KR101499875B1 - 초임계 유체를 이용한 미강유의 최적 추출 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미강으로부터 초임계 유체를 이용하여 미강유를 최적으로 추출하는 방법에 관한 것으로서, 본 방법은
(a) 초임계 유체 추출 조건으로서 일정범위의 추출압력(x₁), 일정범위의 추출온도(x₂) 및 일정시간의 추출시간(x₃)을 등분하고 각 등분단계로 부호화하여 미강유 추출계획을 수립하는 단계; 및
(b) 반응표면 분석법으로 미강유 추출수율 및 각 추출 조건별 미강유의 지방산 함량변화를 측정하는 단계;
를 포함하여 구성된다.

Description

초임계 유체를 이용한 미강유의 최적 추출 방법{Method for optimazation of rice bran oil extraction using supercritical fluid}

본 발명은 쌀겨(미강)로부터 미강유를 추출하는 방법에 관한 것으로, 특히 초임계 유체를 이용한 미강유의 최적 추출 방법에 관한 것이다.

미강이란 현미에서 백미로 도정하는 과정에서 생기는 쌀눈과 쌀겨로 이루어진 속껍질 가루를 말하며 현미의 약 8%를 차지한다. 미강의 조성은 벼의 품종, 도정 방법 등에 따라 다르나 수분함량 14%를 기준으로 할 때 단백질11~17%, 지방 15~20%, 조섬유 7~11%, 조회분 7~10%로 식이섬유 및 유용성분 등이 다량 함유되어 있다.

특히 미강은 혈중 콜레스테롤 저하효과, 항산화 효과, 혈압상승 억제 효과가 우수하며, 항산화력 등 생리활성이 우수한 토코페롤(tocopherol), 페놀산(phenolic acid), 오리자놀(oryzanol), 페룰산(ferulic acid) 등을 다량 함유하고 있다.

미강은 연간 생산량이 35,000톤에 달하는 유용한 자원임에도 불구하고, 30% 정도가 미강유 제조에 사용되고 나머지 70%는 사료나 비료 등의 물질로 이용되거나 농산물 폐기물화로 되고 있는 실정이다.

미강으로부터 얻은 기름을 미강유라고 하는데 이는 쌀겨로부터 풍부하게 얻을 수 있는 유지자원의 하나로 근래 많은 연구에서 미강의 영양소 및 유효성분 등에 대한 효능이 구명되고 산업적인 이용가치를 비추어 볼 때 미강유 산업은 매우 중요한 과제이다.

정제된 미강유는 중성지질 88~89중량%, 왁스(Waxes) 3~4 중량%, 유리지방산(Free fatty acid) 2~4중량%, 비-비누화물질 약 4중량%로 구성되어 있는데, 특히 비-비누화물질 부분에 천연 항산화제인 비타민 E와 감마-오리자놀(γ-oryzanol)이 포함되어 있다.

미강의 지용성 생리활성 물질 중 하나인 γ-oryzanol은 캄페스테롤(campesterol), 베타-시토스테롤(β-sitosterol) 등의 스테롤(sterol)과 트리에르페노이드 알코올(trierpenoid alcohol)이 모핵인 ferulic acid와 에스테르(ester) 결합을 하고 있는 무색, 무취의 혼합물질로 유지 및 유지식품의 산화방지제로서 이용될 뿐만 아니라 화장품 및 의약품의 원료로서 널리 사용되고 있다.

미강에서 오일을 추출하는 일반적인 방법으로는 압착법, 휘발성 유기용매 추출법 등이 사용되고 있으며, 일반적으로 오일 함량이 높은 원료의 경우 압착법을 이용하여 오일을 추출한 후 남은 찌꺼기에 포함된 오일을 휘발성 유기용매로 추출한다.

유기용매 추출의 경우 독성이 강한 석유 에테르, 공업용 헥산, 헵탄, 이소프로판올(특허 10-500633 참조) 등의 유기 용매가 다량으로 사용되므로 추출 후 유기용매의 처리와 환경오염의 문제가 있으며, 잔류 용매에 의한 독성 문제가 발생할 수 있다. 또한 추출 시간이 오래 걸리고 고온의 추출 온도를 필요로 하기 때문에 과량의 에너지 소비와 추출물 내 유효성분들의 변성이 발생할 수 있는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 선행기술의 제반 문제점을 감안하여 환경 친화적인 최적의 미강유 추출방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명자는 식품, 화장품, 의약품 분야 등의 산업바이오 소재로서의 활용가치가 높은 미강으로부터 초임계 이산화탄소 추출기술의 스케일업(scale-up) 공정에 대한 기초연구로서 추출온도, 압력, 시간 등의 공정변수가 미강유의 추출속도와 수율에 미치는 영향을 연구검토하여 환경 친화적인 최적의 미강유 추출방법을 도출해내서 본 발명을 완성하게 된 것이다.

