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문제 정의
- 이를 위해서는 칼슘의 입자 크기, 이온화되는 정도가 크게 좌우할 것이다. 따라서 본 연구에서는 섭취하는 칼슘의 체내 이용률의 증대와 패각 칼슘의 재활용을 목적으로 천연소재인 패각 칼슘을 원료로 하여 입자 크기별로 나노칼슘을 제조한 후 장의 투과율과 이온화율을 평가하였다.
- 사용된 후 폐기되는 굴 패각에 대해서는 일반폐기물로서 양식 어민이 처리할 수 있어야 하지만 패각을 매립할 수 있는 매립지 확보가 여의치 않으며 굴 패각을 수거하고 운반하는데 소요되는 비용의 충당 등 효과적인 처리가 어려운 실정이다. 또한 처리되지 않은 굴 패각 유기물의 부식으로 위생상의 문제를 일으킬 수 있어 이에 대한 효과적인 처리가 시급한 현실이라 하겠다. 따라서 이렇게 폐기 되는 굴 패각의 천연 칼슘소재를 효율적으로 적절히 활용하는 방안을 강구한다면 굴 패각이 안고 있는 지역적, 환경적 문제를 해결하면서 양질의 천연칼슘의 공급원 확보뿐만 아니라 식품산업분야의 활성화를 이끌 수 있을 것으로 생각된다(7).
가설 설정
- 이를 위해서는 칼슘이 위장에서 쉽게 붕괴되고 용해되어 칼슘이온으로 전리되어야 하므로 붕괴속도가 빠르고 용해도가 높은 상태의 칼슘 제조와 보급이 필요하다(8). 이를 위해서는 칼슘의 입자 크기, 이온화되는 정도가 크게 좌우할 것이다. 따라서 본 연구에서는 섭취하는 칼슘의 체내 이용률의 증대와 패각 칼슘의 재활용을 목적으로 천연소재인 패각 칼슘을 원료로 하여 입자 크기별로 나노칼슘을 제조한 후 장의 투과율과 이온화율을 평가하였다.
제안 방법
- 0.1 N-HCl에 240 ppm 농도의 칼슘용액을 calcium probe를 연결한 ion meter(Dual star pH/ISE betchtop, Thermo Fisher Scientific Inc., Beverly, MA, USA)를 사용하여 칼슘이온의 농도를 측정하였다(10).
- 5, 회장)가 각각 이용되었다. Rat의 장막을 투과한 시료의 흡광도를 A230 nm에서 측정하여 나노칼슘의 투과율을 계산하였다. 장내 환경별 장의 투과율을 비교하면 C-3 칼슘을 제외한 모든 실험군에서 다른 환경보다는 회장(pH 7.
- )로 3분간 분산시킨 후 사용하 였다. 각 시료별 3회 반복 측정하였다.
- 나노칼슘에 대한 막 투과성을 보기위해 in vitro 상에서 dialysis membrane tube를 이용하여 각 크기별 나노칼슘의 membrane 밖으로의 이동속도를 측정하였다. 막을 통과하여 밖으로 이동된 나노칼슘의 이동률은 입자 크기가 가장 작은 C-3군이 가장 높아 32%의 이동율을 보였으며 이와 반대로 C-1군은 25%의 이동율을 보여 입자 크기에 따라 막 투과성이 감소함을 알 수 있었다(Fig.
- , Newtown, CT, USA)로 균질화 시켜 주었다. 또한 원심분리기(J2-MC, Beckman Coulter, Inc., Fullerton, CA, USA)를 이용하여 1,000, 2,000, 3,000 rpm에서의 상등액을 분획하였다. 이를 채취하여 증발기(Vacuum rotary evaporator N-Nseries, Tokyo Rikakikai Co.
- 본 연구에서는 패각에서 유래하는 칼슘의 이용가치를 높이 고자 분쇄한 패각 칼슘을 입자 크기별로 제조하여 이온화율과 흡수율을 조사하였다. 패각 칼슘분말 현탁액을 알코올 중에서 비중차이별로 분리하고 입자 크기를 측정하여 4개의 시료군으로 나누었다; NC(일반 패각 칼슘), C-1(1,000 rpm 상등액), C-2(2,000 rpm 상등액), C-3(3,000 rpm 상등 액).
