녹차에서 차 폴리페놀의 초음파 보조 추출

녹차에서 차 폴리페놀의 초음파 보조 추출

중요한 천연 항산화제인 녹차 폴리페놀은 식품, 제약, 화장품 산업에서 광범위한 응용 가능성을 가지고 있습니다. 세포 구조를 방해하고 물질 전달 과정을 향상시키는 캐비테이션 효과라는 고유한 장점을 지닌 초음파 보조 추출(UAE)은 기존 용매 추출을 대체하는 친환경적이고 효율적인 기술이 되었습니다.

연구에 따르면 초음파 전력(250-400W), 추출 온도(45-72℃), 추출 시간(8-40분) 및 용매 구성(50%-77.6% 에탄올 또는 새로운 녹색 용매)을 최적화함으로써 차 폴리페놀의 추출 속도가 건조 차 g당 21.78-44.82mg GAE에 도달할 수 있는 것으로 나타났습니다. 향후 연구는 프로세스 규모 확대, 나노전달 시스템 개발, 수명 주기 지속 가능성 평가에 중점을 둘 것입니다.

차(Camellia sinensis)는 중국이 원산지이며 전 세계적으로 가장 널리 소비되는 음료 중 하나입니다. 녹차는 건조 중량의 25%-40%를 차지하는 폴리페놀 화합물이 풍부하며, 그 중 카테킨과 그 파생물(예: 에피갈로카테킨 갈레이트, EGCG)이 주요 생리 활성 성분입니다. 이들 화합물은 항산화, 항염증, 항암, 항비만 효과 등 다양한 생리적 기능을 갖고 있어 기능성식품, 영양보충제, 화장품 등에 널리 사용되고 있다.

그러나 식물 매트릭스의 복잡성, 폴리페놀 화합물의 열 민감성 및 전통적인 추출 방법의 한계로 인해 차 폴리페놀의 효율적인 추출에 어려움이 있습니다. 전통적인 용매 추출 방법(예: 침연, 환류 추출, 속슬렛 추출)은 높은 용매 소비, 높은 에너지 소비, 긴 추출 시간, 고온으로 인한 활성 성분의 분해 위험 등의 문제를 안고 있습니다. 녹색 화학 개념이 대중화됨에 따라 환경 친화적이고 효율적이며 에너지를 절약하는 추출 기술의 개발이 연구 핫스팟이 되었습니다.

새롭게 떠오르는 녹색 추출 기술인 초음파 보조 추출(UAE)은 초음파의 캐비테이션 효과를 활용하여 국부적인 고온, 고압 및 마이크로젯을 생성하여 식물 세포벽을 효과적으로 파괴하고 세포 내 표적 물질의 용매로의 대량 전달을 촉진합니다. 기존 방법에 비해 UAE는 추출 시간을 크게 단축하고, 용매 소비를 줄이며, 추출 속도를 높이고, 열에 민감한 구성 요소의 분해를 방지할 수 있습니다.

2. 초음파 보조 추출 기술의 원리 및 장점

2.1 초음파 캐비테이션 효과 및 작용 메커니즘

초음파 보조 추출의 핵심 메커니즘은 캐비테이션 효과입니다. 초음파가 액체 매질에서 전파되면 압축파와 팽창파가 교대로 발생하여 작은 진공 기포(캐비테이션 기포)가 생성됩니다. 이러한 기포는 음파의 음압 단계에서 형성되고 양압 단계에서 빠르게 붕괴됩니다. 이러한 기포가 순간적으로 붕괴되면 국지적인 고온(최대 5000K)과 고압(약 1000atm)이 발생하고 강렬한 마이크로젯과 충격파가 동반됩니다. 이러한 물리적 효과는 식물 세포에 여러 가지 영향을 미칩니다.

세포벽 파괴: 마이크로젯과 충격파는 세포벽과 세포막 구조를 물리적으로 파괴하여 물질 전달 저항을 감소시킵니다.

입자 크기 감소: 초음파의 기계적 에너지는 식물 입자를 정제하여 비표면적을 늘리고 용매 침투를 촉진합니다.

향상된 질량 전달: 캐비테이션 효과에 의해 생성된 난류 및 미세 교란은 대상 화합물이 매트릭스에서 용매로 확산되는 것을 가속화합니다.

