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문제 정의
- 최근 소비자들의 농산물 안전성에 대한 관심에 고조되면서 작물 보호제를 사용하지 않고 고품질 인삼을 생산할 수 있는 기술인 수경재배인삼이 식품원료로 사용가능함에 따라 이에 대한 연구의 필요성이 대두되고 있지만 이에 대한 연구는 찾아보기 어려운 실정이며, 지금까지 인삼에 대해 많은 연구가 진행되어 왔지만 주로 뿌리에 대한 연구가 주를 이루고 있고 잎과 관련된 연구는 미비하였다. 따라서 본 연구에서는 최근 다양한 식품소재로 이용되고 있는 수경재배 인삼을 다양한 온도에서 열처리 후 변화하는 화학성분과 효소활성 변화를 평가하여 기능성 식품으로의 개발 가능성을 검토하고자 하였다.
가설 설정
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- 1)Different letters in the same items indicate a significant difference (p<0.05).
- 2)Different letters in the same items indicate a significant difference (p<0.05).
제안 방법
- 열처리 한 수경재배인삼과 잎줄기 추출물을 회전진공농축기(EYELA N-1000)로 농축한 후 증류수 100 mL를 가하여 재용해 하였다. 20 mL를 취하여 그중 1 mL를 5배 희석하고 분광광도계(UC-1650, Shimadzu, Kyoto, Japan)를 이용하여 Maillard 반응 중간생성물을 측정하는 294 nm와 Maillard 반응 최종생성물을 측정하는 420 nm에서 흡광도를 측정하였다.
- Tyrosinase 활성은 Kubo 등(19)의 방법을 변형하여 사용하였다. 반응액의 총 부피는 300 μL이며, 0.
- 고온 열처리장치(JISCO, Seoul, Korea)는 10 kg/cm2 이상의 압력에서도 견딜 수 있도록 설계·제작된 것으로 가열에 의해 증기압을 발생시키는 외부용기, 안전변과 공기배출구, 압력게이지로 구성된 뚜껑, 그리고 시료를 넣는 내부용기로 구성되어 있으며 모든 실험은 3회 반복하였다.
- 수경재배인삼과 잎줄기의 열처리를 위한 온도와 시간은 선행연구(11-15)를 참고하여 90, 110, 130 및 150℃로 설정하였고 열처리 시간은 2시간으로 고정하였으며, 열처리를 하지 않은 시료를 대조구로 하였다. 고온 열처리장치(JISCO, Seoul, Korea)는 10 kg/cm2 이상의 압력에서도 견딜 수 있도록 설계·제작된 것으로 가열에 의해 증기압을 발생시키는 외부용기, 안전변과 공기배출구, 압력게이지로 구성된 뚜껑, 그리고 시료를 넣는 내부용기로 구성되어 있으며 모든 실험은 3회 반복하였다.
- 열처리 시료 추출물의 ACE 저해능은 Cushman과 Cheung(20)의 방법을 변형하여 측정하였다. 추출물 100 μL에 0.
- 열처리 시료 추출물의 유리당 함량은 Bae 등(17)의 방법을 변형하여 분석하였다. 즉 시료 추출물을 0.
- 열처리 시료의 갈변도는 Ajandouz 등(16)의 방법에 따라 측정하였다. 열처리 한 수경재배인삼과 잎줄기 추출물을 회전진공농축기(EYELA N-1000)로 농축한 후 증류수 100 mL를 가하여 재용해 하였다. 20 mL를 취하여 그중 1 mL를 5배 희석하고 분광광도계(UC-1650, Shimadzu, Kyoto, Japan)를 이용하여 Maillard 반응 중간생성물을 측정하는 294 nm와 Maillard 반응 최종생성물을 측정하는 420 nm에서 흡광도를 측정하였다.
- 열처리에 따른 수경재배인삼과 잎줄기의 화학성분과 효소활성 변화를 살펴보기 위하여 90, 110, 130 및 150℃에서 2시간 열처리한 후 갈변도, 5-HMF, 유리당, 유기산 함량, 효소활성을 살펴보았다. Tyrosinase와 ACE 저해활성 등 효소활성은 높은 저해활성을 나타내지는 않았지만 온도가 증가함에 따라 유의적으로 그 활성이 증가하였다.
- 열처리한 시료 추출물을 ethyl acetate로 3회 분획한 후 농축하여 증류수로 용해시킨 다음 0.45 μm syringe filter로 여과하여 HPLC(ACME 9000 system, Younglin, Anyang, Korea)로 분석하였다.
