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문제 정의
- 본 연구는 압출성형 된 옥수수 섬유질로부터 화학적 추출을 통해 SAX와 CFG 수율을 향상시키기 위해 반응표면분석법을 이용하여 최적의 압출성형조건을 확립하였다. 압출성형공정 조건 중수분 함량(X1), 스크루 회전속도(&), 배럴온도(X3)를 독립 변수로 하고 옥수수 섬유질의 residual solid, final solution, 그리고 CFG의 수율과 각각의 SAX값을 종속 변수로 하여 화학적으로 추출하였다.
제안 방법
- 이 방법은 세 가지] 레벨만을 이용하여 비교적 적은 횟수의 실험으로 효율적이고 간편하게 분석이 가능하다. 독립변수의 값과 변화한계(limits)는 옥수수 섬유질로부터 아라비노자일란의화학적 추출에 대한 연구논문을 기초로 하여 선정하였다(1). 위에서 언급한 독립변수들을 각각 X] (수분함량), X2 (스크루 회전속도), X3 (배럴온도)라 지칭하고 -1, 0, 1과 같이 3단계로 부호의성은 SAS software system (9.
- 따라서 본 연구에서는 옥수수 섬유질로부터 corn fiber gum (CFG)과 수용성 아라비노자일란 (soluble arabinoxylan, SAX) 의 수율을 향상시키기 위하여 압출성형 공정변수인 수분함량, 스크루 회전속도, 배럴온도를 독립변수로 선택하였고, residual solid (cellulose, hemicellulose A), final solution 그리고 CFG와 수용성 아라비노자일란의 양을 종속변수로 설정하여 압출성형 조건을 최적화하였다.
- 상등액은 Douglas(18)의 방법을 이용하여 측정하였다. 상등액 200 uL를 1 mL의 phloroglucinol 시약과 혼합하여, 비등수에서 40분간 비등시킨 후, 냉수에 급속히 냉각하여 552, 510nm로 흡광도를측정했다. SAX는 UV/VIS spectrophotometer (Libra S35, Biochrom Ltd.
- 최적의 압출성형조건을 확립하였다. 압출성형공정 조건 중수분 함량(X1), 스크루 회전속도(&), 배럴온도(X3)를 독립 변수로 하고 옥수수 섬유질의 residual solid, final solution, 그리고 CFG의 수율과 각각의 SAX값을 종속 변수로 하여 화학적으로 추출하였다. 그 결과, 수율의 경우 final solutione EDCF가 DCF보다낮은 경향을 보였고, residual solid와 CFG의 경우, EDCF가 DCF 보다 높은 경향을 나타내었다.
- 0으로 조정하여, 불용성 헤미셀룰로오스를 한 시간 동안 침전시켰다. 침전된 불용성 헤미셀룰로오스는 원심분리기(H-1000-3, Hanil Science Industrial Co., Incheon, Korea)에서 6, 000rpm으로 30 분간 원심분리 하였으며, 상등액의 수용성 헤미셀룰로오스는 2배 부피의 95% 에탄올로 4oC에서 12시간 이상 침전 시켜 진공 여과한 후, 95% 에탄올과 아세톤으로 세척하여 동결건조하였다(Fig. 2).
- 6이 되도록 보정한 후 α-amylase(Liquozyme supra, Liquozyme) 100 mL를 기하여교반하였다. 효소를 첨가 한 원료를 고압멸균기를 이용하여 121oC 에서 2시간 동안 반응시킨 뒤 증류수를 이용하여 3회 세척한 후 50oC 열풍건조기에서 12시간 건조를 하여 탈전분 옥수수 섬유질(destarched corn fiber, DCF)을 제조하였다.
대상 데이터
- , Seoul, Korea)에서 12시간 동안 건조하였다. 건조 시료는 가정용 분쇄기 (FM-681, Hanil, Seoul, Korea)로 분쇄한 후, 60 mesh 표준체 (Chunggye Sanggong Co., Gunpo, Korea)를 통과한 분말을 분석용 시료로 사용하였다.
