KR101972023B1 - 천연 재료로부터 루테인/잔토필을 추출하는 방법 및 이 방법으로부터 얻은 고순도 루테인/잔토필 - Google Patents

Abstract

본 발명은 천연 재료들로부터 루테인을 추출하는 새로운 방법을 제공하며 천연 재료들에 있는 천연 루테인 에스터의 유리 루테인 및/또는 저 분자량 루테인 에스터로의 변형, 최적 조건에서 초임계 유체에 의한 상기 천연 재료들의 추출을 포함한다. 상기 방법은 추출에 사용된 온화한 조건 때문에 고순도의 다량의 미정제 루테인을 생산하다. 따라서, 원하는 생성물의 열화가 일어나지 않는다. 미정제 루테인은 고순도 루테인을 얻기 위해 크로마토그래피에 의해 추가로 정제될 수 있다. 본 발명에 따른 방법은 잔토필 또는 루테인 이외의 다른 것의 추출에 적용될 수 있다.

Description

천연 재료로부터 루테인/잔토필을 추출하는 방법 및 이 방법으로부터 얻은 고순도 루테인/잔토필{Method of extracting lutein/xanthophylls from natural materials and highly purified lutein/xanthophylls obtained from the method thereof}

본 발명은 초임계 유체에 의해 금잔화로부터 루테인/잔토필 특히 루테인의 추출 및 이 방법으로부터 얻은 고순도 루테인/잔토필과 관련된 유기 화학에 관한 것이다.

금잔화(Tagetes erecta)는 튜브 모양의 꽃잎을 가진 넓은 범위 색을 가진 1년생 현화 식물이다. 태국에서, 금잔화는 주로 수판부리, 칸차나부리, 람푼 및 치앙마이 지방에서 주로 재배된다. 높은 함량의 카로티노이드 때문에, 금잔화는 동물의 건강 유익을 위한 동물 사료에 일반적으로 사용된다. 또한, 금잔화에서 밝은 노란색 및 적색의 카로티노이드는 사료, 즉 밝은 적색을 가진 달걀 노른자를 생산하는 닭 사료에서 천연 착색제로 또한 사용된다.

금잔화에서 대부분의 카로티노이드는 잔토필(최대 1%), 특히 루테인이다.

루테인은 항산화 특성을 나타내는 잔토필이며 또한 눈에서 망막의 성분이다. 루테인은 시력과 관련된 질환들의 치료에 효과적일 수 있고 신체에서 기능들을 유지하는데 효과적일 수 있다고 보고되었다. 따라서, 천연 재료들로부터 루테인을 추출하는 방법이 관심대상이다.

시도들 중 하나는 헥세인과 같은 유기 용매 특히 비극성 용매로 금잔화로부터 루테인을 추출하는 것이다. 유기 용매에 함유된 재료는 미셀라(micellar)로 불린다. 루테인 생성물을 얻기 위해서, 잔존하는 용매는 증발되어야만 한다. 용매 증발 후 얻은 미정제 추출물은 올레오레진(oleoresin)으로 불린다. 올레오레진은 10%(w/w) 잔피톨을 포함하며 루테인이 주요 생성물이다.

문제들 중 하나는 추출 용매의 철저한 제거의 엄격한 요구이다. 잔존하는 용매는 국제적 기준을 초과하지 않아야 한다. 이것은 잔존하는 용매가 소비자들에게 심각한 건강 문제를 일으킬 수 있기 때문이다.

대체 용매 즉 소비자 제품들에 사용하는데 더 안전한 초임계 유체 특히 초임계 이산화탄소를 사용함으로써 루테인을 추출하기 위한 시도가 있었다. 또한, 초임계 이산화탄소는 액체 용매들과 비교할 때 높은 확산성과 낮은 점도를 가진다. 따라서, 초임계 이산화탄소는 이의 질량 전달 특성 때문에 추출에 적합하다. 또한, 추출된 재료들의 분해 또는 열화를 예방하는 저온에서의 추출(임계 온도는 30℃이다)에 사용될 수 있다. 또한 이산화탄소는 압력 감소 또는 온도 감소에 의해 쉽게 제거될 수 있다.

