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문제 정의
- 약재료로서 이를 이용한 탕이나 음료를 제조할 경우 그 주요 성분들의 추출을 최대로 할 수 있는 추출방법의 확립은 매우 중요한 과제이다. 본 연구에서는 맥문동의 주요 기능성 성분인 올리고당 이 포함된 당류와 스테로이드 사포닌를 비롯한 몇가지 주요 성분의 함량을 높일 수 있는 추출법을 확립할 목적으로 반응표면분석법에 의한 맥문동 열수추출 조건의 최적화를 시도하였다.
제안 방법
- 또 열수추출 후 품질특성에 관련된 반응변수(Yn)로 는 고형분함량(Yi), 조지방(丫2), 회분(丫3), 조사포닌(YQ, 환원당(Ys), 비환원당(丫6), 당도(Y7)였으며 2개의 요인변 수를 5수준으로 하는 중심합성법에 의하여 실험영역을 설계하여 10개의 선정된 조건에서 실험을 실시하였다. SAS(statistical analysis system)의 RSREG procedure를 사 용하여 맥문동의 열수추출시 효율이 최대가 되게 하는 추출조건을 설정하고자 최적화를 시도하였다.
- 각 조건별로 추출한 시료의 고형분 측정은 맥문동 추 출액 10 mL를 항량을 구한 수기에 취하여 105 ℃ 에서 증발 건조시킨 후 그 무게를 측정하여 항량을 구하였으며, 추출액 조제에 사용된 용매비에 대한 백분율로서 고형분 수율(%)을 나타내었다.
- 이때 추출시간(boiling time; Xi)과 용매비 (solvent ratio; X, 를 요인변수로 하여 Table 1과 같이 -2, -1, 0, +1, +2의 다섯 단계로 부호화 하였 다. 또 열수추출 후 품질특성에 관련된 반응변수(Yn)로 는 고형분함량(Yi), 조지방(丫2), 회분(丫3), 조사포닌(YQ, 환원당(Ys), 비환원당(丫6), 당도(Y7)였으며 2개의 요인변 수를 5수준으로 하는 중심합성법에 의하여 실험영역을 설계하여 10개의 선정된 조건에서 실험을 실시하였다. SAS(statistical analysis system)의 RSREG procedure를 사 용하여 맥문동의 열수추출시 효율이 최대가 되게 하는 추출조건을 설정하고자 최적화를 시도하였다.
- 6). 맥문동 열수추출 음료의 제조를 위한 열수추출 액의 품질을 높이기 위하여 고형분 함량은 15~18%, 조사포닌 함량은 L5~2.0%, 환원당과 비환원당은 각각 6~8%와 6~7%, 그리고 당도는 13~15 °brix로 하는 제 한 조건을 설정하였다. 이러한 제한조건을 만족하는 영역에서 맥문동의 열수추출조건은 Table 6에서와 같이 가열시간은 3시간, 4배정도의 용매비로 결정할 수 있었다.
- 반응표면분석법을 이용하여 열수추출조건의 최적화를 시도하였다. 추출은 냉각관을 부착한 5L의 둥근 플라스크에 분쇄한 맥문동을 300g 씩을 넣어 증류수로서 100℃에서 가열 추출하였다.
- 3)한 후, 분액깔대기에 시료를 취한 다음 시료량과 동일한 량의 ethylether로 3회 세척하여 지용성 성분을 제거하였다. 수층에 수포화 n-butanol을 시료량과 동일 량으로 3회 가하여 분리하고, n-butanol층을 농축시켜 건조하여 시료에 대한 건물량(%)으로 나타내었다.
- 그러나 각 반응변수들의 반응표면은 정확하게 일치하지 않으므로 적절한 제한조건을 필요로 하게 된다. 주어진 실험조건내에서 예비실험을 통해 얻어진 결과를 바탕으로 제한영역을 설정하고, 각 조건이 일치하 는 지역을 중첩되는 contour map으로 구하고자 하였다 (Fig. 6). 맥문동 열수추출 음료의 제조를 위한 열수추출 액의 품질을 높이기 위하여 고형분 함량은 15~18%, 조사포닌 함량은 L5~2.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 맥문동(Liriope spicata Lour No. 1) 괴경은 영남농업시험장에서 재배한 것으로 껍질을 벗겨낸 후 60℃에서 열풍건조시킨 건조된 뿌리를 50 mesh 입도로 파쇄하여 사용하였다.
데이터처리
- 색상은 추출한 시료를 색차계 (Minolta CR-200, Japan)를 사용하여 Hunter value(L, a, b value) 와 hue angle을 3 회 반복측정하여 평균값을 나타내었다.
이론/모형
- Ando 등(6)의 방법에 따라 추출액을 여과(Whatman No. 3)한 후, 분액깔대기에 시료를 취한 다음 시료량과 동일한 량의 ethylether로 3회 세척하여 지용성 성분을 제거하였다. 수층에 수포화 n-butanol을 시료량과 동일 량으로 3회 가하여 분리하고, n-butanol층을 농축시켜 건조하여 시료에 대한 건물량(%)으로 나타내었다.
- 추출액의 당도 측정은 당도계(Atago No. 1, Japan)를 사용하여 측정하였고, 전당 측정은 phenol-sulfuric acid 법(7)으로, 환원당은 dinitrosalicylic acid(DNS)에 의한 비색방법(8)에 의해 분광광도계를 사용하여 550 nm에서 흡광도를 측정하여 glucose 양으로 환산하였다. 비환원 당은 전당에서 환원당을 제한 값으로 하였다.
