Journal Search Engine

ISSN : 1225-0112(Print)
ISSN : 2288-4505(Online)

Applied Chemistry for Engineering Vol.32 No.1 pp.61-67
DOI : https://doi.org/10.14478/ace.2020.1105

Optimization for Decolorization and UV-Absorbility of Refined Sea Buckthorn Oil Using CCD-RSM

Seheum Hong^*, Yunfei Zheng, Seung Bum Lee†

Department of Chemical Engineering, Dankook University, Gyeonggi 16890, Korea
^*Department of Polymer Science and Engineering, Dankook University, Gyeonggi 16890, Korea

^†Corresponding Author: Dankook University, Department of Chemical Engineering, Gyeonggi 16890, Korea Tel: +82-031-8005-3559 e-mail: leesb@dankook.ac.kr

Received December 15, 2020 ; Review December 31, 2020 ; Accepted January 4, 2021

Abstract

In this study, the adsorption decolorization process of sea buckthorn oil was carried out to verify the possibility of the sea buckthorn oil as a natural UV absorber. The optimization was carried out by using the central composite design model-response surface methodology (CCD-RSM). The response values of CCD-RSM were selected as the decolorization effect through the process, acid value after decolorization, and UV absorbance of the decolored oil at 290nm. The amount of adsorbent, temperature and time were selected as the process variables for the experiments. According to the results of CCD-RSM, the results of optimization were all consistent. The optimal conditions, which satisfy CCD-RSM statically and mathematically, were 4.32 wt.%, 134.90 ℃, and 19.8 min for the amount of adsorbent, temperature and time, respectively. The estimated response values expected under these optimal conditions values were 94.78%, 2.08 mg/g KOH, and 2.91 for the decolorization effect, acid value and UV absorbance at 290 nm, respectively. Also the average error from actual experiment for verifying the conclusions was smaller than 2%. Therefore, it was confirmed that the application of CCD-RSM to the adsorption decolorization process of sea buckthorn oil showed a very high level of acceptable results and that the sea buckthorn oil has high possibility to be used as a natural UV absorber.

Key Words : Sea buckthorn oil , Decolorization , UV absorbance , Acid value , CCD-RSM

CCD-RSM을 이용한 시벅턴 오일의 탈색공정 최적화 및 자외선 흡수능력 평가

홍 세흠^*, 정윈 페이, 이 승범†

단국대학교 화학공학과
^*단국대학교 고분자공학과

초록

본 연구에서는 천연 오일인 시벅턴 오일의 천연 자외선 흡수제로의 사용 가능성을 알아보기 위하여 시벅턴 원유에 대한 흡착 탈색공정을 수행하고, 이를 CCD-RSM (central composite design model-response surface methodology)을 이용 하여 최적화하였다. CCD-RSM의 반응치로는 탈색과정의 탈색효과, 탈색 후 정제유의 산가 및 290 nm에서의 자외선흡 광도로 설정하였으며, 독립변수로는 탈색제의 첨가량, 탈색온도, 탈색시간으로 설정하였다. CCD-RSM에 의한 통계학 적 최적화 결과와 수학적 최적화 결과를 비교한 결과 3가지 반응치를 동시에 만족하는 최적조건으로 탈색제의 첨가량 (4.32 wt.%), 탈색온도(134.9 ℃) 및 탈색시간(19.8 min)으로 나타났다. 이 최적 조건하에서 예측된 반응치 중 탈색과정 의 탈색효과는 94.78%, 탈색 후 정제유의 산가는 2.08 mg/g KOH, 그리고 290 nm에서의 자외선 흡광도는 2.91로 나타 났으며, 오차율은 2% 이하로 낮게 나타났다. 따라서 CCD-RSM을 시벅턴 원유의 흡착 탈색공정에 적용할 경우 매우 높은 수준의 만족하는 결과를 얻을 수 있음을 확인하였으며 천연 식물성 오일인 시벅턴 오일을 천연 자외선 흡수제로 서 사용 가능함을 확인하였다.

