반응표면분석법을 이용한 인삼 열매 저온 진공 추출물의 항산화 활성 및 진세노사이드 함량 최적화 연구

국문 초록 (Abstract)

본 연구의 목적은 부산물로 간주 되어 활용도가 낮았던 인삼 열매(Panax ginseng C.A. Meyer berry)에 포함된 기능성 성분을 효과적으로 확보하기 위해, 저온 진공 추출 공정의 최적 조건을 규명하는 데에 있다. 이를 위해 반응표면분석법(Response Surface Methodology, RSM)을 적용하여 추출 온도, 시간 및 압력 변수가 항산화 활성(ABTS, DPPH, FRAP, TPC)과 진세노사이드(ginsenoside, Rg1, Rg2, Re, Rb1, Rb2, Rc, Rd) 함량에 미치는 영향을 분석하고, 해당 지표들을 극대화 할 수 있는 최적 추출 조건을 도출하고자 하였다.
독립변수는 추출 온도(45∼70°C), 추출 시간(30∼90 min), 진공압력(-10∼-50 kPa)의 세 가지로 설정하였고, 종속변수로는 ABTS 라디칼 소거능, DPPH 라디칼 소거능, FRAP 환원력, TPC, 및 진세노사이드 계열 함량을 측정하였다. 이러한 요인과 변수를 기반으로 반응표면분석법 중 Box–Behnken Design(BBD)를 적용하여 최적의 추출 공정 조건을 설정하였다.
항산화물질 분석 결과, TPC는 57.5°C·30 min·-50 kPa 조건에서 494.57 mg GAE/100 g으로 가장 높았고, ABTS는 70°C·60 min·-10 kPa에서 862.45 µg Trolox eq/mL, DPPH는 70°C·30 min·-30 kPa에서 525.08 µg Trolox eq/mL, FRAP은 70°C·30 min·-30 kPa에서 1621.80 µg FeSO4 eq/mL로 최대치를 보였다.
최적화를 수행한 결과, 70°C, 88.46 min, -16.15 kPa 조건에서 전체 바람직도 지수(D)는 0.6567로 가장 높게 산출되었으며, 이때 예측된 TPC, ABTS, DPPH, FRAP 값은 각각 494.78 mg GAE/100 g, 849.38 µg Trolox E/mL, 508.66 µg Trolox E/mL, 1574.09 µg FeSO4 E/mL였다. 산업 적용 가능성을 고려하여 진공압력을 -30 kPa로 고정한 조건에서 추가적으로 최적화를 수행한 결과, 70°C, 90 min, -30 kPa에서 바람직도 지수는 0.8005로 가장 높게 나타났다. 이 조건에서의 예측값은 TPC 455.89 mg GAE/100 g, ABTS 846.88 µg Trolox E/mL, DPPH 509.37 µg Trolox E/mL, FRAP 1634.95 µg FeSO4 E/mL였으며, 개별 바람직도는 TPC 0.547, ABTS 0.897, DPPH 0.838, FRAP 1.000으로 확인되었다.
진세노사이드 함량 분석 결과, PPT계(Rg1, Rg2, Re)는 57.5°C·90 min·-10 kPa 조건에서 각각 53.09, 25.47, 437.57 µg/g으로 가장 높은 함량을 나타냈다. PPD계(Rb1, Rb2, Rc, Rd)는 70°C·30 min·-30 kPa 조건에서 171.52, 120.86, 84.17, 100.20 µg/g으로 가장 높은 함량을 나타냈으며, 각 성분의 회귀모형 적합도(R²)는 0.784∼0.946 범위로 확인되어 모델의 설명력이 높은 것으로 평가되었다.
다중 반응 최적화 결과, 70°C·88.46 min·-16.15 kPa로 확인되었으며, 종합 바람직도(D)는 0.8996으로 나타났다. 산업 공정의 운전 가능성을 고려하여 압력을 -30 kPa로 고정하여 재분석한 결과, 최적 추출 조건은 70°C, 90 min으로 도출되었다. 이때 예측된 TPC, ABTS, DPPH, FRAP 값은 각각 494.78 mg GAE/100 g, 849.38 µg Trolox E/mL, 508.66 µg Trolox E/mL, 1574.09 µg FeSO4 E/mL로 확인되었다.
