[논문]저이용 홍어 가공 부산물을 이용한 고기능성 물질의 생산기술 개발에 관한 연구(1) - 홍어연골을 이용한 콘드로이틴 황산 소재 개발

백장미; 강건희; 김상호; 노정숙; 정갑섭

doi:10.5322/jesi.2016.25.5.645

저이용 홍어 가공 부산물을 이용한 고기능성 물질의 생산기술 개발에 관한 연구(1) - 홍어연골을 이용한 콘드로이틴 황산 소재 개발
A Study on Development of High Functional Materials Producing Technique using By-products from Skate Processing (1) - Development of Chondroitin Sulfate Materials using Skate Cartilages 원문보기

Journal of environmental science international = 한국환경과학회지, v.25 no.5, 2016년, pp.645 - 654

백장미 (영산홍어(주)) , 강건희 (영산홍어(주)) , 김상호 (영산홍어(주)) , 노정숙 (동명대학교 식품영양학과) , 정갑섭 (동명대학교 식품영양학과)

Abstract ▼ AI-Helper

For the purpose of reuse the wasted by-products from the skate process to the health functional food or medicinal material, chondroitin sulfate was extracted from the skate cartilage with the method of hydrolysis with protease enzyme, and the contents of chondroitin sulfate and hydrolyzed protein were measured qualitatively and quantitatively. The effects of chondroitin sulfate on body weight or liver weight changes, hepatotoxicity elimination and anti-inflammatory actions were measured from in vivo test with feed-treated mice. From the hydrolytic extraction of skate cartilage with the mixture of 1% alcalase and 1% protease for 4 hours, the extraction yield of chondroitin sulfate was about 32.55%. The content and molecular weight of chondroitin sulfate was 26.63% and $2.85{\times}10^5Da$., respectively and the content ratio of chondroitin sulfate to protein was measured to 1 to 2.76 with gel permeation chromatography. For the odor component, trimethylamine decreased about 30% but almost not ammonia from chondroitin sulfate with the treatment of activated carbon. From the feeding chondroitin sulfate to mice, the control effect of body and liver weights decrease was measured, anti-inflammatory action and hepatotoxicity elimination action were also measured. From these results, process operation conditions for manufacturing of chondroitin sulfate were suggested.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 홍어 가공 공정에서 폐기되는 부산물중 연골 부분을 선별하여 단백질 분해 효소로 분해하여 콘드로이틴 황산을 추출분해하고, 이에 따른 수율 및 특성을 파악하여 최적 추출조건을 규명하고자 하였으며, 추출한 콘드로이틴 황산 및 단백질 가수분해물의 특성 검토 및 영양성분 조성, 함량 등을 검토하고, 실험동물을 대상으로 항염증 기능성과 간의 해독작용 등을 측정함으로써 콘드로이틴 황산을 함유한 건강기능 식품이나 의약품 소재 등의 산업화 가능성을 제시하고자 하였다.

