KR20020083538A - 초임계 유체 추출법을 이용한 고순도 효모 글루칸의제조방법 - Google Patents

초임계 유체 추출법을 이용한 고순도 효모 글루칸의제조방법 Download PDF

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KR20020083538A
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Abstract

본 발명은 효모 세포벽 내의 지질 및 기타 지용성 물질을 추출하여 효모 유래의 베타-1,3-글루칸 (β-1,3-glucan)을 고순도로 정제할 수 있는 방법에 관한 것으로, 기존의 유기용매 추출법에 비해 경제적이고 환경친화적이며 인체에 무독성인 초임계 추출법 (Supercritical Fluid Extration)에 의하여 효모 글루칸을 제조하는 방법에 관한 것이다. 이 방법에 의하면 균일한 조성을 갖는 베타-1,3-글루칸을 고수율로 획득할 수 있으며, 생산된 베타-1,3-글루칸은 면역기능 강화 등 기능성 식품, 사료 및 화장품 미백제, 피부손상 완화제 등으로 사용할 수 있다.

Description

초임계 유체 추출법을 이용한 고순도 효모 글루칸의 제조방법{A Production Method of High purity Yeast Glucan by Super Critical Fluid Extraction Technique}
본 발명은 효모 세포벽 성분인 글루칸을 고순도로 제조하는 방법에 관한 것이다. 좀더 구체적으로, 본 발명은 액체와 기체의 중간적 성격을 갖는 고압, 고밀도 상태의 이산화탄소에 공용매를 첨가한 초임계 유체 추출법을 이용하여 효모 세포벽으로부터 고순도의 베타 글루칸을 제조하는 방법에 관한 것이다.
다당류(polysaccharides)는 식품, 의료, 사료 등 다양한 산업 분야에 널리 사용되는 생체고분자(biopolymer) 화합물로써 자연계 및 생물체 내에서 작용하는 다당류를 관찰해 보면 매우 특이한 물리, 화학, 생물학적 기능을 하고 있음을 알 수 있다. 이러한 특이한 기능성은 대부분 다당류의 물리적 성질에서 기인한 것으로서 분자구조 혹은 분자간 결합의 유무 및 종류에 따라 많은 차이를 나타낸다.
베타 글루칸은 구미에서는 50여 년 전부터 면역증강능, 항산화효과 및 항암기능, 피부보호제 등 매우 다양한 생리활성을 보이는 것으로 알려져 있으며, 광범위하게 사용되어 오고 있다(Industrial Gums and Their Derivatives, R.L. Whistler, J.N. BeMiller (Eds.), Academic Press, San Diego, New York, Boston (1993), p. 537). 포도당의 고분자인 베타 글루칸(β-glucan)은 효모의 세포벽에 가장 많이 존재하는 고분자로서 효모 세포벽의 구조를 강화시켜 효모의 구조를 지탱하는 역할을 한다. 글루칸으로 이루어진 세포벽은 불용성(water insoluble)으로서 세포 내부물질을 포함하고 있다. 효모 세포벽 글루칸은 포도당으로 이루어진 고분자(homo polymer)로서 β(1→3) 혹은 β(1→6) 결합으로 이루어져 있다.
효모의 세포벽으로부터 글루칸을 추출하는 방법은 물리, 화학, 생화학적 방법으로 구분하여 고려할 수 있다. 우선 물리적 방법으로는 기계적 분쇄, 볼밀을 이용한 분쇄 및 초음파 파쇄기를 이용한 분쇄가 있다. 화학적 방법으로는 산과 알카리 용액을 이용한 추출법이 대표적이며 유기용매를 사용한 가용화법도 이용될 수 있다. 약산성 용액으로 흔히 사용되는 것은 아초산 나트륨 완충액 (pH 5.0) 혹은0.5M 초산용액이 사용되며 강산을 사용할 경우는 염산 혹은 인산을 사용하게 된다. 추출 시 온도는 75-90℃로 가열함이 좋다. 약알카리 용액은 3% 가성소다 용액이 주로 사용되며 75℃ 내외로 가열하여 추출하는 것이 일반적이다. 글루칸을 가용화시킬 수 있는 대표적인 유기용매는 디메칠설폭사이드 (dimethylsulfoxide; DMSO)로써 알카리에 녹는 글루칸은 디메칠설폭사이드에도 녹는 것으로 알려져 있다. 생화학적 방법은 효소를 이용한 세포벽의 선택적 분리 및 유전자 조작을 통한 글루칸의 선택적 다량 생산이 대표적이다. 또한 키티네이즈 (chitinase) 혹은 글루카네이즈 (glucanase) 등이 글루칸의 순수 분리에 흔히 사용되며 가지 (branch) 구조를 가진 글루칸을 선형 글루칸으로 제조하는 데 사용되기도 한다. 약산을 이용한 세포벽의 처리는 세포벽에 상처를 입히며, 초음파와 볼밀에 의한 분쇄는 세포벽을 파괴시킨다 (J.S.D. Bacon, V.C. Farmer, D. Jones, and F. Taylor, Biochem. J., 114, 557-567(1969).).
