Optimization of the β-glucan extraction conditions from oat flour (Avena sativa L.) using subcritical water

Abstract

Oats (Avena satica L.) are an important source of soluble dietary fiber mainly composed of β-glucans, which is reported to be effective in lowering of cholesterol and decreasing the risk of heart attack. Since oat β-glucan is a kind of polysaccharide with long linear chains and bound tightly together with other components in the endosperm cell wall, β-glucan extraction processes are complex involving many different stages. Subcritical water extraction (SWE) has emerged as a promising method for the extraction of β-glucan due to its high selectivity, efficiency of recovery, time-efficiency, and environment-friendliness. In this study, efficiencies of the SWE were investigated for the extraction of β-glucan from oat flour. The optimal conditions for maximizing the extraction efficiency were determined by varying the critical factors such as temperature (110-200°C), pH values (pH 3.0-10.6), static time (5-20 min) and particle size of oat flour. The results showed that the yield of β-glucan was optimized under the following conditions: extraction temperature of 200°C, solvent pH of 4.0, static time of 10 min, and particle size of 425-850 μm. The extraction yield and recovery yield under the optimum condition were 6.98 ± 1.17 g/100 g oat flour and 88.08%, respectively, which was over two-fold higher than that obtained using hot water extraction method (60˚C, 3 h). The increase of β-glucan degradation forming HMF was unavoidable under extreme conditions. Furthermore, the efficiency of pilot-scale SWE (8 L), which was self-built to scale up the laboratory unit, was tested compared with lab-scale system. The extraction yield was optimized for 210°C, 10 min, leading to 3.01 ± 0.27 g /100 g oat flour yield and 76.36% recovery yield. The overall results revealed that SWE can be a safe and feasible alternative for extracting β-glucan (soluble dietary fiber) from oat flour in a single step process, and have possibility to be developed to an effective industrial process.;귀리의 주요 식이섬유 성분인 β-glucan은 인체내 콜레스테롤 저하효과뿐만 아니라 혈중 포도당농도를 조절하는데 유용하게 작용하며 암 예방효과 등 생리적 기능성을 갖는 것으로 알려져 있다. 귀리의 β-glucan은 배유 세포벽 내의 전분, 단백질 등과 복잡하고 단단하게 결합되어 있어 추출조건 및 방법에 따라 추출 효율이 크게 달라져 다양한 연구가 진행되어 왔다. 아임계수 추출은 압력을 조절하여 끓는점과 임계점 사이에서 물을 액체상태로 유지시켜 추출하는 방법으로 유기용매를 사용하지 않아 안전하고 짧은 시간에 추출하는데 효율적인 추출방법이다. 본 연구의 목적은 이러한 아임계수를 이용하여 귀리에서 주요 생리활성성분인 β-glucan의 최대 수율을 나타내는 최적 추출 조건을 조사하는 것이다. 더 나아가 기존의 열수 추출법과의 비교를 통해 아임계수의 추출 효율성을 확인하고, pilot-scale system에도 적용함으로써 귀리의 아임계수 추출법에 대한 상업화 가능성을 조사하였다. 추출은 다양한 추출 온도 (110-200°C), 시간 (5-20 분), pH (3.0-10.6), 입자크기에서 수행하였다. β-glucan의 함량은 200°C, 10 분, pH 4.0, 그리고 425-805 μm에서 가장 높은 수율과 회수율의 추출물 (6.98 ± 1.17 g/100 g oat flour, 88.08%)을 얻을 수 있었다. 이는 기존 추출 방법인 열수 추출 (60°C, 3 시간)을 이용했을 때보다 2.4배 더 높은 수율이었다. 입자크기의 경우, 크기에 따라 β-glucan의 추출 효율이 크게 달라졌기 때문에 적정 크기로 분쇄된 귀리 분말을 사용하는 것이 중요하다. 광학현미경을 이용하여 최적 크기에서는 β-glucan이 다량 함유된 깨진 endosperm의 조직을, 작은 크기에서는 대부분 전분 입자를 관찰하였다. 추출 온도와 추출 pH도 β-glucan의 추출 효율에 있어서 큰 영향을 미쳤다. 추출 온도는 증가하고 pH가 감소함에 따라 β-glucan의 함량이 크게 증가했다. 또한, 추출 시간이 증가할수록 β-glucan의 함량이 감소했는데, 이는 오랜 시간의 노출로 β-glucan의 가수분해가 일어난 것으로 나타났다. β-glucan의 최종가수분해물인 HMF의 함량이 추출 온도와 시간에 따라 함께 증가함을 확인하였다. 더 나아가 본 연구진이 자체 개발한 50배 scale-up된 아임계수 추출을 적용했을 때에는 210°C, 10분에서 최적효율을 확인하였다. 이는 lab-scale의 결과보다 다소 낮은 수율이었는데, 규조토의 혼합 여부와 입자 크기의 차이로 인한 것으로 보인다. 이러한 요인들을 고려하면 대량 추출을 위한 효과적인 산업적 공정으로 활용할 수 있을 것으로 사료되었다. 결과적으로 본 연구를 통해 아임계수 추출을 이용한 귀리의 β-glucan 추출 적합성을 확인하였으며, 안전성과 시간 효율성을 고려하였을 때 기존 추출법의 대체기술로서 아임계수 추출법의 우수성 및 산업화 가능성을 보여주었다.