KR102062010B1 - 집속초음파 기술을 이용하여 수득된 물냉이 추출물 및 그 추출물을 포함하는 피부재생, 주름개선 및 항산화용 화장료 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인돌 3-아세토니트릴-4-메톡시-2-S-β-D-글루코피라노시드(IAMG)를 높은 수율로 포함하며, 활성 폴리페놀 성분이 고함량으로 함유된 물냉이 추출물에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 추출물을 포함하는 피부재생, 주름개선 및 항산화용 화장료 조성물에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 집속초음파 처리를 이용하여 물냉이로부터 IAMG를 고수율 및 고순도로 수득할 수 있다. 또한, 본 발명의 물냉이 추출물은 집속초음파 처리를 이용하여 활성 폴리페놀 성분이 고함량으로 포함된다.

Description

집속초음파 기술을 이용하여 수득된 물냉이 추출물 및 그 추출물을 포함하는 피부재생, 주름개선 및 항산화용 화장료 조성물{EXTRACT OF NASTURTIUM OFFICINALE OBTAINED USING FOCUSED ULTRASONIC TREATMENT AND COSMETIC COMPOSITION FOR SKIN REGENERATION, WRINKLE IMPROVEMENT AND ANTIOXIDATIVE ACTIVITY COMPRISING THE EXTRACT}

본 발명은 생리활성성분 인돌 3-아세토니트릴-4-메톡시-2-S-β-D-글루코피라노시드(이하, "IAMG"로 약칭하기도 함)를 높은 수율로 포함하며, 활성 폴리페놀 성분이 고함량으로 포함된 물냉이 추출물 및 그 추출물을 포함하는 화장료 조성물에 관한 것이다. 본 발명의 추출물은 자외선으로부터 유도된 피부 노화에 대하여 우수한 피부재생 및 주름개선 효과를 나타내며, 또한 항산화 효과를 나타낸다.

피부 노화는 호르몬 변화, 체내 대사 등과 같은 내적 인자와 태양광 조사, 화학물질 노출, 환경 오염 등과 같은 외적 인자 모두에 의하여 영향받는 복합적 원인에 의한 과정이다. 이러한 다양하고 복합적인 인자 중에서 자외선 노출은 주요 외적 인자로서, 피부에 광노화를 유도하며, 광노화는 매트릭스 메탈로프로테나아제-1(MMP-1)의 증가 및 콜라겐의 감소와 연관된다.

상기 자외선은 그 파장에 따라 315-400 nm(UVA), 280-315 nm(UVB) 및 100-280 nm(UVC)로 나뉜다. 이 중에서 UVB는 대부분 피부의 상피에서 흡수되며, 심각하고 만성적인 UVB 조사는 세포 구조를 손상시킴으로써, 매트릭스 메탈로프로테나아제-1(MMP-1)를 발현시키고, 제1형 프로콜라겐의 열화를 유도하면서 광노화를 야기한다. 구체적으로는, MMP-1, 즉 간질성의 콜라게나제 또는 섬유아세포 콜라게나제가 변형 성장 인자-β1(TGF-β1), 콜라겐 및 세포외기질(ECM)에서 엘라스틴을 분해시킴으로써, 피부의 노화, 주름, 손상을 야기한다.

따라서, 자외선으로부터 유도된 피부 노화에 대하여 우수한 피부재생 및 주름개선 효과를 나타낼 수 있는 물질에 대해서는 당업계에서 끊임없이 연구되고 개발되어오고 있다.

한편, 페놀성 화합물은 자외선에 의해 유도되는 티로시나아제 활성 저해 및 멜라닌 생성 억제 효과를 가진다는 것이 일반적으로 알려져 있으며, 지금까지 알려진 티로시나아제 활성 저해제로는 하이드로퀴논(Hydroquinone), 아스코르브산(Ascorbic acid), 코직산(Kojic acid), 알부틴(Arbutin), 글루코사민(Glucosamine) 등이 있다. 이 중 알부틴과 코직산은 피부안정성 등의 문제로 인해 제한된 양으로 미백제에 첨가되고 있다. 최근 건강 및 미용에 대한 관심이 높아지면서 소비자들은 합성 제품보다는 천연 추출물을 재료로 포함하는 제품에 대한 선호도가 크게 증가하고 있다.

대부분의 천연 항산화제는 주로 폴리페놀(Polyphenol) 화합물이며, 여기서 폴리페놀은 분자 하나에 페놀 그룹이 두 개 이상 있는 알카노이드 일종의 화학물질을 가리킨다. 폴리페놀 화합물을 포함하는 천연 항산화제는 우리 몸의 활성 산소를 제거하고 산화적 스트레스를 막는 역할을 하여 노화방지, 항암 작용 및 심장 질환 예방 효과가 있어 식품, 의약품, 화장품 등 많은 분야에서 활용되고 있다.

이에 따라, 적은 양의 천연물로부터 페놀성 화합물을 다량 포함하는 추출물을 제조하는 방법에 대한 필요성이 당업계에서 크게 증가하고 있다.

천연물을 추출하기 위해 널리 사용되는 방법에는, 뜨거운 물을 사용하여 천연물에 포함된 활성성분을 용출하는 열수추출, 알코올 등 용매를 사용하여 고체 또는 액체 시료 중에서 활성성분을 용해시켜 분리하는 용매추출, 초임계 유체를 사용하여 추출하는 초임계 추출 등이 있다. 그러나, 수율이 낮거나, 고온의 열을 천연물에 적용함에 따라 활성성분이 파괴 또는 변성되거나, 추출 이후 잔존하는 유기용매로 인해 인체용 화장품에 사용하기에 적합한 정도의 안전성을 충족시키지 못하는 등 다양한 문제점들이 존재한다.

또한, 천연물을 추출하기 위해 사용되는 방법으로서, 초음파를 이용하여 추출하는 방법도 개시되어 있다. 예를 들어, 공개특허공보 제10-2014-0031662호 (2014.03.13)는 유기사포닌 성분의 홍삼 추출액 제조방법이 개시되어 있으며, 홍삼을 고온으로 가열하여 4 내지 6회 추출한 후 남은 홍삼 찌꺼기에 대해 구연산 및 호박산을 혼합한 유기산을 첨가하고 숙성시킨 후 초음파진동과 미세기포를 부여하면서 추출하는 단계를 포함한다.

이와 같이 초음파를 이용하여 추출하는 방법은 이미 공지되어 있다. 그러나, 추출 과정에서 유기용매가 사용된다면 최종 생성물인 추출물에서 유기용매를 완전 제거하는 것은 불가능하며, 이와 같이 추출물 내에 잔존하는 유기용매는 인체 피부에 도포하기 위한 화장품으로서의 사용 기준을 충족시키지 못하도록 만든다. 또한, 유기용매를 사용하지 않고 추출용매로서 물을 사용하게 될 경우 그 수율이 현저하게 저하된다는 문제점을 발생시킨다.

특히, 천연추출물은 그 원재료인 식물이 무엇인지에 따라 추출 수율과 활성성분의 함량이 크게 달라지기 때문에, 특정 식물에 대해 효과가 확인된 추출방법이라고 하더라도 다른 식물에 대해서는 동일하거나 유사한 수준의 효과를 나타내지 못하는 경우가 대부분이다.

물냉이(nasturtium officinale)는 인간의 신체 건강에 필요한 요소로서 황 화합물을 제공하는 식물로 알려져 있으며, 이에 따라 황 함유 화합물을 적용하는 기술 분야에서 사용되어왔다. 그러나, 물냉이가 인간의 피부에서 자외선으로부터 유도된 피부 노화 또는 손상에 대하여 보호 또는 개선 효과를 나타내는지, 또는 항산화 효과를 나타내는지에 대해서는 지금까지 연구된 바 없었다.

공개특허공보 제10-2014-0031662호 (2014.03.13)

본 발명자들은 자외선으로부터 유도된 피부 손상을 개선하기 위한 피부재생 및 주름개선의 효과를 갖는 천연 추출물을 장기간 연구한 결과 본 발명을 완성하기에 이르렀다. 정상 인간 피부 섬유아세포(normal human dermal fibroblasts; 이하, "NHDF"로 약칭하기도 함)에서 자외선 조사로부터 유도된 피부 노화에 대해, 물냉이로부터 추출된 인돌 3-아세토니트릴-4-메톡시-2-S-β-D-글루코피라노시드(IAMG)의 피부 보호 효과를 확인하였다. 본 발명자들에 따라 상기 IAMG는 NHDF 세포 이동을 증가시키는 것으로 입증되었다. 자외선 조사에 의해 NHDF에서 매트릭스 메탈로프로테나아제-1(MMP-1)의 증가 및 제1형 프로콜라겐의 감소가 나타났으며, 이는 IAMG를 처리함으로써 개선되었다. 결과적으로, 본 발명자들은 물냉이로부터 추출된 IAMG가 자외선 조사에 의한 광노화를 감소 및 지연시킬 수 있다는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.

더욱이, 본 발명에 따른 추출물은 자외선으로부터 유도된 멜라닌 생성을 억제하여 미백 효과를 갖는 활성 폴리페놀 성분을 고함량으로 포함하는 것으로 입증되었다.

