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Method for the extraction of non-polar and polar ingredients in natural herbs using super and subcritical fluids

Title
Method for the extraction of non-polar and polar ingredients in natural herbs using super and subcritical fluids
Other Titles
초임계 및 아임계 유체를 이용한 천연 허브내의 비극성 : 극성 성분 추출 방법
Author
김완주
Alternative Author(s)
Wan-Joo Kim
Advisor(s)
오성근
Issue Date
2008-08
Publisher
한양대학교
Degree
Doctor
Abstract
이 논문은 초임계 이산화탄소와 아임계수를 이용하여 천연물로부터 비극성 혹은 극성 성분 추출을 위한 연구를 하였다. 초임계 이산화탄소와 아임계수는 낮은 표면장력, 낮은 점성 그리고 용매의 추출능력 조절이 쉬운 성질을 지닐 뿐 아니라 경제적이며, 무독성이라는 특징으로 기존 추출공정을 보완하기 위해 초임계 유체를 대체 용매로 사용하고 있다. 초임계 이산화탄소는 비극성, 약한 극성 성분 추출에 효과적이며, 아임계수는 상대적으로 극성성분을 추출하는데 좋은 용매이다. 이 연구에서 초임계 이산화탄소는 녹차로부터 카페인과 EGCG 추출에 이용되었으며, 아임계수는 센텔라아시아티카로부터 극성 성분인 아시아틱산과 아시아티코사이드 추출에 이용되었다. 녹차로부터의 카페인 제거를 위해 초임계 이산화탄소를 이용한 결과 50 oC, 40 MPa, 물 농도 7.9 wt% 그리고 CO2유량은 시간당 28.08 kg CO2/kg 녹차에서 66 %의 카페인이 제거되었으며, Goto’s mass transfer model과 비교해 본 결과 R2 = 0.95로 잘 맞는 것을 알 수 있었다. 또한, 녹차내 많은 양의 EGCG를 잔존하게 하게 함과 동시에 많은 양의 카페인을 선택적으로 제거하기 위해 SCCO2/물을 이용하여 추출하였다. 40 oC, 40 MPa 그리고 물의 농도는 7 wt%에서 카페인 추출율은 54 %인 반면 EGCG 추출율은 21 %, 카페인/EGCG 추출 선택도는 2.57이었다. 많은 양의 카페인 추출율은 SCCO2/물 그리고 카페인/EGCG의 용해도 파라미터의 차와 일치하였다. SCCO2/물을 이용한 추출 결과를 물과 에탄올을 이용한 기존의 용매 추출과 비교해 본 결과 SCCO2/물이 카페인을 선택적으로 추출하는데 적합한 것을 알 수 있었다. 센텔라 아시아티카로부터 극성물질인 아시아틱산과 아시아티코사이드를 아임계수를 이용하여 추출한 결과 아임계수 추출율은 기존 용매 추출보다 높은 추출율을 나타내었으며, 최적조건인 40 MPa, 250 oC에서 아시아틱산은 7.84 mg/g, 아시아티코사이드는 9.99 mg/g 추출되었다. 이 실험을 통해 또한 아시아틱산과 아시아티코사이드를 추출된 입자크기에 따라 여과 공정을 통해 입자형태로 성공적으로 분리할 수 있었다. 아임계수에 의한 추출은 아시아틱산과 아시아티코사이드의 분리와 추출에 있어 실용적인 공정임을 알 수 있었다. 본 연구의 결과는 천연물로부터 친환경적인 용매인 초임계 및 아임계 유체를 이용하여 비극성/극성 성분 추출, 분리하는 방법과 향후의 응용에 이용될 수 있는 자료이다
This thesis investigates the use of supercritical carbon dioxide (scCO2) and subcritical water as extraction solvents to extract various nonpolar or polar compounds from natural herbs. The low cost, zero toxicity and unique physical properties of scCO2 and subcritical water including extremely low surface tension, low viscosity, and tunable solvent power, make them appropriate extraction media to overcome some of the constraints associated with traditional extraction methods. Supercritical carbon dioxide (scCO2) is effective for extracting non-polar and less polar compounds. Subcritical water is a good solvent for extracting relatively polar compounds. In this study, scCO2 was used to extract caffeine and EGCG from green tea and subcritical water was used to extracts bioactive compounds, asiatic acid and asiaticoside, from Centella asaitica. In the extraction of caffeine from green tea, experimental result showed that 66 % of caffeine was removed under the condition of 50 oC, 40 MPa with water contents of 7.9 % and a flow rate of 28.08 kg CO2/kg green tea per hour. In addition, experiment conditions were carefully chosen to selectively remove large amount of caffeine from the green tea while remaining large amount of EGCG in the green tea. At 40 oC, 40 MPa and water content of 7 wt%, caffeine extraction yield was 54 % while EGCG extraction yield was 21 % and caffeine/EGCG extraction selectivity was 2.57. The extraction results using scCO2/water were compared with conventional liquid solvent extraction using water and ethanol. Polar compounds, asatic acid and asiaticoside, were extracted from Centella asiatica using subcritical water. At the optimum conditions 40 MPa and 250 oC, the extraction yield of asiatic acid was 7.84 mg/g and the extraction yield of asiaticoside was 9.99 mg/g. After the subcritical water extraction, asiatic acid and asiaticoside were precipitated in water at ambient condition because the solubility of asiatic acid and asiaticoside in water is very low. Thus the extracted asiatic acid and asiaticoside can be simply separated from water using a simple filtering process. The result of this study can be used for basic information on environmentally responsible, efficient extraction and separation of non-polar/polar ingredients from natural herb and for the future applications.
URI
https://repository.hanyang.ac.kr/handle/20.500.11754/146087http://hanyang.dcollection.net/common/orgView/200000409496
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GRADUATE SCHOOL[S](대학원) > CHEMICAL ENGINEERING(화학공학과) > Theses (Ph.D.)
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