The Korean Society For Biotechnology And Bioengineering

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Korean Society for Biotechnology and Bioengineering Journal - Vol. 33 , No. 1

[ Research Paper ]
Korean Society for Biotechnology and Bioengineering Journal - Vol. 33, No. 1, pp.26-33
ISSN: 1225-7117 (Print) 2288-8268 (Online)
Print publication date 31 Mar 2018
Received 12 Nov 2017 Revised 09 Mar 2018 Accepted 09 Mar 2018
DOI: https://doi.org/10.7841/ksbbj.2018.33.1.26

마이크로파 추출공정에 의한 옥수수속대 생리활성물질 추출조건 최적화
정현진1 ; 민보라1 ; 김승기1 ; ; 서주현1 ; 김진우1, 3, *
1선문대학교 자연과학대학 식품과학과
2선문대학교 자연과학대학 BT융합제약공학과
3프렉스프로 바이오테크놀로지

Optimization of Microwave-assisted Process for Extraction of Bioactive Compounds from Corncob
Hyunjin Jung1 ; Bora Min1 ; Seungki Kim1 ; ; Joohyun Seo1 ; Jin Woo Kim1, 3, *
1Department of Food Science, Sunmoon University, Asan 31460, Korea, Tel: +82-41-530-2226, Fax: +82-41-530-2917 (kimjw1028@sunmoon.ac.kr)
2Department of BT-Convergent Pharmaceutical Engineering, Sunmoon University, Asan 31460, Korea
3Flexpro Biotechnology, Department of Research and Development, Chungnam, Asan 31460, Korea
Correspondence to : Department of Food Science, Sunmoon University, Asan 31460, Korea Tel: +82-41-530-2226, Fax: +82-41-530-2917 e-mail: kimjw1028@sunmoon.ac.kr


© 2017 The Korean Society for Biotechnology and Bioengineering

Abstract

This study investigated the optimization of extraction of bioactive compounds from corncob using various microwave extraction conditions. The central composite design (CCD) was applied to optimize microwave power, extraction time, and sulfuric acid concentration. Among tested variables, microwave power and extraction time showed significant effects on total polyphenol compounds (TPC) as well as flavonoid contents. However, the change in concentration of sulfuric acid only had a significant effect on extraction of flavonoid. The optimum conditions of microwave-assisted extraction (MAE) were 644 w, 66.3 sec, and 0.03 mol of sulfuric acid, and in this condition, maximum concentrations of 7.91 mg GAE/g DM of TPC and 0.79 mg QE/g DM of flavonoid were extracted. Antimicrobial activity of extracts from MAE, hotwater extraction (HWE), and ultrasound-assisted extraction (UAE) were measured by disk diffusion assay. HWE and UAE had no antimicrobial effects, whereas the antimicrobial effect of MAE has been identified. In conclusion, MAE was found to be effective in extracting bioactive compounds, including TPC and flavonoid from corncob despite short extract time and low extraction under 84 sec and 120oC, respectevely.


Keywords: corncob, microwave, polyphenol, flavonoid, extraction, optimization

1. INTRODUCTION

산업이 발전함에 따라 삶의 질의 향상과 의료기술의 발달로 평균수명이 늘어나고 고령화가 빠르게 진행되면서 건강한 삶에 대한 욕구가 높아져 노화억제에 관심이 증가하고 있다 [1]. 산업화로 인한 환경오염과 자외선 노출에 의한 스트레스로 인체 내 활성산소의 증가로 암, 심장질환, 동맥경화, 고혈압, 당뇨와 피부노화 등과 같은 질병의 빈도가 높아지고 있는 추세이다 [2]. 이에 따라 혈관질환 예방, 노화 억제와 면역증가 등의 효능을 가지는 천연식품 유래 생리활성물질에 대한 관심이 높아져 항산화 기능을 가진 천연식품에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

활성산소는 화학적 반응성이 매우 높아서 세포를 구성하고 있는 유전자, 단백질 및 지질과 반응하여 세포손상의 원인이 된다고 알려져 있으며 항산화제는 활성산소에 전자를 전달하여 자유라디칼을 소거하여 세포손상을 방지하는 역할을 수행한다 [3]. 항산화제는 크게 합성과 천연 항산화제로 나눌 수 있다. 합성 항산화제는 BHA (butylhydroxyanisol)와 BHT (dibutylhydroxytoluene)가 대표적이며 항산화능이 매우 우수하지만, 인체에 미치는 독성으로 인한 안정성 문제로 사용이 법적으로 제한되고 있어 안전한 천연 항산화제의 개발이 요구되고 있다 [4]. 천연 항산화제로는 보리, 콩과 옥수수 등을 포함하는 잡곡이나 브로콜리, 베리류와 견과류 등 과채류와 식물 열매가 있으며 식물체에 존재하는 페놀물질 (phenolics)은 벤젠고리의 수소 중 하나가 하이드록시기 (-OH)로 치환되어 전자공여자 역할을 수행하여 항산화 작용에 의한 노화방지, 건강증진과 질병예방과 같은 다양한 역할을 하는 것으로 알려져 있다 [5,6]. 페놀물질은 파이토케미칼의 일종으로 페놀산과 플라보노이드 등을 포함하며 페놀물질 중 하이드록 시기를 2개 이상 가지는 물질을 다가페놀 또는 폴리페놀이라 칭하고 있다. 폴리페놀은 다가의 전자공여가 가능하여 활성산소를 효과적으로 억제하는 것으로 알려져 있다 [7,8].

