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문제 정의
- 본 연구는 사과의 가공 공정에서 부산물로 발생하는 사과과피의 효과적인 이용 방안을 제시하기 위하여, 비교적 새로운 추출 방법인 아임계 추출법을 이용하여 다양한 추출 조건에서 사과 과피로부터 유용 폴리페놀 및 플라보노이드를 추출하고자 하였으며, 열수, 메탄올, 에탄올을 이용한 기존 추출 방법과의 비교를 통해 플라보노이드의 추출 효율 및 추출물의 항산화 활성에 대한 아임계 추출의 효과를 평가하고자 하였다.
- 본 연구에서는 사과의 가공부산물인 사과 과피로부터 기능성 폴리페놀 및 플라보노이드를 새로운 추출방법인 아임계 추출법을 통해 추출하였고, 이들 성분의 추출 효율 및 항산화 활성에 대한 추출 온도와 시간의 영향을 평가하였다. 건조된 사과 과피 시료로부터 폴리페놀(36.
- 9배 증가하는 경향을 보였으나, 200℃ 이상의 추출 온도에서는 더 이상 활성의 증가가 관찰되지 않았다. 이러한 결과는 앞서 제시된 총 폴리페놀및 플라보노이드의 아임계 추출에 대한 추출 온도의 효과와 유사한 경향을 보여주는 것으로, 이들 항산화 물질들의 추출 수율에 따라 항산화 활성이 결정되고 있음을 제시한다.
제안 방법
- 메탄올 및 에탄올 추출의 경우, 분쇄한 흑미강 시료 20 g에 70% 메탄올 및 에탄올 200 ㎖를 첨가하고 메탄올은 65℃에서 그리고 에탄올은 79℃에서 각각 3시간 동안 추출을 수행하였다. 각 추출법에 의해 추출된 추출액은 앞서 기술한 여과 및 동결 건조 방법을 통해 그 추출물을 회수하였다.
- 45 ㎛ PVDF membrane filter(Millipore, Billerica, MA, USA)로 여과하여 기질로 사용하였다. 기질용액 0.1 ㎖에 2%(w/v) Na2CO3 용액 2 ㎖를 첨가하고 3분간 vortex mixer로 진탕한 후, 50% Ciocalteau 시약 0.1 ㎖를 첨가하고 상온에서 30분 동안 반응시켰다. 혼합물은 UV-Spectrophotometer(OPTIZEN 2120 UV plus, Mechasys Co.
- 45 ㎛ PVDF membrane filter(Millipore)로 여과하여 기질용액으로 사용하였다. 기질용액 0.2 ㎖에 100 ㎛ DPPH 용액 1 ㎖를 넣고 vortex mixer로 30초간 진탕하고 실온에서 15분간 방치한 후, 517 nm에서의 흡광도로 잔존하는 DPPH free radical을 측정하였다. 침출액 무첨가구인 경우는 침출액 대신 0.
- 45 ㎛ PVDF membrane filter(Millipore)로 여과하여 기질로 사용하였다. 기질용액 0.5㎖에 95% 에탄올 1.5 ㎖, 10% aluminum chloride 0.1 ㎖, 1 M potassium acetate 0.1 ㎖ 및 증류수 2.8 ㎖를 차례로 첨가하여 혼합한 후, 실온에서 30분간 정치하여 반응시킨 다음 UV-Spectrophotometer(OPTIZEN 2120 UV plus)를 이용하여 415 nm에서의 흡광도를 측정하였다. 플라보노이드 함량은 Quercetin(SigmaAldrich)을 표준물질로 하여 작성한 표준검량곡선을 통해 시료 추출물의 플라보노이드 함량을 환산하여 나타내었다.
- 1%)이 검출되었다. 또한 아임계 추출법과 열수(90℃), 메탄올, 에탄올을 이용한 기존 추출법과의 플라보노이드 추출 효율 및 항산화 활성을 비교 평가함으로써 아임계 추출법의 산업적 적용 가능성을 검토하였다. 기존 추출법에 따른 사과 과피 추출물의 최대 플라보노이드 함량(7.
- , Maidstone, UK)로 여과한후, 동결건조(Model FD-5505P, Ilshinlab, Seoul, Korea)하여 추출물을 회수하였다. 메탄올 및 에탄올 추출의 경우, 분쇄한 흑미강 시료 20 g에 70% 메탄올 및 에탄올 200 ㎖를 첨가하고 메탄올은 65℃에서 그리고 에탄올은 79℃에서 각각 3시간 동안 추출을 수행하였다. 각 추출법에 의해 추출된 추출액은 앞서 기술한 여과 및 동결 건조 방법을 통해 그 추출물을 회수하였다.