- 본 실험에서 사용된 옥수수 섬유질의 조단백질은 10.52%, 조지방 4.24%, 조회분 12.42%, 불용성 식이섬유 61.73%, 수용성 식이섬유 1.12%, 총 섬유 62.94% 그리고 총 전분은 15.50%였다. 이는 Mendona 등(21)의 연구와 유사한 범위를 나타내었다.
- 이는 Mendona 등(21)의 연구와 유사한 범위를 나타내었다. 본 연구에서 사용된 옥수수 섬유질의 총 전분량은 15.5%인데, 높은 전분의 함량은 아라비노자일란의 추출을 방해하기 때문에 탈 전분 하여 사용하였으며, 탈전분 후의 전분 함량은 1.95%였다 (22).
- 본 연구에서 사용한 옥수수 섬유질은 삼양제넥스(Incheon, Korea) 에서 제공받았으며, Termamyl (Thermostable α-amylase)과 그 밖의 시약은 Sigma Chemical Co. (St. Louis, MO, USA)에서 구입하였다.
- 1에 나타내었다. 스크루 직경은 30.0 mm, 직경과 길이의 비(L/D ratio)는 23:1이었고, 사출구는 원형으로 직경이 3.0 mm 인 것을 사용하였다. 압출성형 공정변수로 시료의 수분함량은 min으로 고정하였다.
- 압출성형 옥수수 섬유질 제조에는 실험용 쌍축 압출성형기 (THK31T, Incheon Machinery, Incheon, Korea)를 사용하였으며 스크루 배열은 Fig. 1에 나타내었다. 스크루 직경은 30.
데이터처리
- 각각의 수율과 SAX값의 예측값을 나타내었다. 모든 수율과 SAX값은 예측된 최적의 압출성형 공정으로 재 실험 하였고, 모델의 적합성을 확인하기 위하여 실험결과와 예측값을 비교하였다. Table 7에 나타난 고유값(eigen value)의 부호로 정상점이 최대 점인지 최소점인지 또는 안장점인지 판정하게 된다.
- 독립변수의 값과 변화한계(limits)는 옥수수 섬유질로부터 아라비노자일란의화학적 추출에 대한 연구논문을 기초로 하여 선정하였다(1). 위에서 언급한 독립변수들을 각각 X] (수분함량), X2 (스크루 회전속도), X3 (배럴온도)라 지칭하고 -1, 0, 1과 같이 3단계로 부호의성은 SAS software system (9.3 SAS Institute, Inc., Cary, NC,USA) 의 회귀분석을 이용하여 선택된 변수들 중 어떤 조건이 최적의 조건인지를 분석하였다. 회귀분석 결과 임계점이 최대 점이거나 최소점이 아니고 안장점(saddle point)일 경우에는 능선 분석을 하여 최적점을 구하였다.
- 고유값이 모두 음수이면 정상점은 최대점이고, 모두 양수이면 정상점은 최소 점이며 양수와 음수가 섞여 있으면 정상점은 안장점이다. 회귀분석 결과 임계점이 안장점일 경우에는 능선분석을 실시하여 최적점을 구하였다.
- , Cary, NC,USA) 의 회귀분석을 이용하여 선택된 변수들 중 어떤 조건이 최적의 조건인지를 분석하였다. 회귀분석 결과 임계점이 최대 점이거나 최소점이 아니고 안장점(saddle point)일 경우에는 능선 분석을 하여 최적점을 구하였다. 이때 세 개의 독립변수와 종속변수에 대한 2차 회귀모형은 다음 식에 의하여 계산하였다.
이론/모형
- 반응시킨 후, tube들을 끓는 물에 2분 동안 비등시킨 후 원심분리 tube에 옮겨 6, 000 rpm, 20분 동안 원심분리 하였다. 상등액은 Douglas(18)의 방법을 이용하여 측정하였다. 상등액 200 uL를 1 mL의 phloroglucinol 시약과 혼합하여, 비등수에서 40분간 비등시킨 후, 냉수에 급속히 냉각하여 552, 510nm로 흡광도를측정했다.