본 발명의 일구현예에 따르면, 집속초음파 기술을 이용하여 수득된 화학식 1 의 IAMG를 포함하는 물냉이 추출물이 제공된다.

또 다른 일구현예에 따르면, 집속초음파 기술을 이용하여 수득된 화학식 1 의 IAMG를 포함하는 물냉이 추출물을 함유하는 화장료 조성물이 제공된다. 상기 화장료 조성물은 자외선으로부터 유도된 피부 손상에 대한 피부재생 및 주름개선 효과를 나타낸다. 또한, 상기 화장료 조성물은 항산화 효과가 우수하다.

본 명세서에서 사용되는 용어 "물냉이(Nasturtium officinale R. Br.)"는 쌍떡잎식물 양귀비목 겨자과의 여러해살이풀로서, "워터크레스" 또는 "크레송"이라고도 불리우며, 한국을 포함한 아시아 북부와 유럽이 원산지이다.

본 명세서에서 사용되는 용어 "물냉이 추출물"은 물냉이의 꽃, 잎, 줄기, 전초와 같이 부위에 제한됨이 없는 물냉이 추출물을 의미한다.

본 명세서에서 사용되는 용어 "추출물"은 추출처리에 의해 얻어지는 추출액, 추출액의 희석액 또는 농축액, 추출액을 건조하여 얻어지는 건조물, 이들의 조정제물 또는 정제물, 또는 분획물이 포함되는 것으로 해석된다.

본 명세서에서 사용되는 용어 "인돌 3-아세토니트릴-4-메톡시-2-S-β-D-글루코피라노시드(IAMG)"는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물이다.

[화학식 1]

본 명세서에서 사용되는 용어 "집속초음파"는 집속 영역 강도에 따라 1,000 W/cm² 이상의 고강도 집속초음파(HIFU, High Intensity Focused Ultrasound)와 10 mW/cm² 내지 50 W/cm² 범위의 저강도 집속초음파(LIFU, Low Intensity Focused Ultrasound)로 분류될 수 있다. 본 발명의 방법에서 사용되는 집속초음파는 고강도 집속초음파인 것이 바람직하다. 특히, 본 발명의 방법에서 사용되는 집속초음파는 1,500 W/cm³ 내지 2,000 W/cm³의 고강도 집속초음파인 것이 더욱 바람직하다.

본 발명자들은 고강도 집속초음파를 사용한 경우, 물냉이 추출물을 제조할 때 IAMG의 수율이 현저하게 증가하는 동시에, 비활성성분들이 더 많은 양으로 제거되어 최종 생성물 내 생리활성성분의 순도가 증가한다는 것을 확인하였다. 또한, 본 명세서의 실시예에서 후술하는 바와 같이 활성 폴리페놀 성분의 함유량이 증가되는 것을 입증하였다.

본 발명자들은 놀랍게도 본 발명의 물냉이 추출물의 생리활성성분 IAMG가 자외선 조사에도 불구하고 NHDF 세포 생존성을 개선시키고, MMP-1의 분비를 감소 조절시키고, 제1형 프로콜라겐의 생성을 증가 조절시키는 것을 확인하였다.

본 발명자들은 자외선으로 인해 손상된 피부에서 IAMG의 피부재생 및 주름개선 효과를 알아보기 위하여, 정상 인간 피부 섬유아세포(NHDF)의 세포 생존성을 연구하고 그 효과를 확인하였다.

상기 정상 인간 피부 섬유아세포(NHDF)는 어린아이의 포피(包皮) 또는 성인의 얼굴, 흉부, 복부 또는 허벅지의 피부로부터 분리되고, 상처 치료 연구에 사용되거나, 피부 경화증, 섬유육종, 섬유증, 피부 건조증, 색소 건피증, 조직구 종양, 암과 같은 질병의 연구에 사용된다. 정상 인간 피부 섬유아세포(NHDF)에 UVB를 조사하면 심각한 세포 생존성 감소를 야기한다.

본 발명자들의 연구 결과, 정상 인간 피부 섬유아세포(NHDF)에 UVB를 조사시켜 세포 생존성이 감소된 후에, 본 발명의 IAMG를 처리하면 세포 생존성이 현저하게 개선되는 것을 알아내었다. 또한, 본 발명의 IAMG를 처리하여도 세포 독성과 같은 역효과가 발견되지 않았다.

한편, 매트릭스 메탈로프로테나아제(MMP) 류는 칼슘-의존성, 아연-함유 엔도펩티다아제 패밀리이며, 세포외기질(ECM) 내의 대부분의 단백질 종류를 분해할 수 있다.

특히 인간 피부 섬유아세포(NHDF)에 UVB를 조사한 후, 매트릭스 메탈로프로테나아제-1(MMP-1)의 분비가 급격하게 증가되며, 콜라겐의 분해를 촉진하여 광노화가 진행된다(도 10a 참조). 또한, 인간 피부 섬유아세포(NHDF)에 UVB를 조사한 후, 제1형 프로콜라겐의 생성은 무려 절반 이상 감소하였다(도 10b 참조).

즉, UVB 조사는 MMP-1을 활성화시키고, 이어서 모든 콜라겐 유형을 쪼개어 버린다. 다시 말해, UVB 조사는 MMP-1의 생성을 증가시키는 반면, 제1형 프로콜라겐의 생성은 감소시킨다.

본 발명자들은, UVB 조사에 의하여 MMP-1의 생성이 증가되고, 제1형 프로콜라겐의 생성이 감소된 인간 피부 섬유아세포(NHDF)에 있어서, 본 발명에 따라 제조된 IAMG를 포함하는 추출물로 처리하면 MMP-1의 생성이 현저하게 감소되는 반면 제1형 프로콜라겐이 생성이 회복되어 UVB 조사되기 전의 수준으로 회복되는 것을 확인하였다(도 10a 및 10b 참조).

특정 이론에 얽매이지 않고, NHDF는 피부의 재생 및 탄력성에서 핵심적인 역할을 하며, 피부의 표면에서 증식하고 분화하여, ECM을 합성하는 역할을 하기 때문에, UVB가 조사되지 않은 NHDF 세포에서는 IAMG의 처리에 의하여 세포 생존성에 대한 명확한 변화를 야기하지 않았지만, UVB가 조사된 NHDF 세포에서는 IAMG의 처리에 의하여 NHDF의 재생 및 분화 능력이 현저하게 개선된 결과라고 여겨진다.

따라서, 본 발명의 IAMG는 자외선으로 인해 광노화된 피부에서 피부재생 및 주름개선용 화장료 조성물의 유효한 성분이 될 수 있다.

상기 본 발명의 IAMG는 화장료 조성물의 전체 중량을 기준으로 1 내지 99 중량%의 양으로 포함될 수 있다. 피부재생 및 주름개선의 수준, 사용 기간, 피부 손상 상태, 제형의 종류, 투여 경로, 대상체의 피부 상태 등 다양한 요인을 고려하여 적합하게 결정될 수 있다.

본 발명에 따른 화장료 조성물은 통상적으로 알려진 제조방법을 이용하여, 일반적인 유화 제형 및 가용화 제형 등의 형태로 제조될 수 있다. 이때, 본 발명의 화장료 조성물은 패치류, 연고류, 피부접착용 겔류, 크림류, 팩류, 화장수류, 에센스류, 스프레이류, 마스크류, 파운데이션류, 메이크업베이스류, 세정제류, 수(W)형, 유(O)형, 실리콘(S)형, 수중유(O/W)형, 유중수(W/O)형, 실리콘중수(W/S)형, 수중실리콘(S/W)형, 고체상, 액상 등의 다양한 제형으로 제조될 수 있으며, 통상적으로 사용되는 화장료 제조방법이 적용될 수 있다.

본 발명에 따른 화장료 조성물은 효능 증진을 위해 상기 화학식 1의 IAMG를 포함하는 물냉이 추출물 이외에 추가 성분을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 추가 성분은 생리활성성분의 효능을 상쇄시키거나 감소시키지 않는다면 제한이 없다. 선택적으로, 화장품 분야에서 통상적으로 사용되는 보조제, 담체 등을 추가로 포함할 수 있다. 또다르게는, 화장품 기능을 부가하거나 증대시키기 위하여 전형적으로 사용되는 성분들이 또한 추가될 수 있다. 예를 들면, 안정화제, 유화제, 점증제, 보습제, 액정 막강화제, pH 조절제, 항균제, 수용성 고분자, 피막제, 금속 이온 봉쇄제, 아미노산, 유기 아민, 고분자 에멀션, pH 조정제, 피부 영양제, 산화 방지제, 산화 방지조제, 방부제, 향료 등에서 선택되는 하나 이상의 수성 첨가제; 및 유지류, 왁스류, 탄화 수소유, 고급 지방산유, 고급 알콜, 합성 에스테르유 및 실리콘유 등에서 선택되는 하나 이상의 유성 첨가제 등일 수 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 집속초음파를 이용하여 물냉이의 활성성분인 페놀성 화합물 및 IAMG가 고함량으로 포함된 물냉이 추출물을 제조하는 방법의 각 단계에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 제조방법은 하기 단계를 포함한다:

a) 물냉이를 물과 혼합하는 단계; 및

b) 상기 a) 단계에서 수득된 혼합물에 고강도 집속초음파를 조사하는 단계.