- 추출물 100 μL에 0.2 mU ACE 정제효소액 80 μL와 5 mM hippury-histidyl-leucine(HHL) 기질 100 μL를 가하고 37℃에서 60분 방치한 다음 1 M HCl 250 μL를 가하여 반응을 정지시킨 후 0.45 μm syringe filters(Millipore, Billerica, MA, USA)로 여과 후 HPLC(ACME 9000 system, Younglin)로 분석하였다.
- 칼럼은 Nova-pak C18(3.9 mm×150 mm, 4 μm, Waters Corp., Milford, MA, USA)을 사용하였고 검출기는 UV detector(Younglin)로 228 nm에서 분석하였으며 이동상은 A를 10 mM phosphoric acid(pH 2.5), B를 methanol로 A:B의 초기 비율을 100:0으로 시작하고 8분에 40:60, 13분에 0:100, 18분에 100:0의 비율로 단계적인 gradient system을 사용하여 0.8 mL/min의 유속으로 흘려주었고 20 μL를 주입하여 분석하였다.
- 칼럼은 mightysil RP-18 GP column(4.6×250 mm, 5 μm, Kanto Chemical, Tokyo, Japan), 이동상은 acetonitrile-water(20:80, v/v), 검출기는 UV detecter(Younglin)로 280 nm에서 분석하였으며, 유속은 0.6 mL/min, 주입량은 20 μL로 하였고 표준물질은 5-HMF(Wako Pure Chemical Co., Osaka, Japan)를 사용하 였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 수경재배인삼은 2011년 충북 청원군에서 재배된 것을 사용하였다. 시료는 수세 후 뿌리 부분(인삼)과 잎줄기 부분으로 분리한 후 폴리에틸렌필름에 밀봉한 다음 -20℃에 저장하면서 실험에 사용하였다.
- 분석기기는 HPLC(Waters 2695, Waters, New Castle, DE, USA)를 이용하였고, 칼럼은 carbohydrate(4.6×150 mm, Agilent Technologies, Santa Clara, CA, USA), 이동상은 acetonitrile-water(75:25, v/v), 검출기는 RI detector(Waters 2414, Waters), 유속은 1 mL/min, 주입량은 20 μL로 하였다.
- 본 실험에 사용된 수경재배인삼은 2011년 충북 청원군에서 재배된 것을 사용하였다. 시료는 수세 후 뿌리 부분(인삼)과 잎줄기 부분으로 분리한 후 폴리에틸렌필름에 밀봉한 다음 -20℃에 저장하면서 실험에 사용하였다.
- 6 mL/min, 주입량은 20 μL로 하였다. 표준물질로는 citric acid, marlic acid 및 succinic acid(Sigma-Aldrich)를 사용하였다.
- 6×150 mm, Agilent Technologies, Santa Clara, CA, USA), 이동상은 acetonitrile-water(75:25, v/v), 검출기는 RI detector(Waters 2414, Waters), 유속은 1 mL/min, 주입량은 20 μL로 하였다. 표준물질은 fructose, glucose 및 sucrose(Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA)를 사용하였다.
데이터처리
- 모든 실험은 3회 반복 측정하였으며 통계분석은 SPSS Ver 12.0 package program(Statistical Package for the Social Science, Ver. 12.0, SPSS Inc., Chicago, IL, USA)을 이용하여 각 측정 군의 평균과 표준편차를 산출하고 Duncan's multiple range test(p=0.05)를 이용하여 유의성을 검정하였다.
이론/모형
- 열처리 시료 추출물의 5-HMF 함량은 Kwon 등(14)의 방법에 따라 분석하였다. 열처리한 시료 추출물을 ethyl acetate로 3회 분획한 후 농축하여 증류수로 용해시킨 다음 0.
- 열처리 시료 추출물의 유기산 함량은 Woo 등(18)의 방법에 따라 분석하였다. 시료 10 g에 증류수 50 mL를 가해 초음파 추출 후 0.
- 열처리 시료의 갈변도는 Ajandouz 등(16)의 방법에 따라 측정하였다. 열처리 한 수경재배인삼과 잎줄기 추출물을 회전진공농축기(EYELA N-1000)로 농축한 후 증류수 100 mL를 가하여 재용해 하였다.
성능/효과
- Maillard 반응의 중간 및 최종 단계의 생성물인 5-HMF, 유리당, 유기산의 함량은 열처리 온도가 증가함에 따라 유의적으로 증가하였다. 5-HMF 함량은 수경재배인삼과 잎줄기 모두 대조구에서는 검출되지 않았지만 열처리 온도가 증가함에 따라 증가하였다. 유리당은 수경재배인삼에서는 fructose, glucose 및 sucrose 3종류의 당이 검출되었다.
