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Antioxidant Characteristics of Artemisis capillaris Hot-water Extract Using Response Surface Methodology
Antioxidant Characteristics of Artemisis capillaris Hot-water Extract Using Response Surface Methodology
Journal of Life Science. 2014. Apr, 24(4): 419-427
Copyright © 2014, Korean Society of Life Science
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  • Received : October 01, 2013
  • Accepted : February 07, 2014
  • Published : April 30, 2014
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성호 김
shkim64@daegu.ac.kr

Abstract
In order to examine antioxidative characteristics of Artemisis capillaris response surface methodology was used to optimize the hot water extraction process by analyzing and monitoring the extraction condition. For total phenolic compounds content, the optimal extraction temperature, time and amount of solvent per sample were 94.50℃, 2.06 hr and 25.03 ml/g, respectively. Also, the optimal conditions for electronic donating ability were 91.82℃, 2.90 hr and 20.88 ml/g, respectively. The nitrile scavenging ability (pH 1.2) was optimized using the extraction temperature of 97.36℃, extraction time 2.75 hr and 15.19 ml/g as the amount of solvent per sample. Regression equations of total phenolic compounds content, electron donating ability and nitrile scavenging ability as dependent variable were deduced from each analyzed extraction condition. And finally, their response surfaces were superimposed with the optimal conditions to obtain values for each extraction process factor. The predicted results through superimposing were extraction temperature 90~95℃, extraction time 2.5~3.5 hr and amount of solvent per sample 17~24 ml/g.
Keywords
서 론
쑥은 세계적으로 북반구에 200여종이 분포하고 우리나라 전역에서도 38여종이 봄철부터 자생하는 것으로 알려져 있다 [31] . 이러한 쑥은 독특한 향기와 맛을 가지고 있어 예로부터 식용 또는 식품첨가물로 다양한 형태의 식품으로 사용되어 왔으며, 전국 각지에 널리 분포하여 잎과 줄기의 약효가 우수한 것으로 알려져 우리나라에서는 예로부터 식용과 한방에서 널리 사용되고 있다 [17] . 그 중 인진쑥( Artemisia capillaris Thunb)은 주로 냇가의 모래땅에서 자라는 국화과(compositae) 에 속하는 번식력이 강한 다년생 초본으로서 일명 사철쑥 또는 정경쑥이라고도 불리우며, 생약명은 인진호, 인진, 추호 등으로 알려져 있다 [12] . 인진쑥에는 정유성분, caffeic acid, 방향족 oxycarbonic 및 각종 무기질과 비타민을 함유하고 있다 [4 , 25] . 또한 인진쑥은 녹엽 단백질, 필수 지방산과 회분량이 많아서 영양학적 측면에서 매우 우수한 식품이며, 섬유질도 많아서 체중 조절을 위한 식품으로써 권장할만하다는 보고도 있다 [1] . 인진쑥은 한방 의료에 널리 활용되어지는 약재로서 주로 소염, 해열, 이담, 이뇨 및 간질환 개선을 목적으로 많이 이용되어왔고 [2 , 28] , 혈류개선 [22] , 간보호작용 [7 , 18] , 항산화 작용 [13] 등 약리효과가 있음이 보고되었다. 최근에는 인진쑥의 약리성분뿐만 아니라 다양한 생리활성에 관한 연구가 진행되고 있다. 특히 항산화성에 관한 연구가 많이 수행되었는데 methanol 추출액에서 항산화성이 매우 높은 성분을 분리 정제후 chlorogenic acid, 3,5-dicaffeoylquinic acid, 3,4-dicaffeoylquinic acid 등을 분리 동정한 결과가 보고되었다 [24] . 또한 ethanol 추출물도 scoparone, capillarisin 등과 같은 항산화 성분을 함유하고 있다고 한다 [27] . 인진쑥 ethanol 추출물은 다른 쑥에 비해 항산화 효과가 더 크다고 알려져 있으며 [17] , 그 외에도 인진쑥에 대한 연구로는 지역에 따른 생육특성 및 성분함량 연구 [23] , 간 기능 개선 [14] , 항균작용 [11] , 항암효과 [9] , 혈관 팽창작용 [30] 및 당뇨증상완화 [20] 등이 보고되어있다. 본 연구에서는 건강기능식품의 원료개발에 필요한 인진쑥 열수 추출물에 관한 연구의 기초자료가 필요함에 따라서 인진쑥의 열수추출조건에 따른 인진쑥의 항산화적 특성에 대하여 반응표면 분석법으로 최적 추출조건을 설정하였다.
