KR100778107B1 - 마치현으로부터 아라비노갈락탄을 포함하는 고분자다당체의 제조방법 - Google Patents

마치현으로부터 아라비노갈락탄을 포함하는 고분자다당체의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마치현으로부터 아라비노갈락탄을 고온과 물리적 전단력을 수반하는 고온압출 처리하는 단계; 및 상기 처리를 통하여 획득한 아라비노갈락탄 물질의 효소처리를 통한 정제단계; 정제된 아라비노갈락탄 물질을 이용하여 생리활성 기능을 제공하는 기능성 소재 및 화장품 소재의 제조방법을 제공한다. 상기 공정에 의하면 현재까지 개발되지 않은 마치현으로 부터 특정 분자량 분획을 이용한 기능성 식품 및 화장료 조성물 제조가 가능하다.

Description

마치현으로부터 아라비노갈락탄을 포함하는 고분자 다당체의 제조방법{Prepatation Method of Polysaccharides containing Arabinogalactan from Portulaca Oleracea L.}
도 1은 본 발명의 마치현의 수용화된 고분자 다당체의 제조공정도이다.
본 발명은 마치현(Portulaca oleracea L.)을 고온 및 물리적 전단력을 수반하는 압출성형 처리에 의하여 세포벽의 붕괴를 유도함으로서 마치현의 주요 구성성분인 아라비노갈락탄 고분자 물질의 추출수율을 증대시키고, 추출한 아라비노갈락탄을 효소처리하여 일정 크기의 분자량을 갖는 아라비노갈락탄 및 소재를 제조하여 생리활성 기능을 갖는 기능성 식품 소재 및 화장료 조성물 제조에 관한 것이다.
마치현은 우리나라에 자생하는 천연물 중에서 중심자목 쇠비름과에 속하는 1년생 초본으로서 오행초, 쇠비름, 장명채, 마치채 등으로 불리기도 한다. 주로 들길이나 텃밭 등에서 5-9월에 걸쳐 주로 자생하며 줄기와 잎은 양념 등으로 버무려 먹기도 하고 '본초강목'과 '동의보감' 등에는 마치현을 충독 및 사독 등의 해독제로도 많이 활용되어 왔다고 전해지고 있다. 아라비아 반도에서는 전통적으로 마치현을 방부제, 항괴혈병제제, 진경제, 이뇨제, 구충제, 피부진정제로 사용해 오고 있으며, 그 외 근육이완 활성과 항암효과에 대한 연구도 보고되고 있다.
마치현에 함유된 화학성분으로는 노르아드레날린(L-noradrenaline), 도파민(dopamine), 도파(dopa)와 칼륨, 여러 종류의 아미노산(글루타민산, 아스파라긴산, 알라닌), 그리고 테르펜(terpepne)류 중에서 모노테르펜(monoterpene) 배당체인 포투로시드(portuloside) A가 알려져 있다. 또한 마치현의 잎이나 줄기 및 전초에서 어유에 풍부한 것으로 알려져 있는 감마 리놀렌산과 같은 오메가-3 지방산의 함량이 높은 것으로 보고되었으며, 페놀성 화합물인 쿠마린(coumarins), 플라보노이드(flavonoids), 알칼로이드(alkaloid), 비타민 B1 및 C 등이 함유된 것이 보고되었다.
마치현은 쌍떡잎식물에 속하는 야생채소로서 세포벽은 면역 및 생리활성 기능을 제공하는 아라비노갈락탄 생물고분자 물질이 다량 함유된 유용한 식물자원이다. 즉, 셀룰로오스 섬유상 조직을 단층의 자이로글루칸(xyloglucan)이 감싸서 이루어진 셀룰로오스-자일로글루칸 구조가 갈락트론산 겔메트릭스에 의하여 보호되어 있으며 여기서 람노갈락트로난(rhamnogalacturonan)과 아라비노갈락탄(arabinogalactan)은 각각 펙틴의 주골격과 측쇄의 구성성분이 되고 있다. 따라서 자이로글루칸은 자일란 주골격을 통하여 셀룰로오스와 수소결합을 하며, 반면에 펙틴과 자이로글루칸은 펙틴의 아라비노갈락탄 측쇄를 통하여 공유결합에 의하여 서로 연결되어 있다. 즉, 펙틴의 람노갈락트로난 주골격과 공유결합에 의하여 연결되어 있는 아라비노갈락탄 측쇄는 펙틴을 다른 세포벽 구성물질, 즉 자이로글루칸 및 셀룰로오스와 연결하는 가교역할을 하는 것으로 알려져 있다.
