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문제 정의
- 본 연구에서는 인삼의 수용성 물질의 추출 수율을 높이고 압출 온도가 ginsenoside 및 당의 변화에 미치는 영향을 조사하기 위하여 압출온도를 달리하여 제조한 압출성형 백삼의 추출수율과 성분의 변화를 조사하였다. 인삼의 증류수 추출 수율은 압출성형 백삼이 가장 높았으며 백삼이 가장 낮았다.
- 이에 본 연구에서는 인삼 분말의 압출성형이 인삼 성분변화에 미치는 영향을 조사하고자 하였고, 압출 성형 인삼과 백삼, 홍삼 사이의 추출 수율, 조사포닌의 함량, ginsenoside 함량 및 유리당의 함량과 색도 변화 등을 비교 분석하였다. 연구에 필요한 압출 성형 백삼을 제조하기 위해서 인삼분말을 쌍축압출성형장치를 사용하여 지름이 2 mm 원형 사출구 하나를 열어서 압출성형을 하였다.
가설 설정
- 05 using Kruskal-Wallis. L: Lightness, a: redness b: yellowness.
제안 방법
- HPLC(Hutecs NS-4000, Futecs Co., Deajeon, Korea)에 컬럼(Asahipak NH2P-50 4E, Shodex Co., Kanagawa, Japan)을 걸고 컬럼 온도를 40℃로 유지하며 여과액 5 µL를 HPLC에 주입하였다.
- , Uzill, Switzerland)를 사용하였고, 지름이 2 mm 원형 사출구 하나를 열어서 압출성형을 하였다. Length/Diameter는 20으로 하였고 강한 층 밀림을 위하여 Screw Type은 66R-3, KD(RLR)-3,44R-5, RSE(LR), 44R-4, RSE(LRL), 33R-5, ST으로 조합하였고 실험 시 설정한 압출성형 조건은 Ryu 등(22)이 특허 출원한, 인삼의 가용성분 제조방법에서 설정한 압출성형 조건에 따라 본 실험에서는 압출성형 시 screw 회전속도를 270 rpm으로 고정시키고 인삼분말을 시간당 23 kg 투입하여 가수량를 시간당 1.5 L에서 3.0 L로 변화를 주어 126, 146, 154℃의 압출 온도에서 제조한 압출성형 백삼을 실험의 원료로 사용하였다.
- 미리 항량을 구한 칭량 접시에 검체 5g을 정밀히 달아 뚜껑을 약간 열어 넣고 105℃에서 3시간 건조 후 데시게이터 안에서 30분 방랭한 뒤 무게를 재었다. 다시 칭량접시를 1시간 건조하여 항량이 될 때까지 위의 조작을 반복해서 수분함량을 구했다.
- 연구에 필요한 압출 성형 백삼을 제조하기 위해서 인삼분말을 쌍축압출성형장치를 사용하여 지름이 2 mm 원형 사출구 하나를 열어서 압출성형을 하였다. 또한 강한 층 밀림을 위하여 스큐류 3개를 역방향으로 조합하였고 바렐을 130℃로 일정하게 가열한 채 인삼분말을 일정하게(23 kg/h) 투입하였고 가수량을 변화시켜 성형 온도를 조절하여 압출 성형하였다.
- 백삼, 홍삼 및 압출성형 백삼 분말을 20배 증류수에 분산시켜 50℃에서 30분간 추출하고 그 추출액을 0.45 µm syringe filter로 여과하였다.
- 백삼, 홍삼, 압출성형 백삼 분말의 추출은 분말을 각각 2g씩 플라스크에 취한 후 증류수 및 80%의 에탄올 40 mL을 각각 넣고 85℃에서 10, 30, 60분씩 2회 추출하였으며 그 추출액을 3000×g으로 15분 동안 원심분리하여 상등액의 고형분 함량을 구하고 다음과 같은 식으로 추출율을 구하였다.
- 분말의 색도는 백삼, 홍삼, 압출성형 백삼을 super grinder(JL1000, High bell Co., Hwaseong, Korea)로 2분간 분쇄하여 페트리디쉬에 10 g씩 담은 후, 색차계(CR-300, Minolta Co., Tokyo, Japan)을 이용하여 L(명도), a(적색도), b(황색도)를 측정하였다.
