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문제 정의
- 그러나 총 추출율은 40% 내외로 기존의 추출 방법에 비하여 비슷한 결과를 나타내었다. 따라서 보다 많은 물리적인 힘을 가할 수 있는 방법으로 압출 성형 공법을 이용 하고자 한다. 압출성형은 단일 공정으로 반죽, cooking, 성형 및 살균이 이루어져 노동력 및 시간 절약에 이점을 가지고 있어 스넥, 크래커, 및 씨리얼 등을 제조하는 식품산업에 많이 이용되고 있다.
- 이에 본 연구는 세포벽 성분 수용화 극대화의 방안으로 압출성형을 이용하여 미삼을 압출 성형함에 따라 압출 성형 조건이 인삼의 세포벽 성분 수용화에 미치는 영향을 규명하고, 인삼 추출율을 극대화하는 최적 압출성형 조건을 확립하기 위하여 수행 되었다.
제안 방법
- 각각의 추출액에서 분획 및 추출된 조사포닌을 MeOH에 용해하여 시료를 0.2 nm filter로 여과 후 사포닌 추출액을 membrane filter(0.45 |im pore size)로 여과하여 Table 3의 조건하에서 HPLC로 분석하였다.
- 부탄올 층을 한데 모아 감압 농축하여 잔유물을 105℃에서 건조 시켜 생성된 고형분의 무게를 조사포닌 함량으로 구하였다(23). 또 한물 층을 한데 모아 감압 농축하여 유리당으로 회수 하였다. 분획된 유리당을 건조하여 다시 물에 녹여 membrane filter(0.
- 또한 압출처리 미삼은 상온 추출에서도 많은 양의 비전분 탄수화물이 용해되는 것을 확인 하였다. 또한 비전분 탄수화물을 분획하기 위해 각각의 추출물을 80% ethanol 로 침전 시킨 후 생성된 침전물을 분획하고, 침전된 고분자물에Termamyl 및 Amyloglucosidase를 처리하여 전분 성분을 분해한 후 80% ethanol 용액으로 다시 침전시켜 생성된 침전물을 비전분 탄수화물로 회수 하였다. 압출미삼에서 추출된 비전분 탄수화물의 주된 구성당은 arabinose와 galactose임을 Table 7에 나타내었다.
- 즉, 비전분 다당체의 구성 성분은 thermostable α-amylase(Teramayl 1-120, Novozym)와 amyloglucosidase(Sigma)를 반응시켜 80% ethanol 용액을 가하여 전분 분해물을 제거하고, 생성된 침전물을 non-starch polysaccharide(NSP), 비전분 탄수화물)로 회수하여, 중성당 및 uronic acid residues 등으로 측정하였다. 또한 이를 황산으로 가수분해한 후, 생성된 neutral sugars를 alditol acetates로 유도체를 만들어 gas-liquid chromatography로당조성을 측정하였다.
- ) 변화는 Table 4에 나타낸 것과 같다. 미삼분말에 구연산을 10% 혼합한 혼합미 삼분 말을 가수량이 가장 낮은 처리구를 비교대조구로 하여 압출성형 하였다.
- 부탄올 층을 한데 모아 감압 농축하여 잔유물을 105℃에서 건조 시켜 생성된 고형분의 무게를 조사포닌 함량으로 구하였다(23). 또 한물 층을 한데 모아 감압 농축하여 유리당으로 회수 하였다.
- 또 한물 층을 한데 모아 감압 농축하여 유리당으로 회수 하였다. 분획된 유리당을 건조하여 다시 물에 녹여 membrane filter(0.45 p, m pore size)로 여과한 후 glucose, fructose, maltose, lactose, 및sucrose를 표준물질로 하여 HPLC로 분석하였으며 분석조건은 Table 2에 나타내었다.
- 쌍축압출성 형 장치 (DNDL-44, Buhler Brothers Co, Uzill, Switzerland)# 사용하여 지름이 2 mm인 원형 사출구 하나를 열어 압출성형 하였다(Fig. 1). 즉, Table 1에서 보는 바와 같이 3개의reverse element screw 조합을 사용하여 미삼분말투입을 일정하게 (21kg/hr)하고, 가수량을 변화시켜 압출성형 하였다.
