초임계 이산화탄소에 의한 감귤박으로부터 카로테노이드 추출 조건의 최적화 Optimization in Extraction Conditions of Carotenoids from Citrus unshiu Press Cake by Supercritical Carbon Dioxide원문보기
초임계 이산화탄소를 이용하여 감귤박으로부터 ${\beta}$-cryptoxanthin을 포함한 carotenoids의 추출수율을 극대화하기 위하여, 주요 요인 변수인 추출 압력, 추출시간, 보조용매의 농도 등 추출 조건을 반응표면분석법에 의해 최적화하였다. Total carotenoids와 ${\beta}$-cryptoxanthin의 추출수율에 대한 반응표면회귀방정식의 $R^2$는 각각 0.9789과 0.9796이었고, 1% 이내의 수준에서 유의성이 인정되었다. 추출조건에 따라 예측된 정상점은 안장점이었으며 능선분석을 실시한 결과 total carotenoids과 ${\beta}$-cryptoxanthin의 최대 추출수율은 각각 61.1%와 95.8%로 예측되었으며, 이 때의 추출 압력, 추출시간, ethanol의 농도는 각각 33.4MPa/39.6min/18.6%와 37.3 MPa/41.0 min/17.0%이었다. Total carotenoids의 추출수율은 추출 압력의 증가에 따라 증가하였지만 압력이 높을수록 일정한 값에 도달하는 경향을 보인 반면, 추출시간과 보조용매의 농도 증가에 따라 연속적으로 증가하였다. ${\beta}-Cryptoxanthin$의 추출수율은 추출 압력, 추출시간, 보조용매의 농도 증가에 따라 연속적으로 증가하였다. 감귤박으로부터 carotenoids의 추출에는 추출시간과 보조용매의 농도 사이의 상호작용이 중요한 역할을 하였다.
초임계 이산화탄소를 이용하여 감귤박으로부터 ${\beta}$-cryptoxanthin을 포함한 carotenoids의 추출수율을 극대화하기 위하여, 주요 요인 변수인 추출 압력, 추출시간, 보조용매의 농도 등 추출 조건을 반응표면분석법에 의해 최적화하였다. Total carotenoids와 ${\beta}$-cryptoxanthin의 추출수율에 대한 반응표면 회귀방정식의 $R^2$는 각각 0.9789과 0.9796이었고, 1% 이내의 수준에서 유의성이 인정되었다. 추출조건에 따라 예측된 정상점은 안장점이었으며 능선분석을 실시한 결과 total carotenoids과 ${\beta}$-cryptoxanthin의 최대 추출수율은 각각 61.1%와 95.8%로 예측되었으며, 이 때의 추출 압력, 추출시간, ethanol의 농도는 각각 33.4MPa/39.6min/18.6%와 37.3 MPa/41.0 min/17.0%이었다. Total carotenoids의 추출수율은 추출 압력의 증가에 따라 증가하였지만 압력이 높을수록 일정한 값에 도달하는 경향을 보인 반면, 추출시간과 보조용매의 농도 증가에 따라 연속적으로 증가하였다. ${\beta}-Cryptoxanthin$의 추출수율은 추출 압력, 추출시간, 보조용매의 농도 증가에 따라 연속적으로 증가하였다. 감귤박으로부터 carotenoids의 추출에는 추출시간과 보조용매의 농도 사이의 상호작용이 중요한 역할을 하였다.
Response surface methodology (RSM) was used to investigate the effects of the processing parameters on supercritical $CO_2\;(SC-CO_2)$. extraction of total carotenoids and ${\beta}$-cyptoxanthin from Citrus unshiu press cake. The parameters tested were $SC-CO_2$ pres...