본 발명에 따른 제조방법에서, 단계 a)의 물냉이는 분쇄된 형태의 물냉이일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

본 발명에 따른 제조방법에서 용매는 물이 사용된다. 바람직하게는, 본 발명에 따른 제조방법에서 메탄올, 에탄올, 헥산, 클로로포름, 에틸아세테이트 등과 같은 유기용매는 제외된다.

추출 용매로서 유기용매를 사용하는 것이 물을 사용하는 것에 비해 활성성분의 추출 수율이 더 높게 달성되는 것이 일반적이다. 그러나, 본 발명에 따른 물냉이 추출물은 화장료에 사용하기 위한 목적을 갖고 있으므로, 추출 과정에서 유기용매의 사용을 배제하였으며 물이 유일한 추출 용매로서 사용된다. 유기용매는 추출이 진행되는 과정에서 물냉이 내 활성성분의 변성을 일으키거나, 또는 물냉이의 함유 성분과 반응하여 부가물질을 생성하거나, 또는 최종 생성물로서 수득된 추출물 내에 유기용매 또는 이로부터 파생된 물질이 잔존하기 때문에, 최종 생성물로서 수득된 추출물은 화장료로 사용하기 위한 기준을 충족시키지 못하기 때문이다. 만일 유기용매추출법에 의해 수득된 최종 생성물을 화장료로 사용하기 위해서는 최종 생성물 내에 인체에 유해한 물질이 없다는 것을 입증하는 별도의 단계가 추가로 필요하거나, 또는 최종 생성물로부터 인체에 유해한 물질을 완전 제거하는 정제 단계가 추가로 필요하므로, 화장료 생산을 위한 전체 공정의 효율성 측면에서 불리하다.

본 발명에서 사용되는 용어 집속초음파는 상술한 바와 같이 집속 영역 강도에 따라 1,000 W/cm² 이상의 고강도 집속초음파(HIFU, High Intensity Focused Ultrasound)와 10 mW/cm² 내지 50 W/cm² 범위의 저강도 집속초음파(LIFU, Low Intensity Focused Ultrasound)로 분류될 수 있다. 본 발명의 방법에서 사용되는 집속초음파는 고강도 집속초음파인 것이 바람직하다. 특히, 본 발명의 방법에서 사용되는 집속초음파는 1,500 W/cm³ 내지 2,000 W/cm³의 고강도 집속초음파인 것이 더욱 바람직하다.

후술하는 실시예에서 보는 바와 같이, 본 발명자들은 고강도 집속초음파를 사용하였을 때와 일반초음파를 사용하였을 때의 생리활성성분의 추출 수율 및 추출물 내 생리활성성분의 함유량을 측정하는 실험을 수행하였다. 그 결과, 본 발명의 방법에 따라 물냉이 추출물을 제조할 때 생리활성성분 추출 수율 및 추출물 내 생리활성성분의 함량이 증가하였다.

특정 이론에 얽매이지 않고 이와 같은 결과를 얻게 된 근거를 분석해볼 때, 집속초음파가 물냉이의 세포벽과 세포벽 공간을 자극하여 활성성분의 유출을 높이고 또한 용매의 유동성을 증가시키는 복합적인 작용에 의해 물냉이 내에 함유되어 있는 활성성분 IAMG가 용이하게 추출되며, 이에 더하여 페놀성 화합물이 보다 선택적이며 집중적으로 분리될 수 있는 것으로 여겨진다.

본 발명에 따른 방법에서 사용되는 집속초음파 기기는 특정 위치에 초점을 갖는 집속초음파를 생성할 수 있는 초음파 발생 모듈을 포함하며, 상기 초음파 발생 모듈은 타원형 발진체를 구비한 초음파 트랜스듀서를 포함한다.

바람직하게는, 상기 집속초음파 기기는 집속초음파가 특정 위치에 초점을 갖고 집속초음파가 조사됨에 따라 매질의 온도가 상승하고 물냉이의 활성성분이 파괴되거나 변성되는 것을 방지하기 위하여 물냉이 함유 용액을 지속적으로 교반하는 장치를 구비할 수 있다. 상기 교반하는 장치는 예를 들어 교반 날개일 수 있다.

바람직하게는, 본 발명의 따른 방법이 수행될 때 특정 범위의 온도를 유지할 수 있도록, 상기 집속초음파 기기는 냉각장치를 구비할 수 있다. 상기 냉각장치는 초음파 또는 집속초음파에 의한 매질 온도 상승을 억제한다.

상기 집속초음파 기기의 구체적인 예를 도 1 내지 7에 도시하였으며, 다만 이들 도면에 도시된 기기로 한정되는 것은 아니다.

도 1은 집속초음파 기기의 일례이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 초음파 처리 장치(100)는 초음파 처리되는 원료가 저장되는 처리 용기(102)와, 처리 용기(102)의 특정 위치에 초점을 갖는 집속초음파를 조사하는 초음파 발생 모듈(110)을 구비한다. 도 1에서 이해의 편의를 위해 처리 용기(102), 초음파 발생 모듈(110) 등은 단면도로 표시하였다. 초음파 발생 모듈(110)은 초음파 트랜스듀서(116), 카트리지 하우징(112), 초음파 매질(113) 등을 구비한다. 초음파 트랜스듀서(116)는 타원형 발진체(117)를 구비하여 집속초음파를 생성한다. 카트리지 하우징(112)의 내부에 초음파 트랜스듀서(116)가 설치된다. 카트리지 하우징(112)은 하부에 개구부가 형성되고, 개구부에는 초음파를 투과시키는 카트리지 윈도우(114)가 부착된다. 초음파 매질(113)은 카트리지 하우징(112)의 내부에 채워지고 초음파 트랜스듀서(116)에서 생성된 초음파를 카트리지 윈도우(114)로 전달한다. 처리 용기(102)에는 초음파 발생 모듈(110)이 분리 가능하게 장착되는 결합부(104)가 설치되며, 초음파 처리되는 원료가 저장된다. 초음파 발생 모듈(110)은 집속초음파를 조사하여 처리 용기(102)에 저장된 천연물 물냉이로부터 활성성분을 추출한다. 집속초음파가 처리 용기(102)에 저장된 원료에 고르게 조사될 수 있도록 초음파 트랜스듀서(116)를 이동시키는 이동기구(118)가 초음파 발생 모듈(110)의 내부에 설치되거나, 또는 처리 용기(102) 내의 원료에 진동을 전달하여 흔드는 원료 유동기기(미도시됨)가 처리 용기(102)에 설치된다. 초음파 발생 모듈(110)은 초음파가 투과되는 카트리지 윈도우(114)가 원료(103)의 수면(水面)과 접촉하거나, 일부가 원료 내로 잠기게 설치된다. 따라서 초음파 발생 모듈(110)에서 발생된 초음파가 공기를 통과하지 않고 원료(103)에 조사된다. 카트리지 윈도우(114)는 초음파를 투과할 수 있는 반투명 또는 투명 재질의 필름이다. 본 실시예에서 카트리지 윈도우(114)는 캡톤 필름이나, 초음파를 원활하게 통과시킬 수 있는 공지의 다른 재질일 수 있다. 이동기구(118)는 초음파 트랜스듀서(116)에서 생성된 집속초음파가 처리 용기(102) 내의 원료(103)에 골고루 조사되도록 초음파 트랜스듀서(116)를 이동시킨다. 이동기구(118)는 초음파 트랜스듀서(116)를 X축 방향으로 이동시키는 X축 이동부(118a), Y축 방향으로 이동시키는 Y축 이동부(118b), Z축 방향으로 이동시키는 Z축 이동부(118c)로 구성된다. 이동기구(118)는 초음파 트랜스듀서(116)가 X/Y/Z축을 따라 직선 운동을 하도록 구성되나, 초음파 트랜스듀서가 피벗 운동, 시계추 운동, 나선형 운동 등의 다양한 형태로 움직이도록 구성될 수 있다. 이동기구(118)는 카트리지 하우징(112)의 내부에 위치되고, 초음파 트랜스듀서(116)와 연결되어 초음파 트랜스듀서(116)를 이동시키도록 구성되나, 이동기구(118)는 카트리지 하우징(112)의 외측에 위치하여 카트리지 하우징(112)을 이동시키도록 구성될 수 있다. 또한, 처리 용기(102) 내의 원료를 흔들어 집속초음파가 원료에 고르게 조사될 수 있도록 원료 유동기기(미도시됨)가 구비될 수 있다. 상기 원료 유동기기는 처리 용기(102)가 시계추 운동, 회전 운동 등을 하도록 구성될 수 있다. 또한, 처리 용기(102)의 내부에 원료를 교반하는 교반 날개(미도시됨)가 구비될 수 있다. 집속초음파가 처리 용기(102) 내의 원료(103)에 조사되면 원료(103)의 온도가 상승하여 가스가 발생할 수 있다. 이 가스를 방출할 수 있도록 결합부(104)에는 가스 방출구(미도시됨)가 형성될 수 있다. 초음파 발생 모듈(110)이 장시간 집속초음파를 생성하면 초음파 매질(113)의 온도가 상승하게 되므로 초음파 매질(113)을 냉각시키는 냉각기구가 필요하다. 상기 매질 냉각기구는 카트리지 하우징(112)에 삽입되어 초음파 매질(113)과 접촉하는 금속판(120)과, 금속판(120)을 통해 전달된 열을 공기 중으로 발산하는 히트 싱크(heat sink, 122)로 구성된다. 히트 싱크(122) 대신에 펠티어 소자가 사용될 수 있다. 원료 용기(130, 132, 134)가 더 구비될 수 있다. 원료 용기(130, 132)에는 초음파 처리 전의 원료가 저장된다. 원료 용기(134)에는 초음파 처리 후의 원료가 저장된다. 원료 용기(130)는 이송관(136)을 통해 처리 용기(102)의 원료 주입구(137)에 연결되며, 이송관(136)을 통한 원료 이송은 개폐밸브(144)를 통해 조절된다. 원료 용기(132)는 이송관(138)을 통해 처리 용기(102)의 원료 주입구(139)와 연결되며, 이송관(138)을 통한 원료 이송은 개폐밸브(146)를 통해 조절된다. 원료 용기(134)는 이송관(140)을 통해 처리 용기(102)의 원료 배출구(141)와 연결되며, 이송관(140)을 통한 원료 이송은 개폐밸브(148)를 통해 조절된다. 원료 용기(130)와 원료 용기(134)는 이송관(142)를 통해 연결되며, 이송관(142)을 통한 원료 이송은 개폐밸브(150)를 통해 조절된다. 원료 용기(130, 132)에 저장된 원료는 초음파 처리를 위해 개폐밸브(144, 146)가 개방된 상태에서 펌프(미도시됨)를 통해 처리 용기(102) 내로 이송된다. 처리 용기(102)에서 초음파 처리된 원료는 개폐밸브(148)를 개방하여 원료 용기(134) 내로 이송된다. 1회의 초음파 처리가 충분하지 않은 경우 반복해서 초음파 처리를 수행할 필요가 있는 경우, 개폐밸브(150)를 개방하여 초음파 처리된 후 원료 용기(134)에 저장되어 있는 원료를 이송관(142)을 통해 원료 용기(130)로 이송한다. 원료 용기(130)로 이송된 원료는 이송관(136)을 통해 처리 용기(102)로 이송되어 다시 초음파 처리된다. 즉, 원료 용기(134), 이송관(142), 원료용기(130), 처리용기(102)의 순서로 원료가 순환하게 된다. 본 실시예에서는 초음파 트랜스듀서(116)가 처리 용기(102) 내의 원료와 직접 접촉하지 않으므로 초음파 처리 중에 유해 성분이 생성되는 것을 억제할 수 있다. 처리 용기(102)에 안정적으로 저장된 원료에 이동기구(118)를 통해 집속초음파를 균일하게 조사할 수 있다.

