KR20220135587A - Extraction method of paclitaxel using gas bubble - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 가스 버블을 이용한 파클리탁셀 추출방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 파클리탁셀을 포함하는 바이오매스 (biomass)에 특정 범위의 가스 유량을 도입하여 바이오매스 표면을 파쇄함으로써 파클리탁셀을 효율적으로 회수할 수 있는 파클리탁셀 추출방법을 제공한다.The present invention relates to a method for extracting paclitaxel using gas bubbles, and more particularly, by introducing a gas flow rate in a specific range into biomass containing paclitaxel and crushing the surface of the biomass, paclitaxel can be efficiently recovered. A method for extracting paclitaxel is provided.
파클리탁셀 (paclitaxel)은 주목나무 (yew tree)의 표피에서 발견된 디테르페노이드(diterpenoid) 계열의 항암물질로 현재 가장 많이 사용되고 있는 항암제이다. 난소암, 유방암, 두경부암 (head and neck cancer), 카포시종양 (kaposi’s sarcoma), 비소세포성 폐암 (non-small cell lung cancer) 치료에 대해 미국 FDA (U.S Food and Drug Adnimistration) 허가를 취득한 바가 있으며 계속되는 적응증(알츠하이머 치료, 류마티스성 관절염) 및 치료 방법의 개발로 파클리탁셀 수요는 계속 늘어날 전망이다.Paclitaxel is a diterpenoid anticancer substance found in the epidermis of yew tree, and is currently the most used anticancer drug. It has obtained U.S Food and Drug Adnimistration (FDA) approval for the treatment of ovarian cancer, breast cancer, head and neck cancer, kaposi's sarcoma, and non-small cell lung cancer. The demand for paclitaxel is expected to continue to increase with the continued development of indications (alzheimer's disease, rheumatoid arthritis) and treatment methods.
파클리탁셀의 주요 생산 방법에는 주목나무(yew tree)에서 직접 추출하는 방법, 전구체(precusor)를 얻어 반합성하는 방법, 식물체로부터 캘러스(callus)를 유도하여 식물세포를 배양하여 얻는 방법이 있다. 이들 중 식물세포배양 방법은 다른 방법에 비해 외부인자 (기후, 환경)에 의한 영향을 받지 않고 생물반응기 내에서 일정한 품질의 파클리탁셀을 안정적으로 생산이 가능하기 때문에 대량생산에 매우 유리하다. 식물세포배양에 의하여 생산된 파클리탁셀은 대부분 바이오매스 (식물세포)에 포함되어 있으며, 파클리탁셀 생산은 여러 단계의 추출 및 정제 공정으로 이루어져 있다. 경제적인 관점에서 먼저 바이오매스 내에 포함되어 있는 파클리탁셀을 높은 수율로 회수하는 것이 매우 중요하다. The main production methods of paclitaxel include a method of direct extraction from a yew tree, a method of semisynthesis by obtaining a precursor, and a method of culturing plant cells by inducing callus from a plant. Among them, the plant cell culture method is very advantageous for mass production because it can stably produce paclitaxel of a certain quality in a bioreactor without being affected by external factors (climate, environment) compared to other methods. Most of the paclitaxel produced by plant cell culture is contained in biomass (plant cells), and paclitaxel production consists of several steps of extraction and purification processes. From an economical point of view, it is very important to first recover paclitaxel contained in biomass in a high yield.
김 등의 Korean J. Biotechnol. Bioeng., 15, 346-351(2000)에 의하면 회수 공정은 먼저 유기용매로 추출 (conventional solvent extraction)하는 것이 일반적이며, 다양한 종류의 유기용매 (메틸렌 클로라이드, 메틸-t-부틸 에테르, 에탄올, 이소프로필 알코올, 클로로포름, 디에틸 에테르, 아세톤, 메탄올 등)를 이용하여 추출 경향을 조사한 결과, 메탄올의 경우 가장 적은 양으로 가장 높은 회수율을 얻어 바이오매스 추출에 가장 효과적임을 알 수 있었다. 또한, 주요 공정 변수 (메탄올 농도, 바이오매스/메탄올 혼합비율, 추출시간, 추출횟수 등)을 최적화 하여 바이오매스로부터 파클리탁셀 회수율을 증가시키고자 하였다.Kim et al. Korean J. Biotechnol. According to Bioeng ., 15, 346-351 (2000), the recovery process generally involves first extraction with an organic solvent (conventional solvent extraction), and various types of organic solvents (methylene chloride, methyl-t-butyl ether, ethanol, iso As a result of investigating the extraction tendency using propyl alcohol, chloroform, diethyl ether, acetone, methanol, etc.), it was found that methanol was most effective for biomass extraction by obtaining the highest recovery rate with the smallest amount. In addition, it was attempted to increase the recovery rate of paclitaxel from biomass by optimizing major process variables (methanol concentration, biomass/methanol mixing ratio, extraction time, number of extractions, etc.).
하지만 기존의 전통적인 용매 추출 방법의 경우 낮은 추출 효율로 인해 많은 유기 용매와 시간이 소요되는 단점이 있었다. 김 등의 Korean J. Biotechnol. Bioeng., 23, 281-284(2008)에는 마이크로웨이브를 이용한 추출로 바이오매스로부터 파클리탁셀을 회수하는 방법이 보고되었다. 또한, 최근에는 초음파 (ultrasound)를 이용한 추출이 세포벽을 파쇄하여 목적 성분의 추출 효율을 향상 시킬 수 있다는 점에서 매우 효과적인 방법으로 보고되어 있다 (Davoud, S 등의 Ind. Crop. Prod., 55, 163-172(2014); Chunying, L. 등의 J. Sep. Sci., 38, 291-300(2015); Pstsaporn, P. 등의 Sep. Purif. Technol., 144, 37-45(2015); Ana, C, S. 등의 Trends Food Sci. Technol., 21, 323-331(2010); Ming, G. 등의 Food Chem., 175, 181-188(2015)).However, in the case of the conventional solvent extraction method, there is a disadvantage that it takes a lot of organic solvent and time due to low extraction efficiency. Kim et al. Korean J. Biotechnol. Bioeng ., 23 , 281-284 (2008) reported a method for recovering paclitaxel from biomass by extraction using microwaves. In addition, recently, extraction using ultrasound has been reported as a very effective method in that it can improve the extraction efficiency of target components by disrupting the cell wall (Davoud, S et al., Ind. Crop. Prod., 55 , 163-172 (2014); Chunying, L. et al ., J. Sep. Sci., 38 , 291-300 (2015); Pstsaporn, P. et al., Sep. Purif. Technol ., 144 , 37-45 (2015) Ana, C, S. et al ., Trends Food Sci. Technol., 21 , 323-331 (2010); Ming, G. et al., Food Chem ., 175 , 181-188 (2015)).
