[논문]BBD-RSM을 이용한 민들레로부터 항산화성분의 추출공정 최적화

한경호; 장현식; 홍인권

doi:10.14478/ace.2019.1032

BBD-RSM을 이용한 민들레로부터 항산화성분의 추출공정 최적화
Optimization of Antioxidant Extraction from Dandelion (Taraxacum officinale) Leaves Using BBD-RSM 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.30 no.4, 2019년, pp.408 - 414

한경호 (단국대학교 전자전기공학부) , 장현식 (단국대학교 화학공학과) , 홍인권 (단국대학교 화학공학과)

초록
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본 연구에서는 전통적인 열수추출법과 초음파 추출법을 이용하여 민들레에서 항산화성분을 추출하였다. 추출 후 추출수율과 항산화성분인 플라보노이드 함량을 최적화하기 위해 반응표면분석법 중 Box-Behnken 설계모델을 이용하여 추출하였다. 열수추출법의 경우 추출온도, 주정/초순수 부피비, 추출시간을 변수로 설정하였으며, 초음파 추출법의 경우 초음파 조사세기, 주정/초순수 부피비, 초음파 조사시간을 변수로 설정하였다. 열수추출법의 최적 추출조건은 추출온도($45.76^{\circ}C$), 주정/초순수 부피비(41.92 vol.%), 추출시간(1.75 h)이었다. 또한 초음파 추출법의 최적조건은 초음파 조사세기(512.63 W), 주정/초순수 부피비(56.97 vol.%), 추출시간(20.79 min)이었다. 이 조건에서 예상되는 반응치는 수율(22.09 wt.%), 플라보노이드 함량(28.98 mg QE/mL dw)으로 산출되었다. 또한 실제실험 결과 오차는 3% 이하로 나타나 최적화의 타당성을 입증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, an antioxidant was extracted from dandelion leaves using traditional hot water and ultrasonic extraction methods. In order to optimize the extraction yield and total flavonoid, an antioxidant, Box-Behnken design (BBD) model among response surface analysis methods was used. In the case of hot water extraction, the extraction temperature and time as well as the ratio of alcohol/ultrapure water were set as variables, and for the ultrasonic extraction, the ultrasonic survey century and irradiation time and the ratio of alcohol/ultrapure water were variables. Optimum extraction conditions in the hot water extraction method were the extraction temperature and time of $45.76^{\circ}C$ and 1.75 h and the ratio of alcohol/ultrapure water of 41.92 vol.%. While for the ultrasonic extraction method the survey century of 512.63 W, the ratio of alcohol/ultrapure water of 56.97 vol.% and the extraction time of 20.79 min were optimum conditions. Expected reaction yield and flavonoid content values under the optimized condition were calculated as 22.09 wt.% and 28.98 mg QE/mL dw, respectively. In addition, the error value of less than 3% was obtained validating our optimization process.

주제어

표/그림 (9)

그림 Figure 1. Box-Behnken design model of response surface methodology.
그림 Figure 2. Response surface for yield of dandelion leaves as a function of time, ratio of ethanol and temperature.
그림 Figure 3. Response surface for total flavonoids of dandelion leaves as a function of time, ratio of ethanol and temperature.
그림 Figure 4. Perturbation plot for the effect of variables on yield and total flavonoids.
그림 Figure 5. Optimization graph of response surface for yield and total flavonoids of the dandelion leaves.
그림 Figure 6. Response surface for yield of dandelion leaves as a function of time, ratio of ethanol and ultrasonic power in USE process.
그림 Figure 7. Response surface for total flavonoids of dandelion leaves as a function of time, ratio of ethanol and ultrasonic power in USE process.
그림 Figure 8. Perturbation plot for the effect of variables on yield and total flavonoids in USE process.
그림 Figure 9. Optimization graph of response surface for yield and total flavonoids of the dandelion leaves in USE process.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 열수추출법과 초음파 추출법을 통해 민들레의 항산화성분의 함량을 알아보고 수율과 항산화성분인 플라보노이드 함량의 최대화를 목표로 하여 실험조건의 최적화를 진행하였다. 추출의 최적화는 반응표면분석법 중 Box-Behnken 설계모델을 사용하였다.