베타 글루칸의 생리활성은 베타 글루칸의 분자량과 상관관계를 가지며, 인체에 미치는 부작용은 베타 글루칸의 순도와 깊은 관계가 있다. 다수의 베타 글루칸은 불용성이며, 인체 흡수율을 높이기 위해서는 불용성 입자의 크기를 매우 미세하게 제조하는 방법과 용해도를 증가시키기 위한 화학적 수식을 도입하는 방법이 널리 사용되고 있다.
본 발명은 효모의 세포벽에 존재하는 베타-1,3-글루칸 (이하 베타 글루칸)을 선택적으로 분리, 고순도로 정제하는 방법에 관한 것이다.
베타 글루칸은 보리 등의 곡물류, 효모를 비롯한 곰팡이류로부터의 추출 및미생물에 의한 발효로 생산할 수 있다. 생산방법 이외에 분리, 정제 등 후처리 공정이 매우 까다롭고 번거로워 이에 대한 기술도 매우 중요하다.
이러한 베타 글루칸을 고부가가치 소재로 사용하기 위해서는 베타 글루칸의 순도가 매우 중요한 요인임에도 불구하고 이에 관한 기술적인 연구는 매우 미미하다. 현재 사용 중인 방법은 강산, 강염기, 유기용매를 이용한 용해도의 차이에 따른 분리가 주종을 이루고 있다. 이러한 방법은 폐액을 다량 배출한다는 것 외에 베타 글루칸과 chitin, lipid 등의 결합으로 복잡하고 단단하게 이루어져있는 효모의 세포벽에서 베타 글루칸의 선택적 분리가 어려워 베타 글루칸에 이물질이 함유될 가능성이 많아 순도가 낮은 단점을 지니고 있어 종래의 방법으로는 고순도 글루칸 제조가 어렵다. 따라서 인체에 무해하며, 환경친화적이고 고순도를 가지는 베타 글루칸 제조를 위한 우수한 분리, 정제 공정이 요구되고 있다.
본 발명에서는 이러한 기존의 추출, 정제법의 문제점을 해결하고자 초임계 유체 추출법을 이용하였다. 어떤 물질을 임계점 이상의 압력과 온도 상태로 유지하면 고체 및 액체, 기체 등과는 물리화학적 특성면에서 확연하게 구별되는 물질로 존재하게 되며 이를 초임계 유체라 한다. 이러한 초임계 상태의 유체는 액체와 유사한 밀도를 가지며 확산도 및 투과성면에서는 기체와 가까운 특성을 나타낸다. 이러한 초임계 유체를 이용한 추출 기술은 1970년대부터 의약품 및 가공식품, 석유화학물질 추출, 정제관련 분야에서 기존의 공정을 대체할 수 있는 새로운 환경친화적 청정기술로 주목 받아 왔다. 최근 들어서는 이러한 유체 공정 기술이 정밀화학, 에너지, 환경, 신소재 등 제반 산업에 급속도로 파급되면서 전통적인 다양한 분리기술이 초임계 유체 공정을 이용하는 신기술로 대체되고 있다. 특히, 다양한 초임계 유체 중 이산화탄소를 사용하여 천연생리활성물질을 추출, 정제할 시에는 기존의 공정에서 발생하는 문제점, 즉 최종 산물 내에 잔류하는 유기용매에 의한 인체독성과 고비용, 폐기용매에 의한 환경공해, 목적성분의 변성 및 낮은 추출 선택성 등을 상당부분에서 해결 또는 보완할 수 있는 것으로 알려졌다. 초임계 유체를 이용한 물질 분리는 현재 무카페인 커피 및 홍차의 생산, 호프 등 천연 식품 첨가물의 선택적 추출, 저타르 니코틴 담배의 생산, 천연물로부터 식용유의 고순도 추출, 천연 의약품 추출 및 정제 등에 적용되는 기술로서 상업화 기술로서의 발전 가능성이 매우 높다.
