수율 향상을 위한 초음파 아스타잔틴 추출
- 아스타잔틴은 의약품과 영양 보충제에 사용되는 매우 강력한 항산화제입니다.
- 조류와 같은 천연 원료에서 고품질 아스타잔틴을 생산하려면 고성능 추출 기술이 필요합니다.
- 초음파 추출은 매우 짧은 추출 시간에 높은 아스타잔틴 수율을 제공하는 기계적 처리입니다.
고품질 아스타잔틴 추출물을 위한 고성능 초음파 처리기
초음파 추출은 강력한 초음파를 사용하여 미세조류, 크릴 또는 갑각류와 같은 천연 원료에서 아스타잔틴을 추출하는 고성능 추출 기술입니다. 아스타잔틴은 강력한 항산화 특성과 다양한 건강상 이점으로 알려진 천연 카로티노이드 색소입니다. 일반적으로 식이 보충제와 식용 착색제로 사용됩니다. 초음파 처리가 아스타잔틴 추출 공정을 개선하는 데 어떻게 도움이 되는지 알아보세요!
고출력 초음파를 사용하여 아스타잔틴 추출을 개선하는 MultiSonoReactor
미세조류에서 아스타잔틴의 초음파 추출
사람과 동물이 건강상 이점을 위해 섭취하는 식이 보충제용 아스타잔틴은 해산물에서 얻거나 조류인 H. pluvialis에서 추출합니다. Haematococcus pluvialis는 고염도, 질소 결핍, 고온 및 빛과 같은 스트레스 조건이 가해지면 높은 함량의 아스타잔틴을 생성하는 녹색 미세조류입니다. Haematococcus pluvialis는 조류 세포당 최대 9.2mg/g의 아스타잔틴(= H. pluvialis 건조 중량 기준 최대 3.8%)을 함유하여 매우 높은 함량의 천연 아스타잔틴을 축적하므로 아스타잔틴 생산에 선호되는 생물입니다.
녹색 미세조류에서 아스타잔틴을 방출하려면 조류 세포를 파쇄해야 합니다. 초음파 처리는 세포 파쇄, 세포 용해 및 지질, 항산화제, 폴리페놀, 천연 색소와 같은 생리활성 화합물의 분리에 널리 확립된 방법입니다. 고성능 초음파는 순수하게 기계적인 힘을 발생시키며, 이 힘은 전단력으로 세포벽을 파쇄하여 아스타잔틴과 같은 생리활성 물질의 방출을 유도합니다.
효모에서 아스타잔틴의 초음파 추출
Phaffia rhodozyma는 아스타잔틴이 풍부한 효모입니다. 그러나 주로 글루칸으로 구성되어 세포의 강성을 유지하는 P. rhodozyma의 두꺼운 세포벽 때문에 세포 파쇄와 아스타잔틴 분리는 까다로운 작업입니다. 연구자들(Gogate et al. 2015)은 젖산과 결합한 초음파 추출이 세포 파쇄를 강화하고 P. rhodozyma에서 아스타잔틴을 추출하는 공정을 더욱 친환경적으로 만든다는 사실을 발견했습니다. 이들은 파쇄 매질로 젖산을, 추출 용매로 에탄올을 사용했습니다. 3 M 젖산을 사용하고 파쇄 시간을 15 min으로 설정한 초음파 보조 추출 방식에서 최대 아스타잔틴 수율(90%)을 얻었습니다. UIP4000hd(4kW, 왼쪽 사진 참조)와 같은 강력한 초음파 추출기를 가압 가능한 유통식 반응기와 함께 사용하면 매우 강력한 캐비테이션을 발생시킬 수 있습니다. 캐비테이션에 의한 전단력은 효모 세포벽을 파쇄하고 세포 내부와 용매 사이의 물질 전달을 촉진합니다.
- 우수한 수율
- 고속 추출 – 수분 이내
- 고품질 추출물 – 온화한 비열 처리
- 친환경 용매(예: 물/에탄올)
- 뛰어난 비용 효율성
- 쉽고 안전한 작동
- 낮은 투자 비용과 운영 비용
- 고부하 조건에서 24/7 가동
- 친환경적인 방법
초음파 아스타잔틴 추출 – 배치 또는 연속 흐름 모드
아스타잔틴은 친유성 화합물로, 용매(예: 에틸아세테이트 중 48.0% 에탄올)와 오일(예: 대두유)에 용해될 수 있습니다.
배치: 초음파 추출 공정은 간단한 배치 공정으로 운전하거나, 매질을 초음파 유동식 반응기에 연속적으로 공급하는 인라인 처리 방식으로 운전할 수 있습니다.
배치 처리는 로트별로 추출을 수행하는 간단한 절차입니다. Hielscher Ultrasonics는 소규모부터 대규모 배치, 즉 1L–120L 배치용 초음파 처리기를 제공합니다.
5–10L 배치를 처리하려면 UP400ST 에 소노트로드 S24d22L2D를 장착하여 사용하는 것을 권장합니다(왼쪽 사진 참조).
