초임계 이산화탄소와 에탄올에 의한 식용달팽이로부터 콘드로이틴황산 회수

김영원, 전병수

부경대학교 식품공학과

Recovery of Chondroitin Sulfate from Edible Snail

by Supercritical Carbon Dioxide and Ethanol

Young Won Kim, Byung Soo Chun

서론

초임계 유체(supercritical fluid)를 이용한 추출 및 분리 기술은 임계점(critical point)이상의 영역에서 초임계 유체의 물리적 특성에 의한 혼합성분중 특정 물질을 선택적으로 추출하는 새로운 분리기술로 응용 범위가 넓다.

초임계 유체의 추출에 대한 연구는 1960년대 초기부터 독일소재의 Max Planck Institute를 중심으로 시작되어, 1970년대부터 연구가 활발하게 진행되었다. 초임계유체는 기존의 재래식 분리공정에 비해 많은 장점을 가지고 있어 화학적 구조의 변화없이 기체와 액체의 특성을 공유하면서 뛰어난 용매력을 제공할 뿐만 아니라 온도와 압력을 적당히 조절함으로써 상변화 없이 물리, 화학적 특성(밀도, 확산계수, 점도)을 연속적으로 조절이 가능한 유체라고 볼 수 있어〔1, 2〕 이와 같은 유체를 사용한 특정 물질의 분리, 정제 및 추출공정, 고분자 물질의 처리기술 등의 관련 산업분야에서 관심을 갖게 되었고〔3〕최근에는 화학, 약품, 식품, 생화학 분야 등에서 널리 이용되어지고 있어〔4-7〕그 응용범위가 점차 확대되어 일부는 사용 공정이 확립된 상태에 이르렀다. 특히 천연물에서 유기용매를 이용한 재래식 추출 공정은 고온에 의한 유효성분의 분해 및 파괴 등이 문제가 되고, 적절한 유기 용매의 선택, 유기용매의 잔존, 용매의 제거 및 낮은 분리효과 등의 어려움이 있는 반면에 초임계유체 추출은 임계점 이상의 영역에서 다양한 조업 조작이 가능하며, 확산계수가 높고 점도가 낮아 빠른 추출효과와 상분리가 가능하여 열에 민감한 물질에 유용하다〔8, 9〕.  또한 초임계 유체 추출은 압력 또는 온도 변화에 의하여 밀도가 크게 변하여 용질의 추출 효율 및 성분이 다르기 때문에 중소형 plant의 간단한 공정과 처리량이 작은 특수한 유지 등의 물질을 선택적으로 분리할 수 있기 때문에 새로운 분리공정으로써 최근 몇 년간 전세계적으로 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그러나 현재까지 여러 분야에서 초임계 유체를 이용한 많은 연구가 진행되어 왔지만  물리적 현상의 이해 부족으로 추출과정에 대한 전달  mechanism을 규명하지 못했으며,  초임계 추출에 대한 추출속도에 대한 고찰 및 추출 속도에 영향을 미치는 연구〔10, 11〕자료가 부족하다.

따라서 본 연구에서는 초임계 이산화탄소와 보조용매를 사용하여 식용 왕달팽이에 존재하는 콜레스테롤을 추출하고 콘드로이틴황산을 농축하는데 있어서 추출 속도에 영향을 주는 인자들, 즉 온도, 압력, 보조용매의 양을 변화시켜 고찰하고 추출된 물질의 콜레스테롤 정량, 추출 후 추잔물의 콘드로이틴황산의 함량의 변화를 알아 보았다.

실험

실험은 본 실험실에서 직접 제작한 장치(Fig. 1)로 용적 150ml의 추출탑(EV)에 동결건조하여 분쇄시킨 식용달팽이를 충진한 후 60분간 추출한 후 추출물은 콜레스테롤〔12〕을 정량하였고, 추잔물은 콘드로이틴황산의 함량〔13〕을 정량하였다.

Fig. 1. Flow diagram of supercritical fluid extraction system. CB, cooling bath; CV, check valve; EV, extraction vessel; F, filter; FT, flow totalizer; HE, heat exchanger; HPP, high pressure pump; MV, metering valve; OV, on-off valve; P, pressure gauge; S, separator; SV, safety valve; T, temperature indicator.

