[논문]반응표면분석법을 이용한 인진쑥 유효성분의 에탄올 추출조건 최적화

김성호

doi:10.3746/jkfn.2014.43.5.741

반응표면분석법을 이용한 인진쑥 유효성분의 에탄올 추출조건 최적화
Optimization of Ethanol Extraction Conditions for Artemisis capillaris Effective Components Using Response Surface Methodology 원문보기

한국식품영양과학회지 = Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition, v.43 no.5, 2014년, pp.741 - 748

김성호 (대구대학교 식품공학과)

초록
AI-Helper

본 연구는 인진쑥의 광범위한 약리작용과 다양한 생리활성을 이용한 식품소재로서의 개발을 위하여 반응표면분석법에 의한 인진쑥 유효성분의 에탄올 추출특성을 모니터링 하여 최적의 추출조건을 예측하였다. 에탄올을 이용한 추출공정에서 중요변수로 추출온도($X_1$; 60, 70, 80, 90 및 $100^{\circ}C$), 추출시간($X_2$; 1, 2, 3, 4 및 5 hr) 및 에탄올 농도($X_3$; 0, 20, 40, 60 및 80%)를 각각 독립변수로 설정하였고 추출물의 품질특성 즉 가용성 고형분 함량($Y_1$), chlorogenic acid($Y_2$) 및 coumaric acid($Y_3$) 등을 종속변수로 하여 반응표면 회귀분석을 실시하였다. 고형분 함량에 대한 예측된 최적조건은 추출온도 $87.65^{\circ}C$, 추출시간 3.19시간, 에탄올 농도 42.40%이었고 chlorogenic acid는 추출온도 $84.30^{\circ}C$, 추출시간 3.14시간, 에탄올 농도 47.85%이었으며 coumaric acid는 추출온도 $83.45^{\circ}C$, 추출시간 3.40시간 및 에탄올 농도 45.39%로 나타났다. 각 변수에 대한 회귀식을 도출하여 인진쑥 추출물의 각 유효성분들에 대한 최적 추출조건을 superimposing 한 결과, 추출온도 $85{\sim}90^{\circ}C$, 추출시간 3~4시간 및 에탄올 농도 40~50%로 예측되었다. 이때 각 성분의 함량은 가용성 고형분 함량 1.09%, chlorogenic acid 25.66 mg%, coumaric acid 20.25 mg%이었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study was conducted to monitor the quality characteristics of Artemisis capillaris ethanolic extract by response surface methodology. The independent variables were extraction temperature ($X_1$; 60, 70, 80, 90, and $100^{\circ}C$), extraction time ($X_2$; 1, 2, 3, 4, and 5 hr), and ethanol concentration ($X_3$; 0, 20, 40, 60, and 80%). Soluble solid content ($Y_1$), chlorogenic acid content ($Y_2$), and coumaric acid content ($Y_3$), etc. were analyzed as the dependent variables. Estimated optimal conditions for soluble solids were an extraction temperature of $87.65^{\circ}C$, extraction time of 3.19 hr, and ethanol concentration of 42.40%. The optimal extraction conditions for chlorogenic acid were $84.30^{\circ}C$, 3.14 hr, and 47.85%, respectively. Further, those for coumaric acid were $83.45^{\circ}C$, 3.40 hr, and 45.39%, respectively. Extraction conditions for effective components of Artemisis capillaris were superimposed by response surface plots on optimization extraction condition of each dependent variable, including soluble solid, chlorogenic acid, and coumaric acid contents. As a result, superimposed extraction conditions were $80{\sim}90^{\circ}C$, 3~4 hr, and 40~50%, respectively. Under these conditions, soluble solid, chlorogenic acid, and coumaric acid contents were 1.09%, 25.66 mg%, and 20.25 mg%, respectively.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

