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문제 정의
- 본 연구는 초임계 이산화탄소 추출을 통해 얻어진 편백 정유의 성분분석을 통해 추출조건에 따른 성분의 변화를 분석하고자 하였다. 기존에 사용되는 증류법에 비해 초임계 이산화탄소 추출법은 정유의 고유한 향을 유지하고 열에 의한 물질의 변성을 막을 수 있을 뿐만 아니라 선택적 물질 추출이 가능한 특징이 있기 때문이다.
- 본 연구에서는 초임계 추출법에 의해 편백 잎에서 정유를 추출하여 기존의 증류법에 의해 추출된 정유와의 성분을 비교 분석하였다. 이를 통해, 선행 연구를 통해 밝혀진 편백 정유의 주요한 생리활성 물질들을 원재료부터 효율적으로 추출할 수 있는지에 대한 가능성을 확인하고자 하였다.
- 본 연구에서는 초임계 추출법에 의해 편백 잎에서 정유를 추출하여 기존의 증류법에 의해 추출된 정유와의 성분을 비교 분석하였다. 이를 통해, 선행 연구를 통해 밝혀진 편백 정유의 주요한 생리활성 물질들을 원재료부터 효율적으로 추출할 수 있는지에 대한 가능성을 확인하고자 하였다.
제안 방법
- 초임계 이산화탄소를 사용하여 100 bar에서 400 bar까지 압력을 변화시킴으로써 추출되는 편백 정유 수율 변화를 조사하였다. 40℃의 일정 온도조건에서 30분간 3회 연속 추출하여 얻어진 정유의 총량을 최종 수율로 하였다. 온도가 낮을수록 추출수율이 높다고 보고되고 있어(Uhm 등 2013) 온도를 40℃로 저온으로 유지하였다.
- GC/MS 분석은 Trace 1310/ISQ-LT GCMS 장비 (ThermoScientific, USA)로 수행하였다. 1 µℓ의 분석액을 250℃ 주입구에 50 : 1 분할비로 Tr-5MS capillary column (30 m length, 0.
- 추출 시 온도는 40℃로 일정하게 유지하였으며 100∼400 bar 범위에서 압력을 조절함으로써 추출조건을 변화시켰다. 각 추출조건에서 30분씩 3회 연속 추출하였다. 이때 분리조(separator)에 모인 정유의 총량을 측정하여 정유의 수율로 계상하였다.
- 동결분쇄한 편백 잎 150 g을 500 mℓ용량의 바스켓에 넣고 일정 추출 온도로 유지되는 고압 챔버에 장착하였다. 고압 정량펌프에 의해 가압되어 일정 압력과 온도로 조절된 초임계 이산화탄소를 고압 챔버 내의 바스켓 내부로 흐르게 하여 정유를 추출하였다. 보조용매는 사용하지 않았다.
- 시료에 존재하는 물질들은 시료의 TIC (total-ion chromatogram)에서 S/N 비율 100 이상의 피크들의 질량스팩트럼을 NIST 11 (National Institute of Standards and Technology, USA) mass spectral library와 비교하여 수행하였다. 이때 NIST librarysearch 프로그램의 match 값이 가장 높은 것을 선택하여 monoterpene류와 sesquiterpene류를 중점적으로 확인하였고 피크들의 RT (retention time)와 비교 확인된 화합물명을 목록화 하였다.
- 시료에 존재하는 물질들은 시료의 TIC (total-ion chromatogram)에서 S/N 비율 100 이상의 피크들의 질량스팩트럼을 NIST 11 (National Institute of Standards and Technology, USA) mass spectral library와 비교하여 수행하였다. 이때 NIST librarysearch 프로그램의 match 값이 가장 높은 것을 선택하여 monoterpene류와 sesquiterpene류를 중점적으로 확인하였고 피크들의 RT (retention time)와 비교 확인된 화합물명을 목록화 하였다.
- 각 추출조건에서 30분씩 3회 연속 추출하였다. 이때 분리조(separator)에 모인 정유의 총량을 측정하여 정유의 수율로 계상하였다. 이때 얻어진 정유는 성분분석에 사용되었다.
- 초임계 이산화탄소 추출법을 이용한 편백 정유 추출 시료는 동결분쇄를 실시하였다. 분쇄를 위해서 동결분쇄기 freezer/mill 6870 (SPEX co.
- 초임계 이산화탄소 추출실험은 재순환방법을 이용한 초임계 이산화탄소 추출기(ISA-SCCO-S-050-600, ILSIN AUTOCLAVE co., korea)를 사용하였다. 동결분쇄한 편백 잎 150 g을 500 mℓ용량의 바스켓에 넣고 일정 추출 온도로 유지되는 고압 챔버에 장착하였다.
