천연물의 아임계수 추출 1부

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추상적인:아임계수는 고온 고압의 물을 말합니다. 아임계수의 독특하고 유용한 특성은 온도가 증가함에 따라 극성이 급격히 감소할 수 있다는 것입니다. 따라서 아임계수는 메탄올이나 에탄올과 유사하게 거동할 수 있습니다. 이것은 아임계수를 다양한 유기종에 사용되는 녹색 추출 유체로 만듭니다. 이 리뷰는 천연 제품의 아임계수 추출(SBWE)에 중점을 둡니다. 추출된 물질은 약용 및 조미료, 야채, 과일, 식품 부산물, 조류, 관목, 찻잎, 곡물 및 종자를 포함합니다. 알칼로이드, 탄수화물, 에센셜 오일, 플라보노이드, 배당체, 리그난, 유기산, 폴리페놀, 퀴논, 스테로이드 및 테르펜과 같은 광범위한 천연 제품이 아임계수를 사용하여 추출되었습니다. 다양한 SBWE 시스템과 그 장점과 단점도 이 리뷰에서 논의되었습니다. 또한 SBWE를 지원하는 데 사용되는 에탄올, 메탄올, 염 및 이온성 액체를 포함한 공용매를 검토했습니다. SBWE와 결합된 마이크로파 및 초음파 처리와 같은 다른 추출 기술도 이 리뷰에서 다룹니다. 온도가 SBWE 효율에 가장 큰 영향을 미치므로 최적화할 수 있음이 매우 분명합니다. 위에서 언급한 천연물을 추출하기 위한 최적의 온도 범위는 130~240도입니다. 이 리뷰는 특히 천연 제품의 녹색 추출 분야에 관심이 있는 독자를 위해 독자가 SBWE 기술에 대해 더 많이 배우는 데 도움이 될 수 있습니다. 천연물 SBWE의 가장 큰 장점은 물이 독성이 없기 때문에 허브, 야채, 과일 추출에 더 적합하다는 것입니다. 또 다른 이점은 SBWE 후에 액체 폐기물 처리가 필요하지 않다는 것입니다. Co 아임계수는 유기용제에 비해 생태, 경제성, 안전성 면에서 장점이 있을 뿐만 아니라 온도에 따라 밀도, 이온생성물, 유전율을 조절할 수 있습니다. 이러한 조정 가능한 특성으로 인해 아임계수는 낮은 온도에서 극성 화합물을 추출하고 높은 온도에서 극성이 덜한 성분을 추출하는 것과 같은 클래스 선택적 추출을 수행할 수 있습니다. SBWE는 더 높은 추출 효율로 약초를 준비하기 위해 전통적인 약초 달인을 모방할 수 있습니다. SBWE는 고온 고압을 사용하므로 안전한 작동을 위해 각별한 주의가 필요합니다. SBWE 적용의 또 다른 과제는 고온 조건에서 잠재적인 유기물 분해입니다. SBWE를 수행할 때 분석물 안정성 검사를 수행하는 것이 좋습니다. SBWE 효율이 낮은 분석물의 경우 에탄올, 계면활성제 또는 이온성 액체와 같은 소수의 유기 개질제를 첨가할 수 있습니다.

키워드:천연 제품; 아임계수 추출;알칼로이드; 배당체; 플라보노이드; 에센셜 오일;퀴논; 테르펜;리그난; 유기산; 폴리페놀류; 스테로이드; 탄수화물

