KR100984122B1 - 알로에 베라 겔의 농축 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 알로에 베라 겔의 농축 방법에 관한 것으로, 알로에 베라 잎의 껍질을 제거하고 유 조직(parenchyma tissue)을 필레팅(filleting)한 후, 균질기에서 균질화한 다음, 원심분리하고 상징액을 취한 후, 한외여과함에 있어서, 막의 배제분자량을 50 ∼ 150kDa로 하고, 지르코늄 디옥사이드 관형 한외여과막을 사용하여 0.2 ∼ 2.25바(bar)의 막투과압력(TMP : transmembrane pressure), 23℃의 온도에서 240ℓ/시간의 공급액 속도로 한외여과하는 방법으로 알로에 베라 겔을 농축함으로써 유효성분인 다당류의 양과 질을 최대화하면서도 안정적이고 경제적으로 알로에 베라 겔을 농축할 수 있는 효과를 얻을 수 있었다.

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Description

알로에 베라 겔의 농축 방법{The concentration method of fresh gel from Aloe vera L.}

본 발명은 알로에 베라 겔의 농축 방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는알로에 베라 잎의 껍질을 제거하고 유 조직(parenchyma tissue)을 필레팅(filleting)한 후, 균질기에서 균질화한 다음, 원심분리하고 상징액을 취한 후, 한외여과함에 있어서, 막의 배제분자량을 50 ∼ 150kDa로 하고, 지르코늄 디옥사이드 관형 한외여과막을 사용하여 0.2 ∼ 2.25바(bar)의 막투과압력(TMP : transmembrane pressure), 23℃의 온도에서 240ℓ/시간의 공급액 속도로 한외여과하는 것을 특징으로 하는 알로에 베라 겔의 농축 방법에 관한 것이다.

알로에는 백합과에 속하는 다년초이며, 다육질 잎을 갖는 다즙성의 CAM(Crassulacean Acid Metabolism) 식물로, 3,500년 이상 광범위하고 다목적인 민간 치료제로서 널리 사용되어 왔으며, 400여종 이상의 알로에가 동정되었는 데, 이 중 알로에 베라(Aloe vera Linne)의 주스나 겔이 대표적인 건강기능성 식품(특히, 건강기능 음료)의 하나이며, 또 제약이나 화장품으로서도 가장 널리 사용되어 온 천연소재의 하나이다.

지금까지 개발된 알로에 잎의 가공법은 여러 가지가 있으나 알로에의 가공 중 유효성분의 손실 및 생물활성의 실활이 매우 높은 특성에 기인하여 소비자가 원하는 유효성분의 농도와 수율, 가공 경비의 효율성, 고형분 함량, 바람직하지 못한 성분의 함유량, 바람직한 특성(맛, 유효 인자의 농도 증가) 등은 매우 차이가 많고, 최종 제품의 효능 및 품질 수준은 천차만별하다고 할 만큼 다른 것이 현실이다.

그동안 밝혀진 알로에의 유효 성분은 약 200여 종이 알려져 있지만 알로인(aloin)과 같은 안트라퀴논류는 가공 중 반드시 제거되어야하는 성분지표인 반면, 알로에 다당류는 일반적 품질 및 치료적 성질의 지표가 될 수 있고, 알로에 베라 잎의 유조직에 널리 존재하는 알로에 다당은 과잉의 열이나 가공 시간 및 세균 오염 등 가혹한 또는 불량한 공정에 의해 단순 당으로 분해되므로 결국, 낮은 다당류 수준은 알로에 제품이 가혹하게(harshly) 조작되었음을 의미한다.

아울러, 알로에의 다당류는 광범위한 분자 크기로 존재하며, 이 분자 크기의 변화는 알로에 치료 효과를 결정한다. 일반적으로 분자량이 적은 것은 항염증 활성효과가 우수한 반면, 분자량이 큰 것은 면역작용에서 뛰어난 효과를 갖는다.

일반적으로 열악한 공정에 의한 많은 알로에 제품의 다당류 분자량은 10,000 달톤(dalton) 정도이며, 1,000 이하도 많은 것으로 알려지고 있지만, 생물활성이 가장 높은 분자량 범위는 50 ∼ 2,000kDa으로 보고되고 있다.

따라서, 우수한 알로에 제품의 품질 요건은 알로에 중의 알로인과 같이 바람직하지 못한 성분의 잔존 수준을 최소(6ppm 이하)로 하면서 생의학적 활성성분인 다당류의 함량이 유효농도 이상의 함량(650mg/ℓ 이상)을 유지하도록 하며, 분자크기를 크게 높일 수 있는 수준(50,000 ∼ 2,000,000dalton)으로 향상시킨 제품을 얻는 것이 매우 중요하다.

