written by Jung-Hoon Kim. Division of Pharmacology, Pusan National Univ.

의미전달을 위해 번역체를 최소화 했으나 혹시 몇몇 문장에서는 번역체가 남아 있을 수 있습니다. 본 내용은 참고문헌에 수록된 논문을 정리한 것으로 본문 상에서 따로 인용표기는 하지 않았습니다.

Introduced by Editor : 한약재 전탕에 있어 전통식 개방형 전탕기과 밀폐식 또는 가압식 전탕기 중 어느 것이 더 나은지에 대한 논쟁이 있습니다. ‘개방식 전탕기로 오래 달여야 약맛이 좋고 효과도 좋아진다’는 말도 있는 반면, 고온/고압 추출이 더 낫다는 말도 있습니다. 여기에서는 온도와 압력이 한약재 추출에 어떠한 영향을 미치는지 일반적인 내용을 소개합니다. 결론부터 말하자면 추출하는 한약재에 따라 ‘Case by Case’입니다.

  건조된 약재의 추출 과정은 크게 두 가지로 나뉩니다.

  먼저 약재가 용매 (여기서는 ‘물’을 의미)에 담기면 팽창 (swelling)과 수화 (hydration) 과정이 일어나고, 뒤이어 확산과 삼투압에 의해 약재 내 가용성 성분 (soluble constituents)이 용매로 이동하는, 즉 식물세포 구조에 함유된 성분이 용매로 이동하여 결국 평형을 유지하게 되는 질량이동 (mass transfer) 현상이 발생하게 됩니다.

  우리가 유효성분 또는 지표물질이라고 부르는 이차대사산물 (secondary metabolites) 혹은 생리활성 물질 (bioactive ingredients)은 세포질 (cytoplasm)에서 합성되어 최종적으로 불용성 구조인 식물세포의 액포 (vacuoles)나 지단백 이중층 (lipoproteins bilayers)으로 둘러싸인 구조에 포함되어 있어서 추출하기 용이하지 않습니다.

  따라서 약재에서 어떤 성분의 추출률을 높이기 위해서는 해당 성분의 질량이동률을 증가시키는 것이 중요합니다. 질량이동률이 증가하게 되면 세포투과성 (cell permeability)와 이차대사산물의 확산 (secondary metabolite diffusion)이 증가하는데, 이러한 질량이동은 구성 성분의 농도 변화 (concentration gradient), 가열 (heating) 또는 고압 (high pressure), 초음파 (ultrasonic), 펄스자기장 (pulsed electric field) 등에 의해 향상될 수 있습니다.

  흔히 추출 시 압력이 높아지면 끓는점이 상승해서 온도가 올라가기 때문에 성분의 추출이 높아지는 것은 경험적으로 알고 있습니다. 실제로 추출수율 (yield)은 압력과 온도에 비례해서 올라갑니다. 그렇다면 어떻게 이러한 현상이 발생하는지 알아보도록 하겠습니다.

  최근에 주목 받고 있는 추출방법으로 pressurized hot water extraction (PHWE)이 있는데, 우리말로 하면 고압고온물추출 정도가 되겠네요. 실제로 이 방법은 대기압보다 100~500배 정도 압력을 가하는 추출법이라 실제 한방의료기관에서 가압전탕에 사용하는 약탕기 (대기압의 1.5~2배 정도)에 비하면 상당히 높은 압력이지만, 압력이 가해질 때 약재 내에서 어떤 변화가 일어나는지 설명이 잘 되어 있어서 정리해 봅니다.

  “Pressurized hot water”라는 용어는 100 °C (boiling point of water)에서 374 °C (critical point of water) 사이에서 물의 응축된 상 (phase) 부분을 일컫는 말인데, 다른 “superheated water”, “near critical water”, “subcritical water”, “high temperature extraction”, 그리고 “extraction using hot compressed water” 등으로 표현됩니다.

  압력과 온도가 증가하게 되면 약재의 기질 (matrix)에 존재하는 다양한 활성부위 (active sites)로부터 성분들이 떨어져 나오게 됩니다. 그리고 이 성분들이 추출용매로 확산되고, 나중에는 성분들이 기질과 추출 용매 사이에서 평형을 이루게 됩니다.

1. 고압조건에서의 추출수율(extraction yield) 상승요인

(압력이 가해진 세포에의 압력 상승에 따른 투과율 증가로 수율 역시 증가)

(1) 세포 구조 파괴로 인한 투과성 (permeability) 증가

  초고압 기술 (Ultrahigh pressure technique)은 식물세포의 조직, 세포벽, 세포막, 소기관 (특히 액포) 등의 구조를 파괴하여 용매를 세포 내 구성물로 전달시키고, 세포 내 구성물이 용매로 용출되는 질량이동 (mass transfer) 현상을 증가시킵니다. 즉, 세포 구조의 파괴가 진행되는 동안, 세포 내에 있는 화학 성분들이 재빨리 주변 추출용매로 용출되고, 그에 따라 성분 함량의 평형이 이루어지게 되는 것입니다. 일반적인 대기압 하에서는 용매가 물질의 표면적을 덮는데 (covered) 한계가 있지만, 이러한 압력이 가해지는 상황에서는 용매가 충분이 물질을 덮어서 추출이 용이하게 됩니다.