그러나, 마이크로웨이브 또는 초음파를 통해 추출 횟수를 줄임으로써 조업시간을 단축하였으나, 높은 회수율을 위해 추가 장치와 비용이 발생할 뿐만 아니라 공정이 복잡하고, 위험하며, 번거로운 면이 있고, 많은 에너지가 소모되어 산업적 대량생산 공정에 적용하기에 한계가 있다. 결과적으로, 추출 횟수를 단축하기 위해 요구되는 장치를 최소화하거나 또는 단순화시킴과 동시에 설비 절감 및 에너지 절약뿐만 아니라 공정 편리성 (convenient)과 공정 실행 가능성 (feasibility)이 있는 고효율 바이오매스 추출공정 개발이 여전히 필요한 실정이다. However, although the operation time was shortened by reducing the number of extractions through microwaves or ultrasonic waves, additional equipment and costs are incurred for a high recovery rate, and the process is complicated, dangerous, cumbersome, and consumes a lot of energy. There is a limit to its application to mass production processes. As a result, the development of a high-efficiency biomass extraction process that minimizes or simplifies the equipment required to shorten the number of extractions, and at the same time reduces equipment and energy, as well as process convenience and process feasibility, is still is in need.
이러한 배경 하에, 본 발명자들은 가스 버블을 이용한 추출에 의해 바이오매스로부터의 파클리탁셀 회수 방법을 획기적으로 개선하고자 하였다. 즉, 가스 버블을 도입한 추출 공정에서의 주요 공정 변수인 가스 유량 (gas flow rate)과 조업 시간을 최적화하여 바이오매스 유래 파클리탁셀의 회수율을 향상시키고자 하였다. 또한, 기존 용매 추출 방법 (김 등의 Korean J. Biotechnol. Bioeng., 15, 346-351(2000))의 한계였던 많은 유기용매 사용과 긴 추출시간 문제를 해결하고, 동시에 마이크로웨이브 또는 초음파를 이용한 추출 (Korean J. Biotechnol. Bioeng., 23, 281-284(2008)) 공정의 한계였던 공정의 복잡성, 장치의 위험성 및 많은 에너지 소모에 의한 고비용 문제를 획기적으로 개선하고자 하였다.Under this background, the present inventors have attempted to dramatically improve a method for recovering paclitaxel from biomass by extraction using gas bubbles. That is, it was attempted to improve the recovery rate of biomass-derived paclitaxel by optimizing the gas flow rate and operating time, which are major process variables in the extraction process introducing gas bubbles. In addition, it solves the problems of using many organic solvents and long extraction times, which were limitations of the existing solvent extraction methods (Kim et al., Korean J. Biotechnol. Bioeng ., 15, 346-351 (2000)), and at the same time using microwave or ultrasonic waves. Extraction ( Korean J. Biotechnol. Bioeng ., 23 , 281-284 (2008)) It was intended to dramatically improve the complexity of the process, the risk of the device, and the high cost due to energy consumption, which were the limitations of the process.
본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 가스 버블을 이용한 추출방법을 통해 바이오매스로부터 항암물질인 파클리탁셀의 회수율을 획기적으로 증가시킴과 동시에, 경제적이고 공정이 단순화된 파클리탁셀 추출방법을 제공하는데 목적이 있다.The present invention has been devised to solve the above problems, and provides an economical and simplified process for extracting paclitaxel while dramatically increasing the recovery rate of paclitaxel, an anticancer substance, from biomass through an extraction method using gas bubbles. there is a purpose to
상술한 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 다음의 a) 내지 c) 단계를 포함하는 파클리탁셀 추출방법을 제공한다: a) 파클리탁셀을 포함하는 택서스속(Taxus genus) 식물체 유래 바이오매스(biomass)를 수득하는 단계; b) 상기 바이오매스를 유기용매와 혼합하는 단계; 및 c) 상기 b) 단계의 혼합물에 가스 버블을 주입하여 파클리탁셀을 추출하는 단계.In order to solve the above problems, the present invention provides a paclitaxel extraction method comprising the following steps a) to c): a) Taxus genus plant-derived biomass containing paclitaxel (biomass) obtaining; b) mixing the biomass with an organic solvent; and c) extracting paclitaxel by injecting gas bubbles into the mixture of step b).
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 a) 단계의 바이오매스는 택서스속 식물체, 이의 세포, 이의 세포 조각(cell debris) 및 이의 세포 배양액으로 이루어진 군에서 선택한 1종 이상을 포함할 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the biomass of step a) may include at least one selected from the group consisting of Taxus plants, its cells, its cell debris and its cell culture solution. .
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 b) 단계의 유기용매는 C1 ~ C4의 알코올 및 물로 이루어진 군에서 선택한 1종 이상을 포함할 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the organic solvent of step b) may include at least one selected from the group consisting of C 1 to C 4 alcohol and water.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 b) 단계의 바이오매스와 유기용매는 1:1 ~ 1:6(w/v) 비율로 혼합될 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the biomass and the organic solvent in step b) may be mixed in a ratio of 1:1 to 1:6 (w/v).
