[논문]β-Glucan 추출에 미치는 온도, 용매 농도 및 pH의 영향

이상훈; 장귀영; 김기종; 이미자; 김태집; 이준수; 정헌상

doi:10.9799/ksfan.2012.25.4.871

β-Glucan 추출에 미치는 온도, 용매 농도 및 pH의 영향
Effect of Temperature, Solvent Concentration, and pH on the β-Glucan Extraction 원문보기

한국식품영양학회지 = The Korean journal of food and nutrition, v.25 no.4, 2012년, pp.871 - 877

이상훈 (충북대학교 식품공학과) , 장귀영 (충북대학교 식품공학과) , 김기종 (국립식량과학원 벼맥류부) , 이미자 (국립식량과학원 벼맥류부) , 김태집 (충북대학교 식품공학과) , 이준수 (충북대학교 식품공학과) , 정헌상 (충북대학교 식품공학과)

초록
AI-Helper

추출조건에 따른 귀리겨 ${\beta}$-glucan의 추출조건을 확립하기 위하여 추출온도($40{\sim}60^{\circ}C$), 추출용매의 에탄올 농도(0~20%) 및 pH(5~9)를 변수로 중심합성계획법으로 설계하여 ${\beta}$-glucan 추출특성을 조사하였다. 추출시간의 증가에 따라 ${\beta}$-glucan의 추출속도는 추출초기에 급격히 증가하였으나, 이후에는 완만하였다. 총괄물질전달계수는 $3.363{\sim}8.552{\times}10^{-6}cm/min$ 범위로 낮은 추출온도에서는 추출용매의 농도가 낮을수록, 높은 추출온도에서는 추출용매의 농도가 높을수록 증가하였지만 pH에 의한 영향은 적은 것으로 나타났다. 추출용매의 pH는 중성일 때보다 산성이나 알칼리성일 때 ${\beta}$-glucan의 추출량이 증가하였다. 추출조건에 따라서 ${\beta}$-glucan 수용액의 점도는 유의적인 차이를 보였으며, 총괄물질전달계수가 높을수록 crude ${\beta}$-glucan 수용액의 점도가 높게 나타났으며, 점도, 추출율 및 총괄물질전달계수의 상관관계를 분석한 결과, 각각의 요인들이 높은 양의 상관관계(p<0.01)를 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigated the effects of temperature, solvent concentration, and pH on the ${\beta}$-glucan extraction. Oat bran ${\beta}$-glucan was extracted with different extraction conditions, using various combinations of experiment factors, such as temperature (40, 45, 50, 55, and $60^{\circ}C$), ethanol concentration (0, 5, 10, 15, and 20%), and pH (5, 6, 7, 8, and 9). Under the various extraction conditions, ${\beta}$-glucan extraction rate and overall mass transfer coefficient of oat bran ${\beta}$-glucan, and viscosity of oat bran extracts were investigated. As increasing the extraction time, the extraction rate of ${\beta}$-glucan increased. The overall mass transfer coefficient of ${\beta}$-glucan ranged from $3.36{\times}10^{-6}$ to $8.55{\times}10^{-6}cm/min$, indicating the lowest at the extraction condition of $45^{\circ}C$, 15% and pH 8, and the highest at $50^{\circ}C$, 0% and pH 7. It was significantly greater with increasing extraction temperature and decreasing ethanol concentrations of extraction solvent, except for solvent pH. There were positive correlations among the overall mass transfer coefficient, the extraction rate of ${\beta}$-glucan, and the viscosity of extract.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

