증숙 공정에 의한 마의 이화학적 특성 및 항산화 활성 Evaluation of Physicochemical Properties and Enhancement of Antioxidant Activities of Dioscorea batatas by Stepwise Steaming Process원문보기
This study investigated the physicochemical properties of Dioscorea batatas for improvement of biological activities during a three-step steaming process, steaming $120^{\circ}C$ for 30 min and hot air drying at $60^{\circ}C$ for 8 hrs. Samples were extracted with 70% ethanol a...
This study investigated the physicochemical properties of Dioscorea batatas for improvement of biological activities during a three-step steaming process, steaming $120^{\circ}C$ for 30 min and hot air drying at $60^{\circ}C$ for 8 hrs. Samples were extracted with 70% ethanol and analyzed for free sugars, and organic acids were analyzed by HPLC. The DPPH & ABTS radical scavenging activities, crude saponin, water binding capacity, oil absorption, and ${\alpha}$-glucosidase activity were measured. The major free sugars in all samples were fructose, maltose, and sucrose, and the free sugar contents increased to 157~235% after the three-step steaming process compared to the control. Organic acid contents of samples treated by steaming increased to greater than 55.8 mg/100g. The ABTS radical scavenging activity significantly increased with repeated steaming process, especially after the three-step process. As the time of steaming process increased, DPPH radical scavenging activity increased from 26.99% fresh Dioscorea batatas to 80.46~97.79% after the three-step process. Crude saponin content increased rapidly as steaming time increased, but decreased after the three-step process steaming process. The water-binding capacities of the samples treated by steaming process were higher than that of the control, whereas oil absorption decreased as steaming time increased. From the results, steaming process could be suggested as beneficial for controlling fat intake. Compared to acarbose, a known antidiabetic drug, used as a positive control, ${\alpha}$-glucosidase inhibitory activity of samples treated by two-step steaming was among the samples. The results suggest that Dioscorea batatas treated by steaming process has antioxidative and anti-diabetis activities and can be used as a natural health product.
This study investigated the physicochemical properties of Dioscorea batatas for improvement of biological activities during a three-step steaming process, steaming $120^{\circ}C$ for 30 min and hot air drying at $60^{\circ}C$ for 8 hrs. Samples were extracted with 70% ethanol and analyzed for free sugars, and organic acids were analyzed by HPLC. The DPPH & ABTS radical scavenging activities, crude saponin, water binding capacity, oil absorption, and ${\alpha}$-glucosidase activity were measured. The major free sugars in all samples were fructose, maltose, and sucrose, and the free sugar contents increased to 157~235% after the three-step steaming process compared to the control. Organic acid contents of samples treated by steaming increased to greater than 55.8 mg/100g. The ABTS radical scavenging activity significantly increased with repeated steaming process, especially after the three-step process. As the time of steaming process increased, DPPH radical scavenging activity increased from 26.99% fresh Dioscorea batatas to 80.46~97.79% after the three-step process. Crude saponin content increased rapidly as steaming time increased, but decreased after the three-step process steaming process. The water-binding capacities of the samples treated by steaming process were higher than that of the control, whereas oil absorption decreased as steaming time increased. From the results, steaming process could be suggested as beneficial for controlling fat intake. Compared to acarbose, a known antidiabetic drug, used as a positive control, ${\alpha}$-glucosidase inhibitory activity of samples treated by two-step steaming was among the samples. The results suggest that Dioscorea batatas treated by steaming process has antioxidative and anti-diabetis activities and can be used as a natural health product.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 마를 증숙, 건조처리 하여 생리활성을 증진시킴에 따라 활용가치를 높이고 기능성 소재의 개발을 위한 기초 자료를 확보하고자 하였다. 이를 위하여 증숙, 건조처리한 마 추출물의 이화학적 특성과 항산화성을 비교 분석하여 변화에 대해 관찰하고자 하였다.
본 연구에서는 증숙 공정에 의한 마(Dioscorea batatas)의 이화학적 특성과 생리활성의 변화에 미치는 영향에 대하여 조사하였다. 마를 증숙하지 않은 건조물과 증숙 공정을 달리한 건조물을 비교하기 위하여 유기산, 유리당 함량, 조사포닌 함량, 항산화능, 물결합력, 오일 흡수력, α-glucosidase 효소활성 저해능을 측정하였다.
