[논문]보리수 나무 열매로부터 라이코펜 생산을 위한 효소 분해 및 유기용매 추출 복합 공정의 최적화

오윤혜; 이주미; 채희정

doi:10.5762/kais.2020.21.4.293

초록
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보리수 나무 열매로부터 효소 분해 및 유기용매 추출의 복합 공정에 의한 라이코펜의 생산 조건을 최적화하였다. 보리수 나무의 열매를 증류수에 현탁하여 Celluclast, Ceremix, AMG, Viscozyme, Promozyme, Pectinex, Tunicase 및 Ultraflo와 같은 가수분해 효소를 사용하여 효소 반응을 수행하였고 효소 반응액을 에틸아세테이트, 아세톤, 클로로포름 및 헥산과 같은 유기 용매로 추출하였다. 가수분해 효소 중 Ceremix 복합 효소를 사용하고, 추출 용매는 클로로포름을 이용하여 추출하였을 때 가장 높은 lycopene 추출률을 나타냈다. 보리수 나무 열매의 효소처리 조건 최적화를 위해 실험계획법을 이용한 결과, 효소 반응의 pH는 5.5로, 반응 온도는 54.4℃로, 효소 첨가 농도는 0.58%로 하였을 때 lycopene 추출률이 가장 높았고 이 때 lycopene의 함량은 22.6 mg/100g을 나타냈다. 이와 같이 효소적 가수분해 공정과 유기 용매 추출 공정을 결합하여 활용하는 복합 공정은 기존 용매추출법에 비해 유효성분인 lycopene의 수율을 2.3배 증가시켰다. 이는 향후 바이오헬스 케어 제품의 기능성 소재로의 개발에 응용할 수 있는 결과라고 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study was undertaken to optimize combining the processes of enzymatic hydrolysis and extraction for lycopene production from autumn olive berry. The autumn olive berry was pulverized and suspended in water, followed by treatment with various hydrolytic enzymes including Ceremix, Celluclast, AMG...

This study was undertaken to optimize combining the processes of enzymatic hydrolysis and extraction for lycopene production from autumn olive berry. The autumn olive berry was pulverized and suspended in water, followed by treatment with various hydrolytic enzymes including Ceremix, Celluclast, AMG, Viscozyme, Pectinex, Promozyme, Ultraflo and Tunicase. Reaction solutions were subjected to extraction by applying different organic solvents including acetone, ethyl acetate, hexane and chloroform. Highest yields of lycopene extraction were obtained with the Ceremix (hydrolysis enzyme) and chloroform (extraction solvent) combination. Subsequently, using this ideal combination, enzymatic hydrolysis conditions, including enzyme concentration, pH and temperature, were statistically optimized to 0.58%, 5.5 and 54.4℃, respectively, by applying the response surface method. The lycopene extraction yield increased 2.3-fold (22.6 mg/100g) by using the selected combined process. We propose that these results could be used for the future development of bioactive materials required for bio-health care products.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. The lycopene extraction yields from autumn olive berry by the treatment with different solvents
그림 Fig. 2. Lycopene extraction yields from autumn olive berry using various enzymes.
표 Table 1. Independent variable and their corresponding levels for experimental design
표 Table 2. RSM-central composite design for the lycopene extraction
표 Table 3. Polynomial equations for the lycopene extraction condition from autumn olive berry
표 Table 4. ANOVA analysis of the model for the extraction condition of lycopene from autumn olive berry
그림 Fig. 3. Interaction graphs of enzyme concentration, reaction temperature and pH in lycopene extraction from autumn olive berry
그림 Fig. 4. Interaction graphs of enzyme concentration, reaction temperature and pH in lycopene extraction from autumn olive berry
표 Table 5. Model-estimated extraction yield and experimentally determined value for lycopene extraction using the optimized conditions

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 보리수 나무 열매로부터 지용성인 lycopene을 유기용매 추출공정과 효소적 가수분해공정을 결합하여 추출률을 향상시키고자 하였다.

