흑미 추출물의 성분은 무엇인가요?

흑미는 특수한 쌀로 각종 미량원소와 안토시아닌 등 영양소가 풍부하다.모체의 개요에 따르면 흑미는 음과 신장을 보양하고 비장을 튼튼하게하고 간을 따뜻하게 하며 시력을 좋게하고 혈액순환을 촉진하는 효과가 있다.민속문화에서 흑미는"귀한 공물밥","약밥"[1] 이라는 명성을 가지고 있다.현대 연구에 따르면 흑미는 산화 방지, 염증 억제, 심혈관 및 뇌혈관 질환 예방 등의 다양한 생물학적 활성을 가지고 있음이 증명되었다 [2].

이러한 생물학적 기능 활성은 흑미에 함유된 색소 성분과 밀접한 관련이 있다.한편 사람들이 건강에 대한 관심이 많아지면서 사람들이 자주 먹는 흑미와 그 속에 들어있는 색소 역시 연구자들의 주목을 받았다.현재 흑미 추출물 성분 규명, 추출공정, 분리 및 정제, 안정성 등에 대한 연구가 점점 더 많아지고 있다.따라서 본 논문에서는 흑미 색소의 특성에 대한 종합적인 이해를 도모하고 식품 및 건강식품 분야에서 흑미 개발 및 심층가공에 관한 연구를 도모하고자 흑미 색소의 조성분석, 추출 및 분리 및 정제과정, 안정성 등에 관한 연구를 검토하였다.

흑미 추출물의 성분에 대한 분리, 식별 및 결정방법 1

1.1 흑미 추출물의 성분 분리 및 규명

…의 주성분흑미 추출물 (black rice extract)은 안 토시아 닌이다.안토시아닌은 열, 빛 그리고 다른 조건들에 불안정하기 때문에, 또한 그것의 분리와 식별을 더 어렵게 만듭니다.현재 흑미 추출물 성분 규명을 위해 가장 널리 사용되는 방법은 액체크로마토그래피-tandem 질량분석법이다.

선우주안 등은 적외선분광법과 고성능 액체크로마토그래피 탠뎀 질량분석기를 이용하여 흑미 추출물의 초음파 추출물에서 색소 성분을 분리 및 확인하였다.분리된 물질의 1차 및 2차 질량스펙트럼에 따라 추출물에는 두 가지 안토시아닌 성분인 cyanidin-3-glucoside와 peonidin-3-glucoside 가 각각 15.20%와 39.60%로 함유되어 있음을 확인하였다 [3].Park 등은 흑미 추출물을 연구대상으로 하여 고기능성 액체크로마토그래피와 자외선가시광선광도법을 이용하여 흑미의 색소 성분을 확인한 결과 cyanidin-3-glucoside, anthocyanin-3-glucoside, malvinidin-3-glucoside, geraniol-3-glucoside, delphinidin-3-glucoside로 나타났으며, 그 중 centaureidin-3-glucoside의 함량이 상대함량 기준으로 95%를 차지하여 가장 높았다 [4].

Mikihlemori 등은 흑미의 색소 성분을 확인하기 위하여 고성능 액체크로마토그래피-포토다이오드 배열 검출법 및 전기분무 질량분석법을 이용하였으며, 주요 성분이 cyanidin-3-glucoside와 cyanidin-3-galactoside 이며, 각각 91.13%, 4.74%의 상대성분임을 증명하였다 [5].Zhang Mingwei 등은 흑미로부터 malvin, pelargonidin 3,5-diglucoside, cyanidin 3-glucoside 및 cyanidin 3,5-diglucoside 등 4가지 안토시아닌을 분리, 정제하여 확인하였다.그 중 제라늄-3, 5-디글루코사이드와 콘플라워-3, 5-디글루코사이드는 이전 세대에서 밝혀지지 않은 성분이다 [6].

요약하면 흑미의 색소 조성은 다양한 안토시아닌 성분으로 구성되어 있다.연구진이 확인한 성분은 콘플라워-3-글루코사이드이며,이 역시 함량이 가장 높은 성분이다.