본 발명은 초임계 유체 기술을 이용하여 기존 유기용매 공정을 대체할 수 있는 환경친화적인 베타글루칸 분리, 정제공정을 개발하려는 데 그 목적이 있다.
본 발명은 저순도(60∼65%)의 효모 글루칸을 특히 공용매를 부가한 초임계 상태의 이산화탄소를 이용하여 최적 온도, 압력 조건을 결정하고 이와 같은 최적 추출조건으로 글루칸 내에 포함된 수용성 및 지용성 물질을 추출하여 최종적으로 고순도의 효모글루칸을 제조하려는 것을 그 목적으로 한다.
도 1은 본 발명에 사용된 초임계 유체 추출장치 개형도.
도 2는 고순도 효모 글루칸 제조를 위한 초임계 유체 추출 공정을 포함한 본 발명의 공정도.
도 3은 효모 세포벽으로부터 분리된 지방산의 가스크로마토그래피 결과로서, 효모 세포벽을 이루는 주요한 네가지 지방산(팔미톨레익산, 팔미틱산, 올레익산, 옥타데카노이드산)을 나타낸다.
본 발명자들은 우선 초임계 이산화탄소의 온도, 압력 변화에 따른 지질의 추출량과 글루칸의 순도를 측정하여 최적 온도, 압력 조건을 선택하였다. 다음으로는 위와 같이 선택된 최적 조건에서 다양한 종류의 유기용매를 초임계 이산화탄소에 첨가하여 추출효율의 변화를 확인하였다. 또한, 최적 조건에서 선택된 공용매의 부피비를 변화시켜 가면서 지질성분의 추출량 변화와 글루칸의 순도를 살펴봄으로써 최적 공용매 부피비를 결정하여 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 구성은 다음과 같다.
본 발명은 효모 세포벽으로부터 얻어진 조글루칸에 물을 가하여 일정시간 가열하는 단계; 가열된 조글루칸 용액을 냉각하여 상등액을 회수한 후 농축, 감압하여 가용성 성분을 얻는 단계; 이산화탄소 및 공용매를 혼합하고 예열한 후 상기 가용성 성분과 함께 추출조에 주입하여 글루칸을 추출하는 단계를 포함하는 초임계 추출법을 이용한 고순도 효모 글루칸의 제조방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 이산화탄소 및 공용매를 이용한 글루칸 추출 단계가 40∼100℃, 3000∼5000psi에서 수행되는 것을 특징으로 하는 초임계 추출법을 이용한 고순도 효모 글루칸의 제조방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 방법에 있어서, 공용매로서 에탄올, 메탄올, 에칠아세테이트, 노르말 헥산, 디에칠에테르 중 한 가지 이상을 선택하는 것을 특징으로 하는 초임계 유체 추출법을 이용한 고순도 효모 글루칸의 제조방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 공용매를 5-40 부피%로 가하는 것을 특징으로 하는 초임계 유체 추출법을 이용한 고순도 효모 글루칸의 제조방법에 관한 것이다..
아래의 실시예를 통하여 본 발명의 구성을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 범위가 아래 실시예에만 한정되는 것은 아니다.
지질 분석방법
글루칸 내에 포함된 지질(lipid) 분석을 위하여 본 발명에서는 지질의 지방산을 메칠에스테르로 변환시켜 가스 크로마토그래피로 정량하였다. 지질의 정량분석을 위해서는 지방산을 간접적으로 정량하는 것이 일반적이다. 천연물 내에서 지방산은 분리된 상태보다는 글리세롤 등에 에스테르 결합하여 존재한다. 따라서, 본 발명에서 지방산 정량을 위해 사용한 수산화나트륨 용액은 글리세롤과 지방산의 에스테르 결합을 끊기 위하여 사용하였으며 14% BF3 용액은 추출된 지방산을 가스 크로마토그래피 분석에 용이하게 하기 위한 메틸에스테르 변환 시약으로 사용하였다.
