천연색을 추출하는 방법은?

수많은 생물학, 영양학, 의학 연구보고에서는 천연색소는 영양과 생리 건강기능이 있는데 합성색소는 인체건강에 악영향을 줄수 있다고 지적했다.people&의 지속적인 개선으로#39;s living standards and the continuous development of the food industry, safe and green 자연 색 is becoming more and more popular and sought after. There are three main ways to produce and obtain pigments: direct extraction, artificial synthesis, and production using biotechnology [1]. Natural colours are unstable, and in order to maintain their physiological activity, the extraction of natural colours should generally use milder process conditions. With the rapid development of science and technology, the extraction process of natural colours is also rapidly updating, showing a development direction that is supplemented by common extraction methods and dominated by high-tech extraction technologies that are energy-saving, efficient and environmentally friendly.

1전통적인 추출 방법

 1.1 용매 추출

일반용매 추출법은 대상 색소와 불순물의 서로 다른 성질 (주로 용해도 및 극성의 차이)에 따라 like를 녹이는 원리를 이용하여 다른 용매 (일반적으로 사용되는 추출제로는 물, 산-염기 용액, 에탄올, 아세톤 등의 유기용매)를 선택하여 색소를 분리하는 목적을 달성한다.주요 추출 방법으로는 마취, 침투, 역류, 연속 역류 등이 있다.주요 공정은:재료 선별-담금질-필터링-집광 및 건조-완제품.한국팅 등 2)은 토마토에서 리코펜을 추출하기 위해 에틸아세테이트를 사용하였다.최적 공정 액비는 4:1 (mL/g), 시간은 50분, 온도는 45 °C, 횟수는 3회, 리코펜 추출율은 85% 이상으로 하였다.

야오위룽 등 [3]은 자색고구마에서 안토시아닌을 추출하기 위해 포름산을 추출제로 사용하였다.3회 추출 후 안토시아닌 생산량은 95.6%까지 나왔다.천팅춘 등 4명은 천연 백목화씨 껍질 안료를 질량별 1% NaOH 용액으로 추출하고, 빛, 온도, 수질 및 pH 가 안료의 안정성에 미치는 영향에 대해 논의하였다.색소는 210 nm에서 강한 흡수 피크를 보였으며, 색소는 산화제, 빛 및 100 °C 이하의 온도에 안정함을 확인하였다.또한이 추출 방법은 제품의 수율과 품질을 향상시키기 위해 종종 다른 방법과 함께 사용됩니다.예를 들어 손페이동 등 [5]은 토마토를 고압으로 전처리한 후, 에틸아세테이트를 용매로 하여 리코펜을 추출하였다.그 결과 무처리 시료에 비해 추출율이 4.8배임을 확인할 수 있었다.

직접 분쇄법 1.2

이 방법은 일반적으로 사용되지 않으며, 주로 재료를 건조 및 분쇄하여 생성물을 얻는다.공정 흐름은 원료-선별-세척-건조-분쇄-안료 제품 [6]이다.이 과정을 통해 코코아 콩 색소, 리코펜 등을 준비할 수 있지만, 얻어지는 산물은 상대적으로 조잡하다.

1.3 효소 추출법

Plant pigments are mainly found inside the cells and are surrounded by the cell wall, which is mainly composed of cellulose, hemicellulose and pectin. The poor permeability of the cell wall prevents the pigments from dissolving and reduces the extraction rate. The cell walls are hydrolyzed using enzymes, mainly cellulase and pectinase, which cause the cell walls to expand, rupture, and loosen, thereby facilitating the diffusion of pigments into the extracellular space and the diffusion and penetration of solvents into the cell, thus increasing the solubility of pigments and improving the pigment extraction rate. For example, Li Mengqing et al. [7] used cellulase to act on grape cob meal, which increased the extraction rate of proanthocyanidins by nearly 4 times. Chen He et al. [8] analyzed the effects of factors such as temperature, reaction time, pH, and hemicellulase dosage on the extraction of turmeric pigments through single factor and orthogonal experiments, and obtained the optimal extraction process: enzyme dosage 7.0 mg/g, pH 4.3, time 4.0 h, temperature 45 °C, compared with the common solvent extraction method, the pigment extraction rate was greatly improved.