- 압줄조건 즉, screw speed, screw configuration, 압출온도 및 원료투입량 등을 고정하고, 가수량을 조절하여 압출미삼을 제조하여 냉수 및 열수에서의 추출율, 총당, 우론산 및 비전분 탄수화물의 함량과 당 조성을 분석하였다. 가수량이 감소될수록 압출 온도와 SME는 증가하고, 고형분, 총당 및 우론산의 추출율도 증가하였다.
- 이때 2, 3번 barrel은 135℃로 가열하였고, 압출온도 155℃에서는 4번 barrel을 135℃로 유지 하였다. 압출성형 시 온도와 압력을 측정하고자 사줄 구와 스크류 전면사이에 thermocouple 및 transducer를 통하여압출성형 온도와 압력을 측정하면서 압출미삼을 제조하였다. 가수량 변화에 따른 압출온도(Extrusion Temp.
- 1). 즉, Table 1에서 보는 바와 같이 3개의reverse element screw 조합을 사용하여 미삼분말투입을 일정하게 (21kg/hr)하고, 가수량을 변화시켜 압출성형 하였다. 이때 2, 3번 barrel은 135℃로 가열하였고, 압출온도 155℃에서는 4번 barrel을 135℃로 유지 하였다.
- 즉, WSI는 추출액 10mL을 알루미늄 접시에 넣어 105℃에서 건조된 고형분을 측정하여 다음과 같은 식으로 구하였고, WAI는 원심분리 후 생성된 침전물의 수분함량으로 구하였다.
- 분석하였다. 즉, 비전분 다당체의 구성 성분은 thermostable α-amylase(Teramayl 1-120, Novozym)와 amyloglucosidase(Sigma)를 반응시켜 80% ethanol 용액을 가하여 전분 분해물을 제거하고, 생성된 침전물을 non-starch polysaccharide(NSP), 비전분 탄수화물)로 회수하여, 중성당 및 uronic acid residues 등으로 측정하였다. 또한 이를 황산으로 가수분해한 후, 생성된 neutral sugars를 alditol acetates로 유도체를 만들어 gas-liquid chromatography로당조성을 측정하였다.
- 최적 압출 조건에서 압출처리된 미삼의 상온(RT)및 열수(BT) 에서 수용성 물질을 80% ethanol을 넣어 침전시켜 생성된 고분자 물을 건조하여 효소에 의해 전분을 제거하고 0.3% NaCl에 녹인 후 Sepharose CL-4B(Sigma)가 충진 된 column(1.6X96cm)에 loading 하여 1mL/min의 속도로 5.8 mL씩 분획하여 총당 및 우론산 함량을 측정하여 분자량을 구하였다. 이때 사용된 표준물질은 dextran(M.
- 추출물을 원심 분리(7, 700 gX 10 min)하여 얻은 상징액을 추출액으로 하였다.
대상 데이터
- 인삼분은 전원삼업사(금산, 대한민국)에서 구입한 4 년근 백미 삼을 건조하여 60 메쉬 이하로 분쇄한 것을 0℃ 냉동고에 보관하면서 실험하였다. 사용된 인삼분의 조지방, 조단백질, 회분, 조섬유 및 전분의 함량은 각각 1.
이론/모형
- 9를 곱하여 total carbohydrate(TCH)량으로 환산하였다. Uronic acid 함량은 Carba zole reaction법 (22)에 의해 D-galacturonic acid를 standards. 사용하여 측정하였다.
- WSI 및 WAI는 Anderson 등(20)의 방법에 따라 구하였다. 즉, WSI는 추출액 10mL을 알루미늄 접시에 넣어 105℃에서 건조된 고형분을 측정하여 다음과 같은 식으로 구하였고, WAI는 원심분리 후 생성된 침전물의 수분함량으로 구하였다.
- 비전분 다당체 구성 성분과 당조성은 Uppsala method(24)에 의하여 분석하였다. 즉, 비전분 다당체의 구성 성분은 thermostable α-amylase(Teramayl 1-120, Novozym)와 amyloglucosidase(Sigma)를 반응시켜 80% ethanol 용액을 가하여 전분 분해물을 제거하고, 생성된 침전물을 non-starch polysaccharide(NSP), 비전분 탄수화물)로 회수하여, 중성당 및 uronic acid residues 등으로 측정하였다.