제안 방법

3. 반응표면분석법이 제시하는 최적화 공정이 타당한지 실험을 진행하였다. 열수추출법의 경우 추출온도(45.
열수추출법을 통해 민들레에 함유되어있는 항산화성분의 추출 최적화 조건을 찾기 위해 Box-Behnken 설계모델이 제시하는 15개의 조건에 대해서 실험을 진행하였다. 공정의 최적화를 위해 계량인자는 추출온도, 주정/초순수 부피비, 추출시간을 계량인자로 설정하였고, 반응치로는 추출수율과 플라보노이드 함량을 설정하였다. Box-Behnken 설계모델을 통해 각 반응치와 계량인자의 관계를 보여주는 식은 다음과 같다.
본 연구에서는 항산화성분 분석을 위해 자외선 분광광도계를 사용하여 민들레 추출물에 포함되어있는 플라보노이드 함량(total flavonoids)을 측정하였다. 먼저 표준물질인 quercetin (Sigma-Aldrich, Q4951)을 이용하여 검정곡선을 작성하였다. 검정곡선은 415 nm의 자외선 파장에서 표준용액의 농도범위를 10~80 μL/mL로 설정하여 작성되었다.
본 연구에서는 항산화성분 분석을 위해 자외선 분광광도계를 사용하여 민들레 추출물에 포함되어있는 플라보노이드 함량(total flavonoids)을 측정하였다. 먼저 표준물질인 quercetin (Sigma-Aldrich, Q4951)을 이용하여 검정곡선을 작성하였다.
열수추출법을 통해 민들레에 함유되어있는 항산화성분의 추출 최적화 조건을 찾기 위해 Box-Behnken 설계모델이 제시하는 15개의 조건에 대해서 실험을 진행하였다. 공정의 최적화를 위해 계량인자는 추출온도, 주정/초순수 부피비, 추출시간을 계량인자로 설정하였고, 반응치로는 추출수율과 플라보노이드 함량을 설정하였다.
추출의 최적화는 반응표면분석법 중 Box-Behnken 설계모델을 사용하였다. 열수추출법의 경우 추출온도, 주정/초순수 부피비, 추출시간을 계량인자로 설정하였으며, 초음파 추출법의 경우 초음파 조사세기, 주정/초순수 부피비, 초음파 조사시간을 계량인자로 설정하였다.
1 mL를 혼합한 후 메탄올을 이용하여 총부피를 5 mL로 제조하였다. 제조된 시료는 암실에서 40 min 방치한 후 자외선 분광광도계를 이용하여 정량하였다. 측정된 흡광도는 검정곡선을 이용하여 quercetin equivalents (mg QE/mL dw)로 환산하였다[9,10].
초음파 추출법의 계량인자로는 초음파 조사세기, 주정/초순수 부피비, 초음파 조사시간으로 설정하였다. 이로부터 Box-Behnken 설계모델이 제시하는 15개의 조건에 대해서 실험을 진행하여 각 계량인자에 대한 수율의 2차 회귀방정식을 식 (4)에 나타내었다.
초음파 추출법의 플라보노이드 함량 최적화의 계량인자는 초음파 조사세기, 주정/초순수 부피비, 초음파 조사시간으로 설정하였다. 식 (5)는 항산화성분인 플라보노이드 함량과 각 계량인자의 관계를 나타낸 2차 회귀방정식이다.

대상 데이터

검정곡선은 415 nm의 자외선 파장에서 표준용액의 농도범위를 10~80 μL/mL로 설정하여 작성되었다.
또한 초음파 추출법은 용액에 초음파를 조사하여 가열 및 교반하는 방식으로 유효성분을 추출하는 방식으로 추출시간을 단축시킬 수 있다. 본 연구에서는 민들레에 포함되어 있는 항산화성분인 플라보노이드 성분을 추출하기 위해 주정과 초순수를 일정한 부피비로 혼합하여 용매로 사용하였다. 혼합용액 500 mL를 기준으로 분쇄된 민들레 잎 5 g으로부터 항산화성분을 추출하였다.

이론/모형

본 연구에서는 민들레에 함유되어있는 항산화성분의 추출을 위해 두 가지 추출방법(열수추출법, 초음파추출법)을 사용하였다. 그리고 추출의 최적화를 위해 반응표면법의 Box-Behnken 설계모델을 사용하였다. 그리고 이를 분석하여 다음과 같은 결과를 얻어내었다.
본 연구에서는 민들레로부터 항산화성분을 추출하기 위해 전통적인 열수추출법과 초음파 추출법을 이용하였다. 열수추출법은 용매와 용질을 혼합하여 용액을 만든 후, 직접 가열방식으로 가열, 교반하여 유효성분을 추출하는 방법이다.
본 연구에서는 민들레에 함유되어있는 항산화성분의 추출을 위해 두 가지 추출방법(열수추출법, 초음파추출법)을 사용하였다. 그리고 추출의 최적화를 위해 반응표면법의 Box-Behnken 설계모델을 사용하였다.
혼합용액 500 mL를 기준으로 분쇄된 민들레 잎 5 g으로부터 항산화성분을 추출하였다. 추출된 유효성분의 수율은 냉동건조법(freeze drying method)을 이용하여 측정하였다. 민들레로부터 추출된 유효성분은 여과과정을 거친 후 진공증류를 통해 농축하여 -10 ℃로 6 h 동안 1차 동결한다.
따라서 본 연구에서는 열수추출법과 초음파 추출법을 통해 민들레의 항산화성분의 함량을 알아보고 수율과 항산화성분인 플라보노이드 함량의 최대화를 목표로 하여 실험조건의 최적화를 진행하였다. 추출의 최적화는 반응표면분석법 중 Box-Behnken 설계모델을 사용하였다. 열수추출법의 경우 추출온도, 주정/초순수 부피비, 추출시간을 계량인자로 설정하였으며, 초음파 추출법의 경우 초음파 조사세기, 주정/초순수 부피비, 초음파 조사시간을 계량인자로 설정하였다.

