Korean Society for Biotechnology and Bioengineering Journal Korean Society for Biotechnology and Bioengineering Journal

pISSN 1225-7117 eISSN 2288-8268

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Research Paper

Korean Society for Biotechnology and Bioengineering Journal 2022; 37(1): 11-16

Published online March 31, 2022 https://doi.org/10.7841/ksbbj.2022.37.1.11

Copyright © Korean Society for Biotechnology and Bioengineering.

소나무 유래 에센셜 오일의 용매추출 및 성분분석

Solvent Extraction and Component Analysis of Pine Tree-Derived Essential Oil

Yong Eun Kim, Ye Rang Kim, Ji Hye Park, and Eui Yong Kim*

Department of Chemical Engineering, University of Seoul, Seoul 02504, Korea

Correspondence to:Tel: +82-2-6490-2365, Fax: +82-0504-479-2530
E-mail: eykim@uos.ac.kr

Received: December 24, 2021; Revised: February 21, 2022; Accepted: February 24, 2022

Essential oils extracted from plants have been attracted significant attention in recent years due to their pharmacological uses such as for sterilization and preservation. In this study, essential oil was extracted from needles, twigs, and barks of pine trees using three different types of solvents: acetone, petroleum ether, and toluene. The oil extraction ratio of these three different parts of pines trees by each type of solvent was investigated in detail. In addition, TLC and FTIR analysis were performed to analyze and identify the essential oil extracted from the pine trees. When acetone was used for the solvent, the extraction ratio showed the highest value with the needles and decreased in the following order: needles > twigs > barks. In contrast, petroleum ether and toluene resulted in the highest extraction ratio with the twigs followed by the needles and barks. Although the boiling points of acetone and petroleum ether are similar, the average oil extraction ratio of the pine tree by acetone showed 4.3 times higher than petroleum ether attributed to the high polarity of acetone.

Keywords: essential oil, pine tree, solvent extraction, TLC, FTIR

에센셜 오일이란 식물체의 잎, 줄기, 뿌리, 꽃 등의 부위에서 증류, 추출 등과 같은 물리화학적 방법을 통해 얻을 수 있는 액상의 향을 가진 기름진 물질로 식물성 오일이라고도 불린다 [1,2]. 이들은 주로 테르펜계와 페닐 프로파노이드계의 탄소화합물로 [3,4], 식물세포중의 작은 기름 샘이나 액낭에서 만들어지는데 식물체의 종류와 부위별로 그 조성과 함량이 다양하며, 빛과 열, 공기중의 노출시간 등의 조건에 따라 화학적 변화가 수반되기도 한다 [5-7]. 에센셜 오일은 향료, 화장품의 원료, 섬유, 식품 등 여러 산업분야에서 다양한 용도로 활용되고 있는데, 천연물로부터 유래된 물질이란 특성으로 관심과 수요가 날로 증가하고 있는 추세이다 [8]. 또한, 대부분 항균 작용도 있어 자연요법의 피부질환 치료제로도 활용되고 있다 [9]. 특히 소나무로부터 추출된 에센셜 오일은 항균뿐만 아니라 항진드기, 항혈소판과 같은 생물학적 작용을 보여 약물의 원료로 사용이 가능하다. 또한 소나무에센셜 오일의 성분인 terpene은 환경에 의한 영향을 크게 받지 않고 유전적 영향을 크게 받아 화학 구조적 표지(chemosystematic marker)의 역할을 한다 [10].

증류와 냉각 압착, 용매 추출, 초임계유체추출 등의 다양한 물리화학적 방법들을 통해 식물체로부터 에센셜 오일을 추출할 수 있는데 추출 대상과 조건에 따라 각각의 방법들이 이용된다 [11]. 증류법은 대량으로 오일을 회수할 수 있는 장점이 있지만 고온에서 조작되기 때문에 열에 의한 오일의 변성이 나타날 수 있는 문제가 있다 [7]. 냉각압착법은 열에 민감한 오일을 회수하기 좋은 방법으로 씨앗과 같은 오일의 함량이 높은 시료에 사용되며 [12], 초임계 유체 추출법은 잔유물이 남지 않고 비교적 저온에서 추출되어 안정적이지만 추출 비용이 다소 높은 단점이 있다 [13]. 반면, 오일의 함량이 적은 시료들은 일반적으로 용매추출을 하게 되는데, 추출 조작 시 용매로 인하여 오일 성분이 화학적으로 변질되지 않으면서 소량 존재하는 에센셜 오일을 효율적으로 추출하기 위해서는 용매의 선택이 중요하다 [4,14]. 본 실험에서는 용매 추출법의 한 종류인 Soxhlet 추출법을 이용하여 에센셜 오일을 추출하였다. 이 방법은 소량의 용매를 계속 증류, 액화시키면서 고상시료로부터 오일 성분을 효율적으로 추출할 수 있는 방법으로 조작이 비교적 간편할 뿐 아니라 추출 효율도 높은 특징이 있다 [15].

