KR20110000285A

KR20110000285A - 초임계유체를 이용한 잣나무로부터 피톤치드의 추출방법

Info

Publication number: KR20110000285A
Application number: KR1020090057714A
Authority: KR
Inventors: 표동진
Original assignee: 강원대학교산학협력단; 심재순
Priority date: 2009-06-26
Filing date: 2009-06-26
Publication date: 2011-01-03

Abstract

본 발명은 피톤치드정유를 함유하는 잣나무 잎을 파쇄하여 잣나무 잎의 분말을 수득하는 단계(a);및, 상기 단계(a)로부터 수득된 분말을 용기에 충진한 후, 초임계유체 이산화탄소에 에탄올 및 물을 혼합한 혼합 추출용매를 투입하여 추출하는 단계(b); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 피톤치드의 추출방법에 관한 것으로, 잣나무 추출을 통해 피톤치드를 얻는데 있어서, 추출용매로 에탄올 및 물을 초임계유체 이산화탄소와 혼합한 혼합 추출용매를 이용함으로써 기존의 유기용매 추출법보다 효과적으로 피톤치드 및 나프탈렌카복실산의 추출수율을 높일 수 있다.

고순도, 물, 에탄올, 이산화탄소, 초임계유체, 추출수율, 피톤치드,

Description

초임계유체를 이용한 잣나무로부터 피톤치드의 추출방법{Extraction method of phytoncide from Pinus koraiensis using supercritical fluid}

본 발명은 피톤치드의 추출방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초임계유체를 이용한 잣나무로부터 피톤치드의 추출방법에 관한 것이다.

최근 현대인들은 생활문화와 환경의 급격한 변화에 의해 정서적, 육체적 활동에 따른 스트레스 등으로 체력의 저하를 느끼며 살고 있고, 과도한 화학성분에 노출되어 화학적 합성을 통한 제제보다는 천연성분에서 추출한 친환경적인 성분에 대한 수요가 급증하고 있는 실정이다.

이와 같은 경향으로 산업계에서도 인공 합성항균제의 사용을 줄이는 추세이고, 안전성이 확보된 천연항균성 물질을 식품의 보존에 이용하고자 하는 연구가 집중적으로 이루어지고 있으며, 화장품 및 기타 생활용품에서까지 활용 용도를 높이려는 제품들이 만들어지고 있다.

천연 항균제란 천연 자원이나 미생물자원으로부터 선택성이나 생화학적, 생 리학적 차이를 극대화하여 바이러스, 세균, 효모, 곰팡이 등을 선택적으로 제어하나 인체에는 무해하게 또는 독성을 최소화한 항균제를 말한다. 지금까지 천연항균제에 대한 제품을 보면 피톤치드 유도체인 희노키티올을 비롯하여, 메그노놀, DF-100등이 개발되었으나, 그 사용되는 규모는 매우 미미한 실정이며, 그를 추출하는 방법에 있어서 열수추출 또는 유기용매 추출에 기본을 두고 있다.

천연항균제의 시장은 세계적으로 증가하는 추세로 미국의 식품 첨가물 시장 중 천연항균제의 시장에 대해 발표한 자료에 의하면 2000년도에는 약 5억달러, 2003년 약 6억달러의 시장을 차지하며, 향후 2010년에는 약 10억달러로 지속적으로 증가할 것으로 전망하였다(참조 : U.S. Market for Food Additives by Types and Materials, through 2006). 이러한 천연항균제의 시장은 앞으로 고부가가치를 창출할 수 있는 시장이지만 기존의 추출 방식으로 진행이 된다면 천연항균제의 수요를 따라가지 못 할뿐만 아니라 안전에 대한 많은 문제점이 발생할 것이다.

한편, 피톤치드(phytoncide)란 식물이 해충이나 미생물로부터 자신을 방어하기 위하여 만들어 내는 살균성 물질의 총칭이다. 피톤치드의 주요성분은 테르펜(terpene)류 화합물로 이들은 독특한 방향성을 가지며, 심폐기능 강화, 혈관기능 강화, 호흡기 강화 및 피부살균 작용 등 여러가지 산림욕 효과에 가장 크게 기여하는 물질이라고 알려져 있다

테르펜은 다수의 이소프렌(isoprene, C₅H₈)이 결합하여 이루어진 탄화수소의 일종으로, 식물은 일반적으로 태양 에너지의 광합성작용을 통하여 0.01∼5％ 가량 의 테르펜을 합성한다.

일반적으로 테르펜은 수증기 증류법, 압착법 또는 추출법을 통하여 정유(essential oil)의 형태로 얻어진다. 피톤치드의 방출량과 그에 함유된 성분은 수목마다 다르며 침엽수는 활엽수에 비해 두 배 이상의 피톤치드를 발산하는 것으로 알려져 있다.

