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ISSN : 1225-0112(Print)
ISSN : 2288-4505(Online)
Applied Chemistry for Engineering Vol.34 No.3 pp.299-306
DOI : https://doi.org/10.14478/ace.2023.1039

Emulsification of O/W Emulsion Using Natural Mixed Emulsifiers : Optimization of Emulsion Stability Using Central Composite Design-Reponse Surface Methodology

Seheum Hong, Cuiwei Chen*, Seung Bum Lee*†
Department of Polymer Science and Engineering, Dankook University, Gyeonggi 16890, Korea
*Department of Chemical Engineering, Dankook University, Gyeonggi 16890, Korea
† Corresponding Author: Dankook University Department of Chemical Engineering, Gyeonggi 16890, Korea Tel: +82-31-8005-3559 e-mail: leesb@dankook.ac.kr
April 10, 2023 ; May 1, 2023 ; May 2, 2023

Abstract


In this study, the O/W emulsification processes with the natural surfactants that were extracted from Medicago sativa L. and Sapindus saponaria L. as emulsifiers were optimized using the central composite design-response surface methodology (CCD-RSM). Herein, independent parameters were the amounts of mixed emulsifiers, the mixing ratio of natural emulsifiers (soapberry saponin/alfalfa saponin), and the emulsification time, whereas the reaction parameters were the emulsion stability index (ESI), mean droplet size (MDS), and antioxidant activity (DPPH radical scanvenging activity). Through basic experiments, the ranges of operation variables for the amount of mixed emulsifiers, the mixing ratio of natural emulsifiers, and the emulsification time were 12~14 wt%, 30~70%, and 20~30 min, respectively. The optimum operation variables deduced from CCD-RSM for the amount of mixed emulsifiers, the mixing ratio of natural emulsifiers, and the emulsification time were 13.2 wt%, 44.2%, and 25.8 min, respectively. Under these optimal conditions, the expected values of the ESI, MDS, and antioxidant activity were 88.7%, 815.5 nm, and 38.7%, respectively. And, the measured values of the ESI, MDS, and antioxidant activity were 90.6%, 830.2 nm, and 39.6%, respectively, and the average experimental error for validating the accuracy was about 2.1%. Therefore, it was possible to design an optimization process for evaluating the O/W emulsion process using CCD-RSM.


CCD-RSM , Natural emulsifier , Medicago sativa L. , Sapindus saponaria L. , O/W emulsion

천연 혼합유화제를 이용한 O/W 유화액의 제조 : 중심합성계획모델을 이용한 유화안정성 최적화

홍 세흠, 천추 이웨이*, 이 승범*†
단국대학교 고분자시스템공학부
*단국대학교 화학공학과

초록


본 연구에서는 무환자와 알팔파로부터 추출한 천연계면활성제를 유화제로 사용하여 반응표면분석법 중 중심합성계 획모델(CCD-RSM)을 이용한 O/W 유화 제조공정의 최적화를 수행하였다. 공정변수로는 혼합유화제 첨가량, 천연유화 제 혼합비율(무환자 사포닌/알팔파 사포닌), 유화시간으로 설정하였고 반응치로는 유화액의 유화안정화지수, 평균입 자크기, 항산화능(DPPH 라디칼 소거활성)으로 설정하였다. 기초실험을 통한 계량인자범위는 혼합유화제 첨가량 (12~14 wt%), 천연유화제 혼합비율(30~70%), 유화시간(20~30 min)으로 설정하여 CCD-RSM을 이용하여 최적화한 결 과, O/W 유화 제조공정의 최적조건으로 혼합유화제 첨가량은 13.2 wt%, 천연유화제 혼합비율은 44.2%, 유화시간은 25.8 min으로 나타났으며, 이 조건에서 예측된 반응치로서 유화액의 유화안정도지수(ESI)는 88.7%, 평균입자크기 (MDS)는 815.5 nm, 항산화능은 38.7%으로 계산되었다. 이를 실험을 통해 확인한 결과 유화액의 ESI는 90.6%, MDS는 830.2 nm, 항산화능은 39.6%으로 나타났으며 평균오차율은 2.1%이었다. 따라서 CCD-RSM을 실제 유화 제조에 적용하 여 만족스러운 O/W 유화제조 공정조건을 얻을 수 있었다.


