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문제 정의
- 초임계 용매 공정은 증류법에 비하여 분리에 소요되는 에너지양이 적고 열에 변하기 쉬운 성분의 변질을 막을 수 있으며 용매추출법에 비하여 용매의 회수가 용이하고 무독성 및 비활성이기 때문에 순도와 독성문제가 까다로운 식품 및 의약품 등에 유리하다. 따라서 본 연구는 초임계 공정을 통하여 fucoxanthin을 농축함으로써 천연색소 시장에서 새로운 고부가가치 제품의 생산을 위한 기초자료를 제공하고자 하였다.
제안 방법
- Fucoxanthin 추출용매로 선정된 중쇄지방산을 이용하여 추출된 fucoxanthin 추출물을 대상으로, 농축이 실시되었다. 농축에는 초임계 유체 추출장치(Fig.
- Fucoxanthin 함량 측정은 carotenoid계 색소의 분광학적 특성에 기인하여 450 nm에서 spectrophotometer(V-630, JASCO Co., Tokyo, Japan)를 이용하여 측정되었다. 감태추출물은 3가지 각각의 추출 용매(중쇄지방산, 중쇄지방산에틸에스터, 야자유 지방산)에 용해시킨 후 fucoxanthin의 extinguish coefficient 값인 E(1%, 1 cm)=1140으로부터 추출물 내 fucoxanthin 함량을 측정하였다.
- 각 압력 별로 3개의 온도범위에서 이산화탄소 사용량에 따른 중쇄지방산의 추출 패턴 및 추출된 지방산 내 fucoxanthin 함량이 조사되었다(Fig. 3). 초임계 이산화탄소의 물질의 용해도는 탄산가스의 밀도와 밀접한 관계가 있는 것으로 알려져 있으며(12) 따라서 일정한 압력에서 온도 증가에 따른 지방산의 용해도 감소는 밀도 변화에 기인한 것으로 판단된다.
- , Tokyo, Japan)를 이용하여 측정되었다. 감태추출물은 3가지 각각의 추출 용매(중쇄지방산, 중쇄지방산에틸에스터, 야자유 지방산)에 용해시킨 후 fucoxanthin의 extinguish coefficient 값인 E(1%, 1 cm)=1140으로부터 추출물 내 fucoxanthin 함량을 측정하였다.
- 대부분의 연구에 있어서 초임계 이산화탄소를 이용하여 목적으로 하는 성분을 농축하는 방법은 그 성분이 함유된 원료로부터 직접 추출하는 방법이 주로 사용되고 있다(10,11). 그러나 본 연구에서 사용된 fucoxanthin 농축 방법은 중쇄지방산을 이용하여 감태로부터 fucoxanthin을 추출하고 추출물 내 중쇄지방산을 초임계 이산화탄소에 의해 선택적으로 추출함으로써 잔류물에 fucoxanthin을 농축하는 방법을 사용하였다. 본 연구에서 사용된 초임계 이산화탄소 장치는 Fig.
- 중쇄지방산 및 중쇄 지방산 에틸에스터, 야자유 유래 지방산을 추출 용매로 하여 감태로부터 fucoxanthin 추출 효율이 조사되었다. 기존의 fucoxanthin 관련 연구에서는 fucoxanthin 색소의 추출을 위하여 methanol과 같은 유기용매가 주로 사용되었으나(6,8) 본 연구에서는 일반적으로 사용하는 유기용매가 아닌 식물성 유지 유래 지방산 또는 그 에스터를 추출용매로 선택하였으며 선정된 용매는 본 실험실에서 연구된 초임계 이산화탄소를 이용하여 수박으로부터 lycopene을 농축하는 방법을 응용하여 적용하였다(9).
- 이상의 조건으로부터 농축 공정 중 추출물에서 제거되어 나온 지방산의 함량과 그 지방산이 함유하고 있는 fucoxanthin의 함량을 측정하였다. 또한 최종 농축된 잔여물의 fucoxanthin의 함량을 조사하여 농축 정도를 확인하였다.