- 이러한 결과는 열처리 온도가 증가함에 따라 고온에서 이당류인 sucrose가 단당류인 fructose와 glucose로 분해되기 때문으로 판단된다. 5-HMF 함량을 유리당 변화와 비교해 보면 fructose 함량이 감소하는 130℃ 처리구부터 5-HMF의 함량이 급격히 증가하였으며, 이러한 결과로 당이 열처리에 의해 분해되어 5-HMF의 함량이 증가 되었다고 생각된다.
- 21 mg%로 7배 정도 증가하였다. DL-malic acid 함량은 대조구에서 각각 203.76 및 82.42 mg%이었던 것이 150℃ 처리구에서는 817.52 및 682.84 mg%로, 그리고 lactic acid 함량은 3.4 및 2.63 mg%에서 122.06 및 90.37 mg%로 증가하였다. Oxalic acid는 수경재배인삼에서만 검출되었는데 대조구에서는 3.
- Kwak 등(23)의 연구에서도 홍삼의 물추출물에 대한 주요 유리당은 fructose 및 glucose이었으며, 100℃ 이상으로 열처리 온도가 증가할수록 유리당 함량은 증가한다는 연구결과와 일치하였다. Fructose는 대조군에서 9.59%인 반면 100, 110 및 120℃ 처리구에서는 각각 11.03, 11.58 및 11.85%로 증가하였으며, glucose 함량 또한 온도 의존적으로 증가하는 경향을 나타내었다. Choi 등(24)은 백삼의 전체 유리당 함량은 5.
- 99%이었으며, sucrose는 열처리 온도가 증가함에 따라 그 함량은 감소하였고 fructose 및 glucose의 함량은 증가하였다. Fructose와 glucose 함량은 열처리 하지 않은 대조군에서 0.47 및 0.55%를 나타내었으나 150℃에서 각각 2.45 및 2.79%로 증가하였으며, sucrose 함량은 4.97%에서 0.34%로 감소하였다. Kwak 등(23)의 연구에서도 홍삼의 물추출물에 대한 주요 유리당은 fructose 및 glucose이었으며, 100℃ 이상으로 열처리 온도가 증가할수록 유리당 함량은 증가한다는 연구결과와 일치하였다.
- Tyrosinase와 ACE 저해활성 등 효소활성은 높은 저해활성을 나타내지는 않았지만 온도가 증가함에 따라 유의적으로 그 활성이 증가하였다. Maillard 반응의 중간 및 최종 단계의 생성물인 5-HMF, 유리당, 유기산의 함량은 열처리 온도가 증가함에 따라 유의적으로 증가하였다. 5-HMF 함량은 수경재배인삼과 잎줄기 모두 대조구에서는 검출되지 않았지만 열처리 온도가 증가함에 따라 증가하였다.
- 유리당은 수경재배인삼에서는 fructose, glucose 및 sucrose 3종류의 당이 검출되었다. Sucrose는 열처리 온도가 증가함에 따라 감소하였으며, fructose 및 glucose 함량은 증가하였다. 열처리 온도가 증가함에 따라 이당류가 단당류로 분해되고 지속적인 열분해로 인하여 HMF, furfural 및 5-methyl furfural 등과 유기산으로 분해되기 때문에 유기산 함량 또한 증가하였다.
- 5와 같다. 각각의 저해활성은 시료 10 mg/mL의 농도에서 측정한 것으로 열처리 하지 않은 대조구에서는 수경재배인삼(13%)보다 잎줄기(18%)에서 약간 높은 활성을 보였다. 수경재배인삼의 경우 110℃까지는 유의적인 차이를 나타내지 않았으나 130℃ 이상의 온도에서는 23～36%로 증가하였다.
- ACE는 불활성형의 angiotensin-I(decapeptide)의 C 말단에 존재하는 His-Leu를 절단하여 혈관별 수축작용을 하는 angiotensin-Ⅱ(octapeptide)를 생성하고 혈압을 감소시키는 bradykinin을 불활성화시키는 효소이다. 각각의 저해활성은 시료 10 mg/mL의 농도에서 측정한 것으로 열처리 하지 않은 대조구에서는 활성이 없었지만, 열처리 온도가 증가함에 따라 수경재배인삼의 경우 10%에서 75%로, 잎줄기는 35%에서 80% 정도로 저해활성이 증가하였다. 추출조건별 인삼의 ACE 저해활성을 살펴본 Lee 등(27)에 따르면 4 mg/mL의 농도에서 86.