키워드 :

This article has been cited by 0 article in crossref

Cited-By

Funding:

1. 서 론

최근 들어 생활수준이 높아지면서 사람들의 피부 건강에 대한 관심 이 증가하고 있다. 잘 알려진 바와 같이 피부 건강을 해치는 여러 요 인들 중 하나인 자외선은 인체 표피 세포를 손상시키는 동시에 진피 에서 멜라닌(melanin)의 침전을 촉진하며 피부의 보습 기능을 파괴하 고 심지어 피부암을 유발하기도 한다[1,2]. 따라서 건강한 피부를 유 지하기 위해서는 자외선을 효과적으로 흡수하는 것이 중요하다. 하지 만, 현재 화장품 산업 분야에서 많이 사용되는 자외선 흡수제(UV absorber) 는 주로 화학물질로서 피부에 대한 자극, 알레르기, 염증 등 여 러 가지의 부작용이 있다[3].

시벅턴 오일(sea buckthorn oil)은 시벅턴(Hippophae rhamnoides Linn.) 으로부터 제조되는 천연 식물성 오일로써 피부에 대한 자극성이 거의 없으며 자외선 흡수효과가 우수한 것으로 알려져 있다. 시벅턴 오일 에는 다량의 비타민 E, 폴리페놀(polyphenol) 및 불포화 지방산(unsaturated fatty acid) 등이 함유되어 있으며 UV-B (280~320 nm)을 효과 적으로 흡수함으로서 태양 빛에 의한 피부의 광 손상을 최소화하는 효과가 있다[4-5]. 그러나 압착, 용해 및 침출 등의 생산 공정으로 제 조되는 시벅턴 원유는 다양한 색소와 인지질 및 미량 금속 등과 같은 불순물이 포함되어있어 적갈색을 나타내기 때문에 화장품의 원료로 서 사용하는데 제약이 있다. 따라서 안정성과 자외선 흡수능력이 우 수한 고순도의 시벅턴 오일을 생산하기 위해서는 원유 중에 포함된 색소, 인지질 및 미량금속 등을 제거하는 탈색공정이 반드시 수행되 어야 한다[6]. 따라서 본 연구에서는 시벅턴 원유에 대한 탈색공정으 로 흡착탈색공정을 사용하였다. 흡착탈색공정은 활성탄, 활성점토 등 다중 탈색제를 이용하여 원유 중 색소 및 기타 불순물을 효과적으로 제거하는 방법으로 여러 공정에서 많이 활용되고 있다[7,8]. 하지만 탈색제가 오일과 접촉하면서 소량의 오일을 가수분해 시켜 탈색 후 정 제유의 산가를 증가시킬 수 있다[9,10].

따라서 본 연구에서는 천연 식물성 오일인 시벅턴 원유를 천연 자 외선 흡수제로 이용하기 위해 흡착탈색공정을 진행하였으며, 반응표 면분석법 중 중심합성설계모델(central composite design model-response surface methodology, CCD-RSM)을 이용하여 최적화하였다. 최적화과 정의 반응치(response)로는 탈색과정의 탈색효과, 탈색 후 정제유의 산가 및 자외선 흡수능력 등을 설정하였으며, 독립변수로는 탈색제의 첨가량, 탈색온도, 탈색시간 등을 설정하여 수행하였다.

2. 실험방법

2.1. 탈색제의 선택

시벅턴 원유의 흡착탈색공정을 위해 25 g의 시벅턴 원유에 4.0 wt.% 의 탈색제를 첨가하여 160 ℃, 200 rpm의 조건에서 20 min간 흡착시 켰다. 흡착과정 후 고속원심분리기(Scientific Co., Ltd)를 이용하여 20 min, 4000 rpm인 조건 하에서 정제유를 분리하였다. 실험에 사용된 탈 색제는 활성탄, 활성점토, 산성점토, 벤토나이트 등을 사용하였다.