    1. 서 론

    과학기술의 발달과 함께 빠르게 돌아가는 사회 리듬으로 인하여 일 상생활에서 받는 여러 가지 스트레스로 인하여 건강에 대한 관심이 증가되고 있다. 이러한 스트레스 결과로 나타나는 여러 현상 중 하나 인 피부 트러블은 기존 화장품에서 사용되고 있는 화학적 합성성분에 의해 더욱 문제를 일으킬 수도 있다. 또한 환경보호 차원에서도 문제 가 될 수 있기 때문에 이러한 부정적인 상황을 대체하려는 산업계의 노력과 관심이 고조되고 있는 실정이다[1]. 따라서 자연에서 추출한 천연성분을 사용함으로서 친환경적이며 피부에 대한 저 자극 및 저 알레르기성을 갖는 생체친화성 천연원료 화장품 개발에 관심이 집중 되고 있다. 스트레스로 인하여 신체 내에서 발생하는 활성 산소는 피 부노화와 피부염증에 원인이 되는 것으로 알려져 있다. 천연계면활성 제는 합성계면활성제에 비하여 침투성, 분산성, 세정성, 유화성, 발포 성 등의 물성은 일반적으로 낮지만 무자극성, 무독성, 부작용 및 생분 해성 등과 같은 생체친화성 및 친환경성은 우수하다는 장점이 있다 [2-4]. 무환자(Sapindus saponaria L.) 열매껍질에 다량으로 포함된 무 환자 사포닌(Sapindus mukorossi saponin)에는 올레난 유형 사포닌 (oleanane-type saponins), 담나란 유형 사포닌(dammarane-type saponins) 및 트리테르페노이드 사포닌(triterpenoid saponins) 등이 있다[5]. 무환 자 사포닌은 피부에 대한 항균, 항염, 가려움증 등에 관한 우수한 효 과 뿐 아니라 천연 비이온성 계면활성능이 있어 샴푸, 화장품 등 각종 세제의 원료로서 사용되고 있다[6-7]. 알팔파(Medicago sativa L.)에는 사포닌, 플라보노이드, 다당류 등이 풍부하며[8], 그중 알팔파 사포닌 은 질병 및 해충 예방 분야에 효과가 높으며 특히 항산화능이 우수한 것으로 알려져 있어서 천연 녹색화장품 개발에 중요한 역할을 할 수 있다[9]. 또한 아보카도 오일에 포함된 불포화 지방산, 지용성 비타민 및 피토스테롤 등은 우수한 피부 침투성과 항산화능 등으로 인하여 식품 및 화장품 제형에 중요한 성분으로 사용되고 있다[10-11].

    이전 연구에서 친수성인 알팔파 사포닌과 친유성인 sugar ester (S-370)를 혼합하여 유화과정을 수행하였다[12]. 따라서 본 연구에서 는 천연계면활성능을 나타내는 친유성인 무환자 사포닌과 친수성인 알팔파 사포닌을 혼합한 천연 혼합유화제를 사용하여 O/W 유화과정 을 최적화하고자 하였다. Minitab 프로그램을 이용하여 반응표면분석 법 중 중심합성계획모델(central composite design-response surface methodology, CCD-RSM)을 이용하여 O/W 유화액의 최적 공정조건 에 관한 최적화 과정을 수행하였다. O/W 유화과정의 변수로는 혼합 유화제 첨가량과 천연유화제 혼합비율(무환자 사포닌/알팔파 사포닌) 및 유화시간 등을 설정하였고, 반응치로는 O/W 유화액의 유화안정도 지수(emulsion stability index, ESI)와 유화액의 평균입자크기(mean droplet size, MDS) 및 항산화능(antioxidant activity)을 설정하였다.

    2. 실험방법

    2.1. O/W 유화액의 제조

    본 연구에서는 추출한 무환자 사포닌과 알팔파 사포닌의 혼합물인 천연 혼합유화제, 아보카도 오일(avocado oil) 및 초순수(EXL-III, Vivagen)를 원료로 사용하여 O/W 유화액을 제조하였다. 유화액의 질 량은 200 g으로 고정하여 유상과 수상의 질량비를 20 : 80로 설정하 였다. 무환자 사포닌과 알팔파 사포닌의 혼합비율로 구성된 천연 혼 합유화제를 초순수에 첨가한 수상과 아보카도 오일을 각각 항온조 (SL-WB6D, Sunil Science Co., Ltd)에서 75 ± 0.5 °C로 예열한 후 고 속균질유화기(Homomixer Mark Ⅱ, T.K. Primix)에서 5000 rpm로 교 반하여 O/W 유화액을 제조하였다. 제조한 유화액은 incubator (25 ± 0.5 °C)에서 보관하며 7일 동안 측정 및 관찰하였다[13-14].