미국 특허 No. 20040267033은 70℃ 및 475bar에서 초임계 이산화탄소에 의해 85-90% 수율을 얻는 금잔화로부터의 루테인의 추출을 기술한다. 본 발명의 문제는 뉴트라슈티컬(nutraceutical) 또는 약물에서의 응용에 필요한 고순도의 잔토필을 얻기 위해서 고온이 사용되어야만 한다는 것이다. 추출 동안 증가하는 온도와 관련된 문제는 잔토필의 열화 또는 분해인 반면 압력의 증가는 또한 더 많은 에너지를 소비하며 더 많은 위험을 노출한다. 따라서, 초임계 유체는 잔토필 특히 고순도 루테인의 산업용 추출에 실용적으로 사용될 수 없다. 상기 발명에 따른 방법은 액체 용매들의 안전 문제를 해결할 수 있을지라도 강한 조건들에 의한 문제를 여전히 가진다.

다른 관련 문헌들은 미국 특허 44669223, 5120558, 5932101, 6737552, 6350890, 7214379, 5780693, 6262284, 7351424 및 6689400을 포함한다.

본 발명자는 종래 기술들의 문제들 및 천연의 이 화합물 및 다른 잔토필의 천연 특성들을 연구하였다. 천연의 루테인 및 다른 잔토필은 대부분 지방산과의 다이에스터 형태 즉 루테인 다이팔미테이트, 루테인 다이미리스테이트, 제아잔틴 다이팔미테이트 및 제아잔틴 다이미리스테이트인 것이 발견되었다. 이런 다이에스터들은 고분자량을 가지는데 즉 루테인 다이팔미테이트는 1045 달톤의 분자량을 갖는 반면 유리 루테인은 단지 569 달톤의 분자량을 가진다. 결과적으로, 초임계 유체에 의한 이런 착물 형성 분자에서 천연 루테인/잔토필의 추출은 용매 추출 방법과 유사한 루테인/잔토필의 수율을 얻기 위해서 고온 및/또는 고압을 필요로 할 수 있다.

본 발명자는 감소된 온도 60℃에서 초임계 유체에 의해 직접 천연 재료들로부터 루테인의 추출을 실행하였고 도 1에 도시된 대로 4시간 동안 각각 300, 350 및 400bar의 압력 조건을 변경하였다.

도 1은 추출에 의해 얻은 미정제 루테인의 수율을 도시한다. 비록 미정제 루테인은 압력을 증가시킴으로써 증가했지만, 최대 수율은 400bar에서 단지 74.40%이다.

또한, 본 발명자는 미정제 루테인을 크로마토그래피 정제에 적용하였고, 도 2에 도시된 대로 유리 루테인은 매우 다량의 루테인 에스터와 혼합되었다는 것이 발견되었다.

지금까지, 저온과 압력에서 90% 초과의 생성물 수율로 초임계 유체에 의한 미정제 천연 루테인의 추출의 보고는 없다.

따라서, 본 발명자는 루테인 에스터/잔토필 에스터를 초임계 유체에 의한 추출 전에 유리 루테인/잔토필 및/또는 저 분자량 루테인 에스터/잔토필 에스터로 변형시키는 것을 목표로 하였다. 루테인/잔토필을 함유하는 천연 재료들은 금잔화, 양배추, 시금치, 미생물 세포 즉 박테리아, 효모, 곰팡이 및 미세조류 및 조류를 포함한다. 본 발명은 저온과 압력에서 초임계 유체에 의한 천연 재료들로부터 미정제 루테인의 추출을 가능하게 하면서 여전히 높은 수율을 제공한다.

본 발명은 이미 존재하는 것보다 더 많은 미정제 루테인 및/또는 더 많은 정제 루테인을 생산하는 천연 재료들로부터 루테인을 추출하는 새로운 방법을 제공한다.

본 발명의 다른 목적은 루테인과 동일한 그룹의 화합물에 있는 잔토필에 적용가능한 추출 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 본 발명에 따른 방법들로부터 얻은 고순도 루테인/잔토필을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 방법은 천연 재료들에 있는 천연 루테인 에스터의 유리 루테인 및/또는 저 분자량 루테인 에스터로의 변형, 최적 조건에서 초임계 유체에 의한 상기 천연 재료들의 추출을 포함한다. 본 발명에 따른 방법은 추출의 효율이 향상되었기 때문에 천연 재료들로부터 다량으로 루테인 추출이 가능하다. 미정제 루테인은 고순도 루테인을 얻기 위해 크로마토그래피에 의해 추가로 정제될 수 있다.

본 발명의 내용 중에 포함되어 있다.