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 c) 단계의 가스 버블을 이용한 추출은 1회 수행되는 것일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the extraction using gas bubbles in step c) may be performed once.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 c) 단계의 가스 버블 주입 시 가스 유량은 1.00L/분 내지 15.00L/분일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the gas flow rate during the gas bubble injection in step c) may be 1.00L/min to 15.00L/min.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 c) 단계의 가스 버블을 이용한 추출은 15분 이하의 시간 동안 수행되는 것일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the extraction using gas bubbles in step c) may be performed for 15 minutes or less.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 c) 단계의 가스 버블을 이용한 추출은 0 내지 30℃에서 수행되는 것일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the extraction using gas bubbles in step c) may be performed at 0 to 30°C.
본 발명의 가스 버블을 이용한 파클리탁셀의 추출방법은 기존 용매 추출 방법의 한계였던 많은 유기용매 사용과 긴 추출시간 문제를 해결하고 동시에 마이크로웨이브 또는 초음파를 이용한 추출 공정의 한계였던 공정의 복잡성, 장치의 위험성 및 많은 에너지 소모에 의한 고비용 문제를 획기적으로 개선할 수 있다. 따라서, 본 발명의 파클리탁셀 추출방법은 택서스속(Taxus genus) 식물체 유래 바이오매스(biomass)로부터 항암물질인 파클리탁셀의 상업적 대량생산에 매우 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.The extraction method of paclitaxel using gas bubbles of the present invention solves the problems of using a lot of organic solvent and long extraction time, which were the limitations of the existing solvent extraction method, and at the same time, the complexity of the process and the risk of the apparatus, which were the limitations of the extraction process using microwave or ultrasonic waves. And it is possible to remarkably improve the high cost problem due to the consumption of a lot of energy. Therefore, the paclitaxel extraction method of the present invention is considered to be very useful for commercial mass production of anticancer substance paclitaxel from biomass derived from plants of the genus Taxus .
도 1은 바이오매스로부터 파클리탁셀을 추출하는 공정을 나타낸 개략도로, (A)는 기존 용매 추출 방법인 전통적인 추출 방법을 나타낸 것이고, (B)는 가스 버블을 이용한 추출 방법을 나타낸 것이다.
도 2는 상온에서 전통적 추출과 가스 유량 (각각 1.15, 4.52 및 9.41 L/분)에 따른 바이오매스로부터의 파클리탁셀 수율 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 상이한 방법을 사용한 용매 추출에 의해 건조된 바이오매스 시료의 주사전자현미경 사진을 나타낸 것으로, (A)는 추출 전, (B)는 기존의 전통적인 용매 추출 방법 (1회 추출), (C) 가스 버블을 이용한 추출 방법 (1.15 L/분), (D) 가스 버블을 이용한 추출 방법 (4.52 L/분) 및 (E) 가스 버블을 이용한 추출 방법 (9.14 L/분)에 대한 주사전자현미경 사진이다.1 is a schematic diagram showing a process of extracting paclitaxel from biomass, (A) shows a conventional extraction method, which is a conventional solvent extraction method, (B) shows an extraction method using gas bubbles.
2 is a graph showing the change in yield of paclitaxel from biomass according to the conventional extraction and gas flow rate (1.15, 4.52 and 9.41 L/min, respectively) at room temperature.
3 is a scanning electron micrograph of a biomass sample dried by solvent extraction using a different method, (A) before extraction, (B) is a conventional conventional solvent extraction method (one-time extraction), (C ) Scanning electron microscope for extraction method using gas bubbles (1.15 L/min), (D) extraction method using gas bubbles (4.52 L/min), and (E) extraction method using gas bubbles (9.14 L/min) It's a photo.
상술한 바와 같이, 기존 용매 추출 방법은 바이오매스로부터 대부분의 파클리탁셀 회수를 위해 4 회 이상의 추출 과정이 요구되어 높은 파클리탁셀 회수에 많은 유기용매와 시간과 소요되는 단점이 있었다. 마이크로웨이브 또는 초음파를 이용한 추출은 추출 횟수를 단축하였으나, 높은 회수율을 위해 추가 장치와 비용이 발생할 뿐만 아니라 공정이 복잡하고, 위험하며, 번거로운 면이 있고, 많은 에너지가 소모되어 산업적 대량생산 공정에 적용하기에 한계가 있었다. 따라서, 추출 횟수를 단축하기 위해 요구되는 장치를 최소화 및/또는 단순화함과 동시에 설비 절감, 에너지 절약뿐만 아니라 공정 편리성 (convenient)과 공정 실행 가능성 (feasibility)이 있는 고효율 바이오매스 추출 공정 개발이 여전히 필요한 실정이다.As described above, the conventional solvent extraction method requires four or more extraction steps to recover most of the paclitaxel from biomass. Extraction using microwaves or ultrasound shortens the number of extractions, but for high recovery, additional equipment and costs are incurred, and the process is complicated, dangerous, cumbersome, and consumes a lot of energy, so it is applied to industrial mass production processes There was a limit to that. Therefore, the development of a high-efficiency biomass extraction process that minimizes and/or simplifies the equipment required to reduce the number of extractions, and at the same time reduces equipment and energy, as well as process convenience and process feasibility, is still is in need.
이에, 본 발명은 a) 파클리탁셀을 포함하는 택서스속(Taxus genus) 식물체 유래 바이오매스(biomass)를 수득하는 단계; b) 상기 바이오매스를 유기용매와 혼합하는 단계; 및 c) 상기 b) 단계의 혼합물에 가스 버블을 주입하여 파클리탁셀을 추출하는 단계를 포함하는 파클리탁셀 추출방법을 제공함으로써, 상술한 문제의 해결을 모색하였다. 본 발명의 파클리탁셀 추출방법은 기존 용매 추출 공정의 한계였던 많은 유기용매 사용과 긴 추출시간 문제를 해결하고, 동시에 마이크로웨이브 또는 초음파를 이용한 추출 공정의 한계였던 공정의 복잡성 또는 장치의 위험성 및 많은 에너지 소모에 의한 고비용 문제를 획기적으로 개선할 수 있다.Accordingly, the present invention comprises the steps of: a) obtaining a biomass derived from a taxus genus plant containing paclitaxel; b) mixing the biomass with an organic solvent; and c) injecting gas bubbles into the mixture of step b) to extract paclitaxel. The paclitaxel extraction method of the present invention solves the problems of using a lot of organic solvent and long extraction time, which were the limitations of the existing solvent extraction process, and at the same time, the complexity of the process or the risk of the device, and a lot of energy consumption, which were the limitations of the extraction process using microwave or ultrasound can dramatically improve the high cost problem caused by
먼저, 파클리탁셀을 포함하는 택서스속(Taxus genus) 식물체 유래 바이오매스를 수득하는 a) 단계를 설명한다.First, step a) of obtaining a biomass derived from a plant of the genus Taxus including paclitaxel will be described.
