압출성형 및 효소처리를 이용한 참당귀 유용성분 추출조건 최적화 = Optimization of Extraction Condition for the Functional Components from Angelica gigas Nakai Using Extrusion Process and Enzyme Treatment

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 참당귀를 이용한 기능성 소재를 개발하기 위하여 원료의 유용성분과 다당체의 이화학적 특성을 분석하였고 이용가치를 높이기 위한 압출성형공정을 적용하였다. 압출성형공정의 공정변수에 따른 유용성분과 수용성 추출물의 특성을 분석하여 최적조건을 선정하였으며 효소처리에의한 다당체의 특성을 평가하였다. 그 결과는 다음과 같다.

1. 참당귀 원료에 대한 특성을 확인하기위하여 일반성분 및 이화학적인 분석, 항산화 성분 함량 및 항산화활성 평가, 지표성분 분석, 다당체 분석을 하였다. 또한 압출성형공정을 적용하여 참당귀의 유용성분 및 다당체의 추출 증대를 위한 최적조건 구명과 공정변수(온도, 수분함량, 스크류 속도)에 따른 이화학적 특성분석과 항산화 성분을 측정하였다. 뿐만 아니라 참당귀 열수추출물에서 효소처리를 달리하여 기능성 소재 개발에 활용할 수 있는 다당체 추출방법을 확립하였다.

2. 참당귀 원료에서는 추출수율이 44.40%, 항산화 성분인 총 폴리페놀이 0.48% 총플라보노이드는 0.32%이었으며 항산화 활성은 IC50= 139.99~163.78 ㎍/mL이었다. 지표성분 함량인 decursin 와 decursinol angelate의 함량은 5.31%이었다. 다당체 분리를 위한 효소처리는 참당귀의 총당 함량이 VAFT 처리에 의해 가장 높은 함량을 보였고, 제거된 전분함량도 높게 나타났다. 뿐만 아니라 중성당과 우론산 함량이 높았으며 참당귀 다당체의 주요성분인 arabinose와 galactose도 높은 편 이었다. VAFT 효소처리에 의한 참당귀 다당체의 분자량은 대조구 491,000 Da에 비하여 13,000 Da로 저분자화 되어 최적 효소처리 조건임을 확인 할 수 있었다.

3. 참당귀를 압출성형공정에 적용한 결과 참당귀 압출성형물의 수용성 성분 추출율은 대조구 보다 21.75% 증가하여 유의적(p<0.05)인 차이가 있었으며, 수용성 성분이 최대 추출율을 나타내는 최적조건은 스크류 속도가 92.48 rpm이고, 참당귀 미분 투입량 30.56 kg/h 와 가수량 4.16 kg/h이었다.

4. 참당귀의 항산화성분인 총폴리페놀은 대조구 보다 40% 증대되었으며 압출성형공정 시 스크류 속도, 원료투입량이 높을수록 증가하는 경향으로 최적조건은 압출성형처리 중 스크류 속도가 62.76 rpm이고, 참당귀 미분 투입량 34.79 kg/h 와 가수량 4.44 kg/h이었다. 또한 총 플라보노이드 함량은 0.80%으로 대조구 보다 42.5% 높아 유의적(p<0.05)인 차이를 나타내었으며 폴리페놀과 유사하게 스크류 속도와 원료투입량에 영향을 받으며 이에따라 항산화 활성은 10.29～14.59%의 증대된 산화억제 효과를 나타내었다.

5. 지표성분인 decursin 와 decursinol angelate 함량은 6.37% 으로 대조구 보다 16.64% 증가하여 유의적(p<0.05)인 차이를 나타내었다. 압출성형처리 중 원료투입량, 가수량이 높을수록 증가하는 경향으로 최적조건은 스크류 속도가 93.71 rpm이고, 참당귀 미분 투입량 28.67 kg/h 와 가수량 9.9 kg/h이었다.

6. 참당귀 압출성형물의 다당체 수율은 32.9%로 대조구 보다 14% 증가하여 스크류 속도에 영향을 받는 것으로 확인되었다. 최적조건은 스크류 속도가 17.82 rpm이고, 참당귀 미분 투입량 30.83 kg/h 와 가수량 7.13 kg/h었다.

7. 참당귀 압출성형물의 다당체 성분 중 전분함량은 감소하였고, 중성당과 우론산 함량은 증대하였으며 다당체의 주요성분인 arabinose와 galactose도 높은 편 이었다. 또한 분자량은 53,417Da로써 대조구 491,282Da 보다 다당체의 분자량이 감소 된 경향이었다.