상기한 목적을 달성한 본 발명에 의하면 미강으로부터 초임계 유체를 이용하여 미강유를 추출함에 있어서,

(a) 초임계 유체 추출 조건으로서 일정범위의 추출압력(x₁), 20℃ 이상 40℃ 미만의 추출온도(x₂) 및 일정시간의 추출시간(x₃)을 5등분하고 각 등분단계로 부호화하여 미강유 추출계획을 수립하는 단계; 및

(b) 반응표면 분석법으로 미강유 추출수율 및 각 추출 조건별 미강유의 지방산 함량변화를 측정하는 단계;

를 포함하여 구성되는 초임계 유체를 이용한 미강유의 최적 추출 방법이 제공된다.

바람직하게는 본 발명에 의하면, (c) 미강으로부터 초임계 유체에 의한 지방산 추출 수율 최적화를 분석하기 위해 추출시간은 고정하고 일정범위의 추출압력(x₁),상기한 범위의 추출온도(x₂)를 등분하고 각 등분단계로 부호화하여 지방산 추출계획을 수립하는 단계를 더 포함하여 구성되는 초임계 유체를 이용한 미강유의 최적 추출 방법이 제공된다.

바람직하게는 본 발명에 의하면, 상기 초임계 유체가 초임계 이산화탄소이고, 상기 단계(a)가 150~330 bar의 추출압력(x₁), 30℃ 이상 40℃ 미만의 추출온도(x₂) 및 30~240 분(min)의 추출시간(x₃)을 5 등분하여 5단계의 부호 -2, -1, 0, 1, 2로 부호화하여 추출계획을 수립하는 단계로 구성되는 초임계 유체를 이용한 미강유의 최적 추출 방법이 제공된다.

바람직하게는 본 발명에 의하면, 단계 (c)가 추출시간은 4시간으로 고정하고 90~330 bar의 추출압력(x₁), 20℃ 이상 40℃ 미만의 추출온도(x₂)를 5등분하여 5단계의 부호 -2, -1, 0, 1, 2로 부호화하여 지방산 추출계획을 수립하는 단계로 구성되는 초임계 유체를 이용한 미강유의 최적 추출 방법이 제공된다.

바람직하게는 본 발명에 의하면, 추출시간이 50~100분인 초임계 유체를 이용한 미강유의 최적 추출 방법이 제공된다.

바람직하게는 본 발명에 의하면, 미강유의 추출압력이 330bar이고, 추출온도가 32℃인, 초임계 유체를 이용한 미강유의 최적 추출 방법이 제공된다.

바람직하게는 본 발명에 의하면, 지방산 추출의 추출온도는 32℃이고 추출압력은 270bar인, 초임계 유체를 이용한 미강유의 최적 추출 방법이 제공된다.

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바람직하게는 본 발명에 의하면, 지방산에 대한 초임계 이산화탄소의 용해도는 0.80~0.93 g/ml 밀도 범위인, 초임계 유체를 이용한 미강유의 최적 추출 방법이 제공된다.

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본 발명에 따른 미강유 추출방법은 환경친화적이고 최적의 수율로 미강유를 추출하는 것을 가능하게 하며, 특히 본 발명에 의해 최적으로 추출되는 미강유 지방산은 고부가가치의 화장품 등으로 제품화하는데 매우 유용하다.