- 압출성형이 수용성 성분의 추출 수율에 미치는 영향을 조사하기 위하여, 동일한 수삼을 이용하여 제조한 백삼과 홍삼 및 동일한 백삼을 가지고 압출 온도를 달리하여 압출성형 한 백삼 분말을 증류수 및 80% 에탄올을 이용하여 추출시간에 따른 추출 수율을 측정한 결과를 Table 1에 나타내었다.
- 이에 본 연구에서는 인삼 분말의 압출성형이 인삼 성분변화에 미치는 영향을 조사하고자 하였고, 압출 성형 인삼과 백삼, 홍삼 사이의 추출 수율, 조사포닌의 함량, ginsenoside 함량 및 유리당의 함량과 색도 변화 등을 비교 분석하였다. 연구에 필요한 압출 성형 백삼을 제조하기 위해서 인삼분말을 쌍축압출성형장치를 사용하여 지름이 2 mm 원형 사출구 하나를 열어서 압출성형을 하였다. 또한 강한 층 밀림을 위하여 스큐류 3개를 역방향으로 조합하였고 바렐을 130℃로 일정하게 가열한 채 인삼분말을 일정하게(23 kg/h) 투입하였고 가수량을 변화시켜 성형 온도를 조절하여 압출 성형하였다.
- , Kanagawa, Japan)을 걸고 컬럼 온도를 40℃로 유지하며 여과액 5 µL를 HPLC에 주입하였다. 용매는 Acetonitrile:증류수를 75:25 비율로 혼합하였고 유속 1.0 mL/min의 흘렸으며 RI detector로 glucose, fructose, maltose, 및 sucrose를 분석 하였다. 각 유리당 standard는 Sigma-aldrich(Sigma-aldrich Korea Co.
- 그 잔유물에 에테르 50 mL를 넣고 40-50℃의 수욕 상에서 30분간 환류냉각기를 붙여 추출 한 후 에테르를 제거했다. 잔류물을 105℃에서 항량이 될 때 까지 건조 후 무게를 측정한 후 다음 식으로 조사포닌의 함량을 구하였다.
- 추출액의 색도는 60 mesh로 거른 압출성형 백삼 분말 1g을 증류수 및 80% 에탄올 50 mL에 잘 분산시킨 후 환류 냉각기를 붙여 85℃에서 30분간 추출한 후 3000×g으로 15분 원심분리하고 그 상등액을 0.45 µm로 여과하였다.
대상 데이터
- 0 mL/min의 흘렸으며 RI detector로 glucose, fructose, maltose, 및 sucrose를 분석 하였다. 각 유리당 standard는 Sigma-aldrich(Sigma-aldrich Korea Co., Yongin, Korea)에서 구입하였다.
- 백삼을 제조한 것과 동일한 수삼을 98-100℃로 3시간 증자한 후 60-70℃의 건조기에서 수분 함량이 35% 이하가 될 때까지 1차 건조한 후 55-60℃의 일광건조실에서 수분함량이 15%정도까지 15일 동안 2차 건조하여 제조한 홍삼을 사용하였다. 구입한 백삼을 분쇄하여 60 mesh로 거른 후 압출성형에 사용하였다.
- Meyer)으로 제조한 백삼과 홍삼을 구입하였다. 백삼은 수삼을 1차로 50-55℃의 건조기에서 수분 함량이 35%까지 건조시킨 후 일광 건조실에서 약 15일 동안 건조시켜 수분함량이 15%이하가 되도록 제조한 백삼을 사용하였다. 백삼을 제조한 것과 동일한 수삼을 98-100℃로 3시간 증자한 후 60-70℃의 건조기에서 수분 함량이 35% 이하가 될 때까지 1차 건조한 후 55-60℃의 일광건조실에서 수분함량이 15%정도까지 15일 동안 2차 건조하여 제조한 홍삼을 사용하였다.