    2.2. O/W 유화액의 물성 분석

    제조한 O/W 유화액의 물성은 유화안정도지수(emulsion stability index, ESI)와 유화액의 평균입자크기(mean droplet size, MDS) 및 항산화능 으로 DPPH (2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl) 라디칼 소거활성(DPPH radical scanvenging activity)을 평가하였다. 유화액의 ESI는 incubator (25 ± 0.5 °C)에서 7일 간 보관한 후, 크림(creaming)층과 침강층의 높 이를 측정하여 다음 식으로부터 유화액의 분리 정도로 나타내었다.

    E S I ( % ) = H E − ( H S + H C ) H E × 100 %
    (1)

    식 (1)에서 HE 는 유화액의 전체 높이, HC 는 크리밍(creaming)층의 높이, HS 는 침강층의 높이다. ESI는 5회 반복 측정한 평균값을 사용 하였으며, ESI 값이 클수록 유화액의 안정성은 우수한 것으로 판정한 다. 유화액의 MDS는 ZETA Sizer (Zen 3600, Malvern)를 사용하여 동 적 광산란(dynamic light scattering, DLS)법으로 측정하였다. 다중산란 효과를 막기위해서 유화액을 200배 희석하여 25 ± 0.5 °C에서 3회 반 복 측정하였다. 유화액의 항산화능은 DPPH 라디칼 소거활성능으로 측정하였다. DPPH 리디칼 소거활성은 유화 희석액, 에탄올, DPPH 에 탄올 용액을 10분간 암실에서 반응시킨 후, 자외선 분광분석기 (Optizen 2120 UV, MECASYS)를 사용하여 최대 흡광도를 나타내는 517 nm 파장에서 흡광도를 측정하였다[15].

    DPPH radical scavenging activity   ( % ) = ( 1 − A 1 − A 3 A 2 ) × 100
    (2)

    식 (2)는 DPPH 라디칼 소거활성 계산식으로, 517 nm에서 A1 는 2 mL 희석액과 1 mL DPPH 에탄올 용액을 혼합한 샘플의 흡광도, A2 는 2 mL 에탄올과 1 mL DPPH 에탄올 용액을 혼합한 샘플의 흡광도, A3 는 2 mL 희석액 및 1 mL 에탄올을 혼합한 샘플의 흡광도이다.

    3. 결과 및 고찰

    제조한 O/W 유화액의 ESI, MDS 및 항상화능에 끼치는 혼합유화제 첨가량, 무환자 사포닌과 알팔파 사포닌의 천연유화제 혼합비율 및 유화시간의 영향을 측정하기 위하여 CCD-RSM를 적용하였다. CCDRSM을 적용하기 위한 독립변수로는 혼합유화제 첨가량, 천연유화제 혼합비율 및 유화시간으로 설정하였고, 반응치로는 유화액의 ESI, MDS 및 항산화능으로 설정하였다.

