KR102414231B1 - Methods for the simultaneous extraction of astaxanthin, its derivatives, and lipids in high yield from cell wall-enhanced Haematococcus pluvialis - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단일 반응용기(one-pot) 방법으로 헤마토코커스 플루비알리스 내의 아스타잔틴, 아스타잔틴 유도체 및 지질을 동시에 추출하는 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 방법은 열과 빛에 의해 쉽게 분해되는 아스타잔틴을 고수율로 추출하고, 짧은 시간 및 저속 회전 파쇄 공정으로도 높은 아스타잔틴 회수율을 얻을 수 있는 효과가 있다. 따라서, 본 발명은 항산화 활성 및 항염증 활성을 나타내는 고부가가치 물질인 아스타잔틴을 에너지 효율적, 비용 효율적이며 더 단순하고 안전한 방법으로 추출하기 위한 방법으로 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.The present invention relates to a method for simultaneously extracting astaxanthin, astaxanthin derivatives and lipids from Haematococcus fluvialis by a one-pot method, and the method according to the present invention is easily performed by heat and light. There is an effect of extracting decomposed astaxanthin in a high yield, and obtaining a high astaxanthin recovery rate even in a short time and low-speed rotational crushing process. Therefore, the present invention is expected to be usefully used as a method for extracting astaxanthin, a high value-added substance exhibiting antioxidant activity and anti-inflammatory activity, in an energy-efficient, cost-effective, simpler and safer way.

Description

세포벽이 강화된 헤마토코커스 플루비알리스로부터 고수율로 아스타잔틴, 이의 유도체 및 지질의 동시 추출 방법 {Methods for the simultaneous extraction of astaxanthin, its derivatives, and lipids in high yield from cell wall-enhanced Haematococcus pluvialis}Methods for the simultaneous extraction of astaxanthin, its derivatives, and lipids in high yield from cell wall-enhanced Haematococcus pluvialis }

본 발명은 단일 반응용기(one-pot) 방법으로 헤마토코커스 플루비알리스(Haematococcus pluvialis) 내의 아스타잔틴(astaxanthin), 아스타잔틴 유도체 및 지질을 동시에 추출하는 방법 등에 관한 것이다.The present invention relates to a method of simultaneously extracting astaxanthin, astaxanthin derivatives and lipids in Haematococcus pluvialis in a single reaction vessel (one-pot) method, and the like.

헤마토코커스 플루비알리스(Haematococcus pluvialis)는 담수에서 서식하는 미세조류로서 카로테노이드인 아스타잔틴(astaxanthin)을 건조 중량의 3-5%로 축적하는 능력이 있다. 헤마토코커스 플루비알리스는 영양 고갈, 강한 광에 노출, 염도 증가, 너무 낮거나 높은 온도와 같은 다양한 스트레스에 대항하기 위해 포자 구조를 생성한다. 이 과정에서 스트레스에 저항하기 위해 지질, 카로테노이드(carotenoid)등 2차 대사 산물을 축적하는데, 그 중 적색을 띄는 케토카로테노이드(Ketocarotenoid)인 아스타잔틴(3,3'-dihydroxy-β,β'-carotene-4,4'-dione)은 항산화 효과가 매우 뛰어난 기능성 물질로 주목받고 있다.Haematococcus pluvialis ( Haematococcus pluvialis ) is a microalgae that lives in freshwater and has the ability to accumulate astaxanthin, a carotenoid, in 3-5% of dry weight. Haematococcus pluvialis produces spore structures to combat various stresses such as nutrient depletion, exposure to strong light, increased salinity, and temperatures that are too low or too high. In this process, secondary metabolites such as lipids and carotenoids are accumulated to resist stress, and among them, astaxanthin (3,3'-dihydroxy-β,β'- carotene-4,4'-dione) is attracting attention as a functional substance with excellent antioxidant effect.

헤마토코커스 세포 내에 존재하는 대부분의 아스타잔틴은 지방산 에스터(fatty acid ester)에 결합된 형태로 존재하며 팔미트산(palmitic acid; 16:0), 올레산(oleic acid; 18:1), 혹은 리놀레산(linoleic acid; 18:2)과 함께 모노- 혹은 다이에스터가 결합된 형태로 존재한다. 이러한 형태는 높은 극성을 가진 아스타잔틴 분자가 세포 내의 무극성인 지방 방울(lipid droplet) 안에 존재할 수 있도록 돕는다. 아스타잔틴은 헤마토코커스 포자 안에 70%가 모노에스터(monoesters), 25%가 다이에스터(diesters), 그리고 오직 5% 만이 유리형(free form)으로 존재한다.Most of astaxanthin present in Haematococcus cells exists in a form bound to a fatty acid ester, palmitic acid (16:0), oleic acid (18:1), or It exists in mono- or diester-bonded form with linoleic acid (18:2). This conformation helps the highly polar astaxanthin molecules to exist in non-polar lipid droplets within the cell. Astaxanthin is present in Haematococcus spores as 70% monoesters, 25% diesters, and only 5% free form.

이러한 아스타잔틴은 유해 활성산소를 없애는 항산화 기능성 물질로 베타-카로틴에 비해 양쪽 말단기에 하이드록실기(-OH)와 케톤기(=O)를 하나씩 더 가지는 독특한 분자 구조적 특성 때문에 기존의 항산화 물질보다 월등히 높은 항산화 활성을 갖는다. 아스타잔틴은 대표적인 항산화제인 비타민 E보다 500배, 베타-카로틴보다 20배 정도 높은 항산화 활성을 지닌다. 이러한 높은 항산화 활성 기능으로 인해 아스타잔틴은 의약품, 식품 첨가제 및 동물과 치어의 사료 첨가제로 널리 사용되고 있고, 그 수요량 및 활용 범위가 급격히 확대될 것으로 예상되고 있다.Astaxanthin is an antioxidant functional substance that removes harmful free radicals. Compared to beta-carotene, it has one more hydroxyl group (-OH) and one ketone group (=O) at both terminal groups. It has significantly higher antioxidant activity. Astaxanthin has antioxidant activity that is 500 times higher than vitamin E, a representative antioxidant, and 20 times higher than beta-carotene. Due to this high antioxidant activity, astaxanthin is widely used as pharmaceuticals, food additives, and feed additives for animals and fry, and its demand and application range is expected to rapidly expand.

상기와 같은 수요량 증대 및 활용 범위의 확대로 인하여 아스타잔틴을 고수율로 추출하기 위한 기술의 개발 또한 활발히 진행되고 있다. 아스타잔틴을 고농도로 축적시키기 위해서는 헤마토코커스 플루비알리스를 스트레스 조건(높은 온도, 높은 염농도, 낮은 질소 농도, 빛 제거)에서 배양하는데, 이 때 세포벽이 매우 강화되어 세포 내 유리 아스타잔틴, 아스타잔틴 유도체 및 지질을 효과적으로 추출하는데 기술적으로 어려움이 있어 왔다. 또한, 아스타잔틴은 열 및 빛에 매우 취약하여 쉽게 분해되는 성질이 있어 위와 같이 강화된 세포를 강한 물리적 방법으로 파쇄하는 경우 아스타잔틴 또한 분해되어 수율이 매우 저하되는 문제점이 있었다.Due to the increase in demand and the expansion of the range of use as described above, the development of a technology for extracting astaxanthin in a high yield is also being actively conducted. In order to accumulate astaxanthin at a high concentration, Haematococcus fluvialis is cultured under stress conditions (high temperature, high salt concentration, low nitrogen concentration, light removal). There have been technical difficulties in effectively extracting astaxanthin derivatives and lipids. In addition, astaxanthin is very vulnerable to heat and light and has a property of being easily decomposed, so when the astaxanthin is decomposed by a strong physical method as above, astaxanthin is also decomposed and the yield is very reduced.

현재까지 강화된 세포벽 안에 있는 유리 아스타잔틴, 아스타잔틴 유도체 및 지질을 추출하기 위해서 통상 세포벽을 파괴하는 다양한 전처리 공정(기계적 분쇄, 강산 및 강염기를 활용하는 화학적 처리, 이온성 액체 활용, 고온 고압 처리, 효소적 분해, 휴면 방출 세포 격막 파열, 스위칭 가능 친수성 용매 등)이 활용되어 왔으나, 강화된 세포벽이 완전히 파괴되지 못하고 전처리 공정에서 매우 많은 에너지가 소모되는 문제가 있다. 또한, 일부 화학물질은 매우 고가이며 장시간 처리해야 하고, 전처리 공정 시 아스타잔틴이 비활성화 되는 문제점이 있어 왔다. 나아가 전처리 공정 이후 다양한 추출방법(속슬렛 추출, 초임계 이산화탄소 추출, 유기용매 회분식 추출, 초음파 추출 등)이 제시되어 있지만, 전처리 공정-추출 공정을 연계할 경우 아스타잔틴의 수율이 8 내지 23 mg/g 로 다소 낮은 문제도 있다.In order to extract free astaxanthin, astaxanthin derivatives, and lipids in the reinforced cell wall to date, various pretreatment processes (mechanical grinding, chemical treatment using strong acids and strong bases, use of ionic liquids, high temperature and high pressure) that usually destroy the cell wall treatment, enzymatic degradation, dormant release cell septum rupture, switchable hydrophilic solvent, etc.) have been used, but there is a problem in that the reinforced cell wall is not completely destroyed and a lot of energy is consumed in the pretreatment process. In addition, some chemicals are very expensive and have to be treated for a long time, and there has been a problem in that astaxanthin is deactivated during the pretreatment process. Furthermore, various extraction methods (Soxhlet extraction, supercritical carbon dioxide extraction, organic solvent batch extraction, ultrasonic extraction, etc.) have been proposed after the pretreatment process, but when the pretreatment process-extraction process is linked, the yield of astaxanthin is 8 to 23 mg There is also a slightly lower problem with /g .

이에 본 발명자들은 기존의 2단계로 이루어진 헤마토코커스 플루비알리스의 전처리-추출 공정의 단점을 극복하기 위하여 1단계의 단일 반응용기(one-pot) 방법을 통해 낮은 온도 및 짧은 시간에 헤마토코커스 플루비알리스의 세포벽을 파괴함과 동시에 아스타잔틴을 추출하는 방법을 개발하여 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors have developed Hematococcus fluvialis at low temperature and in a short time through a one-pot method in order to overcome the disadvantages of the existing two-step pretreatment-extraction process. The present invention was completed by developing a method for destroying the cell wall of Fluvialis and extracting astaxanthin at the same time.

Cheng, X.; Qi, Z.B.; Burdyny, T.; Kong, T.; Sinton, D. Low pressure supercritical CO2 extraction of astaxanthin from Haematococcus pluvialis demonstrated on a microfluidic chip. Bioresour. Technol. 2018, 250, 481-485. Cheng, X.; Qi, Z. B.; Burdyny, T.; Kong, T.; Sinton, D. Low pressure supercritical CO2 extraction of astaxanthin from Haematococcus pluvialis demonstrated on a microfluidic chip. Bioresour. Technol. 2018, 250, 481-485.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 헤마토코커스 플루비알리스(Haematococcus pluvialis)로부터 아스타잔틴(astaxanthin)을 동시에 추출하는 방법을 제공하는 것이다.The present invention has been devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a method for simultaneously extracting astaxanthin from Haematococcus pluvialis .

그러나 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the technical task to be achieved by the present invention is not limited to the tasks mentioned above, and other tasks not mentioned can be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the following description. will be.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 하기의 단계를 포함하는 헤마토코커스 플루비알리스(Haematococcus pluvialis)로부터 아스타잔틴(astaxanthin)의 동시 추출 방법을 제공한다:In order to achieve the object of the present invention as described above, the present invention provides a simultaneous extraction method of astaxanthin from Haematococcus pluvialis comprising the following steps:

(a) 헤마토코커스 플루비알리스를 에틸 아세테이트(ethyl acetate), 에틸 락테이트(ethyl lactate) 및 아이소아밀 아세테이트(isoamyl acetate)로 이루어진 군으로부터 선택된 용매에 현탁시키는 단계;(a) suspending Haematococcus fluvialis in a solvent selected from the group consisting of ethyl acetate, ethyl lactate and isoamyl acetate;

(b) 상기 용매에 현탁된 헤마토코커스 플루비알리스를 파쇄함과 동시에 아스타잔틴을 추출하는 단계; 및(b) extracting astaxanthin while crushing Haematococcus fluvialis suspended in the solvent; and

(c) 상기 단계 (b)로부터 수득한 추출물을 여과하는 단계.(c) filtering the extract obtained from step (b).

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 헤마토코커스 플루비알리스는 NIES-144 균주일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the Haematococcus fluvialis may be a strain NIES-144, but is not limited thereto.

본 발명의 다른 구현예에 있어서, 상기 아스타잔틴은 유리(free) 아스타잔틴일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In another embodiment of the present invention, the astaxanthin may be free astaxanthin, but is not limited thereto.

본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 방법은 유리 아스타잔틴, 아스타잔틴 유도체 및 지질을 동시에 추출하는 것을 특징으로 할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In another embodiment of the present invention, the method may be characterized in that free astaxanthin, astaxanthin derivative and lipid are simultaneously extracted, but is not limited thereto.

본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 방법은 헤마토코커스 플루비알리스 세포벽의 파괴 및 아스타잔틴의 추출이 동시에 이루어지는 것일 수 있다.In another embodiment of the present invention, in the method, the destruction of the Haematococcus fluvialis cell wall and the extraction of astaxanthin may be performed at the same time.

본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 방법은 단일 반응용기(one-pot) 공정으로 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In another embodiment of the present invention, the method may be carried out in a one-pot process, but is not limited thereto.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 방법은 60 ℃ 이하에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the method may be carried out at 60 ℃ or less, but is not limited thereto.

본 발명의 다른 구현예에 있어서, 상기 단계 (a)의 헤마토코커스 플루비알리스에 대한 용매의 질량 비율은 1:5 내지 1:20인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In another embodiment of the present invention, the mass ratio of the solvent to Hematococcus fluvialis in step (a) may be 1:5 to 1:20, but is not limited thereto.

본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 단계 (b)는 10 ℃ 내지 60 ℃에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In another embodiment of the present invention, step (b) may be performed at 10 °C to 60 °C, but is not limited thereto.

본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 단계 (b)는 불활성 기체 하에서 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In another embodiment of the present invention, the step (b) may be performed under an inert gas, but is not limited thereto.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 단계 (b)는 볼 밀(ball mill) 공정에 의해 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the step (b) may be performed by a ball mill process, but is not limited thereto.

본 발명의 다른 구현예에 있어서, 상기 볼 밀 공정은 100 내지 200 rpm의 회전 속도로 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In another embodiment of the present invention, the ball mill process may be performed at a rotation speed of 100 to 200 rpm, but is not limited thereto.

