[논문]회화나무꽃 추출물이 함유된 Cosmeceuticals의 제조: Box-Behnken 설계모델을 이용한 최적화

유봉호; 줘청량; 이승범

doi:10.14478/ace.2020.1042

회화나무꽃 추출물이 함유된 Cosmeceuticals의 제조: Box-Behnken 설계모델을 이용한 최적화
Preparation of Cosmeceuticals Containing Flos Sophorae Immaturus Extracts: Optimization Using Box-Behnken Design Model 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.31 no.4, 2020년, pp.404 - 410

유봉호 (단국대학교 공과대학) , 줘청량 (단국대학교 화학공학과) , 이승범 (단국대학교 화학공학과)

초록
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본 연구에서는 Box-Behnken 설계모델(BBD-RSM)을 사용하여 회화나무꽃 추출물을 첨가한 cosmeceuticals 유화액의 안정성 조건을 최적화하였다. BBD-RSM의 독립변수로는 유화제의 첨가량, 회화나무꽃 추출물 첨가량, 유화시간, 유화속도 등을 설정하고, 반응치로는 O/W 유화액의 평균액적크기(MDS), 점도 및 유화안정도지수(ESI)를 설정하였다. BBD-RSM 최적화 분석결과 세 가지 반응치를 동시에 부합하는 최적조건은 유화시간(17.8 min), 유화속도(5505 rpm), 유화제의 첨가량(2.28 wt.%), 회화나무꽃 추출물 첨가량(1.05 wt.%)으로 산출되었으며, 이 조건에서의 BBD-RSM 예측결과는 MDS (1875.5 nm), 점도(1789.7 cP), ESI (93.8%)로 얻었다. 또한 이 조건에서 실제 실험을 통해 얻은 결과는 이론 결과에 비래 평균오차율은 5% 이하로 나타났다. 따라서 본 연구에서 BBD-RSM 최적화 분석을 적용할 경우 비교적 높은 유의수준의 만족하는 결과를 얻을 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the stability criteria of cosmeceuticals emulsion containing Flos Sophorae Immaturus extracts was established using the Box-Behnken design model (BBD-RSM). As optimization conditions of the emulsification using the BBD-RSM, the amount of surfactant and additive, and emulsification time and speed were used as quantitative factors while mean droplet size (MDS), viscosity and emulsion stability index (ESI) were used as reaction values. According to the result of BBD-RSM, optimum conditions for the emulsification were as follows; the emulsification time and speed of 17.8 min and 5505 rpm, respectively and amounts of the emulsifier and additive of 2.28 and 1.05 wt.%, respectively. Under these conditions, the MDS, viscosity, and ESI after 7 days from the reaction were estimated as 1875.5 nm, 1789.7 cP, and 93.8%, respectively. The average error value from our actual experiments for verifying the conclusions was below 5%, which is mainly due to the fact that the BBD-RSM was applied to the optimized cosmeceuticals emulsification.

주제어

표/그림 (7)

표 Table 1. Four Variables and Corresponding Response Values Using BBD-RSM
표 Table 2. BBD-RSM Variance Analysis of Regression Coefficients of the MDS, Viscosity and ESI
그림 Figure 1. Contour graph of MDS according to various variables using BBD-RSM.
그림 Figure 2. Contour graph of viscosity according to various variables using BBD-RSM.
그림 Figure 3. Contour graph of ESI according to various variables using BBD-RSM.
그림 Figure 4. Perturbation plot for the effect of variables on MDS, viscosity and ESI.
그림 Figure 5. Multiple optimization graphs of MDS, viscosity and ESI using BBD-RSM.