흑미 추출물 결정법 1.2

현재 흑미 추출물을 결정하는 주요 방법으로는 분광광도법, 고성능 액체크로마토그래피, 액체크로마토그래피-질량분석법 탠덤법 등이 있다.액체크로마토그래피-질량분석기 탠덤법의 장점은 분리와 식별에 있으며, 고효율, 속도, 감도 등 많은 장점이 있다.그러나이 방식을 사용하는 장비는 가격이 더 비싸고, 운용 및 유지보수에 필요한 기술적 요구도 더 높다.액체크로마토그래피와 분광광도법은 일반 기업이나 다른 기관에 더 적합하다.

Ying Longbin 등은 cyanidin-3-glucoside를 표준물질로 사용하여 고성능 액체크로마토그래피에 의한 흑미 중의 안토시아닌 물질의 검출방법을 확립하였다.검출파장은 275 nm로 확인되었으며, 이동상은 구배 형태로 용출된 메탄올과 물 (1% 포름산 함유) 이었다.이 방법은 안토시아닌 질량농도 0.0052~0.052 mg/mL 범위에서 선형성 (R=0.9998)이 양호하며, 평균 회수율 99.72%, RSD 0.9100, 최소 검출한계 0.1 ng/mL [7]이다.

일찍이 1982년에 오사와는 pH 차이법을 이용하여 식품 중의 안토시아닌 함량을 알아냈다.cyanidin-3-glucoside를 기준물질로 하여 pH 조건에 따른 안토시아닌 성분의 구조변환은 pH의 함수이며, 같은 파장에서도 흡광도 값이 다르다는 사실을 이용하여 안토시아닌을 결정하는 방법을 확립하였다 [8].저우슈쿤 등은이 방법을 이용해 흑미의 색소 함량을 알아냈다.기준물질로 cyanidin-3-glucoside를 사용하여 흑미 추출액의 pH 1.0과 4.5에서 최대 흡광도를 측정하였고, cyanidin-3-glucoside의 분자량과 소멸계수를 바탕으로 흑미의 색소 농도를 계산하였다 [9].

흑미 추출물의 추출 및 정제 과정 중 연구자들은 간단하고 신속한 측정 방법을 선호합니다.Zhang Yinliang, Guo Mei, Wu Suping 등은 분광광도계를 이용하여 흑미 색소의 추출율을 확인하였다.시료 추출물을 적절히 희석한 후 최대 흡수 파장에서 흡광도를 측정하였고, 흡광도 값을 이용하여 추출 또는 정제 결과를 평가하였다 [10-12].

흑미 추출물의 안정성 2

안토시아닌 성분의 안정성은 빛, 온도, 산화제 등의 요인에 영향을 받기 쉽다.안토시아닌은 온도에 민감하며 장기간 가열하면 무색의 찰코논구조를 형성하고 퇴색하게 된다.안토시아닌은 강한 빛 조사에 의해 바닥 상태에서 들뜬 상태로 전환될 수 있어 [13] 분해 반응을 일으키기 더 쉽다.현재 흑미 추출물의 성분은 안토시아닌 성분으로 확인되었다.때문에 연구자들은 빛과 열 등 조건하에서의 흑미 안토시아닌의 안정성을 연구하여 흑미 색소의 저장 및 응용조건을 명확히 하였다.