마치현을 이용한 식품 및 화장품 소재에 대한 종래 기술을 살펴보면, 대한민국 공개특허 1998-033523호는 마치현에 용매를 혼합, 가열, 여과과정을 거쳐 추출물을 얻어 식품 보존제로 활용하는 방법, 대한민국 공개특허 1999-0025609호는 마치현을 열수 및 에탄올 용매를 사용하여 추출물을 얻어 항균 및 항암제로 활용하는 방법, 대한민국 공개특허 2002-0016960호는 마치현에 물, 아세톤, 에틸아세테이트, 1,3-부틸렌글리콜 수용액을 사용하여 추출물을 얻고 화장료 조성물을 제조하는 방법, 대한민국 공개특허 2004-0087802호는 조추출물, 비극성용매, 극성용매 등을 사용하여 항산화, 노화억제, 산화적 스트레스 질환의 예방 및 치료용 약학조성물의 제조방법 등이 보고되고 있으나, 본 발명에서 목적하는 마치현 세포벽을 고온 및 강한 물리적 전단력에 의한 파괴를 통하여 특정 범위의 분자량을 갖는 아라비노갈락탄 고분자 및 저분자 분획성분 제조에 대한 기술은 전혀 보고되어 있지 않다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술이 가지는 문제를 해결하기 위하여 제시된 것으로 본 발명의 목적은 현재까지 마치현에 함유된 아라비노갈락탄을 추출분리 생산하는 기술 및 특정 범위의 분자량을 갖는 고분자 및 저분자 분획을 이용하 여 생리활성 기능성 식품 소재 및 화장료 조성물을 제조하는 기술을 제공함에 있다.
마치현 세포벽의 모든 구성성분이 서로 강하게 연결되어 있는 것으로 보이나 실제적으로는 상당 부분이 세포벽 내에서 유리된 상태로 존재하며, 이들이 세포벽 성분의 수용성 정도를 좌우하기 때문에 효율적인 분자적 구조변형 기술을 이용한다면 생리활성 및 물성개량 기능을 제공하는 세포벽 성분을 고부가가치 소재로 활용할 수 있을 것이다.
마치현은 들판이나 밭에서 흔하게 자생하고 있으며, 현재까지 효율적 이용이 되지 않고 있는 실정에서 새로운 식물소재의 생산용 원료로 저렴한 원가로 대량확보가 가능한 원료적인 특성을 제공한다. 따라서 탁월한 생리활성 기능을 갖고 있는 천연소재인 마치현으로부터 아라비노갈락탄 생고분자의 추출분리 및 정제기술을 개발하고 생산된 소재로부터 새로운 식품 및 의약품을 생산하는 기술은 새로운 바이오 소재의 개발이라는 측면에서 경제적 가치가 크다.
마치현은 생리활성 물질을 함유한 새로운 기능소재 원료로서 가치가 많음에도 불구하고, 현재까지 아라비노갈락탄 및 폴리페놀 화합물의 대량생산을 위한 효율적인 추출 및 분리생산 기술개발 시도는 전혀 이루어져 있지 않다. 따라서 식물세포벽 성분의 추출 및 용해도를 조절하여 기능성 소재를 생산할 수 있는 고온/고압 반응공정인 압출성형 기술을 이용하여 새로운 기능성 소재를 생산하는 기술개발은 소재산업에 있어서 큰 장점을 제공한다.
식물 세포벽을 구성하고 있는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 펙틴, 단백질 등 의 성분은 공유결합, 이온결합, 수소결합 등에 의하여 강하게 결합된 구조를 갖는다. 이들 결합구조를 분해하는 방법은 화학적, 효소적 및 물리적 방법 등이 있는데 가장 많이 이용되고 있는 화학적 방법은 추출수율은 높지만 단위공정 설비에 대한 투자, 추출액의 pH 조절, 추출물의 변색 및 유효성분의 가수분해, 부산물의 재활용 불가능 등의 단점이 있다.
