검색
검색 팝업 닫기

Ex) Article Title, Author, Keywords

JKFN Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition



Online ISSN 2288-5978

Article

home All Articles View

Article

Split Viewer

Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2022; 51(8): 845-854

Published online August 31, 2022 https://doi.org/10.3746/jkfn.2022.51.8.845

Copyright © The Korean Society of Food Science and Nutrition.

Optimization of Spray Drying Conditions for Immature Citrus unshiu Concentrates Using Response Surface Methodology

Hye-Yoon Yi1 , Jae-Wan Park2 , Seok-Kyu Yu2 , Dong-Shin Kim3 , and Ji-Yeon Chun1

1Department of Food Bioengineering, Jeju National University
2Jejufarm Agriculture Association Crop
3Institute of Animal Medicine, Gyeongsang National University

Correspondence to:Ji-Yeon Chun, Department of Food Bioengineering, Jeju National University, 102, Jejudaehak-ro, Jeju-si, Jeju-do 63243, Korea, E-mail: chunjiyeon@jejunu.ac.kr
Author information: Hye-Yoon Yi (Graduate student), Dong-Shin Kim (Researcher), Ji-Yeon Chun (Professor)

Received: April 25, 2022; Revised: June 14, 2022; Accepted: June 14, 2022

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Immature Citrus unshiu contains large amounts of various physiologically active substances compared to mature Citrus unshiu. They are also known to exert various biological effects such as antioxidant, anti-inflammatory, and anti-obesity. However, the active ingredients that express functionality generally have disadvantages under external environments such as light, heat, and pH. Therefore, we conducted microencapsulation using a spray drying technology to protect the active ingredients of immature Citrus unshiu concentrate (ICUC). We further strived to establish optimal processing conditions using the Box-Behnken design method of response surface methodology (RSM). In order to develop the optimized immature Citrus unshiu powder using RSM, the inlet temperature (X1), aspirator power (X2), and maltodextrin concentration (X3) were set as independent variables, and quality characteristics such as dry yield (Y1), water content (Y2), water activity (Y3), total phenolic content (Y4), and particle size (Y5) were set as dependent variables. The P values of the Y1, Y4, and Y5 models were all less than 0.0001, and the determination coefficient (R2) was 0.9541, 0.9767, and 0.9799, respectively, confirming the model’s suitability and reliability. The maximum value of dry yield (15.75%) and minimum value of water activity (0.079) and particle size (346.44 nm) were obtained under the optimal conditions of inlet temperature 200°C, aspirator power 99.75%, and maltodextrin concentration 20%. In conclusion, we believe that this study will help establish optimal spray drying conditions for microencapsulation of ICUC and other fruit and vegetable extracts.

Keywords: microencapsulation, immature Citrus unshiu, spray drying, response surface methodology, optimization

감귤류는 운향목 운향과(Rutaceae) 감귤속(Citrus)에 속하는 여러 종과 이들 속으로부터 파생되는 품종들을 지칭하는 것이며, 다른 과실에 비해 독특한 향미와 풍부한 과즙, 고유한 색을 가지는 것이 특징이다(Yi 등, 2021a). 감귤류는 2020년 한국의 주요 6대 과일 생산량 1,620천 톤 중 668천톤을 차지하며 41.23%의 비율로 가장 높은 생산 비중을 차지하였다(KREI, 2021). 국내의 경우 감귤류는 대부분 제주지역에서 재배되고 있으며, 과거에는 감귤의 품질 향상과 수급 조정을 위해 매년 약 10만 톤가량의 미숙 감귤인 풋귤(immature Citrus unshiu)을 수상 적과하여 폐기하였다(Kang 등, 2005). 하지만 최근 풋귤에 대한 소비자의 선호도가 증가하면서 제주도는 ‘제주특별자치도 감귤 생산 및 유통에 관한 조례’를 개정하여 감귤의 기능성 성분을 이용할 목적으로 농약 안전 사용 기준을 준수하여 제주특별자치도지사가 정한 날짜까지 출하되는 노지감귤을 풋귤이라 정의하였다(Ministry of the Interior and Safety, 2017). 실제로 풋귤은 완숙 감귤에 비해 더 많은 양의 폴리페놀과 유기산 등을 함유하고 있으며, 플라바논(flavanone) 배당체인 헤스페리딘(hesperidin)과 나리루틴(narirutin)이 감귤 완숙과에 비해 약 2배 이상 높게 나타나는 등 다양한 생리활성물질을 다량 함유하고 있으며(Lim, 2022), 이에 따라 풋귤은 항산화, 항염, 항비만 효능이 있는 것으로 알려져 있다(Kim과 Lim, 2020; Kang 등, 2013; Kim, 2016). 현재까지 풋귤은 풋귤청, 식초, 와인 등 다양한 형태의 식품으로 제조 및 판매되고 있으며(Kim 등, 2021c), 이외에도 풋귤의 다양한 활용 방안을 모색하기 위해 젤리(Yi 등, 2021a), 곤약젤리(Choi 등, 2021), 요구르트(Yi 등, 2021b), 스펀지케이크(Kim 등, 2021a)에 풋귤을 적용하는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 하지만 풋귤은 완숙과 감귤에 비해 단맛은 약하고 신맛은 강해서 직접 섭취하기에는 소비자의 기호도가 낮은 편이다. 또한, 감귤 플라보노이드류는 물에 대한 낮은 용해도와 외부 환경(빛, 열, pH 등)에 대한 민감성을 가지고 있어 이를 해결할 수 있는 가공 기술과 관련된 연구가 필요할 것으로 생각된다(Hu 등, 2019).

미세캡슐화(나노 및 마이크로 캡슐화)는 공기 및 기타 식품 성분과의 상호 작용을 제한하여 유효 성분의 안정성을 높일 수 있는 기술이다(Chae와 Hong, 2016). 기능성을 가지는 추출물과 화합물을 미세캡슐화 기술에 적용하게 되면 불쾌한 이취와 맛 등을 감출 수 있으며(masking), 섭취 후 특정 부위에서의 방출을 조절할 수 있다는 점에서 큰 장점을 가진다. 미세캡슐화 기술 중 하나인 분무건조(spray drying)는 코팅 물질을 물에 용해한 후 대상 물질을 분산시키고 이 혼합물을 고온의 drying chamber를 이용하여 분무하는 것을 말한다(Cho, 2013). 급격한 물의 증발과 피복 물질의 사용을 통해 유효 성분을 저온 환경으로 유지할 수 있어 열에 불안정한 성분을 보호하는 데 적합한 건조 기술이다(Hu 등, 2018). 분무건조 진행 시 주로 사용하는 부형제 및 코팅 물질로는 말토덱스트린(maltodextrin), 사이클로덱스트린(cyclodextrin), 알긴산(alginate), 검류(gums), 키토산(chitosan), 대두단백질(soybean protein), 카제인(casein) 등이 있다(Dias 등, 2015). 특히 말토덱스트린은 코팅 물질로 식품의 색, 향미, 영양성분 등을 유지하는 데 효과적이며 산소투과도 저감효과 및 저렴한 비용으로 인해 산업체에서도 많이 사용되고 있는 물질이다(Lim과 Hong, 2021). 분무건조 기술은 연속적인 대량 생산이 가능하고 비용이 저렴하며 생산수율도 높다는 점에서 다양한 이점을 가진다(Chae와 Hong, 2016; Cho, 2013). 또한, 최종적으로 무게를 줄이고 낮은 수분활성도를 가지는 제품을 생산할 수 있다는 점에서 보관 및 운송이 용이하다는 장점도 있다(Phisut, 2012). 따라서 분무건조 기술을 이용하여 페놀 화합물(Lu 등, 2021), 베타카로틴(Park 등, 2013), 파인애플 착즙액(Park 등, 2015), 클로렐라 추출물(Lee와 Hong, 2015), 흑무 추출물(Kim 등, 2021d) 등 다양한 소재를 미세캡슐화한 연구들이 많이 진행되고 있다. 하지만 분무건조 기술은 작동 시 여러 변수를 조작해야 한다는 어려움이 있으며, 시료와 부형제의 종류 및 농도, 분무건조기 작동 조건 등에 따라 다양한 분말 특성을 보인다는 점에서 기능성 식품 미세캡슐화 제품을 상업화하기 위해서는 다양한 변수에 대한 최적 조건을 확립하는 것이 필요하다.

따라서 본 연구에서는 풋귤의 유효 성분을 외부 환경으로부터 보호하고자 분무건조를 통한 미세캡슐화를 진행하였으며 반응표면분석법을 활용하여 최적 분무건조 조건을 확립하고자 하였다.

실험재료

본 실험에 사용된 풋귤 착즙액(immature Citrus unshiu juice)은 2020년 9월 성산농협에서 구매한 지름 45 mm 이상의 풋귤을 세척한 후 통째로 분쇄, 착즙하여 제조된 것으로 제주에 있는 제주농장 영농조합법인으로부터 제공받아 사용하였다. 풋귤 착즙액은 -20°C 냉동고에 보관하며 사용 직전 실온에서 해동하여 사용하였다.

풋귤 농축액 제조

풋귤 농축액 제조 과정은 Fig. 1과 같다. 풋귤 농축액은 풋귤 착즙액을 100 mesh 체로 1회 여과시켜 슬러리를 걸러낸 후 시료로 사용하였다. 여과 후의 풋귤 착즙액을 초고속 균질기(T-25D, IKA, Staufen, Germany)를 이용하여 10,000 rpm으로 3분간 균질화하였다. 이후 회전증발농축기(TYPE N-1300, EYELA, Shanghai, China)를 이용하여 풋귤 착즙액을 농축하였으며, 전자당도계(PAL-BX, ATAGO Co., Ltd., Tokyo, Japan)를 이용하여 풋귤 착즙액의 가용성 고형분을 측정하여 50±0.5°brix가 될 때까지 농축한 것을 최종적인 시료로 사용하였다.

Fig. 1. Manufacturing process diagram of immature Citrus unshiu concentrate and immature Citrus unshiu powder.

분무건조 분말 제조

분무건조 분말 제조 과정은 Fig. 1에 나타내었다. 풋귤 농축액(50±0.5°brix)과 증류수를 Table 1과 같이 배합한 후 shaking incubator(SI-600R, Jeio Tech, Daejeon, Korea)를 이용하여 25°C에서 30분간 140 rpm의 속도로 혼합해주었다. 혼합된 용액에 maltodextrin DE 14-20(Malto Dextrin, ES Food, Gyeonggi, Korea)을 각각 12, 16, 20% 비율로 첨가한 후 동일한 온도와 속도로 1시간 동안 혼합하였다. 이후 10,000 rpm으로 5분간 초고속 균질 후 교반(25°C, 140 rpm, 14 h)하여 최종적인 분무건조용 시료로 제조하였다. 이후 분무건조기(Mini spray dryer B-290, BÜCHI Labortechnik AG, Flawil, Switzerland)를 이용하여 풋귤 분말을 제조했으며, 분무건조는 각 시료의 조건에 따라 inlet temperature(°C)와 aspirator power(%)를 달리했고 이는 Table 2에 나타내었다. Two fluid nozzle을 이용하여 feed flow rate 440 mL/h, spraying air flow 40 mm의 조건으로 진행하였다. 이때 outlet temperature는 66~102°C의 범위를 가지는 것으로 관찰되었다.

Table 1 . Ingredient compositions of immature Citrus unshiu solution for spray drying

Ingredients (g)Maltodextrin concentration(%)
121620
Immature Citrus unshiu concentrate999
Water255243231
Maltodextrin (DE1) 14∼20)364860
Total300300300

1)DE: dextrose equivalent.



Table 2 . Box-Behnken design and experimental results for the characteristics of immature Citrus unshiu powder

NoIndependent variables1)Responses
X1 (°C)X2 (%)X3 (%)Dry yield (%)Water content (%)Water activity (Aw)Total phenolic content (mg TAE2)/g)Particle size (nm)
1160(−1)90(−1)16(0)12.593.5440.121.5496.4
2200(+1)90(−1)16(0)13.022.4630.0791.53506.3
3160(−1)100(+1)16(0)13.083.2610.1091.48526.05
4200(+1)100(+1)16(0)12.832.4630.0871.42479.05
5160(−1)95(0)12(−1)8.975.410.3351.85527.33
6200(+1)95(0)12(−1)9.224.7810.3211.88509.8
7160(−1)95(0)20(+1)15.883.8790.1711.32356
8200(+1)95(0)20(+1)15.893.1950.141.29328.83
9180(0)90(−1)12(−1)6.765.7490.3851.86516.4
10180(0)100(+1)12(−1)10.624.760.2861.95528.8
11180(0)90(−1)20(+1)15.233.6280.1661.33372.17
12180(0)100(+1)20(+1)16.243.1450.1221.28383.78
13180(0)95(0)16(0)14.213.0440.1351.7471.08
14180(0)95(0)16(0)13.583.3780.1571.72494.3
15180(0)95(0)16(0)13.563.8540.1891.72484.18
16180(0)95(0)16(0)12.894.2910.221.63507
17180(0)95(0)16(0)12.694.4260.2361.72480.8

1)X1: inlet temperature (°C), X2: aspirator power (%), X3: maltodextrin concentration (%).

2)TAE: tannic acid equivalents.



반응표면 모델의 설계

풋귤 미세캡슐의 최적 분무건조 조건을 예측하기 위해 반응표면분석법(response surface methodology, RSM)을 실시하였으며, 예비실험 결과를 토대로 Box-Behnken design(BBD)을 설계하였다. 풋귤 분말에 영향을 미치는 인자(parameter)인 독립변수(Xn)는 분무건조 조건인 inlet temperature(X1)와 aspirator power(X2), 피막 물질로 사용한 maltodextrin concentration(X3)으로 설정하였으며, 각 종속변수에 대한 실험 모델의 2차 회귀방정식은 다음과 같다.

Y=β0+ i=13βiXi+ i=13βiiXi2+i=1 2j=i+13 β ij Xi Xj

여기서 Y는 종속변수[분말의 건조 수율(Y1), 수분함량(Y2), 수분활성도(Y3), 총 페놀 함량(Y4), 입자 크기(Y5)]이며, β0는 상수, βi, βii, βij는 회귀계수이다.