도 1은 본 발명의 실시예에서 사용된 파일럿규모의 초임계 유체추출기의 개략적인 장치도,
도 2는 비교예의 유기용매를 이용한 속슬레법(soxhlet method)에 의한 미강 추출 원유의 수율 변화 그래프,
도 3은 135g/min의 CO₂ 유속에서 초임계 이산화탄소( SC-CO₂ )에 의한 미강유의 추출율 곡선 그래프,
도 4는 도 3에 나타낸 실험결과로부터 계산한 초임계 이산화탄소내의 미강유 용해도 그래프,
도 5는 135g/min의 CO₂ 유속 및 45 시간에서 초임계 이산화탄소내 미강유 수율에 대한 온도 및 압력 영향을 나타낸 그래프,
도 6은 미강유추출수율(%)의 최적화를 위한 등고선도(Contour plots),
도 7은 수율(%)에 관한 추출조건의 영향에 대한 반응표면(Response surface)을 도시한 그래프,
도 8은 초임계 이산화탄소내 미강유의 지방산추출량에 대한 CO₂ 밀도(CO₂ density)의 영향을 도시한 그래프,
도 9는 미강에서 팔미트산(palmitic acid) 추출량((g/100g)의 최적화를 위한 등고선도,
도 10은 추출량(g/100g)에 관한 팔미트산 추출조건의 영향에 대한 반응표면을 도시한 그래프,
도 11은 미강에서 올레산(oleic acid) 추출량(g/100g)의 최적화를 위한 등고선도,
도 12는 추출량(g/100g)에 관한 올레산 추출조건의 영향에 대한 반응표면을 도시한 그래프,
도 13은 미강에서 리놀레산(linoleic acid) 추출량(g/100g)의 최적화를 위한 등고선도,
도 14는 추출량(g/100g)에 관한 리놀레산 추출조건의 영향에 대한 반응표면을 도시한 그래프.

이하, 본 발명을 첨부도면을 참조하여 바람직한 실시구현의 방법으로 설명하기로 한다.

본 발명에서 이용하는 초임계 유체 (Supercritical fluid)란 어떤 물질의 임계점(Critical point) 이상의 온도와 압력 조건에서 존재하는 유체로 액체와 기체의 중간 특성을 나타내며 밀도를 연속적으로 변화시킬 수 있기 때문에 용해도, 점도, 확산계수 등의 상태를 쉽게 조절할 수 있다. 또한, 낮은 점도와 표면장력 및 높은 확산계수의 특성을 나타내어 고체 물질 내부로의 효과적인 침투가 가능하기 때문에 유효 성분의 효율적 추출에 적합하다. 이런 장점들로 인하여 초임계 유체 추출은 유기용매 추출에 비하여 짧은 시간 내에 높은 추출 수율을 얻을 수 있는 매우 효과적인 공정기술이라 할 수 있다. 초임계 유체 중 이산화탄소의 경우 임계점(73.8 bar, 31℃)이 비교적 낮고 불연성, 무독성이며 재활용이 용이한 천연 용매라고 할 수 있으며, 추출물과의 반응성 및 부식성이 거의 없고 가격이 비교적 저렴하다는 장점을 가지고 있어 초임계 유체 추출공정에서 가장 널리 이용되고 있다.

[실시예 및 비교예]

본 실시예 및 비교예에서는 식품, 화장품, 의약품 분야 등의 산업바이오 소재로써의 활용가치가 높은 미강으로부터 초임계 이산화탄소 추출기술의 scale-up 공정에 대한 기초연구로서 추출온도, 압력, 시간 등의 공정변수가 미강유의 추출속도와 수율에 미치는 영향을 검토하여 최적 추출공정 조건을 분석하고자 하였다. 또한, 추출된 오일을 전이에스테르화 (transesterification) 반응을 시킨 후 이를 GC/FID로 분석하여 지방산 조성 변화를 확인하였다.

실험재료

미강(Rice Bran)분말은 2012년 3월 경남 김해시 소재 (주)PN RICE 로부터 기장 철마 풍년 1호의 도정 분말 가루를 공급받았으며, 표준망체 No. 40(425μm)을 통과한 분말을 취하여 60℃의 심온냉동고에 보관하면서 실험에 사용하였다.

초임계 유체 추출 실험의 용매로는 순도 99.9%의 식품용 이산화탄소(한국에스이엠, 대한민국)를 구입하여 사용하였으며, 유기용매 추출과 분석에 사용된 용매는 모두 HPLC급 (Fisher, USA) 으로 구입하여 더 이상의 정제과정 없이 바로 사용하였다. 오일 성분 분석을 위한 표준 시약의 경우 지방산분석에는 리피드 스탠다드(Lipid standard) (fatty acid methyl ester mixtures; C14-C22, 99.9%, Supelco, USA)를 사용하였다,

[비교예] 유기용매 추출

유기용매 추출법을 이용하여 미강에 포함된 총 조지방의 함량을 측정하였으며, 총 조지방의 함량을 기준으로 초임계 유체 추출 실험의 추출수율을 계산하였다. 유기용매 추출의 경우 준비된 미강 분말 10g을 속슬렛(Soxhlet) 추출장치에 넣고 헥산 100mL를 사용하여 80℃에서 24시간 동안 수행하였다. 회수한 추출물은 회전식 감압 농축기 (HS-2005S ,대한과학, 대한민국) 를 사용하여 감압농축하고 추출된 오일을 회수하여 남아 있는 헥산을 건조시켜 수학식 1로 미강 내 총 조지방 함량(%)을 구하였다.