주로 약용으로 많이 쓰이고 있는 인진쑥은 전국에 널리 분포되어 있고 쉽게 채취할 수 있기 때문에 인진쑥의 이용도를 넓히는 것은 자원 효율성을 높이는 좋은 방법이기도 하다. 따라서 본 연구에서는 건강기능식품 등의 원료로 활용 가능성을 높이기 위한 한 방안으로서 인진쑥의 유효성분을 효율적으로 추출하고자 반응표면분석에 의해 에탄올 최적 추출조건을 조사하였다.
본 연구는 인진쑥의 광범위한 약리작용과 다양한 생리활성을 이용한 식품소재로서의 개발을 위하여 반응표면분석법에 의한 인진쑥 유효성분의 에탄올 추출특성을 모니터링 하여 최적의 추출조건을 예측하였다. 에탄올을 이용한 추출공정에서 중요변수로 추출온도(X₁; 60, 70, 80, 90 및 100℃), 추출시간(X₂; 1, 2, 3, 4 및 5 hr) 및 에탄올 농도(X₃; 0, 20, 40, 60 및 80%)를 각각 독립변수로 설정하였고 추출물의 품질특성 즉 가용성 고형분 함량(Y₁), chlorogenic acid (Y₂) 및 coumaric acid(Y3) 등을 종속변수로 하여 반응표면 회귀분석을 실시하였다.

