KR101258695B1 - 마늘로부터 ５－하이드록시메틸－２－푸랄데하이드를 생산하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마늘로부터 5-하이드록시메틸-2-푸랄데하이드를 생산하는 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 (S1) 마늘을 고온숙성시키는 단계; (S2) 숙성된 마늘을 열수추출하는 단계; (S3) 열수추출물을 여과 및 농축하는 단계; (S4) 에틸아세테이트 또는 부탄올로 분획하는 단계; 및 (S5) 분획물을 분리 정제하는 단계;를 포함하는 5-하이드록시메틸-2-푸랄데하이드의 생산 방법에 대한 것이다. 본 발명에 따르면 마늘을 이용하여 순도 높은 HMF를 보다 경제적이고 용이하게 고수율로 생산할 수 있다.
Description
본 발명은 마늘로부터 5-하이드록시메틸-2-푸랄데하이드(5-hydroxymethyl-2-furaldehyde, HMF)를 생산하는 방법에 관한 것이다.
5-하이드록시메틸-2-푸랄데하이드(5-hydroxymethyl-2-furaldehyde, 이하 ‘HMF’라 한다)는 주로 다른 유용 화합물의 전구물질로 사용되는 화합물로서, 예컨대 의약용 화합물, 내열성 폴리머 화합물 및 복합 거대고리 화합물(complex macrocycles) 등의 합성에 필요한 전구 화합물질로서 다양한 분야의 산업에 이용될 수 있는 환상 화합물이다. 최근의 연구보고에 의하면 HMF는 적혈구 세포에서 생기는 혈구성 빈혈(sickle cell desease)을 유발시키는 적혈구 세포의 겸상화(sickling)를 억제하는 기능이 있다는 것이 제안되었다(British Journal of Haematology, 2005, 128: 552-561). 이에 따라, HMF는 항겸상화(anti-sickling)에 상당한 의학적 치료효과가 검증되어 현재 임상 실험이 진행되고 있을 뿐 아니라, 1-2년 내에 미국 FDA에 의해서 정식 시판 의약품으로 승인될 것으로 추측되고 있는 중요한 화합물질이다. 이러한 의약적인 치료 목적 이외에 HMF는 티로시나아제 활성을 억제하는 항티로시나아제 활성을 가지는 특성이 있기 때문에 화장품의 미백 성분으로도 활용성이 있다는 연구 결과도 보고되어 있을 뿐 아니라, 식품이나 과일에서 저장 중에 생기는 갈변현상(browning)을 지연시키는 기능도 알려져 있다. 이러한 기능 이외에도 부식이나 녹이 끼는 것을 방지하는 물질의 원료로 사용이 가능하고, 맛을 증진시키는 조미료의 원료로도 이용될 수 있을 뿐 아니라, 살균제(fungicide)로도 이용될 수 있으며 인체에도 무해하여 활용성이 매우 높은 화합물질이다.
현재, HMF는 주로 화학적인 합성 방법으로 생산되고 있으며, 생산 원료로 사용되고 있는 물질은 과당(fructose), 수크로오스(sucrose), 맨노스(mannose), 자일로오스(xylose) 등의 당 화합물이다. 이들 당 화합물에 산 촉매제(acid catalyst)를 혼합하고 여러 단계의 열건(thermal dehydration) 과정을 거쳐서 HMF 화합물을 합성할 수 있는데, 이러한 방법은 여러 단계의 당 분해과정을 거치는 동안 HMF 뿐만 아니라 여러 종류의 푸르푸랄(furfural) 유도 화합물이 함께 섞여서 생산되거나, 생산되는 HMF가 도중에 중합반응을 하기 때문에 HMF의 생산량도 적다. 또한, 생산되는 HMF를 고순도로 분리정제하기도 쉽지 않아 생산 단가가 높다. 이러한 문제점에도 불구하고 현재까지는 이러한 화학적 합성 방법으로 HMF를 생산하고 있으며, 산업화를 위한 대량 생산 수준은 아직 미미한 실정이다.
