초록 ▼

○ 연구결과
제 1세부
본 연구에서 녹차엽으로 부터 카페인을 제거하는 공정을 개발하기 위하여 이상적인 용매로 널리 알려진 초임계 이산화탄소와 함께 조용매로 에탄올과 물을 사용하였다. 추출조건의 최적화에 있어서 카페인의 변화량은 물론 녹차 내의 중요한 생리활성 성분인 EGCG, EGC, ECG, EC의 함량 변화도 중요하다. 이를 만족시키기 위해 추출 최적조건인 온도 ${70^{\circ}C}$, 압력 300 bar, 그리고 조용매로 95% 에탄올을 이산화탄소 100g 당 7.0g의 비율로 추출했을 때,

○ 연구결과
제 1세부
본 연구에서 녹차엽으로 부터 카페인을 제거하는 공정을 개발하기 위하여 이상적인 용매로 널리 알려진 초임계 이산화탄소와 함께 조용매로 에탄올과 물을 사용하였다. 추출조건의 최적화에 있어서 카페인의 변화량은 물론 녹차 내의 중요한 생리활성 성분인 EGCG, EGC, ECG, EC의 함량 변화도 중요하다. 이를 만족시키기 위해 추출 최적조건인 온도 ${70^{\circ}C}$, 압력 300 bar, 그리고 조용매로 95% 에탄올을 이산화탄소 100g 당 7.0g의 비율로 추출했을 때, 녹차 내 카페인의 함량이
초기 함량 대비 2.6% 잔존하였으나 EGCG의 함량도 초기함량 대비 40% 정도 손실되는 결과를 얻었다. 카페인 추출 수율은 온도가 일정할 때 압력이 증가할수록 높고, 압력이 일정한 조건에서는 온도가 높아질 수 록 수율이 높게 나타났다. 또한 이산화탄소의 유속을 증가 시켰을 때 카페인의 양적인 추출 수율은 증가 하였으나, 녹차입자의 외부물질전달 저항의 영향이 적기 때문에 이산화탄소 사용량에 대한 상대적 추출 수율은 감소 하였다. 녹차엽의 입자크기를 감소 시켰을 때는
녹차입자 내부의 물질전달 저항이 적어져서 카페인의 추출이 잘 되는 결과를 얻었다. 위의 물리화학적 및 물질전달적인 실험조건을 바탕으로 80-120 분간 추출하였을 때 카페인은 90%이상 제거되고 카테킨 성분 중 가장 많은 함량을 차지하는 EGCG는 50% 가량 잔존하는 결과를 얻었다. 위의 실험조건을 scale-up 했을 때도 적용 할 수 있는지 알아 보기 위해 pilot-scale 에서 확인 해본 결과 비슷한 경향을 확인 할 수 있었다. 그렇지만 pilot-scale에서는 초임계 이산화탄소 사용량 대비 카페인의 추출 수율이 lab.-scale에 비해 현저하게 적게 나타나는 결과를 확인할 수 있었다. 이는 사용된 추출용기, 시료량 그리고 이산화탄소의 유속이 lab.-scale보다 굉장히 커서 수율이 낮은결과를 나타내었다.
제 2세부
녹차에는 10~30%의 폴리페놀성분과 2~4%의 카페인이 함유되어 있다. 카페인은 질소를 함유 하고 있는 알카로외드 화합물의 일종으로서 흥분, 초조함, 두통, 불면증, 저체중아 출산 등을 유발 한다. 이러한 부작용으로 인하여 카페인 성분을 제거한 탈카페인 음료가 시장에 등장하였고 탈카페인 커피는 이미 1970년대부터 커다란 시장을 형성하고 있다. 녹차의 생리작용이 알려지기 시작하면서 커피의 높은 소비율은 점점 녹차로 이동하고 있다. 유기용매는 암을 유발하기 때문에 초임
계이산화탄소를 이용한 탈카페인 방법이 산업화되었고 친환경적이며 향미성분의 유실이 적다는 장점을 가지고 있다. 초임계이산화탄소를 이용한 디카페인 녹차는 안전한 것으로 생각되나 충분한 연구가 이루어지지 않았다. 이에 본 연구진은 CHL 세포주를 이용하여 염색체 이상 시험을 진행하였다. 탈카페인 녹차 추출물 5000, 2000, 1000 $\mu$g/ml을 처리하고 음성대조군과 비교하였을 때 염색체 이상 정도에서 유의적인 차이가 나타나지 않았다(P>0.05). S9 혼합물을 이용한 대사활성화 방법에서도 같은 결과가 관찰되었다. 결론적으로 초임계이산화탄소를 이용한 탈카페인 녹차의 열수추출물은 염색체이상을 유발하지 않는 것으로 나타났다.
제 3세부:
일반적인 녹차와 카페인이 제거된 녹차의 휘발성 향기성분을 비교하기 위해 동시증류추출법 (simultaneous steam distillation and solvent extraction, SDE)을 사용하여 추출하고, gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS)로 분석하였다. 일반적인 녹차와 카페인이 제거된 녹차의 휘발성 향기성분으로 총 41개의 성분들이 동정 되었으며, 이는 8개의 alcohols, 15개의 terpene계 성분, 10개의 carbonyls, 4개의 질소 함유 성분, 4개의 기타 성분으로 분류되었다. 그 중 에서 linalool과 phenylacetaldehyde는 일반적인 녹차와 카페인이 제거된 녹차에서 모두 많은 양이
정량되었다. 일반적인 녹차의 휘발성 향기 성분에 비해 초임계 이산화탄소를 사용하여 카페인을 제거한 녹차의 휘발성 향기성분은 대부분 감소하였으며, 카페인을 제거하면 할수록 보다 많은 휘발성 향기 성분이 감소하였다. 특히, 비극성 성분인 terpene계 성분의 경우 카페인을 제거하는 과정이 진행 될수록 휘발성 향기 성분은 점차적으로 감소하였다. 일반적인 녹차와 카페인이 제거된 녹차의 휘발성 향기활성성분은 단계별 희석한 향추출희석법 (aroma extract dilution analysis,
AEDA)에 의해 동정, 비교되었다. 대부분의 greenish 하고 꽃향을 나타내는 hexanal, (E)-2-hexenal, 일부 미동정된 향기성분들은 카페인을 제거하는 과정 후에 손실 되거나 감소하였 다.