건조 수율

풋귤 분말의 건조 수율은 분무건조 전 용액의 무게와 분무 건조 후 분말의 무게를 측정한 후 아래 계산식을 이용하여 산출하였다.

%= g g×100

수분함량 및 수분활성도

풋귤 분말의 수분함량은 적외선 수분측정기(MA 50.X2.A., Radwag, Torunska, Poland)를 이용하여 3회 반복 측정하였으며, 수분활성도는 수분활성도 측정기(AquaLab Pre Water Activity Meter, Meter Group Inc., Pullman, WA, USA)를 이용하여 3회 반복 측정하였다.

입자 크기

풋귤 분말의 평균 입자 크기는 DelsaMax Pro(Beckman Coulter, Brea, CA, USA)를 이용하여 dynamic light scattering 원리에 의해 측정하였다. 풋귤 분말을 증류수에 100배 희석한 후 3회 반복 측정하였으며, 입자 크기는 particle size(nm)로 나타내었다.

총 페놀 함량

풋귤 분말의 총 페놀 함량은 건강기능식품공전법을 일부 변형하여 측정하였다(Ministry of Food and Drug Safety, 2020). 풋귤 분말은 증류수에 용해해 50 mg/mL의 농도로 제조하였다. 이후 이 용액 100 μL와 2 M Folin-Ciocalteu’s phenol reagent(Sigma Chemical Co., St. Louis, MO, USA) 50 μL, 35% Na2CO3(Kanto Chemical Co., Inc., Tokyo, Japan) 100 μL와 증류수 750 μL를 혼합하여 상온의 암소에서 30분간 반응시켰다. 이후 microplate reader(EpochTM, BioTek Instruments, Inc., Winooski, VT, USA)를 이용하여 760 nm에서 흡광도를 측정하였다. 총 페놀 함량은 tannic acid를 이용하여 만든 표준곡선을 통해 함량을 구했으며, 시료 1 g 중의 mg tannic acid equivalents(mg TAE/g)로 나타내었다.

통계처리

반응모델의 통계적 유의성 및 적합성을 검증하기 위해 Design Expert Ver.13 software(Stat-Ease, Minneapolis, MN, USA)를 사용하여 각 독립변수와 종속변수에 대한 분산분석(analysis of variance, ANOVA)과 회귀분석(regression analysis)을 실시하였다. 또한, 통계적으로 적합하지 않은 반응표면 모델의 적합성을 높이기 위하여 P-value를 기준으로 유의하지 않는 항(P>0.05)을 삭제하여 모델 축소를 진행하였다.

반응표면 모델의 적합성

다양한 분무건조 조건에 따른 실험 결과를 기반으로 도출된 2차 회귀방정식의 적합성 평가는 최적화 조건을 예측하기 위한 중요 요소이다(Kim 등, 2021b). Box-Behnken design을 사용한 풋귤 미세캡슐의 품질 특성 결과는 Table 2에 나타내었으며, 5개의 반응표면 모델에 대한 ANOVA 분석 결과는 Table 3과 같다. ANOVA 분석 결과, 모든 모델이 낮은 P-value(<0.05)와 높은 R2(>0.87)을 보여 모델의 적합성을 확인하였다. 결정계수(determination coefficient, R2)는 1에 가까울수록 높은 직선성을 가져 모델이 적합하다는 것을 의미하지만, 변수가 많아질수록 R2은 무조건 높아진다는 단점이 있다. 이를 보완하고자 수정 결정계수(adjusted R2)를 함께 비교하며 그 차이가 0.2 미만으로 크지 않을 때 좋은 모형이라고 판단한다(Kim 등, 2021b; Yoon 등, 2017; Kim과 Lim, 2017). 본 연구에서 모든 모델은 R2과 adjusted R2의 차이가 크지 않은 것(<0.2)으로 나타나 좋은 상관관계를 가지는 반응표면 모델임을 확인하였다. 또한, 회귀 모델의 적합성과 신뢰도를 판단할 수 있는 지표인 적합성 결여 검정(lack of fit)은 P-value가 0.05보다 클 때 모델이 적합하고 높은 신뢰도를 가지는 것으로 볼 수 있으며(P>0.05), 본 연구의 모든 모델은 0.05보다 큰 P-value를 나타내 유의적인 차이를 보이지 않아 적합한 모델임을 확인하였다(Eom과 Kim, 2019). 적절한 정밀도(adequate precision)는 신호와 노이즈의 비율을 나타내어 4보다 높은 값을 가질 때 적절한 결과로 판단할 수 있는데, 본 연구에서는 모든 모델이 4 이상의 값을 나타내어 적합한 모델임을 확인하였다(Kim과 Lim, 2017). 반면 표준편차를 산술 평균으로 나눈 것으로 상대 표준편차라고도 불리는 변동 계수(coefficient of variance, C.V.)의 경우 수분함량과 수분활성도 모델에서 10% 이상의 값을 보여 낮은 재현성을 가지는 것으로 나타났으나, 건조 수율, 총 페놀 함량, 입자 크기에 대한 모델에서는 5.05% 이하의 값을 나타내 상대적으로 높은 재현성을 가지는 모델임을 확인하였다.

Table 3 . Analysis of variance (ANOVA) of a quadratic polynomial model of dry yield, water content, water activity, total phenolic content, and particle size

Source1)Dry yield (%)Water content (%)Water activity (Aw)Total phenolic content (mg TAE2)/g)Particle size (nm)
F-valueP-valueF-valueP-valueF-valueP-valueF-valueP-valueF-valueP-value
Model62.33<0.000112.160.000419.38<0.000192.4<0.000181.08<0.0001
X1NS3)NS7.340.0221.360.26990.06680.80086.120.0329
X28.020.01512.220.16722.490.14540.60120.45450.63750.4432
X3229.76<0.000133.840.000261.99<0.0001399.5<0.0001376.17<0.0001
X1X2NSNSNSNSNSNSNSNS5.920.0353
X1X3NSNSNSNSNSNSNSNSNSNS
X2X34.880.0475NSNSNSNSNSNSNSNS
X12NSNS4.590.05777.40.021634.610.0001NSNS
X22NSNS4.50.05988.090.017423.830.00058.920.0137
X326.670.02422.030.000937.590.0001NSNS91.57<0.0001
Lack of fit1.190.46260.16810.97230.33720.88661.170.4660.54580.7583
R20.95410.87950.92080.97670.9799
Adjusted R20.93880.80720.87330.96620.9678
Predicted R20.8590.75250.81140.94050.9521
C.V. (%)5.0510.8517.062.572.5
Adequate precision23.834712.187613.44325.225625.4397

1)X1: inlet temperature (°C), X2: aspirator power (%), X3: maltodextrin concentration (%), R2: determination coefficient, C.V.: coefficient of variance.

2)TAE: tannic acid equivalents.

3)NS: not significant at P<0.05.



회귀분석을 통해 도출된 분무건조 최적 조건 설정을 위한 2차 다항식은 Table 4와 같으며 각 종속변수에 대한 독립변수의 영향은 Fig. 2와 같이 3차원 반응표면 곡선으로 나타내었다.

Table 4 . Polynomial equation calculated by RSM for the characteristics of immature Citrus unshiu powder

ResponseSecond order polynomials1)
Dry yield (%)Y1=13.16+0.6463X2+3.46X3-0.8099X32-0.7125X2X3
Water content (%)Y2=3.80-0.3990X1-0.2194X2-0.8566X3-0.4351X12-0.4308X22+0.9527X32
Water activity (Aw)Y3=0.1874-0.0135X1-0.0182X2-0.0910X3-0.0433X12-0.0453X22+0.0977X32
Total phenolic content (mg TAE2)/g)Y4=1.70-0.0037X1-0.0112X2-0.2900X3-0.1175X12-0.0975X22
Particle size (nm)Y5=486.35-10.22X1+3.30X2-80.19X3+17.00X22-54.46X32-14.23X1X2

1)X1: inlet temperature (°C), X2: aspirator power (%), X3: maltodextrin concentration (%).

2)TAE: tannic acid equivalents.



Fig. 2. Response surface plots for the effects of inlet temperature(°C), aspirator power(%), and maltodextrin concentration(%) on A: dry yield(%), B: water content (%), C: water activity(Aw), D: total phenolie content (mg TAE/g), and E: particle size (nm).

건조 수율

분무건조 조건(inlet temperature, aspirator power)과 부형제로 사용한 말토덱스트린(MD)의 함량을 각각 달리하여 얻은 풋귤 농축액 분말의 건조 수율은 Table 2에 나타내었다. 풋귤 분말의 건조 수율은 6.76~16.24%의 범위로 나타났으며, inlet temperature 180°C, aspirator power 100%, MD concentration 20% 조건에서 가장 높은 수율(16.24%)을 보였다. 풋귤 분말의 건조 수율에 대한 회귀 모델은 높은 F-value(62.33)와 낮은 P-value(<0.0001)를 나타내었으며, 이는 노이즈로 인해 이렇게 큰 F-value가 나타날 가능성이 0.01%에 불과하며 0.05보다 작은 P-value로 인해 본 모델이 적합하다는 것을 보여준다(Table 3). 건조 수율의 회귀 모델에서 적합성 결여 검정의 P-value는 0.05보다 높은 0.4626으로 나타나 유의적인 차이를 보이지 않았으며, 이를 통해 본 모델이 건조 수율의 변화를 설명하기에 적합한 것으로 확인되었다. 또한, R2은 0.9541로 나타나 95% 이상의 신뢰수준에서 적합성이 인정되었으며, adjusted R2과 predicted R2 역시 각각 0.9388, 0.8590으로 높은 값을 나타내어 본 모델의 유효성과 정확성이 있음을 보여준다. 상대적으로 낮은 C.V.(5.05%)는 건조 수율 모델이 높은 재현성을 가진다는 것을 나타내며, adequate precision은 23.8347로 나타나 적합한 모델임을 확인하였다. Inlet temperature(X1)와 건조 수율 간의 유의성은 확인되지 않았으나 aspirator power(X2)와 MD concentration(X3)은 각각 0.0151과 0.0001 미만의 P-value를 나타내면서 0.05 이하를 보였기에 유의성이 있는 것으로 확인되었다. 또한, 이차항에서의 MD concentration(X32)에서도 P-value가 0.0240으로 나타나 유의적인 결과를 보였다. 따라서 풋귤 분말의 건조 수율은 aspirator power와 MD concentration이 2차 회귀 방정식에 큰 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 두 가지 독립변수에 대한 종속변수의 변화는 Fig. 2와 같이 3차원 반응표면 곡선으로 나타내었으며 이를 통해 시각적으로 각 변수의 영향을 확인할 수 있다. 풋귤 분말의 건조 수율은 MD concentration과 aspirator power가 증가할수록 높아지는 경향을 보였으나 inlet temperature는 큰 영향을 미치지 않은 것으로 나타났다(Fig. 2A). 또한, aspirator power보다도 MD concentration이 증가함에 따라 건조 수율이 급격하게 증가하는 경향을 나타내 MD concentration이 건조 수율에 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.

건조 수율은 분무건조 공정의 생산비용 및 효율성과 관련이 있어 대량 생산 시 기업에서 중요하게 여기는 지표 중 하나이다(Barón 등, 2021). Lim과 Hong(2021)의 연구에 따르면 홍화 추출물을 이용한 분무건조 분말의 수율은 부형제의 함량에 따라 변화했으며 말토덱스트린의 함량이 증가할수록 수율이 증가하는 경향을 보였다. 또한, 흑무 발효물과 추출물의 분무건조 후 수율은 분무건조기의 inlet temperature(160~180°C)에 따른 유의적인 차이를 보이지 않아 본 연구와 유사한 경향을 보였다(Kim 등, 2021d).

수분함량 및 수분활성도

분말을 비롯한 다양한 건조식품의 수분함량과 수분활성도는 식품산업 활용 측면에서 중요한 가공적성 요인으로 알려져 있다(Park 등, 2015). 풋귤 분말의 수분함량은 2.463~5.749%의 범위로 나타났으며(Table 2), inlet temperature 200°C와 MD concentration 16%의 조건에서 aspirator power 90, 100%일 때 2.463%로 가장 낮은 수분함량을 나타내었다(No. 2와 4). ANOVA 분석을 통해 얻은 풋귤 분말의 수분함량에 대한 회귀 모델 적합성 결여 검정의 P-value는 0.9723으로 높은 값을 가져 본 모델의 적합성을 확인하였다(Table 3). 본 모델의 R2과 adjusted R2은 각각 0.8795, 0.8072로 나타나 그 차이가 0.2 미만이므로 좋은 상관관계를 가지는 것으로 보인다. 모든 교차항(X1X2, X1X3, X2,X3)에서는 유의적인 차이를 보이지 않아 독립변수 간의 상호작용이 발생하지 않은 것으로 나타났으나, 일차항에서의 inlet temperature와 MD concentration, 이차항에서의 MD concentration의 P-value는 각각 0.0220, 0.0002, 0.0009로 나타나 유의적인 결과를 보였다. 두 개의 독립변수에 의한 수분함량의 변화는 하나의 독립변수를 고정하여 Fig. 2B와 같은 3차원 반응표면 곡선으로 나타내었다. Inlet temperature와 aspirator power는 풋귤 분말의 수분함량에 큰 영향을 주지는 않는 것으로 보이나, 높은 inlet temperature와 aspirator power에서 상대적으로 낮은 수분함량의 분말을 생성할 수 있음을 확인하였다(Fig. 2B-1). 부형제로 사용한 MD의 concentration은 비교적 분말의 수분함량에 큰 영향을 주는 것으로 나타났으며, MD concentration이 높아질수록 풋귤 분말은 낮은 수분함량을 가지는 것으로 나타났다(Fig. 2B-2).

수분함량은 식품의 수분 구성을 나타내는 지표로 분말의 수분함량 값이 약 5%대로 감소하면 제품의 부패성이 감소한다(Yamashita 등, 2017). 따라서 본 연구에서 분무건조를 통해 얻은 풋귤 분말은 모두 낮은 수분함량(2.463~5.749)으로 인해 오랜 기간 부패하지 않고 저장할 수 있으리라 생각된다.