Response surface methodology (RSM) was used to investigate the effects of the processing parameters on supercritical $CO_2\;(SC-CO_2)$. extraction of total carotenoids and ${\beta}$-cyptoxanthin from Citrus unshiu press cake. The parameters tested were $SC-CO_2$ pressure, dynamic extraction time, and concentration of ethanol added as the modifier to $CO_2$. Experimental data correlated well with the processing parameters (p<0.01), and there was a high statistically significant multiple regression relationship for the extraction of total carotenoids and ${\beta}-cyrptoxanthin$ ($R^2=0.9789$ and 0.9796, respectively). The optimal processing conditions were extraction pressure 33.4 and 37.3 MPa, extraction time 39.6 and 41.0 min, ethanol concentration 18.6 and 17.0% for total carotenoids and ${\beta}-cryptozanthin$, respectively. Maximum extraction yields predicted by RSM were 61.1 and 95.8% ppm, respectively. The extraction yield of total carotenoids increased asymptotically with the increase of the extraction pressure. It increased in proportion to extraction time and concentration of the cosolvent. The extraction yield of ${\beta}-cryptoxanthin$ increased with extraction pressure, extraction time, and concentration of the cosolvent. The extraction time and the concentration of the cosolvent, and the interaction between extraction time and the concentration of the cosolvent significantly affected the extraction yields of carotenoids from C. unshiu press cake.
Response surface methodology (RSM) was used to investigate the effects of the processing parameters on supercritical $CO_2\;(SC-CO_2)$. extraction of total carotenoids and ${\beta}$-cyptoxanthin from Citrus unshiu press cake. The parameters tested were $SC-CO_2$ pressure, dynamic extraction time, and concentration of ethanol added as the modifier to $CO_2$. Experimental data correlated well with the processing parameters (p<0.01), and there was a high statistically significant multiple regression relationship for the extraction of total carotenoids and ${\beta}-cyrptoxanthin$ ($R^2=0.9789$ and 0.9796, respectively). The optimal processing conditions were extraction pressure 33.4 and 37.3 MPa, extraction time 39.6 and 41.0 min, ethanol concentration 18.6 and 17.0% for total carotenoids and ${\beta}-cryptozanthin$, respectively. Maximum extraction yields predicted by RSM were 61.1 and 95.8% ppm, respectively. The extraction yield of total carotenoids increased asymptotically with the increase of the extraction pressure. It increased in proportion to extraction time and concentration of the cosolvent. The extraction yield of ${\beta}-cryptoxanthin$ increased with extraction pressure, extraction time, and concentration of the cosolvent. The extraction time and the concentration of the cosolvent, and the interaction between extraction time and the concentration of the cosolvent significantly affected the extraction yields of carotenoids from C. unshiu press cake.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 초임계 이산화탄소를 이용하여 감귤 박으로부터 β-cryptoxanthin을 포함한 carotenoids의 추출수 율을 극대화하기 위하여, 추출 압력, 추출시간, 보조용매의 농도 등 추출조건을 반응표면분석법에 의해 최적화하였다.
제안 방법
나타낼 수 있다. Fig. 1과 2는 추출 압력, 추출시간, 보조용매의 농도에 따른 total carotenoids와 p-cryptoxan-thin의 추출수율을 나타내고 있는데, 고정 변수로서 추출 압력 , 추출시간, 보조용매의 농도는 중간값인 31.0 MPa, 30 min, 10%을 택하였다.
6 mm×250 mm, Hesperia, CA)이었고, 검출 파장은 450이었고, 이동상은 acetonitrile: methanol: dichloro-methane (75: 20: 5)이었으며, 유속은 L3mL/min로 하였다. 검량선은 β-cryptoxanthin(Extrasynthese, Genay, France)을 항산화제로 0.1%(w/v) butylated hydroxytoluene(BHT)7} 함유된 chloroform에 용해시키고, 다시 HPLC 분석용 mobile phase에 일정량 희석시켜 HPLC로 분석하여 피크면적으로 작성하였다.