현재 HMF의 생산은 주로 미국에서 이루어지고 있는데 이마저도 주로 연구용이나 실험실에서 소모하는 정도의 생산이 이루어지고 있는 것으로 파악되고 있다. 그리고, 매년 60,000,000kg의 2-푸랄데하이드가 생산되고 있는 것으로 알려져 있다. 현재 국내에서는 HMF를 생산하고 있는 산업체는 없는 것으로 파악되고 있으며, 연구용이나 실험실용으로 사용되고 있는 HMF는 전량 수입하여 사용하고 있다. 국내에서 판매되고 있는 HMF의 가격은 50,000-60,000원/g정도의 고가로 판매되고 있고, 앞으로 의약품으로 생산되어 국내에 수입된다면 HMF가 대량으로 소비될 것으로 예상된다.
상기 언급한 바와 같이 HMF는 다양하게 활용될 수 있는 화합물질임에도 불구하고 산업화가 미미한 주된 이유는 생산 단가가 높아서 HMF를 이용하여 제품화를 하는 경우에 가격 경쟁력이 떨어진다는 단점이 있기 때문이다. 따라서, HMF를 최대한 활용하기 위해서는 HMF의 생산 단가를 낮출 수 있는 생산 공정기술의 개발이 시급한 실정이다.
본 발명은 마늘을 이용하여 HMF를 보다 경제적이고 용이하게 고수율로 생산할 수 있는 기술을 제공하려는 것이다.
이에 본 발명은 바람직한 제1구현예로서 (S1) 마늘을 고온숙성시키는 단계; (S2) 숙성된 마늘을 열수추출하는 단계; (S3) 열수추출물을 여과 및 농축하는 단계; (S4) 에틸아세테이트 또는 부탄올로 분획하는 단계; 및 (S5) 분획물을 분리 정제하는 단계;를 포함하는 5-하이드록시메틸-2-푸랄데하이드의 생산 방법을 제공한다.
상기 구현예에 의한 생산 방법에서, 마늘은 통마늘, 깐마늘, 마늘 인편으로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것일 수 있다.
이 때, 상기 (S1) 단계에서의 마늘을 숙성시키는 온도는 70~90℃일 수 있다.
상기 구현예에 의한 생산 방법에서, (S1) 단계에서의 마늘을 숙성시키는 기간은 15일 ~ 40일일 수 있다.
상기 구현예에 의한 생산 방법에서, (S1) 단계에서는 마늘을 폴리에틸렌 필름으로 밀봉하여 숙성시키는 것일 수 있다.
상기 구현예에 의한 생산 방법에서, (S1) 단계는 상대습도 70 ~ 90%의 조건에서 수행되는 것일 수 있다.
상기 구현예에 의한 생산 방법에서, (S2) 단계에서의 마늘과 물의 비율은 1:3 ~ 1:5의 부피비인 5-하이드록시메틸-2-푸랄데하이드의 생산 방법을 제공한다.
상기 구현예에 의한 생산 방법에서, (S2) 단계에서의 열수추출은 3 ~ 10 시간 동안 수행되는 것일 수 있다.
상기 구현예에 의한 생산 방법에서, (S3) 단계에서는 진공회전농축기로 농축하는 것인 5-하이드록시메틸-2-푸랄데하이드의 생산 방법을 제공한다.
상기 구현예에 의한 생산 방법에서, (S3) 단계와 (S4) 단계의 사이에 동결건조하는 단계를 더 추가할 수 있다.
상기 구현예에 의한 생산 방법에서, 동결건조는 -90 ~ -60℃에서 수행될 수 있다.
상기 구현예에 의한 생산 방법에서, (S4) 단계에서는 (S3) 단계에서 농축한 농축물에 대하여 에틸아세테이트 또는 부탄올을 1:1 ~ 1:1.2의 부피비로 첨가하고 분획하는 것인 5-하이드록시메틸-2-푸랄데하이드의 생산 방법을 제공한다.
