Comparison of Antioxidant activity Changes of Sea algae depending on Extraction Technologies using Response Surface Methodology = 반응표면분석법을 이용한 추출 기술에 따른 해조류의 항산화 활성 변화 비교

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 천연 항산화제로서의 잠재력을 가지고 있는 해조류의 항산화능을 최대로 나타낼 수 있는 추출 기술과 그에 따른 조건을 최적화하였다. 추출 조건을 최적화하기 위해 추출 기술에 따른 해조류의 항산화능을 비교하였으며, 다음과 같이 2개의 챕터로 나누어 연구를 수행하였다.

1장에서는 해조류의 추출 방법으로 Conventional extraction (CE)과 Green extraction (GE)을 비교하였다. 해조류를 CE으로 추출하였을 때와 GE (microwave assisted extraction (MAE), supercritical fluid extraction-CO2 (SFE-CO₂)) 으로 추출하였을 때의 항산화능과 총 페놀 함량을 비교하였다. 5종의 해조류에서 CE의 DPPH와 TPC의 범위는 5.15~66.43% 및 7.93~88.25 mg/g을 나타냈으며 GE의 DPPH와 TPC의 범위는 19.84~55.01% 및 17.76~127.99 mg/g을 나타내었다. 이와 같은 비교를 통해 해조류의 항산화물질을 추출할 때 CE보다 GE가 더 나은 방법임을 입증하였다. 또한 MAE, SFE-CO₂의 최적 추출 조건을 찾기 위해 response surface methodology (RSM)을 사용하여 각각의 해조류에 맞는 추출 방법마다 최적 추출 조건이 설정되었다. 그 다음 GE를 결합한 추출 방법인 combined green extraction (CGE)을 수행하여 해조류의 항산화능을 최대로 나타낼 수 있는 최적 CGE 기술을 선정하였다. 1장에서 설정된 최적 MAE 조건과 최적 SFE-CO₂ 조건을 기반으로 각각 ultrasound assisted extraction (UAE) 및 high pressure processing (HPP)를 결합하여 MAE+UAE와 MAE+HPP 및 SFE-CO₂+UAE와 SFE-CO₂+HPP, 총 4가지의 CGE를 진행하였다. 그 결과, MAE+UAE의 DPPH와 TPC의 범위는 15.10~70.23% 및 19.97~258.14 mg/g을 나타내었다. MAE+HPP의 DPPH와 TPC의 범위는 22.53~64.55% 및 22.28~225.18 mg/g을 나타내었다. SFE-CO₂+UAE의 DPPH와 TPC의 범위는 24.33~74.92% 및 35.24~263.06 mg/g의 범위를 나타내었다. SFE-CO₂+HPP의 DPPH와 TPC의 범위는 22.43~67.27% 및 31.47~245.31 mg/g의 범위를 나타내었다. 결과적으로 SFE-CO₂+UAE가 해조류의 항산화능을 최대로 나타낼 수 있는 최적 추출 기술로 선정되었고 이때의 추출 조건은 매생이 (SFE-CO₂: 165 bar와 50℃, UAE: 59%와 47분), 곰피 (SFE-CO₂: 100 bar와 41℃, UAE: 49%와 39분), 대황 (SFE-CO₂: 231 bar와 55℃, UAE: 60%와 42분), 참모자반 (SFE-CO₂: 219 bar와 44℃, UAE: 90%와 38분), 참김 (SFE-CO₂: 158 bar와 55℃, UAE: 87%와 26분) 이었다.

2장에서는 1장에서 최종적으로 선정된 최적 SFE-CO₂+UAE 조건으로 추출한 각각의 해조류의 물리화학적 특성들을 분석하였다. 갈조류에 속하는 대황이 ABTS+ radical scavenging activity (90.24%), total flavonoid content (85.08 mg/g), ACE 저해 활성 (67.92%), 그리고 xanthine oxidase 저해 활성 (90.08%) 모두 해조류 중 가장 높았다. 해조류 SEM images에서는 추출 과정 중에 생긴 긁힘과 다공성 구조가 관찰되었으며 각 추출 과정에 따라 다른 표면 구조를 확인하였다.

