KR20210114583A - 홍화 유래의 천연 홍색 색소 염료 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지구 생태환경 보존과 지속 가능한 건강한 삶을 위해 최근 주목 받고 있는 유기농산업의 대표적인 분야인 유기가공식품과 유기농 화장품에 활용 가능한 유기농 염료를 개발하기 위해 천연 염색의 원재료로 잘 알려진 홍화를 유기농으로 재배한 후 인공적인 화학약품이나 유기용매를 사용하지 않고 친환경적인 방법으로 홍화 유래의 홍색 색소를 추출하여 유기농 홍색 염료를 제공하는 것을 목적으로 하고 더욱 상세하게는, 유기농으로 재배한 홍화의 완숙 붉은 꽃을 채취하여 건조 홍화를 준비하는 단계와; 홍화의 황색 색소를 제거하는 단계와; 황색 색소를 제거한 홍화 꽃잎을 물에 현탁한 후 초음파 추출하는 단계와; 식물세포 분해효소인 셀룰라아제와 자일나아제 등을 이용하여 홍화 꽃잎에 효소 처리하는 단계와; 상기에서 얻은 효소 가수분해물을 초임계 이산화탄소를 추출용매로 사용하여, 홍화 초임계 추출물을 완성하는 단계로 이루어지며, 유기농으로 재배한 홍화로부터 홍색 색소를 추출하는 기술의 확보를 통하여 급속도로 증가하고 있는 유기가공식품과 유기농 화장품 등 친환경 관련 제품에 적극 활용되어 유기농산업 발전에 기여할 수 있는 효과가 있으며, 화학 첨가물로 염색된 섬유나 화장품으로 발생할 수 있는 아토피나 각종 피부 트러블을 예방하여 국민 건강 증진과 동시에 유휴 농경지에 홍화를 특화작물로 재배하여 농가 소득 증대 및 경관 작물로 발전시켜 농가 관광산업에도 도움을 줄 수 있는 매우 유용한 발명인 것이다.

Description

홍화 유래의 천연 홍색 색소 염료 및 그 제조방법{Organic red dye pigment and Method of the same from natural safflower}

본 발명은 홍화 유래의 유기농 홍색 색소 염료 및 그 제조방법에 관한 것으로 유기농으로 재배한 홍화로부터 유기용매를 사용하지 않고, 친환경적 신규의 추출방법을 채용하여 제조된 가공식품 및 화장료용 홍색 색소 염료 및 그 제조방법에 관한 것이다.

홍화(safflower, Carthamus tinctorius L.)는 인류에게 이로움을 주는 꽃이라 하여 잇꽃으로 불리고 있으며, 오래전부터 약용과 염료 재료로 재배하던 식물로 대표적인 적색계열의 염료로 알려져 있다. 우리 선조들은 홍화로 무명이나 비단에 진홍색이나 분홍색으로 물을 들이기도 하고, 혼례식 때 연지로 사용하거나 음식을 물들이는데 사용하였으며, 특히, 중의학에서는 여성의 통경(通經), 어혈(瘀血), 지혈(止血), 부인병(婦人病), 해산촉진(解産促進) 등의 약재로 많이 쓰이고 있다.

홍화 꽃잎 색소는 수용성인 황색소(carthamin)와 불용성인 홍색소(carthamone)가 있으며, 현재 홍화 색소는 식품첨가물로 사용 가능한 것으로 명시되어 있다.

현대인들의 건강에 대한 관심 증대는 화학적으로 만들어진 첨가물 사용이나 유기용매로 추출된 성분을 배제하는 경향이 뚜렷하게 되고, 유기가공식품이나 유기농 화장품 선호도가 높아져 관련 시장이 급속히 성장하고 있다. 홍화를 비롯한 천연 염료들은 화학 합성염료가 인체에 미치는 독성과 환경오염에 대한 문제점 때문에 최근 주목 받고 있으며, 관련 유기가공식품이나 유기농 화장품의 색소로 주목 받고 있다.

홍화 관련 특허기술은 홍화 추출물 및 그를 함유한 혈액순환 개선제(대한민국 특허등록 제 10-0193906호), 홍화인 추출물을 함유하는 미백제(대한민국 특허출원 10-2000-0076872),홍화씨 추출물을 유효 성분으로 함유하는 지질 생합성 촉진용 피부 화장료 조성물(대한민국 특허공개 10-2015-0061060), 홍화 새싹의 페놀성 화합물의 함량을 증가시키는 방법 및 이 홍화 새싹을 함유하는 화장료 조성물(대한민국 특허등록 제 10-1561588호) 등 혈액순환 개선제와 미백제 등의 화장료 조성물 등이 보고되고 있다.