- 회분은 건식회화법(5)으로 분석하였으며, 조지방은 맥 문동 추출액 10 mL를 항량을 구한 수기에 취하여 10 5 ℃ 에서 증발건조시킨 후 그 시료에다 ethylether을 일정 량 취하여 농축시켜 조지방을 얻은 다음 50~60℃의 건 조기에서 항량이 될 때까지 건조하여 시료에 대한 건물 량(%)으로 나타내었다.
성능/효과
- 하지만 추출시간에 대해서는 큰 영향을 보이지 않았으나 3시간의 가열시간에서 높은 고형분 함량을 보여 적절한 가열시간이라 할 수 있었다. Fig. 2에서 보는 바와 같이 사포닌 함량은 고형분 함량의 경우와 마찬가지로 낮은 용매비에서는 높은 값을 보였으며, 용매비가 증가할수록 급격히 감소하였으나, 시간에 대하여는 큰 영향을 보이지 않았다. 그러나 용매비가 높아질 경우 가열시간이 증가함에 따라 사포닌의 함량이 높아지는 경향을 보였는데 이러한 경향은 사포닌이 난 수용성이나 가열시간이 길어짐에 따라 용출량이 증가되 었기 때문이라 생각된다.
- 각 반응변수에 미치는 독립변수 의 영향을 살펴본 결과를 Table 4에 나타내었다. 가열시간 보다는 용매비가 더 중요한 변수로 작용하였으며, 가열시간은 고형분 함량에 대해서만 유의성이 있는 것으로 나타났다. 그러나 조지방과 회분함량과는 유의성 이 없는 것으로 나타나 Table 3의 낮은 결정계수 값과 관련이 있음을 보였다.
- 또, 추출을 위한 가 열시간이 짧거나 너무 길 경우도 동일한 결과를 초래한다. 맥문동의 열수추출시 용매비를 2~6배로 하고 추출 시간을 1~5시간으로 하였을 때 추출액의 고형분 함량 은 반응표면분석(Fig. 1)에서 나타난 바와 같이 낮은 용매비에서 높은 함량을 보여 추출액량은 적지만 고농도의 추출액을 얻을 수 있었으며, 등고선도를 분석해 본 결과 고형분의 농도차는 용매비에 거의 비례하는 것으로 나타났다. 하지만 추출시간에 대해서는 큰 영향을 보이지 않았으나 3시간의 가열시간에서 높은 고형분 함량을 보여 적절한 가열시간이라 할 수 있었다.
- 3)은 낮은 용매비일수록, 그리고 가열시간이 증가할수록 높은 함량을 보였으며, 가열시간보다는 용매비에 대한 영향이 더 큰 것으로 나타났다. 비환원당 함량의 경우에도 가 열시간이 증가함에 따라 함량이 낮아졌으며, 4배의 용매비에서 가장 높은 함량을 보았다. 그러나 Fig.
- 열수추출액의 고형분함량이 나 당도에 대하여는 1 % 이내의 유의수준을 나타내었으며, 그 외 조사포닌, 환원당과 비환원당 함량에 대해 서는 5% 내의 유의 수준을 나타내었으나 조지방이나 회분함량에 대하여는 수립된 회귀식에 대하여 유의성이 인정되지 않았다. 수립된 2차 회귀식에 대한 적합성 결여분석 결과 반응변수 모두 유의성이 없어(P>0.05) 수립된 반응표면 모형이 통계적으로 유의하다고 할 수 있으나 대부분의 반응변수 모두 1차 항만으로도 회귀식을 수립할 수 있을 것으로 생각된다.
- 회귀식에 대하여 분산분석한 결과를 Table 5에 나타내었다. 열수추출액의 고형분함량이 나 당도에 대하여는 1 % 이내의 유의수준을 나타내었으며, 그 외 조사포닌, 환원당과 비환원당 함량에 대해 서는 5% 내의 유의 수준을 나타내었으나 조지방이나 회분함량에 대하여는 수립된 회귀식에 대하여 유의성이 인정되지 않았다. 수립된 2차 회귀식에 대한 적합성 결여분석 결과 반응변수 모두 유의성이 없어(P>0.
- 이들 계수 값을 이용함으로 반응 변수의 예측은 물론 반응표면의 형성도 가능하다(11). 이들 요인 변수 중 조지방과 회분의 함량에 대하여는 유의성이 없었으나 그 외의 반응 변수들에 대하여는 비교적 높은 걸정계수 값을 가져 2차식의 회귀식으로 예측이 가능함을 보였다. 각 반응변수에 미치는 독립변수 의 영향을 살펴본 결과를 Table 4에 나타내었다.
- 1)에서 나타난 바와 같이 낮은 용매비에서 높은 함량을 보여 추출액량은 적지만 고농도의 추출액을 얻을 수 있었으며, 등고선도를 분석해 본 결과 고형분의 농도차는 용매비에 거의 비례하는 것으로 나타났다. 하지만 추출시간에 대해서는 큰 영향을 보이지 않았으나 3시간의 가열시간에서 높은 고형분 함량을 보여 적절한 가열시간이라 할 수 있었다. Fig.
- 그러나 용매비가 높아질 경우 가열시간이 증가함에 따라 사포닌의 함량이 높아지는 경향을 보였는데 이러한 경향은 사포닌이 난 수용성이나 가열시간이 길어짐에 따라 용출량이 증가되 었기 때문이라 생각된다. 환원당의 함량(Fig. 3)은 낮은 용매비일수록, 그리고 가열시간이 증가할수록 높은 함량을 보였으며, 가열시간보다는 용매비에 대한 영향이 더 큰 것으로 나타났다. 비환원당 함량의 경우에도 가 열시간이 증가함에 따라 함량이 낮아졌으며, 4배의 용매비에서 가장 높은 함량을 보았다.
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