재료 및 방법
- 실험재료
본 연구의 실험 재료인 인진쑥( Artemisia capillaris Thunb)은 경북 김천지방에서 2012년에 생산, 음건된 것을 대구약령시장에서 구입하여 분쇄(Cemotec 1090, Tecator, Hoganas, Sweden) 후, 20 mesh체를 통과시켜 실험에 사용하였다.
- 추출방법
추출조건 설정을 위한 추출물의 추출방법은 시료 10 g을 추출수기에 취하여 각각의 조건별로 가수를 한 다음 환류냉각 장치가 부착된 추출장치(EAMDS 9601, Kwang Myung Lab. Co. Seoul, Korea)로 추출온도와 추출시간을 달리하여 추출한 후, 여과하여 추출물의 항산화 특성 측정에 사용하였다.
- 추출조건 최적화를 위한 실험계획
본 실험에서는 추출특성의 모니터링과 추출조건의 최적화를 위하여 반응표면분석법(repose surface methodology, RSM)을 이용하였고 [26] , 추출조건에 대한 실험계획은 중심합성계획을 실시하여 추출공정에서 중요한 독립변수(X i )로서 추출온도(X 1 ), 추출시간(X 2 ) 및 시료에 대한 용매비(X 3 )에 대한 실험범위를 설정하여 각각을 5단계로 부호화하였으며( Table 1 ), 중심합성계획에 따라 16구로 설정하여 추출실험을 하였다. 또한 이들 독립변수에 영향을 받은 종속변수(Y n )로는 총 추출 수율(Y 1 ), 총 페놀성 화합물 함량(Y 2 ), 전자공여능(Y 3 ) 및 아질 산염소거능(Y 4 )을 측정하여 그 값을 회귀분석에 사용하였다. 또한 열수 추출에 있어서 추출조건이 인진쑥 추출물의 항산화적 추출특성에 미치는 영향을 예측된 모델식을 바탕으로 Mathematica program을 이용하여 4차원 반응표면분석으로 해석하였다 [19] .
Experimental design of hot-water extraction conditions forArtemisia capillaris
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Experimental design of hot-water extraction conditions for Artemisia capillaris
- 총 추출 수율 측정
각 조건별로 추출한 시료의 총 추출 수율 [15] 은 인진쑥 추출물 20 ml를 미리 항량을 구한 수기에 취하여 105℃에서 증발 건조시킨 후 그 무게를 측정하였으며, 추출물 조제에 사용된 원료량(건물량)에 대한 백분율로써 추출 수율(%, total extract yield)을 나타내었다.
- 총 페놀성 화합물 함량 측정
추출물의 총 페놀성 화합물 함량은 Folin-Denis법 [8] 을 변형하여 측정하였다. 즉, 추출물을 20배 희석한 검액 5 ml를 넣어 진탕하고 1시간 실온에서 방치하여 700 nm에서 흡광도를 측정하였고, 대조구는 검액 대신 증류수를 넣어 동일하게 처리하였다. 이때 표준물질로는 tannic acid를 5~50 μg/ml의 농도로 조제하여 검량곡선의 작성에 사용하였다.
- 전자공여능 측정
시험용액의 전자공여능(electron donating ability, EDA) 시 험은 α,α-diphenyl-β-picrylhydrzyl (DPPH)를 사용한 방법으로 측정하였다 [3] . 즉, DPPH 시약 12 mg을 absolute ethanol 100 ml에 용해한 후 증류수 100 ml를 가하고 50% ethanol 용액을 blank로 하여 517 nm에서 DPPH용액의 흡광도를 약 1.0으로 조정하였다. 이 용액 4 ml를 취하여 10배 희석한 시료 용액 1 ml와 혼합한 후 상온에서 10분간 방치시킨 다음 517 nm에서 흡광도를 측정하여 시료 첨가구와 무첨가구의 흡광도 차이를 백분율(%)로 표시하여 전자공여능으로 하였다.