풋귤 분말의 수분활성도는 0.079~0.385의 범위를 보였으며, 수분함량 결과와 유사하게 inlet temperature 200°C, aspirator power 90%, MD concentration 16% 조건에서 0.079로 가장 낮은 값을 보였고, inlet temperature 180°C, aspirator power 90%, MD concentration 12%의 조건에서 0.385로 가장 높게 측정되었다(Table 2). 풋귤 분말의 수분활성도에 대한 회귀 모델은 0.0001 미만의 P-value를 나타내었고, 적합성 결여 검정의 P-value는 0.8866으로 높은 값을 나타내었다(Table 3). 또한, R2과 adjusted R2은 각각 0.9208, 0.8733으로 그 차이가 크지 않아 모델의 높은 신뢰도와 적합성을 보여주었다. 각각의 독립변수에 대한 ANOVA 분석 결과에서는 수분함량과 마찬가지로 모든 교차항에서 유의적인 차이를 보이지 않았고 inlet temperature에서도 0.2699의 P-value를 보여 유의성이 인정되지 않았으나, MD concentration은 0.0001 미만의 P-value를 보여 통계적으로 유의하였고 모든 독립변수의 이차항에서도 0.05 미만의 P-value를 보이며 유의성이 인정되었다. 결과적으로 수분함량과 수분활성도 모두 MD concentration이 분말의 특성에 영향을 미치는 중요한 변수로 보이며, 3차원 반응표면 곡선을 통해 확인한 풋귤 분말의 수분활성도에 영향을 미치는 독립변수들의 결과는 수분함량 분석과 유사한 경향을 보였다(Fig. 2B2C). 따라서 분무건조를 통해 생성한 분말의 수분 특성은 inlet temperature, aspirator power, MD concentration이 높을수록 좋은 결과를 보이는 것으로 생각된다.

수분활성도는 식품에서 이용 가능한 자유수를 측정하는 것으로 식품 분말의 저장 수명에 영향을 줄 수 있으며, 일반적으로 0.6 미만일 때 미생물 생육이 불가능한 것으로 알려져 있다(Barón 등, 2021). Ren 등(2020)은 분무건조 온도에 따른 시트러스 오일 미세캡슐의 품질 특성을 관찰하였으며, 110~190°C로 inlet temperature를 달리했을 때 미세캡슐은 수분활성도 0.11~0.14로 매우 낮은 값을 보였고 이는 미세캡슐 분말의 저장 안정성을 보장한다고 보고하였다. 생강 주스를 분무건조 하여 얻은 생강 분말과 관련된 연구에서는 분무건조 시 사용되는 부형제의 종류(말토덱스트린, 액체 포도당)가 분말의 수분활성도에 영향을 미친다고 보고하여 말토덱스트린(0.34) 사용 시 액체 포도당(0.31)보다 높은 값을 나타냈다고 보고하였다(Phoungchandang과 Sertwasana, 2010). 따라서 분무건조를 통해 얻은 분말의 수분활성도는 부형제의 양뿐만 아니라 그 종류에 따라서도 영향을 주는 것으로 보인다.

총 페놀 함량

과채류와 같은 식물성 식품에는 여러 종류의 페놀성 화합물이 함유되어 있으며, 이러한 물질들은 직접적으로 항산화 반응에 관여한다(Yi 등, 2021a). 따라서 폴리페놀을 장기간 섭취할 경우 신경 퇴행성 질환 및 심혈관 질환 발병에 대한 예방 효과가 있는 것으로 알려져 있다(Kim 등, 2021b). 다양한 분무건조 조건에 따른 풋귤 분말의 총 페놀 함량은 Table 2에 나타내었다. 풋귤 분말의 총 페놀 함량은 1.28~1.95 mg TAE/g의 범위를 보였으며, inlet temperature 180°C, aspirator power 100% 조건에서 MD concentration 12%일 때 가장 높은 값인 1.95 mg TAE/g, MD concentration 20%일 때 가장 낮은 값인 1.28 mg TAE/g으로 나타났다. 풋귤 분말의 총 페놀 함량에 대한 회귀 모델은 92.40의 높은 F-value와 0.0001 미만의 낮은 P-value를 나타내었다(Table 3). 따라서 노이즈로 인해 F-value가 92.40으로 나타날 가능성이 0.01% 정도밖에 되지 않으며 낮은 P-value를 통해 모델의 적합성을 확인하였다. 본 모델의 적합성 결여 검정 P-value는 0.4660으로 나타나 0.05보다 크게 나타났으며, R2과 adjusted R2, predicted R2은 각각 0.9767, 0.9662, 0.9405로 나타나 모두 90% 이상의 높은 신뢰수준을 보여주었다. 총 페놀 함량의 회귀 모델은 상대적으로 낮은 C.V.(2.57%)를 나타내어 높은 재현성을 확인할 수 있었으며, 적절한 정밀도는 25.2256으로 높은 수치로 나타나 적합한 모델이라 판단된다. MD concentration의 P-value가 0.0001 미만으로 나타나며 유의성을 보였고, 이차항에서의 inlet temperature와 aspirator power에서 각각 0.0001, 0.0005의 P-value를 보여 유의성이 인정되었다. 두 가지 독립변수에 대한 풋귤 분말의 총 페놀 함량 변화는 3차원 반응표면 곡선을 이용하여 나타내었다(Fig. 2D). MD concentration을 고정하여 aspirator power와 inlet temperature에 의한 총 페놀 함량 변화를 확인할 수 있는 Fig. 2D-1에서 두 가지의 독립변수가 총 페놀 함량에 큰 영향을 주지 못한 채 중심점(inlet temperature 180°C, aspirator power 95%) 부근에서 가장 높은 총 페놀 함량(약 1.7 mg TAE/g)을 나타내었다. 결과적으로 ANOVA 분석 결과와 동일하게 세 가지의 독립변수 중 MD concentration이 총 페놀 함량에 가장 큰 영향을 미치는 인자로 나타났다(Fig. 2D-2). 일정한 inlet temperature에서 MD concentration이 높아질수록 총 페놀 함량은 낮아지는 결과를 보였다.

Mishra 등(2014)의 연구에 따르면 말토덱스트린의 함량(5~9%)이 증가할수록 암라 주스 분말의 총 페놀 함량은 유의적으로 감소하는 것으로 나타나 본 연구와 유사한 경향을 보였다(P<0.05). 또한, Hajiaghaei와 Sharifi(2022)의 분무건조를 통한 레드비트 추출물 음료 분말화 연구에서도 말토덱스트린의 함량(0~30%)이 증가함에 따라 분말의 총 페놀 함량은 감소하는 경향을 보였으며, 이는 부형제 함량이 증가함에 따라 총고형분 함량이 증가하게 되고 결과적으로 페놀 성분을 함유한 유효 성분이 상대적으로 더 많이 희석된 것에 따른 것이라 보고하였다. Kwamman과 Klinkesorn(2015)의 연구에서는 참치 오일을 미세캡슐화하기 위해 사용한 말토덱스트린의 농도가 높을수록 더 높은 포집 효율을 나타내었다고 보고하였다. 따라서 본 연구에서 MD concentration이 높아질수록 낮은 총 페놀 함량을 나타낸 것은 높은 MD concentration에서 더 많은 양의 풋귤 농축액이 포집되어 실제 측정된 총 페놀 함량은 오히려 낮게 나타난 것으로 생각된다. Tran과 Nguyen(2018)의 연구에 의하면 레몬그라스 잎 추출물 분말의 총 페놀 함량은 분무건조 inlet temperature가 증가함에 따라 유의적으로 감소하는 결과를 보였다(P<0.05). 이는 페놀 화합물이 온도에 매우 민감하여 열에 노출되면 쉽게 분해되기 때문으로 보인다(Couto 등, 2013). 하지만 본 연구에서는 inlet temperature가 풋귤 분말에 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타나 다른 경향을 확인하였다. 이는 충분한 부형제의 양으로 인해 풋귤의 유효 성분이 열에 노출되는 정도가 적었기 때문으로 생각된다.

입자 크기

풋귤 분말의 입자 크기는 328.83~528.80 nm의 범위를 보여 모두 나노 크기 대의 입자가 형성되었음을 확인할 수 있다(Table 2). Inlet temperature 200°C, aspirator power 95%, MD concentration 20%의 조건에서 328.83 nm로 가장 작은 입자 크기를 나타냈으며, inlet temperature 180°C, aspirator power 100%, MD concentration 12%의 조건에서 528.80 nm로 가장 큰 입자 크기를 보였다. 풋귤 분말의 입자 크기에 대한 회귀 모델에서 높은 F-value(81.08)와 낮은 P-value(<0.0001)를 통해 유의적인 결과임을 확인하였다(Table 3). 적합성 결여 검정의 P-value는 0.7583으로 나타나 모델의 적합성이 인정되었다. R2, adjusted R2, predicted R2도 각각 0.9799, 0.9678, 0.9521로 모두 높은 값을 나타내었으며 약 95% 이상의 신뢰수준을 보여주었다. 입자 크기에 대한 회귀 모델은 여러 종속변수 중에서 가장 낮은 C.V.(2.50)와 가장 높은 적절한 정밀도(25.4397)를 나타내어 가장 좋은 재현성과 적합성을 가지는 모델임을 확인할 수 있다. Inlet temperature와 MD concentration에서는 각각 0.0329와 0.0001 미만의 P-value를 보이고 유의적 차이가 있었으며, inlet temperature와 aspirator power 간의 교차항에서 P-value는 0.0353을 나타내어 유의성을 보였고 이차항에서의 aspirator power와 MD concentration에서 각각 0.0137, 0.0001 미만의 P-value를 보여 유의성이 인정되었다. 입자 크기에 대한 두 가지 독립변수의 영향은 Fig. 2E와 같이 3차원 반응표면 곡선으로 나타내었다. MD concentration은 입자 크기에서도 가장 큰 영향을 미치는 독립변수로 나타났으며, MD concentration이 증가할수록 입자 크기는 감소하는 경향을 보여 inlet temperature 200°C, MD concentration 20%의 조건에서 가장 작은 입자 크기(328.83 nm)를 가지는 풋귤 분말을 생성할 수 있음을 확인하였다(Fig. 2E-2).

Lim과 Hong(2021)의 연구에 따르면 홍화 분무건조 분말의 입자 크기는 말토덱스트린 10% 첨가군(43.12 μm)보다 20% 첨가군(52.02 μm)에서 더 커졌다고 보고하여 본 연구와 유사한 경향을 나타내었다. Han과 Youn(2009)의 분무건조를 통해 제조한 초미세 분말 칼슘 연구에서는 당류의 첨가가 입자 간의 응집을 방지할 수 있다고 하였다. 본 연구에서도 부형제로 사용한 MD의 concentration이 증가함에 따라 풋귤 농축액의 높은 당도에 따른 입자 간의 응집을 방지할 수 있었으며 이를 통해 나노 사이즈의 미세한 풋귤 분말이 생성된 것으로 판단된다. 미세캡슐의 입자 크기가 작을수록 내부 물질을 포집하는 데 유리하며, 표면적은 넓어지기 때문에 여러 물질과의 활발한 접촉 및 용해도 향상 등의 이점이 있다(Park 등, 2015; Lim과 Hong, 2021). 따라서 본 연구에서 이용한 풋귤 미세캡슐화는 풋귤 농축액을 포집하기에 유리한 조건이며, 캡슐화를 통해 풋귤의 유효 성분을 외부 환경으로부터 보호하여 기능성 및 저장 안정성을 향상시킬 수 있다고 생각된다.

풋귤 미세캡슐화 조건의 최적화

풋귤 미세캡슐화를 위한 최적 분무건조 조건은 Table 5에 나타내었다. 본 연구에서는 최적 분무건조 조건을 설정하기 위해 종속변수 중 건조 수율과 총 페놀 함량은 최대치(maximize)로 설정하였으며 수분함량, 수분활성도, 입자 크기는 최소치(minimize)로 설정하였다. 건조 수율의 최대화를 위한 최적 조건의 경우 inlet temperature 180°C, aspirator power 90%, MD concentration 20% 조건이었으며, 예측값은 15.88%, 이에 대한 적합도(desirability)는 0.9618로 나타났다. 수분함량은 inlet temperature 199.77°C, aspirator power 99.18%, MD concentration 17.15%에서 예측값 2.332%로 나타났으며, 이에 대한 적합도는 1로 매우 높았다. 총 페놀 함량은 inlet temperature 178.69°C, aspirator power 95.02%, MD concentration 12.35% 조건에서 가장 높은 예측값을 보였다(1.96 mg TAE/g). 다섯 가지의 종속변수 중 미세캡슐 특성에 중요한 인자로 판단되는 건조 수율, 수분활성도, 입자 크기에 대한 최적 분무건조 조건을 확립하고자 건조 수율의 최대화 및 수분활성도와 입자 크기의 최소화를 모두 고려하여 최적화를 진행했으며, inlet temperature 200°C, aspirator power 99.75%, MD concentration 20%로 나타났다. 이때의 예측값은 각각 15.75%, 0.079, 346.44 nm로 나타났으며, 이에 대한 적합도는 0.9527로 상당히 높은 적합성을 보였다. 이는 높은 건조 수율, 낮은 수분활성도, 작은 입자 크기를 가지는 분말을 제조하기 위해서는 높은 inlet temperature와 aspirator power, 그리고 많은 양의 MD가 사용되어야 할 것이라 해석된다.

Table 5 . Optimized spray drying conditions and predicted values for encapsulation of immature Citrus unshiu according to desirability function

ResponsesGoalInlet temperature (°C)Aspirator power (%)Maltodextrin concentration (%)Predicted valueDesirability
Dry yieldMaximize180902015.88%0.9618
Water contentMinimize199.7799.1817.152.33%1
Water activityMinimize199.9699.9915.560.0791
Total phenolic contentMaximize178.6995.0212.351.96 mg TAE1)/g1
Particle sizeMinimize20096.620339.72 nm0.9456
Dry yield max.+water activity min.+particle size min.20099.7520Dry yield 15.75% Water activity 0.079 Particle size 346.44 nm0.9527

1)TAE: tannic acid equivalents.