[수학식 1]

[실시예] 초임계 유체 추출

본 실시예에 사용된 3L 용량의 초임계 유체 추출장치가 도 1에 제시된다. 도시되는 초임계 유체 추출장치는 최대 압력이 500 bar, 최대 온도 100℃ 까지 사용 가능하도록 제작하였으며, 장치 구성은 추출조(Extractor: 10), 분리조 (separator: 11), 고압 정량 액화 이산화탄소 펌프(4), 냉각기(3), 이산화탄소 저장조 (CO₂ reservoir tank: 2)와 유량 조절장치, 그리고 온도 조절을 위한 열교환기(7)를 포함하여 구성되도록 하였다. 도 1중 참조번호 1은 CO₂ 봄베, 5는 안전벨브, 6은 체크벨브, 8은 3-방향 밸브, 9는 BPR(back pressure regulator: 배압조절기), 12는 온도계(temperature indicate), 13은 압력센서(pressure sensor), 14는 자석교반기(magnetic stirrer), 15는 점검창이 있는 반응기(reactor with view cell), 16은 마이크로니들 밸브(micro-needle valve), 17은 볼 밸브(ball valve), 18은 계량 밸브(metering valve), 19는 콘트롤 박스(control box)를 각각 나타낸 것이다.

본 예에서 초임계 이산화탄소 추출은 추출압력(150~330 bar), 추출온도(32~60℃), 추출시간(0~240 min) 그리고 이산화탄소 유량은 135g CO₂/min 로 고정하여 수행하였다. 각 공정 조건마다 시간별로 분획하여 총 4시간 동안 추출 실험을 수행하였으며, 초임계 이산화탄소 공정의 추출 수율은 유기용매 추출법으로 80℃에서 24시간 동안 추출하여 얻은 총 조지방 함량을 기준으로 수학식 2에 의해 계산하였다. 그리고 추출물은 60℃에서 심온동결고에 저장하여 분석용으로 사용하였다.

[수학식 2]

미강유 추출수율 최적화 실험모델 계획

파일럿 스케일(Pilot-scale) 초임계 이산화탄소 추출 공정을 이용한 미강유의 최적 추출 조건을 확립하기 위해 예비실험 결과를 바탕으로 중심합성계획법(central composite design)을 사용하여 반응표면분석법(response surface methodology, RSM) 을 이용한 회귀분석을 수행하였다.

중심합성법에 의한 요인(factor)(독립변수)의 실험계획은 추출압력(pressure)(x₁, 150~330 bar), 추출온도(temp.)(x₂, 32~60 ℃), 추출시간(extraction time)(x₃, 30~240 min)을 5단계의 코드값(coded value)(-2, -1, 0, 1, 2)로 부호화하였으며, 표 1과 같다.

요인변수에 의해 영향을 받는 종속 변수로는 미강유의 추출수율(Y)을 선택하였다. 이때, 세 개의 독립변수와 종속변수에 대한 2차 회귀 모델식은 수학식 3과 같다.

[수학식 3]

회귀분석에 의한 모델식의 예측은 미니텝(Minitab) (minitab statistical software, version16) 프로그램(program)을 이용하였고, 회귀분석 결과 임계점을 분석하여 최적점을 구하였다.

지방산 조성 분석

추출된 미강 오일 중의 지방산 조성은 미강 오일을 헵탄에 용해시킨 후 2N 농도의 KOH를 녹인 메탄올(methanol) 용액과의 에스테르교환반응(transesterification)을 통해 지방산 메틸에스테르(fatty acid methyl ester)로 전환시켜 GC/FID 분석을 통해 확인하였다. 본 실시예에서는 GC/FID로 미국 휴렛패커드(Hewlett Packard)사의 6890 시리즈(Series) II 기종을 사용하였으며, 분석 칼럼으로는 DB-WAX (30m> 0.25mm > 0.25㎛, J&W Scientific, USA) 를 사용하였다. 이때 오븐의 온도는 100℃에서 2분간 유지시킨 후 200℃까지 25℃/min의 속도로 승온시키고 230℃까지는 5℃/min 의 속도로 승온 시킨 후 8분간 온도를 유지하여 분석하였다. 이동상으로는 수소 기체를 사용하였고, 시료는 1㎕를 주입하였으며, 스플릿비(split ratio)는 50:1로 하였다. 또한 주입부의 온도와 검출기의 온도는 250℃로 유지하였다.

