식물 활성 성분 추출의 초음파 기술에 관한 연구

녹색 추출 달성이라는 산업적 목표에 따라 마이크로파 추출, 초임계 유체 추출, 초음파 추출과 같은 새로운 추출 기술이 등장했습니다. 이러한 신기술은 환금작물의 상업적 개발을 크게 촉진시켰습니다. 최근 식품산업 분야에서는 초음파 추출 기술이 급속히 발전하고 있다. 이 기술은 제품의 품질을 향상시킬 뿐만 아니라 생산 비용을 절감하고 생산 효율성과 안전성을 향상시킬 수 있습니다. 초음파는 물질 전달 속도를 높이는 과정에서 고온 환경에서 열에 민감한 물질이 파괴되는 것을 효과적으로 방지할 수 있습니다. 캐비테이션 효과, 기계적 효과 등을 통해 세포내 분비선을 지속적으로 자극하여 유효성분의 빠른 방출을 촉진합니다. 이 기술은 유기용매의 사용을 줄이고, 생리활성 화합물의 순도를 향상시키며, 처리 시간과 운영 비용을 절감할 수 있습니다. 따라서 초음파 보조 추출 기술은 녹색 생산, 지속 가능한 개발 및 환경 보호에 대한 인간의 요구를 충족합니다. 식물 활성 성분 추출에 초음파를 적용하는 것은 독특한 장점으로 인해 점점 더 주목을 받고 있습니다. 연구원들은 또한 더 나은 추출 성능을 달성하기 위해 초음파 기술을 다양한 다른 추출 장비와 결합하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 보다 일반적인 초음파-용매 추출 방법 외에도 초음파-속슬렛 추출, 초음파-균질 추출, 초음파-물 증류 추출, 초음파-마이크로파 추출, 초음파-초임계 이산화탄소 추출이 있습니다.

1 초음파 추출 원리

초음파는 인간의 청각 감지 한계를 초과하는 20kHz 이상의 주파수를 갖는 음파로 정의됩니다. 초음파는 에너지 밀도가 높은 기계적 파동입니다. 소리 에너지 출력 소스는 일반적으로 진동하는 물체로, 이로 인해 주변 매체가 진동하고 에너지가 인접한 다른 입자로 전달될 수 있습니다. 초음파가 매체를 통과할 때 입자의 세로 방향 변위가 발생합니다. 이러한 조밀한 분자 효과는 세포벽 손상을 유발하고 배지 내 유효성분의 물질 전달 속도를 가속화하여 추출 속도를 향상시키는 목적을 달성합니다. 초음파 추출은 단일 작용 메커니즘에 의존하지 않고 기계적 단편화, 열 효과 및 캐비테이션 효과와 같은 여러 물리적 메커니즘을 통해 연속적으로 또는 동시에 작동합니다. 고체-액체 혼합물의 균질액에서 액체 매질의 음향 캐비테이션에 의해 생성된 미세 빔과 미세 난류는 강한 기계적 교란을 유발하여 입자 간의 충돌을 강화하여 일부 취성 재료의 분해 및 국부적 파열을 쉽게 초래할 수 있습니다. 한편, 입자 크기의 감소로 인해 고체 입자의 질량 전달 속도와 고체상과 액체상 사이의 접촉 면적이 증가하여 시료 매트릭스 내 내용물의 용해를 가속화하는 데 도움이 됩니다.

캐비테이션 효과는 액체 내 초음파의 전파 및 진동으로 인해 발생하는 독특하고 복잡한 물리적 현상입니다. 일반적으로 액체 내 캐비테이션 기포의 형성, 팽창 및 파열 과정을 말합니다. 간단히 말해서, 고강도 초음파를 가하면 중간 분자 사이의 인력이 임계값을 초과할 수 있으며, 이로 인해 액체에 높은 전단 응력이 발생하고 결과적으로 캐비테이션 기포가 형성될 수 있습니다. 1 매트릭스 표면 근처에 캐비테이션 기포가 형성됩니다. 지속적인 압축-희박 사이클을 거친 후 캐비테이션 기포는 압축 사이클 중에 파열되어 단기 열에너지를 생성하여 매트릭스 표면에 고속 마이크로젯 유체를 형성하고 강한 충격파를 생성합니다. 이 과정을 통해 주변 국지적 온도는 약 5,000K까지 높아질 수 있으며, 순간 압력은 50~1000atm에 도달할 수 있습니다. 형성된 고압 및 고온 환경은 식물 매트릭스의 세포벽을 파괴하여 세포 내 물질을 용액으로 방출합니다. CHEMAT 등이 오일 추출 전후에 촬영한 바질 잎의 주사전자현미경 이미지를 보면 더욱 생생하게 관찰할 수 있습니다. 추출 전에는 잎의 분비선이 매끄럽고 꽉 차 있습니다. 추출 후 수축되기 시작하지만 샘 구조는 그대로 유지됩니다. 초음파를 이용한 추출 후에는 분비샘이 완전히 부러지고 그 내용물이 모두 방출됩니다.