- 4 MPa이었다. 온도와 압력의 범위는 농축 공정에서 사용하는 이산화탄소의 일정 밀도(600 g/L)를 기점으로 밀도와 이산화탄소의 온도, 압력 그리고 추출효율과의 관계를 확인할 수 있도록 선정되었다.
- 4 MPa의 압력범위에서 농축하였다. 이상의 조건으로부터 농축 공정 중 추출물에서 제거되어 나온 지방산의 함량과 그 지방산이 함유하고 있는 fucoxanthin의 함량을 측정하였다. 또한 최종 농축된 잔여물의 fucoxanthin의 함량을 조사하여 농축 정도를 확인하였다.
- 중쇄지방산 및 중쇄 지방산 에틸에스터, 야자유 유래 지방산을 추출 용매로 하여 감태로부터 fucoxanthin 추출 효율이 조사되었다. 기존의 fucoxanthin 관련 연구에서는 fucoxanthin 색소의 추출을 위하여 methanol과 같은 유기용매가 주로 사용되었으나(6,8) 본 연구에서는 일반적으로 사용하는 유기용매가 아닌 식물성 유지 유래 지방산 또는 그 에스터를 추출용매로 선택하였으며 선정된 용매는 본 실험실에서 연구된 초임계 이산화탄소를 이용하여 수박으로부터 lycopene을 농축하는 방법을 응용하여 적용하였다(9).
- 초임계 유체 추출에서 용해도에 가장 큰 영향을 미치는 밀도의 변화를 본 연구에서 실시된 온도 압력 범위에서 조사하여 보았다(Fig. 4). 그 결과 fucoxanthin 농축에 높은 효율을 나타낸 압력 및 온도 조건들 즉 9.
- 추출 용매로 선정된 중쇄지방산을 이용하여 감태로부터 fucoxanthin을 추출하였다. 이 추출물은 초임계 이산화탄소를 이용하여 fucoxanthin을 농축하기 위한 원료로 사용하였다.
대상 데이터
- Fucoxanthin 색소의 추출에 사용한 감태는 2007년 제주도 연안 해조류를 채집하여 이를 -80°C의 냉동고에 보관하면서 시료로 사용하였다.
- Fucoxanthin 색소의 추출에 사용한 감태는 2007년 제주도 연안 해조류를 채집하여 이를 -80°C의 냉동고에 보관하면서 시료로 사용하였다. 감태로부터 fucoxanthin 추출에 사용된 용매로서 상업적으로 이용되는 중쇄지방(medium chain triglyceride) 및 야자유(coconut oil)를 가수분해하여 얻은 지방산(fatty acid)들과 중쇄지방으로부터 제조된 중쇄지방산 에틸에스터(medium chain fatty acid ethyl ester)가 사용되었다. 야자유 및 중쇄지방은 시중에서 구입하여 사용하였으며, 그 이외에 분석시약은 특급이상이 사용되었다.
- Fucoxanthin 추출용매로 선정된 중쇄지방산을 이용하여 추출된 fucoxanthin 추출물을 대상으로, 농축이 실시되었다. 농축에는 초임계 유체 추출장치(Fig. 1)가 사용되었으며, 농축 과정은 다음과 같았다. Fucoxanthin 추출물 30 g을 액체전용 초임계 고압 추출기에 넣고 35～60℃의 온도 범위와 9.
- 감태로부터 fucoxanthin 추출에 사용된 용매로서 상업적으로 이용되는 중쇄지방(medium chain triglyceride) 및 야자유(coconut oil)를 가수분해하여 얻은 지방산(fatty acid)들과 중쇄지방으로부터 제조된 중쇄지방산 에틸에스터(medium chain fatty acid ethyl ester)가 사용되었다. 야자유 및 중쇄지방은 시중에서 구입하여 사용하였으며, 그 이외에 분석시약은 특급이상이 사용되었다.