테르펜 정유는 주로 잣나무, 소나무, 편백나무, 화백나무 등과 같은 침엽수와 귤, 탱자와 같은 운향과식물에 특히 많이 함유되어 있는 것으로 알려지고 있다. 그리고, 식물의 테르펜정유함량은 극소량에서부터 5%에 이르고 있으며, 계절 및 수종에 따라 조금씩 달리하고 있다. 이와 같이, 테르펜정유는 식물에 미소량이 함유되어 있으므로, 식물로부터 추출하기 위해서는 소정의 테르펜정유 추출장치가 요구된다.

일 예로서, 국내 임업연구원에서 사용하고 있는 이동식 증수법 소형 정유추출기를 이용한 정유 추출방법이 있는데, 정유회수량(Oil Recovery Percentage)이 소량일 뿐만 아니라 공법상 많은 작업시간이 요구되므로 그에 따른 제비용이 증가하는 경제적인 문제점이 있다. 또한, 소형 증류조에 재료를 넣고 소위 증수법으로 끓일 때는 정유 고유의 유효성분이 다량의 끊는 물에 용해된 이후의 수증기로부터 추출하게 되므로, 수율 즉, 대량생산이 힘들다는 문제점이 있으며, 무수황산나트륨과 같은 화학성분이 포함되어 바로 활용함에 있어 독성이 남아 있을 가능성 때문에 추출한 상태로 바로 사용할 수 없을 뿐만 아니라, 여러 번의 증류 과정을 거치면서 고 에너지가 사용되므로 경제성에도 문제가 있다.

한편, 동·식물로부터 유효성분을 추출하는 통상적인 방법은 메탄올, 에탄올, 헥산 등의 유기용매를 이용하는 것인데 유기용매에 의한 추출 방식은 적용이 용이한 반면, 적절한 용매의 선택, 유기용매의 잔존, 용매제거의 어려움, 환경오염등의 문제점이 있고, 추출 수율이 낮을 뿐만 아니라, 통상적으로 약 24~48시간의 장시간의 추출시간이 필요하다. 그러나 상업적 이용을 위해서는 용매에 대한 안정성과 추출시간의 단축, 환경적 오염 및 추출하고자 하는 성분의 높은 추출수율 등이 요구되나 현재까지 이에 대한 뚜렷한 방법이 없었다.

이에 본 발명은 종래의 피톤치드 추출방법의 한계를 극복하여, 추출물 내 잔류 화학성분이 존재하지 않고, 공해를 발생시키지 않으며, 고 효율적인 다양한 장점을 갖는 초임계유체 기술을 도입한 본 발명의 잣나무 잎으로부터 피톤치드의 추출방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은 피톤치드정유를 함유하는 잣나무 잎을 파쇄하여 잣나무 잎의 분말을 수득하는 단계(a);및, 상기 단계(a)로부터 수득된 분말을 용기에 충진한 후, 초임계유체 이산화탄소에 에탄올 및 물을 혼합한 혼합 추출용매를 투입하여 추출하는 단계(b); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 피톤치드의 추출방법을 제공한다.

이하, 본 발명의 과제 해결 수단을 단계별로 세분화하여 상세히 설명하고자 한다.

단계(a); 피톤치드정유를 함유하는 잣나무 잎을 파쇄하여 잣나무 잎의 분말을 수득하는 단계

본 단계(a)는 피톤치드정유를 함유하는 잣나무 잎을 파쇄하여 잣나무 잎의 분말을 수득하는 단계이다.

한편, 본 발명은 잣나무 잎으로부터 피톤치드를 용이하게 추출하기 위해 잣나무 잎을 파쇄하는데, 그로부터 수득된 잣나무 잎의 분말은 바람직하게 2~8mm인 것인 좋다.

단계(b); 상기 단계(a)로부터 수득된 분말을 용기에 충진한 후, 초임계유체 이산화탄소에 에탄올 및 물을 혼합한 혼합 추출용매를 투입하여 추출하는 단계

본 단계(b)는 상기 단계(a)로부터 수득된 분말을 용기에 충진한 후,초임계유체 이산화탄소에 에탄올 및 물을 혼합한 혼합 추출용매를 투입하여 추출하는 단계이다.

본 발명은 잣나무 잎으로부터 피톤치드를 함유하는 추출물을 수득하기 위해 초임계유체 이산화탄소를 추출용매로 사용한다.