본 발명의 파클리탁셀 추출방법에 있어서, 상기 a) 단계의 바이오매스는 택서스속 식물체, 이의 세포, 이의 세포 조각(cell debris) 및 이의 세포 배양액으로 이루어진 군에서 선택한 1종 이상을 포함할 수 있다.In the paclitaxel extraction method of the present invention, the biomass of step a) may include one or more selected from the group consisting of plants of the genus Taxus, cells thereof, cell debris thereof, and cell cultures thereof.
또한, 상기 택서스속 식물체는 택서스 브레비폴리아(Taxus brevifolia), 택서스 카나덴시스(Taxus canadensis), 택서스 쿠스피다타(Taxus cuspidata), 택서스 바카타(Taxus baccata), 택서스 글로보사(Taxus globosa), 택서스 플로리다나(Taxus floridana), 택서스 월리치아나(Taxus wallichiana), 택서스 메디아(Taxus media) 또는 택서스 치넨시스(Taxus chinensis) 등이 포함될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, the taxus genus plants are Taxus brevifolia ( Taxus brevifolia ), Taxus canadensis ( Taxus canadensis ), Taxus cuspidata ( Taxus cuspidata ), Taxus baccata ( Taxus baccata ), Taxus glow Bossa ( Taxus globosa ), Taxus floridana ( Taxus floridana ), Taxus wallichiana ( Taxus wallichiana ), Taxus media ( Taxus media ) or Taxus chinensis ( Taxus chinensis ) and the like may be included, but are limited thereto it is not
상기 바이오매스를 수득하는 단계는 통상적으로 식물세포배양액으로부터 바이오매스를 수득하는 방법이라면 특별히 제한하지 않는다.The step of obtaining the biomass is not particularly limited as long as it is a method of obtaining biomass from a plant cell culture medium.
다음으로, 상기 바이오매스를 유기용매와 혼합하는 b) 단계를 설명한다.Next, step b) of mixing the biomass with an organic solvent will be described.
본 발명의 파클리탁셀 추출방법에 있어서, 상기 유기용매는 통상적으로 식물체에서 유효성분을 추출하기 위해 사용하는 것이라면 특별히 제한하지 않으나, 바람직하게는 C1 ~ C4의 알콜 및 물로 이루어진 군에서 선택한 1종 이상을 포함할 수 있다.In the paclitaxel extraction method of the present invention, the organic solvent is not particularly limited as long as it is normally used to extract the active ingredient from a plant, but preferably at least one selected from the group consisting of C 1 to C 4 alcohol and water. may include
상기 유기용매의 구체적인 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올 및 메틸렌 클로라이드로 이루어진 군에서 선택한 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으며, 바이오매스로부터 파클리탁셀을 가급적 많이 회수할 수 있는 유기용매로 바람직하게는 메탄올을 사용할 수 있다.Specific examples of the organic solvent may be one or a mixture of two or more selected from the group consisting of methanol, ethanol, propanol and methylene chloride, and preferably methanol as an organic solvent capable of recovering as much paclitaxel from biomass as possible. can be used
또한, 상기 b) 단계의 바이오매스와 유기용매는 1:1 ~ 1:6(w/v) 비율로 혼합될 수 있으나, 이로 한정되는 것은 아니며, 통상적으로 식물체에서 유효성분을 추출하기 위해 사용할 수 있는 비율이라면 특별히 제한하지 않는다. 본 발명의 일구현예에서는 최적의 추출 효율을 위하여 바이오매스와 유기용매를 1:2(w/v) 비율로 일정하게 혼합하였다.In addition, the biomass and organic solvent of step b) may be mixed in a ratio of 1:1 to 1:6 (w/v), but is not limited thereto, and can be used to extract active ingredients from plants in general. If there is a ratio, it is not particularly limited. In one embodiment of the present invention, the biomass and the organic solvent were uniformly mixed at a ratio of 1:2 (w/v) for optimal extraction efficiency.
다음으로, 상기 b) 단계의 혼합물에 가스 버블을 주입하여 파클리탁셀을 추출하는 c) 단계에 대해 설명한다.Next, step c) of extracting paclitaxel by injecting gas bubbles into the mixture of step b) will be described.
본 발명의 파클리탁셀 추출방법에 있어서, 상기 c) 단계의 가스 버블은 시료 내 파클리탁셀의 순도와 관계 없이 일정한 가스 유량으로 주입될 수 있다. 바람직하게는, 1.00 L/분 내지 15.00 L/분, 보다 바람직하게는 3.00 L/분 내지 13.00 L/분, 가장 바람직하게는 5.00 L/분 내지 10.00 L/분의 가스 유량으로 가스 버블이 주입될 수 있다.In the paclitaxel extraction method of the present invention, the gas bubble in step c) may be injected at a constant gas flow rate regardless of the purity of paclitaxel in the sample. Preferably, the gas bubbles will be injected at a gas flow rate of 1.00 L/min to 15.00 L/min, more preferably 3.00 L/min to 13.00 L/min, most preferably 5.00 L/min to 10.00 L/min. can
만일, 1.00 L/분 이하의 가스 유량으로 가스 버블이 주입되는 경우, 기존 용매 추출 방법에 비해 파클리탁셀 회수율의 증가 효과가 미미할 수 있고, 15.00 L/분을 초과하는 가스 유량으로 가스 버블이 주입되는 경우 과도한 추출 용매의 증발이 야기되어 오히려 추출 효율이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.If the gas bubble is injected at a gas flow rate of 1.00 L/min or less, the effect of increasing the recovery rate of paclitaxel may be insignificant compared to the conventional solvent extraction method, and when the gas bubble is injected at a gas flow rate exceeding 15.00 L/min Excessive evaporation of the extraction solvent may be caused, which may cause a problem in that extraction efficiency is reduced.
