조류 세포 파쇄와 추출을 개선하는 초음파 처리

대형조류와 미세조류를 포함한 조류에는 영양 식품, 식품 첨가물, 연료 또는 연료 원료로 사용되는 유용한 화합물이 많이 함유되어 있습니다. 조류 세포에서 표적 물질을 방출하려면 강력하고 효율적인 세포 파쇄 기술이 필요합니다. 초음파 추출기는 식물, 조류 및 균류에서 생리활성 화합물을 추출하는 데 매우 효율적이고 신뢰성이 높습니다. 실험실 규모, 탁상형 및 산업 규모로 제공되는 Hielscher 초음파 추출기는 식품, 의약품 및 바이오연료 생산 분야에서 세포 유래 추출물을 생산하는 데 확립된 장비입니다.

영양과 연료를 위한 귀중한 자원인 조류

조류 세포는 단백질, 탄수화물, 지질 및 기타 생리활성 물질과 알케인 등 생리활성을 지니고 에너지가 풍부한 화합물의 다용도 공급원입니다. 따라서 조류는 식품과 영양 성분뿐 아니라 연료의 공급원이기도 합니다.
미세조류는 영양 공급과 바이오연료(예: 바이오디젤)의 원료로 사용되는 지질의 귀중한 공급원입니다. Dicrateria rotunda와 같은 해양 식물플랑크톤 Dicrateria의 균주는 휘발유를 생산하는 조류로 알려져 있으며, C₁₀H₂₂ –C₃₈H₇₈까지의 일련의 포화 탄화수소(n‐알케인)를 합성할 수 있습니다. 이 탄화수소는 휘발유(C10–C15), 디젤유(C16–C20) 및 연료유(C21–C38)로 분류됩니다.
조류는 영양적 가치로 인해 “기능성 식품” 또는 “뉴트라슈티컬”로 사용됩니다. 조류에서 추출되는 중요한 미량영양소로는 카로티노이드인 아스타잔틴, 푸코잔틴 및 제아잔틴과 푸코이단, 라미나리 및 기타 글루칸이 있으며, 이들은 수많은 다른 생리활성 물질과 함께 영양 보충제와 의약품으로 사용됩니다. 카라기난, 알지네이트 및 기타 하이드로콜로이드는 식품 첨가물로 사용됩니다. 조류 지질은 비건 오메가-3 공급원으로 사용되며, 연료나 바이오디젤 생산 원료로도 사용됩니다.

고출력 초음파를 이용한 조류 세포 파쇄 및 추출

초음파 추출기 또는 간단히 초음파 처리기라고 부르는 장비는 실험실의 소량 시료에서 유용한 화합물을 추출하는 데 사용될 뿐 아니라 대규모 상업 생산에도 사용됩니다.
조류 세포는 지질, 셀룰로오스, 단백질, 당단백질 및 다당류로 구성된 복잡한 세포벽 기질로 보호됩니다. 대부분의 조류 세포벽은 겔 형태의 단백질 기질 내부에 있는 미세섬유 망상구조를 기본 구조로 합니다. 그러나 일부 미세조류에는 오팔질 실리카 각피 또는 탄산칼슘으로 구성된 단단한 무기질 세포벽이 있습니다. 조류 바이오매스에서 생리활성 화합물을 얻으려면 효율적인 세포 파쇄 기술이 필요합니다. 조류 세포 파쇄 및 추출의 효율은 기술적 추출 요인(즉, 추출 방법과 장비) 외에도 세포벽의 조성, 미세조류 세포 내 표적 생체분자의 위치, 수확 시 미세조류의 성장 단계 등 조류 자체에 따른 다양한 요인의 영향을 크게 받습니다.

초음파를 이용한 조류 세포 파쇄 및 추출은 어떻게 이루어질까요?

