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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 해조류 톳의 수율 증대 및 유용활성물질의 손실을 최소화를 위해 다양한 추출(열수, 가압가열, 초고압) 공정을 이용하여 품질 분석을 실시하였으며 이를 통해 톳의 효과적인 추출방법을 제시하고, 산업화에 적용할 기술 활용을 위한 기초자료를 제공하고자 하였다.
- 또한 다양한 추출 방법 중 비열처리 방법이 있으며, 그 중 초고압 추출은 최근 식품에서 주목받고 있는 가공기술 분야로서 기존 공정보다 식품의 보존성과 물성, 기능성을 향상시켜주는 장점이 있으며 100~1,000 MPa의 압력을 이용한 압력매체로 물이나 오일에 압력을 순간적으로 균일하게 전달시키는 원리로서 기존의 열처리 공정은 화학변화가 많이 일어나는데 반하여 초고압 공정은 화학적으로 큰 변화를 일으키지 않은 장점이 있다(9). 또한 초고압 기술은 생리활성 성분의 활성 수준을 유지하기 위해서 생리활성 조성물을 가압 처리하는 방법 등의 목적과 다르다. 단백질의 경우 적용 압력에 따라 변성의 정도가 달라지고 단백질의 변성 또는 변형, 효소활성화 또는 불활성화, 효소기질 특이성 변화, 탄수화물과 지방의 특성 변화 등을 유도하고 고압하에서는 부피가 줄어드는 방향으로 화학반응이 촉진되고, 소수성결합이나 이온결합의 파괴를 촉진하고 분자량이 작은 물질보다는 소수성 결합 등을 포함하는 거대분자에 대해 선택적으로 작용한다(10,11).
- 본 연구에서는 다양한 추출방법(열수, 가압가열, 초고압 추출방법)을 통해 톳 추출물을 제조하였으며 품질특성을 실시하여 효과적인 톳 추출방법을 제시하고자 하였다. 추출 수율은 초고압 추출물, 가압가열 추출물, 열수 추출물 순으로 높은 수율을 확인하였으며 색도의 경우 열수 추출물 에서 높은 명도와 황색도를 나타내었고 가압가열 추출물에 서는 적색도가 높았다.
제안 방법
- 1~2 mg의 동결건조한 조다당류를 2 M의 trigluoroacetic acid(TFA)에 넣고 110℃에서 24시간 동안 산 가수 분해시키고 여과(0.2 µm) 및 희석한 뒤 이를 Table 1과 같은 조건으로 분석하였다.
- 1% cabazole 용액을 40 µL 가하고 다시 100℃에서 15분간 반응시켜 준 다음 방냉한 후 520 nm에서 흡광도를 측정하였다. Uronic acid 함량은 D-glucuronic acid로 작성한 검량 곡선으로 계산하였다(14).
- 열수추출(WE)은 플라스크에 건조분말 100 g에 증류수 1,500 mL를 가한 후 80℃에서 3시간씩 3회 반복하여 추출하였다. 가압가열추출은 autoclave(DF-100A, DOORI Scientific Co., Gyeonggi, Korea)를 이용하여 121℃에서 15분 동안 추출하였으며, 초고압 추출(HPE)은 건조분말 100 g에 증류수 1,500 mL을 비닐 팩에 함께 넣어 공기가 들어가지 않도록 밀봉과 동시에 초고압 장치((TFS-SL, TOYO KOTASU Co., LTD., Japan)를 이용하여 수차례의 예비실험 결과를 바탕으로 100 MPa, 50℃의 조건으로 5시간 동안 추출하였다. 각각의 추출물은 Whatman No.
- 상등액은 감압농축기(rotary vacuum evaporator N-N series, Eyela, Tokyo, Japan)로 감압농축하여 용매를 휘발시킨 후 아미노산 분석용 lithium citrate loading buffer로 용해시키고, 0.22 μm membrane filter(Millipore Co.)로 여과하여 아미노산 자동분석기(Biochrom 30+ amino acid analyzer, Biochrom, Cambridge, UK)로 분석하였다.