- 4). 수경재배인삼과 잎줄기의 유기산 함량은 열처리 온도가 증가함에 따라 증가하였으며, 처리온도별 citric acid의 함량은 대조구에서 각각 118.36 및 44.70 mg%이었고 150℃ 처리구에서는 각각 722.25 및 338.21 mg%로 7배 정도 증가하였다. DL-malic acid 함량은 대조구에서 각각 203.
- 수경재배인삼의 중간생성물은 0.795에서 2.734로, 잎줄기는 0.515에서 2.000으로 증가하였으며, 최종생성물은 각각 0.155에서 1.334로 그리고 0.243에서 0.614로 유의적으로 증가하였다(p<0.05).
- 열처리에 따른 수경재배인삼과 잎줄기의 갈변도를 측정한 결과는 Table 1과 같다. 열처리 온도가 증가함에 따라 Maillard 반응 중간생성물과 최종생성물 모두 유의적으로 증가하였다. 수경재배인삼의 중간생성물은 0.
- 1과 같다. 열처리 하지 않은 수경재배인삼과 잎줄기에서는 5-HMF가 검출되지 않았으며, 열처리 온도의 증가에 따라 수경재배인삼의 경우 110℃까지는 완만한 증가를 보였지만 130 및 150℃의 온도에서는 각각 243.92 및 878.87 ppm으로 급격한 증가를 보였으며, 잎줄기의 경우에는 4.36 ppm에서 44.34 ppm으로 다소 완만한 증가를 나타내었다. 또한 잎줄기보다는 인삼부분에서 더 많은 5-HMF 함량을 보였는데, 이는 비효소적 갈변반응을 일으킬 수 있는 물질이 잎보다는 뿌리에 더 많이 함유되어 있기 때문이라고 생각된다.
- 열처리에 따른 수경재배인삼과 잎줄기의 유기산 함량을 분석한 결과 수경재배인삼에서는 oxalic acid, citric acid, DL-malic acid 및 lactic acid 4종류(Fig. 3), 그리고 잎줄기에서는 citric acid, DL-malic acid 및 lactic acid 3종류가 검출되었다(Fig. 4). 수경재배인삼과 잎줄기의 유기산 함량은 열처리 온도가 증가함에 따라 증가하였으며, 처리온도별 citric acid의 함량은 대조구에서 각각 118.
- 열처리에 따른 수경재배인삼과 잎줄기의 유리당 함량을 분석한 결과 뿌리에서만 유리당이 검출되었으며, fructose, glucose 및 sucrose 3개의 당이 검출되었고 그 결과는 Fig. 2와 같다. 열처리하기 전 대조구의 전체 유리당 함량은 5.
- 2와 같다. 열처리하기 전 대조구의 전체 유리당 함량은 5.99%이었으며, sucrose는 열처리 온도가 증가함에 따라 그 함량은 감소하였고 fructose 및 glucose의 함량은 증가하였다. Fructose와 glucose 함량은 열처리 하지 않은 대조군에서 0.
- 수경재배인삼의 경우 110℃까지는 유의적인 차이를 나타내지 않았으나 130℃ 이상의 온도에서는 23～36%로 증가하였다. 잎줄기의 경우 열처리를 하지 않은 대조구에서는 18%의 저해활성을 나타내었지만 열처리 시 증가하였고 온도별 차이는 유의적이지 않았다.
후속연구
- 열처리 온도가 증가함에 따라 이당류가 단당류로 분해되고 지속적인 열분해로 인하여 HMF, furfural 및 5-methyl furfural 등과 유기산으로 분해되기 때문에 유기산 함량 또한 증가하였다. 본 연구결과를 바탕으로 기능성 식품소재로의 이용을 위하여 다양한 열처리 조건을 검토해야 할 것으로 판단된다.
- ACE 저해제는 ACE의 작용을 저해함으로써 angiotensin-Ⅱ의 생성저해, aldoterone 분비감소, 혈관확장제인 bradykinin 증가 등의 과정을 통해 신장혈관을 확장시켜 sodium의 배설을 촉진함으로써 혈압을 낮추어 주는 역할을 한다. 이러한 결과는 열처리 온도가 증가함에 따라 인삼 사포닌 중 혈압저하 효과를 발휘하는 것으로 널리 알려진 Rg3의 함량의 증가로 인해 ACE 저해활성 또한 증가한 것으로 사료되어지며, 그 작용기전에 대한 연구는 미비하여 ACE 저해와의 관련성 여부는 더 연구되어야 할 것으로 생각된다.
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