고강도 초음파가 초음파 프로브(초음파 혼 또는 소노트로드라고도 함)를 통해 액체나 슬러리에 전달되면, 음파가 액체를 통과하면서 고압 / 저압 주기를 번갈아 생성합니다. 이러한 고압 / 저압 주기 동안 미세한 진공 기포나 공동이 발생합니다. 캐비테이션 기포는 저압 주기 동안 국소 압력이 특정 온도에서 액체의 인장 강도로 정해지는 값인 포화 증기압보다 충분히 낮아질 때 발생합니다. 이 기포는 여러 주기에 걸쳐 성장합니다. 이러한 진공 기포가 더 이상 에너지를 흡수할 수 없는 크기에 도달하면 고압 주기 동안 격렬하게 내파합니다. 캐비테이션 기포의 내파는 유체 내에서 강력한 충격파, 난류 및 마이크로 제트를 발생시키는 격렬하고 에너지 밀도가 높은 과정입니다. 또한 국소적으로 매우 높은 압력과 매우 높은 온도가 형성됩니다. 이러한 극한 조건은 세포벽과 세포막을 쉽게 파쇄하여 세포 내 화합물을 효과적이고 효율적이며 신속하게 방출할 수 있습니다. 따라서 고출력 초음파를 사용하면 단백질, 다당류, 지질, 비타민, 미네랄 및 항산화제와 같은 세포 내 화합물을 효과적으로 추출할 수 있습니다.

세포 파쇄 및 추출을 위한 초음파 캐비테이션

강한 초음파 에너지에 노출되면 모든 종류의 세포(식물, 포유류, 조류, 진균, 세균 등의 세포 포함)의 세포벽이나 세포막이 파쇄되고, 에너지 밀도가 높은 초음파 캐비테이션의 기계적 힘에 의해 세포가 더 작은 조각으로 찢어집니다. 세포벽이 파괴되면 단백질, 지질, 핵산, 엽록소와 같은 세포 대사산물이 세포벽 기질과 세포 내부에서 방출되어 주변 배양 배지나 용매로 이동합니다.
위에서 설명한 초음파 / 음향 캐비테이션 메커니즘은 조류 세포 전체 또는 세포 내 기체 및 액체 액포를 강하게 파쇄합니다. 초음파 캐비테이션, 진동, 난류 및 미세 유동은 세포 내부와 주변 용매 사이의 물질 전달을 촉진하여 생체분자(즉, 대사산물)가 효율적이고 신속하게 방출되도록 합니다. 이는 초음파 처리가 강한 화학약품, 독성 화학약품 및/또는 고가의 화학약품을 필요로 하지 않는 순수한 기계적 처리이기 때문입니다.
고강도 저주파 초음파는 높은 압력과 온도, 높은 전단력을 특징으로 하는 에너지 밀도가 극도로 높은 조건을 형성합니다. 이러한 물리적 힘은 세포 구조의 파쇄를 촉진하여 세포 내 화합물이 매질로 방출되도록 합니다. 따라서 저주파 초음파는 조류에서 생리활성 물질과 연료를 추출하는 데 널리 사용됩니다. 용매 추출, 비드 밀링 또는 고압 균질화와 같은 기존 추출 방법과 비교할 때, 초음파 추출은 초음파로 기공이 형성되고 파쇄된 세포에서 대부분의 생리활성 화합물(지질, 단백질, 다당류, 미량영양소 등)을 방출한다는 점에서 뛰어납니다. 적절한 공정 조건을 적용하면 초음파 추출은 매우 짧은 공정 시간 내에 우수한 추출 수율을 제공합니다. 예를 들어, 고성능 초음파 추출기는 적합한 용매와 함께 사용할 때 조류에서 탁월한 추출 성능을 발휘합니다. 산성 또는 알칼리성 매질에서는 조류 세포벽에 기공과 주름이 생겨 낮은 온도(60°C 미만)와 짧은 초음파 처리 시간(3시간 미만)에도 수율이 높아집니다. 온화한 온도에서 추출 시간이 짧으면 후코이단의 분해가 방지되므로 생리활성이 높은 다당류를 얻을 수 있습니다.
초음파 처리는 고분자량 후코이단을 저분자량 후코이단으로 전환하는 방법이기도 하며, 저분자량 후코이단은 분지가 제거된 구조로 인해 생리활성이 훨씬 더 높습니다. 높은 생리활성과 생체접근성을 지닌 저분자량 후코이단은 의약품 및 약물 전달 시스템에 활용할 만한 흥미로운 화합물입니다.