옥수수는 벼와 밀과 더불어 세계 3대 식량 작물 중 하나로 농산물 생산통계에 따르면 2016년 우리나라의 옥수수 생산량은 78,243톤으로 지속적으로 증가하고 있다. 옥수수는 단백질, 당질과 섬유질 등을 포함하여 중요한 식량자원으로 사용되고 있으며 부산물인 옥수수대 (corn stover)는 동물사료로 사용되거나 전처리와 당화과정을 거쳐 바이오플라스틱과 바이오연료 생산에 매우 유용한 농부산물로 활용되고 있다 [9,10]. 미국을 중심으로한 바이오에탄올 생산이 상업적 생산에 진입하여 부산물인 옥수수대 활용은 크게 증가할 것으로 예상되는 반면 옥수수속대를 이용한 바이오에탄올 생산과 관련 연구는 매우 미미한 실정이다 [11].

본 연구의 목적은 옥수수속대를 이용하여 생리활성물질인 폴리페놀과 플라보노이드의 생산 가능성과 항균력을 평가하여 식품, 화장품 및 의료용 소재로써 사용 가능성을 살펴봄에 있다. 또한, 생산성을 증가시키기 위해 MAE를 적용하고 폴리페놀과 플라보노이드의 추출에 영향을 미치는 마이크로파 출력, 추출 시간과 황산 농도의 최적 조건을 확립하여 보다 효과적인 추출공정을 제안하고자 한다.


2. MATERIALS AND METHOD
2.1. 실험재료

본 실험에서 사용된 옥수수속대는 괴산찰옥수수 마을로부터 구입한 옥수수의 껍질을 제거하고 옥수수 낟알 (kernels)을 분리하여 얻은 옥수수속대 (corncob)를 사용하였다. 분말시료 준비를 위해 60oC 열풍건조기 (OF-22GW, Jeiotech, Korea)에서 옥수수속대를 24시간 건조한 다음 가정용 분쇄기 (J-ONE Co., SFM-0505S, Korea)로 파쇄한 뒤 거름망 (100 mesh)을 이용하여 분리된 입자를 냉동 보관하여 시료로 사용하였다.

2.2. MAE 추출 조건

추출을 위해 압력용기인 Pressure vessel XF100 (Anton Paar, Austria)에 건조 옥수수속대 2 g과 용매 40 mL을 혼합하여 넣고 밀폐하여 Perkin Elmer multiwave 3000 (Anton Paar, Austria) 마이크로파 추출장치를 이용하여 출력과 시간을 조절하고 황산 농도를 변화시켜 추출을 진행하였다. 추출 후 40 mL의 추출액을 원심분리하여 회수한 상등액을 중화하여 시료로 사용하였다.

2.3. 총 폴리페놀 (total polyphenol content) 정량분석

총 폴리페놀 수율은 Folin-Denis법을 변형하여 측정하였다 [12]. Sodium molybdate와 sodium tungstate의 혼합용액인 Folin & Ciocalteu 시약을 페놀용액에 첨가하면 phosphotung-stomolydbdic acid 혼합물을 생성하게 되고 페놀성 화합물에 의해 청색으로 환원 발색하는 원리를 이용하여 흡광도 변화를 이용하여 총 폴리페놀 농도를 측정하였다 [13]. 각 추출물을 1 mg/mL로 희석한 후, 시료액 0.125 mL에 증류수를 0.5 mL를 첨가하고 Folin & Ciocalteu 페놀용액 0.125 mL를 첨가한 후 5 분의 반응시간 이후에 7% sodium carbonate용액 1.25 mL을 첨가하여 상온에서 1시간 반응을 진행시킨 후 분광광도계 (UV-1650PC, Shimadzu, Japan)를 이용하여 765 nm에서 흡광도를 측정하였다. 추출액의 총 폴리페놀 수율은 gallic acid (Sigma, St. Louis, MO, USA)를 표준물질로 사용하여 표준 검량선을 작성하고 mg GAE (gallic acid equivalents)/g DM(dry matter)로 나타내었다.