따라서 본 연구에서는 마를 증숙, 건조처리 하여 생리활성을 증진시킴에 따라 활용가치를 높이고 기능성 소재의 개발을 위한 기초 자료를 확보하고자 하였다. 이를 위하여 증숙, 건조처리한 마 추출물의 이화학적 특성과 항산화성을 비교 분석하여 변화에 대해 관찰하고자 하였다.
제안 방법
물 층은 다시 50 mL의 n-부탄올로 2회 추출하였다. 3회에 걸쳐 추출한 n- 부탄올 층을 합쳐 농축플라스크에 회수하여 감압 농축(HB502L, Hanbaek)하였다. 이후 105℃에서 4시간 건조하고, 데시케이터에서 30분간 방냉한 후 다음 식에 따라 조사포닌 함량을 계산하였다.
각각의 마 추출물(0.4 g/mL) 900 μL와 0.3 mM DPPH 용액(dissolved in 99% EtOH) 1,800 μL를 가한 뒤 잘 혼합하여 암실에서 30분간 반응을 유도하였다.
, Bucheon, Korea)로 60℃, 8시간 건조하였다. 다시 고압 반응솥에서 증숙을 거치는 방법으로 2회 및 3회 증자와 건조를 반복한 후 최종 함수율 8.8%인 건조마를 수집하고 100mesh로 분쇄하여 냉동고(GC-124 GHFP, LG, Changwon, Korea)에 보존하면서 시료로 사용하였다.
다음에 3 mM pNPG(p-nitrophenyl a-D-glucopyranoside, Sigma-Aldrich) 100 μL를 첨가하여 37℃에서 10분간 반응시킨 후 0.1M Na2CO3 750 μL로 FH 반응을 정지시켜 405 nm에서 흡광도를 측정하였으며, 저해활성은 α-glucosidase inhibitory activity(%)에 의하여 산출하였다.
마(Dioscorea batatas)는 경상북도 안동지역에서 2014년도에 생산된 장마를 구입하여 사용하였으며, Hong HD 등(2007)의 방법을 일부 변형하여 실험하였다. 마를 수세한 후 박피하여 0.7cm 간격으로 썰고, 초음파 분쇄(ultrasonic, UC-20, JEIO TECH. CO. Ltd., Daejeon, Korea)로 5분 처리한 후 고압 반응솥(WACS-1100, 100L, DAIHAN Scientific, Wonju, Korea)에서 121℃, 30분간 증자를 시킨 다음 열풍건조기(Drying oven, HB-502LP, HANBAEK CO. Ltd., Bucheon, Korea)로 60℃, 8시간 건조하였다. 다시 고압 반응솥에서 증숙을 거치는 방법으로 2회 및 3회 증자와 건조를 반복한 후 최종 함수율 8.
조사포닌 함량은 인삼 조사포닌의 분리방법(Park SJ et al 2009)으로 많이 사용되는 고온 메탄올 추출과 n-부탄올 분획에 의한 방법에 따라 마 분말 10g을 취하여 70% 메탄올 90 mL로 65℃에서 3회 반복 추출하였다, 추출액은 55℃에서 감압농축기(DE/R-205V, Buchi, Swiss)로 농축하여 메탄올을 제거한 후, 물을 가하여 50 mL로 정용하였다. n-부탄올 50 mL와 함께 분획깔때기에 취하여 세차게 흔들어 혼합한 후 정치하여 유기용매 층과 물 층을 분리하였다.
총 폴리페놀성 화합물과 플라보노이드 함량을 바탕으로 증숙 공정을 반복하여 DPPH & ABTS radical scavenging activity를 확인하였다(Table 4).
추출물의 전자공여능(electron donating abilities, EDA)은 각각의 추출물에 대한 DPPH(1,1-diphenyl-2-picryl-hydrazyl)의 전자공여 효과로 각 시료의 환원력을 측정하였다(Blois MS 1958). 각각의 마 추출물(0.