2.2. 시벅턴 정제유의 탈색효과 평가

시벅턴 원유에 대한 흡착탈색공정 후 탈색효과 및 탈색 전후 정제 유의 자외선 흡광도를 측정하였다. 시벅턴 원유를 n-hexane에 희석하 여 10 wt.%의 시료를 제조한 후 UV 분광광도계(Optizen 2120 UV, MECASYS)를 이용하여 200~600 nm에서 가시광선과 자외선의 흡수 피크를 확인하여 해당 피크에 대응한 파장범위의 흡광도를 측정하였 다[11]. 탈색효과는 흡착탈색공정 전후 시료의 가시광선 흡수피크를 비 교하여 식 (1)과 같이 정의하였다.

Decolorization Effect`(%) = \frac{A_{(i)} - A_{(f)}}{A_{(i)}} \times 100

(1)

여기서 A_(i)는 탈색 전 시벅턴 원유의 가시광선 영역대의 흡광도이 며 A_(f)는 탈색 후 시벅턴 정제유의 가시광선 영역대의 흡광도이다. 따 라서 탈색효과의 값이 100%에 가까울수록 탈색효과가 우수한 것으로 평가하였다.

2.3. 정제유의 산가 평가

산가는 오일의 생산 및 저장 과정 중 오일의 품질에 대한 중요한 평 가 지표로서, 보통 1 g당 오일 시료를 중화하는 데 필요한 수산화칼륨 (KOH)의 질량으로 정의한다. 산가 측정을 위하여 시벅턴 오일 10 g을 100 g의 이소프로필알코올과 톨루엔을 1 : 1의 부피비로 혼합한 용액 에 희석한 후, 페놀프탈레인 10 g/L 용액을 0.3 mL 첨가하여 시료를 제조하였다. 산가 측정은 0.1 N KOH 용액으로 적정하였다. 적정 표준 상태는 시료 용액이 옅은 분홍색 상태를 30 s 간 유지될 때까지로 정 하였으며 최종 시료의 산가는 다음 식 (2)으로 계산하였다. 식 (2)에서 V는 KOH 용액의 적정량, F는 KOH 용액의 농도계수, S는 오일의 질 량이다[12].

Acid value = \frac{5.16 \times V \times F}{S}

(2)

3. 결과 및 고찰

3.1. 시벅턴 오일의 물성 평가

본 연구에서는 시벅턴 오일에 대한 흡착탈색공정을 진행하기 위해, 200~600 nm 범위 내에서의 시벅턴 원유와 정제유의 자외선 및 가시 광선의 흡광도를 Figure 1에 나타내었다. 자외선 흡광도 분석 결과, 탈 색 전의 시벅턴 원유와 탈색 후의 시벅턴 정제유의 자외선 흡수피크 는 290 nm 근처에서 동일하게 나타났다. 따라서 본 탈색공정을 통한 시벅턴 오일의 UV-B 흡수 능력은 감소하지 않는 것을 알 수 있었다 [13]. 또한, 시벅턴 원유의 가시광선 흡수피크는 460 nm 근처인 파랑 색 대에서 가장 크게 나타나 파랑색에 대한 흡수능이 가장 뚜렷함을 알 수 있었으나 470~600 nm의 가사광선 영역대에서의 흡수능은 급격 히 감소하여 600 nm이상에서는 기준선(base line)에 접근한 경향을 보 였다. 따라서 시벅턴 원유는 빨강색 영역대인 600 nm이상 범위의 가 시광선에 대한 흡수능은 거의 없기 때문에 대부분 완전히 반사한 것 이라고 할 수 있다. 이는 시벅턴 원유가 보통 적갈색을 띄는 것과 일 치한다[14]. 따라서 본 연구에서는 흡착탈색공정 전후 290 nm에서의 자외선 흡광도를 시벅턴 오일의 자외선 흡수능력 평가기준으로 설정 하였으며, 460 nm에서의 가시광선 흡광도를 흡착탈색공정의 탈색효 과 평가기준으로 설정하였다.

3.2. 탈색제 종류의 선택

시벅턴 오일에 대한 탈색공정을 진행하기 위해 활성탄, 활성점토, 산성점토, 벤토나이트 등을 이용하여 탈색과정의 탈색효과, 탈색 후 정제유의 산가 및 290 nm에서의 자외선 흡광도를 비교분석하여 그 결과를 Figure 2에 나타내었다. 그림에서와 같이 4가지 탈색제 중 활 성점토의 탈색 효과는 94%, 290 nm에서의 자외선 흡광도는 2.90으로 가장 크게 나타났으며 산가는 2.10 mg/g KOH으로 가장 낮게 나타나 서 활성점토를 본 연구의 탈색제로 선정하였다.