제안 방법

귀리겨 5 g에 pH와 추출용매의 알코올농도를 Table 1과 같이 조절한 추출용매 50 ㎖를 100 ㎖ 용량의 삼각플라스크에 넣고, 온도가 조절된 항온기(HB-205WM, Hanbaek Sci Co. Ltd., Gyeonggi, Korea)에서 150 rpm으로 60, 120 및 180분 동안 교반 추출한 후에 2,000×g에서 10분간 원심분리(VS-6000CHN, Vision Sci Co. Ltd., Deajeon, Korea)하여 β-glucan 추출물을 얻어 추출특성 분석용 시료로 사용하였다.
귀리겨 추출 상등액 중의 β-glucan 함량을 측정하여 추출 속도 계산에 사용하였다.
귀리겨 추출물의 점도 측정은 온도 jacket과 소량의 시료 측정용 adaptor가 부착된 점도계(Brookfield DV-Ⅱ⁺, Brookfield engineering laboratory, Inc. USA)를 사용하였다. 즉, 8 ㎖의 귀리겨 추출물을 adaptor에 장착한 후 4℃에서 spindle No.
귀리겨 추출물의β-glucan 함량은 추출물 중 5 ㎖를 취하여 증류수로 4배 희석하고, 그 중 0.1 ㎖를 취하여 lichenase(10 U) 0.2 ㎖를 가하여 50℃에서 1시간 효소처리한 후 상기와 동일한 방법에 따라 정량하였다.
β-Glucan의 추출에 미치는 추출온도, 추출용매의 농도 및 pH의 영향을 살펴보기 위하여 이들을 주요 독립변수로 설정하여 중심합성계획법(central composite design, CCD)에 따라 실험설계를 하였다(Cochran & Cox 1957). 독립변수(X_n)는 추출온도(40～60℃; X₁), 추출용매의 농도 (0～20%; X₂) 및 추출용매의 pH(5～9; X₃)로 설정하였으며, 실험 모델은 Table 1과 같이 5단계로 부호화하여 15개 구간으로 설정하여 추출하였다. 종속변수(Y_n)로는 총괄물질전달계수(Y_KL)와 점도(Y_Viscosity)로 하였고, 독립변수와 종속변수 간의 관계를 조사하였다.
따라서, 본 연구에서는 β-glucan의 추출에 미치는 추출조건의 영향을 살펴보기 위하여 추출시 유효인자가 될 것으로 예측되는 추출온도(40～60℃), 추출용매의 에탄올 농도(0～20%) 및 pH(5～9)를 조합하여 중심합성계획법으로 설계하여 β-glucan의 추출특성을 조사하였다.
배양액에 GOPOD(glucose oxidase/peroxidase) 3.0 ㎖를 가하고 50℃에서 20분간 배양한 후 510 ㎚에서 흡광도를 측정(spectrophotometer UV-1650 PC, Shimadzu, Tokyo, Japan)하여 β-glucan의 함량을 계산하였다.
원료의 비표면적은 비표면적 측정기(Autopore III 9420, Micromeritics, USA)에 질소를 주입하면서 질소의 함량 변화로부터 비표면적을 측정하였으며, 추출 시 사용한 총 시료의 표면적으로 환산하여 추출속도 계산에 이용하였다.
독립변수(X_n)는 추출온도(40～60℃; X₁), 추출용매의 농도 (0～20%; X₂) 및 추출용매의 pH(5～9; X₃)로 설정하였으며, 실험 모델은 Table 1과 같이 5단계로 부호화하여 15개 구간으로 설정하여 추출하였다. 종속변수(Y_n)로는 총괄물질전달계수(Y_KL)와 점도(Y_Viscosity)로 하였고, 독립변수와 종속변수 간의 관계를 조사하였다.
즉, 귀리겨(100 ㎎) 또는 crude β-glucan (50 ㎎)에 50% 에탄올 0.2 ㎖와 20 mM sodium phosphate buffer(pH 6.5) 4.0 ㎖를 순차적으로 가하여 5분씩 교반하고, 끓는 물에서 3분간 방치 후 lichanase(10 U) 0.2 ㎖를 가하여 50℃에서 1시간 효소처리 하였다.
추출온도, 추출용매의 에탄올 농도 및 pH가 귀리겨 β-glucan의 추출특성에 미치는 영향을 조사하기 위하여 중심합성계획법에 의해 설계된 15개의 실험조건에서 시료에 10배량의 용매를 가한 다음 60, 120 및 180분 동안 추출하여 얻은 추출물 중 β-glucan 함량을 측정하여 추출시간에 대한 β-glucan의 추출율을 구한 결과는 Fig. 1과 같다.
추출조건에 따른 귀리겨 β-glucan의 추출조건을 확립하기 위하여 추출온도(40～60℃), 추출용매의 에탄올 농도(0～20%) 및 pH(5～9)를 변수로 중심합성계획법으로 설계하여 β-glucan의 추출특성을 조사하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용한 귀리는 껍질을 제거한 다음, 건식 제분하여 β-glucan 함량이 높은 분획을 분리하여 모은 시판 귀리겨(OBC, oat bran concentrate, Finland) 분말을 (주)보락으로부터 공급받아 사용하였으며, 시료의 β-glucan 함량은 15.5%, 단백질은 22.9%, 전분은 22.8%, 지방은 7.8%, 그리고 회분은 6.4%이었다.