국내의 마치현에 관한 연구는 유용성 성분의 조추출물을 획득하여 생리활성 물질 검색, 항균 활성, 항산화 활성, 간 해독, 이뇨, 항부종과 담배의 니코틴 성분 제거 등의 생리적 활성에 대한 대략적인 분석에 그치고 있다. 그러므로 아라비노갈락탄의 대량생산과 생리활성 성분의 구명 및 분자량 조절 등과 같은 기술개발은 소재의 용도 및 제품응용에 있어 활용도를 높일 수 있다.
본 발명은 마치현 세포벽을 압출수용화시키는 단계와, 압출수용화된 마치현 분쇄물과 정제수를 혼합한 후 마치현 세포벽의 다당체를 분해하기 위하여 효소처리하는 단계와, 마치현의 단백질을 저분자로 분해시키기 위하여 단백분해효소를 첨가하여 반응시키는 단계와, 단백분해효소 반응 후 열수추출하여 수용성 분획물을 얻고 불용성 침전물을 제거하는 단계와, 수용성 분획물에 유기용매를 가하여 침전물을 얻은 후 이 침전물을 원심분리하여 상등액을 제거하는 단계를 포함하는 마치현으로부터 아라비노갈락탄을 포함하는 고분자 다당체의 제조방법을 나타낸다.
상기에서 압출수용화는 압출기에 마치현을 4∼5kg/hr씩 투입하면서 스크류 회전속도 58∼60rpm, 바렐의 온도 120∼160℃로 유지하여 압출수용화시킬 수 있다.
상기에서 압력은 습식초음파 처리, 균질화 압력처리 공정, 피스톤/모노 펌프 또는 정적 혼합기(static mixer) 중에서 선택된 어느 하나에 의해 압력을 가할 수 있다.
상기에서 압출수용화된 마치현에 효소를 첨가하여 효소반응시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기에서 효소는 펙티나제, 비스코자임 중에서 선택된 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
상기에서 단백분해효소는 알칼라제, 플라버자임 중에서 선택된 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
상기에서 불용성 침전물에 염산, 황산, 초산 또는 구연산 중에서 선택된 어느하나를 첨가하고 원심분리하여 수용성분획물과 침전물을 제거할 수 있다.
상기에서 유기용매는 메탄올, 에탄올 또는 이소프로판올 중에서 선택된 어느하나를 사용할 수 있다.
상기에서 언급한 내용을 정리하면 다음과 같다.
본 발명은 마치현 다당체의 효과적인 분리를 위하여 마치현 세포벽을 압출수용화시키는 공정, 압출시켜 얻은 마치현 분쇄물과 정제수를 혼합한 후 plant cell wall의 다당체를 분해하기 위하여 Pectinex 5XL, Viscozyme L, Pectinex 5XL과 Viscozyme L의 혼합액을 첨가하고 효소처리하여 마치현의 단백질을 저분자로 분해시켜 제거하기 위하여 단백분해효소인 Alcalase와 Flavourzyme 혼합액을 첨가하여 반응시킨 후, 열수추출하는 다당체분해 및 추출 공정, 불용성 침전물은 수용성 분획에 에탄올을 가하여 원심분리하여 침전물을 수거한 후, 이를 에탄올과 아세톤으로 세척하고 유기용매를 제거한 다음 동결건조하여 수용성 추출물을 얻는 공정으로 구성되어 있다.
