식물의 초음파 추출용 용매

• 초음파 추출은 높은 수율, 빠른 추출 속도, 친환경성, 낮은 에너지 소비량 등 많은 장점을 제공합니다.
• 가장 큰 장점 중 하나는 물을 추출 매질로 사용할 수 있다는 점입니다. 또한 초음파 처리는 다양한 용매계와 함께 사용하여 목표 추출물에 대해 우수한 결과를 얻을 수 있습니다.
• 식물 유래 생리활성 물질의 초음파 추출에 가장 적합한 용매는 원료를 고려하여 선택합니다.

초음파 추출

초음파는 세포 구조를 파괴하고 물질 전달을 개선하여 생체 화합물(예: 페놀성 화합물, 카로티노이드)의 추출성을 높이는 것으로 잘 알려져 있습니다.
초음파 처리의 기계적 효과는 물질 전달을 개선하여 추출 공정을 크게 향상시키므로 유기 용매를 사용할 필요가 없는 경우가 많습니다. 즉, 초음파 추출에서는 물만으로도 추출 매질로 충분한 경우가 많으며, 물은 저렴하고 유해하지 않으며 쉽게 구할 수 있고 친환경적이라는 여러 장점이 있습니다.
그러나 특정 생리활성 화합물의 경우 휘발성 용매와 초음파 추출을 결합하면 최상의 결과를 얻을 수 있습니다.
적절한 용매를 선택하려면 원료(예: 신선하거나 건조된 식물 재료, 침연·분쇄하거나 분말화한 식물 재료)와 목표 물질의 특성(예: 친유성, 친수성)을 고려해야 합니다.
 

다음 표에는 추출 용매로 널리 확립되어 있으며 식물 재료의 초음파 추출에 사용되는 여러 용매가 나열되어 있습니다.

강력한 초음파는 생물학적 구조의 세포 매트릭스를 파괴하여 생리활성 화합물을 방출합니다. 식물 재료와 용매 사이의 물질 전달이 강화됩니다. 이러한 메커니즘으로 인해 초음파 추출은 식물 성분 추출에 매우 효율적입니다.

추출용 초음파 처리기

실험실용 및 벤치톱 초음파 장치부터 완전한 산업용 초음파 추출 시스템까지 – Hielscher Ultrasonics는 성공적인 추출 공정에 필요한 강력하고 신뢰할 수 있는 초음파 장치 분야에서 오랜 경험을 갖춘 파트너입니다.
당사의 초음파 시스템은 생화학 실험실과 의약품 생산 시설에서 널리 사용됩니다. 초음파 소노트로드와 반응기는 고압증기멸균이 가능하며 의약품 생산 기준을 충족합니다.

Hielscher 산업용 초음파 처리기는 세포 기질을 파쇄하고 목표 물질을 방출하기 위해 매우 높은 진폭을 제공할 수 있습니다. 최대 200µm의 진폭으로도 24/7 연속 운전을 손쉽게 수행할 수 있습니다. Hielscher 초음파 처리기의 출력과 견고함은 높은 수율, 빠른 추출 속도, 더욱 완전한 추출을 보장하며 기존 추출 공정을 능가합니다.
당사의 초음파 프로세서는 속슬레 추출 또는 초임계 CO2 추출과 같은 기존 추출 방법과 결합할 수 있습니다. 기존 생산 라인에도 손쉽게 추가 설치할 수 있습니다.

문헌 / 참고 자료

• Dent M., Dragović-Uzelac V., Elez Garofulić I., Bosiljkov T., Ježek D., Brnčić M. (2015): Comparison of Conventional and Ultrasound Assisted Extraction Techniques on Mass Fraction of Phenolic Compounds from sage (Salvia officinalis L.). Chem. Biochem. Eng. Q. 29(3), 2015. 475–484.
• Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International Journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
• Dogan Kubra, P.K. Akman, F. Tornuk(2019): Improvement of Bioavailability of Sage and Mint by Ultrasonic Extraction. International Journal of Life Sciences and Biotechnology, 2019. 2(2): p.122- 135.

알아두면 유용한 정보

캐비테이션을 이용한 초음파 추출

강력한 초음파는 액체 내 음향 캐비테이션을 발생시킵니다. 캐비테이션에 의한 전단력은 세포벽과 세포막을 파괴하여 세포 내 물질이 방출되도록 합니다. 초음파 추출은 용매가 식물 조직에 더 깊이 침투하도록 하고 물질 전달을 개선합니다. 이를 통해 초음파 추출은 추출 공정을 크게 강화하여 더 높은 수율, 더 빠른 추출 속도, 더욱 완전한 추출을 실현합니다.

용매 시스템

식물 원료에서 생리활성 화합물을 추출하는 데는 다양한 용매 시스템을 사용할 수 있습니다. 친수성 화합물을 추출할 때는 주로 메탄올, 에탄올 또는 아세트산 에틸과 같은 극성 용매를 선택하는 반면, 친유성 화합물(예: 지질)을 추출할 때는 디클로로메탄 또는 디클로로메탄/메탄올(v/v 1:1)과 같은 용매 시스템을 선호합니다. 헥산은 엽록소 추출용 용매로 자주 사용됩니다.

생리활성 화합물이란 무엇인가요?

생리활성 화합물 또는 식물화학물질은 살아 있는 유기체, 조직 또는 세포에 영향을 미치는 물질로 정의됩니다. 생물학적 활성을 지닌 물질에는 항생제, 효소, 비타민이 포함됩니다. 카로티노이드와 폴리페놀 같은 생리활성 물질은 예를 들어 과일, 잎, 채소에서 추출할 수 있으며, 피토스테롤은 식물성 기름에 존재합니다.
식물 유래 생리활성 화합물에는 플라보노이드, 카페인, 카로티노이드, 콜린, 디티올티온, 피토스테롤, 다당류, 식물성 에스트로겐, 글루코시놀레이트, 폴리페놀, 안토시아닌이 포함됩니다. 많은 생리활성 물질은 항산화제로 작용한다는 점에서 높이 평가되며, 따라서 건강에 유익한 것으로 여겨집니다.

