열풍건조 도라지의 갈변과 항산화활성에 대한 건조온도와 스팀처리의 영향

충청남도 금산군에서 2013년 10월 22일 수확한 도라지 를 구입하여 골판지 상자에 넣고 상대습도 90-95%와 4°C 로 유지되는 저온저장실에서 스팀처리와 열풍건조 전까지 저장하면서 본 연구의 시료로 사용하였다. 이외의 모든 화 학적 분석을 위한 시약 및 용매들은 analytical grade 이상 의 것을 사용하였다.

도라지의 열풍건조 시 갈변과 항산화활성에 대한 건조온 도와 스팀처리시간의 영향을 조사하기 위해 face-centered 중심합성계획법(central composite design)에 따라 실험설계 를 하였다. 처리요인은 건조온도(X₁)와 스팀처리시간(X₂)으 로 하였으며 적용범위는 각각 45-75°C와 15-45분으로 예비 실험을 통해 결정하였다. 각 처리요인들의 수준을 -1, 0, 1 으로 부호화(face-centered design)하여 이들의 값과 실제값 을 Table 1에 제시하였다. 실험설계에 따라 수행된 시료들 의 분석결과로서 얻어지는 반응변수들은 건도라지의 색 특 성(L*, a*, b*), 갈변도, 총 폴리페놀 화합물, DPPH 라디 칼 소거활성과 ABTS 라디칼 소거활성으로 하였다.

도라지 표면의 흙과 협잡물 등을 흐르는 수돗물에서 칫 솔을 이용하여 세척한 후 잔뿌리들은 제거하고 수작업으로 박피하였다. 박피한 도라지는 8 cm 길이로 절단하고 약 8 mm 두께로 세절한 후 1% (w/v) ascorbic acid 용액에 넣 어 보관하였다. 성형된 도라지들은 도라지 중량의 3배 가 량의 탈이온수를 이용하여 5회 반복 세척한 후 채반에서 10분간 탈수하고, 가정용 스팀쿠커(DG1218CB, Bomann GmbH, Kempen, Germany)를 이용하여 설계된 실험계획에 따라 스팀처리한 후 농산물건조기(DY-110H, Daeyong E & B, Ansan, Korea)를 이용하여 60시간 동안 건조하였다. 건도라지는 상온(-22°C)에서 1시간 동안 방냉하여 분쇄한 후 60 mesh 표준체망을 통과시켜 테플론(Teflon) 재질의 시료병에 넣고 밀봉하여 4°C에서 저장하면서 분석에 사용 하였다.

건도라지의 색 특성은 건도라지 분말(2 g, d.b)을 분말시 료용 페트리디쉬에 넣고 색차계(CR-300D, Minolta Co. Ltd., Osaka, Japan)를 이용하여 분석하였다. 각 시료들의 색 특성은 CIE 색체계에 따라 명도(L*), 적색도(a*), 및 황 색도(b*)로 나타내었다. 이때 사용한 색차계의 표준백판의 값은 L*=98.07, a*=-0.18, 및 b*=1.57이었다.

건도라지의 갈변도는 Lee et al. (2003)의 방법을 변형하 여 분석하였다. 건도라지 분말 2 g (d.b)은 탈이온수 40 mL와 혼합한 후 10% (w/v) trichloroacetic acid 용액 10 mL를 가하여 상온(-24°C)에서 2시간 동안 교반한 후 감압 여과하였다. 회수된 여액은 100 mL 정용플라스크로 옮기 고 탈이온수와 trichloroacetic acid 혼합용액(4:1, v/v)을 가 하여 정용한 후 420 nm에서 흡광도를 측정하였다.

건도라지 분말 10 g (d.b)은 70% (v/v) 에탄올 수용액 100 mL와 혼합하여 상온에서 12시간 동안 교반하고 원심 분리(3,000 g, 20 min)하여 추출물을 분리하였다. 침전물 에 70% (v/v) 에탄올 수용액 100 mL를 가하여 분산시킨 후 동일한 추출조작을 수행하였고 이러한 추출물 제조 절 차는 총 3회 반복되었다. 3회의 추출조작으로부터 회수한 추출물은 종이필터(Whatman No. 1, GE Healthoare Bio- Science, Maidstone, England)를 통과시킨 후 회전감압농 축기(N-1200BV-W, EYELA, Tokyo, Japan)를 이용하여 농축된 추출물을 제조하였다. 농축된 추출물은 일정량을 105°C에서 건조하여 고형분 함량을 결정하고 일정량의 농 도로 희석하여 분석에 사용하였다.

