초음파를 이용한 우수한 카테킨 추출물
카테킨의 초음파 추출
초음파 추출은 순수한 기계적 힘의 적용을 기반으로 하는 비열적 기술입니다. 저주파 고강도 초음파는 초음파 프로브(소노트로드)를 통해 액체 매질에 전달됩니다. 음향 캐비테이션의 강력한 전단력은 세포막에 구멍을 내고 파괴하며, 세포 내부와 용매 사이의 물질 전달을 촉진하고, 세포 내 화합물을 용매로 방출합니다.
Banerjee와 Chatterjee(2015)는 녹차(Camellia sinensis) 추출 방법에 대한 광범위한 검토에서 프로브형 초음파 처리기가 초음파 수조보다 훨씬 더 효율적이라는 사실을 확인했습니다. 또한 저자들은 초음파 추출이 낮은 온도에서 추출 공정의 효율을 높여 열에 민감한 화합물의 열분해를 방지하고 약용 가치를 보존하므로 차 카테킨 추출에 선호되는 방식이라고 설명합니다. 고온 추출은 흔히 폴리페놀의 분해를 유발하고 단백질 및 펙틴의 방출을 증가시키며, 이들은 크림 형성을 통해 차의 관능적 품질을 저해합니다. 초음파 처리의 장점은 비열적 메커니즘에 있습니다. 연구진은 이 연구에서 65°C에서의 초음파 추출이 85°C에서의 전통적인 추출에 비해 차 폴리페놀 수율을 높일 수 있음을 입증했습니다. 그러나 초음파 추출은 실온에서도 가능합니다. 비열적 추출 기술인 초음파 처리기는 기계적 힘을 가하여 세포를 파괴하고, 폴리페놀 및 카테킨 등의 생리활성 화합물을 탁월한 효율로 용매에 방출합니다.
초음파 추출은 고품질 영양소를 높은 수율로 얻을 수 있게 합니다. 비열적 공정인 초음파 추출은 열에 민감한 영양소의 손실을 방지합니다.
초음파 추출은 실온이나 냉각된 액체에서도 수행할 수 있습니다. 초음파를 이용한 콜드브루 차에 대해 자세히 알아보려면 여기를 클릭하세요!
- 무용매 / 수성
- 높은 추출 수율
- 고품질 추출물
- 전체 성분 스펙트럼을 포함하는 추출물
- 신속한 공정
- 친환경적
- 간편하고 안전한 작동
- 적은 유지보수
- 빠른 투자 회수
초음파 추출기 UIP2000hdT (2kW), 연속 교반 배치 반응기 장착
카테킨 초음파 추출 사례 연구
초음파 추출은 물, 에탄올, 물 : 에탄올 혼합물, 이소프로판올, 식물성 오일, 글리세린 등 다양한 용매를 사용하여 수행할 수 있습니다.
2018년 연구에서 Ayyildiz 등은 물과 에탄올을 용매로 사용한 초음파 추출을 기존의 열수 추출법과 비교했습니다. 이 파일럿 규모 연구에서는 Hielscher UIP2000hd (2kW, 20kHz) 초음파 처리기를 배치 및 연속 흐름 구성으로 사용했습니다.
연구 결과, 에탄올을 사용한 초음파 추출은 기존의 열수 추출 및 물을 사용한 초음파 추출보다 EGCG, EGC, ECG 및 EC를 더 높은 수율로 추출하는 데 유의하게(p < 0.05) 더 효율적인 것으로 나타났습니다. 최적화된 공정 조건에서 에탄올을 사용한 초음파 추출로 얻은 EGCG 함량은 기존의 열수 추출 및 물을 사용한 초음파 추출보다 각각 거의 100% 및 50% 더 높았습니다. 에탄올을 사용한 EGCG 초음파 추출의 최적 조건은 66.53ºC, 43.75 min 및 에탄올 67.81%였습니다.