진세노사이드 다중 반응 모든 지표 최적화 결과, PPT계 진세노사이드는 고온(약 60∼70°C)과 중·장시간 조건(60∼90 min)에서 예측값이 증가하는 경향을 보였다. 특히 Re는 온도와 시간뿐 아니라 온도제곱항(X1, X2, X1²)이 모두 유의하게 작용하여 반응면의 곡률이 뚜렷한 포물선 패턴을 나타냈다. 반면 PPD계 진세노사이드 중 일부(Rb1, Rb2, Rc)는 회귀모형이 절편항만을 포함하여 설계 범위 내에서 예측값의 변화가 나타나지 않았으며, 이에 따라 모든 지표 최적화(global desirability)에서는 PPT계 성분이 결과를 주도하는 경향을 보였다. 이러한 구조적 특성으로, 모든 지표 최적 조건(70°C, 88.46 min, -16.15 kPa)에서도 PPD계 성분의 최적값은 개별 변화 없이 일정한 값으로 산출되었다. 산업 공정의 가능성을 고려하여 압력을 -30 kPa로 고정하여 재분석한 결과, 최적 추출 조건은 같게 70°C, 90 min, -30 kPa로 도출되었다. 이는 진세노사이드 회귀모형 중 온도(X1)가 대부분 성분에서 결정적 인자로 작용하고, Rg1과 Rd가 온도만 포함하는 단일함수, Rb1·Rb2·Rc는 절편 모형 구조를 이루고 있어 압력 제약 여부와 관계없이 같은 온도·시간 조합이 최적점으로 산출된 데에 기인한다. 해당 조건에서의 예측 함량은 Rg1 46.92 µg/g, Rg2 21.997 µg/g, Re 435.44 µg/g, Rb1 89.43 µg/g, Rb2 62.36 µg/g, Rc 48.32 µg/g, Rd 86.13 µg/g으로 나타났으며, 개별 바람직도(di)는 0.281∼0.973 범위로 분포하였다. 특히 Re와 Rd는 고온·장시간 조건에서 예측 수율이 크게 증가하여 높은 바람직도를 기록했지만, Rb1·Rb2·Rc는 상수 모형 구조의 영향으로 낮은 바람직도를 유지하였다. 진세노사이드 7종 성분의 바람직도를 기하 평균하여 산출한 종합 바람직도(D)는 0.438로 산출되었다.
항산화 활성(TPC, ABTS, DPPH, FRAP)과 진세노사이드 7종(Rg1, Rg2, Re, Rb1, Rb2, Rc, Rd)을 동시에 최대화하기 위한 다중 반응 최적화(multi-response optimization)를 수행하였다. 2차 다항 회귀모형을 기반으로 바람직도 함수를 적용한 결과, 전반적인 최적 추출 조건은 온도 70°C, 추출 시간 90 min, 압력 -11.3 kPa 부근에서 도출되었으며, 종합 바람직도(D)는 0.768로 나타났다. 이는 11개의 반응변수가 모두 높은 수준에서 균형적으로 개선되는 조건임을 의미한다.
산업적 적용 가능성을 고려하여 압력을 -30 kPa로 고정한 상태에서 실용적 관점의 최적 조건을 재탐색한 결과, 최적점은 동일하게 70°C와 90 min에서 최적점이 형성되었다. 특히 이 조건에서 FRAP는 실험 범위 내 최대값(di=1.0)에 도달하였으며, ABTS(0.897), DPPH(0.838), Rb1·Rb2·Rc(0.64∼0.67 범위)도 높은 수준을 나타냈다. 반면 일부 PPT계 진세노사이드(Rg1, Rg2)는 d = 0.45–0.63 범위로 상대적으로 낮았으나, 이는 PPT계 성분이 온도 증가에 따라 점진적으로 전환되는 반응 특성과 관련된 것으로 판단된다. 항산화 활성과 진세노사이드 함량을 동시에 극대화하기 위해서는 고온(약 70°C)과 장시간(90 min)이 핵심 조건으로 확인되었으며, 압력변수 역시 전체 바람직도에 영향을 미치지만 -30 kPa 수준에서도 높은 적합성을 확보할 수 있는 것으로 나타났다.