2.4. 플라보노이드 정량분석

플라보노이드 수율은 aluminium chloride colorimetric method를 일부 변형하여 측정하였다 [14]. 플라보노이드에 알칼리를 반응시키면 flavan와 flavonol 배당체가 황색을 나타내는 원리에 근거한 흡광도 값의 변화로 플라보노이드 농도를 측정하였다 [15]. 시료 0.5 mL에 1 mol potassium acetate와 10% aluminum chloride 각 0.1 mL와 증류수 2.8 mL, 99.5% ethanol 1.5 mL을 첨가한 뒤 상온에서 30분간 반응시킨 후 UV/VIS 분광광도계 (UV-1650PC, Shimadzu, Japan)로 415 nm에서 흡광도를 측정하였다. 플라보노이드 수율은 quercetin을 표준물질로 하여 12.5-100 μg/mL의 농도 범위에서 표준 곡선을 작성 후, 플라보노이드 농도를 mg QE (quercetin equivalents)/g DM (dry matter)로 나타내었다.

2.5. 항균력 측정

옥수수속대의 추출물의 항균력은 paper disc 확산법을 일부 변형하여 측정하였다 [16]. 해당 균주 (E. coli KCTC 2571, S. pombe ATCC 2476, L. lactis KCTC 3769, S. carlsbergensis ATCC 9080)를 고체배지에 선형도말하여 배양된 균주의 단일 colony를 취해 10 mL의 액체배지에 접종하고 균주별 적정 온도에서 24시간 배양하여 분광광도기 (UV-1650PC, Shimadzu, Japan)를 사용하여 600 nm에서 배양액의 흡광도를 0.1로 조정하였다. 세포배양액을 고체배지에 평판도말하고 paper disc (6 mm, Whatman, USA)를 고체배지 표면에 위치시키고 추출액 20 μL를 paper disc에 분주하여 각 균주별 적정 온도에서 24-72시간 배양하여 저해범위 (inhibition zone, mm)의 직경을 측정하여 항균력을 비교하였다.

2.6. 통계처리

MAE 공정 최적화를 위해 Design expert 8.0 (Stat-Ease, Inc., USA)을 사용하여 통계학적 최적화를 수행하였으며, 추출조건에 따른 추출특성 예측과 추출조건의 최적화를 위해 중심 합성법 (central composite design, CCD)을 사용하였다 [17].

실험계획은 Table 1과 같이 추출공정에서 주요변수로 알려진 마이크로파 출력 (148-652 w, X1), 추출 시간 (16-84 sec, X2), 황산 농도 (0-1.0 mol, X3)를 -1.68, -1.0, 0, 1.0, 1.68의 5단계로 부호화하여 17개의 실험조건을 발생시켜 진행하였다. 종속변수 (Y)를 총 폴리페놀과 플라보노이드로 하여 독립변수 (X1, X2, X3)에 대한 2차 회귀식을 아래와 같이 도출하였다.

Y=A0+A1X1+A2X2+A3X3+A12X1X2+A13X1X3+A23X2X3+A11X12+A22X22+A33X32(1) 
Table 1. 
Experimental design of MAE conditions for the production of TPC and flavonoid
Variables Coded and actual level
-1.68 -1 0 +1 +1.68
X1 Power (w) 148 250 400 550 652
X2 Time (sec) 16 30 50 70 84
X3 Sulfuric acid conc. (mol) 0 0.2 0.5 0.8 1.0

이때 Y는 종속변수로써 옥수수속대 추출 총 폴리페놀과 플라보노이드 특성이고, X1, X2, X3는 독립변수로써 MAE조건이며 A0는 회귀계수이다.

Table 2. 
CCE extraction conditions and experimental data on TPC and flavonoid contents
Std. No. X11) X22) X33) TPC4) (mg GAE/g DM) Flavonoid (mg QE/g DM)
1 250 30 0.2 1.54 0.17
2 550 30 0.2 1.90 0.19
3 250 70 0.2 1.88 0.15
4 550 70 0.2 6.74 0.45
5 250 30 0.8 1.55 0.01
6 550 30 0.8 1.98 0.04
7 250 70 0.8 1.91 0.15
8 550 70 0.8 3.50 0.23
9 148 50 0.5 1.57 0.04
10 652 50 0.5 3.96 0.17
11 400 16 0.5 1.54 0.04
12 400 84 0.5 3.54 0.12
13 400 50 0 1.64 0.72
14 400 50 1 2.35 0.21
15 400 50 0.5 2.18 0.11
16 400 50 0.5 2.26 0.12
17 400 50 0.5 2.21 0.09
1)X1: Power
2)X2: Time
3)X3: Sulfuric acid concentration
4)TPC : total polyphenol content