AI 본문요약
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제안 방법

O/W유화액의 물성 평가를 위해 평균액적크기 및 점도를 측정하였다. 연구과정 중 coconut oil과 sugar ester 혼합된 유화액의 평균액적 크기 및 점도는 7 day 간 creaming 과정 중 배치시간에 따라 계속 증가하나 감소하는 경향을 나타나기 때문에 본 연구에서 creaming 과정이 끝난 날짜인 7 day차의 데이터를 채용하였다.
본 연구에서는 BBD-RSM을 이용하여 최적화 과정을 설계하기 위해 유화제의 첨가량, 회화나무꽃 추출물 첨가량, 유화시간, 유화속도를 독립변수로 설정하였으며, MDS, 점도, ESI를 반응치로 설정하여 최적화 과정을 수행하였다. 기초실험으로부터 계량인자의 범위를 유화제의 첨가량(2~2.5 wt.%), 회화나무꽃 추출물 첨가량(0.8~1.2 wt.%), 유화시간(15~20 min) 및 유화속도(5000~6000 rpm)로 설정하였으며 유화액의 물성 및 유화안정성을 평가하기 위해 각 반응치를 분석하였다. BBD-RSM은 지표와 요인 간의 비선형적 관계를 평가할 수 있는 설계 방법이며 일반적으로 독립변수의 비선형 효과를 연구할 필요가 있는 실험에서 사용된다.
따라서 본 연구에서는 회화나무꽃 추출물을 이용하여 유화공정을 통해 항산화 기능성을 갖는 cosmeceuticals을 제조하였다. 유화공정의 최적화를 위해 반응표면분석법(response surface methodology, RSM) 중 하나인 Box-Behnken 설계모델(Box-Behnken design model, BBD)을 이용하였다.
실제 유화액의 안정도에 따른 평가와 그 기준에 관한 연구가 많이 진행되고 있으며 특히 유화안정도지수(ESI)라는 유화안정도 기준을 만족하는 공정을 최적화하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다[19]. 본 연구에도 여러 독립변수에 따른 유화안정성을 최적화하기 위해 ESI (E)를 반응치로 설정하여 BBD-RSM에 의해 계산된 2차 회귀방정 식을 다음과 같이 산출하였다.
BBD-RSM은 지표와 요인 간의 비선형적 관계를 평가할 수 있는 설계 방법이며 일반적으로 독립변수의 비선형 효과를 연구할 필요가 있는 실험에서 사용된다. 본 연구에서는 4가지 요인의 BBD-RSM을 통해 Table 1과 같이 27번의 실험을 수행함으로 회귀방정식을 도출하였다[16,17].
본 연구에서는 4개의 독립변수에 따른 3개의 반응치를 각각 최적화하였으며, 최종적으로 3개의 반응치를 동시에 만족하는 최적조건을 도출하였다. BBD-RSM의 독립변수인 유화제의 첨가량(x₁), 회화나무꽃 추출물 첨가량(x₂), 유화시간(x₃), 유화속도(x₄)에 따라 반응치인 O/W 유화액의 MDS (M), 점도(V)와 ESI (E)의 목표치에 부합하는 최적조건을 도출한 결과 최적조건은 유화제의 첨가량(2.
이는 유화액의 점도가 큰 경우 액적 간 브라운 운동(Brownian motion)에 의해 불규칙한 운동효과가 약해져 액적 간 충돌빈도가 낮기 때문이다. 본 연구에서는 BBD-RSM 분석에 의해 다음과 같은 점도(V)에 대한 2차 회귀방정식을 산출하였다.
본 연구에서는 BBD-RSM을 이용하여 최적화 과정을 설계하기 위해 유화제의 첨가량, 회화나무꽃 추출물 첨가량, 유화시간, 유화속도를 독립변수로 설정하였으며, MDS, 점도, ESI를 반응치로 설정하여 최적화 과정을 수행하였다. 기초실험으로부터 계량인자의 범위를 유화제의 첨가량(2~2.
BBD-RSM은 지표와 요인 간의 비선형적 관계를 평가할 수 있는 설계 방법으로 중심합성설계모델(central composite design model, CCD)과 비교하여 실험을 여러 번 시행할 필요가 없으며 같은 독립변수가 있는 경우 BBD-RSM이 더 경제적이다[11-13]. 본 연구에서는 BBD-RSM의 반응치(response)로 유화액의 평균액적크기(mean droplet size, MDS), 점도, 유화안정도지수(emulsion stability index, ESI) 등을 설정하였고, 독립변수로는 유화제의 첨가량, 회화나무꽃 추출물 첨가량, 유화시간, 유화속도 등을 설정하였다. 이를 바탕으로 BBD-RSM로부터 산출된 회귀방정식을 이용하여 3개 반응치를 동시에 최적화시킴으로써 최적 추출조건을 제시하고자 하였다.
본 연구에서는 coconut oil과 비이온성 계면활성제인 sugar ester를 유화액계에 회화나무꽃 추출물을 첨가하여 cosmeceuticals을 제조하고, BBD-RSM을 통해 유화과정을 최적화한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
, Ltd, Japan)을 이용하며 유화과정에 사용된 유화제는 천연유화제인 sugar ester를 수상에 용해시켜 사용하였다. 유화액의 총 질량을 200.0 g, 유상과 수상의 질량비(O/W ratio)를 2 : 8로 고정하여 실험을 수행하였으며, high-speed emulsifier (Homomixer Mark Ⅱ, T.K. Primix)를 이용하여 유화시켰다. 이때 유화온도는 75 ℃로 고정하였으며, 유화제의 첨가량(1.
Primix)를 이용하여 유화시켰다. 이때 유화온도는 75 ℃로 고정하였으며, 유화제의 첨가량(1.0~3.0 wt%), 회화나무꽃 추출물 첨가량(0.4~2.0 wt.%), 유화시간(10~30 min), 유화속도(3000~7000 rpm) 등을 변수로 설정하여 유화과정을 수행하였다. 유화과정 후 유화액은 정제수로 냉각시켜 25 ℃인 incubator에 7 day 간 보관하였다.
본 연구에서는 BBD-RSM의 반응치(response)로 유화액의 평균액적크기(mean droplet size, MDS), 점도, 유화안정도지수(emulsion stability index, ESI) 등을 설정하였고, 독립변수로는 유화제의 첨가량, 회화나무꽃 추출물 첨가량, 유화시간, 유화속도 등을 설정하였다. 이를 바탕으로 BBD-RSM로부터 산출된 회귀방정식을 이용하여 3개 반응치를 동시에 최적화시킴으로써 최적 추출조건을 제시하고자 하였다.
측정 시 평균액적크기와 점도를 똑같이 상온(24 ± 3 ℃)에서 측정하였으며 평균액적크기의 경우는 ZETA Sizer (Zen 3600, Malvern)을 이용하여 10회로 반복 측정하고, 점도의 경우는 Brookfield 점도계(DV-II+ Pro, Brookfield Co.)를 이용하여 각 조건에서 5회 반복 측정하였다.
항산화 기능성 물질로 회화나무꽃 추출물의 추출공정에 대한 최적화 결과 추출시간(2.13 h), 주정/초순수의 부피비(62.89 vol.%), 추출온도(50.42 ℃)에서 전통용매 추출공정으로 추출하였다[14]. 균일한 유화액을 제조하기 위해 식품, 제약, 화장품 등 다양한 분야에서 많이 사용되는 O/W형 유화액을 선택하였다.