- 추출액에 함유된 총당은 glucose를 표준물질로 하여 phenol sulphuric reaction(21)법으로 측정하여 얻은 값에 0.9를 곱하여 total carbohydrate(TCH)량으로 환산하였다. Uronic acid 함량은 Carba zole reaction법 (22)에 의해 D-galacturonic acid를 standards.
- 시험관을 6(TC의 물중탕에서 10분간 가온하여 내용액을 발색시키고 545 nm에서 분광도를 측정하였다(23). 표준 정량곡선은 ginsenoside Rg를 사용하여 같은 발색법에 의하여 발색 시켜 구하였다.
성능/효과
- 2번과 3번 barrel 온도를 135℃로 가열하여 Table 4에서 보는 바와 같이 일정량 시료 투입에 수분량을 변화시켜 압출 인삼을 제조한 결과, 투입되는 수분에 따라 압출온도는 각각 80, 100, 120, 및 155℃였다. 또한 투입되는 수분의 감소에 따라 기계적 소모 에너지(SME), 압출온도 및 torque는 증가하는 경향을 나타내었다.
- 최적조건인 압출온도 155℃에서 처리한 미삼 분말의 비전분 탄수화물의 추출율이 증가 하였고, 추출된 NSP의 분자량은 냉수추출에서는 압출처리 미삼이 열수추출에서는 대조 구에서 큰 분자량이 추출되었다. NSP의 당 조성은 미삼의 비전분 다당체의 주된 구성당은 arabinose와 galactose였고, 상온에서 추출된 압출 미삼의 경우 높은 함량의 glucose가 측정되었으며, 열수에서 추출된 미삼의 비전분 다당체는 대조구와 압출미삼 모두에서잉ucose 및 xylose가 측정되었다. 이상의 결과로 구연산이 첨가된 미삼과 첨가되지 않은 미삼을 이용하여 155℃에서 압출성형 하는 것이 최적조건임을 확인하였다.
- 함량과 당 조성을 분석하였다. 가수량이 감소될수록 압출 온도와 SME는 증가하고, 고형분, 총당 및 우론산의 추출율도 증가하였다. 추출율 증가는 열수추출에서 보다 상온추출에서 크게 증가하였다.
- 상온추출의 경우 압출 미삼은 galactose의 함량 비율이 대조구에 비해 적게 나타내었다. 그러나 비전분 탄수화물의 함량은 대조구에 비해 4배 정도 증가함을 고려할 때 galactose가 함유된 80% ethanol 불용성 탄수화물이 압출성형에 의해 수용화 되었음을 확인하였다. 압출 온도가 155℃ 이상에서 단독으로 압출성형 된 미삼과 구연산이 첨가된 압출미삼의 비전분 탄수화물에서는 미량이지만 xylose가 측정되었으나, 열수에서 추출된 모든 미삼의 비전분 탄수화물에서 xylose가 즉정되었다.
- 상온에서 추출된 비전분 탄수화물의 경우, 미삼을 압출처리 함에 따라 대조구에 비하여 상대적으로 고분자 물질이 많이 포함되어있었고, 열수에서 추출된 비전분 탄수화물의 경우는 대조 구에서 압출처리 미삼에 비해 고분자 물질이 많이 포함되어 있었다. 또한 155C와 155t를 비교하였을 때 비전분 탄수화물의 고분자 물질 포함 정도는 상온 추출에서는 155C가, 열수 추출에서는 155t 가 더 높게 나타났다. 이는 세포벽 성분의 추출 정도에서 기인된다고 사료된다.
- 9kg/hr이고 나머지 10%는 수분에 비전분 탄수화물의 추출율이 증가하였기 때문이라 사료된다. 또한 비전분 탄수화물의 추출율 및 우론산 추출율의 증가는 압출 공정 즉, 열과, 전단응력이 인삼의 세포벽 성분 다당체 및 이의결합을 붕괴하였지만, oligomer 이하의 수준으로는 붕괴되지 않아 80% ethanol에 침전된 것으로 사료되며, 이에 따라 미삼의 세포벽 성분인 산성다당체의 추출율도 증가된 것이라 판단된다. 열수 추출물의 경우도 총당, 우론산, 전분 및 비전분 탄수화물의 추출율은 증가 되었지만, 그 증가 폭은 그리 높지 않았다.