그러나, 만족할 만한 품질을 달성하기에는 크게 두 가지 문제점, 즉, 하나는 알로에 주스나 겔은 매우 희석된 상태(수분함량 99.0 ∼ 99.5%)이므로 유효 고형분 함량이 0.5∼1%에 불과하여 기능성 식품화를 위해 유효 고형분 농도를 높인 농축제품의 개발이 필요하다는 것이고, 다른 하나는 알로에의 유효성분이 불안정하여 전 잎(whole leaf)의 파쇄, 분쇄 혹은 압착에 의해 주스를 얻고, 이 주스의 여과, 농축, 안정화 등의 여러 단계를 거쳐 생산하는 일반적인 알로에의 가공과정 중에 급속히 변질되기 쉬워 이의 방지 기술이 필요하다는 것이다. 특히, 알로에 베라 겔의 다당인 글루코만난(glucomannan)은 알로에 내재성 가수분해 효소에 대해 안정화되지 않으면 빠른 분해를 일으키며, pH 변화, 고온 및 미생물 오염에 의해서도 분해된다.

그러므로, 반드시 유효성분인 다당류의 양과 질을 최대화할 수 있는 안정화 및 경제적 취급이 가능한 농축방법을 확립하는 것이 필수 요소이다. 하지만 통상적인 열에 의한 증발 농축법은 효율적인 농축방법이 아니다.

또한, 알로에 베라 겔의 농축 방법에 대한 종래의 연구에서는 만족할 만한 결과를 얻을 수 없었으며, 연구 실적도 미미한 실정이다.

따라서, 본 발명의 목적은 유효성분인 다당류의 양과 질을 최대화하면서도 안정적이고 경제적으로 알로에 베라 겔을 농축하는 방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적 뿐만 아니라 용이하게 표출될 수 있는 다른 목적을 용이하게 달성하기 위하여 본 발명에서는 알로에 베라 잎의 껍질을 제거하고 유 조직(parenchyma tissue)을 필레팅(filleting)한 후, 균질기에서 균질화한 다음, 원심분리하고 상징액을 취한 후, 한외여과함에 있어서, 막의 배제분자량을 50 ∼ 150kDa로 하고, 지르코늄 디옥사이드 관형 한외여과막을 사용하여 0.2 ∼ 2.25바(bar)의 막투과압력(TMP : transmembrane pressure), 23℃의 온도에서 240ℓ/시간의 공급액 속도로 한외여과하는 방법으로 알로에 베라 겔을 농축함으로써 유효성분인 다당류의 양과 질을 최대화하면서도 안정적이고 경제적으로 알로에 베라 겔을 농축할 수 있는 효과를 얻을 수 있었다.

즉, 본 발명에서는 상(phase)의 변화가 일어나지 않아 열에 민감한 성분을 유지할 수 있는 막 여과법이 알로에 베라 겔의 농축에 효과적임을 발견하여 본 발며명을 완성하였다.

특히, 한외여과(ultrafiltration)막 농축법은 바이오산업 및 식품공업에서 현재 널리 이용되고 있으며, 고분자와 저분자의 분리 및 분획이 용이하고, 실온에서 사용될 수 있어 알로에와 같이 열에 민감하며, 분자량이 수십만인 다당과 같은 유효 성분의 농축에 매우 효과적일 뿐만 아니라 농축 정도에 한계가 있기는 하지만 공정 중 부산물이 적게 배출되므로 환경친화적이고, 장치의 규모도 통상 설비공간이 크지 않아 간단한 설계로 가능하며, 유연하고 용이한 스케일업(scale-up)이 가능한 장점을 가지고 있지만 지금까지 알로에 대하여 막분리 기술(membrane separation technology)을 적용한 연구를 거의 찾아볼 수 없는 바, 본 발명에서는 이를 적용하여 효과적으로 알로에 베라 겔을 용이하게 농축할 수 있었다.

뿐만 아니라, 통상적으로 막의 배제분자량(MWCO; molecular weight cut off)은 15 ∼ 20kDa이고, 크게는 300 ∼ 1000kDa, 적게는 3kDa을 사용하는 것이 알려지고 있고, 최적 조건은 수력학적 부피가 분자의 분자량과 직접적으로 관련되지 않더라도 거대분자의 유연성과 분지(가지)가 구멍을 통한 투과성에 영향을 주므로MWCO의 선택이 중요하고, 생물고분자는 높은 용액 점도를 가지며, 이들의 농도가 제한 값에 도달할 때 겔을 형성할 수 있으므로 막의 재질과 형태가 또한 매우 중요하기 때문에 본 발명에서는 신선한 알로에 용액의 농축을 위해 한외여과 성능(투과유속, 부피 농축인자, 농축정도, 보유율, 막 오염과 막 투과성의 회복)에 미치는 막 재질, 형태 및 MWCO의 역할, 제거 지표성분으로서의 알로인 및 유효성분지표로서의 다당류 성분을 조사하여 신선한 알로에의 성분을 유지 또는 증강시킬 수 있는 지를 확인하여 본 발명을 완성하였다.