상기 구현예에 의한 생산 방법에서, (S4) 단계와 (S5) 단계의 사이에 (S4) 단계에서 얻은 분획물을 농축하는 것을 특징으로 하는 5-하이드록시메틸-2-푸랄데하이드의 생산 방법을 제공한다.
상기 구현예에 의한 생산 방법에서, (S5) 단계는 고속 액체 크로마토그래피로 수행될 수 있다.
상기 구현예에 의한 생산 방법에서, (S5) 단계는 역상 칼럼크로마토그래피법을 이용하여 수행될 수 있다.
상기 구현예에 의한 생산 방법에서, 용출액은 0.1% ~ 0.2%(v/v) 트리플루오로아세트산이 들어있는 아세토니트릴:증류수(10:90 ~ 20:80)(v/v)인 5-하이드록시메틸-2-푸랄데하이드의 생산 방법을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 숙성시킨 마늘의 숙성온도 및 숙성기간에 따른 색깔 변화를 나타내는 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 생산된 용액을 가스크로마토그래피 질량분석기로 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 가스크로마토그래피 질량분석기로 분석한 결과의 피크(peak)에 대한 질량 스펙트럼을 동정한 화합물의 화학식(HMF)을 나타내는 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 확인된 HMF 표준 물질을 가스크로마토그래피로 검량성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 생산되는 HMF의 마늘의 숙성온도 및 숙성기간에 따른 생산량 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 생산되는 HMF의 분취용 고속 액체크로마토그래피를 이용하여 분리한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 생산된 용액을 가스크로마토그래피 질량분석기로 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 가스크로마토그래피 질량분석기로 분석한 결과의 피크(peak)에 대한 질량 스펙트럼을 동정한 화합물의 화학식(HMF)을 나타내는 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 확인된 HMF 표준 물질을 가스크로마토그래피로 검량성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 생산되는 HMF의 마늘의 숙성온도 및 숙성기간에 따른 생산량 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 생산되는 HMF의 분취용 고속 액체크로마토그래피를 이용하여 분리한 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명은 마늘을 이용하여 고순도의 HMF를 보다 경제적이고 용이하게 고수율로 생산하는 방법에 대한 것이다.
이를 위하여, 본 발명은 (S1) 마늘을 고온숙성시키는 단계; (S2) 숙성된 마늘을 열수추출하는 단계; (S3) 열수추출물을 여과 및 농축하는 단계; (S4) 에틸아세테이트 또는 부탄올로 분획하는 단계; 및 (S5) 분획물을 분리 정제하는 단계;를 포함하는 5-하이드록시메틸-2-푸랄데하이드의 생산 방법을 제공한다.
상기 (S1) 단계에서의 마늘은 통마늘, 깐마늘, 마늘 인편 등 어떠한 종류의 마늘이든 사용할 수 있다. 마늘을 숙성시키는 온도는 70~90℃인 것이 바람직하다. 숙성 온도가 상기 범위 미만이거나 초과하는 경우에는 HMF의 수율이 현저히 떨어지게 된다. 또한 숙성 기간은 길수록 HMF의 수율이 높아지는 경향이 있으나, 15일 ~ 40일인 것이 바람직하다. 이와 같이 고온숙성된 마늘은 흑마늘이라고도 한다.
그리고, 마늘을 숙성시킬 때에는 상대습도가 70 ~ 90%인 환경에서 숙성시키는 것이 바람직하다. 또는, 마늘이 숙성되는 동안 마늘 내 수분 함량이 떨어지지 않도록 폴리에틸렌 필름으로 밀봉하여 숙성시킬 수도 있다.
그리고, (S2) 단계에서는 상기 숙성시킨 마늘을 열수추출한다. 이때 마늘과 물의 비율은 1:3 ~ 1:5(v/v)인 것이 바람직하다. 열수추출은 3시간 이상 하는 것이 바람직하며, 구체적으로는 3 ~ 10 시간 이내로 수행하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 열수추출은 85 ~ 120℃에서 환류냉각방법으로 추출하는 것이 바람직하다.
