KR20130047270A - 초임계유체를 이용하여 황기로부터 엔도설판을 제거하는 방법 - Google Patents

초임계유체를 이용하여 황기로부터 엔도설판을 제거하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초임계유체를 이용하여 황기로부터 엔도설판을 제거하는 방법에 관한 것으로, 종래의 방법으로는 효율적으로 제거되지 않았던 황기 엔도설판이 초임계 유체 추출법에 의해 효과적으로 제거가능하였다.

Description

초임계유체를 이용하여 황기로부터 엔도설판을 제거하는 방법{A method of removing endosulfan from Astragalus membranaceus Bunge using supercritical fluids}
본 발명은 초임계유체를 이용하여 황기로부터 엔도설판을 제거하는 방법에 관한 것이다.
초임계 유체는 1822년 Baron Cagniard de la tour에 의해 그 존재가 보고되었으나, 1907년 Traube에 의해 초임계 유체의 개념이 완성되었다. '초임계 유체'란 임계 온도와 압력 이상에 있는 유체로서, 유체의 용해력을 강조하는 의미에서 '농축 기체'로 지칭되기도 한다. 일반적으로 물질은 온도와 압력의 변화에 따라 고체, 액체, 기체라고 하는 3상을 갖게 되나 액체와 기체의 두 상태가 서로 분간할 수 없게 되는 임계온도와 임계압력 이상에서는 온도, 압력의 변화에 의해 더 이상 고체, 액체, 기체로 변화하지 않는 제 4의 상태, 초임계 상태에 이르게 된다.
초임계 유체를 이용하는 초임계 추출법의 사용이 2004년 5월 식품의약품안전청 개정 고시 제 2004-41호에 의하여 국민에게 안전한 식품을 제공하고, 신기술의 도입을 통하여 식품산업체 발전의 향상에 기여하기 위해 식용유지 등의 추출시에 인정되었다. 개정된 식품공전에서는, "초임계추출이라 함은 임계온도와 임계압력이상의 상태에 있는 유체를 이용하여 식품원료 또는 식품으로부터 식용 성분을 추출하는 것을 말한다."라고 정의하고 있다.
초임계 유체 기술로 가장 먼저 상업화된 공정은 커피원두로부터 카페인을 제거하는 공정이다. 초임계 상태의 이산화탄소는 카페인과 같이 낮은 분자량을 갖는 비극성 물질은 잘 용해하지만 커피 향과 관계있는 극성의 carbohydrates 또는 peptides 등은 제한적으로 용해되기 때문에 향을 그대로 커피에 남겨두고 카페인을 제거 할 수 있게 한다.
Ju 등은 초임계 추출법을 이용한 참기름의 생산이 전통적인 참기름 생산 보다 높은 수율, 쓴맛의 제거, 높은 향기, 기능성 물질의 손실이 적다고 하였으며, 환경오염 규제와 핵산 사용이 규제되는 현실에 가장 좋은 추출 방법이라 하였다.
선행기술중 특허출원 제10-2007-0045106호에는 항진균성 식물을 초임계 유체 추출하여 제조되는 항피부진균성 추출물, 상기 추출물을 유효 성분으로 포함하는 항진균성 약학 조성물이 기재되어 있으나, 아직 그 활용도가 미진한 상태이다.
국내에서 생산되는 3대 약재의 하나이며 인삼 다음으로 사용량이 많은 약재인 황기(Astragali Radix: Astragalus membranaceus Bunge)는 주로 한약재 및 식품원료로 사용되고 있다. 생리활성 작용으로는 혈압강하작용, 이뇨작용, 강장작용, 혈당강하작용, 항종양 및 바이러스 작용, 면역증가작용, 위액분비 및 적리군 억제작용 효과가 있다.
황기의 주요성분은 사포닌과 플라보노이드들로서 사포닌 성분 중 astragaloside, astragaloside이 가장 많은 활성연구가 진행되었고 국내에서 보고된 황기의 생리활성 성분의 분석법에 있어서는 주요 지표성분에 대해 개별적인 함량시험이나 특정 지표성분은 아이소플라보노이드의 formononetin을 활용하는 것이 대부분을 차지하고 있다.
생약의 잔류농약허용기준(2005. 12. 6 식품의약품안전청고시 제2005-72호)에서는 황기에서 검출이력이 있는 농약 중 엔도설판(α,β 설페이트의 합계; 허용기준 0.2mg/kg 이하)은 유기염소계 살충제로서 비교적 낮은 농도에서도 저항성이 있는 해충에 대해서 살충력이 매우 뛰어나지만, 먹이연쇄에 의한 체내 축적과 이에 따른 인체에 부작용을 갖기 때문에, 현재에는 사용이 극히 제한되어 있다.