도 1은 60℃, 압력 300, 350 및 400bar에서 초임계 유체로 직접 천연 재료로부터 추출되는 미정제 루테인의 수율을 나타내는 도표이다.
도 2는 소량의 유리 루테인 및 다량의 루테인 에스터를 도시하는 도 1에서 얻은 미정제 루테인의 크로마토그램이다.
도 3은 본 발명에 따른 온도와 압력에서 초임계 유체에 의해 (금잔화에 있는 루테인 에스터의 변형 후 천연 재료로부터) 추출된 미정제 루테인의 수율을 나타내는 도표이다.
도 4는 또한 고순도인 다량의 유리 루테인을 도시하는 도 3에서 얻은 미정제 루테인의 크로마토그램이다.

본 발명에서, "미정제 루테인"은 최종 생성물로서 루테인을 함유하는 미정제 생성물을 의미한다.

본 발명에 따른 방법이 전체 잔토필/루테인 이외에 다른 것에 적용될 때, "미정제 루테인"은 잔토필/루테인 이외에 다른 것의 미정제 생성물을 의미한다. 따라서, 단어 "루테인" 및 "잔토필"은 본 발명 전체에서 교환가능하다.

본 발명에 따른 천연 재료들로부터 루테인의 추출 방법의 상세내용은 아래에 기술된다.

천연 루테인을 추출하는 방법은 다음을 포함한다:

a. 추출 공정을 촉진하는 천연 재료들에 있는 천연 루테인 에스터의 유리 루테인 및/또는 저 분자량 루테인 에스터로의 변형에 의한 루테인을 함유하는 천연 재료들의 전처리.

b. (a)의 상기 전처리 천연 재료들을 초임계 유체와 접촉시키고, 특정 기간 동안 초임계 유체에 유리 루테인 및/또는 저 분자량 루테인 에스터의 최대 용해도를 가능하게 하도록 온도 및/또는 압력을 30-100℃, 200-450bar의 최적 조건을 선택함으로써 조절하는 단계를 포함하는 추출.

c. 추출 후 유체로부터 고체 재료들의 분리, 및 유체에서 추출된 재료들의 용해도를 최소화하도록 온도 및/또는 압력의 조절 및 미정제 루테인인 상기 추출 재료들의 수집.

상기 방법에 따라, 상기 천연 재료들은 금잔화, 양배추, 시금치, 조류, 박테리아, 효모, 곰팡이 및 미세조류를 포함하는 미생물 세포로부터 선택될 수 있다.

상기 방법에 따라, 상기 천연 재료들은 상기 재료들에 단계(a)를 실행하기 전에 저 분자량 산으로 가수분해되고 물에 의한 세척으로 상기 산의 제거 및/또는 건조 및/또는 분쇄가 뒤따른다. 산들은 유기산 즉 아세트산 또는 무기산 즉 염산, 등일 수 있다.

단계(a)에서 루테인 에스터의 변형은 널리 사용되는 비누화 반응이다. 예를 들어, 상기 비누화 반응은 사용된 천연 재료에 따른 최적 온도 및 시간에서 KOH 및 에탄올을 사용함으로써 이루어질 수 있다. 루테인 에스터의 변형은 저 분자량 산 즉 염산 및 에탄올에 의한 에스터화 반응 또는 KOH 및 메탄올을 사용하는 에스터교환 반응에 의해 성취될 수 있다.

본 발명에 따른 유체는 이산화탄소, 에탄올 또는 이의 조합으로부터 선택될 수 있다. 그러나, 이산화탄소가 바람직하다.

일부 경우에, 원료로 사용된 천연 재료에 따라, 비 독성 천연 오일 즉 야자나무 오일, 대두 오일, 올리브 오일 또는 이의 조합과 같은 공용매(co-solvent)는 추출 효율을 높이기 위해 유체와 함께 사용될 수 있다.

단계(b), 유체에 의한 추출에서, 최적 조건은 40-70℃, 300-400bar이다. 이 조건은 현존 방법들과 비교할 때 "너무 높지 않은" 온도 및 압력 때문에 최대 미정제 루테인을 생산한다.

또한, 추출 방법은 크로마토그래피에 의한 미정제 루테인의 단계(d) 정제를 더 포함할 수 있다.

본 발명은 또한 이미 기술된 추출 방법으로부터 얻은 루테인의 미정제 생성물 및 크로마토그래피로부터 얻은 정제 루테인에 관한 것이다.