    3.1. 독립변수의 영향

    유화액은 열역학적으로 불안정한 혼합계로서 시간이 경과하게 되 면 유상과 수상으로 층분리가 일어나서 더 이상 유화액의 고유 물성 을 기대할 수 없게 된다. 유화액의 안정성은 일반적으로 유화제, 유상 성분, 유화액의 입자크기, 점도 및 밀도 등과 같은 요인에 영향을 받 는다. 특히 유화액의 입자크기 및 분산 상태는 사용되는 유화제의 특 성에 따라 큰 영향을 받는다. 유화액의 입자크기가 작을수록, 외상의 점도가 높을수록, 유상과 수상 간의 밀도 차이가 작을수록 층분리가 억제됨으로서 유화액의 안정성은 증가하게 된다. 본 연구에서 제조한 O/W 유화액의 안정성이 최대화되기 위해서는 ESI는 최대값을 MDS 는 최소값을 가져야 하며, 이 조건에서 유화액의 요구 물성인 항산화 능이 최대로 나타나게 된다고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 CCD-RSM을 적용하기 위하여 O/W 유화액 제조공정에서 독립변수에 의한 반응치의 영향을 고찰하고 각 독립변수의 계량인자 범위를 설정 하기 위하여 기초실험을 수행하였다. 기초실험을 통하여 설정한 독립 변수 범위 내에서 유화액을 제조한 후 7일 간 상온에서의 관찰을 통 하여 안정성이 확보되는 실질적인 독립변수의 구간을 설정하였다. 따 라서 혼합유화제 첨가량(12~14 wt%), 천연유화제 혼합비율(30~70%), 유화시간(20~30 min)을 독립변수의 실험범위로 설정하였다. 이와 같 은 독립변수 실험범위의 설정은 각각의 실험범위 내에서 반응치인 ESI, MDS 및 항산화능의 변곡점이 나타났으며, 이 변곡점을 중심으 로 ESI와 항산화능은 최대값을, MDS는 최소값이 존재하기 때문이었 다. 즉, 혼합유화제 첨가량이 12 wt%에서 ESI, MDS 및 항산화능의 변곡점은 각각 92%, 820 nm, 37%, 천연유화제 혼합비율이 50%에서 ESI, MDS 및 항산화능의 변곡점은 각각 89%, 830 nm, 36%, 유화시 간이 30 min에서 ESI, MDS 및 항산화능의 변곡점은 각각 87%, 830.2 nm, 36%으로 나타났다. 그리고 변곡점 근처의 함량으로 제조한 유화 액의 안정성이 가장 우수한 것으로 나타나 CCD-RSM을 적용하기에 가장 합리적인 실험범위라고 판단하였다. 유화액 제조 시 HLB value 가 다른 유화제를 혼합하여 사용하면 계면막의 기계적 강도가 증가하 게 되어 유화액의 안정성을 향상시킬 수 있다[16-17]. 즉, 친유성인 무 환자 추출물과 친수성인 알팔파 추출물을 혼합함으로서 아보카도 오 일에 대한 요구 HLB value를 충족시킴으로 인하여 유화제 혼합비율 이 50%에서 가장 안정성이 우수한 유화액이 제조되었기 때문에 나타 난 결과라고 사료된다.

    3.2. O/W 유화액의 CCD-RSM 설계

    기초실험 결과를 바탕으로 CCD-RSM을 사용하여 천연 혼합유화제 를 포함하는 O/W 유화액 제조의 최적화 공정을 수행하였다. CCD-RSM으로부터 각 독립변수의 합리적인 변수 범위를 결정하여 얻어진 실험 결과를 통하여 통계학적 수단으로 도출된 회귀방정식으 로부터 독립변수와 반응치 간의 상관관계를 분석함으로서 공정단계 의 최적화 및 정확성을 판단하고자 하였다[18-19]. 무환자 및 알팔파 추출물을 함유하는 O/W 유화액 제조의 최적화 공정을 수행하기 위해 서 Table 1과 같이 20개의 실험과정을 설계하여 실험을 실시한 후, 얻 어진 결과 데이터를 사용하여 CCD-RSM으로 회귀분석을 수행하였다. Table 1에서와 같이 각 독립변수의 범위로서 혼합유화제 첨가량은 12~14 wt%, 천연 유화제(무환자 추출물/알팔파 추출물) 혼합비율은 30~70%, 유화시간은 20~30 min으로 설정하여 실험 후 얻어진 결과 데이터인 유화액의 ESI, MDS 및 항산화능을 나타내었다. Table 2에 서 반응치에 대한 각 독립변수의 주효과도 및 교호효과도의 통계학적 분석결과를 통하여 최적화 결과의 합리성과 정확성을 분석하였다. R2 는 결정계수로서 이 값이 1.0에 가까울수록 회귀방정식은 높은 최적 화를 의미하며, 독립변수의 유의성 척도인 P-value 및 F-value의 경우, P-value는 작을수록, F-value는 클수록 반응치에 끼치는 영향의 유의 성은 증가하는 것으로 판단한다[20-21].

    3.3. O/W 유화액 제조에 관한 최적화 공정

    3.3.1. O/W 유화액의 ESI 최적화

    CCD-RSM으로부터 식 (3)과 같이 유화액의 ESI에 대한 각 독립변 수의 영향을 알아보기 위해 다음과 같이 회귀방정식을 얻었다.

