[논문]반응표면분석법을 이용한 미강으로부터 항산화 활성 및 생리활성물질의 초음파 추출조건 최적화

감다혜; 조재민; 정현진; 김진우

doi:10.14478/ace.2018.1064

반응표면분석법을 이용한 미강으로부터 항산화 활성 및 생리활성물질의 초음파 추출조건 최적화
Optimization of Extraction Conditions of Antioxidant Activity and Bioactive Compounds from Rice Bran by Response Surface Methodology 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.29 no.6, 2018년, pp.726 - 733

감다혜 (선문대학교 식품과학과) , 조재민 (선문대학교 식품과학과) , 정현진 (선문대학교 식품과학과) , 김진우 (선문대학교 식품과학과)

초록
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벼의 도정 부산물을 미강이라고 하며 매년 40-60만 톤의 미강이 도정 부산물로 생산된다. 미강은 일부 가축사료로 사용되거나 버려지는 실정으로 미강으로부터 생리활성물질과 같은 고부가가치 물질 생산을 통한 도정 부산물 활용이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 통계학적 최적화를 통한 미강으로부터 총 폴리페놀 함량(TPC), 총 플라보노이드 함량(TFC) 및 라디칼 소거능 활성(EDA) 증대를 위해 초음파 추출의 주요 공정조건인 추출시간($X_1$), 추출온도($X_2$), 에탄올 농도($X_3$)를 중심합성계획법을 이용하여 최적화하였다. 중심합성계획법을 통해 최적조건을 도출한 결과 추출온도 $94.9^{\circ}C$, 추출시간 41.6 min, 에탄올 농도 74.0% (v/v) 조건에서 TPC 2.78 mg GAE/g DM, TFC 1.63 mg QE/g DM, EDA 42.86%를 얻을 수 있었다, 이를 통해 초음파 추출공정은 $100^{\circ}C$ 이하의 저온 추출 조건에서 42 min의 짧은 추출을 통해 미강으로부터 생리활성 및 항산화 화합물의 추출에 효과적임을 확인하였으며 미강 추출물의 식품첨가 및 화장품 원료로서의 이용 가능성을 확보하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The rice's waste byproduct is known as a rice bran and produced annually about 400,000 to 600,000 tons. Most of the rice bran are used as a livestock feed or waste disposal, and needed to be used to produce high-added substances, such as bioactive materials. In this study, extraction conditions of the ultrasound-assisted extraction (UAE) of the rice bran were optimized using a statistically-based optimization. The influence of extraction variables including the extraction time ($X_1$), extraction temperature ($X_2$) and ethanol concentration ($X_3$) were investigated using the response surface methodology in order to determine optimum extraction conditions which maximize total phenolic compounds (TPC), total flavonoid compounds (TFC) and electron donating abilities (EDA). The optimal UAE from rice bran was achieved under the extraction temperature of $94.9^{\circ}C$, extraction time of 41.6 minute and ethanol concentration of 74.0% (v/v) with maximum yields of TPC 2.78 mg GAE/g DM, TFC 1.63 mg QE/g DM and EDA 42.86%. The UAE process shows its potential to the extraction of bioactive and antioxidant compounds from rice bran in a short extraction time and low temperature. Also, it is proposed that rice bran could be considered as food additives and cosmeceutical products.

주제어

표/그림 (13)

표 Table 1. Levels in Extraction Condition for Rice Bran Based on Central Composite Design with Coded Values
표 Table 2. Central Composite Design for Optimization of Extraction Condition for Rice Bran Based on Un-coded Values
표 Table 3. Experimental Data on Total Phenolic Content (TPC), Total Flavonoid Content (TFC) and Electron Donation Ability (EDA) of Extract by Central Composite Design for Response Surface Methodology
그림 Figure 1. Effect of independent variables on TPC.
표 Table 4. Analysis of Variance (ANOVA) of the Experimental Results of Central Composite Design for Full Quadratic Model
표 Table 5. Second-order Polynominal Equations Developed by Central Composite Design for the Optimization of Extraction Conditions of Rice Bran
그림 Figure 2. 3-D Response surface graph of TPC.
그림 Figure 3. Effect of independent variables on TFC.
그림 Figure 4. 3-D Response surface graph of TFC.
그림 Figure 5. Effect of independent variables on DPPH.
그림 Figure 6. 3-D Response surface graph of DPPH.
그림 Figure 7. Superimposing contour map of optimized conditions for TPC, TFC, DPPH.
표 Table 6. Optimization of Extraction Condition for Response Variables by Superimposing Contour Map Using Three Variables Simultaneously