3.3. CCD-RSM에 의해 탈색공정의 최적화

본 연구에서 CCD-RSM을 이용하여 시벅턴 오일에 대한 흡착탈색 공정을 최적화하였다. 최적화과정 중 각 반응치로는 탈색과정의 탈색 효과, 정제유의 산가 및 290 nm에서의 자외선 흡광도로 설정하였으며, 독립변수로는 탈색제의 첨가량(3~5 wt.%), 탈색온도(120~160 ℃) 및 탈색시간(15~25 min)으로 설정하였다. CCD-RSM에 의해 세 개 독립 변수부터 설계된 실험조건 및 결과를 바탕으로 정리한 결과를 Table 1에 나타내었다.

최적화 과정의 정확성을 확인하기 위해 통계학적 분석을 수행하였 다. Table 2에 나타낸 R²는 결정계수로서 최적화 효과의 척도를 나타 낸다. 따라서 일반적으로 이 값이 100에 가까울수록 실험데이터와 회 귀방정식이 정규분포에 부합하며 최적화 효과가 우수한 것으로 판단 한다[15]. 각 독립변수의 P-value 및 F-value는 해당 독립변수의 중요 도를 나타내는 척도로서 함께 분석하며, P-value는 작을수록 동시에 F-value는 클수록 해당 독립변수가 반응치에 더욱 큰 영향을 끼치는 것으로 판단한다[16-17].

CCD-RSM를 적용하여 탈색과정의 탈색효과에 관한 회귀방정식을 구하고 이를 식 (3)에 나타내었다. 식 (3)에서 탈색효과는 Y₁, 독립변수 로서 x₁은 탈색제의 첨가량, x₂는 탈색온도, x₃는 탈색시간으로 설정 하였다.

\begin{matrix} Y_{1} = 35.20 + 8.332 x_{1} + 0.5299 x_{2} + 0.495 x_{3} - 0.4031 x_{1}^{2} - \\ 0.001375 x_{2}^{2} - 0.01018 x_{3}^{2} - 0.03363 x_{1} x_{2} - 0.0060 x_{1} x_{3} - \\ 0.000400 x_{2} x_{3} \end{matrix}

(3)

Table 2에서와 같이 탈색과정의 탈색효과만 고려할 경우 결정계수 R² = 95.04로 제일 크게 나타났기 때문에 최적화 효과가 제일 뚜렷한 것으로 판단하였다. 각 독립변수의 P-value는 각각 x₁ = 0.002, x₂ = 0.468, x₃ = 0.552로 나타나며, F-value의 경우는 x₁ = 18.14, x₂ = 0.57, x₃ = 0.38로 나타났다. 따라서 탈색과정의 탈색효과만 고려할 경우, 탈색제의 첨가량 (x₁)의 P-value가 제일 작은 동시에 F-value는 제일 크기 때문에 주효과도가 제일 높음으로 해석하였으며 탈색과정의 탈 색효과에 대한 가장 중요한 독립변수로 판단하였다. 또한 독립변수가 2개인 경우, 각 독립변수들 간의 끼친 영향을 확인하기 위해 교호효과 도를 분석한 필요가 있다. Table 2에 나타낸 x₁x₂, x₁x₃, x₂x₃는 각각 (탈색제의 첨가량 × 탈색온도), (탈색제의 첨가량 × 탈색시간), (탈색온 도 × 탈색시간)으로 정의하였다. 이들 중 x₁x₂의 P-value는 ＜ 0.0001 로 제일 작은 동시에 F-value는 61.30으로 가장 크게 나타났다. 따라서 교호효과도 중 x₁x₂ (탈색제의 첨가량 × 탈색온도)의 교호효과도가 탈 색과정의 탈색효과에 가장 큰 영향을 끼치는 것으로 해석할 수 있다. 이러한 결과를 확인하기 위해 Figure 3(a)와 같이 CCD-RSM을 사용하 여 3가지 계량인자 중 1개는 고정하고 다른 2개를 변화시켜 등고선도 를 작성하였다. 등고선도를 같이 비교한 결과, (탈색제의 첨가량 × 탈 색온도)가 탈색과정의 탈색효과에 제일 큰 영향을 끼친 것으로 나타 났으며 위의 통계학적 분석결과와 일치함을 알 수 있다. 따라서 CCD-RSM에 의해 탈색효과만 고려할 경우의 최적조건은 탈색제의 첨 가량은 4.63 wt.%, 탈색온도는 132.9 ℃, 탈색시간은 20.4 min 등으로 산출되며, 해당 조건 하에서 예측되는 탈색효과의 최대값은 94.81%로 나타났다.

