1. 서 론

과학기술의 발달로 현대사회에서 삶의 속도는 점점 빨라지고 불안 정한 생활 리듬으로 인한 스트레스 증가로 피부관리에 대한 관심이 증가되고 있다. 이에 따라 피부안전성 및 피부개선의 효능이 우수한 화장품에 대한 관심이 증가하고 있는 추세이다. 따라서 화장품 제형 에 사용되는 기존의 합성유화제가 아닌 천연원료로부터 추출된 천연 유화제의 개발 및 이를 사용한 화장품에 대한 수요가 증가되고 있다 [1-2]. 따라서 본 연구에서 계면활성 성분이 함유된 알팔파(Medicago sativa L.)와 무환자나무열매(Sapindus saponaria L.)를 이용하여 천연 유화제를 추출하고자 하였다. 알팔파는 이란, 아제르바이잔, 터키 등 의 지역에서 많이 재배되고 있는 콩과 식물의 일종으로서 신장혈관 질병 및 골다공증 등에 대한 훌륭한 예방효과와 항균 및 방부기능, 비 누 및 세제와 같은 계면활성 기능 등으로 인하여 민간요법으로 오랜 기간동안 사용되었으며 의약, 제약, 화장품 분야에서 많은 주목을 받 고 있다[3-4]. 또한 무환자나무열매 역시 일본, 대만, 중국 등지에 분 포하는 식물로서 해열, 거담, 인후통, 기침 등에 대한 예방 및 치료 효 능이 있으며, 피부 미백과 여드름 및 피부질환에 우수한 효능이 있는 것으로 알려져 있다[5].

따라서 본 연구에서는 알팔파와 무환자나무열매로부터 천연유화제 를 추출하여 화장품 제형에 적합한 천연원료로서의 응용 가능성을 알 아보고자 반응표면분석법 중 중심합성설계모델(central composite design model-response surface methodology, CCD-RSM)을 이용하여 알 팔파와 무환자나무열매로부터 천연유화제를 추출하는 공정을 최적화 하고자 하였다. 반응표면분석법은 효과적인 실험설계 방법의 일종으 로서 실제의 실험을 통하여 얻은 실험데이터에 대해 회귀분석을 진행 하여 독립변수와 반응치 간의 상관관계를 평가할 수 있는 방법으로서 [6], 최소한의 실험으로 최적화 과정을 수행할 수 있어 화학공업, 생명 과학, 식품제조, 화장품제조 등의 여러 분야에서 많은 주목을 받고 있 다[7-8]. 따라서 본 연구에서는 CCD-RSM을 수행하기 위한 독립변수 f로 추출용매의 조성과 추출온도를, 반응치는 알팔파와 무환자나무열 매의 추출수율과 추출된 천연유화제의 계면활성능을 평가하기 위한 거품안정도로 설정하였다.

2. 실험방법

2.1. 알팔파 및 무환자나무열매로부터 천연유화제의 추출

본 연구에서 천연유화제를 추출하기 위한 천연물질로 알팔파 및 무환자나무열매를 선정하였다. 실험에 사용된 알팔파와 무환자나무 열매는 건조과정 후 분쇄하여 사용하였으며, 추출용매로는 초순수 (Vivagenen EXL-III)와 95% 주정(Daehan Ethanol Life Co.)을 이용하 였다. 추출용매 400 mL를 기준으로 알팔파 및 무환자나무열매의 양 을 10 g으로 고정하여 실험을 수행하였으며, 냉동건조법(freeze drying method)을 이용하여 수율을 측정하였다. 추출된 천연유화제는 여과과 정을 거친 후 진공증류를 통하여 농축한 후 –10 °C에서 6 h 동안 1차 동결하였다. 동결된 시료는 냉동건조장치(LP3, Jouan, France)에서 0.1 mbar, -40 °C에서 24 h 동안 건조하였다.

2.2. 천연유화제의 계면활성능 평가

알팔파 및 무환자나무열매로부터 추출된 천연유화제의 계면활성능은 거품안정도(forming stability)를 측정하여 평가하였다. 냉동건조 후 천 연유화제 0.5 g를 1 mL의 물속에 혼합시킨 후 water bath (SL-WB6D, Sunil Science Co., Ltd)을 이용하여 40 ± 0.5 °C로 예열하여 22 × 150 mm 규격인 유리시험관(Cap Test Tube, Samwoo Kurex Co., Ltd)에 주 입하였다[9]. 거품안정도는 충분히 진탕한 후 수용액 위에 형성된 거 품의 높이와 10분간 방치한 후 거품의 높이를 비교하여 식(1)을 사용 하여 계산하였다. 거품안정도가 높을수록 유화제의 계면활성능이 우 수한 것으로 판단한다. 실험 결과의 정확성을 위하여 모든 측정 데이 터는 5번 반복하여 평균값을 사용하였다.