(S3) 단계에서는 상기 열수추출하여 얻어진 추출액을 여과 및 농축한다. 이때, 여과하는 방법으로는 특별히 제한되지는 않으나 열수추출하여 얻어진 추출액을 원심분리 방법으로 고형물을 제거한 다음 여과지로 여과하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 여과한 용액을 진공회전농축기를 이용하여 농축하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 농축액을 -90 ~ -60℃에서 동결건조시켜 분말화할 수도 있다.
(S4) 단계에서는 상기 농축액 또는 동결건조물을 에틸아세테이트 또는 부탄올로 분획한다.
먼저, (S3) 단계에서 농축한 농축물에 대하여 에틸아세테이트 또는 부탄올을 1:1 ~ 1:1.2의 부피비로 첨가하고 분획하는 것이 바람직하다. 이때 농축된 추출액은 농도가 너무 높으므로(끈적끈적함) 바로 에틸아세테이트를 처리하여 분획하기보다는 적당량(약 1:3 ~ 1:10(v/v))의 물을 가하여 농축물을 희석한 후 상기 희석된 농축물에 대하여 1:1 ~ 1:1.2(v/v)의 에틸아세테이트 또는 부탄올를 첨가하고 분획하는 것이 더욱 바람직하다. 또한, (S3) 단계에서 농축물을 동결건조한 경우에는 동결건조물에 대하여 물을 1:2.5 ~ 1:3.5의 부피비로 첨가하여 동결건조물을 녹인 후, 첨가한 물 및 동결건조물의 혼합물과 동량의 에틸아세테이트 또는 부탄올을 첨가하고 분획하는 것이 바람직하다. 이때, 분획하는 방법으로는 분액여두에 넣고 1 ~ 3시간 가량 진탕한 다음 정치하여 상등액을 분리하는 방법이 있다. 상등액을 분리하고 남은 물층은 다시 에틸아세테이트 또는 부탄올을 같은 양으로 첨가하여 같은 방법으로 분획하여 상등액을 분리하여 수집할 수 있다. 상기 분리된 상등액은 회전농축기를 이용하여 농축할 수 있다.
(S4) 단계에서는 (S3) 단계에서 얻은 분획물을 고속 액체 크로마토그래피로 분리 정제한다. 이때, 고속 액체 크로마토그래피로 상기 분획물 또는 분획물을 농축한 농축물을 분리 정제할 경우에는 일정량의 메탄올로 상기 분획물 또는 농축물을 녹이는 것이 바람직하다. 또한 바람직하게는, 상기 얻은 분획물의 분리 정제시, 역상 칼럼 크로마토그래피법(RP-18 column chromatography)에 의한 고속 액체 크로마토그래피를 이용하면 순도 높은 HMF를 95% 이상의 고수율로 얻을 수 있다. 상기 방법 외에도, 통상적으로 사용되는 모든 분리 정제 방법이 이용될 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따라 생산된 HMF는 의약, 식품, 화장품, 정밀화학 제품, 차세대 액체 바이오에너지용 DMF(dimethyl furan)의 생산 원료물질로 사용될 수 있다.
상기한 본 발명은 생물공학적 방법으로 HMF를 생산하는 기술로서, 기존의 화학적 공정으로 생산하는 기술에 비해서 훨씬 간단할 뿐 아니라, HMF의 생산 효율도 높고, 생산 원가 감소 효과도 얻을 수 있으며, 환경오염 문제도 감소시킬 수 있는 유용한 기술이다. 특히, HMF는 의약품과 다른 정밀 화합물을 합성하는 전구물질로서 사용되고 있지만 생산단가가 높은 것이 가장 큰 문제점이었는데, 본 발명은 이러한 문제점을 최소화할 수 있다.
이하, 본 발명의 구성을 실시예를 통하여 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 실시예로 한정되는 것은 아니다.