EDA(%) = {1-(시료첨가시의 흡광도)/공시험의 흡광도)} ×100
갈색도 측정
추출물의 갈색도는 UV-visible spectrophotometer (Shimadzu Co., UV-1601, Kyoto, Japan)를 사용하여 420 nm에서 측정하였다.
- 아질산염 소거능 측정
아질산염 소거능력은 Gray와 Dugan의 방법 [6] 에 준하여 측정하였다. 즉, 1 mM NaNO 2 용액 1 ml에 각각의 시료를 가하고 0.1 M HCl (pH 1.2)과 구연산 완충액(pH 3.0)을 사용하여 반응용액의 pH를 각각 1.2와 3.0으로 조정한 다음 총량을 10 ml로 하였다. 이 용액을 37℃에서 1시간 반응시킨 후 각 반응액을 1ml씩 취하여 2% acetic acid 용액 5 ml, Griess 시약(30% 초산으로 각각 조제한 1% sulfanilic acid와 1% naphthylamine을 1:1 비율로 하여 사용직전 혼합한 것) 0.4 ml을 가하여 잘 혼합하였다. 이를 실온에서 15분간 방치한 후 520 nm에서 흡광도를 측정하고 잔존하는 아질산염의 량을 계산하였다.
  • N(%) = {1-(A-C)/B} x100
  • N : 아질산염 소거율
  • A : 1 mM NaNO2용액에 시료를 첨가하여 1시간 방치시킨 후의 흡광도
  • B : NaNO2용액의 흡광도
  • C : 시료자체의 흡광도
결과 및 고찰
- 추출물의 수율
인진쑥의 추출조건에 따른 수율을 측정한 결과는 Table 2 와 같이 4.0∼6.1%의 범위로 측정되었다. 이러한 결과를 이용하여 추출조건과 수율에 대한 반응표면 회귀식을 나타낸 결과는 Table 4 와 같다. 반응표면 회귀식의 R 2 는 0.9105로 5% 이내의 유의수준에서 인정되었다. 예측된 정상점은 안장점으로 능선 분석한 결과 최대값은 추출온도 91.51℃, 추출시간 3.73시간 및 시료에 대한 용매비 27.30 ml/g에서 수율 6.7%로 예측되었다( Table 5 ). 이것은 반응표면분석법으로 예측된 값을 나타낸 것으로 수율은 추출온도, 추출시간 및 시료에 대한 용매비가 증가할수록 높아지는 것으로 나타났다( Fig. 1 ). 또한 Table 6 에서와 같이 수율에 대한 추출조건의 영향은 추출온도에 영향을 가장 크게 받으며, 시료에 대한 용매비에도 영향을 받고 있는 것으로 나타났다.
Experimental data on total phenolics content, electron donating ability and browning color intensity ofArtemisis capillarisextract under different hot-water extraction conditions based on central composite design by response surface analysis
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1)The number of experimental condition by central composite design.
Polynomial equations calculated by RSM program for extraction conditions ofArtemisis capillarisextract
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Polynomial equations calculated by RSM program for extraction conditions of Artemisis capillaris extract
Predicted levels of hot-water extraction conditions ofArtemisis capillarisextract for the maximum responses of variables by the ridge analysis
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Predicted levels of hot-water extraction conditions of Artemisis capillaris extract for the maximum responses of variables by the ridge analysis
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Response surface for extraction yield of Artemisia capillaris extract at constant values (4, 5, 6%) as a function of extraction temperature, extraction time and solvent per sample. Samples was extracted under the experimental design of hot-water extraction temperature (60~100℃), extraction time (1~5 hr) and solvent per sample (10~30 ml/g).
Regression analysis for regression model of variables in hot-water extraction condition
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*Significant at 10% level; ** Significant at 5% level; ***Significant at 1% level.
Jung 등 [9] 은 추출용매는 다르나 인진쑥 MeOH추출물의 추출수율로 19.13%의 본 연구결과보다 높은 효율을 나타내었다. 또한 다수의 쑥 연구를 통해 알려진 쑥의 열수추출 수율과 Lee 등 [16] 이 보고한 사철쑥 열수 추출수율이 5∼15%라는 결과는 본 연구와 유사하게 나타났다. 그러나 이는 시료종류, 추출용매, 추출 온도와 추출시간에 따라 변화 요인이 될 수 있으리라 판단된다.
