Overall experiments were planned by central composite design, and results were analyzed by response surface methodology (RSM) to determine effects of three independent variables, temperature ($X_{1}$), extraction time ($X_{3}$), and pressure ($X_{3}$), on yield of se...
Overall experiments were planned by central composite design, and results were analyzed by response surface methodology (RSM) to determine effects of three independent variables, temperature ($X_{1}$), extraction time ($X_{3}$), and pressure ($X_{3}$), on yield of sesame oil extract (Y). Regression equation model optimized by response surface analysis was: Y (sesame oil) = $-3.89+0.07X_{1}+0.03X_{2}+0.0006X_{3}-0.0007X_{1}^{2}-0.0002X_{2}X_{1}-0.00008X_{2}^{2}+0.000004X_{3}X_{1}+0.0000009X_{3}X_{2}-0.00000009X_{3}^{2}$. According to RSM analysis, optimum extracting conditions of temperature, time, and pressure were $45.89^{\circ}C$, 131.89 min, and 34228.41 kPa, respectively, and statistical maximum yield of sesame oil was 96.27%. Fatty acid composition of sesame oil showed sesame oil extracted by Supereritical Fluid $CO_{2}$ contained lower levels of palmitic, stcaric, and oleic acids and higher levels or palmitoleic and linoleic acids than commercial sesame oil. Commercial and extracted sesame oils were analyzed by electronic nose composed of 12 different metal oxide sensors. Obtained data were interpreted by statistical method of MANOVA. Sensitivities of sensors from electronic nose were analysed by principal component analysis. Proportion of first principal component was 99.92%. All sesame oils showed different odors (p < 0.05).
Overall experiments were planned by central composite design, and results were analyzed by response surface methodology (RSM) to determine effects of three independent variables, temperature ($X_{1}$), extraction time ($X_{3}$), and pressure ($X_{3}$), on yield of sesame oil extract (Y). Regression equation model optimized by response surface analysis was: Y (sesame oil) = $-3.89+0.07X_{1}+0.03X_{2}+0.0006X_{3}-0.0007X_{1}^{2}-0.0002X_{2}X_{1}-0.00008X_{2}^{2}+0.000004X_{3}X_{1}+0.0000009X_{3}X_{2}-0.00000009X_{3}^{2}$. According to RSM analysis, optimum extracting conditions of temperature, time, and pressure were $45.89^{\circ}C$, 131.89 min, and 34228.41 kPa, respectively, and statistical maximum yield of sesame oil was 96.27%. Fatty acid composition of sesame oil showed sesame oil extracted by Supereritical Fluid $CO_{2}$ contained lower levels of palmitic, stcaric, and oleic acids and higher levels or palmitoleic and linoleic acids than commercial sesame oil. Commercial and extracted sesame oils were analyzed by electronic nose composed of 12 different metal oxide sensors. Obtained data were interpreted by statistical method of MANOVA. Sensitivities of sensors from electronic nose were analysed by principal component analysis. Proportion of first principal component was 99.92%. All sesame oils showed different odors (p < 0.05).
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가설 설정
추출 영향 인자인 추출조(extractor)내의 추출온도, 추출시간, 추출압력올 주요 독립 변수로 설정하여, Coclmn과 Cox(4)가 연구한 실험설계법에 따라 조합하였다. 조합된 실험구는 총16구이며, 독립변수인 X』추출온도), Xz(추출 시간), X』추출압력)가 종속변수인 Y(참기름의 추출 함량)에 영향을 주는 요인으로 가정하여 실험 모델을 Table 1, Table 2와 같이 설정하였다. 실험을 통해 얻어진 값들은 Statistical Analysis System 소프트웨어 (SAS Institute Inc.
제안 방법
France)谊로 센서는 12개의 metal oxide sensor(MOS), 즉 SY/LG SY/Q SY/AA, SY/GH, SY/gCTI, SY/gCT, T30/1, P10/2, P40/1, T70/2, PA2로 구성되어 있는 것을 사용하였다. 10 mL vial에 초임계유체 추출 참기름을 취해서 각각 8반복으로 incubation time은 5분, incubation tempera- turefe- 40℃, 진탕은 500rpm으로 하여 headspace로부터 향기 성분을 포집하였고, 이것을 45。(2로 유지되는 injection port에 주입하여 분석을 시행하였다. 향기패턴 분석 결과 얻은 각 센서의 저항값에 대한 시료 휘발성 성분의 저항값의 변화율로 주성분분석(Principal component analysis; PCA)를 실행하여 제1 주성분 값과 제2성분 값을 얻었으며, SAS Program을 통해 MANOVA(multivariate analysis of variance)를 실시하여 유의성을 검증하였다.
oven에서 60분간 반응시켰다. 반응 후 hexane충만을 취하여 자동주입기가 장착된 gas chromatograph(Hewlett-Packard 6890 series, Avondale, PA, US A)를 사용하여 지방산 분석을 실시하였다. 분석에 사용된 fused-silica capillary column(Supelco- waxa™-10, 60 m X 0.