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 농부산물인 미강으로부터 폴리페놀과 플라보노이드와 같은 생리활성물질 생산 최대화를 위해 초음파를 이용한 추출을 적용하고 추출 조건을 반응표면 분석법을 이용하여 최적화하였다. 또한 생리활성물질의 항산화능을 평가하여 미강으로부터 상업화 규모 생리활성물질 생산에 적합한 공정을 제안하여 식품 산업 전반에서 미강의 활용 가치를 높이고자 하였다.
본 연구에서는 농부산물인 미강으로부터 폴리페놀과 플라보노이드와 같은 생리활성물질 생산 최대화를 위해 초음파를 이용한 추출을 적용하고 추출 조건을 반응표면 분석법을 이용하여 최적화하였다. 또한 생리활성물질의 항산화능을 평가하여 미강으로부터 상업화 규모 생리활성물질 생산에 적합한 공정을 제안하여 식품 산업 전반에서 미강의 활용 가치를 높이고자 하였다.
본 연구에서는 미강으로부터 폴리페놀과 같은 생리활성 물질을 생산하고 항산화능을 평가하는 데 있어서 반응표면 분석법을 이용하여 추출 조건을 최적화하였다. 통계학적 최적화 기법을 이용하여 미강 추출물의 TPC, TFC와 DPPH 라디칼 소거능을 최대화할 수 있는 초음파 추출 조건을 확립하였으며 각 실험에서 최대값의 반응표면을 superimposing 하여 최적점이라 예상되는 추출 조건인 추출 시간 41.

제안 방법

TFC 함량은 Mussatto 등의 방법을 변형하여 측정하였다[15]. 미강 추출 시료 0.
미강의 생리활성물질과 항산화 물질 추출 조건을 최적화하기 위해 TPC, TFC와 DPPH 라디칼 소거능을 최대화 목적 변수로하여 반응표면을 superimposing 하여 Figure 7에 나타내었다. 미강 추출물의 TPC, TFC와 DPPH 라디칼 소거능의 독립 최적조건으로 도출된 최대값의 반응표면을 중복시켜 공통되는 부분의 범위를 최적 추출 조건 범위로 결정하였다. 최적 조건 범위는 Table 6과 같이 추출 시간 5-55 min, 추출 온도 26-94 ℃, 에탄올 농도 0-100% (v/v)로 하였고 이로부터 최적 추출 조건은 추출 시간 41.
초음파 추출을 위해 탁상형 초음파기(JAC Ultrasinic, Hwaseng, Korea)를 사용하였으며 실온에서 standing-bath 형태로 초음파(40 kHz, 200 W)를 이용하여 각각의 조건별로 추출하였다. 초음파 추출에 있어 폴리페놀, 플라보노이드 및 항산화능의 최대화를 위한 최적 조건 확립을 위해 반응표면 분석법(surface response methodology, SRM)을 사용하였으며 이는 일변수최적화(one factor at a time, OFAT) 기법과 달리 다양한 독립변수간의 상호의존성을 고려하여 종속변수의 미치는 영향을 파악하므로 보다 최적조건에 근접한 예측이 가능하다[13].

대상 데이터

본 연구에서 사용된 미강은 2017년 강원도 철원 생산 오대벼의 도정 부산물로써 시중에서 유통되는 2017년산 국내산 미강(rice bran, 맑은들 농업법인, Gangwon, Korea)을 구매하여 5 ℃ 냉장 보관하였으며 실험에 앞서 오븐(FC 49, Lab House, Korea)에서 60 ℃ 조건에서 12 h 건조시켜 중량 변화가 없음을 확인하고 실험에 사용하였다. 추출 용매로 1차 증류수와 에탄올(Samchun, Korea, 99% v/v 이상)을 사용하였으며 분석에 사용된 시약인 2 N folin-ciocalteu, 7.
본 연구에서 사용된 미강은 2017년 강원도 철원 생산 오대벼의 도정 부산물로써 시중에서 유통되는 2017년산 국내산 미강(rice bran, 맑은들 농업법인, Gangwon, Korea)을 구매하여 5 ℃ 냉장 보관하였으며 실험에 앞서 오븐(FC 49, Lab House, Korea)에서 60 ℃ 조건에서 12 h 건조시켜 중량 변화가 없음을 확인하고 실험에 사용하였다. 추출 용매로 1차 증류수와 에탄올(Samchun, Korea, 99% v/v 이상)을 사용하였으며 분석에 사용된 시약인 2 N folin-ciocalteu, 7.5% sodium carbo-nate (Na₂CO₃), aluminum chloride, potassium acetate, 2,2-diphenyl- 1-picrylhydrazyl (DPPH)는 Sigma-Aldrich사의 순도 99.5% 이상 시약을 사용하였다.