본 연구에서는 풋귤 농축액을 미세캡슐화하기 위한 분무건조 기술 적용에 있어서 다양한 변수들의 조건을 반응표면분석법을 이용하여 최적화하였다. 반응표면 모델 설계는 BBD를 기반으로 하였으며, inlet temperature(160~200°C, X1), aspirator power(90~100%, X2), maltodextrin concentration(12~20%, X3)으로 설정하였고, 이에 따른 풋귤 분말의 건조 수율(Y1), 수분함량(Y2), 수분활성도(Y3), 총 페놀 함량(Y4), 입자 크기(Y5)를 종속변수로 설정하였다. 각 모델의 P-value와 R2, adjusted R2, C.V.를 기반으로 했을 때 건조 수율, 총 페놀 함량, 입자 크기의 회귀 모델이 상대적으로 더 높은 모델의 적합성과 재현성을 가지는 것으로 나타났다. 또한, 각각의 종속변수에 대한 일차항(Xi), 이차항(Xi2), 교차항(XiXj)에 대한 P-value 결과를 통해 MD concentration이 모든 종속변수에 가장 큰 영향을 주는 인자로 분석되었다. 분말을 생산하고 그 품질을 평가하는 데 있어 중요 변수가 되는 건조 수율의 최대화 및 수분활성도와 입자 크기의 최소화를 위한 최적 분무건조 조건은 inlet temperature 200°C, aspirator power 99.75%, MD concentration 20%로 나타났으며, 이때의 건조 수율은 15.75%, 수분활성도 0.079, 입자 크기 346.44 nm로 예측되었다. 위와 같은 결과는 향후 풋귤을 비롯한 여러 과채류의 농축액을 미세캡슐화하여 분말화함에 있어서 분무건조 조건을 확립하는 데 도움이 될 것으로 생각된다.

본 연구는 농림식품기술기획평가원(IPET)에서 시행한 맞춤형혁신식품 및 천연안심소재기술개발사업(과제번호: 11901303)에 의해 수행되었으며 이에 감사드립니다.

  1. Barón RD, Valle-Vargas MF, Quintero-Gamero G, Quintanilla-Carvajal MX, Alean J. Encapsulation of citrulline extract from watermelon (Citrullus lanatus) by-product using spray drying. Powder Technol. 2021. 385:455-465.
    CrossRef
  2. Chae HY, Hong JH. Quality characteristics of spray dried powder from unripe fig extract. Korean J Food Preserv. 2016. 23:355-360.
    CrossRef
  3. Cho YH. Microencapsulation of lactic acid bacteria. Food Sci Anim Resour Ind. 2013. 2(3):34-39.
  4. Choi MH, Kim MH, Han YS. Quality characteristics and antioxidant activities of Konjac jelly with the addition of premature mandarin peel powder. Korean J Food Cook Sci. 2021. 37:289-298.
  5. Couto RO, Martins FS, Chaul LT, Conceição EC, Freitas LAP, Bara MTF, et al. Spray drying of Eugenia dysenterica extract: effects of in-process parameters on product quality. Rev Bras Farmacogn. 2013. 23:115-123.
    CrossRef
  6. Dias MI, Ferreira ICFR, Barreiro MF. Microencapsulation of bioactives for food applications. Food Funct. 2015. 6:1035-1052.
    Pubmed CrossRef
  7. Eom IJ, Kim SH. Optimization of lactic acid fermentation condition of mulberry juice using response surface methodology. J Korean Soc Food Sci Nutr. 2019. 48:575-588.
    CrossRef
  8. Hajiaghaei M, Sharifi A. Physicochemical properties of red beetroot and quince fruit extracts instant beverage powder: Effect of drying method and maltodextrin concentration. J Food Qual. 2022. Article ID 7499994. https://doi.org/10.1155/2022/7499994
    CrossRef
  9. Han MW, Youn KS. Quality characteristics of spray drying microparticulated calcium after wet-grinding. Korean J Food Sci Technol. 2009. 41:657-661.
  10. Hu Y, Kou G, Chen Q, Li Y, Zhou Z. Protection and delivery of mandarin (Citrus reticulata Blanco) peel extracts by encapsulation of whey protein concentrate nanoparticles. LWT. 2019. 99:24-33.
    CrossRef
  11. Hu Y, Li Y, Zhang W, Kou G, Zhou Z. Physical stability and antioxidant activity of citrus flavonoids in arabic gum-stabilized microcapsules: Modulation of whey protein concentrate. Food Hydrocoll. 2018. 77:588-597.
    CrossRef
  12. Kang GJ, Han SC, Ock JW, Kang HK, Yoo ES. Anti-Inflammatory effect of quercetagetin, an active component of immature Citrus unshiu, in HaCaT human keratinocytes. Biomol Ther. 2013. 21:138-145.
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  13. Kang YJ, Yang MH, Ko WJ, Park SR, Lee BG. Studies on the major components and antioxidative properties of whole fruit powder and juice prepared from premature mandarin orange. Korean J Food Sci Technol. 2005. 37:783-788.
  14. Kim DS, Lim SB. Extraction of flavanones from immature Citrus unshiu pomace: process optimization and antioxidant evaluation. Sci Rep. 2020. 10:19950. https://doi.org/10.1038/s41598-020-76965-8
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  15. Kim DS, Lim SB. Optimization of subcritical water hydrolysis of rutin into isoquercetin and quercetin. Prev Nutr Food Sci. 2017. 22:131-137.
  16. Kim HJ, Kim MH, Han YS. Antioxidant activities and quality characteristics of sponge cake added with premature mandarin peel powder. J Korean Soc Food Sci Nutr. 2021a. 50:981-991.
    CrossRef
  17. Kim HL, Hong JW, Jeon SJ, Kim HY, Kim JW. Optimization of ultrasound-assisted extraction of antioxidant from Cirsium setidens using response surface methodology. J Korean Soc Food Sci Nutr. 2021b. 50:285-293.
    CrossRef
  18. Kim HN, Ko SB, Kim BS. Economic impacts of the increase in green immature citrus demand on Jeju field citrus industry. Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society. 2021c. 22:108-114.
  19. Kim HY, Shin TK, Ahn MJ, Kim GO, Chun JY. Characterization of black radish (Raphanus sativus L. var. niger) extracts according to different extraction and drying methods. Resour Sci Res. 2021d. 3:46-54.
    CrossRef
  20. Kim KJ. Studies on characteristic compounds and anti-obese physiological activities of unripe fruit of Citrus unshiu. Master’s thesis. Semyung University, Chungbuk, Korea. 2016.
  21. KREI. Agricultural outlook 2021 Korea Ⅱ. 2021 [cited 2022 Mar 16]. Available from: https://aglook.krei.re.kr/main/uEvent Data/1/read/527073?query=
  22. Kwamman Y, Klinkesorn U. Influence of oil load and maltodextrin concentration on properties of tuna oil microcapsules encapsulated in two-layer membrane. Drying Technol. 2015. 33:854-864.
    CrossRef
  23. Lee DH, Hong JH. Antioxidant activities of chlorella extracts and physicochemical characteristics of spray-dried chlorella powders. Korean J Food Preserv. 2015. 22:591-597.
    CrossRef
  24. Lim MJ, Hong JH. Physicochemical properties and antioxidant activities of spray-dried powder from safflower extract. Korean J Food Preserv. 2021. 28:218-230.
    CrossRef
  25. Lim SB. Organic acid-catalyzed subcritical water hydrolysis of immature Citrus unshiu pomace. Foods. 2022. 11:18. https:// doi.org/10.3390/foods11010018
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  26. Lu W, Yang X, Shen J, Li Z, Tan S, Liu W, et al. Choosing the appropriate wall materials for spray-drying microencapsulation of natural bioactive ingredients: Taking phenolic compounds as examples. Powder Technol. 2021. 394:562-574.
    CrossRef
  27. Ministry of Food and Drug Safety. Standards and specifications of health functional foods. 2020 [cited 2021 Aug 2]. Available from: https://www.mfds.go.kr/brd/m_211/view.do?seq=14487
  28. Ministry of the Interior and Safety. Jeju Special Self-Governing Province ordinance on citrus production and distribution. 2017 [cited 2022 Feb 18]. Available from: www.elis.go.kr/allalr/selectAlrBdtOne?alrNo=50000019003012&histNo=006&menuNm=main
  29. Mishra P, Mishra S, Mahanta CL. Effect of maltodextrin concentration and inlet temperature during spray drying on physicochemical and antioxidant properties of amla (Emblica officinalis) juice powder. Food Bioprod Process. 2014. 92:252-258.
    CrossRef
  30. Park HM, Chae HY, Hong JH. Physicochemical properties and protease activities of microencapsulated pineapple juice powders by spray drying process. Korean J Food Preserv. 2015. 22:84-90.
    CrossRef
  31. Park HM, No HK, Lee SH, Yoon KS, Park CS, Hong JH. Quality characteristics of microencapsulated β-carotene prepared by different molecular weight chitosan. J Chitin Chitosan. 2013. 18:26-31.
  32. Phisut N. Spray drying technique of fruit juice powder: some factors influencing the properties of product. Int Food Res J. 2012. 19:1297-1306.
  33. Phoungchandang S, Sertwasana A. Spray-drying of ginger juice and physicochemical properties of ginger powders. Science Asia. 2010. 36:40-45.
    CrossRef
  34. Ren W, Tian G, Zhao S, Yang Y, Gao W, Zhao C, et al. Effects of spray-drying temperature on the physicochemical properties and polymethoxyflavone loading efficiency of citrus oil microcapsules. LWT. 2020. 133:109954. https://doi.org/10.1016/j.lwt.2020.109954
    CrossRef
  35. Tran TTA, Nguyen HVH. Effects of spray-drying temperatures and carriers on physical and antioxidant properties of lemongrass leaf extract powder. Beverages. 2018. 4:84. https://doi.org/10.3390/beverages4040084
    CrossRef
  36. Yamashita C, Chung MMS, dos Santos C, Mayer CRM, Moraes ICF, Branco IG. Microencapsulation of an anthocyanin-rich blackberry (Rubus spp.) by-product extract by freeze-drying. LWT. 2017. 84:256-262.
    CrossRef
  37. Yi HY, Cha ES, Chun JY. Quality characteristics of immature Citrus unshiu juice jelly. J Korean Soc Food Sci Nutr. 2021a. 50:410-419.
    CrossRef
  38. Yi HY, Seo JG, Jeong SE, Chun JY. Physicochemical properties and antioxidant activity of yogurt with immature Citrus unshiu. Resour Sci Res. 2021b. 3:90-100.
    CrossRef
  39. Yoon HJ, Ham IT, Kim JS, Choi JD. Optimization of the manufacturing process for boiled-dried anchovy using response surface methodology (RSM). J Kor Soc Fish Mar Edu. 2017. 29:1984-1993.
    CrossRef

Article

Article

Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2022; 51(8): 845-854

Published online August 31, 2022 https://doi.org/10.3746/jkfn.2022.51.8.845

Copyright © The Korean Society of Food Science and Nutrition.

반응표면분석법을 이용한 풋귤 농축액 분무건조 조건 최적화

이혜윤1․박재완2․유석규2․김동신3․천지연1

1제주대학교 식품생명공학과
2제주농장 영농조합법인
3경상국립대학교 동물의학연구소

Received: April 25, 2022; Revised: June 14, 2022; Accepted: June 14, 2022

Optimization of Spray Drying Conditions for Immature Citrus unshiu Concentrates Using Response Surface Methodology

Hye-Yoon Yi1 , Jae-Wan Park2 , Seok-Kyu Yu2 , Dong-Shin Kim3 , and Ji-Yeon Chun1

1Department of Food Bioengineering, Jeju National University
2Jejufarm Agriculture Association Crop
3Institute of Animal Medicine, Gyeongsang National University

Correspondence to:Ji-Yeon Chun, Department of Food Bioengineering, Jeju National University, 102, Jejudaehak-ro, Jeju-si, Jeju-do 63243, Korea, E-mail: chunjiyeon@jejunu.ac.kr
Author information: Hye-Yoon Yi (Graduate student), Dong-Shin Kim (Researcher), Ji-Yeon Chun (Professor)

Received: April 25, 2022; Revised: June 14, 2022; Accepted: June 14, 2022

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract

Immature Citrus unshiu contains large amounts of various physiologically active substances compared to mature Citrus unshiu. They are also known to exert various biological effects such as antioxidant, anti-inflammatory, and anti-obesity. However, the active ingredients that express functionality generally have disadvantages under external environments such as light, heat, and pH. Therefore, we conducted microencapsulation using a spray drying technology to protect the active ingredients of immature Citrus unshiu concentrate (ICUC). We further strived to establish optimal processing conditions using the Box-Behnken design method of response surface methodology (RSM). In order to develop the optimized immature Citrus unshiu powder using RSM, the inlet temperature (X1), aspirator power (X2), and maltodextrin concentration (X3) were set as independent variables, and quality characteristics such as dry yield (Y1), water content (Y2), water activity (Y3), total phenolic content (Y4), and particle size (Y5) were set as dependent variables. The P values of the Y1, Y4, and Y5 models were all less than 0.0001, and the determination coefficient (R2) was 0.9541, 0.9767, and 0.9799, respectively, confirming the model’s suitability and reliability. The maximum value of dry yield (15.75%) and minimum value of water activity (0.079) and particle size (346.44 nm) were obtained under the optimal conditions of inlet temperature 200°C, aspirator power 99.75%, and maltodextrin concentration 20%. In conclusion, we believe that this study will help establish optimal spray drying conditions for microencapsulation of ICUC and other fruit and vegetable extracts.