홍화에서 추출한 색소 관련 기술동향을 살펴보면, 홍화 및 쪽의 천연색소를 첨가한 천연색소 캔디 및 그 제조방법(대한민국 특허공개 10-2015-0089629), 홍화에서 유래하는 냄새를 저감하여 홍화 황색소 제제를 제공하는 탈취 홍화 황색소(대한민국 특허등록 제 10-0813226호), 유기용매를 사용하여 홍화로부터 황색소와 적색소의 동시 분리방법(대한민국 특허출원 10-2000-0020212), 홍화 황 추출물을 포함하는 미백용 조성물(대한민국 특허공개 10-2016-0068315), 알칼리성 추출용매인 탄산나트륨과 수산화칼륨과 산성 용매인 구연산 등 화학 용매를 사용하여 홍화에서 추출한 천연 황색과 홍색 염료 분말의 제조방법(대한민국 특허등록 제 10-1445581호) 등 홍화 색소를 이용한 식품과 화장료 조성물 기술이 보고되고 있으나 대부분 색소 추출에 화학 유기용매를 사용하고 있으므로, 천연색소를 선호하는 소비자들의 기호도를 충족시켜 줄 수 있는 유기농 홍화 적색 색소 추출에 대한 기술은 현재까지 제시되지 않은 실정이다.

종래의 홍화에서 색소를 추출하는 방법은 알칼리성 추출 용매인 탄산나트륨과 수산화칼륨, 산성 용매인 구연산 등 화학 용매를 보편적으로 많이 사용하고 있다. 따라서 상기 색소 추출방식은 수질오염의 문제를 발생시키고, 100% 천연 색소 원료를 희망하는 소비자의 기호도를 충족시키지 못하는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 인공 화학적 유기용매를 일절 사용하지 않은 신규의 방법으로 홍화에서 홍색 염료를 추출하여 수질 오염의 문제점을 발생시키지 않고, 유기가공식품, 유기농 화장품 등 친환경 제품에 폭넓게 사용될 수 있는 홍화 유래의 유기농 홍색 색소 염료 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 상기 목적은 유기농법으로 재배된 음건한 홍화를 일주일간 물에 불려 수용성인 황색 색소를 제거하는 단계와; 상기 단계에서 얻은 홍화를 초음파 처리하는 단계와; 상기 초음파 처리한 홍화를 셀룰라아제와 자일라아제 및 펙티나제 복합효소 동량(w/w) 혼합물을 처리하는 단계와; 상기 복합효소 처리된 홍화 가수분해물을 초임계 추출하여 홍색 색소 염료를 수득하는 단계를 통하여 달성한다.

본 발명은 유기농 방식으로 재배한 홍화로부터 홍색 색소 및 그 신규한 제조방법을 제공하는 효과가 있으며, 따라서 종래 홍화 유래의 천연 염료 제조방법에서 사용되고 있는 유기용매나 화공 약품을 전체 사용하지 않는 환경 친화적인 신규의 방법으로 추출하기 때문에 수질오염을 추가적으로 발생시키지 않고, 친환경 제품을 선호하는 소비자들의 기호성을 충족시킬 수 있는 뛰어난 효과가 있다.

이밖에도 유기농법으로 재배된 홍화로부터 홍색 색소를 추출하는 기술의 확보로 급속도로 증가하고 있는 유기가공식품과 유기농 화장품 등 친환경 관련 제품에 적극 활용되어 유기농산업 발전에 기여하는 효과가 있으며, 종래 화학 첨가물로 염색된 섬유나 화장품으로 발생할 수 있는 아토피나 각종 피부 트러블을 예방하여 국민 건강 증진에 유효하며, 나아가 유휴 농경지에 홍화를 특화작물로 재배하여 농민의 소득 증대 효과를 줄 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 가장 바람직한 실시예를 도시한 다이어 그램이다.

본 발명 홍화에서 추출한 유기농 홍색 색소 제조방법에 사용된 홍화는 충청북도 충북 괴산군에서 유기농법으로 재배한 것을 사용하였으며, 완전히 성숙된 홍화 꽃잎을 채취하여 건조하는 단계와; 홍화를 일주일 동안 물에 물려 수용성인 황색 색소를 제거하는 단계와; 황색 색소가 제거된 홍화를 물에 현탁하여 초음파 처리하는 단계와; 상기 초음파 처리한 홍화를 셀룰라아제와 자일라아제,펙티나아제 복합효소로 가수분해하는 단계와; 상기 복합효소 처리한 홍화 가수분해물을 수득하여 초임계 추출하여 홍색 색소 염료를 제조하는 단계를 포함하여 이루어진다.