- 백삼은 수삼을 1차로 50-55℃의 건조기에서 수분 함량이 35%까지 건조시킨 후 일광 건조실에서 약 15일 동안 건조시켜 수분함량이 15%이하가 되도록 제조한 백삼을 사용하였다. 백삼을 제조한 것과 동일한 수삼을 98-100℃로 3시간 증자한 후 60-70℃의 건조기에서 수분 함량이 35% 이하가 될 때까지 1차 건조한 후 55-60℃의 일광건조실에서 수분함량이 15%정도까지 15일 동안 2차 건조하여 제조한 홍삼을 사용하였다. 구입한 백삼을 분쇄하여 60 mesh로 거른 후 압출성형에 사용하였다.
- 시료로 사용한 인삼은 충남 금산군 소재 (주)대동고려삼에서 동일한 4년근 수삼(Panax ginseng C.A. Meyer)으로 제조한 백삼과 홍삼을 구입하였다. 백삼은 수삼을 1차로 50-55℃의 건조기에서 수분 함량이 35%까지 건조시킨 후 일광 건조실에서 약 15일 동안 건조시켜 수분함량이 15%이하가 되도록 제조한 백삼을 사용하였다.
- 압출성형 인삼분말은 쌍축압출성형장치(DNDL-44, Buhler Brothers Co., Uzill, Switzerland)를 사용하였고, 지름이 2 mm 원형 사출구 하나를 열어서 압출성형을 하였다. Length/Diameter는 20으로 하였고 강한 층 밀림을 위하여 Screw Type은 66R-3, KD(RLR)-3,44R-5, RSE(LR), 44R-4, RSE(LRL), 33R-5, ST으로 조합하였고 실험 시 설정한 압출성형 조건은 Ryu 등(22)이 특허 출원한, 인삼의 가용성분 제조방법에서 설정한 압출성형 조건에 따라 본 실험에서는 압출성형 시 screw 회전속도를 270 rpm으로 고정시키고 인삼분말을 시간당 23 kg 투입하여 가수량를 시간당 1.
데이터처리
- 통계처리한 결과는 평균과 표준편차로 표시하였으며 대조군과 시험군과의 비교는 SPSS(Statistical Package for the Social Sciences, version 12, IBM Acquires SPSS Inc, USA) 프로그램을 사용하였고, Kruskal-Wallis 검증을 사용하여 p값이 5% 미만일 때를 통계학적으로 유의성이 있다고 판정하였다.
이론/모형
- Ginsenoside의 HPLC 분석은 건강기능식품공전의 기기분석 고속액체크로마토그래프 조건(25)에 따라 분석하였다. 각 시료의 0.
- 식품공전에 나와 있는 수분 함량 측정법(23)에 따라 수분 함량을 구했다. 미리 항량을 구한 칭량 접시에 검체 5g을 정밀히 달아 뚜껑을 약간 열어 넣고 105℃에서 3시간 건조 후 데시게이터 안에서 30분 방랭한 뒤 무게를 재었다.
- 유리당의 HPLC 분석은 Shodex사(Kanagawa, Japan)의 Asahipak NH2P-50 series 유리당 분석 조건(26)에 따라 분석하였다. 백삼, 홍삼 및 압출성형 백삼 분말을 20배 증류수에 분산시켜 50℃에서 30분간 추출하고 그 추출액을 0.
- 조사포닌의 분리 및 정량은 식품공전의 butanol 추출중량법(24)에 준하였다. 100 mesh 표준체를 통과한 검체 5g을 달아 250 mL의 환류용 플라스크에 취했다.
성능/효과
- 조사포닌 함량은 압출 성형 백삼이 가장 높았으며 이는 압출 온도가 증가함에 따라 조사포닌 함량도 증가하였다. 11종의 총 ginsenoside함량은 홍삼이 가장 높았다. 백삼에서는 Re의 함량이 가장 높았고, 홍삼에서는 Rg1, Rg3, Rb2가 가장 높았다.
- 개별 사포닌으로서는 protopanaxatriol(PT)계 사포닌인 ginsenoside-Rg2와 ginsenoside-Rh1이 홍삼에서 각각 270.0, 152.4 µg/g으로 나타나, 홍삼이 백삼에 비해 많은 양을 함유하고 있었고, proptopanaxadiol(PD)계 사포닌인 ginsenoside-Rh2, ginsenoside-Rg3는 홍삼이 백삼에 비해 높게 함유되어 있었다.