2.1. 시료

에센셜 오일을 추출하기 위해 2020년 가을에 서울에서 채취된 소나무의 껍질, 잎, 가지를 부위별로 분류한 후 시료로 사용하였다. 껍질은 과도를 이용하여 겉 껍질과 속 껍질을 분리한 후 겉껍질만을 택하였으며, 모든 시료는 미분 상태로 분쇄하여 사용하였다.

2.2. 추출용매

추출용매로는 acetone (99.5%, Samchun Pure Chemical Co., Ltd., Pyeongtaek, Korea), petroleum ether (90.0%, Samchun Pure Chemical Co., Ltd.), toluene (99.8%, Daejung Chemicals & Metals Co., Ltd., Siheung, Korea)으로 3종류의 용매를 사용하였다. 이들은 대체로 오일 성분의 비점(165~215°C)보다 낮은 비점을 갖고 반응성이 낮아 추출용매로 사용하기 적절하다. 특히 acetone은 dipole moment가 높은 용매(2.69 D)로 일반적인 추출용매로 많이 사용하고 있다 [16]. Petroleumether는 주로 pentane과 hexane으로 구성되어 무극성이고 끓는점이 낮고 휘발성이 강하며 반응성이 낮다 [17]. Toluene은 끓는점이 111°C로 비교적 높으나 0.36 D의 dipole moment를 갖고 화학적으로 안정하다 [18].

2.3. 추출 방법

시료의 접촉면적을 크게 하기 위해 소나무 잎, 가지, 껍질을 분쇄하였고, 추출기로는 Det-gras N (Main Solutions Ltd., Moschato, Greece)을 사용하였다. 26 × 60 mm2의 cellulose thimble (FOSS Analytical Co., Ltd., Suzhou, China)에 분쇄된 시료 2 g을 담고 50 mL의 용매를 이용해 120°C에서 boiling 30분, rinsing 40분, recovery 15분의 과정으로 추출하였다. 그 후 추출물을 60°C의 건조기에서 60분 이상 건조시킨 후 다음의 식을 에센셜 오일의 추출률(extraction ratio)을 계산하였으며, 3회 이상의 실험을 통해 평균값을 얻었다.

Extractionratio,%=w1w0S×100

W0 :초기 플라스크의 중량

W1 :추출, 건조 후의 전체 중량

S :시료의 중량

2.4. 추출물 분석

또한 시료로부터 추출된 성분의 정성분석을 위해 TLC와 FTIR 분석을 수행하였다. TLC 분석의 전개 용매로는 ethyl acetate (99.5%, Samchun Pure Chemical Co., Ltd.) – toluene (1 : 19, v/v)을, TLC plate로는 TLC Silica gel 60 F254 (MerchKGaA, Darmstadt, Germany)를 사용했다. 시료 전개 후에 365 nm의 UV 램프 (TN-4LC, Korea Ace Scientific Co., Ltd., Seoul, Korea)로 피크를 분석하였다. UV 램프로는 aromaticcompound와 conjugated system을 확인할 수 있어 이번 시료의 피크를 분석하기 적절하다. ATR-FTIR 기기인 Frontier(PerkinElmer, Massachusetts, USA)로 성분의 작용기를 분석했다.

3.1. 용매에 따른 추출률

동일한 실험조건하에서 추출용매를 각각 acetone, petroleumether, toluene으로 한 소나무의 부위 별 추출률을 Fig. 1에 나타내었다.

Figure 1. Extraction ratio of Pine needles, twigs, and barks derived essential oil by various solvents.

끓는점이 비슷한 용매인 acetone과 petroleum ether으로 추출한 결과를 비교해 보면 솔잎에서 7배, 가지에서 2.5배, 껍질에서 4.4배로 전체적으로 평균하여 4.3배 acetone의 추출률이 petroleum ether의 추출률에 비하여 높게 나타났다. Acetone과 petroleum ether는 끓는점이 각각 56°C와 45-70°C로 비슷한 반면 dipole moment는 각각 2.69 D와 0에 가까운 값으로 크게 차이가 있다. 따라서, 용매의 dipole moment와 극성이 추출률에 영향을 주었다고 추론할 수 있다.

