초음파 안토시아닌 추출

안토시아닌은 식품에서 천연 착색제와 영양 첨가제로 널리 사용됩니다. 초음파 추출은 고품질 안토시아닌을 얻기 위한 매우 효율적이고 간단한 기술입니다. 프로브형 초음파 처리기를 사용하면 식물에서 고품질 안토시아닌의 방출이 촉진되어 수율이 높아지고 공정이 빨라집니다. 또한 초음파 처리는 식품 및 의약품 등급 안토시아닌의 산업적 생산을 위한 온화하고 친환경적이며 효율적인 기술입니다.

안토시아닌 – 초음파 처리기를 사용하여 고품질 안토시아닌을 추출하는 방법

안토시아닌은 식품 산업에서 천연 착색제로 널리 사용됩니다. 분자 구조와 pH 값에 따라 주황색에서 빨간색을 거쳐 보라색과 파란색에 이르기까지 폭넓은 색조를 나타냅니다. 안토시아닌에 대한 관심은 착색 효과뿐 아니라 건강에 유익한 특성에서도 비롯됩니다. 합성 색소에 대한 환경 및 건강상의 우려가 커짐에 따라 천연 색소는 식품 및 의약품 산업에서 환경친화적인 착색제로 사용할 수 있는 훌륭한 대안입니다.

초음파로 개선된 안토시아닌 추출

초음파로 안토시아닌을 추출하는 방법 – 사례 연구

자색미 Oryza Sativa L.에서 초음파를 이용한 안토시아닌 추출

Oryza Sativa 계통의 자색미(Violet Nori 또는 보랏빛 쌀이라고도 함)에는 플라보노이드 계열에 속하는 안토시아닌과 같은 페놀성 화합물이 매우 풍부합니다. Turrini et al. (2018)은 초음파 추출을 사용하여 자색미의 영과(통곡, 현미 및 파보일링 처리 형태)와 잎에서 안토시아닌 및 항산화 물질과 같은 폴리페놀성 화합물을 분리했습니다. 초음파 추출에는 Hielscher UP200St (200W, 26kHz, 왼쪽 사진)를 사용했으며, 용매로는 60% 에탄올을 사용했습니다.
안토시아닌의 온전성을 보존하기 위해 초음파 추출물을 −20°C에서 보관했으며, 이를 통해 최소한 최대 석 달까지 보관할 수 있었습니다.
Turrini et al.의 연구에서 조사한 ‘Violet Nori’, ‘Artemide’ 및 ‘Nerone’ 품종에서는 시아니딘-3 글루코사이드(크리산테민이라고도 함)가 검출된 안토시아닌 중 단연 가장 많았으며, 페오니딘-3-글루코사이드와 시아니딘-3-루티노사이드(안티리닌이라고도 함)는 더 적은 양으로 발견되었습니다.
Oryza Sativa의 보라색 잎은 안토시아닌과 총 페놀 함량(TPC) 측면에서 훌륭한 공급원입니다. 쌀과 쌀가루보다 그 함량이 약 2–3배 높은 Oryza 잎은 안토시아닌 추출을 위한 저렴한 원료입니다. 생잎에서 추정되는 안토시아닌 수율은 약 4 kg/t로, 쌀에서의 안토시아닌 수율인 1 kg/t보다 현저히 높습니다. 쌀의 수율은 ‘Violet Nori’ 쌀에서 검출된 평균 안토시아닌 함량(시아니딘-3-글루코사이드 기준 쌀 1300 µg/g)을 바탕으로, 벼 100 kg에서 쌀 약 68 kg을 얻는 수율을 적용하여 계산한 값입니다.

적양배추에서 초음파를 이용한 안토시아닌 추출

Ravanfar et al. (2015)은 적양배추에서 안토시아닌을 초음파로 추출하는 효율을 조사했습니다. 초음파 추출 실험에는 초음파 시스템 UP100H (Hielscher Ultrasonics, 30 kHz, 100 W)를 사용했습니다. 소노트로드 MS10(팁 직경 10mm)을 온도가 제어되는 재킷형 유리 비커의 중앙에 삽입했습니다.