- 일반성분은 표준 AOAC법(14)에 따라 수분은 135oC 건조법, 조지 방은 Soxhlet법, 조단백은 micro-Kjeldahl법, 조회분은 직접 회화법 등을 이용하여 측정하였다. 전분함량측정은 AOAC법(15)으로 total starch kit (Megazyme, Wicklow, Ireland)를 이용하여 측정하였고, 식이섬유함량은 효소-중량법(16)으로 total dietary fiber kit (Megazyme, Wicklow)를 이용하여 측정하였다.
- 등을 이용하여 측정하였다. 전분함량측정은 AOAC법(15)으로 total starch kit (Megazyme, Wicklow, Ireland)를 이용하여 측정하였고, 식이섬유함량은 효소-중량법(16)으로 total dietary fiber kit (Megazyme, Wicklow)를 이용하여 측정하였다.
- 추출한 각 시료의 SAX의 수율을 분석하기 위해 phloroglucinol 방법 (18)을 사용하였다. Phloroglucinole 100 mg 시료를 screw cap test tube에 넣고 1.
성능/효과
- CFG SAX값의 R2값은 0.9334로 높은 상관관계를 보였고, 5% 이내의 유의성을 나타내었으며, 변동계수도 1.9724의 낮은 값으로 모델의 적합성이 인정되었다(Table 3). CFG SAX값의 경우, 모든 모델에 대하여 유의성을 나타내었으며 서로 상호작용하는 quadratic model이 가장 유의하였다.
- 4245의 낮은 변동계수로 모델의 적합성이 인정되었다(Table 3). CFG 수율은 수분함량, 스크루 회전속도, 그리고 배럴온도가 상호작용을 하는 cross product 모델이 가장 유의하였으며(Table 4), 적합성 결여의 p-value는 0.5703으로 0.05보다 큰 값을 나타내 ANOVA 절차에서 얻어진 모델이 적절하다는 것을 알 수 있었다(Table 5). 수분함량과 배럴 온도가 CFG 수율에 1% 이내의 유의한 영향을 나타내었다(Table 6).
- CFG 수율의 R2값은 0.9283으로 높은 상관관계를 보였으며, 5% 이내에서 유의성이 인정되었다. 또한, 1.
- 4(C)는 CFG의 SAX값에 대한 3차원 반응표면 곡선에 대하여 나타내었다. CFG의 SAX값의 예측된 정상값은 최대점의 형태였으며, 34%의 수분함량, 250rpm의 스크루 회전속도, 그리고 139oC 의 배럴온도에서 최댓값 114.8%로 예측되었으며, 결과값은 113.8%였다(Table 6, 7).
- Karu- nanithy와 Muthukumarappan (26)에 의하면 10% 이내의 CV 값은 모델에 적합성을 나타낸다고 하였다. Final solution 수율의 CV 값은 9.66으로 다소 높은 값을 나타내었지만 10% 이내의 값으로 적합성을 나타내었다. 본 연구는 CFG으로부터 화학적 추출한 연구 자료를 기초로 하여 압출성형 조건을 확립하였기 때문에 final solution의 수율에 대해서는 다소 높은 값을 나타낸 것으로 생각된다.
- 68로 모델의 적절성을 확인하였다(Table 5). Residual solid SAX값에 대하여 수분함량은 1% 이내의 유의성을 나타내었고 배럴온도는 5%이내의 유의성을 나타내었다(Table 6). Residual solid SAX값에 대한 3차원 반응표면 곡선은 Fig.
- 4(A)에 나타내었다. Residual solid SAX값의 예측된 정상값은 안장점의 형태였으며, 능선분석을 한 결과 수분함량 25%, 스크루 회전속도 255 rpm, 배 럴온도 139oC에서 24.5%의 예측값과 23.9%의 결과값을 얻었다(Table 6, 7).
- Yoo 등(25)의 연구보고에 의하면 배럴온도가 증가할수록 cellulose 수율이 낮아진다고 하였다. Residual solid의 예측된 정상값은 안 장점의 형태였으며, 능선분석을 실시하여 본 결과 수분함량은 45%, 스크루 회전속도는 248rpm, 그리고 배럴 온도는 143oC에서 최소값 28.0%로 예측되었고, 결과값은 30.2%였다(Table 6, 7).