Keywords: microencapsulation, immature Citrus unshiu, spray drying, response surface methodology, optimization

서 론

감귤류는 운향목 운향과(Rutaceae) 감귤속(Citrus)에 속하는 여러 종과 이들 속으로부터 파생되는 품종들을 지칭하는 것이며, 다른 과실에 비해 독특한 향미와 풍부한 과즙, 고유한 색을 가지는 것이 특징이다(Yi 등, 2021a). 감귤류는 2020년 한국의 주요 6대 과일 생산량 1,620천 톤 중 668천톤을 차지하며 41.23%의 비율로 가장 높은 생산 비중을 차지하였다(KREI, 2021). 국내의 경우 감귤류는 대부분 제주지역에서 재배되고 있으며, 과거에는 감귤의 품질 향상과 수급 조정을 위해 매년 약 10만 톤가량의 미숙 감귤인 풋귤(immature Citrus unshiu)을 수상 적과하여 폐기하였다(Kang 등, 2005). 하지만 최근 풋귤에 대한 소비자의 선호도가 증가하면서 제주도는 ‘제주특별자치도 감귤 생산 및 유통에 관한 조례’를 개정하여 감귤의 기능성 성분을 이용할 목적으로 농약 안전 사용 기준을 준수하여 제주특별자치도지사가 정한 날짜까지 출하되는 노지감귤을 풋귤이라 정의하였다(Ministry of the Interior and Safety, 2017). 실제로 풋귤은 완숙 감귤에 비해 더 많은 양의 폴리페놀과 유기산 등을 함유하고 있으며, 플라바논(flavanone) 배당체인 헤스페리딘(hesperidin)과 나리루틴(narirutin)이 감귤 완숙과에 비해 약 2배 이상 높게 나타나는 등 다양한 생리활성물질을 다량 함유하고 있으며(Lim, 2022), 이에 따라 풋귤은 항산화, 항염, 항비만 효능이 있는 것으로 알려져 있다(Kim과 Lim, 2020; Kang 등, 2013; Kim, 2016). 현재까지 풋귤은 풋귤청, 식초, 와인 등 다양한 형태의 식품으로 제조 및 판매되고 있으며(Kim 등, 2021c), 이외에도 풋귤의 다양한 활용 방안을 모색하기 위해 젤리(Yi 등, 2021a), 곤약젤리(Choi 등, 2021), 요구르트(Yi 등, 2021b), 스펀지케이크(Kim 등, 2021a)에 풋귤을 적용하는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 하지만 풋귤은 완숙과 감귤에 비해 단맛은 약하고 신맛은 강해서 직접 섭취하기에는 소비자의 기호도가 낮은 편이다. 또한, 감귤 플라보노이드류는 물에 대한 낮은 용해도와 외부 환경(빛, 열, pH 등)에 대한 민감성을 가지고 있어 이를 해결할 수 있는 가공 기술과 관련된 연구가 필요할 것으로 생각된다(Hu 등, 2019).

미세캡슐화(나노 및 마이크로 캡슐화)는 공기 및 기타 식품 성분과의 상호 작용을 제한하여 유효 성분의 안정성을 높일 수 있는 기술이다(Chae와 Hong, 2016). 기능성을 가지는 추출물과 화합물을 미세캡슐화 기술에 적용하게 되면 불쾌한 이취와 맛 등을 감출 수 있으며(masking), 섭취 후 특정 부위에서의 방출을 조절할 수 있다는 점에서 큰 장점을 가진다. 미세캡슐화 기술 중 하나인 분무건조(spray drying)는 코팅 물질을 물에 용해한 후 대상 물질을 분산시키고 이 혼합물을 고온의 drying chamber를 이용하여 분무하는 것을 말한다(Cho, 2013). 급격한 물의 증발과 피복 물질의 사용을 통해 유효 성분을 저온 환경으로 유지할 수 있어 열에 불안정한 성분을 보호하는 데 적합한 건조 기술이다(Hu 등, 2018). 분무건조 진행 시 주로 사용하는 부형제 및 코팅 물질로는 말토덱스트린(maltodextrin), 사이클로덱스트린(cyclodextrin), 알긴산(alginate), 검류(gums), 키토산(chitosan), 대두단백질(soybean protein), 카제인(casein) 등이 있다(Dias 등, 2015). 특히 말토덱스트린은 코팅 물질로 식품의 색, 향미, 영양성분 등을 유지하는 데 효과적이며 산소투과도 저감효과 및 저렴한 비용으로 인해 산업체에서도 많이 사용되고 있는 물질이다(Lim과 Hong, 2021). 분무건조 기술은 연속적인 대량 생산이 가능하고 비용이 저렴하며 생산수율도 높다는 점에서 다양한 이점을 가진다(Chae와 Hong, 2016; Cho, 2013). 또한, 최종적으로 무게를 줄이고 낮은 수분활성도를 가지는 제품을 생산할 수 있다는 점에서 보관 및 운송이 용이하다는 장점도 있다(Phisut, 2012). 따라서 분무건조 기술을 이용하여 페놀 화합물(Lu 등, 2021), 베타카로틴(Park 등, 2013), 파인애플 착즙액(Park 등, 2015), 클로렐라 추출물(Lee와 Hong, 2015), 흑무 추출물(Kim 등, 2021d) 등 다양한 소재를 미세캡슐화한 연구들이 많이 진행되고 있다. 하지만 분무건조 기술은 작동 시 여러 변수를 조작해야 한다는 어려움이 있으며, 시료와 부형제의 종류 및 농도, 분무건조기 작동 조건 등에 따라 다양한 분말 특성을 보인다는 점에서 기능성 식품 미세캡슐화 제품을 상업화하기 위해서는 다양한 변수에 대한 최적 조건을 확립하는 것이 필요하다.

따라서 본 연구에서는 풋귤의 유효 성분을 외부 환경으로부터 보호하고자 분무건조를 통한 미세캡슐화를 진행하였으며 반응표면분석법을 활용하여 최적 분무건조 조건을 확립하고자 하였다.

재료 및 방법

실험재료

본 실험에 사용된 풋귤 착즙액(immature Citrus unshiu juice)은 2020년 9월 성산농협에서 구매한 지름 45 mm 이상의 풋귤을 세척한 후 통째로 분쇄, 착즙하여 제조된 것으로 제주에 있는 제주농장 영농조합법인으로부터 제공받아 사용하였다. 풋귤 착즙액은 -20°C 냉동고에 보관하며 사용 직전 실온에서 해동하여 사용하였다.

풋귤 농축액 제조

풋귤 농축액 제조 과정은 Fig. 1과 같다. 풋귤 농축액은 풋귤 착즙액을 100 mesh 체로 1회 여과시켜 슬러리를 걸러낸 후 시료로 사용하였다. 여과 후의 풋귤 착즙액을 초고속 균질기(T-25D, IKA, Staufen, Germany)를 이용하여 10,000 rpm으로 3분간 균질화하였다. 이후 회전증발농축기(TYPE N-1300, EYELA, Shanghai, China)를 이용하여 풋귤 착즙액을 농축하였으며, 전자당도계(PAL-BX, ATAGO Co., Ltd., Tokyo, Japan)를 이용하여 풋귤 착즙액의 가용성 고형분을 측정하여 50±0.5°brix가 될 때까지 농축한 것을 최종적인 시료로 사용하였다.

Fig 1. Manufacturing process diagram of immature Citrus unshiu concentrate and immature Citrus unshiu powder.

분무건조 분말 제조

분무건조 분말 제조 과정은 Fig. 1에 나타내었다. 풋귤 농축액(50±0.5°brix)과 증류수를 Table 1과 같이 배합한 후 shaking incubator(SI-600R, Jeio Tech, Daejeon, Korea)를 이용하여 25°C에서 30분간 140 rpm의 속도로 혼합해주었다. 혼합된 용액에 maltodextrin DE 14-20(Malto Dextrin, ES Food, Gyeonggi, Korea)을 각각 12, 16, 20% 비율로 첨가한 후 동일한 온도와 속도로 1시간 동안 혼합하였다. 이후 10,000 rpm으로 5분간 초고속 균질 후 교반(25°C, 140 rpm, 14 h)하여 최종적인 분무건조용 시료로 제조하였다. 이후 분무건조기(Mini spray dryer B-290, BÜCHI Labortechnik AG, Flawil, Switzerland)를 이용하여 풋귤 분말을 제조했으며, 분무건조는 각 시료의 조건에 따라 inlet temperature(°C)와 aspirator power(%)를 달리했고 이는 Table 2에 나타내었다. Two fluid nozzle을 이용하여 feed flow rate 440 mL/h, spraying air flow 40 mm의 조건으로 진행하였다. 이때 outlet temperature는 66~102°C의 범위를 가지는 것으로 관찰되었다.

Table 1 . Ingredient compositions of immature Citrus unshiu solution for spray drying.

Ingredients (g)Maltodextrin concentration(%)
121620
Immature Citrus unshiu concentrate999
Water255243231
Maltodextrin (DE1) 14∼20)364860
Total300300300

1)DE: dextrose equivalent..



Table 2 . Box-Behnken design and experimental results for the characteristics of immature Citrus unshiu powder.

NoIndependent variables1)Responses
X1 (°C)X2 (%)X3 (%)Dry yield (%)Water content (%)Water activity (Aw)Total phenolic content (mg TAE2)/g)Particle size (nm)
1160(−1)90(−1)16(0)12.593.5440.121.5496.4
2200(+1)90(−1)16(0)13.022.4630.0791.53506.3
3160(−1)100(+1)16(0)13.083.2610.1091.48526.05
4200(+1)100(+1)16(0)12.832.4630.0871.42479.05
5160(−1)95(0)12(−1)8.975.410.3351.85527.33
6200(+1)95(0)12(−1)9.224.7810.3211.88509.8
7160(−1)95(0)20(+1)15.883.8790.1711.32356
8200(+1)95(0)20(+1)15.893.1950.141.29328.83
9180(0)90(−1)12(−1)6.765.7490.3851.86516.4
10180(0)100(+1)12(−1)10.624.760.2861.95528.8
11180(0)90(−1)20(+1)15.233.6280.1661.33372.17
12180(0)100(+1)20(+1)16.243.1450.1221.28383.78
13180(0)95(0)16(0)14.213.0440.1351.7471.08
14180(0)95(0)16(0)13.583.3780.1571.72494.3
15180(0)95(0)16(0)13.563.8540.1891.72484.18
16180(0)95(0)16(0)12.894.2910.221.63507
17180(0)95(0)16(0)12.694.4260.2361.72480.8

1)X1: inlet temperature (°C), X2: aspirator power (%), X3: maltodextrin concentration (%)..

2)TAE: tannic acid equivalents..



반응표면 모델의 설계

풋귤 미세캡슐의 최적 분무건조 조건을 예측하기 위해 반응표면분석법(response surface methodology, RSM)을 실시하였으며, 예비실험 결과를 토대로 Box-Behnken design(BBD)을 설계하였다. 풋귤 분말에 영향을 미치는 인자(parameter)인 독립변수(Xn)는 분무건조 조건인 inlet temperature(X1)와 aspirator power(X2), 피막 물질로 사용한 maltodextrin concentration(X3)으로 설정하였으며, 각 종속변수에 대한 실험 모델의 2차 회귀방정식은 다음과 같다.

Y=β0+ i=13βiXi+ i=13βiiXi2+i=1 2j=i+13 β ij Xi Xj

여기서 Y는 종속변수[분말의 건조 수율(Y1), 수분함량(Y2), 수분활성도(Y3), 총 페놀 함량(Y4), 입자 크기(Y5)]이며, β0는 상수, βi, βii, βij는 회귀계수이다.

건조 수율

풋귤 분말의 건조 수율은 분무건조 전 용액의 무게와 분무 건조 후 분말의 무게를 측정한 후 아래 계산식을 이용하여 산출하였다.

%= g g×100

수분함량 및 수분활성도

풋귤 분말의 수분함량은 적외선 수분측정기(MA 50.X2.A., Radwag, Torunska, Poland)를 이용하여 3회 반복 측정하였으며, 수분활성도는 수분활성도 측정기(AquaLab Pre Water Activity Meter, Meter Group Inc., Pullman, WA, USA)를 이용하여 3회 반복 측정하였다.

입자 크기

풋귤 분말의 평균 입자 크기는 DelsaMax Pro(Beckman Coulter, Brea, CA, USA)를 이용하여 dynamic light scattering 원리에 의해 측정하였다. 풋귤 분말을 증류수에 100배 희석한 후 3회 반복 측정하였으며, 입자 크기는 particle size(nm)로 나타내었다.

총 페놀 함량

풋귤 분말의 총 페놀 함량은 건강기능식품공전법을 일부 변형하여 측정하였다(Ministry of Food and Drug Safety, 2020). 풋귤 분말은 증류수에 용해해 50 mg/mL의 농도로 제조하였다. 이후 이 용액 100 μL와 2 M Folin-Ciocalteu’s phenol reagent(Sigma Chemical Co., St. Louis, MO, USA) 50 μL, 35% Na2CO3(Kanto Chemical Co., Inc., Tokyo, Japan) 100 μL와 증류수 750 μL를 혼합하여 상온의 암소에서 30분간 반응시켰다. 이후 microplate reader(EpochTM, BioTek Instruments, Inc., Winooski, VT, USA)를 이용하여 760 nm에서 흡광도를 측정하였다. 총 페놀 함량은 tannic acid를 이용하여 만든 표준곡선을 통해 함량을 구했으며, 시료 1 g 중의 mg tannic acid equivalents(mg TAE/g)로 나타내었다.

통계처리

반응모델의 통계적 유의성 및 적합성을 검증하기 위해 Design Expert Ver.13 software(Stat-Ease, Minneapolis, MN, USA)를 사용하여 각 독립변수와 종속변수에 대한 분산분석(analysis of variance, ANOVA)과 회귀분석(regression analysis)을 실시하였다. 또한, 통계적으로 적합하지 않은 반응표면 모델의 적합성을 높이기 위하여 P-value를 기준으로 유의하지 않는 항(P>0.05)을 삭제하여 모델 축소를 진행하였다.