도 2는 집속초음파 기기의 또다른 일례이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 초음파 처리 장치(200)는 초음파 처리되는 원료가 저장되는 처리 용기(202)와, 처리 용기(202)의 특정 위치에 초점을 갖는 집속초음파를 조사하는 초음파 발생 모듈(210)을 구비한다. 초음파 처리 장치(200)는 초음파 발생 모듈(210)이 처리 용기(202)의 아래쪽에 위치하는 점에서 도 1에 도시된 초음파 처리 장치(100)와 상이하다. 초음파 발생 모듈(210)은 초음파 트랜스듀서(216), 카트리지 하우징(212), 초음파 매질(213) 등을 구비한다. 초음파 트랜스듀서(216)는 타원형 발진체(217)를 구비하여 집속초음파를 생성한다. 카트리지 하우징(212)의 내부에 초음파 트랜스듀서(216)가 설치되고, 상부에는 개구부가 형성되며, 이 개구부에는 카트리지 윈도우(214)가 부착된다. 초음파 매질(213)은 카트리지 하우징(212)의 내부에 채워지고 초음파 트랜스듀서(216)에서 생성된 초음파를 카트리지 윈도우(214)로 전달한다. 집속초음파가 처리 용기(202)에 저장된 원료에 고르게 조사될 수 있도록 초음파 트랜스듀서(216)를 이동시키는 이동기구(218)가 초음파 발생 모듈(210)에 설치되거나, 또는 처리 용기(202) 내의 원료에 진동을 전달하여 흔드는 원료 유동기기(도시되지 않음)가 처리 용기(202)에 설치된다. 초음파 발생 모듈(210)에 처리 용기(202)를 분리 가능하게 장착하기 위한 결합부(204)가 형성된다. 처리 용기(202)의 바닥면에는 초음파가 투과하는 용기 윈도우(206)가 설치된다. 초음파 발생 모듈(210)이 상부를 향하게 설치되므로 카트리지 윈도우(214)에 처짐이 발생하여 카트리지 윈도우(214)와 용기 윈도우(206) 사이에 간격이 형성될 수 있다. 윈도우(206, 214) 사이에 간격이 형성되는 경우 초음파가 공기 중에서 전달되지 못하고 손실이 크게 발생되는 문제점이 있다. 이러한 현상의 방지를 위해 윈도우(206, 214) 사이에 초음파를 전달할 수 있는 매질이 채워진다. 또는 용기 윈도우(206)는 처리 용기(202) 내부에 채워지는 원료의 하중에 의해 처짐이 발생되어 카트리지 윈도우(214)에 밀착되는 필름재로 형성된다. 즉, 용기 윈도우(206)는 필름재로 처짐이 발생되어 마찬가지로 처짐이 발생된 카트리지 윈도우(214)에 밀착됨으로써 윈도우(206, 214)의 사이에 빈 공간이 형성되지 않도록 한다. 초음파 발생 모듈(210)에 초음파 매질을 완전히 채울 수는 없으므로 카트리지 윈도우(214)가 카트리지 하우징(212) 내에서의 초음파 매질(213)의 통상적인 수면보다 낮게 위치하도록 카트리지 하우징(212)을 구성할 필요가 있다. 이를 위해 카트리지 하우징(212)은 상면 둘레부(225)가 카트리지 윈도우(214)에 비해 단차를 갖도록 하여 에어 포켓부(226)를 형성한다. 이동기구(218)는 초음파 트랜스듀서(216)에서 생성된 집속초음파가 저장 용기(202) 내의 원료에 골고루 조사되도록 초음파 트랜스듀서(216)를 이동시킨다. 본 구현예에서 이동기구(218)는 초음파 트랜스듀서(216)를 X축 방향으로 이동시키는 X축 이동부(218a), Y축 방향으로 이동시키는 Y축 이동부(218b), Z축 방향으로 이동시키는 Z축 이동부(218c)로 구성된다. 처리 용기(202) 내의 원료를 흔들어 집속초음파가 원료에 고르게 조사될 수 있도록 원료 유동기기(미도시됨)가 구비될 수 있다. 상기 원료 유동기기는 처리 용기(202)가 시계추 운동, 회전 운동 등을 하도록 구성될 수 있다. 또한, 처리 용기(202)의 내부에 원료를 교반하는 교반 날개(미도시됨)가 구비될 수 있다. 집속초음파가 처리 용기(202) 내의 원료에 조사되면 원료의 온도가 상승하여 가스가 발생할 수 있다. 이 가스를 방출할 수 있도록 처리 용기(202)의 상부에는 가스 방출구(252)가 형성될 수 있다. 또한 가스 방출구(252)에는 소정 크기 이상의 압력에서 개방되는 체크 밸브(254)가 구비될 수 있다. 초음파 발생 모듈(210)이 장시간 집속초음파를 생성하면 초음파 매질(213)의 온도가 상승하게 되므로 초음파 매질(213)을 냉각시키는 냉각기구가 필요하다. 본 구현예에서 매질 냉각기구는 카트리지 하우징(112)에 삽입되어 초음파 매질(113)과 접촉하는 금속판(220)과, 금속판(220)을 통해 전달된 열을 공기 중으로 발산하는 히트 싱크(222)로 구성된다. 히트 싱크(222) 대신에 펠티어 소자가 사용될 수 있다. 원료 용기(230, 232, 234)가 더 구비될 수 있다. 원료 용기(230, 232)에는 초음파 처리 전의 원료가 저장된다. 원료 용기(234)에는 초음파 처리 후의 원료가 저장된다. 원료 용기(230)는 이송관(236)을 통해 처리 용기(202)의 원료 주입구(237)에 연결되며, 이송관(236)을 통한 원료 이송은 개폐밸브(244)를 통해 조절된다. 원료 용기(232)는 이송관(238)을 통해 처리 용기(202)의 원료 주입구(239)와 연결되며, 이송관(238)을 통한 원료 이송은 개폐밸브(246)를 통해 조절된다. 원료 용기(234)는 이송관(240)을 통해 처리 용기(202)의 원료 배출구(241)와 연결되며, 이송관(240)을 통한 원료 이송은 개폐밸브(248)를 통해 조절된다. 원료 용기(230)와 원료 용기(234)는 이송관(242)를 통해 연결되며, 이송관(242)을 통한 원료 이송은 개폐밸브(250)를 통해 조절된다. 본 구현예에서는 초음파 트랜스듀서(216)가 처리 용기(202) 내의 원료와 직접 접촉하지 않으므로 초음파 처리 중에 유해 성분이 생성되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 처리 용기(202)로부터 초음파 발생 모듈(210)을 분리하기가 용이하므로 초음파 트랜스듀서(216)를 교체하기가 용이하다. 또한, 본 구현예에서는 처리 용기(202)에 안정적으로 저장된 원료에 이동기구(218)를 통해 집속초음파를 균일하게 조사할 수 있다.