본 발명에서 사용된 지질 제거용 추출용매는 일반적으로 사용되는 노르말-헥산과 에탄올이었다. 본 발명에서 원재료로 사용한 조글루칸 제품 내의 지방산은 팔미톨레익산(palmitoleic acid), 팔미틱산(palmitic acid), 올레익산(oleic acid), 옥타데카노이드산(octadecanoic acid)이 주요 성분으로 검출되었다. 따라서, 본 발명에서는 상기 네 가지 지방산을 정량함으로써 지질의 함량을 간접적으로 정량하였다.
가스 크로마토그래피 분석 방법
가스 크로마토그래피는 휴렛 팩커드(Avondale, PA, U.S.A.) 5890 시리즈 II가스 크로마토그래프에 HP 3395 자료분석장치(integrator)를 장착하여 사용하였으며, 분석용 컬럼은 Ultra 2 (5% 페닐메칠실록산 가교, 25㎜ × 0.32㎜, 코팅두께 0.25 ㎛)였으며 유동가스로는 헬륨을 분당 3.7㎖의 유속으로 공급하였다. 분산비는 20:1이었으며 내부 온도는 150℃에서 1분간 유지한 후 280℃까지 분당 8℃씩 증가시켰다. 주입구 및 검출기의 온도는 각각 200과 280℃였다.
글루칸 순도 정량 방법
글루칸의 순도(purity)를 측정하기 위하여 본 발명에서는 강산을 이용하여 포도당 고분자를 가수분해시킨 후 그 상등액을 이용하여 DNS 방법으로 정량하였다. 본 발명에서 사용된 글루칸은 효모 유래의 불용성 글루칸(water insoluble)으로써 순도 측정을 위해서는 가수분해를 시켜야한다. 가수분해 방법은 일반적으로 화학적, 효소적 방법으로 나누어진다.
본 발명에 사용한 가수분해 방법으로는 HCl, H2SO4 등의 산을 이용한 화학적 가수분해법이다. 산 가수분해를 통해 베타 글루칸을 구성하고 있는 포도당 고분자의 결합을 끊고, 끊어진 포도당(glucose)을 정량하는 방법으로 DNS 시약을 사용하였다.
글루칸을 완전 가수분해(completely hydrolysis) 하기 위해서는 사용되는 산의 농도, 온도 조건과 가수분해 시간 등 최적 조건을 결정하여야하며, 이를 위하여 다양한 농도와 반응시간으로 가수분해를 시도하였다.
8N H2SO4 용액을 이용하여 가수분해시킨 글루칸은 완전 가수분해되지 못하였으나, 이에 비해 글루칸 용액 1mg/ml 당 60㎕의 HCl을 첨가하여 가수분해시킨 글루칸은 완전 가수분해가 되었다. 따라서, 공용매를 부가하여 초임계 이산화탄소 추출방법으로 정제된 글루칸 5mg을 H2O 5ml과 혼합 후 300㎕의 8N HCl 용액을 첨가하였다. 또한 가수분해 반응을 돕기 위하여 열을 가하였는데, autoclave 조건으로 2 시간 동안 반응 시켰다. 가순분해 된 글루칸 용액 1ml을 취한 후 DNS solution 3ml을 넣고 100℃에서 15분 반응시키고 실온까지 냉각시킨 후 570nm에서 O.D.값을 측정하였다. 스탠다드로는 1g/ℓ글루코스 용액을 사용하였다.
실시예 1) 초임계 이산화탄소의 최적 온도, 압력 선택
초임계 이산화탄소를 이용한 글루칸 내의 지질 추출에 알맞은 최적 온도, 압력 조건을 확인하기 위하여 본 발명자들은 온도를 40∼100℃의 범위에서 변화시키고, 압력을 3000∼5000psi 범위에서 변화시키면서 공용매 없이 통상의 초임계 이산화탄소 추출장치로 조글루칸 내의 지질 추출정도를 측정하였다.
