7Biorefinery of Schisandra chinensis Vine Waste: An Integrated Green Process Coupling Deep Eutectic Solvent Extraction with Electrodialysis for Lignan Recovery

식물 기반 의약품과 영양학의 세계에서 흔히 발생하는 과제는 가혹한 화학 물질을 사용하거나 에너지를 낭비하지 않고 어떻게 단단한 식물 조직으로부터 가치 있는 화합물을 추출하느냐 하는 것입니다. 식물은 유용한 성분을 단단히 붙잡고 있는 견고한 섬유질로 구성되어 있는데, 이는 마치 금고가 그 안의 내용물을 보관하는 것과 같습니다. 이러한 성분들을 추출하기 위해 과학자들은 종종 용매, 즉 특정 물질을 녹이도록 설계된 액체에 의존합니다. 전통적인 방법은 물이나 알코올에 자주 의존하지만, 이는 특정 기름진 식물 화합물에는 비효율적일 수 있으며 식품과 의약품에 안전하지 않은 잔류물을 남길 수 있습니다. 최근에는 '심층 공융 용매(deep eutectic solvents)'라고 불리는 새로운 계층의 액체가 더 친환경적인 대안으로 등장했습니다. 이들은 흔하고 안전한 물질들을 혼합하여 단단한 물질을 녹일 수 있는 액체를 형성하도록 만든 것으로, 독성 폐기물을 피하면서 가치 있는 자원을 추출할 수 있는 방법을 제시합니다.

중국의 지아무시 대학교(Jiamusi University) 연구진은 이 개념을 특정 농업 문제, 즉 오미자(Schisandra chinensis) 열매를 수확한 후 남은 폐기물에 적용했습니다. 건강 식품과 전통 의학에 쓰이는 베리류로 알려진 이 식물은 보통 버려지는 줄기와 덩굴을 생성합니다. 이 버려지는 덩굴은 사실 신경계를 진정시키고 간을 보호하며 산화 스트레스와 싸우는 능력이 있다고 알려진 천연 화합물인 리그난(lignans)이 풍부합니다. 이 연구의 목표는 이 가치 있는 리그난을 폐기된 덩굴에서 뽑아낼 수 있는 깨끗하고 효율적인 공정을 만들고, 추출액을 재사용할 수 있도록 회수하며, 최종 생성물이 고부가가치 용도에 적합할 만큼 순수함을 보장하는 것이었습니다.

연구팀은 먼저 단백질에 들어있는 아미노산인 글라이신(glycine)과 흔한 식품 보존제인 젖산(lactic acid)으로 만든 특정 유형의 친환경 용매를 테스트하는 것으로 시작했습니다. 그들은 이 두 가지 식품 등급 성분을 특정 비율로 혼합하여, 단단한 덩굴 줄기 안에 갇힌 기름진 리그난을 효과적으로 녹일 수 있는 액체를 만들었습니다. 이 과정을 더욱 효과적으로 만들기 위해 연구진은 2단계 전략을 도입했습니다. 먼저, 건조된 분쇄 덩굴 줄기를 일반 물로 처리했습니다. 이 초기 물 세척은 부드러운 팽창제 역할을 하여 식물의 세포벽을 부드럽게 만들고, 다음 단계에 방해가 될 수 있는 당이나 단백질 같은 수용성 불순물을 씻어냈습니다. 재료가 전처리되고 건조된 후, 연구진은 초음파를 사용하여 액체가 식물 섬유 깊숙이 침투하도록 돕는 방식으로 글라이신-젖산 혼합물을 적용했습니다.

결과는 이 결합된 접근 방식이 표준적인 방법보다 훨씬 우수함을 보여주었습니다. 연구진이 2단계 물 및 용매 방법을 일반적인 알코올 추출이나 물만을 사용하는 방법과 비교했을 때, 그 차이는 극명했습니다. 새로운 방법은 표준 알코올 추출보다 대상 화합물을 2.5배 더 많이 추출해 냈으며, 용매만을 사용했을 때보다 1.6배 더 많은 양을 추출했습니다. 물 전처리가 핵심이었습니다. 식물 구조를 먼저 느슨하게 함으로써 특수 용매가 리그난에 훨씬 더 쉽게 도달할 수 있게 했습니다. 다양한 변수를 세밀하게 테스트한 끝에, 연구팀은 최적의 조건이 식물 가루와 액체의 특정 비율을 유지하며 섭씨 40도에서 40분간 담가두는 것임을 밝혀냈습니다. 이러한 조건 하에서 그들은 쉬잔드롤 A(schisandrol A)와 쉬잔드린 B(schisandrin B)를 포함한 다섯 가지 다른 유형의 리그난을 상당량 성공적으로 추출했습니다.

하지만 화합물을 추출하는 것은 절반의 성공에 불과합니다. 만약 최종 생성물에 용매가 포함되어 있다면, 그것은 식품이나 의약품으로 사용될 수 없습니다. 연구진은 귀중한 리그난을 잃거나 새로운 폐기물을 만들지 않으면서 글라이신과 젖산을 제거할 방법을 찾아야 했습니다. 그들은 전기력을 이용해 전하를 띤 입자를 특수 막을 통해 이동시키는 '전기투석(electrodialysis)'이라는 기술을 활용했습니다. 이 설정에서 추출된 리그난과 용매가 포함된 액체는 중앙실에 놓였습니다. 전류가 흐르면 용매의 전하를 띤 성분인 글라이신과 젖산이 중앙에서 벗어나 별도의 측면실로 이동하며, 중성인 리그한 분자들은 제자리에 남게 됩니다. 이 과정은 글라이신의 92% 이상과 젖산의 거의 87%를 성공적으로 회수했습니다. 결정적으로, 리그난은 중간실에 그대로 머물러 깨끗한 추출물을 만들어냈습니다.

연구는 회수된 용매를 다시 혼합하여 새 배치를 사용할 때와 거의 동일한 효과를 낼 수 있음을 확인했으며, 이는 이 공정이 지속적인 폐기물 발생 없이 폐쇄 루프(closed loop) 내에서 작동할 수 있음을 증명했습니다. 이제 용매로부터 자유로워진, 리그난이 풍한 최종 추출물은 유해한 자유 라디칼을 중화하는 능력(항산화력의 핵심 척도)에 대해 테스트되었습니다. 추출물은 강력한 활성을 보였으며, 이는 이 부드럽고 친환경적인 공정이 화합물의 생물학적 가치를 보존했음을 확인시켜 주었습니다. 농업 폐기물을 고부가가치 천연 제품의 원천으로 바꿈으로써, 이 통합적인 방법은 바이오매스 가공의 미래를 위한 지속 가능한 모델을 제시하며, 한때 쓰레기로 여겨졌던 것이 스마트하고 깨끗한 화학을 통해 자원으로 변모할 수 있음을 보여줍니다.