초음파 추출은 낮은 온도에서 항산화 활성을 유지하면서 추출 공정의 효율을 높이므로 차 카테킨 추출에 선호되는 방식입니다.
고성능 초음파 추출기
Hielscher Ultrasonics 추출 시스템은 식이 보충제 및 의약품에 사용되는 고품질 식물 추출물의 상업적 생산을 위해 전 세계 식품 및 제약 산업에서 사용됩니다. 콜드브루 차를 더 작은 배치로 생산하거나 고품질 폴리페놀 / 카테킨 추출물을 대량으로 가공하려는 경우 모두 Hielscher Ultrasonics는 적합한 초음파 추출기를 제공합니다. 초음파 처리기는 쉽고 안전하게 작동할 수 있습니다. 직관적인 소프트웨어와 터치 디스플레이를 통한 디지털 제어로 정밀한 공정 제어가 가능합니다. Hielscher 초음파 장비는 견고하여 높은 부하와 까다로운 환경에서도 24/7 연속 가동이 가능합니다.
프로브형 초음파 처리기 UP100H – 찻잎에서 카테킨 추출용
Hielscher Ultrasonics를 통한 공정 표준화
식품 및 의약품 등급의 추출물은 우수 제조 관리 기준(GMP)과 표준화된 공정 사양에 따라 생산해야 합니다. Hielscher Ultrasonics의 디지털 추출 시스템에는 초음파 처리 공정을 쉽게 정밀하게 설정하고 제어할 수 있는 지능형 소프트웨어가 탑재되어 있습니다. 자동 데이터 기록 기능은 초음파 에너지(총에너지 및 순에너지), 진폭, 온도, 압력(온도 및 압력 센서가 장착된 경우) 등 모든 초음파 공정 매개변수를 날짜 및 시간 정보와 함께 내장 SD 카드에 기록합니다. 이를 통해 초음파 처리한 각 로트를 검토할 수 있습니다. 동시에 재현성과 지속적으로 높은 제품 품질이 보장됩니다.
아래 표는 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다:
| 배치 부피 | 유량 | 권장 장치 |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1–20L | 0.2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | 더 높은 유량 | 클러스터 구성: UIP16000 |
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문헌/참고문헌
- Ayyildiz, Sena Saklar; Karadeniz, Bulent; Sagcanb, Nihan; Bahara, Banu; Us, Ahmet Abdullah; Alasalvar, Cesarettin (2018): 기존의 열수 추출법과 초음파 보조 추출법을 이용한 녹차의 에피갈로카테킨 갈레이트 추출 매개변수 최적화. Food and Bioproducts Processing 111 (2018). 37–44.
- Banerjee, S., Chatterjee, J. (2015): 차(Camellia sinensis) 생체분자의 효율적인 추출 전략. J. Food Sci. Technol. 52, 2015. 3158–3168.
- Martín-García Beatriz; Pasini, Federica; Verardo, Vito; Díaz-de-Cerio, Elixabet; Tylewicz, Urszula; Gómez-Caravaca, Ana María; Caboni Maria Fiorenza (2019): 맥주박에서 프로안토시아니딘을 추출하기 위한 소노트로드 초음파 보조 추출의 최적화. Antioxidants 2019, 8, 282.
- Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): 볼도 잎(Peumus boldus Mol.)의 배치식 및 연속식 초음파 보조 추출. International journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
- K.S. Suslick, K. Othmer, “화학 기술 백과사전”; 제4판. J. Wiley & Sons: New York, 1998, 제26권, 517-541쪽.