소나무 유래 에센셜 오일의 구성물질로는 pinene, phellandrene, citronellol, bornyl acetate 등의 20여개 화학종이 보고되어 있으며 [19] Table 1에 주요 구성 성분과 이들의 극성도가 정리되었다. 각 구성 성분의 극성과 추출 용매의 극성이 다양하기 때문에 사용하는 용매의 극성에 따라 추출 결과가 영향을 받을 것이다. 극성 물질은 극성 용매에 잘 용해되고, 비극성 물질은 비극성 용매에 잘 용해되기 때문에 acetone과 petroleumether에서의 추출률 결과도 이에 상응하는 경향을 나타냈을 것으로 판단된다. Acetone과 같은 극성 물질 사이에는 쌍극자 사이의 힘이 존재하는 반면, petroleum ether와 같은 비극성 물질 사이에는 그보다 약한 분산력만 존재한다. 따라서, 극성도가 클수록 에센셜 오일에 대한 용해도가 증가하여 추출률이 증가하게 된다 [16]. 극성이 큰 용매인 acetone을 사용하였을 때는 bornyl acetate, citronellol, phenol 등이, 극성이 작은 용매인 petroleum ether를 용매로 추출하였을 때에는 β-pinene과 β-phellandrene 같은 비극성 성분들이 상대적으로 많이 함유되었을 것으로 추정된다.

Table 1 1. Polarity of representative components according to essential oil [19,21,2325]

SampleComponentPolarity
Pine needlesβ-pineneNonpolar
Bornyl acetatePolar
Twigsβ-phellandreneNonpolar
CitronellolPolar
BarkCatechinPolar
Caffeic acidPolar


부위별 추출률은 잎과 껍질에서는 acetone>toluene>petroleumether 순이고 가지에서는 toluene>acetone>petroleum ether 순이다. 소나무 유래 에센셜 오일의 대부분은 terpene계 화합물로 다양한 종류의 탄화수소 화합물로 강한 향을 가지고 있는데 식물체의 종류와 대상 부위별로 다양한 추출률을 보이는 것으로 알려져 있다 [20]. 따라서 가지의 에센셜 오일에는 dipole moment가 낮은 성분이 다른 부위보다 높은 비율로 존재했다는 것을 알 수 있다. 추가적으로 문헌에서 다룬 다른 추출 방법과 비교하면 증류법은 3시간 동안 잎과 가지에서 각각 0.60%, 2.85%를 추출했다 [21]. 초임계 유체 추출법은 30분, 300 bar, 55°C의 조건으로 가지에서 5.3%의 오일을 얻어냈다 [22]. 증류법은 추출률이 굉장히 낮고, 초임계 유체 추출법은 친환경적이라는 장점이 있지만 추출율에 비해 비용이 많이 드는 단점이 있다 [16]. 따라서 추출률과 비용적인 면을 종합적으로 고려했을 때 용매 추출법의 이점이 있다.

3.2. 추출물의 TLC분석

TLC 기법은 분석 시료의 고정상(silica gel)과 이동상(solvent)에 대한 상대적인 친화력에 의해 발생하는 전개 속도의 차이를 이용하여 성분의 화학적 성질을 분석하는 기법이다. 반면, 추출은 ‘like dissolves likes’의 원리에 의해 특정 물질 내에서 추출 용매와 비슷한 성분들을 녹여내는 방법이다. 때문에 추출된 물질, 즉 시료는 용매와 비슷한 성질을 갖게 된다. 시료를 전개한 후에 365 nm의 UV 램프로 선명한 스팟의 Rf값을 분석하여 Table 2에 나타내었다.

Table 2 TLC main spot data (Rf) of essential oil extracted by acetone

NeedlesTwigsBarks
AcetonePetroleum etherAcetonePetroleum etherAcetonePetroleum ether
0.130.120.140.110.14
0.200.210.21
0.230.250.240.24
0.280.260.28
0.310.310.30
0.590.58


장파장인 365 nm로 본 TLC 피크는 표에서 나타낸 것과 같이 주황색과 초록색 스팟으로구분되어 나타나는데, 이는 분자가 UV를 받으면서 방출하는 에너지의 차이에서 기인한다. Acetone 추출물인 경우 소나무의 잎, 가지, 껍질에서 대부분 4~6종의 공통적인 선명한 스팟이 TLC상에서 나타났다. 이에 반하여 Petroleum ether의 경우 소나무의 가지에서 4종의 스팟이 나타났다. 하지만 소나무의 잎과 껍질에서는 선명한 스팟이 하나씩만 관측되었는데 이는 Petroleum ether에서 추출률이 낮았던 결과와 관련이 있는 것으로 추정된다. 이상의 결과로부터 용매로 acetone을 사용하였을 경우가 petroleum ether를 사용하였을 경우보다 다양한 종류의 물질이 추출될 수 있음을 확인할 수 있었다. 문헌상 보고에 따르면 [26], 0.11~0.14 상의 스팟은 α terpineol (Rf = 0.15), 0.20~0.21 상의 스팟은 (+) borneol (Rf = 0.18), 0.58~0.59 상의 스팟은 bornyl acetate (Rf = 0.50)로 추정된다.