초임계유체란 임계점 이상의 온도와 압력 하에 있는 비압축성유체로서, 기존의 유기용매에서는 나타나지 않는 독특한 특징을 나타낸다. 특히, 초임계유체는 임계점 부근 이상에서 밀도요동(density fluctuation) 현상으로 인한 분자회합(molecular association)이 일어나기 때문에, 액체에 가까운 큰 밀도, 기체에 가까운 낮은 점도와 높은 확산계수, 매우 낮은 표면장력 등의 우수한 물성을 동시에 가지고 있다.

초임계유체는 밀도를 이상기체에 가까운 희박 상태에서부터 액체 밀도에 가까운 고밀도 상태까지 연속적으로 변화시킬 수 있기 때문에, 유체의 평형물성, 전달물성, 분자 뭉침 상태 등을 조절할 수 있다.

본 발명은 초임계유체로 이산화탄소를 사용하는데, 이산화탄소는 자연에 무한량 존재할 뿐만 아니라 제철산업이나 석유화학산업에서 다량 발생하는 물질이고 무색, 무취, 인체에 무해하며 또한 화학적으로 매우 안정한 물질이다. 무엇보다도 그 어떤 유체보다 낮은 임계 온도(31.1℃)와 임계 압력(7.4 MPa)을 나타내 쉽게 초임계 조건으로 조정이 가능하여 에너지 효율도 높다. 또한, 기존의 유기용매를 이용한 피톤치드의 추출방법은 유기용매를 사용함으로써 최종산물 내에 유기용매의 잔존, 용매 제거의 어려움, 환경오염의 문제와 추출수율이 낮고 통상적으로 추출시간이 24~28시간으로 장시간 소요되는 문제점이 발생하였는데, 본 발명은 초임계유체 추출법을 이용함으로써 상기와 같은 유기용매로 인해 발생되는 문제점을 해결할 수 있으면서 고순도의 피톤치드 성분을 수득할 수 있다.

한편, 본 발명은 피톤치드의 추출수율을 높이기 위해 비극성 용매인 이산화탄소를 단독으로 사용하기보다는 에탄올과 물을 혼합한 혼합 추출용매를 사용하는데, 하기 실험예에서 초임계유체 이산화탄소를 단독으로 사용할 때보다 에탄올 및 물을 혼합한 혼합 추출용매로 추출하는 것이 피톤치드의 추출수율이 높다는 사실을 입증하였다.

한편, 본 발명의 혼합 추출용매는 바람직하게 초임계유체 이산화탄소 60~90%, 에탄올 6~34%, 물 1~9%로 조성되는 것이 좋은데, 피톤치드의 추출수율을 높이면서 고순도로 추출할 수 있기 때문이다.

한편, 에탄올은 바람직하게 70~90%(v/v)이 좋으며, 추출은 바람직하게 온도 45~55℃, 압력 100~200bar 조건에서 혼합 추출용매의 유속을 0.5~1.5ml/min로 하여 1~3시간 동안 수행하는 것이 좋다.

상기에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 잣나무 추출을 통해 피톤치드를 얻는데 있어서, 추출용매로 에탄올 및 물을 초임계유체 이산화탄소와 혼합한 혼합 추출용매를 이용함으로써 효과적으로 기존의 유기용매 추출법보다 피톤치드 및 나프탈렌카복실산의 추출수율을 높일 수 있다.

또한, 종래의 추출방법보다 유기용매의 양을 적게 사용함으로써 최종추출물에 잔류하는 용매에 대한 문제점을 해결할 수 있으며, 친환경적이라고 할 수 있다.

이하, 본 발명의 내용을 하기 실시 예를 들어 더욱 상세히 설명하고자 한다. 다만, 본 발명의 권리범위가 하기 실시 예에만 한정되는 것은 아니고, 그와 등가의 기술적 사상의 변형까지를 포함한다.

실험예 1: 초임계유체 이산화탄소의 최적 온도 및 압력 선택을 위한 실험

본 실험예 1은 잣나무 잎으로부터 피톤치드를 추출함에 있어서, 초임계유체 이산화탄소의 최적 온도 및 압력을 선택하기 위해 온도 및 압력 변화에 따른 잣나무 잎으로부터 추출되는 피톤치드 및 나프탈렌카복실산의 양을 측정하였다.

도 1에 나타낸 초임계유체 추출장치를 이용하되 온도를 40~60℃의 범위에서 변화시키고, 압력을 50~200bar 범위에서 변화시키면서, 공용매 없이 통상의 초임계 이산화탄소 추출장치로 잣나무 잎 내의 피톤치드 성분과 나프탈렌카복실산의 추출정도를 측정하였다.

