Subcritical Solvent Extraction of Anthocyanin from Blueberries (Vaccinium corymbosum) and Chokeberries (Aronia melanocarpa)

Abstract

Subcritical water extraction (SWE) is an eco-friendly new extraction technology because it does not contain harmful organic solvent and has high extraction efficiency in a short time compared with a conventional extraction method. Blueberries (Vaccinium corymbosum) and chokeberries (Aronia melanocarpa) are widely known as superfood due to rich source of anthocyanin and antioxidant activity. In this study, optimal extraction conditions of SWE from blueberries and chokeberries were determined and compared with the conventional extraction methods. SWE was carried out using a Dionex Accelerated Solvent Extractor (ASE, Model 350) under conditions of temperatures (110, 130, 150, 170, 190 and 200ºC) and times (1, 3, 5 and 10 min). The anthocyanin contents of SWE extracts were compared with hot water (60ºC, 1 h) and pressed juice extract. The anthocyanin contents were determined by pH differential method and HPLC method (malvidin-3-galactoside for blueberry extracts and cyanidin-3-galactoside for chokeberry extracts). Considering both the extraction time and temperature conditions, the highest content of malvidin-3-galactoside from blueberry was 0.455 mg/g FW Vaccinium corymbosum at 130ºC for 3 min and the highest content of cyanidin-3-galgctoside from chokeberry was 1.343 mg/g FW aronia melanocarpa at 190ºC for 1 min. At high temperature and long extraction time, the anthocyanin in the samples will undergo thermal degradation due to low stability of anthocyanin at extreme condition. Besides, maximum yield of anthocyanin from blueberries using SWE was about 1.2 and 3.8 times more higher than hot water extract and pressed juice extract, respectively. In addition, maximum yield of cyanidin-3-o-galgctoside from chokeberries using SWE was about 1.7 and 9.3 times higher than hot water extract and pressed juice extract, respectively. Therefore, SWE is faster and more efficient method to extract anthocyanin from blueberries and chokeberries than conventional extraction methods. This study shows a possibility of SWE applied to food processing industry.;안토시아닌이란 크게는 phenolic compound에 속하며 그중에서도 flavonoid에 속하는 색을 나타내는 물질이다. 안토시아닌의 섭취를 통해 신경세포의 노화 방지 효과와 심혈관 및 눈 건강에 효과가 있다고 알려져 있으며, 그 이외에도 안토시아닌은 높은 항산화능을 가지는 특성이 있다. 블루베리는 10대 건강식품에 선정되어 슈퍼푸드라고 불리고 있고 초크베리는 높은 항산화 기능으로 현재 떠오르는 식품이다. 두 시료 모두 안토시아닌을 다량으로 함유한 베리류이다. 국내 블루베리의 재배면적은 2007년부터 지속적으로 성장하고 있으며 초크베리 역시 2013년 이후로 급격한 성장세를 보이고 있다. 더하여 소비자들의 건강과 미용에 대한 관심이 깊어지면서 건강 기능성이 높은 식품을 소비가 증대되고 있다. 아임계 추출법은 압력 및 온도 조절(100-374ºC)을 통하여 물을 임계점 이하인 아임계 상태로 만듦으로써 상대 유전율을 낮게 전환 시킨다. 아임계 상태의 물은 비극성 화합물을 추출하는데 용이하며, 다른 유기용매를 사용하지 않아 친환경적이다. 따라서 본 연구에서는 아임계 추출을 사용하여 블루베리와 초크베리로부터 안토시아닌의 추출을 진행하였으며 아임계 추출 최적 조건과 기존 추출법과 비교하여 추출 효율을 확인하였다. 실험에 사용된 블루베리(블루크롭, 평택)와 초크베리(바이킹, 고창)는 시료의 수급 후 영하 18ºC, 암실조건에서 저장하였다. 시료는 동결건조 후 분쇄를 거치고 20 mesh 채에 걸러 추출 시료로 사용한다. 아임계 추출을 위한 기기는 ASE 350 (Dionex, Sunnyvale, CA, USA)을 사용하였다. 추출 시 온도조건은 110, 130, 150, 170, 190ºC 이며, 추출 시간 조건은 1, 3, 5, 10분으로 설정하였다. 추출 용매는 물과 1% citric acid를 사용하였다. pH differential method와 HPLC (malvidin-3-galactoside, cyanidin-3-galactoside)를 사용하여 조건별 안토시아닌의 함량을 파악하였다. pH differential method는 안토시아닌이 pH에 따라서 다른 색을 나타내는 특성을 반영하여 pH 1.0 buffer와 pH 4.5 buffer에 시료를 넣고 두 buffer간의 색 차이를 분광광도계로 측정하여 흡광도 차이 값으로 안토시아닌의 함량을 예측하는 방법이다. pH differential method와 HPLC 분석 결과, 두 분석방법은 높은 상관관계를 가졌다(R>0.967). 아임계수 추출 조건에 따라 안토시아닌의 함량은110와 130ºC 에서는 3분까지 증가하다가 더 긴 시간에서는 감소하는 경향을 보였으며, 150, 170, 190ºC 조건에서는 시간이 증가함에 따라 감소하였다. 안토시아닌은 고온에서는 당이 제거되고 그 구조가 파괴되어 benzoic acid, coumarin 등으로 분해되므로 높은 온도와 긴 시간의 추출 과정에서는 안토시아닌의 함량이 낮게 나타났다. 블루베리의 아임계수 최적 조건은 130ºC-3분, 초크베리의 아임계수 최적 조건은 190ºC-1분이었다. 더하여 산에서 안정한 안토시아닌의 특성을 반영하여 식용 가능한 유기산 중 1% citric acid를 용매로 하여 최적 조건에서 추출한 경우 물과 비교하여 안토시아닌 함량이 블루베리의 경우 약 1.2배, 초크베리는 3배가 증가하였다. 안토시아닌은 산성 조건에서 flavilum cation 형태를 띠어 다른 조건보다 안정성이 높다. 따라서 1% citric acid 용매를 사용한 경우 추출 시 열에 의한 안토시아닌의 파괴가 덜 일어났기 때문에 높은 추출 효율을 얻었다고 판단된다. 기존의 추출법과 아임계 추출법의 비교 결과, 두 가지 분석법 모두 아임계 추출이 착즙과 열수 추출보다 유의적으로 높은 함량을 가졌다. 아임계 추출법의 경우 추출 시간이 3분 내외로 매우 짧으므로 이 결과를 통해 아임계 추출을 이용한 블루베리의 안토시아닌 추출 효율 증대가 입증되었다. 본 연구는 아임계 추출법을 이용하여 블루베리와 초크베리에 함유된 기능 성분인 안토시아닌 추출의 최적 조건 및 용매에 따른 영향을 확인하였다. 이는 기존 추출법보다 안토시아닌을 원료로부터 효율적으로 얻을 수 있는 방법이므로 식품 가공의 중간소재 및 제품화에 적용 시 가능성이 기대되며 나아가 국산 농식품 자원의 활용도 증진 및 수입 소재 대체를 위한 가공적성 연구의 기반이 됨을 기대한다.