더욱 구체적으로는, 유기농법으로 재배한 홍화 꽃잎을 채취, 건조하는 단계, 상온의 물에서 48시간 동안 불린 후 홍화 황색 색소를 제거하는 단계, 황색 색소를 제거한 홍화 꽃잎을 물에 현탁한 후 초음파 추출하는 단계, 식물세포 분해효소인 셀룰라아제와 자일라아제 및 펙티나아제 복합효소를 동량(w/w) 혼합하여 홍화 꽃잎에 처리하는 단계, 홍화 꽃잎의 복합효소 처리된 가수분해물을 초임계 이산화탄소를 추출용매를 사용하여 홍화 초임계 추출물을 수득한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 본 발명을 보다 상세히 공정별로 설명하기로 한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 예시일 뿐, 본 발명의 권리 범위는 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

홍화 홍색 색소를 추출하기 위해 사용한 섬유소 분해효소 중에서 셀룰라아제(cellulase)는 불용성 고분자 섬유소(cellulose)를 분해하여 글루코스(glucose), 셀로비오스(cellobiose), 셀로올리고당(cello-oligosaccaride) 및 저분자 섬유소로 분해하는 역할을 하며, 하나의 효소가 아닌 복합효소로 구성되어 있고, 구성효소는 1.4-β-D-glucanglucanohydrolase(Endo-glucanase), 1.4-β-D-glucancellobiohydrolase (Exo-glucanase), -glucosidase(Cellobiase)로 이루어져 있다. 특히 본 발명에서 셀룰라아제는 홍화 꽃잎의 식물 지지대 역할을 하는 섬유소를 쉽게 분해할 수 있기 때문에 수용성인 황색 색소를 제거한 후 홍색 색소를 효율적으로 추출할 수 있다.

본 발명 유기농 홍색 색소 추출(도 1 참조)

제1공정 : 홍화 꽃잎 건조 단계

본 발명 홍화에서 홍색 색소 추출은 유기농으로 재배한 홍화 꽃잎이 완전히 성숙한 것을 채취한 후 공기 순환이 잘되는 그늘에서 72시간 동안 건조시켜 홍화 꽃잎의 수분함량은 15~25%가 되도록 한다.

제2공정 : 홍화 황색 색소 제거 단계

건조시킨 홍화를 일주일 동안 상온의 물에서 48시간 동안 불린 후 홍화 홍색 색소가 빠져 나오지 않을 때 까지 1일 5회 이상 흐르는 맑은 물에서 홍화를 짜내는 작업을 반복하고, 마지막에 50℃ 뜨거운 물로 씻어 황색 색소를 제거한다.

제3공정 : 홍화 초음파 처리 단계

상기에서 준비한 황색 색소를 제거한 홍화 꽃잎을 물에 현탁한 후 초음파 추출기(WEEC-SONIC Ⅱ, UL-Tech. com. Uiwang, Korea)를 사용하여 20 kHz, 750 watt, 20 amplitude 조건으로 20~35℃에서 10~20분간 초음파를 발생시킨다.

제4공정 : 식물세포 분해효소 처리 단계

상기 초음파 처리한 홍화의 중량 기준으로 셀룰라아제(cellulase), 자일라아제(xylanase), 펙티나아제(pectinase)를 각각 동량비(w/w/w) 가장 바람직하기로는 2:1:1의 비율로 혼합한 식물세포 분해 복합효소를 홍화 100 중량%에 0.5~10 unit 중량% 첨가하고, 35~45℃, pH 4.5~6.0 범위에서 24시간 동안 가수분해 시킨 후 90~120℃에서 5~15분간 열처리 하여 효소를 실활시킨다.

제5공정 : 초임계 추출 단계

상기 효소 처리한 홍화를 분쇄한 다음 250 bar의 초임계 이산화탄소를 추출용매로 사용하여, 30~40℃에서 유속을 5~20 mL/min의 속도로 투입하여, 1~2시간동안 추출하여 최종적으로 홍화 초임계 추출물을 완성한다.

<비교예>

유기용매를 사용한 홍색 색소 추출

본 발명 유기농 홍색 색소 추출과 비교되는 유기용매를 사용한 홍색 색소 추출은 홍화 꽃잎 건조와 홍화에서 황색 색소 제거 단계는 상기의 방법과 동일하며, 홍색 색소 추출을 위해 알칼리성 추출용매로 10% 탄산나트륨과 10% 수산화칼륨을 8:2의 중량비로 혼합한 용액을 홍화 중량대비 1:10의 비율로 가하고, pH 11~12 상태로 조절한 후 90분 동안 3회 추출하고, 홍색 색소 산성 추출용매는 10% 구연산을 첨가하여 pH 5~6 상태로 추출하였다.