- 색도는 색차계(Chromameter CR-200, Minolta, Tokyo, Japan)로 측정하였으며, 밝기를 나타내는 L(lightness), 적색도를 나타내는 a(redness), 황색도를 나타내는 b(yellowness)를 측정하였다.
- 톳의 추출방법은 톳 건조분말에 15배 부피의 증류수를 가한 후 열수추출(water extraction, WE), 가압가열추출(autoclave extraction, AE), 초고압 추출(high-pressure extraction, HPE)로 추출물을 제조하였다. 열수추출(WE)은 플라스크에 건조분말 100 g에 증류수 1,500 mL를 가한 후 80℃에서 3시간씩 3회 반복하여 추출하였다. 가압가열추출은 autoclave(DF-100A, DOORI Scientific Co.
- 열수추출, 가압가열추출, 초고압추출을 통하여 제조된 추출물로부터 조다당류를 분리하기 위해 에탄올을 이용하여 다당류 성분을 침전시켰다. 총 두 차례에 걸쳐 반복적으로 수용화 및 에탄올 침전을 실시하였으며 이를 통해 조다 당류 이외의 물질을 제거하고 부분 정제된 시료로 이용하고자 침전물을 동결건조(FD SFDSM12, Samwon, Seoul Korea)하여 실험에 이용하였다.
- 총 두 차례에 걸쳐 반복적으로 수용화 및 에탄올 침전을 실시하였으며 이를 통해 조다 당류 이외의 물질을 제거하고 부분 정제된 시료로 이용하고자 침전물을 동결건조(FD SFDSM12, Samwon, Seoul Korea)하여 실험에 이용하였다. 조다당류의 수율은 동결 건조하여 건물 중량을 구한 다음 추출액 조제에 사용한 원료 건물량에 대한 백분율로 계산하였다.
- 열수추출, 가압가열추출, 초고압추출을 통하여 제조된 추출물로부터 조다당류를 분리하기 위해 에탄올을 이용하여 다당류 성분을 침전시켰다. 총 두 차례에 걸쳐 반복적으로 수용화 및 에탄올 침전을 실시하였으며 이를 통해 조다 당류 이외의 물질을 제거하고 부분 정제된 시료로 이용하고자 침전물을 동결건조(FD SFDSM12, Samwon, Seoul Korea)하여 실험에 이용하였다. 조다당류의 수율은 동결 건조하여 건물 중량을 구한 다음 추출액 조제에 사용한 원료 건물량에 대한 백분율로 계산하였다.
- 즉 시료 1 mL에 5% phenol 1mL와 sulfuric acid 5 mL를 가하여 발색시킨 다음 20분간 방치 후 spectrophotometer (UV1601, Shimadzu, Japan)를 이용하여 470 nm에서 흡광도를 측정하였다. 총당의 정량은 glucose 표준품을 사용하여 검량선을 작성하여 실시하였다. 환원당은 dinitrosalicylic acid(DNS)법으로 측정하였다.
- 1과 같다. 추출물에 3배 가량의 에탄올을 이용하여 침전되는 조다당류를 분리 하여 동결건조를 실시하였다. 그 결과, 초고압 추출물(HPE) 에서 4.
- 1여과지로 여과 후 감압농축기(rotary vacuum evaporator N-N series, Eyela, Tokyo, Japan)로 농축한 후에 동결건조(FD SFDSM12, Samwon, Korea)하여 분말을 제조하였으며, -50℃에 저장하면서 실험에 사용 하였다. 추출물의 수율은 추출물을 동결 건조하여 건물 중량을 구한 다음 추출액 조제에 사용한 원료 건물량에 대한 백분율로 계산하였다.
