초임계 유체를 이용한 녹차에 함유된 폴리페놀의 추출특성

나영진 · 이윤우^ · 김재덕^ · 노경호

인하대학교, 화학공학과, ^국가지정 초임계유체연구실

Extraction Characteristics of Polyphenols contained in Green Tea by Supercritical Fluids

Young Jin Ra·Youn Woo Lee^·Jae Duck Kim^·Kyung Ho Row

Dept. of Chem. Eng., Inha University, Inchon 402-751, Korea

^National Research Lab. for Supercritical Fluid

서론

기상과 액상이 구분이 되지 않는 초임계상이 존재한다는 것은 19세기 초에 처음으로 인식되었고, 19세기 말에는 초임계 유체가 고체에 대해 용해력을 갖고 있다는 사실이 증명되었지만 여러 가지의 실험적 어려움 때문에 집중적인 연구가 진행되지 못하였다. 그후 1950년대 후에도 압축된 기체를 분리공정에서 보조물질로 이용하는 특허등 여러 제안이 있었으나 실제적인 응용을 하지 못하다가 1960년대에 초임계 유체를 이용한 추출방법이 발표된 후 본격적인 연구와 응용 예가 소개되었다.

초임계 유체는 액체 유기 용매와 마찬가지로 저휘발성 물질을 비교적 낮은 온도에서 용해하는 능력을 갖고 있지만 액체용매보다 우수한 전달물성값을 갖고 있어, 용질을 함유하고 있는 물질 속으로 더 잘 스며들며, 추출물을 함유한 유체가 흐를 때에도 압력강하가 작다. 초임계 유체 추출에서는 임계온도가 낮은 기체를 용매로 사용하기 때문에 열에 불안정한 물질을 손상없이 추출할 수 있으며, 초임계 유체 추출에 사용되는 기체는 대부분 농축된 상태에서 친지방성(lipophilic)을 나타내므로 극성물질이나 고분자 물질을 잘 용해하지 않아 선택성이 좋으며, 적절한 압력과 온도의 선택으로 추출단계와 분리단계를 최적화할 수도 있고, 동반물질(entrainer)을 사용하여 용해도와 선택도를 증가시킬 수도 있다.

녹차로부터의 카테킨 화합물의 추출은 주로 열수 또는 ethanol등을 이용한 용매추출법을 주로 사용해왔다. 이번 실험의 목적은 액체에 비해 훨씬 우수한 전달물성값을 갖고 있는 초임계 유체를 이용하여 그 추출 특성을 살펴봄으로써 추출, 정제, 분리등으로의 활용여부를 알아보는데 있다.

초임계 유체는 CO2, 동반물질로는 water 및 ethanol을 사용하였고, 분석용 칼럼의 크기는 3.9×300□이고, 충진물은 LiChrospher 100RP-18(15□, Merck Co.)이다. 이동상은 water, acetonitrile, ethyl acetate를 사용하였다.

실험

1. 초임계 추출

추출기는 크기가 내경 160 mm, 외경 220 mm, 길이 825 mm이고 추출기의 온도를 일정하게 유지시켜 주기 위하여 추출기의 외부에 jacket을 부착하였다.  이산화탄소의 도입과 가입을 위한 pump로는 Milton Roy Co.의 고압용 Milroyal pump (model MCP13D10B1M, 최대유속 28.7GPH)를 사용하였다. 추출기의 출구에는 추출기의 압력을 일정하게 유지시켜 주기 위하여 pressure regulator (Tescom model 26-1021-44)를 설치하였으며, line filter와 rupture disc를 설치하였다. 추출물을 포함한 이산화탄소는 분리기(내경 160 mm, 외경 220 mm, 길이 500 mm)의 중간부로 도입되면서 압력이 강하되기 때문에 용해도가 떨어져 추출물과 분리되고 이산화탄소는 분리기의 상부로 배출된다. 이때 추출물은 분리기의 하부에 축적된다.  분리기 하부의 외벽에는 냉각을 위한 jacket을 부착하였다.  분리기로부터 나온 line에는 작은 입자로부터 압력조절계를 보호하기 위하여 line filter와 압력을 일정하게 유지하기 위한 pressure regulator를 설치하였다.