여액에 50 mL petroleum ether와 50 mL 10% NaCl을 가하여 3회 반복 추출하였고, 상층을 모아 35℃에서 회전 진공 증발 건조시킨 후 ethanol로 50 mL 정용하였다. 유기용매 추출물 또는 초임계 이산화탄소 추출물을 4mL 취하여 4mL 10% methanolic KOH를 가하여 한시간 동안 암소에서 검화시켰다. 여기에 20mL petroleum ethei와 20mL 10% NaCl를 가하여 3회 반복 추출하였다.
8 MPa), 추출시간(X2, 10-50min), 보조용매의 농도(X3, 0~20%)를 5단계(-2, -1, 0, 1, 2)로 부호화하여 추출 실험을 실시하였다(Table 1). 이들 요인 변수에 의해 영향을 받는 종속 변수로는 total carotenoids와 β-cryptoxanthin의 주출수율을 선택하였으며, 3회(중 심점은 6회) 반복 실험하여 회귀분석에 이용하였다. 회귀분석에 의한 모델식의 예측은 SAS(statistical analysis system) program(13)을 이용하였고, 회귀분석 결과 임계점이 최대점이거나 최소점이 아니고 안장점일 경우에는 능선분석을 실시하여 최적점을 구하였다
초임계 이산화탄소와 보조용매는 각각 syringe pump에서 가압되었고 mixing zone에서 혼합된 후 supply valve를 통하여 sample cartridge로 주입되었다. 일정 온도와 압력에서 5분간 유지된 후 초임계유체는 시료가 중전된 cartridge를 통과하면서 추출을 행하였고, 초임계 이산화탄소와 추출물은 70℃로 가온된 restrictor를 통하여 collection vial(5℃)에 배출되었다. 이때 이산화탄소는 추출물과 분리되어 collection vial의 상부를 통하여 대기 중으로 방출되었고, 추출물은 10mL의 ethanol 이 채워져 있는 collection vial에 포집되었다.
. 중심합성계획 (central composite design)에 의한 요인(독립) 변수의 실험계획은 추출 압력(%, 17.2-44.8 MPa), 추출시간(X2, 10-50min), 보조용매의 농도(X3, 0~20%)를 5단계(-2, -1, 0, 1, 2)로 부호화하여 추출 실험을 실시하였다(Table 1). 이들 요인 변수에 의해 영향을 받는 종속 변수로는 total carotenoids와 β-cryptoxanthin의 주출수율을 선택하였으며, 3회(중 심점은 6회) 반복 실험하여 회귀분석에 이용하였다.
초임계 이산화탄소에 의하여 감귤박으로부터 carotenoids의 추출에 미치는 영향을 분석하기 위하여, 추출 압력(X1), 추출시간(X2), 에탄올의 농도(X3)를 3가지 요인 변수로 설정하고 5수준의 실험계획을 수립하여 total carotenoids와 g-cryptoxanthin의 추출수율을 측정하였는데, 그 결과는 Table 2와 같았다. Total carotenoids와 g-cryptoxanthin의 추출수율에 대한 반응표면 회귀방정식은 Table 3과 같았고 R2는 각각 0.
대상 데이터
, USA)로 구성되어 있다. Column은 Vydac 201 TP54 C18 reversed-phase column(5㎛ particle size 4.6 mm×250 mm, Hesperia, CA)이었고, 검출 파장은 450이었고, 이동상은 acetonitrile: methanol: dichloro-methane (75: 20: 5)이었으며, 유속은 L3mL/min로 하였다. 검량선은 β-cryptoxanthin(Extrasynthese, Genay, France)을 항산화제로 0.
HPLC 분석 시스템은 P4000 pump, UV 1000 UV/vis detector(Spectra-Physics Anaytical, Inc., CA, USA)와 AS3500 autosampler(TSP Inc., USA)로 구성되어 있다. Column은 Vydac 201 TP54 C18 reversed-phase column(5㎛ particle size 4.
본 실험에 사용한 초임계유체 추출장치 (SFX 3560, Isco Inc., Lincoln, NE, USA)는 최대 압력 이 48.3 MPa까지 사용 가능한 연속 유통형이다. 초임계유체 추출장치는 이산화탄소와 보조용매용 syringe pump(100DX, 260D, Isco Inc.