본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 볼 밀 공정은 5 내지 30분 동안 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In another embodiment of the present invention, the ball mill process may be performed for 5 to 30 minutes, but is not limited thereto.

본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 볼 밀 공정은 100 rpm의 회전 속도로 15분 동안 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In another embodiment of the present invention, the ball mill process may be performed for 15 minutes at a rotation speed of 100 rpm, but is not limited thereto.

본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 볼 밀 공정은 200 rpm의 회전 속도로 10분 동안 수행 될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In another embodiment of the present invention, the ball mill process may be performed for 10 minutes at a rotation speed of 200 rpm, but is not limited thereto.

본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 볼 밀 공정은 5 내지 10분의 볼 밀링 시간과 5 내지 10분의 일시 정지를 반복하여 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In another embodiment of the present invention, the ball mill process may be repeatedly performed with a ball milling time of 5 to 10 minutes and a pause of 5 to 10 minutes, but is not limited thereto.

본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 볼 밀 공정은 지르코니아(zirconia) 재질의 볼(ball)을 이용하여 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In another embodiment of the present invention, the ball mill process may be performed using a ball made of zirconia, but is not limited thereto.

본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 지르코니아 볼은 지름이 2.5 내지 10 mm인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In another embodiment of the present invention, the zirconia ball may have a diameter of 2.5 to 10 mm, but is not limited thereto.

또한, 본 발명은 상기 단계 (a) 이전에 하기의 단계를 더 포함할 수 있는 헤마토코커스 플루비알리스로부터 아스타잔틴의 동시 추출 방법을 제공한다:In addition, the present invention provides a method for simultaneous extraction of astaxanthin from Haematococcus fluvialis, which may further include the following steps before step (a):

(a-1) 헤마토코커스 플루비알리스를 부동포자(aplanospore) 단계까지 성장시키는 단계; 및(a-1) growing Haematococcus fluvialis to an aplanospore stage; and

(a-2) 부동포자 단계의 헤마토코커스 플루비알리스를 수확하여 동결 건조하는 단계.(a-2) Harvesting and freeze-drying Hematococcus fluvialis in the immobilization stage.

또한, 본 발명은 상기 단계 (c)에서 수득한 여과물에서 용매를 제거하는 단계를 더 포함하는 하는, 헤마토코커스 플루비알리스로부터 아스타잔틴의 동시 추출 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for simultaneous extraction of astaxanthin from Haematococcus fluvialis, which further comprises the step of removing the solvent from the filtrate obtained in step (c).

본 발명에 따른 추출 방법을 이용하면, 헤마토코커스 플루비알리스(Haematococcus pluvialis)로부터 아스타잔틴(astaxanthin), 아스타잔틴 유도체 및 지질을 동시에 추출할 수 있으며, 습식 볼 밀링 공정으로 낮은 온도에서 짧은 시간 안에 세포벽이 파과됨과 동시에 추출이 이루어지므로 추출된 아스타잔틴의 분해 반응을 최소화하여 고수율을 달성할 수 있는 효과가 있다. 따라서, 본 발명은 항산화 및 항암활성을 가지는 아스타잔틴을 대량으로 생산하기 위해 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.Using the extraction method according to the present invention, astaxanthin, astaxanthin derivatives and lipids can be simultaneously extracted from Haematococcus pluvialis , Since the extraction is made at the same time as the cell wall breaks through within time, there is an effect of minimizing the decomposition reaction of the extracted astaxanthin to achieve a high yield. Therefore, it is expected that the present invention can be usefully used to produce a large amount of astaxanthin having antioxidant and anticancer activity.

도 1은 헤마토코커스 플루비알리스로부터 단일 반응용기 방법에 의한 세포벽 파괴와 아스타잔틴의 동시 추출 과정을 도식적으로 나타낸 도이다.
도 2는 볼 밀의 디지털 카메라 이미지로서, 좌측(a) 이미지는 건식 분쇄한 경우, 우측(b) 이미지는 습식 분쇄한 경우를 나타낸 도이다(ⅰ, 볼 밀링 직후의 상태; ⅱ, 보울 벽면의 케이크 층 형성 여부; ⅲ, 지르코니아 볼 표면에 케이크 코팅 여부).
도 3a 내지 도 3c는 단일 반응용기 방법 및 2단계 방법을 비교한 도로서, 도 3a는 200 rpm에서 조건에서 아스타잔틴의 추출 수율(%) 및 회수율(mg/g)을 비교한 도이고, 도 3b는 좌측부터 각각 볼 밀링 전, 2단계 방법 수행 후, 단일 반응용기 방법 수행 후의 헤마토코커스 플루비알리스 포낭 세포를 각각 디지털 카메라(상단) 및 주사전자현미경(중단 및 하단)으로 촬영한 이미지이고, 도 3c는 HPLC 크로마토그램으로서 각각 (a)는 1000 ppm의 농도로 DMSO에 용해된 아스타잔틴 표준, (b)는 헤마토코커스 플루비알리스의 세포벽 파괴 없이 65 ℃에서 24시간 동안 아세톤으로 속슬렛 추출한 경우, (c)는 2단계 방법으로 추출한 경우, (d) 및 (e)는 단일 반응용기 방법으로 추출한 경우로서 각각 비누화 전(d) 및 후(e)를 나타낸 것이다.
도 4는 세포벽 파괴, 고형 잔류물의 잔류 적색 함량, 액체 추출물에서의 총 아스타잔틴 회수율에 대한 볼 밀링 속도 및 시간의 영향을 나타낸 도이다.
도 5는 고체 잔류물의 잔류 적색 함량 및 총 아스타잔틴 회수율에 대한 용매의 효과를 나타낸 도이다(a, 추출 전 동결건조된 헤마토코커스 플루비알리스 포낭 세포; b 내지 e, 추출 후 수집된 세포 파편의 디지털 카메라 이미지; b, 에탄올; c, 아세톤; d, 아이소프로필 알코올; e, 헥세인; f, 에틸 아세테이트).
도 6은 에틸 아세테이트, 에틸 락테이트, 아이소밀 아세테이트, 에탄올 또는 아세톤을 용매로 사용하여 본 발명에 따른 단일 반응용기 방법으로 젖은 헤마토코커스 플루비알리스로부터 분쇄 및 추출한 경우의 아스타잔틴 추출 수율(%) 및 회수율(mg/g)을 비교한 그래프이다.
1 is a diagram schematically illustrating the cell wall destruction and simultaneous extraction of astaxanthin from Haematococcus fluvialis by a single reaction vessel method.
2 is a digital camera image of the ball mill. The left (a) image is dry grinding, and the right (b) image is wet grinding (i, state immediately after ball milling; ii, cake on the wall of the bowl) Whether a layer is formed; iii, whether a cake is coated on the surface of the zirconia balls).
Figures 3a to 3c are a road comparing the single reaction vessel method and the two-step method, Figure 3a is a diagram comparing the extraction yield (%) and recovery (mg / g) of astaxanthin under the condition at 200 rpm, 3B is an image taken with a digital camera (top) and a scanning electron microscope (middle and bottom), respectively, of Hematococcus fluvialis cyst cells from the left before ball milling, after performing the two-step method, and after performing the single reaction vessel method, respectively 3c is an HPLC chromatogram, where (a) is an astaxanthin standard dissolved in DMSO at a concentration of 1000 ppm, (b) is acetone at 65 ° C. for 24 hours without destruction of the cell wall of Haematococcus fluvialis. In the case of Soxhlet extraction, (c) is the case of extraction by the two-step method, (d) and (e) are the case of extraction using the single reaction vessel method, respectively, before (d) and after (e) saponification.
4 is a diagram showing the effect of ball milling speed and time on cell wall disruption, residual red content of solid residues, and total astaxanthin recovery in liquid extracts.
5 is a diagram showing the effect of the solvent on the residual red content of the solid residue and the total astaxanthin recovery rate (a, lyophilized Hematococcus fluvialis cyst cells before extraction; b to e, cells collected after extraction Digital camera images of fragments; b, ethanol; c, acetone; d, isopropyl alcohol; e, hexane; f, ethyl acetate).
6 is a graph showing the astaxanthin extraction yield ( %) and a graph comparing the recovery rate (mg/g).

본 발명의 단일 반응용기(one-pot), 동시 세포벽 파괴 및 추출 공정은 헤마토코커스 플루비알리스 및 아세테이트 계열의 유기용매를 볼 밀(ball mill) 챔버에 도입하고, 100 내지 200 rpm의 낮은 회전속도에서 10 내지 30분의 짧은 시간 동안 볼 밀 공정을 수행하였을 경우, 강화된 세포벽이 효과적으로 파괴됨과 동시에 세포벽 안에 존재하는 유리 아스타잔틴, 아스타잔틴 유도체 및 지질이 효과적으로 용해되어 나온다는 사실을 발견하여 본 발명을 완성하였다. 상기 방법에 의해 수득한 아스타잔틴은 32 mg/g 의 매우 높은 수율을 나타냈다.In the one-pot, simultaneous cell wall destruction and extraction process of the present invention, Haematococcus fluvialis and an acetate-based organic solvent are introduced into a ball mill chamber, and low rotation of 100 to 200 rpm When the ball mill process was performed for a short time of 10 to 30 minutes at the speed, it was found that the reinforced cell wall is effectively destroyed and at the same time, free astaxanthin, astaxanthin derivatives and lipids present in the cell wall are effectively dissolved and released. The present invention was completed. Astaxanthin obtained by the above method showed a very high yield of 32 mg/g.

본 발명의 일 실시예에서는 단일 반응용기(one-pot) 방법을 이용하여 건조된 헤마토코커스 플루비알리스의 분쇄 및 추출을 단일 공정에 의해 수행함으로써 효율적으로 아스타잔틴 등을 추출하는 방법을 밝혀냈다(실시예 1 참조).In an embodiment of the present invention, a method of efficiently extracting astaxanthin and the like was discovered by performing grinding and extraction of dried Haematococcus fluvialis by a single process using a one-pot method. (See Example 1).

또한, 본 발명의 일 실시예에서는 본 발명에 따른 단일 반응용기 방법과 2단계 방법을 비교 분석한 결과, 본 발명의 단일 반응용기 방법에 따른 동시 추출 방법이 더 높은 아스타잔틴 회수율 및 지질 추출 수율을 가짐을 확인하였다(실시예 2 참조). In addition, in one embodiment of the present invention, as a result of comparative analysis of the single reaction vessel method and the two-step method according to the present invention, the simultaneous extraction method according to the single reaction vessel method of the present invention has a higher astaxanthin recovery rate and lipid extraction yield It was confirmed that it has (see Example 2).

본 발명의 또 다른 실시예에서는 볼 밀 공정의 방식, 회전 속도 및 공정 시간에 따른 추출 효율을 비교함으로써, 낮은 회전속도 및 짧은 공정 시간에도 불구하고 더 높은 아스타잔틴 회수율 및 지질 추출 수율을 나타냄을 보여주었다(실시예 3 참조).In another embodiment of the present invention, by comparing the extraction efficiency according to the method, rotation speed and process time of the ball mill process, it shows a higher astaxanthin recovery rate and lipid extraction yield despite a low rotation speed and a short process time shown (see Example 3).

본 발명의 또 다른 실시예에서는 동결건조된 헤마토코커스 플루비알리스를 본 발명에 따른 단일 반응용기 방법으로 각각 용매를 달리하여 추출 수율 및 아스타잔틴 회수율을 비교한 결과 에틸 아세테이트 용매를 사용하는 경우 에탄올 또는 아세톤 용매를 사용하는 경우와 같이 최대 수율로 아스타잔틴을 얻을 수 있음을 확인하였다(실시예 4 참조).In another embodiment of the present invention, as a result of comparing the extraction yield and astaxanthin recovery rate of lyophilized Hematococcus fluvialis in a single reaction vessel method according to the present invention by using different solvents, ethyl acetate solvent is used. It was confirmed that astaxanthin can be obtained in the maximum yield as in the case of using ethanol or acetone solvent (see Example 4).

본 발명의 또 다른 실시예에서는 동결건조에 따라 추가적으로 소요되는 에너지를 절감하기 위해 젖은 헤마토코커스 플루비알리스를 본 발명에 따른 단일 반응용기 방법으로 분쇄 및 추출하였으며, 용매로서 에틸 아세테이트, 에틸 락테이트 또는 아이소아밀 아세테이트를 사용하는 경우 최대 수율로 아스타잔틴을 회수할 수 있음을 확인하였다(실시예 5 참조).In another embodiment of the present invention, wet Haematococcus fluvialis was pulverized and extracted by the single reaction vessel method according to the present invention in order to save additional energy required for freeze-drying, and ethyl acetate, ethyl lactate as solvents Alternatively, it was confirmed that astaxanthin can be recovered in the maximum yield when isoamyl acetate is used (see Example 5).

또한, 본 발명의 다른 실시예에서는 에틸 아세테이트, 에틸 락테이트 또는 아이소아밀 아세테이트의 아세테이트 계열 용매를 사용하여 추출한 경우 아세톤 또는 에탄올로 추출한 경우와 비교하여 더 우수한 항산화 활성 및 항라디칼 활성을 나타냄을 확인하였다(실시예 6 참조).In addition, in another embodiment of the present invention, it was confirmed that when the extraction was performed using an acetate-based solvent of ethyl acetate, ethyl lactate or isoamyl acetate, better antioxidant activity and anti-radical activity were exhibited as compared to the case of extraction with acetone or ethanol. (See Example 6).

상기와 같은 결과를 종합하면, 단일 반응용기 방법에 의한 동시 추출 방법은 헤마토코커스 플루비알리스로부터 아스타잔틴(astaxanthin), 아스타잔틴 유도체 및 지질을 고수율로 동시에 추출할 수 있으며, 특히 에틸 아세테이트, 에틸 락테이트 및 아이소아밀 아세테이트를 용매로 하여 추출하는 경우에는 에탄올 또는 아세톤을 용매로 이용하는 경우보다 더욱 향상된 회수율로 아스타잔틴을 얻을 수 있음을 증명한 것이다. Summarizing the above results, the simultaneous extraction method by the single reaction vessel method can simultaneously extract astaxanthin, astaxanthin derivatives and lipids from Haematococcus fluvialis in high yield, especially ethyl In the case of extraction using acetate, ethyl lactate, and isoamyl acetate as a solvent, it is proved that astaxanthin can be obtained with a more improved recovery rate than when ethanol or acetone is used as a solvent.