식 (3)에서와 같이, CCD-RSM를 적용하여 정제유의 산가를 Y₂로 하 는 회귀방정식 식 (4)를 얻었다.

\begin{matrix} Y_{2} = 3.286 - 0.0741 x_{1} - 0.01427 x_{2} - 0.01290 x_{3} + 0.00798 x_{1}^{2} + \\ 0.000055 x_{2}^{2} + 0.000460 x_{3}^{2} + 0.000063 x_{1} x_{2} + 0.000250 x_{1} x_{3} - \\ 0.000037 x_{2} x_{3} \end{matrix}

(4)

Table 2에서와 같이 정제유의 산가만 고려한 경우, 결정계수는 R² = 90.82로 상대적으로 높게 나타났다. 여기서 각 독립변수의 P-value 는 x₁ = 0.282, x₂ = 0.001, x₃ = 0.061로, F-value는 각각 x₁ = 1.29, x₂ = 22.22, x₃ = 4.45로 나타났음을 알 수 있다. 따라서 정제유의 산가만 고려한 경우, 탈색온도 (x₂)의 P-value가 제일 작은 동시에 F-value가 제일 크기 때문에 주효과도가 제일 높음으로 판단하였다. 교호효과도 의 경우, 각 독립변수의 교호효과를 통계학적으로 분석한 결과 P-value는 각각 x₁x₂ = 0.758, x₁x₃ = 0.758, x₂x₃ = 0.364, F-value는 각각 x₁x₂ = 0.10, x₁x₃ = 0.10, x₂x₃ = 0.91로 나타났다. 따라서 교호효과도 중 x₂x₃의 P-value가 제일 작은 동시에 F-value는 제일 큼을 알 수 있 다. 이는 (탈색온도 × 탈색시간)의 교호효과도가 제일 큰 것으로 해석 할 수 있으며, 해당 교호인자가 정제유의 산가에 제일 큰 영향을 끼친 것으로 판단할 수 있다. 이러한 결과를 확인하기 위해 CCD-RSM에 의한 등고선도를 작성하여 Figure 3(b)에 나타내었다. 등고선도를 통 하여 (탈색온도 × 탈색시간)이 정제유의 산가에 제일 큰 영향을 끼친 것임을 알 수 있었으며, 위의 통계학적 분석결과와도 일치한다. CCD-RSM에 의해 산가만 고려할 경우, 최적조건으로서 탈색제의 첨 가량은 3.85 wt.%, 탈색온도는 132.9 ℃, 탈색시간은 18.4 min 등으로 산출되며 해당 조건하에서 예측되는 정제유의 산가의 최소값은 2.076 mg/g KOH로 나타났다.

CCD-RSM를 적용하여 290 nm에서의 자외선 흡광도 효과를 Y₃로 하는 회귀방정식 식 (5)를 얻었다.

\begin{matrix} Y_{3} = 2.077 + 0.0908 x_{1} + 0.00770 x_{2} + 0.01131 x_{3} - 0.00925 x_{1}^{2} - \\ 0.000027 x_{2}^{2} - 0.000228 x_{3}^{2} - 0.000062 x_{1} x_{2} - 0.000050 x_{1} x_{3} \\ 0.000010 x_{2} x_{3} \end{matrix}

(5)