제안 방법

Phenolic acid류는 chlorogenic acid, coumaric acid, caffeic acid 및 vanillin(Sigma-Aldrich Co.)의 표준물질을 95% 에탄올에 5~20 μg/mL의 농도로 용해시켜 HPLC(Waters Co., HPLC Alliance 2695 system, Milford, MA, USA)로 정량분석을 실시하였다.
각 추출조건별 추출액의 가용성 고형분 함량은 항량을 구한 수기에 시험용액 20 mL를 취하여 105°C에서 증발건고 시킨 후 그 무게를 측정하였으며, 추출액 조제에 사용된 건물 시료량에 대한 백분율로써 고형분 함량을 나타내었다(20).
7에 나타내었다. 각 항목의 최적 추출조건으로 도출되어진 최대 또는 최적값의 반응표면을 한 도면에 일치시킨 결과 가용성 고형분 함량, chlorogenic acid 및 coumaric acid 함량 등 3항목의 최대값의 반응표면의 그림이 완전 또는 부분적으로 적합 되었고 그 일치하는 부분을 각 독립변수의 범위를 읽어 최적 추출조건의 범위로 설정하였다. 이 반응 표면으로부터 설정될 수 있는 최적 조건 범위는 Fig.
본 실험에서는 반응표면분석법(response surface methodology, RSM)(18)을 이용하여 최적 추출조건의 예측과 추출조건에 따른 최적물의 유효성분 함량을 모니터링 하였다. 건조 인진쑥 5 g과 95% 에탄올 100 mL 추출용기에 넣고 각각의 추출조건에 따라 추출하였다. 추출조건의 최적화를 위한 실험계획은 중심합성계획법에 의하여 추출공정에 중요한 독립변수(Xi)로 고려되는 인자 즉, 추출온도(X₁), 추출시간(X₂) 및 에탄올 농도(X₃)에 대한 실험범위를 설정하여 각각을 5단계로 부호화하였으며(Table 1), 중심합성계획에 따라 Table 2와 같이 16구로 설정하여 추출실험을 하였다.
또한 이들 독립변수에 영향을 받는 종속변수(Yn) 즉, 추출물의 품질인자로서는 가용성 고형분 함량(Y₁), 총 페놀성 화합물 함량(Y₂), chlorogenic acid(Y₃), caffeic acid(Y₄), coumaric acid(Y₅) 및 vanillin(Y₆) 등의 함량을 측정하여 그 값을 회귀분석에 사용하였다. 또한 에탄올 추출에 있어서 추출조건이 인진쑥 추출물의 유효성분의 추출특성에 미치는 영향을 예측된 모델식을 바탕으로 Mathematica program을 이용하여 4차원 반응표면분석으로 해석하였다(19).
추출조건의 최적화를 위한 실험계획은 중심합성계획법에 의하여 추출공정에 중요한 독립변수(Xi)로 고려되는 인자 즉, 추출온도(X₁), 추출시간(X₂) 및 에탄올 농도(X₃)에 대한 실험범위를 설정하여 각각을 5단계로 부호화하였으며(Table 1), 중심합성계획에 따라 Table 2와 같이 16구로 설정하여 추출실험을 하였다. 또한 이들 독립변수에 영향을 받는 종속변수(Yn) 즉, 추출물의 품질인자로서는 가용성 고형분 함량(Y₁), 총 페놀성 화합물 함량(Y₂), chlorogenic acid(Y₃), caffeic acid(Y₄), coumaric acid(Y₅) 및 vanillin(Y₆) 등의 함량을 측정하여 그 값을 회귀분석에 사용하였다. 또한 에탄올 추출에 있어서 추출조건이 인진쑥 추출물의 유효성분의 추출특성에 미치는 영향을 예측된 모델식을 바탕으로 Mathematica program을 이용하여 4차원 반응표면분석으로 해석하였다(19).
본 연구는 인진쑥의 광범위한 약리작용과 다양한 생리활성을 이용한 식품소재로서의 개발을 위하여 반응표면분석법에 의한 인진쑥 유효성분의 에탄올 추출특성을 모니터링 하여 최적의 추출조건을 예측하였다. 에탄올을 이용한 추출공정에서 중요변수로 추출온도(X₁; 60, 70, 80, 90 및 100℃), 추출시간(X₂; 1, 2, 3, 4 및 5 hr) 및 에탄올 농도(X₃; 0, 20, 40, 60 및 80%)를 각각 독립변수로 설정하였고 추출물의 품질특성 즉 가용성 고형분 함량(Y₁), chlorogenic acid (Y₂) 및 coumaric acid(Y3) 등을 종속변수로 하여 반응표면 회귀분석을 실시하였다. 고형분 함량에 대한 예측된 최적조건은 추출온도 87.
인진쑥 최적 추출조건 범위는 추출온도 85~90°C, 추출시간 3~4시간 및 에탄올 농도 40~50%로 나타났다. 이로부터 최적점이라 예상되는 추출조건은 추출온도 85℃, 추출시간 3.5시간 및 에탄올 농도 45%를 최적 추출조건으로 예측하였다.
추출조건에 따른 각각의 추출물을 일부 취하여 membrane filter(Hydrophilic PTFE 0.45 μm, 25 mm, Advantec MFS Inc., Dublin, CA, USA)로 여과한 뒤 HPLC 시료로 사용하였다.
건조 인진쑥 5 g과 95% 에탄올 100 mL 추출용기에 넣고 각각의 추출조건에 따라 추출하였다. 추출조건의 최적화를 위한 실험계획은 중심합성계획법에 의하여 추출공정에 중요한 독립변수(Xi)로 고려되는 인자 즉, 추출온도(X₁), 추출시간(X₂) 및 에탄올 농도(X₃)에 대한 실험범위를 설정하여 각각을 5단계로 부호화하였으며(Table 1), 중심합성계획에 따라 Table 2와 같이 16구로 설정하여 추출실험을 하였다. 또한 이들 독립변수에 영향을 받는 종속변수(Yn) 즉, 추출물의 품질인자로서는 가용성 고형분 함량(Y₁), 총 페놀성 화합물 함량(Y₂), chlorogenic acid(Y₃), caffeic acid(Y₄), coumaric acid(Y₅) 및 vanillin(Y₆) 등의 함량을 측정하여 그 값을 회귀분석에 사용하였다.