< 마치현 세포벽의 압출수용화시키는 공정>
마치현 세포벽의 효율적 붕괴와 다당류의 추출을 보다 증진시킬 수 있는 방법의 하나로 압출수용화 공정을 시도하여 압출수용화 공정변수중 스크류 회전속도와 원료투입속도를 일정하게 하고 바렐의 온도를 120℃, 140℃ 및 160℃로 변화시키면서 마치현 세포벽의 압출수용화 처리를 유도하였다. 표 1에서 보는 바와 같이 바렐의 온도변화에 상관없이 압출압력은 4 bar 정도로 일정하였고, 압출온도는 128℃, 133℃ 및 146℃로 바렐온도와 비례적으로 증가하였다. 특히, 기계적에너지 소모율(SME)은 바렐온도가 증가함에 따라서 약간씩 감소함을 알 수 있는데, 이같은 현상은 바렐온도가 높아짐에 따라서 마치현 세포벽을 구성하고 있는 고분자 물질의 용융정도가 증가하면서 상대적으로 에너지소모율이 감소하였음을 알 수 있다.
표 1. 마치현 세포벽의 압출수용화 조건
스크류속도 (rpm) 물 (kL/hr) 원료투입속도 (kg/hr) 압출압력 (bar) 압출온도 (℃) SME (kW/ton)
EXT-120 270 3.5 4 4 128 567
EXT-140 270 2.9 4 4 133 538
EXT-160 270 2.6 4 4 146 510
SME: specific mecahnical energy
<다당체분해 및 추출 공정>
압출시켜 얻은 마치현 분쇄물과 정제수를 1 : 1의 비율로 혼합한 후 plant cell wall의 다당체를 분해하기 위하여 Pectinex 5XL, Viscozyme L, Pectinex 5XL과 Viscozyme L의 혼합액 각각을 기질의 1％ 정도 첨가하고 최적 pH 5.0과 최적 반응 온도 50℃에서 2시간 동안 효소처리하였다.
압출수용화 처리에 따른 다당체 추출 전처리 단계의 주요 성분들의 수율은 표 2와 같다. 압출성형하지 않은 시료에 비하여 압출성형 온도가 120℃, 140℃, 160℃로 증가할수록 시료중 생리활성 물질을 함유하고 있는 저분자 물질의 함량이 약간씩 높게 나타났다. 반면, 지질함량은 대조구 시료에 비하여 낮은 함량을 보였는데, 이것은 세포벽이 붕괴되면서 세포벽에 존재하는 지질이 용출 손실됨으로서 압출성형 처리된 시료중에는 낮은 지질함량을 보인 것으로 예측된다. 압출성형 처리후 색소성분은 원료 마치현과 비교할 때 큰 차이는 없었으나 압출성형 온도 160 ℃로 처리한 경우 색소의 함량이 약간 높았는데, 이것은 세포벽의 붕괴와 더불어 색소물질의 용출정도가 증가하였기 때문인 것으로 해석된다.
표 2. 추출온도별 주요성분의 추출수율
Samples Low molecules(％) Lipid(％) Pigment(％)
Raw 16.02 2.65 0.74
Ext 120 17.54 0.60 0.59
Ext 140 18.02 0.88 0.59
Ext 160 18.77 0.59 1.10
Raw: Portulaca oleracea L. without extrusion.
Ext 120, 140 and 160 : Portulaca oleracea L. extruded at 120℃, 140℃ and 160℃ of extrusion temp.
압출수용화 처리한 마치현의 다당체 추출 수율은 압출수용화 처리하지 않은 원료시료에 비하여 약 2.5배 정도 높게 추출되어 고온, 고압 및 전단력에 의한 마치현 다당체 수용화 증대에 대한 압출수용화 처리효과를 확인할 수 있었고, HEM의 경우 대조구 시료의 수율에 비하여 약간씩 감소하여 나타났다(표 3).
표 3. 압출온도에 따른 WEM과 HEM의 수율
Samples WEM(％) HEM(％)
Raw 13.12 6.76
Ext 120 30.01 5.44
Ext 140 33.30 5.77
Ext 160 32.23 5.67
Raw: Portulaca oleracea L. without extrusion.
Ext 120, 140 and 160 : Portulaca oleracea L. extruded at 120℃, 140℃ and 160℃ of extrusion temp.