열과 빛이 흑미 추출물의 안정성에 미치는 영향 2.1

Jiang Xinlong은 분리 및 정제된 흑미 색소 추출물을 연구의 대상으로 사용했습니다, 그리고 흑미 안토시아닌의 열적, 광분해 모두 1차 반응 운동방정식에 부합함을 증명했다 [13].지윤기 등은 흑미 색소 용액을 각각 70 °C와 100 °C로 30분간 가열한 결과 510 nm 에서의 흡광도가 각각 7.2%와 20% 감소하였다 [14].이는 온도가 높고 가열시간이 길수록 흑미 안토시아닌의 열적 저하가 빨라진다는 것을 증명한다.흑미 안토시아닌을 24°C, pH 3.0의 일정한 온도 조건에 둔 후 자연 실내광 (평균광도 10001x), 강한 햇빛 (평균광도 450001x), 어두운 조건 등에 10일간 노출시켰다.분해율은 0.01184/h, 0.01639/h, 0.0035/h로 각각 58.54, 42.29, 197.80 h의 반감기를 보였다 [13].흑미색소는 열과 빛에 대한 저항력이 비교적 약하며 온도가 낮고 어두운 조건이 보존에 도움이 된다는것을 알수 있다.

초음파장이 흑미 추출물의 안정성에 미치는 영향 2.2

조우근 등은 초음파가 흑미 추출물의 안정성에 미치는 영향을 연구하였다.초기농도, pH, 초음파주파수, 초음파파워 및 반응온도가 흑미 색소의 분해에 미치는 영향을 살펴보았다.반응운동분석을 통하여 초음파와 비초음파 환경에서 흑미색소의 화학반응은 모두 1차반응법칙에 부합되였다.초음파장에서 활성화에너지는 37697.94 kJ/mol, 전지수인자는 3800.55 s-1 이었다.초음파가 아닌 환경에서 활성화 에너지는 39531.41 kJ/mol, 전인자는 2887.07 s-1이다.비교 결과 초음파는 활성화 에너지를 줄이고 유효분자 충돌횟수를 증가시켜 분해반응이 더 잘 일어나게 하는 것으로 나타났다.초음파 영역에서 흑미 색소의 유효분자 충돌 횟수가 증가하고, 활성화 에너지가 감소하여 반응이 더 잘 일어나는 것을 알 수 있다 [9].

산도와 알칼리도가 색소 안정성에 미치는 영향 2.3

흑미 추출물은 산-염기 용액에 따라 다른 색을 보이며, 안정성 또한 달라지는데 이는 안토시아닌의 성질과 일치한다.흑미 색소 용액의 pH 가 <4, 안료는 빨강;흑미색소용액의 pH 가 5~7일 때 흑미색소는 자색을 띤다.Zeng Huiqin과 다른 사람들은 산성 조건과 40°C의 온도에서 흑미 색소가 비타민 C에 안정하며, 낮은 농도의 방부제와 다른 금속 이온인 Na1+, Mg2+, Ca2+, Zn2+에 안정함을 증명했습니다.알칼리성 조건, 비교적 장시간의 고온, H2O2 등의 산화제, 금속 Fe3+ 이온, 고농도의 벤조산, 자외선 등은 모두 흑미 색소의 안정성에 영향을 미친다 [15].

금속 이온에 영향을 미치는 요인 2.4

Mila 등의 연구에 따르면 금속 이온이 흑미 안료에 선택적으로 발색 강화 효과가 있는 것으로 나타났다.Zn2+ 또는 Mg2+ 가 용액에 존재할 때 용액은 적색;Fe2+ 가 있을 때 용액은 검은 보라색을 띤다;Ca2+ 가 있을 때 용액은 검붉은 색이다;그리고 Al3+ 가 있을 때 용액은 보라색이다.안료에 대한 금속이온의 색증강 효과는 이온의 가수분해 및 안료와 금속이온의 킬레이션과 관련이 있다.그 메커니즘은 더 조사가 필요하다.