- 초임계 이산화탄소 추출을 통해 얻어진 정유는 GC/MS분석을 통해 조사하였다. 이 추출물에는 monoterpene, sesquiterpene, diterpene, lignan 등의 물질이 검출되었으며, 각 물질군이 차지하는 비율은 Fig.
- 초임계 이산화탄소를 사용하여 100 bar에서 400 bar까지 압력을 변화시킴으로써 추출되는 편백 정유 수율 변화를 조사하였다. 40℃의 일정 온도조건에서 30분간 3회 연속 추출하여 얻어진 정유의 총량을 최종 수율로 하였다.
- 오븐은 최초 40℃에서 3분간 유지하고 3℃/min의 승온조건으로 200℃까지 올린 후 15℃/min의 승온조건으로 340℃까지 올리고 10분간 유지하였다. 화합물의 검출은 시료를 분할하여 FID 신호와 질량스펙트럼 모두를 기록하도록 하였다. FID는 280℃를 유지하였고 make-up 가스는 헬륨으로 40 mℓ/min의 조건으로 유지하였다.
대상 데이터
- 내부표준물질로는 tetradecanoate methyl ester를 사용하였고, 시료 및 표준물질의 희석용액은 10 µℓ tetradecanoate methyl ester를 메탄올과 디클로로메탄의 혼합액(1 : 1, v/v)에 녹여 200 mℓ부피로 맞춘 용액을 사용하였다.
- 이때의 정유의 양을 측정하여 수율로 계상하였다. 또한 추출된 정유는 무수황산나트륨(SAMCHUN, 98.5%)을 사용하여 최종적으로 수분을 제거한 후 성분분석에 사용하였다.
- 본 연구에 사용된 편백 잎은 2013년 5월경 제주도 서귀포시에 위치한 국립산림과학원 난대아열대산림 연구소 시험림에서 채취하였다. 시료는 초임계 이산화탄소 추출과 증류법에 의한 정유 추출을 위해 사용되었으며, 사용 전까지는 -40℃에서 보관하였다.
- 초임계 이산화탄소 추출법을 이용한 편백 정유 추출 시료는 동결분쇄를 실시하였다. 분쇄를 위해서 동결분쇄기 freezer/mill 6870 (SPEX co.) 모델이 사용되었다. 동결분쇄를 위해 액체질소를 이용하여 1분 동안 예비 냉각을 시킨 후 6 cps (cycles per second) 속도로 1분 동안 분쇄하였다.
- 증류법(hydrodistillation)에 의한 정유 추출을 위해 편백 잎을 동결분쇄를 하지 않고 추출 실험 시작 직전에 잘게 자른 후 시료로 사용하였다.
데이터처리
- 초임계 이산화탄소 추출물은 GC/MS 분석을 통해 성분분석을 실시하였으며 그 결과는 Table 1과 같았다. monoterpene, sesquiterpene, lignan 계통의 약 50여 종의 화합물들이 검출되었다.
성능/효과
- α-, β-Cubebene과 delta-cadinene, β-, γ-eudesmol을 제외하고는 증류법에 의해 추출된 오일의 sesquiterpene 성분의 함량보다 초임계 이산화탄소 추출 오일의 sesquiterpene 성분의 함유량이 높았다.
- 6배까지 압력에 따른 정유수율의 차이를 보였다. 100 bar 압력에서 얻어진 정유 수율은 Lin 등(1999) 과 Lim 등(2013)에 의해 보고된 수증기 증류추출법에 의한 편백 정유 수율 1.3%, 1.2%에 비해 높게 나타났으나, 본 연구에서 진행된 증류법을 이용하여 추출한 정유의 수율, 1.9%에 비해서는 낮게 조사되었다.
- 초임계 이산화탄소 추출 시 압력에 따른 수율의 차이가 컸다. 100 bar, 200 bar, 300 bar, 400 bar 압력 조건에서 수율은 전건무게 기준으로 각각 1.7%, 2.2%, 4.4%, 3.9%로 300 bar에서 가장 높은 수율을 얻었다. 정유수율이 가장 낮은 100 bar에서의 수율에 비해 적게는 약 1.
- 6배 함유비율이 높았다. 200 bar 압력으로 추출하였을 경우 monoterpene과 sesquiterpene의 비율이 1 : 1.6으로 추출정유의 sesquiterpene의 함유비율이 가장 높았다. 증류법과 비교했을 때 초임계 이산화탄소 추출법에 의해 얻어진 정유성분의 가장 큰 특징은 분자량이 큰 diterpene이나 lignan 성분이 검출되는 것이다.
- 초임계 이산화탄소를 이용하여 40℃에서 편백 정유를 추출한 경우, 압력이 증가함에 따라 정유의 수율이 증가하였다. 300 bar 압력에서 4.4%로 최대 수율을 얻었으며 추출압력이 400 bar로 증가하였을 경우 오히려 수율이 감소하는 것으로 조사되었다. 이러한 결과로 볼 때 40℃에서 편백 정유의 수율을 높이기 위해서는 300 bar의 압력이 가장 적절할 것으로 판단된다.