Table 2에서와 같이 290 nm에서의 자외선 흡광도만 고려한 경우, 회 귀방정식의 결정계수는 R² = 75.46로 상대적으로 낮게 나타났다. 또한 각 독립변수의 P-value는 x₁ = 0.058, x₂ = 0.062, x₃ = 0.387로, F-value는 각각 x₁ = 4.59, x₂ = 4.40, x₃ = 0.82로 나타났다. 이 경우, 탈색제 의 첨가량 (x₁)의 P-value가 제일 작은 동시에 F-value가 제일 크기 때 문에 주효과도가 제일 높음으로 판단하였다. 각 독립변수 간의 교호 효과의 경우, P-value는 각각 x₁x₂ = 0.770, x₁x₃ = 0.953, x₂x₃ = 0.815 로, F-value는 각각 x₁x₂ = 0.09, x₁x₃ ＜ 0.0001, x₂x₃ = 0.06으로 나타 났다. 따라서 x₁x₂의 P-value가 제일 작은 동시에 F-value는 제일 큼을 알 수 있다. 이는 (탈색제의 첨가량 × 탈색온도)의 교호효과도가 제일 큰 것으로 판단할 수 있기 때문에 290 nm에서의 자외선 흡광도에 제 일 큰 영향을 끼친 것이라고 할 수 있다. 이러한 결과를 확인하기 위 해 Figure 3(c)에 CCD-RSM에 의한 등고선도를 작성하여 나타내었다. 그래프를 통해 탈색제의 첨가량과 탈색온도를 동시에 변화시킨 경우 가 290 nm에서의 자외선 흡광도에 대해 제일 큰 영향을 끼친 것을 확 실하게 알 수 있으며 이것은 위의 통계학적 분석결과와도 일치한다. CCD-RSM에 의해 290 nm에서의 자외선 흡광도만 고려할 경우, 최적 화 결과를 통한 최적조건으로서 탈색제의 첨가량은 4.39 wt.%, 탈색 온도는 132.9 ℃, 탈색시간은 21.4 min 등으로 산출되며 이 조건하에 서 예측된 자외선흡광도의 최대값은 2.91으로 나타났다.

통계학적 분석 결과를 확인하기 위해 각 독립변수의 ± 10% 변화에 따른 각 반응치의 변화를 Figure 4에 나타내었다. 최적탈색제 첨가량 인 4.32 wt.%을 기준으로 ± 0.2 wt.%, 최적탈색온도인 134.9 ℃을 기 준으로 ± 4℃, 최적탈색시간인 19.7 min을 기준으로 ± 1.0 min을 설정 하였다. 그림에서 알 수 있듯이 탈색과정의 탈색효과와 290 nm에서의 자외선 흡광도에 가장 큰 영향을 끼치는 주효과도는 탈색제의 첨가량 이며, 정제유의 산가에 가장 큰 영향을 끼치는 주효과도는 탈색온도 임을 알 수 있다. 이는 통계학적 분석 결과와 일치하는 것으로서 본 연구에 적용한 통계학적 분석이 정확하다는 것으로 판단할 수 있다.

3.4. CCD-RSM에 의한 최적화과정의 종합만족도 평가

시벅턴 오일을 이용한 탈색과정에서 탈색과정의 탈색효과, 정제유 의 산가 및 290 nm에서 자외선 흡광도를 평가하기 위해 탈색제의 첨 가량, 탈색온도, 탈색시간을 반응표면분석법의 반응치로 설정하여 최 적화과정을 수행하였다. 이에 관한 최적화 종합만족도 결과를 Figure 5에 나타내었다. 그림에서와 같이 세 가지 반응치를 동시에 만족하는 최적 탈색조건의 탈색제의 첨가량은 4.32 wt.%, 탈색온도는 134.9 ℃, 탈색시간은 19.7 min으로 산출되었으며, 최적화 과정의 종합만족도는 0.8848로 나타났다. 그리고 이러한 조건 하에서 중심합성계획모델을 통해 예상한 3가지의 반응치의 경우 탈색과정의 탈색효과는 94.78 wt.%, 정제유의 산가는 2.08 mg/g KOH, 290 nm에서의 자외선 흡광 도는 2.90으로 나타났다. 최적 조건에서 실제 실험을 진행한 결과, 탈 색효과는 93.78 wt.%, 산가는 2.10 mg/g KOH, 290 nm에서의 자외선 흡광도는 2.89로 측정되었으며, 평균오차율은 1.1 (± 0.6)%로 나타났 다. 이와 같이 CCD-RSM을 시벅턴 오일의 흡착 탈색공정에 적용할 경우 비교적 높은 유의수준의 만족하는 결과를 얻을 수 있음을 확인 하였다. 따라서 천연 식물성 오일인 시벅턴 오일을 천연 자외선 흡수 제로서 사용이 가능하다고 할 수 있다.

