[논문]반응표면분석법을 이용한 차가버섯의 초음파 추출공정 최적화

김동연; 텅후이; 최용희

반응표면분석법을 이용한 차가버섯의 초음파 추출공정 최적화
Optimization of Ultrasonic-assisted Extraction Process for Inonotus obliquus Using Response Surface Methodology 원문보기

Current research on agriculture and life sciences = 경북대농학지, v.30 no.2, 2012년, pp.68 - 75

김동연 (경북대학교 식품공학부) , 텅후이 (경북대학교 식품공학부) , 최용희 (경북대학교 식품공학부)

초록
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본 연구에서는 항암효과가 뛰어난 차가버섯의 초음파 추출 공정 최적화를 위해 반응표면 분석법으로 모니터링하여 최적 추출 조건을 설정하였다. 중심합성계획법에 따라 추출 시간($X_1$), 에탄올 농도($X_2$), 추출 온도($X_3$)을 요인변수로 하고 추출 수율($Y_1$), 총 페놀함량($Y_2$), 총 플라보노이드함량($Y_3$), 갈색도($Y_4$)를 종속변수로 하여 시행 하였다. 실험 결과 추출 수율은 에탄올 농도와 추출 온도에 영향을 받음을 알 수 있었다. 안장점에서 추출 조건이 추출 시간 20.47min($X_1$), 에탄올 농도 42.85%($X_2$), 추출 온도 $69.57^{\circ}C$($X_3$)일 때, 최대값 18.02%로 나타났다. 총 페놀함량 또한 에탄올 농도와 추출 온도에 영향을 크게 받았다. 최대값은 71.57mg GAE/g으로 나타났으며 이때의 추출 조건은 추출시간 21.60min($X_1$), 에탄올 농도 45.19%($X_2$), 추출 온도 $69.68^{\circ}C$($X_3$)로 나타났다. 총 플라보노이드함량은 추출 온도의 영향을 받은 것으로 나타났고 안장점에서 추출 조건은 추출 시간 22.53min($X_1$), 에탄올 농도 46.37%($X_2$), 추출온도 $69.56^{\circ}C$($X_3$)였고 최대값은 35.98mg RE/g으로 예측되었다. 갈색도는 추출 시간, 에탄올 농도, 추출 온도 이 세가지 조건 모두에 영향을 크게 받았다. 안장점일 때의 추출시간 22.00min($X_1$), 에탄올 농도 46.89%($X_2$), 추출 온도 $69.71^{\circ}C$($X_3$)의 조건에서 최대값이 예측되었다. 앞에서 얻은 결과들을 바탕으로 contour map을 분석한 결과 추출시간 21.50min, 에탄올 농도 44.87%, 추출 온도 $69.64^{\circ}C$의 최적 추출 조건이 예측되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study was conducted to monitor the yields of useful substances extracted from Inonotus obliquus. Optimization of ultrasonic-assisted extraction process was carried out by using response surface methodology under different extraction conditions. A central composite design was applied to investigate the effects of independent variables such as extraction time ($X_1$), ethanol concentration ($X_2$) and extraction temperature ($X_3$) on dependent variables such as soluble solid yield ($Y_1$), total phenol contents ($Y_2$), total flavonoid contents ($Y_3$) and browning color($Y_4$). Soluble solid yield was affected by ethanol concentration and extraction temperature. The maximum soluble solid yield was 18.02% at 20.47 min ($X_1$), 42.85% ($X_2$) and $69.57^{\circ}C$ ($X_3$) in saddle point. Total phenol contents were highly affected by ethanol concentration and extraction temperature. The maximum total phenol contents were 71.57mg GAE/g at 21.60min ($X_1$), 45.19% ($X_2$), $69.68^{\circ}C$ ($X_3$). The electron donating ability was affected by extraction temperature and extraction time. Total flavonoid contents were affected by only extraction temperature. The maximum total flavonoid contents were 35.98 mg RE/g at 22.53min ($X_1$), 46.37% ($X_2$), $69.56^{\circ}C$ ($X_3$) in saddle point. The browning color was highly affected by extraction time, ethanol concentration and extraction temperature. The maximum browning color was at 22.00 min ($X_1$), 46.89% ($X_2$), $69.71^{\circ}C$ ($X_3$) in saddle point. As a result, the optimum extraction conditions were predicted; extraction time of 21.50 min, ethanol concentration of 44.87% and extraction temperature of $69.635^{\circ}C$.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