3. RESULTS AND DISCUSSION
3.1. 총 폴리페놀 및 플라보노이드 수율

CCD에 따른 17개 MAE 조건 별 총 폴리페놀과 플라보노이드 수율의 범위는 각각 1.54-6.74 mg GAE/g DM와 0.04-0.45 mg QE/g DM로 확인되었다. 실험조건 중 총 폴리페놀 최대 수율은 출력 550 w, 70 sec과 0.2 mol 조건에서 6.74 mg GAE/g DM이 추출되었다. 반면, 플라보노이드 최대 수율은 400 w, 50 sec과 0 mol 조건에서 0.72 mg QE/g DM로 플라보노이드가 총 폴리페놀에 비해 상대적으로 최종 농도가 낮으며 낮은 수준의 출력, 시간과 황산 농도에서 수율 최대화가 이루어진다는 것이 확인되었다.

MAE 17개 조건에 따른 옥수수속대 유래 총 폴리페놀과 플라보노이드의 실제 수율과 2차 회기방정식을 통해 얻어진 예측 수율의 일치도를 R2값으로 확인하였을 때, 각각 0.8898과 0.9001로 높은 일치도를 보였다 (Table 3). 2차 회기함수의 각 1차 항의 계수를 비교하여 각 항의 유의성을 비교했을 때, 총 폴리페놀 추출에 있어 마이크로파 출력 (X1)과 추출 시간 (X2)의 영향이 유의한 (p<0.05). 반면 황산 농도는 총 폴리페놀 생산에 유의하지 않음이 확인되었다 (p>0.05). 플라보노이드의 추출에 미치는 독립변수의 영향은 총 폴리페놀과 다르게 나타났는데 추출에 적용 된 모든 독립변수가 유의한 것으로 판정되었으며 황산 농도가 플라보노이드 추출에 가장 유의한 인자로 나타났다 (p=0.0027). 총 폴리페놀과 플라보노이드 추출에 있어서 공통의 유의한 변수는 출력과 시간임이 확인되었으며 총 폴리페놀에 비해 플라보노이드가 황산에 대한 민감도가 높다는 결론을 얻을 수 있었다 (Table 4).

Table 3. 
Second-order polynomial equations generated for CCD
Response Second order polynomials p value
TPC (mg GAE/g DM) YSR=2.21-0.82χ1+0.76χ2-0.14χ3+0.71χ1χ2-0.40χ1χ3-0.41χ2χ3+0.23χ12+0.15χ22-0.04χ32 0.0121
Flavonoid (mg/g DM) YSR=0.11+0.047χ1+0.05χ2-0.101χ3+0.043χ1χ2-0.027χ1χ3+0.01χ2χ3-0.011χ12-0.02χ22+0.115χ32 0.0089
R2 (TPC) : 0.8898; R2 (flavonoid) : 0.9001

Table 4. 
Statistical parameters obtained from the analysis of variance (ANOVA) for the extractions of TPC and flavonoid
ANOVA for response surface quadratic model
TPC Flavonoid
Sum of squares F value p value Sum of squares F value p value
Model 25.04 6.28 0.0121 0.00424 7.00 0.0089
X11) 9.26 20.90 0.0026 0.00031 4.95 0.0403
X22) 7.95 17.95 0.0039 0.00034 5.06 0.0392
X33) 0.27 0.60 0.4635 0.00139 20.63 0.0027
X12 0.61 1.38 0.2781 0.00001 0.22 0.6527
X22 0.27 0.60 0.4630 0.00005 0.67 0.4398
X32 0.018 0.041 0.8445 0.00149 22.16 0.0022
X1X2 4.00 9.03 0.0198 0.00015 2.20 0.1812
X1X3 1.28 2.88 0.1335 0.00006 0.83 0.3912
X2X3 1.36 3.08 0.1228 0.00001 0.12 0.7419
1)X1: power
2)X2: time
3)X3: sulfuric acid concentration

최적화 실험에 적용된 3가지 변수에 따른 총 폴리페놀과 플라보노이드의 수율 변화를 Fig. 1(A)(B)에 각각 나타냈다. 총 폴리페놀과 플라보노이드 모두 출력과 시간 증가에 비례하여 증가하는 경향을 보였으며 두 변수가 결과값에 주는 영향은 비슷한 것으로 확인할 수 있었다. 반면, 황산 농도 변화에 따라 총 폴리페놀과 플라보노이드의 수율은 반비례하여 감소하는 경향을 보여 높은 황산 농도가 생리활성물질 생산에 부정적인 영향이 있음을 알 수 있었다.


Fig. 1. 
Effects of independent variables on TPC and flavonoid yields (X1: power; X2: time; X3: sulfuric acid concentration).

