초음파를 이용한 무용매 스테비아 추출

Stevia rebaudiana에서 스테비올 배당체와 같은 감미 성분을 추출하는 기존 방식은 독성 용매를 사용합니다. 건강에 좋은 고품질 식품을 얻으려면 무용매 추출법이 필요합니다. 초음파 추출 기술은 용매를 사용하지 않으면서도 짧은 처리 시간에 매우 높은 추출 수율을 달성합니다. 따라서 초음파 스테비아 추출은 탁월한 효율성과 친환경성이 돋보입니다.

초음파 추출로 얻는 건강에 좋은 추출물

스테비아 감미료는 초본 식물인 Stevia rebaudiana Bertoni의 잎으로 만든 건강에 유익한 제품으로 여겨지며, 무칼로리 감미료로 사용됩니다. 단맛은 자당보다 약 300배 더 단 디테르펜 배당체에서 비롯됩니다.
Stevia rebaudiana Bertoni의 배당체 성분은 스테비오사이드(5–10%), 레바우디오사이드 A(2–4%), 레바우디오사이드 C(1–2%), 둘코사이드 A(0.5–1%), 레바우디오사이드 B, 레바우디오사이드 D 및 레바우디오사이드 E로 구성됩니다. 다른 배당체와 달리 레바우디아나 A는 쓴맛이 없다는 특징이 있습니다. 따라서 레바우디아나 A는 스테비아 잎에서 가장 중점적으로 추출하는 화합물입니다. 초음파 추출은 고순도 스테비오사이드와 레바우디오사이드의 추출을 돕습니다. 초음파 추출을 이용하면 스테비올 배당체를 물에서 쉽게 추출할 수 있으며, 매우 높은 추출 속도로 높은 수율을 얻을 수 있습니다. 비교적 낮은 추출 온도인 60°C에서 80°C 사이의 온도에서는 추출물에 가해지는 영향이 온화하여 추출물의 분해를 방지합니다.

스테비아가 감미료로 승인된 이후, 칼로리가 없는 천연 설탕 대체재에 대한 수요가 크게 증가했습니다. 수요에 맞춰 스테비아 제품을 공급하려면 상업 생산 능력을 확대해야 합니다. 초음파는 추출 공정 강화에 검증된 방법입니다.

초음파 추출의 장점:

• 무용매 방식, 예: 물에서 추출
• 더 높은 수율
• 높은 추출 속도
• 시간 절약
• 비용 절감
• 안전성
• 친환경성
• 배치 또는 인라인 처리

초음파 스테비아 추출: 연구 결과

Carbonell-Capella et al. (2016)은 스테비오사이드와 레바우디오사이드를 추출하기 위한 다양한 추출 기술을 비교했습니다. 물을 용매로 사용하고 UP400S(왼쪽 사진 참조)로 초음파 추출을 수행했을 때 스테비오사이드의 회수율이 가장 높았으며, 기존 확산법보다 3.5배, 분쇄한 스테비아 시료보다 1.5배 더 높았습니다. 이 연구에서는 208C에서 고체/액체 비율 1:30(w/w)로 스테비아 잎(6 g)을 물(180 g)에 현탁했습니다. 초음파 추출에는 초음파 처리기 UP400S(Hielscher GmbH, 독일)를 사용했으며, 400 W의 출력과 24 kHz의 주파수로 작동시켰습니다. 실험을 위해 Carbonell-Capella 연구팀은 연속 초음파 처리 모드에서 진폭을 100%로 설정했습니다. 초음파를 시료에 전달하기 위해 직경 22 mm, 길이 100 mm의 티타늄 소노트로드 H22를 장착했습니다. 목이 좁은 유리 플라스크(용량 1,000 mL)에 물 또는 에탄올/물(50%) 180 g과 여기에 현탁된 스테비아 잎 6 g을 넣고, 이 혼합물에 프로브를 담갔습니다. 초음파 처리로 인한 가열을 방지하기 위해 시료를 냉각조에 담갔으며, 온도를 항상 50ºC 미만으로 유지했습니다). 총 비에너지 투입량(W_spec, 단위: kJ/kg)은 발생기 출력(400 J/s)(Power)에 총 처리 시간(sec)을 곱한 후 제품 질량(kg)으로 나누어 계산했습니다. 초음파 에너지는 178 kJ/kg이었습니다(t_US = 80 sec.일 때).
(cf. Carbonell-Capella et al. 2016)
Sic-Zlabur et al., (2015)은 스테비아 잎에서 스테비올 배당체와 기타 기능성 성분을 함께 추출하는 방법을 연구했습니다. 이들은 초음파 추출이 기존 추출법보다 처리 시간이 현저히 짧고 에너지 소비량이 적어, 스테비아 잎에서 기능성 화합물을 추출하는 데 사용할 수 있는 친환경 기술이라고 결론지었습니다.