3.3. 추출물의 FTIR분석

용매 별, 시료 별 추출물에 대한 FTIR 분석 spectrum을 Fig. 2에 나타내었다. 그 결과 주목할 만한 작용기 용매 별로 모두 유사하게 나타났는데, 이는 추출 용매에 상관없이 에센셜 오일의 구성성분이 크게 다르지 않음을 의미한다. 또한, 용매에 따른 상호 차이가 나타나지 않아 오일 추출물 시료 중에 잔존하는 용매가 없는 것으로 판단되었다.

Figure 2. FTIR spectrum of Pine needles(a), twigs(b), and barks(c) essential oil product by various solvents.

소나무 잎 에센셜 오일의 주 성분은 α-pinene, β-pinene, citronellol, bornyl acetate, β-phellandrene 등이 있고 구조는 다음과 같다 [19].

IR spectrum상 3300 cm−1부근에서의 넓은 형태 피크는 citronellol의 OH기로 보이며, 2800~3000 cm−1에서의 피크는 Fig. 3의 모든 분자가 가지고 있는 -C-H 작용기에 해당하는 것으로 보인다. 한편, 1700 cm−1 부근의 피크는 용매로 사용한 acetone의 C=O 결합일 수도 있고, 오일의 성분인 bornyl acetate의 C=O 결합일 수 있다. 하지만 Fig. 2(b)에서 볼 수 있듯이 C=O 결합을 갖고 있지 않은 Petroleum ether를 용매로 사용했을 때도 1700 cm−1 부근에서 동일 패턴의 피크가 확인되는 것으로 보아 bornyl acetate의 C=O 결합 때문일 것으로 추정되었다. 파란색 화살표로 표시한 3080 cm−1, 1600 cm−1 부근의 피크는 각각 =C-H, conjugated된 C=C 결합으로 β-phellandrene의 분자 구조와 상응하였다.

Figure 3. Chemical structures of α-pinene, β-pinene, citronellol, bornyl acetate, and β-phellandrene.

소나무 가지와 잎으로부터 유래된 에센셜 오일의 주 성분은 β-phellandrene, citronellol, β-pinene, α-pinene, bornyl acetate로, 각 성분의 비율에서 차이는 있을 뿐 주요 구성성분은 유사한 것으로 알려져 있다 [21]. 실제로 가지에 대한 IR spectrum은 1710 cm−1 부근을 제외하고는 잎과 유사했다(Fig. 2(a), (b)). 가지 에센셜 오일에서 가장 많은 퍼센트를 차지하는 β-phellandrene는 bornyl acetate와 달리 C=O 작용기를 가지지 않아 1710 cm−1에서 피크의 크기가 감소한 것으로 판단되었다.

소나무 껍질에는 항균성을 가지고 있는 페놀성 화합물이 존재한다 [27]. 그 중에서 큰 분자 구조를 가지고 있는 폴리페놀 (Polyphenol)은 방향족 고리에 O-H기를 갖는 큰 분자이며, 특정 식물 기관에 축적되는 2차 신진대사의 화합물이다. 따라서 Fig. 2(c)와 같이 3300 cm−1 부근으로부터 O-H기를 가졌고, 1600 cm−1 근처에서의 피크를 통해 aromatic ring의 존재를 확인할 수 있었다.

식물체로부터 추출하는 에센셜 오일은 각각 살균, 방부 작용 등의 약리작용으로 인하여 많은 관심을 끌고 있다. 본 실험에서는 3종류의 용매 acetone, petroleum ether와 toluene를 이용하여 소나무의 잎과 가지, 껍질로부터 에센셜 오일을 추출하여 부위별 용매에 따른 추출률을 조사하였다. 또한 용매 및 부위별 추출물에 대한 성분을 추정하기 위하여 TLC와 FTIR 분석을 수행하였다. 부위별 추출률을 보면, acetone을 용매로 사용했을 때는 잎과 가지 그리고 껍질의 순으로 추출률이 높은 것으로 나타났으며, petroleum ether와 toluene을 사용했을 때는 소나무의 가지에서 추출률이 가장 높았으며 다음은 잎과 껍질의 순으로 나타났다. 끓는점이 비슷한 용매인 acetone과 petroleum ether으로 추출한 결과 acetone의 추출률이 petroleum ether의 추출률에 비하여 평균 4.3배 높게 나타났는데, 용매의 극성도에 따라 추출결과가 영향을 받은 것으로 판단되었다.

이 논문은 2020년도 서울시립대학교 교내학술연구비에 의하여 지원되었음.

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