차가버섯의 알려진 유효성분으로는 β-glucan, 트리체페놀산, 호로마도겐, 폴리페놀, 옥시페놀카르본산, 휘노친, 차가산, 바닐라산, 파라옥시향산, 프테린, 스테롤, 리그닌 등의 많은 생리활성성분이 있는 것으로 알려져 있으며 특히 항산화력에 있어서는 알려진 어떤 버섯보다도 SOD 유사 활성을 나타내는 물질이 가장 많다는 분석결과도 있다(星崎, 1998). 본 연구에서는 차가버섯의 유용성분을 초음파 추출법을 이용하여 최적의 추출 조건을 확립하고자 하였다. 이 때 중심합성실험계획에 의해 추출 시간, 용매의 농도, 추출 온도를 독립 변수로 하여 이 조건에 따른 유용성분을 반응 표면분석법으로 살펴보고자 하였다.
본 연구에서는 차가버섯의 유용성분을 초음파 추출법을 이용하여 최적의 추출 조건을 확립하고자 하였다. 이 때 중심합성실험계획에 의해 추출 시간, 용매의 농도, 추출 온도를 독립 변수로 하여 이 조건에 따른 유용성분을 반응 표면분석법으로 살펴보고자 하였다.

제안 방법

갈색화 반응 생성물질의 농도를 나타내는 갈색도는 차가버섯 추출물에 증류수를 3배 희석하여 분광광도계를 사용 하여 420nm에서 흡광도를 측정하였다. 일부 갈색화 반응 생성물들은 항산화 효과를 나타낸다.
즉 추출 공정의 독립변수 (Xn)는 추출 시간(X₁)와 추출 온도(X₂), 에탄올의 농도(X₃)에 대한 실험범위를 선정하여 3단계로 부호화하였으며 Table 1에 나타내었다. 또한 이들의 독립 변수에 영향을 받는 종속변수는 Soluble solid yield(Y₁), Total phenol contents(Y₂), Total flavonoid contents(Y₃), Brown color(Y₄)로 3회 반복으로 측정하여 각각 회귀분석을 실시 하였다. 회귀분석에 의한 최적조건의 예측은 SAS (statistical analysis system, Version 9.
본 연구에서는 항암효과가 뛰어난 차가버섯의 초음파 추출 공정 최적화를 위해 반응표면 분석법으로 모니터링하여 최적 추출 조건을 설정하였다. 중심합성계획법에 따라 추출 시간(X₁), 에탄올 농도(X₂), 추출 온도(X₃)을 요인변수로 하고 추출 수율(Y₁), 총 페놀함량(Y₂), 총 플라보노이드함량(Y₃), 갈색도(Y₄)를 종속변수로 하여 시행 하였다.
본 연구에서는 항암효과가 뛰어난 차가버섯의 초음파 추출 공정 최적화를 위해 반응표면 분석법으로 모니터링하여 최적 추출 조건을 설정하였다. 중심합성계획법에 따라 추출 시간(X₁), 에탄올 농도(X₂), 추출 온도(X₃)을 요인변수로 하고 추출 수율(Y₁), 총 페놀함량(Y₂), 총 플라보노이드함량(Y₃), 갈색도(Y₄)를 종속변수로 하여 시행 하였다. 실험 결과 추출 수율은 에탄올 농도와 추출 온도에 영향을 받음을 알 수 있었다.
추출 용매로 에탄올 35㎖/g의 solvent to sample ratio를 사용 하였다. 즉 차가버섯 분말 1g에 35㎖의 에탄올을 가하고 각 추출조건에 따라 초음파 추출을 한 후 Whatman 여과지를 사용하여 여과하였다. 여과되어 나온 여과액에 해당하는 용매를 첨가하여 100㎖로 정용화한 것을 차가버섯의 추출물로 하여 분석용 시료로 사용하였다.
초음파 추출을 이용한 차가버섯의 최적 추출 조건을 수립하기 위해 반응표면분석법 (response surface methodology, RSM)을 사용하였으며 예비실험의 결과를 바탕으로 중심 합성계획 (central composite design)을 실시하였다. 즉 추출 공정의 독립변수 (Xn)는 추출 시간(X₁)와 추출 온도(X₂), 에탄올의 농도(X₃)에 대한 실험범위를 선정하여 3단계로 부호화하였으며 Table 1에 나타내었다. 또한 이들의 독립 변수에 영향을 받는 종속변수는 Soluble solid yield(Y₁), Total phenol contents(Y₂), Total flavonoid contents(Y₃), Brown color(Y₄)로 3회 반복으로 측정하여 각각 회귀분석을 실시 하였다.
초음파 추출 (ultra sonicate extraction)에 사용된 추출장치는 추출 온도 0~70℃, 추출 시간 0~120min으로 조절이 가능하다. 차가버섯의 최적 추출 조건을 선정하기 위해서 추출용매로 에탄올 농도(ethanol concentration) 25~75%를 사용하였으며 추출시간(extraction time) 10~30min, 추출 온도 (extraction temperature) 50~70℃로 추출 공정변수를 변화시키면서 실험을 시행하였다.
총플라보노이드 함량은 시료 70㎕에 증류수 430㎕, 5% NaNO2 50㎕, 10% Al(NO3)3 ·9H2O 50㎕를 가하여 실온에서 6분 동안 방치한 후 1N NaOH 500㎕를 가하여 진탕한 후 분광광도계를 사용하여 510nm에서 비색 정량하였다.
추출특성의 모니터링과 최적조건범위 예측은 각 종속변수의 contour map을 이용하여 분석하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용한 차가버섯은 대구시의 약령시장에서 구입한 것을 분쇄기로 분말화한 후 40mesh 표준망체에 통과 시켜 ‐20℃의 암소에 냉동 보관하면서 시료로 사용하였다.
즉 차가버섯 분말 1g에 35㎖의 에탄올을 가하고 각 추출조건에 따라 초음파 추출을 한 후 Whatman 여과지를 사용하여 여과하였다. 여과되어 나온 여과액에 해당하는 용매를 첨가하여 100㎖로 정용화한 것을 차가버섯의 추출물로 하여 분석용 시료로 사용하였다.