<수용성 추출물 제조공정>
열수 추출물의 분리를 위하여 마치현과 물을 1:10의 비율로 혼합한 다음 세포벽l의 다당체를 분해하기 위하여 Pectinex 5XL, Viscozyme L, Pectinex 5XL과 Viscozyme L의 혼합액 각각을 기질의 1％ 정도 첨가하고 최적 pH 5.0과 최적 반응 온도 50℃에서 2시간 동안 효소처리하였다. 그리고 마치현의 단백질을 저분자로 분해하여 제거하기 위하여 단백분해효소인 Alcalase와 Flavourzyme 혼합액을 기질의 1％ 정도 첨가한 다음 pH 7.0, 55℃의 최적조건에서 반응시킨 후, 100℃ 2시간 동안 교반하면서 열수추출하였다. 불용성 침전물(ResidueⅠ)은 수용성 분획(ExtractⅠ)에 용적비로 4배에 ethanol을 가하여 4℃ 저장고에 24시간 침전 후 8000g, 4℃에서 10분간 원심분리 하여 침전물을 수거한 후 이를 ethanol과 acetone으로 세척하고 24시간 동안 유기용매를 제거한 후 동결건조하여 수용성 추출물 시료(water-extractable material:WEM)로 하였다.
산 추출물을 분리하기 위하여 열수추출에 의해 분리되지 않은 불용성 침전물(ResidueⅠ)에 0.1N HCl을 10배(v/w)의 비율로 넣고 98℃에서 2시간 동안 교반 후 8000g, 4℃에서 10분간 원심분리 하였다. 침전물(ResidueⅡ)은 제거하고 수용성 분획(ExtractⅡ)은 0.1M NaOH로 중화시킨 후 용적비로 4배에 ethanol을 가하여 4℃ 저장고에 24시간 침전 후 8000g, 4℃에서 10분간 원심분리 하였다. 침전물을 수거한 후 이를 ethanol과 acetone으로 세척하고 24시간 동안 유기용매를 제거한 다음 소량의 물에 용해시켜 dialysis tube(Spectra/Por 4 MWCO:12-14,000, Spectrum laboratories Inc., Canada)를 이용하여 투석한 다음 동결건조하여 산추출물(HCl-extractable material:HEM)시료로 하였다.
불용성 침전물(ResidueⅠ)은 수용성 분획(ExtractⅠ)에 용적비로 4배에 ethanol을 가하여 4℃ 저장고에 24시간 침전 후 8000g, 4℃에서 10분간 원심분리 하여 침전물을 수거한 후 이를 ethanol과 acetone으로 세척하고 24시간 동안 유기용매를 제거한 다음 동결건조하여 수용성 추출물(water-extractable material:WEM)을 얻는다.
이하 본 발명을 다음의 실시예에 의하여 설명하고자 한다. 그러나 이들은 본 발명의 일예로서 이들에 의해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
마치현 세포벽의 붕괴와 다당류의 추출을 촉진시키기 위하여 압출기를 이용하여 마치현의 세포벽을 바렐 온도 120℃로 하여 압출압력 4 bar로 압출수용화 처리하였다. 압출수용화된 마치현 분쇄물과 정제수를 1 : 10으로 혼합한 후, Pectinex 5XL, Viscozyme L, Pectinex 5XL과 Viscozyme L을 기질의 1％ 첨가하고 pH 5.0으로 하여 50℃에서 2시간 동안 효소처리하였다. 마치현의 단백질을 저분자로 분해하여 제거하기 위하여 단백분해효소인 Alcalase와 Flavourzyme 혼합액을 기질의 1％ 정도 첨가한 다음 pH 7.0, 55℃의 최적조건에서 반응시킨 후, 100℃ 2시간 동안 교반하면서 열수추출하였다. 불용성 침전물은 수용성 분획에 용적비로 4배에 에탄올을 가하여 4℃ 저장고에 24시간 침전시킨 후, 4℃에서 10분간 8000g로 원심분리하여 침전물을 수거하여 이를 에탄올과 아세톤으로 세척하고 24시간 동안 유기용매를 제거한 후 동결건조하여 수용성 추출물을 얻었다.