- 추출 용매로 선정된 중쇄지방산을 이용하여 감태로부터 fucoxanthin을 추출하였다. 이 추출물은 초임계 이산화탄소를 이용하여 fucoxanthin을 농축하기 위한 원료로 사용하였다. 추출물 내 fucoxanthin 함량은 g당 45.
성능/효과
- 11.0 MPa의 압력에서는 40℃, 45℃, 50℃ 3가지 온도에서 fucoxanthin 농축 효과가 조사되었다. 9.
- 40°C의 경우에는 추출된 지방산으로 함께 추출된 fucoxanthin량은 투입된 원료 내 총 fucoxanthin 중 8.0%만이 지방산으로 추출되었으며, 따라서 잔존물 내 fucoxanthin이 효과적으로 농축됨을 알 수 있었다.
- 0 MPa의 압력에서는 40℃, 45℃, 50℃ 3가지 온도에서 fucoxanthin 농축 효과가 조사되었다. 9.7 MPa의 결과와 마찬가지로 온도 증가에 따라 지방산 용해도의 급격한 감소를보였으며, 3가지 온도 중 이산화탄소 밀도가 가장 높은 40℃의 경우 추출된 지방산과 fucoxanthin이 같이 혼입되어 추출되어 농축 효과가 떨어졌으며, 45℃의 경우에는 9.7 MPa, 40℃와 유사한 경향을 나타내어 fucoxanthin 농축에 효과적인 것으로 나타났다. 한편 50℃에서는 잔존물 내 fucoxanthin이 효과적으로 농축되었으나, 지방산 추출속도가 감소되어 소비되는 이산화탄소의 양 및 추출시간을 고려해 볼 때 11.
- 초임계 이산화탄소와 에탄올 보조용매를 사용하여 우렁쉥이 껍질로부터 carotenoid계 색소인 β-carotene을 추출한 연구(12)에서는 35℃에서 350 bar, 약 35 MPa의 조건을 최적 지점으로 나타내었다. Fucoxanthin과 같은 계열 색소의 추출을 목적으로함에 있어서 비교적 높은 압력에서도 파괴 없이 생리적 기능을 가진 기능성 물질을 분리할 수 있음을 보여주었다. 또한 초임계 이산화탄소로 다시마의 지방질을 추출한 연구(7) 역시 소량의 보조용매를 사용하여 시료크기, 온도, 압력, 유량에 따른 추출효율을 조사하였다.
- 4). 그 결과 fucoxanthin 농축에 높은 효율을 나타낸 압력 및 온도 조건들 즉 9.7 MPa에서 40℃, 11.0 MPa에서 45℃, 12.4 MPa에서 50℃의 경우 모두 탄산가스 1 L당 600 g 정도의 밀도를 가지고 있었다. 기존의 연구에서 보고된 바와 같이(13,14) 본 연구에서도 초임계 이산화탄소를 이용한 물질의 용해도는 온도와 압력에 의해 변화되는 이산화탄소의 밀도와 높은 상관관계를 나타낸다는 것을 확인할 수 있었다.
- 또한 초임계 이산화탄소로 다시마의 지방질을 추출한 연구(7) 역시 소량의 보조용매를 사용하여 시료크기, 온도, 압력, 유량에 따른 추출효율을 조사하였다. 그 결과 일정 압력과 유량에서 온도가 낮을수록 추출수율이 소량 증가하였으나 추출압력을 증가시키면 추출수율은 크게 증가함을 보였다. 그러나 본 연구는 보조용매를 사용하지 않았을 뿐만 아니라 기존의 연구들보다 훨씬 낮은 압력범위(9.