초임계유체 이산화탄소 조건	피톤치드 (Phytoncide, μg/g)	나프탈렌카복실산 (Napthalenecarboxylic acid ,μg/g)
40℃, 50 bar	1.31	14.46
40℃, 100 bar	3.18	2.33
40℃, 150 bar	5.72	3.80
40℃, 200 bar	15.12	14.91
50℃, 50 bar	1.17	5.34
50℃, 100 bar	2.35	4.56
50℃, 150 bar	36.35	16.80
50℃, 200 bar	18.27	13.27
60℃, 50 bar	13.05	12.38
60℃, 100 bar	34.07	2.52
60℃, 150 bar	10.14	8.34
60℃, 200 bar	33.78	4.91

온도 및 압력에 따른 피톤치드 및 나프탈렌카복실산의 추출정도를 측정한 결과(표 1), 50℃, 150 bar 초임계이산화탄소 조건에서 가장 높게 나타났으나, 추출율이 유기용매 추출에 비해 만족할 만한 수준이 아니었으므로 초임계유체 이산화탄소의 극성을 높이고자 공용매를 첨가할 것을 고려하게 되었다.

실험예 2: 공용매에 따른 추출정도 측정

초임계유체 추출은 50℃, 150 bar에서 초임계유체 이산화탄소에 메탄올, 에탄올, 아세토니트릴 세 가지 유기용매를 공용매로 사용하여 잣나무 잎 내의 피톤치드 성분과 나프탈렌카복실산의 추출정도를 측정하였다.

공용매	피톤치드 (Phytoncide, μg/g)	나프탈렌카복실산 (Napthalenecarboxylic acid, μg/g)
에탄올	39.20	19.60
메탄올	22.35	17.56
아세토니트릴	18.29	18.28

측정결과(표 2), 그 에탄올을 공용매로 선택하여 추출 수율을 측정하였을 때 최고의 추출 수율을 나타내었다.

실험예 3: 초임계유체 추출에 공용매로서 물이 미치는 영향

잣나무 잎으로부터 피톤치드 성분과 나프탈렌카복실산을 고순도로 추출할 수 있도록 초임계유체 추출 효율을 증가시키기 위하여 초임계유체 이산화탄소에 에탄올 및 물을 첨가하여 그 추출효율을 측정하였다.

공용매	피톤치드 (Phytoncide, μg/g)	나프탈렌카복실산 (Napthalenecarboxylic acid, μg/g)
90% 에탄올	62.3	25.61
80% 에탄올	89.53	36.60
70% 에탄올	79.26	17.97

측정결과(표 3), 공용매로 물을 첨가하였을 경우 초임계유체 이산화탄소 단독으로 추출하였을 때에는 기대할 수 없었던 추출 효율의 상승을 가져왔으며, 이는 기존의 유기용매 추출 공정을 능가하는 수율을 나타내었다.

실시예 1: 피톤치드 추출

잣나무 잎을 5mm로 파쇄한 후, 잣나무 잎 분말을 초임계유체 추출용기에 충진하였다. 그리고 잣나무 잎 분말이 충진된 추출기에 열교환기를 통하여 초임계유체 이산화탄소 75%에 에탄올 20%, 물 5%가 혼합된 혼합 추출용매를 50℃, 150bar조건에서 유속 1ml/min으로 흘려주면서 2시간 동안 추출하였다. 추출 후, 감압분리기에서 혼합 추출용매과 추출물을 감압밸브를 경유하여 감압시킴으로써 분리하고, 분리된 혼합 추출용매는 순환시킨 후, 외부에서 보충되는 혼합 추출용매와 함께 펌프에 의해 감압하여 재순환시키고 분리된 추출물을 수거하여 피톤치드 성분이 포함된 추출물을 수득하였다.

도 1은 초임계유체 추출장치를 나타낸 도이다.

Claims

피톤치드정유를 함유하는 잣나무 잎을 파쇄하여 잣나무 잎의 분말을 수득하는 단계(a); 및,

상기 단계(a)로부터 수득된 분말을 용기에 충진한 후, 초임계유체 이산화탄소에 에탄올 및 물을 혼합한 혼합 추출용매를 투입하여 추출하는 단계(b); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 피톤치드의 추출방법
제1항에 있어서,

잣나무 잎의 분말은,

2~8mm인 것을 특징으로 하는 피톤치드의 추출방법
제1항에 있어서,

혼합 추출용매는,

초임계유체 이산화탄소 60~90%, 에탄올 6~34%, 물 1~9%로 조성되는 것을 특징으로 하는 피톤치드의 추출방법
제1항에 있어서,

에탄올은,

70~90%(v/v)인 것을 특징으로 하는 피톤치드의 추출방법
제1항에 있어서,

추출은,

온도 45~55℃, 압력 100~200bar 조건에서 혼합 추출용매의 유속을 0.5~1.5ml/min로 하여 1~3시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 피톤치드의 추출방법