흑미 추출물의 추출 및 정제 기술 3

3.1 용매 추출

용매추출기술은 가장 널리 사용되고 있는 천연물 추출기술 중의 하나이다.이 방법은 주로 원료 중 목표성분의 화학적 특성과 like 용해의 원리에 근거하여 적절한 추출용매를 선정하고, 가능한 한 비목표성분의 해체를 피한다.일반적으로 사용되는 추출 방법에는 maceration, decoction, reflux 가 있습니다.흑미 추출물의 추출은 대부분 마테레이션에 의해 수행되며, 적절한 pH의 에탄올 용액이 추출용매로 대부분 사용된다.우서핑 등은 maceration 법에 의한 흑미 안토시아닌 추출에 도움이 되는 에탄올을 용매로 사용하였다.최적의 추출 조건, 즉, 50% 에탄올, 갈이도 50 mesh, 액체와 재료 비율 1:5, 교반 시간 30분, 교반 온도 80°C, pH 3 [12]을 얻었다.구오미 등은 에탄올을 용매로 사용하고 추출법을 적용하여 흑미 안토시아닌을 추출하였다.단일인자 실험과 직교실험을 통하여 흑미 색소의 추출율에 영향을 미치는 주요 인자를 규명하였다:추출시간>액체 대 물질 비율>추출 온도>추출 pH. 최적 추출 공정 조건은 95% 에탄올, 액상 대 재료비 1:45 (g:mL), 추출 pH 3.0, 추출 온도 80°C, 추출 시간 90분 [11] 이었다.

3.2초음파 추출

초음파추출기술은 초음파의"캐비테이션효과", 기계적효과, 열적효과를 이용하여 유효성분의 확산과 방출을 가속화하고 목표성분의 추출을 달성한다.이 방법은 플라보노이드, 폴리페놀 및 기타 유효성분 등 다양한 천연물 추출에 적용되고 있다.이 방법은 낮은 추출 온도, 높은 효율 및 짧은 시간의 장점이 있습니다.

장지향 등은 초음파보조추출법을 이용하여 흑미로부터 안토시아닌을 추출하였다.최적 공정 조건을 확인한 결과 에탄올 농도 80%, 초음파 시간 50분, 액체 대 물질 비율 1:32, 초음파 파워 250 W로 최적 추출율은 4.5% 이었다.이는 기존의 Soxhlet 추출법의 추출율보다 3배 가까이 높은 것이다 [17].장지희 등은 초음파를 이용해 흑미에서 안토시아닌 추출을 도왔다.안토시아닌 함량, DPPH 자유라디칼 소거율, 총 항산화능을 평가지표로 사용하여 최적 조건을 결정하였는데, 초음파파워 280W, 추출시간 20분, 에탄올 농도 70%, 고체-액비 (mg/mL) 1:20, 온도 50℃,이 조건에서 안토시아닌 추출율은 12.56mg/g, DPPH 자유라디칼 소거율은 54.41%, TAC는 52.38 u/mL 이었다 [18].

3.3 마이크로파 추출법

마이크로파 추출 기술은 마이크로파 복사의 에너지를 이용해 추출 용매를 가열하는 한편, 시료에서 용매 속으로 목표 성분이 확산, 용해되도록 한다.이 방법은 균일 한 가열, 좋은 선택성, 용매 절약, 간단한 조작, 좋은 재현성, 에너지 절약 및 환경 보호의 장점을 가지고 있습니다.최근년간 마이크로파추출기술은 천연물로부터 유효성분을 추출하는데 널리 사용되고있으며 일정한 장점도 보여주었다.

마핑 등은 흑미 추출물의 마이크로파 보조 추출 공정을 최적화했다.2 요인 2 수준 직교설계를 이용한 실험결과, 에탄올 농도와 액체 대 물질 비율이 추출율에 유의한 영향을 미치는 것으로 나타났다.

최적 추출조건은 에탄올 농도 80%, 액상 대 물질 비율 1:18 (m:V), 마이크로웨이브 추출시간 94s, 흑미 안토시아닌 수율 4.97%로 결정되었다 [19].왕후이는 흑미 안토시아닌 추출물의 흡광도 값을 평가지표로 이용하여 흑미 색소 성분의 마이크로파를 이용한 추출을 연구하였다.그 결과 실험 범위 내에서 마이크로파 파워, 액비 대 물질 비율, 에탄올 농도가 흑미 안토시아닌 추출물의 흡광도에 강한 영향을 미치는 것으로 나타났다.마이크로파 작용시간은 흑미 안토시아닌 추출물의 흡광도에 약한 영향을 미쳤으며, 흑미 안토시아닌 추출율은 마이크로파 파워 및 액체 대 물질 비율과 양의 상관관계를, 에탄올 농도와는 음의 상관관계를 보였다 [20].