- 총 페놀화합물 함량
추출조건별 추출물의 총 페놀성 화합물 함량은 Table 2 에 나타내었고, 이를 회귀분석하여 본 결과 회귀식( Table 4 )의 R 2 는 0.8910으로 5%이내의 수준에서 유의성이 인정되었다. 인진 쑥 추출물의 총 페놀성화합물 함량의 예측된 정상점은 안장점으로 능선분석을 실시하여 본 결과, 최대값은 124.64 mg%로 예측되었으며, 이때의 추출조건은 추출온도 94.50℃, 추출시간 2.06시간 및 시료에 대한 용매비 25.03 ml/g이었다( Table 5 ). 총 페놀성화합물 함량은 추출온도에 가장 큰 영향을 받고 있었으며, 추출온도가 높아질수록 증가하는 경향을 나타내었다( Table 6 ). 총 페놀성 화합물 함량의 추출특성에 따른 반응표면을 살펴볼 때 세 변수 중 추출온도에 영향을 가장 많이 받아 추출온도가 높아질수록 함량이 증가하는 것으로 나타났다.
Seo 등 [24] 은 인진쑥의 ethyl acetate 추출물의 총페놀 화합물 함량이 62.6±1.6 mg/g, acetone 추출물이 86.5±0.3 mg/g이 었고, methanol 추출물은 113.7±0.5 mg/g으로 가장 높은 함량이었다고 보고하였다. Jung 등 [9] 은 인진쑥 MeOH추출물의 총페놀성 화합물이 60.07±0.89 mg/g으로 높은 함량을 가져 강한 항산화 활성을 갖는 원인이라 하였고, Choi 등 [5] 의 쑥의 총 페놀화합물 함량이 쑥의 종류와 수집지역에 따라서 다양한 함량값의 차이를 보였고, 최저값이 156 mg/100g, 최고값이 1,767 mg/100g으로 최대 10배 이상의 쑥 종간 편차를 나타낸다고 보고하였다. 한편 황 등 [30] 은 섬애약쑥의 페놀화합물의 함량은 추출온도 60℃에서 2.30±0.21~7.02±0.22 mg/g이었고 95℃에서 3.36±0.13~9.88±0.23 mg/g으로 침출온도가 높을수록 총 페놀화합물 함량이 증가하였다고 하였다.
- 전자공여능
각 조건의 추출물의 DPPH radical소거활성인 전자공여능의 결과는 Table 2 와 같으며, 이 결과를 이용하여 반응표면 회귀분석을 실시하고, 각 요인변수에 따른 반응변수 즉, 전자 공여능에 대한 회귀식은 Table 4 와 같다. 추출조건별 추출물 전자공여능에 대한 회귀식의 R 2 는 0.9110으로 5% 이내의 유의 수준에서 유의성이 인정되었다. 추출조건에 따라 예측된 정상점은 최대점으로 전자공여능의 최대값은 80.69%이었고, 이때 추출조건은 추출온도 91.82℃, 추출시간 2.90시간 및 시료에 대한 용매비 20.88 ml/g이었다( Table 5 ). 4차원 반응표면을 통한 인진쑥 추출물의 전자공여능 변화는 추출온도가 높고 시료에 대한 용매비가 증가할수록 높은 값을 나타냈으며, 추출시간에는 거의 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 또한 추출조건에 대한 영향은 Table 6 에서와 같이 추출온도와 시료에 대한 용매비에 큰 영향을 받고 있는 것으로 나타났다. 또한 전자공여능의 4차원 반응표면은 Fig. 3 에 나타내었으며, 추출온도가 높을수록 전자공여능이 증가하는 것으로 나타났으며, 특히 시료에 대한 용매비가 20~25 ml/g의 범위에서 높은 값을 나타내는 것을 알 수 있었다.