여기서 H_(Initial)은 초기 진탕 후 거품의 높이, H_(final)은 10분간 방치 후 거품의 높이를 나타낸다.

3. 결과 및 고찰

3.1. 천연유화제 추출을 위한 CCD-RSM의 설계

본 연구에서 알팔파와 무환자나무열매로부터 천연유화제를 추출한 후 CCD-RSM를 이용하여 추출수율 및 천연유화제의 거품안정도를 최적화하였다. CCD-RSM 독립변수 범위는 기초실험을 통하여 알팔 파의 경우 주정/초순수의 부피비는 45~60 vol%, 추출온도는 65~75 °C, 무환자나무열매의 경우에는 주정/초순수의 부피비는 50~70 vol%, 추출온도는 70~80 °C의 조건에서 1 h 동안 추출하였다. 추출공정의 최적화 과정을 진행하기 위해 CCD-RSM을 이용하여 Table 1과 같이 13개의 실험을 설계하였으며, 실제실험을 진행한 후 결과데이터를 이 용하여 회귀분석을 진행하였다.

3.2. 알팔파로부터 천연유화제 추출을 위한 CCD-RSM의 최적화

CCD-RSM에 의해 알팔파로부터 천연유화제 추출공정의 추출수율에 대한 반응표면분석 결과를 통하여 다음과 같은 회귀방정식을 얻었다.

여기서 Y는 추출공정의 추출수율이며, 독립변수로는 주정/초순수 의 부피비(x₁)와 추출온도(x₂)로 설정하였다. 회귀방정식에 따라 각 독 립변수의 주효과도는 각 독립변수의 계수비로서 주정/초순수의 부피 비 : 추출온도 = 1.00 : 1.29로 나타났다. 따라서 추출수율에 영향을 끼치는 두 가지 독립변수의 영향은 큰 차이가 없었지만 추출온도가 주정/초순수의 부피비보다 다소 크게 나타났다. 이를 확인하기 위해서 Figure 1과 같이 등고선도를 작성하여 분석하였다. 그림에서와 같이 추출수율에 대한 두 가지 독립변수의 영향 수준은 서로 접근하며, 최 대의 추출수율을 얻을 수 있는 조건은 주정/초순수의 부피비의 경우 51~57 vol%, 추출온도는 67.5~72.5 °C 범위에 있는 것을 알 수 있었 다. CCD-RSM을 이용하여 추출수율 만을 대상으로 최적화한 결과 주 정/초순수의 부피비는 54.1 vol%, 추출온도는 71.6 °C로 산출되었다. 또한 알팔파로부터 추출한 천연유화제의 계면활성능 분석을 위해 거 품안정도를 측정한 경우, CCD-RSM으로부터 다음과 같은 회귀방정 식을 얻을 수 있었다.

여기서 F 는 추출물의 거품안정도이고, 독립변수로는 주정/초순수 의 부피비(x₁)와 추출온도(x₂)로 설정하였다. 회귀방정식에 따라 각 독 립변수의 주효과도는 각 독립변수의 계수비로서 주정/초순수의 부피 비 : 추출온도 = 1.11 : 1.00로 나타났다. Figure 1과 같이 알팔파로부 터 천연유화제를 추출한 공정에서 두 가지 독립변수가 추출물의 거품 안정도에 대한 영향 수준은 서로 접근하며 최대 거품안정도를 얻을 수 있는 조건으로서 주정/초순수의 부피비는 54 vol%, 추출온도는 70.0~72.5 °C 범위에 있는 것을 알 수 있다. CCD-RSM을 이용하여 추 출물의 거품안정도만을 대상으로 최적화한 결과 주정/초순수의 부피 비는 53.5 vol%와 추출온도는 70.9 °C로 산출되었다.