약 120L 배치를 처리하려면 초음파 처리기 UIP2000hdT 에 소노트로드 RS4d40L4를 장착하여 사용하는 것을 권장합니다.
유동식: 더 큰 부피를 처리하거나 본격적인 상업적 추출을 수행할 때는 액체를 초음파 반응기에 연속적으로 공급하며, 이 반응기에서 용매/식물 원료 슬러리에 강력한 초음파 처리를 가합니다.
약 8L/min.의 유량으로 처리하려면 UIP4000hdT 에 소노트로드 RS4d40L3와 가압 가능한 플로우 셀 FC130L4-3G0를 장착하여 사용하는 것을 권장합니다
UIP2000hdT (2kW) – 대규모 배치 추출용
추출용 고성능 초음파 처리기
Hielscher Ultrasonics는 식물, 효모 및 세포에서 고품질 추출물을 생산하기 위한 고성능 초음파 처리기 제조를 전문으로 합니다. Hielscher Ultrasonics의 폭넓은 제품군은 작지만 강력한 실험실용 초음파 처리기부터 견고한 벤치탑 장비와 완전한 산업용 시스템까지 아우르며, 아스타잔틴, 퀘르세틴, 카페인, 커큐민, 테르펜 등의 생리활성 성분을 효율적으로 추출하고 분리하기 위한 고강도 초음파를 제공합니다. 200W–16,000W의 모든 디지털 초음파 처리기는 설정을 프로그래밍할 수 있는 직관적인 메뉴, 편리한 조작을 위한 컬러 터치 디스플레이, 자동 데이터 기록용 내장 SD 카드, 브라우저 원격 제어를 비롯한 다양한 사용자 친화적 기능을 갖추고 있습니다. 소노트로드와 플로우 셀(매질과 접촉하는 부품)은 고압증기멸균이 가능하며 세척하기 쉽습니다. 당사의 모든 초음파 처리기는 24/7 운전이 가능하도록 제작되었으며, 유지보수가 적게 필요하고 쉽고 안전하게 조작할 수 있습니다.
디지털 컬러 디스플레이를 통해 초음파 장비를 사용자 친화적으로 제어할 수 있습니다. 당사의 시스템은 낮은 진폭부터 매우 높은 진폭까지 제공할 수 있습니다. 아스타잔틴과 같은 화합물을 추출할 수 있도록, 고품질 활성 물질을 섬세하게 분리하는 데 최적화된 특수 초음파 소노트로드(초음파 프로브 또는 혼이라고도 함)를 제공합니다. Hielscher는 높은 진폭용 특수 소노트로드와 가압 가능한 플로우 셀을 결합하여 제공합니다. 이 조합은 극도로 강한 캐비테이션 전단력을 발생시켜 매우 견고한 효모 세포까지도 파쇄할 수 있습니다. Hielscher 초음파 장비는 견고하여 고부하 및 까다로운 환경에서도 24/7 운전할 수 있습니다.
초음파 공정 매개변수를 정밀하게 제어하여 재현성과 공정 표준화를 보장합니다. Hielscher의 산업 규모 자동화 초음파 추출 시스템은 우수한 품질의 추출물을 높은 생산 용량으로 생산하는 동시에 노동력, 비용 및 에너지를 줄이도록 설계되었습니다.
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문헌/참고문헌
- B. Brands and M. Kleinke (2022): Astaxanthin production in Xanthophyllomyces dendrorhous grown in medium containing watery extracts from vegetable residue streams. IOP Conference Series: Earth Environ. Sci. 1034, 2022.
- Chougle, J.A.; Singha, R.S.; Baik, O.-D.(2014): Recovery of Astaxanthin from Paracoccus NBRC 101723 using Ultrasound-Assisted Three Phase Partitioning (UA-TPP). Separation Science and Technology, 49, 2014.
- Gogate et al. (2015): Ultrasound-assisted Intensification of Extraction of Astaxanthin from Phaffia rhodozyma. Indian Chemical Engineer 2015, 57:3-4, 240-255.
- Zou et al. (2013): Response Surface Methodology for Ultrasound-Assisted Extraction of Astaxanthin from Haematococcus pluvialis. Marine Drugs 2013, 11, 1644-1655.
- Farid Chemat, Natacha Rombaut, Anne-Gaëlle Sicaire, Alice Meullemiestre, Anne-Sylvie Fabiano-Tixier, Maryline Abert-Vian (2017): Ultrasound assisted extraction of food and natural products. Mechanisms, techniques, combinations, protocols and applications. A review. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 34, 2017. 540-560.
알아두면 좋은 정보
초음파 추출
초음파 추출은 음향 캐비테이션 원리에 기반합니다.