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1. 소개

수천 년 동안 약초는 특히 동아시아에서 질병을 치료하는 데 중요한 역할을 해왔습니다. 허브와 식물의 생리활성 성분은 많은 질병의 예방과 치료의 기초가 됩니다[1. 화학적 합성 약물에 대한 부작용이 상대적으로 적기 때문에 허브와 식물에서 광범위한 생리 활성 화합물을 추출하고 분리하는 데 많은 관심을 기울이고 있습니다. 1000-한약재에서 약재 활성 성분(API)의 1년 추출 과정은 전통적인 약초 달인(THD) 방법입니다. 그러나 THD에는 긴 추출 시간과 유효성분의 분해 등 몇 가지 결점이 있다. 메탄올, 에탄올, n-헥산, 석유 에테르, 디에틸 에테르, 클로로포름, 에틸 아세테이트 및 글리세롤은 추출 효율을 높이고 추출 시간을 줄이기 위해 종종 추출 용매로 사용됩니다. 분명히, 이러한 유기 용매는 휘발성, 가연성, 대부분 독성이 있고 값이 비쌉니다. 따라서 허브, 식물, 과일, 채소 등에 대한 안전한 추출액이 아닙니다.

최근 개발된 다양한 새로운 녹색 추출 및 분리 기술 중 SBWE가 가장 유망한 기술입니다. 아임계수는 임계점(Tc{0}}.15도, Pc{2}}.1 Mpa) 미만의 온도 및 압력에서 액체 상태의 물을 말합니다. 물을 액체 상태로 유지하려면 아임계수의 압력은 주어진 온도에서 증기압보다 높아야 합니다. 온도가 증가함에 따라 아임계수의 pH 물리화학적 성질은 급격하게 변한다. 유전상수, 점도, 표면장력이 모두 꾸준히 감소하며 수온이 상승함에 따라 확산계수가 향상됩니다[2-5].

그림 1과 같이 27도, 100Mpa에서 물은 극성 용매이고 유전율은 81.2입니다. 다행히도 100Mpa에서 온도가 350도까지 올라가면 물의 유전 상수는 약 20으로 감소합니다. 즉, 물의 극성은 강한 극성에서 훨씬 낮은 극성으로 바뀝니다[2]. 예를 들어, 200도, 250도 및 300도에서 물의 유전 상수는 각각 아세토니트릴, 메탄올 및 에탄올의 유전 상수와 동일합니다(그림 1). 따라서 훨씬 적은 수의 극성 화합물이 고온에서 아임계수에 의해 추출될 수 있습니다. 이론적으로 아임계수는 극성을 조정할 수 있으므로 추출 온도와 압력 조건을 조정하여 많은 물질을 추출할 수 있습니다.

실제 추출 과정에서 압력은 물의 유전율에 미치는 영향이 미미하므로 물의 온도를 조절하여 물의 유전율을 조절하여 다양한 유기용매를 모방한다. 아임계수의 이러한 독특한 특성은 물을 산, 알칼리, 촉매 또는 유기 용매와 같은 보조 용매 없이 유일한 추출 유체로 허용합니다. 이것은 물이 무독성이기 때문에 녹색 화학 추출의 원칙을 충족합니다.

아임계수 적용은 다음 영역에서 찾을 수 있습니다. 고형 폐기물, 토양, 침전물 및 대기 입자에서 [5,6], (3) 용매 또는 반응물로 아임계수를 사용하는 가수분해, 분해, 중합 및 합성 반응 [7l,(4)세정과 같은 환경 정화 오염된 하수 및 토양, 분해 오염물질(살충제, 다환 방향족 탄화수소 및 폴리염화 비페닐) 및 폭발물 [8], (5) 약초 및 조미료 허브, 야채, 과일 및 기타 식물 관련 매트릭스에서 활성 성분 추출 [4, 9].

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이 리뷰는 최근 몇 년 동안 천연 제품의 SBWE에 중점을 둡니다. 원리, 메커니즘, 정적 및 동적 추출 모드, SBWE 효율성에 영향을 미치는 요인이 Gbashi와 동료에 의해 설명되었습니다[10]. 다양한 연구가 플라보노이드, 탄수화물, 배당체, 유기산, 폴리페놀, 알칼로이드, 에센셜 오일, 퀴논, 테르펜, 리그난 및 스테로이드의 추출에 초점을 맞추었기 때문에[11,12] SBWE 조건에 대한 체계적이고 포괄적인 개요를 제공합니다. 활성 성분 및 아임계 추출물의 기능 및 활성, 분석 방법 및 위에서 언급한 천연물에 대한 다른 추출 방법과의 비교. 아임계수는 천연물에서 여러 활성 성분을 동시에 추출할 수 있습니다. 아임계수 추출물에서 각각의 천연물 화합물의 분리, 식별 및 정량화는 액체 크로마토그래피, 기체 크로마토그래피, 적외선 스펙트럼 및/또는 질량 분석기를 통해 수행됩니다.