본 연구는 기존의 정성적 평가나 단일 지표 중심의 접근을 넘어, 다요인·다지표 기반의 정량적 모델링을 적용하여 인삼 열매 추출 특성과 공정인자 간 상호작용을 과학적으로 규명하였다는 점에서 큰 의의가 있다. 특히 항산화 지표와 진세노사이드 7종을 동시에 고려한 다중 반응 통합 최적화는 복합 기능성 물질이 공존하는 식물성 소재 연구에서 활용할 수 있는 유효 분석 방법론을 제시한다. 일부 성분의 경우 단일 조건 최적화보다 상대적으로 낮은 활성 값을 보였으나, 전체 기능성 지표의 균형적 향상을 고려한 실질적 최적 조건을 제안했다는 점에서 연구적·산업적 활용 가치가 높다.
현재 인삼 산업은 뿌리 중심의 가공 구조에 의존하고 있어, 원료 편중과 시장 포화라는 구조적 한계를 안고 있다. 본 연구는 그동안 부산물로 간주 되어 활용도가 낮았던 인삼 열매의 기능성 성분을 최적화하여 이를 친환경적이며 고부가가치 소재로 전환할 수 있음을 입증하였다. 이는 인삼 산업 내 원료 다변화, 부가가치 증대, 신제품 개발 가능성 확대에 기여하는 중요한 근거를 제공한다.
인삼 열매에는 다량의 진세노사이드와 항산화물질이 함유되어 있어 건강기능식품 원료로서의 높은 활용 잠재력이 있음을 확인하였다. 폐기되던 인삼 열매를 저온 진공 추출 공정을 통해 기능성 소재로 재활용함으로써, 자원 순환 촉진과 지속 가능한 산업 생태계 구축에도 긍정적으로 기여할 수 있다.
결론적으로 본 연구는 인삼 열매의 기능성 성분을 보존하면서도 효율적으로 회수할 수 있는 저온 진공 추출 공정 모델을 제시하였으며, 이를 기반으로 공정 최적화·품질 표준화·대량 생산 가능성에 대한 기초 자료를 마련하였다. 나아가 인삼 열매의 고부가가치 소재화 가능성을 제시함으로써 인삼 산업의 지속가능성과 경쟁력을 높일 수 있는 전략적 방향성을 제안한 연구라는 점에서 의의가 크다고 할 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The aim of this study was to establish the optimal low-temperature vacuum extraction conditions for maximizing the recovery of functional constituents from ginseng berry (Panax ginseng C.A. Meyer), a by-product that has traditionally been discarded in ginseng processing. To achieve this, Response Surface Methodology (RSM) was employed to determine the optimal extraction temperature, time, and vacuum pressure for enhancing antioxidant activities—ABTS, DPPH, FRAP, and total phenolic content (TPC)—as well as the yields of seven major ginsenosides (Rg1, Rg2, Re, Rb1, Rb2, Rc, Rd). The independent variables were defined as extraction temperature (45∼70°C), extraction time (30∼90 min), and vacuum pressure (-10 to -50 kPa), while the dependent variables were antioxidant activities and ginsenoside contents. A Box–Behnken Design (BBD) was applied to model the extraction responses and to derive optimal processing conditions.
For antioxidant activities, TPC was highest at 57.5°C, 30 min, and -50 kPa (494.57 mg GAE/100 g), while the maximum ABTS (862.45 µg Trolox eq/mL) was achieved at 70°C, 60 min, and -10 kPa. DPPH (525.08 µg Trolox eq/mL) and FRAP (1621.80 µg FeSO4 eq/mL) were both maximized at 70°C, 30 min, and -30 kPa. Global optimization of antioxidant indicators yielded an overall desirability (D) of 0.6567 at 70°C, 88.46 min, and -16.15 kPa. Considering industrial applicability, additional optimization with pressure fixed at -30 kPa produced the optimal condition of 70°C and 90 min, resulting in a desirability of 0.8005.