본 발명에 따른 알로에 베라 겔의 농축 방법은 유효성분인 다당류의 양과 질을 최대화하면서도 안정적이고 경제적으로 알로에 베라 겔을 농축할 수 있는 효과 가 있다.

본 발명에 따른 알로에 베라 겔의 농축 방법은 알로에 베라 잎의 껍질을 제거하고 유 조직(parenchyma tissue)을 필레팅(filleting)한 후, 균질기에서 균질화한 다음, 원심분리하고 상징액을 취한 후, 한외여과함에 있어서, 막의 배제분자량을 50 ∼ 150kDa로 하고, 지르코늄 디옥사이드 관형 한외여과막을 사용하여 0.2 ∼ 2.25바(bar)의 막투과압력(TMP : transmembrane pressure), 23℃의 온도에서 240ℓ/시간의 공급액 속도로 한외여과하는 것으로 특징지워진다.

초기 알로에 주스는 알로에 베라 잎의 껍질을 제거하고 유 조직(parenchyma tissue)을 필레팅하여 얻었다. 이를 균질기에서 최대 속도로 균질화한 다음, 원심분리(8000rpm, 30분)하고 상징액을 취하여 알로에 베라 겔 시료로 하였다.

상기와 같이 제조한 시료의 초기 고형분 함량은 0.76%이었고, 콘코 레드(congo red)법(Ebarandu, A.R., Luta, G., Edwards, J.A., McAnalley, B.H., and Davis, B. 2005. Quantitative colorimetric analysis of aloe polysaccharides as a measure of Aloe vera quality in commercial products. Journal of AOAC International, 88(3): 684-691)으로 측정한 유효 다당 함량은 0.25 ∼ 0.31(540nm에서의 흡광도)이었다.

한외여과는 실험실 규모의 타미 한외여과 시스템(Tami UF system : Tami Industries S.A, France)을 사용하여 수행하였으며, 타미 한외여과 시스템은 1ℓ용량의 공급액조, 공급액 펌프, 여과 카트리지 및 공급액과 농축액에 대한 압력 게이 지로 구성되어 있고, 외경 10mm, 길이 250mm, 면적 94㎡의 관형막(지르코늄 디옥사이드, Tami Valisette module ; MWCO= 50kDa)을 사용하였다.

또한, 본 발명에서 한외여과는 토탈 리싸이클 모드(total recycle mode)와 배치 콘센트레이션 모드(batch concentration mode)에 따라 실시하였다. 토탈 리싸이클 모드에서는 농도를 일정하게 유지하기 위해 투과액과 농축액의 흐름을 공급액 탱크로 되돌려 보냈고, 서로 다른 조작조건에서 투과속도를 측정하고 농축공정에 대한 최적 조작 조건을 확인하기 위해 사용하였으며, 배치 콘센트레이션 모드에서는 농축액만을 되돌려 보냈고, 용액을 농축하기 위해 사용되었다.

시료 용액은 펌프를 사용하여 막 모듈로 공급되었고, 공급액 및 농축액 측 압력은 압력계를 사용하여 측정되었으며, 투과액 측에서의 압력은 대기압으로 가정되었고, 투과액의 유량(flux)은 다음의 식과 같이, 일정시간 동안 얻은 투과액의 부피를 면적과 투과 시간으로 나누어 계산하였다.

J = (m_p/ρ_p)/A_m x t = L/㎡hr(LMH)

여기서, A_m은 막 면적(㎡), m_p는 투과액 질량(g), ρ_p는 투과액 밀도(g/L)이다.

또한, 부피 농축비(concentration factor 또는 volume reduction factor)는 초기 공급액 부피(initial feed volume)/생성되는 투과액 부피(resulting retentate volume)에 의해 평가하였다.

한외여과는 예비실험을 통해 23℃에서 수행되었고, 달리 서술되지 않는 한 1.8 m/sec의 유속 및 0.2 ∼ 2.25bar의 막투과압력(TMP : transmembrane pressure)에서 수행되었다.

한외여과 후 막 모듈은 물로 씻은 다음, 세척액으로 세척하였고, 세척작업이 끝난 후 고정된 조건(온도 20℃, 축 흐름속도 4.8㎖/min)에서 막 모듈의 물 투과 유량(water flux)을 측정하였다.

한외여과 결과들은 농축정도(CD : concentration degree)와 보유율(R : retention)로 나타내었다. CD는 최종 다당 농도와 초기 다당 농도의 비(CD= C_fr/C_ir)로, 그리고 보유율은 공급액에 잔류된 다당의 % [R= (1-C_p/C_r) x 100]로 나타내었다. 여기서, C_p는 투과액의 다당농도, C_r은 농축액의 다당 농도이다.

비가역적 오염(Irreversible fouling)은 순수한 물 유속의 감소 혹은 한외여과 전후 관찰된 순수한 물 유속에 대한 비교 값인 오염지수(fouling index : FI)로 나타내었다.