제안 방법

3일간 연속하여 일정한 시각에 홍어 연골과 상어 연골 콘드로이틴 황산 분말을 증류수에 용해하여 실험동물에 200 μL 경구투여하였고, normal군과 LPS 처리군에는 vehicle treatments로서 생리식염수 200 μL를 경구투여하였다. 샘플 처리 3일째 되는 날, 마지막 샘플 처리 1시간 후 normal군을 제외한 나머지 군에 10 mg/kg의 LPS를 복강 투여하였다.
그러나 콘드로이틴 황산 제품에서도 냄새가 잔존할 경우 사용자의 기호도에 따라 제품에 대한 선호도가 달라질 수 있으므로 이들 성분의 제거 혹은 저감이 필요하다. 따라서 원재료인 건조 연골 중량의 0.5%에 해당하는 활성탄을 효소분해 추출물에 혼합하고 75℃로 승온하여 30분간 교반함으로써 냄새성분이 흡착제거된 콘드로이틴 황산 분말을 제조하여 활성탄 처리 전후의 분말 시료의 냄새를 관능평가 및 기기분석을 통하여 측정하였다. 먼저 시료 1 g을 냄새가 나지 않는 폴리에스테르 재질의 10 L 봉지에 넣은 후 10 L의 질소가스를 주입하고, 냄새성분이 기화되도록 80℃ 오븐에 2시간 넣은 후 실온까지 방치하여 분석을 실시하였다.
Table 2와 같이 적응기가 끝난 후 임의로 실험군당 8마리씩의 mice를 분류하여 4군으로 나누었다. 즉 정상군(normal group, N group), 염증유발처리(lipopolysaccharide 처리)를 한 대조군(LPS group), 홍어 연골 콘드로이틴 황산 추출물 400 mg/kg 투여군(skate cartilage extract group, SCE group)으로 분류하여 측정하였으며, 별도로 상어 연골 유래 콘드로이틴 황산 투여군(chondroitin sulfate group, CS group)을 설정하여 본 연구에서의 홍어 연골 콘드로이틴 황산과의 항염증 기능성을 비교하였다.
폐기되는 홍어 가공 부산물을 재이용하여 콘드로이틴 황산을 함유한 건강기능식품이나 의약품 소재로 산업화하기 위하여 홍어 연골로부터 콘드로이틴 황산을 추출하고, 추출한 콘드로이틴 황산 및 단백질 가수분해물의 분포를 고찰하였으며, 실험동물에 투여하여 체중과 간중량, 간 독성 완화효과 및 항염증 기능성 등을 측정하였고, 최적의 콘드로이틴 황산 수율을 얻기 위한 산업화 공정을 확립하였다.

대상 데이터

본 실험에 이용된 실험재료로서의 홍어 연골은 영산 홍어(주)에서 홍어 가공 중 발생한 부산물 중 다음과 같이 연골부분만 분리하여 사용하였다. 어육과 내장 등이 부착된 부산물 홍어 연골을 가온 자켓이 설치된 리본믹서를 이용하여 95℃ 이상에서 2시간 가온하며 회전시켜 연골에 붙어 있는 살을 완전히 제거하고, 연골을 건져 열풍건조기에서 24시간 건조하였으며, 건조된 연골을 물에 약 24시간 침지시킨 후 선별하고 이를 분쇄기로 분쇄하여 사용하였다.
제조된 콘드로이틴 황산의 항염증 기능성을 확인하기 위하여 쥐를 실험동물로 선정하여 다음과 같이 항염증 기능을 측정하였다. 체중 25~30 g 내외의 생후 5주된 수컷 ICR mouce 32마리를 제공받아 7일 동안 적응기를 거쳐 실험모델로 사용하였다. 이들 실험동물은 실험기간 동안 온도 23±2℃, 습도 50±10%로 조절된 동물실에서 사육되었으며, 물과 고형사료를 자유롭게 섭취하도록 하였고, 필요시 일정 기간 동안 규정된 함량의 식이를 거친 후 일정 수의 개체를 취하여 ether로 마취하고 희생시켜서 개복하여 해당항목 측정에 사용하였다.

이론/모형

먼저 시료 1 g을 냄새가 나지 않는 폴리에스테르 재질의 10 L 봉지에 넣은 후 10 L의 질소가스를 주입하고, 냄새성분이 기화되도록 80℃ 오븐에 2시간 넣은 후 실온까지 방치하여 분석을 실시하였다. 냄새의 분석은 후각에 의한 5점 관능평가와 gas chromatography (GC)로 측정하였으며, 관능평가는 악취공정시험법에 따라 희석배수를 산정하고 6명의 정상 후각력을 지닌 판정원을 선발하여 직접관능법으로 평가하였다(Son et al., 2003). 암모니아의 농도는 암모니아 검지관(Gasteckorea, 3HM, Japan)으로, TMA 농도는 FID 검출기를 사용한 GC로 각각 분석하였다.
홍어 연골로부터 분해추출한 콘드로이틴 황산의 함량은 건강기능식품공전 콘드로이틴 황산 제 1법에 준하여 다음과 같이 측정하였다(KMFDS, 2012). 시료 0.
홍어 연골의 일반성분은 AOAC법(Kenneth, 1990)에 따라 수분은 105℃ 상압가열건조법, 조단백질은 Kjeldahl법, 조지방은 Soxhlet 추출법, 회분은 550℃ 직접회화법을 사용하여 측정하였다. 탄수화물은 시료의 총함량에서 수분, 단백질, 지방 및 회분 함량을 제외한 함량으로 표시하였다.