- 5%까지 높아졌다는 보고와 유사한 결과를 나타냈다. 또한 80% 에탄올로 추출했을 때에도 백삼과 홍삼의 시간에 따른 추출 수율은 큰 차이가 없었으나, 홍삼이 백삼에 비해서 다소 높은 수율을 나타냈다. 이는 Choi 등(29)의 홍삼 및 백삼의 용매별 추출물의 수율, 환원성 및 항산화작용 연구에서 홍삼의 추출수율이 백삼의 수율보다 높은 결과와 유사했다.
- 홍삼의 경우도 추출시간에 따른 변화는 적었으나 백삼에 비해 10% 정도 높은 수율을 나타냈다. 또한 압출성형 백삼의 추출수율은 압출온도에 따라 약 71-74%로 나타나 가장 높았다. 이상의 실험에서 압출성형 백삼이 일반 백삼이나 홍삼보다 높은 추출수율을 보였으며 또한 온도에 따른 유의적인 차이(p<0.
- 05)는 없었으나 압출온도가 상승함에 따라 추출수율이 상승하였다. 또한 압출성형 백삼이 일반 백삼보다는 약 25%, 홍삼보다는 약 15% 높은 추출수율을 나타냈는데 이러한 결과는 압출 처리 중에 발생되는 고온, 고압 및 전단응력 등의 물리적 조건이 세포벽을 파괴하여 인삼성분의 용출을 용이하게 한 것으로 생각된다. 이는 Kim 등(27)의 압출성형 백삼의 물 추출율이 백삼이나 홍삼의 물 추출율보다 높았다는 보고와 Ralet 등(28)의 사탕무박을 압출성형하여 고형분 용해도를 16.
- 또한 압출성형 백삼이 일반 백삼에 비해 낮은 명도 값을 나타내었으며 압출 온도가 높을수록 명도는 더 낮아지는 경향을 보였다. Ha 등(34)은 배럴온도와 스크류 회전 속도에 따른 압출성형 수삼의 특성 연구에서 압출온도 증가에 따라 명도가 감소한 다고 보고하였고, Kim 등(35)은 압출성형 시 수분 함량 및 스크류 회전 속도가 압출성형 백삼의 색도에 미치는 영향에 관한 실험에서 수분함량이 적을수록 압출성형 백삼의 명도가 낮아진다고 보고하여 본 실험의 결과와 유사하였다.
- 압출 성형백삼의 경우는 압출 온도가 높을수록 추출 수율이 증가하였다. 또한 증류수 추출시 80% 에탄올 추출시보다 추출수율이 증가하였다. 조사포닌 함량은 압출 성형 백삼이 가장 높았으며 이는 압출 온도가 증가함에 따라 조사포닌 함량도 증가하였다.
- 압출성형 백삼의 조사포닌 함량은 백삼이나 홍삼에 비해 높았으며, 압출온도가 증가할 수록 조사포닌 함량도 증가하는 경향을 보였다. 이러한 결과는 다양한 조건에서 물리적 힘을 가하여 압출성형 한 백삼분말에서 조사포닌의 함량이 50% 이상 증가하였다고 보고한 Kim 등(27)의 연구 결과와 유사하였다.
- 적색도(a)와 황색도(b) 값은 압출성형 백삼이 가장 높았다. 이상의 실험에서 압출 성형 백삼은 정수로 추출 시 추출 수율이 백삼에 비해 25%이상 높았고, 조사포닌 함량도 약 20% 높았다. 또한 Rg2, Rh1, Rh2, Rg3의 ginsenoside 함량이 백삼에 비해 월등히 높았다.
- 이상의 실험에서 압출성형 백삼이 일반 백삼이나 홍삼보다 높은 추출수율을 보였으며 또한 온도에 따른 유의적인 차이(p<0.05)는 없었으나 압출온도가 상승함에 따라 추출수율이 상승하였다.
- C-20 위치의 당은 산 또는 열에 의해 쉽게 분해되어 ginsenoside-Rg3를 생성하며 분해가 더욱 지속되면 ginsenoside-Rh2로 전환된다. 이상의 실험에서 인삼 중의 PD계 사포닌인 ginsenoside-Rb2, -Rc는 압출 시 가해지는 물리적 에너지에 의해 생성된 고온 고압에 의해 C-20 위치의 당 부위가 가수분해 되어 ginsenoside-Rg3를 생성하고 더 나아가 C-3 위치의 glucose 분자까지도 부분적으로 분해시켜 ginsenoside-Rh2로 전환되는 것으로 생각된다.