2 식물 활성물질 추출에 초음파 복합기술 적용

초음파 복합용매 추출법

초음파 용매 추출 방법은 일반적으로 에너지 전달 매체로 유기 용매를 사용합니다. 즉, 추출하려는 대상 화합물의 특성에 따라 서로 다른 극성의 용매를 선택하고 용매를 시료 매트릭스와 완전히 혼합한 다음 초음파 개입을 적용합니다. 이 방법에는 다른 장비의 참여가 필요하지 않습니다. 고체-액체 혼합물을 초음파 장치에 직접 넣어 추출합니다. 초음파는 액체 매질을 통해 시료 매트릭스에 에너지를 고르게 전달함으로써 추출 속도를 향상시키는 목적을 달성합니다. 이것은 초음파 추출에서 가장 전통적이고 간단하며 경제적인 방법입니다.

초음파 추출 장비에는 초음파 수조와 프로브 초음파 장비의 두 가지 유형이 있습니다. 두 시스템 모두 초음파 소스로서 변환기를 기반으로 합니다. 초음파 수조는 일반적으로 약 40kHz의 주파수에서 작동하며 온도 조절 장치가 장착되어 있습니다. 장비는 상대적으로 저렴하며 동시에 많은 수의 샘플을 처리할 수 있습니다. 그러나 초음파 욕조에 담긴 물과 사용된 유리 제품은 전달되는 초음파 에너지를 크게 약화시킵니다. 프로브형 초음파 시스템은 일반적으로 추출 응용 분야에 가장 먼저 선택됩니다. 초음파 에너지는 작은 표면(액체 표면 아래에 잠긴 프로브 팁)을 통해 전달되므로 생성된 초음파 에너지는 추출 매체에 직접 전달되므로 초음파 에너지 손실이 작습니다. 프로브 시스템에서 액체 매질로 전달되는 초음파의 강도로 인해 고액 혼합물의 온도가 급격히 상승하므로 추출을 위해 이중층 쉘 응축 유리 제품을 사용해야 합니다.

국내의 많은 학자들이 이러한 간단하고 경제적인 방법을 사용해 식물 시료에서 다양한 활성물질을 추출해 좋은 결과를 얻었습니다. Liu Yanyan은 Huoshan Dendrobium 다당류의 초음파 보조 추출을 사용했습니다. 최적의 추출 매개변수 하에서 다당류 수율은 19.96mg/g에 도달할 수 있습니다. Niu Sikun은 초음파를 이용한 황금이삭 쿠마린 추출을 사용했으며, 황금이 균사체의 총 쿠마린 추출율은 최대 0.85%에 도달했습니다. 용매 추출과 비교하여 초음파 용매 추출은 대상 제품의 추출 효율을 크게 향상시키고 유기 용매 소비를 줄이며 추출물의 활성을 파괴하기 쉽지 않습니다. 그럼에도 불구하고 이 방법은 여전히 ​​일정량의 유기용제를 소비하므로 어느 정도 환경 오염을 일으키고, 추출된 추출물의 유기 잔류물은 제품 품질에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 최근 몇 년 동안 일부 학자들은 기존 추출 용매를 대체하기 위해 저공융 용매를 사용하고 초음파 보조 방법을 결합하여 식물에서 다양한 활성 성분을 추출하려는 시도를 시작했으며 좋은 결과를 얻었습니다. 저공융용매는 수소결합 수용체와 수소결합 공여체의 조합으로 형성된 공융 혼합물인 새로운 유형의 환경 친화적인 이온성 액체로, 단일 성분보다 융점이 낮습니다. 저공융 용매는 무독성이고 저렴하며 제조가 간단하고 생분해성이 좋습니다. 이는 식물 활성 성분을 추출하는 데 이상적인 용매입니다. 왕 외. 작은 잎 정향에서 에키네시아 배당체와 올러유로페인을 추출하기 위해 초음파 보조 저공융 용매를 사용했습니다. 저공융용매로 염화콜린/글리세롤(1:2, 몰비)을 사용한 경우 고액비 20 g/mL, 온도 68 ℃, 수분함량 20%, 초음파 200 W로 45분간 추출한 경우 에키네시아 글리코사이드와 올러유로페인의 추출율은 각각 80.04%, 86.21%로 현저히 우수하였다. 기존 유기 시약의 추출 결과보다 Ni Yujiaoet al. 바다 갈매나무 종자 가루에서 페놀성 물질을 얻기 위해 초음파 보조 저공융 용매를 사용했습니다. 그 결과 동일한 추출 시간에서 이 방법의 폴리페놀 수율은 열 환류 추출의 폴리페놀 수율의 1.6배인 것으로 나타났습니다.