- 톳의 추출방법은 톳 건조분말에 15배 부피의 증류수를 가한 후 열수추출(water extraction, WE), 가압가열추출(autoclave extraction, AE), 초고압 추출(high-pressure extraction, HPE)로 추출물을 제조하였다. 열수추출(WE)은 플라스크에 건조분말 100 g에 증류수 1,500 mL를 가한 후 80℃에서 3시간씩 3회 반복하여 추출하였다.
대상 데이터
- , Japan)를 이용하여 수차례의 예비실험 결과를 바탕으로 100 MPa, 50℃의 조건으로 5시간 동안 추출하였다. 각각의 추출물은 Whatman No. 1여과지로 여과 후 감압농축기(rotary vacuum evaporator N-N series, Eyela, Tokyo, Japan)로 농축한 후에 동결건조(FD SFDSM12, Samwon, Korea)하여 분말을 제조하였으며, -50℃에 저장하면서 실험에 사용 하였다. 추출물의 수율은 추출물을 동결 건조하여 건물 중량을 구한 다음 추출액 조제에 사용한 원료 건물량에 대한 백분율로 계산하였다.
- 본 실험에 사용된 톳은 2013년 4월에 전남 완도군 (주)금일수산에서 구입하여 사용하였으며, 물로 3~4회 수세하여 염분과 이물을 제거하고 건조 후 분쇄하여 사용하였다.
- 분석시스템은 High performance anion exchange chromatography(HPAEC, ICS-3000, Donex Co., USA)이며 컬럼의 종류는 CarboPac™ PA-1(250×4 mm, Dionex Co., USA)이다.
- 실험 전에 A(증류수 100 mL에 0.5 g CuSO4·5H2O와 1 g Na3C6H5O7·2H2O 용해) 및 B(증류수 1 L에 20 g Na2CO3와 4 g NaOH 용해) 용액을 제조하였다.
- 0 mL/min로 흘렸으며, 칼럼의 온도는 25℃로 설정하고, 가수분해 된 시료의 주입량은 15 μL이다. 정량을 위한 표준 구성당은 L-fucose, L-rhamnose, D-arabinose, D-galactose, D-glucose, D-mannose, D-xylose를 사용하였다.
데이터처리
- 유리아미노산 함량 및 구성당 분석을 제외한 모든 실험은 3회 반복으로 행하여 평균치와 표준편차로 나타내었고, 유의성 검증은 SPSS software(12, SPSS Inc., Chicago, IL, USA)을 이용하여 Duncan's multiple range test를 행하였다.
이론/모형
- 단백질 함량은 Lowry법(13)에 따라 측정하였다. 실험 전에 A(증류수 100 mL에 0.
- 전당 함량은 phenol-sulfate acid법(12)에 따라 측정하였다. 즉 시료 1 mL에 5% phenol 1mL와 sulfuric acid 5 mL를 가하여 발색시킨 다음 20분간 방치 후 spectrophotometer (UV1601, Shimadzu, Japan)를 이용하여 470 nm에서 흡광도를 측정하였다.
- 총당의 정량은 glucose 표준품을 사용하여 검량선을 작성하여 실시하였다. 환원당은 dinitrosalicylic acid(DNS)법으로 측정하였다. 10배 희석한 시료 희석액 1 mL에 DNS시약 3 mL을 가하여 잘 교반한 후 끓는 물에서 5분간 반응시켰다.
성능/효과
- 추출물에 3배 가량의 에탄올을 이용하여 침전되는 조다당류를 분리 하여 동결건조를 실시하였다. 그 결과, 초고압 추출물(HPE) 에서 4.75 %로 가장 높게 나타났으며 가압가열(AE), 열수 (WE) 추출물의 순으로 나타났다. 높은 압력을 이용하여 추출할 경우 세포벽이 무너지고 단백질의 변성이 일어나면서 다양한 물질의 용출이 일어나게 된다.