Liu et al. (2010)은 Stevia rebaudiana Bertoni에서 총 탄수화물을 초음파로 추출하는 방법을 연구했습니다. Stevia rebaudiana Bertoni에서 총 탄수화물 수율을 극대화하기 위해 LUYU-131 유형의 스테비아를 시료로 사용했습니다. 초음파 보조 추출 조건을 최적화하기 위해 반응표면법(RSM)을 적용했습니다. 결과에 따르면 최적 추출 조건은 추출 온도 68°C, 초음파 출력 60 W, 추출 시간 32 min이었습니다. 초음파 보조 추출을 사용하면 추출물 수율이 증가하여 1.5배에 이르렀으며, 더 낮은 추출 온도 (68°C)에서 추출 시간(32 min.)도 기존 추출법에 비해 크게 단축되었습니다. 조추출물의 성분 분석 결과, 기존 공정으로 얻은 추출물에 비해 초음파 보조 추출물에서 레바우디오사이드 A의 상대적 함량이 증가했으며, 초음파 보조 추출물은 품질이 더 우수했습니다.
Alupului와 Lavric(2008)은 연구에서 초음파를 이용해 Stevia rebaudiana의 스테비오사이드를 추출하면 기존 침지법보다 생산성이 이백 배 향상되고 처리 시간도 단축된다고 밝히며, 초음파 스테비아 추출의 우수한 효율성을 확인했습니다. (cf. Alupului A., Lavric V., 2008)

스테비오사이드의 초음파 후처리

초음파는 혼합, 블렌딩 및 균질화를 위한 신뢰할 수 있는 방법이므로 최종 제품의 제형화 및 배합 과정에 자주 사용됩니다. 스테비아 추출물을 액체에 용해해야 할 때 초음파는 점도에 관계없이 균일한 혼합물을 빠르고 효율적으로 만드는 기술입니다. 초음파 용해를 이용하면 포화도가 높은 용액은 물론 과포화 용액까지 만들 수 있습니다.

초음파 추출 시스템

분석과 연구를 위해 소량 및 중간 규모로 추출하거나 대규모 상업 생산 수준으로 추출하려는 경우 모두 Hielscher의 제품군으로 대응할 수 있습니다. 당사의 초음파 처리기 제품군에는 초음파 실험실 장치, 벤치탑 시스템이 R&D 및 파일럿 플랜트용으로 포함되며, 산업용 고출력 초음파 시스템도 포함됩니다. 단일 장치당 최대 16,000와트를 제공하는 이 시스템들은 손쉽게 클러스터로 구성하거나 컨테이너에 설치할 수 있습니다. 당사의 다양한 초음파 액세서리에는 소노트로드, 플로우 셀, 반응기 및 부스터 등이 포함되며, 이를 통해 고객의 요구에 완벽하게 부합하는 시스템을 최적으로 구성할 수 있습니다.

투자

모든 Hielscher 초음파 장치는 24/7 가동을 위해 설계되어 있어 당사 장비로 빠른 투자 수익 실현(RoI)이 가능합니다. Alupului et al. (2009)은 연구를 통해 고강도 초음파의 적용이 비교적 저비용 방법으로서 갖는 경제적 타당성을 간과해서는 안 된다고 밝혔습니다. 또한, 초음파 추출은 그 간편한 사용과 뛰어난 효율성 덕분에 설득력 있는 기술입니다.