MAE 추출에 있어 총 폴리페놀 수율에 미치는 마이크로파 출력 (X1)과 추출 시간 (X2)의 영향을 평가하기 위해 황산 농도를 0.5 mol에 고정하고 상호영향을 표면반응곡선으로 나타내었다 (Fig. 2). MAE 시간과 출력이 증가함에 따라 총 폴리페놀 수율이 증가하는 경향을 보여 652 w, 84 sec과 0.5 mol 추출 조건에서 최고 수율 6.97 mg GAE/g DM이 예측되었다. 출력이 150 w 이하일 경우 추출 시간에 관계없이 총 폴리페놀의 추출이 발생하지 않았으며 추출 시간 16 sec 부근에서도 출력에 관계없이 총 폴리페놀의 수율이 매우 낮을 것이 확인되어 효과적인 총 폴리페놀 추출을 위해서는 일정 수준 이상의 출력과 추출 시간 적용이 필수적임을 알 수 있었다. 식물 바이오매스에 MAE 적용 시 총 폴리페놀 및 플라보노이드 수율이 증가하는 것은 고분자의 페놀성 또는 단백질과 헤미셀룰로오스에 결합된 페놀성 화합물이 열분해에 의해 저분자의 페놀물질로 분리되었기 때문이라 할 수 있다 [18]. 본 실험에서 652 w까지 출력이 증가했음에도 불구하고 총 폴리페놀이 계속적으로 증가하는 것으로 보아 폴리페놀이 열에 의한 과분해 발생 효과가 크지 않음을 예상할 수 있었다. 이는, 기존 연구인 배와 무로부터 폴리페놀 추출에 있어 열에 의한 폴리페놀 파괴가 발생하지 않았다는 보고와 유사한 결과를 보여주고 있다 [19, 20]. 옥수수속대의 MAE에 있어 출력과 황산 농도가 총 폴리페놀 수율에 미치는 영향을 Fig. 3에 나타내었다. 총 폴리페놀 추출은 마이크로파 출력에 따라 상반된 경향을 나타내는데 출력이 낮을 때는 황산 농도 증가에 따라 총 폴리페놀 농도가 증가하는 반면 출력이 높을 때는 황산 농도 증가에 따라 총 폴리페놀 농도가 감소하는 경향을 보인다. 황산 농도와 추출 시간의 상관관계에 있어 높은 농도의 황산과 긴 추출 시간이 총 폴리페놀 수율에 부정적인 영향을 주는 것을 확인할 수 있었다 (Fig. 4). 이는 옥수수속대로부터 총 폴리페놀 추출에 있어 높은 황산 농도와 높은 출력 또는 추출 시간이 폴리페놀 과분해 또는 재결합에 의한 침전이 발생하는 것으로 판단된다.


Fig. 2. 
Response surface curve for the effect of microwave power and extraction time on TPC with fixed level of sulfuric acid concentration at 0.5 mol.


Fig. 3. 
Response surface curve for the effect of microwave power and sulfuric acid concentration on TPC with fixed level of extraction time at 50 sec.


Fig. 4. 
Response surface curve for the effect of extraction time and sulfuric acid concentration on TPC with fixed level of microwave power at 400 w.

마이크로파를 이용한 플라보노이드 추출에 있어 마이크로파 출력 (X1)과 추출 시간 (X2)의 상호작용을 파악하고자 출력과 시간을 변화시켜 표면반응곡선으로 표현하였다 (Fig. 5). 마이크로파 시간과 출력이 증가함에 따라 플라보노이드 수율이 증가하는 경향을 보여 높은 수준의 출력과 추출 시간의 조합에서 최대값인 0.30 mg QE/g DM이 예측되었다. 이는 폴리페놀 추출과 유사한 결과로 옥수수속대로부터 유용물질 추출에 있어 출력과 시간의 최대화가 총 폴리페놀 최대화에 중요한 조건임을 확인할 수 있었다. 마이크로파 출력과 황산 농도가 플라보노이드 수율에 미치는 영향을 Fig. 6에 나타내었고, 황산 농도와 추출 시간이 플라보노이드 생산에 미치는 상관관계를 Fig. 7에 나타내었다. 황산 농도의 영향이 다른 두 변수인 출력과 시간에 비해 월등히 큼을 확인할 수 있었으며 황산 농도 증가에 따라 플라보노이드 생산이 급격히 감소하는 경향을 보였다. 마이크로파 출력이나 추출 시간과 관계없이 황산 농도가 0.5 mol 이상에서는 플라보노이드 생산이 매우 낮은 것으로 나타났다. 기존 연구에 따르면 플라보노이드의 일종인 안토시아닌의 경우 추출용매의 산 농도가 증가하면 안토시아닌 배당체들의 가수분해로 안토시아니딘류와 당류로 분리되고 산화와 분해가 발생하여 안토시아닌들의 함량이 크게 감소한다고 보고하고 있다. 본 결과에서도 황산 농도 증가에 따라 플라보노이드의 가수분해가 급속히 발생하여 플라보노이드의 산화와 분해에 의해 플라보노이드 수율이 감소한 것으로 사료된다 [21].