- )를 이용하여 칼슘 나노 및 마이크로분말의 크기를 분석하였다(9). 시료 제조를 위하여 칼슘분말의 농도가 각각 0.5 및 1 mg/mL가 되도록 첨가하였고 분산매로는 증류수를 사용하였다. 첨가된 칼슘분말은 교반 후 초음파분산기(VCX 750, Sonic & Materials Inc.
- 실제 체내의 나노칼슘의 투과율 모델로서 rat의 intestinal sac을 이용하여 나노칼슘의 투과율 실험을 실시하였다. 장내 환경에 따른 흡수율을 보기 위하여 장내 환경별로 buffer를 달리하여 측정하였으며, 각 장내 환경을 고려하여 citrate buffer(pH 4.
- 이번 연구는 식용으로 사용 후 버려지는 패각들로부터 유래하는 패각 칼슘을 재료로 나노칼슘을 제조하여 이온화율과 장 흡수율을 관찰하였다. 이 연구에서 우리는 rat의 장기를 대상으로 한 실험을 통해 패각유래 칼슘의 나노칼슘화가 특정 환경의 장에서 투과율을 높인다는 사실을 보여주었다.
- 대체적으로 나노 공정을 거치지 않은 일반 패각 칼슘에 비하면 나노 공정을 거친 칼슘의 입자 크기가 크게 차이가 남을 확인할 수 있었다. 이후의 실험들에서는 이들 4 샘플군들에 대해서 이온화율과 장 흡수율을 비교 분석하였다.
-
칼슘 입자 크기 분포 분석
입자크기분석기(Delsa Nano C, Beckman Coulter, Inc.)를 이용하여 칼슘 나노 및 마이크로분말의 크기를 분석하였다(9). 시료 제조를 위하여 칼슘분말의 농도가 각각 0.
- 실제 체내의 나노칼슘의 투과율 모델로서 rat의 intestinal sac을 이용하여 나노칼슘의 투과율 실험을 실시하였다. 장내 환경에 따른 흡수율을 보기 위하여 장내 환경별로 buffer를 달리하여 측정하였으며, 각 장내 환경을 고려하여 citrate buffer(pH 4.2, 십이지장), phosphate buffer(pH 6.2, 공장), phosphate buffer(pH 7.5, 회장)가 각각 이용되었다. Rat의 장막을 투과한 시료의 흡광도를 A230 nm에서 측정하여 나노칼슘의 투과율을 계산하였다.
- )를 이용해 37°C를 유지하도록 하고 5% CO2와 95% O2를 계속적으로 공급하였다. 주머니 밖으로 빠져 나온 칼슘 시료는 10, 20, 30분, 1시간 그리고 2시간에 각각 채취하여 240 nm의 흡광도 (Nano Quant M200, Tecan Group Ltd., Mannedorf, Switzerland)에서 측정해 보았다(14).
- 1 M NaOH를 넣어 150 mL로 mass up하여 사용하였다. 준비된 칼슘용액 20 mL를 dialysis tubing cellulose membrane(12000 MW cut off, Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA)에 넣고 집개(Spectra closures, Spectrum Inc., Rancho Dominguez, CA, USA)를 이용하여 봉해준 후 100 mL의 3차 증류수가 담긴 듀란병에 넣어 2시간 동안 shaking incubator에서 incubation 시킨 후 ICP(OPTIMA 2X00, Spectrum Inc.)로 dialysis tube 안과 밖의 칼슘 함량을 분석하였다.
- 본 연구에서는 패각에서 유래하는 칼슘의 이용가치를 높이 고자 분쇄한 패각 칼슘을 입자 크기별로 제조하여 이온화율과 흡수율을 조사하였다. 패각 칼슘분말 현탁액을 알코올 중에서 비중차이별로 분리하고 입자 크기를 측정하여 4개의 시료군으로 나누었다; NC(일반 패각 칼슘), C-1(1,000 rpm 상등액), C-2(2,000 rpm 상등액), C-3(3,000 rpm 상등 액). 이들의 입자 크기는 각각 2,280.