미강의 지방산 추출수율 최적화 실험모델 계획

미강으로부터 초임계 이산화탄소에 의한 지방산 추출 수율 최적화를 분석하기 위해 추출시간은 4시간으로 고정하고 추출압력(x₁, 90~330 bar), 추출온도(x₂, 20~60 ℃)를 5단계(-2, -1, 0, 1, 2)로 부호화하였으며, 표 2와 같다.

요인변수에 의해 영향을 받는 종속 변수로는 미강의 지방산 추출수율(Y, content)을 선택하였다. 이때, 2 개의 독립변수와 종속변수에 대한 2차 회귀 모델식은 수학식 4와 같다.

[수학식 4]

회귀분석에 의한 모델식의 예측은 Minitab (minitab statistical software, version16) program을 이용하였고, 회귀분석 결과 임계점을 분석하여 최적점을 구하였다.

결과 및 고찰

유기용매 추출 수율

미강에 포함된 총 조지방의 함량을 측정하기 위해 Soxhlet법을 이용하여 80℃에서 24시간 동안 수행하였으며, 시간에 따라 추출된 미강유의 수율변화를 도 2에 나타내었다. 5시간내에 약 96%이상의 오일이 추출되었고, 미강에는 미강분말(건조 기준) 100g 당 13g의 오일이 함유되어 있음을 확인하였으며, 본 실시예의 초임계 이산화탄소 추출 실험에서 이 값을 기준치로 이용하여 미강유의 추출 수율을 계산하였다.

온도 및 압력 변수에 의한 추출 속도의 영향

본 실시예에서 미강으로부터 초임계 이산화탄소를 이용한 미강유 추출실험은 압력 (150~330bar) 및 온도(32~60℃)에서 수행하였다. 미강으로부터 미강유 추출조건 최적화를 위해 추출 온도, 추출 압력 그리고 추출시간에 대한 영향을 알아보았으며, 초임계 이산화탄소 추출 수행 동안 이산화탄소 유입량은 135g/min으로 고정시켜 추출온도 및 압력에 따라 미강유에 대한 용해도를 측정하였다. 추출온도 및 압력에 대한 추출속도 변화는 도 3에 나타내었다.

추출 온도와 압력에 대한 미강유의 추출 수율 변화를 나타낸 도 3을 보면 추출온도별 압력이 증가할수록 추출 속도도 증가하는 경향을 나타내었다. 추출온도 32℃, 압력 270~330bar 범위에서 123~125 g/Kg sample로 높은 추출속도 및 수율을 나타냈으며, 추출온도 40℃ 이후에서는 모든 실험 내 압력 범위에서 감소하는 경향을 나타내었다. 이러한 결과는 온도를 상승시키면 열역학적으로 매트릭스(matrix) 내부에서 용질로의 열전달이 보다 강렬해지고, 초임계 이산화탄소의 확산계수가 높아져 시료의 미세 기공으로의 침투력이 상승하지만 일정 압력에서 온도가 증가할 때 초임계 이산화탄소의 밀도는 감소하므로 초임계 이산화탄소의 용해도는 감소하기 때문이다.

또한, 초임계 이산화탄소 추출은 거의 모든 추출조건 범위에서 추출시간 50분 내에 추출수율의 50%이상이 추출되었으며, 추출시간 100분 이상부터는 정점둔화를 이루었다. 이는 미강시료의 표면 흡착에 의한 미강유 추출과 내부 흡착에 의한 미강유 추출로 구분하여 판단할 수 있으며, 시료 내부 흡착에 의한 미강유 추출의 경우 초임계 이산화탄소의 미세기공으로의 침투속도가 추출속도 결정단계를 이룬다고 판단할 수 있다.

온도 및 압력 변수에 의한 초임계 이산화탄소의 용해도 변화

본 실시예에서는 60℃ 이상의 고온 조건하에서 압력이 상승할수록 추출수율이 감소하는 역행(retrograde) 현상은 발생하지 않았다. Retro grade 현상은 초임계 유체의 용해도 측정에서 나타나는 일반적인 현상으로 특정 압력을 기준으로 낮은 압력 범위에서는 대상 용질의 초임계 유체에 대한 용해도가 밀도의 영향을 더 크게 받기 때문에 온도가 증가함에 따라 초임계 유체의 밀도가 감소하고 이로 인해 용질의 용해도가 감소하게 된다. 반면에 높은 압력 범위에서는 용해도가 용질의 증기압에 의해 더 큰 영향을 받기 때문에 동일 압력조건에서 온도가 증가할수록 초임계 유체의 밀도는 감소하나 용질의 증기압 증가가 더 크게 작용하여 결과적으로 용해도가 증가하게 된다.