연구 결과, 최적 추출 조건으로 설정된 SFE-CO₂+UAE 기술로 추출된 해조류들은 천연 항산화제로서의 가능성이 충분하다고 판단되었으며 그 중에서도 갈조류인 대황이 가장 높은 항산화능을 보였다. 이에 따라 SFE-CO₂+UAE 기술을 사용하여 추출한 대황 추출물은 몸의 산화를 막는 항산화제 뿐만 아니라 저장기간 중 변색되는 적색어육 등에도 적용하여 적색어육의 변색 방지를 막을 수 있는 천연 항산화제로 개발하기 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.

목차 (Table of Contents)

• I. Introduction 1
• 1. Sea algae 1
• 2. Antioxidant 5
• 3. Extraction technologies 7
• 1) Conventional extraction (CE) 7
• 2) Green extraction (GE) 7
• 3) Combined green extraction (CGE) 12
• 4. Response surface methodology (RSM) 13
• Ⅱ. Objective 14
• Ⅲ. Materials and Methods 16
• Chapter 1. The optimum extraction technology and condition for enhancing antioxidant activities of sea algae extracts
• 1.1. Raw materials 15
• 1.2. Preparation of sea algae powder 18
• 1.3. Proximate composition 18
• 1.4. Preparation of sea algae extracts 19
• 1) Hot water extraction 19
• 2) 95% ethanol extraction 19
• 3) Microwave assisted extraction (MAE) 19
• 4) Supercritical fluid extraction-CO₂ (SFE-CO₂) 22
• 5) Microwave assisted extraction + ultrasound assisted extraction (MAE+UAE) and Supercritical fluid extraction-CO₂ + ultrasound assisted extraction (SFE-CO₂+UAE) 24
• 6) Microwave assisted extraction + high pressure processing (MAE+HPP) and Supercritical fluid extraction-CO₂ + high pressure processing (SFE-CO₂+HPP) 24
• 1.5. Antioxidant activities 25
• 1) DPPH radical scavenging activity 25
• 2) Total phenolic content 25
• 1.6. Experiment design by RSM 26
• Chapter 2. Analysis of the characteristics of sea algae extracts by the optimum extraction technology and condition
• 2.1. ABTS+ radical scavenging activity 27
• 2.2. Total flavonoid content 27
• 2.3. Angiotensin-I converting enzyme (ACE) inhibition 28
• 2.4. Xanthine oxidase inhibition 29
• 2.5. Scanning electron microscopy (SEM) 29
• 2.6. Statistical analysis 30
• Ⅳ. Results and discussion 31
• Chapter 1. The optimum extraction technology and condition for enhancing antioxidant activities of sea algae extracts
• 1.1. Proximate composition 31
• 1.2. Comparison of antioxidant activities of sea algae by different extraction technologies 34
• 1) Conventional extraction 34
• 1.3. Green extraction 36
• 1) Microwave assisted extraction (MAE) 36
• 2) Supercritical fluid extraction-CO₂ (SFE-CO₂) 50
• 1.4. Combined green extraction (CGE) 62
• 1) The optimization of MAE+UAE condition 62
• 2) The optimization of MAE+HPP condition 74
• 3) The optimization of SFE-CO₂+UAE extraction condition 86
• 4) The optimization of SFE-CO₂+HPP extraction condition 98
• 1.5. The optimum extraction technology and condition for each sea algae 109
• Chapter 2. Analysis of characteristics of sea algae extracts with the optimum SFE-CO₂+UAE condition
• 2.1. ABTS+ radical scavenging activity 112
• 2.2. Total flavonoid content 113
• 2.3. Angiotensin-I converting enzyme (ACE) inhibition 115
• 2.4. Xanthine oxidase inhibition 117
• 2.5. Scanning electron microscopy (SEM) 119
• Ⅴ. Conclusions 121
• References 124
• Abstract 143