본 발명의 파클리탁셀 추출방법에 있어서, 상기 c) 단계의 가스 버블을 이용한 추출은 15분 이하의 시간 동안 수행될 수 있다. 바람직하게는, 6분 내지 15분, 보다 바람직하게는 8분 내지 12분, 가장 바람직하게는 8분 내지 10분 동안 수행될 수 있다.In the paclitaxel extraction method of the present invention, the extraction using gas bubbles in step c) may be performed for 15 minutes or less. Preferably, it may be carried out for 6 minutes to 15 minutes, more preferably 8 minutes to 12 minutes, and most preferably 8 minutes to 10 minutes.
만일, 가스 버블을 이용한 추출이 6분 이하로 수행되는 경우, 바이오매스로부터 파클리탁셀을 충분히 회수하지 못할 수 있고, 15분을 초과하여 수행되는 경우, 시간 경과에 따른 파클리탁셀 회수율 증가 효과가 미미하여 불필요한 조업 시간의 증가를 야기할 수 있다.If extraction using gas bubbles is performed for less than 6 minutes, it may not be possible to sufficiently recover paclitaxel from biomass, and if it is performed for more than 15 minutes, the effect of increasing the recovery rate of paclitaxel over time is insignificant and unnecessary operation time may cause an increase in
가스 버블은 기포 발생기를 이용하여 주입될 수 있다. 예를 들어, 기포 발생기의 산소 토출구에 에어 호스 (hose), 튜브 (tube) 또는 관 (pipe) 등을 연결하여 가스 버블을 주입할 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다.Gas bubbles may be injected using a bubble generator. For example, an air hose, a tube, or a pipe may be connected to the oxygen outlet of the bubble generator to inject gas bubbles, but the present invention is not limited thereto.
주입되는 가스 버블의 직경은 0.5 내지 5.0 mm일 수 있으나, 버블이 형성될 수 있는 크기의 직경이라면 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 0.5 mm 이하의 범위의 미세 버블을 주입하여 추출을 수행하는 것 또한 가능하다.The diameter of the injected gas bubble may be 0.5 to 5.0 mm, but as long as the diameter of the bubble can be formed, it may be used without limitation. For example, it is also possible to perform extraction by injecting microbubbles in the range of 0.5 mm or less.
본 발명의 파클리탁셀 추출방법에 있어서, 상기 c) 단계의 가스 버블을 이용한 추출은 1회 수행할 수 있다.In the paclitaxel extraction method of the present invention, the extraction using gas bubbles in step c) may be performed once.
본 발명의 구체적인 일실시예에서는 상온에서 가스 유량 (각각 1.15, 4.52 및 9.41 L/분) 및 조업 시간 (각각 1, 2, 4, 6, 8, 10 및 12분)을 각각 변화시켜 교반 (~500 rpm) 하에 1 회 추출을 수행하였으며, 파클리탁셀 회수율은 다음의 수학식 1로 계산하였다.In a specific embodiment of the present invention, stirring (~ 500 rpm), extraction was performed once, and the recovery rate of paclitaxel was calculated by
[수학식 1][Equation 1]
도 2에 나타난 바와 같이, 가스 버블 도입이 없는 기존 용매 추출 방법인 전통적 추출 (conventional solvent extraction) 방법의 경우 파클리탁셀 회수율은 58%인 반면, 추출 시 가스 유량이 각각 1.15, 4.52 및 9.41 L/분으로 도입될 경우 회수율은 61, 66 및 75% 이었다. 가스 유량과 조업 시간이 증가할수록 파클리탁셀의 회수율이 증가하였다.As shown in FIG. 2 , in the case of the conventional solvent extraction method, which is a conventional solvent extraction method without introducing gas bubbles, the recovery rate of paclitaxel was 58%, whereas the gas flow rates during extraction were 1.15, 4.52, and 9.41 L/min, respectively. The recovery rates when introduced were 61, 66 and 75%. The recovery rate of paclitaxel increased as the gas flow rate and operating time increased.
결과적으로, 가스 버블을 이용한 최적의 추출방법은 9.41 L/분의 가스 유량에서 8분 내지 12분 동안 수행하는 것이었고, 최적의 조건 하에 단 1회 추출로 약 75%의 파클리탁셀을 회수하는 것이 가능하였다.As a result, the optimal extraction method using gas bubbles was performed for 8 to 12 minutes at a gas flow rate of 9.41 L/min, and it is possible to recover about 75% of paclitaxel with only one extraction under optimal conditions. did.
이러한 결과들을 통해, 본 발명의 가스 버블을 이용한 파클리탁셀 추출방법은 기존의 최적화된 용매 추출 방법과 비교하여 조업 시간이 현저하게 단축되고, 조업 시간 단축에 따른 추출 효율이 획기적으로 증가한다는 것을 확인할 수 있었다.Through these results, it was confirmed that the paclitaxel extraction method using gas bubbles of the present invention significantly shortened the operation time compared to the conventional optimized solvent extraction method, and the extraction efficiency according to the reduction in operation time was significantly increased. .
또한, 본 발명의 다른 구체적인 일실시예에서는 주사전자현미경(MIRA LMH; Tescan, Czech Republic)을 이용하여 용매 추출 방법 또는 가스 버블을 이용한 추출 후 바이오매스 표면을 관찰하였다. 추출 전 바이오매스의 경우, 도 3(A)에서 확인되는 같이 바이오매스 표면이 매우 매끄러운 형태를 보이며, 메탄올을 이용한 전통적인 용매 추출 방법(1 회 추출)의 경우 도 3(B)에서 보는 바와 같이 주름진 형태를 보였다.In addition, in another specific embodiment of the present invention, the surface of the biomass was observed after extraction using a solvent extraction method or gas bubbles using a scanning electron microscope (MIRA LMH; Tescan, Czech Republic). In the case of the biomass before extraction, the surface of the biomass shows a very smooth shape as shown in FIG. showed shape.