이러한 결과를 해석하기 위해 용해도 변화를 확인하였으며, 도 4에 추출온도 및 압력 별 이산화탄소 사용량에 따른 미강유의 용해도를 나타내었다.

용해도 변환은 도 3의 실험결과를 바탕으로 추출 시간 대신 이산화탄소의 사용량에 따른 오일의 추출 속도로 환산한 후 일직선이 되는 영역을 플롯(plot)하여 직선의 기울기를 구하고, 이를 초임계 이산화탄소의 온도 및 압력 변화에 따른 미강유의 용해도로 나타낸 것이다.

도 4에서 미강유에 대한 초임계 이산화탄소의 용해도는 동일 압력에서 온도가 감소할수록 증가하였으며, 특히 270bar 압력을 기준으로 30℃를 제외한 각각의 온도 조건에서 용해도 증가를 확인하였다. 또한, 270bar~330bar 압력 범위 내에서 온도가 60℃에서 40℃로 감소할수록 용해도 증가율은 감소하는 경향을 나타내었고, 32℃에서 용해도 변화는 정지하였다.

한편, 본 실시예의 초임계 이산화탄소 추출 조건 범위에서 미강유에 대한 초임계 이산화탄소의 용해도 변화 측정 결과 retro grade 현상이 발생하는 용해도 변곡점은 발견되지 않았다. 이로써 본 실시예 범위는 용질에 대한 초임계 이산화탄소의 용해도 변곡점이 발생하지 않는 온도 및 압력범위에 해당된다고 판단할 수 있다.

초임계 이산화탄소 추출 수율 최적화

본 실시예의 초임계 이산화탄소 미강유 추출 실험 설정 범위는 용해도 변곡이 발생하는 retro grade를 포함하지 않고 있기 때문에 반응표면 분석을 이용한 미강유 추출 수율 최적 조건을 탐색하였다.

미강으로부터 초임계 이산화탄소에 의한 미강유 추출 수율 최적화를 분석하기 위해 추출압력(x₁, 150~330 bar), 추출온도(x₂, 32~60 ℃), 추출시간(x₃, 30~240 min)을 5단계(-2, -1, 0, 1, 2)로 부호화하여 실험계획을 수립하고 미강유 추출수율을 측정하였다(표 3 참조).

각 추출 조건에 따른 추출 수율의 결과에 대한 반응표면 회귀식은 표 4에 나타내었으며, 세 가지 변수(압력, 온도, 시간) 중 시간 변수를 일정하게 유지하고 다른 두 가지 변수의 함수로 반응을 나타냄으로써 등고선과 3차원 그림으로 반응표면을 나타내었다. 반응표면 결과는 도 6과 도 7에 나타내었다.

반응표면 그래프에 따르면 추출압력 및 추출온도가 추출 수율에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 추출압력이 증가할수록 추출온도는 감소할수록 높은 추출 수율을 나타내었다. 반응표면 분석에 의해 예측된 수율은 추출압력 330bar, 추출온도 32℃, 추출시간 120min에서 최대값 90%로 나타났다. 반응표면 예측 값과 실험 실측 값 비교 시 추출조건에 따른 초임계 이산화탄소 미강유 추출 수율을 측정한 결과에 대한 회귀식의 R² 값은 0.9528로 높은 상관관계를 보였고 5%이내에서 유의성(signification)이 인정되었으며, 실험데이터는 이차방정식에 잘 부합됨을 확인하였다.

상기한 실험결과로부터 추출압력을 높이고 추출온도를 줄이면 미강유의 추출수율이 증가함을 알 수 있다. 미강유의 최고 추출수율은 330 bar의 추출압력 및 32℃의 추출온도에서 약 95%인 것을 알 수 있다.

유기용매 및 초임계 이산화탄소 미강 추출물의 지방산 함량 비교

본 실시예 및 비교예에서는 유기용매 추출 미강유 및 초임계 이산화탄소 추출 미강유의 지방산 함량을 비교하여 유기용매 및 초임계 이산화탄소에 대한 미강유의 지방산 함량 변화를 측정하였으며, 각 추출 조건에 따른 지방산 함량은 표 5와 같다.