결과 및 고찰

반응표면 모델의 적합성

다양한 분무건조 조건에 따른 실험 결과를 기반으로 도출된 2차 회귀방정식의 적합성 평가는 최적화 조건을 예측하기 위한 중요 요소이다(Kim 등, 2021b). Box-Behnken design을 사용한 풋귤 미세캡슐의 품질 특성 결과는 Table 2에 나타내었으며, 5개의 반응표면 모델에 대한 ANOVA 분석 결과는 Table 3과 같다. ANOVA 분석 결과, 모든 모델이 낮은 P-value(<0.05)와 높은 R2(>0.87)을 보여 모델의 적합성을 확인하였다. 결정계수(determination coefficient, R2)는 1에 가까울수록 높은 직선성을 가져 모델이 적합하다는 것을 의미하지만, 변수가 많아질수록 R2은 무조건 높아진다는 단점이 있다. 이를 보완하고자 수정 결정계수(adjusted R2)를 함께 비교하며 그 차이가 0.2 미만으로 크지 않을 때 좋은 모형이라고 판단한다(Kim 등, 2021b; Yoon 등, 2017; Kim과 Lim, 2017). 본 연구에서 모든 모델은 R2과 adjusted R2의 차이가 크지 않은 것(<0.2)으로 나타나 좋은 상관관계를 가지는 반응표면 모델임을 확인하였다. 또한, 회귀 모델의 적합성과 신뢰도를 판단할 수 있는 지표인 적합성 결여 검정(lack of fit)은 P-value가 0.05보다 클 때 모델이 적합하고 높은 신뢰도를 가지는 것으로 볼 수 있으며(P>0.05), 본 연구의 모든 모델은 0.05보다 큰 P-value를 나타내 유의적인 차이를 보이지 않아 적합한 모델임을 확인하였다(Eom과 Kim, 2019). 적절한 정밀도(adequate precision)는 신호와 노이즈의 비율을 나타내어 4보다 높은 값을 가질 때 적절한 결과로 판단할 수 있는데, 본 연구에서는 모든 모델이 4 이상의 값을 나타내어 적합한 모델임을 확인하였다(Kim과 Lim, 2017). 반면 표준편차를 산술 평균으로 나눈 것으로 상대 표준편차라고도 불리는 변동 계수(coefficient of variance, C.V.)의 경우 수분함량과 수분활성도 모델에서 10% 이상의 값을 보여 낮은 재현성을 가지는 것으로 나타났으나, 건조 수율, 총 페놀 함량, 입자 크기에 대한 모델에서는 5.05% 이하의 값을 나타내 상대적으로 높은 재현성을 가지는 모델임을 확인하였다.

Table 3 . Analysis of variance (ANOVA) of a quadratic polynomial model of dry yield, water content, water activity, total phenolic content, and particle size.

Source1)Dry yield (%)Water content (%)Water activity (Aw)Total phenolic content (mg TAE2)/g)Particle size (nm)
F-valueP-valueF-valueP-valueF-valueP-valueF-valueP-valueF-valueP-value
Model62.33<0.000112.160.000419.38<0.000192.4<0.000181.08<0.0001
X1NS3)NS7.340.0221.360.26990.06680.80086.120.0329
X28.020.01512.220.16722.490.14540.60120.45450.63750.4432
X3229.76<0.000133.840.000261.99<0.0001399.5<0.0001376.17<0.0001
X1X2NSNSNSNSNSNSNSNS5.920.0353
X1X3NSNSNSNSNSNSNSNSNSNS
X2X34.880.0475NSNSNSNSNSNSNSNS
X12NSNS4.590.05777.40.021634.610.0001NSNS
X22NSNS4.50.05988.090.017423.830.00058.920.0137
X326.670.02422.030.000937.590.0001NSNS91.57<0.0001
Lack of fit1.190.46260.16810.97230.33720.88661.170.4660.54580.7583
R20.95410.87950.92080.97670.9799
Adjusted R20.93880.80720.87330.96620.9678
Predicted R20.8590.75250.81140.94050.9521
C.V. (%)5.0510.8517.062.572.5
Adequate precision23.834712.187613.44325.225625.4397

1)X1: inlet temperature (°C), X2: aspirator power (%), X3: maltodextrin concentration (%), R2: determination coefficient, C.V.: coefficient of variance..

2)TAE: tannic acid equivalents..

3)NS: not significant at P<0.05..



회귀분석을 통해 도출된 분무건조 최적 조건 설정을 위한 2차 다항식은 Table 4와 같으며 각 종속변수에 대한 독립변수의 영향은 Fig. 2와 같이 3차원 반응표면 곡선으로 나타내었다.

Table 4 . Polynomial equation calculated by RSM for the characteristics of immature Citrus unshiu powder.

ResponseSecond order polynomials1)
Dry yield (%)Y1=13.16+0.6463X2+3.46X3-0.8099X32-0.7125X2X3
Water content (%)Y2=3.80-0.3990X1-0.2194X2-0.8566X3-0.4351X12-0.4308X22+0.9527X32
Water activity (Aw)Y3=0.1874-0.0135X1-0.0182X2-0.0910X3-0.0433X12-0.0453X22+0.0977X32
Total phenolic content (mg TAE2)/g)Y4=1.70-0.0037X1-0.0112X2-0.2900X3-0.1175X12-0.0975X22
Particle size (nm)Y5=486.35-10.22X1+3.30X2-80.19X3+17.00X22-54.46X32-14.23X1X2

1)X1: inlet temperature (°C), X2: aspirator power (%), X3: maltodextrin concentration (%)..

2)TAE: tannic acid equivalents..



Fig 2. Response surface plots for the effects of inlet temperature(°C), aspirator power(%), and maltodextrin concentration(%) on A: dry yield(%), B: water content (%), C: water activity(Aw), D: total phenolie content (mg TAE/g), and E: particle size (nm).

건조 수율

분무건조 조건(inlet temperature, aspirator power)과 부형제로 사용한 말토덱스트린(MD)의 함량을 각각 달리하여 얻은 풋귤 농축액 분말의 건조 수율은 Table 2에 나타내었다. 풋귤 분말의 건조 수율은 6.76~16.24%의 범위로 나타났으며, inlet temperature 180°C, aspirator power 100%, MD concentration 20% 조건에서 가장 높은 수율(16.24%)을 보였다. 풋귤 분말의 건조 수율에 대한 회귀 모델은 높은 F-value(62.33)와 낮은 P-value(<0.0001)를 나타내었으며, 이는 노이즈로 인해 이렇게 큰 F-value가 나타날 가능성이 0.01%에 불과하며 0.05보다 작은 P-value로 인해 본 모델이 적합하다는 것을 보여준다(Table 3). 건조 수율의 회귀 모델에서 적합성 결여 검정의 P-value는 0.05보다 높은 0.4626으로 나타나 유의적인 차이를 보이지 않았으며, 이를 통해 본 모델이 건조 수율의 변화를 설명하기에 적합한 것으로 확인되었다. 또한, R2은 0.9541로 나타나 95% 이상의 신뢰수준에서 적합성이 인정되었으며, adjusted R2과 predicted R2 역시 각각 0.9388, 0.8590으로 높은 값을 나타내어 본 모델의 유효성과 정확성이 있음을 보여준다. 상대적으로 낮은 C.V.(5.05%)는 건조 수율 모델이 높은 재현성을 가진다는 것을 나타내며, adequate precision은 23.8347로 나타나 적합한 모델임을 확인하였다. Inlet temperature(X1)와 건조 수율 간의 유의성은 확인되지 않았으나 aspirator power(X2)와 MD concentration(X3)은 각각 0.0151과 0.0001 미만의 P-value를 나타내면서 0.05 이하를 보였기에 유의성이 있는 것으로 확인되었다. 또한, 이차항에서의 MD concentration(X32)에서도 P-value가 0.0240으로 나타나 유의적인 결과를 보였다. 따라서 풋귤 분말의 건조 수율은 aspirator power와 MD concentration이 2차 회귀 방정식에 큰 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 두 가지 독립변수에 대한 종속변수의 변화는 Fig. 2와 같이 3차원 반응표면 곡선으로 나타내었으며 이를 통해 시각적으로 각 변수의 영향을 확인할 수 있다. 풋귤 분말의 건조 수율은 MD concentration과 aspirator power가 증가할수록 높아지는 경향을 보였으나 inlet temperature는 큰 영향을 미치지 않은 것으로 나타났다(Fig. 2A). 또한, aspirator power보다도 MD concentration이 증가함에 따라 건조 수율이 급격하게 증가하는 경향을 나타내 MD concentration이 건조 수율에 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.

건조 수율은 분무건조 공정의 생산비용 및 효율성과 관련이 있어 대량 생산 시 기업에서 중요하게 여기는 지표 중 하나이다(Barón 등, 2021). Lim과 Hong(2021)의 연구에 따르면 홍화 추출물을 이용한 분무건조 분말의 수율은 부형제의 함량에 따라 변화했으며 말토덱스트린의 함량이 증가할수록 수율이 증가하는 경향을 보였다. 또한, 흑무 발효물과 추출물의 분무건조 후 수율은 분무건조기의 inlet temperature(160~180°C)에 따른 유의적인 차이를 보이지 않아 본 연구와 유사한 경향을 보였다(Kim 등, 2021d).

수분함량 및 수분활성도

분말을 비롯한 다양한 건조식품의 수분함량과 수분활성도는 식품산업 활용 측면에서 중요한 가공적성 요인으로 알려져 있다(Park 등, 2015). 풋귤 분말의 수분함량은 2.463~5.749%의 범위로 나타났으며(Table 2), inlet temperature 200°C와 MD concentration 16%의 조건에서 aspirator power 90, 100%일 때 2.463%로 가장 낮은 수분함량을 나타내었다(No. 2와 4). ANOVA 분석을 통해 얻은 풋귤 분말의 수분함량에 대한 회귀 모델 적합성 결여 검정의 P-value는 0.9723으로 높은 값을 가져 본 모델의 적합성을 확인하였다(Table 3). 본 모델의 R2과 adjusted R2은 각각 0.8795, 0.8072로 나타나 그 차이가 0.2 미만이므로 좋은 상관관계를 가지는 것으로 보인다. 모든 교차항(X1X2, X1X3, X2,X3)에서는 유의적인 차이를 보이지 않아 독립변수 간의 상호작용이 발생하지 않은 것으로 나타났으나, 일차항에서의 inlet temperature와 MD concentration, 이차항에서의 MD concentration의 P-value는 각각 0.0220, 0.0002, 0.0009로 나타나 유의적인 결과를 보였다. 두 개의 독립변수에 의한 수분함량의 변화는 하나의 독립변수를 고정하여 Fig. 2B와 같은 3차원 반응표면 곡선으로 나타내었다. Inlet temperature와 aspirator power는 풋귤 분말의 수분함량에 큰 영향을 주지는 않는 것으로 보이나, 높은 inlet temperature와 aspirator power에서 상대적으로 낮은 수분함량의 분말을 생성할 수 있음을 확인하였다(Fig. 2B-1). 부형제로 사용한 MD의 concentration은 비교적 분말의 수분함량에 큰 영향을 주는 것으로 나타났으며, MD concentration이 높아질수록 풋귤 분말은 낮은 수분함량을 가지는 것으로 나타났다(Fig. 2B-2).

수분함량은 식품의 수분 구성을 나타내는 지표로 분말의 수분함량 값이 약 5%대로 감소하면 제품의 부패성이 감소한다(Yamashita 등, 2017). 따라서 본 연구에서 분무건조를 통해 얻은 풋귤 분말은 모두 낮은 수분함량(2.463~5.749)으로 인해 오랜 기간 부패하지 않고 저장할 수 있으리라 생각된다.

풋귤 분말의 수분활성도는 0.079~0.385의 범위를 보였으며, 수분함량 결과와 유사하게 inlet temperature 200°C, aspirator power 90%, MD concentration 16% 조건에서 0.079로 가장 낮은 값을 보였고, inlet temperature 180°C, aspirator power 90%, MD concentration 12%의 조건에서 0.385로 가장 높게 측정되었다(Table 2). 풋귤 분말의 수분활성도에 대한 회귀 모델은 0.0001 미만의 P-value를 나타내었고, 적합성 결여 검정의 P-value는 0.8866으로 높은 값을 나타내었다(Table 3). 또한, R2과 adjusted R2은 각각 0.9208, 0.8733으로 그 차이가 크지 않아 모델의 높은 신뢰도와 적합성을 보여주었다. 각각의 독립변수에 대한 ANOVA 분석 결과에서는 수분함량과 마찬가지로 모든 교차항에서 유의적인 차이를 보이지 않았고 inlet temperature에서도 0.2699의 P-value를 보여 유의성이 인정되지 않았으나, MD concentration은 0.0001 미만의 P-value를 보여 통계적으로 유의하였고 모든 독립변수의 이차항에서도 0.05 미만의 P-value를 보이며 유의성이 인정되었다. 결과적으로 수분함량과 수분활성도 모두 MD concentration이 분말의 특성에 영향을 미치는 중요한 변수로 보이며, 3차원 반응표면 곡선을 통해 확인한 풋귤 분말의 수분활성도에 영향을 미치는 독립변수들의 결과는 수분함량 분석과 유사한 경향을 보였다(Fig. 2B2C). 따라서 분무건조를 통해 생성한 분말의 수분 특성은 inlet temperature, aspirator power, MD concentration이 높을수록 좋은 결과를 보이는 것으로 생각된다.

수분활성도는 식품에서 이용 가능한 자유수를 측정하는 것으로 식품 분말의 저장 수명에 영향을 줄 수 있으며, 일반적으로 0.6 미만일 때 미생물 생육이 불가능한 것으로 알려져 있다(Barón 등, 2021). Ren 등(2020)은 분무건조 온도에 따른 시트러스 오일 미세캡슐의 품질 특성을 관찰하였으며, 110~190°C로 inlet temperature를 달리했을 때 미세캡슐은 수분활성도 0.11~0.14로 매우 낮은 값을 보였고 이는 미세캡슐 분말의 저장 안정성을 보장한다고 보고하였다. 생강 주스를 분무건조 하여 얻은 생강 분말과 관련된 연구에서는 분무건조 시 사용되는 부형제의 종류(말토덱스트린, 액체 포도당)가 분말의 수분활성도에 영향을 미친다고 보고하여 말토덱스트린(0.34) 사용 시 액체 포도당(0.31)보다 높은 값을 나타냈다고 보고하였다(Phoungchandang과 Sertwasana, 2010). 따라서 분무건조를 통해 얻은 분말의 수분활성도는 부형제의 양뿐만 아니라 그 종류에 따라서도 영향을 주는 것으로 보인다.