성능/효과

1. 열수추출법을 통해 항산화성분을 추출하고 최적화한 결과 반응치인 수율, 플라보노이드 함량을 모두 만족하는 최적 추출조건은 추출온도(45.76 ℃), 주정/초순수 부피비(41.92 vol.%), 추출시간(1.75 h)이다. 이 조건에서 예상되는 반응치는 수율(28.
2. 초음파 추출법을 통해 항산화성분을 추출하고 최적화한 결과 반응치인 수율, 플라보노이드 함량을 모두 만족하는 최적 추출조건은 초음파 조사세기(512.63 W), 주정/초순수 부피비(56.97 vol.%), 초음파 조사시간(20.79 min)이다. 이 조건에서 예상되는 반응치는 수율(22.
교호효과도를 나타내는 계량인자는 X1X2, X1X3, X2X3이며, X2X3(0.01073), X1X3(0.00146), X1X2(0.00038) 순으로 계수가 크게 나타나 (주정/초순수 부피비 × 초음파 조사시간), (초음파 조사세기 × 초음파 조사시간), (초음파 조사세기 × 주정/초순수 부피비) 순으로 교호효과가 큰 것을 알 수 있었다.
모든 계량인자가 증가할 때, 반응치는 증가하다가 감소한다. 그래프의 기울기를 보면 초음파 조사시간의 영향이 가장 크고, 초음파 조사세기와 주정/초순수 부피비의 영향은 비슷한 수준인 것을 알 수 있었다. 그래프에서 빨간색의 세로선이 추출의 최적의 조건을 나타내며, 파란색의 가로선이 최적조건일 때 최적화된 반응치를 뜻한다.
모든 계량인자가 증가할수록 반응치는 증가하다 감소하는 경향을 볼 수 있다. 그래프의 기울기를 통해 각 반응치인 수율, 플라보노이드 함량에 미치는 영향은 추출시간, 주정/초순수 부피비, 추출온도 순으로 알 수 있었다. 그래프에서 빨간색 세로선은 최적화 설계가 이루어진 지점이다.
그리고 (주정/초순수 부피비 × 초음파 조사시간)의 교호효과도가 가장 큰 것을 확인하였다.
그리고 (추출시간 × 추출온도)의 교호효과도가 가장 컸으며 플라보노이드 함량은 가장 큰 영향을 미치는 주효과도는 추출시간이고, 가장 중요한 교호효과는 (주정/초순수 부피비 × 추출온도)인 것을 확인하였다.
76 mg QE/mL dw)이다. 그리고 수율에 가장 큰 영향을 미치는 주효과도는 추출시간이었다. 그리고 (추출시간 × 추출온도)의 교호효과도가 가장 컸으며 플라보노이드 함량은 가장 큰 영향을 미치는 주효과도는 추출시간이고, 가장 중요한 교호효과는 (주정/초순수 부피비 × 추출온도)인 것을 확인하였다.
따라서 (추출온도 × 추출시간), (주정/초순수 부피비 × 추출시간), (추출온도 × 주정/초순수 부피비)의 순으로 교호효과도가 수율에 미치는 교호효과도가 크게 나타났다.
반응표면분석법을 통한 최적조건에서 여러 번의 실험을 진행한 결과 오차범위는 3% 미만으로 나타났다. 따라서 반응표면분석법이 신뢰할 수 있는 프로그램임을 확인하였다.
27로 산출되었다. 따라서 초음파 추출법에서는 초음파 조사시간, 주정/초순수 부피비, 초음파 조사세기 순으로 주효과도가 큰것을 알 수 있었다. 교호효과도를 나타내는 계량인자는 X₁X₂, X₁X₃, X₂X₃이며, X₂X₃(0.
37로 가장 큰 초음파 조사시간이 수율에 가장 중요한 주효효과도이다. 따라서 초음파 추출법에서는 초음파 조사시간, 초음파 조사세기, 주정/초순수 부피비순으로 주효과도가 큰 것을 알 수 있었다. 식 (5)에서 교호효과도를 나타내는 X₁X₃(0.
따라서 플라보노이드 함량에 큰 영향을 미치는 교호효과도는 (추출온도 × 추출시간)과 (주정/초순수 부피비 × 추출시간)이었다.
913) 순으로 그래프에서도 기울기가 가파르고, 등고선이 조밀하게 나타났다. 또한 반응표면분석 결과 추출시간의 p-value는 0.004로 계량인자 중에서 가장 작고, f-value는 26.05로 가장 크게 나타나 주효과도의 크기는 추출시간, 추출온도, 주정/초순수 부피비순으로 큰 것을 알 수 있었다. 계량인자의 조합으로 이루어진 교호효과의 경우 회귀방정식의 X₁X₃(0.