FI= [(F_wb-F_wa)/F_wb] x 100

여기서, F_wb는 실험전 순수한 물의 유속이고, F_wa는 실험후의 순수한 물의 유속이다.

한외여과 전,후에 안트라퀴논(Anthraquinone)의 존재 유무, 유효 다당의 농도, 탁도 및 고형분 함량, 점도를 측정하였다. 안트라퀴논의 존재 유무는 폴리하이드록시 안트라퀴논 복합체(aloin, aloe- emodin, isobarbaloin 등)의 존재 유무를 판단하는 본트라저(Borntrager) 시험에 의해 조사하였다. 즉, Aloe Lab. of Texas의 지침에 따라 시료 용액 5㎖에 5N KOH 용액 2 ∼ 3방울을 넣고 잘 흔든 다음 적갈색의 전개 유무로 판단하였다.

또한, 유효 다당류의 농도는 에바란듀(Ebarandu) 등이 글루코만난(glucomannan)의 결정을 위해 개발한 빠르고 정량적인 비색법에 따라 측정하였다. 즉, 400㎕의 시료를 1회용 유리 배양관에 옮기고, 각 관에 4㎖의 콘고 레드(sodium 4,4'-diphenyl-2,2'-diazo-bis-1- naphthalamino-4-sulonate) 시약을 첨가하여 온화하게 교반(vortexing)하여 혼합한 다음, 실온에서 20분간 방치한 후, 이의 흡광도를 분광광도계(Spectronic Genesys 5, USA)로 540nm에서 측정하였다.

그리고, 탁도는 550nm에서의 광밀도(optical density)로 구하였고, 총고형분 함량은 각 시료의 수분함량을 70℃의 오븐에서 24시간 동안 제거시킨 후, 건조무게를 측정하여 구하였으며, 시료액의 점도는 20 ∼ 80℃로 유지한 점도 측정용 항온조에서 모세관 점도계(Canon Fenske)로 측정하였다. 즉, 일정량(10㎖)의 시료액을 점도계에 넣고 20분간 열평형시킨 다음, 시료액이 유하하는 시간을 측정하여 점도를 구하였다. 이 때, 점도의 계산에 필요한 시료 용액의 밀도는 KS A0601의 액체비중 측정방법에 따라 비중계로 측정하였다.

생물고분자에 대한 한외여과 막의 배제분자량(MWCO)은 거대분자의 유연성과 분지(side chain)가 구멍을 통한 투과성에 영향을 주므로 배제분자량의 선택에 영향을 준다. 특히, 알로에 용액과 같은 생물고분자 용액은 점도를 가지며, 이들의 농도가 제한 값에 도달할 때 겔을 형성할 수 있으므로 수력학, 특히, 막 형태와 더 불어 배제분자량의 역할이 중요하다.

본 발명에서는 MWCO = 50kDa의 관형 막을 사용하여 알로에의 농축을 행한 결과, 투과액 유속과 농축인자의 경시변화는 큰 변화가 없었으나 투과액 유속의 증가 기간이 길었고, 더 높은 투과액 유속의 최대값을 나타내었으며, 최대값의 감소 폭이 크기 때문에 효과적이었다.

또한, 지르코늄 디옥사이드 관형 한외여과막을 사용하여 농축하는 것이 바람직하였으며, 평판형 한외여과막을 사용하였을 경우에는 알로에의 높은 점도로 인하여 투과유속이 저하되므로 효과적이지 못하였다.

다음의 실시예 및 비교예는 본 발명을 좀 더 상세히 설명하는 것이지만, 본 발명의 범주를 한정하는 것은 아니다.

실시예 및 비교예에서 알로에 시료, 한외여과 방법, 투과유속, 농축비, 오염지수, 안트라퀴논(Anthraquinone)의 존재 유무, 유효 다당의 농도, 탁도 및 고형분 함량, 점도는 상술한 방법으로 얻거나 시행 또는 측정하였다.

실험예 1

알로에의 신규 농축공정으로 기대되는 막 농축을 검토하기 위해 폴리설폰 재질의 평판형 막 모듈(flat sheet membrane module : 13cm x 12cm x 7mm ; MWCO = 100kDa)을 사용하여 한외여과 농축을 수행하였다.

즉, 실험실 규모의 Satorius(Satocon Mini SM17521, Germany) unit를 사용하여 수행하였으며, 장치는 1ℓ용량의 공급액조, 공급액 펌프, 여과 카트리지 및 공급액과 농축액에 대한 압력 게이지로 구성된 것을 사용하였다.

막투과압력(TMP) = 2.25bar, 초기 유속 = 500L/hr, 온도 = 25℃에서 1L 용량의 점도가 서로 다른 3종 시료를 농축하면서 투과액 유속 및 부피를 측정하고, 그 결과를 도 1 및 도 2에 도시하였다.