Fig. 5. 
Response surface curve for the effects of microwave power and extraction time on flavonoid with fixed level of sulfuric acid concentration at 0.5 mol.


Fig. 6. 
Response surface curve for the effect of microwave power and sulfuric acid concentration on flavonoid with fixed level of extraction time of 50 sec.


Fig. 7. 
Response surface curve for the effects of extraction time and sulfuric acid concentration on flavonoid with fixed level of microwave power at 400 w.

결론적으로 총 폴리페놀과 플라보노이드 수율이 황산 농도에 대해 민감도가 매우 높은 경향을 보이며 총 폴리페놀과 플라보노이드 추출에 있어 추출 수율을 증가시키기 위하여 마이크로파 출력이나 추출 시간의 증가가 필수적인 반면 황산 농도는 수율에 부정적인 영향을 미침으로 3개 독립변수의 최적화를 통해 총 폴리페놀과 플라보노이드 생산 최대화 조건도출이 필요할 것으로 판단된다.

3.2. 최적 추출조건

옥수수속대로부터 3개의 독립변수에 대해 총 폴리페놀과 플라보노이드 추출의 상관관계를 예측을 위해 2차 회기식을 도출하고 3개의 종속변수의 값을 출력 148-652 w, 추출 시간 16-84 sec, 황산 농도 0-1 mol의 범위에서 총 폴리페놀과 플라보노이드 생산을 최대화하는 최적 추출조건을 예측하였다. 출력 644.6 w, 추출 시간 66.3 sec 황산 농도가 0.03 mol 추출조건이 최적조건으로 확인되었으며 이때 총 폴리페놀 수율이 7.50 mg GAE/g DM, 플라보노이드 수율이 0.74 mg QE/g DM으로 예측되었다 (Fig. 8).


Fig. 8. 
Overlay plot showing optimal analytical design space along with levels of input and responses (TPC and flavonoid) variables.

3.3. 재현실험 및 추출방법 비교

MAE는 추출 시간이 짧아 생산효율을 높이고 에너지 소비를 감소시킬 수 있어 기존 추출방법에 비하여 환경 친화적이고 경제적인 추출방법이다 [22]. MAE 추출의 효율성을 확인하기 위해 기존 추출법인 HWE과 UAE와 총 폴리페놀과 플라보노이드 추출성능을 비교하였다 (Table 5). 본 실험에서 예측된 최적 조건에서 MAE를 진행하였을 때, 7.91 mg GAE/g DM의 총 폴리페놀과 0.79 mg QE/g DM의 플라보노이드가 추출되어 HWA과 UAE에 비해 2배 가량 높은 수율을 보였다. 이는 MAE은 단 시간에 추출시료를 가열하여 생리활성물질 파괴를 최소화하여 기존 추출법에 비해 효과적인 추출이 가능하다는 보고와 일치한다 [23]. 또한, 기존의 열수추출과 초음파추출에 비해 추출 시간이 짧아 에너지 소비가 적은 친환경적이고 경제적인 추출법임을 재확인할 수 있었다.


Fig. 9. 
Antimicrobial activity of different solvents extract (1: Water extraction; 2: MAE experiment no. 4; 3: MEA optimized experiment; 4: MAE experiment no. 11; 5: HWE; 6 : UAE).

Table 5. 
Comparison of TPC and flavonoid contents of corncob obtained from different extraction methods
Sample TPC (mg GAE/g DM) Flavonoid (mg QE/g DM)
HWE1 3.01 0.218
UAE2 4.36 0.194
MAE3 7.914(7.50)5 0.794(0.74)5
1HWE: Hot-water extraction (120oC, 30 min)
2UAE: Ultrasound-assisted extraction (90oC, 60 min)
3MAE: Microwave assisted extraction (644.6 w, 66.3 sec and 0.03 mol)
validation4 and predicted5 values