2. 아임계수로 추출한 샘플 매트릭스

일반적으로 아임계수에 의해 추출되는 샘플 매트릭스는 식물, 식품 부산물, 균류 및 해조류의 4가지 그룹을 포함합니다. 이 리뷰에서 인용한 참고 문헌의 분석 및 통계를 기반으로 그림 2를 생성하여 아임계수에 의해 추출된 각 샘플 매트릭스 유형의 백분율을 보여줍니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 아임계수로 추출한 샘플 매트릭스의 62.3%가 식물에서 추출되고 식품 부산물이 29.{7}}%, 해조류에서 4.9%, 곰팡이에서 3.8%가 추출됩니다.

일부 약초의 경우 전체 식물에 약학적 가치가 있어 한약재로 처방되지만 다른 약재는 일부 또는 일부만 약재로 사용됩니다. 약초의 부분은 뿌리, 줄기, 잎, 꽃, 씨앗, 열매를 포함합니다. 예를 들어, Hedyotis diffusa Willd의 전체 식물. [13] 및 센텔라 아시아티카 L.[14] 약용 가치가 있으며 이 두 허브의 잎, 마디, 잎자루 및 뿌리는 SBWE 전에 접지되었습니다. Sophora flavescens Ait의 뿌리인 인삼의 줄기와 잎[15]. [16], Rheum tanguticum [17]과 chamomile ligulate [18] 꽃은 아임계수를 이용하여 추출하였다. 한약재를 조심스럽게 분류하여 각 약재의 비율을 그림 3에 나타내었다. 그림 3에서 SBWE에서 가장 많이 연구되고 있는 한약재의 잎사귀를 볼 수 있다. 껍질, 껍질, 겨, 껍질, 껍질, 외피, 과피, 수수 및 종자가 부산물이지만 많은 API를 포함합니다. 예를 들어, 가장 자주 섭취되는 야채 중 하나인 양파는 플라보노이드 함량으로 인해 많은 건강상의 이점이 있는 것으로 알려져 있습니다. 일부 결과는 SBWE 기술로 생산된 양파 껍질 추출물이 유용한 항산화제의 공급원으로서 큰 잠재력을 가지고 있음을 보여주었습니다[19,20]. 곡물, 종자, 옥수수 및 과일도 SBWE를 사용하여 조사되었습니다[21]. 검토된 모든 논문 중에서 Aquilaria malaccensis의 나무가 유용한 의약 용도로 사용되며 전통 의학에서 통증, 발열, 류머티즘 및 천식을 치료하는 데 사용된다고 보고한 논문은 단 하나뿐입니다[22].

2.1.식물

아임계수에 의해 추출된 식물은 주로 허브[15,{1}}], 약용 가치가 있는 야채[30,31], 과일 32-36], 유지종자 작물[37-40], 관목, 곡물, 찻잎과 콩 [41-46]. 이 식물은 일부 국가에서 수천 년 동안 전통 의학에서 사용되어 왔으며 풍부한 약리학적 활성 성분을 보유하고 있는 것으로 입증되었습니다. 예를 들어, 인삼은 중국, 한국, 일본, 브라질에서 사용되어 온 귀중한 한약재입니다. 인삼은 테르펜, 폴리아세틸렌, 알칼로이드, 비타민, 미네랄, 페놀, 플라보노이드 및 트리테르펜을 포함한 다양한 생리활성 화합물을 함유하고 있는 것으로 보고되었습니다[15]. 이러한 활성 성분은 항산화, 항염, 항당뇨, 항종양, 심혈관, 면역 조절 및 신경 조절 활성을 가지고 있습니다[26]. 오레가노는 지중해 지역이 원산지인 초본 식물입니다[4748]. 카바크롤 및 티몰 화합물과 관련된 강력한 항균 및 항진균 효과 및 일부 항산화 활성과 같은 일부 건강한 특성은 이 식물에 기인합니다.

