Calcium Alginate Gel Beads의 구형성능 최적화 및 물리적 특성 해석

Abstract

의약품, 화장품, 식품 등 폭넓은 분야에서 연구되고 있는 알긴산은 미립자코팅, 염분 흡착특성 및 약물수송체 등 bead의 형태로 다양한 분야에서 이용되고 있는데 본 연구에서는 RSM을 이용하여 alginate bead 제조 시 구형성능의 최적조건을 알아보았으며, 최적 조건에서 제조한 bead의 가공적성을 알아보기 위하여 염, 열탕 및 다당류 코팅 처리하여 구형성능, 파열강도 그리고 bead의 크기를 측정하였다. 1. Alginate bead 제조 시 구형성능의 최적 조건을 알아보기 위하여 response surface methodology (RSM)을 이용하였다. 독립변수로는 3가지 중요 요인인 sodium alginate의 농도 (X₁, %), peristaltic pump의 유속 (X₂, mL/sec)과 용액이 담긴 반응조의 교반 속도 (X₃, rpm)로 정하였다. 구형성능 최적 조건은 X₁ = 2.24 (%, w/v), X₂ = 0.059 (mL/sec),X₃ = 459 (rpm)으로 나타났다. 최적조건에서 예상되는 구형율은 94.5%로 나타났으며, 실제 최적조건에서의 구형율은 96.7%로 큰 차이를 보이지 않았다. 2. Response surface plot에서 sodium alginate의 농도는 높을수록 sodium alginate solution의 유속 및 sodium chloride solution의 교반속도는 낮을수록 높은 구형율을 보이는 것으로 나타났으며, X₁(concentration of sodium alginate, %)이 bead 제조 시 구형율 Y (sphericity, %)에 가장 중요한 영향을 미치는 factor로 나타났다. 3. Bead의 pH용액에 따른 물리적 특성은 구형성능에는 영향을 거의 미치지 않으며, bead의 크기 및 파열강도는 각 pH액에 방치되는 시간이 길어질수록 낮아지는 것으로 나타났다. 그리고 bead의 크기는 산성일수록 파열강도는 알칼리성 일수록 영향을 적게 받는 것으로 나타났다. 4. 최적조건에서 제조된 비드의 구형율(%), 크기(㎜) 및 파열강도(k㎩)는 각각 96.7± 2.7, 3.6± 0.14 및 520.96± 29.98로 염 및 열탕 처리 후와 비교하여 보았을 때, 구형성능에서는 유의적인 차이를 보이지 않았으나 30분 열탕 처리 후 크기는 3.32㎜로 0.3㎜ 작아졌고 30분 2% (w/v) 염 처리 후 크기는 4.17㎜로 0.5㎜ 이상 커졌다. 파열강도의 경우 30분 열탕 처리 시 302.33 k㎩로 저하하였으나 1시간 이상 처리 시 큰 변화는 없었다. 염 처리의 경우 30분 이상 처리 이후로는 측정이 어려울 만큼 파열강도가 저하하였다. 5. 다당류를 코팅한 bead의 염용액과 열탕처리에 따른 구형성능의 변화는 있었지만 모두 90% 이상의 높은 수준을 지속적으로 유지되어 유의적인 차이가 거의 나타나지 않았다. 펙틴 1% (w/v)로 코팅한 bead는 시간의 변화에 따라 3.75 mm에서 3.34 mm로 줄어들었고, 글루코만난은 3.84 mm에서 3.60 mm로 나타나 비교적 모든 구간에서 코팅하지 않은 bead 보다 크기는 비슷하거나 큰 것으로 나타났다. 코팅 처리한 bead 역시 염 열탕처리 시 시간에 따라 파열강도는 유의적인 차이를 보이며 꾸준히 저하되었으나, 코팅처리하지 않은 비드와 달리 2시간 이상에서도 겔이 유지됨을 알 수 있었다.

Calcium alginate gel beads processed with sodium alginate and calcium chloride were experimentally optimized using response surface methodology. The effects of process conditions on physical properties were also investigated. The optimum conditions for the bead sphericity were 2.24% sodium alginate concentration (X1, %), 0.059 mL/sec flow rate for the sodium alginate solution (X2, mL/sec), and 459 rpm rotation speed for the calcium chloride solution (X3, rpm). Under optimum conditions, the predicted bead sphericity (Y, %) was 94.5%. A 96.7±2.7% sphericity was obtained experimentally using the optimal conditions, which was in close agreement to the predicted value. The size and rupture strength of the optimized beads were 3.6±0.14 mm and 520.96±29.98 kPa, respectively. Immersion in 90°C hot water slightly decreased sizes and rupture strengths of the beads. The size of the beads treated with NaCl solution was increased and the rupture strength of the beads was decreased to 0 after NaCl treatment for 2 hours. Treatment in different pH solutions had little effect on the sphericity. The size and rupture strength were affected more by acidic pH and basic pH, respectively. The beads coated with pectin and glucomannan showed no significant changes in sphericity, but the size did decrease with time. The rupture strengths of the coated beads were higher than those of the uncoated beads.