[실험예 1]

본 발명에 따른 유기농 추출과 유기용매로 화학 추출한 홍색 색소 추출 함량 비교

본 발명 초음파 처리와 효소처리 및 초임계 추출과정을 거친 유기농 추출방법과 유기용매를 사용하여 화학적으로 추출한 홍화의 적색 색소 함량 비교는 각각의 방법으로 추출한 홍색 색소를 분광광도계(spectrophotometer)를 이용하여 450nm에서 측정하고, 그 결과를 표 1에 나타내었다. 홍화를 초음파 처리와 식물세포 분해효소 처리하고, 초임계 추출한 본 발명이 일반 유기용매로 처리한 종래의 발명의 경우에 비해 2배 이상 추출 수율이 높은 것으로 나타났다.

유기농 추출과 유기용매로 추출한 홍색 색소 추출 함량

구 분	유기농 추출	유기용매 추출
흡광도(450nm)	0.54	0.26

[실험예 2]

유기농 추출과 유기용매로 추출한 홍색 색소 염색성 비교

본 발명에 따른 유기농 추출과 종래의 유기용매로 추출한 홍화 홍색 색소의 염색성을 비교하기 위해 각각 면(cotton)과 견(silk)에 욕비 1:50, 온도 50℃, pH 7.0으로 1시간 동안 염색한 후 증류수로 염색한 천을 세척하고, 건조시킨 후 색차계(SP-80, Tokyo Denshoku, Japan)를 사용하여 표준색판으로 보정한 후 L값(lightness), a값(redness), b값(yellowness)을 각각 3회 측정하여 평균 및 편차 결과를 표 2에 나타내었다. 홍화의 홍색 색소는 실크보다는 면에 착색이 잘 되는 것으로 나타났으며, 홍색을 나타내는 a값은 홍화를 초음파 처리와 식물세포 분해효소 처리하고, 초임계 추출한 경우가 일반 유기용매로 처리한 경우에 비해 현저히 높아 염색성이 뛰어난 것으로 나타났다.

본 발명 유기농 추출과 종래의 유기용매로 추출한 홍색 색소 염색성 비교

구 분		표면 색차
		L	a	b
면(cotton)	유기농 추출	92.64	69.79	20.64
	유기용매 추출	71.43	42.31	21.38
견(silk)	유기농 추출	86.26	58.28	19.47
	용기용매 추출	70.87	41.79	20.68

Claims (4)

1. 하기 공정 단계를 포함하는 홍화 유래의 천연 홍색 색소 제조방법
   제1공정 : 홍화 꽃잎 건조 단계
   본 발명 홍화에서 홍색 색소 추출은 유기농으로 재배한 홍화 꽃잎이 완전히 성숙한 것을 채취한 후 공기 순환이 잘되는 그늘에서 72시간 동안 건조시켜 홍화 꽃잎의 수분함량은 15~25%가 되도록 건조한다.
   제2공정 : 홍화 황색 색소 제거 단계
   상기 단계에서 건조된 홍화를 일주일 동안 상온의 물에서 48시간 동안 불린 후 홍화 홍색 색소가 빠져 나오지 않을 때 까지 1일 5회 이상 흐르는 맑은 물에서 홍화를 짜내는 작업을 반복하고, 마지막에 50℃ 뜨거운 물로 씻어 황색 색소를 제거한다.
   제3공정 : 홍화 초음파 처리 단계
   상기 단계에서 준비한 황색 색소를 제거한 홍화 꽃잎을 물에 현탁한 후 초음파 추출기(WEEC-SONIC Ⅱ, UL-Tech. com. Uiwang, Korea)를 사용하여 20 kHz, 750 watt, 20 amplitude 조건으로 20~35℃에서 10~20분간 초음파를 발생시킨다.
   제4공정 : 식물세포 분해 복합효소 처리 단계
   상기 단계 초음파 처리한 홍화 중량 기준으로 동량비(w/w/w)로 혼합한 식물세포 분해 복합효소를 홍화 100 중량%에 0.5~10 unit 중량% 첨가하고, 35~45℃, pH 4.5~6.0 범위에서 24시간 동안 가수분해 시킨 후 90~120℃에서 5~15분간 열처리 하여 식물세포 분해 복합효소를 실활시킨다.
   제5공정 : 초임계 추출 단계
   상기 식물세포 분해효소 처리한 홍화를 분쇄한 다음 250 bar의 초임계 이산화탄소를 추출용매로 사용하여, 30~40℃에서 유속을 5~20 mL/min의 속도로 투입하여, 1~2시간동안 추출하여 홍화 초임계 추출물을 완성한다.
2. 제1항에 있어서, 상기 복합효소는 셀룰라아제(cellulase), 자일나아제(xylanase), 펙티나아제(pectinase) 각 1:1:1(w/w/w) 또는 2:1:1(w/w/w)인 것이 특징인 천연 홍색 색소 제조방법.
3. 제1항 또는 제2항의 방법으로 제조된 천연 홍색 색소 추출물.
4. 제3항의 천연 홍색 색소 추출물로 염색된 면직물 또는 견직물.

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