    E S I = − 275.1 + 49.07 x 1 + 0.201 x 2 + 2.6 x 3 − 1.894 x 1 2 − 0.003830 x 2 2 − 0.0597 x 3 2 + 0.0080 x 1 x 2 + 0.10315 x 1 x 3 + 0.00160 x 2 x 3
    (3)

    식 (3)에서 독립변수로서 x1 는 혼합유화제 첨가량, x2 는 천연유화 제 혼합비율, x3 는 유화시간이다. Table 2에서 ESI의 결정계수는 R2 = 0.9183으로 높게 나타나 유화액의 ESI에 대한 최적화 효과는 높은 것으로 판단할 수 있다. ESI에 대한 각 독립변수의 주효과도 F-value 는 x1 = 12.36, x2 = 6.98, x3 = 3.58이며, P-value는 x1 = 0.006, x2 = 0.025, x3 = 0.088으로 나타나 유화액의 ESI에 영향을 끼치는 주효 과도의 순서는 혼합유화제 첨가량 > 천연유화제 혼합비율 > 유화시간 의 순으로 크게 나타났으며, ESI에 가장 큰 영향을 끼치는 주효과도는 혼합유화제 첨가량이었다. 2개의 독립변수에 대한 교호효과도의 F-value는 x1x2 = 0.18, x1x3 = 0.18, x2x3 = 0.18으로 유사한 값을 보였고, P-value는 x1x2 = 0.676, x1x3 = 0.681, x2x3 = 0.676으로 모두 0.05보다 크게 나타나 유의성은 없으므로 주효과도의 영향이 교호효 과도보다 크게 나타났다. 이러한 결과를 확인하기 위해 3개의 독립변 수 중 하나만 고정하고 2개를 변화시킨 각각의 3D 그래프 및 등고선 도를 Figure 1에 나타내었다. 3차원 그래프 및 등고선도의 결과는 위 에서 얻은 통계학적 분석결과와 동일함을 알 수 있다. 따라서 CCD-RSM에 의해 반응치인 유화액의 ESI만을 고려한 최적조건으로 혼합유화제 첨가량은 13.3 wt%, 천연유화제 혼합비율은 45.6%, 유화 시간은 25.9 min이고 이때 예측된 ESI의 최대값은 88.7%이었다.

    3.3.2. O/W 유화액의 MDS 최적화

    CCD-RSM으로부터 유화액의 MDS에 대한 회귀방정식은 다음과 같이 얻을 수 있었다.

    M D S = 7289 − 839 x 1 − 22.83 x 2 − 76.4 x 3 + 29.38 x 1 2 + 0.0911 x 2 2 + 0.839 x 3 2 + 0.603 x 1 x 2 + 1.54 x 1 x 3 + 0.2719 x 2 x 3
    (4)

    Table 2에 나타난 바와 같이 MDS의 결정계수는 R2 = 0.8979로 높 게 나타나 MDS에 대한 최적화 효과는 높은 것으로 판단할 수 있다. MDS에 대한 각 독립변수의 주효과도의 F-value는 x1 = 0.98, x2 = 8.95, x3 = 0.43이고, P-value는 x1 = 0.345, x2 = 0.014, x3 = 0.529로 ESI에 영향을 끼치는 주효과도의 순서는 천연유화제 혼합비율 > 혼합 유화제 첨가량 > 유화시간 순으로 크게 나타났다. 또한 각 교호효과도 의 F-value는 x1x2 = 2.28, x1x3 = 0.93, x2x3 = 11.57이고, P-value는 x1x2 = 0.162, x1x3 = 0.357, x2x3 = 0.007으로 나타나 유화액의 MDS 에 미치는 교호효과도는 순서는 (천연유화제 혼합비율×유화시간) > (혼합유화제 첨가량×천연유화제 혼합비율) > (혼합유화제 첨가량×유 화시간) 순이다. 따라서 유화액의 MDS에 가장 큰 영향을 미치는 주 효과도는 천연유화제 혼합비율이고, 교호효과도는 (천연유화제 혼합 비율×유화시간)이다. 이 결과를 확인하기 위해 3개의 독립변수 중 하 나만 고정하고 2개를 변화시킨 각각의 3D 그래프 및 등고선도를 Figure 2에 나타내었다. 그림에서 알 수 있듯이 3차원 그래프 및 등고 선도의 결과는 위에서 얻은 통계학적 분석결과와 일치함을 알 수 있 다. 따라서 CCD-RSM에 의해 반응치인 유화액의 MDS만을 고려한 최적조건으로 혼합유화제 첨가량은 13.2 wt%, 천연유화제 혼합비율 은 42.2%, 유화시간은 26.6 min이고, 예측된 MDS의 최소값은 820.3 nm로 나타났다.

