영양 보충제용 조류의 초음파 추출

초음파 추출은 조류 세포를 효과적이고 신속하게 파쇄하는 데 탁월한 방법입니다. 초음파 처리는 생리활성 화합물의 전량을 방출할 수 있어 효율이 매우 높은 기술입니다.

초음파를 이용하여 조류에서 단백질, 지질 및 페놀성 화합물을 추출하는 방법

조류와 미세조류 종에는 단백질, 지질, 카로티노이드, 색소(예: 피코시아닌, 아스타잔틴 등), 페놀성 화합물 및 다당류(예: 카라기난)와 같은 생리활성 화합물이 풍부합니다. 이러한 특성으로 인해 식품 및 식이 보충제용 추출물을 생산하는 천연 원료로 널리 사용됩니다. 영양 보충제에 흔히 사용되는 조류 종으로는 Arthrospira maxima(스피룰리나라고도 함), Chlorella vulgaris, Haematococcus pluvialis 및 Ulva spp.가 있습니다. 조류는 고품질 단백질, 지질, 장쇄 다중불포화지방산(PUFA, 즉 오메가-3), 다당류(예: 알긴산염, 카라기난, β-글루칸), 비타민 및 항산화제의 좋은 공급원으로 알려져 있습니다.
스피룰리나는 흔히 사용되는 조류의 일종으로, 단백질(건조 중량의 50–70%)과 같은 고부가가치 생리활성 화합물이 풍부합니다. 스피룰리나는 FDA(미국 식품의약국)에서 GRAS(일반적으로 안전하다고 인정됨)로 승인되었으므로, 스피룰리나와 스피룰리나 추출물은 상용 식품 또는 식품 보충제로 사용할 수 있습니다.

조류 초음파 추출의 장점

초음파 추출은 높은 수율, 신뢰성, 안전성, 간편성 및 친환경성 등 여러 측면에서 다른 추출 방법보다 우수합니다.

전량 추출 수율

고성능 초음파 처리기는 조류 세포를 터뜨리고 파쇄하여 세포 내 물질을 방출합니다. 이를 통해 초음파 추출은 피코빌리단백질, 카로티노이드, 지질 및 페놀성 화합물과 같은 생리활성 화합물의 전체 범위를 방출합니다.
피코빌리단백질은 클로로피코시아닌, 알로피코시아닌 및 피코에리트린이라는 세 가지 주요 그룹으로 구분할 수 있습니다. C-피코시아닌은 식품과 의약품에 널리 사용되는 천연 청색 색소입니다. 초음파 추출은 전체 범위의 단백질을 방출합니다.

높은 추출 효율

Duangsee et al. (2009)은 Arthospira 바이오매스에서 생리활성 화합물을 추출하는 두 가지 방법(초음파 보조 용매 추출과 반복적인 동결 및 해동을 통한 추출)을 시험했으며, 초음파 용매 추출의 추출 효율(22.1%)이 동결 및 해동의 추출 효율(15.6%)보다 높다는 사실을 확인했습니다. 초음파 처리와 반복적인 동결 및 해동에 의한 세포 파열을 비교한 결과, 초음파 처리가 더 효과적인 것으로 나타났습니다. 초음파 캐비테이션은 조류 세포를 신속하고 효과적으로 파쇄하므로, 반복적인 동결 및 해동으로 처리한 스피룰리나 세포에 비해 세포 파쇄 정도가 더 높습니다.
초음파 처리는 반복적인 동결 및 해동보다 세포 외피를 파괴하는 데 더 효과적이었습니다. 피코시아닌 추출 수율을 통해 처리 온도가 추출 효율에 영향을 미친다는 사실이 나타났습니다.

신속한 추출 공정

고성능 초음파 시스템은 높은 진폭을 통해 높은 초음파 출력을 조류 현탁액에 가할 수 있습니다. 따라서 초음파 추출은 처리 속도가 매우 빠른 방법입니다.

온도 제어

초음파 처리는 비열적이며 순수하게 기계적인 추출 기술입니다. 디지털 Hielscher 초음파 처리기에 유선으로 연결되는 탈착식 온도 센서를 사용하여 추출 온도를 정밀하게 제어할 수 있습니다. Hielscher 디지털 초음파 처리기의 소프트웨어에서는 온도 한계를 설정할 수 있으므로, 온도가 이 한계에 도달하면 초음파 균질기가 일시 정지합니다. 정밀한 온도 제어를 통해 피코빌리단백질, 비타민, 폴리페놀, 다당류, 지질 및 기타 생리활성 화합물과 같은 열에 민감한 물질의 열분해를 방지할 수 있습니다.

다양한 용매와의 호환성

초음파 처리는 거의 모든 용매와 호환됩니다. 물이나 에탄올과 같은 친환경 용매와 초음파 추출을 결합하면 깨끗한 추출물을 얻을 수 있습니다. 추출 용매인 에탄올과 물은 GRAS(일반적으로 안전하다고 인정됨) 지위를 갖고 있으므로, 이러한 초음파 추출물을 식품에 안전하게 첨가할 수 있습니다.