총 폴리페놀 함량은 Folin & Denis (1912)의 방법으로 측정하였다. 도라지 추출물을 농도별로 0.1 mL씩 시험관에 취하고, Folin-ciocalteu’s phenol reagent (Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO, USA) 0.1 mL을 가하여 vortexing한 후 3분간 상온에 방치하였다. 여기에 0.7 M Na₂CO₃ 용액 1 mL를 가하여 vortexing하고 상온의 암소에서 1시간 동안 반응시킨 후 750 nm에서 흡광도를 측정하였다. 총 폴리페 놀 함량은 tannic acid (Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO, USA)를 이용하여 작성한 표준곡선으로부터 계산하였다.

도라지 추출물의 1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl (DPPH Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO, USA) 라디칼소거활성 은 Blois (1958)의 방법에 따라 측정하였다. 도라지 추출물 0.1 mL에 0.2 mM DPPH 용액(99.9% 에탄올에 용해) 0.05 mL를 가하여 vortexing한 후 15분간 반응시켜 517 nm에서 흡광도를 측정하였다. DPPH 라디칼 소거활성 값 을 50% 감소시키는 농도(RC₅₀)를 도라지 추출물의 DPPH 라디칼 소거활성으로 하였다.

도라지 추출물의 2,2’-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6- su4lfonicacid) (ABTS Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO, USA) 라디칼소거활성은 Re et al. (1998)의 방법에 따라 측정하였다. ABTS 36 mg은 탈이온수 10 mL에 용해시키 고 이에 6.6 mg의 potassium persulfate를 용해시킨 후 상 온의 암소에서 15시간 동안 방치하여 ABTS 양이온 라디 칼(ABTS⁺)을 형성시켰다. 이 용액을 734 nm에서 흡광도 값이 0.750±0.001이 되도록 에탄올(99.9%)로 희석하였다. 희석된 ABTS⁺ 0.1 mL에 도라지 추출물 0.05 mL를 가하 여 6분 동안 반응시킨 후, 734 nm에서 흡광도 값을 측정 하였다. ABTS 라디칼 소거활성 값을 50% 감소시키는 농 도(RC₅₀)를 도라지추출물의 ABTS 라디칼 소거활성으로 하 였다.

건도라지는 설계된 실험계획에 따라 3회 반복하여 제조 하였고, 각 처리조건에 따라 제조된 건도라지들에 대해 색 도, 갈변도 및 항산화 활성들은 2회 이상 반복하여 분석하였 으며, 그 평균값을 반응표면분석에 사용하였다. 반응표면분 석은 Design Expert (version 7, Stat-Ease Inc., Minneapolis, MN, USA)를 이용하여 수행하였고, 1차항 주요 요인들, 2 차항 요인들과 교호작용은 신뢰수준 95%와 99%에서 유의 성을 검증하였다.