따라서, 본 발명은 하기의 단계를 포함하는 헤마토코커스 플루비알리스(Haematococcus pluvialis)로부터 아스타잔틴(astaxanthin)을 동시에 추출하는 방법을 제공할 수 있다:Accordingly, the present invention can provide a method for simultaneously extracting astaxanthin from Haematococcus pluvialis comprising the following steps:

(a) 건조된 헤마토코커스 플루비알리스를 에틸 아세테이트(ethyl acetate), 에틸 락테이트(ethyl lactate) 및 아이소아밀 아세테이트(isoamyl acetate)로 이루어진 군으로부터 선택된 용매에 현탁시키는 단계;(a) suspending the dried Haematococcus fluvialis in a solvent selected from the group consisting of ethyl acetate, ethyl lactate and isoamyl acetate;

(b) 상기 용매에 현탁된 헤마토코커스 플루비알리스를 파쇄함과 동시에 아스타잔틴을 추출하는 단계; 및(b) extracting astaxanthin while crushing Haematococcus fluvialis suspended in the solvent; and

(c) 상기 단계 (b)로부터 수득한 추출물을 여과하는 단계.(c) filtering the extract obtained from step (b).

본 발명의 다른 양태로서, 본 발명은 상기 단계 (a) 이전에 하기의 단계를 더 포함할 수 있는, 헤마토코커스 플루비알리스로부터 아스타잔틴을 동시에 추출하는 방법을 제공할 수 있다:As another aspect of the present invention, the present invention may provide a method for simultaneously extracting astaxanthin from Haematococcus fluvialis, which may further include the following steps before step (a):

(a-1) 헤마토코커스 플루비알리스를 부동포자(aplanospore) 단계까지 성장시키는 단계; 및(a-1) growing Haematococcus fluvialis to an aplanospore stage; and

(a-2) 부동포자 단계의 헤마토코커스 플루비알리스를 수확하여 동결 건조하는 단계.(a-2) Harvesting and freeze-drying Hematococcus fluvialis in the immobilization stage.

본 발명의 또 다른 양태로서, 본 발명은 상기 단계 (c)에서 수득한 여과물에서 용매를 제거하는 단계를 더 포함하는, 헤마토코커스 플루비알리스로부터 아스타잔틴을 동시에 추출하는 방법을 제공할 수 있다.As another aspect of the present invention, the present invention provides a method for simultaneously extracting astaxanthin from Haematococcus fluvialis, further comprising removing the solvent from the filtrate obtained in step (c). can

본 발명에 있어서, 본 발명의 헤마토코커스 플루비알리스는 NIES-144 균주일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In the present invention, the Haematococcus fluvialis of the present invention may be a strain of NIES-144, but is not limited thereto.

또한 본 발명에 있어서, 본 발명에 따른 아스타잔틴은 유리(free) 아스타잔틴일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In addition, in the present invention, astaxanthin according to the present invention may be free (free) astaxanthin, but is not limited thereto.

또한, 본 발명에 따른 방법은 유리 아스타잔틴, 아스타잔틴 유도체 및 지질을 동시에 추출할 수 있다.In addition, the method according to the present invention can extract free astaxanthin, astaxanthin derivative and lipid at the same time.

본 명세서에서 사용된 용어, "아스타잔틴 유도체"란 탄소수 16 내지 18의 지방산 클러스터(fatty acid cluster)를 포함하는 아스타잔틴 모노에스터(monoester) 또는 아스타잔틴 다이에스터(diester)를 의미한다.As used herein, the term "astaxanthin derivative" refers to an astaxanthin monoester or astaxanthin diester containing a fatty acid cluster having 16 to 18 carbon atoms.

본 명세서에서 사용된 용어, "지질"이란 중성지질(neutral lipids), 인지질(phospholipids) 및 당지질(glycolipids)을 포함하는 지방산(fatty acids) 및 지용성 비타민을 총칭하는 개념으로 사용되었다.As used herein, the term "lipid" is used as a generic term for fatty acids and fat-soluble vitamins including neutral lipids, phospholipids, and glycolipids.

본 발명에 있어서, 건조된 헤마토코커스 플루비알리스로부터 아스타잔틴 등을 추출하기 위한 용매로서, 에탄올, 아세톤, 에틸 아세테이트, 에틸 락테이트 또는 아이소아밀 아세테이트 등의 유기 용매가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 아세테이트 계열의 용매를 사용할 수 있다. 에탄올, 아세톤 등의 용매로도 아스타잔틴을 추출할 수는 있으나, 상기 용매는 물과 같은 극성 용매이기 때문에, 두 용매가 섞여서 에탄올 또는 아세톤 등을 제거하는 데 추가적인 노력과 비용이 소요되는 단점이 있다. 반면, 아세테이트 계열 용매는 아스타잔틴, 아스타잔틴 유도체 및 지질에 대하여 높은 용해도를 갖음과 동시에 물과 섞이지 않아 층을 이루므로 용매로부터 상기 아스타잔틴 등을 추출할 때 시간 및 비용이 적게 드는 장점이 있다. 또한, 아세테이트 계열 용매를 사용하면 최대 아스타잔틴 수율인 약 30 mg/g 이상의 회수율을 달성할 수 있으며, 이는 에탄올, 아세톤 등의 용매를 사용한 경우의 회수율과 비교하여 동등하거나 더 향상된 것이다. 따라서, 본 발명에 일 실시예에서는 아세테이트 계열의 용매를 사용하였다.In the present invention, an organic solvent such as ethanol, acetone, ethyl acetate, ethyl lactate or isoamyl acetate may be used as a solvent for extracting astaxanthin and the like from the dried Haematococcus fluvialis, preferably may use an acetate-based solvent. Astaxanthin can also be extracted with a solvent such as ethanol or acetone, but since the solvent is a polar solvent such as water, the two solvents are mixed to remove the ethanol or acetone, and additional effort and cost are required. have. On the other hand, the acetate-based solvent has high solubility in astaxanthin, astaxanthin derivatives and lipids, and at the same time does not mix with water to form a layer. There is this. In addition, when an acetate-based solvent is used, a recovery rate of about 30 mg/g or more, which is the maximum astaxanthin yield, can be achieved, which is equivalent to or improved compared to the recovery rate when a solvent such as ethanol or acetone is used. Therefore, in one embodiment of the present invention, an acetate-based solvent was used.

상기 아세테이트 계열 용매로는 에틸 아세테이트(ethyl acetate), 에틸 락테이트(ethyl lactate) 또는 아이소아밀 아세테이트(isoamyl acetate) 등이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.As the acetate-based solvent, ethyl acetate, ethyl lactate, or isoamyl acetate may be used, but is not limited thereto.

본 발명에 있어서, 본 발명에 따른 방법은 헤마토코커스 플루비알리스 세포벽의 파괴 및 아스타잔틴의 추출이 동시에 이루어질 수 있다.In the present invention, in the method according to the present invention, destruction of the Haematococcus fluvialis cell wall and extraction of astaxanthin can be performed simultaneously.

또한 본 발명에 있어서, 상기 방법은 단일 반응용기(one-pot) 공정으로 수행될 수 있다. 보다 구체적으로, 파쇄 공정 또는 전처리 공정 이후 추출 공정을 수행하는 2단계 방법과 비교하여, 본 발명에 따른 방법은 단일 반응용기에서 파쇄 및 추출 공정이 동시에 이루어지기 때문에 고효율, 저비용으로도 고수율의 아스타잔틴 등을 추출할 수 있는 장점이 있다.In addition, in the present invention, the method may be performed in a single reaction vessel (one-pot) process. More specifically, compared to the two-step method of performing the extraction process after the crushing process or the pretreatment process, the method according to the present invention provides high yield even at high efficiency and low cost because the crushing and extraction processes are simultaneously performed in a single reaction vessel. It has the advantage of being able to extract Tarxanthin and the like.

본 발명에 있어서, 본 발명에 따른 추출 방법의 모든 단계는 60 ℃ 이하에서 수행될 수 있으며, 이로 인하여 유리 아스타잔틴 및 아스타잔틴 유도체의 분해를 최소화할 수 있다.In the present invention, all steps of the extraction method according to the present invention may be performed at 60 ° C. or less, thereby minimizing the decomposition of free astaxanthin and astaxanthin derivatives.

또한, 본 발명에 있어서 건조된 헤마토코커스 플루비알리스를 용매에 현탁시킬 때, 질량 비율은 1:5 내지 1:20 (건조 헤마토코커스 플루비알리스의 질량 : 용매의 질량) 일 수 있다. 예를 들어 건도 헤마토코커스 시료 1 g에 대하여 용매를 5 g 내지 20 g을 사용하여 현탁한 후, 볼 밀 공정 등으로 파쇄 및 추출 단계를 시행할 수 있다.Further, in the present invention, when the dried H. fluvialis is suspended in a solvent, the mass ratio may be 1:5 to 1:20 (mass of dried H. fluvialis: mass of solvent). For example, after suspending 5 g to 20 g of a solvent with respect to 1 g of a dry hematococcus sample, the crushing and extraction steps may be performed by a ball mill process or the like.

또한 본 발명에 있어서, 상기 단계 (b)의 파쇄 및 동시 추출 단계는 10 ℃ 내지 60 ℃에서 수행될 수 있다. 이로써 파쇄 및 추출 공정 동안 마찰열에 의한 아스타잔틴 등의 분해를 방지할 수 있다. In addition, in the present invention, the crushing and simultaneous extraction step of step (b) may be performed at 10 ℃ to 60 ℃. Accordingly, it is possible to prevent decomposition of astaxanthin and the like by frictional heat during the crushing and extraction process.

또한 본 발명에 있어서, 상기 단계 (b)의 파쇄 및 동시 추출 단계는 아스타잔틴 등의 열화를 방지하기 위해 아르곤(argon), 질소 등의 불활성 기체 하에서 이루어질 수 있다.In addition, in the present invention, the crushing and simultaneous extraction of step (b) may be performed under an inert gas such as argon or nitrogen to prevent degradation of astaxanthin.

본 발명에 있어서, 상기 단계 (b)는 볼 밀(ball mill) 공정에 의해 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In the present invention, the step (b) may be performed by a ball mill process, but is not limited thereto.

본 명세서에서 사용된 용어, "볼 밀(ball mill)"이란 시료를 분쇄 및 혼합하기 위해 사용되는 그라인더(grinder)의 일종으로서, 볼이 챔버의 상단에서 떨어지는 충격과 마찰의 원리에 따라 작동하는 기구 또는 기계 장치를 의미한다. 볼 밀은 축을 중심으로 회전하는 속이 빈 원통형 쉘로 구성되며, 쉘의 축은 수평이거나 수평에 대하여 작은 각도를 가질 수 있다. 분쇄 매체는 볼(ball)이며, 스틸(chrome steel), 스테인레스 스틸, 세라믹 또는 고무 등으로 만들어 질 수 있다. 본 발명에 따른 볼 밀 공정은 지르코니아(zirconia) 재질의 볼(ball)을 이용하여 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 볼은 지름 2.5 내지 10 mm인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.As used herein, the term "ball mill" is a kind of grinder used to pulverize and mix a sample, and a mechanism that operates according to the principle of impact and friction in which balls fall from the top of the chamber or a mechanical device. A ball mill consists of a hollow cylindrical shell rotating about an axis, the axis of which may be horizontal or at a small angle to the horizontal. The grinding medium is a ball, and may be made of chrome steel, stainless steel, ceramic or rubber. The ball mill process according to the present invention may be performed using a ball made of zirconia, but is not limited thereto. In addition, the ball preferably has a diameter of 2.5 to 10 mm, but is not limited thereto.

본 명세서에서 사용된 용어, "지르코니아(zirconia)"란 산화지르코늄을 통칭하는 것으로서, 가장 전형적으로는 ZrO2에 대한 각종 화학량론을 지칭하며, 또한 산화지르코늄 또는 이산화지르코늄으로서 공지될 수 있다. 지르코니아는 30 중량% 이하의 다른 화학 모이어티, 예를 들어 이트륨 옥사이드(Y2O3) 및 유기 물질을 함유할 수 있다.As used herein, the term “zirconia” refers to zirconium oxide and most typically refers to various stoichiometry for ZrO 2 , and may also be known as zirconium oxide or zirconium dioxide. The zirconia may contain up to 30% by weight of other chemical moieties, such as yttrium oxide (Y 2 O 3 ) and organic matter.

본 발명에 있어서, 상기 볼 밀의 회전 속도는 100 내지 200 rpm의 저속으로 수행될 수 있으며, 이는 마찰열의 발생을 최소화하기 위함이다. 또한, 볼 밀 공정 시간은 5분 내지 30분의 짧은 시간동안 수행될 수 있으며, 5분 이상의 시간 동안 볼 밀 공정을 시행하는 경우에는 5분 내지 10분의 볼 밀링과 5분 내지 10분의 일시 정지를 반복하여 볼 밀링 챔버가 냉각될 수 있도록 할 수 있다. 예를 들면, 볼 밀 공정은 100 rpm의 회전 속도로 15분 동안 수행될 수 있으며, 5분의 볼 밀링과 5분의 일시 정지를 3번 반복하여 수행될 수 있다. 또 다른 예를 들면, 볼 밀 공정은 200 rpm의 회전 속도로 10분 동안 수행될 수 있으며, 5분의 볼 밀링과 5분의 일시 정지를 2번 반복하여 수행될 수 있다.In the present invention, the rotation speed of the ball mill may be performed at a low speed of 100 to 200 rpm, in order to minimize the generation of frictional heat. In addition, the ball mill process time may be performed for a short time of 5 minutes to 30 minutes, and when the ball mill process is performed for 5 minutes or more, ball milling of 5 minutes to 10 minutes and a time of 5 minutes to 10 minutes The stop can be repeated to allow the ball milling chamber to cool. For example, the ball mill process may be performed for 15 minutes at a rotation speed of 100 rpm, and may be performed by repeating 5 minutes of ball milling and a pause of 5 minutes three times. As another example, the ball mill process may be performed for 10 minutes at a rotation speed of 200 rpm, and may be performed by repeating 5 minutes of ball milling and a pause of 5 minutes twice.

또한, 본 발명에 있어서 헤마토코커스 플루비알리스는 자가영양 조건에서 실외 미세 조류 배양 시스템을 이용하여 부동포자(aplanospore) 단계까지 성장시킨 후, 이를 수집하여 젖은 상태에서 직접 아스타잔틴 및 지질을 추출하거나 동결 건조 후 아스타잔틴 및 지질을 추출할 수 있다. 부동포자 단계까지 성장시키는 경우 다량의 아스타잔틴이 축적되어 회수율을 높일 수 있다.In addition, in the present invention, Haematococcus fluvialis is grown to the aplanospore stage using an outdoor microalgal culture system under autotrophic conditions, and then collected and directly extracted astaxanthin and lipids in a wet state. Alternatively, astaxanthin and lipids can be extracted after freeze-drying. In the case of growth to the antifreeze stage, a large amount of astaxanthin is accumulated, and the recovery rate can be increased.

