Characterization and Hydrolytic Kinetics Modeling of Okara Isoflavones Recovered from Subcritical Water Process

Abstract

대두를 두유와 두부로 가공 시에 많은 양의 비지가 부산물로 배출된다. 이것은 탄수화물, 단백질, 지질, 비타민, 미네랄 그리고 이소플라본으로 알려진 생리 활성 물질과 같은 영양소가 풍부하다. 하지만 이러한 부산물의 높은 수분 함량과 다량의 유기 화합물의 존재는 폐기시 부패를 일으켜 이산화탄소 발생과 환경 오염 등의 원인이 된다. 대두의 이소플라본과 그 부산물은 여성의 갱년기 증상, 뼈 건강 및 유방암을 지연시키는 것 같은 다양한 건강상의 이점과 관련이 있다. 다량 생산되는 부산물의 저활용도 대두 산업에 큰 부담이지만, 생체 활성 성분을 추출하는 기술을 적용함으로써 이소플라본의 저렴한 공급원으로 가치를 평가받을 수 있다. 먼저, 두유와 두부 생산의 부산물인 비지는 최소한의 분해 작용으로 이소플라본을 회수하기 위한 목적으로 아임계 수 추출을 활용하였다. 최적 조건을 찾기 위한 반응 표면 방법론(Response Surface Methodology; RSM)에 따르면 최적 조건은 T = 146.23°C, P = 39.8 bar, and α=20 mg (solid)/mL (extractant)으로 나타났다. 각각의 genistein 기반 화합물과 daidzein 기반 화합물에 대한 반응 속도의 수학적 모델을 각 화합물에 대한 속도 상수 및 시간 의존 농도 프로 파일을 도출하는 일련의 연립 방정식으로 풀었다. 이러한 동역학 분석에 따르면 RSM 최적화 조건에서 최적 추출 시간은 213.5±8.7 min으로 나타났다. 다음으로 아임계 수를 이용하여 aglycone type 이소플라본, 페놀 성분과 항산화 활성이 뛰어난 제품으로 가공함으로써 경제적 이익을 창출하기 위해 미활용 비지 자원의 가치를 평가하였다. 이번 연구에서 비지는 중요한 생물 활성 성분들의 회수율을 개선하기 위해 임계 영역에 가까운 물을 이용한 친환경 기술을 활용하였다. 주요 변수에 대한 추출 조건은 이소플라본 회수 최적화를 위해 이전 연구 (T = 146.23°C, P = 39.8 bar, and α= 20 mg/mL)에서 얻은 최적 조건으로부터 일정하게 유지되었다. 반응 시간은 생물학적으로 이용 가능한 비결합 aglycone type 이소플라본과 가수분해물의 총 페놀 함량을 증가시키기 위한 핵심 매개 변수로 간주되었다. 반응 시간은 5분에서 275분까지 유지시켰고, 30분 간격으로 반응물 채취하였다. 2개의 aglycone type 이소플라본인 genistein과 daidzein이 각각 6.5배와 9배까지 크게 증가하였다. 이러한 결과는 결합된 이소플라본이 aglycone으로 전환되는 것은 시간에 의존함을 확인하였다. 반면, 총 페놀 함량은 245분 후에 최대 68%까지 증가하였다. 가수분해물의 항산화 작용은 TPC, aglycone type 이소플라본 및 항산화 활성(ABTS, DPPH 및 FRAP)간에 강한 상관 관계를 보여준다. 변수 간의 상관관계를 분석하기 위해 Pearson correlation과 Principal Component Analysis (PCA)를 실시하였다. 이러한 연구 결과는 반응 시간의 증가가 항산화 활성, aglycone type 이소플라본 및 가수분해물의 총 페놀 함량을 증가시키는 것을 보여주었다.

This study investigated the potential of using subcritical water extraction process (SWE) for the recovery of valuable bioactive materials from soybean by-products (okara) that are produced after soymilk and tofu processing. In the first study okara was exposed to subcritical water extraction with the intention of recovering isoflavones with minimal degradation products. Response Surface Methodology (RSM) of the extraction variables indicated optimized conditions would be T = 146.23°C, P = 39.8 bar, and α= 20 mg (solid)/mL (extractant). Mathematical models of the rates of reactions for each genistein-based and daidzein-based compounds were solved as a set of simultaneous equations leading to rate constants and time-dependent concentration profiles for each compound. These kinetics analyses suggested an optimum extraction time at the SRM-optimized conditions would be 213.5 ±8.7 min. The model will provide people involved in soybean industry and academics with a deep knowledge of managing conversions and degradations reaction kinetics of isoflavones during heat processing of soybean and soybean by-products. The second part of this study focuses on the Valorization of underutilized Okara resources to create economic benefits by processing it into a product with a high content of isoflavone aglycones, phenolic content and antioxidant activities using subcritical water. Extraction conditions for key variables were kept constant from the optimum conditions obtained in the previous study (temperature: 146±5°C, pressure: 4MPa, mixing ratio: 20mg/mL) for the optimization of isoflavones recovery. The reaction time was considered as a key parameter to increase the content of more bioavailable unconjugated isoflavone aglycones and the total phenolic contents of the hydrolysates. The initial reaction time of 5 min was extended up to 275 min in increments of 30 min. A significant increase in 2 isoflavone aglycones genistein and daidzein up to 6.5 and 9 fold was observed respectively. The results confirm the time dependent conversion of conjugated isoflavones to aglycones, On the other hand total phenolic content (TPC) increased up to 68 % the initial content after 245 min. Surprisingly the antioxidant activities of the hydrolysates display a strong correlation between the TPC, isoflavone aglycones and antioxidant activities (ABTS, DPPH and FRAP). The Pearson correlation and Principal Component Analysis (PCA) were used to analyze the relationship between the variables. These findings suggested that the increase in reaction time improved the antioxidant activities, isoflavone aglycones and total phenolics of hydrolysates.