자오유홍 등 9명은 cellulase와 pectinase를 이용하여 블루베리의 잔여물을 동시에 가수분해하여 안토시아닌을 추출하였다.최적 공정 모수는 단일 요인 및 직교 실험을 통해 결정되었습니다.그 결과 이중 효소 복합 가수분해를 사용할 경우 단일 효소 가수분해에 비해 안토시아닌 추출율을 유의적으로 향상시킬 수 있음을 알 수 있었다.색소 추출률을 높이기 위해 효소법을 다른 기술과 접목할 수도 있다.례를 들면 셀룰라아제와 초음파를 배합하여 헤이즐넛 껍질에서 색소를 추출할수 있다.그 결과이 둘을 조합하면 색소 추출률을 효과적으로 향상시킬 수 있으며 (흡광도가 약 20% 증가한다), 효소의 사용량도 줄일 수 있어 [10] 비용을 절약할 수 있는 것으로 나타났다.

2가지 새로운 추출 기술

2.1초임계 유체 추출

초임계 유체는 기체, 액체 또는 기체-액체 혼합물을 말한다.그러나 특정 온도와 압력 하에서는 기체-액체 계면이 사라지는 현상이 발생하게 되고, 유체는 액체, 기체, 고체 상태와는 다른 초임계 상태가 되며, 액체와 기체 모두 특수한 물리적, 화학적 성질 (액체에 가까운 밀도와 용해도, 기체에 가까운 점도와 확산 성질) [11]을 가지게 된다.일반적인 초임계 유체는 이산화탄소, 아산화질소, 에탄, 에틸렌, 프로판, 메탄올, 에탄올, 벤젠, 톨루엔, 암모니아, 물 등;가장 일반적으로 사용되는 것은 이산화탄소 (상온에 가까운 임계 조건, 독성이 없고 맛이 없으며, 화학적으로 안정되어 저렴하고 쉽게 구할 수 있다)이다.초임계유체 추출기술은 초임계유체를 추출제로 사용해 목표물질을 추출하고 분리하는 신흥 추출 및 분리 기술이다.

예를 들어, 정홍연 등 [12]은 23 MPa, 40 °C에서 초임계 CO2, 30% 무수에탄올을 추출제로 사용하여 옥수수로부터 제아잔틴을 추출하기 위한 공정 조건을 연구하였다.추출시간 3시간 조건에서 용매 추출법보다 추출율이 2.2% 높았으며, 40 MPa와 60 °C에서 초임계 이산화탄소 유체를 이용한 건조 미조류 엽록소의 추출율은 0.2238%에 달할 수 있다 [13].초임계 CO2 유체를 사용하여 새우 껍질에서 추출한 아스타잔틴의 농도는 8.331%에 달할 수 있다 [14].과학기술의 지속적인 발전에 따라 초임계 유체 추출은 분자증류, 크로마토그래피, 핵자기공명, 흡착분리, 초미세여과, 기타 기술 등 다른 첨단 방법들과 함께 사용될 수 있도록 개발되어 상호보완적인 장점을 확보하고 응용 범위를 넓혀가고 있다.