따라서, 본 발명에 따른 방법으로 헤마토코커스 플루비알리스로부터 아스타잔틴을 추출하는 경우 80% 이상의 회수율로 아스타잔틴을 수득할 수 있다. 또한, 공정 시간에 따라 70% 이상, 또는 80% 이상, 또는 90% 이상, 또는 99% 이상(헤마토코커스 플루비알리스 시료 1 g 당 아스타잔틴 30 mg 이상 회수)의 회수율로 아스타잔틴을 수득할 수 있다. 이러한 회수율은 이전에 보고된 방법에 의한 아스타잔틴 등의 추출 방법과 비교하여 현저하게 높은 것으로서 본 발명에 따른 방법의 우수성을 직접적으로 증명하는 것이다.Therefore, when astaxanthin is extracted from Haematococcus fluvialis by the method according to the present invention, astaxanthin can be obtained with a recovery rate of 80% or more. In addition, depending on the process time, astaxanthin can be recovered at a recovery rate of 70% or more, or 80% or more, or 90% or more, or 99% or more (30 mg or more of astaxanthin is recovered per 1 g of Haematococcus fluvialis sample). can be obtained. This recovery rate is remarkably high compared to the previously reported method for extracting astaxanthin and the like, which directly proves the superiority of the method according to the present invention.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to their ordinary or dictionary meanings, and the inventor may properly define the concept of the term in order to best describe his invention. Based on the principle that there is, it should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples are presented to help the understanding of the present invention. However, the following examples are only provided for easier understanding of the present invention, and the contents of the present invention are not limited by the following examples.

[실시예][Example]

실험 재료 및 방법Experimental materials and methods

1. 헤마토코커스 플루비알리스 (1. Haematococcus pluvialis ( Haematococcus pluvialisHaematococcus pluvialis ))

본 발명에 사용된 균주는 헤마토코커스 플루비알리스 NIES-144 야생형 균주로서 일본 국립 환경 연구소(National Institute for Environmental Studies)로부터 구입하였다. 헤마토코커스 플루비알리스 세포는 실외 미세 조류 배양 시스템을 이용하여 부동포자(aplanospore) 단계에서 다량의 아스타잔틴이 축적될 때까지 충분히 성장시켰다. The strain used in the present invention was purchased from the National Institute for Environmental Studies in Japan as a H. fluvialis NIES-144 wild-type strain. Haematococcus fluvialis cells were sufficiently grown until a large amount of astaxanthin accumulated in the aplanospore stage using an outdoor microalgal culture system.

2. 용매 및 시약2. Solvents and Reagents

고순도의 아르곤(Ar) 기체(≥99.999%)는 JC Gas 사(대한민국)에서 구입하여 사용하였다. 다이클로로메탄(DCM; 순도, ≥99.8%), 아세톤(순도, ≥99.9%), 메탄올(순도, ≥99.8%), 헥산(순도, ≥95.0%) 및 에틸 아세테이트(EA; 순도, ≥99.8%)는 대정화금(대한민국)에서 구입하였다. 에틸 알코올(순도, ≥99.99%), 에틸 락테이트(ethyl lactate), 아이소아밀 아세테이트(isoamyl acetate) 및 아이소프로필 알코올(IPA; 순도, ≥99.9%)은 버딕 앤 잭슨(Buddick & Jackson, 미국)에서 구매하였다. 탈이온수(deionized water)는 삼전순약공업(대한민국)에서 구매하였다. 과황산칼륨(순도, ≥95%) 및 수산화 나트륨(순도, ≥97%); 아스타잔틴 표준(순도, 헤마토코커스 플루비알리스로부터 ≥97%); 2,2'-아지노-비스(3-에틸벤조 싸이아졸린-6-설폰산) 다이암모늄 염(ABTS; 순도, >98%); 1,1-다이페닐-2-피크릴 하이드라질(DPPH; 순도, ≥95%); 갈산(gallic acid; 순도, >97%); 폴린-시오칼토(Folin-Ciocalteu) 페놀 시약(농도: 2N) 및 트롤록스(Trolox, 6-하이드록시-2,5,7,8-테트라메틸 크로마인-2-카복실산; 순도, >97%)는 시그마-알드리치에서 구매하였다(미국).High purity argon (Ar) gas (≥99.999%) was purchased from JC Gas (Korea) and used. Dichloromethane (DCM; purity, ≥99.8%), acetone (purity, ≥99.9%), methanol (purity, ≥99.8%), hexane (purity, ≥95.0%) and ethyl acetate (EA; purity, ≥99.8%) ) was purchased from Daejeong Hwaeum (Korea). Ethyl alcohol (purity, ≥99.99%), ethyl lactate, isoamyl acetate and isopropyl alcohol (IPA; purity, ≥99.9%) were obtained from Buddick & Jackson (USA). Purchased. Deionized water was purchased from Samchun Pure Chemical Industries (Korea). potassium persulfate (purity, ≥95%) and sodium hydroxide (purity, ≥97%); astaxanthin standard (purity, ≥97% from Haematococcus fluvialis); 2,2′-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) diammonium salt (ABTS; purity, >98%); 1,1-diphenyl-2-picryl hydrazyl (DPPH; purity, >95%); gallic acid (purity, >97%); Folin-Ciocalteu phenol reagent (concentration: 2N) and Trolox (6-hydroxy-2,5,7,8-tetramethyl chromine-2-carboxylic acid; purity, >97%) was purchased from Sigma-Aldrich (USA).

3. 열중량 분석 (Thermogravimetric analysis)3. Thermogravimetric analysis

건조된 헤마토코커스 플루비알리스의 수분 및 무기물 함량은 Q50 TGA 장비(TA Instruments, 미국)를 사용하여 30 내지 800 ℃의 온도 범위에서 열중량 분석(TGA)을 수행함으로써 측정되었다. 가열 속도는 8 ℃/분으로 설정되었고, 가스 유량은 60 mL/분으로 고정되었다.Moisture and mineral content of dried Haematococcus fluvialis was measured by performing thermogravimetric analysis (TGA) in a temperature range of 30 to 800 °C using a Q50 TGA instrument (TA Instruments, USA). The heating rate was set at 8° C./min, and the gas flow rate was fixed at 60 mL/min.

4. 크로마토그래피 분석 (Chromatographic analysis) 4. Chromatographic analysis

각기 다른 유기 용매로 추출한 후, 아스타잔틴의 농도는 역상 HPLC 방법을 사용하여 2회 정량하였다. 모달 87E UV-vis 검출기가 장착된 Alliance HPLC(모델 e2695; Water, 미국)를 아스타잔틴의 정량화에 사용하였다. 컬럼은 YMC-C30 역상 카로테노이드 컬럼(250 mm 길이 × 4.6 mm 내경 × 5 μm 입자 크기; YMC Co., 일본)을 사용하였다. 분석 동안 컬럼의 온도는 30 ℃로 유지하였다. 희석된 샘플을 0.45 μm PTFE 시린지 필터에 통과시킨 후 샘플 바이알에 주입하였다. 이동상의 조성은 용매 A(84:16 비의 아세톤/물, v/v) 및 용매 B(97:3 비의 아세톤/물, v/v)로 조정하였다. 에스터 유도체 및 다른 카로테노이드로부터 유리 아스타잔틴의 분리는 다음과 같이 이동상 용리(elution)를 프로그래밍함으로써 달성되었다: 처음 10분 동안 용매 A를 사용한 등용매용리(isocratic elution), 이어서 100분 동안 용매 B를 사용하여 0% 내지 100%의 구배용리(gradient elution), 이어서 10분 동안 용매 A로 다시 등용매용리. 이동상의 유속은 1 mL/분으로 설정하였고, 샘플 주입량은 오토 샘플러를 사용하여 10 μL로 설정하였다. 흡광도는 UV-vis 검출기를 이용하여 480 nm에서 기록하였다. R2=0.9997의 회귀 계수를 갖는 표준 보정 곡선은 DCM에서 아스타잔틴 표준을 사용하여 80-656 μg/L 범위의 농도를 변화시킴으로써 플롯팅되었다. 추출물의 유리 아스타잔틴 함량은 아스타잔틴 표준에 대한 보유 시간(retention time)을 사용하여 계산되었으며, 아스타잔틴의 에스터 유도체 및 다른 유형의 카로테노이드에 의한 HPLC 크로마토그램의 다른 피크는 관련 문헌을 사용하여 지정하였다.After extraction with different organic solvents, the concentration of astaxanthin was quantified twice using a reverse-phase HPLC method. Alliance HPLC (model e2695; Water, USA) equipped with a Modal 87E UV-vis detector was used for quantification of astaxanthin. As the column, a YMC-C30 reversed-phase carotenoid column (250 mm length × 4.6 mm inner diameter × 5 μm particle size; YMC Co., Japan) was used. The temperature of the column was maintained at 30 °C during the analysis. The diluted sample was passed through a 0.45 μm PTFE syringe filter and then injected into the sample vial. The composition of the mobile phase was adjusted with solvent A (acetone/water in 84:16 ratio, v/v) and solvent B (acetone/water in 97:3 ratio, v/v). Separation of free astaxanthin from ester derivatives and other carotenoids was achieved by programming the mobile phase elution as follows: isocratic elution with solvent A for the first 10 min followed by solvent B for 100 min. gradient elution from 0% to 100% with solvent A, followed by isocratic elution again with solvent A for 10 min. The flow rate of the mobile phase was set to 1 mL/min, and the sample injection volume was set to 10 μL using an autosampler. Absorbance was recorded at 480 nm using a UV-vis detector. A standard calibration curve with a regression coefficient of R 2 =0.9997 was plotted by varying concentrations in the range of 80-656 μg/L using astaxanthin standards in DCM. The free astaxanthin content of the extract was calculated using the retention time for the astaxanthin standard, and other peaks in HPLC chromatograms with ester derivatives of astaxanthin and other types of carotenoids were used in the relevant literature. and designated.

5. 천연색(coloration)과 형태(morphology)의 변화 분석5. Analysis of changes in coloration and morphology

헤마토코커스 플루비알리스 포낭 세포의 추출 전·후 형태학적 변화는 전계방사형 주사전자현미경(FESEM; JSM7500F; JEOL, 일본)을 사용하여 관찰하였다. 추출 후 고형 잔류물의 잔류 안료(pigment)를 추산하고, 매트랩(MATLAB) 소프트웨어(2012b)를 사용한 디지털 카메라 이미지 처리에 의해 RGB 픽셀 값을 계산함으로써 고형 잔류물의 착색 변화를 정량화하여 추출 효율을 비교하였다. RGB 값을 사용하여 정규화된 적색 함량을 측정함으로써 잔류 안료를 추산하였다.Morphological changes before and after extraction of Hematococcus fluvialis cyst cells were observed using a field emission scanning electron microscope (FESEM; JSM7500F; JEOL, Japan). The extraction efficiency was compared by estimating the residual pigment of the solid residue after extraction and quantifying the color change of the solid residue by calculating RGB pixel values by digital camera image processing using MATLAB software (2012b). Residual pigment was estimated by measuring normalized red content using RGB values.

6. 추출물의 항라디칼(antiradical) 활성 분석6. Analysis of antiradical activity of extracts

아스타잔틴에는 이중 결합 및 말단 페놀기가 존재하기 때문에, 라디칼 소거를 위한 전자 또는 수소 원자 전이에 의해 항라디칼로서 작용한다. 본 발명자들은 추가의 비누화(saponication) 및 정제 없이 조추출물의 항산화 활성을 시험하기 위해 두 개의 대조(control) 항산화제(갈산 및 트롤록스) 및 두 가지의 분석법(DPPH 및 ABTS + )을 사용하였다. 폴린-시오칼토 시약을 사용하여 추출물의 페놀 함량을 측정하였다. 아스타잔틴 추출물의 항산화 활성은 시그마-알드리치 사로부터 구입한 표준 유리 아스타잔틴과 비교하였다.Because astaxanthin has double bonds and terminal phenolic groups, it acts as an anti-radical by electron or hydrogen atom transfer for radical scavenging. We used two control antioxidants (gallic acid and trolox) and two assays (DPPH and ABTS + ) to test the antioxidant activity of crude extracts without further saponication and purification. did The phenol content of the extract was determined using the Pauline-Siocalto reagent. The antioxidant activity of astaxanthin extract was compared with standard free astaxanthin purchased from Sigma-Aldrich.

7. DPPH7. DPPH (2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl)의 소거 활성 분석Scavenging activity assay of (2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl)

추출물의 항산화 활성은 DPPH에 대한 소거 활성을 분석하고, 1 mM 농도에서 두 가지 유형의 표준 항산화 용액(트롤록스 및 표준 유리 아스타잔틴)과 비교하여 측정하였다. 간략하게, 균질한 0.15 mM DPPH원액(stock solution)을 메탄올에서 제조하고 20분 동안 따로 보관하였다. 상이한 유기 용매를 사용하여 수득한 각각의 조추출물 100 μL를 100 μL DPPH용액과 별도로 혼합하였다. 다음으로, 혼합물을 25 ℃에서 30분 동안 어두운 곳에서 배양하였다. 혼합물의 흡광도는 마이크로 플레이트 분광 광도계(Power wave X 340; 바이오텍, 대한민국)를 사용하여 517 nm에서 판독되었다. 라디칼 소거 활성은 하기 수식 1에 의해 DPPH변색 백분율로 결정하였다.The antioxidant activity of the extract was determined by analyzing its scavenging activity against DPPH and comparing it with two types of standard antioxidant solutions (trolox and standard free astaxanthin) at a concentration of 1 mM. Briefly, a homogeneous 0.15 mM DPPH stock solution was prepared in methanol and set aside for 20 min. 100 μL of each crude extract obtained using different organic solvents was mixed with 100 μL DPPH solution separately. Next, the mixture was incubated in the dark at 25 °C for 30 min. The absorbance of the mixture was read at 517 nm using a microplate spectrophotometer (Power wave X 340; Biotech, Korea). The radical scavenging activity was determined by DPPH discoloration percentage by Equation 1 below.

[수식 1][Formula 1]

Figure 112020035973014-pat00001
Figure 112020035973014-pat00001

상기 수식 1에서 흡광도 DPPH, 흡광도 S 및 흡광도 SC는 각각 DPPH-메탄올 용액, DPPH-메탄올 용액과 추출물의 혼합물 및 순수한 추출물의 흡광도를 나타낸다. DPPH를 50% 소거하기 위한 억제 농도의 측정치 IC50 값은 선형 보간법(linear interpolation)을 사용하여 계산하였다. 각 추출물의 라디칼 소거 활성 그래프는 40-700 μg/mL 범위에서 추출물의 농도 변화에 의해 플롯팅되었다.In Equation 1, absorbance DPPH, absorbance S, and absorbance SC represent the absorbance of DPPH-methanol solution, DPPH-methanol solution and mixture of extract and pure extract, respectively. Measurement of inhibitory concentration for 50% elimination of DPPH IC 50 values were calculated using linear interpolation. A graph of the radical scavenging activity of each extract was plotted by the concentration change of the extract in the range of 40-700 μg/mL.

