1. 천연물 추출

[학습주제 1] 천연물제품 원료의 제조 방법

1. 천연물 추출

1) 추출(Extraction)

용액 및 고체 혼합물로부터 목적 물질만을 그 물질이 잘 용해되는 용매로 용해 시켜 분리하는 조작을 추출이라고 한다.

용매를 이용하여 혼합물을 추출할 때 혼합물의 특성을 고려하여 추출해야 한다.

자연에서 산출되는 물질로부터의 물질을 분리시킬 때는 고체의 추출법을 이용

하며, 합성화학에서 일어나는 혼합물의 용액으로부터 선택적인 물질의 분리를

하고자 할 때는 용액의 추출법을 이용한다.

일반적인 조추출물 제조방법

① 고상액상분리(Solid-Liquid Separation)

-발효에 의한 물질 추출 시 사용되는 작업으로 fermentation broth에서 cell 혹은 cell 부산물을 분리하는 작업

-고체상 식물과 용매의 분리

-분리방법은 원심분리(centrifugation), 여과(Filtration)

②용매추출(solvent extraction)

-2개의 서로 다른 용매에 존재하는 혼합물을 용해도에 따라 분리

용매 물 클로로포름 에탄올 부탄올 아세톤 헥산

극성도 9.0 3.4 5.2 3.9 5.4 0.0

표 1. 용매별 극성도 (Polarity of Organic Solvent)

2. 용매 추출의 공정

앞서 언급한 바와 같이, 용매 추출은 비극성 및 극성 용매를 사용할 수 있는데, 비극성의 대표적인 용매는 헥산 (n-hexane)이 있고, 극성 용매로는 알코올 (보통 methyl alcohol 이나 ethyl alcohol), 중간정도로는 에틸아세테이트 (ethyl acetate)이 있다.

그림 : Separating funnel

1) 추출시 유의사항

• 재료 식물의 부위, 수분함량, 어떤 물질을 추출하느냐에 따라 추출방법이 결정된다.

• 신선한 식물재료를 추출할 때는 효소에 의해 식물성분이 산화 또는 가수분해 되는 것을 방지하기 위하여 효소기능을 정지시켜야 한다.

• 잎 또는 꽃은 적당히 잘라서 끓는 알코올에 넣으면 됨. 알코올은 추출 용매로서 가장 좋은 용매 - 수욕 상에서 알코올로 1 - 2시간 끓인 후 뜨거울 때 여과한다.

- 추출 횟수는 알코올로 용출하여 나오는 색 (잎의 경우 chlorophyll)의 농도로 결정 한다.

• 건조된 식물재료를 추출할 때는 적당한 크기로 자른 다음(분말로 할 수 있으면 분말로 하는 것이 가장 이상적) 수행한다.

• 일반적으로 흔히 사용하고 있는 계통적 추출법은 석유 ether, Et

0(ether), CHCl

, MeOH 또는

EtOH, H

O의 순으로 추출한다.

<Soxhlet(속실렛) 장치를 이용한 연속추출법>

실험기구 명칭

1. Round bottomed flask(둥근 바닥 플라스크) 3~7. Soxhlet 장치

9. Condenser(냉각기)

<퍼콜레이션 추출법>

퍼콜레이션법은 용매를 넣어 잘 섞어서 적시고 용기를 밀폐하여 실온에서 적당한 시간 동안 방

치한다. 침출기의 아래 밸브를 열고 생약이 덮여질 때까지 천천히 위로부터 용매를 넣어 용매가

한 방울씩 떨어지기 시작했을 때 아래 밸브를 닫고 밀폐하여 실온에서 적당한 시간 동안 방치한

다음 천천히 용매을 흘려내리게 하여 용매에 추출된 천연물 성분을 얻는다. 아래의 그림과 같이

물에 녹는 커피 성분은 침출되어 아래로 모이고, 녹지 않는 성분은 여과지에 모인다.

⓷ 용매의 선정

추출에 적절한 용매의 선정시 가장 중요한 것은 추출하려는 성분의 특성이다. 추출용매는 보통 비등점 (boiling point)과 선택성을 기준으로 하여 선택하는 것이 보통이다.

예를 들면, 일반적으로 pentane, hexane, 등과 같은 비극성 용매는, 알코올성 음료의 향기 성분을 추출할 때에 사용되는데, 이는 알코올이 이들 성분에 대한 용해도가 낮기 때문이다.

비알코올성 경우에는 좀 더 극성이 강한 diethyl ether와 같은 용매가 사용되며, 이 용매는 비점이 낮고 거의 모든 향기성분에 대해서 친화력이 높기 때문에 가장 일반적으로 사용되 고 있다.

용매추출에 의한 추출물은 대부분 증발과정에 의해 농축되므로 추출하려는 성분의 비점보

다 낮은 용매를 사용해야한다.

3. 추출용매에 따른 방법

① 노말 헥산 (normal hexane) 추출

n-hexane은 식품 산업에 있어서 유지 추출에 가장 많이 사용하고 있다. 비록 노말 (normal) 헥산이 아니더라도, 이와 같은 비극 성 용매를 이용하여 유지 추출에 사용한다.

② 에틸 아세테이트 (Ethyl acetate) 추출

ethyl acetate는 식품 산업에서 한때 디카페인 커피(decaffeined coffee)생산에 사용되기도 하였다.