대상 데이터
- 칼슘의 장 흡수율은 Mahomoodally의 방법(11)을 이용하였다. 8주령의 수컷 Sprague Dawley rat(Dehan Biolink Co., Ltd., Eumseong-gun, Korea)를 사용하여 24시간 공복시킨 후 에테르로 마취하여 희생하고 소장을 재빨리 취해서 세척한 후 공장 시작 부분의 10 cm를 취하였다. 위산 과정을 처리한 칼슘 1 mL를 넣은 후 다른 한 쪽을 묶어 장주머니를 만들었다.
- 실험에 사용된 패각 칼슘은 IONIC CAL-2200(Kaiho Products Co., Ltd., Tokyo, Japan) 제품을 이용하였다.
데이터처리
- 실험 결과는 SPSS program(ver. 12.0, SPSS Inc., Chicago, IL, USA)을 이용하여 통계 처리하였으며, 모든 측정 항목에 대한 평균(mean)과 표준편차(standard deviation, SD)를 산출하였다. 실험군 간의 유의성은 ANOVA test 후 구체적인 사후 검증은 P<0.
- 실험군 간의 유의성은 ANOVA test 후 구체적인 사후 검증은 P<0.05 수준에서 Duncan's multiple range test로 실시하였다.
이론/모형
- 칼슘의 장 흡수율은 Mahomoodally의 방법(11)을 이용하였다. 8주령의 수컷 Sprague Dawley rat(Dehan Biolink Co.
성능/효과
- 각 칼슘군들을 대상으로 이온화 정도를 측정한 결과 C-3군이 오차범위 내에서 다른 군들에 비해 이온화율이 다소 증가했다. In vitro 상에서 dialysis 막을 이용한 나노칼슘의 투과율을 측정한 결과 나노칼슘의 입자 크기가 작을수록 막 투과성이 증대됨을 확인할 수 있었다. 한편 rat의 내장주머니 막(intestinal sac)을 이용하여 장내 환경별 나노칼슘의 투과율을 측정한 결과 C-3군을 제외한 모든 군에서 십이지장(pH 4.
- 4 nm를 보였다. 각 칼슘군들을 대상으로 이온화 정도를 측정한 결과 C-3군이 오차범위 내에서 다른 군들에 비해 이온화율이 다소 증가했다. In vitro 상에서 dialysis 막을 이용한 나노칼슘의 투과율을 측정한 결과 나노칼슘의 입자 크기가 작을수록 막 투과성이 증대됨을 확인할 수 있었다.
- 3,000 rpm에서 채취한 나노칼슘(C-3)의 입자가 가장 작았고 1,000 rpm으로부터 취한 나노칼슘 입자 크기 C-1은 C-3에 비해 2배의 크기를 보였다. 대체적으로 나노 공정을 거치지 않은 일반 패각 칼슘에 비하면 나노 공정을 거친 칼슘의 입자 크기가 크게 차이가 남을 확인할 수 있었다. 이후의 실험들에서는 이들 4 샘플군들에 대해서 이온화율과 장 흡수율을 비교 분석하였다.
- 나노칼슘에 대한 막 투과성을 보기위해 in vitro 상에서 dialysis membrane tube를 이용하여 각 크기별 나노칼슘의 membrane 밖으로의 이동속도를 측정하였다. 막을 통과하여 밖으로 이동된 나노칼슘의 이동률은 입자 크기가 가장 작은 C-3군이 가장 높아 32%의 이동율을 보였으며 이와 반대로 C-1군은 25%의 이동율을 보여 입자 크기에 따라 막 투과성이 감소함을 알 수 있었다(Fig. 2). 이는 유의적인 차이를 보이지 않은 위의 이온화율 결과를 볼 때 비슷한 이온화율의 조건이라면 칼슘의 입자 크기가 체내 이용성에 영향을 미칠 수 있음을 시사한다.