위에서 수행한 최적화의 정확성을 확인하기 위하여 최적화 수행 과 정 중 이용한 목적함수의 합리성에 대하여 분석하였다. 이를 위해 본 연구에서는 Figure 2와 같이 CCD-RSM에 의한 실험설계로부터 얻어 진 실제의 결과 데이터에 대한 95% 신뢰구간 내에서의 분포상황을 고찰하였다. 본 연구에서의 고찰은 통계학적 normal distribution 이론에 관한 데이터의 총 수(N), 평균값, 표준편차(stDEV), AD값(Andersondarling), P-value 등을 고려하여 진행하였다. CCD-RSM에 의해 설계 된 총 실험횟수(N)는 13회이다. 표준편차는 데이터들의 분산상황을 표시하는 척도로서 이 값이 작을수록 데이터들 간의 분산 분포도는 작아지는 것으로 판단한다[10]. 또한 데이터 예상 분포구간 내에서의 분포균일정도는 AD값으로 판단한다. AD값이 작을수록 해당 분포구 간 내에서 데이터가 더욱 균일하게 분포한다는 것을 뜻한다[11]. P-value는 고찰된 데이터가 목표분포구간 내에서 만족하는가를 확인 하는 척도이다. 즉, 해당 회귀방정식이 정규분포에 만족되는지를 확인 하는 척도로서 95% 신뢰구간을 이용하는 경우, 일반적으로 0.05를 기 준으로 비교 판단한다. P-value ＞ 0.05인 경우 데이터들이 목표분포 에 만족된다. 반대로 P-value ＜ 0.05인 경우 데이터들이 목표분포에 만족하지 못하여 해당 회귀방정식은 통계학적으로 합리성이 부족한 것으로 판단한다. Figure 2에 알팔파로부터 천연유화제 추출공정의 추 출수율과 거품안정도에 대한 통계학적 평가 결과를 나타내었다. CCD-RSM에 의해 설계된 실험을 통하여 얻은 추출수율에 관한 평균 값은 24.53, 표준편차는 1.529, AD값은 0.546으로 나타났다. P-value 는 0.128로 0.05보다 크기 때문에 회귀방정식 정규분포에 만족하는 것 으로 판단할 수 있다. 거품안정도를 분석한 경우, 실험설계로부터 데 이터의 평균값은 36.97이고, 표준편차는 7.780이었다. 또한 AD값은 0.558, P-value는 0.119로 0.05보다 크기 때문에 회귀방정식 정규분포 에 만족하는 것으로 판단할 수 있다. 따라서 본 연구에서 CCD-RSM 을 적용하여 알팔파로부터 천연유화제 추출공정에 대한 최적화 결과 는 총체적으로 합리성이 있는 것으로 입증되었다. 두 가지 반응치인 추출수율 및 추출물의 거품안정도에 관한 회귀방정식은 모두 정규분 포에 만족함을 알 수 있었다.

따라서 천연식물인 알팔파의 천연유화제 추출공정에 대한 추출공 정에 대한 효율 및 추출물의 기능성을 향상시키기 위해 추출수율 및 거품안정도를 각각 최적화하였다. 위의 통계학적 분석을 통해 두 가 지 반응치를 대상으로 산출된 회귀방정식은 모두 정규분포에 만족하 며 최적화과정의 통계학적 합리성을 입증하였다. 따라서 두 개의 독 립변수 및 두 개의 반응치를 함께 고려하여 추출공정의 수율 및 추출 물의 거품안정도를 동시에 향상시키는 다중반응 최적화를 수행할 수 있는 것으로 판단하였다. 이에 따라 본 연구에서 두 개의 반응치를 대 상으로 산출된 회귀방정식으로부터 다중반응을 수행하여 그 결과를 Figure 3에 나타내었다. 그래프를 통해 두 개의 반응치를 동시 최대화 시킬 수 있는 조건으로서 주정/초순수의 부피비는 53.5 vol%, 추출온 도 70.9 °C로 산출되었으며, 해당 조건에서 얻을 수 있는 추출수율은 26.1 wt%, 거품안정도 44.6%로 예측되었다. 이러한 결과를 확인하기 위하여 해당 조건 하에서 실제 실험을 진행한 결과 추출공정의 추출 수율은 25.3 wt%, 거품안정도는 43.0%로서 오차율은 각각 3.2%와 3.7%이였다.

3.3. 무환자나무열매로부터 천연유화제 추출을 위한 CCD-RSM의 최적화

무환자나무열매부터 천연유화제 추출공정의 추출수율에 대한 반응 표면분석 결과를 통하여 다음과 같은 회귀방정식을 얻었다.

회귀방정식에 따라 각 독립변수의 주효과도는 각 독립변수의 계수 비로서 주정/초순수의 부피비 : 추출온도 = 1.99 : 1.00으로 나타났다. 따라서 추출온도보다 주정/초순수의 부피비가 추출수율에 보다 크게 영향을 끼치는 것으로 판단할 수 있다. CCD-RSM을 이용하여 추출수 율 만을 대상으로 최적화를 진행한 결과, 추출공정의 최적조건으로서 주정/초순수의 부피비는 61.9 vol%, 추출온도는 74.4 °C로 산출되었 다. 이를 확인하기 위해 Figure 4와 같이 등고선도를 작성하여 분석하 였다. 그래프 분석 결과를 통하여 추출수율에 영향을 끼치는 정도는 주정/초순수의 부피비가 추출온도보다 상대적으로 다소 크게 나타났 다. 최대 추출수율을 얻을 수 있는 조건으로서 주정/초순수의 부피비 는 60~65 vol%, 추출온도는 70~75 °C로 나타났다. 이는 예측 결과와 일치함을 알 수 있으며, 무환자나무열매로부터 추출한 천연유화제의 거품안정도를 분석하여 CCD-RSM에 의해 다음과 같은 회귀방정식을 산출하였다.