8. 이러한 결과를 바탕으로 참당귀에 함유되어있는 수용성 성분 극대화를 위해 압출성형물에 최적 효소처리 조건인 VAFT을 처리한 결과 효소처리구 참당귀 압출성형물은 압출성형물에 비해 비전분 다당체 수율이 45.3% 증대되었고, 중성당 함량이 53% 증대되어 유의적(p<0.001)인 결과를 나타내었다. 또한 arabinose 함량은 38.3%, galactose 함량은 38.4%로 참당귀 압출성형물 대비 각각 2.9%, 8.2%로 증대 되었다. 분자량은 8,405Da로 대조구 16,362Da 대비 다당체 분자량이 약 50% 감소하여 저분자화 되었다.

이상의 결과를 종합해 보면 참당귀의 유용성분을 수용화하기 위해서는 1차적으로 압출성형처리를 통하여 세포벽의 구성 메트릭스를 붕괴하여 고분자를 수용화하고, 2차적으로는 효소처리에의해 압출성형처리로 이완된 조직구조를 완전히 수용화함으로서 수용성 성분을 증대시킬 수 있었다. 따라서, 압출성형처리와 효소처리를 병행하면 일부 단단한 조직을 갖는 세포벽도 효율적으로 수용화 할 수 있어 참당귀의 비전분 다당체의 추출율의 증대를 가져올 수 있음을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study was conducted by extrusion process and enzyme treatment to maximize the extraction of functional components in Angelica gigas Nakai. In addition, the optimizing condition of the extrusion process and the enzyme treatment was established to increase the extraction of the functional components in A. gigas. Thus, if the functional components separated from A. gigas through the complex process of the extrusion process and the enzyme process are industrially used, the added value of A. gigas will be raised, and A. gigas will be able to be used for various industrial materials. We identified the characteristics of the base materials of A. gigas, looked deep into the optimizing condition of the extrusion process to increase the extrusion of the functional components in A. gigas, and analyzed physiochemical characteristics depending on extrusion process variables (temperature, moisture content, screw speed). In addition, we established an extraction method for polysaccharide by using the different enzyme treatment for the hot water extract of A. gigas to develop functional materials.
As a result of applying A. gigas to the extrusion process, water-soluble constituents were increased to 21.75% compared to a control, showing a meaningful difference (p<0.05). The optimizing condition of the constituents was that the screw speed was 92.48 rpm, the input of A. gigas powder was 30.56 kg/h, and the amount of water was 4.16 kg/h. The total polyphenol which is the antioxidative components of A. gigas was increased by 40% compared to a control, and it tended to be increased as the screw speed and the amount of base material of the extrusion process become higher. At this time, the optimizing condition was that the screw speed was 62.76 rpm, the amount of A. gigas powder was 34.79 kg/h, and the amount of water was 4.44 kg/h. As the result of measuring the antioxidant activities of A. gigas extrusion, the inhibition of oxidization had the effect of 10.29~14.59% compared to a control. The content of decursin and decursinol angelate, which were index components, was 6.37%; it was increased by 16.64% compared to a control (5.31%), showing a meaningful difference (p<0.05). The content of decursin and decursinol angelate tended to be increased as the amount of base material and the amount of water become higher, and the optimizing condition was the screw speed 93.71 rpm, the amount of A. gigas powder was 28.67 kg/h, and the amount of water was 9.9 kg/h. In the