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Response surface for electron donation ability of Artemisia capillaris extract at constant values (78, 79, 80%) as a function of extraction temperature, extraction time and solvent per sample. Samples was extracted under the experimental design of hot-water extraction temperature (60~100℃), extraction time (1~5 hr) and solvent per sample (10~30 ml/g). Electron donation ability was measured using DPPH reagent.
Seo 등 [24] 은 인진쑥 ethyl acetate추출물 200 ppm의 DPPH 소거활성은 35.2%, acetone 추출물 200 ppm은 57.1%으로 보고하여 두 용매로 추출한 추출물은 본 실험의 물 추출물보다 소거활성 결과보다 낮게 나타났으나, methanol 추출물 200 ppm은 91.1%, methanol추출물 100 ppm에서는 90.8%의 활성으로 BHT 90.5%와 tocopherol 92.3%가 거의 같은 비슷한 수준의 소거활성을 갖는다고 보고하여 본 실험의 물 추출물의 소거활성값보다 높았다. Jung 등 [9] 은 methanol추출물의 DPPH 소거활성이 IC50 11.09±0.14 μg/ml로 높은 항산화 활성을 갖는다고 하였다. Kang 등 [10] 은 쑥의 물과 70% 아세톤 추출물의 전자공여능이 각각 47.1%, 45.8%로 보고하여 직접적인 비교는 힘드나, 본 실험에 사용한 인진쑥의 물 추출물의 전자공여능보다 낮은 값을 나타내었다.
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Response surface for total phenolic compounds content of Artemisia capillaris extract at constant values (90, 10, 110 mg%) as a function of extraction temperature, extraction time and solvent per sample. Samples was extracted under the experimental design of hot-water extraction temperature (60~100℃), extraction time (1~5 hr) and solvent per sample (10~30 ml/g). Total phenolic compound content was based on tannic acid as standard and was measured using Folin-Denis method.
- 갈변도의 변화
Table 2 는 추출조건에 따른 갈색도의 변화를 나타내었고, 결과에 대한 반응표면 회귀식은 Table 4 에 나타내었다. 갈변도에 대한 회귀식의 R 2 는 0.9370이고 1% 이내에서 유의성이 인정되었으며, 예측된 정상점은 안장점으로 능선분석을 실시하여 본 결과 최대 흡광도 값은 0.79로 예측되었다. 이 예측값을 추출할 수 있는 조건은 추출온도 88.52℃, 추출시간 4.22시간 및 시료에 대한 용매비 26.60 ml/g으로 나타났다( Table 5 ). 추출조건별 갈색도 변화의 반응표면은 Fig. 4 와 같이 추출온도가 높고 추출시간이 길어질수록 갈색도가 증가하는 것으로 나타났으며, Table 6 에서도 알 수 있듯이 추출온도와 추출시간에 영향을 받고 있었으며, 시료에 대한 용매비에 대한 영향은 거의 나타나지 않았다.
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Response surface for browning color intensity of Artemisia capillaris extract at constant values (Abs. 0.4, 0.5, 0.6) as a function of extraction temperature, extraction time and solvent per sample. Samples was extracted under the experimental design of hot-water extraction temperature (60~100℃), extraction time (1~5 hr) and solvent per sample (10~30 ml/g). Browning color intensity was measured using spectrophotometer (OD 420nm).
한편 섬애약쑥 [29] 은 상온에서 건조 전처리 시료가 60℃ 건조시료보다 갈변도의 흡광도값이 2배 이상 이었고 숙성시간에 따라서 갈변도는 증가하고 침출온도가 높을수록 갈변도가 증가한다고 보고하여 본 연구와 유사한 결과를 나타내었다.