3.4. 항균력

미생물의 성장억제를 위해 천연물로부터 항균효과를 가진 물질 추출에 대해 많은 연구가 이루어지고 있으며, 식품 또는 화장품의 산업에서 천연물 항균제의 상용화를 위한 많은 시도가 진행되고 있다 [24]. 옥수수의 경우 항균력에 관한 연구가 진행된 바 있으나, 옥수수속대의 항균력에 대한 연구 사례가 없어 본 실험에서 옥수수속대의 추출방법에 따른 항균력을 측정하였다 [25]. 항균력 측정을 위해 paper disc 확산법을 적용하였으며 대상 균주로는 식음료에 보편적으로 포함된 대장균을 포함한 4종의 균주를 사용하였다. MAE 추출 조건 중 총 폴리페놀 수율이 가장 높은 최적화 조건 추출물과 Table 2의 17개 실험군 중, 가장 높은 총 폴리페놀 수율을 보인 4번 시료와 가장 낮은 수율을 보인 11번 시료를 선정하여 항균 실험을 수행하였다. 비교 실험을 위한 대조군으로 상온 증류수, HWE와 UAE 추출물을 포함하였다. Table 6에 보는 바와 같이 E. coli, S. pombe, S. carlsbergensisL. lactis를 이용하여 항균력을 측정하였을 때 총 폴리페놀 수율이 가장 높게 나타난 최적 조건 추출물에서 E. coliL. lactis에서 높은 항균력을 확인하였다. 또한, 실험 4번 추출물에서도 일부 항균력이 확인되어 폴리페놀 농도에 따라 항균력이 높아지는 것으로 나타났다. 또한, 기존 추출법인 HWE와 UAE보다 MAE 추출물의 항균력이 우수하다는 것을 확인할 수 있었다.

Table 6. 
Antimicrobial activities of extractions from corncob by MAE, HWE, and UAE
Water Exp. 41 Opt2 Exp. 113 HWE UAE
Paper disc # 1 2 3 4 5 6
TPC (mg GAE/g DM) 1.63 6.74 7.91 2.21 3.01 4.36
E. coli - + ++ - - -
S. pombe - - - - - -
S. carlsbergensis - - - - - -
L. lactis - + ++ - - -
1MAE experiment no. 4
2Opt : Optimized MAE condition
3MAE experiment no. 11
- means not detected
+ means smaller than 7 mm inhibition zone
++ means 7~10 mm inhibition zone
+++ means 10~12 mm inhibition zone


4. CONCLUSION

옥수수속대는 옥수수 가공 공정 또는 바이오연료 생산 과정에서 부산물로 얻어지며 생산량이 바이오에탄올 상업화에 따라 생산량이 지속해서 증가하고 있으나 활용도가 다른 부위에 비교해 낮아 가축 사료로 사용되거나 폐기되고 있는 실정으로 농부산물 활용 관점에서 새로운 용도 개발의 필요성이 있다.

본 연구에서는 옥수수속대로부터 생리활성물질 생산을 통한 부가가치 창출의 가능성을 확인하고 생산성을 높이기 위해 추출조건을 달리하여 총 폴리페놀과 플라보노이드 생산 및 항균력을 평가하였다. 마이크로파를 이용한 옥수수속대로부터 총 폴리페놀과 플라보노이드 추출이 기존 HWE과 UAE보다 추출 시간이 단축과 함께 생리활성물질의 생산 증가를 확인할 수 있었다. 또한 마이크로파를 이용하여 추출한 시료의 항균력을 측정한 결과 기존 추출법보다 항균력이 우수함이 입증되었다. 옥수수속대를 이용한 총 폴리페놀과 플라보노이드 추출 증대를 위한 마이크로파 이용에 관한 연구 사례가 보고된 바가 없어 옥수수속대로부터 폴리페놀, 플라보노이드와 항균물질과 같은 고부가가치 생리활성물질 생산을 통한 부가가치 창출을 통해 바이오에탄올의 가격 경쟁력을 높이는 것이 가능하리라 사료된다.