도 1 및 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 막 농축법은 알로에의 점도에 크게 의존하여 점성이 매우 낮은 시료 (2 ∼ 5cP)는 투과액의 부피가 증가하면서 유속이 초기 1시간에 8.35ℓ/㎡/hr로 증가한 다음 서서히 증가하여 3시간 후 15.44 ℓ/㎡/hr의 최대값에 도달하였으며, 이후 다소 감소였다. 이때의 농축 정도(CD)는 3.0으로 막 농축이 원활히 수행됨을 보였으나 중간 점도의 시료(7 ∼ 15cP)는 0.5시간에 7.5ℓ/㎡/hr에 도달한 후 서서히 감소하여 4시간 후 5.43ℓ/㎡/hr까지 감소하였으며, 이때의 농축 정도는 2.31이었다. 특히, 점성이 매우 높은 시료(20 ∼ 30 cP)에서는 최대 투과 유속이 0.5ℓ/㎡/hr에 불과하였고, 농축 정도도 3시간 후 1.2 정도이었으며, 이는 점도가 높은 시료에서의 농도분극, 겔화 및 오염(fouling)에 의한 것으로 추측된다.

일반적으로 신선도가 높은 알로에일수록 점성이 매우 높고, 또 중간 점도이상의 알로에 시료가 제품의 양호한 품질에 요구되므로 평판형 막을 이용한 한외여과는 고점성 알로에의 농축법으로는 부적합한 것으로 판단되었다.

실시예 1

세라믹(지르코늄 디옥사이드) 재질의 관형 모듈(O.D = 10mm, length= 250 mm; MWCO= 150kDa)을 사용하여 중점도 이상의 알로에 용액에 대한 한외여과 농축을 토탈 리싸이클 모드(total recycle mode)에 따라 수행하면서 투과액 유속에 미치는 TMP의 영향, 투과속도에 미치는 온도의 영향, 투과액 유속에 미치는 공급액 속도의 영향, 배치 콘센트레이션 모드(batch concentration mode)에 의한 알로에 농축 정도, 탁도를 측정 및 평가하고, 그 결과를 도 3 내지 도 10에 도시하였다.

도 3은 적용된 막투과압력(TMP)에 대한 정상상태에서의 투과액 유속을 나타내는 것으로, 낮은 압력에서는 투과액 유속이 적용 압력에 비례하나, 압력이 증가할수록 직선형의 투과액-압력(flux-pressure) 거동에서 벗어나 압력에 무관하게 되었다. 막투과압력(TMP) = 0.5에서 한계 투과액(limiting flux)에 도달하였으며, 더 이상의 압력증가는 투과액 속도의 증가를 보이지 않았다. 한계 투과액의 존재는 공급액이 막을 통해 대류됨에 따라 일어나는 농도분극 현상에 관계되고, 점성 및 젤라틴 층의 형성도 막 저항에 부과해서 투과액 속도의 부가적인 저항으로 작용한다.

한편, 도 4는 막투과압력(TMP) 변화에 따른 투과액의 유속 변화를 나타내는 것으로, 각 막투과압력(TMP)에서 투과속도가 급격히 증가한 다음 감소하는 일반적 경향을 보였다. 통상, 투과속도는 용액 물성 및 공급액 유속에 따라 의존하는 제한 값까지의 압력(TMP_lim)에 따라 증가하는데, TMP_lim 이외에 막 오염도 크게 중요하게 되고 속도 감소가 가속화되는 것으로 알려져 있는 바, 도 3의 결과와 함께 막투과압력(TMP) = 0.5 bar에서 투과유속의 감소가 가장 적었다.

한편, 투과액 속도는 온도의 영향을 받는 데, 이는 조작온도가 상승할 때 공급액 점도가 감소하고 고분자의 확산계수가 증가하므로 이들 두 인자의 효과에 의해 물질전달을 향상시키고, 이에 따라 투과 유속을 증가시킨다. 알로에의 경우 30 ℃ 이상의 고온 처리는 바람직하지 않은데, 한외 여과 장치의 경우 한외 여과 중 9℃ 정도의 온도 상승이 일어나므로 초기 온도는 23℃ 이하로 행하는 것이 바람직하다.

또한, 공급액 속도는 한외여과막 성능에 대한 또 다른 중요 매개변수이고, 막투과압력(TMP) 제한 값은 현탁액 물성 및 공급액 유속에 의존하며, 통과 흐름속도(cross-flow velocity)는 막 표면에서 전단응력에 영향을 주고 결과적으로 퇴적 입자의 제거속도가 유속 감소에 책임이 있기 때문에 투과액의 유속에 미치는 공급액 속도의 영향을 측정하여 그 결과를 도 5에 도시하였다.

온도 23℃, 막투과압력(TMP) 0.5bar에서 투과액 속도에 미치는 축 공급액 속도의 영향을 나타내는 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이 투과액의 유속은 공급액의 유속이 증가할수록 증가하였다. 즉, 240ℓ/hr의 공급액 속도일 때 투과유속은 5.5ℓ/㎡/hr이었으나 263 ∼ 265ℓ/hr일 경우는 8.74 ∼ 9.01ℓ/㎡/hr로 증가하였지만, 본 발명에서는 막 표면에서의 전단응력의 영향을 고려하여 240ℓ/hr의 공급액 속도로 수행하는 것이 바람직하였다.