총 페놀 함량

과채류와 같은 식물성 식품에는 여러 종류의 페놀성 화합물이 함유되어 있으며, 이러한 물질들은 직접적으로 항산화 반응에 관여한다(Yi 등, 2021a). 따라서 폴리페놀을 장기간 섭취할 경우 신경 퇴행성 질환 및 심혈관 질환 발병에 대한 예방 효과가 있는 것으로 알려져 있다(Kim 등, 2021b). 다양한 분무건조 조건에 따른 풋귤 분말의 총 페놀 함량은 Table 2에 나타내었다. 풋귤 분말의 총 페놀 함량은 1.28~1.95 mg TAE/g의 범위를 보였으며, inlet temperature 180°C, aspirator power 100% 조건에서 MD concentration 12%일 때 가장 높은 값인 1.95 mg TAE/g, MD concentration 20%일 때 가장 낮은 값인 1.28 mg TAE/g으로 나타났다. 풋귤 분말의 총 페놀 함량에 대한 회귀 모델은 92.40의 높은 F-value와 0.0001 미만의 낮은 P-value를 나타내었다(Table 3). 따라서 노이즈로 인해 F-value가 92.40으로 나타날 가능성이 0.01% 정도밖에 되지 않으며 낮은 P-value를 통해 모델의 적합성을 확인하였다. 본 모델의 적합성 결여 검정 P-value는 0.4660으로 나타나 0.05보다 크게 나타났으며, R2과 adjusted R2, predicted R2은 각각 0.9767, 0.9662, 0.9405로 나타나 모두 90% 이상의 높은 신뢰수준을 보여주었다. 총 페놀 함량의 회귀 모델은 상대적으로 낮은 C.V.(2.57%)를 나타내어 높은 재현성을 확인할 수 있었으며, 적절한 정밀도는 25.2256으로 높은 수치로 나타나 적합한 모델이라 판단된다. MD concentration의 P-value가 0.0001 미만으로 나타나며 유의성을 보였고, 이차항에서의 inlet temperature와 aspirator power에서 각각 0.0001, 0.0005의 P-value를 보여 유의성이 인정되었다. 두 가지 독립변수에 대한 풋귤 분말의 총 페놀 함량 변화는 3차원 반응표면 곡선을 이용하여 나타내었다(Fig. 2D). MD concentration을 고정하여 aspirator power와 inlet temperature에 의한 총 페놀 함량 변화를 확인할 수 있는 Fig. 2D-1에서 두 가지의 독립변수가 총 페놀 함량에 큰 영향을 주지 못한 채 중심점(inlet temperature 180°C, aspirator power 95%) 부근에서 가장 높은 총 페놀 함량(약 1.7 mg TAE/g)을 나타내었다. 결과적으로 ANOVA 분석 결과와 동일하게 세 가지의 독립변수 중 MD concentration이 총 페놀 함량에 가장 큰 영향을 미치는 인자로 나타났다(Fig. 2D-2). 일정한 inlet temperature에서 MD concentration이 높아질수록 총 페놀 함량은 낮아지는 결과를 보였다.

Mishra 등(2014)의 연구에 따르면 말토덱스트린의 함량(5~9%)이 증가할수록 암라 주스 분말의 총 페놀 함량은 유의적으로 감소하는 것으로 나타나 본 연구와 유사한 경향을 보였다(P<0.05). 또한, Hajiaghaei와 Sharifi(2022)의 분무건조를 통한 레드비트 추출물 음료 분말화 연구에서도 말토덱스트린의 함량(0~30%)이 증가함에 따라 분말의 총 페놀 함량은 감소하는 경향을 보였으며, 이는 부형제 함량이 증가함에 따라 총고형분 함량이 증가하게 되고 결과적으로 페놀 성분을 함유한 유효 성분이 상대적으로 더 많이 희석된 것에 따른 것이라 보고하였다. Kwamman과 Klinkesorn(2015)의 연구에서는 참치 오일을 미세캡슐화하기 위해 사용한 말토덱스트린의 농도가 높을수록 더 높은 포집 효율을 나타내었다고 보고하였다. 따라서 본 연구에서 MD concentration이 높아질수록 낮은 총 페놀 함량을 나타낸 것은 높은 MD concentration에서 더 많은 양의 풋귤 농축액이 포집되어 실제 측정된 총 페놀 함량은 오히려 낮게 나타난 것으로 생각된다. Tran과 Nguyen(2018)의 연구에 의하면 레몬그라스 잎 추출물 분말의 총 페놀 함량은 분무건조 inlet temperature가 증가함에 따라 유의적으로 감소하는 결과를 보였다(P<0.05). 이는 페놀 화합물이 온도에 매우 민감하여 열에 노출되면 쉽게 분해되기 때문으로 보인다(Couto 등, 2013). 하지만 본 연구에서는 inlet temperature가 풋귤 분말에 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타나 다른 경향을 확인하였다. 이는 충분한 부형제의 양으로 인해 풋귤의 유효 성분이 열에 노출되는 정도가 적었기 때문으로 생각된다.

입자 크기

풋귤 분말의 입자 크기는 328.83~528.80 nm의 범위를 보여 모두 나노 크기 대의 입자가 형성되었음을 확인할 수 있다(Table 2). Inlet temperature 200°C, aspirator power 95%, MD concentration 20%의 조건에서 328.83 nm로 가장 작은 입자 크기를 나타냈으며, inlet temperature 180°C, aspirator power 100%, MD concentration 12%의 조건에서 528.80 nm로 가장 큰 입자 크기를 보였다. 풋귤 분말의 입자 크기에 대한 회귀 모델에서 높은 F-value(81.08)와 낮은 P-value(<0.0001)를 통해 유의적인 결과임을 확인하였다(Table 3). 적합성 결여 검정의 P-value는 0.7583으로 나타나 모델의 적합성이 인정되었다. R2, adjusted R2, predicted R2도 각각 0.9799, 0.9678, 0.9521로 모두 높은 값을 나타내었으며 약 95% 이상의 신뢰수준을 보여주었다. 입자 크기에 대한 회귀 모델은 여러 종속변수 중에서 가장 낮은 C.V.(2.50)와 가장 높은 적절한 정밀도(25.4397)를 나타내어 가장 좋은 재현성과 적합성을 가지는 모델임을 확인할 수 있다. Inlet temperature와 MD concentration에서는 각각 0.0329와 0.0001 미만의 P-value를 보이고 유의적 차이가 있었으며, inlet temperature와 aspirator power 간의 교차항에서 P-value는 0.0353을 나타내어 유의성을 보였고 이차항에서의 aspirator power와 MD concentration에서 각각 0.0137, 0.0001 미만의 P-value를 보여 유의성이 인정되었다. 입자 크기에 대한 두 가지 독립변수의 영향은 Fig. 2E와 같이 3차원 반응표면 곡선으로 나타내었다. MD concentration은 입자 크기에서도 가장 큰 영향을 미치는 독립변수로 나타났으며, MD concentration이 증가할수록 입자 크기는 감소하는 경향을 보여 inlet temperature 200°C, MD concentration 20%의 조건에서 가장 작은 입자 크기(328.83 nm)를 가지는 풋귤 분말을 생성할 수 있음을 확인하였다(Fig. 2E-2).

Lim과 Hong(2021)의 연구에 따르면 홍화 분무건조 분말의 입자 크기는 말토덱스트린 10% 첨가군(43.12 μm)보다 20% 첨가군(52.02 μm)에서 더 커졌다고 보고하여 본 연구와 유사한 경향을 나타내었다. Han과 Youn(2009)의 분무건조를 통해 제조한 초미세 분말 칼슘 연구에서는 당류의 첨가가 입자 간의 응집을 방지할 수 있다고 하였다. 본 연구에서도 부형제로 사용한 MD의 concentration이 증가함에 따라 풋귤 농축액의 높은 당도에 따른 입자 간의 응집을 방지할 수 있었으며 이를 통해 나노 사이즈의 미세한 풋귤 분말이 생성된 것으로 판단된다. 미세캡슐의 입자 크기가 작을수록 내부 물질을 포집하는 데 유리하며, 표면적은 넓어지기 때문에 여러 물질과의 활발한 접촉 및 용해도 향상 등의 이점이 있다(Park 등, 2015; Lim과 Hong, 2021). 따라서 본 연구에서 이용한 풋귤 미세캡슐화는 풋귤 농축액을 포집하기에 유리한 조건이며, 캡슐화를 통해 풋귤의 유효 성분을 외부 환경으로부터 보호하여 기능성 및 저장 안정성을 향상시킬 수 있다고 생각된다.

풋귤 미세캡슐화 조건의 최적화

풋귤 미세캡슐화를 위한 최적 분무건조 조건은 Table 5에 나타내었다. 본 연구에서는 최적 분무건조 조건을 설정하기 위해 종속변수 중 건조 수율과 총 페놀 함량은 최대치(maximize)로 설정하였으며 수분함량, 수분활성도, 입자 크기는 최소치(minimize)로 설정하였다. 건조 수율의 최대화를 위한 최적 조건의 경우 inlet temperature 180°C, aspirator power 90%, MD concentration 20% 조건이었으며, 예측값은 15.88%, 이에 대한 적합도(desirability)는 0.9618로 나타났다. 수분함량은 inlet temperature 199.77°C, aspirator power 99.18%, MD concentration 17.15%에서 예측값 2.332%로 나타났으며, 이에 대한 적합도는 1로 매우 높았다. 총 페놀 함량은 inlet temperature 178.69°C, aspirator power 95.02%, MD concentration 12.35% 조건에서 가장 높은 예측값을 보였다(1.96 mg TAE/g). 다섯 가지의 종속변수 중 미세캡슐 특성에 중요한 인자로 판단되는 건조 수율, 수분활성도, 입자 크기에 대한 최적 분무건조 조건을 확립하고자 건조 수율의 최대화 및 수분활성도와 입자 크기의 최소화를 모두 고려하여 최적화를 진행했으며, inlet temperature 200°C, aspirator power 99.75%, MD concentration 20%로 나타났다. 이때의 예측값은 각각 15.75%, 0.079, 346.44 nm로 나타났으며, 이에 대한 적합도는 0.9527로 상당히 높은 적합성을 보였다. 이는 높은 건조 수율, 낮은 수분활성도, 작은 입자 크기를 가지는 분말을 제조하기 위해서는 높은 inlet temperature와 aspirator power, 그리고 많은 양의 MD가 사용되어야 할 것이라 해석된다.

Table 5 . Optimized spray drying conditions and predicted values for encapsulation of immature Citrus unshiu according to desirability function.

ResponsesGoalInlet temperature (°C)Aspirator power (%)Maltodextrin concentration (%)Predicted valueDesirability
Dry yieldMaximize180902015.88%0.9618
Water contentMinimize199.7799.1817.152.33%1
Water activityMinimize199.9699.9915.560.0791
Total phenolic contentMaximize178.6995.0212.351.96 mg TAE1)/g1
Particle sizeMinimize20096.620339.72 nm0.9456
Dry yield max.+water activity min.+particle size min.20099.7520Dry yield 15.75% Water activity 0.079 Particle size 346.44 nm0.9527

1)TAE: tannic acid equivalents..


요 약

본 연구에서는 풋귤 농축액을 미세캡슐화하기 위한 분무건조 기술 적용에 있어서 다양한 변수들의 조건을 반응표면분석법을 이용하여 최적화하였다. 반응표면 모델 설계는 BBD를 기반으로 하였으며, inlet temperature(160~200°C, X1), aspirator power(90~100%, X2), maltodextrin concentration(12~20%, X3)으로 설정하였고, 이에 따른 풋귤 분말의 건조 수율(Y1), 수분함량(Y2), 수분활성도(Y3), 총 페놀 함량(Y4), 입자 크기(Y5)를 종속변수로 설정하였다. 각 모델의 P-value와 R2, adjusted R2, C.V.를 기반으로 했을 때 건조 수율, 총 페놀 함량, 입자 크기의 회귀 모델이 상대적으로 더 높은 모델의 적합성과 재현성을 가지는 것으로 나타났다. 또한, 각각의 종속변수에 대한 일차항(Xi), 이차항(Xi2), 교차항(XiXj)에 대한 P-value 결과를 통해 MD concentration이 모든 종속변수에 가장 큰 영향을 주는 인자로 분석되었다. 분말을 생산하고 그 품질을 평가하는 데 있어 중요 변수가 되는 건조 수율의 최대화 및 수분활성도와 입자 크기의 최소화를 위한 최적 분무건조 조건은 inlet temperature 200°C, aspirator power 99.75%, MD concentration 20%로 나타났으며, 이때의 건조 수율은 15.75%, 수분활성도 0.079, 입자 크기 346.44 nm로 예측되었다. 위와 같은 결과는 향후 풋귤을 비롯한 여러 과채류의 농축액을 미세캡슐화하여 분말화함에 있어서 분무건조 조건을 확립하는 데 도움이 될 것으로 생각된다.

감사의 글

본 연구는 농림식품기술기획평가원(IPET)에서 시행한 맞춤형혁신식품 및 천연안심소재기술개발사업(과제번호: 11901303)에 의해 수행되었으며 이에 감사드립니다.

Fig 1.

Fig 1.Manufacturing process diagram of immature Citrus unshiu concentrate and immature Citrus unshiu powder.
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2022; 51: 845-854https://doi.org/10.3746/jkfn.2022.51.8.845

Fig 2.

Fig 2.Response surface plots for the effects of inlet temperature(°C), aspirator power(%), and maltodextrin concentration(%) on A: dry yield(%), B: water content (%), C: water activity(Aw), D: total phenolie content (mg TAE/g), and E: particle size (nm).
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2022; 51: 845-854https://doi.org/10.3746/jkfn.2022.51.8.845

Table 1 . Ingredient compositions of immature Citrus unshiu solution for spray drying.