초음파 보조 추출 2.2

초음파 추출의 원리는 초음파의 특수한 효과, 즉 강한 기공효과, 계면효과, 에너지 집중효과, 높은 가속도 등과 그에 따른 진동, 파쇄, 확산, 붕괴 등의 다단계 효과를 이용하여 세포를 파괴함으로써 추출제의 세포 내 확산 및 투과, 또한 추출제 내 추출물질의 용해 촉진,그리고 색소의 추출률과 순도를 향상시킨다 [15].이 공정에 영향을 미치는 주요 인자는 용매 종류와 농도, 액체 대 물질 비율, 초음파 파워와 주파수, 처리 시간과 온도이다.Wang He-cai [16]는 초음파를 이용하여 자색고구마 색소를 추출하였다.그 결과 초음파의 작용으로 자색고구마 색소를 추출하는 효과가 동일한 조건에서 기존의 방법보다 우수함을 알 수 있었다.추출 효율은 기존 추출에 비해 약 1.3배였으며, 최적 공정은 추출제로 pH 1.0의 증류수, 초음파 250W, 액상-재료비 3:300, 70°C에서 35분간 추출, 류핑화애 등 [17]은 버려진 파인애플 껍질에서 색소를 추출하기 위해 초음파 재활용 기술을 이용하여 색소가 높은 색소 (파인애플 과육 색소의 4배)와 최적의 추출 공정을 얻었다.추출율이 크게 높아졌으며, 이는 파인애플 껍질을 심층가공하는 데에도 참고가 된다.

2.3 마이크로파 보조 추출 방법

마이크로파 추출은 선택적으로 열을 낼 수 있는 마이크로파를 용매 추출 기술과 결합한 새로운 분리 및 추출 기술이다.마이크로파 (microwave) 흡수능력의 차이를 이용하여 추출계의 특정 부위나 성분을 선택적으로 가열함으로써 원료로부터 목표성분을 용해시켜보다 작은 전계 상수 및 상대적으로 약한 마이크로파 흡수능력을 가진 추출제로 옮겨 빠른 단기 추출의 목표를 달성한다 [18-19].천허 등은 마이크로파 기술을 이용해 강황 색소의 추출을 도왔으며, 직교실험을 통해 추출제로 60% 에탄올, 마이크로파 전력 450W, 추출시간 180s, 물질 대 액체 비율 1:35 라는 최적의 공정을 얻었다.전통적인 용매 추출법과 비교해 색소 수율은 80.3% 증가했다.지아양주 등 21)은 마이크로파 전력과 조사시간이 어류 비늘색소 추출에 미치는 영향을 연구하였다.분산분석 결과 둘의 효과가 유의하였으며, 최적전력과 조사시간은 각각 640 W와 150 s로 나타났다.그러나 흔들 추출법에 비해 어류 비늘색소의 추출효과는 저조하였는데, 이는 어류 비늘조직 구조의 영향 때문인 것으로 보인다.

2.4 수지 흡착법

흡착 수지는 넓은 특정 표면적 (주로 모공 내부의 표면적)을 갖는 다공성, 고도로 교차된 고분자 흡착제의 일종입니다.표면화학의 원리에 따르면 표면은 흡착능력이 있으므로 기체나 액체상에서 특정물질을 흡착할수 있다.흡착수지는 주로 van der Waals 힘, 쌍극자-쌍극자 상호작용 및 수소결합을 이용하여 물질을 흡착한다.흡착은 표면 특성과 표면 힘 영역에 따라 선택적입니다.이 방법은 주로 혼합물 내 성분들의 여러 가지 성질 (주로 극성)을 이용하여 적절한 흡착수지와 용출물을 선택하고, 흡착과 탈착을 통해 물질을 선택적으로 분리, 정제한다.흡착수지는 극성에 따라 비극성 흡착수지, 중극성 흡착수지, 극성 흡착수지, 강극성 흡착수지 등 4가지로 구분할 수 있다.비극성 수지는 극성 물질로부터 비극성 물질을 흡착하는 데 사용되는 경우가 많으며, 극성 수지는 극성 물질로부터 극성 물질을 흡착하는 데 적합하다.

Chen Zhiqiang et al. [22] studied the adsorption of astaxanthin by seven different macroporous resins and screened AB-8 macroporous resin as the one with better adsorption. The adsorption capacity of astaxanthin was about 24.17 mg/g, the desorption rate was 95.2%, and the maximum sample amount (1 g of dry resin) was 23.0 mg of astaxanthin. and it was determined that 8 times the volume of the bed of the column of ethyl acetate was used as the eluent, and the purity of the purified astaxanthin was 14.73%. Ding Jie [23] used orthogonal experiments, adsorption capacity and desorption rate indicators to analyze the main influencing factors in the adsorption and separation of mulberry red pigment by AB-8 type macroporous resin. The results showed that the elution effect was best when 80% ethanol (pH 2.0) was used as the eluent at a dosage of 2BV and an elution rate of 1BV/h. It was also found that the pigment had good stability under acidic conditions and at a temperature of 60°C, but was easily decomposed under alkaline conditions and in the presence of light.