또한, 4-100 μM 범위에서 농도를 변화시킴으로써 트롤록스의 표준 곡선을 그리고, 추출물의 DPPH 값은 추출물 1g 당 트롤록스 등가물(Trolox equivalent)로서 μmol로 표시하였다. DPPH 값이 높을수록 항산화 활성이 높은 것이고, DPPH 값이 낮을수록 항산화 활성이 낮은 것이다.In addition, a standard curve of Trolox was drawn by varying the concentration in the range of 4-100 μM, and the DPPH value of the extract was expressed in μmol as Trolox equivalent per 1 g of extract. The higher the DPPH value, the higher the antioxidant activity, and the lower the DPPH value, the lower the antioxidant activity.

8. 유의성에 대한 통계적 분석8. Statistical analysis of significance

본 발명에서 수행된 실험의 재현성은 각각의 용매에서 각각의 볼 밀링 지속 시간 별로 추출을 3회 수행하고, ±5% 표준편차 내의 값을 평균화함으로써 확인되었다. 상이한 용매에서 수득된 각 추출물의 항라디칼 활성 시험은 3회 수행하였고, 표준편차를 갖는 평균 값(average values with standard deviation)을 나타내었다.The reproducibility of the experiments performed in the present invention was confirmed by performing three extractions for each ball milling duration in each solvent and averaging the values within ±5% standard deviation. The anti-radical activity test of each extract obtained in different solvents was performed three times, and average values with standard deviation were shown.

실시예 1: 단일 반응용기(one-pot) 분쇄 및 추출 동시 공정Example 1: Simultaneous crushing and extraction process in a single reaction vessel (one-pot)

수확된 헤마토코커스 플루비알리스 포낭 세포는 동결 건조기(모델 FDB-5503; Operon, 한국)를 사용하여 -55 ℃에서 동결 건조시켰다. 단일 반응용기 방법에 의한 분쇄 및 추출 동시 공정에 대한 개략도를 도 1에 나타내었다.Harvested Hematococcus fluvialis cyst cells were freeze-dried at -55°C using a freeze dryer (model FDB-5503; Operon, Korea). A schematic diagram of the simultaneous grinding and extraction process by the single reaction vessel method is shown in FIG. 1 .

먼저, 건조된 헤마토코커스 플루비알리스에서 아스타잔틴이 분해되는 것을 방지하기 위해서 사용 전까지 건조된 시료를 -80 ℃에서 보관하였다. 유성(planetary-type) 마이크로 볼 밀 장치(PULVERISETTE 7 프리미엄 라인; FRITSCH, 독일)의 용기에 건조된 헤마토코커스 플루비알리스 샘플 1 g, 지르코니아 볼(zirconia ball) 70 g 및 실험적으로 요구되는 용매 10 g을 넣었다. 단일 반응용기 분쇄 및 추출 공정 동안 발생할 수 있는 잠재적인 오염을 회피하기 위해, 양호한 연성(ductility) 및 내마모성을 가진 분쇄 매체로서 지름 5 mm의 지르코니아 볼을 사용하였다. 헤마토코커스 플루비알리스, 지르코니아 볼 및 용매를 넣은 후 볼 밀 챔버를 고순도 아르곤(Ar) 가스로 퍼지(purge)하여 세포 파괴 및 아스타잔틴 추출 과정에서 불활성 기체 환경을 유지하였다. 각 추출 용매에 대해, 세포의 파쇄는 다양한 시간 간격(5 내지 30분) 및 회전 속도(100 내지 200 rpm)에서 수행되었다. 볼 밀 장치를 강제 공기 냉각 재킷과 결합시켜 회전 중에 내부 온도를 25 ℃ 미만으로 유지시켰다. 또한, 볼 밀링 챔버로부터 열을 제거하기 위해 단시간(5분)의 볼 밀링 시간 및 이와 동일한 시간의 일시 정지를 통해 챔버가 냉각되도록 하였다. 실험적으로 원하는 볼 밀링 시간이 경과한 후, 챔버를 열고 혼합물을 비커에 수집하였다. 분쇄 매체(지르코니아 볼)과 내부 돔을 추출에 사용된 것과 동일한 용매 100 mL로 세척하여 추출물이 완전히 회수될 수 있도록 하였다. 그 다음, 혼합물을 미리 칭량한 여과지를 이용하여 여과하고, 여과지 상에 남아있는 고체 잔류물은 컨벤셔널 오븐에서 80 ℃의 온도로 12시간 동안 건조시켰다.First, in order to prevent astaxanthin from being decomposed in the dried Haematococcus fluvialis, the dried sample was stored at -80°C until use. 1 g dried Hematococcus fluvialis sample, 70 g zirconia balls and 10 experimentally required solvents in a vessel of a planetary-type micro ball mill device (PULVERISETTE 7 premium line; FRITSCH, Germany) g was put in. To avoid potential contamination that may occur during the single reaction vessel grinding and extraction process, zirconia balls with a diameter of 5 mm were used as grinding media with good ductility and abrasion resistance. After adding Hematococcus fluvialis, zirconia balls and a solvent, the ball mill chamber was purged with high-purity argon (Ar) gas to maintain an inert gas environment during cell destruction and astaxanthin extraction. For each extraction solvent, cell disruption was performed at various time intervals (5-30 min) and rotational speed (100-200 rpm). The ball mill unit was coupled with a forced air cooling jacket to keep the internal temperature below 25 °C during rotation. In addition, to remove heat from the ball milling chamber, the chamber was allowed to cool through a short ball milling time (5 minutes) and a pause equal to this time. After the experimentally desired ball milling time had elapsed, the chamber was opened and the mixture was collected in a beaker. The grinding media (zirconia balls) and inner dome were washed with 100 mL of the same solvent used for extraction to allow complete recovery of the extract. Then, the mixture was filtered using a pre-weighed filter paper, and the solid residue remaining on the filter paper was dried in a conventional oven at a temperature of 80° C. for 12 hours.

실시예 2: 2단계 분쇄 및 추출 공정과의 비교Example 2: Comparison with two-step grinding and extraction process

2.1. 추출 방법, 수율 및 회수율의 계산2.1. Calculation of extraction method, yield and recovery rate

습식 분쇄 공정과 건식 분쇄 공정을 비교하기 위해, 용매를 첨가하지 않고 동일한 비율의 분쇄 매체에 대한 헤마토코커스 플루비알리스를 도입함으로써 통상적인 건식 분쇄 공정을 수행하였다. 구체적으로, 용매를 첨가하지 않고 볼 밀링으로 전처리된 헤마토코커스 플루비알리스 시료는 아세톤을 사용하여 65 ℃에서 12시간 동안 속슬렛(Soxhlet)방법으로 추출하였다.In order to compare the wet grinding process and the dry grinding process, a conventional dry grinding process was performed by introducing Haematococcus fluvialis to the grinding media in the same ratio without adding a solvent. Specifically, the Hematococcus fluvialis sample pretreated by ball milling without adding a solvent was extracted using acetone at 65° C. for 12 hours by the Soxhlet method.

단일 반응용기 세포벽 파괴 및 추출 동시 공정 이후, 고정확도 디지털 매스 밸런스(Model X124 Explorer 시리즈; OHAUS, 미국)를 사용하여 고체 샘플의 질량 변화를 계산하였다. 건조된 헤마토코커스 플루비알리스에 존재하는 추출물의 전체 추출 수율은 하기 수식 2를 사용하여 계산되었다.After the simultaneous process of cell wall disruption and extraction in a single reaction vessel, the mass change of the solid sample was calculated using a high-accuracy digital mass balance (Model X124 Explorer series; OHAUS, USA). The overall extraction yield of the extract present in the dried Haematococcus fluvialis was calculated using Equation 2 below.

[수식 2][Equation 2]

Figure 112020035973014-pat00002
Figure 112020035973014-pat00002

추출액 중의 아스타잔틴의 양은 고속 액체 크로마토그래피(HPLC)를 사용하여 하기 수식 3으로부터 계산하였다.The amount of astaxanthin in the extract was calculated from Equation 3 below using high performance liquid chromatography (HPLC).

[수식 3][Equation 3]

Figure 112020035973014-pat00003
Figure 112020035973014-pat00003

상기 수식 3에서, 아스타잔틴(mg)은 추출물 중의 아스타잔틴의 총 질량이고, 아스타잔틴의 농도(ppm)는 HPLC를 사용하여 추출 용액에서 측정된 아스타잔틴의 농도이며, 추출 질량(g)은 추출 용액의 총 질량이다.In Equation 3, astaxanthin (mg) is the total mass of astaxanthin in the extract, and the concentration of astaxanthin (ppm) is the concentration of astaxanthin measured in the extraction solution using HPLC, and the extraction mass ( g) is the total mass of the extraction solution.

또한, 하기 수식 4를 사용하여 아스타잔틴의 회수율을 정량화하였다.In addition, the recovery rate of astaxanthin was quantified using Equation 4 below.

[수식 4][Equation 4]

Figure 112020035973014-pat00004
Figure 112020035973014-pat00004

2.2. 아스타잔틴 회수율 및 총 추출량 비교2.2. Comparison of astaxanthin recovery rate and total extraction amount

본 발명에 따른 단일 반응용기 방법과 대부분의 기존 연구에서 사용된 2단계 추출 전략의 주요한 차이점은 세포를 파열시키고 용질(solute)을 추출함에 있어서 그 접근 방식이 다르다는 데 있다. 2단계 방법에서는, 건조된 바이오매스(biomass)가 초기에 분쇄되고, 후속 추출은 속슬렛, 초임계 유체 또는 다른 추출 방법을 사용하여 수행되었다. 이와는 대조적으로 단일 반응용기 방법에서는 습식 분쇄와 추출을 동시에 실시하였다. 단일 반응용기 방법에 의한 분쇄 및 추출을 실시하는 동안 용매와 파열된 세포와의 밀접한 접촉은 건식 분쇄 및 후속 추출을 사용하여 얻은 것과는 달리 짧은 처리 시간 및 실온 조건에서도 고수율의 아스타잔틴을 추출할 수 있었다. 따라서, 본 발명과 같은 원스텝 접근법은 건조된 헤마토코커스 플루비리스로부터 아스타잔틴을 높은 수율로 회수하기 위한 매우 에너지 효율적이고 빠르고 간단하며 안전한 방법으로 볼 수 있다.The main difference between the single reaction vessel method according to the present invention and the two-step extraction strategy used in most existing studies is that the approach is different in rupturing the cells and extracting the solute. In a two-step method, dried biomass is initially milled and subsequent extraction is performed using Soxhlet, supercritical fluid or other extraction methods. In contrast, wet grinding and extraction were performed simultaneously in the single reaction vessel method. During grinding and extraction by the single reaction vessel method, the close contact between the solvent and the ruptured cells can extract high yields of astaxanthin even under short processing time and room temperature conditions, unlike that obtained using dry grinding and subsequent extraction. could Therefore, the one-step approach as in the present invention can be viewed as a very energy-efficient, fast, simple and safe method for recovering astaxanthin in high yield from dried H. fluviris.

헤마토코커스 플루비알리스의 적색 포낭을 건식 볼 밀링 하는 동안, 전형적인 세포 파편 케이크(cell debris cake)가 형성되어, 챔버의 벽 및 지르코니아 볼 상에 세포 파편층(cell debris layer)의 코팅이 형성되었다. 도 2의 좌측 사진에서 나타난 바와 같이, 200 rpm에서 건조된 헤마토코커스 플루비알리스를 10분 동안 분쇄한 후 광범위한 케이크 형성 및 코팅층이 관찰되었다(도 2의 좌측(a) ii 및 iii 참조). 원칙적으로, 볼 밀링에 의한 기계적 파괴는 전형적으로 세포벽에 강한 전단력(shear force)을 유발하고, 궁극적으로 포낭 세포의 세포벽을 벗겨낸다. 그러나, 헤마토코커스 플루비알리스 파편의 우선적인 응집에 의해 야기되는 케이킹 및 코팅 현상은 세포벽 파괴와 아스타잔틴 회수에 레벨링 효과(leveling effect)를 초래할 수 있다. 즉, 일단 케이크 층이 생성되면, 케이크 베드 아래에 포획되어 숨겨진 포낭 세포를 파열시키기 위한 추가적인 분쇄가 덜 효과적이된다. 따라서, 레벨링 효과는 전처리 시간의 상당한 증가 및 분쇄 효율의 감소를 야기할 수 있다. 따라서, 완전한 세포벽 파괴를 달성하기 위해서는 연장된 시간 동안 매우 에너지 집약적인 연속적인 볼 밀링이 필요하며, 이는 전체 공정 비용을 현저히 증가시킨다. 또한, 케이킹 및 코팅은 분쇄 매체 및 볼 밀의 돔으로부터 끈적끈적한 세포 파편층을 제거하기 위해 전처리 공정이 빈번하게 중단될 수 있다.During dry ball milling of red cysts of Haematococcus pluvialis, a typical cell debris cake was formed, resulting in the formation of a coating of cell debris layer on the walls of the chamber and on the zirconia balls. . As shown in the left photo of FIG. 2 , after pulverizing Haematococcus fluvialis dried at 200 rpm for 10 minutes, extensive cake formation and coating layers were observed (see left (a) ii and iii of FIG. 2 ). In principle, mechanical disruption by ball milling typically induces a strong shear force on the cell wall and ultimately peels off the cell wall of the cyst cell. However, caking and coating phenomena caused by preferential aggregation of H. fluvialis fragments may lead to cell wall destruction and a leveling effect on astaxanthin recovery. That is, once the cake layer has been created, additional grinding to rupture the cyst cells trapped under the cake bed becomes less effective. Therefore, the leveling effect can cause a significant increase in the pretreatment time and a decrease in the grinding efficiency. Thus, to achieve complete cell wall disruption requires very energy intensive continuous ball milling for extended periods of time, which significantly increases the overall process cost. In addition, caking and coating may frequently be interrupted by pretreatment processes to remove a sticky layer of cell debris from the grinding media and the dome of the ball mill.