회귀방정식에 따라 각 독립변수의 주효과도는 각 독립변수의 계수 비로서 주정/초순수의 부피비 : 추출온도 = 1.00 : 1.30으로 나타났다. 따라서 두 가지 독립변수가 추출물의 거품안정도에 끼치는 영향 정도 는 큰 차이가 없지만 추출온도가 거품안정도에 다소 영향을 끼치는 것으로 판단할 수 있다. CCD-RSM을 이용하여 추출물의 거품안정도 에 대한 최적화를 진행한 결과, 추출공정의 최적조건으로서 주정/초순 수의 부피비는 59.0 vol%, 추출온도는 71.6 °C로 산출되었다. 이를 확 인하기 위해 Figure 4에서와 같이 무환자나무열매에 관한 천연유화제 추출공정에서 두 가지 독립변수가 추출물의 거품안정도에 끼치는 영 향수준은 서로 접근하는 것으로 나타났다. 최대의 거품안정도를 얻을 수 있는 조건으로서 주정/초순수의 부피비는 60 vol%, 추출온도는 70 °C 범위에 있는 것을 알 수 있다. 이는 예측 결과와 상당히 일치하였 다.

위의 최적화 수행 결과의 정확성을 확인하기 위해 Figure 5와 같이 CCD-RSM에 의한 실험설계로부터 얻어진 실제의 결과 데이터에 대 한 95% 신뢰구간 내의 분포상황을 고찰하였다. 무환자나무열매에 대 한 추출공정의 추출수율과 거품안정도에 대한 통계학적 평가결과를 나타내었다. CCD-RSM에 의해 설계된 총 13회 실험을 통하여 얻어진 추출수율에 대한 평균값은 28.72, 표준편차는 3.393, AD값은 0.719, P-value는 0.050으로 회귀방정식 정규분포에 만족하는 조건임을 알 수 있다. 거품안정도 분석의 경우, 실험설계부터 얻어진 13개 데이터의 평균값은 44.18, 표준편차는 3.325으로 나타났다. 이에 따라 본 연구 에 무환자나무열매로부터 천연유화제를 추출하는 공정에서 추출물의 거품안정도에 대한 최적화 효과는 상대적으로 뚜렷한 것으로 판단하 였다. 또한 AD값은 0.701, P-value는 0.051로 회귀방정식 정규분포에 만족하는 것으로 판단할 수 있다. 따라서 본 연구에서 CCD-RSM을 이용하여 무환자나무열매 추출공정에 대한 최적화 결과는 총체적으 로 합리성이 있는 것으로 입증되었으며, 두 가지 반응치인 추출수율 및 추출물의 거품안정도에 대해 얻어진 회귀방정식은 모두 정규분포 에 만족하는 것으로 판단하였다.

따라서 천연식물인 무환자나무열매의 천연유화제 추출공정에 대한 효율 및 추출물의 기능성을 향상시키기 위해 추출수율 및 추출물의 거품안정도를 각각 최적화하였다. 위의 통계학적 분석을 통해 두 가 지 반응치를 대상으로 산출된 회귀방정식은 모두 정규분포에 만족하 며 최적화 과정의 통계학적 합리성을 입증하였다. 따라서 추출공정의 수율 및 추출물의 거품안정도를 동시에 향상시키며, 두 개의 독립변 수 및 두 개의 반응치를 함께 고려한 다중반응 최적화를 수행하기 가 능한 것으로 판단할 수 있다. 이에 따라 두 개의 반응치를 대상으로 산출된 회귀방정식으로부터 다중반응을 수행하여 그 결과는 Figure 6 에 나타내었다. 그래프에서와 같이 두 개의 반응치를 동시 최대화시 킬 수 있는 조건으로서 주정/초순수의 부피비는 60.4 vol%, 추출온도 는 72.4 °C으로 나타났으며, 해당 조건 하에서 얻을 수 있는 추출수율 의 최대값은 31.9 wt%, 거품안정도의 최대값은 47.5%로 예측하였다. 이러한 결과를 확인하기 위해 해당 조건 하에서 실제의 실험을 진행 한 결과, 추출수율은 30.4 wt%, 거품안정도는 45.1%로 나타났다. 평 균 오차율은 5.0(± 0.3)%로 나타났다.

4. 결 론

본 연구에서는 알팔파 및 무환자나무열매로부터 천연유화제를 추 출하였다. CCD-RSM을 이용하여 추출공정의 효율 및 추출물의 기능 성에 대한 최적화 과정을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

이상의 결과로부터 알팔파와 무환자나무열매의 추출물은 모두 비 교적 우수한 거품안정도를 보임으로서 천연유화제로서의 응용 가능 성이 있는 것으로 판단하였다.