데이터처리

2) Values with different letters on the column are significantly different (p<0.05) by Duncan's multiple range test.
실험 결과는 SAS(statistical analysis system)을 이용하여 각 측정군의 평균과 표준편차를 산출하고, 처리간의 차이 유무를 one-way ANOVA(Analysis of variation)로 분석한 뒤 Duncan’s multiple range test를 이용하여 유의성을 검정하였다(p=0.05).

이론/모형

β-Glucan 함량은 β-D-glucan assay kit(Megazyme, Wicklow, Ireland)를 이용하여 McCleary & Glennie-Holmes(1985)의 방법으로 측정하였다.
β-Glucan의 추출에 미치는 추출온도, 추출용매의 농도 및 pH의 영향을 살펴보기 위하여 이들을 주요 독립변수로 설정하여 중심합성계획법(central composite design, CCD)에 따라 실험설계를 하였다(Cochran & Cox 1957).

성능/효과

05), 추출용매의 pH에 의해서는 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 또한 낮은 추출온도에서는 추출용매의 농도가 낮을수록, 높은 추출온도에서는 추출용매의 농도가 높을수록 총괄물질전달계수가 증가하는 것으로 나타났다(Table 2). Fleming & Kawakami(1977)는 추출온도가 증가함에 따라 β-glucan의 추출량이 증가한다고 보고하였으며, Wood 등(1978)은 낮은 추출온도에서 β-glucan의 추출효율이 낮지만, 전분의 겔화와 추출물의 오염을 방지하기 위한 최적추출온도는 45℃라고 보고하였다.
이처럼 추출 초기에 추출속도가 높은 것은 추출원료 내의 용질 농도와 용매 중 용질의 농도 차이에 비례하여 추진력을 얻게 되며, 추출시간이 경과함에 따라 그 농도 차이는 작아져 추출속도가 감소하기 때문이다(Chun 등 2002). 또한 본 연구의 추출조건에서는 용매의 첨가비가 원료의 10배로 비교적 적은 양이므로 추출시 단시간 내에 포화농도에 도달한 것으로 판단된다.
이는 총괄물질전달계수가 12번 분획에서 높고, 7번 및 8번 분 획에서 낮았던 결과와 유사하였으므로, 추출물의 점도와 β-glucan의 추출율 그리고 총괄물질전달계수와의 상관관계를 조사한 결과(Table 3), 추출물의 점도는 β-glucan의 총괄물질 전달계수(0.6438) 및 추출율(0.9100)과 정의 상관관계를 보였으며, 추출율과의 상관성이 더 높았다.
총괄물질전달계수는 3.363～8.552×10-6㎝/min 범위로 낮은 추출온도에서는 추출용매의 농도가 낮을수록, 높은 추출온도에서는 추출용매의 농도가 높을수록 증가하였지만 pH에 의한 영향은 적은 것으로 나타났다.
총괄물질전달계수는 추출온도 및 추출용매의 농도에 대하여 유의적으로 영향을 받는 것으로 나타났으나 (p<0.05), 추출용매의 pH에 의해서는 영향을 받지 않는 것으로 나타났다.
추출시간에 따른 β-glucan 추출속도는 추출 초기에 급격히 증가하였으나, 이후에는 그 폭이 점차 감소하였으며, 이에 따라 추출시간은 추출이 활발히 진행되는 60분으로 선정하는 것이 바람직하다고 판단된다.
추출용매의 pH 는 중성일 때보다 산성이나 알칼리성일 때 β-glucan의 추출량이 증가하였다.