한편, 한외여과 농축 중 투과액 속도 및 농축인자의 경시변화 결과를 나타내는 도 6으로부터 알 수 있는 바와 같이 부피감소인자(volume reduction factor : VRF, 초기 공급액 부피와 농축액 부피의 비)는 초기 1에서 2.83시간 후 2.7까지 조작 시간과 함께 점차적으로 증가하였지만, 투과액 속도는 부피감소인자(농축인자)의 증가에 따라 증가하다가 농도분극 및 겔층의 형성에 기인하여 서서히 감소하는 경향을 보였다. 즉, 1시간 후 24.25ℓ/㎡/hr의 최대값을 보인 후 조작시간과 함께 점차적으로 2.83시간 후 18.5ℓ/㎡/hr로 감소하였다. 하지만 이러한 투과유속은 막의 투과도(순수한 물의 투과 유속 : 약 64ℓ/㎡/hr)를 고려하면 비교적 높은 유속이라 할 수 있다. 그리고, 도 7로부터 알 수 있는 바와 같이 농축인자가 증가되어도 투과유속의 감소 폭은 적어 농도분극 및 겔 층의 형성이 미미한 바, 알로에 농축에 효과적임을 확인할 수 있었다.

뿐만 아니라, 도 8로부터 알 수 있는 바와 같이 농축액의 탁도는 조작시간에 따라 크게 증가한 반면, 투과액의 탁도는 무시될 수 있는 정도를 나타내어 고형분이 농축액에 유지됨을 보였고, 도 9로부터 알 수 있는 바와 같이 알로에의 유효 성분인 다당의 경우, 투과액에서 다당의 함량이 관찰되었으나 농축액에서의 다당 함량은 한외여과를 종료한 2.88시간 후 약 3.5배나 증가하였다. 농축정도와 보유율(%)을 나타내는 도 10으로부터 알 수 있는 바와 같이, 한외여과 0.75시간 이후 농축정도가 크게 증가되어 2.88시간 후 3.785의 농축정도를 나타내었으며, 보유율도 90%의 높은 값을 나타내었다.

한편, 농축액에서는 하이드록시안트라퀴논의 정색반응(Borntrager)이 나타나지 않았으나 투과액에서는 양성반응이 관찰되어 한외여과에 의해 알로에의 유해(negative) 물질로 알려진 알로인(aloin) 등이 제거됨을 확인할 수 있었고, 한외여과 전 순수한 물의 유속은 10㎖/min이었으나 실험 후 3.5㎖/min으로 감소되어 막오염지수(fouling index) 65%를 보였는 데, 이러한 막 오염은 150kDa 크기 이하의 고분자나 부분적으로 가수분해된 고분자가 막으로 들어가고 막의 구멍을 막기 때문인데, 300ppm의 NaOCl 용액으로 15분간 세척 후 10분간 물로 씻어내었을 때 순수한 물의 유속은 약 11㎖/min나 되어 막의 수력학적 투과성의 완전한 회복(약 100%)이 이루어짐을 알 수 있었다.

실시예 2

MWCO= 150kDa인 것을 사용하고, 막투과압력(TMP) = 1bar로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 중점도 이상의 알로에 용액에 대한 한외여과 농축을 수행하면서 투과액 유속에 미치는 막투과압력(TMP)의 영향, 투과속도에 미치는 온도의 영향, 투과액 유속에 미치는 공급액 속도의 영향, 배치 콘센트레이션 모드(batch concentration mode)에 의한 알로에 농축 정도, 탁도를 측정 및 평가하고, 그 결과를 도 11 내지 도 16에 도시하였다.

도 11 내지 도 13으로부터 알 수 있는 바와 같이 투과액 유속과 농축인자의 경시변화는 150kDa 막에서와 같은 경향이었으나 투과액 유속의 증가 기간이 길었고, 더 높은 투과액 유속의 최대값(58.01ℓ/㎡/hr)을 나타내었으며, 최대값의 감소 폭은 더 컸다. 이때 순수한 물의 투과 유속은 281.6ℓ/㎡/hr이었으므로 순수한 물의 투과유속 약 64ℓ/㎡/hr에서 최대 투과유속 24.25ℓ/㎡/hr을 얻었던 150kDa 막과 비교해 보면 막 투과성에서 약 2배 이상의 투과속도가 낮아진 것으로 볼 수 있다. 이는 막의 오염 및 농도분극과 관계되는 것으로 추측된다. 즉, 막 크기와 비슷한 고분자 또는 부분적으로 가수분해된 고분자가 막으로 들어가고 막의 구멍을 막으며, 이후 동일 분자들이 막 표면에 남고 농도 분극층에 들어가는데, 50kDa 막의 경우 상대적으로 이들 막 크기와 비슷한 고분자들의 농도가 150kDa 막보다 높아 나타난 것으로 볼 수 있다. 그러나, 높은 농축인자(2이상)에서도 최대의 투과액 유속 을 유지하였으며, 조작시간 1.67시간 후 농축액의 탁도는 2.47로 대응하는 시간에서의 150kDa 막에서와 비슷한 값 범위인 반면, 투과액의 탁도는 무시될 수 있는 정도이어서 막 농축이 원활히 수행됨을 알 수 있었다.