이론/모형

TPC 함량은 변형된 Folin-Ciocalteu법을 이용하여 측정하였으며[14] 미강 추출물 0.14 mL에 2 N Folin-Ciocalteu 시약 0.7 mL를 가하여 실온에서 8 min간 반응시켰다. 이후 반응액에 7.
초음파 추출을 위해 탁상형 초음파기(JAC Ultrasinic, Hwaseng, Korea)를 사용하였으며 실온에서 standing-bath 형태로 초음파(40 kHz, 200 W)를 이용하여 각각의 조건별로 추출하였다. 초음파 추출에 있어 폴리페놀, 플라보노이드 및 항산화능의 최대화를 위한 최적 조건 확립을 위해 반응표면 분석법(surface response methodology, SRM)을 사용하였으며 이는 일변수최적화(one factor at a time, OFAT) 기법과 달리 다양한 독립변수간의 상호의존성을 고려하여 종속변수의 미치는 영향을 파악하므로 보다 최적조건에 근접한 예측이 가능하다[13]. 본 실험에서 추출 공정의 영향인자로 작용할 수 있는 독립변수(X_n)는 기존의 일변수 실험의 결과에 기반하여 추출 시간(X₁), 추출 온도(X₂)와 에탄올 농도(X₃)를 선정하였다.
항산화능 측정 실험은 Brand-Williams 등의 방법으로 2,2-diphenyl- 1-picrylhydrazyl (DPPH) 라디칼 소거 활성을 평가하였다[16]. DPPH는 free radical을 가지고 있는 수용성 물질로서 515-525 nm부근에서 최대 흡광도를 가지는 보라색 화합물이며[17] phenolic 화합물과 같은 전자공여체와 반응할 경우 전자나 hydrogen radical을 받아 phenoxy radical을 생성하게 되며 이에 흡수 band가 사라지면서 안정한 분자가 되고 전자가 비가역적으로 결합하는 수에 비례하여 탈색됨으로써 전자공여능(electron donating ability, EDA)을 측정할 때 사용된다[18,19].

성능/효과

1 g 이하로 큰 변화가 없어 추출용매 증발에 따른 에탄올 농도차이가 크지 않음을 확인할 수 있었다. 검증을 위해 위의 조건에서 에탄올 초음파 추출 후 실험을 수행하였을 때, TPC 2.51 mg GAE/g DM, TFC 1.75 mg QE/g DM와 DPPH 라디칼 소거능 41.95%로 확인되어 예측된 값과 유사한 수준으로 나타남을 알 수 있었다.
미강의 초음파 추출 조건에 따른 항산화능은 24.9-46.6%의 범위였으며(Table 3) 실험에 적용된 모든 독립변수에 유의한 영향을 받았다. 항산화능에 미치는 영향은 추출 온도(p < 0.
0% (v/v)를 예측하고 이를 검증하였다. 실험 결과 Kim[29] 등의 백미 70% (v/v)에탄올 추출물이TPC 1.30 mg GAE/g DM, TFC 0.15 mg QE/g DM, DPPH 라디칼 소거능 12.71%와 비교 시 각각 2배-4배 이상 높은 값을 확인할 수 있었으며 이를 통해 기존 용매 추출법 대비 초음파 추출공정이 생리활성물질 추출에 보다 효율적인 공정임을 확인할 수 있었다.
실험에 적용된 17개 조건 중, 미강의 에탄올 초음파 추출 공정의 최고 수율은 50% (v/v)의 에탄올로 94 ℃에서 30 min 동안 추출한 조건(Run #12)이며 이 조건에서 DPPH 라디칼 소거능은 46.6%로 나타났다. 이는 미강의 TPC 추출의 최적 조건과 같은 조건으로, 폴리페놀 화합물들이 활성산소를 중화하는 항산화 작용을 하여 TPC 함량이 증가함에 따라 DPPH 라디칼 소거능도 함께 증가하여 상호간의 연관성이 존재하는 것으로 확인되었다.
6%로 나타났다. 이는 미강의 TPC 추출의 최적 조건과 같은 조건으로, 폴리페놀 화합물들이 활성산소를 중화하는 항산화 작용을 하여 TPC 함량이 증가함에 따라 DPPH 라디칼 소거능도 함께 증가하여 상호간의 연관성이 존재하는 것으로 확인되었다. 이는 Park 등[27]의 오미자 에탄올 추출물의 항산화 특성 연구에서 총 폴리페놀 함량이 DPPH 항산화능과 매우 높은 연관성을 지닌다는 연구 결과로 증명된 바 있으며 최적점에서는 Oh 등[28]의 벼 품종별 도정 부산물 항산화 효과연구에서 각 품종별 미강의 70% (v/v) 에탄올 추출물이 평균적으로 42%의 DPPH 라디칼 소거능을 나타낸 것과 비교 시 동등 이상의 수치를 확인하였다.
86%가 예측되었다. 초음파 추출은 heavy-duty culture tube (Py.1636.04MP, Pyrex, UK)에서 밀폐된 상태로 진행되었으며 추출 완료 후, 용기를 포함한 전체 반응계의 무게감소가 0.1 g 이하로 큰 변화가 없어 추출용매 증발에 따른 에탄올 농도차이가 크지 않음을 확인할 수 있었다. 검증을 위해 위의 조건에서 에탄올 초음파 추출 후 실험을 수행하였을 때, TPC 2.
본 연구에서는 미강으로부터 폴리페놀과 같은 생리활성 물질을 생산하고 항산화능을 평가하는 데 있어서 반응표면 분석법을 이용하여 추출 조건을 최적화하였다. 통계학적 최적화 기법을 이용하여 미강 추출물의 TPC, TFC와 DPPH 라디칼 소거능을 최대화할 수 있는 초음파 추출 조건을 확립하였으며 각 실험에서 최대값의 반응표면을 superimposing 하여 최적점이라 예상되는 추출 조건인 추출 시간 41.6 min, 추출 온도 94.9 ℃, 에탄올 농도 74.0% (v/v)를 예측하고 이를 검증하였다. 실험 결과 Kim[29] 등의 백미 70% (v/v)에탄올 추출물이TPC 1.