⓷ 알코올 (alcohol) 추출

알코올 추출은 크게 methyl 혹은 ethyl alcohol로 추출하는 것이 일반적이다. methyl alcohol은 일반적으로 식물체에서 생리활 성 물질 추출에 가장 많이 사용하는 용매로, 다양한 성분의 추출에 용이할 뿐만 아니라, 추출 후 분리 정제 시 편리하다. 따라서, 어떤 시료에 대해서 생리활성을 검정하고자 할 때는, 통상 메탄올로 추출한 후, 다음 단계로 진행한다.

ethyl alcohol 추출은 methyl alcohol 추출에 비해 선택성이 높다. 즉, methanol에 비해 포괄적인 성분에 대해서 추출은 다소 미흡하다. 하지만, 당성분이나 사포닌처럼, 추출 대상에 따라 ethyl alcohol이 사용되기도 한다.

④ 열수 (hot water) 추출

뜨거운 물로 생리활성 물질을 추출하는 경우에는, 순수한 물을 추출 매체로 사용하기 때문에 추출 시 사용한 유기용매의 독성에서 기인한 문제가 발생하지 않는다. 열수 추출은 시료에 따라 (열 안 정도) 수 시간동안 장시간 추출하는 경우도 있고, 혹은 30분 이내로 짧은 시간 내에 추출해야 하는 경우도 있기 때문에, 추출 전에 사전 문헌 고찰 등을 통해 추출 조건을 설정하는 것이 중요하다.

열수로 추출된 추출물은 보통 원심 분리하여, 상등액 (supernatant)만을 취해, 동결 건조하여, 분말 을 제조, 생리활성 검증이나 제품화한다. 열수로 추출하는 것처럼, 가열이 필요할 때는 통상 환류 (refluxing) 추출장치를 사용한다. 가열원은 항온수조 (water bath)로 90~100℃ 범위에서 추출하 게 된다. 이때 시료와 증류수를 추출 플라스크에 넣고, 증발되는 물을 계속 순환기 위해서 냉각관을 플라스크와 연결하면, 증발되는 수증기가 냉각관에 의해 응축되어, 플라스크에 재투입되도록 한다.

열수 추출은 유해성 문제가 없고, 수율 (yield)도 좋기 때문에, 버섯의 다당체 성분의 추출이나, 감 귤류의 기능성 플라보노이드 추출 및 기타 수용성 성분 추출에 많이 사용되는 방법이다. 열수 추출 하여 동결건조한 시료를 분리 정제 과정이 용이한 용매인 methanol 등으로 재추출하여, 활성 성분 을 정제하는 방법도 있다.

4. 천연물 추출액의 처리

천연물을 추출한 유기용매는 적당한 방법으로 제거해야 한다.

유기용매를 제거하여 천연물 추출물을 얻기 위한 방법은

①여과 ②동결건조 ⓷증류 등이 있다.

① 여과(filtration)

여과(filtration)는 액체와 고체가 혼합된 물질을 입자의 크기 차이를 이용해 분리하는 방법

이다. 여과를 통해 얻어낸 여과액은 녹지 않는 물질이 들어 있는 혼합물을 거름 장치에 걸

렀을 때 거름종이를 통과해 모인 액체이다. 여과를 한 후에 여과지상에 남는 고체를 찌꺼기

(residue 또는 filter cake), 여과지를 통과한 액체를 여액(filtrate)이라고 부른다. 주로 화학

실험이나 화학공업 등에서 이용되지만 가정에서 종이 필터를 이용하고 커피를 걸러주는 것

도 훌륭한 여과 방법이다.

⓷ 증류(Distillation)

증류는 끓는점의 차이를 이용하여 액체 상태의 혼합물을 분리하는 방법이다. 두 혼합물의 화학 반응 없이 물리적인 분리가 이루어지는 경우를 말한다.

석유를 증류하여 휘발유, 경유, 등유와 같은 여러 종류의 연료로 분리하는 것

<감압증류(vacuum distillation)>

낮은 압력에서는 물질의 끓는점이 내려가는 현상을 이용하여 가능한 저온에서 감압

하여 용매를 제거(

)하기 위하여 주로 rotary evaporator를 이용한다. 고온에

서 증류하면 분해의 우려가 있는 경우에도 주로 이용한다.

<rotary evaporator>

기능 : 물질의 증류, 농축, 분리

특징 : 섞여있는 유기용매의 Boiling Point 차이를 이용하여 유기용매를 낮은 온도에서 분리, 증류, 농축을 할 수 있다.

사용 : Rotary evaporator는 일반 화학 장비로서 유기용매를 농축이나 유기용매를 제거하고자 하는 용액을 둥근 플라 스크에 넣고 감압 농축기(Rotary evaporator)에 연결한 뒤 온도를 제어할 수 있는 Heating bath와 접촉시키며 진공펌 프를 이용하여 감압하는 형태로 이용된다.

섞여 있는 물질의 분리를 위해 섞여 있는 물질의 가장 낮은 물질의 Boiling Point를 setting하고, Rotary evaporator 내부를 진공상태로 만들어 직접적으로 물질을 증류시키는 방식이다.

Evaporating(sample) Flask는 지속적으로 회전을 해주면서 Flask의 전체적인 부분에 온도를 일정하게 유지 하고 Condenser coil에 냉매를 순환하게 하여 증류되는 물질을 다시 액체로 만들어 Receiving flask에 회수를 하여 물질의 분리 및 농축을 한다.