6 sec^-1의 전단속도로 측정한 결과는 Table 1과 같다. 추출조건별 점도는 5.3～101.1 cP 범위로 추출조건에 따라 유의적인 차이를 보였으며, 추출용매의 에탄올 농도에 의해 유의적으로 영향을 받았다. Duncan의 grouping한 결과, 1번, 2번, 5번, 6번, 10번 및 12번 분획이 약 98～100 cP 범위로 가장 높았고, 7번 및 8번 분획이 10 cP 이하로 가장 낮은 그룹으로 나타났다.
추출조건에 따라서 β-glucan 수용액의 점도는 유의적인 차이를 보였으며, 총괄물질전달계수가 높을수록 crude β-glucan 수용액의 점도가 높게 나타났으며, 점도, 추출율 및 총괄물질전달계수의 상관관계를 분석한 결과, 각각의 요인들이 높은 양의 상관관계(p<0.01)를 나타내었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	β-Glucan의 추출을 위한 가장 일반적인 방법은?	β-Glucan의 추출은 고-액 추출 조작에 의해 이루어지며, 용매로 산이나 알칼리를 사용하기도 하나, 물 추출이 가장 일반적이고, 분석적인 방법에 따라 물이나 buffer에 잘 용해되는 수용성 β-glucan인 gum과 잘 녹지 않는 불용성 β-glucan 인 hemicellulose로 분류할 수 있다(Bamforth CW 1982). 물 중에서 β-glucan은 팽창되어 점차적으로 녹게 되는데, 이 때 용해도는 추출온도, 수분함량, 수분침투와 용해된 물질의 확산을 저해하는 장애요인들에 의하여 영향을 받게 된다(Beer 등 1996).
	곡류 β-glucan는 추출조건 및 방법에 따라 추출율이 크게 달라지며, 추출되는 β-glucan의 특성도 달라지는 이유는?	β-Glucan의 추출 전에 에탄올로 가열하여 β-glucan 분해효소를 불활성화 시키고 가용성 소당류을 제거하면 수율은 감소하나, 순도 높은 β-glucan을 얻을 수 있다(Fleming& Kawakami 1977). 곡류의 β-glucan은 보리 및 귀리의 배유 세포벽 내의 전분, 단백질 및 pentosan(arabinoxylan)과 복잡하고 단단하게 결합되어 있어 추출조건 및 방법에 따라 추출율이 크게 달라지며, 추출되는 β-glucan의 특성도 달라지게 된다(Forrest & Wainwright 1977; Miller 등 1995; Izydorczyk & MacGreger 2000). β-Glucan은 추출온도가 높아질수록(Woodward 등 1988), 산이나 알칼리성일수록(Bhatty RS 1993; Bhatty 등 1991) 추출량이 증가하며, 추출온도에 따라 1→4 결합 비율과 1→4 결합 block의 크기 및 1→3 결합의 출현빈도 등이 달라지고(Fleming & Kawakami 1977), 침전용매(ammonium sulfate)의 농도에 따라서도 1→4 결합비와 분자량이 달라지며(Dawkins & Nnanna 1993), 에탄올 침전, 투석과 원심분리 등 분리 방법에 따라서도 용해성에 차이가 있다(Beer 등 1996).
	β-Glucan이란?	β-Glucan이란 glucose가 2개 또는 3개 이상 β-결합되어 있는 쇄상의 비전분성 다당류(linear nonstarch polysaccharide)로 α-glucan인 전분과 구분되며, pectin, gums, soluble hemicellulose 등과 함께 수용성 식이섬유의 일종으로 오래 전부터 연구되어 왔다(Bamforth CW 1982). 곡류 β-glucan은 주로 알곡 배유 세포벽의 주된 구성성분으로 존재하며, 호밀(rye) 1.