반응 후 hexane충만을 취하여 자동주입기가 장착된 gas chromatograph(Hewlett-Packard 6890 series, Avondale, PA, US A)를 사용하여 지방산 분석을 실시하였다. 분석에 사용된 fused-silica capillary column(Supelco- waxa™-10, 60 m X 0.25 mm X 0.25 |im film thickness, Bellefonte, PA, USA)은 시간에 따라 온도변화(HTC 5minf 4℃/ min —► 220℃ 20 min)를 주어 pmak의 분리 효율을 높였으며, flame ionized detector(FID)를 통하여 검출하였다. 이동상은 질소가스를 이용하였고, injector와 detector 온도는 각각 250℃, 26(TC로 설정하였다.
참기름 추출 .수율에 미치는 영향을 알아보기 위해, 추출 시간과 압력을 고정하고 온도 변화에 따른 추출 수율의 변화를 비교하였다. 반응표면 분석에 의해 도출된 최고점 부근인 130 min, 34, 300 kPa에서 압력과 추출 시간을 고정하고, 온도를 35- 751까지 5℃ 간격으로 변화시키면서 참기름의 추출 수율을 비교하여 Fig.
압력이 추츨 수욜에 미치는 영향: 초임계유체 추출 시 압력이 참기름 추출 수율에 미치는 영향을 알아보기 위해, 온도와 추출 시간을 고정하고 압력에 따른 추출 수율의 변화를 비교하였다. 즉, 반응표면분석에 의해 도출된 최고점 부근인 45℃, 130 분에서 온도와 추출시간을 고정하고, 압력을 15, 092-34, 300kPa 까지 2401 kPa 간격으로 변화시키면서 참기름의 추출 수율을 비교하여 Fig.
압력이 추츨 수을에 미치는 영향: 반응표면분석에 의해 도출된 최고점 부근에서 온도와 추출시간을 고정하고, 압력을 15092- 34300 kPa까지 2401 kPa 간격으로 변화시키면서 참기름의 추출 수율을 비교 분석하였다.
은도가 추츤 수욜에 미치는 영향: 반응표면분석에 의해 도출된 최고점 부근에서 추출시간과 압력을 고정하고, 온도를 35- 751까지 5℃ 간격으로 변화시키면서 참기름의 추출 수율을 비교 분석 하였다.
전자코 시스템을 이용해 시장에서 구입한 참기름과 초임계유체 추출을 통해 얻어진 참기름간의 휘발성 향기 성분을 비교 분석하였다. 전자코 시스템을 통해 얻어진 데이터를 SAS program(Ver 6.
참깨박의 초임계유체 Cd를 이용한 참기름의 추출에서 반응표면분석을 위해 반응 변수를 추출온도(XJ와 추출시간(X) 추출압력 (X3)으로 하고 종속변수(Y)의 값을 참기름 함량으로 설정하였다. 반응표면분석을 위한 중심합성계획법에 따라 16구의 실험 구를 설계하고, 이 data를 SAS 통계프로그램에 적용시켜최적조건을 도출하였다.
초임계유체 추출 공정 중의 주요한 인자인 추출 온도와 추출 시간, 추출 압력에 대한 실험올 설계하고, 반응표면분석에 의하여 참깨박으로부터 참기름의 초임계유체 추출의 최적 추출 조건을 분석한 후 이 최고점 부근에서 추출 온도, 추출 시간, 추출 압력의 각 변수가 추출 수율에 각각 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위하여 다음과 같이 실험하였다.
C법에 따라 참기름올 추출하여 정량분석을 실시하였다(5). 초임계유체 추출 장치를 이용한 참기름 추출 시주출장치의 pipe 내벽에 참기름이 잔류할 수 있으므로 이를 보완하기 위해 extractor 내에 추출이 끝난 참깨박 시료에 대해 soxhlet 장치로 정량 분석을 실시하여 최종 수율을 구하였다.