이 실험에는 갓 절단한 크기 5mm의 적양배추 조각(정육면체 모양)을 사용했으며, 수분 함량은 92.11 ± 0.45 %였습니다. 재킷형 유리 비커(부피: 200ml)에 증류수 100ml와 적양배추 조각 2g을 넣었습니다. 공정 중 증발로 인한 용매(물)의 손실을 방지하기 위해 비커를 알루미늄 포일로 덮었습니다. 모든 실험에서 항온 조절기를 사용하여 비커 내부의 온도를 유지했습니다. 마지막으로 시료를 수집하고 여과한 후 4000rpm에서 원심분리했으며, 상등액을 사용하여 안토시아닌 수율을 측정했습니다. 대조 실험으로 수조에서 추출을 수행했습니다.
적양배추에서 안토시아닌의 최적 수율을 얻는 조건은 출력 100 W, 시간 30 min, 온도 15°C로 확인되었으며, 이 조건에서 안토시아닌 수율은 약 21 mg/L였습니다.
적양배추 색소는 pH 값에 따라 색이 변하고 착색력이 강하기 때문에 의약품 제제에서는 pH 지시약으로, 식품에서는 항산화제 및 착색제로 사용되어 왔습니다.

초음파는 식물 원료에서 안토시아닌의 추출을 크게 강화합니다.
출처: Ravanfar et al. 2015

 
다른 연구에서도 블루베리, 블랙베리, 포도, 체리, 딸기, 자색 고구마 등에서 안토시아닌을 초음파로 성공적으로 추출한 결과가 보고되었습니다.

고성능 초음파 추출기

Hielscher Ultrasonics는 식물에서 고품질 추출물을 생산하기 위한 고성능 초음파 프로세서 제조를 전문으로 합니다.
Hielscher의 폭넓은 초음파 처리기 제품군은 작고 강력한 실험실용 초음파 장치부터 견고한 벤치탑 시스템과 완전한 산업용 시스템에 이르기까지 다양하며, 생리활성 물질(예: 안토시아닌, 진저롤, 피페린, 커큐민 등)의 효율적인 추출 및 분리를 위해 고강도 초음파를 제공합니다.
모든 초음파 장치는 200W부터 16,000W까지 디지털 제어용 컬러 터치 디스플레이, 자동 데이터 기록용 내장 SD 카드, 브라우저 원격 제어 및 그 밖의 다양한 사용자 친화적 기능을 갖추고 있습니다. 소노트로드와 플로우 셀(매질과 접촉하는 부품)은 고압증기멸균이 가능하며 세척이 쉽습니다.
Hielscher 초음파 처리기는 매우 견고하며 최대 부하에서 24/7 운전하도록 제작되었고, 유지보수 요구가 적으며 쉽고 안전하게 작동할 수 있습니다. 디지털 컬러 디스플레이를 통해 초음파 장치를 편리하게 제어할 수 있습니다.
당사 시스템은 낮은 진폭부터 매우 높은 진폭까지 제공할 수 있습니다. 칸나비노이드와 테르펜 추출을 위해 고품질 활성 물질의 섬세한 분리에 최적화된 특수 초음파 소노트로드(초음파 프로브 또는 혼이라고도 함)를 제공합니다. 당사의 모든 시스템은 칸나비노이드 추출과 후속 유화에 사용할 수 있습니다. Hielscher 초음파 처리기의 견고성 덕분에 고부하 및 까다로운 환경에서도 연속 운전(24/7)이 가능합니다.

초음파 공정 매개변수를 정밀하게 제어하여 재현성과 공정 표준화를 보장합니다.
 

아래 표는 당사 초음파 장치의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다.