도 3은 집속초음파 기기의 또다른 일례이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 초음파 처리 장치(300)는 초음파 처리되는 원료가 저장되는 처리 용기(202)와, 처리 용기(302)의 특정 위치에 초점을 갖는 집속초음파를 조사하는 초음파 발생 모듈(310)을 구비한다. 초음파 발생 모듈(310)은 초음파 트랜스듀서(316), 카트리지 하우징(312), 초음파 매질(313) 등을 구비한다. 카트리지 하우징(312)은 상부에 카트리지 윈도우(314)가 형성된다. 초음파 매질(313)은 카트리지 하우징(312)의 내부에 채워지고 초음파 트랜스듀서(316)에서 생성된 초음파를 카트리지 윈도우(214)로 전달한다. 초음파 발생 모듈(310)의 초점은 트랜스듀서(316)는 처리 용기(302)의 바닥면 즉, 용기 윈도우(306)의 상면 근처에 맞춰진다. 처리 용기(302)의 내부에서 바닥부에는 격리실(370)이 설치된다. 격리실(370)은 초음파가 통과하는 윈도우를 구비한다. 본 구현예에서는 초음파 발생 모듈(310)이 처리 용기(302)의 하부에 위치하므로 윈도우가 격리실의 바닥에 형성된다. 초음파 발생 모듈(310)의 초점은 격리실(370)의 내부에 맞춰진다. 격리실(370)은 처리 용기(302)로부터 원료가 유입되는 유입구(372)와, 처리 용기(302)로 원료가 유출되는 유출구(374)를 구비한다. 유입구(372)에는 격리실(370)의 내부로 열리는 유입 도어(376)가 설치되고, 유출구(374)에는 격리실(370)의 외부로 열리는 유출 도어(378)가 설치된다. 유입 도어(376) 또는 유출 도어(378)의 근방에는 원료를 유동시키는 원료 이송 팬(380, 382)이 설치될 수 있다. 원료 이송 팬(380, 382)의 동작에 의해 처리 용기(302) 내부의 원료는 유입구(372)를 통해 격리실(370)의 내부로 유입된다. 격리실(370)의 내부로 유입된 원료는 격리실을 따라 이송되는 동안 집속초음파에 의해 처리되고, 유출구(374)를 통해 유출된다. 집속초음파가 처리 용기(302) 내의 원료에 조사되면 원료의 온도가 상승하여 가스가 발생할 수 있다. 이 가스를 방출할 수 있도록 처리 용기(302)의 상부에는 가스 방출구(352)가 형성될 수 있다. 또한 가스 방출구(352)에는 소정 크기 이상의 압력에서 개방되는 체크 밸브(354)가 구비될 수 있다. 본 구현예에서는 격리실(370)을 구비하고, 처리 용기(302) 내의 원료(303)를 격리실(370)로 이송하여 초음파 처리함으로써 원료(303)에 보다 균일하게 초음파를 조사할 수 있다.

도 4는 집속초음파 기기의 또다른 일례이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 초음파 처리 장치(400)는 초음파 처리되는 원료가 저장되는 처리 용기(402)와, 처리 용기(202)의 특정 위치에 초점을 갖는 집속초음파를 조사하는 초음파 발생 모듈(410)을 구비한다. 초음파 발생 모듈(410)은 초음파 트랜스듀서(416a, 416b, 416c), 초음파 매질(413), 메인 하우징(411)을 구비한다. 초음파 매질(413)은 메인 하우징(412)의 내부에 채워지고 초음파 트랜스듀서(416a, 416b, 416c)에서 생성된 초음파를 전달한다. 집속초음파가 처리 용기(402)에 저장된 원료에 고르게 조사될 수 있도록 초음파 트랜스듀서(416a, 416b, 416c)를 이동시키는 이동기구(418)가 초음파 발생 모듈(410)에 설치된다. 메인 하우징(412)의 상면에는 개구부가 형성된다. 경사 조절 기둥(464a, 464b)은 그 일단이 처리 용기(402)의 바닥면을 지지한다. 경사 조절부(462a, 462b)는 경사 조절 기둥(464a, 464b)의 높이를 조절함으로써 처리 용기(402)의 바닥면이 지면에 대해 갖는 경사를 조절할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 처리 용기(402)의 바닥면의 왼쪽을 오른쪽에 비해 높게 하면 원료는 바닥면을 따라 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하게 되므로, 처리 용기(402) 내에서 원료의 이송을 위한 별도의 기구를 구비할 필요가 없다. 처리 용기(402)의 바닥면에는 초음파가 투과하는 용기 윈도우(406)가 설치된다. 처리 용기(402)는 메인 하우징(412)의 개구부에 설치되며, 용기 윈도우(406)는 초음파 매질(413)에 잠겨 있다. 처리 용기(402)의 바닥면이 지면에 대해 경사면이면 원료가 처리 용기(402)의 바닥면에 쌓이지 않고 경사면을 따라 흐르게 되므로 초음파 트랜스듀서(416a, 416b, 416c)의 초점은 경사면의 바로 위에 위치하는 것이 바람직하다. 복수의 초음파 트랜스듀서(416a, 416b, 416c)는 상기 경사면을 따라 배치됨으로써 동일한 원료가 여러 번 초음파에 조사되도록 할 수 있다. 원료 용기(430, 432, 434)가 더 구비될 수 있다. 원료 용기(430, 432)에는 초음파 처리 전의 원료가 저장된다. 원료 용기(434)에는 초음파 처리 후의 원료가 저장된다. 원료 용기(430)는 이송관(436)을 통해 처리 용기(402)의 원료 주입구(437)에 연결되며, 이송관(436)을 통한 원료 이송은 개폐밸브(444)를 통해 조절된다. 원료 용기(432)는 이송관(438)을 통해 처리 용기(402)의 원료 주입구(439)와 연결되며, 이송관(438)을 통한 원료 이송은 개폐밸브(446)를 통해 조절된다. 원료 용기(434)는 이송관(440)을 통해 처리 용기(402)의 원료 배출구(441)와 연결되며, 이송관(440)을 통한 원료 이송은 개폐밸브(448)를 통해 조절된다. 원료 용기(430)와 원료 용기(434)는 이송관(442)를 통해 연결되며, 이송관(442)을 통한 원료 이송은 개폐밸브(450)를 통해 조절된다. 이송관(436)에 대해 이송관(438)은 처리 용기(402)의 동일한 측면에 연결되고, 이송관(440)은 반대 측면에 연결된다. 즉, 원료 주입구(470, 472)는 처리 용기(402)의 동일 측면에 형성되고, 원료 배출구(474)는 반대 측면에 형성된다. 원료 주입구(470, 472)를 통해 주입된 원료가 처리 용기(402)의 바닥면으로 바로 떨어지지 않고 벽면을 따라 흘러내리도록 가이드 부재(474)가 더 설치된다.