대상 데이터

HPLC 분석조건으로 Water사의 Symmetry® C18(4.6×150 mm, 5 μm) 칼럼을 사용하였다.
본 연구의 실험 재료인 인진쑥(Artemisia capillaris Thunb.)은 경북 김천지방에서 2012년에 생산, 음건된 것을 대구약령시장에서 구입하여 분쇄(Cemotec 1090, Tecator, Höganäs, Sweden) 후 20 mesh 체를 통과시켜 실험에 사용하였다.
6×150 mm, 5 μm) 칼럼을 사용하였다. 이동상은 2% acetic acid(A)와 methanol(B)을 이용하였으며, B 용매를 20%부터 60%까지 증가시켰다. 유속은 1 mL/min으로 조절하였고 injection volume은 20 μL이었으며 UV detector(Waters Co.

데이터처리

62 mg% 범위의 값을 나타내었다. 각각의 결과를 이용하여 반응표면 회귀분석을 실시하고 각 종속변수에 대한 회귀식을 얻었다. 또한 변수별 최적 추출조건과 품질특성 값을 예측하여 Table 4에 나타내었으며, 이들의 4차원 반응표면은 추출온도, 추출시간 및 에탄올 농도를 독립변수로 하여 Fig.
8487이고 유의성은 10% 이내의 수준에서 인정되었다. 최적 예측조건은 Table 4와 같으며, 이때 예측된 정상점은 안장점으로 나타나 능선분석을 실시하였다. Caffeic acid 함량에 대한 추출물의 최대값은 1.

이론/모형

각 추출물의 총 페놀성 화합물 함량은 Folin-Denis법(21)에 따라 비색 정량하였다. 즉 추출물을 20배 희석한 검액 5 mL를 넣어 진탕하고 1시간 실온에서 방치하여 700 nm에서 흡광도를 측정하였고, 대조구는 검액 대신 증류수를 넣어 동일하게 처리하였다.
본 실험에서는 반응표면분석법(response surface methodology, RSM)(18)을 이용하여 최적 추출조건의 예측과 추출조건에 따른 최적물의 유효성분 함량을 모니터링 하였다. 건조 인진쑥 5 g과 95% 에탄올 100 mL 추출용기에 넣고 각각의 추출조건에 따라 추출하였다.