효소 가수분해 3.4

효소 가수분해는 효소의 특성을 이용한다.적당한 효소를 선택하여 비교적 온화한 조건에서 식물조직을 분해할수 있다.셀룰라아제는 식물 세포벽을 분해하고 목표 성분의 해체를 촉진시킬 수 있기 때문에 천연물의 활성 성분을 추출하는 데 자주 사용된다.

류영지 등은 cellulase를 이용하여 흑미강으로부터 안토시아닌을 추출하고, 단일인자 실험과 반응표면법을 통해 추출공정을 최적화하였다.최적화된 공정 조건은 효소 첨가량 2.0%, 효소 가수분해 온도 38.7°C, 효소 가수분해 시간 128.8min, 재료 대 액비 1:10, 추출 시간은 40분, 추출 온도는 50 °C, 에탄올 추출액 농도는 80% 였고, 이러한 조건에서 흑미쌀의 안토시아닌 추출율은 21.9 mg/g (이론값)에 도달할 수 있었다 [21].

흑미 추출물의 정제과정 연구 3.5

흑미 추출물에 대해 가장 많이 연구된 정제기술은 대증수지 분리 및 정제기술과 막분리기술이다.호우자오화는 흑미 안료의 정제를 위해 ADS-5, ADS-7, ADS-F8, ADS-17, NKA-9, AB-8, S-8, D4020 및 NKA 9 종류의 대성 흡착수지를 비교하였다.흡착 및 탈착 능력의 비교를 통해 AB-8대성 수지가 흑미 안토시아닌을 정제하는데 이상적인 수지임을 확인하였다.가장 적합한 정화 조건은 용출 용매 80% 에탄올, 시료 로딩 유속 1.0BV/h, 탈착 유속 2.0BV/h입니다.수지에 의한 정제 후 추출물의 안토시아닌 함량은 22.59%로 조미 추출물의 안토시아닌 함량 (3.448%)보다 높다 [22].한하오 등은 막분리기술을 이용해 흑미 안토시아닌을 정제했다.

먼저 분자량을 1000 kD로 컷오프한 세라믹막을 이용하여 흑미 추출물로부터 지용성 성분을 제거한 후 100D 나선상 나노여과막을 이용하여 탈지 추출물을 농축하였다.흑미 안토시아닌 농축액의 막분리 및 정제 막분리 및 정제로 얻은 농축액 중 건조물 함량은 6.46 g/100 mL, 전통적인 증발기술로 얻은 농축액 중 건조물 함량은 6.56 g/100 mL로 색도값은 각각 2.71, 1.93, 지방함량은 각각 0.30, 0.28 g/100 mL 이었다.막 분리 및 정화 기술이 흑미 안토시아닌의 순도와 품질을 향상시킬 수 있음을 알 수 있습니다.막분리 후에는 색가치의 손실이 없으며, 동시에 탈지 및 담수화 효과가 있어 막분리 기술이 흑미 안토시아닌 [23]의 정제에 사용될 수 있음을 증명하였다.

4 전망

흑미는 중국에서 귀한 쌀이며 흑미 추출물은 좋은 천연 식품 첨가물로 사람들이 가장 오래 섭취하는 식품인 음료수, 빵 등 다양한 건강 이로운 식품을 개발하는데 식품 재료, 식품 색소, 항산화 등으로 사용할 수 있다.등원희 등은 흑미 추출물 농축액을 원료로 자당, 구연산 등과 혼합하여 흑미 색소 음료 [24]를 개발하였다.그러나 현재 흑미 안토시아닌 추출물 및 정제제품의 활용이나 색소 추출 후 잔여물의 지속적 사용에 대한 연구는 거의 없는 실정이다.이 두 가지 문제를 더 잘 해결할 수 있다면 흑미 추출물의 활용과 흑미의 추가 가공은 더욱 발전할 것이다.

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