- 사과 과피로부터 아임계 추출법을 이용해 서로 다른 추출 온도에서 획득된 추출물들의 항산화 활성이 검정되었으며, 이를 통해 항산화 활성에 대한 아임계 추출 온도의 효과가 검토되었다. 항산화 활성의 평가를 위한 아임계 추출은 추출 장치의 압력(1,300 psi)과 시간(20분)을 일정하게 유지하면서 추출 온도를 110～200℃로 달리한 조건에서 수행되었다.
- 사과 과피로부터 총 폴리페놀의 아임계 추출을 위한 추출 온도의 효과가 검토되었다. 총 폴리페놀에 대한 아임계 추출은 추출장치의 압력(1,300 psi)과 시간(20분)을 일정하게 조절하면서 추출 온도를 110～200℃로 달리한 조건에서 수행되 었다.
- 사과 과피로부터의 페놀계 화합물 및 플라보노이드 추출은 다양한 추출 조건에서의 아임계 추출법과 열수, 메탄올, 에탄올을 이용한 기존 추출법을 통해 수행되었다. 아임계 추출은 아임계 추출장치(Accelerated Solvent Extractor; ASE 100, DIONEX Co.
- )를 부착하였다. 아임계 추출 장치의 압력은 추출 동안 1,300 psi로 일정하게 조절되었으며, 추출 온도(110～200℃) 및 추출 시간(10～30분)을 달리한 각각의 조건에서 추출이 수행되었고, 얻어진 추출물은 24시간 동안 동결건조 후 분석시료로 사용하였다.
- 사과 과피로부터의 페놀계 화합물 및 플라보노이드 추출은 다양한 추출 조건에서의 아임계 추출법과 열수, 메탄올, 에탄올을 이용한 기존 추출법을 통해 수행되었다. 아임계 추출은 아임계 추출장치(Accelerated Solvent Extractor; ASE 100, DIONEX Co., Sunnyvale, CA, USA)를 이용하여 수행하였으며, 사용된 아임계 추출장치의 전반적인 모식도는 Fig. 1과 같다. 건조한 사과 과피 1 g과 규조토(ASE Prep DE, DIONEX Co.
- 열수 추출은 분쇄된 사과 과피 20 g에 증류수 200 ㎖를 첨가하고 80℃에서 3시간 동안 반응시켜 수행한 다음, 이를 여과지(Whatman No.2, Whatman Co., Maidstone, UK)로 여과한후, 동결건조(Model FD-5505P, Ilshinlab, Seoul, Korea)하여 추출물을 회수하였다. 메탄올 및 에탄올 추출의 경우, 분쇄한 흑미강 시료 20 g에 70% 메탄올 및 에탄올 200 ㎖를 첨가하고 메탄올은 65℃에서 그리고 에탄올은 79℃에서 각각 3시간 동안 추출을 수행하였다.
- 사과 과피로부터 총 폴리페놀의 아임계 추출을 위한 추출 온도의 효과가 검토되었다. 총 폴리페놀에 대한 아임계 추출은 추출장치의 압력(1,300 psi)과 시간(20분)을 일정하게 조절하면서 추출 온도를 110～200℃로 달리한 조건에서 수행되 었다. Fig.
- 항산화 활성은 변형된 Blois 등(1958)의방법을이용하여 DPPH(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl) free radical에 대한 전자공여능(electron donating ability, EDA) 측정을 통해 검정되었다. 추출물의 전자공여능 검정을 위해, 동결 건조된 시료 2 ㎎에 2 ㎖ 의 메탄올 용액을 넣고 균질화한 후, 0.45 ㎛ PVDF membrane filter(Millipore)로 여과하여 기질용액으로 사용하였다. 기질용액 0.
- 2 ㎖에 100 ㎛ DPPH 용액 1 ㎖를 넣고 vortex mixer로 30초간 진탕하고 실온에서 15분간 방치한 후, 517 nm에서의 흡광도로 잔존하는 DPPH free radical을 측정하였다. 침출액 무첨가구인 경우는 침출액 대신 0.2 ㎖ 메탄올을 첨가하여 대조구로 사용하였으며, 517 nm에서 DPPH 용액의 흡광도를 약 1.0으로 조정한 후 시료용액의 흡광도를 측정하였다. 항산화 효과는 침출액 무첨가구에 대한 침출액 첨가구의 흡광도 차이를 백분율로 하여 나타내었으며, 동결 건조한 사과 과피 추출물 대신 합성 항산화제인 BHT를 넣어 같은 방법으로 실험을 수행함으로써 기존의 항산화제의 효과와 비교 검증하였다.
- 8 ㎖를 차례로 첨가하여 혼합한 후, 실온에서 30분간 정치하여 반응시킨 다음 UV-Spectrophotometer(OPTIZEN 2120 UV plus)를 이용하여 415 nm에서의 흡광도를 측정하였다. 플라보노이드 함량은 Quercetin(SigmaAldrich)을 표준물질로 하여 작성한 표준검량곡선을 통해 시료 추출물의 플라보노이드 함량을 환산하여 나타내었다.