- SAX값은 모든 조건의 EDCF가 DCF보다 높은 경향을 나타냈다. 각각의 결정된 최적의 압출성형조건에서 분석한 결과 모든 조건에서 예측값과 결과값이 유사하여 반응표면 분석의 결과가 양호한 것으로 나타났다. 이상의 연구 결과에서 반응표면 분석법이 압출성형 공정에 의한 CFG의 수율과 총 SAX값의 최적화를 위한 적절한 방법 중 하나라는 것을 보여주었다.
- 17로 적합성결여의 pvalue보다 높은 값을 보이며 모델의 유의성을 나타내었다(Table 5). 각각의 독립변수 중 총 SAX값에 대하여 수분함량과 배럴온도는 1% 이내의 유의성을 나타내었고, 스크루 회전속도는 5% 이내의 유의성을 나타내었다(Table 6). 총 SAX값의 예측된 정상값은 CFG 수율과 같은 안장점의 형태였으며, 능선분석 후, 수분함량 30%, 스크루 회전속도 260rpm, 배럴온도 133oC에서 최대값 48.
- 각각의 수율에 대하여 회귀 방정식으로 모델에서 예측된 값과결과값이 유사한 것으로 보아 이 모델은 각각의 수율을 최적화하는데 적합한 방법임을 나타내었다.
- 압출성형공정 조건 중수분 함량(X1), 스크루 회전속도(&), 배럴온도(X3)를 독립 변수로 하고 옥수수 섬유질의 residual solid, final solution, 그리고 CFG의 수율과 각각의 SAX값을 종속 변수로 하여 화학적으로 추출하였다. 그 결과, 수율의 경우 final solutione EDCF가 DCF보다낮은 경향을 보였고, residual solid와 CFG의 경우, EDCF가 DCF 보다 높은 경향을 나타내었다. SAX값은 모든 조건의 EDCF가 DCF보다 높은 경향을 나타냈다.
- 7807로 적절한 값을 얻었다(Table 5). 독립변수 중 수분함량이 residual solid 수율에 가장 유의한 영향을 미치는 것으로 나타났다(Table 6).
- Table 4에 나타낸 총 SAX값의 경우 cross product 모델이 가장 유의하였다. 또한, 적합성 결여의 pvalue는 0.1664로 0.05보다 높았으며 F-value도 5.17로 적합성결여의 pvalue보다 높은 값을 보이며 모델의 유의성을 나타내었다(Table 5). 각각의 독립변수 중 총 SAX값에 대하여 수분함량과 배럴온도는 1% 이내의 유의성을 나타내었고, 스크루 회전속도는 5% 이내의 유의성을 나타내었다(Table 6).
- 또한, 각각의 요인이 독립적으로 영향을 미치는 linear model이 가장 유의하였다(Table 4). 모델의 적합성을 나타내는 적합성 결여(lack of fit)의 pvalue는 0.7807로 적절한 값을 얻었다(Table 5). 독립변수 중 수분함량이 residual solid 수율에 가장 유의한 영향을 미치는 것으로 나타났다(Table 6).
- 반응표면 회귀분석 결과, 총 SAX값의 R2값은 0.9536으로 높은 상관관계를 보였고 1% 이내에서 높은 유의성을 나타내었으며, 1.1074로 낮은 변동계수를 보이며 모델의 적합성이 인정되었다 (Table 3). Table 4에 나타낸 총 SAX값의 경우 cross product 모델이 가장 유의하였다.
- 4(B)에 나타내었다. 수분함량 31%, 스크루 회전속도 261 rpm, 그리고 배럴 온도 133oC에서 7.4%로 예측되었고, 이에 대한 결과값으로는 7.2%를 얻었다(Table 6, 7).
- 05보다 큰 값을 나타내 ANOVA 절차에서 얻어진 모델이 적절하다는 것을 알 수 있었다(Table 5). 수분함량과 배럴 온도가 CFG 수율에 1% 이내의 유의한 영향을 나타내었다(Table 6). 예측된 정상값은 안장점의 형태였으며, 능선분석을 실시하여본 결과, 30%의 수분함량, 260 rpm의 스크루 회전속도, 배럴온도 133oC에서 최댓값 43.