대상 데이터
마(Dioscorea batatas)는 경상북도 안동지역에서 2014년도에 생산된 장마를 구입하여 사용하였으며, Hong HD 등(2007)의 방법을 일부 변형하여 실험하였다. 마를 수세한 후 박피하여 0.
2 μm nylon syringe filter로 여과한 다음 HPLC(Palo Alto)로 분석하였다. 유기산 분석을 위한 oxalic acid, citric acid, malic acid, succinic acid, lactic acid의 표준품은 Sigma사(Sigma-Aldrich)에서 구입하여 사용하였다. Column은 Amine X HPx-87H Ion Exclusion column(300×7.
2 mL/min 속도로 흘려주었고, 10 μL을 주입하여 분석하였다(Hwang et al 2011). 표준물질은 fructose, glucose 및 sucrose를 구입(Sigma-Aldrich Co. Ltd., St. Louis, MO, USA)하여 사용하였다.
데이터처리
1) Values with different superscripts (A∼D, a∼d) within the same row are significantly different at p<0.05 by Duncan's multiple range test.
1) Values with different superscripts (a∼c) within the same row are significantly different at p<0.05 by Duncan's multiple range test.
1) Values with different superscripts (a∼d) within the same row are significantly different at p<0.05 by Duncan's multiple range test.
모든 실험은 3회 반복하여 실시하였으며 실험으로부터 얻은 결과는 Statistical Package for the Social Sciences 12.0(SPSS Inc., Chicago, IL, USA)을 이용하여 평균±표준편차로 나타내었고, 시료 간의 유의성 검증은 Duncan's multiple range test.
이론/모형
Oil 흡수력은 Lin MJ 등(1974)의 방법에 의하여 측정하였다. 마 분말 0.
총 폴리페놀 함량은 Folin-Denis 방법(Folin & Denis 1915)의 방법에 따라 Folin-Ciocalteu reagent가 추출물의 폴리페놀성 화합물에 의해 환원된 결과 몰리브덴 청색으로 발색하는 것을 원리로 분석하였다.
성능/효과
증숙 공정이 마의 총 폴리페놀성 화합물 및 플라보노이드 함량 변화에 미치는 영향을 살펴본 결과 Table 3과 같다. Control의 폴리페놀 화합물 함량이 132.23 mg/g인 반면 증숙횟수를 달리한 마에서는 155 mg/g 이상의 높은 폴리페놀성 화합물 함량을 보였다. 이러한 결과로부터 총 폴리페놀성 화합물 함량은 증숙에 의해 영향을 받음을 알 수 있었다.
총 폴리페놀성 화합물과 플라보노이드 함량을 바탕으로 증숙 공정을 반복하여 DPPH & ABTS radical scavenging activity를 확인하였다(Table 4). 그 결과, control에 비하여 DPPH 및 ABTS radical scavenging activity가 증가하였으며, 증숙 공정을 3회 반복한 시료가 97.79%로 가장 높았다. 이는 증숙 횟수가 증가함에 따라 마에 존재하는 활성성분들의 추출수율을 향상시키고, 증숙에 의해 증가된 폴리페놀성 화합물과 플라보노이드가 항산화력을 증가시켰을 것으로 사료된다.
이중 호박산이라고 불리는 succinic acid는 식물계에 널리 존재하며 호박의 건류에 의해 얻을 수 있는 산으로 알려져 있는데, 검출된 다른 유기산에 비해 succinic acid 함량이 월등히 증가되는 경향을 나타냈다. 대체적으로 증숙 횟수를 달리할 경우 control군에 비해 전체적으로 2~5배 함량이 증가하였고, 증숙 2회와 증숙 3회에서 높은 유기산 함량을 나타내었다. 이러한 유기산 함량의 증가는 열처리로 인하여 고온에서 이당류인 sucrose가 단당류인 fructose와 glucose로 분해되고 분해된 fructose 및 glucose가 지속적인 열분해로 인하여 HMF, furfural 및 5-methyl furfural 등과 유기산으로 분해되어 유기산 함량이 증가한 것으로 판단된다(Aida TM et al 2007).