Abstract ▼

Part I: In this study, to remove caffeine from green tea leaves (Camellia sinensis), we have employed supercritical carbon dioxide (SC-$CO_2$), which is known to be an ideal solvent, coupled with a cosolvent such as ethanol or water. In the optimization of the extraction conditions, not o

Part I: In this study, to remove caffeine from green tea leaves (Camellia sinensis), we have employed supercritical carbon dioxide (SC-$CO_2$), which is known to be an ideal solvent, coupled with a cosolvent such as ethanol or water. In the optimization of the extraction conditions, not only variations in the amount of caffeine, but also the quantities of the principal bioactive components of green tea, including catechins such as epigallocatechin gallate (EGCG), epigallocatechin (EGC), epicatechin gallate (ECG), and epicatechin (EC), were determined. At optimal extraction conditions, including temperature, pressure, and cosolvent, the caffeine content in the decaffineated green tea was reduced to 2.6% of initial content after extraction with SC-$CO_2$ modified with 95% (v/v) ethanol 7.0 g per 100 g of $CO_2$ at 300 bar and ${70^{\circ}C}$ for 120 min. However, after extraction, a substantial loss of EGCG, as much as 40% of original content, proved unavoidable. The removal yield of caffeine increased with an increase in temperature at a constant pressure, and also at different pressures at a fixed temperature. When the $CO_2$ mass flow rate increased, the total extraction yield of caffeine (amount of caffeine extracted per amount of $CO_2$ used) also increased, but the extraction efficiency of $CO_2$ decreased, possibly due to the negligible effect of external mass transfer resistance around green tea leaf particles. The reduction of green tea leaf particle size by grinding also resulted in the enhanced extraction of caffeine through the predominance of intraparticle mass transfer resistance inside green tea particles. All together, over 90% of caffeine was removed, and 50% of EGCG was retained in the laboratory-scale (extraction vessel of 100-mL internal volume) extraction in 80-120 min. In the pilot-scale extraction (extraction vessel of 12-L internal volume), more than 90% of caffeine was removed, and 50% of EGCG was successfully was retained in the decaffeinated green tea leaves using SC-$CO_2$ extraction. However, the extraction yield of caffeine per kg of $CO_2$ used at the pilot scale was much lower that at the laboratory scale.
Part II: There are 10~30% polyphenol and 2~4% caffeine in green tea. Caffeine is a kind of
alkaloid containing nitrogen which cause stimulation, impatience, headache, insomnia, low birth weight infant. Because of these negative effect, decaffeined beverage came out and decaffeined coffee already have a big market since 1970s. Having proving the physiologic functions of green tea, high consumption of coffee is shifting to green tea. Because of the carcinogenic effect of the organic solvents, decaffeine processing with supercritical carbon dioxide has industrialized and have an advantage in environment-friendly and minimized flavor