추출조(extractor)에 참깨박을 각각 50 g씩 채운 다음, 온도조절기와 가압펌프에 의해 제어되는 추출온도(오차ztO.kC)와 압력(오차±690kPa)을 설계한 실험조건 Table 1에 따라 조정하였다. 추출조를 통해 참기름을 용해한 초임계 이산화탄소는 micro metering valve를 통해 분리조(separator)에서 기체 이산화 탄소와 용질로 분리되며, 분리조로부터 추출된 참기름을 회수하여 정량분석을 실시한 후 -2(TC에서 냉동 보관하면서 분석을 실시하였다.
kC)와 압력(오차±690kPa)을 설계한 실험조건 Table 1에 따라 조정하였다. 추출조를 통해 참기름을 용해한 초임계 이산화탄소는 micro metering valve를 통해 분리조(separator)에서 기체 이산화 탄소와 용질로 분리되며, 분리조로부터 추출된 참기름을 회수하여 정량분석을 실시한 후 -2(TC에서 냉동 보관하면서 분석을 실시하였다.
추츨시간이 추츨 수율에 미치는 영향: 반응표면분석에 의해도출된 최고점 부근에서 온도와 압력올 고정하고, 추출시간을 30-150분까지 15분 간격으로 변화시키면서 참기름의 추출 수율을 비교 분석 하였다.
추츨시간이 추츨 수을에 미치는 영향: 초임계유체 추출 시추 출 시간이 참기름 추출 수율에 미치는 영향을 알아보기 위해, 온도와 압력을 고정하고 추출시간에 따른 추출 수율의 변화를 비교하였다. 즉, 반응표면분석에 의해 도출된 최고점 부근인 45℃, 34, 300 kPa에서 온도와 압력을 고정하고, 추출시간을 30분-150분까지 15분 간격으로 변화시키면서 참기름의 추출 수율을 비교하여 Fig.
대상 데이터
본 실험에 사용된 전자코는 a-Fox 3000 Electronic Nose System(Alpha M.O.S. France)谊로 센서는 12개의 metal oxide sensor(MOS), 즉 SY/LG SY/Q SY/AA, SY/GH, SY/gCTI, SY/gCT, T30/1, P10/2, P40/1, T70/2, PA2로 구성되어 있는 것을 사용하였다. 10 mL vial에 초임계유체 추출 참기름을 취해서 각각 8반복으로 incubation time은 5분, incubation tempera- turefe- 40℃, 진탕은 500rpm으로 하여 headspace로부터 향기 성분을 포집하였고, 이것을 45。(2로 유지되는 injection port에 주입하여 분석을 시행하였다.
본 실험에서 사용한 참깨박은 인도산 참깨로 압착 착유 후 발생하는 1차 참깨박을 cutter mill(Super mill 1500 series, NewPort Co., Australia)로 분쇄하여 355 gm(No. 45) sieveS. 체질한 후 aluminum bag에 밀봉한 상태로 -"C 냉동 보관 하면서 공시재료로 사용하였다.
체질한 후 aluminum bag에 밀봉한 상태로 -"C 냉동 보관 하면서 공시재료로 사용하였다. 본 실험의 추출용매는 특급시약 또는 HPLC grade를 사용하였다.
시료로 사용한 참깨박은 참깨의 압착 착유 과정 중 얻어지는 1차 참깨박으로, 조지방 함량을 soxhlet 장치로 분석한 결과 9.0±0.1 (Mean土S.D.)% 이었다. 현재 식품공전에서 참기름은, 참깨를 압착하여 얻은 압착참기름과 참깨로부터 추출한 원유를 정제한 추출 참깨유'라고 정의 되어있다(6).
실험에 사용한 초임계유체 추출 장치의 모식도를 Fig. 1에 나타냈으며, 추출장치는 추출조, 분리조, 가압펌프로 구성되어 있다. 추출조(Erie, HIP Inc.
25 |im film thickness, Bellefonte, PA, USA)은 시간에 따라 온도변화(HTC 5minf 4℃/ min —► 220℃ 20 min)를 주어 pmak의 분리 효율을 높였으며, flame ionized detector(FID)를 통하여 검출하였다. 이동상은 질소가스를 이용하였고, injector와 detector 온도는 각각 250℃, 26(TC로 설정하였다.
1에 나타냈으며, 추출장치는 추출조, 분리조, 가압펌프로 구성되어 있다. 추출조(Erie, HIP Inc., USA), 가압펌프(Burbank, Haskel Co., USA), 압력조절기(Erie, HIP Inc., USA), 압력측정기(Erie, MacDiniel controls Co., USA), 고압용관 등을 수입하여 조립한 것을 사용하였다.