2.2.식품 부산물

본질적으로 부산물은 과일 껍질, 차 여과기, 종자 찌꺼기, 야채 껍질, 밤나무 껍질, 코코아 껍질, 곡물 겨, 연꽃 종자 표피 및 줄기에서 생성되는 폐기물입니다 [49]. 바나나, 오렌지, 사과와 같은 많은 종류의 과일에는 껍질이 있습니다. 우리는 종종 버리지만 과일 껍질에는 많은 API가 포함될 수 있습니다. 따라서 부산물에 대한 연구는 가치가 있습니다. 예를 들어 오렌지 껍질은 주스 추출 산업의 주요 폐기물 부산물입니다[50]. 그럼에도 불구하고 오렌지 껍질은 많은 페놀 및 플라보노이드 화합물을 포함하는 생리 활성 화합물의 매력적인 공급원입니다.

2.3. 해조류

SBWE에서 연구된 해양 조류에는 미세조류, 해조류 및 Haematococcus Pluvialis[{0}}]가 포함됩니다. 해조류는 심혈관계에 좋은 포화지방산, 단일불포화지방산, 다가불포화지방산이 풍부합니다. 신체의 염증 경로와 세포 건강에 중요한 역할을 하는 오메가{1}}는 특히 암 예방 및 치료에 사용됩니다. SBWE 기술을 사용하여 조류는 오메가-3의 미래 세대를 위한 잠재적인 공급원 중 하나로 발전할 수 있습니다.

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2.4.균류

버섯(Lentinus edodes [54-57]; Grifola frondosa [58], Sagittaria sagittifolia L. [50-61]), 동충하초(C.militaris)[62]. C.militaris는 전 세계에 널리 분포되어 있는 귀중한 식용-약용 균류의 일종입니다. 광범위한 연구에 따르면 C.militaris 추출물은 항염, 인슐린 저항성 개선 및 항산화 활성과 같은 다양한 약리학적 작용을 나타냅니다.

3. SBWE 시스템 및 추출 메커니즘

In the beginning, supercritical water (T>374°C, P>22.064 Mpa)는 석탄 추출, 오일샌드 역청[63,64], 산화[65]에 광범위하게 관여했습니다. 초임계수는 극도로 높은 온도와 고압과 같은 가혹한 실험 조건을 필요로 하며, 이는 종종 실험 장비 및 연결 튜브에 심각한 부식을 유발합니다. 아임계수는 비교적 온화한 온도와 압력을 필요로 하기 때문에 1990년대 이후 추출 분야에서 점차 아임계수가 초임계수를 대체하고 있다. 따라서 아임계수는 유기 오염물질의 추출에 광범위하게 사용되어 왔으며[66,67], 연구자들은 추출 및 크로마토그래피 분석 과정에서 분석 단계를 줄이기 위해 SBWE를 액체 크로마토그래피와 결합하려고 시도했습니다[68-70]. 추출 효율을 향상시키기 위해 초음파 보조 SBWE[71]와 마이크로파 보조 SBWE[72]도 보고되었습니다.

3.1.SBWE 모드

주로 정적 추출과 동적 추출의 두 가지 SBWE 모드가 있습니다. 정적추출은 그림 4와 같이 아임계수와 추출하고자 하는 시료를 추출용기에 넣은 후 적당한 압력으로 원하는 온도로 가열하여 물을 액체상태로 유지하는 추출법을 말한다. 설정된 추출 시간에 도달하면 크로마토그래피 분석을 위해 추출제가 수집됩니다. 이 추출 과정은 가속 용매 추출과 유사합니다. 정적 추출 효율은 일반적으로 동적 추출보다 낮습니다.