설계된 처리조건에 따라 제조된 건도라지의 색 특성을 조사하여 Table 1에 나타내었다. 건도라지의 명도는 54.89- 82.66, 적색도는 2.49-11.10, 황색도는 19.95-29.00의 범위 에 있었다. 측정된 각 색 특성치들을 이용하여 반응표면분 석을 수행하였을 때(Table 2), 제조된 건도라지의 색 특성 들은 모두 2차항 회기식(quadratic regression model)에 적 합하였다(p<0.01). 건도라지의 명도에 있어 건조온도 (p<0.01), 스팀처리시간(p<0.05)과 이들의 교호작용(p<0.05) 은 유의적인 영향을 미쳤다(Table 2). 주어진 스팀처리시간 과 건조온도에서 각각 건조온도의 증가와 스팀처리시간의 연장은 건도라지의 명도를 감소시켰다(Fig. 1a). Perturbation plot에서 건도라지의 명도는 건조온도의 증가에 따라 급격 한 감소를 나타내었으나, 스팀처리시간의 연장은 완만한 감소를 나타내어 건조온도가 스팀처리시간보다 더 큰 영향 을 미치는 것을 알 수 있었다(Fig. 1b). 건도라지의 적색도 와 관련하여, 명도와 유사하게 건조온도(p<0.01), 스팀처리 시간(p<0.05)과 이들의 교호작용(p<0.05)은 유의적인 영향 을 미쳤다(Table 2). 적색도는 주어진 스팀처리시간에서 건 조온도의 증가와 함께 증가하였으며, 주어진 건조온도에서 스팀처리시간의 연장과 함께 증가하는 일반적인 경향을 나 타내었다(Fig. 1c). 또한 건조온도가 높을수록 스팀처리시 간의 연장에 대한 적색도의 증가폭이 커지는 것을 알 수 있었다(Fig. 1c). Perturbation plot에서(Fig. 1d) 건도라지의 적색도는 건조온도의 증가에 따라 급격한 증가를 나타내었 으나, 스팀처리시간의 연장은 완만한 증가를 나타내어 건 조온도가 적색도에 대해 더 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다(Fig. 1b). 명도와 적색도의 분석결과와 다르게, 황색 도는 주요 요인들 중 건조온도 만이 유의적이었고, 건조온 도는 스팀처리시간과 함께 황색도에 대해 유의적인 교호작 용을 도출하였다(Table 1). 황색도에 대한 반응표면곡선에 서 스팀처리시간 30분의 부근까지 연장될 때 황색도는 증 가하고 그 이상으로 연장될 때 감소하는 경향이 나타났으 며, 건조온도도 스팀처리시간과 유사한 경향을 나타내었다 (Fig. 1e). Perturbation plot의 건조온도와 스팀처리시간에 대한 황색도의 변화도 반응표면곡선에서 관찰된 경향과 유 사하였고, 각 요인들에 대한 황색도의 변화량은 건조온도 보다는 스팀처리시간이 더 큰 것으로 보이나 스팀처리시간 은 황색도에 대해 유의적이지 않기 때문에 스팀처리시간이 건도라지의 황색도에 대한 주요 요인으로 생각할 수 없는 것 같다(Fig. 1f). 건조온도의 증가는 양파(Lee et al., 2016), 고추(Lee & Kim, 1989), 수삼(Lee et al., 1995)의 명도를 감소시키고, 적색도와 황색도를 증가시킨다는 보고들과 본 연구의 반응표면분석 결과를 고려할 때, 건도라지의 색 특 성은 건조온도에 민감하게 영향 받는 것으로 생각된다. 한 편 스팀처리 없이 본 연구에서 적용된 건조온도(45, 60, 75°C)로 건조된 도라지(Table 1D1, D2, D3)의 색 특성은 각 온도에서 스팀처리를 수반한 처리군들과 현저한 차이를 나타내었다(Table 1). 따라서 도라지의 색 특성 변화에 대 한 스팀처리의 영향은 건조온도에 비해 미미하였으나 유의 적인 것으로 생각된다.

Fig. 1. Response surface (a, c, and e) and perturbation (b, d, and f) plots describing the interaction of drying temperature and steaming time on the lightness (L*; a and b), redness (a*; c and d), and yellowness (b*; e and f) of dried Platycodon grandiflorum (A: drying temperature, B: steaming time).

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설계된 처리조건에 따라 제조된 건도라지의 갈변도는 0.27-4.36의 범위에 있었고(Table 1), 건조온도(p<0.01)와 스 팀처리시간(p<0.05)이 유의적인 영향을 미쳤으며, 이들 사 이의 유의적인 교호작용(p>0.05)은 나타나지 않았다(Table 2). 따라서 갈변도에 대한 건조온도와 스팀처리시간의 영향 을 1요인 곡선으로 나타내었다(Fig. 2). 갈변도는 건조온도 가 증가하면서 급격히 증가하였고(Fig. 2a), 스팀처리시간 의 연장은 완만한 증가(Fig. 2b)를 나타내었다. Lee et al. (1995)은 수삼의 건조 시 건조온도 80°C 이하에서는 폴리 페놀산화효소에 의한 효소적 갈변반응에, 80°C를 초과할 때는 폴리페놀산화효소의 실활로 주로 비효소적 갈변반응 에 의해 갈변물질이 생성된다고 보고하였다. 따라서 건도 라지의 색 특성에 대한 결과와 유사하게 건조온도(45- 75°C)가 스팀처리시간보다 갈변도에 더 큰 영향을 미친 것 으로 판단된다. 그럼에도 도라지의 스팀처리는 도라지의 건조 전 함수율을 증가시켜 건조에 의한 갈변을 촉진시킨 것으로 생각된다. Lee & Kim (1989)은 채소류의 함수율 정도의 고수분함량에서 고온으로 건조될 때 갈변속도가 가 속화 된다고 보고하였다.

Fig. 2. One factor plot describing the effect of drying temperature and steaming time on the degree of browning of dried Platycodon grandiflorum.