4. 결 론

본 연구에서는 천연 식물성 오일을 자외선 흡수제로서의 사용 가능 성을 알아보기 위하여 시벅턴 원유에 대한 흡착 탈색공정을 진행하였 으며, CCD-RSM을 이용하여 탈색과정의 탈색효과, 탈색 후 정제유의 산가 및 290 nm에서의 자외선 흡광도에 관한 최적화 공정을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 통계학적 분석 결과 탈색과정의 탈색효과의 경우 탈색효과에 가 장 큰 영향이 미친 주효과도는 탈색제의 첨가량이며, 교호인자는 (탈 색제의 첨가량 × 탈색온도)로 나타났다. 또한 CCD-RSM에 의한 최적 화 결과, 탈색효과의 최대값을 얻기 위한 최적조건으로 탈색제의 첨 가량은 4.63 wt.%, 탈색온도는 132.9 ℃, 탈색시간은 20.4 min으로 산 출되었으며 탈색효과의 최대값은 94.81%로 예측되었다.
2. 탈색 후 정제유의 산가의 경우 정제유의 산가에 대한 제일 중요 한 독립변수는 탈색온도이며, 교호인자는 (탈색온도 × 탈색시간)으로 나타났다. CCD-RSM에 의한 최적화 결과, 정제유의 산가의 최소값을 얻기 위한 최적 조건으로 탈색제의 첨가량은 3.85 wt.%, 탈색온도는 132.9 ℃, 탈색시간은 18.4 min으로 산출되었으며 정제유의 산가 최소 값은 2.076 mg/g KOH로 예측되었다.
3. 탈색 후 정제유의 290 nm에서의 자외선 흡광도의 경우 주효과도 가 가장 큰 독립변수는 탈색제의 첨가량이며, 교호인자는 (탈색제의 첨가량 × 탈색온도)이었다. CCD-RSM에 의해 최적화한 결과, 290 nm 에서의 최대의 자외선 흡광도를 얻기 위한 최적조건으로 탈색제의 첨 가량은 4.39 wt.%, 탈색온도는 132.9 ℃, 탈색시간은 21.4 min으로 산 출되었으며 이 조건으로부터 예측된 290 nm에서의 자외선흡광도의 최대값은 2.91이었다.
4. CCD-RSM에 의해 3가지 반응치를 동시에 만족하는 최적조건으 로 탈색제의 첨가량은 4.32 wt.%, 탈색온도는 134.9 ℃, 탈색시간은 19.8 min이며, 이때 예측된 각각의 반응치인 탈색효과는 94.78%, 정 제유의 산가는 2.08 mg/g KOH, 290 nm에서의 자외선흡광도는 2.90 으로 나타났다. 이러한 최적 조건하에서 실제 실험을 진행한 결과, 오 차율은 2% 이하로 낮게 나타나 CCD-RSM을 시벅턴 오일의 흡착 탈 색공정에 적용할 경우 높은 수준의 만족도를 얻을 수 있으며 시벅턴 오일이 천연 자외선 흡수제로서의 사용 가능함을 알 수 있었다.

Figures

Figure 1.UV and visible light absorbance of sea buckthorn oil.

Figure 2.Comparison of acid value, UV absorbance, and decolorization ability at 290nm of various decolorizers.

Figure 3.Contour graph of decolorization effect, acid value, and UV absorbance according to various variables.