그러나, 엔도설판의 엄격한 사용 제한에도 불구하고 엔도설판은 최근까지도 대기, 토양, 퇴적물, 지하수 및 식품에서 자주 검출되고 있으며 다른 유용한 살충제와 비교했을 때 어류나 수서무척추 동물에 대해 독성이 매우 높아 현재 위험한 유해물질로 지정되어 있다.
현재까지 엔도설판을 효과적이며 안전하게 분해 처리할 수 있는 다양한 방법이 개발되었거나 개발중이며 생물학적 처리, 활성탄처리, 막 분리법, 초음파 및 자외선처리 등이 여러 문헌을 통해 보고되고 있으나, 유용 성분을 파괴시키지 않으면서 엔도설판 만을 선택적으로 제거하는 만족스러운 방법이 제시되지 못한 상태이다.
1. 특허출원 제10-2007-0045106호 (출원일: 2007.05.09, 특허공개 제1020070057108호, 공개일: 2007.06.04)
본 발명에서는 초임계유체기술을 활용하여 황기에서 유기염소계 농약인 엔도설판류(α,β 설페이트)를 최대한 제거하며 황기의 지표성분인 플라보노이드 성분인 formononetin을 최대한 유지시킬 수 있는 초임계 최적조건을 제공하고자 한다.
본 발명에 따르면, 황기의 엔도설판을 제거하는데 있어서 초임계 유체에 추출되는 조지방의 변화보다는 수분의 변화에 상관관계가 있다고 판단되고, 300bar 압력, SF30 CO2의 유량이 최적의 조건이다.
또한, 본 발명에 따르면, 150bar/50℃ 와 450bar/70℃의 경우를 제외하고 약 70~80%의 엔도설판 제거 효과를 보였고 300bar와 450bar, 60℃에서 각각 78.1% 와 77.8%의 가장 높은 제거율을 보였다.
종래의 방법으로는 황기의 유효성분을 파괴시키지 않으면서 엔도설판 만을 선택적 및 효과적으로 제거하기가 곤란하였으나, 본 발명에 따르는 초임계 유체 추출법에 의해 효과적으로 제거가 가능하게 되었다.
도 1은 본 발명에서 사용된 초임계유체 추출 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2a는 황기의 표준 크로마토그램이고, 도 2b는 엔도설판(α,β설페이트)의 기체 크로마토그램이다.
본 발명은 이하 실시예에서 보다 구체적으로 설명되지만, 하기 실시예는 본 발명의 예시를 목적으로 하는 것이므로, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
재료
생산자협의회에서 세척과 건조공정이 엔도설판류가 검출된 국내산 황기를 제공받아 사용하였고, 농약표준물질은 α-엔도설판(purity:96%), β-엔도설판(purity:99%), 엔도설판-설페이트(순도:100%) Dr. Ehernstofer Gmbh(Germany)사에서 구입하여 사용하였고 농약의 추출 및 정제과정의 용매로 아세토니트릴, 아세톤, 헥산 등은 살충제 등급(Fisher, Pittsburgh, USA)을 사용하였고, 추출 시에는 1차 증류수를 기기 분석에는 3차 증류수를 사용하였다. 분리 정제시 염화나트륨과 무수 황산나트륨은 Wako, Chem. Co., (Osaka, Japan) 제품을 사용하였다. 정제를 위하여 florisil(supelco, 500 mg) 카트리지를 구입하여 사용하였다. 또한 오염방지와 초자 세척을 위한 메탄올, 아세톤, 다이클로로메탄, 헥산 등은 살충제 등급(Fisher, Pittsburgh, USA)을 사용하였다. 황기의 지표성분인 formononetin(purity:99%, Fluka,)에서 구입하였다.