결과 및 토론

온도 30∼50℃, 압력 8∼14MPa의 범위에서 실험한 결과 식용 왕달팽이로부터 콜레스테롤 추출은 Fig. 2, Fig. 3과 같이 나타났다. 추출된 콜레스테롤의 양은 각 온도, 압력, 에탄올의 양에 따라 차이를 보였는데 35℃의 온도, 8.3MPa의 압력에서 153mg으로 가장 높은 추출효율을 보였고 압력이 증가함에 따라 32mg까지 감소하다가 13.8MPa의 압력에서는 76mg으로 그 추출효율이 증가하였다. 40℃의 온도에서는 10.3MPa에서 24mg이고 압력이 증가함에 따라 점점 추출효율이 증가하였다. 45℃의 온도에서는 6mg에서 28mg으로 비교적 낮은 추출효율을 보였다. 10.3MPa, 35℃의 조건에서 보조용매로서 에탄올의 양을 첨가함에 따른 콜레스테롤의 추출효율은 에탄올의 양이 1, 3, 5ml/min으로 많아짐에 따라 콜레스테롤 추출효율도 증가함을 보였다. 이는 보조용매로 사용한 에탄올에 대한 콜레스테롤의 용해도가 높다는 것을 알 수 있다.

식용 왕달팽이를 이용한 초임계 유체 실험후 추잔물 중 콘드로이틴황산의 함량의 변화는 Fig. 4와 Fig. 5에 나타냈듯이 추출온도 35℃, 13.8MPa의 추출조건에서 식용 달팽이 1g당 105mg으로 최대 회수율을 보였고, 추출 온도 30, 35℃에서는 암력이 증가함에 따라 그 함량도 증가함을 보였으나 40, 50℃에서는 압력이 증가함에 따라 그 함량도 증가하다가 13.8MPa에서는 감소함을 보였다. 그리고 35℃에서 10.3MPa, 12.4MPa의 압력에서 보조용매로서 에탄올을 사용하여 추출했을 때 에탄올의 양이 증가함에 따라 추잔물 중 콘드로이틴황산의 회수율도 증가함을 보였다. 이는 초임계 이산화탄소만을 이용하여 식용 달팽이내의 지질을 추출하였을 때보다 보조용매로서 에탄올을 사용하였을 때 지질 회수율이 증가하므로 추잔물 중 콘드로이틴황산의 함량도 증가하는 것이다.

참고문헌

1. McHugh,M.A. and Krukonis,V.J.:"Supercritical Fluid Extraction Principles and Practice",Butterworth-Heinemann(1986).

2. Paulaitis, M.E., Krukonis, V.J., Krunik, R.T., and Reid, R.C.: "Supercritical Fluid Extraction", Rev. Chem. Engr., 1(2), 179(1982).

3. Kwiakowski, J., Lisicki, Z. and Majewski, W., J. Phys. Chem, 88, 865(1984).

4. McHugh,M.A. and Krukonis, V.J., "Supercritical Fluid  Extraction Principles and Practice", 2nd ed., Butterworth-Heinemann(1994).

5. Brunner, G.: "Extraction of Caffeine from Coffee with Supercritical CO2 ", Proc. Int. Symp. on Supercritical Fluids, 2, 691(1988).

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10. Chun, B.S. and Wilkinson, G.T., "Interfacial Tension in High-Pressure Carbon Dioxide Mixtures", Ind. Eng .Chem. Res., 34(12), 4371(1995a).

11. Chun, B.S., Lee, H.G., Cheon, J.K. and Wilkinson, G.T., "Mass Transfer in a Countercurrent Spray Column at Supercritical Condition s", Korean J. of Chem. Eng., 13(3), 234(1995b).

12. Cunnif, P. : Official Method of Analysis of AOAC International, 16, 3., 1.Ch4,   p.13(1997).

13. Yabe, Y. H,H. Ninomiya., T. Kashiwaba., Tatsuno and T. Okada. : Determination of Sodium Chondroitin Sulfate Added Foods. J. Food Hygiene, 28(1)13-18(1987).