[
실시예
]
단계 1: 마늘의 고온숙성
경북 의성군에서 생산되는 의성 마늘을 시중에서 구입하여 음건한 다음 일정량을 내열성 폴리에틸렌 필름으로 밀봉하고 항온항습기에서 60℃와 75℃에서 각각 일정 기간 동안 숙성시켰다. 숙성 결과는 도 1에서 보는 바와 같이 75℃ 숙성마늘은 시간이 경과할수록 검은색으로 변하였으나, 60℃에서 숙성시킨 마늘은 검은색으로 변하는 정도가 느리고 색도도 약하였다.
단계 2: 고온 숙성 마늘의
열수
추출
단계 1에서 생산된 마늘을 물과 1:5(v/v)의 비율로 혼합하고 분쇄기에서 분쇄한 다음 100℃에서 3시간 동안 환류 냉각방법으로 추출하였다.
단계 3: 여과 및 농축
그리고, 상기 추출액을 원심분리 방법으로 고형물을 제거한 다음 여과지로 여과하였다. 이 추출물을 진공 회전농축기를 이용하여 농축하였다.
단계 4: 에틸아세테이트로 분획
단계 3에서의 농축물에 물을 1:3(v/v) 비율로 가하여 희석한 다음, 희석된 농축물과 동량의 에틸아세테이트를 가하고 분액여두로 옮겨서 3시간 정도 진탕한 다음 정치하여 상등액의 용매층을 수집하였다. 분리되고 남은 물층은 다시 에틸아세테이트를 같은 양으로 첨가하여 같은 방법으로 용매층을 분리하여 모은 다음 회전 농축기를 이용하여 농축하였다. 이때, 추출용 용매는 부탄올을 사용할 수도 있다.
단계 5: 분리 정제
단계 4에서의 농축액을 일정량의 메탄올에 녹여서 가스크로마토그래피 질량분석기로 분석하였으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다. 그리고, 주 피크(peak)에 대한 질량 스펙트럼을 동정한 결과, 도 3에서 보는 바와 같이 HMF로 동정되었다.
상기에서, 가스크로마토그래피는 Agileng system 6890 모델을 사용하였고, 분석 조건은 다음과 같다: 컬럼은 DB-5 모세관 컬럼(30m × 0.32mm id, 25㎛ film thickness)을 사용하였고, 시료 운반용 가스는 helium을 사용하여 유속은 1.0mL/min으로 하였으며, 시료 주입은 1 ㎕를 split ratio를 1:10으로 하였다. 주입구 온도 280℃, 오븐 온도는 100℃에서 10℃/min로 250℃까지 승온하여 5분간 유지하는 조건으로, 검출기는 FID를 사용하여 300℃에서 측정하였다.
HMF 표준시약은 시그마사(Sigma)에서 구입하여 사용하였으며 외부 표준농도법으로 검량선을 작성하여 시료중의 HMF 함량을 정량분석하였다(도 4 참조). 분석 결과는 도 5에서 보는 바와 같이 60℃에서 숙성시킨 마늘에서는 HMF가 거의 생성되지 않았으나 75℃에서 숙성시킨 마늘은 숙성기간이 경과할 수록 HMF 생성량이 증가하였다. 이때, 도 5에 나타낸 바에 의하면, 75℃에서 4주 이상 숙성시킨 마늘의 경우, HMF 생성량이 10mg/g을 초과하는 것을 알 수 있었다.
한편, 고온숙성된 마늘을 건강식품으로 사용할 시에는 숙성기간 15일 정도에서 식미가 좋았으나 20일이 경과하면 당도와 식미가 감소하여 식용으로는 사용하기 어려웠다. 그러나, HMF 생산을 목적으로 한다면 숙성기간이 길어질수록 생산량이 증가하는 것을 알 수 있었다.
그리고, 단계 4에서의 농축액을 일정량의 메탄올에 녹여서 분취용 역상 고속크로마토그래피로 HMF를 분리하여 모았다. 분취용 컬럼은 μ-BondaPack C18 컬럼(30mm × 300mm, Waters, U.S.A.)을 사용하였으며, 이때의 용출액으로는 0.1%(v/v) 트리플루오로아세트산이 들어있는 아세토니트릴:증류수(10:90)(v/v)를 사용하였고, 용출 속도는 18㎖/min, 흡광도는 254nm에서 측정하였다. 분리 결과는 도 6에서 보는 바와 같이 거의 단일 피크로 분리되어 고순도로 분리되는 것을 알 수 있었으며, 가스크로마토그래프 질량분석기를 이용하여 HMF 표준품과 동일 화합물임을 확인하였다.