도 5는 집속초음파 기기의 또다른 일례로서, 도 5a는 초음파 처리 장치(500)의 구성도이고, 도 5b는 초음파 처리 장치(500)에 사용된 초음파 생성 모듈(504)의 구성도이다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 초음파 처리 장치(500)는 초음파 처리되는 원료가 저장되는 처리 용기(502)와, 처리 용기(502)의 특정 위치에 초점을 갖는 집속초음파를 조사하는 초음파 생성 모듈(504)과, 초음파 반사 부재(510)를 구비한다. 초음파 반사 부재(510)은 초음파 트랜스듀서(516), 카트리지 하우징(512), 초음파 매질(513) 등을 구비한다. 카트리지 하우징(512)은 하부에 카트리지 윈도우(514)가 형성되고, 그 내부에 초음파 트랜스듀서(516)가 설치된다. 초음파 매질(513)은 카트리지 하우징(512)의 내부에 채워지고 초음파 트랜스듀서(516)에서 생성된 초음파를 카트리지 윈도우(514)로 전달한다. 집속초음파가 처리 용기(502)에 저장된 원료에 고르게 조사될 수 있도록 초음파 생성 모듈(504)를 이동시키는 이동기구(506)가 설치된다. 초음파 처리 장치(500)에서는 초음파 발생 모듈(504)의 적어도 일부가 처리 용기(502) 내부의 원료에 잠긴 상태에서 이동기구(506)에 의해 이동된다. 초음파 반사 부재(510)가 초음파 발생 모듈(504)에 연결되어 설치된다. 초음파 반사 부재(510)는 초음파 발생 모듈(504)과 함께 이동하며, 초음파 발생 모듈(504)의 초음파 조사 방향에 위치되어 집속초음파의 초점을 지난 초음파를 반대 방향으로 반사시킨다. 초음파 반사 부재(510)는 “ㄷ”자 형상으로 형성될 수 있다. 초음파 반사 부재(510)는 일면이 초음파의 조사 방향에서 마주보게 설치되어 초음파를 반사시킨다. 초음파 반사 부재(510)는 초음파가 원료 내에 더 균일하게 조사되도록 한다. 초음파 발생 모듈(504)의 외측에는 교반부(508)가 설치된다. 교반부(508)는 초음파 발생 모듈(504)가 이동기구(506)에 의해 이동될 때 원료를 섞어 초음파가 원료에 균일하게 조사되도록 한다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 초음파 발생 모듈(504)은 이동축(518)을 통해 이동기구(506)에 의해 연결되며, 교반부(508)는 초음파 발생 모듈(504)의 외측에 돌출되게 설치된다. 교반부(508a, 508b, 508c, 508d)는 초음파 발생 모듈(504)에 대해 방사상으로 대칭되게 설치되며, 숟가락 모양의 단부의 방향이 다를 수 있다. 본 구현예는 처리 용기(502) 내부의 원료에 초음파 발생 모듈(504)의 일부가 잠긴 상태에서 이동기구(506)에 의해 초음파 발생 모듈(504)이 이동하므로 초음파 발생 모듈(504)이 처리 용기(502) 내의 원료를 교반하는 기능을 수행한다. 따라서 초음파 처리 장치(500)는 간단한 구성으로도 원료에 초음파의 균일한 조사가 가능하다.

도 6은 집속초음파 기기의 또다른 일례이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 초음파 처리 장치(600)는 초음파 처리되는 원료를 저장하는 처리 용기(602)와, 집속초음파를 생성하는 초음파 발생 모듈(604)를 구비한다. 초음파 처리 장치(600)는 처리 용기(602)를 상/하 이동시키는 원료 승하강기구(606)를 구비한다. 또한, 초음파 처리 장치(600)는 처리 용기(602)와 초음파 발생 모듈(604)을 지지하는 지지대(608)를 더 구비한다. 지지대(608)는 상부에 처리 용기(602)가 위치되는 베이스부(610)와, 베이스부(610)의 일 측에 세워져 초음파 발생 모듈(604)을 지지하는 지지부(612)를 포함한다. 베이스부(610)의 하부에는 이동 바퀴(614)가 설치된다. 지지부(612)에는 초음파 발생 모듈(604)를 이동시키는 초음파 이동기구(616)가 설치된다. 초음파 발생 모듈(604)는 지지체(626)를 통해 이동기구(616)에 설치된다. 처리 용기(602) 내의 원료를 교반하기 위한 교반 부재(618)가 더 설치된다. 교반 부재(618)는 모터(미도시됨)에 의해 회전되고, 프로펠러 형태를 가지며, 복수개가 일정 간격으로 이격되게 설치될 수 있다. 교반 부재(618)는 지지체(624)에 의해 초음파 발생 모듈(604)과 연결되고, 초음파 발생 모듈(604)이 이동기구(616)에 의해 이동될 때 함께 이동되어 원료가 더 잘 혼합되도록 한다. 초음파 처리 장치(600)는 처리 용기(602) 내의 원료의 온도를 감지하는 온도 감지센서(620)와, 원료의 온도를 냉각시키는 냉각 유닛(622)를 더 포함한다. 냉각 유닛(622)의 일 예는 처리 용기(602) 내에 설치되어 처리 용기(602) 내에 저장된 원료를 직접 냉각한다. 냉각 유닛(622)은 예를 들어, 펠티어 소자로 구현할 수 있다. 냉각 유닛(622)의 다른 예는 도 1 또는 도 2에 예시한 바와 같이, 처리 용기(602) 내의 원료를 이송관을 통해 외부의 저장 용기로 이송하면서 원료를 냉각시켜 다시 처리 용기(602)로 주입하는 것으로 구성될 수 있다.

도 7은 도 6의 초음파 처리 장치(600)에 적용된 초음파 발생 모듈(604)의 개념도이다. 초음파 발생 모듈(604)은 초음파 매질(704)이 채워진 카트리지 하우징(702) 내에 복수의 초음파 트랜스듀서(706)를 구비한다. 복수의 초음파 트랜스듀서(706)는 상이한 높이에 위치되거나 초음파 발진체의 곡률 반경이 상이하여 카트리지 윈도우(708)로부터의 초점 거리가 상이하다. 또한, 복수의 초음파 트랜스듀서(706)는 서로 다른 세기로 초음파를 발생시킬 수 있다. 초음파 트랜스듀서(706)는 카트리지 하우징(702) 내에 위치되고, 카트리지 하우징(702)의 상부 측으로 또는 하부 측으로 초음파를 조사하도록 설치될 수 있다. 본 구현예에서와 같이 초음파 트랜스듀서(706)가 카트리지 하우징(702)의 하부 측으로 초음파를 조사하는 경우 카트리지 윈도우(708)는 카트리지 하우징(702)의 하면에 설치된다. 초음파 트랜스듀서(706)가 카트리지 하우징(702)의 상부 측으로 초음파를 조사하는 경우 카트리지 윈도우는 카트리지 하우징(702)의 상면에 설치된다. 초음파 발생 모듈(604)은 전원 라인(708)을 통해 복수의 초음파 트랜스듀서(706)에 전원을 공급하고, 제어 라인(710)을 통해 제어부(미도시됨)로부터의 제어 신호를 공급한다. 카트리지 하우징(702) 내부의 초음파 매질(703)을 순환시킬 수 있는 매질 순환 라인(714)을 더 포함하고, 매질 순환 라인(714)에는 초음파 매질의 온도를 측정하는 온도 센서(712)가 설치된다. 매질 순환 라인(714)은 전원 라인(708) 및 제어 라인(710)과 하나의 케이블 형태로 묶여서 구성될 수 있다. 매질 순환 라인(714)은 온도 센서(712)로부터 온도 정보를 전달받고, 카트리지 하우징(702) 내부의 매질이 초음파에 의해 미리 설정된 온도 이상으로 가열되는 경우 매질을 외부로 순환시킴으로써 매질의 온도를 적절한 온도로 유지시킨다. 초음파 발생 모듈(604)은 카트리지 하우징(702)에 위치되어 체크 밸브(716)를 더 구비한다. 체크 밸브(716)는 카트리지 하우징(702)의 내부에서 발생된 가스를 방출한다. 초음파 매질은 초음파에 의해 가열되어 가스를 생성할 수 있다. 가스는 카트리지 하우징(702) 내부에 기포로 존재하게 되므로 초음파의 전달을 방해한다.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 a) 단계에서 물냉이 및 물은 1:1 내지 1:20의 중량비로 혼합되며, 바람직하게는, 상기 중량비는 1:7.5 내지 1:15이다. 이 중량비에서 물냉이는 용매에 침지되지 않고 가장 잘 혼합되며, 집속초음파는 물냉이의 세포벽에 조사되어 활성성분이 가장 잘 용출될 수 있도록 한다.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 b) 단계는 20℃ 내지 40℃에서 수행하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 25℃ 내지 35℃의 온도이다. 40℃를 초과하는 온도로 열을 가할 경우 추출 수율이 증가되거나 추출공정 시간이 단축될 수 있는 이점은 있으나, 식물 또는 천연물과 같은 원재료는, 특히 그 안에 포함되어 있는 활성성분은 일반적으로 열에 의해 변성된다는 중요한 문제점이 있다. 따라서, 상기 b) 단계를 20℃ 내지 40℃의 저온에서 수행하는 것은 40℃를 초과하는 열을 필요로 하는 다른 공정에 비해 수율 및 순도 측면에서, 그리고 최종 생성물 내 활성성분의 온전성 측면에서 매우 유리하다.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 b) 단계를 상기 온도에서 수행하기 위하여 냉각장치와 같은 별도 장치가 필요할 수 있다. 집속초음파를 조사할 경우 매질의 온도가 종종 상승하는데, 이러한 온도를 특정 범위 내로 유지해주어야 한다.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 b) 단계 이후에 20 내지 40℃의 상온에서 숙성시키는 c) 단계를 더 포함할 수 있다.

특히 바람직하게는, 상기 b) 단계 및 c) 단계를 총 2회 내지 4회 반복하여 수행할 수 있으며, 더 바람직하게는 총 3회 반복하여 수행할 수 있다.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 b) 단계에서 고강도 집속초음파를 조사하는 동안 혼합물을 교반하는 것이 바람직하다.

상기 b) 단계는 3시간 내지 5시간 동안 수행하고, 더 바람직하게는 약 4시간 동안 수행한다. 상기 c) 단계는 30분 내지 2시간 동안 수행하고, 더 바람직하게는 약 1시간 동안 수행한다.