- 또한 시료별 전당 함량의 경우 가압가열, 열수, 초고압 추출물의 순으로 높은 함량을 보였으며 이는 환원당과 단백질 함량에서도 동일한 결과를 나타내었다. 그러나 우론산 및 총 아미노산 함량의 경우 초고압 추출물이 다른 추출물보다 높은 함량을 보였으며, 특히 asparagine의 경우 초고압 추출물에서만 검출되었다. 톳의 다당류 성분을 알아보고자 에탄올을 이용하여 조다당류를 추출한 결과 수율의 경우 초고압 추출물에서 4.
- 높은 압력을 이용하여 추출할 경우 세포벽이 무너지고 단백질의 변성이 일어나면서 다양한 물질의 용출이 일어나게 된다. 따라서 조다당류 추출 시 에탄올 침전을 실시하게 되는데, 이때 당물질 이외의 변성된 단백질과 같은 불순물의 침전도 일어나며, 전체적으로 유용성분 이외의 다양한 물질의 추출이 일어난 초고압 추출물의 수율이 높은 것으로 판단된다. 한편 추출방법에 따른 조다당류의 주요 구성 성분을 분석하고자 high performance anion exchange chromatography를 이용하여 구성당 분석 결과, 주요 구성당 성분으로는 fucose, galactose, glucose, xylose 순으로 나타났으며 이는 Baek 등(1)의 연구와 유사한 경향을 보였다.
- 따라서 톳 추출방법별로 아미노산의 함량을 분석해 본 결과(Table 4), 전체적으로 유리 아미노산으로는 taurin, aspartic acid, asparagine, glutamic acid 등이 검출되었으며 총 아미노산의 함량은 초고압(HPE) > 열수(WE) > 가압가열(AE) 추출물의 순으로 나타나 초고압 추출 시 구성 아미노산의 함량이 증가됨을 알 수 있었다.
- 75%로 높았으며 가압가열, 열수 추출물의 순으로 나타났다. 또한 high performance anion exchange chromatography를 통하여 조다당류의 구성 당을 살펴본 결과 fucose가 주 당성분인 polysaccharide임을 알 수 있었으며 galactose, glucose, xylose가 함유되어 있음을 알 수 있었다. 이러한 결과를 종합해 볼 때 높은 온도와 압력을 가해 추출할 경우 해조류의 수율 및 유용성분의 추출이 용이해짐을 알 수 있었으며 추후 적절한 압력과 온도 설정관련 연구를 통해 해조 가공산업에 유용할 것으로 판단된다.
- 추출방법에 따른 톳 추출물의 전당 함량을 측정한 결과, 전체적으로 모든 추출물이 40~60%의 높은 전당 함량을 보였으며 특히 가압가열 추출물의 함량이 높았다. 또한 시료별 전당 함량의 경우 가압가열, 열수, 초고압 추출물의 순으로 높은 함량을 보였으며 이는 환원당과 단백질 함량에서도 동일한 결과를 나타내었다. 그러나 우론산 및 총 아미노산 함량의 경우 초고압 추출물이 다른 추출물보다 높은 함량을 보였으며, 특히 asparagine의 경우 초고압 추출물에서만 검출되었다.
- 우론산의 함량측정 시 초고압 추출물과 가압가열 추출물에서 높은 함량을 나타내었으며 구성당 분석 결과 함께 결합하고 있는 glucose 및 galactose의 함량 또한 높게 나타나 산성 다당체 구성 비율이 높은 것으로 판단된다. 또한 전체적으로 각추출물에서 높은 함량을 나타낸 fucose가 주요한 당 성분이라는 결과는 톳 유래 다당류의 구성 성분이 fucose를 포함하는 fucoidan 성분을 포함하고, 또한 여러 단당으로 구성된 복합 다당임을 알 수 있었다(1).