데이터처리

또한 이들의 독립 변수에 영향을 받는 종속변수는 Soluble solid yield(Y₁), Total phenol contents(Y₂), Total flavonoid contents(Y₃), Brown color(Y₄)로 3회 반복으로 측정하여 각각 회귀분석을 실시 하였다. 회귀분석에 의한 최적조건의 예측은 SAS (statistical analysis system, Version 9.1) program을 이용하였으며 회귀분석 결과 임계점이 최대점이거나 최소점이 아니고 안장점일 경우에는 능선분석을 하여 최적점을 구하였다. 회귀식은 다음과 같다.

이론/모형

초음파 추출을 이용한 차가버섯의 최적 추출 조건을 수립하기 위해 반응표면분석법 (response surface methodology, RSM)을 사용하였으며 예비실험의 결과를 바탕으로 중심 합성계획 (central composite design)을 실시하였다. 즉 추출 공정의 독립변수 (Xn)는 추출 시간(X₁)와 추출 온도(X₂), 에탄올의 농도(X₃)에 대한 실험범위를 선정하여 3단계로 부호화하였으며 Table 1에 나타내었다.

성능/효과

EtOH를 추출 용매로 하여 초음파 추출 공정을 통한 차가버섯 유효성분 추출 시, 추출 시간(X₁), 에탄올 농도(X₂), 추출 온도(X₃)를 추출 조건으로 하여 이로부터 추출 조건 최적화를 위해 추출물의 특성인 추출 수율(Y₁), 총 페놀함량 (Y₂), 총 플라보노이드함량(Y₃), 갈색도(Y₄)의 contour map 을 분석한 결과 Table 5와 같이 추출 시간 21.50 min, 에탄올 농도 44.87%, 추출 온도 69.64 ℃의 최적 추출 조건을 예측할 수 있었다.
본 연구에서 차가버섯 추출물의 갈색도는 Table 3에 나타난 바와 같이 추출 시간, 에탄올 농도, 추출 온도 이 세가지 조건 모두에 매우 유의하게 영향을 받고 있는 것으로 나타났다(p<0.01).
본 연구에서 차가버섯 추출물의 추출 수율은 Table 3에 나타난 바와 같이 에탄올 농도와 추출온도에 유의하게 영향을 받고 있으며 특히 에탄올 농도가 추출 온도와 비교 시 매우 유의하게 영향을 주는 것으로 나타났다(p<0.01).
중심합성계획법에 따라 추출 시간(X₁), 에탄올 농도(X₂), 추출 온도(X₃)을 요인변수로 하고 추출 수율(Y₁), 총 페놀함량(Y₂), 총 플라보노이드함량(Y₃), 갈색도(Y₄)를 종속변수로 하여 시행 하였다. 실험 결과 추출 수율은 에탄올 농도와 추출 온도에 영향을 받음을 알 수 있었다. 안장점에서 추출 조건이 추출 시간 20.
71℃(X₃)의 조건에서 최대값이 예측되었다. 앞에서 얻은 결과들을 바탕으로 contour map을 분석한 결과 추출시간 21.50min, 에탄올 농도 44.87%, 추출 온도 69.64℃의 최적 추출 조건이 예측되었다.