- 플라보노이드에 대한 아임계 추출은 추출장치의 압력(1,300 psi)을 일정하게 조절하면서 추출 온도(110～200℃) 및 추출 시간(10～30분)을 달리한 조건에서 수행되었다.
- 사과 과피로부터 아임계 추출법을 이용해 서로 다른 추출 온도에서 획득된 추출물들의 항산화 활성이 검정되었으며, 이를 통해 항산화 활성에 대한 아임계 추출 온도의 효과가 검토되었다. 항산화 활성의 평가를 위한 아임계 추출은 추출 장치의 압력(1,300 psi)과 시간(20분)을 일정하게 유지하면서 추출 온도를 110～200℃로 달리한 조건에서 수행되었다. Fig.
- 0으로 조정한 후 시료용액의 흡광도를 측정하였다. 항산화 효과는 침출액 무첨가구에 대한 침출액 첨가구의 흡광도 차이를 백분율로 하여 나타내었으며, 동결 건조한 사과 과피 추출물 대신 합성 항산화제인 BHT를 넣어 같은 방법으로 실험을 수행함으로써 기존의 항산화제의 효과와 비교 검증하였다.
- 1 ㎖를 첨가하고 상온에서 30분 동안 반응시켰다. 혼합물은 UV-Spectrophotometer(OPTIZEN 2120 UV plus, Mechasys Co., Daejeon, Korea)를 사용하여 700 nm에서 흡광도 측정을 통해 분석되었으며, 총 폴리페놀의 함량은 Quercetin(Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA)을 표준물질로 하여 작성한 표준검량곡선을 통해 시료 추출물의 총 폴리페놀 함량을 환산하여 나타내었다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 사과(Fuji) 과피는 2010년 경상북도 대구에서 재배 및 수확되어 기계적 가공 공정을 거치면서 회수된 가공 부산물로, 선별 세척 과정을 통해 불순물로부터 분리하여 사용하였다. 분리된 사과 과피는 60 ㎝Hg, 70℃에서 3시간 동안 진공 건조(HB-501VL, Hanbaek Scientific Co.
데이터처리
- 사과 과피로부터 열수, 메탄올, 에탄올을 이용한 기존 추출법과 아임계 추출법을 통해 획득된 추출물의 플라보노이드 함량 및 항산화 활성이 비교 평가되었다(Fig. 5). 기존 추출법에 의해 획득된 추출물들의 경우, 각각의 추출물에 함유된 사과 과피 1 g 당 플라보노이드의 함량은 열수 및 메탄올 추출물에 비해 에탄올 추출물(7.
이론/모형
- 총 폴리페놀의 함량은 Folin-Ciocalteau(Gutfinger, 1981)법을 이용하여 비색 정량하였다. 동결 건조된 시료 추출물 2 ㎎에 2 ㎖의 메탄올 용액을 넣고 균질화한 후, 0.
- 플라보노이드의 함량은 Moreno 등(2000)의 방법을 이용하여 비색 정량하였다. 동결 건조된 시료 추출물 2 ㎎에 2 ㎖의 메탄올 용액을 넣고 균질화한 후, 0.
- 항산화 활성은 변형된 Blois 등(1958)의방법을이용하여 DPPH(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl) free radical에 대한 전자공여능(electron donating ability, EDA) 측정을 통해 검정되었다. 추출물의 전자공여능 검정을 위해, 동결 건조된 시료 2 ㎎에 2 ㎖ 의 메탄올 용액을 넣고 균질화한 후, 0.
성능/효과
- 10분과 20분의 추출 시간에서는 190℃까지 추출 온도가 높아짐에 따라 유사한 경향을 보이며 플라보노이드의 추출 수율도 함께 증가하는 것이 관찰되었으나, 추출 시간 30분의 경우는 다른 시간에 비해 보다 낮은 추출 온도에서 수율 증가가 관찰되었으며, 추출 온도 170℃에서 가장 많은 플라보노이드(9.0±1.2 ㎎ QE/g dried material)가 획득되었다.
- Fig. 2에서와 같이, 추출 온도 110℃에서는 건조된 사과 과피 1 g 당 추출된 폴리페놀의 함량이 19.7±1.3 ㎎ QE/g dried material로 관찰되었으나, 110℃를 기준으로 추출 온도를 190℃까지 높임에 따라 그 함량이 36.4±1.9 ㎎ QE/g dried material까지 대략 1.85배 정도 증가하는 경향을 보였으며, 그이상의 추출 온도에서는 수율의 증가가 관찰되지 않았다.