분석 방법
-20℃ 이하 냉동고에 보관되어있는 시료 황기를 상온에 방치한 후 50g을 블렌더에 취하여 증류수 50 mL를 가하여 1시간 방치하였다. 추출용매로 아세토니트릴 100 mL을 가한 후 homogenizer로 30분간 균질화하고, 감압 여과하여 250 mL 분액 깔때기에 옮겼다. 여기에 물층을 분리하기 위하여 염화나트륨 5 g을 넣고 30분간 진탕한 후, 확실한 분리를 위하여 1시간 동안 4℃ 냉장고 안에서 방치하였다. 물 층을 제거하고 유기용매층을 삼각플라스크에 받아서 무수황산나트륨을 가하여 탈수 시킨 후, 둥근바닥플라스크에 담아 40℃ 이하 수욕조 상에서 감압 농축하였다. 감압 농축된 잔류물을 GC 분석 시 사용하는 것은 헥산 1 mL로 녹인 후 플로리실(florisil) 카트리지에 로딩(loading)한 후, 용출 용매로 20% 아세톤/헥산 10 mL를 사용하여 1초에 2방울씩 떨어지도록 용출시켰다. 용출액은 40 ℃ 이하 heating block에서 질소농축기를 이용하여 완전 농축한 후 20% 아세톤/헥산 3 mL에 녹여 0.45㎛ syringe filter로 여과한 후 GC/ECD가 장착된 휴렛-팩커드(Hewlett-packard)사의 HP 5890 기체 크로마토그래프를 사용하여 시료 1.0㎕을 주입하여 정량분석하였으며, 이때의 분석 조건을 표 1에 나타내었다.
GC/ECD 작동 조건
시스템 HP-5890 (Hewlett-Packard)
컬럼 HP-5 모세관 (30 m x 0.25mm x 0.25㎛ 막 두께,
(가교결합된 5% 페닐)-메틸폴리실록산)
DB-17 모세관 (30 m x 0.25mm x 0.25㎛ 막 두께,
(가교결합된 14% 시아노프로필)-메틸폴리실록산)
운반 기체 N2
유속 1.0 mL/분
주입 온도 260℃
검출기 ECD
분시 비(split ratio) 50:1
검출기 온도 280℃
오븐 온도 120℃(2분) -> 10℃/2분 -> 220℃(2분) -> 7℃/분 -> 250℃(2분) -> 7℃/분 -> 280℃(15분)
비교예 1: 세척후 황기 잔류농약의 분석
황기분말 시료 200g을 10배수 중량인 약 2L 물에서 약 5분간 3회 세척하였으며, 초음파(Bran Sonic Ultasonic Cleaner,주파수 28KHz)세척도 동일한 방법으로 약 5분간 3회 세척하여 여과필터를 거쳐 그늘에서 건조시켰다.
황기를 물로 3회 세척한 결과 엔도설판의 제거율이 약 18.0%이었으며, 물을 첨가한 후 5분간 초음파추출하여 3회 세척하였을 경우 약 37.0%의 제거율을 보였다.
황기의 물세척 및 초음파 세척에 따른 엔도설판류 제거율 비교
엔도설판 전체(%) 제거율(%)
α β 설페이트
황기 원시료 0.48 5.20 47.27 52.95 -
물 세척 0.59 5.37 37.26 43.20 18.0
초음파 세척 0.51 4.52 28.44 33.50 37.0
비교예 2: 약탕기 추출후 황기 잔류농약의 분석
황기 500g을 10배수 물로 100℃ 이상에서 5시간동안 탕약기로 추출하고 남은 황기박의 엔도설판을 분석하였다. 그 결과, 엔도설판의 84.2%가 제거된 것으로 확인되었다.
황기의 탕약기 추출을 통한 엔도설판류의 제거율
엔도설판 전체(%) 제거율(%)
α β 설페이트
황기 원시료 0.48 5.20 47.27 52.95 -
초음파 세척 0.51 2.45 5.37 8.32 84.2
실시예 1: 초임계 추출(Supercritical Fluid, SCF)후 황기 잔류농약의 분석
장치
초임계 처리 장치는 도 1과 같은 초임계 장치(1000-bar CO2-High Pressure-Extraction -Laboratory, NATex, Austria)를 이용하여, 추출기 용량은 5L로 2개의 분리기를 사용하여 압력은 150bar에서 450bar까지, 온도는 50에서 70까지 유량은 SF10에서 SF30까지의 조건에서 초임계 이산화탄소를 순환시켰다. 본원 명세서에서 'SF'라 함은 S/F ratio를 의미하는 것으로, 추출에 사용된 추출물 ㎏당 사용된 초임계 이산화탄소의 ㎏으로 정의된다.
지표의 결정
황기의 주성분은 사포닌과 플라보노이드들로서 사포닌은 대부분 cycloartane계열이고, 소수의 lanostane계 및 oleanane계열의 물질들이다. 또한 플라보노이드성분들도 대부분 isoflavone계열이며, 이 외에도 isoflavan 및 pterocarpan계열의 물질들이 유리형으로 또는 배당체 형태로 분포하고 있어 초임계 추출시 황기의 자체 함유한 수분이 추출되면서 사포닌과 플라보노이드들이 추출되지 않고 최대한 함량을 유지될 수 있는 조건으로 선정하기 위해서 수분과 조지방을 지표로 선택하였다.