헤마토코커스 플루비알리스의 건식 분쇄에서, 두껍고 끈적한 슬러리는 포낭 세포의 잔류물, 용리된 지질 및 파괴된 세포 파편에 의해 생성된다(도 2의 (a) 참조). 슬러리는 볼 밀 챔버의 벽 및 볼 표면에 케이크 층을 형성시킨다. 또한, 볼의 지속적인 충격에 의해 케이크 층의 압축이 야기되며, 이는 용리된 아스타잔틴의 생체 활성 손실을 초래할 수 있다. 즉, 높은 회전 속도로 볼을 연속적으로 타격함으로써 케이킹 혼합물에 의해 얻어지는 에너지는 불포화 이중 결합의 여기에 의한 아스타잔틴의 분해를 초래할 수 있다. 따라서, 분쇄 시간 연장, 전처리 공정의 불가피한 빈번한 중단, 세포 파편층의 회수를 위한 추가 기술의 요구 및 건식 분쇄와 관련된 아스타잔틴의 분해로 인해 공정이 에너지 집약적이고 비효율적이며 비용이 많이 들고 실용적인 규모로 구현하기에는 매력적이지 않다. 또한, 후속 추출 단계에서 대량의 용매(예를 들어, 유기 용매, 초임계 이산화탄소 및 다이메틸에터)의 사용 및 연장된 추출 시간(1-24 시간)이 용리된 유리 아스타잔틴 및 이의 에스터 유도체를 회수하기 위해 필요하다.In the dry grinding of Haematococcus fluvialis, a thick and sticky slurry is produced by residues of cyst cells, eluted lipids and disrupted cell debris (see Fig. 2(a)). The slurry forms a cake layer on the walls of the ball mill chamber and on the ball surface. In addition, the continuous impact of the balls causes compression of the cake layer, which may lead to loss of bioactivity of the eluted astaxanthin. That is, the energy obtained by the caking mixture by continuously striking the balls at high rotational speed may result in the decomposition of astaxanthin by excitation of unsaturated double bonds. Therefore, the process is energy intensive, inefficient, expensive and on a practical scale due to the prolonged grinding time, the inevitable frequent interruption of the pretreatment process, the need for additional techniques for recovery of the cell debris layer and the degradation of astaxanthin associated with dry grinding. Not attractive to implement. In addition, free astaxanthin and its ester derivatives eluted with the use of large amounts of solvents (eg organic solvents, supercritical carbon dioxide and dimethyl ether) and extended extraction times (1-24 hours) in subsequent extraction steps is needed to recover

본 발명에 따른 단일 반응용기, 동시 세포벽 파괴 및 아스타잔틴 추출 접근법에 의한 아스타잔틴의 회수는 2단계 방법에 비해 많은 이점을 갖는다: 첫째, 습식 볼 밀링 동안 전단력에 의해 파괴되는 포낭 세포벽은 적절한 용매에 직접 용해되어 챔버 표면과 볼 표면에 케이크 및 코팅층의 형성을 억제할 수 있다(도 2의 (b) 참조). 둘째, 2단계 방법에서의 후속 추출(예: 속슬렛)과는 달리, 단일 반응용기 방식은 매우 적은 양의 용매를 사용하여, 용매의 건조에 의해 건조된 아스타잔틴 분말을 회수하는데 필요한 에너지를 감소시킨다. 예를 들어, 파괴된 세포벽 파편의 속슬렛 추출에는 12시간 동안 4/h의 사이펀 속도(siphon rate)로 250 mL의 아세톤이 사용되었지만, 단일 반응용기 방법에서는 동일한 양의 건조된 헤마토코커스 플루비알리스를 사용하여 추출과 완전한 세척을 하는데 단 100 ml의 아세톤만으로도 충분한 것으로 확인되었다. 셋째, 단일 반응용기 방법에서는 세포벽 파괴 및 추출에 필요한 시간이 2단계 방법에서 필요한 시간에 비해 크게 줄어들어 총 운영 비용이 절감될 수 있다. 2단계 방법에서 전처리 및 추출에 필요한 총 처리 시간은 일반적으로 12시간 이상이지만, 단일 반응용기 방법에서 아스타잔틴의 완전한 추출은 30분 정도의 시간만으로도 충분한 것으로 밝혀졌다. 넷째, 단일 반응용기 방법에서는 매우 낮은 회전 속도(100-200 rpm)와 낮은 온도(25 ℃ 미만) 조건에서도 효과적인 세포벽 파괴 및 추출을 수행할 수 있으며, 이에 따라 높은 열불안정성을 가지는 아스타잔틴의 분해 위험을 억제할 수 있다. 아스타잔틴의 전자가 풍부한 짝이중결합 구조는 공기, 고온 및 광선에 노출되면 물리적, 화학적 분해에 매우 민감하게 만든다. 예를 들어, 고온은 아스타잔틴의 기능을 억제하는데, 이는 매우 낮은 온도(50-60 ℃)에서도 1차 반응 역학으로 분해될 수 있기 때문이다. 마지막으로, 단일 반응용기 방법은 에탄올, 아세톤, n-헥세인, 아이소프로필 알코올 및 아세테이트 계열 용매와 같은 많은 저독성 용매를 사용하여 수행될 수 있는데, 이는 전형적인 용매-기반 추출(예: 속슬렛) 공정 동안 아스타잔틴의 분해를 억제하기 위한 저비점 용매에 대한 요구가 극복되었기 때문이다. 따라서, 아스타잔틴의 회수에 있어서 본 발명에 따른 동시 세포벽 파괴 및 추출을 위한 단일 반응용기 방법은 2단계 방법에 비해 보다 에너지 효율적이고, 더 유연하고, 비용 효율적이며, 더 단순하고 더 안전하다.The recovery of astaxanthin by a single reaction vessel, simultaneous cell wall disruption and astaxanthin extraction approach according to the present invention has many advantages over the two-step method: first, the cyst cell wall destroyed by shear force during wet ball milling is adequately It can be directly dissolved in the solvent to suppress the formation of cakes and coating layers on the chamber surface and the ball surface (see Fig. 2 (b)). Second, unlike the subsequent extraction (eg Soxhlet) in the two-step method, the single reaction vessel method uses a very small amount of solvent, reducing the energy required to recover the dried astaxanthin powder by drying the solvent. Reduce. For example, 250 mL of acetone was used at a siphon rate of 4/h for 12 h for Soxhlet extraction of disrupted cell wall fragments, whereas in the single reaction vessel method, the same amount of dried Haematococcus fluvi It was found that only 100 ml of acetone was sufficient for extraction and thorough washing using Aliss. Third, in the single reaction vessel method, the time required for cell wall destruction and extraction is significantly reduced compared to the time required in the two-step method, thereby reducing the total operating cost. In the two-step method, the total treatment time required for pretreatment and extraction is generally more than 12 hours, but it has been found that only about 30 minutes is sufficient for complete extraction of astaxanthin in the single reaction vessel method. Fourth, in the single reaction vessel method, effective cell wall destruction and extraction can be performed even at very low rotational speed (100-200 rpm) and low temperature (less than 25 ℃) conditions, and thus astaxanthin with high thermal instability is degraded risk can be reduced. Astaxanthin's electron-rich paired double bond structure makes it highly susceptible to physical and chemical degradation when exposed to air, high temperatures, and light. For example, high temperature inhibits the function of astaxanthin because it can be decomposed into first-order reaction kinetics even at very low temperatures (50-60 °C). Finally, the single vessel method can be performed using many low toxic solvents such as ethanol, acetone, n-hexane, isopropyl alcohol and acetate-based solvents, which are typical solvent-based extraction (e.g. Soxhlet) processes. This is because the need for a low-boiling solvent to inhibit the degradation of astaxanthin during the process has been overcome. Therefore, in the recovery of astaxanthin, the single reaction vessel method for simultaneous cell wall disruption and extraction according to the present invention is more energy efficient, more flexible, more cost-effective, simpler and safer than the two-step method.

2단계 및 단일 반응용기 방법의 아스타잔틴 회수율과 총 추출량을 비교한 결과는 도 3a 및 도 3b에 나타내었다. 2단계 방법의 전처리 과정에서 건조된 헤마토코커스 플루비알리스 세포벽의 파괴는 200 rpm 에서 10분 동안 진행되었고, 전처리된 샘플을 아세톤 용매를 이용하여 12시간 동안 속슬렛 방법에 의해 추출하였다. 2단계 방법은 건조된 헤마토코커스 플루비알리스로부터 21.0 mg/g의 아스타잔틴 회수율을 가져 왔으며, 액체 추출물의 수율은 32.0 wt% 였다. 단일 반응용기 방법에서, 건조된 헤마토코커스 플루비알리스, 지르코니아 볼 및 1:10 w/w의 헤마토코커스 플루비알리스 대 용매 비율을 갖는 아세톤을 함께 추출기의 용기에 도입하고, 200 rpm 및 10분의 조건에서 진행하였다. 단일 반응용기 방법은 상기 2단계 방법과 동일한 볼 밀링 시간 및 회전 속도 하에서, 2단계 방법과 비교하여 건조된 헤마토코커스 플루비알리스로부터 27 mg/g (>82% 회수율) 이상의 더 높은 아스타잔틴 회수율 및 42.0 wt%의 더 좋은 지질 추출 수율을 나타냈다. 단일 반응용기 방법에서 300 rpm의 높은 회전 속도를 사용하는 경우에는, 6분의 매우 짧은 볼 밀링 시간으로도 45.9 wt%의 높은 지질 추출 수율을 얻을 수 있었다. 즉, 상기와 같은 결과는 세포벽 파괴 및 추출에 대한 시간 경과 효율이 2단계 방법보다 단일 반응용기 방법에서 현저하게 높다는 사실을 증명하는 것이다.The results of comparing the astaxanthin recovery rate and the total extraction amount of the two-step and single reaction vessel method are shown in FIGS. 3A and 3B. In the pretreatment of the two-step method, the destruction of the dried Haematococcus fluvialis cell wall was carried out at 200 rpm for 10 minutes, and the pretreated sample was extracted by the Soxhlet method using acetone solvent for 12 hours. The two-step method resulted in a recovery of astaxanthin of 21.0 mg/g from the dried H. fluvialis, and the yield of the liquid extract was 32.0 wt%. In the single vessel method, dried H. fluvialis, zirconia balls and acetone having a H. fluvialis to solvent ratio of 1:10 w/w are introduced together into the vessel of the extractor, at 200 rpm and 10 It was carried out under the condition of minutes. The single reaction vessel method has higher astaxanthin than 27 mg/g (>82% recovery) from dried Haematococcus fluvialis compared to the two-step method under the same ball milling time and rotation speed as the two-step method It showed recovery and better lipid extraction yield of 42.0 wt%. In the case of using a high rotation speed of 300 rpm in the single reaction vessel method, a high lipid extraction yield of 45.9 wt% could be obtained even with a very short ball milling time of 6 minutes. That is, the above results prove that the time-lapse efficiency for cell wall destruction and extraction is significantly higher in the single reaction vessel method than in the two-step method.

추출 후 수집된 세포 찌꺼기의 붉은색은 도 3b의 상단에 나타내었다. 2단계 방법을 실시한 후 수집된 세포 파편에는 여전히 분홍색 색소가 포함되어 있어, 적색-주황색 색소가 완전히 추출되지 않았음을 확인하였다. 이와는 대조적으로, 단일 반응용기 방법으로 수집된 세포 파편의 색은 옅은 초록빛을 나타내어, 아세톤에 대한 용해도가 낮은 일부 잔류 엽록소를 제외하고는 아스타잔틴을 포함한 적색-주황색 안료가 효율적으로 추출되었음을 확인하였다. 또한, 고형 잔류물의 SEM(scanning electron microscope) 이미지(도 3b의 하단)에서 나타난 바와 같이, 2단계 방법과 비교하여 단일 반응용기 방법은 더 높은 정도의 포낭 세포(cyst cell) 파괴를 확인하였으며, 이는 높은 추출 수율과 높은 정도의 세포벽 파괴 사이에 상관관계가 있음을 시사하는 것이다.The red color of the cell debris collected after extraction is shown in the upper part of FIG. 3B . After performing the two-step method, the collected cell fragments still contained pink pigment, confirming that the red-orange pigment was not completely extracted. In contrast, the color of the cell debris collected by the single reaction vessel method was pale green, confirming that the red-orange pigment including astaxanthin was efficiently extracted except for some residual chlorophyll with low solubility in acetone. . In addition, as shown in the scanning electron microscope (SEM) image of the solid residue (bottom of Fig. 3b), the single reaction vessel method confirmed a higher degree of cyst cell destruction compared to the two-step method, which This suggests that there is a correlation between high extraction yield and high degree of cell wall destruction.

단일 반응용기 방법에서 관찰된 높은 추출율 및 아스타잔틴 회수율은 용매와 추출 가능한 물질의 효과적인 접촉 및 볼 밀링에 의해 발생된 교반에 기인한다. 본 발명에 따른 단일 반응용기 방법에서 세포벽 파괴가 효율적으로 일어난 이유는 고체 매트릭스에 용매를 담금으로써 세포벽의 조직적인 특성이 변했기 때문이라고 사료된다.The high extraction rates and astaxanthin recovery observed in the single vessel method are due to the effective contact of the solvent with the extractable material and the agitation generated by ball milling. The reason that cell wall destruction occurred efficiently in the single reaction vessel method according to the present invention is considered to be because the organizational properties of the cell wall were changed by immersion in a solvent in a solid matrix.

2.3. HPLC에 의한 성분 분석2.3. Component analysis by HPLC

도 3c에서 나타난 바와 같이 파쇄되지 않은 헤마토코커스 플루비알리스를 속슬렛 추출한 용액의 HPLC 크로마토그램에서 각각 <11 wt% 및 <1 mg/g의 매우 낮은 추출 수율 및 총 아스타잔틴 회수율을 보여주었다(도 3c의 (b) 참조). 특히, 도 3c의 (c) 및 (d)의 HPLC 크로마토그램은 단일 반응용기 방법으로 추출한 크로마토그램에서 나타나는 피크의 수와 강도가 2단계 방법의 것보다 높음을 확인하여, 단일 반응용기 전략의 추출 수율이 상당히 높음을 증명하였다. 따라서, 본 발명에 따른 단일 반응용기 방법은 세포벽 파괴 및 추출을 동시에 가능하게 하고 건조된 헤마토코커스 플루비알리스의 기계적 전처리 동안 발생하는 케이킹 및 코팅 문제를 해결한 것이다. 또한, 거의 완전한 유리 아스타잔틴 및 이의 지방산 모노에스터 또는 다이에스터 유도체는 세포벽 파괴 및 추출을 위해 장시간의 고온, 고압 및 높은 회전 속도의 적용을 필요로하지 않고, 온화한 조건(단시간, 저온, 대기압 및 낮은 회전 속도) 하에서 회수되었다. As shown in FIG. 3c , the HPLC chromatogram of a solution obtained by Soxhlet extraction of uncrushed Hematococcus fluvialis showed very low extraction yields of <11 wt% and <1 mg/g, respectively, and total astaxanthin recovery. (See Fig. 3c (b)). In particular, the HPLC chromatograms in (c) and (d) of FIG. 3c confirmed that the number and intensity of peaks appearing in the chromatogram extracted by the single reaction vessel method were higher than those of the two-step method, and the extraction of the single reaction vessel strategy It was demonstrated that the yield is quite high. Therefore, the single reaction vessel method according to the present invention enables cell wall disruption and extraction at the same time and solves the problems of caking and coating occurring during mechanical pretreatment of dried H. fluvialis. In addition, almost completely free astaxanthin and its fatty acid monoester or diester derivatives do not require prolonged application of high temperature, high pressure and high rotational speed for cell wall disruption and extraction, and are produced under mild conditions (short time, low temperature, atmospheric pressure and low rotational speed).