데이터처리
반웅변수를 추출온도와 추출압력 및 추출시간으로 하고 종속변수를 sesame oil(%) 로 하여 SAS Progran傕 이용하여 3차원 그래프 분석한 결과는 Fig. 2, 3, 4와 같았다. 회귀 분석에 의한 모델식의 예측에는 SAS program(Ver 6.
반응표면분석을 위한 중심합성계획법에 따라 16구의 실험 구를 설계하고, 이 data를 SAS 통계프로그램에 적용시켜최적조건을 도출하였다. SAS Program을 이용한 반응표면분석 및 회귀분석을 실시하여 회귀식을 도출한 결과는 다음과 같다.
조합된 실험구는 총16구이며, 독립변수인 X』추출온도), Xz(추출 시간), X』추출압력)가 종속변수인 Y(참기름의 추출 함량)에 영향을 주는 요인으로 가정하여 실험 모델을 Table 1, Table 2와 같이 설정하였다. 실험을 통해 얻어진 값들은 Statistical Analysis System 소프트웨어 (SAS Institute Inc., USA)를 이용하여 반응표면분석 (RSM)을 실시하였다.
분석하였다. 전자코 시스템을 통해 얻어진 데이터를 SAS program(Ver 6.1)을 이용해 MANOVA(multivariate analysis of variance) 검정을 실시하여 Table 7의 결과를 얻었다. Table 7에서와 같이 시장에서 구입한 참기름과 초임계유체 추출을 통해 얻은 참기름의 향기성분 간에는 유의적인 차이3 <0.
10 mL vial에 초임계유체 추출 참기름을 취해서 각각 8반복으로 incubation time은 5분, incubation tempera- turefe- 40℃, 진탕은 500rpm으로 하여 headspace로부터 향기 성분을 포집하였고, 이것을 45。(2로 유지되는 injection port에 주입하여 분석을 시행하였다. 향기패턴 분석 결과 얻은 각 센서의 저항값에 대한 시료 휘발성 성분의 저항값의 변화율로 주성분분석(Principal component analysis; PCA)를 실행하여 제1 주성분 값과 제2성분 값을 얻었으며, SAS Program을 통해 MANOVA(multivariate analysis of variance)를 실시하여 유의성을 검증하였다.
2, 3, 4와 같았다. 회귀 분석에 의한 모델식의 예측에는 SAS program(Ver 6.1)이 사용되었고, 회귀분석결과 임계점이 최대점이거나 최소점이 아니고 안 장점일 경우에는 능선분석을 하여 최적점을 구하였다. 회귀분석 결과 참기름 추출량의 최고점은 45.
이론/모형
Soxhlet에 의한 정량 분석: 참깨박으로부터 soxhlet 장치를 이용하여 A.O.A.C법에 따라 참기름올 추출하여 정량분석을 실시하였다(5). 초임계유체 추출 장치를 이용한 참기름 추출 시주출장치의 pipe 내벽에 참기름이 잔류할 수 있으므로 이를 보완하기 위해 extractor 내에 추출이 끝난 참깨박 시료에 대해 soxhlet 장치로 정량 분석을 실시하여 최종 수율을 구하였다.
최적 추출 조건을 도출하기 위한 반응표면분석에 적합한 실험 계획올 중심 합성 설계법(central composite rotational design)에 따라 설계하였다. 추출 영향 인자인 추출조(extractor)내의 추출온도, 추출시간, 추출압력올 주요 독립 변수로 설정하여, Coclmn과 Cox(4)가 연구한 실험설계법에 따라 조합하였다.
따라 설계하였다. 추출 영향 인자인 추출조(extractor)내의 추출온도, 추출시간, 추출압력올 주요 독립 변수로 설정하여, Coclmn과 Cox(4)가 연구한 실험설계법에 따라 조합하였다. 조합된 실험구는 총16구이며, 독립변수인 X』추출온도), Xz(추출 시간), X』추출압력)가 종속변수인 Y(참기름의 추출 함량)에 영향을 주는 요인으로 가정하여 실험 모델을 Table 1, Table 2와 같이 설정하였다.
성능/효과
일반적으로 초임계유체의 밀도가 커질수록 용해도가 커지는데, 15, 092-24, 696 kPa 압력 범위에서 수율의 변화폭이 큰 것은 임계점 근처에서 밀도 변화가 크기 때문인 것으로 사료된다. 24, 696 kPa 보다 큰 압력하에서는 압력증가에 따른 추출 수율의 증가 폭이 다소 완화되었으며, 특히 29, 498 kPa 이상의 압력 조건하에서는 그 효과가 미미하였다.