- 그 결과 일정 압력과 유량에서 온도가 낮을수록 추출수율이 소량 증가하였으나 추출압력을 증가시키면 추출수율은 크게 증가함을 보였다. 그러나 본 연구는 보조용매를 사용하지 않았을 뿐만 아니라 기존의 연구들보다 훨씬 낮은 압력범위(9.7～12.4 MPa)에서 fucoxanthin을 효과적으로 농축할 수 있었다.
- 이 조건에서 1163.5 g의 CO2를 이용하여 지방산을 추출한 후 얻어진 잔존물 내 fucoxanthin 함량은 1246.9 μg/g으로 추출물의 농도인 45.8 μg/g에 비하여 약 27배가 농축됨을 확인할 수 있었다.
- 이러한 단점으로 보완하기 위하여 본 연구에서는 무독성인 식물성 유지를 이용하여 감태 내 fucoxanthin을 추출하고 획득된 추출물은 초임계 이산화탄소 공정을 거쳐 추출에 이용되었던 유지류만을 선택하여 분리함으로써 색소성분의 파괴 없이 농축이 가능하다는 것을 확인하였다. 초임계 용매 공정은 증류법에 비하여 분리에 소요되는 에너지양이 적고 열에 변하기 쉬운 성분의 변질을 막을 수 있으며 용매추출법에 비하여 용매의 회수가 용이하고 무독성 및 비활성이기 때문에 순도와 독성문제가 까다로운 식품 및 의약품 등에 유리하다.
- 이러한 추출용매의 효율은 물질의 특성에 따라 달라짐을 본 연구를 통해 확인할 수 있었다. fucoxanthin의 경우 분자 내 수산기(-OH group)를 함유한 xanthophyll계 색소인 반면 lycopene의 경우 탄화수소로만 이루어져 있는 carotene계로서 fucoxanthin의 극성도가 lycopene과 비교하여 매우 큰 특성을 갖고 있다.
- 이상의 결과로부터 소비된 탄산가스의 양 및 농축에 소요되는 시간 등을 고려해 볼 때 9.7 MPa의 경우에는 40°C가 fucoxanthin 농축의 최적 온도인 것으로 나타났으며, 이 조건에서 CO2 1700 g을 소비하여 지방산을 추출한 후 얻어진 잔존물 내 fucoxanthin 함량은 1026.3 μg/g으로 초기 원료의 농도인 45.8 μg/g과 비교하였을 때 약 22배가 농축되었다.
- 이상의 결과를 종합해 보면 유기용매가 아닌 식품 유래 중쇄지방산을 이용하여 감태로부터 fucoxanthin을 추출한 후, 초임계 이산화탄소를 이용하여 fucoxanthin 추출물 내 중쇄지방산을 효과적으로 분리해냄으로써 잔존물 내에 fucoxanthin을 농축할 수 있었다.
- 이상의 방법으로 12.4 MPa에서 최적 fucoxanthin 농축 온도를 조사한 결과 50℃가 최적 온도로 나타났다. 이 조건에서 1163.
- 중쇄 지방산을 이용하였을 경우 추출물 1 g당 fucoxanthin 함량이 45.8 μg으로 가장 높은 함량을 나타내었으며, 야자유 지방산은 31.1 μg, 중쇄지방 에틸에스터의 경우에는 21.7 μg으로 나타나 중쇄지방 유래 지방산을 이용하여 추출하였을 경우 가장 효과적인 것으로 나타났다.
- 7 MPa, 40℃와 유사한 경향을 나타내어 fucoxanthin 농축에 효과적인 것으로 나타났다. 한편 50℃에서는 잔존물 내 fucoxanthin이 효과적으로 농축되었으나, 지방산 추출속도가 감소되어 소비되는 이산화탄소의 양 및 추출시간을 고려해 볼 때 11.0 MPa의 압력에서는 45℃가 최적 농축온도로 나타났다. 이 조건에서 CO2 1432 g을 소비하여 지방산을 추출한 후 얻어진 잔존물 내 fucoxanthin 함량은 1064.
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