2.5 막 분리

막분리 기술은 1970년대에 개발된 새로운 에너지 절약 기술로 상변화를 수반하지 않는다.혼합물 내 성분에 대한 천연 또는 합성 고분자 멤브레인의 선택적 투과 특성의 차이를 이용하여 화학적 전위차나 외부 에너지의 구동력의 도움으로 물질의 분리, 정제 및 농도를 달성한다.원동력에는 집중력 차이, 압력 차이, 전위차 등이 있다.관련된 메커니즘으로는 기계적 여과, 용해-확산, 물질 전달 [24] 등이 있다.주로 성분 간의 분자량, 입자 크기, 모양 등의 차이를 이용해 분리한다.분리할 물질의 분자 크기에 따라 막분리는 미세여과, 투석, 초미세여과, 나노여과, 역삼투, 전기투석, 액체막분리 등으로 나눌 수 있다.

Li Yuanyuan et al. [25] used ceramic membrane microfiltration to extract and purify gardenia 노란색 색소, and studied the effects of different membrane pore sizes and operating pressures on the quality of the pigment. The results showed that the quality of the gardenia yellow pigment obtained by microfiltration was higher when the pore size was 200 nm and the operating pressure was 0.125 MPa. The gardenia yellow extract was then subjected to nanofiltration using a polyamide membrane, the filtrate can be concentrated more than three times. The membrane surface flow rate and membrane filtration flux have a significant effect on pigment separation. Guo Hong et al. [26] used ultrafiltration and reverse osmosis technology to purify and concentrate the pigments of roselle and purple back-daylily, respectively, and studied the effects of extraction temperature, time, frequency, material ratio, and raw material quality on the pigment extraction rate. The results showed that ultrafiltration and reverse osmosis technology can reduce the loss of pigments during purification and concentration.

2.6 겔 크로마토그래피 분리 방법

겔 크로마토그래피에 사용되는 겔 비드는 다공성, 고도로 교차된 네트워크 구조를 가지며, 겔 비드의 교차 연결 정도나 세공 크기에 따라 겔에 의해 분리될 수 있는 혼합물의 상대 분자 질량 범위가 결정된다.원리는 분자의 크기 차이를 이용해 물질을 분리, 정제하는 분자체효과.일반적으로 사용되는 겔로는 덱스트란 겔 (dextran gel, Sephadex), 폴리아크릴아미드 겔 (polyacrylamide gel, Bio-gel P), 아가로스 겔 (agarose gel, Sepharose A) 등이 있으며, 혼합물에 있는 여러 물질들의 분자량, 크기 및 모양의 차이로 인해 혼합물이 컬럼을 통해 용출될 때, 큰 분자들은 그 직경이 겔의 기공보다 크기 때문에 겔 비드의 내부로 들어갈 수 없고, 겔 입자 사이의 틈에서 제외된다.

그들은 용출물과 함께 아래로 이동하므로 과정이 짧고 유속이 빠르며 먼저 컬럼에서 흘러나온다;작은 분자들이 젤의 기공보다 작은 지름을 갖는 반면, 젤 기공을 자유롭게 드나들 수 있으므로 과정이 길고 이동 속도가 느리며, 마지막으로 기둥 밖으로 흘러나온다.이렇게 되면 서로 다른 경로로 인해 크기가 다른 분자들이 분리되고, 거대 분자 물질이 먼저 용출되고, 이어서 작은 분자들이 용출된다.Lv Xiaoling 등 27)은 겔크로마토그래피로 정원사 황색색소를 정제하는 과정에서 영향을 미치는 인자들을 단일인자 실험을 통해 분석하였다.연구결과 최적의 공정 조건에서 지지체로서 글루칸 겔, 높이 30 cm, 직경 2 cm, 시료 크기 1.8 mL, 용출물로서 증류수, 이중 컬럼 탠뎀 용출, 유량 4 mL/min, 색소수율 최대 48.9%.