대상 데이터

42 ℃)에서 전통용매 추출공정으로 추출하였다[14]. 균일한 유화액을 제조하기 위해 식품, 제약, 화장품 등 다양한 분야에서 많이 사용되는 O/W형 유화액을 선택하였다. 수상과 유상으로는 각각 초순수(Vivagenen EXL-III)와 coconut oil (Junsei Chemical Co.
균일한 유화액을 제조하기 위해 식품, 제약, 화장품 등 다양한 분야에서 많이 사용되는 O/W형 유화액을 선택하였다. 수상과 유상으로는 각각 초순수(Vivagenen EXL-III)와 coconut oil (Junsei Chemical Co., Ltd, Japan)을 이용하며 유화과정에 사용된 유화제는 천연유화제인 sugar ester를 수상에 용해시켜 사용하였다. 유화액의 총 질량을 200.
O/W유화액의 물성 평가를 위해 평균액적크기 및 점도를 측정하였다. 연구과정 중 coconut oil과 sugar ester 혼합된 유화액의 평균액적 크기 및 점도는 7 day 간 creaming 과정 중 배치시간에 따라 계속 증가하나 감소하는 경향을 나타나기 때문에 본 연구에서 creaming 과정이 끝난 날짜인 7 day차의 데이터를 채용하였다. 측정 시 평균액적크기와 점도를 똑같이 상온(24 ± 3 ℃)에서 측정하였으며 평균액적크기의 경우는 ZETA Sizer (Zen 3600, Malvern)을 이용하여 10회로 반복 측정하고, 점도의 경우는 Brookfield 점도계(DV-II+ Pro, Brookfield Co.