문헌 / 참고 자료

• Chemat, Farid; Rombaut, Natacha; Sicaire, Anne-Gaëlle; Meullemiestre, Alice; Fabiano-Tixier, Anne-Sylvie; Abert-Vian, Maryline (2017): Ultrasound assisted extraction of food and natural products. Mechanisms, techniques, combinations, protocols and applications. A review. Ultrasonics Sonochemistry 34 (2017) 540–560.
• Ravanfar, Raheleh; Tamadon, Ali Mohammad, Niakousari, Mehrdad (2015): Optimization of ultrasound assisted extraction of anthocyanins from red cabbage using Taguchi design method. J Food Sci Technol. 2015 Dec; 52(12): 8140–8147.
• Turrini, Federica; Boggia, Raffaella; Leardi, Riccardo; Borriello, Matilde; Zunin, Paola (2018): Optimization of the Ultrasonic-Assisted Extraction of Phenolic Compounds from Oryza Sativa L. ‘Violet Nori’ and Determination of the Antioxidant Properties of its Caryopses and Leaves. Molecules 2018, 23, 844.

알아두면 유용한 정보

초음파 보조 추출은 어떻게 작동하나요?

액체 매질에 강한 초음파를 가하면 캐비테이션이 발생합니다. 이러한 현상인 캐비테이션은 매질 내에서 국소적으로 극한의 온도와 압력, 가열/냉각 속도, 압력 차이 및 높은 전단력을 발생시킵니다. 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 매질 내 캐비테이션 기포의 내파는 거시적 난류와 미세 혼합을 발생시킵니다.
식물 재료에 초음파를 조사하면 식물 세포의 기질이 파쇄되고 수화가 촉진됩니다. Chemat et al (2015)은 식물에서 생리활성 화합물을 초음파로 추출하는 과정이 단편화, 침식, 모세관 작용, 조직 구조 해체 및 초음파 천공을 비롯한 다양한 기전이 독립적으로 또는 복합적으로 작용한 결과라고 결론짓습니다. 이러한 효과는 세포벽을 파괴하고, 용매를 세포 안으로 밀어 넣고 식물 화합물이 함유된 용매를 밖으로 빨아내어 물질 전달을 개선하며, 미세 혼합을 통해 액체의 움직임을 보장합니다.

초음파 추출은 음향 캐비테이션과 그에 따른 유체역학적 전단력을 기반으로 합니다

식물 재료에 초음파를 조사하면 식물 세포의 기질이 파쇄되고 수화가 촉진됩니다. Chemat et al. (2015)은 식물에서 생리활성 화합물을 초음파로 추출하는 과정이 단편화, 침식, 모세관 작용, 조직 구조 해체 및 초음파 천공을 비롯한 다양한 기전이 독립적으로 또는 복합적으로 작용한 결과라고 결론짓습니다. 이러한 효과는 세포벽을 파괴하고, 용매를 세포 안으로 밀어 넣고 식물 화합물이 함유된 용매를 밖으로 빨아내어 물질 전달을 개선하며, 미세 혼합을 통해 액체의 움직임을 보장합니다.
초음파 추출은 화합물을 매우 빠르게 분리합니다 – 공정 시간이 더 짧고, 수율이 더 높으며, 더 낮은 온도에서 수행되어 기존 추출 방법보다 우수합니다. 초음파 보조 추출은 온화한 기계적 처리로서 생리활성 성분의 열분해를 방지하며, 열에 민감한 분자를 파괴하는 것으로 알려진 기존 용매 추출, 물 증류 또는 속슬렛 추출과 같은 다른 기법과 비교하여 우수합니다. 이러한 장점 덕분에 초음파 추출은 식물에서 온도에 민감한 생리활성 화합물을 방출시키는 데 선호되는 기법입니다.