연구에 따르면 초음파 처리는 차 세포의 미세 구조를 크게 변화시켜 세포벽에 기공과 파열을 일으키고 이는 폴리페놀의 용해에 도움이 되는 것으로 나타났습니다.

2.2 기존 추출방법과의 비교

여러 연구에서 초음파 보조 추출과 기존 추출 방법을 체계적으로 비교했습니다. 50% 에탄올-물을 용매로 사용하여 초음파 보조 추출(UAE)은 21.52-36.42 mg GAE/g 건조 차의 총 페놀 함량을 산출했으며, 이는 전자레인지 보조 추출(MAE)로 얻은 18.43-32.29 mg GAE/g 건조 차와 전통적인 침용으로 얻은 12.59-28.52 mg GAE/g 건조 차보다 훨씬 높습니다. 주사 전자 현미경을 통해 UAE로 처리된 차 샘플의 세포 구조가 가장 철저하게 파괴되었음을 추가로 확인했습니다.

추출 효율과 관련하여 Ziyang 녹차에 대한 연구에 따르면 최적화된 UAE 공정(고액비 1:35.8, 에탄올 부피 분율 77.6%, 초음파 시간 37.6분, 초음파 온도 72.1℃, 초음파 전력 248.4W)은 차 폴리페놀 추출율 21.78%를 달성했으며 이는 기존 에탄올 침용법보다 8.56% 더 높으며 추출 시간이 크게 단축된 것으로 나타났습니다.

2.3 녹색기술의 장점

지속 가능한 개발 관점에서 UAE 기술은 여러 가지 친환경 이점을 제공합니다.

에너지 소비 감소: 고급 추출 기술로 에너지 소비를 30%-50% 줄일 수 있습니다.

용매 절약: 전통적인 물 추출과 비교하여 UAE는 심층 공융 용매(DES)와 결합하여 용매 소비를 40%까지 줄일 수 있습니다.

탄소 배출 감소: UAE+DES 공정의 탄소 배출 강도(0.5kg CO2/kg 제품)는 기존 물 추출(0.8kg CO2/kg 제품)보다 낮습니다.

열 분해 방지: 더 낮은 온도에서 작동하여 열에 민감한 카테킨의 생체 활성을 보호할 수 있습니다.

3가지 주요 프로세스 매개변수 및 최적화 전략

3.1 주요 영향 요인

초음파 보조 추출의 효율성은 주로 다음을 포함한 여러 공정 매개변수의 영향을 받습니다.

3.1.1 용매 종류 및 농도

용매 선택은 추출 효율성에 영향을 미치는 핵심 요소입니다. 차 폴리페놀은 극성 분자이기 때문에 물, 에탄올, 메탄올 및 이들의 혼합물과 같은 극성 용매가 일반적으로 사용됩니다. 연구에 따르면 50% 에탄올-물 혼합 용매는 최고의 추출 효율성을 제공하며 총 페놀 함량은 22.69-36.42mg GAE/g 건조 차에 도달합니다. 이어서 50% 아세토니트릴-물(18.47-33.49 mg GAE/g 건조 차); 순수한 물은 추출 효율이 가장 낮습니다. 또 다른 연구에서는 에탄올 부피 분율을 77.6%로 최적화했습니다.

최근 몇 년 동안 친환경 용매 시스템이 광범위한 관심을 받아왔습니다. 수소결합 공여체와 수용체로 구성된 심공융용매(DES)는 생분해성, 낮은 독성, 설계성 등의 장점을 가지고 있습니다. 한 연구에서는 아세트산 나트륨-글리세롤 DES를 사용하여 찻잎에서 생리 활성 성분을 추출하여 90% 초음파 진폭, 10분 시간 및 액체 대 고체 비율 30mL/g의 조건에서 총 페놀 함량이 24.76mg GAE/g 건조 중량을 달성했습니다. 대조적으로, 글리세롤-물 시스템(하이드로-글리세롤)은 86% 초음파 진폭, 8분 시간, 24mL/g의 액체 대 고체 비율 조건에서 90.68mg GAE/g 건조 중량의 총 페놀 함량을 달성하여 더 높은 추출 효율을 나타냈습니다.

또 다른 녹색 혁신은 수용성 성장 촉진제 보조 추출입니다. 수용성 성장 촉진제로 소듐 서브틸리세이트(NaCuS)를 사용하고 수성 매질에서 차 폴리페놀의 초음파 추출과 결합하여 액체 대 고체 비율 0.05, 초음파 시간 3.2시간, 온도 49.9℃ 조건에서 68.429%의 추출 효율을 달성했습니다.

3.1.2 초음파 전력

초음파 전력은 캐비테이션 효과의 강도에 직접적인 영향을 미칩니다. 전력이 너무 낮으면 캐비테이션이 충분하지 않게 됩니다. 출력이 너무 높으면 활성 성분이 저하될 수 있습니다. 연구에 따르면 최적의 초음파 전력 범위는 250-400W입니다. 반응 표면 방법을 사용한 한 연구에서는 최적의 전력이 250W로 결정되었습니다. Jingshan 녹차 추출에 관한 연구에서는 400W를 사용하여 33.81%의 추출률을 달성했습니다. 또 다른 최적화 연구에서는 최적의 전력이 248.4W인 것으로 나타났습니다.

3.1.3 추출온도

온도는 용매의 확산계수, 용해도, 목적 화합물의 안정성에 영향을 미칩니다. 차 폴리페놀은 열에 민감합니다. 온도가 지나치게 높으면 성능 저하 및 이성질화가 발생할 수 있습니다. 연구 결과에 따르면 최적의 추출 온도 범위는 45~72℃입니다. 한 연구에서는 추출을 72.1℃로 최적화했고, 다른 연구에서는 45℃에서 44.82 mg GAE/g 건조 차의 높은 추출 속도를 달성했습니다. 글리세롤-물 시스템의 경우 낮은 온도(약 50℃)에서 좋은 결과를 얻을 수 있습니다.

3.1.4 추출 시간

초음파 시간은 추출 효율성과 활동 보존의 균형을 맞춰야 합니다. 시간이 너무 짧으면 추출이 불완전해집니다. 시간이 너무 길면 열 효과가 누적되고 구성 요소가 저하될 수 있습니다. 연구에 따르면 최적의 초음파 시간 범위는 8~40분입니다. 경산 녹차 추출에는 40분이 소요됩니다. 글리세롤-물 시스템은 단 8분 만에 높은 추출 속도를 달성할 수 있습니다.

3.1.5 고체-액체 비율 고체-액체 비율은 농도 구배와 물질 전달 추진력에 영향을 미칩니다. 비율이 너무 낮으면 용매가 부족하고 추출이 불완전해집니다. 비율이 너무 높으면 후속 농축 비용과 용매 소비가 증가합니다. 최적화 연구에 따르면 최적의 고체-액체 비율은 1:24-1:36 g/mL 범위에 집중되어 있습니다. 한 연구에서는 1:35.8의 최적화된 값을 결정했습니다. 글리세롤-물 시스템의 최적화된 값은 1:24입니다.

친환경적이고 효율적인 기술인 초음파 보조 추출은 녹차에서 차 폴리페놀을 추출하는 데 상당한 이점을 보여주었습니다. 초음파 전력(250-400W), 추출 온도(45-72℃), 추출 시간(8-40분), 용매 조성 등 핵심 공정 매개변수를 최적화함으로써 차 폴리페놀의 추출 속도는 건조 차 g당 21.78-44.82 mg GAE에 도달할 수 있습니다. 녹색 용매 시스템(심층 공융 용매, 글리세롤-물, 수용성 성장 촉진제)의 개발은 공정의 환경 친화성을 더욱 향상시킵니다. 반응 표면 방법론은 현재 주류 최적화 도구이며, 기계 학습과 같은 인공 지능 방법은 새로운 연구 분야가 되고 있습니다. 추출물의 항산화, 피부미용, 항균 기능은 식품, 화장품, 제약 산업에 응용할 수 있는 기반을 마련합니다. 향후 연구는 공정 규모 확대, 표준화 시스템 구축, 안전성 평가 및 수명 주기 지속 가능성에 중점을 두고 차 폴리페놀에 대한 초음파 보조 추출 기술의 산업적 적용을 촉진해야 합니다.