이론/모형

따라서 본 연구에서는 회화나무꽃 추출물을 이용하여 유화공정을 통해 항산화 기능성을 갖는 cosmeceuticals을 제조하였다. 유화공정의 최적화를 위해 반응표면분석법(response surface methodology, RSM) 중 하나인 Box-Behnken 설계모델(Box-Behnken design model, BBD)을 이용하였다. BBD-RSM은 지표와 요인 간의 비선형적 관계를 평가할 수 있는 설계 방법으로 중심합성설계모델(central composite design model, CCD)과 비교하여 실험을 여러 번 시행할 필요가 없으며 같은 독립변수가 있는 경우 BBD-RSM이 더 경제적이다[11-13].

성능/효과

%, 유화시간 17.63 min, 유화속도 5639 rpm을 기준으로 ± 10%의 조건에서 분석한 결과 최적 회화나무꽃 추출물 첨가량인 x2가 상대으로 주효과도가 크게 나타났다.
1. BBD-RSM의 반응치인 유화액의 MDS, 점도 그리고 ESI 모두 4가지 독립변수 중 회화나무꽃 추출물 첨가량이 주효과도가 가장 높게 나타났으며, 교호효과도는 MDS의 경우 (유화시간 × 유화속도), 점도의 경우 (유화제의 첨가량 × 회화나무꽃 추출물 첨가량), ESI의 경우 (유화제의 첨가량 × 유화시간)이 높게 나타났다.
2. 하나의 반응치만을 고려한 BBD-RSM 최적화 결과 유화액의 MDS의 경우 최적조건은 유화제의 첨가량(2.28 wt.%), 회화나무꽃 추출물 첨가량(1.03 wt.%), 유화시간(17.93 min), 유화속도(5404 rpm)이었으며, 유화액의 점도의 경우에는 유화제의 첨가량(2.37 wt.%), 회화나무꽃 추출물 첨가량(1.06 wt.%), 유화시간(17.63 min), 유화속도(그리고 ESI의 경우에는 유화제의 첨가량(2.29 wt.%), 회화나무꽃 추출물 첨가량(1.05 wt.%), 유화시간(17.73 min), 유화속도(5545 rpm)로 산출되었다.
3. BBD-RSM 분석을 이용하여 3개의 반응치를 동시에 만족하는 최적조건은 유화제의 첨가량(2.28 wt.%), 회화나무꽃 추출물 첨가량(1.05 wt.%), 유화시간(17.78 min), 유화속도(5505 rpm)이었으며, 이 조건에서의 예측 반응치는 MDS (1875.5 nm), 점도(1789.7 cP), ESI (93.8%)이었다. 이 조건에서의 실제 실험결과 오차율은 모두 5% 이하로 나타나 회화나무꽃 추출물을 첨가한 cosmeceuticals의 제조공정에서 BBD-RSM을 적용할 경우 우수한 최적화 과정을 수행할 수 있었다.
이러한 결과는 통계학적 이론부터 정규분포로 부합하는 것으로 판단할 수 있다. 4개 독립변수 중 회화나무꽃 추출물 첨가량인 x₂의 P-value가 0.001로 가장 작고 F-value가 67.18로 가장 크게 나타나 주효과도가 가장 높은 것으로 나타났다.
BBD-RSM 다중분석 최적화 그래프는 Figure 5에 나타내었다. BBD-RSM 최적화 분석을 통해 4개 독립변수 함께 고려한 최적조건에서의 예측 MDS는 1875.53 nm, 점도는 1789.66 cP, ESI는 93.81%로 산출되었다. 이를 확인하기 위해 실제 실험을 진 행한 결과 O/W 유화액의 MDS는 1963.
본 연구에서는 4개의 독립변수에 따른 3개의 반응치를 각각 최적화하였으며, 최종적으로 3개의 반응치를 동시에 만족하는 최적조건을 도출하였다. BBD-RSM의 독립변수인 유화제의 첨가량(x₁), 회화나무꽃 추출물 첨가량(x₂), 유화시간(x₃), 유화속도(x₄)에 따라 반응치인 O/W 유화액의 MDS (M), 점도(V)와 ESI (E)의 목표치에 부합하는 최적조건을 도출한 결과 최적조건은 유화제의 첨가량(2.28 wt.%), 회화나무꽃 추출물 첨가량(1.05 wt.%), 유화시간(17.78 min), 그리고 유화속도(5505 rpm)로 산출되었다. BBD-RSM 다중분석 최적화 그래프는 Figure 5에 나타내었다.