데이터처리
이들 요인 변수에 의해 영향을 받는 종속 변수로는 total carotenoids와 β-cryptoxanthin의 주출수율을 선택하였으며, 3회(중 심점은 6회) 반복 실험하여 회귀분석에 이용하였다. 회귀분석에 의한 모델식의 예측은 SAS(statistical analysis system) program(13)을 이용하였고, 회귀분석 결과 임계점이 최대점이거나 최소점이 아니고 안장점일 경우에는 능선분석을 실시하여 최적점을 구하였다
이론/모형
감귤박으로부터 초임계 이산화탄소에 의한 total carotenoids 와 β-cryptoxanthin의 추출조건을 최적화하기 위하여 반응표면분석법 (response surface methodology, RSM)을 사용하였다(12). 중심합성계획 (central composite design)에 의한 요인(독립) 변수의 실험계획은 추출 압력(%, 17.
성능/효과
1(b)와같았다. Ethanol의 농도 증가에 따라 추출수율은 증가하였으며, 높은 추출 압력에서보다 낮은 추출 압력에서 그 증가율은 더 높았다.
1(c)와 같았다. Ethanol의 농도 증가에 따라 추출수율은 증가하였으며, 추출시간을 길게 하였을 때가 짧게 하였을 때보다 추출수율 증가폭이 더 컸다. Ethanol의 농도 증가와 동시에 추출시간의 증가에 따라 추출수율이 급격히 증가하였는데, 이로 보아 두 변수간의 상호작용이 추출수율에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
Ethanol의 농도 증가에 따라 추출수율은 증가하였으며, 추출시간을 길게 하였을 때가 짧게 하였을 때보다 추출수율 증가폭이 더 컸다. Ethanol의 농도 증가와 동시에 추출시간의 증가에 따라 추출수율이 급격히 증가하였는데, 이로 보아 두 변수간의 상호작용이 추출수율에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이는 회귀방정식에서 X2X3,의 계수가 양인 것으로도 뒷받침하여주고 있다.
β-Ciyptoxanthin의 추출수율도 일정한 추출 압력 (31.0 MPa) 에서 추출시간과 ethanol의 농도 증가에 따라 급격히 증가하였는데, 이로 보아 두 변수간의 상호작용이 추출수율에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다(Fig. 2(c)).
β-Cryptoxanthin의 추출수율도 total carotenoids와 비슷한 양상을 보였지만, 다른 점은 일정한 ethanol 농도에서 추출 압력과 동시에 추출시간의 증가에 따라 추출수율은 급격히 증가하였으며 (Fig. 2(a)), 또한 일정한 추출시간에서 추출 압력과 동시에 ethanol의 농도를 증가시킴에 따라 추출수율이 급격히 증가하여 (Fig.
2(b)), 두 변수에 의한 상호작용이 추출수율에 큰 영향을 미침을 알 수 있었다. β-Cryptoxanthin의 추출수율은 total carotenoids보다 약 1.7배 이상 높았다.
이와 같이 실험 변수 요인들과 반응치 사이의 관계를 회귀 방정식을 이용하여 기술하므로써 모든 독립변수와 종속변수들 사이의 다중 회귀 상관관계는 1% 이내의 수준에서 통계적으로 높은 유의성이 있는 것으로 보아 실험 데이타는 이차방정식에 잘 부합됨을 알 수 있었다. 따라서 반응치는 회귀방정식에 의해 잘 설명되어졌고, 반응표면을 형성하므로 이와 같은 회귀 모델식은 실험 범위 내에서 초임계 이산화탄소에 의해 감귤박으로부터 carotenoids의 추출에 관련된 세가지 요인 변수들의 영향을 잘 예측할 수 있었다
추출시간의 증가에 따라 추출수율은 증가하였는데, 보조용매의 농도가 낮은 경우에는 추출시간의 증가에 따라 추출수율은 그다지 큰 변화가 없었지만 보조용매의 농도가높은 경우에는 추출시간의 증가에 따라 추출수율은 급격히 증가하였다. 또한 추출시간과 동시에 보조용매의 농도가 증가함에 따라 추출수율은 급격히 증가하였는데, 이로 보아 두 변수간의 상호작용이 추출수율에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
0%이었다(Table 4). 이와 같이 β-cryptoxanthin의 최대 추출수율은 거의 100%로 모두 회수될 수 있음을 알 수 있었으며, total carotenoids보다 약1.6배 높았다.