- 아질산염 소거능의 변화
추출조건에 따른 인진쑥 추출물의 아질산염 소거능을 측정한 결과는 Table 3 과 같이 pH에 따른 영향이 크게 나타나 pH 1.2에서는 65.33∼84.27%, pH 3.0의 경우는 37.84∼58.01%의 범위로 나타났으며, pH 1.2및 pH 3.0에 따른 아질산염 소거능에 대한 추출물의 회귀식의 R 2 는 각각 0.8939 및 0.8808이며, 두 조건 모두에서 5% 이내에서 유의성이 인정되었다( Table 4 ). 최적 예측조건은 Table 5 에 나타내었고, pH 1.2의 경우 예측된 정상점은 안장점으로 능선분석 결과 최대값이 86.32%로 예측되었고, 이때 추출조건은 추출온도 97.36℃, 추출시간 2.75시간 및 시료에 대한 용매비 15.19 ml/g이었다. pH 3.0의 경우도 예측된 정상점이 안장점으로 능선분석을 실시하여 본 결과 최대값은 60.26%로 예측되었고, 이 예측값을 추출할 수 있는 조건은 추출온도 96.87℃, 추출시간 2.05시간 및 시료에 대한 용매비 17.50 ml/g이었다. Table 6 에서 보는 바와 같이 두 조건 모두에서 추출온도에 영향을 많이 받았으나 시료에 대한 용매비에는 거의 영향을 받지 않는 것을 알 수 있었다. 추출조건별 아질산염 소거능 변화의 반응표면은 Fig. 5 Fig. 6 과 같이 추출온도가 높아질수록 아질산염 소거능은 증가하는 것으로 나타났다.
Experimental data on nitrile scavenging ability (pH 1.2, pH 3.0) ofArtemisis capillarisextract under different hot-water extraction conditions based on central composite design by response surface analysis
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1)The number of experimental condition by central composite design.
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Response surface for nitrile scavenging ability (pH 1.2) of Artemisia capillaris extract at constant values (80, 85, 90%) as a function of extraction temperature, extraction time and solvent per sample. Samples was extracted under the experimental design of hot-water extraction temperature (60~100℃), extraction time (1~5 hr) and solvent per sample (10~30 ml/g). Nitrile scavenging ability was measured using the Gray and Dugan’s modified method.
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Response surface for nitrile scavenging ability (pH 3.0) of Artemisia capillaris extract at constant values (45, 55, 65%) as a function of extraction temperature, extraction time and solvent per sample. Samples was extracted under the experimental design of hot-water extraction temperature (60~100℃), extraction time (1~5 hr) and solvent per sample (10~30 ml/g). Nitrile scavenging ability was measured using the Gray and Dugan’s modified method.
Park과 Kim [21] 의 쑥 추출물의 아질산염 소거능이 물 및 에탄올 추출물 모두에서 pH가 낮아짐에 따라 증가하여 pH 1.2에서 가장 높았다는 결과와 일치하였다.
- 최적추출조건 예측
인진쑥 열수추출물의 항산화적 특성에 대한 최적 추출조건을 설정하기 위하여 각 성분의 반응표면을 superimposing 하여 Fig. 7 에 나타내었다. 각 항목의 최적 추출조건으로 도출되어진 최대 또는 최적값의 반응표면을 한 도면에 일치시킨 결과 총페놀성 화합물의 함량, 전자공여능 및 아질산염 소거능 등 3항목의 최대값의 반응표면의 그림이 완전 또는 부분적으로 적합하였고 그 일치하는 부분을 각 독립변수의 범위를 읽어 최적 추출조건의 범위로 설정하였다. 이 반응 표면으로부터 설정될 수 있는 최적 조건 범위는 Fig. 7 의 타원형의 짙은 부분으로 인진쑥 열수추출의 최적조건을 예측한 결과, 추출온 도 90∼95℃, 추출시간 2.5∼3.5 hr 및 시료에 대한 용매비 17∼ 24 ml/g의 범위로 이로부터 최적점이라 예상되는 추출 조건은 추출온도 92.5℃, 추출시간 3.0 hr 및 시료에 대한 용매비 20.5 ml/g 를 최적추출조건으로 예측하였다.
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Superimposed response surface for optimization of total phenolics compound content (110 mg%), electron donation ability (80%) and nitrile scavenging ability (85% at pH 1.2) as a function of extraction temperature, time and solvent per sample. Overlapped black oval area was predicted as a range of optimal extraction condition.
본 연구에서는 인진쑥 열수추출물의 항산화성을 결정하는 인자로서 총페놀성 화합물의 함량, 전자공여능 및 아질산염소거능 등을 반응표면분석법으로 최적추출조건을 확립하였다. 이들 추출물이 항산화적 특성과 관련한 최적추출조건을 이용한다면 인진쑥의 가공공정에 다양한 활용이 될 수 있으리라 생각된다.
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