분자 증류 분리 방법 2.7

분자 증류분리기술은 1930년대에 개발된 특수하고 진보된 액체-액체 분리기술이다.비평형증류의 일종으로 단경로증류라고도 한다.단 경로 증류라고도 하는 비평형 증류이며, 특정 온도 (일반 끓는점보다 훨씬 낮은)와 압력 (0.133 내지 1 MPa)에서 수행된다.분리할 성분은 가열되고 증발되어 액체 표면에 넘치게 됩니다.그런 다음 물질들은 다른 물질들의 분자 운동의 다른 평균 자유 경로 때문에 분리되고 정제됩니다.분자 운동의 자유 경로는 분자가 이웃 분자와의 충돌 사이에서 이동하는 거리를 말한다.

일정한 기간에 특정분자의 분자운동의 평균자유경로를 분자운동의 평균자유경로라고 한다.분리될 계가 충분한 에너지를 얻기 위해 가열된 후, 분자는 액체의 표면을 넘치게 된다.가벼운 분자의 평균자유로는 크고 무거운 분자의 평균자유로는 작다.응축판은 액체의 표면 (가벼운 분자와 무거운 분자의 평균 자유 경로 사이)에 놓입니다.가벼운 분자는 응축판에 도달하여 응축되어 나갈 수 있고, 무거운 분자는 응축판에 도달하지 못하고 기체-액체 계로 돌아간다 [28~29].종균 [30] 등은 분자증류 기술을 이용하여 탈왁스된 스위트 오렌지 오일에서 높은 색도와 유기용매가 없는 카로티노이드를 추출하였다.바티스텔라 [31] 등 분자증류 기술을 이용해 야자유에서 카로티노이드와 바이오디젤을 분리했는데, 카로티노이드의 수율이 무려 3000mg/kg에 달했다.분자 증류 기술을 이용해 용매 추출로 얻은 원유의 파프리카 적색 색소를 정제하면 펀젠성, 냄새, 용매를 제거하는 효과가 있을 뿐만 아니라 제품 품질이 향상되고 [32] 생산 비용이 크게 절감된다.

3 전망

With the rising call for “returning to nature and pursuing green safety,” the development and utilization of natural colors has also developed rapidly (growing at a rate of 4% to more than 10% per year). However, the research and development of natural colors still faces many problems: the extraction rate of natural colors is low and the cost is high; the stability of pigments is poor, and they are sensitive to external conditions such as light and heat; there are many types, and research and development 분산되어 있고, 통일적인 관리와 독성학적 평가가 부족하다.

향후 천연색의 연구 개발 방향은 세포공학, 유전공학, 발효공학, 효소공학, 미생물공학 등의 생명공학을 이용하여 원료 공급 문제를 해결하고;microencapsulation 기술, 안료 분자 구조 개조 기술, 생산 복합화 기술을 사용하여 천연 색깔의 안정성을 향상시키고 그것의 천연 착색력을 향상시키십시오;그리고 초임계 유체 추출, 겔 크로마토그래피, 친화 크로마토그래피, 분자 증류, 역겔 추출, 2 상 추출, 액체 막 분리 및 다양한 하이테크 방법의 조합뿐만 아니라 다른 하이테크 방법을 사용하여 자연 색상의 수율을 향상시키고 제품 품질을 향상시키고 생산 비용을 절감합니다.새로운 기능성 안료 개발, 새로운 원료 공급원 모색, 안료 안정성 향상 및 안료 추출률 증가라는 연구 목표를 가지고 천연색의 개발 및 응용은 더욱 넓은 전망을 갖게 될 것이다.

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