    3.3.3. O/W 유화액의 항산화능의 최적화

    CCD-RSM으로부터 유화액의 항산화능에 대한 각 독립변수의 회귀 방정식을 다음과 같이 얻었다.

    Y = − 322.3 + 47.78 x 1 + 0.479 x 2 + 3.39 x 3 − 1.747 x 1 2 − 0.005027 x 2 2 − 0.0574 x 3 2 − 0.0057 x 1 x 2 + 0.0413 x 1 x 3 + 0.00134 x 2 x 3
    (5)

    식 (5)에서 Y 는 항산화능이다. Table 2에 나타난 바와 같이 항산화 능의 결정계수는 R2 = 0.9059로 높게 나타나 항산화능에 대한 최적화 효과는 높은 것으로 판단할 수 있다. 항산화능에 대한 각 독립변수의 주효과도의 F-value는 x1 = 9.41, x2 = 14.66, x3 = 0.54이고, P-value 는 x1 = 0.012, x2 = 0.003, x3 = 0.481으로 항산화능에 영향을 끼치는 주효과도의 순서는 천연유화제 혼합비율 > 혼합유화제 첨가량 > 유화 시간 순으로 나타났다. 또한 교호효과도의 F-value는 x1x2 = 0.07, x1x3 = 0.22, x2x3 = 0.09이며, P-value는 x1x2 = 0.802, x1x3 = 0.650, x2x3 = 0.768으로 항산화능에 가장 큰 영향을 주는 독립변수는 천연 유화제 혼합비율이며, 주효과도에 비하여 교호효과도의 영향은 크지 않은 것으로 판단할 수 있다. 위의 결과를 확인하기 위해 3개의 독립 변수 중 하나만 고정하고 2개를 변화시킨 각각의 3D 그래프 및 등고 선도를 Figure 3에 나타내었다. 그림에서 알 수 있듯이 3차원 그래프 및 등고선도의 결과는 위에서 얻은 통계학적 분석 결과와 일치함을 알 수 있다. 따라서 CCD-RSM에 의해 반응치인 항산화능만을 최적화 시켰을 때의 최적화 조건으로 혼합유화제 첨가량은 13.3 wt%, 천연유 화제 혼합비율은 43.5%, 유화시간은 25.3 min으로 나타났으며 예측된 항산화능의 최대값은 38.8%로 나타났다.

    CCD-RSM에 의한 O/W 유화액의 제조공정에 관한 각 독립변수의 주효과도 및 교호효과도의 예측과 수학적 계산결과에 관한 합리성을 확인하기 위하여 실험 설계 데이터를 기준으로 얻은 반응치인 O/W 유화액의 ESI, MDS, 항산화능을 정규 95% 신뢰구간을 이용하여 분 석한 결과를 Figure 4에 나타내었다. 그림에서 볼 수 있듯이 ESI, MDS 및 항산화능의 AD 값은 각각 0.384, 0.354, 0.590으로 상대적으 로 작게 나타났으며, 각각의 P value는 0.361, 0.109, 0.428으로 0.05보 다 크게 나타남으로 정규분포를 만족한다고 판단할 수 있다. 따라서 모든 반응치의 데이터는 모두 상한선과 하한선 범위 내에 존재하며 기준선에 가깝게 위치함으로서 데이터가 정규분포를 따른다고 할 수 있다. 또한 Table 2에서와 같이 ESI, MDS, 항산화능의 결정계수 R2 은 각각 0.9183, 0.8979, 0.9059로서 높은 값을 보여 산출된 모든 회귀 방정식은 높은 신뢰성을 나타낸다고 할 수 있으며 산출된 회귀방정식 을 목적함수로 사용하는 것은 합리적이라고 판단할 수 있다.