최적의 추출 용매는 어떻게 선택하나요?

아래 지침은 식물 원료의 초음파 추출에 적합한 용매를 선택하는 데 도움이 됩니다. 초음파 처리는 모든 표준 용매와 호환되므로 식물 원료, 목표 식물화학물질, 비용 효율성에 가장 이상적인 용매를 선택할 수 있습니다.

• 선택성: 원하지 않는 성분은 남겨 두고 원하는 화합물만 선택적으로 용해하는 용매를 선택하세요. 예를 들어 알칼로이드와 플라보노이드 같은 극성 화합물에는 에탄올을 사용하세요.
• 용해도: “유사한 것은 유사한 것에 녹는다”는 원리에 따라 용질과 극성이 비슷한 용매를 선택하세요. 극성 용매(예: 물, 에탄올)는 극성 화합물을 용해하고, 비극성 용매(예: 헥산)는 지질과 기름 같은 비극성 화합물을 용해합니다.
• 비용: 용매의 비용 대비 효과를 고려하세요. 일부 용매는 가격이 더 비쌀 수 있지만 더 높은 수율이나 더 나은 선택성을 제공하여 전체 추출 비용의 균형을 맞출 수 있습니다.
• 안전성: 용매를 안전하게 사용하고 취급할 수 있는지 확인하십시오. 고려할 요소에는 독성, 인화성, 환경 영향이 포함됩니다. 예를 들어 물과 에탄올은 클로로포름이나 톨루엔에 비해 더 안전한 선택입니다.

극성과 용매 선택
유사성과 상호 혼화성의 법칙에 따르면 용질의 극성과 가까운 극성값을 갖는 용매가 더 나은 성능을 보일 가능성이 높습니다. 몇 가지 예는 다음과 같습니다:

• 극성 용매: 물, 에탄올, 메탄올 – 알칼로이드, 플라보노이드, 배당체, 단백질과 같은 극성 화합물을 추출하는 데 사용됩니다.
• 중간 극성 용매: 아세톤, 아세트산에틸, 이소프로판올 – 페놀성 화합물과 일부 알칼로이드를 포함한 다양한 화합물을 추출하는 데 적합합니다.
• 비극성 용매: 헥산, 톨루엔, 석유 에테르 – 지질, 왁스, 테르펜, 정유와 같은 비극성 화합물을 추출하는 데 이상적입니다.

용매 사용 예

• 에탄올: 식물 추출에 가장 흔히 사용되는 용매 중 하나입니다. 극성 용매인 에탄올은 알칼로이드와 플라보노이드 같은 극성 화합물을 용해합니다.
• 물: 범용 용매로, 다당류, 단백질, 일부 배당체와 같은 친수성 화합물을 추출하는 데 자주 사용됩니다.
• 메탄올: 극성이 높은 용매로, 페놀성 화합물, 플라보노이드, 일부 알칼로이드를 포함한 다양한 식물 화합물을 추출하는 데 효과적입니다.
• 헥산: 지질, 왁스, 정유와 같은 비극성 화합물을 추출하는 데 주로 사용되는 비극성 용매입니다.
• 아세톤: 극성 비양성자성 용매인 아세톤은 다양한 식물 화합물, 특히 물이나 메탄올로 추출되는 화합물보다 극성이 낮은 화합물을 추출하는 데 효과적입니다.
• 이소프로판올: 에탄올과 유사한 극성 용매로, 정유, 수지, 일부 알칼로이드를 추출하는 데 흔히 사용됩니다.
• 클로로포름: 알칼로이드, 테르페노이드, 일부 배당체를 추출하는 데 효과적인 비극성 용매입니다. 독성 때문에 사용 빈도가 낮습니다.
• 아세트산에틸: 플라보노이드, 알칼로이드, 페놀성 화합물을 포함한 다양한 화합물을 추출하는 데 사용되는 중간 극성 용매입니다.
• 톨루엔: 정유, 테르펜, 왁스와 같은 비극성 화합물을 추출하는 데 사용되는 비극성 용매입니다.
• 부탄올: 일부 배당체와 사포닌을 포함한 중간 극성 화합물을 추출하는 데 효과적인 중간 극성 용매입니다.
• 석유 에테르: 식물 원료에서 지방, 기름 및 기타 비극성 화합물을 추출하는 데 주로 사용되는 비극성 용매입니다.

다음 용매들은 특정 식물 원료와 식물화학물질의 초음파 추출을 조사한 연구에서 시험되었습니다.

유기 용매란 무엇인가요?

유기 용매는 휘발성 유기 화합물(VOC)의 일종입니다. VOC는 실온에서 기화하는 유기 화학물질입니다.
용매로 사용되는 유기 화합물에는 다음이 포함됩니다:

• 방향족 화합물, 예: 벤젠과 톨루엔
• 알코올류, 예: 메탄올
• 에스터류와 에테르류
• 케톤류, 예: 아세톤
• 아민류
• 니트로화 및 할로젠화 탄화수소

많은 유기 용매는 독성 물질 또는 발암성 물질로 분류됩니다. 잘못 취급하면 인체에 유해할 수 있으며 공기, 물, 토양을 오염시킬 수 있습니다. 초음파 추출의 강력한 작용 메커니즘 덕분에 유기 용매를 더 온화한 무독성 용매로 대체하여 유기 용매의 사용을 피할 수 있습니다.