- 이는 압출처리와 고온에서의 추출로 미삼에 함유된 전분 성분이 일부 붕괴되어 80% ethanol에 침전되지 않은 것으로 사료된다. 또한 상온추출과 비교할 때 총당, 우론산, 및 비전분 탄수화물의 추출율은 더 높은 결과를 나타내었다. 이 같은 결과로 인삼은 압출성형 후 고온에서 추출할 경우 세포벽 성분의 수용 화가 극대화 되는 것을 알 수 있었다.
- 즉, 비전분 탄수화물 추출율 및 전분의 붕괴는 압출성형에 의한 물리적 전단에 의해 높일 수 있음을 확인 하였다. 또한 압출처리 미삼은 상온 추출에서도 많은 양의 비전분 탄수화물이 용해되는 것을 확인 하였다. 또한 비전분 탄수화물을 분획하기 위해 각각의 추출물을 80% ethanol 로 침전 시킨 후 생성된 침전물을 분획하고, 침전된 고분자물에Termamyl 및 Amyloglucosidase를 처리하여 전분 성분을 분해한 후 80% ethanol 용액으로 다시 침전시켜 생성된 침전물을 비전분 탄수화물로 회수 하였다.
- 이는 압출성형의 물리적인 힘이 미삼의 세포벽 구성 성분의 붕괴 및 결합력을 약화시켜 상온에서도 고분자의 수용성을 높이는 것으로 판단된다. 또한 열수에서 추출된 비전분 탄수화물의 분자량을 보면, 대조구에서 처리구보다 높은 분자량을 보였는데, 이는 추출온도에 따른 영향이라 판단된다. 즉.
- 및 155℃였다. 또한 투입되는 수분의 감소에 따라 기계적 소모 에너지(SME), 압출온도 및 torque는 증가하는 경향을 나타내었다. 수분이 감소됨에 따라 시료의 점도가 증가되고 이에 따라 기계적 소모 에너지가 증가된 것으로 사료된다.
- 3과 4에 나타내었다. 상온에서 추출된 비전분 탄수화물의 경우, 미삼을 압출처리 함에 따라 대조구에 비하여 상대적으로 고분자 물질이 많이 포함되어있었고, 열수에서 추출된 비전분 탄수화물의 경우는 대조 구에서 압출처리 미삼에 비해 고분자 물질이 많이 포함되어 있었다. 또한 155C와 155t를 비교하였을 때 비전분 탄수화물의 고분자 물질 포함 정도는 상온 추출에서는 155C가, 열수 추출에서는 155t 가 더 높게 나타났다.
- 특히, 155C에서는 xylose 함량이 raw에 비해 6배정도 높게 나타났다. 상온에서 추출된 압출미삼의 glucose 함량이 raw에 비해 5배 정도 높은 비율로 함유되었지만, 열수에서 추출된 미삼의 비전분 탄수화물에 glucose 함량 비율은 raw에 비해 큰 차이를 보이지 않았다.
- 그러나 비전분 탄수화물의 함량은 대조구에 비해 4배 정도 증가함을 고려할 때 galactose가 함유된 80% ethanol 불용성 탄수화물이 압출성형에 의해 수용화 되었음을 확인하였다. 압출 온도가 155℃ 이상에서 단독으로 압출성형 된 미삼과 구연산이 첨가된 압출미삼의 비전분 탄수화물에서는 미량이지만 xylose가 측정되었으나, 열수에서 추출된 모든 미삼의 비전분 탄수화물에서 xylose가 즉정되었다. 특히, 155C에서는 xylose 함량이 raw에 비해 6배정도 높게 나타났다.
- 압출미삼에서 추출된 비전분 탄수화물의 주된 구성당은 arabinose와 galactose임을 Table 7에 나타내었다. 압출미삼의 arabinose 함량은 상온 및 열수추출물에서 대조 구에 비해 적은 양을 보였다. 특히 155C의 열수추출물의 arabinose 의 함량은 raw에 비해 3배정도 적게 나타났다.
- 또한 비전분 탄수화물의 추출율 및 우론산 추출율의 증가는 압출 공정 즉, 열과, 전단응력이 인삼의 세포벽 성분 다당체 및 이의결합을 붕괴하였지만, oligomer 이하의 수준으로는 붕괴되지 않아 80% ethanol에 침전된 것으로 사료되며, 이에 따라 미삼의 세포벽 성분인 산성다당체의 추출율도 증가된 것이라 판단된다. 열수 추출물의 경우도 총당, 우론산, 전분 및 비전분 탄수화물의 추출율은 증가 되었지만, 그 증가 폭은 그리 높지 않았다. 고분자 물에 함유된 전분의 추출율도 상온추출에서 보다 적은 양이 추출되었다.