성능/효과

66 mg%로 예측되었다(Table 4). Chlorogenic acid의 4차원 반응표면은 Fig. 3과 같이 추출온도가 높을수록 chlorogenic acid 함량이 증가하는 것으로 나타났으며, 특히 에탄올 농도가 40~50%의 범위에서 높은 값을 나타내는 것을 알 수 있었으며 Table 5에서도 알 수 있듯이 추출온도에도 영향을 받지만 특히 에탄올 농도에 영향을 많이 받는 것으로 나타났다. Oshino와 Murakami(24)는 chlorogenic acid가 Fe²⁺이온과 착화합물을 형성하여 Fe²⁺에 의해 유도되는 free radical 생성을 억제함에 따라 chlorogenic acid는 항산화와 관계가 있다고 보고하였다.
62 mg%로 예측되었다(Table 4). Vanillin 함량의 추출특성에 따른 반응표면을 살펴볼 때 세 변수 중 추출온도에 영향을 가장 많이 받아 추출온도가 낮아질수록 함량이 증가하는 것으로 나타났다. 추출조건의 영향은 Table 5에서와 같이 주어진 범위에서 인진쑥의 vanillin 함량에는 추출온도와 에탄올 농도가 크게 영향을 미친다고 볼 수 있다.
인진쑥으로부터 최적 추출조건을 설정하기 위해 추출에 영향을 미치는 추출온도, 추출시간 및 에탄올 농도에 대하여 중심합성계획에 따라 설계된 16구의 추출조건에서 얻어진 추출물의 가용성 고형분 함량, 총 페놀성 화합물, chlorogenic acid, caffeic acid, coumaric acid 및 vanillin의 측정 결과는 Table 3과 같다. 가용성 고형분 함량의 경우 0.83~1.08%, 총 페놀성 화합물 함량은 169.10~242.22 mg%, chlorogenic acid 함량은 8.75~24.90 mg%, caffeic acid 함량은 0.55~1.50 mg%, coumaric acid 함량은 15.30~19.76 mg%, vanillin 함량은 0.24~0.62 mg% 범위의 값을 나타내었다. 각각의 결과를 이용하여 반응표면 회귀분석을 실시하고 각 종속변수에 대한 회귀식을 얻었다.
39%로 나타났다. 각 변수에 대한 회귀식을 도출하여 인진쑥 추출물의 각 유효성분들에 대한 최적 추출조건을 superimposing 한 결과, 추출온도 85~90℃, 추출시간 3~4시간 및 에탄올 농도 40~50%로 예측되었다. 이때 각 성분의 함량은 가용성 고형분 함량 1.
에탄올을 이용한 추출공정에서 중요변수로 추출온도(X₁; 60, 70, 80, 90 및 100℃), 추출시간(X₂; 1, 2, 3, 4 및 5 hr) 및 에탄올 농도(X₃; 0, 20, 40, 60 및 80%)를 각각 독립변수로 설정하였고 추출물의 품질특성 즉 가용성 고형분 함량(Y₁), chlorogenic acid (Y₂) 및 coumaric acid(Y3) 등을 종속변수로 하여 반응표면 회귀분석을 실시하였다. 고형분 함량에 대한 예측된 최적조건은 추출온도 87.65℃, 추출시간 3.19시간, 에탄올 농도 42.40%이었고 chlorogenic acid는 추출온도 84.30℃, 추출시간 3.14시간, 에탄올 농도 47.85%이었으며 coumaric acid는 추출온도 83.45℃, 추출시간 3.40시간 및 에탄올 농도 45.39%로 나타났다. 각 변수에 대한 회귀식을 도출하여 인진쑥 추출물의 각 유효성분들에 대한 최적 추출조건을 superimposing 한 결과, 추출온도 85~90℃, 추출시간 3~4시간 및 에탄올 농도 40~50%로 예측되었다.
추출물의 caffeic acid 함량 변화는 추출온도에 영향을 받는 것으로 나타났으나 추출시간과 에탄올 농도에는 크게 영향을 받지 않는 것으로 나타났다(Table 5). 또한 caffeic acid 함량에 대한 4차원 반응표면은 Fig. 4와 같이 추출온도가 높을수록 함량이 증가하는 것으로 나타났다. Phenolic compound는 최근 항산화와 항암작용으로 인해 주목받고 있는 성분으로 과일, 야채, 약용식물 등에 널리 분포하고 있다.
또한 추출온도, 시간 및 에탄올 농도의 추출조건에 따른 vanillin 함량의 반응표면분석(Fig. 6)에서 예측된 정상점이 최대점으로, 추출온도 68.14℃, 추출시간 2.29시간 및 에탄올 농도 44.83%의 조건에서 최대값은 0.62 mg%로 예측되었다(Table 4). Vanillin 함량의 추출특성에 따른 반응표면을 살펴볼 때 세 변수 중 추출온도에 영향을 가장 많이 받아 추출온도가 낮아질수록 함량이 증가하는 것으로 나타났다.