후속연구

도출된 결과를 기반으로 할 때, 농업 부산물인 미강의 초음파 추출을 통해 항산화 기능을 가지는 고부가가치 생리활성 물질 생산이 가능하여 항산화 물질 생산에 있어 원료수급의 비용 절감 효과가 기대된다. 또한 식품 및 화장품 산업에 사용이 가능한 천연 항산화제의 상업화 규모 생산에 있어서 경제성을 확보할 수 있어 산업 전반에 걸쳐 미강의 활용 가치를 높일 수 있을 것으로 보인다.
따라서 미강으로부터 항산화 물질 추출을 위한 효율적인 추출 공정을 확립한다면 식품 산업 전반에서 미강의 부가가치를 향상시킬 수 있을 것으로 사료된다[10]. 일반적으로 천연물의 생리활성물질을 추출하는 방법은 열수 추출법, 속실렛 추출법, 고온 용매 추출법 및 기계적 압착법 등이 있지만 수율이 낮고 설비 및 생산 비용이 높아 가격 경쟁력이 낮은 단점을 지닌다.
도출된 결과를 기반으로 할 때, 농업 부산물인 미강의 초음파 추출을 통해 항산화 기능을 가지는 고부가가치 생리활성 물질 생산이 가능하여 항산화 물질 생산에 있어 원료수급의 비용 절감 효과가 기대된다. 또한 식품 및 화장품 산업에 사용이 가능한 천연 항산화제의 상업화 규모 생산에 있어서 경제성을 확보할 수 있어 산업 전반에 걸쳐 미강의 활용 가치를 높일 수 있을 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	미강이 가진 항산화 물질은 어떤 것들이 있는가?	농산부산물인 미강은 탄수화물 34-52%, 단백질 12-16%, 식이섬유 20-25%와 지방 18-22%로 구성되어 영양학적으로 매우 우수하다 알려져 있다. 또한 항산화 활성을 지닌 비타민(A, B1, B6, E), 철분 및 미네랄 등 다양한 영양소들이 함유되어 있으며 γ-오리자놀과 β-시토스테롤 등 항산화 효과가 높은 물질을 포함한다고 알려져 있다[6]. 특히 γ-오리자놀은 쌀 구성성분 중 미강에만 존재하는 물질로서 페룰산과 페루릭산 등과 함께 항산화 작용 및 콜레스테롤 저하 효과, 항암 효과 및 항균 효과 등 다양한 생리활성을 나타내어 유지 식품의 산화 방지제나 화장품 및 의약품의 원료로 널리 사용되고 있다[7-9].
	국내 미강의 문제점은 무엇인가?	0% (w/w)를 차지한다[1]. 국내에서는 매년 40-60만 톤의 미강이 생산되지만 일부만이 미강유 생산에 사용되고 대부분이 가축의 사료로 사용되거나 폐기되는 실정이다. 쌀을 주식으로 삼는 일본 또한 연간 95만 톤의 도정 부산물이 발생하며 세계적으로 매년 5,000만 톤의 미강이 생산되고 있으나 효율적인 처리공정 미확립으로 대부분의 미강은 폐기물로 처리되고 있는 실정이다[2].
	미강이란 무엇인가?	벼의 도정 부산물을 미강이라고 하며 매년 40-60만 톤의 미강이 도정 부산물로 생산된다. 미강은 일부 가축사료로 사용되거나 버려지는 실정으로 미강으로부터 생리활성물질과 같은 고부가가치 물질 생산을 통한 도정 부산물 활용이 필요하다.

참고문헌 (29)

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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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