반면, 가스 버블을 이용한 추출 방법(1 회 추출)의 경우 도 3(C), 3(D) 및 3(E)에 나타난 바와 같이 바이오매스 표면이 강한 충격으로 매우 거칠고 오그라든 (파쇄된) 형태를 보였고, 가스 유량이 증가할수록 표현이 더 주름진 형태를 보였다. 즉, 세포 내 함유되어 있는 파클리탁셀이 효과적으로 추출될 수 있도록 충분히 오그라든 (파쇄된) 표면이 형성되었고, 결과적으로 추출효율이 획기적으로 향상되었다. 이러한 결과로부터 가스 버블을 이용한 추출로 바이오매스로부터 파클리탁셀을 효과적으로 추출/회수할 수 있음을 확인할 수 있었다.On the other hand, in the case of the extraction method using gas bubbles (one-time extraction), as shown in FIGS. 3(C), 3(D) and 3(E), the biomass surface is very rough and shrunken (crushed) form due to strong impact. , and as the gas flow rate increased, the expression became more wrinkled. That is, a sufficiently shrunken (crushed) surface was formed so that the paclitaxel contained in the cell could be effectively extracted, and as a result, the extraction efficiency was remarkably improved. From these results, it was confirmed that paclitaxel could be effectively extracted/recovered from biomass by extraction using gas bubbles.
본 발명자들은 파클리탁셀의 정제 시 분별침전단계에서 가스 버블을 주입하여 분별침전시간을 획기적으로 단축시킨 방법을 제시한 바 있으나, 이는 가스 버블을 주입함으로써 용질의 물질 전달을 향상시키고, 가스 버블 자체가 핵 형성의 중심 (침전에서 씨드 (seed) 역할)으로 작용하여 파클리탁셀의 침전을 촉진시키는 원리로 분별침전단계에 소요되는 조업 시간을 단축시킨 것으로 (김 등의 Process Biochemistry 99 (2020) 316-323), 본 발명에서 확인된 바이오매스 파쇄 효과와는 완전히 상이하다.The present inventors have proposed a method for remarkably shortening the fractional precipitation time by injecting gas bubbles in the fractional precipitation step during purification of paclitaxel, but this improves the mass transfer of solute by injecting gas bubbles, and the gas bubbles themselves are nuclear As a principle of promoting the precipitation of paclitaxel by acting as the center of formation (the role of a seed in precipitation), it shortens the operation time required for the fractional precipitation step (Kim et al. Process Biochemistry 99 (2020) 316-323 ), It is completely different from the biomass crushing effect confirmed in the present invention.
본 발명의 가스 버블을 이용한 최적화된 파클리탁셀 추출방법은 기존 용매 추출 방법의 한계였던 많은 유기 용매 사용과 긴 추출 시간 문제를 해결하고 동시에 마이크로웨이브 또는 초음파를 이용한 추출 공정의 한계였던 공정의 복잡성, 장치의 위험성 및 많은 에너지 소모에 의한 고비용 문제를 획기적으로 개선할 수 있다.The optimized paclitaxel extraction method using gas bubbles of the present invention solves the problems of using a lot of organic solvent and long extraction time, which were limitations of the existing solvent extraction method, and at the same time, the complexity of the process, which was a limitation of the extraction process using microwave or ultrasonic, and the The high cost problem caused by risk and high energy consumption can be remarkably improved.
본 발명의 파클리탁셀 추출방법에 있어서, 상기 c) 단계의 가스 버블을 이용한 추출은 0 내지 30℃, 바람직하게는 5 내지 30℃, 보다 바람직하게는 10 내지 30℃에서 수행될 수 있다.In the paclitaxel extraction method of the present invention, the extraction using gas bubbles in step c) may be performed at 0 to 30°C, preferably 5 to 30°C, more preferably 10 to 30°C.
파클리탁셀의 분리 및 정제 시에 있어서, 종래의 분별침전방법은 0 내지 4℃의 저온에서 이루어져 경제성 측면에서 파클리탁셀 대량생산 공정에 적용하기에 한계가 있었다.In the separation and purification of paclitaxel, the conventional fractional precipitation method was performed at a low temperature of 0 to 4 ° C.
그러나, 본 발명에서는 바이오매스에 일정 비율의 유기 용매를 첨가한 후, 상온을 포함하는 온도 범위 (예를 들어, 5 내지 30℃)에서 1.00 L/분 내지 15.00 L/분의 가스 유량으로 15분 이하의 동안 가스 버블을 주입하는 것만으로도 파클리탁셀의 회수율을 현저하게 개선시킬 수 있으므로, 분별침전을 위한 저온 보관을 따로 필요로 하지 않아 대량생산 공정에 적용하기에 적합하다.However, in the present invention, after adding an organic solvent in a certain ratio to the biomass, in a temperature range including room temperature (eg, 5 to 30° C.) at a gas flow rate of 1.00 L/min to 15.00 L/min for 15 minutes Since the recovery rate of paclitaxel can be remarkably improved only by injecting gas bubbles during the following, it does not require a separate low-temperature storage for fractional precipitation, so it is suitable for mass production process.