Table 2에 나타낸 x1x2,x1x3, x1x4, x2x3, x2x4, x3x4는 각각 (유화제의 첨가량 × 회화나 무꽃 추출물 첨가량), (유화제의 첨가량 × 유화시간), (유화제의 첨가량 × 유화속도), (회화나무꽃 추출물 첨가량 × 유화시간), (회화나무꽃 추 출물 첨가량 × 유화속도), (유화시간 × 유화속도)이며, x1x3의 P-value가 가장 작고 F-value가 가장 크게 나타났다.
9%를 나타내 었다. 각 반응치의 예측값과 실제 실험결과의 오차율은 모두 5% 이내로 나타났으며, 이로부터 O/W 유화액 제조과정에 BBD-RSM 최적화 분석을 적용할 경우 비교적 높은 유의수준의 만족하는 결과를 얻을 수 있었다.
교호효과도의 경우는 (유화제의 첨가량 × 회화나무꽃 추출물 첨가량)인 x1x2의 경우 가장 작은 P-value = 0.254와 가장 큰 F-value = 1.43로 나타내 유화액의 점도에 가장 큰 영향을 미치며 교호효과도임을 알 수 있었다.
그래프를 통해 독립변수가 2개 고정하여 유화제의 첨가량 및 회화나무꽃 추출물 첨가량만 변화시킬 경우 역시 점도에 대해 가장 큰 영향을 미치고 있는 것을 알 수 있었다.
이러한 분석결과에 의해 통계학적 이론을 활용하여 ESI의 경우에는 BBD-RSM을 통해 계산된 회귀방정식은 정규분포에 부합하였다. 또한 유화액의 ESI에 미치는 주효과도 분석 결과 4개 독립변수 중 회화나무꽃 추출물 첨가량인 x₂의 P-value가 0.004로 가장 작게 나타난 동시에 F-value가 13.09로 가장 크게 나타나기 때문에 주효과도가 가장 높은 것을 알 수 있었다.
%, 유화시간 18 min, 그리고 유화속도는 5600 rpm로 나타났다. 또한 최적조건에서의 유화액의 ESI는 93.84%로 산출되었다.
8%)이었다. 이 조건에서의 실제 실험결과 오차율은 모두 5% 이하로 나타나 회화나무꽃 추출물을 첨가한 cosmeceuticals의 제조공정에서 BBD-RSM을 적용할 경우 우수한 최적화 과정을 수행할 수 있었다.
81%로 산출되었다. 이를 확인하기 위해 실제 실험을 진 행한 결과 O/W 유화액의 MDS는 1963.68 nm로 오차율 4.7%, 점도는 1812.93 nm로 오차율 1.3%, ESI는 91.99%로 오차율 1.9%를 나타내 었다. 각 반응치의 예측값과 실제 실험결과의 오차율은 모두 5% 이내로 나타났으며, 이로부터 O/W 유화액 제조과정에 BBD-RSM 최적화 분석을 적용할 경우 비교적 높은 유의수준의 만족하는 결과를 얻을 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유화안정도지수란 무엇인가?	유화액의 안정성을 평가하기 위한 유화안정도지수(emulsion stability index, ESI)는 유화액의 creaming 정도를 나타내는 척도이다. 유화액 제조 후 7 day 간 25 ℃의 incubator에서 밀폐된 glass cell로 보관하여 creaming 과정이 끝난 7 day차 이후의 데이터를 채용하였다.
	회화나무 꽃망울의 특징은 무엇인가?	회화나무(Sophora japonica L.)의 꽃망울(Flos Sophorae Immaturus)은 우수한 항산화 능력을 가지고 있어 소염, 항균, 피부노화 예방 등에 효용이 있는 것으로 알려져 있다[4-6]. 회화나무는 강한 생명력으로 생장성이 우수하며, 예로부터 해열, 해독 등의 효능으로 약차로 음용되고 있다.
	sugar ester가 다양한 지방산과 결합할 수 있는 이유는 무엇인가?	또한 천연 유화제인 sugar ester는 자당 지방산 에스테르(sucrose fatty acid esters)인 sugar substituent를 가지고 있는 비이온성 유화제이다[7-10]. 유화제 성분중 하나인 sucrose 안에 유리상태의 free hydroxyl groups을 가지기 때문에 다양한 지방산과 결합할 수 있다.

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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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