제안 방법

Lycopene의 추출 수율을 향상시키기 위해 효소 8종(Celluclast, Ceremix, AMG, Viscozyme, Promozyme, Pectinex, Tunicase, Ultraflo)으로 각각 처리한 후 lycopene을 정량분석하고 추출률을 조사하였다. 효소에 따른 lycopene 추출률을 검토한 결과, Fig.
효소처리 조건의 최적화를 위해 중심합성계획법(centralcomposite design)으로 실험설계를 하였다. 독립변수(Xn)는 효소 농도(X₁), 반응 온도(X₂), pH(X₃)로 3가지를 선정하여 각각 –1, 0, 1의 3단계로 부호화하였고, 17가지의 추출 조건으로 실험을 설계하였다. 또한 lycopene회수율(Y₁)을 종속변수(Yn)으로 하였다.
또한 보리수 나무 열매의 lycopene 고효율 추출을 위한 효소처리 공정을 최적화하기 위하여 반응표면분석법을 이용해 pH, 반응 온도 및 효소 농도와 같은 조건을 최적화하였다.
본 연구에서는 보리수 나무 열매로부터 기능성 물질인 lycopene을 생산하기 위한 공정으로 효소적 가수분해공정과 용매추출공정이 결합된 복합 공정을 제안하였으며, 생산공정을 반응표면분석법을 이용하여 최적화하였다. 먼저, lycopene 추출 용매로는 클로로포름이 가장 높은 추출률을 보였으며, 추출 수율을 향상시키기 위하여 세포벽 분해효소 8종 중 Ceremix가 가장 높은 추출률을 나타냈다.
분쇄 시료 분말에 아세톤, 헥산, 클로로포름, 에틸아세테이트 등의 유기용매를 각각 1 : 25(w/v) 비율로 첨가하여 2시간 동안 25℃에서 진탕 추출하였다. 추출액을 20분간 3,200 rpm에서 원심분리하여 얻은 상등액을 감압 여과 후 진공농축기(BioTron, Korea)을 이용하여 진공농축한 후 lycopene의 함량을 분석하였다.
추출 조건을 달리한 보리수 나무 열매 추출물은 Kim[10]의 방법을 변형하여 Oh[11]의 방법으로 HPLC(Agilent1100, Agilent Technologies, CA, USA)를 사용하여 분석하였다.

대상 데이터

보리수 나무 열매는 경상남도 고성에서 구입하여 사용하였으며, 동결건조 후 0.425 mm 이하의 크기로 분쇄 후 전처리하여 사용하였다. 정제수, 아세톤, 헥산, 클로로포름, 에틸아세테이트는 Sigma사(MO, USA), Burdick & Jackson사(MI, USA)로 HPLC급을 사용하였다.

이론/모형

보리수 나무 열매의 효소 처리조건 최적화를 위해 반응표면분석법을 적용하였다. 반응표면분석법이란 독립변수와 종속변수 간 함수관계를 데이터로부터 추정하여 실험법에 영향을 주는 인자를 찾은 후 중요 인자를 이용하여 최적화 조건을 예측하는 분석법으로, 독립변수의 변화에 따라 반응(종속변수의 값)이 어떻게 달라지는가를 예측하는 것이 목적이다.
효소처리 조건의 최적화를 위해 중심합성계획법(centralcomposite design)으로 실험설계를 하였다. 독립변수(Xn)는 효소 농도(X₁), 반응 온도(X₂), pH(X₃)로 3가지를 선정하여 각각 –1, 0, 1의 3단계로 부호화하였고, 17가지의 추출 조건으로 실험을 설계하였다.