산 추출물을 분리하기 위하여 열수추출에 의해 분리되지 않은 불용성 침전물에 0.1N HCl을 10배(v/w)의 비율로 넣고 98℃에서 2시간 동안 교반 후 8000g, 4℃에서 10분간 원심분리 하였다. 침전물은 제거하고 수용성 분획은 0.1M NaOH로 중화시킨 후 용적비로 4배에 에탄올을 가하여 4℃ 저장고에 24시간 침전 후 8000g, 4℃ 에서 10분간 원심분리 하였다. 침전물을 수거한 후 이를 에탄올과 아세톤으로 세척하고 24시간 동안 유기용매를 제거한 다음 소량의 물에 용해시켜 투석기(dialysis tube; Spectra/Por 4 MWCO:12-14,000, Spectrum laboratories Inc., Canada)를 이용하여 투석한 다음 동결건조하여 산추출물(HCl-extractable material:HEM)을 얻었다.
<실시예 2>
실시예 1과 같이 하고 압출온도를 140℃로 하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여 수용성추출물을 얻었다.
<실시예 3>
실시예 1과 같이 하고 압출온도를 160℃로 하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여 수용성추출물을 얻었다.
본 발명의 마치현의 다당체는 고온, 고압 및 물리적 전단력에 의한 압출수용화 처리군이 비처리군에 비하여 약 2.5배 정도 높게 다당체가 추출되는 것이 확인되었다. 또한 마치현 다당체 생산을 위하여 효소처리를 하는 것이 효과적이라는 것을 알 수 있었다.
본 발명은 마치현에 함유된 다당류 이외에 무기물, 불포화지방산, 아미노산 을 유효성분으로 추출하여 아라비노갈락탄 및 저분자 수용성 물질은 자유 라디칼 소거활성능이 있으므로 식의약품 용도로의 활용 가능성이 기대된다.

Claims (8)

  1. 마치현 세포벽을 압출수용화시키는 단계와,
    압출수용화된 마치현 분쇄물과 정제수를 혼합한 후 마치현 세포벽의 다당체를 분해하기 위하여 효소처리하는 단계와,
    마치현의 단백질을 저분자로 분해시키기 위하여 단백분해효소를 첨가하여 반응시키는 단계와,
    단백분해효소 반응 후 열수추출하여 수용성 분획물을 얻고 불용성 침전물을 제거하는 단계와,
    수용성 분획물에 유기용매를 가하여 침전물을 얻은 후 이 침전물을 원심분리하여 상등액을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마치현으로부터 아라비노갈락탄을 포함하는 고분자 다당체의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 압출수용화는 압출기에 마치현을 4∼5kg/hr씩 투입하면서 스크류 회전속도 58∼60rpm, 바렐의 온도 120∼160℃로 유지하여 압출수용화시키는 것을 특징으로 하는 마치현으로부터 아라비노갈락탄을 포함하는 고분자 다당체의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서, 압력은 습식초음파 처리, 균질화 압력처리 공정, 피스톤/모노 펌프 또는 정적 혼합기(static mixer) 중에서 선택된 어느 하나에 의해 압력을 가하는 것을 특징으로 하는 마치현으로부터 아라비노갈락탄을 포함하는 고분자 다당체 의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서, 압출수용화된 마치현에 효소를 첨가하여 효소반응시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마치현으로부터 아라비노갈락탄을 포함하는 고분자 다당체의 제조방법.
  5. 제 1항 또는 제 4항에 있어서, 효소는 펙티나제, 비스코자임 중에서 선택된 어느 하나 이상임을 특징으로 하는 마치현으로부터 아라비노갈락탄을 포함하는 고분자 다당체의 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서, 단백분해효소는 알칼라제, 플라버자임 중에서 선택된 어느 하나 이상임을 특징으로 하는 마치현으로부터 아라비노갈락탄을 포함하는 고분자 다당체의 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서, 불용성 침전물에 염산, 황산, 초산 또는 구연산 중에서 선택된 어느하나를 첨가하고 원심분리하여 수용성분획물과 침전물을 제거하는 것을 특징으로 하는 마치현으로부터 아라비노갈락탄을 포함하는 고분자 다당체의 제조방법.
  8. 제 1항에 있어서, 유기용매는 메탄올, 에탄올 또는 이소프로판올 중에서 선택된 어느하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 마치현으로부터 아라비노갈락탄을 포함하는 고분자 다당체의 제조방법.
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