또한 추출온도, 시간 및 에탄올 농도의 추출조건에 따른 총 페놀성 화합물 함량의 반응표면분석에서 예측된 정상점이 최대점으로 최대값은 246.88 mg%이었고, 이때의 추출조건은 추출온도 93.42°C, 추출시간 2.78시간 및 에탄올 농도 33.34%이었다(Table 4).
예측된 정상점은 최대점을 나타내었고, 가용성 고형분 함량은 추출온도 87.65°C, 추출시간 3.19시간 및 에탄올 농도 42.40%에서 1.09%의 최대값을 나타내었다(Table 4).
인진쑥 최적 추출조건 범위는 추출온도 85~90°C, 추출시간 3~4시간 및 에탄올 농도 40~50%로 나타났다.
34%이었다(Table 4). 총 페놀성 화합물 함량의 추출특성에 따른 반응표면을 살펴볼 때 추출시간 2~3시간의 범위에서 추출온도가 높고 에탄올 농도가 낮을수록 함량이 증가하는 것으로 나타났다. 추출조건의 영향은 Table 5에서와 같이 추출물의 총 페놀성 화합물 함량은 추출시간보다 추출온도 및 에탄올 농도에서 더 많은 영향을 받는 것으로 나타났다.
16%에서 가장 높은 함량을 나타내었다. 추출물의 caffeic acid 함량 변화는 추출온도에 영향을 받는 것으로 나타났으나 추출시간과 에탄올 농도에는 크게 영향을 받지 않는 것으로 나타났다(Table 5). 또한 caffeic acid 함량에 대한 4차원 반응표면은 Fig.
추출물의 chlorogenic acid 함량에 대한 예측된 정상점은 최대점으로 추출온도 84.30°C, 추출시간 3.14시간 및 에탄올 농도 47.65%일 때 최대값은 25.66 mg%로 예측되었다(Table 4).
25 mg%로 예측되었다(Table 4). 추출물의 coumaric acid에 대한 4차원 반응표면은 Fig. 5와 같은 형태를 나타내었고 chlorogenic acid와 유사한 경향으로 나타났으며, 45~55%의 에탄올 농도 범위 내에서 추출온도가 높고 추출시간이 길어질수록 함량이 증가하는 것으로 나타났다. Coumaric acid 함량 변화에 대한 추출조건의 영향은 Table 5와 같이 세 독립변수 중 주어진 범위 내에서 에탄올 농도가 추출온도와 시간보다는 많은 영향을 받는 것으로 나타났다.
추출물의 coumaric acid의 함량에서는 회귀식의 R2가 0.8866이고 5% 이내에서 유의성이 인정되었으며, 예측된 정상점은 최대점으로 추출온도 83.45°C, 추출시간 3.40시간 및 에탄올 농도 45.39%에서 최대값은 20.25 mg%로 예측되었다(Table 4).
추출조건별 가용성 고형분 함량 변화의 반응표면은 Fig. 1과 같이 추출온도 78~88°C, 추출시간 3~4시간 및 에탄올 농도 35~45%의 범위에서 가장 높은 값을 나타내는 것을 알 수 있으며, 가용성 고형분 함량에 대한 추출조건의 영향은 Table 5와 같이 추출온도, 추출시간 및 에탄올 농도에 대해서 5% 이내의 유의성이 인정되어 세 가지 조건 모두에 영향을 크게 받고 있는 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인진쑥은 생약명은 무엇인가?	국화과(Compositae) 쑥속(Artemisia)에 속하는 쑥은 식품, 의약품, 화장품 등의 제조 원료로 폭넓게 이용되고 있으며, 한국을 비롯하여 중국, 일본 등 아시아 및 유럽 등에 분포하고 번식력이 강한 다년생 초본으로 약 400여종의 국화과 식물 중 30여종이 우리나라에 생육하고 있다. 인진쑥 (Artemisia capillaris Thunb.)은 일명 사철쑥, 더위지기, 비 쑥이라고도 하며 생약명으로는 인진호, 인진, 추호라고도 불린다(1). 인진쑥의 성분은 생쑥에서 수분 81.
	인진쑥의 종자에는 어떤 성분이 함유되어 있는가?	또 chlorogenic acid, caffeic acid 등의 phenol성 화합물도 함유한다. 종자에는 scoparone 및 KCl을 함유하는 것으로 알려져 있다(11-15).
	한방에서 인진쑥은 어떤 효능이 있고 어떤 치료 목적으로 이용되었는가?	인진쑥은 잎과 줄기의 약효가 우수 하여 우리나라에서는 예로부터 식용과 한방에서 널리 사용 되고 있다. 특히 한방에서 인진쑥은 지혈, 해열, 소염, 진통, 이뇨, 혈압강하의 효능이 있고 변비, 소화불량, 천식, 부인병, 신경통, 급･만성간염, 황달, 지방간 및 간 기능 개선의 목적으로 많이 이용되어 왔다(4-6).

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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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