Ingredients (g)Maltodextrin concentration(%)
121620
Immature Citrus unshiu concentrate999
Water255243231
Maltodextrin (DE1) 14∼20)364860
Total300300300

1)DE: dextrose equivalent..


Table 2 . Box-Behnken design and experimental results for the characteristics of immature Citrus unshiu powder.

NoIndependent variables1)Responses
X1 (°C)X2 (%)X3 (%)Dry yield (%)Water content (%)Water activity (Aw)Total phenolic content (mg TAE2)/g)Particle size (nm)
1160(−1)90(−1)16(0)12.593.5440.121.5496.4
2200(+1)90(−1)16(0)13.022.4630.0791.53506.3
3160(−1)100(+1)16(0)13.083.2610.1091.48526.05
4200(+1)100(+1)16(0)12.832.4630.0871.42479.05
5160(−1)95(0)12(−1)8.975.410.3351.85527.33
6200(+1)95(0)12(−1)9.224.7810.3211.88509.8
7160(−1)95(0)20(+1)15.883.8790.1711.32356
8200(+1)95(0)20(+1)15.893.1950.141.29328.83
9180(0)90(−1)12(−1)6.765.7490.3851.86516.4
10180(0)100(+1)12(−1)10.624.760.2861.95528.8
11180(0)90(−1)20(+1)15.233.6280.1661.33372.17
12180(0)100(+1)20(+1)16.243.1450.1221.28383.78
13180(0)95(0)16(0)14.213.0440.1351.7471.08
14180(0)95(0)16(0)13.583.3780.1571.72494.3
15180(0)95(0)16(0)13.563.8540.1891.72484.18
16180(0)95(0)16(0)12.894.2910.221.63507
17180(0)95(0)16(0)12.694.4260.2361.72480.8

1)X1: inlet temperature (°C), X2: aspirator power (%), X3: maltodextrin concentration (%)..

2)TAE: tannic acid equivalents..


Table 3 . Analysis of variance (ANOVA) of a quadratic polynomial model of dry yield, water content, water activity, total phenolic content, and particle size.

Source1)Dry yield (%)Water content (%)Water activity (Aw)Total phenolic content (mg TAE2)/g)Particle size (nm)
F-valueP-valueF-valueP-valueF-valueP-valueF-valueP-valueF-valueP-value
Model62.33<0.000112.160.000419.38<0.000192.4<0.000181.08<0.0001
X1NS3)NS7.340.0221.360.26990.06680.80086.120.0329
X28.020.01512.220.16722.490.14540.60120.45450.63750.4432
X3229.76<0.000133.840.000261.99<0.0001399.5<0.0001376.17<0.0001
X1X2NSNSNSNSNSNSNSNS5.920.0353
X1X3NSNSNSNSNSNSNSNSNSNS
X2X34.880.0475NSNSNSNSNSNSNSNS
X12NSNS4.590.05777.40.021634.610.0001NSNS
X22NSNS4.50.05988.090.017423.830.00058.920.0137
X326.670.02422.030.000937.590.0001NSNS91.57<0.0001
Lack of fit1.190.46260.16810.97230.33720.88661.170.4660.54580.7583
R20.95410.87950.92080.97670.9799
Adjusted R20.93880.80720.87330.96620.9678
Predicted R20.8590.75250.81140.94050.9521
C.V. (%)5.0510.8517.062.572.5
Adequate precision23.834712.187613.44325.225625.4397

1)X1: inlet temperature (°C), X2: aspirator power (%), X3: maltodextrin concentration (%), R2: determination coefficient, C.V.: coefficient of variance..

2)TAE: tannic acid equivalents..

3)NS: not significant at P<0.05..


Table 4 . Polynomial equation calculated by RSM for the characteristics of immature Citrus unshiu powder.

ResponseSecond order polynomials1)
Dry yield (%)Y1=13.16+0.6463X2+3.46X3-0.8099X32-0.7125X2X3
Water content (%)Y2=3.80-0.3990X1-0.2194X2-0.8566X3-0.4351X12-0.4308X22+0.9527X32
Water activity (Aw)Y3=0.1874-0.0135X1-0.0182X2-0.0910X3-0.0433X12-0.0453X22+0.0977X32
Total phenolic content (mg TAE2)/g)Y4=1.70-0.0037X1-0.0112X2-0.2900X3-0.1175X12-0.0975X22
Particle size (nm)Y5=486.35-10.22X1+3.30X2-80.19X3+17.00X22-54.46X32-14.23X1X2

1)X1: inlet temperature (°C), X2: aspirator power (%), X3: maltodextrin concentration (%)..

2)TAE: tannic acid equivalents..


Table 5 . Optimized spray drying conditions and predicted values for encapsulation of immature Citrus unshiu according to desirability function.

ResponsesGoalInlet temperature (°C)Aspirator power (%)Maltodextrin concentration (%)Predicted valueDesirability
Dry yieldMaximize180902015.88%0.9618
Water contentMinimize199.7799.1817.152.33%1
Water activityMinimize199.9699.9915.560.0791
Total phenolic contentMaximize178.6995.0212.351.96 mg TAE1)/g1
Particle sizeMinimize20096.620339.72 nm0.9456
Dry yield max.+water activity min.+particle size min.20099.7520Dry yield 15.75% Water activity 0.079 Particle size 346.44 nm0.9527

1)TAE: tannic acid equivalents..


References

  1. Barón RD, Valle-Vargas MF, Quintero-Gamero G, Quintanilla-Carvajal MX, Alean J. Encapsulation of citrulline extract from watermelon (Citrullus lanatus) by-product using spray drying. Powder Technol. 2021. 385:455-465.
    CrossRef
  2. Chae HY, Hong JH. Quality characteristics of spray dried powder from unripe fig extract. Korean J Food Preserv. 2016. 23:355-360.
    CrossRef
  3. Cho YH. Microencapsulation of lactic acid bacteria. Food Sci Anim Resour Ind. 2013. 2(3):34-39.
  4. Choi MH, Kim MH, Han YS. Quality characteristics and antioxidant activities of Konjac jelly with the addition of premature mandarin peel powder. Korean J Food Cook Sci. 2021. 37:289-298.
  5. Couto RO, Martins FS, Chaul LT, Conceição EC, Freitas LAP, Bara MTF, et al. Spray drying of Eugenia dysenterica extract: effects of in-process parameters on product quality. Rev Bras Farmacogn. 2013. 23:115-123.
    CrossRef
  6. Dias MI, Ferreira ICFR, Barreiro MF. Microencapsulation of bioactives for food applications. Food Funct. 2015. 6:1035-1052.
    Pubmed CrossRef
  7. Eom IJ, Kim SH. Optimization of lactic acid fermentation condition of mulberry juice using response surface methodology. J Korean Soc Food Sci Nutr. 2019. 48:575-588.
    CrossRef
  8. Hajiaghaei M, Sharifi A. Physicochemical properties of red beetroot and quince fruit extracts instant beverage powder: Effect of drying method and maltodextrin concentration. J Food Qual. 2022. Article ID 7499994. https://doi.org/10.1155/2022/7499994
    CrossRef
  9. Han MW, Youn KS. Quality characteristics of spray drying microparticulated calcium after wet-grinding. Korean J Food Sci Technol. 2009. 41:657-661.
  10. Hu Y, Kou G, Chen Q, Li Y, Zhou Z. Protection and delivery of mandarin (Citrus reticulata Blanco) peel extracts by encapsulation of whey protein concentrate nanoparticles. LWT. 2019. 99:24-33.
    CrossRef
  11. Hu Y, Li Y, Zhang W, Kou G, Zhou Z. Physical stability and antioxidant activity of citrus flavonoids in arabic gum-stabilized microcapsules: Modulation of whey protein concentrate. Food Hydrocoll. 2018. 77:588-597.
    CrossRef
  12. Kang GJ, Han SC, Ock JW, Kang HK, Yoo ES. Anti-Inflammatory effect of quercetagetin, an active component of immature Citrus unshiu, in HaCaT human keratinocytes. Biomol Ther. 2013. 21:138-145.
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  13. Kang YJ, Yang MH, Ko WJ, Park SR, Lee BG. Studies on the major components and antioxidative properties of whole fruit powder and juice prepared from premature mandarin orange. Korean J Food Sci Technol. 2005. 37:783-788.
  14. Kim DS, Lim SB. Extraction of flavanones from immature Citrus unshiu pomace: process optimization and antioxidant evaluation. Sci Rep. 2020. 10:19950. https://doi.org/10.1038/s41598-020-76965-8
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  15. Kim DS, Lim SB. Optimization of subcritical water hydrolysis of rutin into isoquercetin and quercetin. Prev Nutr Food Sci. 2017. 22:131-137.
  16. Kim HJ, Kim MH, Han YS. Antioxidant activities and quality characteristics of sponge cake added with premature mandarin peel powder. J Korean Soc Food Sci Nutr. 2021a. 50:981-991.
    CrossRef
  17. Kim HL, Hong JW, Jeon SJ, Kim HY, Kim JW. Optimization of ultrasound-assisted extraction of antioxidant from Cirsium setidens using response surface methodology. J Korean Soc Food Sci Nutr. 2021b. 50:285-293.
    CrossRef
  18. Kim HN, Ko SB, Kim BS. Economic impacts of the increase in green immature citrus demand on Jeju field citrus industry. Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society. 2021c. 22:108-114.
  19. Kim HY, Shin TK, Ahn MJ, Kim GO, Chun JY. Characterization of black radish (Raphanus sativus L. var. niger) extracts according to different extraction and drying methods. Resour Sci Res. 2021d. 3:46-54.
    CrossRef
  20. Kim KJ. Studies on characteristic compounds and anti-obese physiological activities of unripe fruit of Citrus unshiu. Master’s thesis. Semyung University, Chungbuk, Korea. 2016.
  21. KREI. Agricultural outlook 2021 Korea Ⅱ. 2021 [cited 2022 Mar 16]. Available from: https://aglook.krei.re.kr/main/uEvent Data/1/read/527073?query=
  22. Kwamman Y, Klinkesorn U. Influence of oil load and maltodextrin concentration on properties of tuna oil microcapsules encapsulated in two-layer membrane. Drying Technol. 2015. 33:854-864.
    CrossRef
  23. Lee DH, Hong JH. Antioxidant activities of chlorella extracts and physicochemical characteristics of spray-dried chlorella powders. Korean J Food Preserv. 2015. 22:591-597.
    CrossRef
  24. Lim MJ, Hong JH. Physicochemical properties and antioxidant activities of spray-dried powder from safflower extract. Korean J Food Preserv. 2021. 28:218-230.
    CrossRef
  25. Lim SB. Organic acid-catalyzed subcritical water hydrolysis of immature Citrus unshiu pomace. Foods. 2022. 11:18. https:// doi.org/10.3390/foods11010018
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  26. Lu W, Yang X, Shen J, Li Z, Tan S, Liu W, et al. Choosing the appropriate wall materials for spray-drying microencapsulation of natural bioactive ingredients: Taking phenolic compounds as examples. Powder Technol. 2021. 394:562-574.
    CrossRef
  27. Ministry of Food and Drug Safety. Standards and specifications of health functional foods. 2020 [cited 2021 Aug 2]. Available from: https://www.mfds.go.kr/brd/m_211/view.do?seq=14487
  28. Ministry of the Interior and Safety. Jeju Special Self-Governing Province ordinance on citrus production and distribution. 2017 [cited 2022 Feb 18]. Available from: www.elis.go.kr/allalr/selectAlrBdtOne?alrNo=50000019003012&histNo=006&menuNm=main
  29. Mishra P, Mishra S, Mahanta CL. Effect of maltodextrin concentration and inlet temperature during spray drying on physicochemical and antioxidant properties of amla (Emblica officinalis) juice powder. Food Bioprod Process. 2014. 92:252-258.
    CrossRef
  30. Park HM, Chae HY, Hong JH. Physicochemical properties and protease activities of microencapsulated pineapple juice powders by spray drying process. Korean J Food Preserv. 2015. 22:84-90.
    CrossRef
  31. Park HM, No HK, Lee SH, Yoon KS, Park CS, Hong JH. Quality characteristics of microencapsulated β-carotene prepared by different molecular weight chitosan. J Chitin Chitosan. 2013. 18:26-31.
  32. Phisut N. Spray drying technique of fruit juice powder: some factors influencing the properties of product. Int Food Res J. 2012. 19:1297-1306.
  33. Phoungchandang S, Sertwasana A. Spray-drying of ginger juice and physicochemical properties of ginger powders. Science Asia. 2010. 36:40-45.
    CrossRef
  34. Ren W, Tian G, Zhao S, Yang Y, Gao W, Zhao C, et al. Effects of spray-drying temperature on the physicochemical properties and polymethoxyflavone loading efficiency of citrus oil microcapsules. LWT. 2020. 133:109954. https://doi.org/10.1016/j.lwt.2020.109954
    CrossRef
  35. Tran TTA, Nguyen HVH. Effects of spray-drying temperatures and carriers on physical and antioxidant properties of lemongrass leaf extract powder. Beverages. 2018. 4:84. https://doi.org/10.3390/beverages4040084
    CrossRef
  36. Yamashita C, Chung MMS, dos Santos C, Mayer CRM, Moraes ICF, Branco IG. Microencapsulation of an anthocyanin-rich blackberry (Rubus spp.) by-product extract by freeze-drying. LWT. 2017. 84:256-262.
    CrossRef
  37. Yi HY, Cha ES, Chun JY. Quality characteristics of immature Citrus unshiu juice jelly. J Korean Soc Food Sci Nutr. 2021a. 50:410-419.
    CrossRef
  38. Yi HY, Seo JG, Jeong SE, Chun JY. Physicochemical properties and antioxidant activity of yogurt with immature Citrus unshiu. Resour Sci Res. 2021b. 3:90-100.
    CrossRef
  39. Yoon HJ, Ham IT, Kim JS, Choi JD. Optimization of the manufacturing process for boiled-dried anchovy using response surface methodology (RSM). J Kor Soc Fish Mar Edu. 2017. 29:1984-1993.
    CrossRef