참고문헌 (23)

Aman P, Graham H. 1987. Analysis of total and insoluble mixed-linked ( $1{\rightarrow}3$ ),( $1{\rightarrow}4$ )- $\beta$ -D-glucans in barley and oats. J Agric Food Chem 35:704-709

상세보기
Bamforth CW. 1982. Barley $\beta$ -glucans. The role in malting and brewing. Brewer's Digest 22-28
Beer MU, Arrigoni E, Amado R. 1996. Extraction of oat gum from oat bran: Effects of process on yield, molecular weight distribution, viscosity and ( $1{\rightarrow}3$ )( $1{\rightarrow}4$ )- $\beta$ -D-glucan content of the gum. Cereal Chem 73:58-62
Bhatty RS, MacGreger AW, Rossnagel BG. 1991. Total and acidsoluble $\beta$ -glucan content on hulless barley and its relationship to acid-extract viscosity. Cereal Chem 68:221-227
Bhatty RS. 1993. Extraction and enrichment of ( $1{\rightarrow}3,\;1{\rightarrow}4$ )- $\beta$ - D-glucans from barley and oat brans. Cereal Chem 70:73-77
Brunne BR, Freed RD. 1994. Oat grain $\beta$ -glucan content as affected by nitrogen level, location an year. Crop Sci 34:473-476

상세보기
Carr JM, Glatter S, Jeraci JL, Lewis BA. 1990. Enzymic determination of $\beta$ -glucan in cereal-based food products. Cereal Chem 67:226-229
Chun JK, Kim GH, Mok CK, Lee SJ, Kwon YA. 2002. Food Engineering. McGraw-Hill Press, Seoul, Korea
Cochran WG, Cox GM. 1957. Experimental Designs (2nd ed.). John Whily & Sons Inc., London, UK
Dawkins NL, Nnanna IA. 1993. Oat gum and $\beta$ -glucan extraction from oat bran and rolled oats: Temperature and pH effects. J Food Sci 58:562-566

상세보기
Fleming M, Kawakami K. 1977. Studies of the fine structure of $\beta$ -D-glucans of barleys extracted at different temperatures. Carbohydr Res 57:15-23

상세보기
Forrest IS, Wainwright T. 1977. The mode of binding of $\beta$ - glucans and pentosans in barley endosperm cell walls. J Inst Brew 83:279-286

상세보기
Genc H, Ozdemir M, Demirbas A. 2001. Analysis of mixedlinked $1{\rightarrow}3$ ),( $1{\rightarrow}4$ )- $\beta$ -D-glucans in cereal grains from Turkey. Food Chem 73:221-224

상세보기
Izydorczyk MS, MacGreger AW. 2000. Evidence of intermolucular interaction of $\beta$ -glucans and arabinoxylanes. Carbohydrate Poly 41:417-420

상세보기
Kwon YA, Mok CK, Park JH, Lee SJ. 1999. Solubility and overall mass transfer coefficient of Omija (Schizandra chinensis) during hot water leaching. Food Eng Prog 3:238-242
Lee KH. 2002. Food Chemistry. Hyeugnseol Press, Seoul, Korea
Lee YS, Chang KS. 2002. Effect of red pepper particle size on oleoresin extraction rate from red pepper. Food Eng Prog 6:263-267
Lee YT. 1996. $\beta$ -Glucan in barley and oats and their changes in solubility by processing. Korean Agric Chem Biotechnol 39:482-487
McCleary BV, Glennie-Holmes M. 1985. Enzymatic quantification of $1{\rightarrow}3$ )( $1{\rightarrow}4$ )- $\beta$ -D-glucan in barley and malt. J Inst Brew 91:285-295

상세보기
Miller SS, Fulcher AS, Arnason JT. 1995. Oat endosperm cell walls: I. Isolation, composition, and comparison with other tissues. Cereal Chem 72:421-427

상세보기
Welch RW, Lloyd JD. 1989. Kernel $1{\rightarrow}3$ )( $1{\rightarrow}4$ )- $\beta$ -D-glucan content of oat genotypes. J Cereal Sci 9:35-40

상세보기
Wood PJ, Siddiqui IR, Paton D. 1978. Extraction of highviscosity gums from oats. Cereal Chem 55:1038-1049
Woodward JR, Phillips DR, Fincher DB. 1988. Water-soluble $1{\rightarrow}3,1{\rightarrow}4)-{\beta}$ -D-glucans from barley (Hordeum vulgare) endosperm. IV. comparison of 40 ${^{\circ}C}$ and 65 ${^{\circ}C}$ soluble fractions. Carbohydrate Poly 8:85-97

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증