- 본 실험에서는 온도를 40℃로 일정하게 유지하여 저온에서 실험한 관계로 온도가 낮아 400 bar에서는 수율이 감소한 것으로 보이며, 온도를 증가시켜 추출 용해력을 증가시킨다면 400 bar에서의 정유수율이 높아질 가능성이 있다고 보여진다.
- 초임계 이산화탄소 추출수율은 추출조건에 따라 수율이 달라지는데 압력이 증가함에 따라 수율이 높아진다고 보고되고 있다(Rodrigues 등 2004; Kim 등 2008). 본 연구에서도 100 bar에서 300 bar까지 압력이 증가할수록 정유수율이 증가함을 보였다. 그러나 400 bar에서는 수율이 3.
- 4%로 최대 수율을 얻었으며 추출압력이 400 bar로 증가하였을 경우 오히려 수율이 감소하는 것으로 조사되었다. 이러한 결과로 볼 때 40℃에서 편백 정유의 수율을 높이기 위해서는 300 bar의 압력이 가장 적절할 것으로 판단된다.
- 이러한 결과를 통해볼 때 초임계 이산화탄소 추출 시 추출조건에 따라 특정성분의 함유율을 높일 수 있을 것으로 사료된다.
- 증류법에 의해 추출된 정유와 초임계 이산화탄소 추출을 통한 편백 정유 성분에 차이가 있으며, 초임계 이산화탄소 추출의 경우는 정유 내 diterpene과 리그난 성분의 함유율이 증가하였는데 증류법에 의해 추출된 정유에서 발견되지 않는 리그난 성분들이 다량 검출되었다는 것은 특이할 만한 사항이다. 정유에 함유되어 있는 각 성분들은 추출압력이 증가함에 따라 함량이 증가하는 성분, 감소하는 성분, 특정 압력에서 함량이 높은 성분 등 추출압력에 따라 그 함량에 차이를 보였다. 초임계 이산화탄소 추출 시 추출조건에 따른 성분함량 변화의 특성을 이용한다면 편백 정유의 항균활성 물질이나 항아토피활성 물질의 편백 정유내 함량을 높일 수 있을 것으로 보인다.
- 추출 압력에 따라 monoterpene과 sesquiterpene의 비율 차이는 있지만 monoterpene에 비해 sesquiterpene이 약 1.1배∼1.6배 함유비율이 높았다.
- Germacrene D, cubedol, elemol, β-eudesmol의 경우는 200 bar 추출시 가장 함유량이 높았다. 추출된 오일 중 분자량이 큰 물질인 stachen, trachybane, totarol 등은 압력이 낮을수록 오히려 함유율이 더 높아졌다.
- 편백 잎의 초임계 이산화탄소 추출물에는 sabinene, limonene, bornyl acetate, α-terpinyl acetate 등의 monoterpene과 germacrene, cubedol, elemol, β-eudesmol 등의 sesquiterpene을 비롯하여, stachen과 같은 diterpene 이 주요성분으로 구성되어 있는 것으로 조사되었다.
- 3%의 함량을 보였다. 함량의 최대값을 기준으로 할 때 초임계 이산화탄소추출에 의해 cubedol과 elemol의 함량이 각각 약 6.7배, 1.5배 상승하였다. 피부사상균에 대한 편백 정유의 항균활성과 항알러지효과는 elemol, cedrol, eudesmol 등의 sesquiterpene에 의해 나타난다고 보고되고 있다(Park 등 2005; Choi 등 2006).
후속연구
- 주목잎에서 taxol과 baccatin Ⅲ의 추출(Shin 등 1996), 포도씨에서 페놀성 화합물의 추출(Lee 등 2000), 다시마에서 지방질의 추출(Lee 등 2000) 등을 위해 초임계 추출이 적용되고 있다. 따라서 초임계 이산화탄소 추출을 통해 편백 정유의 활성을 증가시키거나 활성물질의 정제를 위해 적용할 수 있을 것으로 보여진다.
- 정유에 함유되어 있는 각 성분들은 추출압력이 증가함에 따라 함량이 증가하는 성분, 감소하는 성분, 특정 압력에서 함량이 높은 성분 등 추출압력에 따라 그 함량에 차이를 보였다. 초임계 이산화탄소 추출 시 추출조건에 따른 성분함량 변화의 특성을 이용한다면 편백 정유의 항균활성 물질이나 항아토피활성 물질의 편백 정유내 함량을 높일 수 있을 것으로 보인다. 또한, 이를 통해 편백 정유 자체의 활성 증대효과도 가져올 수 있을 것으로 판단된다.
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