loss. Decaffeined green tea using supercritical carbon dioxide is considered to be safe but there are not enough study. We investigated the chromosome aberration test with mammalian cell line, CHL. When the cells were treated with 5000, 2000, 1000 $\mu$g/ml and compared with the negative controls, there were no significant(P>0.05) increased chromosome aberration. Same results was observed when adding S9 mixture or not. As a result, water extract of decaffeined green tea using supercritical carbon dioxide does not induce chromosome aberration.
Part III: Volatile components in regular and decaffeinated green teas were isolated by simultaneous steam distillation and solvent extraction (SDE), and then analyzed by GC-MS. A total of 41 compounds, including 8 alcohols, 15 terpene-type compounds, 10 carbonyls, 4 N-containing compounds and 4 miscellaneous compounds, were found in regular and decaffeinated green teas. Among them, linalool and phenylacetaldehyde were quantitatively dominant in both regular and decaffeinated green teas. By decaffeination process using supercritical carbon dioxide, most volatile components decreased. The more caffeine was removed, the more volatile components were reduced in green teas. In particular, relatively non-polar compounds such as terpene-type compounds gradually decreased according to the
decaffeination process. Aroma-active compounds in regular and decaffeinated green teas were also determined and compared by aroma extract dilution analysis (AEDA). Most greenish and floral flavor compounds such as hexanal, (E)-2-hexenal and some unknowns disappeared or decreased after the decaffeination process.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 요 약 문 ... 3
• SUMMARY ... 4
• 목 차 ... 8
• 제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 10
• 제 1 절 연구개발의 목적 ... 11
• 제 2 절 연구개발의 필요성 ... 11
• 제 3 절 연구개발의 범위 ... 14
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 19
• 제 1 절 식품산업에서의 탈카페인 기술 ... 20
• 제 2 절 식품용 추출용매의 안전성 ... 20
• 제 3 절 카페인의 생리학적 독성 관련 연구동향 ... 20
• 제 4 절 녹차의 향미 특성 및 관능 특성 연구 동향 ... 21
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 22
• 제 1 절 카페인과 catechin의 추출용매 별 선택적 분리조건 최적화 ... 23
• 제 2 절 녹차엽의 탈카페인 공정의 개발 ... 38
• 제 3 절 Ethyl acetate를 이용한 녹차엽의 선택적 탈카페인 추출조건 확립 ... 57
• 제 4 절 녹차시장 현황 및 탈카페인의 시장현황 조사 분석과 탈카페인 제거 공정의 경제성 평가 ... 64
• 제 5 절 녹차엽의 생리적 안전성 평가 ... 69
• 제 6 절 초임계이산화탄소에 의해 탈카페인된 녹차엽의 in vitro 안전성 및 기능성 평가 ... 79
• 제 7 절 생산소재의 in vivo 기능성 효능 연구 ... 107
• 제 8 절 녹차엽의 휘발성 향미성분의 추출법 및 분석법 확립 ... 126
• 제 9 절 초임계 이산화탄소에 의해 탈카페인된 녹차엽의 휘발성 향미성분 분석 ... 136
• 제 10 절 Ethyl acetate에 의해 탈카페인된 녹차엽의 휘발성 향미성분 분석 및 향기활성성분 분석 ... 143
• 제 11 절 초임계 이산화탄소에 의해 탈카페인된 녹차엽의 관능검사 ... 150
• 제 12 절 초임계 이산화탄소에 의해 탈카페인된 녹차엽의 소비자 기호도 검사 ... 158
• 제 13 절 Ethyl acetate에 의해 탈카페인된 녹차엽의 관능검사 ... 165
• 제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 170
• 제 1 절 연구개발 착안점 및 달성도 ... 171
• 제 2 절 관련분야의 기술발전에의 기여도 ... 172
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ... 174
• 제 1 절 연구 활용 방안 ... 175
• 제 2 절 추가 연구의 필요성 ... 176
• 제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 177
• 제 7 장 참고문헌 ... 179
• 끝페이지 ... 185