사례 연구: 조류 화합물의 초음파 추출

초음파 추출 효율과 초음파 추출 매개변수의 최적화는 폭넓게 연구되어 왔습니다. 아래에서는 다양한 조류 종에서 초음파 처리를 통해 얻은 추출 결과의 예를 확인할 수 있습니다.

압력·열·초음파 처리를 이용한 스피룰리나의 단백질 추출

Chemat 교수(아비뇽 대학교)의 연구팀은 건조된 Arthrospira platensis 남세균(스피룰리나라고도 함)에서 단백질(예: 피코시아닌)을 추출할 때 압력·열·초음파 복합 처리(MTS)가 미치는 영향을 조사했습니다. 압력·열·초음파 복합 처리(MTS)는 초음파 추출 공정을 강화하기 위해 높은 압력 및 온도와 초음파를 함께 적용하는 방법입니다.
“실험 결과에 따르면, MTS는 물질 전달을 촉진했으며(높은 유효 확산계수, De), 초음파를 사용하지 않는 기존 공정(8.63 ± 1.15 g/100 g DW)보다 229% 더 많은 단백질(28.42 ± 1.15 g/100 g DW)을 얻을 수 있게 했습니다. 추출물에는 건조 스피룰리나 바이오매스 100 g당 28.42 g의 단백질이 포함되었으며, 연속 MTS 공정으로 실제 처리 시간 6분 만에 단백질 회수율 50%를 달성했습니다. 현미경 관찰 결과, 음향 캐비테이션은 단편화, 초음파 천공, 조직 구조 해체 등 서로 다른 메커니즘을 통해 스피룰리나 사상체에 영향을 미쳤습니다. 이러한 다양한 현상은 스피룰리나 생리활성 화합물의 추출, 방출 및 가용화를 용이하게 합니다.” [Vernès et al., 2019]

MTS 처리 시간에 따른 스피룰리나 사상체 전체의 광학 현미경 이미지. 모든 이미지의 축척 막대(그림 A) = 50 μm.
사진 및 연구: ©Vernès et al. 2019

초음파를 이용한 후코이단 및 글루칸 추출 – 추출 대상: Laminaria digitata

Tiwari 박사의 TEAGASC 연구팀은 대형조류 Laminaria digitata에서 다당류, 즉 후코이단, 라미나린 및 총 글루칸의 추출을 초음파 처리기 UIP500hdT를 사용하여 조사했습니다. 연구한 초음파 보조 추출(UAE) 매개변수는 푸코스, FRAP 및 DPPH 수준에 유의한 영향을 미쳤습니다. 0.1 M HCl을 용매로 사용하고 온도(76◦C), 시간(10 min) 및 초음파 진폭(100%)을 최적화한 조건에서 푸코스, 총 글루칸, FRAP 및 DPPH는 각각 1060.75 mg/100 g ds, 968.57 mg/100 g ds, 8.70 μM trolox/mg fde 및 11.02%의 값을 나타냈습니다. 이후 이러한 UAE 조건을 경제적으로 중요한 다른 갈색 대형조류(L. hyperborea 및 A. nodosum)에도 성공적으로 적용하여 다당류가 풍부한 추출물을 얻었습니다. 이 연구는 다양한 대형조류 종에서 생리활성 다당류의 추출을 향상시키는 데 UAE를 적용할 수 있음을 보여줍니다.