- 특히 십이지장 환경에서의 샘플 간 투과율을 비교할 때 C-2와 C-3군이 가장 높은 투과율을 보였고 NC 칼슘이 가장 낮은 투과율을 나타내어 입자 크기가 작을수록 장 투과율이 증가함을 확인할 수 있었다. 위의 결과를 종합해볼 때, 패각에서 유래하는 칼슘을 적절한 가공처리를 거쳐 나노칼슘으로 만들면 칼슘의 이온화 율과 장내흡수율을 향상시킬 수 있는 것으로 사료된다.
- 현탁 20분 후 이온화율을 측정한 결과 입자 크기가 가장 작은 C-3 칼슘의 이온화 정도가 다른 실험군에 비해 약간 증가하는 경향을 나타냈다 하지만 유의적인 차이는 보이지 않았다. 이 결과는 본 연구에서 분획한 나노칼슘의 입자 크기의 차이로는 이온화율에 크게 영향을 미치지 않는 것을 보여주는 것으로 생각된다.
- 이번 연구는 식용으로 사용 후 버려지는 패각들로부터 유래하는 패각 칼슘을 재료로 나노칼슘을 제조하여 이온화율과 장 흡수율을 관찰하였다. 이 연구에서 우리는 rat의 장기를 대상으로 한 실험을 통해 패각유래 칼슘의 나노칼슘화가 특정 환경의 장에서 투과율을 높인다는 사실을 보여주었다. 특히 산성 환경(pH 4.
- Rat의 장막을 투과한 시료의 흡광도를 A230 nm에서 측정하여 나노칼슘의 투과율을 계산하였다. 장내 환경별 장의 투과율을 비교하면 C-3 칼슘을 제외한 모든 실험군에서 다른 환경보다는 회장(pH 7.5)에서의 장 투과율이 가장 높았지만 입자 크기와 투과율의 상관관계는 관찰되지 않았다(Fig. 3). C-3 칼슘 투과율은 회장 환경보다 오히려 십이지장 환경에서 약간 더 높았다(Fig.
- 최근 한 연구에서는 나노칼슘의 섭취가 골다공증 증상을 가지고 있는 쥐의 뼈 손실을 개선시킨다고 보고하고 있어 나노사이즈의 칼슘이 생체이용률을 높이는데 중요함을 보여주고 있다(15). 칼슘의 이온화되는 정도를 측정하는 실험에서는 나노사이즈 입자가 가장 작은 군(C-3)에서 약간 증가되는 것을 확인하였지만 칼슘의 입자 크기별로 유의 적인 변화는 없는 것으로 관찰되었다. 칼슘의 이온화는 생체내 칼슘의 흡수율을 증가시키는 중요한 요소로 알려져 있다.
- 이 연구에서 우리는 rat의 장기를 대상으로 한 실험을 통해 패각유래 칼슘의 나노칼슘화가 특정 환경의 장에서 투과율을 높인다는 사실을 보여주었다. 특히 산성 환경(pH 4.2)에서는 나노칼슘의 입자 크기에 따라 투과율이 비례적으로 감소됨이 확인되어 십이지장과 같은 장기에서의 칼슘 투과율은 칼슘의 입자 크기가 중요함을 확인하였다. 하지만 공장, 회장과 같은 다른 장 환경에서는 이런 칼슘입자의 크기와 투과율상의 상관관계는 관찰되지 않았다.
- 3). 특히 십이지장 환경에서 각 칼슘 군의 장 투과율을 비교하면(Fig. 3 A) 입자 크기가 작은 C-2 와 C-3군의 투과율이 상대적으로 높았으며 C-1, NS의 순으로 투과율의 증가를 보였다. 이는 십이지장에서는 비교적 입자 크기가 작을수록 장의 투과율이 비례한다는 것을 보여준다.
- 2)에서의 나노칼슘의 장투과율이 비교적 높게 나타난 반면 C-3군에서는 십이지장 환경에서의 투과율이 다소 높았다. 특히 십이지장 환경에서의 샘플 간 투과율을 비교할 때 C-2와 C-3군이 가장 높은 투과율을 보였고 NC 칼슘이 가장 낮은 투과율을 나타내어 입자 크기가 작을수록 장 투과율이 증가함을 확인할 수 있었다. 위의 결과를 종합해볼 때, 패각에서 유래하는 칼슘을 적절한 가공처리를 거쳐 나노칼슘으로 만들면 칼슘의 이온화 율과 장내흡수율을 향상시킬 수 있는 것으로 사료된다.