- 한편, 조다당류의 수율과 구성당 함량의 차이가 나는 것은 구성당 분석 시 전처리(정제)를 실시하는데 이때 조다 당류에 함유되어 있던 불순물 제거가 일어난 것으로 판단된다. 또한 해조류의 유용 당성분의 추출은 높은 온도에서 많은 양이 용출되므로 단순 수율과는 차이를 나타내는 것을 알 수 있었다. 다당체는 중성 다당체 및 산성다당체로 나뉘는데 산성다당체는 알콜 불용성 성분으로 galacturonic acid가 60%정도 차지하고 arabinose, rhamnose, glucose, 및 galactose 등이 측쇄를 구성하고 있다(26).
- 7% 정도 나타내어 본 실험결과와 비교해 볼 때 낮은 함량을 나타내었으나 압과 열을 가했을 경우 전당 함량이 높아진다는 경향은 본 연구와 유사한 결과를 나타내었다. 또한 환원당 및 단백질 함량의 경우, 전당의 결과와 유사한 경향을 나타내었으며 가압가열, 열수, 초고압 추출의 순으로 함량을 나타내었다. 물을 이용한 고온 추출 공정 시 시료가 받는 온도와 수증기 압력이 증가함에 따라 상온에서 반응하는 일반 물과 다르게 반응하여 유전상수는 감소하고 이온강도는 증가한 상태가 되어 해조류에서 당 가수분해 반응을 유발할 수 있다(18-20).
- 다당체는 중성 다당체 및 산성다당체로 나뉘는데 산성다당체는 알콜 불용성 성분으로 galacturonic acid가 60%정도 차지하고 arabinose, rhamnose, glucose, 및 galactose 등이 측쇄를 구성하고 있다(26). 우론산의 함량측정 시 초고압 추출물과 가압가열 추출물에서 높은 함량을 나타내었으며 구성당 분석 결과 함께 결합하고 있는 glucose 및 galactose의 함량 또한 높게 나타나 산성 다당체 구성 비율이 높은 것으로 판단된다. 또한 전체적으로 각추출물에서 높은 함량을 나타낸 fucose가 주요한 당 성분이라는 결과는 톳 유래 다당류의 구성 성분이 fucose를 포함하는 fucoidan 성분을 포함하고, 또한 여러 단당으로 구성된 복합 다당임을 알 수 있었다(1).
- 1 µg/mg)의 순으로 나타났으며 구성하는 당의 함량은 다르게 나타났다. 이러한 결과를 통하여 동일한 원재료로부터 분리를 실시하였으나 추출방법에 따라 서로 다른 당 조성비를 가지고 있음을 확인하였다. 한편, 조다당류의 수율과 구성당 함량의 차이가 나는 것은 구성당 분석 시 전처리(정제)를 실시하는데 이때 조다 당류에 함유되어 있던 불순물 제거가 일어난 것으로 판단된다.
- 이러한 해조류에 함유된 식이섬유와 다당류는 혈압 강하작용, 혈중 콜레스테롤 저하효과, 종양세포의 성장 저해 효과, 항 혈액응고 효과 등이 있다고 알려져 있다(21-23). 이를 통해 전당 함량이 높을수록 해조류 내 다양한 기능성 다당류의 함량이 많으며, 이러한 결과를 보아 가압가열 추출방법은 해조류 내기능성 물질을 좀 더 효과적으로 추출할 수 있는 방법으로 사료된다.
- 전체적으로 가압가열추출한 수용성 다당에서 85.81 µg/mg으로 당 수율이 높았고 열수추출 (61.75 µg/mg), 초고압 추출(60.1 µg/mg)의 순으로 나타났으며 구성하는 당의 함량은 다르게 나타났다.
- 본 연구에서는 다양한 추출방법(열수, 가압가열, 초고압 추출방법)을 통해 톳 추출물을 제조하였으며 품질특성을 실시하여 효과적인 톳 추출방법을 제시하고자 하였다. 추출 수율은 초고압 추출물, 가압가열 추출물, 열수 추출물 순으로 높은 수율을 확인하였으며 색도의 경우 열수 추출물 에서 높은 명도와 황색도를 나타내었고 가압가열 추출물에 서는 적색도가 높았다. 추출방법에 따른 톳 추출물의 전당 함량을 측정한 결과, 전체적으로 모든 추출물이 40~60%의 높은 전당 함량을 보였으며 특히 가압가열 추출물의 함량이 높았다.
