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문제 정의
- 이러한 기존의 추출법들의 단점을 보완하기 위하여 에너지의 소비가 적으며 단시간에 목적성분을 추출할 수있는 마이크로웨이브 추출공정(microwave-assisted extraction, MAE)이 개발되었으며(19), 현재까지 육류제품의 조지방 추출 (20,21), ergosterol과 지방산(22), essential oil(23), 포도주스와 포도로부터 향기성분 전구체의 추출(24), 인삼성분의 추출(25), 양념채소류 올레오레진의 추출(26) 등에 관하여 보고되면서 용매 및에너지 사용량이 경제적이며, 환경친화적인 추출방법인 측면에서 적용가능성이 인정되고 있다. 따라서 본 연구는 국내에서 발생되는 폐자원 포도씨로부터 주요 카테킨류의 효과적인 추출방법을 연구하고자, 선택적 가열특성이 알려진 마이크로웨이브 에너지를 이용하여 중심합성계획에 따라 추출조건을 설계하고 추출물의 품질특성을 반응표면 회귀 분석하여 카테킨 성분 별 추출특성을 확인하였다.
제안 방법
- 각 추출물을 회전증발농축기로 농축하여 80% methanol에 용해하여 얻은 시험용액 1 mL를 0.45 µm membrane filter에 통과시킨 후 10 µL를 HPLC 분석에 이용하였다.
- 또한 표준물질로는 (+)-catechin, procyanidin B2, (-)-epicatechin, (-)-epicatechin gallate를 각각 methanol에 용해시켜 mg/mL의 용액을 조제하고, 내부표준물질로 catecol 10 mg을 취하여 methanol에 용해 시켜 이 두 용액을 일정량씩 취하고 methanol을 가하여 4-100 µg/ mL가 되게 조제하여 표준검량선을 작성하였다.
- 마이크로웨이브 추출은 2,450 MHz 주파수의 실험실용 상압형 추출장치(Microdigest unit, Prolabo, Fontenay-sous-Bois cedex, France)를 이용하여 programmable power(max. 250 W)와 time control이 가능하고 환류냉각관이 장착된 추출장치를 사용하였다. 추출방법은 extraction vessel에 일정량의 시료와 용매를 가한후 추출공정에 변수를 조절하여 추출하고, 두 겹의 여과지(Whatman No.
- 즉, 추출공정의 독립변수(Xi )로서 microwave power (X1), 용매농도(X2) 및 추출시간(X3)에 대해 5단계로 부호화하였고 중심합성계획에 따라 16구간으로 설정하였다(Table 1). 이때 얻어진 추출물의 카테킨류의 함량을 3회 반복 측정하여 그 평균 값을 종속변수(Yn)로 하여 회귀 분석을 실시하였으며, 이때 세 개의 독립변수와 종속변수에 대한 2차 회귀 모형식은 다음과 같다.
- 마이크로웨이브 추출의 중요한 공정인자는 추출시간 및 추출에 사용된 용매의 농도, microwave power 등으로 추출물의 효율이 달라지므로(29,30), 본 실험에서는 마이크로웨이브 추출조건을 최적화하기 위하여 반응표면분석법(response surface methodology, RSM)(31-33)을 사용하여 중심합성계획(central composite design) 을 실시하였다. 즉, 추출공정의 독립변수(Xi )로서 microwave power (X1), 용매농도(X2) 및 추출시간(X3)에 대해 5단계로 부호화하였고 중심합성계획에 따라 16구간으로 설정하였다(Table 1). 이때 얻어진 추출물의 카테킨류의 함량을 3회 반복 측정하여 그 평균 값을 종속변수(Yn)로 하여 회귀 분석을 실시하였으며, 이때 세 개의 독립변수와 종속변수에 대한 2차 회귀 모형식은 다음과 같다.
- 250 W)와 time control이 가능하고 환류냉각관이 장착된 추출장치를 사용하였다. 추출방법은 extraction vessel에 일정량의 시료와 용매를 가한후 추출공정에 변수를 조절하여 추출하고, 두 겹의 여과지(Whatman No. 1)를 사용하여 흡입 여과한 후 일정량의 부피로 하여 분석용 시료로 사용하였다.
- 추출에 사용된 추출용매의 가열특성 확인과 추출물의 온도변화를 측정하기 위해서 digital Megal 500 thermometer(Prolabo)를사용하였으며, microwave power를 100 W로 고정하고 추출시간 3분, 예비실험을 통해 효율성이 확인된 시료 대 에탄올의 비를 1:10으로 고정하여 시료 존재 유무에 따른 가열 특성을 알아보았다.