Dynamic SBWE는 연속 추출 공정으로 시료가 추출 용기에 추가된 후 펌프로 추출기에 물을 지속적으로 공급하고 고정 온도 또는 구배 온도 조건에서 추출을 수행합니다. 펌프는 정압 모드 또는 정유량 모드에서 설정할 수 있습니다. Dynamic SBWE는 물질 전달 효율을 높이고 추출 시간을 단축할 뿐만 아니라 선택적으로 연속 추출을 수행합니다. 그러나 동적 SBWE는 SBWE 시스템을 방해할 수 있습니다.

많은 경우 정적 및 동적 SBWE 모드가 모두 사용됩니다. SBWE 운영자는 일반적으로 정적 추출 기간을 수행한 다음 동적 추출을 수행합니다. 대부분의 SBWE 작업은 추출된 분석 물질의 고체 트래핑 없이 수행되지만(그림 4, 상단 참조), 추출된 분석 물질을 수집하는 고체 트랩이 있는 SBWE(그림 4, 하단)는 액체 크로마토그래피와 쉽게 결합할 수 있습니다. 분석을 위해 아래에서 자세히 설명합니다.

3.2. 액체 크로마토그래피를 사용한 SBWE의 온라인 및 오프라인 커플링

SBWE 시스템은 고체상 트래핑을 통해 고성능 액체 크로마토그래피와 결합되었습니다[69]. HPLC와 SBWE의 오프라인 커플링이 보고되었습니다[70]. 각 추출 후 고체 트랩을 SBWE 시스템에서 물리적으로 제거하고 분석을 위해 HPLC 시스템에 연결했습니다. 그러나 이 단계는 온라인 SBWE-HPLC 접근 방식에서 제거됩니다. SBWE 후 분석물 트랩은 제자리에 유지되는 반면 분석물 트랩은 HPLC 장치와 연결하기 위해 밸브를 간단히 전환하여 HPLC 분석이 수행됩니다.

SBWE와 아임계수 크로마토그래피(SBWC)의 오프라인 결합도 보고되었습니다[70]. SBWC는 아임계수를 유일한 이동상 성분으로 사용하는 역상 액체 크로마토그래피를 나타냅니다. 그림 5(상단)에서 볼 수 있듯이 추출된 분석물은 SBWE 단계 동안 흡착제 트랩에 수집됩니다. SBWE 추출 후 샘플 트랩은 아임계수 크로마토그래피 시스템에 연결됩니다(그림 5, 하단). SBWE 동안 흡착제 트랩에 수집된 분석물은 샘플 트랩을 가열하여 열적으로 탈착된 다음 분석을 위해 SBWC 시스템으로 전달됩니다. SBWE-SBWC 커플링의 명백한 이점은 추출 및 크로마토그래피 분석 단계 모두에서 유기 용매가 제거된다는 것입니다. 그러나 문제는 열 탈착이 일반적으로 높은 온도를 필요로 하며, 이는 잠재적으로 분석물 분해를 유발할 수 있다는 것입니다.

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3.3. 아임계수 추출의 메커니즘

주요 SBWE 추출 메커니즘은 "좋아요 용해" 규칙을 따릅니다. 서론 섹션에서 언급했듯이 물의 극성은 온도에 따라 조정할 수 있습니다[2,3]. 그림 1에서 볼 수 있듯이 물의 유전 상수는 온도가 증가함에 따라 극적으로 낮아집니다(극성이 낮아짐). 이것은 물의 극성이 온도 변화에 의해 조정될 수 있음을 의미합니다. 이 때문에 극성 화합물은 "낮은" 온도에서 물에 의해 효율적으로 추출될 수 있지만 극성이 낮은 분석 물질은 합리적인 추출 효율을 달성하기 위해 더 높은 온도가 필요합니다. 따라서 분석물의 극성이 낮을수록 더 높은 온도가 필요합니다. 또한 더 크고 복잡한 분자는 더 높은 온도를 필요로 합니다. 압력이 물을 액체 상태로 유지하기에 충분히 높은 한 압력은 SBWE 효율에 큰 영향을 미치지 않습니다.