증숙 및 건조처리 시간 변화로 각 유리당 함량이 증가하였다. 마의 증숙 및 건조처리 시간 변화를 달리하여 제조한 시료들에서 control군보다 fructose는 72.35 mg/g, 88.00 mg/g, 140.40 mg/g로 glucose는 76.00 mg/g, 86.50 mg/g, 94.55 mg/g, sucrose는 41.80 mg/g, 40.60 mg/g, 44.85 mg/g로 증가하는 경향을 나타냈다. 증숙 마의 유리당 함량이 control에 비해 높은 것은 증숙 과정 중 마에 함유되어 있던 다당류가 효소의 작용에 의해 저분화되어 단당류 및 올리고당이 생성되었기 때문이라 판단되며, 흑도라지의 유리당을 분석한 Lee SJ 등(2013)의 결과와 비슷한 경향을 나타냈다.
물 결합력은 전분입자의 표면에 흡착되거나 내부로 침투 되는 물의 양을 측정한 것이며, 마의 가공처리에 따라 물 결합력을 측정한 결과 증숙, 건조과정이 반복될수록 물 결합력이 저하되는 것을 알 수 있었다. 일반적으로 물 결합력은 가공시 수침시간의 증가, 입도가 작을수록, 수침과정에서 전분 표면과 내부에 결합된 지방의 유실이 클수록 높아지는 것으로 알려져 있다(Kim K et al 1993).
유리당 총 함량은 control(121 mg/g)에 비해 증숙 건조물(190∼284 mg/g)이 1~2배 증가하였으며, 유기산 함량 또한 control(55 mg/g)보다 증숙 건조물(167∼252 mg/g)이 2∼4배 증가하였다.
23 mg/g인 반면 증숙횟수를 달리한 마에서는 155 mg/g 이상의 높은 폴리페놀성 화합물 함량을 보였다. 이러한 결과로부터 총 폴리페놀성 화합물 함량은 증숙에 의해 영향을 받음을 알 수 있었다. Song CH 등(2012)은 추출조건에 관계없이 증숙 공정에 따라 약 3배 정도의 페놀함량 증가를 보고하고 있다.
이전 연구결과를 살펴볼 때 증숙을 통해 결합성 페놀성 화합물이 유리형으로 바뀌어 용출이 용이해지거나 인삼의 경우는 특정 페놀성 물질이 증가하여 항산화 활성이 증진된다고 보고되었다(Song CH et al 2012). 일반적으로 약용식물에서는 플라보노이드 함량보다 폴리페놀성 화합물이 많이 함유되어 있으나, 본 결과는 증숙 공정에 의한 마의 폴리페놀성 화합물 및 플라보노이드 함량 모두 유의적으로 증가됨을 확인할 수 있었다.
조사포닌 함량은 control(49 mg/100g)과 증숙 건조물(426∼2473.9 mg/100g) 함량이 큰 차이를 나타내었다.
1과 같다. 증숙 1회 마와 증숙 2회 마의 조사포닌 함량은 각각 426 mg/100g, 2473.9 mg/100g으로 증숙에 의해 그 함량이 5배 이상 증가하였음을 알 수 있었다. 증숙 마가 생마보다 높은 조사포닌 함량을 보인 것은 증숙에 의해 세포벽과 분자 구조가 파괴됨에 따라 조직이 연화되어 사포닌의 추출 수율이 증가하여 나타난 결과로 판단되며, 도라지를 증숙 가공한 Lee SJ 등(2013)의 연구에서도 흑도라지가 생도라지에 비해 조사포닌 함량이 증가한다고 발표한 바 있다.
증숙 1회, 3회마는 α-glucosidase inhibitor 대조구로 사용되는 acarbose(77.59%)보다 낮은 활성을 보였으나 증숙 2회 마(69%)에서 다소 높은 저해활성을 보여 유사한 경향을 보였다.
각 시료들의 유기산 조성 및 그 함량을 분석한 결과 Table 2와 같다. 증숙 마의 유기산으로는 oxalic acid, citric acid malic acid, succinic acid, fumaric acid가 검출되었으며, 증숙 과정 중 일부 발효에 의해 생성되는 lactic acid나 acetic acid는 검출되지 않았다. 이중 호박산이라고 불리는 succinic acid는 식물계에 널리 존재하며 호박의 건류에 의해 얻을 수 있는 산으로 알려져 있는데, 검출된 다른 유기산에 비해 succinic acid 함량이 월등히 증가되는 경향을 나타냈다.