본 발명은 용매 제거 동안 (부분) 열화를 유발할 수 있는 용매를 사용하지 않는다는 것을 유의하는 것이 중요하다. 본 발명은 천연 재료들에서 루테인 에스터의 직접 변형을 사용한다. 이것은 유체에 의한 추출 이전 루테인을 낭비하지 않는 이점을 가진다. 한편, 추출은 또한 분자량의 감소된 중량 때문에 추출하는 표적 화합물들의 분자량 때문에 부드럽고 더욱 효과적인 흐름을 제공해야 한다.

이하는 도면들을 참조한 실시예들이나 이런 실시예들에 본 발명의 범위가 제한되는 것을 의미하지 않는다.

실시예들

가수분해

금잔화의 신선한 꽃잎을 저 분자량 즉 아세트산 또는 염산으로 가수분해하여 30분 동안 셀룰로오스로 분해하였다. 가수분해된 꽃잎을 물로 세척한 후 건조 또는 햇빛 건조하고 분쇄하여 분말을 형성하였다.

변형(천연 재료들에 있는 루테인 에스터의 저 분자량을 가진 유리 루테인 또는 루테인 에스터로의 변형)

1g의 금잔화의 가수분해 분말에 2ml의 95% 에탄올을 75℃의 온도에서 첨가하였다. 그런 후에 2ml의 40% 알칼리성 용액을 첨가하고 75℃에서 4시간 동안 배양하였다. 용액을 65℃로 냉각하고 pH를 25% 염산을 사용하여 7로 조절하여 비누화 반응을 종료하였다. 그런 후에 용액을 건조하였다.

초임계 이산화탄소에 의한 추출

이 단계에서, 초임계 이산화탄소 추출제 10ml(모델 SFX-220, ISCO)를 사용하였다. 비누화된 금잔화 분말(1g)을 초임계 이산화탄소를 상기 분말과 접촉하기 전에 상기 추출제에 첨가하였다. 4시간 또는 다른 기간 동안 40-120℃, 200-500bar의 최적 조건으로 온도 및/또는 압력을 선택하여 초임계 이산화탄소에서 저 분자량을 가진 유리 루테인 및/또는 루테인 에스터의 용해도를 최대화하였다. 최적 조건은 40-70℃ 및 300-400bar이어야 한다. 시스템은 이산화탄소의 재활용 또는 선택적으로 대기로 이산화탄소의 방출을 가능하게 한다.

출원인은 다음 조건을 선택함으로써 실험들을 실행하였다:

1) 온도 40℃, 압력 150, 200, 250, 300, 350 및 375bar

2) 온도 60℃, 압력 150, 200, 250, 300 및 325bar

3) 온도 80℃, 압력 150, 200, 250 및 290bar

4) 온도 100℃, 압력 150, 200, 250 및 275bar

5) 온도 120℃, 압력 150, 200 및 255bar

상기 실험들로부터 얻은 미정제 루테인 생성물들의 결과는 그래프 도 3에 도시되었다. 도 3으로부터 40℃의 온도 및 압력 375bar에서, 미정제 루테인은 98.5%이며 60℃의 온도 및 압력 325bar에서, 미정제 루테인은 98.5%이다.

결론적으로, 저온이 사용된 경우, 루테인의 수율을 최대화하기 위해 더 높은 압력이 필요하다. 반대로, 고온이 사용된 경우, 더 낮은 압력이 사용될 수 있다. 그러나, 너무 높은 온도 및 산화 보호제의 결핍은 허용할 수 없는 수준의 루테인의 열화 또는 분해를 유발할 것이다.

도 3에서의 본 발명에 따른 방법 및 도 1에서의 방법을 비교할 때, 60℃의 온도에서, 본 발명에 따른 방법은 단지 325bar의 압력을 필요로 하며 미정제 루테인은 최대 98.5%인 반면 도 1의 방법의 압력은 400bar이어야 하며 미정제 루테인의 수율은 단지 74.40%인 것을 나타낸다. 본 발명에 따른 방법이 더욱 효과적인 것으로 결론내릴 수 있다.

실험은 또한 상기 그래프에 의해 추출은 30℃ 정도의 낮은 온도에서 실행될 수 있다는 것을 나타내었다.