성능/효과

3개의 독립 변수 중 lycopene(Y₁)의 효소 농도(X₁)가 추출률에 크게 영향을 미치는 인자인 것으로 확인되었다. 효소 농도(X₁), 반응온도(X₂), 및 pH(X₃) 간의 상관관계를 분석한 결과, Fig.
본 연구에서는 보리수 나무 열매로부터 기능성 물질인 lycopene을 생산하기 위한 공정으로 효소적 가수분해공정과 용매추출공정이 결합된 복합 공정을 제안하였으며, 생산공정을 반응표면분석법을 이용하여 최적화하였다. 먼저, lycopene 추출 용매로는 클로로포름이 가장 높은 추출률을 보였으며, 추출 수율을 향상시키기 위하여 세포벽 분해효소 8종 중 Ceremix가 가장 높은 추출률을 나타냈다. 반응표면분석법에 의한 효소처리 공정 최적화 조건은 효소 농도 0.
이상의 결과를 종합하여 볼 때 Ceremix를 이용하여 효소 추출한 후 용매 추출하는 복합 공정을 사용함으로써 lycopene의 추출률을 크게 향상시킬 수 있는 것으로 확인하였다.
5로 나타났다. 최적화된 조건 및 예측치의 재현성을 확인한 결과, lycopene의 추출 함량은 22.6 mg/100g으로 예측된 값과 94.58% 일치함을 확인하였다. 효소적 가수분해공정과 추출공정이 결합된 공정을 통하여 기존의 용매추출법이나 초임계추출법에 비하여 향상된 추출률을 얻을 수 있었다.
최적화된 조건 및 예측치의 재현성을 확인한 결과, lycopene의 추출 함량은 22.6 mg/100g이었다. 예측된 값과 94.
58% 일치함을 확인하였다. 효소적 가수분해공정과 추출공정이 결합된 공정을 통하여 기존의 용매추출법이나 초임계추출법에 비하여 향상된 추출률을 얻을 수 있었다.

후속연구

결론적으로 반응표면분석법에 의한 효소처리 공정 최적화를 통하여 lycopene 추출률을 향상시킬 수 있었으며, 이를 항산화, 혈당조절, 항암 등의 기능을 갖는 바이오헬스케어용 기능성 소재의 개발에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	효소 반응 수행 결과 lycopene 추출률이 가장 높은 용매는 무엇인가?	보리수 나무의 열매를 증류수에 현탁하여 Celluclast, Ceremix, AMG, Viscozyme, Promozyme, Pectinex, Tunicase 및 Ultraflo와 같은 가수분해 효소를 사용하여 효소 반응을 수행하였고 효소 반응액을 에틸아세테이트, 아세톤, 클로로포름 및 헥산과 같은 유기 용매로 추출하였다. 가수분해 효소 중 Ceremix 복합 효소를 사용하고, 추출 용매는 클로로포름을 이용하여 추출하였을 때 가장 높은 lycopene 추출률을 나타냈다. 보리수 나무 열매의 효소처리 조건 최적화를 위해 실험계획법을 이용한 결과, 효소 반응의 pH는 5.
	효소적 가수분해 공정과 유기 용매 추출 공정을 결합하여 활용하는 복합 공정은 기존 용매추출법에 비해 유효성분인 lycopene의 수율을 얼마나 향상했는가?	6 mg/100g을 나타냈다. 이와 같이 효소적 가수분해 공정과 유기 용매 추출 공정을 결합하여 활용하는 복합 공정은 기존 용매추출법에 비해 유효성분인 lycopene의 수율을 2.3배 증가시켰다. 이는 향후 바이오헬스 케어 제품의 기능성 소재로의 개발에 응용할 수 있는 결과라고 사료된다.
	Tunicase 및 Ultraflo는 어떤 효소인가?	보리수 나무 열매로부터 효소 분해 및 유기용매 추출의 복합 공정에 의한 라이코펜의 생산 조건을 최적화하였다. 보리수 나무의 열매를 증류수에 현탁하여 Celluclast, Ceremix, AMG, Viscozyme, Promozyme, Pectinex, Tunicase 및 Ultraflo와 같은 가수분해 효소를 사용하여 효소 반응을 수행하였고 효소 반응액을 에틸아세테이트, 아세톤, 클로로포름 및 헥산과 같은 유기 용매로 추출하였다. 가수분해 효소 중 Ceremix 복합 효소를 사용하고, 추출 용매는 클로로포름을 이용하여 추출하였을 때 가장 높은 lycopene 추출률을 나타냈다.

참고문헌 (12)

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Y. H. Oh, Process Optimization of Enzymatic Extraction of Lycopene from Autumn Olive Fruit and its Stabilization by Nano-emulsion, Master's thesis, Hoseo university, Asan, Korea, 2016.
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