그 결과, 표 4에서 알 수 있듯이, 황기 원시료의 수분은 5.12%, 조지방은 0.77%로, 조지방은 극히 소량이어서 초임계 유체에 추출되는 조지방의 변화보다는 수분의 변화에 상관관계가 있다고 생각되었다.
최적의 추출 조건 결정
초임계추출 조건에서 온도(50℃)와 SF(30)를 고정값으로 주고 150bar/300bar/450bar 압력별로 변화를 주었을 때 수분의 변화의 연관성이 나타나지 않은 경향을 보였고 압력(450bar)과 SF(30)를 고정값으로 주고 50℃/60℃/70℃ 온도별로 변화를 주었을 때 수분이 변화가 50℃에서 3.72%, 70℃에서 2.67%로 약 1.05%가 줄어드는 경향을 보였다. 또한, 압력(450bar)과 온도(70℃)를 고정값으로 주고 10/20/30 SF별로 변화를 주었을때 수분의 변화가 SF10일때 3.58%, SF30일때 2.67%로 약 0.91%가 줄어드는 경향을 보였다. 이러한 결과를 볼 때 압력은 300bar, CO2의 유량은 SF30이 최적의 조건이라 판단되었다.
초임계 조건별 처리에 따른 수분과 조지방의 변화
수분(%) 조지방(%)
황기 원시료 5.12 0.77
150bar/50℃ SF30 3.81 0.32
300bar/50℃ SF30 3.95 0.29
450bar/50℃ SF30 3.72 0.29
450bar/60℃ SF30 3.19 0.36
450bar/70℃ SF30 2.67 0.26
450bar/70℃ SF20 3.12 0.25
450bar/70℃ SF10 3.58 0.30
엔도설판 제거 효과
하기 표 5에서 보듯이, 초임계조건을 달리하여 엔도설판의 제거율을 측정시 150bar, SF30로 유지하고 온도 변화(50~70℃)를 주었을 때 온도별로 50℃에서 제거율은 약 61%, 60℃에서는 약 70.0%, 70℃에서는 약 75.9%의 제거효과를 보였다.
초임계 조건별 처리에 따른 엔도설판류의 제거율 변화
엔도설판 전체 (ppb) 제거율 (%)
α β 설페이트
황기 원시료 0.42 5.16 59.41 65.0 -
150bar/50℃ SF30 0.08 1.47 23.80 25.35 61.0
150bar/60℃ SF30 0.06 1.21 18.23 19.51 70.0
150bar/70℃ SF30 0.04 1.03 14.60 15.67 75.9
300bar/50℃ SF30 0.07 1.12 15.58 16.77 74.2
300bar/60℃ SF30 0.06 1.12 13.05 14.23 78.1
300bar/70℃ SF30 0.05 1.17 17.20 18.42 71.7
450bar/50℃ SF30 0.06 1.25 17.33 18.64 71.3
450bar/60℃ SF30 0.05 0.97 13.38 14.40 77.8
450bar/70℃ SF30 0.05 1.23 21.65 22.92 64.7
또한 300bar, SF30에서는 50℃일 때 제거율 74.2%이었고, 60℃에서 제거율 78.1%였으며, 70℃에서는 제거율 71.7%의 제거효과를 보였다.
마지막으로 450bar, SF30에서는 50℃일 때 71.3%, 60℃는 77.8%, 70℃는 64.7%의 제거율을 보였다.
그 결과, 150bar/50℃ 와 450bar/70℃의 경우를 제외하고 약 70~80%의 제거 효과를 보였고 300bar와 450bar, 60℃에서 각각 78.1% 와 77.8%의 가장 높은 제거율을 보였으며, 황기의 지표성분인 formononetin의 함량은 최대한 유지되었다.
도 1:
① 추출기
② BPR(배압 조절기)
③ 분리기
④ 냉각기
⑤ 재순환 탱크/저장 탱크
⑥ make-up 탱크
⑦ 펌프
⑧ 공용매(co-solvent) 주입 밸브
⑨ 열 교환기
⑩ 생성물
⑪ 통풍구
⑫ 배수구

Claims (2)

150 내지 450 bar의 압력, 50 내지 70℃의 온도, 및 추출물 중량당 초임계 유체 중량을 나타내는 SF30 CO2에 의해 황기로부터 엔도설판을 제거하는 방법.
제1항의 방법에 의해 수득된 것을 특징으로 하는 황기.
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