- 포도씨 추출물의 catechin 분석은 Ricardo da Silva 등(6)의 방법을 변형하여 Moon(28)의 방법에 따라 HPLC에 의해 분석하였다. 각 추출물을 회전증발농축기로 농축하여 80% methanol에 용해하여 얻은 시험용액 1 mL를 0.
- 포도씨 추출에 사용되는 용매는 식품첨가물공전에 등재되어 있는 에탄올을 사용하였으며, 에탄올의 마이크로웨이브에 의한 가열특성을 확인하기 위해 megal thermometer와 integration program 을 사용하여 작성하였다. Fig.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 포도(Vitis vinifera)는 2002년 8월 경북 영천산 Campbell Early이었으며, 포도씨를 분리하여 깨끗이 세척한 후 35-45℃에서 열풍건조하고 4℃에 냉장 보관하였다. 그리고 사용 시에 밀러에 의해 분쇄하고 표준망체를 사용하여 일정한 크기로 분리한 다음 진공 포장하여 냉동보관하면서 시료로 사용하였다.
데이터처리
- 각 조건에서의 추출실험과 추출물의 품질분석은 3회 반복으로 측정하여 평균과 표준편차로 나타내었다.
- 회귀분석에 의한 모델식의 예측은 SAS(statistical analysis system) program(34)을 이용하였으며 회귀 분석 결과 임계점이 최대점이거나 최소점이 아니고 안장점일 경우에는 능선분석을 하여 최적점을 구하였다. 또한 각 독립변수가 종속변수에 미치는 영향은 예측된 모델식을 바탕으로 Mathematica program(35)을 이용하여 4차원 반응표면 분석으로 해석하였다.
- 는 회귀계수이다. 회귀분석에 의한 모델식의 예측은 SAS(statistical analysis system) program(34)을 이용하였으며 회귀 분석 결과 임계점이 최대점이거나 최소점이 아니고 안장점일 경우에는 능선분석을 하여 최적점을 구하였다. 또한 각 독립변수가 종속변수에 미치는 영향은 예측된 모델식을 바탕으로 Mathematica program(35)을 이용하여 4차원 반응표면 분석으로 해석하였다.
이론/모형
- 마이크로웨이브 추출의 중요한 공정인자는 추출시간 및 추출에 사용된 용매의 농도, microwave power 등으로 추출물의 효율이 달라지므로(29,30), 본 실험에서는 마이크로웨이브 추출조건을 최적화하기 위하여 반응표면분석법(response surface methodology, RSM)(31-33)을 사용하여 중심합성계획(central composite design) 을 실시하였다. 즉, 추출공정의 독립변수(Xi )로서 microwave power (X1), 용매농도(X2) 및 추출시간(X3)에 대해 5단계로 부호화하였고 중심합성계획에 따라 16구간으로 설정하였다(Table 1).
성능/효과
- 39 min으로 각각 나타났다. 그리고 (-)-epicatechin의 4차원 반응표면은 Fig. 5와 같으며 microwave power 60 W 이상, 추출시간 2.6 min 이상의 범위에서 가장 높게 나타났으며, 이는 procyanidin B2의 추출특성과 유사하게 나타났다. 또한 Table 4의 F-ratio에서와 같이 microwave power, 에탄올 농도, 추출시간의 3가지 변수 모두에서 비슷하게 영향을 받는 것으로 나타났다(p<0.
- 49 min으로 각각 나타났다. 그리고 4차원 반응표면은 Fig. 4와 같으며, microwave power 60 W 이상, 에탄올 농도 20-73%, 추출시간 2.7 min 이상의 범위에서 가장 높은 함량을 나타내었으며, 이는 (+)-catechin의 결과와 유사하게 나타났다. 추출물의 procyanidin B2 함량은 Table 4에서와 같이 microwave power, 에탄올 농도, 추출시간의 3가지 변수 모두에서 비슷하게 영향을 받는 것으로 나타났다(p<0.
- 59 mg%로 예측되었다. 또한 예측된 추출조건은 microwave power 143.20 W, 에탄올 농도 37.51% 및 추출시간 1.88 min으로 나타났다. (-)-Epicatechin gallate의 추출특성에 대한 4차원 반응표면은 Fig.
- 78 mg%로 예측되었다. 또한 이 예측값를 추출할수 있는 조건은 microwave power 133.16 W, 에탄올 농도 46.16%및 추출시간 4.49 min으로 각각 나타났다. 그리고 4차원 반응표면은 Fig.