확률도의 왼쪽부터 낮은 반응치, 중간 반응치, 높은 반응치를 나타낸다. 모든 점들이 선분들 안에 둘러싸여 있는 조밀한 형태를 보이므로 신뢰도는 95% 이상으로 실험의 타당성을 보여준다.
그래프의 점들이 실제실험의 반응치이고, 선분은 왼쪽부터 낮은 반응치, 중간 반응치, 높은 반응치를 나타낸다. 모든 점들이 선분들 안에 둘러싸여 있는 조밀한 형태를 보임으로 신뢰도는 95% 이상으로 상당히 높다는 것을 알 수 있었다.
67 mg QE/mL dw을 나타났다. 반응표면분석법을 통한 최적조건에서 여러 번의 실험을 진행한 결과 오차범위는 3% 미만으로 나타났다. 따라서 반응표면분석법이 신뢰할 수 있는 프로그램임을 확인하였다.
96 mg QE/mL dw으로 나타났다. 반응표면분석법을 통한 최적화된 조건에서 여러 번의 실험을 진행한 결과 오차 범위는 3% 미만으로 Box-Behnken 설계모델의 신뢰도가 상당히 높다는 것을 확인하였다.
98 mg QE/mL dw)이다. 수율에 가장 큰 영향을 미치는 주효과도는 초음파 조사시간이었다. 그리고 (주정/초순수 부피비 × 초음파 조사시간)의 교호효과도가 가장 큰 것을 확인하였다.
44 mg QE/mL dw)을 산출되었다. 실제실험 결과와의 오차는 3%이하로 반응표면분석법의 타당성을 확인하였다.
반응표면분석법이 제시하는 최적화 공정이 타당한지 실험을 진행하였다. 열수추출법의 경우 추출온도(45.76 ℃), 주정/초순수 부피비 (41.92 vol.%), 추출시간(1.75 h)에서 수율(28.24 wt.%), 플라보노이드 함량(30.80 mg QE/mL dw)으로 산출되었으며, 초음파 추출법의 경우 초음파 조사세기(512.63 W), 주정/초순수 부피비(56.97 vol.%), 초음파 조사시간(20.80 min)에서 수율(22.09 wt.%), 플라보노이드 함량(28.44 mg QE/mL dw)을 산출되었다. 실제실험 결과와의 오차는 3%이하로 반응표면분석법의 타당성을 확인하였다.
따라서 p-value가 작을수록, f-value가 클수록 실험의 타당성을 대변한다[11-13]. 위의 결과들을 종합하여 주효과도는 추출시간, 추출온도, 주정/초순수 부피비 순으로 큰 것을 알 수 있었다. 교호효과도는 회귀방정식에서 두 가지 계량인자가 곱해진 형태로 나타나며, 식 (2)에서 X₁X₃(0.
플라보노이드 함량은 가장 큰 영향을 미치는 주효과도는 초음파 조사시간이고, 가장 중요한 교호효과는 (조사세기 × 초음파 조사시간)이었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	항산화물질이란?	특히, 노화를 방지시켜주는 항산화물질에 관심이 많다. 항산화물질은 인체의 호흡 또는 외부자극으로 과도하게 생성되는 활성산소로 인해 세포들이 산화되는 것을 방지하는 물질이다. 항산화물질에는 카로티노이드류, 플라보노이드류, 이소플라본류, 비타민 등이 있다.
	항산화물질의 종류	항산화물질은 인체의 호흡 또는 외부자극으로 과도하게 생성되는 활성산소로 인해 세포들이 산화되는 것을 방지하는 물질이다. 항산화물질에는 카로티노이드류, 플라보노이드류, 이소플라본류, 비타민 등이 있다. 항산화물질은 일반적으로 식물에 많이 함유되어 있다.
	항산화물질은 일반적으로 식물에 많이 함유되어 있는데 해당 식물의 예시와 효능은?	그중 민들레(dandelion leaves)는 한국, 중국, 일본 등 아시아지역에서 흔하게 볼 수 있는 여러해살이풀이다. 민들레는 예로부터 간과 혈당조절을 돕는 약재로 사용되었고, 현대에 들어와서도 항산화물질이 많은 식물로 활발한 연구가 진행되고 있다. 민들레의 대표적인 효능은 해독, 면역력 증진, 성인병 예방 등이 있다[1-3].

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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