- 패각 칼슘으로부터 비중 차이를 이용하여 분획한 나노칼슘의 입자 크기를 측정한 결과 분획 전 일반 패각 칼슘 (Normal)이 2.3 μm의 크기를 보인 반면, 나노 공정을 거친 1,000 rpm 상등액(C-1), 2,000 rpm 상등액(C-2), 3,000 rpm 상등액(C-3)은 각각 521 nm, 313 nm, 280 nm의 크기를 보였다(Table 1).
- In vitro 상에서 dialysis 막을 이용한 나노칼슘의 투과율을 측정한 결과 나노칼슘의 입자 크기가 작을수록 막 투과성이 증대됨을 확인할 수 있었다. 한편 rat의 내장주머니 막(intestinal sac)을 이용하여 장내 환경별 나노칼슘의 투과율을 측정한 결과 C-3군을 제외한 모든 군에서 십이지장(pH 4.2)과 공장(pH 6.2) 환경보다는 회장(pH 7.2)에서의 나노칼슘의 장투과율이 비교적 높게 나타난 반면 C-3군에서는 십이지장 환경에서의 투과율이 다소 높았다. 특히 십이지장 환경에서의 샘플 간 투과율을 비교할 때 C-2와 C-3군이 가장 높은 투과율을 보였고 NC 칼슘이 가장 낮은 투과율을 나타내어 입자 크기가 작을수록 장 투과율이 증가함을 확인할 수 있었다.
- 1에 나타내었다. 현탁 20분 후 이온화율을 측정한 결과 입자 크기가 가장 작은 C-3 칼슘의 이온화 정도가 다른 실험군에 비해 약간 증가하는 경향을 나타냈다 하지만 유의적인 차이는 보이지 않았다. 이 결과는 본 연구에서 분획한 나노칼슘의 입자 크기의 차이로는 이온화율에 크게 영향을 미치지 않는 것을 보여주는 것으로 생각된다.
후속연구
- 패각(oyster shell)은 탄산화(carbonated) 된 칼슘의 풍부한 원료가 된다. 따라서 유기물과 결합된 칼슘의 풍부한 원료가 되는 패각으로부터 나노칼슘을 얻고 활용한다면 패각의 산업적 이용뿐만 아니라 건강증진을 위한 기능성 식품의 개발에도 유용한 자료가 될 것으로 생각된다.
- 또한 처리되지 않은 굴 패각 유기물의 부식으로 위생상의 문제를 일으킬 수 있어 이에 대한 효과적인 처리가 시급한 현실이라 하겠다. 따라서 이렇게 폐기 되는 굴 패각의 천연 칼슘소재를 효율적으로 적절히 활용하는 방안을 강구한다면 굴 패각이 안고 있는 지역적, 환경적 문제를 해결하면서 양질의 천연칼슘의 공급원 확보뿐만 아니라 식품산업분야의 활성화를 이끌 수 있을 것으로 생각된다(7).
- 하지만 본 연구에서는 나노칼슘 제조 중의 입자 크기의 변화가 이온화에 별다른 영향을 미치지 못했다. 이는 이온화에 영향을 미칠 만큼 입자 크기가 충분히 감소되지 않은 것으로 생각되며 추후 보다 작은 입자로의 나노칼슘 제조를 통해 이온화에 미치는 영향을 관찰할 필요가 있을 것으로 사료된다(16-18).
- 하지만 그 밖의 장내 환경인 공장과 회장에서는 입자 크기에 따라 투과율이 별다른 영향을 받지 않았다. 이는 주로 산성 환경일 때는 나노칼슘의 입자 크기가 작을수록 투과율이 증가하는 경향을 보이는 반면, 중성 장내환경에 대해서 나노칼슘의 투과율 및 이용성이 간섭을 받는 것으로 생각되어지며 좀 더 자세한 상관관계가 연구되어져야 할 것으로 생각된다.
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