Ginsenoside profiling showed that PPT-type ginsenosides (Rg1, Rg2, Re) were maximized at 57.5°C, 90 min, and -10 kPa (53.09, 25.47, and 437.57 µg/g, respectively). In contrast, PPD-type ginsenosides (Rb1, Rb2, Rc, Rd) reached their highest levels at 70°C, 30 min, and -30 kPa (171.52, 120.86, 84.17, and 100.20 µg/g, respectively). Model fitting (R² = 0.784∼0.946) indicated significant variability in response behavior, with PPT-type ginsenosides showing strong temperature- and time-dependent curvature, while several PPD-type ginsenosides were fitted by intercept-only models, exhibiting minimal variation across the design range.
Multi-response optimization integrating both antioxidant indicators and ginsenoside yields identified the overall optimal extraction condition at approximately 70°C, 90 min, and -11.3 kPa, with a composite desirability (D) of 0.768. Under industrially feasible conditions with fixed pressure (-30 kPa), the optimal combination remained 70°C and 90 min. At this condition, FRAP reached its experimental maximum (di = 1.0), while ABTS, DPPH, and several PPD-type ginsenosides also exhibited high desirability values. PPT-type ginsenosides (Rg1, Rg2) showed relatively lower desirability, likely due to their thermal transformation patterns under prolonged heating. Overall, the results demonstrate that high-temperature (around 70°C) and extended extraction time (90 min) are key determinants for maximizing the combined functionality of ginseng berry extracts, while vacuum pressure exerts a secondary but meaningful influence.
This study is significant in that it applies quantitative modeling and multi-response optimization—beyond conventional qualitative evaluations—to elucidate process–response relationships in ginseng berry extraction. The findings validate ginseng berry as a rich source of ginsenosides and antioxidant compounds with high potential as a functional food material. By optimizing low-temperature vacuum extraction, this research provides a foundation for resource recycling, value-added material development, and sustainable industrial utilization of ginseng berries. Furthermore, the proposed extraction model offers practical insights for process standardization, large-scale production, and strategic diversification within the ginseng industry, which remains heavily root-centric. Consequently, this study contributes to enhancing the sustainability and competitiveness of the ginseng sector and supports the development of high-value functional ingredients derived from previously underutilized ginseng berries.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1. 연구 필요성 및 목적 1
• Ⅱ. 이론적 배경 6
• 1. 인삼과 인삼 열매의 특성 6
• 1) 인삼과 인삼 열매의 생리활성 물질 6
• 2) 인삼과 인삼 열매의 생리활성 효과 14
• 2. 저온 진공 추출법 26
• Ⅲ. 연구 방법 29
• 1. 실험 재료 29
• 2. 추출물 제조 방법 30
• 3. 항산화 활성 측정 32
• 1) ABTS 라디칼 소거능 32
• 2) DPPH 라디칼 소거능 34
• 3) FRAP 환원력 36
• 4) TPC함량 38
• 4. 진세노사이드 함량 40
• 5. 실험 설계 45
• 6. 통계 분석 48
• Ⅳ. 결과 및 고찰 50
• 1. 항산화 활성을 근거로 한 평가 50
• 1) 항산화 물질 평가 50
• 2) 분산 분석 53
• 3) 분석 모형 진단 60
• 4) 반응표면도 및 반응 등고선도 69
• 2. 진세노사이드 조성을 근거로 한 평가 81
• 1) 진세노사이드 정량 평가 81
• 2) 분산 분석 85
• 3) 분석 모형 진단 89
• 4) 반응표면도 및 반응 등고선도 107
• 3. 다중 반응 최적화 113
• 1) 항산화 물질 다중 반응 최적화 113
• 2) 진세노사이드 다중 반응 최적화 117
• 3) 항산화·진세노사이드 통합 다중 반응 최적화 122
• Ⅴ. 논의 및 제언 125
• 참고문헌 128
• Abstract 151