실시예 3: 볼 밀의 속도 및 공정 시간에 따른 추출 효율 비교Example 3: Comparison of extraction efficiency according to speed and process time of ball mill

건조된 헤마토코커스 플루비알리스의 단일 반응용기 세포벽 파괴 및 추출에 의한 추출 수율에 대하여, 시간 및 볼 밀링 속도와 같은 공정 파라미터의 효과를 하기 표 1에 나타내었다. 용매는 에탄올을 사용하였으며, 미세조류 대 용매 비율을 1/10 w/w 였다.Table 1 below shows the effects of process parameters such as time and ball milling speed on the extraction yield by breaking the cell wall of a single reaction vessel and extraction of dried Haematococcus fluvialis. Ethanol was used as the solvent, and the microalgae to solvent ratio was 1/10 w/w.

항목Item 시간 (분)time (minutes) 추출 수율 (wt%) a Extraction yield (wt%) a 단일 반응용기 추출Single reaction vessel extraction 2단계 추출 b Step 2 Extraction b 100 rpm100 rpm 200 rpm200 rpm 200 rpm200 rpm 1One 55 33.6 ± 1.633.6 ± 1.6 36.9 ± 1.836.9 ± 1.8 17.5 ± 1.017.5 ± 1.0 22 1010 38.3 ± 1.938.3 ± 1.9 42.4 ± 2.142.4 ± 2.1 23.3 ± 1.323.3 ± 1.3 33 1515 42.7 ± 2.142.7 ± 2.1 44.5 ± 2.344.5 ± 2.3 27.6 ± 1.527.6 ± 1.5 44 2020 43.8 ± 2.243.8 ± 2.2 45.6 ± 2.345.6 ± 2.3 32.7 ± 1.632.7 ± 1.6 55 2525 44.9 ± 2.344.9 ± 2.3 46.8 ± 2.446.8 ± 2.4 34.1 ± 1.834.1 ± 1.8 66 3030 45.5 ± 2.345.5 ± 2.3 46.9 ± 2.446.9 ± 2.4 36.5 ± 2.036.5 ± 2.0

a, 건조 샘플 1g 당 추출물의 그램수;a, grams of extract per gram of dry sample;

b, 200 rpm 볼 밀링 및 아세톤에서 12시간 동안 속슬렛 추출에 의한 추출 수율.b, Extraction yield by 200 rpm ball milling and Soxhlet extraction in acetone for 12 h.

상기 표 1에서 나타난 바와 같이 100 rpm의 낮은 회전 속도에서의 추출 수율은 시간이 5분에서 30분으로 증가함에 따라 33.6에서 45.5 wt%로 증가하였다. 반대로, 회전 속도가 200 rpm으로 증가된 경우, 추출 수율은 단 10분만에 42.4 wt%에 도달하였고, 시간이 30분으로 추가 증가함에 따라 46.9 wt%까지 증가하였다. 기존에 보고된 방법과 비교하여, 본 발명에 따른 단일 반응용기 방법은 47 wt% 이상의 전례 없는 고수율을 가져왔으며, 이는 세포낭 형성(encystment) 단계에서 적색 헤마토코커스 플루비알리스의 총 추출물(지질, 안료, 수분 등) 함량과 매우 가까웠다. 이는 단일 반응용기 방법을 사용하면 거의 완전한 지질 추출이 달성될 수 있음을 나타내는 것이다. 아스타잔틴의 에스터 유도체는 주로 헤마토코커스 플루비알리스 포낭 세포의 세포질 내부 핵 근처에 C16-C18 지방산 클러스터를 갖는 아스타잔틴 모노에스터로 구성된다. 헤마토코커스 플루비알리스 균주 추출물에서, 주 지방산은 올레산 (C18:1) 모노에스터였으며, HPLC 크로마토그램에서 추출물의 피크 패턴은 이전 연구에서 보고된 것과 잘 일치하였다(도 3c 참조). 온화한 조건(200 rpm, 25 ℃ 및 1 atm) 및 짧은 처리 시간(30분) 하에서 나타난 높은 추출 수율은 본 발명에 따른 단일 반응용기 방법이 불포화 지방산이 풍부한 지질의 수집에 매우 효과적임을 시사하는 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 방법은 추출된 지질로부터 바이오 디젤을 생산하고 기타 보조 식품을 생산하는데 사용할 수 있다.As shown in Table 1, the extraction yield at a low rotation speed of 100 rpm increased from 33.6 to 45.5 wt% as the time increased from 5 to 30 minutes. Conversely, when the rotation speed was increased to 200 rpm, the extraction yield reached 42.4 wt% in only 10 minutes, and increased to 46.9 wt% as the time was further increased to 30 minutes. Compared with the previously reported method, the single reaction vessel method according to the present invention resulted in an unprecedented high yield of more than 47 wt%, which is a total extract of red Haematococcus fluvialis ( lipid, pigment, moisture, etc.) content was very close. This indicates that almost complete lipid extraction can be achieved using the single reaction vessel method. Ester derivatives of astaxanthin mainly consist of astaxanthin monoesters with C 16 -C 18 fatty acid clusters near the cytoplasmic inner nucleus of H. fluvialis cyst cells. In the Haematococcus fluvialis strain extract, the main fatty acid was oleic acid (C18: 1) monoester, and the peak pattern of the extract in the HPLC chromatogram was in good agreement with that reported in the previous study (see Fig. 3c). The high extraction yields under mild conditions (200 rpm, 25 °C and 1 atm) and short treatment time (30 minutes) suggest that the single reaction vessel method according to the present invention is very effective for the collection of lipids rich in unsaturated fatty acids. Thus, the method according to the present invention can be used to produce biodiesel from extracted lipids and to produce other supplements.

액체 추출 수율이 증가함에 따라 잔류 안료는 고체 잔류물에서 지속적으로 감소하였다(도 4 참조). 헤마토코커스 플루비알리스의 부동포자 단계에서, 아스타잔틴은 전체 카로테노이드의 주요 부분(>80%)을 차지하였으며, 부수적으로 안료에는 β카로틴(약 1%)과 칸타크산틴(약 5.1%)이 포함되어 있었다. 따라서, 헤마토코커스 플루비알리스의 적색 외관은 대부분 유리 형태의 아스타잔틴 및 그의 에스터화된 유도체의 존재에 기인한다. 아스타잔틴 유도체는 C16-C18 지방산 모노에스터 및 다이에스터이며, 그 성질은 매우 약산성이거나 중성이다. 따라서, 이들 지방산 모노에서터 및 다이에스터의 존재는 아스타잔틴의 적색 강도를 변화시키지 않을 수 있다. 그러므로 추출 후 고형 잔류물이 진한 적색에서 무색 또는 담회색으로 변화하는 것은 세포벽의 파괴 및 적색 안료의 추출 정도를 나타내며, Metlab을 사용하여 계산된 세포 파편의 붉은색 감소 정도를 통해 추출 효율을 직접 예측할 수 있다. 도 4에 나타난 바와 같이 고체 잔류물 중 잔류 적색 함량은 실험적으로 결정된 아스타잔틴 회수율과 밀접한 상관 관계가 있었다. 단일 반응용기 방법에 의한 세포벽 파괴 및 추출의 초기 5분 동안에, 고체 잔류물의 적색 함량에 현저한 감소가 관찰되었으며, 이러한 결과는 포낭 세포가 초기에 효과적으로 파쇄되었음을 나타내는 것이다. 처리 시간의 추가적인 증가는 30분의 추출 후 점차적으로 적색 함량을 감소시켰다. 200 rpm의 회전 속도는 100 rpm과 비교하여 단 10분 내에 정규화된 적색 함량을 80% 이상 감소시키는 데 더 효과적인 것으로 밝혀졌다. 붉은색 강도의 감소는 건조된 헤마토코커스 플루비알리스로부터 21 mg/g의 총 아스타잔틴 회수가 200 rpm에서 매우 짧은 시간인 5분의 볼 밀링으로 달성되었음을 나타내는 것이며, 이는 헤카토코커스 플루비알리스의 포낭에 존재하는 약 65%의 아스타잔틴에 해당하는 것이다. 200 rpm에서 시간을 10분으로 연장했을 때, 대략 82%의 아스타잔틴이 회수되었다. 습식 볼 밀링 시간이 30분으로 추가 증가되었을 때에는, > 31.6 mg/g (약 99%)의 매우 높은 아스타잔틴 회수율이 달성되었다. 100 rpm의 매우 낮은 회전 속도에서 아스타잔틴 회수율은 조사된 모든 시간대에서 200 rpm에서의 회수율보다 일관되게 낮은 것으로 밝혀졌다. 이와 같은 결과는 포낭의 완전한 파괴를 위해 매우 견고한 세포벽에 더 긴 시간의 처리 또는 더 높은 전단력을 필요로 한다는 것을 나타낸다.As the liquid extraction yield increased, the residual pigment continued to decrease in the solid residue (see Fig. 4). In the antispore stage of Haematococcus pluvialis, astaxanthin accounted for a major fraction (>80%) of total carotenoids, and concomitantly pigments include β-carotene (approximately 1%) and canthaxanthin (approximately 5.1%). this was included Thus, the red appearance of Haematococcus fluvialis is largely due to the presence of astaxanthin and its esterified derivatives in free form. Astaxanthin derivatives are C 16 -C 18 fatty acid monoesters and diesters, which are very slightly acidic or neutral in nature. Therefore, the presence of these fatty acid monoethers and diesters may not change the red intensity of astaxanthin. Therefore, the change of the solid residue from dark red to colorless or light gray after extraction indicates the destruction of the cell wall and the degree of extraction of the red pigment, and it is possible to directly predict the extraction efficiency through the degree of red reduction of the cell debris calculated using Metlab. can As shown in FIG. 4 , the residual red content in the solid residue had a close correlation with the experimentally determined astaxanthin recovery rate. During the first 5 min of cell wall disruption and extraction by the single reaction vessel method, a significant decrease in the red content of the solid residue was observed, indicating that the cyst cells were initially effectively disrupted. A further increase in treatment time gradually decreased the red content after 30 minutes of extraction. A rotation speed of 200 rpm was found to be more effective in reducing the normalized red content by more than 80% in just 10 minutes compared to 100 rpm. The decrease in red intensity indicates that a total astaxanthin recovery of 21 mg/g from dried H. fluvialis was achieved with a very short time of 5 min ball milling at 200 rpm, which is H. fluvialis. This corresponds to about 65% of astaxanthin present in Ali's cyst. When the time was extended to 10 minutes at 200 rpm, approximately 82% of astaxanthin was recovered. When the wet ball milling time was further increased to 30 minutes, a very high astaxanthin recovery of >31.6 mg/g (about 99%) was achieved. It was found that astaxanthin recovery at a very low rotation speed of 100 rpm was consistently lower than that at 200 rpm in all time points investigated. These results indicate that a longer treatment time or higher shear force is required for a very rigid cell wall for complete destruction of the cyst.

실시예 4: 용매에 따른 아스타잔틴의 추출 효율 및 회수율 비교Example 4: Comparison of extraction efficiency and recovery rate of astaxanthin according to solvent

용매의 종류에 따른 아스타잔틴의 추출 수율 및 회수율을 알아보기 위해, 상기 실시예 1과 같은 단일 반응용기 방법을 사용하여 비교 실험을 진행하였다. 건조된 헤마토코커스 플루비알리스에 각각의 용매를 넣어주고 200 rpm에서 30분 동안 분쇄 및 추출을 수행하여, 아스타잔틴의 추출 수율 및 회수율을 하기 표 2 및 도 5에 나타내었다.In order to find out the extraction yield and recovery rate of astaxanthin according to the type of solvent, a comparative experiment was conducted using the single reaction vessel method as in Example 1. Each solvent was added to the dried Haematococcus fluvialis, and grinding and extraction were performed at 200 rpm for 30 minutes. The extraction yield and recovery rate of astaxanthin are shown in Table 2 and FIG. 5 below.

용매menstruum 추출 수율 (wt%) a Extraction yield (wt%) a 아스타잔틴 회수율
(mg/g)
Astaxanthin Recovery Rate
(mg/g)
에탄올ethanol 46.9 ± 2.746.9 ± 2.7 30.1 ± 1.530.1 ± 1.5 아세톤acetone 44.8 ± 2.344.8 ± 2.3 30.6 ± 1.530.6 ± 1.5 아이소프로필 알코올isopropyl alcohol 43.5 ± 2.143.5 ± 2.1 24.5 ± 1.224.5 ± 1.2 헥세인hexane 39.5 ± 1.939.5 ± 1.9 16.6 ± 0.816.6 ± 0.8 에틸 아세테이트ethyl acetate 44.7 ± 2.344.7 ± 2.3 29.9 ± 1.529.9 ± 1.5

a, 건조 샘플 기준 추출물의 그램수a, number of grams of extract based on dry sample

그 결과 상기 표 2 및 도 5에 나타난 바와 같이, 에탄올, 아세톤 및 에틸 아세테이트 용매를 사용한 경우 가장 높은 추출 수율 및 아스타잔틴 회수율을 가져옴을 확인하였다.As a result, as shown in Table 2 and FIG. 5, it was confirmed that the highest extraction yield and astaxanthin recovery rate were obtained when ethanol, acetone and ethyl acetate solvents were used.

실시예 5: 젖은 헤마토코커스 플루비알리스로부터 단일 반응용기(one-pot) 분쇄 및 추출 동시 공정Example 5: Simultaneous One-pot Grinding and Extraction Process from Wet Haematococcus Fluvialis

에틸 아세테이트는 물과 섞이지 않아 이로부터 아스타잔틴 등을 추출할 때 시간과 비용이 적게 드는 장점이 있다. 이에 본 발명자들은 에탄올 또는 아세톤과 비교하여 다른 아세테이트 계열 용매를 사용한 경우 추출 수율 및 아스타잔틴 회수율이 최대로 유지되는지 확인하였다.Ethyl acetate does not mix with water, so it has the advantage of reducing time and cost when extracting astaxanthin from it. Accordingly, the present inventors confirmed whether the extraction yield and astaxanthin recovery rate were maintained at the maximum when other acetate-based solvents were used as compared to ethanol or acetone.