알아두면 유용한 정보
초음파 추출 – 작동 원리
초음파 추출은 식물 세포와 같은 세포 기질에서 세포 내 화합물을 방출하고 분리하는 기계적 방법입니다. 고출력 초음파가 슬러리(예: 물이나 용매에 침연한 식물 입자로 구성된 슬러리)에 전달되면 에너지가 높은 초음파가 캐비테이션을 발생시킵니다. 캐비테이션 현상은 매질 내에서 국소적으로 극한의 온도, 압력, 가열/냉각 속도, 압력 차이 및 높은 전단력을 유발합니다. 캐비테이션 기포가 고체(입자, 식물 세포, 조직 등)의 표면에서 내파하면 미세 제트와 입자 간 충돌이 표면 박리, 침식 및 입자 파쇄와 같은 효과를 일으킵니다. 또한 액체 매질에서 캐비테이션 기포가 내파하면 거시적 난류와 미세 혼합이 발생합니다.
초음파 처리는 캐비테이션과 그에 수반되는 메커니즘, 즉 액체 제트에 의한 미세 운동, 물질 내부의 압축 및 감압과 그에 따른 세포벽 파쇄, 높은 가열 및 냉각 속도를 유발하므로, 초음파 조사는 물질 전달 과정을 촉진하는 효율적인 방법입니다.
식물 세포에서의 초음파 추출: 현미경 횡단면(TS)은 세포에서 초음파로 추출하는 동안의 작용 메커니즘을 보여줍니다(배율 2000x) [출처: Vilkhu et al. 2011]
식물 원료를 초음파 처리하면 식물 세포의 기질이 파편화되고 그 수화가 촉진됩니다. Chemat et al. (2015)은 식물 원료에서 생리활성 화합물을 초음파로 추출하는 과정이 파편화, 침식, 모세관 작용, 조직 구조 해체 및 초음파 천공을 비롯한 다양한 메커니즘이 독립적으로 또는 복합적으로 작용한 결과라고 결론지었습니다. 이러한 효과는 세포벽을 파쇄하고, 용매를 세포 안으로 밀어 넣고 식물 유래 화합물이 함유된 용매를 밖으로 빨아내어 물질 전달을 개선하며, 미세 혼합을 통해 액체의 움직임을 보장합니다.
초음파 추출의 주요 장점은 무엇인가요?
- 신속한 공정과 높은 생산량
- 낮은 에너지 소비
- 처리 비용 절감
- 비열 기술
- 더 높은 순도
- 친환경 기술
음향 캐비테이션과 그 효과
액체에서 초음파는 강한 고압 / 저압 주기를 교대로 발생시켜 캐비테이션 기포를 형성합니다. 여러 차례의 압력 주기에 걸쳐 캐비테이션 기포는 더 이상 에너지를 흡수할 수 없는 한계에 도달할 때까지 성장합니다. 이 시점에서 기포는 격렬하게 내파합니다. 기포가 내파하는 동안 최대 5000K의 고온, 최대 2000atm의 압력, 매우 높은 가열/냉각 속도 및 압력 차이와 같은 극한 조건이 발생합니다. 기포 붕괴의 동역학적 과정은 물질 및 열 전달보다 빠르므로, 붕괴하는 공동 내부의 에너지는 “핫 스폿”이라고도 하는 매우 작은 영역에 갇힙니다. 캐비테이션 기포의 내파는 또한 미세 난류, 최대 280m/s 속도의 액체 제트 및 그에 따른 전단력을 발생시킵니다. 이러한 현상을 초음파 캐비테이션 또는 음향 캐비테이션이라고 합니다.
초음파 추출은 음향 캐비테이션과 그에 따른 유체역학적 전단력을 기반으로 합니다
카테킨
녹차는 카페산, 갈산, 카테킨, 에피카테킨, 갈로카테킨, 카테킨 갈레이트, 갈로카테킨 갈레이트, 에피카테킨 갈레이트, 에피갈로카테킨, 에피갈로카테킨 갈레이트(EGCG)와 같은 폴리페놀이 풍부한 것으로 알려져 있으며, 이로 인해 음료와 추출물 형태로 섭취하는 건강식품으로 인기가 높습니다. EGCG는 잘 알려진 카테킨으로, 녹차의 건조 잎(100 g당 7380 mg)과 백차의 건조 잎(100 g당 4245 mg)에 다량 함유되어 있으며, 홍차에는 이보다 적은 양(100 g당 936 mg)이 함유되어 있습니다. 홍차 제조 과정에서 카테킨은 폴리페놀 산화효소에 의해 대부분 테아플라빈과 테아루비긴으로 전환됩니다.