초임계 유체 추출공정 이전에 바람직하게는 시판되는 조글루칸을 열수추출한 후 초임계 유체 추출법을 적용한다. 즉, 조글루칸 100g을 증류수 200ml에 분산시켜 30분간 끓인다. 이 용액을 상온까지 냉각한 후 자연 침전상태에서 상등액을 회수하여 농축, 감압 결정화하여 가용성 성분을 얻는다. 이 가용성 성분에 대하여 초임계 유체 추출법을 적용시킨다.
그 결과 60℃, 5000psi에서 가장 높은 추출 수율을 나타내었다(표 1).
그러나, 60℃, 5000psi 초임계 이산화탄소 조건에서 가장 높게 나타났음에도불구하고, 순도가 만족할만한 수준이 아니었으므로 초임계 이산화탄소의 극성을 높이고자 공용매를 첨가할 것을 고려하게 되었다.
온도(℃),압력(psi) 팔미톨레익산 팔미틱산 올레익산 옥타데카노이드산 순도(%)
40, 3000 0.036±0.004 미량 0.010±0.004 미량 66.4
40, 5000 0.048±0.008 미량 0.018±0.006 미량 69.8
60, 3000 0.038±0.004 미량 0.010±0.002 미량 66.8
60, 5000 0.052±0.010 미량 0.020±0.008 미량 70.5
100, 3000 미량 미량 미량 미량 66.2
100, 5000 0.048±0.004 미량 0.018±0.002 미량 68.4
실시예 2) 지질 추출에 미치는 각종 공용매의 영향
초임계 이산화탄소 추출 시 최적 온도 및 압력으로 선택된 60℃, 5000psi에서 초임계 이산화탄소에 각종 공용매를 5% 부피로 첨가하였을 때의 지질추출 수율을 표 2에 나타내었다.
공용매 팔미톨레익산 팔미틱산 올레익산 옥타데카노이드산 순도(%)
MeOH 0.056±0.001 미량 0.022±0.012 미량 72.2
EtOH 0.054±0.004 미량 0.036±0.006 미량 75.1
EtOAc 0.038±0.004 미량 0.018±0.004 미량 67.8
n-헥산 0.036±0.002 미량 0.012±0.004 미량 66.5
다이에틸에테르 0.038±0.002 미량 0.012±0.001 미량 66.2
추출은 두개의 이스코(Isco) 260D 주사펌프(syringe pump)(Lincoln, NE, U.S.A.)가 연결된 이스코 초임계 유체 추출기, 모델번호 SFX 3560을 사용하였다(도 1 참조). 냉각된 이산화탄소가 탱크에서 주사펌프로 공급되고 다른 하나의 주사펌프에는 미리 선택된 공용매가 채워졌다. 이산화탄소와 공용매는 티-혼합기에 의해 섞이고 예열기를 통해 원하는 온도로 예열된 용매는 공급밸브를 통해 추출조(57㎜ × 20㎜, 이스코사)에 주입되었다. 주입된 용매는 글루칸(500㎎)과의 접촉을 위하여 일정한 시간동안 추출하였다. 일정 시간 후 분석밸브를 열고 추출물을 샘플링용 바이알에 포집하였다. 유속은 일정 온도(80℃)로 가열된 제한기(restrictor)를 통해 조절되며 추출물은 해압시의 손실을 방지하기 위해 5㎖의 메탄올이 채워진 바이알에 모았다. 추출온도는 40∼100℃, 추출압력은 3000∼5000psi였다. 추출이 끝난 후에는 세척 밸브를 통해 이산화탄소로 제한기에 남아 있는 추출물을 바이알에 모으고 다시 제어기에 연결된 용매펌프에 의해 메탄올로 제한기에서의 해압과정 시 남아 있을 가능성이 있는 추출물을 씻어 내었다.
사용된 공용매는 에탄올을 비롯하여 메탄올, 에칠아세테이트, 노르말 헥산,디에칠에테르 중 한가지 이상을 사용하였다. 추출된 지질 성분은 유기용매 추출과 마찬가지로 지방산 메칠 에스테르로 변화시켜 가스 크로마토그래피로 정량하였다.