유기용매 및 초임계 이산화탄소 추출 미강유의 지방산 함량 비교 시 지방산 함량은 초임계 이산화탄소의 추출조건인 32℃범위에서는 210bar, 40℃범위에서는 210bar, 270bar 압력조건에서 유기용매 추출 미강유 보다 높은 지방산 함량을 나타내었으며, 미강유 전체 지방산 조성 중 대다수 oleic acid (C18:1), linoleic acid (C18:2), palmitic acid (C16:0) 가 차지하였고, oleic acid (C18:1), linoleic acid (C18:2), palmitic acid (C16:0) 순으로 높은 함량을 나타내었다.

초임계 이산화탄소 밀도별 지방산 함량 변화

초임계 이산화탄소 추출의 전체 추출 조건을 고려하여 지방산에 대한 초임계 이산화탄소의 용해도는 0.80~0.93 g/ml 밀도 범위까지는 oleic acid (23.96~34.16 g/100g), linoleic acid (22.79~32.30 g/100g), palmitic acid (12.69~13.86 g/100g) 등이 밀도에 의존하여 증가하는 경향을 나타내었으나 0.93 g/ml 이후의 밀도 범위부터는 oleic acid (34.16~20.75 g/100g), linoleic acid (32.30~19.30 g/100g), palmitic acid (13.86~8.08 g/100g) 등이 감소하는 retro grade 현상이 발생하였다(도 8 참조).

이와 같은 결과는 대상 용질의 증기압에 관여하는 온도의 영향으로 인한 용매에 대한 용해도 감소로 판단할 수 있다. 즉, 높은 압력의 추출범위에서 추출온도가 감소할수록 초임계 이산화탄소의 밀도는 증가하나 대상 용질인 지방산의 증기압은 감소하므로 초임계 이산화탄소에 대한 지방산의 용해도는 감소하게 되는 것이다.

결과적으로, 미강유 지방산의 초임계 이산화탄소의 용해도는 0.80~0.93 g/ml 밀도 범위까지는 밀도의 영향이 강하며, 0.93 g/ml 이후의 밀도 범위부터는 온도의 영향을 크게 받는다고 판단된다.

초임계 이산화탄소 지방산 추출 수율 최적화

미강으로부터 초임계 이산화탄소에 의한 지방산 추출 수율 최적화를 분석하기 위해 추출시간은 4시간으로 고정하고 추출압력(x₁, 90~330 bar), 추출온도(x₂, 20~60 ℃)를 5단계(-2, -1, 0, 1, 2)로 부호화하여 실험계획을 수립하고 미강유 추출수율을 측정하였다(표 6 참조).

각 추출 조건에 따른 추출 수율의 결과에 대한 반응표면 회귀식은 표 7에 나타내었으며, 두 가지 변수(압력, 온도)의 함수로 반응을 나타냄으로써 등고선과 3차원 그림으로 반응표면을 나타내었다. 반응표면 결과는 도 9 내지 14에 나타내었다.

반응표면 결과에 따르면 미강유 추출 수율과는 달리 압력이 증가할수록 온도가 감소할수록 높은 용해도 양상을 나타내진 않았으며, 50℃ 이하, 210 bar 이상에서 높은 추출 함량을 나타내었다. 이는 온도, 압력 변화에 따른 초임계 이산화탄소의 밀도의 영향 및 용질의 수증기압의 영향을 받는 것으로 판단되며, 반응표면 분석에 의해 예측된 최대수율은 추출압력 270bar, 추출온도 32℃에서 최대값 (palmitic acid = 13.86 g/100g, oleic acid = 34.16 g/100g, linoleic acid = 32.30) 을 나타내었다. 반응표면 예측 값과 실험 실측 값 비교 시 추출조건에 따른 미강의 초임계 이산화탄소 지방산 추출 수율을 측정한 결과에 대한 회귀식의 R² 값 (palmitic acid = 0.9575, oleic acid = 0.9872, linoleic acid = 0.9807) 은 높은 상관관계를 보였고 5%이내에서 유의성이 인정되었으며, 실험데이터는 이차방정식에 잘 부합됨을 확인하였다.

위 실험결과로부터 다음과 같은 사실을 알 수 있다.

초임계 이산화탄소 추출은 거의 모든 추출조건 범위에서 추출시간 50분 내에 각 조건별 추출수율의 50%이상이 추출되었으며, 추출시간 100분 이상부터는 정점둔화를 이루었다.