또한, 도 14로부터 알 수 있는 바와 같이, 알로에의 유효 성분인 다당의 함량은 1.66시간 후 초기값의 2배나 되었고. 이는 대응하는 시간에서 150kDa막에서와 비슷한 값 범위이며, 투과액에서도 비슷한 다당 함량을 나타내어 다당의 소실이 있음을 확인하였다.

그리고, 농축정도 1.66시간에서 2.16으로 역시 150kDa에서의 값과 비슷하였으나 보유율(%)은 대응하는 시간에서 150kDa의 경우 69%이었으나 50kDa 막에서는 83.5%의 높은 값을 나타내었다.

그러나, 도 16으로부터 알 수 있는 바와 같이, 농축액의 점도가 6시간 후에도 1.8배 정도만 상승하여 점도 저하 현상을 보였고, 점도저하 현상은 온도의 상승으로 인해 가열 산화되기 때문이라 생각되나 장치에서 온도를 조절함으로써 해결될 수 있다.

한편, 막의 오염은 약 63%이었으나 150kDa 막에서와 같은 세척 처리로 약 77%만이 회복되었다.

실시예 3

실시예 2에서 UF 전후 시료를 일정량 취하여 동결건조한 다음, 각각 2mg을 함유한 KBr 디스크(disc)를 조제하고 3cm^-1의 해상도로 Bio-Rad Model EXCALIBER( Cambridge, USA) 기기를 사용하여 FT-IR(Fourier transformed infra red) spectra를 얻고, 그 결과를 도 17 내지 도 19에 도시하였다.

알로에 다당의 분석에 매우 중요한 것으로 알려져 있는 IR분석에 기초하여 살펴보면 알로에 수용성 다당(Carrisyn)은 몇몇 산, 에스터(O-acyl/N-acyl) 관능기 측쇄사슬을 갖는 다분산성의 불균질 다당으로, 다당의 메틸레이션(methylation) 분석은 2,3,6-트리메틸 만노오스(trimethyl mannose)(84%)와 2,3,6-트리메틸 글루코오스(trimethyl glucose)(4%)를 나타내었고, 4%의 갈락토오스(galactose)를 함유한다.

주요 구조는 β-1,4-결합 글루코오스 잔기와 치환되며, 단일의 α-1,6-결합 갈락토오스 잔기를 갖는 β-1,4-결합의 만노오스 골격의 글루코만난(glucomannan)인데, 만노오스는 아세틸화되어 있다. 아세틸기는 만노오스 단위의 C3에서 검지되며, 갈락토오스 단위는 만노오스의 C6에 부착된다.

따라서, 알로에 다당은 탈수에 의해 아세틸화의 정도에 영향을 주고, 또 ㄱ갈락토오스 가지 사슬의 부재에 영향을 줄 수 있는데, 주 사슬을 통한 아세틸기 및 갈락토실 단위의 분포는 만난(mannan)의 상호작용적 성질에 중요한 효과를 줄 수 있다.

도 17은 기능기를 조사하기 위해 수행한 동결건조 및 열풍건조한 알로에의 FT-IR 스펙트럼으로서, 시료가 4000-400 cm^-1로 주사되었을 때, 스펙트럼으로부터 수소결합의 O-H streching frequency에 기인한 3600∼3200 cm^-1 및 관련 bending vibration의 1100∼1050 cm^-1, 2950∼2800 cm^-1에서의 streching vibration 및 대응하는 bending frequency 1470∼1460 cm^-1은 C-H기의 기능기가 발견되어 전형적인 다당의 특성을 나타내었다.

하지만 동결건조 및 열풍건조한 시료들의 FTIR은 아세틸기의 C=O 및 C-O-C streching에 대응하는 1740 및 1250 cm^-1 band의 중요 감소를 나타내었는데, 이는 이들 시료의 탈아세틸화 과정과 관계되는 것으로 보인다. McAnalley는 정제 acemannan(Carrisyn)에서 카르보닐 관능기 및 아세틸화 시료의 C-O-C stretch가 각각 1748∼1735 및 1246∼1235 cm^-1에서 관찰된 반면, 탈아세틸화된 시료의 carboxylate와 carbonyl stretch는 1600∼1550 및 1450∼1400 cm^-1사이에서 각각 위치하였다고 하였다. 또, Carrisyn이 탈아세틸화되었을 때, 1248∼1235 cm^{- 1}사이의 에스터 C-O-C stretch의 부재가 관찰되며, 스펙트럼의 가장 큰 피크는 1431 cm^-1에서 집중되었다고 하였다. 따라서, 아세틸화 시료의 IR 스펙트럼은 특성적인 강한 ester carbonyl 흡수 피크를 보이는 반면, 탈아세틸화 다당은 이러한 피크가 없다고 볼 수 있는데, 도 18에서 보는 바와 같이, UF 시료는 1748∼1735 및 1246∼1235 cm^-1에서 band가 관찰되어 아세틸화되었음을 보여준다. 실제로 도 19는은 표준 알로에 다당의 FT-IR 스펙트럼으로 1748∼1735 및 1246∼1235 cm^-1에서 band가 잘 관찰 된다.