9796이었다. 이와 같이 실험 변수 요인들과 반응치 사이의 관계를 회귀 방정식을 이용하여 기술하므로써 모든 독립변수와 종속변수들 사이의 다중 회귀 상관관계는 1% 이내의 수준에서 통계적으로 높은 유의성이 있는 것으로 보아 실험 데이타는 이차방정식에 잘 부합됨을 알 수 있었다. 따라서 반응치는 회귀방정식에 의해 잘 설명되어졌고, 반응표면을 형성하므로 이와 같은 회귀 모델식은 실험 범위 내에서 초임계 이산화탄소에 의해 감귤박으로부터 carotenoids의 추출에 관련된 세가지 요인 변수들의 영향을 잘 예측할 수 있었다
1(a)와 같았다. 추출 압력의 증가에 따라 추출수율은 증가하였는데, 추출 말기보다 추출 초기에 추출 압력의 증가에 따른 추출수율 증대 효과가 더욱 높았다. 이는 추출시간을 짧게 하였을때는 추출 대상 성분들이 시료에 많이 남아 있으므로 추출압력에 따른 추출수율 증대 효과가 보다 높게 나타난 것으로 추정된다.
1(b)와같았다. 추출 압력의 증가에 따라 추출수율은 증가하였으나 높은 추출 압력에서는 추출수율이 일정한 값에 도달하는 경향을 보였으며, 추출 압력의 증가에 따른 추출수율의 증대효과는 보조용매의 농도가 낮을수록 더 높았다.
1(a)와 같았다. 추출시간의 증가에 따라 추출수율은 증가하였는데, 높은 추출 압력에서보다 낮은 추출 압력에서 추출수율의 증대 효과가 더욱 컸다. 이는 낮은 추출 압력에서는 추출 효율이 높지 않기 때문에 추출시간의 증가에 따른 추출수율 증대 효과가 크게 나타난 것으로 추정된다.
1(c)와같았다. 추출시간의 증가에 따라 추출수율은 증가하였는데, 보조용매의 농도가 낮은 경우에는 추출시간의 증가에 따라 추출수율은 그다지 큰 변화가 없었지만 보조용매의 농도가높은 경우에는 추출시간의 증가에 따라 추출수율은 급격히 증가하였다. 또한 추출시간과 동시에 보조용매의 농도가 증가함에 따라 추출수율은 급격히 증가하였는데, 이로 보아 두 변수간의 상호작용이 추출수율에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
추출조건에 따라 예측된 정상점은 안장점이었으므로 능선 분석을 실시한 결과 최대 추출수율과 최적 추출조건을 예측할 수 있었는데, 이때 total carotenoids와 β-cryptoxanthin의 최대 추출수율은 각각 61.1%와 95.8%이었으며, 이 때의 추출 압력, 추출시간, ethanol의 농도는 각각 33.4MPa/39.6 min/18.6%와 37.3 MPa/41.0min/17.0%이었다(Table 4). 이와 같이 β-cryptoxanthin의 최대 추출수율은 거의 100%로 모두 회수될 수 있음을 알 수 있었으며, total carotenoids보다 약1.
후속연구
초임계유체의 용해도 특성에 영향을 미치는 주요 요인은 온도와 압력이므로, 차후에 이들 변수와 보조용매의 농도 사이의 상관관계에 대한 연구가 더 필요하다
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