녹차는 보성산으로 경동시장에서 구입하였으며 약 1200g (dry basis)을 정확히 무게를 측정하여 추출기 (extractor) 내부로 집어넣고 50□, 300 bar에서 8시간 동안 추출을 수행하였다. 이때 이산화탄소의 유량은 약 200g/min로 유지시켰다. 추출물을 포함한 초임계 이산화탄소는 pressure regulator에 의해 약 50 bar로 감압하여 단열 팽창시키고 추출물은 분리기의 하부로 이산화탄소 기체는 상부로 분리 배출시켰다.

2. HPLC 분석

위 실험을 통해 sample을 채취하였으며, 표준시료물질인 (+)Catechin ((+)C), (-)Epicathin (EC), (-)Epigallocatechin Gallate (EGCG), (-)Epicatechin Gallate (ECG)는 Sigma Co.에서 구입하였으며, methanol, acetonitrile, ethyl acetate는 HPLC grade를 국내에서 구입하였고, water는 2차 증류한 증류수를 사용하였다.

분석용 HPLC는 Waters사의 600S, 616 pump(Multisolvent delivery system), 2487 dual absorbance detector, Rheodyne 주입기(20□ sample loop)를 사용하였고, 데이터 저장 시스템(data acquisition system)은 Millennium32(Waters Co.)를 사용하였다.

추출한 sample은 ethyl acetate를 용매로 하여 용해를 시킨 후 30℃ 300rpm에서 1시간동안 교반한 후 여과하였다.

분석용 RP-HPLC의 컬럼(3.9×300□)는 15□로 충진되었다. 이동상은 acetic acid가 0.1% 포함된 water, acetonitrile, ethyl acetate가 사용되었다. 유속은 1.0□/min, injection volume은 20□이고, detector UV는 280□이고 실온에서 실험했다.

결과 및 고찰

녹차는 (1)자연 건조한 상태, (2)물에 포화된 상태, 그리고 (3)에탄올에 적신 상태로 추출하였으며 추출수율은 각각 0.1wt%, 0.9wt%, 5.1wt%, 이었으며 비교 실험으로 에탄올을 용매로 soxhlet 추출기를 이용하여 추출한 것은 21.3 wt%의 추출수율을 보였다.

녹차로부터 항산화제 및 항암제 등으로 그 효용가치가 뛰어나다고 밝혀진 EGCG등을 포함한 폴리페놀류의 초임계 추출특성을 살펴보기 위해 KIST의 초임계 연구실에서  추출한 sample을 가지고 분석용 역상 HPLC를 사용하여 분석을 해보았다.

추출물은 모두 끈적한 gel상태로 농축되어 있었으며 이를 분석하기 위해 추출물을 ethyl acetate(HPLC grade)를 용매로 하여 30℃, 300rpm에서 1시간동안 교반하였다. 용해된 시료를 일정 용매 조성법을 사용하여 20□씩 HPLC에 주입을 하였다.

Figure 1에서는 초임계 CO2 dry extraction에 의한 추출물을 이동상 조성을 water/acetonitrile/ethyl acetate, 87:10:3 vol.%으로 분석한 크로마토그램이다. Figure 2에서는 초임계 CO2에 동반물질로 H2O를 사용한 추출물을 이동상 조성을 water/acetonitrile/ethyl acetate, 87:10:3 vol.%으로 분석한 크로마토그램이다. Figure 3에서는 초임계 CO2에 동반물질로 Et-OH를 사용한 추출물을 이동상 조성을 water/acetonitrile/ethyl acetate, 87:10:3 vol.%으로 분석한 크로마토그램이다. 3가지 추출물 모두 일정 용매 조성법으로는 분리가 안된 하나의 peak를 보여주고 있으며 폴리페놀류가 포함되지 않아서 다른 용매와 이동상 조성에 의한 분리를 할 예정이다.

참고문헌

1. 홍승범, 김정일, 노경호, 2000 화학공학의 이론과 응용 vol. 6, pp.3356         (2000)

2. David G.p.a. Breen, Jonathan M. Horner, Keith D. Bartle, Anthony A. Clifford, James Waters, Graham Lawrence, Wat. Res. vol. 30, No. 2, pp.476-480 (1996)

3. S. T. Chung, K. H. Row, J. H. Kang, and Y. K. Park, pending to Korean patent, 출원번호 42877 (1998)

Figure 1. Chromatogram of supercritical fluid extract by RP-HPLC in isocratic method

Figure 2. Chromatogram of supercritical fluid with H2O extract by  RP-HPLC in isocratic method

Figure 3. Chromatogram of supercritical fluid with ethanol extract by RP-HPLC in isocratic method