추출온도 32℃, 압력 270~330bar 범위에서 123~125 g/Kg sample 으로 높은 추출속도 및 수율을 나타냈으며, 추출온도 40℃ 이후에서는 모든 실험 내 압력 범위에서 감소하는 경향을 나타내었다.

반응표면 분석에 의해 예측된 수율은 추출압력 330bar, 추출온도 32℃, 추출시간 120min 에서 최대값 90%로 나타났다.

지방산 함량은 초임계 이산화탄소의 추출조건인 32℃범위에서는 270bar, 40℃범위에서는 210bar, 270bar 압력조건에서 유기용매 추출 미강유 보다 높은 지방산 함량을 나타내었으며, 미강유 전체 지방산 조성 중 대다수 oleic acid (C18:1), linoleic acid (C18:2), palmitic acid (C16:0) 가 차지하였고, oleic acid (C18:1), linoleic acid (C18:2), palmitic acid (C16:0) 순으로 높은 함량을 나타내었다.

지방산에 대한 초임계 이산화탄소의 용해도는 0.80~0.93 g/ml 밀도 범위까지는 oleic acid (23.96~34.16 g/100g), linoleic acid (22.79~32.30 g/100g), palmitic acid (12.69~13.86 g/100g) 등이 밀도에 의존하여 증가하는 경향을 나타내었으나 0.93 g/ml 이후의 밀도 범위부터는 oleic acid (34.16~20.75 g/100g), linoleic acid (32.30~19.30 g/100g), palmitic acid (13.86~8.08 g/100g) 등이 감소하는 retro grade 현상이 발생하였다.

반응표면 분석에 의해 예측된 지방산의 최대수율은 추출압력 270bar, 추출온도 32℃에서 최대값 (palmitic acid = 13.86 g/100g, oleic acid = 34.16 g/100g, linoleic acid = 32.30) 을 나타내었다.

Claims (13)

1. 미강으로부터 초임계 유체를 이용하여 미강유를 추출함에 있어서,
   (a) 초임계 유체 추출 조건으로서 일정범위의 추출압력(x₁), 20℃ 이상 40℃미만의 추출온도(x₂) 및 일정시간의 추출시간(x₃)을 등분하고 각 등분단계로 부호화하여 미강유 추출계획을 수립하는 단계; 및
   (b) 반응표면 분석법으로 미강유 추출수율 및 각 추출 조건별 미강유의 지방산 함량변화를 측정하는 단계
   를 포함하여 구성되는 초임계 유체를 이용한 미강유의 최적 추출 방법.
2. 제1항에 있어서, (c) 미강으로부터 초임계 유체에 의한 지방산 추출 수율 최적화를 분석하기 위해 추출시간은 고정하고 일정범위의 추출압력(x₁), 상기한 범위의 추출온도(x₂)를 등분하고 각 등분단계로 부호화하여 지방산 추출계획을 수립하는 단계를 더 포함하여 구성되는 초임계 유체를 이용한 미강유의 최적 추출 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 초임계 유체가 초임계 이산화탄소이고, 상기 단계(a)가 150~330 bar의 추출압력(x₁), 30℃ 이상 40℃ 미만의 추출온도(x₂) 및 30~240분(min)의 추출시간(x₃)을 5 등분하여 5단계의 부호 -2, -1, 0, 1, 2로 부호화하여 추출계획을 수립하는 단계로 구성되는 초임계 유체를 이용한 미강유의 최적 추출 방법.
4. 제2항에 있어서, 상기 단계 (c)가 추출시간은 4시간으로 고정하고 90~330 bar의 추출압력(x₁), 20℃ 이상 40℃미만의 추출온도(x₂)를 5등분하여 5단계의 부호 -2, -1, 0, 1, 2로 부호화하여 지방산 추출계획을 수립하는 단계로 구성되는 초임계 유체를 이용한 미강유의 최적 추출 방법.
5. 제3항에 있어서, 추출시간이 50~100분인 초임계 유체를 이용한 미강유의 최적 추출 방법.
6. 제3항 또는 제4항에 있어서, 미강유의 추출압력이 330bar이고, 추출온도가 32℃인 초임계 유체를 이용한 미강유의 최적 추출 방법.
7. 제4항에 있어서, 지방산 추출의 추출온도는 32℃이고 추출압력은 270bar인 초임계 유체를 이용한 미강유의 최적 추출 방법.
8. 삭제
9. 제 4 항에 있어서, 지방산에 대한 초임계 이산화탄소의 용해도는 0.80~0.93 g/ml 밀도 범위인 초임계 유체를 이용한 미강유의 최적 추출 방법.
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제

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