에피갈로카테킨 갈레이트(EGCG)의 건강상 이점
카테킨 중 에피갈로카테킨 갈레이트(EGCG)는 가장 많이 연구되었으며 가장 유망한 물질입니다. EGCG는 항암, 항산화, 항염증, 항섬유화, 콜라게나아제 억제부터 면역 체계 강화와 노화 방지에 이르기까지 다양한 유익한 효과를 나타내므로, 녹차 음료뿐 아니라 캡슐, 분말, 정제 등의 식이 보충제 형태로도 섭취됩니다.
연구에 따르면 에피갈로카테킨 갈레이트(EGCG)와 같은 카테킨은 염증을 줄일 가능성이 있으며, 심장 질환, 당뇨병, 일부 암과 같은 특정 만성 질환을 예방할 수 있습니다.
EGCG의 항암 효과
암은 흔히 생명을 위협하는 질병이므로 EGCG의 항암 특성에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 연구에 따르면 EGCG는 발암물질의 영향을 줄이거나 제거하여 종양 발생을 억제할 수 있습니다. EGCG가 IGF/IGF-1R 축을 억제하고 고인슐린혈증을 개선하며 만성 염증을 완화함으로써 디에틸니트로사민으로 유도된 비만 관련 간 종양 발생을 예방한다는 연구 결과가 있습니다. EGCG의 또 다른 항암 작용 기전은 혈관신생을 억제하여 종양 증식을 제한하는 것입니다.
EGCG의 항산화 효과
인체에서는 수많은 항산화 과정이 일어나 건강, 체력 및 안녕에 기여합니다. EGCG는 항산화 물질입니다. 항산화 물질은 자유 라디칼을 포착하고 중화하여 세포 손상을 방지할 수 있습니다. EGCG 구조의 페놀 고리는 전자를 포획하고 자유 라디칼을 제거하는 역할을 하며, 활성산소종의 생성을 억제하여 산화 스트레스로 인한 손상을 줄입니다.
EGCG의 항염증 효과
염증은 질병, 만성 스트레스 및 환경 오염으로 인해 발생할 수 있습니다. 신체는 이러한 스트레스 요인에 염증으로 반응하며, 이 반응은 염증 부위에 다수의 면역 세포가 모이고 전염증성 사이토카인과 활성산소종/활성질소종(ROS/RNS)이 방출되는 것이 특징입니다. ROS/RNS는 전사인자 NF-B 및 활성화 단백질-(AP-)1의 활성화와 관련이 있습니다. 활성화된 NF-jB와 AP-1은 세포질에서 핵으로 이동하여 다양한 염증 관련 유전자의 발현을 상향 조절하고, 이는 이후 과도한 염증 반응과 조직 손상을 유발합니다.
EGCG는 NF-B와 AP-1의 전달을 억제하며, 주로 일산화질소, 과산화아질산염 및 기타 ROS/RNS를 제거함으로써 iNOS와 COX-2의 발현이 하향 조절되고 염증 인자의 생성이 감소합니다.
EGCG의 골형성 촉진 효과
골다공증은 골기질의 퇴행과 골밀도 감소를 특징으로 하는 심각한 질병입니다. EGCG는 골대사를 조절하는 효과를 나타냅니다. EGCG는 NF-B와 IL-1b의 생성을 차단하여 파골세포의 세포자멸사를 유도하고 파골세포 형성을 억제할 수 있습니다. 또한 무기질화된 골결절의 형성을 촉진할 수 있습니다.
[cf. Chenyu Chu; Jia Deng; Yi Man; Yili Qu (2017): Green Tea Extracts Epigallocatechin-3-gallate for Different Treatments. BioMed Research International Vol. 2017]