액체 시스템에 강력한 초음파를 가하면 음향 캐비테이션이 발생합니다. 이는 진공 기포가 생성되고 성장한 후 최종적으로 붕괴하는 현상입니다(아래 사진 참조). 초음파가 전파되는 동안 진공 기포는 더 이상 에너지를 흡수할 수 없는 지점에 이를 때까지 진동하며 성장합니다. 기포는 최대 크기에 도달하면 격렬하게 붕괴하며, 이로 인해 국소적으로 열적, 기계적 및 화학적 효과가 발생합니다. 기계적 효과에는 최대 1000atm의 높은 압력, 난류 및 강력한 전단력이 포함됩니다. 이러한 힘은 세포벽을 파쇄하고 세포 내부와 용매 사이의 물질 전달을 촉진하여 생리활성 화합물을 주변 액체(즉, 용매)로 방출합니다.
고강도 저주파 초음파에 의해 발생하는 음향 캐비테이션은 강력한 전단력과 국소적인 고압 및 온도 차이를 만들어 세포 파쇄, 강력한 혼합 및 물질 전달에 필요한 작용을 제공합니다. 이러한 초음파 전단력은 대마 추출에 성공적으로 적용되고 있습니다.
식물과 세포 조직에서 화합물을 추출하는 초음파 추출법은 충분히 연구되어 왔습니다. 매우 강한 초음파를 적용하면 추출 공정이 크게 촉진됩니다. 수율을 높이고 추출 시간을 단축하는 공정 강화 효과 외에도, 초음파 처리는 비열 처리이므로 온도에 민감한 성분의 열분해와 손실을 방지합니다. 또한 초음파 추출은 투자비와 운영비가 낮고, 용매 사용량을 줄이거나 더 친환경적인 용매를 사용할 수 있게 하므로 경제적이고 환경친화적인 추출 기술입니다. 기존 추출법보다 성능이 뛰어난 초음파 보조 추출 (UAE) 기술은 경제적 이익을 얻으면서 생리활성 화합물을 생산하기 위해 식품 산업에서 도입되었습니다.
강력한 초음파는 생물학적 구조의 세포 기질을 파쇄하고 생리활성 화합물을 방출합니다. 식물 원료와 용매 사이의 물질 전달이 강화됩니다. 이러한 메커니즘 덕분에 초음파 추출은 대마 추출에 매우 효율적입니다.
아스타잔틴
아스타잔틴은 짙은 붉은색이 특징입니다. 조류(예: Haematococcus pluvialis, Chlorella zofingiensis, Chlorococcum), 효모(예: Phaffia rhodozyma), 연어, 송어, 크릴, 새우 및 가재에서 발견되는 지용성 색소입니다. 아스타잔틴은 항산화력이 베타카로틴, 루테인, 제아잔틴 등 다른 여러 카로티노이드보다 열 배에서 스무 배 더 강하고, 알파토코페롤(비타민 E)보다 백 배 더 강하기 때문에 초강력 항산화제로 여겨집니다.
아스타잔틴(3,3′-dihydroxy-β, β′-carotene-4,4′-dione)은 케토카로티노이드이며, 테트라테르페노이드로서 테르펜으로 알려진 더 큰 화합물 부류에 속합니다. 이들은 탄소 다섯 개로 이루어진 전구체인 아이소펜테닐 이인산과 다이메틸알릴 이인산으로 구성됩니다. 아스타잔틴은 제아잔틴 및 칸타잔틴과 같이 산소를 포함하는 구성 요소, 즉 하이드록실기(-OH) 또는 케톤기(C=O)를 가진 카로티노이드 화합물의 일종으로 분류됩니다. 아스타잔틴은 제아잔틴 및/또는 칸타잔틴의 대사산물로, 하이드록실기와 케톤기를 모두 포함합니다. 많은 카로티노이드와 마찬가지로 아스타잔틴은 지용성 색소이며 붉은색이 특징입니다. 아스타잔틴을 포함한 카로티노이드는 항산화 능력으로 잘 알려져 있습니다.
아스타잔틴은 붉은색 색소로, 빗물에 서식하는 미세조류(Haematococcus pluvialis)와 Xanthophyllomyces dendrorhous라는 효모(Phaffia rhodozyma라고도 함)에서 자연적으로 생성됩니다. 이 조류는 영양분 부족, 염도 증가, 과도한 햇빛 등의 조건 중 하나 또는 여러 조건의 조합으로 스트레스를 받아 아스타잔틴을 생성합니다. 연어, 붉은 송어, 참돔, 홍학, 갑각류(예: 새우, 크릴, 게, 바닷가재, 가재)처럼 이러한 스트레스를 받은 담수 미세조류를 섭취하는 종은 외관에 붉은 주황색 계열의 색소 침착이 나타납니다.
보충제로서 아스타잔틴은 건강 증진 및 질병 치료 효과를 위해 투여됩니다. 아스타잔틴은 피부 건강 개선(예: 주름 및 일광 화상으로 인한 손상 감소 등)을 위해 투여되는 확립된 기능성 영양 성분입니다.
또한 아스타잔틴은 알츠하이머병, 파킨슨병, 심혈관 질환, 고콜레스테롤혈증, 간 질환, 연령 관련 황반변성의 치료 및 암 예방을 위한 용도로 점점 더 주목받고 있습니다.
Hielscher Ultrasonics는 고성능 초음파 균질기를 실험실 규모부터 산업 규모까지 제조합니다.