(2) 압력에 의해 물의 유전상수 (dielectric constant) 감소

  유전상수가 감소하게 되면 매개물의 극성 (polarity) 감소하게 되어 벤젠고리를 가진 phenolic compounds의 추출률이 증가하게 됩니다. 예를 들면, flavonol이나 anthocyanin 등은 유기용매보다 극성이 높은 물에 덜 녹는 성질을 지녔는데, 압력으로 인해 극성이 감소하게 되면 이러한 성분들의 추출률이 증가합니다.

  온도가 증가했지만 물을 액체 상태로 유지시킬 수 있는 충분한 압력이 있는 상태라고 가정해 볼 때, 처음 25 °C에서 물의 유전상수(ε)는 80이지만 250 ◦C, 50 bar (대기압의 약 50배)로 환경이 변하면 유전상수는 27로 감소하여 25 °C에서의 methanol (ε = 33)과 ethanol (ε = 24)의 유전상수 사이에 위치합니다. 이런 상태에서는 물이 유기용매처럼 작용하여 다양한 범위의 중간 극성과 낮은 극성의 물질들을 용해시킬 수 있습니다.

(3) 수소이온농도 (pH) 감소

  Phenolic compound 추출 증가뿐만 아니라 추출물에 함유된 성분의 탈수소화 (deprotonation)으로 인해 용매의 수소이온농도 (pH)가 감소하는데, 이는 낮은 pH에서 안정된 (stable) 활성물질의 추출율을 증가시키게 됩니다.

2. 고온 조건에서 추출율 상승요인

  고온 조건에서는 세포 내 이동성 증가로 내부액상 (internal liquid phase)이 증가되고, 이로 인해 내부 구성성분이 원심력으로 인해 세포막을 통해 순환하게 되어 질량이동이 증가합니다. 즉, 열로 인해 세포 내 액체 물질의 대류현상이 심해지면 내부 구조에 가해지는 힘이 강해집니다. 그리고 열은 페놀-기질결합 (phenolic-matrix bond)을 깨뜨리고, 식물세포막 구조 내 지단백 (lipoprotein)의 응집 (coagulation)을 감소시켜서 내부 성분의 용출이 용이하게 합니다.

  특정 온도와 압력에서 물의 극성은 변화할 수 있으며 이는 알코올의 극성과 유사해질 수도 있습니다. 따라서 낮은 극성이나 중간 극성의 물질들을 용해시킬 수 있는 것입니다. 높은 온도는 용질 (solute)과 기질 (matrix)사이에 작용하는 반데르발스 힘 (van der Waals forces), 수소결합 (hydrogen bonding), 용질분자와 기질의 활성 부위 사이에서의 이중극자 끌림 (dipole attraction) 등을 극복하게 해주어, 탈리 (desorption) 과정에 필요한 활성에너지를 감소시켜 용질-용질간의 응집 작용 (cohesive interaction)과 용질-기질간의 접착작용 (adhesive interaction)을 파괴합니다.

  고압고온의 물에 의해 용질이 기질로부터 용매로 이동하는 데에는 확산과 대류 과정이 작용하는데, 일반적으로 높은 온도에서는 용매의 확산이 증가하고 점도와 표면장력은 감소합니다. 그리고 높은 온도에서도 고압에서와 마찬가지로 물의 극성을 낮게 변화시키는데, 이로 인해 극성이 적은 성분의 용해도가 증가합니다. 또한 온도 증가로 인한 증기압 증가 및 열에너지에 의해 기질로부터 표적 성분을 탈리시키는 과정이 추출물의 추출 효율을 높이는 데 기여하게 됩니다. 하지만 성분의 변성 또는 파괴나 가수분해, 산화 등의 작용이 발생하여 성분 구조에 변화가 생길 수 있는 가능성도 있으니 열에 약한 성분의 추출 시에는 지나친 고온은 삼가하는 것이 좋습니다.

  정리해 보면, 고압고온물추출에 의한 추출효율의 증가는 크게
(1) 용해도와 질량이동 효과의 개선과
(2) 표면 평형 (surface equilibria)의 저해에 기인
하는 것으로 볼 수 있다. 그리고 증가된 압력과 온도로 인해 용매의 점도는 감소하고 확산도는 증가하여 식물세포로의 용매 투과가 훨씬 용이하게 되는 점도 추출효율 증가에 기여한다고 볼 수 있습니다.

3. 기타

  추출 시 용매를 교환하여 추출하는 경우 (2차 이상 추출)와 교환하지 않는 경우 추출율 차이가 발생하는 원인은 다음과 같습니다.

  용매를 교환하는 경우 전체적인 용매의 양이 증가하게 되어 용질이 기질로부터 이동하는 질량이동이 향상되어 추출효율이 증가하는 반면, 용매를 교환하지 않는 경우 추출 효율은 전적으로 분배-평형 상수 (partition-equilibrium constant)와 성분의 용해도에 의존하게 되는데, 추출대상물의 농도가 높거나 구성 성분의 용해도가 낮을 경우 추출이 완전히 이루어지지 않게 됩니다.

참고문헌

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5. Retrieved 16 November 2012, available from http://kurdchemists.org/index.php?m=11&s=198 [Internet].