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설계된 처리조건에 따라 제조된 건도라지로부터 70% 에 탄올 수용액을 이용하여 추출물을 제조하고, 이의 총 폴리 페놀 함량과 DPPH와 ABTS 자유라디칼 소거능에 의한 항산화력을 측정하여 Table 1에 나타내었다. 처리조건에 따라 제조된 건도라지의 추출물의 총 폴리페놀 함량은 17.81-65.40 mg의 범위에 있었고(Table 1), 동결건조된 건 도라지(대조군)의 것(11.58±0.24 mg/g extract) 보다 유의적 으로 높은 수준을 나타내었다. 건도라지의 총 폴리페놀 함 량은 건조온도(p<0.01)에 의해서만 유의적인 영향을 받았 으나, 스팀처리시간과 유의적인 교호작용 효과를 나타내었 다(p<0.05) (Table 2). 주어진 스팀처리시간에서 건조온도의 증가는 총 폴리페놀 함량을 증가시켰으나, 주어진 건조온 도에서는 스팀처리시간이 연장되면서 증가하다 중심점(30 분) 부근에서 다시 감소하는 경향을 나타내었다(Fig. 3a). Perturbation plot에서(Fig. 3b) 건조온도에 의한 총 폴리페 놀의 증가율이 스팀처리시간에 의한 것보다 높아 건조온도 가 건도라지의 총 폴리페놀 함량 증가에 대한 주요 요인으 로 생각된다. 이러한 결과는 도라지의 페놀성 고분자 화합 물이 열처리(건조와 스팀처리)로 인해 저분자로 전환되었 거나 갈변반응에 의해 형성된 갈변물질들이 증가하였기 때 문으로 생각된다(Hwang et al., 2011; Lee et al., 2013, Lee et al., 2016).

Fig. 3. Response surface (a, c, and e) and perturbation (b, d, and f) plots describing the interaction of drying temperature and steaming time on total polyphenol (a and b), antioxidant activities (determined by DPPH (c and d) and ABTS (e and f) radical scavenging) of dried Platycodon grandiflorum (A: drying temperature, B: steaming time).

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DPPH 자유라디칼의 50%를 소거하는 건도라지 추출물의 농도(DPPH-RC₅₀)는 1.71-14.44 mg/mL의 범위에 있었다 (Table 1). 건도라지의 DPPH-RC₅₀은 건조온도(p<0.01), 스 팀처리시간(p<0.05)과 이들의 교호작용(p<0.01)에 유의적인 영향을 받았다(Table 2). 주어진 스팀처리시간에서 건조온 도의 증가는 DPPH-RC₅₀을 감소시키는 일반적인 경향이 관찰되었다. 그러나 45-60°C에서 스팀처리시간의 증가는 DPPH-RC₅₀을 증가시켰으나, 60-75°C에서는 중심점(30분) 을 기준으로 감소하다 증가하는 경향을 나타내었다(Fig. 3c). 한편 건조온도는 DPPH-RC₅₀을 감소시켰지만, 스팀처 리시간은 증가시키는 상반된 효과를 보여(Fig. 3d) 건도라 지 추출물의 DPPH-RC₅₀은 건조온도와 스팀처리시간의 효 과들의 상호상쇄에 의한 순(net) 효과의 결과인 것으로 판 단된다.

ABTS 자유라디칼의 50%를 소거하는 건도라지 추출물의 농도(ABTS-RC₅₀)는 1.71-14.44 mg/mL의 범위에 있었다 (Table 1). 건도라지의 ABTS-RC₅₀은 건조온도(p<0.01)에 의해서만 유의적인 영향을 받았으나, 스팀처리시간과 유의 적인 교호작용 효과를 나타내었다(p<0.05) (Table 2). 주어 진 스팀처리시간에서 건조온도의 증가는 ABTS-RC₅₀을 감 소시켰으나, 주어진 건조온도에서는 스팀처리시간이 연장 되면서 증가하는 경향을 나타내었다(Fig. 3e). Perturbation plot에서(Fig. 3e) 건조온도에 의한 ABTS-RC₅₀의 감소율은 스팀처리시간에 의한 증가율보다 높아 건조온도가 주요 요 인으로 생각된다. 따라서 DPPH-RC₅₀의 경우와 마찬가지로 ABTS-RC₅₀의 건조온도와 스팀처리시간의 효과들의 상호상 쇄에 의한 건조온도의 순(net) 효과의 결과인 것으로 판단 된다. 본 연구에서 처리된 건도라지의 항산화 활성의 증가 는 도라지의 열처리와 갈변으로 인한 총 폴리페놀 함량의 증가에 따른 것이다(Hwang et al., 2011; Lee et al., 2013, Lee et al., 2016).