상기와 같은 본 발명은 고온숙성시킨 마늘로부터 HMF를 고수율로 생산(10mg/g 이상)할 수 있는 것으로, 열수추출한 후 에틸아세테이트 또는 부탄올로 분획하고 분취용 역상 칼럼크로마토그래피로 분리하여 고순도(순도 95%이상)의 HMF를 생산할 수 있었다.
Claims (16)
- (S1) 마늘을 고온숙성시키는 단계;
(S2) 숙성된 마늘을 열수추출하는 단계;
(S3) 열수추출물을 여과 및 농축하는 단계;
(S4) 에틸아세테이트 또는 부탄올로 분획하는 단계; 및
(S5) 분획물을 분리 정제하는 단계;를 포함하되,
상기 (S1) 단계에서의 마늘을 숙성시키는 온도는 70~90℃이고,
상기 (S1) 단계에서의 마늘을 숙성시키는 기간은 15일 ~ 40일이며,
상기 (S1) 단계에서는 마늘을 폴리에틸렌 필름으로 밀봉하여 숙성시키고,
상기 (S1) 단계는 상대습도 70 ~ 90%의 조건에서 수행되는 것인 5-하이드록시메틸-2-푸랄데하이드의 생산 방법.
- 제1항에 있어서, 마늘은 통마늘, 깐마늘, 마늘 인편으로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것인 5-하이드록시메틸-2-푸랄데하이드의 생산 방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서, (S2) 단계에서의 마늘과 물의 비율은 1:3 ~ 1:5의 부피비인 5-하이드록시메틸-2-푸랄데하이드의 생산 방법.
- 제1항에 있어서, (S2) 단계에서의 열수추출은 3 ~ 10 시간 동안 수행되는 것인 5-하이드록시메틸-2-푸랄데하이드의 생산 방법.
- 제1항에 있어서, (S3) 단계에서는 진공회전농축기로 농축하는 것인 5-하이드록시메틸-2-푸랄데하이드의 생산 방법.
- 제1항에 있어서, (S3) 단계와 (S4) 단계의 사이에 동결건조하는 단계를 더 추가하는 것을 특징으로 하는 5-하이드록시메틸-2-푸랄데하이드의 생산 방법.
- 제10항에 있어서, 동결건조는 -90 ~ -60℃에서 수행되는 것인 5-하이드록시메틸-2-푸랄데하이드의 생산 방법.
- 제1항에 있어서, (S4) 단계에서는 (S3) 단계에서 농축한 농축물에 대하여 에틸아세테이트 또는 부탄올을 1:1 ~ 1:1.2의 부피비로 첨가하고 분획하는 것인 5-하이드록시메틸-2-푸랄데하이드의 생산 방법.
- 제1항에 있어서, (S4) 단계와 (S5) 단계의 사이에 (S4) 단계에서 얻은 분획물을 농축하는 것을 특징으로 하는 5-하이드록시메틸-2-푸랄데하이드의 생산 방법.
- 제1항에 대하여, (S5) 단계는 고속 액체 크로마토그래피로 수행되는 것인 5-하이드록시메틸-2-푸랄데하이드의 생산 방법.
- 제1항에 대하여, (S5) 단계는 역상 칼럼크로마토그래피법을 이용하여 수행되는 것인 5-하이드록시메틸-2-푸랄데하이드의 생산 방법.
- 제15항에 대하여, 용출액은 0.1% ~ 0.2%(v/v) 트리플루오로아세트산이 들어있는 아세토니트릴:증류수(10:90 ~ 20:80)(v/v)인 5-하이드록시메틸-2-푸랄데하이드의 생산 방법.
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