본 발명의 화학식 1로 표시되는 인돌 3-아세토니트릴-4-메톡시-2-S-β-D-글루코피라노시드(IAMG)를 포함하는 물냉이 추출물은 UVB를 조사시킨 정상 인간 피부 섬유아세포(NHDF)에서 세포 생존성을 개선시키고, MMP-1의 분비를 감소 조절시키고, 제1형 프로콜라겐의 합성을 증가 조절시킨다. 또한, 본 발명의 물냉이 추출물은 활성 폴리페놀 성분이 다량으로 포함되어 있다.

따라서, 본 발명의 물냉이 추출물을 포함하는 화장료 조성물은 자외선으로부터 유도된 피부 손상에 대한 피부재생 및 주름개선 효과가 탁월하며, 항산화 작용이 우수하다.

또한, 본 발명의 화장료 조성물의 생리활성성분은 천연물로부터 유래된 것이기 때문에 부작용이 거의 없거나 전혀 없이, 프리 라디칼을 제거하여 UVB 유래의 광노화를 방지할 수 있다.

도 1 내지 7은 본 발명에 따른 방법에 사용할 수 있는 집속초음파 기기의 예들을 도시한 것이다.
도 8은 제조예 1의 물냉이 추출물의 활성 페놀성분 및 비교 제조예 1의 물냉이 추출물의 활성 페놀성분을 분석한 결과이다.
도 9는 정상 인간 피부 섬유아세포(NHDF)에서 UVB를 조사한 경우 저하되는 세포 생존성이 본 발명에 따른 IAMG에 의해 회복될 수 있는지 여부를 확인하기 위한 것이다(비조사 대조군에 대하여 * p　< 0.05).
도 10a는 NHDF에 UVB를 조사한 경우 현저하게 증가한 매트릭스 메탈로프로테나아제-1(MMP-1)의 분비량이 본 발명에 따른 IAMG에 의해 정상 수준으로 회복, 즉 감소될 수 있는지 여부를 확인하기 위한 것이다.
도 10b는 NHDF에 UVB를 조사한 경우 현저하게 감소한 제1형 프로콜라겐의 분비량이 본 발명에 따른 IAMG에 의해 정상 수준으로 회복, 즉 증가될 수 있는지 여부를 확인하기 위한 것이다.
도 10a 및 10b에서, 수치들은 평균±표준편차이며, UVB 비조사 대조군에 대하여 *　p　< 0.05, **　p　< 0.01, ***　p　< 0.001이고, UVB 조사 대조군에 대하여 #　p　< 0.05, ##　p　< 0.01이다.

이하 본 발명을 실시예에 의해 보다 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에서 특별히 정의되지 않은 용어들에 대해서는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 의미를 갖는 것으로 이해되어야 할 것이다.

실험 재료 및 측정 방법

물냉이는 대한민국 경기도에서 2018년 8월에 구입하였다. 표본(Skedrm-20180818)은 대한민국 SKEDERM 코스메틱 R&D 센터 원물실에 예치하였다.

실리카 겔(200-300 mesh)은 Merck Co. Ltd로부터 구입하였다. Dulbecco's modified Eagle's medium(DMEM), 페니실린-스트렙토마이신 및 소태아혈청(FBS)은 모두 Gibco(Grand Island, NY, USA)사로부터 구입하였다. 2,2-아지노-비스(3-에틸벤조티아졸린-6-설폰산) 디암모늄 염(ABTS), 포타슘 퍼설페이트, 3-(4,5-디메틸티아졸-2-일)-2,5-디페닐테트라졸륨 브로마이드(MTT), 및 술폭시드(DMSO)는 Sigma-Aldrich(St. Louis, MO, USA)로부터 구입하였다. 제1형 프로콜라겐 및 MMP-1에 대한 효소결합면역흡착제 검정법(ELISA) 키트는 ABcam (Cambridge, UK)로부터 구입하였다.

NMR 스펙트럼은 Varian Inova-400 FT-NMR spectrometer(CA, USA)에 의하여 측정하였다(내부 표준 TMS, δ in ppm, J in Hz). HR-ESI-MS는 Bruker APEXII mass spectrometer에 의하여 측정하였다(m/z).

모든 데이터는 평균±표준 편차로서 제시하였다. 통계적 분석은 Dunnett's 테스트에 따라 일원 변량 분석하였다. *　p　< 0.05, **　p　< 0.01, 및 ***　p　< 0.001는 통계학적으로 유의적으로 고려되었다.

제조예 1

공기로 건조된 물냉이를 정제수로 세척한 후 분쇄하였다. 분쇄된 물냉이 2kg을 증류수 15L에 첨가하였다.

그 후, 도 1의 초음파 트랜스듀서에 구비되어 있는 타원형 발진체를 통해 생성한 1,800 W/cm²의 집속초음파를 상기 용액에 상온에서 4시간 동안 조사하였다. 이 때, 용액은 계속 교반하여 집속초음파가 물냉이 용액 전체에 균질하게 조사되도록 하였다. 이후, 집속초음파 처리된 물냉이 용액을 상온에서 1시간 동안 방치하였다.

상기 4시간 집속초음파 조사 및 이어서 1시간 방치 과정을 2회 더 반복하였다. 이어서, 증류수를 감압하에 제거하여 잔류물 215g을 채취하였으며, 물냉이 추출물을 수득하였다.

한편, 물냉이 추출물 내 생리활성성분을 동정하기 위하여, 물냉이 추출물을 증류수 내에 현탁시켰다가 헥산, CHCl₃, EtOAc 및 BuOH로 각각 추출하였으며, 34g, 8g, 6g 및 26g의 유기 추출물을 각각 수득하였다. BuOH 용해성 층은 정상 실리카 겔 컬럼 크로마토그래피를 적용하였으며, CHCl₃-MeOH-H₂O 혼합물 (7:1:0.1, 5:1:0.1, 3:1:0.1 및 1:1:0.1)로 용출시켜 6개 분획(분획 A 내지 F)을 수득하였다. 분획 B(1.3g)은 RP-C18 실리카 겔 크로마토그래피에 적용시켜 20% 수성 MeOH로 용출시키고, 7개의 하위 분획(B1 내지 B7)을 수득하였다. 하위 분획 B5(511mg)를 실리카 겔 컬럼 크로마토그래피에 적용시켜 CHCl₃-MeOH-H₂O(1:1:0.1)로 용출시키고 6개의 하위 분획(B51 내지 B56)을 수득하였다.

하위 분획 B53(102 mg)으로부터 인돌 3-아세토니트릴-4-메톡시-2-S-β-D-글루코피라노시드(IAMG) 12.3ng을 Sephadex LH-20 컬럼 크로마토그래피(100% MeOH) 에 의해 단리하였으며, 25% 수성 아세토니트릴의 등 용매 시스템으로 세미-예비 역상 실리카 겔 HPLC(유속 2.0 ml/min)을 통해 정제하였다.

상기 IAMG는 HR-ESIMS [M+Na]⁺에 의해 m/z 403.0931(C₁₇H₂0N₂O₆SNa⁺: 403.0940을 기준으로 계산함)로 분자량을 측정하였으며, 이에 따라 IAMG가 동정되었다.

비교 제조예 1

상기 제조예 1과 동일하게 진행하되, 도 1의 초음파 트랜스듀서에 구비되어 있는 타원형 발진체를 통해 생성한 1,800 W/cm²의 집속초음파를 상온에서 4시간 동안 조사하는 대신, 초음파추출기(Ilshin Lab, Daejeon, Korea)를 통해 생성한 500~700 W/cm²의 초음파를 상온에서 4시간 동안 조사하였다.

비교 제조예 2

상기 제조예 1과 동일하게 진행하되, 도 1의 초음파 트랜스듀서에 구비되어 있는 타원형 발진체를 통해 생성한 1,800 W/cm²의 집속초음파를 상온에서 4시간 동안 조사하는 대신, 80 내지 90℃의 온도에서 4시간 동안 열수추출하였다.

실험예 1. IAMG 수율

상기 제조예 1과 비교 제조예 1 및 2에서 수득된 물냉이 추출물 시료 각각에 대해 활성성분 IAMG 수율 및 함량을 확인하였으며 이는 표 1에 나타내었다.

시료	용매	초음파 전력(W)	추출 온도(℃)	활성성분 수율(%)
제조예 1	물	1,800	27	0.65 ± 0.12%
비교 제조예 1	물	500~700	27	0.11 ± 0.08%
비교 제조예 2	물	-	80~90	0.03 ± 0.02%

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 물냉이 추출물을 제조하는 방법으로서 집속초음파 기술을 사용하였으며, 이때 IAMG의 수율이 현저하게 높다는 것을 알 수 있다. 구체적으로 본 발명은 일반초음파 기술을 사용한 비교 제조예 1에 비하여 약 6배나 더 높으며, 열수 추출법을 사용한 비교 제조예 2에 비하여 무려 약 21.6배 더 높은 IAMG 수율을 나타내었다.