한편, 상기 실시예 1 내지 4에서는 배양 반응기에서 수확된 헤마토코커스 플루비알리스에서 물을 제거하기 위해 동결건조를 수행한 후 건조된 헤마토코커스 플루비알리스를 이용하여 단일 반응용기 분쇄 및 추출 동시 공정을 조사하였다. 배양 반응기에서 수확된 헤마토코커스 플루비알리스는 약 75-80 wt%의 물을 세포 내부에 함유하고 있어 물을 건조하기 위해서 동결건조법을 이용할 경우 추가적인 에너지가 소요된다. 따라서 전 공정의 에너지를 절감하기 위해서 실시에 4에서는 실시예 1과 같은 방법으로 물 함량 77 wt%의 젖은 헤마토코커스 플루비알리스 샘플 2 g, 지르코니아 볼(zirconia ball) 70 g 및 실험적으로 요구되는 용매 10 g을 넣었다. 또한 액-액 분리를 용이하게 하기 위해 추가적으로 물 5 g을 반응용기에 도입하였다. 이 때 용매로는 인체유해성 및 환경독성을 고려하여 비교적 인체에 무해하며 환경친화적 용매이며 액-액 분리가 가능한 에틸 아세테이트(ethyl acetate), 에틸 락테이트(ethyl lactate) 및 아이소아밀 아세테이트(isoamyl acetate)를 이용하였다. 각 추출 용매에 대해, 세포의 파쇄는 20분의 공정 시간 및 200 rpm의 볼 밀 속도에서 수행되었다. 볼 밀 장치를 강제 공기 냉각 재킷과 결합시켜 회전 중에 내부 온도를 25 ℃미만으로 유지시켰다. 또한, 볼 밀링 챔버로부터 열을 제거하기 위해 단시간(5분)의 볼 밀링 시간 및 이와 동일한 시간의 일시 정지를 통해 챔버가 냉각되도록 하였다. 실험적으로 원하는 볼 밀링 시간이 경과한 후, 챔버를 열고 혼합물을 비커에 수집하였다. 분쇄 매체(지르코니아 볼)와 내부 돔을 추출에 사용된 것과 동일한 용매 100 mL로 세척하여 추출물이 완전히 회수될 수 있도록 하였다. 그 다음, 혼합물을 미리 칭량한 여과지를 이용하여 여과하고, 여과지 상에 남아있는 고체 잔류물은 컨벤셔널 오븐에서 80 ℃의 온도로 12시간 동안 건조시켰다. 각 용매에 따른 추출 수울 및 아스타잔틴 회수율은 하기 표 3에 나타내었다.On the other hand, in Examples 1 to 4, freeze-drying was performed to remove water from the Hematococcus fluvialis harvested in the culture reactor, and then the dried Hematococcus fluvialis was used to grind and extract a single reaction vessel at the same time. The process was investigated. Haematococcus fluvialis harvested in the culture reactor contains about 75-80 wt% of water inside the cells, so additional energy is required when the freeze-drying method is used to dry the water. Therefore, in order to save energy in the entire process, in Example 4, 2 g of a wet Hematococcus fluvialis sample having a water content of 77 wt%, 70 g of zirconia balls and experimentally required 10 g of solvent was added. In addition, 5 g of water was additionally introduced into the reaction vessel to facilitate liquid-liquid separation. In this case, the solvent is ethyl acetate, ethyl lactate, and isoamyl acetate, which are relatively harmless to the human body, environmentally friendly solvent, and liquid-liquid separation is possible in consideration of human harm and environmental toxicity. was used. For each extraction solvent, cell disruption was performed at a process time of 20 minutes and a ball mill speed of 200 rpm. The ball mill unit was coupled with a forced air cooling jacket to keep the internal temperature below 25 °C during rotation. In addition, to remove heat from the ball milling chamber, the chamber was allowed to cool through a short ball milling time (5 minutes) and a pause equal to this time. After the experimentally desired ball milling time had elapsed, the chamber was opened and the mixture was collected in a beaker. The grinding media (zirconia balls) and inner dome were washed with 100 mL of the same solvent used for extraction to allow complete recovery of the extract. Then, the mixture was filtered using a pre-weighed filter paper, and the solid residue remaining on the filter paper was dried in a conventional oven at a temperature of 80° C. for 12 hours. The extraction level and astaxanthin recovery according to each solvent are shown in Table 3 below.

용매menstruum 추출 수율 (wt%) a Extraction yield (wt%) a 아스타잔틴 회수율
(mg/g)
Astaxanthin Recovery Rate
(mg/g)
에틸 아세테이트ethyl acetate 42.8 ± 2.542.8 ± 2.5 31.1 ± 1.231.1 ± 1.2 에틸 락테이트ethyl lactate 44.2 ± 2.744.2 ± 2.7 30.1 ± 1.530.1 ± 1.5 아이소아밀 아세테이트isoamyl acetate 46.2 ± 2.946.2 ± 2.9 30.5 ± 1.130.5 ± 1.1 에탄올ethanol 37.1 ± 2.637.1 ± 2.6 25.2 ± 1.225.2 ± 1.2 아세톤acetone 38.5 ± 2.838.5 ± 2.8 24.7 ± 1.524.7 ± 1.5

a, 젖은 샘플 기준 추출물의 그램수a, number of grams of extract based on wet sample

상기 표 3 및 도 6에 나타난 바와 같이, 젖은 헤마토코커스 플루비알리스를 단일 반응용기에서 아세테이트 계열의 용매를 이용하여 아스타잔틴 및 지질을 회수할 때 에탄올 및 아세톤을 용매로 이용하는 것보다 아스타잔틴 회수율 및 추출 수율이 더 높았다. 이는 아세테이트 계열의 용매를 활용하였을 때 물과의 상분리가 형성되어 지용성인 아스타잔틴 및 이의 유도체를 보다 효과적으로 회수할 수 있기 때문이라고 사료된다.As shown in Table 3 and FIG. 6, when astaxanthin and lipids are recovered from wet Hematococcus fluvialis in a single reaction vessel using an acetate-based solvent, astaxant is better than ethanol and acetone as solvents. Tin recovery and extraction yield were higher. This is thought to be because when an acetate-based solvent is used, a phase separation with water is formed, and astaxanthin and its derivatives, which are fat-soluble, can be more effectively recovered.

실시예 6: 항산화 활성 및 항라디칼 활성 평가Example 6: Evaluation of antioxidant activity and anti-radical activity

상기 실시예 5에서 수득한 아스타잔틴의 항산화 활성 및 항라디칼 활성을 전술한 실험 방법에 따라 평가하였다. 그 결과는 하기 표 4에 나타내었다.The antioxidant activity and anti-radical activity of astaxanthin obtained in Example 5 was evaluated according to the above-described experimental method. The results are shown in Table 4 below.

Antioxidants in
auxiliary solvent
Antioxidants in
auxiliary solvent
DPPH 라디칼 소거 활성DPPH radical scavenging activity
IC50
(μg/mL) a
IC 50
(μg/mL) a
트롤록스 등가물
(Trolox equivalents;
μmol of TE/g of extract) b
Trolox equivalent
(Trolox equivalents;
μmol of TE/g of extract) b
에틸 아세테이트ethyl acetate 230230 188188 에틸 락테이트ethyl lactate 225225 187187 아이소밀 아세테이트isomyl acetate 221221 183183 아세톤acetone 325325 151151 에탄올ethanol 393393 5252

a, 혼합물에 존재하는 DPPH의 50%를 제거하는데 필요한 항산화제의 농도;a, the concentration of antioxidant required to remove 50% of the DPPH present in the mixture;

b, 추출물 1 g 당 트롤록스 등가물.b, Trolox equivalent per gram of extract.

상기 표 4에서 나타난 바와 같이, 에틸 아세테이트, 에틸 락테이트 및 아이소아밀 아세테이트의 아세테이트 계열의 용매를 활용하였을 경우 IC50 값이 221-230으로 낮았고, 트롤록스 등가물의 경우 183-188로 나타나 에탄올 및 아세톤을 용매로 한 경우보다 더 높았다. 반면 아세톤 및 에탄올을 이용하여 추출한 추출물은 IC50 값이 325-393으로 더 높았고, 트롤록스 등가물의 경우 52-151로 낮은 것으로 나타났다. 이러한 결과는 아세테이트 계열을 용매를 활용하여 제조된 추출물의 항산화 활성 및 항라디칼 활성이 더 높다는 것을 시사하는 것이다.As shown in Table 4, when an acetate-based solvent of ethyl acetate, ethyl lactate and isoamyl acetate was used, the IC 50 value was as low as 221-230, and in the case of Trolox equivalent, it was 183-188, resulting in ethanol and acetone. was higher than that of the solvent. On the other hand, the extract extracted using acetone and ethanol had a higher IC 50 value of 325-393, and the equivalent of Trolox showed as low as 52-151. These results suggest that the antioxidant activity and anti-radical activity of the extract prepared by using the acetate-based solvent is higher.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.The description of the present invention described above is for illustration, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.

Claims (19)

(a) 헤마토코커스 플루비알리스를 에틸 아세테이트(ethyl acetate), 에틸 락테이트(ethyl lactate) 및 아이소아밀 아세테이트(isoamyl acetate)로 이루어진 군으로부터 선택된 용매에 현탁시키는 단계;
(b) 상기 용매에 현탁된 헤마토코커스 플루비알리스를 파쇄함과 동시에 아스타잔틴을 추출하는 단계; 및
(c) 상기 단계 (b)로부터 수득한 추출물을 여과하는 단계를 포함하는, 헤마토코커스 플루비알리스(Haematococcus pluvialis)로부터 아스타잔틴(astaxanthin)의 동시 추출 방법으로서, 상기 방법은 단일 반응용기(one-pot) 공정으로 수행되는 것이고, 상기 헤마토코커스 플루비알리스 세포벽의 파괴 및 아스타잔틴의 추출이 동시에 이루어지는 것을 특징으로 하는, 동시 추출 방법.
(a) suspending Haematococcus fluvialis in a solvent selected from the group consisting of ethyl acetate, ethyl lactate and isoamyl acetate;
(b) extracting astaxanthin while crushing Haematococcus fluvialis suspended in the solvent; and
(c) as a simultaneous extraction method of astaxanthin from Haematococcus pluvialis , comprising the step of filtering the extract obtained from step (b), the method comprising a single reaction vessel ( One-pot) process, characterized in that the destruction of the Haematococcus fluvialis cell wall and the extraction of astaxanthin are performed at the same time, the simultaneous extraction method.
제1항에 있어서,
상기 헤마토코커스 플루비알리스는 NIES-144 균주인 것을 특징으로 하는, 동시 추출 방법.
According to claim 1,
The Hematococcus fluvialis is characterized in that the NIES-144 strain, simultaneous extraction method.
제1항에 있어서,
상기 아스타잔틴은 유리(free) 아스타잔틴인 것을 특징으로 하는, 동시 추출 방법.
According to claim 1,
The astaxanthin is free (free) astaxanthin, characterized in that the simultaneous extraction method.
제1항에 있어서,
상기 방법은 유리 아스타잔틴, 아스타잔틴 유도체 및 지질을 동시에 추출하는 것을 특징으로 하는, 동시 추출 방법.
According to claim 1,
The method is characterized in that the simultaneous extraction of free astaxanthin, astaxanthin derivative and lipids, a simultaneous extraction method.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 단계 (a)의 헤마토코커스 플루비알리스에 대한 용매의 질량 비율은 1:5 내지 1:20인 것을 특징으로 하는, 동시 추출 방법.
According to claim 1,
Simultaneous extraction method, characterized in that the mass ratio of the solvent to Haematococcus fluvialis in step (a) is 1:5 to 1:20.
제1항에 있어서,
상기 단계 (b)는 10 ℃ 내지 60 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 동시 추출 방법.
According to claim 1,
The step (b) is characterized in that carried out at 10 ℃ to 60 ℃, the simultaneous extraction method.
제1항에 있어서,
상기 단계 (b)는 불활성 기체 하에서 이루어지는 것을 특징으로 하는, 동시 추출 방법.
According to claim 1,
The step (b) is characterized in that it is carried out under an inert gas, the simultaneous extraction method.
제1항에 있어서,
상기 단계 (b)는 볼 밀(ball mill) 공정에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는, 동시 추출 방법.
According to claim 1,
The step (b) is characterized in that performed by a ball mill (ball mill) process, simultaneous extraction method.
제10항에 있어서,
상기 볼 밀 공정은 100 내지 200 rpm의 회전 속도로 수행되는 것을 특징으로 하는, 동시 추출 방법.
11. The method of claim 10,
The ball mill process is characterized in that performed at a rotation speed of 100 to 200 rpm, simultaneous extraction method.
제10항에 있어서,
상기 볼 밀 공정은 5 내지 30분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, 동시 추출 방법.
11. The method of claim 10,
The ball mill process is characterized in that performed for 5 to 30 minutes, the simultaneous extraction method.
제10항에 있어서,
상기 볼 밀 공정은 100 rpm의 회전 속도로 15분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, 동시 추출 방법.
11. The method of claim 10,
The ball mill process is characterized in that it is performed for 15 minutes at a rotation speed of 100 rpm, simultaneous extraction method.
제10항에 있어서,
상기 볼 밀 공정은 200 rpm의 회전 속도로 10분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, 동시 추출 방법.
11. The method of claim 10,
The ball mill process is characterized in that it is performed for 10 minutes at a rotation speed of 200 rpm, simultaneous extraction method.
제10항에 있어서,
상기 볼 밀 공정은 5 내지 10분의 볼 밀링 시간과 5 내지 10분의 일시 정지를 반복하여 수행되는 것을 특징으로 하는, 동시 추출 방법.
11. The method of claim 10,
The ball mill process is characterized in that the ball milling time of 5 to 10 minutes and a pause of 5 to 10 minutes are repeatedly performed, the simultaneous extraction method.
제10항에 있어서,
상기 볼 밀 공정은 지르코니아(zirconia) 재질의 볼(ball)을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는, 동시 추출 방법.
11. The method of claim 10,
The ball mill process is a simultaneous extraction method, characterized in that performed using a ball (ball) of zirconia (zirconia) material.
제16항에 있어서,
상기 지르코니아 볼은 지름이 2.5 내지 10 mm인 것을 특징으로 하는, 동시 추출 방법.
17. The method of claim 16,
The zirconia balls have a diameter of 2.5 to 10 mm, characterized in that the simultaneous extraction method.
제1항에 있어서,
상기 방법은 단계 (a) 이전에 하기의 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 동시 추출 방법:
(a-1) 헤마토코커스 플루비알리스를 부동포자(aplanospore) 단계까지 성장시키는 단계; 및
(a-2) 부동포자 단계의 헤마토코커스 플루비알리스를 수확하여 동결 건조하는 단계.
According to claim 1,
Simultaneous extraction method, characterized in that the method further comprises the following steps before step (a):
(a-1) growing Haematococcus fluvialis to an aplanospore stage; and
(a-2) Harvesting and freeze-drying Hematococcus fluvialis in the immobilization stage.
제1항에 있어서,
상기 방법은 단계 (c)에서 수득한 여과물에서 용매를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 것을 특징으로 하는, 동시 추출 방법.
According to claim 1,
Simultaneous extraction method, characterized in that the method further comprises the step of removing the solvent from the filtrate obtained in step (c).
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