이하, 본 발명을 실시예를 통해 보다 상세하게 설명한다. 단, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 이하에서 기술하는 특정 실시예 및 설명은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발 명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, since the present invention can have various changes and can have various forms, the specific examples and descriptions described below are only for helping the understanding of the present invention, and the present invention is limited to specific disclosed forms it's not meant to be It should be understood that the scope of the present invention includes all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
바이오매스 준비biomass preparation
본 실시예에 사용된 식물세포배양액은 택서스 치넨시스 (Taxus chinensis)의 잎으로부터 얻은 세포주(cell line)를 이용하여 배양하였다. 택서스 치넨시스 (Taxus chinensis)로부터 기원된 현탁액 세포는 24℃ 암조건(darkness condition)에서 150 rpm으로 교반하여 배양하였다. 현탁 (suspension) 세포는 수정된 갬보그 B5 배지 (Gamborg's B5 medium), 30 g/L 수크로스, 10 mM 나프탈렌 아세트산 (naphthalene acetic acid), 0.2 μM 6-벤질아미노퓨린 (6-benzylaminopurine), 1 g/L 카제인 가수분해물 (casein hydrolysate), 1 g/L 2-(N-모르폴리노) 에탄술폰산 (2-(N-morpholino) ethanesulfonic acid)에서 배양하였다. 세포 배양은 2 주마다 새로운 배지(medium)로 갈아주었고, 배양 시간을 연장시키기 위해 7 일과 21 일째 되는 날에 1∼2% (w/v)의 말토스 (maltose)를 첨가해 주고, 유도인자 (elicitor)로서 배양 초기에 4 mM의 AgNO3를 첨가해 주었다[7,19]. 식물세포배양 후 배양액으로부터 데칸터 (decanter; Westfalia, CA150 Claritying Decanter)와 고속원심분리기(α-Laval, BTPX205GD-35CDEEP)를 이용하여 식물세포와 세포조각(cell debris)을 회수하였다. 회수한 식물세포와 세포조각을 합하여 바이오매스라 하였다.The plant cell culture medium used in this Example was cultured using a cell line obtained from the leaves of Taxus chinensis . Suspension cells originating from Taxus chinensis were cultured by stirring at 150 rpm in dark conditions at 24°C. Suspension cells were prepared using modified Gamborg's B5 medium, 30 g/L sucrose, 10 mM naphthalene acetic acid, 0.2 μM 6-benzylaminopurine, 1 g Cultured in /L casein hydrolysate, 1 g/L 2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid (2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid). Cell culture was replaced with a fresh medium every 2 weeks, and in order to extend the culture time, 1-2% (w/v) maltose was added on the 7th and 21st days, and inducer As an elicitor, 4 mM AgNO 3 was added at the beginning of the culture [7,19]. Plant cells and cell debris were recovered from the culture medium after plant cell culture using a decanter (Westfalia, CA150 Claritying Decanter) and a high-speed centrifuge (α-Laval, BTPX205GD-35CDEEP). The recovered plant cells and cell fragments were combined and referred to as biomass.
가스 버블을 이용한 추출 (Gas bubble-assisted extraction)Gas bubble-assisted extraction
식물세포배양에 의해 생산된 파클리탁셀은 대부분 바이오매스 (식물세포)에 포함되어 있으며, 김 등의 Korean J. Biotechnol. Bioeng., 15, 346-351(2000)에 의하면 여러 가지 유기용매를 이용하여 추출 효율을 조사한 결과 메탄올의 경우 가장 효과적임을 알 수 있었다. 주요 공정 변수의 최적화를 위하여, 김 등의 Process Biochem., 39, 1985-1991(2004)에서 제시한 최적의 바이오매스/메탄올 비 (1:2, w/v)를 일정하게 유지하고 상온에서 가스 유량 (gas flow rate)과 조업 시간에 따른 영향을 조사하였다.Most paclitaxel produced by plant cell culture is contained in biomass (plant cells), and Kim et al., Korean J. Biotechnol. According to Bioeng ., 15 , 346-351 (2000), as a result of investigating extraction efficiency using various organic solvents, methanol was found to be the most effective. For the optimization of major process parameters, the optimal biomass/methanol ratio (1:2, w/v) suggested by Kim et al., Process Biochem ., 39 , 1985-1991 (2004) was kept constant and the gas at room temperature was The effect of gas flow rate and operating time was investigated.
구체적으로, 가스발생 장치 (gassing unit; SH-A2, Amazonpet, Korea)를 이용하여 추출 용액 내로 가스 버블을 주입하여 (0.5 mm의 직경을 갖는 구멍), 가스발생 장치를 통한 가스 유량 (각각 1.15, 4.52 및 9.41 L/분)의 변화가 추출 효율에 미치는 영향을 조사하였다. 또한, 조업 시간(각각 1, 2, 4, 6, 8, 10 및 12분)을 변화시켜 교반 (~500 rpm) 하에 1회 추출하였다. 추출 후 여과지(185 mm, ADVANTEC)로 감압 여과하여 파클리탁셀 추출 여액을 회수하고 농축기(CCA-1100, EYELA, Japan)를 이용하여 농축 후 완전 진공건조 (40℃, 하룻밤 동안 (overnight), 760 mmHg)하였다. 건조된 미가공 파클리탁셀 (crude paclitaxel)을 HPLC 분석을 통해 파클리탁셀 순도와 수율을 측정하였다. Specifically, by injecting gas bubbles into the extraction solution using a gassing unit (SH-A2, Amazonpet, Korea) (a hole having a diameter of 0.5 mm), the gas flow rate through the gas generating unit (each 1.15, 4.52 and 9.41 L/min) on the extraction efficiency were investigated. In addition, the operation time (1, 2, 4, 6, 8, 10 and 12 minutes, respectively) was changed, and extraction was performed once under stirring (~500 rpm). After extraction, it was filtered under reduced pressure with filter paper (185 mm, ADVANTEC) to recover the paclitaxel extraction filtrate, concentrated using a concentrator (CCA-1100, EYELA, Japan), and then dried under complete vacuum (40°C, overnight (overnight), 760 mmHg) did. Purity and yield of paclitaxel were measured from dried crude paclitaxel through HPLC analysis.
파클리탁셀 함량 분석을 위해 HPLC 시스템(SCL-10AVP, Shimadzu, Japan)과 캅셀팩 C18 (Capcell Pak C18; 250 Х 4.6 mm, Shiseido, Japan) 칼럼을 사용하였다. 이동상은 증류수와 아세토니트릴 혼합용액 (65/35~35/65, v/v, 구배용매조성법)을 유속 1.0 ㎖/분으로 흘려주었다. 시료 주입량은 20 ㎕이며 227 nm에서 UV에 의해 검출하였다[9]. HPLC 분석은 표준정량곡선을 이용하였으며, 표준시료는 시그마-알드리치 (Sigma-Aldrich) 제품 (순도 >97%)을 사용하였다.For the analysis of paclitaxel content, an HPLC system (SCL-10AVP, Shimadzu, Japan) and a Capcell Pak C 18 (Capcell Pak C 18 ; 250 Х 4.6 mm, Shiseido, Japan) column were used. For the mobile phase, distilled water and a mixed solution of acetonitrile (65/35~35/65, v/v, gradient solvent composition method) were flowed at a flow rate of 1.0 ml/min. The sample injection amount was 20 μl and it was detected by UV at 227 nm [9]. For HPLC analysis, a standard quantitation curve was used, and a standard sample manufactured by Sigma-Aldrich (purity >97%) was used.