- 변동계수(coefficient of variation, CV)는 표준편차의 평균치에 대한 비율을 나타낸 값으로 작을수록 더 나은 적합성을 나타내며, 10% 이내의 값이 적합성을 나타낸다. 수율의 변동계수는 1.43-9.66였고, SAX값의 변동계수는 1.11-8.80으로 양호한 결과를 나타내었다.
- 수분함량과 배럴 온도가 CFG 수율에 1% 이내의 유의한 영향을 나타내었다(Table 6). 예측된 정상값은 안장점의 형태였으며, 능선분석을 실시하여본 결과, 30%의 수분함량, 260 rpm의 스크루 회전속도, 배럴온도 133oC에서 최댓값 43.3%로 예측되었으며 43.9%의 결과값을 얻었다(Table 6, 7). CFG 수율을 최적화하기 위하여 반응효율을 독립변수로 하여 변수들 간의 상호작용을 회귀분석하여 3차원 반응표면 곡선을 Fig.
- 3은 스크루 회전속도를 250 rpm으로 고정하였을 때, 수분함량과 배럴온도가 CFG의 수율에 어떤 영향을 미치는 지를 나타낸 그래프이다. 이 그래프는 배럴온도가 높을 때, 수분함량이 증가할수록 CFG 수율이 증가하고, 수분함량이 높을 때, 배럴온도가 증가할수록 CFG 수율이 높았다. 수분함량과 배럴온도의 증가가 리그노셀룰로오스의구조를 분해하여 CFG 수율을 향상시켰다(25).
- 4(D)는 스크루 회전속도를 level 0 (250rpm)으로고정하였을 때, 수분함량과 배럴온도가 총 SAX값에 미치는 영향에 대해 그래프로 나타내었다. 이 그래프에서 보듯이 배럴 온도가 높을 때, 수분함량이 증가할수록 총 SAX값도 증가하는 경향을 나타내었고, 수분함량이 높을 때, 배럴온도가 증가할수록 역시 총 SAX값이 증가하는 경향을 나타내었다. 수분함량의 증가로 인해 리그노셀룰로오스의 분해가 용이하고, 섬유질의 수용성이 증가하며, 또한 배럴온도의 증가가 세포벽의 분해를 도와 총 SAX값이 증가한 것으로 사료된다(27-30).
- 각각의 결정된 최적의 압출성형조건에서 분석한 결과 모든 조건에서 예측값과 결과값이 유사하여 반응표면 분석의 결과가 양호한 것으로 나타났다. 이상의 연구 결과에서 반응표면 분석법이 압출성형 공정에 의한 CFG의 수율과 총 SAX값의 최적화를 위한 적절한 방법 중 하나라는 것을 보여주었다.
- 각각의 독립변수 중 총 SAX값에 대하여 수분함량과 배럴온도는 1% 이내의 유의성을 나타내었고, 스크루 회전속도는 5% 이내의 유의성을 나타내었다(Table 6). 총 SAX값의 예측된 정상값은 CFG 수율과 같은 안장점의 형태였으며, 능선분석 후, 수분함량 30%, 스크루 회전속도 260rpm, 배럴온도 133oC에서 최대값 48.4%로 예측되었고, 결과값은 49.3%였다(Table 6, 7). Fig.
후속연구
- 그리고 압출성형공정 뿐만 아니라 Bian 둥(31)의 연구에서 알칼리 전처리에 의해 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스 사이의 수소결합을 분해하고, 세포벽에 붙어있는 다당류의 에스테르 결합을 방해하여 헤미셀룰로오스의 수용성을 증가시킨다는 연구결과와 유사한 결과를 보였다고 할 수 있다. 결론적으로, 옥수수 섬유질이 기능적, 영양학적 측면에서 연구 개발의 가치가 있다고 판단되며, 더 나아가 압출성형 공정이 옥수수 섬유질의 SAX의 추출 수율 증가에 적합한 공정으로 판단된다.
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