식물 세포에서의 초음파 추출: 현미경 횡단면(TS)은 세포에서 초음파 추출이 진행되는 동안의 작용 기전을 보여줍니다(배율 2000x) [출처: Vilkhu et al. 2011]

안토시아닌 – 가치 있는 식물 색소

안토시아닌은 액포에 존재하는 식물 색소로, 빨간색, 보라색, 파란색 또는 검은색을 띨 수 있습니다. 수용성 안토시아닌 색소의 발색은 pH 값에 따라 달라집니다. 안토시아닌은 세포의 액포에 존재하며, 주로 꽃과 열매에서 발견되지만 잎, 줄기 및 뿌리에서도 발견됩니다. 이들 부위에서는 주로 표피와 주변부 엽육 세포 같은 바깥쪽 세포층에 존재합니다.
자연계에서 가장 흔하게 나타나는 것은 시아니딘, 델피니딘, 말비딘, 펠라르고니딘, 페오니딘 및 페투니딘의 배당체입니다.
안토시아닌이 풍부한 식물의 대표적인 예로는 블루베리, 크랜베리, 빌베리 같은 산앵도나무속 식물, 블랙 라즈베리, 레드 라즈베리, 블랙베리를 포함한 산딸기속 열매, 그리고 블랙커런트, 체리, 가지, 흑미, 우베, 오키나와 고구마, 콩코드 포도, 머스캐딘 포도, 적양배추 및 제비꽃 꽃잎이 있습니다. 과육이 붉은 복숭아와 사과에는 안토시아닌이 함유되어 있습니다. 바나나, 아스파라거스, 완두콩, 회향, 배 및 감자에는 안토시아닌이 더 적게 함유되어 있으며, 녹색 구스베리의 특정 품종에는 전혀 없을 수도 있습니다.

주요 안토시아닌의 구조

안토시아닌은 식품의 합성 착색제를 대체할 수 있는 훌륭한 대안입니다. 안토시아닌은 유럽연합, 호주 및 뉴질랜드에서 식품 착색제로 사용이 승인되어 있으며, 착색제 코드는 E163입니다. 안토시아닌은 과일과 채소에 함유되어 있으며 수용성 식물 색소의 한 종류로 설명할 수 있습니다. 화학적으로 안토시아닌은 2-phenylbenzophyrylium(플라빌륨) 구조를 기반으로 하는 안토시아니딘의 배당체입니다. 안토시아닌 범주에 속하는 서로 다른 식물화학물질은 200종이 넘습니다. 안토시아닌은 야생 과일과 베리류의 주요 색소로, 다양한 원료에서 추출할 수 있습니다. 대표적인 안토시아닌 공급원은 포도 껍질입니다. 포도 껍질의 안토시아닌 색소는 주로 페오니딘, 말비딘, 시아니딘, 페투니딘 및 델피니딘의 이중 글루코시드, 단일 글루코시드, 아실화 단일 글루코시드 및 아실화 이중 글루코시드로 구성됩니다. 포도의 안토시아닌 함량은 30–750mg/100g 범위입니다.
가장 대표적인 안토시아닌은 시아니딘, 델피니딘, 펠라르고니딘, 페오니딘, 말비딘 및 페투니딘입니다.
예를 들어 자색고구마에는 안토시아닌인 페오니딘-3-카페오일-p-하이드록시벤조일 소포로시드-5-글루코시드, 페오니딘-3-(6″-카페오일-6‴-페룰로일 소포로시드)-5-글루코시드 및 시아니딘-3-카페오일-p-하이드록시벤조일 소포로시드-5-글루코시드가 함유되어 있습니다.

안토시아닌 – 건강상 이점

안토시아닌은 천연 식품 착색제로서 뛰어난 기능을 할 뿐만 아니라 항산화 효과로도 높은 평가를 받습니다. 따라서 안토시아닌은 건강에 여러 가지 긍정적인 효과를 나타냅니다. 연구에 따르면 안토시아닌은 암세포의 DNA 손상을 억제하고, 소화 효소를 억제하며, 분리된 췌장 세포에서 인슐린 생성을 유도하고, 염증 반응을 줄이며, 노화에 따른 뇌 기능 저하를 방지하고, 모세혈관의 치밀성을 높이며, 혈소판 응집을 예방할 수 있습니다.