References
1. Kim, J. Y., H. A. Kim, K. H. Park, and Y. H. Cho, (2004), Understanding of functional food for nutritional skin care, J. Soc. Cosmet. Scientists Korea, 30, p313-320.
2. Kim, D. H., J. W. Kim, and K. S. Youn, (2011), Antioxidant activities of extracts from fermented mulberry (Cudrania tricuspidata) fruit. and inhibitory actions on elastase and tyrosinase, Korean J. Food Preserv, 18, p236-243.
3. Ryu, H. S., and H. S. Kim, (2006), Effect of Sorghum bicolor L. Moench (sorghum, su-su) water extracts on mouse immune cell activation, Korean J. Food Nutr, 19, p176-182.
4. Corl, M. M., (1977), Antioxidant activity of tocopherol and ascorbyl palmitate and their mode of action, J. Am. Oil. Chem. Soc, 51, p321-325.
5. Morrissey, P. A., and N. M. O'Brien, (1998), Dietary antioxidant in health and disease, Int. Dairy J, 8, p463-472.
6. Craig, W. J., (1997), Phytochemicals: Guardians of our health, J. Am. Diet Assoc, 97, p199-204.
7. Ali, K. A., M. Abdelhak, B. George, and K. Panagiotis, (2005), Tea and herbal infusions: their antioxidant activity and phenolic propolis, Food Chem, 89, p27-36.
8. Joung, Y. M., S. J. Park, K. Y. Lee, J. K. Suh, S. Y. Hwang, K. E. Park, and M. H. Kang, (2007), Antioxidative and antimicrobial activities of lilium species extracts prepared from different aerial parts, Korean J. Food Sci. Technol, 39, p452-457.
9. Seo, Y. H., I. J. Kim, A. S. Yie, and H. K. Min, (1999), Electron donating ability and contents of phenolic compounds, tocopherols and carotenoids in waxy com (Zea mays L.), Korean J. Food Sci. Technol, 30, p581-585.
10. Plate, A. Y. A., and D. D. Gallaher, (2005), The potential health benefit of corn components and products, Cereal Foods World, 50, p305-314.
11. Kim, J. T., B. Y. Son, J. S. Lee, S. B. Baek, S. L. Kim, M. J. Kim, G. H. Jung, and Y. U. Kwon, (2013), Natural dyeing fabrics with leaf and stem of purple corn, Korean J. Crop Sci, 58, p113-118.
12. Folin, O., and W. Denis, (1912), On phosphotungstic-phosphomolybdic compounds as color reagents, J. Biol. Chem, 12, p239-243.
13. Park, K. A., Y. M. Choi, S. Kang, M. R. Kim, and J. Hong, (2015), Effects of proteins on the reactivity of various phenolic compounds with the folin-ciocalteu reagent, Korean J. Food Sci. Technol, 47, p299-305.
14. Bag, G. C., and P. G. Devi, (2015), Assessment of total flavonoid content and antioxidant activity of methanolic rhizome extract of three hedychium species of manipur valley, Int. J. Pharm. Sci. Rev. Res, 30, p154-159.
15. Shin, J. Y., H. Kim, D. G. Kim, G. H. Baek, H. S. Jeong, and K. W. Yu, (2013), Pharmacological activities of coffee roasted from fermented green coffee beans with fungal mycelia in solid-state culture, J. Korean Soc. Food Sci. Nutr, 42, p487-496.
16. Cayetano, R. D., T. H. Kim, and B. H. Um, (2014), Bioconversion strategy in conversion of lignocellulosic biomass upon various pretreatment methods using sulfuric acid and aqueous ammonia, Korean Chem. Eng. Res, 52, p45-51.
17. Lim, T. S., O. J. Kwon, J. H. Kwon, and H. K. Kim, (2007), Monitoring of extraction yields and functional properties of ginger (Zingiber officinale) extracts using response surface methodology, J. Korean Soc. Food Sci. Nutr, 36, p348-354.
18. Tanrven, D., and I. Eki, (2005), Phenolic compounds in pear juice from different cultivars, Food Chem, 93, p89-93.
19. Hwang, I. G., K. S. Woo, T. M. Kim, D. J. Kim, M. H. Yang, and H. S. Jeong, (2006), Change of physicochemical characteristics of Korean pear (Pyrus pyrifolia nakai) juice with heat treatment conditions, Korean J. Food Sci. Technol, 38, p342-347.
20. Lee, S. H., I. G. Hwang, Y. R. Lee, E. M. Joung, H. S. Jeong, and H. B. Lee, (2009), Physicochemical characteristics and antioxidant activity of heated radish (Raphanus sativus L.) extracts, J. Korean Soc. Food Sci. Nutr, 38, p490-495.
21. Jackman, R. L., R. Y. Yada, M. A. Tung, (1987), Separation and chemical properties of anthocyanins used for their qualitative and quantitative analysis. A review, J. Food Biochem, 11, p279-308.
22. Park, J. P., and W. Y. Lee, (2016), Prediction of optimal microwave extraction conditions for functional compounds from agrimonia pilosa Ledeb using response surface methodology, Korean J. Medicinal Crop Sci, 24, p263-270.
23. Giese, J., (1992), Advances in microwave food processing, Food Technol, 46, p118-123.
24. Kim, J. E., E. H. Kim, and S. N. Park, (2010), Antibaterial activity of persicaria hydropiper extracts and its application for cosmetic material, Korean J. Microbiol. Biotechnol, 38, p112-115.
25. Melo-Silveira, R. F., G. P. Fidelis, M. S. S. P. Costa, C. B. S. Telles, N. Dantas-Santos, S. O. Elias, V. B. Ribeiro, A. L. Barth, A. J. Macedo, E. L. Leite, and H. A. O. Rocha, (2012), In vitro antioxidant, anticoagulant and antimicrobial activity and in inhibition of cancer cell proliferation by xylan extracted from corn cobs, Int. J. Mol. Sci, 13, p409-426.