따라서, 본 발명의 물냉이 추출물에는 생리활성성분 IAMG가 현저하게 높은 수준으로 포함되어 있음을 알 수 있다.

실험예 2. 폴리페놀 수율

본 발명자들은 본 발명의 물냉이 추출물에 활성 폴리페놀이 고함량으로 포함되어 있다는 것을 또한 입증하였다.

추출물 내 페놀성 화합물의 함량의 확인을 위해 Folin Ciocalteau method를 하기 절차에 따라 수행하였다.

테스트 샘플 50 ㎕을 100 ㎕ 50% Folin Ciocalteau reagent와 혼합하고 2분간 실온에 방치하였다. 이어서, 2 ml 2% sodium carbonate와 혼합하고 30분간 실온에서 방치한 후, 흡광도 720 nm에서 페놀성 화합물의 함량을 측정하였다. 표준화 곡선(Calibration curve)의 스탠다드(Standard)는 Gallic acid가 사용되었고, 추출물 내 페놀성 화합물의 함량은 Gallic acid equivalents (GAE)와 비교하여 정량하였으며, 결과는 도 8에 나타내었다.

도 8에서 확인할 수 있듯이, 열수추출법에 따라 비교 제조예 2에서 제조한 물냉이 추출물은 주요활성성분인 Kaempferol-3-(caffeoyldiglucoside)-7-rhamnoside과 Quercetin-3-(cafferoyldiglucoside)-7-glucoside가 극소량 함유되어 있었다. 반면, 집속초음파를 이용한 본 발명의 제조방법에 따라 제조예 1에서 제조한 물냉이 추출물은 주요활성성분인 Kaempferol-3-(caffeoyldiglucoside)-7-rhamnoside의 경우 2.1배 더 많이 함유되어 있었으며, Quercetin-3-(cafferoyldiglucoside)-7-glucoside의 경우 2.5배 더 많이 함유되어 있었다. 즉, 종래 사용되어오던 열수추출법에 의해서는 원하는 수준으로 높은 함량을 얻지 못하는 페놀 활성성분이 본 발명의 방법에 따라 제조되는 추출물에는 유의적으로 높은 함량으로 얻게 된다.

참고로, 도 8의 그래프에서 좌측에 빨간색으로 표시된 부분에서 검출되는 성분은 항산화 활성에 영향을 주지 않는 고분자 페놀 성분이다. 열수추출에 따른 비교 제조예 2는 본 발명에 따른 제조예 1에 비해 항산화 활성을 나타내지 못하는 페놀 성분이 오히려 더 많이 검출된다는 것이 관찰되었다.

따라서, 본 발명에 따른 집속초음파 방법에 의해 제조되는 물냉이 추출물은 열수 추출법에 의해 제조되는 물냉이 추출물과 동일한 함량으로 화장품에 첨가하더라도 실제로 주 활성을 가지는 Kaempferol-3-(caffeoyldiglucoside)-7-rhamnoside와 Quercetin-3-(cafferoyldiglucoside)-7-glucoside가 훨씬 더 많은 양으로 함유되어 있으므로, 원하는 효과를 훨씬 효율적이고 경제적으로 얻을 수 있다.

실시예 및 비교예

건강하고 젊은 남성 공여자(MCTT Bio, Inc., Seoul, Korea)로부터 피부 생검에 의해 정상 인간 피부 섬유아세포(NHDF)를 수득하였다.

상기 세포는 1% 페니실린-스트렙토마이신 및 10% FBS를 함유하는 DMEM에서 37℃, 5% CO₂　가습 인큐베이터에서 배양하였다. 세포가 80~90% 컨플루언시(confluency)에 이르렀을 때, Bio-Link BLX-312 (Vilber Lourmat GmbH, Vilber Lourmat, Marne-la-Vallee, France)를 사용하여 UVB (140 mJ/cm²)를 조사하였다. 그후, 세포를 인산완충용액(PBS)으로 세척하고, 상기 IAMG (1, 5, 20 μM)를 무혈청 DMEM에서 처리하였다. UVB가 조사되지 않은 세포는 무혈청 DMEM 배지에서 배양하였다.

NHDF 세포에 UVB를 조사하였는지 여부와 IAMG의 처리 농도 및 처리 여부에 따라 실시예와 비교예로 나누고, 하기 표 2와 같이 명명하였다.

	처리
실시예 1	UVB 조사된 NHDF + IAMG 1 μM
실시예 2	UVB 조사된 NHDF + IAMG 5 μM
실시예 3	UVB 조사된 NHDF + IAMG 20 μM
비교예 1	UVB 비조사된 NHDF
비교예 2	UVB 비조사된 NHDF + IAMG 1 μM
비교예 3	UVB 비조사된 NHDF + IAMG 5 μM
비교예 4	UVB 비조사된 NHDF + IAMG 20 μM
비교예 5	UVB 조사된 NHDF

실험예 3

UVB 조사 후 IAMG (1, 10, 20 μM) 처리된 NHDF 세포의 생존성은 MTT 검정을 사용하여 평가하였다.

NHDF 세포(2×10⁵/35 mm²　디쉬)를 UVB (140 mJ/cm²) 조사시킨 후, IAMG로 72시간 동안 처리하였다. 1 mL MTT (100 μg/mL)를 첨가하고, 37℃에서 3시간 동안 배양하였다. 이어서, MTT 용액을 폐기하고, 보라색 포르마잔 결정이 800 μL의 살균 DMSO에서 용해되었다. 마지막으로, 디쉬를 10분 동안 상온에서 흔들었다. DMSO에 용해된 포르마잔 100-μL 부분의 광학 밀도 값은 마이크로플레이트 리더(Molecular Devices FilterMax5; San Francisco, CA, USA)를 사용하여 측정하였다.

UVB 조사 이후에는, NHDF의 밀도가 현저하게 줄어들었으며, 세포 생존성은 정상 대조군에 비하여(UVB 비-조사군) 겨우 76.5%였다(도 9 참조).

반면, IAMG 농도 1, 10, 20 μM로 각각 처리하였을 때, UVB 비조사된 NHDF 세포의 수준으로 재생되는 것을 확인할 수 있다. 따라서, UVB 조사된 NHDF의 세포 생존성이 IAMG의 처리에 의하여 개선되었음을 확인하였다.

실험예 4

IAMG(1, 10, 20 μM)를 정상 인간 피부 섬유아세포(NHDF)에 대해 72시간 동안 처리한 후, 배양 상청액에서 MMP-1 및 제1형 프로콜라겐의 생성량을 측정하였다. 이때 측정은 ELISA 키트를 사용하여 수행되었으며, 모든 실험 과정은 제조사의 프로토콜에 따라 이루어졌다.

MMP-1 및 제1형 프로콜라겐의 분비량에 대한 IAMG의 효과는 각각 도 10a 및 도 10b에 나타내었다.

UVB 조사 이후에 MMP-1의 분비는 NHDF 세포의 365.3%로 증가하였다. 여기에 20 μM 농도의 IAMG를 처리하였더니 MMP-1의 발현이 56.4% 억제되었다(도 10a 참조)

또한, IAMG는 UVB의 조사에 의하여 유도된 콜라겐 분해를 회복시킬 수 있다는 것을 놀랍게도 확인할 수 있었다. UVB 조사된 세포에서 제1형 프로콜라겐 분비는 UVB 조사되지 않은 세포에 비하여 51.4% 감소하였다. 그러나, IAMG를 20 μM 농도로 처리한 경우 89.6% 정도 감소되어 유의적인 수준으로 콜라겐 분해를 회복하는 것이 확인되었다.

Claims (10)

1. 자외선으로부터 유도된 피부 손상에 대한 피부재생 및 주름개선용 화장료 조성물로서,
   상기 조성물은
   a) 물냉이를 물과 혼합하는 단계;
   b) 상기 a) 단계에서 수득된 혼합물에 고강도 집속초음파를 3시간 내지 5시간 동안 조사하는 단계; 및
   c) 20 내지 40℃의 상온에서 30분 내지 2시간 동안 숙성시키는 단계;에 따라 제조된 물냉이 추출물을 포함하며,
   상기 물냉이 추출물은 하기 화학식 1로 표시되는 인돌 3-아세토니트릴-4-메톡시-2-S-β-D-글루코피라노시드를 함유하는 것인, 화장료 조성물:
   [화학식 1]
   

   

   .
2. 제1항에 있어서,
   상기 b) 단계는 20 내지 40℃의 상온에서 수행하는 것을 특징으로 하는 화장료 조성물.
3. 제1항에 있어서,
   상기 b) 단계 및 c) 단계는 총 2회 내지 4회 반복하여 수행되는 것을 특징으로 하는 화장료 조성물.
4. 제1항에 있어서,
   상기 a) 단계의 물냉이는 분쇄된 것을 특징으로 하는 화장료 조성물.
5. 제1항에 있어서,
   상기 b) 단계에서 고강도 집속초음파를 조사하는 동안 혼합물을 교반하는 것을 특징으로 하는 화장료 조성물.
6. 제1항에 있어서,
   상기 조성물은 항산화 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 화장료 조성물.
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