초음파를 이용한 식물화학물질 추출 – 추출 대상: F. vesiculosus 및 P. canaliculata

García-Vaquero 연구팀은 갈색 미세조류 종인 Fucus vesiculosus와 Pelvetia canaliculata의 추출 효율을 평가하기 위해 고성능 초음파 추출, 초음파·마이크로파 추출, 마이크로파 추출, 열수 보조 추출 및 고압 보조 추출을 포함한 다양한 새로운 추출 기법을 비교했습니다. 초음파 처리에는 Hielscher UIP500hdT 초음파 추출기를 사용했습니다. 추출 수율 분석 결과, 초음파 추출은 두 F. vesiculosus 모두에서 대부분의 식물화학물질에 대해 가장 높은 수율을 달성했습니다. 이는 초음파 추출기 UIP500hdT를 사용하여 F. vesiculosus에서 추출한 화합물의 최고 수율이 총 페놀 함량(445.0 ± 4.6 mg 갈산 당량/g), 총 플로로탄닌 함량(362.9 ± 3.7 mg 플로로글루시놀 당량/g), 총 플라보노이드 함량(286.3 ± 7.8 mg 퀘르세틴 당량/g) 및 총 탄닌 함량(189.1 ± 4.4 mg 카테킨 당량/g)이었음을 의미합니다.
연구팀은 이 연구에서 초음파 보조 추출의 사용이 “추출 용매인 50% 에탄올 용액과 결합하면 F. vesiculosus와 P. canaliculata 모두에서 원치 않는 탄수화물의 동시 추출을 줄이면서 TPC, TPhC, TFC 및 TTC의 추출을 목표로 하는 유망한 전략이 될 수 있으며, 이러한 화합물을 의약품, 기능성 영양제품 및 기능성 화장품으로 활용할 때 유망한 응용 가능성을 갖는다”고 결론지었습니다. [García-Vaquero et al., 2021]

아비뇽 대학교에서 Hielscher 초음파 처리기를 사용한 압력·열·초음파 복합 처리의 규모 확대: 실험실 장비 UIP1000hdT (A)에서 파일럿 규모 장비 UIP4000hdT (B, C & D)로의 규모 확대. 그림 D에는 다음 초음파 플로우 셀의 횡단면이 모식도로 제시되어 있습니다: FC100K.
사진 및 연구: ©Vernès et al. 2019

조류 파쇄용 고성능 초음파 추출기

Hielscher의 최첨단 초음파 장비는 진폭, 온도, 압력 및 에너지 투입량과 같은 공정 매개변수를 완벽하게 제어할 수 있습니다.
초음파 추출에서는 원료 입자 크기, 용매 종류, 고형물 대 용매 비율 및 추출 시간과 같은 매개변수를 변경하고 최적화하여 최상의 결과를 얻을 수 있습니다.
초음파 추출은 비열적 추출 방법이므로 조류와 같은 원료에 존재하는 생리활성 성분의 열분해를 방지합니다.
전반적으로 높은 수율, 짧은 추출 시간, 낮은 추출 온도 및 적은 용매 사용량과 같은 장점 덕분에 초음파 처리는 우수한 추출 방법입니다.

초음파 추출: 실험실과 산업 현장에서 확립된 기술

초음파 추출은 식물, 조류, 세균 및 포유류 세포에서 모든 종류의 생리활성 화합물을 추출하는 데 널리 적용됩니다. 초음파 추출은 높은 추출 수율과 짧은 처리 시간으로 다른 전통적인 추출 기술보다 뛰어난, 간단하고 비용 효율적이며 매우 효율적인 방법으로 자리 잡았습니다.
실험실용, 탁상형 및 완전한 산업용 초음파 시스템을 쉽게 이용할 수 있게 되면서 오늘날 초음파 추출은 확고히 정립되고 신뢰받는 기술이 되었습니다. Hielscher 초음파 추출기는 식품 및 의약품 등급의 생리활성 화합물을 생산하는 전 세계 산업 공정 시설에 설치되어 있습니다.

Hielscher Ultrasonics를 통한 공정 표준화

식품, 의약품 또는 화장품에 사용되는 조류 유래 추출물은 우수 제조 관리 기준(GMP)을 준수하고 표준화된 공정 규격에 따라 생산되어야 합니다. Hielscher Ultrasonics의 디지털 추출 시스템에는 지능형 소프트웨어가 탑재되어 있어 초음파 처리 공정을 쉽게 정밀하게 설정하고 제어할 수 있습니다. 자동 데이터 기록 기능은 초음파 에너지(총에너지 및 순에너지), 진폭, 온도, 압력(온도 및 압력 센서가 장착된 경우)과 같은 모든 초음파 공정 매개변수를 날짜 및 시간 정보와 함께 내장 SD 카드에 기록합니다. 이를 통해 초음파로 처리한 각 로트를 검토할 수 있습니다. 동시에 재현성과 지속적으로 높은 제품 품질이 보장됩니다.

아래 표는 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다: