(+)-Dihydromyricetin 정제를 위한 분별침전공정 개선
임민경, 김진현*
공주대학교화학공학부
Received: December 10, 2013 / Revised: December 31, 2013 / Accepted: January 2, 2014
서 론
Hovenia dulcis
와Ampelopsis grossedentata
유래생리활 성물질인(+)-dihydromyricetin [(+)-ampelopsin] (Fig. 1)
은 알코올분해및간질환치료에효능이뛰어난기능성물질 로숙취해소및간보호관련기능성식품및의약품의원료로 사용되는 물질이다[1, 6, 14, 16, 22]. Du
등[4]
은Ampelopsis grossedentata
유래(+)-dihydromyricetin
이고혈압억제에 도상당히효과가있음을보고하였으며Yoshikawa
등[20]
은에탄올에의한근육이완억제효과및에탄올의체내대 사촉진과간보호효과등이있음을보고하였다
.
또한항알 러지효능이보고되기도하였다[21].
생리활성물질인
(+)-dihydromyricetin
의상업화(
기능성식 품또는의약품)
를위해서는유용성분의대량분리및정제 가필수적이지만이에관한연구는아직까지상당히미흡한 실정이다.
특히산업적대량생산에직접활용될수있는분리및정제방법에대한연구는전무한실정이다
.
다만유기 용매를이용한추출및크로마토그래피를이용한낮은순도(<10%)
의(+)-dihydromyricetin
을얻거나테르페노이드,
지 질,
엽록소,
페놀등이포함되어있는조추출물(crude extract)
을얻는것에제한적으로연구가진행되었다[18, 24].
또한 고순도정제를위한공정으로고가의크로마토그래피를이용하고 있거나 전처리없이 추출을 거친 조생성물
(crude
product)
을high performance liquid chromatography (HPLC)
에의해서바로최종정제하여경제적측면에서많은문제 가있으며또한산업적대량생산을위한스케일업에많은Improvement of the Fractional Precipitation Process for the Purification of (+)-Dihydromyricetin
Min-Kyoung Lim and Jin-Hyun Kim*
Department of Chemical Engineering, Kongju National University, Cheonan 330-717, Republic of Korea
Fractional precipitation is a simple method for purifying (+)-dihydromyricetin extracted from biomass. However, the fractional precipitation process has been inherently problematic due to the lengthy precipitation time that is required. The fractional pre- cipitation time was shortened and (+)-dihydromyricetin yield was improved by increasing the surface area per working volume (S/V) of the reacting solution through the addition of a cation exchange resin (Amberlite 200, Amberlite IR 120Na, Amberlite IR 120H, or Amberlite IRC 50). Most of the (+)-dihydromyricetin (>90%) could be obtained after about 16 h of fractional precipita- tion using Amberlite 200. Since high-purity (+)-dihydromyricetin can be obtained at a high yield and the precipitation time can be reduced by increasing the surface area available for precipitation, this improved method is expected to minimize solvent usage and the size and complexity of the high performance liquid chromatography operation required for (+)-dihydromyricetin purification.
Keywords: (+)-Dihydromyricetin, purification, fractional precipitation, surface area, improvement
*Corresponding author
Tel: +82-41-521-9361, Fax: +82-41-554-2640 E-mail: [email protected]
© 2014, The Korean Society for Microbiology and Biotechnology Fig. 1. The structure of (+)-dihydromyricetin.
26 Lim et al.
어려움이따른다
[4].
2008
년분별침전(fractional precipitation)
에의해높은순 도(>83.2%)
의(+)-dihydromyricetin
을얻을수있는효율적 인정제공정이개발되었다.
그러나분별침전공정에서침전에많은시간
(~32 h)
이소요되어대량생산공정에적용되는데여전히어려움이있다
[13].
따라서본연구에서는분별침전을위한반응기내부의반응액부피당표면적을증가시켜 분별침전에소요되는시간을획기적으로단축시킬수있는 새로운방법을개발하고자하였다
.
이러한연구결과는기존 의분별침전방법에의한(+)-dihydromyricetin
정제공정의 문제점을개선함으로써(+)-dihydromyricetin
의대량생산에 매우유용하게활용될수있을것으로판단된다.
재료 및 방법
(+)-Dihydromyricetin 시료
본연구에사용된
(+)-dihydromyricetin
는Guilin Natural Ingredient, Inc. (Guilin, China)
에서 구입한 조추출물(
순도: 50.0%)
를사용하였다.
(+)-Dihydromyricetin 분석
(+)-Dihydromyricetin
분석을 위해HPLC
시스템(Waters, Milford, MA, USA)
을이용하였다.
분석은C
18칼럼(4.6
×150 mm, 5
µm, Beckman, USA)
을 사용하였다.
이동상은gradient
조건으로0.1%
트리플루오로아세트산/
아세토니트릴90/10 (v/v)
로5
분동안흘려준후30/70 (v/v)
로전환하여30
분동안흘려주었다.
유속은1.0 ml/min,
시료주입량은20
µl
이며254 nm
에서UV
에의해검출하였다. HPLC
분석은표 준정량곡선을이용하였으며,
표준물질은Guilin Natural Ingredient, Inc. (Guilin, China)
에서구입한순도98%
의제 품을사용하였다[13].
분별침전(fractional precipitation)
조추출물의
(+)-dihydromyricetin
시료(
순도: 50.0%)
를아 세톤에녹인후(0.1 g
조추출물/1 ml
아세톤),
증류수(5 ml)
를교반
(350 rpm)
하에한방울씩떨어뜨려용해도차이를이용해
(+)-dihydromyricetin
침전을유도하였다.
반응기부피 는20 ml
이며반응액부피는6 ml
이었다.
반응액부피당표 면적(surface area/working volume, S/V)
은조업이가능한 최대값(0.428 mm
−1)
으로고정하여실험을수행하였다. S/V
는다음과같이계산하였다.
S/V(mm
−1) = [
이온교환수지의총표면적(mm
2)/
반응액부피
(mm
3)] (1)
반응액부피당표면적을증가시키기위하여반응기내부에음이온교환수지
(Amberlite IRA 400OH, Amberlite IRA 400Cl, Amberlite IRA 910, Amberlite IRA 96, Amberlite IRA 67, Sigma-Aldrich, Seoul, Korea)
와 양이온교환수지(Amberlite IR 120H, Amberlite IR 120Na, Amberlite 200, Amberlite IRC 50, Sigma-Aldrich)
를 각각 첨가하고 용액의pH
를9.0
로 조정한 후4
oC
에서 보관하여(+)- dihydromyricetin
침전물을얻었다.
실험에사용된이온교 환수지의입자크기는16-50 mesh
이며표면적은구의표면 적계산방법으로구하였다.
이온교환수지는35
oC
에서하루 동안건조한후실험에사용하였다. (+)-Dihydromyricetin
의분별침전 개략도를
Fig. 2
에 나타내었다.
침전 후(+)-
dihydromyricetin
침전물을 여과지(150 mm, Whatman, Buckinghamshire, UK)
로여과하여침전물을35
oC
에서24
시 간동안진공오븐(UP-2000, EYELA, Japan)
에서건조하였다
.
건조된침전물의순도와수율은HPLC
로분석하였다.
침전물 형태 확인
분별침전공정에서
(+)-dihydromyricetin
침전물형태를관 찰하기 위해 전자현미경SV-35 Video Microscope
시스템(Some Tech, Korea)
을 사용하였다.
분별침전 동안(+)- dihydromyricetin
침전물을고배율(
×100)
에서관찰하였다.
관찰된(+)-dihydromyricetin
침전물은IT-Plus
시스템(Some Tech, Korea)
에서동화상으로확인하였으며이를통해
(+)-dihydromyricetin
침전물의형태를확인하였다[11].
결과 및 고찰
(+)-Dihydromyricetin 분별침전공정
분별침전은생리활성물질인
(+)-dihydromyricetin
을효율 적으로정제할수있는매우간편한방법으로,
용해도차이 를이용하여높은순도의(+)-dihydromyricetin
을고수율로Fig. 2. Schematic diagram of fractional precipitation by
increasing surface area using ion exchange resin for the puri-
fication of (+)-dihydromyricetin.
얻을수있는대표적인정제공정이다
[13].
기존문헌보고에 따르면(+)-dihydromyricetin
분별침전을위한최적조건으 로아세톤/
증류수비,
초기(+)-dihydromyricetin
농도,
보관 온도, pH
는각각1/5 (v/v), 0.1 g/ml, 4
oC, 9.0
이었다[13].
주 어진최적의분별침전조건으로실험을수행하여분별침전동안 침전물을여과
,
건조 뒤HPLC
분석을 수행한 결과,
Fig. 3
에서보는바와같이분별침전24
시간까지수율(~70%)
은급격히증가하다24
시간이후거의변화가없었다.
반면분별침전동안순도
(80-85%)
변화는미미함을알수있었다.
이러한경향은기존에보고된연구결과
[13]
와유사하였으 며,
분별침전에많은시간(24-32
시간)
이소요됨을확인할수 있었다.
반응액 부피당 표면적(S/V) 증가의 영향
분별침전은간단하고효율적으로정제할수있는방법이 기는하지만분별침전에많은시간
(24-32
시간)
이소요되어(+)-dihydromyricetin
의대량생산에어려움이따른다.
이러 한분별침전에소요되는긴침전시간문제를개선하기위 하여,
반응기내부의 반응액부피당표면적이 증가된분별 침전공정을 도입하고자 하였다.
분별침전공정에서(+)- dihydromyricetin
이침전되는양상을살펴본결과,
반응기 바닥과벽에얇게침전되어존재하는것을알수있었다.
실 제대부분의결정화는외부표면(
외부불순물입자,
반응기 벽,
교반장치표면등)
의도움을받아핵이생성된다[7-10].
이러한사실을토대로침전공정에서반응기내부의반응액
부피당표면적
(S/V)
을증가시켜(+)-dihydromyricetin
이침 전할수있는공간을증가시켜줌으로써침전효율을향상시 키고자하였다.
기존문헌의분별침전을위한최적조건을토 대로아세톤/
증류수비,
보관온도,
초기(+)-dihydromyricetin
농도, pH
는각각1/5 (v/v), 4
oC, 0.1 g/ml, 9.0
로고정하고,
반응기내부의반응액부피당표면적(S/V: 0.428 mm
−1)
증 가를위해양이온교환수지와음이온교환수지를각각첨가하 여분별침전을수행하였다. Fig. 4
에서보는바와같이침전 시간이경과함에따라(+)-dihydromyricetin
수율도증가하 였다.
반응기내부표면적을증가시키지않은경우에침전24
시간경과후수율은70.0%
정도인반면표면적증가를위해양이온교환수지중강산성수지인
Amberlite IR 120H
를 첨가한 경우83.0%, Amberlite IR 120Na
를 첨가한 경우89.3%, Amberlite 200
을첨가한경우90.9%,
양이온교환수 지 중 약산성수지인Amberlite IRC 50
을 첨가한 경우75.0%
로각각나타났다.
표면적증가에의해침전효율이매우향상됨을알수있었다
.
특히Amberlite 200
의경우침전16
시간에높은수율(>90%)
을나타내어상대적으로짧은침 전시간에높은수율로(+)-dihydromyricetin
을얻을수있었 다.
이러한결과는표면적증가물질과(+)-dihydromyricetin
간의친화력차이때문으로판단된다
[5, 12].
반면표면적증가를 위한 음이온교환수지인
Amberlite IRA 400OH
와Amberlite IRA 400Cl
의경우에는적은양의침전물이형성 되었으나수율이매우낮았으며Amberlite IRA 910, Amberlite IRA 96, Amberlite IRA 67
의경우에는침전물이전혀형성되지않았다
.
순도는Fig. 5
에서보는바와같이침전시간이경과할수록소폭증가하였으며
,
침전24
시간에서의순도는 반응기내부표면적을증가시키지않은경우80.0%,
표면적Fig. 3. Effect of precipitation time on the purity and yield of
(+)-dihydromyricetin at a fixed acetone/distilled water ratio (1/5, v/v), precipitation temperature (4
oC), pH (9.0), and initial concentration (0.1 g/ml) in fractional precipitation process .
Fig. 4. Effect of cation exchange resin used to increase sur-
face area per working volume (S/V: 0.428 mm
-1) on the yield
of (+)-dihydromyricetin during fractional precipitation.
28 Lim et al.
증가를위해양이온교환수지중강산성수지인
Amberlite IR 120H
를첨가한경우89.5%, Amberlite IR 120Na
를첨가한 경우90.0%, Amberlite 200
을첨가한경우90.2%,
양이온교 환수지중약산성수지인Amberlite IRC 50
을첨가한경우89.6%
로각각나타났다.
분별침전24
시간에서표면적증가물질로양이온교환수지인
Amberlite 200
을첨가한경우가장 높은순도(90.2%)
와수율(90.9%)
를얻을수있었다.
음이온교환수지의경우표면적증가물질첨가에의한반
응액부피당표면적
(S/V)
증가에도불구하고침전물이형성되지 않는 이유를 조사하였다
.
음이온교환수지에(+)- dihydromyricetin
이흡착되었을가능성을확인하기위하여,
분별침전24
시간경과후상등액(supernatant)
에서의(+)- dihydromyricetin
함량을분석하였다. Table 1
에서보는바 와같이침전물이미량형성되었던Amberlite IRA 400OH
와Amberlite IRA 400Cl
의경우상등액에서의(+)-dihydromyricetin
함량은각각
31.3%
와33.2%
이었다.
반면전혀침전물이형 성되지 않았던Amberlite IRA 910, Amberlite IRA 96, Amberlite IRA 67
의경우상등액에서의(+)-dihydromyricetin
함량은각각17.2%, 17.5%, 19.7%
이었으며침전물이미량 생성된Amberlite IRA 400OH
와Amberlite IRA 400Cl
보 다상등액에서의(+)-dihydromyricetin
함량이현저히낮음 을확인할수있었다.
즉,
음이온교환수지중Amberlite IRA 910, Amberlite IRA 96, Amberlite IRA 67
의경우Amberlite IRA 400OH
와Amberlite IRA 400Cl
보다더많이이온교환 수지에흡착됨을알수있었다.
이러한결과로부터표면적증 가물질로음이온교환수지를사용한분별침전의경우,
침전 물이원활하게형성되지않는이유는이온교환수지에대부분 의(+)-dihydromyricetin
이흡착되기때문으로판단된다[17].
표면적 증가에 따른 (+)-dihyromyricetin 침전물 형태 변화
분별침전에서반응액부피당표면적
(S/V)
증가에따른침 전물형태변화를조사하기위하여전자현미경을이용하여(+)-dihydromyricetin
침전물을확인하였다.
양이온교환수지 와음이온교환수지에서의침전양상을Fig. 6
과Fig. 7
에각 각나타내었다.
표면적증가물질종류와침전시간에따라침 전양상이달라짐을알수있었다.
동일한침전시간에서는 표면적증가물질을첨가하지않은경우에비해표면적증가 물질인양이온교환수지(Amberlite IR 120H, Amberlite IR 120Na, Amberlite 200 Amberlite IRC 50)
와음이온교환수 지(Amberlite IRA 400OH, Amberlite IRA 400Cl)
를첨가 한경우(+)-dihydromyricetin
침전물의크기가작아짐을알 수있었다.
표면적증가물질을첨가하지않은경우에비해표 면적증가물질인이온교환수지를첨가한경우결정성장을저해받았기때문으로판단된다
[11].
또한표면적증가물질의종류에따라입자형태와크기가다른이유는표면적증가물 질의친화력
(affinity)
차이때문으로판단된다[5, 12].
즉,
표 면적증가물질과(+)-dihydromyricetin
입자의친화력이증가 할수록(+)-dihydromyricetin
입자성장을저해하는더효과 적인공간적저해요소(steric barrier)
역할을하기때문에침 전물의크기가감소하게된다.
이러한현상은원료의약품인megestrol acetate [2], spironolactone [3], atorvastatin calcium [23]
에서도확인되었는데,
침전공정에서고분자물질을첨가 하여성공적으로이들원료의약품의입자크기를효과적으로조 절할수있었다.
일반적으로원료의약품(active pharmaceutical ingredient, API)
의경우입자크기를작게하여그활용도 를높이고자한다.
입자크기가작아질수록제형시용해속 도(dissolution rate),
약물 분산의 균일성(uniformity of drug dispersion),
경구생체이용률(oral bioavailability)
등 을향상시킬수있는장점을가지고있기때문이다[2, 11, 19].
Fig. 5. Effect of cation exchange resin used to increase sur- face area per working volume (S/V: 0.428 mm
−1) on the purity of (+)-dihydromyricetin during fractional precipitation.
Table 1. Distribution of (+)-dihydromyricetin in supernatant of precipitator after fractional precipitation (24 h) at different anion exchange resins used to increase surface area per working volume (S/V: 0.428 mm
−1).
Ion exchange resin Distribution of (+)-dihydromyricetin in supernatant (%)*
Amberlite IRA 400OH 31.3 ± 2.0
Amberlite IRA 400Cl 33.2 ± 2.2
Amberlite IRA 910 17.2 ± 1.4
Amberlite IRA 96 17.5 ± 1.6
Amberlite IRA 67 19.7 ± 1.7
*Data are shown as distribution (%) ± SD.
또한입자크기가작을수록정제후건조단계에서잔류수
분및잔류용매제거에도상당히도움이되기때문이다
[15].
이러한이유로본연구결과인표면적증가물질인이온교환 수지를첨가에의한
(+)-dihydromyricetin
입자크기감소는 의약품의활용측면에서도유용하게사용될수있을것으로 판단된다.
요 약
본 연구에서는 바이오매스 유래 생리활성물질인
(+)-
dihydromyricetin
을효율적으로정제하기위하여,
반응액부피당표면적
(S/V)
이증가된새로운개념의분별침전공정을도입하였다
.
분별침전24
시간에서반응기내부표면적을증가시키지않은경우순도와수율은각각
80.0%
와70.0%
인반면표면적증가를위해양이온교환수지인
Amberlite 200
을첨가한경우순도와수율은각각90.2%
와90.9%
로가장 효과적인표면적증가물질임을알수있었다.
특히Amberlite
200
의경우상대적으로짧은침전시간(16
시간)
에높은수율(>90%)
로(+)-dihydromyricetin
을얻을수있어침전에소요 되는시간을효과적으로단축시킬수있었다.
동일한침전시Fig. 6. Optical images of (+)-dihydromyricetin precipitate formed by fractional precipitation at 8 h, 16 h, 24 h: control (A); cation
exchange resins Amberlite 200 (B); Amberlite IR 120H (C); Amberlite IR 120Na (D); Amberlite IRC 50 (E). Scale bar indicates
500 µm.
30 Lim et al.
간에서는표면적증가물질을첨가하지않은경우에비해표 면적증가물질을첨가한경우침전물의입자크기가감소함 을알수있었다
.
이러한연구결과는기존의분별침전방법 에의한(+)-dihydromyricetin
정제공정의문제점을개선함 으로써(+)-dihydromyricetin
의대량생산에매우유용하게활 용될수있을것으로판단된다.
References