- 산업적 측면에서 볼 때 천연물의 추출수율 증가는 부가가치적 측면에서 매우 중요한 요소로 작용한다. 추출방법에 따른 톳 추출물의 수율을 비교한 결과, 초고압(HPE, 29.33%), 가압가열(AE, 27.84%), 열수 (WE, 23.64%) 추출의 순으로 나타났으며, 특히 초고압 추출의 경우 기본적인 열수 추출물보다 약 6% 정도 수율이 향상되었으며 이는 Kim 등(10)의 결과와 일치하는 경향을 나타내었다. 이는 초고압 처리를 통하여 시료의 조직과 세포벽에 변형이 일어나고 세포 내에서 용매의 투입이 용이해 지면서 기존 물질들의 용출량이 증가한 결과로 사료되며 (15), 이는 Choi와 Lee(16)의 연구 결과와 일치하는 경향을 나타내었다.
- 추출 수율은 초고압 추출물, 가압가열 추출물, 열수 추출물 순으로 높은 수율을 확인하였으며 색도의 경우 열수 추출물 에서 높은 명도와 황색도를 나타내었고 가압가열 추출물에 서는 적색도가 높았다. 추출방법에 따른 톳 추출물의 전당 함량을 측정한 결과, 전체적으로 모든 추출물이 40~60%의 높은 전당 함량을 보였으며 특히 가압가열 추출물의 함량이 높았다. 또한 시료별 전당 함량의 경우 가압가열, 열수, 초고압 추출물의 순으로 높은 함량을 보였으며 이는 환원당과 단백질 함량에서도 동일한 결과를 나타내었다.
- 초고압, 열수 및 가압가열 추출방법을 이용하여 톳 추출물의 전당, 환원당, 우론산 및 단백질 함량을 측정한 결과는 Table 3과 같다. 추출방법에 따른 톳의 구성성분 분석 결과, 전당의 경우 전체적으로 40~60%의 높은 함량을 나타내었으며, 특히 가압가열 추출물에서 60.14%로 높은 함량을 보였으며, 열수 추출물, 초고압 추출물의 순으로 나타났다. Na 등(17)의 연구에서는 아임계 추출법을 이용하여 추출한 해조류의 전당 함량을 측정한 결과, 톳 열수 추출물이 32.
- 그러나 우론산 및 총 아미노산 함량의 경우 초고압 추출물이 다른 추출물보다 높은 함량을 보였으며, 특히 asparagine의 경우 초고압 추출물에서만 검출되었다. 톳의 다당류 성분을 알아보고자 에탄올을 이용하여 조다당류를 추출한 결과 수율의 경우 초고압 추출물에서 4.75%로 높았으며 가압가열, 열수 추출물의 순으로 나타났다. 또한 high performance anion exchange chromatography를 통하여 조다당류의 구성 당을 살펴본 결과 fucose가 주 당성분인 polysaccharide임을 알 수 있었으며 galactose, glucose, xylose가 함유되어 있음을 알 수 있었다.
후속연구
- 또한 high performance anion exchange chromatography를 통하여 조다당류의 구성 당을 살펴본 결과 fucose가 주 당성분인 polysaccharide임을 알 수 있었으며 galactose, glucose, xylose가 함유되어 있음을 알 수 있었다. 이러한 결과를 종합해 볼 때 높은 온도와 압력을 가해 추출할 경우 해조류의 수율 및 유용성분의 추출이 용이해짐을 알 수 있었으며 추후 적절한 압력과 온도 설정관련 연구를 통해 해조 가공산업에 유용할 것으로 판단된다.
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