- 또한 증류수 추출시 80% 에탄올 추출시보다 추출수율이 증가하였다. 조사포닌 함량은 압출 성형 백삼이 가장 높았으며 이는 압출 온도가 증가함에 따라 조사포닌 함량도 증가하였다. 11종의 총 ginsenoside함량은 홍삼이 가장 높았다.
- 압출성형이 ginsenosides 조성과 함량에 미치는 영향을 조사하기 위해 백삼, 홍삼, 압출성형 백삼 1 g 중의 protopanaxatriol과 protopanaxadiol ginsenosides의 함량을 분석한 결과는 Table 3 및 4와 같다. 총 ginsenosides 함량은 홍삼이 백삼에 비해 다소 높았으며, 압출성형 백삼은 백삼과 홍삼에 비해 낮았다. 개별 사포닌으로서는 protopanaxatriol(PT)계 사포닌인 ginsenoside-Rg2와 ginsenoside-Rh1이 홍삼에서 각각 270.
- 추출된 4종의 유리당 총량은 백삼이 132.27 mg/g, 홍삼이 175.02 mg/g으로 홍삼이 백삼보다 32.3%나 더 높게 함유하고 있는 것으로 나타났다. 홍삼 중에는 백삼보다 fructose와 glucose 등 단당류의 함량이 낮았으며 특히 glucose 함량은 약 1/8로 크게 감소하였다.
- 한편 압출 온도가 인삼 분말 추출액의 색도에 미치는 영향을 조사하기 위하여 인삼 분말을 증류수 또는 80% 에탄올로 추출하여 540 nm에서 흡광도를 측정한 결과는 Table 7과 같다. 표에서 보는 바와 같이, 증류수 추출액과 에탄올 추출액의 흡광도는 백삼과 홍삼이 큰 차이를 보이지 않았으나 압출 성형백삼 추출액의 흡광도는 크게 증가하여 홍삼이나 백삼에 비해 높았다. 또한 80% 에탄올 추출액에 비해 증류수 추출액의 흡광도가 훨씬 높게 나타났는데 이는 Sung 등(36)이 추출조건이 홍삼 엑기스의 색상과 관능적 성질에 미치는 영향에서 에탄올의 농도가 증가 할수록 추출액의 흡광도가 낮아지고, 90% 에탄올로 추출 시 물 추출액에 비하여 흡광도가 60%에 불과했다는 결과와 유사했다.
- 한편 이당류인 sucrose와 maltose는 홍삼 중에 더 높게 함유되어 있으며 특히 maltose의 함량은 백삼보다 홍삼에서 높았다. 또한 각 압출 온도에서 제조된 압출성형 백삼의 유리당 함량은 백삼에 비해 매우 낮았다.
- 3%나 더 높게 함유하고 있는 것으로 나타났다. 홍삼 중에는 백삼보다 fructose와 glucose 등 단당류의 함량이 낮았으며 특히 glucose 함량은 약 1/8로 크게 감소하였다.
후속연구
- 이러한 공정 방법들 중 압출 성형처리는 혼합, 가열, 성형 등과 같은 공정으로 구성되어 다른 처리방법과 비교 시 빠른 시간에 수행할 수 있는 효율적인 공정이며(19), 인삼 분말을 압출성형 처리를 하면 전분 분자 붕괴가 극대화 되어 인삼 추출액의 침전 물질인 전분을 수용화 할 수 있고, 인삼 세포벽의 붕괴를 유발하여 산성다당체 등과 같은 성분의 용출이 용이하여 그에 따른 수율을 높일 수 있을 것으로 기대 된다. 백삼의 압출성형에 대한 연구는 압출성형 삼과 백삼 홍삼의 화학성분의 차이(20)에 관한 연구가 있었으며, 압출성형 조건에 따른 압출성형물의 침출 속도 및 침출물의 특성(21)에 관한 연구가 있었다.
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