그 결과 상기 표 2에 나타낸 것과 같이 5% 부피비로 공용매를 첨가하였을 때 비록 메탄올, 에탄올 등 알코올 공용매의 첨가로 지질 추출량이 소폭 증대되었으나 추출수율과 글루칸 순도 증가가 만족스럽지 못하였다. 그리하여, 본 발명자들은 공용매 첨가량을 늘려 그 영향을 살펴보았다. 그 결과 에탄올을 20% 부피비로 첨가하였을 때 순수 이산화탄소만으로 추출하였을 때보다 2배 가량의 추출수율을 나타내었으며, 글루칸 순도도 높아졌다. 또한, 추출시간을 50분에서 150분으로 늘려 보았을 때 100분에서 최적의 추출수율을 나타내었다. 그러나, 에탄올을 사용한 유기용매 추출법에 비하여 17%에 불과하여 공용매의 양을 좀더 증가시킬 필요가 있다고 판단하였다.
그리하여, 본 발명자들은 공용매의 양을 변화시켜 가며 지질 추출수율을 측정해 본 결과 공용매를 전체 용매부피 대비 40부피%로 첨가하였을 때 종래 유기용매 추출법에 비해 월등히 높은 지질 추출수율과 고순도를 가지는 글루칸을 얻어낼 수 있었다. 표 3은 공용매로써 에탄올을 각각 20%와 40% 부피비로 첨가한 초임계 이산화탄소 추출법으로 글루칸으로부터 지질을 추출해 낸 결과를 나타내었다.
본 발명에서는 40% 에탄올을 공용매로 사용하여 초임계 이산화탄소 추출방법으로 정제된 베타 글루칸의 순도(purity)를 끊어진 포도당 함량을 정량함으로써 측정한 결과, 저순도(약 60-65%)의 글루칸이 85% 이상의 고순도로 정제되었음을 확인하였다.
팔미톨레익산 팔미틱산 올레익산 옥타데카노이드산 순도(%)
5% 에탄올+ 초임계 CO2 0.054±0.004 미량 0.036±0.006 미량 75.1
20% 에탄올+ 초임계 CO2 0.779±0.085 0.431±0.061 0.659±0.100 0.170±0.029 80.5
40% 에탄올+ 초임계 CO2 0.556±0.056 0.776±0.081 0.706±0.118 0.410±0.108 85.2
본 발명은 공용매를 부가한 초임계 유체 추출법을 이용한 글루칸 정제공정에 있어서, 기존의 유기용매 추출법을 능가하는 높은 순도의 글루칸을 얻을 수 있었으며 종래 유기용매 추출법에서 사용되는 유기용매의 양을 60% 이상 줄일 수 있었다.
또한, 본 발명은 종래 유기용매 추출법의 복잡하고 시간이 오래 걸리는 문제점을 해결하여 추출공정이 간단하고 추출시간을 줄일 수 있는 글루칸 정제공정을 개발하였다.
나아가, 본 발명은 종래 유기용매 추출법으로 추출된 글루칸의 순도가 낮은 문제점을 극복하여 고순도의 글루칸을 제조함으로써 의약품, 식품, 사료, 화장품 등의 고급 용도로써 글루칸을 이용할 수 있도록 하였다.

Claims (5)

  1. 효모 세포벽으로부터 얻어진 조글루칸에 이산화탄소 및 공용매를 혼합하고 예열한 후 초임계 유체 추출법을 이용하여 고순도 효모 글루칸을 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 이산화탄소 및 공용매를 이용한 글루칸 추출 단계는 40∼80℃, 3000∼5000psi에서 수행되는 것을 특징으로 하는 초임계 유체 추출법을 이용한 고순도 효모 글루칸의 제조방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 공용매는 에탄올, 메탄올, 에칠아세테이트, 노르말 헥산, 다이에칠에테르 중 한 가지 이상인 것을 특징으로 하는 초임계 유체 추출법을 이용한 고순도 효모 글루칸의 제조방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 공용매는 5∼40부피%인 것을 특징으로 하는 초임계 유체 추출법을 이용한 고순도 효모 글루칸의 제조방법.
  5. 제3항에 있어서, 공용매는 5∼40부피%인 것을 특징으로 하는 초임계 유체 추출법을 이용한 고순도 효모 글루칸의 제조방법.
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