- NSP의 당 조성은 미삼의 비전분 다당체의 주된 구성당은 arabinose와 galactose였고, 상온에서 추출된 압출 미삼의 경우 높은 함량의 glucose가 측정되었으며, 열수에서 추출된 미삼의 비전분 다당체는 대조구와 압출미삼 모두에서잉ucose 및 xylose가 측정되었다. 이상의 결과로 구연산이 첨가된 미삼과 첨가되지 않은 미삼을 이용하여 155℃에서 압출성형 하는 것이 최적조건임을 확인하였다. 최적조건에서 압출성형 된 압출 미삼의 냉수추출의 경우 사포닌 추추율은 대조구에 비해 약 2 배가량 높게 나타났다.
- 이는 세포벽 성분의 추출 정도에서 기인된다고 사료된다. 즉, 대조구의 분자량을 볼 때 상온에서는 고분자의 비전분 탄수화물이 다소 적게 추출되지만, 압출처리에 의해분자량이 큰 비전분 탄수화물이 많이 추출되는 것으로 판단된다. 이는 압출성형의 물리적인 힘이 미삼의 세포벽 구성 성분의 붕괴 및 결합력을 약화시켜 상온에서도 고분자의 수용성을 높이는 것으로 판단된다.
- 이 같은 결과로 인삼은 압출성형 후 고온에서 추출할 경우 세포벽 성분의 수용 화가 극대화 되는 것을 알 수 있었다. 즉, 비전분 탄수화물 추출율 및 전분의 붕괴는 압출성형에 의한 물리적 전단에 의해 높일 수 있음을 확인 하였다. 또한 압출처리 미삼은 상온 추출에서도 많은 양의 비전분 탄수화물이 용해되는 것을 확인 하였다.
- 이상의 결과로 구연산이 첨가된 미삼과 첨가되지 않은 미삼을 이용하여 155℃에서 압출성형 하는 것이 최적조건임을 확인하였다. 최적조건에서 압출성형 된 압출 미삼의 냉수추출의 경우 사포닌 추추율은 대조구에 비해 약 2 배가량 높게 나타났다. 또한 압출처리에 의해 사포닌의 구성 성분 중 Rg3가 생성되었다.
- 추출율 증가는 열수추출에서 보다 상온추출에서 크게 증가하였다. 최적조건인 압출온도 155℃에서 처리한 미삼 분말의 비전분 탄수화물의 추출율이 증가 하였고, 추출된 NSP의 분자량은 냉수추출에서는 압출처리 미삼이 열수추출에서는 대조 구에서 큰 분자량이 추출되었다. NSP의 당 조성은 미삼의 비전분 다당체의 주된 구성당은 arabinose와 galactose였고, 상온에서 추출된 압출 미삼의 경우 높은 함량의 glucose가 측정되었으며, 열수에서 추출된 미삼의 비전분 다당체는 대조구와 압출미삼 모두에서잉ucose 및 xylose가 측정되었다.
후속연구
- 그러나 이 같은 방법으로 인삼의 유용성 성분 즉, 세포벽 성분의 고분자 탄수화물의 수용화에 비효율적으로 많은 시간이 요구되기 때문에 편이성이 떨어진다. 이에 강한 물리적 힘을 가하여 인삼 세포벽 성분의 수용 화를 극대화 한다면 인삼을 이용한 제품 및 추출에 편이성 및 저가의 기호성 식품을 개발에 기여 할 수 있을 것이라 사료된다. 이러한 관점에서 Kwon 등(17)은 마이크로웨이브 추출장치를 사용하면 인삼의 가용성 성분 및 사포닌을 에탄올 농도 40- 50%, 추출온도 140℃ 부근에서 3-4회 반복하여 추출 시간을 6분 이내로 단축시킬 수 있다고 하였고, 이때 가용성 성분은 에탄올 함량이 낮을수록, 사포닌 성분은 에탄올 함량이 높을수록 증가한다고 하였다.
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