01). 예측된 정상점은 안장점의 형태였으며, 능선분석을 실시하여 본 결과 Table 4에 나타난 바와 같이 추출시간 21.60 min, 에탄올 농도 45.19%, 추출 온도 69.68 ℃에서 총 페놀함량 71.57 mg GAE/g으로 최대값을 나타내었다.
01). 예측된 정상점은 안장점의 형태였으며, 능선분석을 실시하여 본 결과 Table 4에 나타난 바와 같이 추출시간 22.53 min, 에탄올 농도 46.37%, 추출 온도 69.56 ℃에서 총 플라보노이드함량 35.98mg RE/g으로 최대값을 나타내었다.
차가버섯 추출물의 총 페놀함량은 Table 3에서와 같이 추출 시간, 에탄올 농도, 추출 온도 세 가지 조건 모두 유의하게 영향을 받고 있으며, 특히 에탄올 농도와 추출 온도가 매우 유의하게 영향을 주는 것으로 나타났다(p<0.01).
차가버섯 추출물의 총 플라보노이드함량은 Table 3에서와 같이 에탄올 농도, 추출 온도 유의하게 영향을 받고 있으며, 특히 추출 온도가 에탄올 농도와 비교 시 매우 유의하게 영향을 주는 것으로 나타났다(p<0.01).
68℃(X₃)로 나타났다. 총 플라보노이드함량은 추출 온도의 영향을 받은 것으로 나타났고 안장점에서 추출 조건은 추출 시간 22.53min(X₁), 에탄올 농도 46.37%(X₂), 추출 온도 69.56℃(X₃)였고 최대값은 35.98mg RE/g으로 예측되었다. 갈색도는 추출 시간, 에탄올 농도, 추출 온도 이 세가지 조건 모두에 영향을 크게 받았다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	차가버섯이란?	차가버섯은 자작나무시루뻔버섯이라고도 불리며, 이름에서도 알 수 있듯이 시베리아와 북아메리카, 북유럽 등 북위 45도 이상 지방의 검은 자작나무에 덩이로 자생하는 버섯이다. 학명은 Inonotus obliquus이며 Hymenochaefaceae과에 속한다.
	차가버섯의 이명은?	차가버섯은 자작나무시루뻔버섯이라고도 불리며, 이름에서도 알 수 있듯이 시베리아와 북아메리카, 북유럽 등 북위 45도 이상 지방의 검은 자작나무에 덩이로 자생하는 버섯이다. 학명은 Inonotus obliquus이며 Hymenochaefaceae과에 속한다.
	차가버섯의 형태적 특징은?	학명은 Inonotus obliquus이며 Hymenochaefaceae과에 속한다. 일반적으로 관찰되는 덩어리부분은 불완전세대로 불규칙한 균핵형이다. 버섯은 크기가 9~25cm이고, 표면은 암갈색 또는 검은색으로 거북등과 같이 갈라져 있으며, 조직은 쉽게 부서지고, 자르면 검은색으로 변색된다. 자실 층은 배착형이며, 표면은 관공형이고, 종종 수피 아랫부분에 군데군데 발생되며, 크기는 1~10cm 정도의 불규칙한 조각형태이고, 두께는 0.5~1cm이다.

저자의 다른 논문 :

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].

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