부스러기의 분리 및 미정제 루테인의 수집

추출을 완료한 후, 부스러기를 분리하였다. 잔존 용액을 이산화탄소에서 추출된 재료의 최소 용해도를 허용하는 온도 및/또는 압력으로 조절하였다. 그런 후에 이산화탄소를 증발시키고 루테인인 미정제 추출물을 알루미늄 호일로 덮인 유리 튜브에 수집하고 4℃에서 음영에 보관하였다.

정제

유리 루테인 에스터 및 지방산으로부터 얻은 유리 루테인의 정제를 35mm x 240mm 실리카 컬럼(100g 실리카)을 사용하는 정상 크로마토그래피에서 실행하였다. 70:30 헥세인:에틸 아세테이트로 이루어진 이동상을 5-10ml/min의 유속으로 컬럼에 튜브연동식펌프에 의해 분출시켰다. 샘플들을 10분마다 수집하였다. 10ml/min의 유속에서, 99.5%의 순도를 가진 루테인을 도 4에 도시된 대로 46%의 수율로 얻을 것이다.

도 4는 미정제 루테인 생성물에서 루테인의 양이 도 1에 따른 방법으로부터 얻은 양보다 많다는 것을 나타낸 도 3에 존재하는 미정제 루테인의 크로마토그램을 도시한다. 도 4는 또한 미정제 루테인 생성물은 거의 순수한 루테인(100%)인 반면 도 1에 따른 방법에 의해 얻은 미정제 루테인 생성물은 도 2의 크로마토그램에 도시된 대로 다량의 루테인 에스터를 함유한 것을 도시한다.

비록 금잔화는 천연 재료의 한 샘플로서 본 실시예에서 사용했지만, 본 발명에 따른 방법은 또한 루테인을 함유하는 다른 천연 재료들 즉 양배추, 시금치, 박테리아, 효모, 곰팡이 및 미세 조류를 포함하는 미생물 세포 및 조류에 적용될 수 있다.

그러나, 당업자는 또한 본 발명을 변형할 수 있고 상기 변형은 또한 본 발명의 범위 내인 것으로 생각된다.

당업자는 또한 본 발명에 따른 추출 방법의 원리는 조건을 상기 천연 재료들 및 선택된 잔토필에 적합하게 조절함으로써 잔토필을 함유하는 천연 재료들로부터의 잔토필 추출(루테인을 가진 또는 갖지 않은)에 적용될 수 있다는 것을 이해한다.

Claims (15)

1. 천연 재료로부터 루테인을 추출하는 방법으로서,
   a. 천연 재료에 있는 천연 루테인 에스터의 유리 루테인으로의 변형에 의한 루테인을 함유하는 천연 재료의 전처리,
   b. (a)의 상기 전처리 천연 재료를 초임계 유체와 접촉시키고, 초임계 유체에서 유리 루테인을 제공하기 위한 기간 동안 온도를 30-100℃로 조절하거나, 또는 압력을 200-450bar로 조절하는 것에 의한 추출,
   c. 추출 후 초임계 유체로부터 고체 재료의 분리, 및 초임계 유체에서 추출된 재료들의 용해도를 최소화하도록 온도, 압력 또는 둘 다의 조절, 및 미정제 루테인인 상기 추출 재료들의 수집을 포함하며,
   여기서, 천연 재료는 금잔화(marigold flower)이며, 단계(a)에서의 천연 루테인 에스터의 변형은 비누화 반응이고, 상기 천연 재료는 상기 천연 재료에 단계(a)를 실행하기 전에 산으로 가수분해되고 물에 의한 세척으로 상기 산의 제거, 건조, 분쇄 또는 이들의 조합이 뒤따르는 것인 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   초임계 유체는 이산화탄소, 에탄올 또는 이의 조합으로부터 선택되는 것인 방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   초임계 유체는 이산화탄소인 방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   초임계 유체와 함께 공용매를 사용하는 것을 더 포함하며, 상기 공용매는 비 독성 천연 오일들로부터 선택되는 것인 방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   비 독성 천연 오일들은 야자나무 오일, 대두 오일, 올리브 오일 또는 이의 조합으로부터 선택되는 것인 방법.
6. 제 1 항에 있어서,
   단계(b)의 온도 조건은 40-70℃로 선택되거나, 또는 단계(b)의 압력 조건은 300-400bar로 선택되는 것인 방법.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   크로마토그래피에 의한 미정제 루테인의 정제의 단계(d)를 더 포함하는 것인 방법.
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제

Images