥혈압을 감소시키는 경향을 나타냈다.

상기에서 설명한 바와 같이 식물체로부터 정유를 추출할 때 본 가열촉진시스템을 사용하게 되면 head space 성분을 포함하는 매우 고품질의 정유가 생산되는 것은 물론, 현재 국내에서 사용되고 있는 여타 가압식 수평형추출장치에 비해 추출시간을 약 1시간 이상 단축시킬 수 있다. 그러므로 이것은 약 20%의 정유수율 증수효과를 가져와 정유를 생산·판매하는 단계에서의 원가절감은 물론 고품질의 정유를 공급함으로서 경쟁력을 높일 수 있다는 장점이 있다.

또한 비교적 저온에서 추출과정이 진행되기 때문에 성분의 변질을 최소화하여 정유가 갖는 고유의 효능, 예를들면 항균활성 등과 같은 생리활성기능뿐만아니라 본 발명에서 확인된 혈압완화 효과를 일정하게 유지시킨 균질의 정유를 생산할 수 있다는 점이 특징이다.

도1은 본 발명의 실시예에 따라 편백으로부터 혈압완화 효능을 갖는 휘발성 정유를 추출하기 위한 가열촉진시스템의 사시도

도2는 정유추출 시스템의 전체적인 계통도

도3은 증류탱크의 단면을 자른 단면도

도4는 정유 추출시스템의 설치 높이를 나타낸 위치도

도5는 유수분리기의 내부 구조도

도6은 냉각기(condenser) 의 단면도

도7은 증류탱크 주변 배관도

도8은 랫트의 평균동맥혈압에 영향하는 정유의 흡입효과

Claims (6)

1. 편백 정유를 추출하는 방법에 있어서,

   편백 정유를 추출하기 위한 원료가 되는 원료 목분을 제조하는 단계와,

   일정한 크기로 분쇄된 상기 원료 목분을 바스켓에 적재하여 증류 탱크에 공급하는 단계와,

   증기 보일러에서 발생된 고압의 스팀을 상기 증류 탱크의 외부에 장착된 증기 라인에 공급하여 증류 탱크 내부에 투입된 원료 목분의 온도를 급속하게 상승시키는 단계와,

   증류 탱크의 외부에 장착된 증기 라인에 공급된 상기 고압의 스팀을 감압하여 저압의 스팀을 만드는 단계와,

   상기 저압의 스팀을 상기 증류 탱크의 하부를 통하여 증류 탱크 내부로 공급하여 상기 원료 목분에 포함된 정유를 휘발시키는 단계와,

   상기 휘발된 정유 성분이 함유된 수증기를 증류 탱크의 수증기 출구 방향에 설치된 증기량 자동 조절 밸브를 통하여 증류 탱크 내부의 압력을 일정하게 유지하면서 냉각기로 공급하는 단계와,

   냉각탑과 냉각수 순환 펌프에 의하여 순환되는 냉각수를 이용하여 상기 냉각기로 공급된 정유 성분이 함유된 수증기를 응축시키는 단계와,

   응축된 정유 성분이 함유된 수증기를 유수 분리기를 통하여 분리하는 단계,를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 편백 정유의 추출 방법.
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