- Fig. 3에서 제시된 결과들은 플라보노이드의 아임계 추출에서 추출 온도와 시간의 중요성을 보여주고 있으며, 가장 높은 플라보노이드의 추출 수율(9.9±0.8㎎ QE/g dried material)은 190℃, 20분의 추출 조건에서 관찰되었다.
- Fig. 4에서 보여지는 것과 같이, 추출 온도 190℃의 아임계 추출물에서 가장 높은 활성(76.1±1.1%)이 관찰되었으며, 110℃에서 190℃까지 추출 온도가 높아짐에 따라 그 활성 역시 각각 15.9±2.4%에서 76.1±1.1%로 대략 4.9배 증가하는 경향을 보였으나, 200℃ 이상의 추출 온도에서는 더 이상 활성의 증가가 관찰되지 않았다.
- 건조된 사과 과피 시료로부터 폴리페놀(36.4±1.9 ㎎ QE/g dried material) 및 플라보노이드(9.9±0.8 ㎎ QE/g dried material)에 대한 최대 수율은 190℃, 20분, 그리고 1,300 psi의 추출 조건에서 관찰되었으며, 동일 조건의 아임계 추출물로부터 최대 항산화 활성(76.1±1.1%)이 검출되었다.
- 8 ㎎ QE/g dried material)에 비해 상대적으로 낮은 농도임을 확인할 수 있었다. 결과적으로 사과 과피 시료로부터 획득된 아임계 추출물은 열수, 메탄올, 그리고 에탄올 추출물에 비해 각각 4.7배, 2.2배, 그리고 1.3배 더 높은 플라보노이드를 함유하고 있으며, 이러한 결과는 아임계 추출법의 플라보노이드 추출 효율이 에탄올 추출법을 포함한 기존의 전통적 추출법들에 비해 매우 우수하다는 것을 제시하고 있다.
- 그러나 플라보노이드의 추출에서와 마찬가지로, 아임계 추출물은 에탄올에 의한 것보다 대략 2.8배 이상의 항산화 활성 (9.9±0.8 ㎎ QE/g dried material)을 나타내며, 기존의 전통적 추출법들에 비해 매우 유용한 추출 방법임을 설명하고 있다.
- 그러나, 이러한 에탄올 추출물로부터의 결과는 추출 온도 190℃에서 20분 동안 수행된 아임계 추출물의 플라보노이드 함량(9.9±0.8 ㎎ QE/g dried material)에 비해 상대적으로 낮은 농도임을 확인할 수 있었다.
- 기존 추출법에 따른 사과 과피 추출물의 최대 플라보노이드 함량(7.65±0.6 ㎎ QE/g dried material) 및 항산화 활성(27.5±0.9%)은 에탄올 추출물에서 관찰되었으나, 비교 실험에서 관찰된 아임계 추출물의 플라보노이드 함량 및 항산화 활성은 이들보다 각각 1.3배 그리고 2.8배 이상 높은 것이었다.
- 따라서 이들 연구의 결과들은 대기압 하에서 100℃ 이하의 물과는 달리 고온, 고압의 조건에서 낮은 상대 유전율(1<ε<25)을 가진 아임계 상태의 물이 사과 과피로부터 폴리페놀 및 플라보노이드와 같은 비극성 화합물을 추출하는데 있어 매우 효과적인 이유를 설명하고 있다.
- 또한, 사과 과피로부터 기존 추출법 및 아임계 추출법을 통해 획득된 추출물들의 항산화 활성을 분석한 결과, Fig. 5에서 보여지는 것처럼 그 추출물들의 플라보노이드 함량 결과와 유사한 경향을 나타내었고, 열수 또는 메탄올 추출물에 비해 에탄올 추출물(27.5±0.9%)에서 가장 높은 활성이 측정되었다.
- 8배 이상 높은 것이었다. 이상의 결과들은 사과 과피로부터 항산화 활성을 지닌 폴리페놀 및 플라보노이드를 추출하는데 있어 아임계 추출법이 매우 효과적일 뿐만 아니라, 산업적 적용 가능성 또한 매우 크다는 것을 설명하고 있다.
- 그러나 앞서 언급한 바와 같이, 에탄올 또는 메탄올 등의 유기용매를 사용하는 기존의 추출방법은 추출용매의 잔류성 등으로 인한 식품 제조에 적용한계를 나타낼 뿐만 아니라, 상대적으로 오랜 추출 시간 및 낮은 추출 효율 등의 경제성 측면에서도 산업화에 한계를 나타내고 있다(Alonso-Salces 등 2001; Pawliszyn J 2002). 이와 같은 실정에서 Fig. 5의 결과는 추출 매체로써 물을 이용하는 아임계 추출법이 사과 과피부터 기능성 폴리페놀및 플라보노이드를 추출하는데 매우 적합한 방법이며, 기존의 전통적 추출법에 대한 효과적인 대안임을 제시하고 있다.
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