Fig. 6에서 보는 바와 같이 추출시간이 증가함에 따라 수율이 증가하는 경향을 보였으나, 130분 부근에서 최고 수율을 나타낸 이후부터는 추출 시간을 늘려도 수율은 일정한 경향을 보였다. 추출시간에 따른 수율 변화 관찰 결과 최고점인 130분까지 수율과 추출시간은 거의 비례하는 것을 볼 수 있었다.
05)가 있는 것으로 나타났다. 또한 주성분 분석 결과(principal component analysis; PCA) Fig. 8에 나타낸 것과 같이 제 1 주성분의 기여율(pn甲ortion)은 99.92%, 제 2 주성분의 기여율은 0.04%이었고, 두 샘플간의 향기패턴에 대한 차이가 있었다.
29,498kPa 이상의 압력 조건하에서는 그 효과가 미미하였다. 초임계유체 추출을 통해 얻은 참기름의 지방산 분석 결과 palmitic acid(C16:0)의 비율이 줄어들고 palmitoleic acid(C16:l) 의 비율이 늘어났다. 또한 stearic acid(C18:0), oleic acid(C18:l) 는 비율이 줄어들고 linoleic acid(C18:2)는 오히려 비율이 늘어 났다.
27%이었다. 최적 조건 부근인 130 min, 34, 300kPa에서 온도가 추출 수율에 미치는 영향을 알아 본 결과 온도가 45-50℃ 사이에서 최고점을 보였고, 55℃ 이상의 온도에서는 수율이 급격히 감소하였다. 최적 조건 부근인 45℃, 34, 300kPa 에서 추출시간이 추출 수율에 미치는 영향을 알아본 결과 추출시간이 증가할수록 수율이 증가하였으며, 130 min 이상에서는 거의 변화가 없었다.
최적 조건 부근인 45℃, 34, 300kPa 에서 추출시간이 추출 수율에 미치는 영향을 알아본 결과 추출시간이 증가할수록 수율이 증가하였으며, 130 min 이상에서는 거의 변화가 없었다. 최적 조건 부근인 45℃, 130 min에서 압력이 추출 수율에 미치는 영향을 알아 본 결과 압력이 증가 할수록 수율이 꾸준히 증가하였으며, 15,(mkPa와 24,696 kPa 사이에서 압력중가에 따른 추출 수율의 중가 폭이 컸다. 29,498kPa 이상의 압력 조건하에서는 그 효과가 미미하였다.
최적 조건 부근인 130 min, 34, 300kPa에서 온도가 추출 수율에 미치는 영향을 알아 본 결과 온도가 45-50℃ 사이에서 최고점을 보였고, 55℃ 이상의 온도에서는 수율이 급격히 감소하였다. 최적 조건 부근인 45℃, 34, 300kPa 에서 추출시간이 추출 수율에 미치는 영향을 알아본 결과 추출시간이 증가할수록 수율이 증가하였으며, 130 min 이상에서는 거의 변화가 없었다. 최적 조건 부근인 45℃, 130 min에서 압력이 추출 수율에 미치는 영향을 알아 본 결과 압력이 증가 할수록 수율이 꾸준히 증가하였으며, 15,(mkPa와 24,696 kPa 사이에서 압력중가에 따른 추출 수율의 중가 폭이 컸다.
6에서 보는 바와 같이 추출시간이 증가함에 따라 수율이 증가하는 경향을 보였으나, 130분 부근에서 최고 수율을 나타낸 이후부터는 추출 시간을 늘려도 수율은 일정한 경향을 보였다. 추출시간에 따른 수율 변화 관찰 결과 최고점인 130분까지 수율과 추출시간은 거의 비례하는 것을 볼 수 있었다.
후속연구
또한 초임계유체는 주로 이산화탄소 혹은 이산화탄소와 미량의 보조용매로 형성하기 때문에 용매추출법에 비해 유해성 용매의 잔존위험이 없을 뿐만 아니라 상온부근에서 추출조작이 이루질 수 있기 때문에 천연물 또는 식품과 같이 열에 민감한 물질의 추출에 유용한 방법이다. 따라서 초임계유체 CO2 를 이용한 참깨박으로부터 oil 추출해 관한 연구를 수행 시 폐자원을 이용한다는 측면에서 높은 부가가치를 올릴 수 있으며, 초임계유체의 특성을 고려 시 인체에 무해하면서도, 우수한 향기 성분과 높은 수율의 참기름을 추출 할 수 있을 것으로 기대된다.
참고문헌 (8)
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