결국, 알로에 다당은 신선한 알로에는 건조에 의해 부분적으로 파괴되나 UF 처리 시료에서는 잘 유지되는 것으로 판단되었고, 특히, UF 시료의 FT-IR 스펙트럼은 약 1160, 1040 및 899 cm^-1에서의 β-결합 다당류의 특성적인 band를 잘 나타내었다.

알로에의 글루코만난은 알로에 내재성 가수분해 효소에 대해 안정화되지 않으면 빠른 분해를 일으키며, pH 변화, 고온, 및 미생물 오염에 의해서도 분해된다. 따라서, 이들 글루코만난은 알로에 베라 겔의 표식화합물로서 만약 알로에 베라 겔이 불량하게 조제될 때 분해된다고 알려지고 있는데, 이러한 분해는 평균 분자크기의 감소와 다당의 탈아세틸화에 의해 지적된다. 그러므로, 아세틸화된 UF 알로에 다당은 비록 아세틸화에 따른 점도의 상승이 보이지는 않았으나 bioactive acemannan에 기인하는 각종의 생리적 성질에 중요한 영향을 미칠 수 있다고 판단된다.

도 1은 실험예 1의 방법으로 시료를 농축하면서 투과액의 유속 및 부피를 측정한 결과를 나타내는 그래프이고,

도 2는 실험예 1의 방법으로 시료를 농축시의 농축정도를 나타내는 그래프이며,

도 3은 실시예 1에 있어서 일정 막투과압력(TMP)에서의 투과액 유속을 나타내는 그래프이고,

도 4는 실시예 1에 있어서 막투과압력(TMP) 변화에 따른 투과액 유속 변화를 나타내는 그래프이며,

도 5는 실시예 1에 있어서 공급액 속도에 따른 투과액 유속을 나타내는 그래프이고,

도 6은 실시예 1에 있어서 한외여과 농축 중 투과액 속도및 농축인자의 경시변화를 나타내는 그래프이며,

도 7은 실시예 1에 있어서 농축인자 따른 투과유속을 나타내는 그래프이고,

도 8은 실시예 1에 있어서 한외여과 농축 중 농축액과 투과액의 탁도를 나타내는 그래프이며,

도 9는 실시예 1에 있어서 한외여과 농축 중 농축액과 투과액의 다당 농도를 나타내는 그래프이고,

도 10은 실시예 1에 있어서 한외여과 농축 중 시간에 따른 농축정도와 보유율(%)을 나타내는 그래프이며,

도 11은 실시예 2에 있어서 한외여과 중 시간에 따른 농축인자와 투과유속을 나타내는 그래프이고,

도 12는 실시예 2에 있어서 농축인자 따른 투과유속의 변화을 나타내는 그래프이며,

도 13은 실시예 2에 있어서 한외여과 농축 중 농축액과 투과액의 탁도를 나타내는 그래프이고,

도 14는 실시예 2에 있어서 한외여과 농축 중 농축액과 투과액의 다당 농도를 나타내는 그래프이며,

도 15는 실시예 2에 있어서 한외여과 농축 중 시간에 따른 농축정도와 보유율(%)을 나타내는 그래프이고,

도 16은 실시예 2에 있어서 한외여과 농축 중 농축액과 투과액의 점도 변화를 나타내는 그래프이며,

도 17은 동결건조 및 열풍건조한 알로에의 FT-IR 스펙트럼이고,

도 18은 한외여과된 알로에의 FT-IR 스펙트럼이며,

도 19는 표준 알로에 다당의 FT-IR 스펙트럼이다.

Claims (1)

1. 알로에 베라 잎의 껍질을 제거하고 유 조직(parenchyma tissue)을 필레팅(filleting)한 후, 균질기에서 균질화한 다음, 원심분리하고 상징액을 취한 후, 한외여과함에 있어서, 막의 배제분자량을 50 ∼ 150kDa로 하고, 지르코늄 디옥사이드 관형 한외여과막을 사용하여 0.2 ∼ 2.25바(bar)의 막투과압력(TMP : transmembrane pressure), 23℃의 온도에서 240ℓ/시간의 공급액 속도로 한외여과하는 것을 특징으로 하는 알로에 베라 겔의 농축 방법.

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