재현성과 공정 표준화

Hielscher의 디지털 초음파 처리기에는 지능형 소프트웨어와 이상적인 추출 매개변수를 위한 정교하고 다양한 설정 기능이 탑재되어 있습니다. 소프트웨어는 모든 초음파 공정 매개변수(예: 진폭, 순출력, 총출력, 온도, 압력, 시간, 날짜)를 기록하고 초음파 처리 데이터를 내장 SD 카드의 CSV 파일에 저장합니다. 이를 통해 추출 공정을 표준화하고 초음파 처리와 산출물의 품질을 면밀히 모니터링할 수 있습니다. 이러한 기능은 공정 표준화 요건과 우수 제조 관리 기준(GMP)을 충족하는 데 도움이 되며, 이 두 가지는 보충제, 식품 또는 의약품용 추출물을 생산할 때 매우 중요합니다.

초음파 피코시아닌 추출 프로토콜

Mazumder et al. (2017)은 Arthospira platensis에서 피코시아닌과 페놀성 화합물을 초음파로 추출하기 위한 최적의 공정 매개변수를 조사했습니다. 에탄올 농도 40%, 추출 온도 34.9°C에서 초음파 처리기 UP50H(50와트, 30kHz)를 사용하여 진폭 95%로 104.7 sec 동안 추출했을 때 피코시아닌(29.9 mg/g)과 총 페놀성 화합물(2.4 mg/g)의 최대 수율을 얻었습니다.

Vernès et al. (2019)은 스피룰리나에서 단백질을 추출하기 위해 UIP1000hdT(1000W, 20kHz) 초음파 처리기를 사용했습니다. 이 초음파 처리기에는 BS2d34 소노트로드와 초음파 유동 반응기가 장착되어 있었습니다(플로우 셀과 Seepex 펌프를 갖춘 초음파 추출 장치의 정확한 구성은 아래 사진 참조).

UIP1000hdT – 압력·열·초음파 처리(MTS) 장치 구성 및 실험실 규모에서 수행한 당사의 스피룰리나 단백질 추출
출처: Vernes et al. 2019

연구 결과에 따르면 단백질 수율에 맞춰 최적화된 초음파 추출 조건에는 약간 높인 온도와 압력이 포함됩니다(이른바 압력·열·초음파 처리 MTS). MTS는 물질 전달을 촉진하며, 초음파를 사용하지 않는 기존 공정(건조 중량 기준 8.63 ± 1.15 g/100 g)보다 229% 더 많은 단백질(건조 중량 기준 28.42 ± 1.15 g/100 g)을 얻을 수 있게 합니다.
연속 초음파 처리 공정에서 건조 스피룰리나 바이오매스 100 g당 단백질 28.42 g을 추출물로 얻었으며, 단 6분 만에 단백질 회수율 50%를 달성했습니다. 현미경 영상은 음향 캐비테이션이 단편화, 초음파 천공, 조직 구조 파괴와 같은 다양한 메커니즘을 통해 스피룰리나 사상체에 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 이러한 다양한 효과는 스피룰리나 생리활성 화합물의 추출, 방출 및 가용화를 더 쉽고 효과적으로 만들어 고품질 단백질을 높은 수율로 얻을 수 있게 합니다.
초음파로 추출한 단백질의 품질과 관련하여, 아미노산은 초음파 처리로 분해되지 않았으며 기존 추출과 비교했을 때 초음파 처리 시 더 많은 양이 존재했습니다.
압력·열·초음파 처리와 압력 및 온도를 높이지 않은 초음파 추출을 비교하면 추출 수율과 효율의 차이는 극히 작습니다. 따라서 초음파만을 사용하는 것이 스피룰리나 단백질이 풍부한 고품질 추출물을 생산하는 가장 경제적이고 가장 간편한 기술로 여겨집니다. 초음파 추출은 실험실 규모의 스피룰리나 단백질 추출에 적합한 친환경 추출 기술이며, 파일럿 및 산업 규모로 쉽게 확장할 수 있습니다. (Vernès et al. 2019 참조)

고성능 초음파 추출기

소규모에서 얻은 모든 추출 결과는 더 큰 생산 용량으로 선형적으로 확장할 수 있습니다. 실험실용부터 산업용 추출 시스템까지 아우르는 Hielscher Ultrasonics의 폭넓은 제품군에는 계획하신 공정 용량에 가장 적합한 초음파 처리기가 있습니다. 오랜 경험을 갖춘 당사 직원들이 타당성 시험과 공정 최적화부터 최종 생산 규모의 초음파 시스템 설치까지 지원해 드립니다.

Hielscher Ultrasonics – 정교한 추출 장비

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다음과 같은 다양한 액세서리 중에서 선택하세요:

• 다양한 크기, 직경 및 형태의 소노트로드
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• 진폭 증폭비를 높이거나 낮추기 위한 다양한 부스터 혼
• 초음파 추출기, 탱크, 교반기 및 펌프를 포함하는 SonoStation과 같은 완비된 초음파 처리 시스템
• 플러그형 온도 센서
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