Figure 4.Perturbation plot for the effect of variables on decolorization effect, acid value and UV absorbance at 290 nm.

Figure 5.Optimization graph of response surface for decolorization effect, acid value and UV absorbance.

Tables

Table 1.Response Surface Methodology of Three Variables and Corresponding Response Values

Table 2.CCD-RSM Variance Analysis of Regression Coefficients of the various Response Values

References

R. M. Tyrrell, Ultraviolet radiation and free radical damage to skin, Biochem. SOC. Symp., 61, 47-53 (1995).
D. O. John, J. Stuart, A. O. Alexandra, and S. Timothy, UV radiation and the skin, Int. J. Mol. Sci., 14, 12222-12248 (2013).
G. Hu, X. Wang, Research on a natural sunscreen from Chinese herbs, Int. J. Cosmet. Sci., 20, 175–181 (1998).
A. Zielińska and L. Nowak, Abundance of active ingredients in sea buckthorn oil, Lipids Health Dis., 95, 1-11 (2017).
T. Beveridge, T. S. C. Li, B. D. Oomah, and A. Smith, Sea buckthorn products: Manufacture and composition, J. Agric. Food. Chem., 47, 3480-3488 (1999).
S. Rashid, A. Arif, A. Tabasum, H. Zain, S Ehsan, and M. S. U. Rahman, Sea buckthorn Hippophae rhamnoides a non-conventional source of edible oil, Pure Appl. Biol., 9(1), 1040-1048 (2020).
E. Sabah, M. Cinar, and M. S. Celik, Decolorization of vegetable oils: Adsorption mechanism of β-carotene on acid-activated sepiolite, Food Chem., 100, 1661-1668 (2007).
A. Pala and E. Tokat, Color removal from cotton textile industry wastewater in an activated sludge system with various additives, Water Res., 36, 2920-2925 (2002).
W. J. Wang, F. H. Huang, C. S. Liu, W. L. Li, C. Zheng, and Q. Zhou, Bleaching effects of several decolorants on rapeseed oil, China Oils and Fats, 45(1), 17-21 (2020).
G. L. Liu and G. Y. Chen, Study on the decolorization of biodiesel from waste cooking oil, Adv. Mater., 347(353), 3781-3787 (2012).
F. Liu, C. Wang, J. Yang, G. Yuan, and H. J. Xie, Progress of determination methods for acid and peroxide values of oils and fats, J. Food Saf. Food Qual., 10(14), 4478-4482 (2019).
P. Sun, J. Sun, J. Yao, L. Zhang, and N. Xu, Continuous production of biodiesel from high acid value oils in microstructured reactor by acid-catalyzed reactions, Chem. Eng. J., 162(1), 364-370 (2010).
H. Kim, H. Cho, Y. K. Seo, S. Kim, M. Y. Yoon, H. Kang, C. S. Park, and J. K. Park, Inhibitory effects of sea buckthorn (Hippophae rhamnoides L.) seed on UVB-induced photoaging in human dermal fibroblasts, Biotechnol. Bioprocess Eng., 17, 465-474 (2012).
S. M. Sabir, H. Maqsood, S. D. Ahmed, A. H. Shan, and M. Q. Khan, Chemical and nutritional constituents of sea buckthorn (Hi ppophae rhamnoides ssp. turkestanica) berries from pakistan, Ital. J. Food Sci., 95(4), 88-95 (2005).
S. Hosseini, B. G. H. Tarzi, M. Ghachorloo, M. Ghavami, and H. Bakhoda, Optimization on the stability of linseed oil-in-water nanoemulsions generated by ultrasonic emulsification using response surface methodology (RSM), Orient. J. Chem., 31(2), 1223-1230 (2015).
M. O. Saeed, K. Azizli, M. Isa and M. J. K. Bashir, Application of CCD in RSM to obtain optimize treatment of POME using Fenton oxidation process, J. Water Process Eng., 8, 7-16 (2015).
M. Yolmeh, M. B. H. Najafi and R. Farhoosh, Optimisation of ultrasound- assisted extraction of natural pigment from annatto seeds by response surface methodology (RSM), Food Chem., 155, 319- 324 (2014).