전통적 추출 방법과 가스 버블을 이용한 바이오매스 추출 방법을 도 1에 나타내었다. 또한, 파클리탁셀 수율은 다음의 수학식 1로 계산하였다.A conventional extraction method and a biomass extraction method using gas bubbles are shown in FIG. 1 . In addition, the yield of paclitaxel was calculated by
[수학식 1][Equation 1]
도 2에 나타난 바와 같이, 가스 버블 도입이 없는 전통적 추출 (conventional solvent extraction) 방법의 경우 파클리탁셀 회수율은 58%인 반면, 추출 시 가스 유량이 각각 1.15, 4.52 및 9.41 L/분으로 도입될 경우 회수율은 61, 66 및 75% 이었다. 가스 유량과 조업 시간이 증가할수록 파클리탁셀의 회수율이 증가하였다. 이러한 결과는 가스 버블이 세포벽을 파쇄하여 세포 내 함유되어 있는 파클리탁셀이 효과적으로 추출되어 추출 효율이 향상된 것으로 판단된다.As shown in FIG. 2 , in the case of the conventional solvent extraction method without gas bubble introduction, the recovery rate of paclitaxel is 58%, whereas when the gas flow rate during extraction is introduced at 1.15, 4.52 and 9.41 L/min, respectively, the recovery rate is 61, 66 and 75%. The recovery rate of paclitaxel increased as the gas flow rate and operating time increased. According to these results, it is judged that the extraction efficiency is improved because the gas bubbles break the cell wall and the paclitaxel contained in the cell is effectively extracted.
주사전자현미경 (SEM) 분석을 통한 바이오매스의 형태 조사Investigation of the morphology of biomass through scanning electron microscopy (SEM) analysis
바이오매스 표면을 관찰하기 위하여 주사전자현미경 (MIRA LMH; Tescan, Czech Republic)을 이용하였다. 분석량은 1 mg이며 가속전압 10-15 kV에서 건조된 바이오매스의 형태를 조사하였다.A scanning electron microscope (MIRA LMH; Tescan, Czech Republic) was used to observe the biomass surface. The amount of analysis is 1 mg, and the form of the dried biomass was investigated at an acceleration voltage of 10-15 kV.
추출 전 바이오매스의 경우, 도 3(A)에 나타난 바와 같이 바이오매스 표면은 매우 매끄러운 형태를 보였고, 메탄올을 이용한 전통적 추출 (1 회 추출)의 경우 도 3(B)에 나타난 바와 같이 주름진 형태를 보였다. 반면, 가스버블을 이용한 추출(1 회 추출)의 경우 도 3(C), 도 3(D) 및 도 3(E)에 나타난 바와 같이 바이오매스 표면은 강한 충격으로 매우 거칠고 오그라든 (파쇄된) 형태를 보였으며, 가스 유량이 증가할수록 표면이 더 주름진 형태를 보였다. 즉, 세포 내 함유되어 있는 파클리탁셀이 모두 추출될 수 있도록 충분히 오그라든 (파쇄된) 표면이 형성되고 결과적으로 추출 효율이 효과적으로 향상되었다. 이러한 결과로부터 가스 버블을 이용한 추출로 바이오매스로부터 파클리탁셀을 효과적으로 추출/회수할 수 있음을 재확인할 수 있었다. 또한, 가스 버블 유무에 관계 없이 바이오매스 추출에서 얻은 파클리탁셀 순도 (~4.5%)는 거의 차이가 없음을 알 수 있었다 (데이터 미도시). In the case of biomass before extraction, as shown in Fig. 3(A), the surface of the biomass showed a very smooth shape, and in the case of conventional extraction (one-time extraction) using methanol, a wrinkled shape as shown in Fig. 3(B) was obtained. seemed On the other hand, in the case of extraction (one-time extraction) using gas bubbles, the biomass surface was very rough and shrunken (crushed) due to strong impact as shown in FIGS. 3(C), 3(D) and 3(E). shape, and as the gas flow rate increased, the surface showed a more corrugated shape. That is, a sufficiently shrunken (crushed) surface was formed so that all of the paclitaxel contained in the cell could be extracted, and as a result, the extraction efficiency was effectively improved. From these results, it was confirmed again that paclitaxel could be effectively extracted/recovered from biomass by extraction using gas bubbles. In addition, it was found that there was little difference in the purity of paclitaxel (~4.5%) obtained from biomass extraction with or without gas bubbles (data not shown).
결과적으로, 본 연구를 통하여 전통적 추출 공정의 한계였던 많은 유기용매 사용과 긴 추출시간 문제를 해결하고, 동시에 마이크로웨이브 또는 초음파를 이용한 추출 공정의 한계였던 공정의 복잡성, 장치의 위험성 및 많은 에너지 소모에 의한 고비용 문제를 획기적으로 개선할 수 있었다.As a result, through this study, the problem of using a lot of organic solvent and long extraction time, which were the limitations of the traditional extraction process, was solved, and at the same time, the complexity of the process, the risk of the device, and a lot of energy consumption, which were the limitations of the extraction process using microwave or ultrasound, were solved. It was possible to dramatically improve the high cost problem caused by
Claims (8)
a) 파클리탁셀을 포함하는 택서스속(Taxus genus) 식물체 유래 바이오매스(biomass)를 수득하는 단계;
b) 상기 바이오매스를 유기용매와 혼합하는 단계; 및
c) 상기 b) 단계의 혼합물에 가스 버블을 주입하여 파클리탁셀을 추출하는 단계.A method for extracting paclitaxel comprising the following steps a) to c):
a) obtaining a biomass derived from a taxus genus plant containing paclitaxel;
b) mixing the biomass with an organic solvent; and
c) extracting paclitaxel by injecting gas bubbles into the mixture of step b).
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