    3.4. 종합만족도 평가

    본 연구에서 설정한 반응치인 O/W 유화액의 ESI, MDS 및 항산화 능에 관한 회귀방정식의 합리성이 확인되었기 때문에 ESI 및 항산화 능은 최대화되며 MDS는 최소화되는 즉, 3가지 반응치를 모두 만족하 는 다중반응 최적화를 실시하여 그 결과를 Figure 5에 나타내었다. 그 결과 3가지 반응치를 동시에 만족하는 O/W 유화액의 최적유화조건으 로서 혼합유화제 첨가량은 13.2 wt%, 천연유화제 혼합비율은 44.2%, 유화시간은 25.8 min로 나타났다. 따라서 이 조건으로부터 CCD-RSM 을 통해 예상된 반응치인 ESI는 88.7%, MDS는 815.5 nm, 항산화능은 38.7%로 예측되었다. 이 최적화 조건을 기준으로 실험을 수행하여 얻 은 결과로 ESI는 90.6%, MDS는 830.2 nm, 항산화능은 39.6%로 예측 값과의 평균 오차율은 2.1%로 비교적 낮은 수준으로서 안정성이 우수 한 O/W 유화액을 제조할 수 있었다. 따라서 CCD-RSM을 실제 O/W 유화 제조과정에 적용함으로서 만족스러운 결과를 얻을 수 있었다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 무환자 및 알팔파로부터 추출한 천연유화제를 사용 하여 CCD-RSM을 통한 O/W 유화 제조공정의 최적화를 수행하여 다 음과 같은 결과를 얻었다. 독립변수로는 혼합유화제 첨가량, 천연유화 제 혼합비율, 유화시간으로 설정하였으며 반응치는 유화액의 ESI, MDS 및 항산화능으로 설정하였다.

    1. 유화액의 ESI에 가장 큰 영향을 미치는 독립변수는 주효과도로 유화제 첨가량이었으며 교호효과도는 큰 영향을 끼치지 않는 것으로 나타났다. ESI만을 고려한 최적조건으로서 혼합유화제 첨가량은 13.3 wt%, 천연유화제 혼합비율은 45.6 %, 유화시간은 25.9 min으로 나타 났으며 예측된 ESI의 최대값은 88.7%로 나타났다.

    2. 유화액의 MDS에 가장 큰 영향을 미치는 독립변수는 주효과도로 천연유화제 혼합비율이었으며, 그 다음으로 교호효과도인 (천연유화 제 혼합비율×유화시간)으로 나타났다. MDS만을 고려한 최적조건으 로 혼합유화제 첨가량은 13.2 wt%, 천연유화제 혼합비율은 42.2%, 유 화시간은 26.6 min으로 나타났으며 예측된 MDS의 최소값은 820.3 nm로 나타났다.

    3. 항산화능에 가장 큰 영향을 미치는 독립변수는 주효과도로 천연 유화제 혼합비율이었으며, 교호효과도의 영향은 매우 적은 것으로 나 타났다. 항산화능만의 최적화 조건으로서 혼합유화제 첨가량은 13.3 wt%, 천연유화제 혼합비율은 43.5%, 유화시간은 25.3 min으로 나타 났으며 예측된 항산화능의 최대값은 38.8%로 나타났다.

    4. 유화액의 ESI, MDS 및 항산화능 등 3가지 반응치를 동시에 만족 하는 다중반응 최적화를 실시하여 O/W 유화액의 최적 유화조건으로 서 혼합유화제 첨가량은 13.2 wt%, 천연유화제 혼합비율은 44.2%, 유 화시간은 25.8 min로 나타났다. 이 조건으로부터 CCD-RSM을 통해 예상된 반응치인 유화액의 ESI는 88.7%, MDS는 815.5 nm, 항산화능 은 38.7%로 나타났다. 이 최적화 조건을 기준으로 실험을 수행하여 얻은 결과로 ESI는 90.6%, MDS는 830.2 nm, 항산화능은 39.6%로 예 측값과의 평균 오차율은 2.1%로 비교적 낮은 수준으로서 안정성이 우 수한 O/W 유화액을 제조할 수 있었다. 따라서 CCD-RSM을 실제 O/W 유화 제조과정에 적용함으로서 만족스러운 결과를 얻을 수 있었다.

    Figures

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    Three dimensional surface and contour graph of ESI according to three independent variables.
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    Three dimensional surface and contour graph of MDS according to three independent variables.
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    Three dimensional surface and contour graph of antioxidant activity according to three independent variables.
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    Scatter plot of ESI, MDS and antioxidant activity from preparation of O/W emulsions.
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    Multiple optimization graphs of response surface for ESI, MDS and antioxidant activity of O/W emulsions.

    Tables

    CCD-RSM of Three Variables and Corresponding Response Values from Emulsion
    CCD-RSM Variance Analysis of Regression Coefficients of The Various Response Values

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