- 그리고 사용 시에 밀러에 의해 분쇄하고 표준망체를 사용하여 일정한 크기로 분리한 다음 진공 포장하여 냉동보관하면서 시료로 사용하였다. 시료의 일반성분은 20 mesh(0.833 mm)로 분쇄된 분말을 대상으로 AOAC 방법(27)에 따라 분석하여 본 결과 수분 14.3%, 조단백질 7.6%, 조지방 6.4%, 조회분 1.1%, 조섬유 65.8%, 가용성 무질소물 4.8% 등으로 나타났다.
- 5℃/760 mmHg)에 도달하였다. 에탄올(50 mL)의 추출시료 (포도씨 분말, 20 mesh, 5 g) 존재 여부에 따른 가열특성을 측정한 결과, 시료를 함유한 경우 용매 자체에 비하여 3분가량 늦게 끓는점에 도달하였으며, 온도가 더 이상 상승하지 않는 최대온도는 낮아진 것을 알 수 있었다. 이와 같은 가열특성은 Kwon(36) 의 물질의 유전특성에 따른 결과로 판단되며, 용매에 시료가 혼합되었을 경우 최대온도가 낮았다는 보고(37)와 일치하였다.
- 9193이고 5%이내에서 유의성이 인정되었다. 예측된 정상점은 microwave power 104.10 W, 에탄올 농도 45.35% 및 추출시간 4.89분에서 최대점을 보이면서 최대값은 137.99 mg%로 예측되었다. (+)-Catechin의 함량변화의 반응표면은 Fig.
- 9301이고 1% 이내에서 유의성이 인정되었다. 예측된 정상점은 최대점으로 최대값은 222.38 mg%로 예측되었으며, 이 예측값을 추출할수 있는 조건은 microwave power 136.00 W, 에탄올 농도 41.37%, 추출시간 4.39 min으로 각각 나타났다. 그리고 (-)-epicatechin의 4차원 반응표면은 Fig.
- 05). 추출물의 (-)-epicatechin gallate의 함량에서는 회귀식의 R2가 0.7528이었으며, 예측된 정상점은 안장점(saddle point) 으로 능선분석을 실시하여 본 결과, 최대값은 9.59 mg%로 예측되었다. 또한 예측된 추출조건은 microwave power 143.
- 추출물의 procyanidin B2 함량에서는 회귀식의 R2가 0.9399이고 1% 이내에서 유의성이 인정되었으며, 예측된 정상점은 최대점으로 최대값은 72.78 mg%로 예측되었다. 또한 이 예측값를 추출할수 있는 조건은 microwave power 133.
- 이상의 결과에서 포도씨의 유용성분인 카테킨류를 효과적으로 추출하기 위해서는 microwave power, 에탄올 농도 및 추출시간을 모두 고려해야 할 것으로 사료된다(Table 4). 특히 104-143 W 의 마이크로파 에너지와 38-46% 범위의 에탄올 농도, 그리고 5분 이내의 짧은 추출시간으로 효과적인 추출이 가능하였다. Lee 와 Kwon(37)은 마이크로웨이브를 이용한 포도씨 유용성분 추출에서 총 수율은 아세톤>에탄올>물의 순으로, 카테킨 함량은 에탄올>아세톤>물의 순으로 높게 나타났다고 보고한 바 있다.
후속연구
- Lee 와 Kwon(37)은 마이크로웨이브를 이용한 포도씨 유용성분 추출에서 총 수율은 아세톤>에탄올>물의 순으로, 카테킨 함량은 에탄올>아세톤>물의 순으로 높게 나타났다고 보고한 바 있다. 또한 용매추출에서는 에탄올 농도가 높을수록 포도씨 기능성분의 추출률이 높았다는 보고(2,15,17)가 있으나, 본 결과에서는 추출 용매인 에탄올의 최적 농도범위가 50% 미만임을 감한할 때 용매사용량을 줄일 수 있음은 물론, 추출시간을 수 시간에서 몇 분으로 단축시킬 수 있는 추출법(20,21,25,36)으로 사료되어 다양한 응용연구가 기대된다.
- 이상의 결과에서 포도씨의 유용성분인 카테킨류를 효과적으로 추출하기 위해서는 microwave power, 에탄올 농도 및 추출시간을 모두 고려해야 할 것으로 사료된다(Table 4). 특히 104-143 W 의 마이크로파 에너지와 38-46% 범위의 에탄올 농도, 그리고 5분 이내의 짧은 추출시간으로 효과적인 추출이 가능하였다.
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