enzyme treatment for the separation of polysaccharide, the total carbohydrate content in A. gigas and starch content become higher by the Viscozyme, Alcalase, Flavorzyme, Termamyl 120L(VAFT) treatment. In addition, neutral sugars and uronic acid were high, and the arabinose and galactose which were the main component of A. gigas were also high. The molecular weight of polysaccharide in A. gigas treated by the VAFT enzyme treatment was lower to 13000Da compared to a control (491000 Da), and the treatment was selected as the optimizing condition. As the result of applying VAFT, the optimizing condition, to A. gigas extrusion, compared to a control, the nonstarch polysaccharide yield was increased by 45.3% and the neutral sugars content was increased by 53%, showing a meaningful difference (p<0.001). In addition, the arabinose content was increased by 2.9% to 38.3% and the galactose content was increased by 8.2% to 38.4% compared to the A. gigas extrusion. The molecular weight was lower by about 50% to 8,405Da compared to a control (16,362Da).
Therefore, as the result of this study, it is expected that A. gigas will be widely used for industrial materials and help to develop and research the materials of different medicinal plants which were not yet known.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• Ⅱ. 재료 및 방법 7
• 1. 참당귀 원료 특성
• 1-1 재료 7
• 1-2 일반성분 분석 7
• 1-3 열수추출물 제조 및 이화학적 특성 분석 7
• 1-3-1 열수추출물 제조 7
• 1-3-2 이화화적 특성 분석 7
• 1-3-2-1 수분용해지수 8
• 1-3-2-2 수분흡착지수 8
• 1-4 항산화 성분 및 항산화 활성 평가 8
• 1-4-1 항산화 성분 분석 8
• 1-4-1-1 총폴리페놀 함량 8
• 1-4-1-2 총플라보노이드 함량 9
• 1-4-2 항산화 활성 평가 9
• 1-4-2-1 DPPH radical 소거능 9
• 1-4-2-2 ABTS⁺ radical 소거능 10
• 1-5 지표성분 함량 분석 10
• 1-6 다당체 분리 및 이화학적 특성 분석 11
• 1-6-1 효소처리에 의한 다당체의 분리 11
• 1-6-1-1 다당체 분리를 위한 최적 효소처리 선정 11
• 1-6-1-2 다당체 분리 및 수율 함량 분석 12
• 1-6-2 다당체의 이화학적 특성 분석 14
• 1-6-2-1 당 함량 18
• 1-6-2-2 우론산 함량 18
• 1-6-2-3 리그닌 함량 18
• 1-6-2-4 구성당 분석 18
• 1-6-2-5 분자량 분포 19
• 2. 참당귀 압출성형물의 특성 20
• 2-1 압출성형공정 20
• 2-2 이화학적 특성 분석 21
• 2-2-1 압출성형물 제조 및 수율 분석 24
• 2-2-2 이화학적 특성 분석 24
• 2-2-2-1 수분용해지수 24
• 2-2-2-2 수분흡착지수 24
• 2-3 항산화 성분 및 항산화 활성 평가 24
• 2-3-1 항산화 성분 분석 24
• 2-3-1-1 총폴리페놀 함량 25
• 2-3-1-2 총플라보노이드 함량 25
• 2-3-2 항산화 활성 분석 25
• 2-3-2-1 DPPH radical 소거능 25
• 2-3-2-2 ABTS⁺ radical 소거능 25
• 2-4 지표성분 함량 25
• 2-5 다당체 분리 및 이화학적 특성 분석 25
• 2-5-1 다당체의 분리 및 수율 분석 25
• 2-5-2 이화학적 특성 분석 26
• 2-5-2-1 당 함량 26
• 2-5-2-2 우론산 함량 26
• 2-5-2-3 리그닌 함량 26
• 2-5-2-4 구성당 26
• 2-5-2-5 분자량 분포도 26
• 3. 통계처리 26
• Ⅲ. 결과 및 고찰 27
• 1. 참당귀의 원료 특성 27
• 1-1 일반 성분 및 이화학적 특성 27
• 1-2 항산화 성분 및 항산화 활성 28
• 1-2-1 항산화 성분 28
• 1-2-2 항산화 활성 30
• 1-3 참당귀의 지표성분 32
• 1-4 참당귀 다당체 분리 및 이화학적 특성 34
• 1-4-1 다당체의 분리 및 수율 34
• 1-4-2 이화학적 특성분석 37
• 1-4-2-1 주요성분 함량 37
• 1-4-2-2 구성당 39
• 1-4-2-3 분자량 분포 41
• 2. 참당귀 압출성형물 특성 44
• 2-1 압출성형물 제조 및 이화학적 특성 44
• 2-1-1 압출성형물 제조 44
• 2-1-2 이화학적 특성 46
• 2-2 압출성형물의 항산화 성분 및 항산화 활성 55
• 2-2-1 항산화 성분 55
• 2-2-2 항산화 활성 62
• 2-2-2-1 DPPH radical 소거능 62
• 2-2-2-2 ABTS⁺ radical 소거능 66
• 2-3 압출성형물의 지표성분 함량 70
• 2-4 압출성형물의 다당체 분리 및 이화학적 특성 74
• 2-4-1 수율 74
• 2-4-2 주요성분 함량 80
• 2-4-3 구성당 83
• 2-4-4 분자량 분포 87
• Ⅳ. 요 약 90
• Ⅴ. 참고 문헌 93