성능/효과

실험 쥐에 콘드로이틴 황산을 투여한 결과 급성 염증유발시 나타나는 체중과 간 무게의 감소 방지에 효과를 보였으며, 염증성 반응효소인 COX-2와 iNOS발현을 억제하여 항염증 기능성을 가지는 것으로 나타났으며, 또한 간 독성지표가 감소하여 콘드로이틴 황산은 간 해독작용을 가지는 것으로 확인되었다. 이러한 효과와 효능들로 볼 때 폐기되는 홍어 연골로부터 재이용되는 콘드로이틴 황산이 건강기능성 식품의 소재 및 의약품 소재로 활용이 가능할 것으로 예상되었다.
홍어 연골 유래 단백질 가수분해 효소에 따른 수율측정 결과와 콘드로이틴 황산과 단백질의 함량 비교 및 GPC 측정결과 등을 종합하여 홍어 연골로부터 콘드로이틴 황산의 추출 및 분리가 가능하고, 항염증 기능성 및 간 독성 해독 작용이 확인되어 기능성 식품소재로서의 가능성이 있는 것으로 생각되었다. 상기의 고찰결과를 토대로 제조조건으로서 건조 홍어 연골의 24시간 침지, 3배의 가수와 1%의 alcalase 및 1% protamex 혼합 효소에 의한 50℃에서의 4시간 추출 및 가수분해, 75℃에서 30분간의 활성탄에 의한 탈취, 그리고 95℃에서 30분간의 활성소거와 40 °Brix로 감압농축 및 동결건조 등으로 설정하여 분말형태의 한량 25% 내외의 콘드로이틴 황산 제품을 제조하였고, 그 공정을 Fig.

후속연구

실험 쥐에 콘드로이틴 황산을 투여한 결과 급성 염증유발시 나타나는 체중과 간 무게의 감소 방지에 효과를 보였으며, 염증성 반응효소인 COX-2와 iNOS발현을 억제하여 항염증 기능성을 가지는 것으로 나타났으며, 또한 간 독성지표가 감소하여 콘드로이틴 황산은 간 해독작용을 가지는 것으로 확인되었다. 이러한 효과와 효능들로 볼 때 폐기되는 홍어 연골로부터 재이용되는 콘드로이틴 황산이 건강기능성 식품의 소재 및 의약품 소재로 활용이 가능할 것으로 예상되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	홍어는 무슨과에 속하는가?	가오리과에 속하는 홍어는 가오리와 매우 흡사한 모양이나 전체 몸길이가 1~1.5 m 가량으로 마름모꼴을 이루고 둥글고 가로로 퍼졌으며 머리가 작고 주둥이가 뾰족하며, 굵은 꼬리 윗부분에 2개의 지느러미와 가시가 2~4줄 늘어서 있다(KOSFOST, 2004).
	국내에서 가공되는 홍어의 소비후 부산물은 어떻게 사용되는가?	국내에서 소비되는 양은 매년 약 10,000 톤 정도이지만 홍어회 가공 후 연간 약 5,000톤의 부산물이 발생되고 있다(Choi, 2014). 이러한 홍어 부산물들은 일부가 사료로 이용되기도 하지만 특유의 냄새로 인하여 대부분 폐기되고 있으며, 이로 인해 발생되는 폐기물 처리 비용이 부담되고 환경오염의 문제 또한 무시할 수 없는 실정이다.
	홍어의 생김새적 특징은?	가오리과에 속하는 홍어는 가오리와 매우 흡사한 모양이나 전체 몸길이가 1~1.5 m 가량으로 마름모꼴을 이루고 둥글고 가로로 퍼졌으며 머리가 작고 주둥이가 뾰족하며, 굵은 꼬리 윗부분에 2개의 지느러미와 가시가 2~4줄 늘어서 있다(KOSFOST, 2004).

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