총 폴리페놀 및 플라보노이드 함량은 증숙 3회 건조물이 803.76±10.37 mg GAE/g, 923.79±7.01 mg RHE/g으로 가장 높았고, DPPH와 ABTS 라디칼 소거능 역시 증숙 3회 건조물이 각각 97.79±0.40%, 94.40±0.40%로 가장 높았다.
또한 Hong HD 등(2007)의 연구결과도 증숙 횟수의 증가에 따라 인삼에서 총 폴리페놀성 화합물이 증가했다고 보고했다. 총 폴리페놀성 화합물의 함량변화와 유사하게 증숙 3회에서 높은 플라보노이드 함량(923 mg/g)을 보였다. 이는 증숙 공정을 통해 플라보노이드계 화합물이 용출되었을 것으로 사료된다.
후속연구
α-glucosidase 효소활성 저해능은 acarbose보다는 다소 낮았으나, 증숙 2회 건조물에서 비슷한 경향을 나타내었다. 이상과 같이 증숙 처리한 마는 생마에 비해 높은 조사포닌 함량 및 유용성분 추출 용이성으로 식품소재로의 활용이 증가될 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
마에 함유된 성분은?
마는 세계적으로 장마, 단마, 부채마, 단풍마 등 10속 650여종이 알려져 있으며(Kum EJ et al 2006; McAnuff MA et al 2005), 덩이뿌리의 모양에 따라 참마(Dioscorea japonica), 장마(Dioscorea batatas), 단마(Dioscorea polystachya Turcz) 등으로 나눈다. 마는 amyolse, cholin, saponin, mucin, tannin, allantoin, chellidonic acid, sitostrol, diosgenin 등을 함유하고 있으며, 특히 mucin은 면역기능 강화, 신경통, 뇌기능 활성화 등에 효과가 있다고 알려져 있다(Jang JR et al 2010; Lee HS et al 2009). 마는 식용으로 그대로 먹거나 분말, 음료 등 다양한 용도로 이용되고 있으며, 노화 방지, 혈당강화, 항균, 해독작용, 면역 조절 작용 등 건강증진 효능이 널리 알려지면서 마에 대한 관심이 높아지고 있다.
활성성분이 파괴되는 열처리 공정의 단점을 극복하기 위한 방법은?
일반적으로 열처리 공정은 조직성분을 연소시키며 활성성분이 파괴되어 수율 및 생리활성을 함께 감소하게 하는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 직접적 열처리가 아닌 증기를 이용한 간접적 열처리로 유용성분의 용출을 증진시킬 수 있는 증숙 공정이 이용되고 있다(Song CH et al 2012). 이로 인해 증숙 공정에 의한 더덕, 마늘, 인삼 gin- senosides(Rh1, Rg2, Rg3) 등의 유효 성분 및 효능의 향상, 열처리 공정에 의한 더덕 및 인삼 성분의 안정성, 생리활성 등 가공공정에 관한 연구가 활발히 수행되고 있다(Ahn JH et al 2012).
마의 자생지는?
마(Dioscorea spp.)는 한국, 중국, 타이완, 일본 등지의 산지에서 자생하며, 그중 국내산 마는 약 70% 정도가 경상북도 안동 등 북부지역을 중심으로 생산되고 있는데, 이는 안동지역의 기후와 토양이 적합하고, 준평지 지역에서 잘 자라는 약용식물이기 때문이다(An HJ & Chung KM 2014). 한방에서는 마를 산약이라 하고 맛은 달고 성질은 平하며, 비장 (脾臟)이 허약하여 나는 설사(泄瀉), 이질(痢疾), 노점(癆漸)으로 인한 해수(咳嗽), 유정(遺精), 대하증(帶下症), 소변빈삭(小便頻數)의 치료에 사용되고 민간에서는 자양강장 및 피부미용에 이용되고 있다(Kim DS et al 2013).
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