[논문]유산균 발효에 의한 손바닥선인장 줄기추출물의 지표물질 함량 변화 분석

신동원; 이상호; 이소연; 한은혜

doi:10.5806/ast.2018.31.6.219

유산균 발효에 의한 손바닥선인장 줄기추출물의 지표물질 함량 변화 분석
Analysis of Marker Components of Fermented Opuntia ficus-indica var. saboten Stem Extracts 원문보기

분석과학 = Analytical science & technology, v.31 no.6, 2018년, pp.219 - 224

신동원 (고려은단 연구소) , 이상호 (고려은단 연구소) , 이소연 (고려은단 연구소) , 한은혜 (고려은단 연구소)

초록
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손바닥선인장(Opuntia ficus-indica var. saboten)은 제주도 자생식물로 섭취가 가능하고 항염 및 항산화, 인지개선 등 다양한 효능이 보고되었다. 본 연구에서는 손바닥선인장 줄기추출물의 지표물질 함량과 인지개선 효능을 높이기 위해 유산균 발효를 수행하였으며, 비발효추출물과 발효추출물 간 지표물질 함량 차이를 비교하고 acetylcholinesterase (AChE)의 저해 활성도를 평가하여 유산균 발효가 인지장애 개선에 미치는 효과를 연구하였다. 지표물질로는 손바닥선인장 줄기 중 함량이 높은 dihydrokaempferol(DHK)과 항산화 효능이 우수하다고 알려진 quercetin-3-methyl ether (3-MeQ)를 선정하였으며, 함량은 HPLC-PDA (280 nm, 360 nm)로 측정하였다. 실험 결과, 발효추출물의 DHK 함량은 비발효추출물에 비해 16.7 % 증가하였고, 3-MeQ 함량은 L. plantarum과 L. fermentum 발효추출물에서 각각 28.6 %, 21.4 % 증가하였다. 또한, 발효추출물의 AChE 저해 활성이 비발효추출물 ($IC_{50}=28.35mg/mL$)보다 높았으며, 발효추출물 중에서도 L. plantarum 발효추출물 ($IC_{50}=12.56mg/mL$)이 L. fermentum 발효추출물 ($IC_{50}=17.71mg/mL$)보다 높은 AChE 저해 활성을 보였다. 따라서 손바닥선인장 줄기추출물은 유산균 발효에 의해 지표성분 함량이 증가되었으며, AChE 저해 활성이 높아지고 이로 인해 인지장애 개선 효과가 나타난 것으로 사료된다. 이러한 결과는 효능이 향상된 고부가가치의 손바닥선인장 제품 개발에 유용한 자료로 활용될 수 있을 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

The fruit and stem of Opuntia ficus-indica var. aboten (OFS), a native plant of Jeju Island, are considered a safe food source. Moreover, stem extracts have been previously reported to possess a variety of biological effects (e.g. anti-inflammatory and anti-oxidant, including the ability to partially ameliorate cognitive impairment), suggesting that this plant may have utility as a functional food. The present study investigated whether fermentation by lactic acid bacteria enhances the biological effects of OFS extracts. The acetylcholinesterase (AChE) inhibitory activity of fermented or non-fermented OFS extracts was evaluated, and the content of marker components dihydrokaempferol (DHK) and quercetin-3-methyl ether (3-MeQ) was analyzed using high-performance liquid chromatography. Fermented (relative to non-fermented) OFS extracts exhibited improved AChE inhibitory activity ($IC_{50}=28.35 mg/mL$), with AChE inhibitory activity resulting from fermentation by L. plantarum ($IC_{50}=12.56mg/mL$) exceeding that resulting from fermentation by L. fermentum ($IC_{50}=17.71mg/mL$). Furthermore, fermented (relative to non-fermented) OFS extracts exhibited a 16.7 % increase in DHK content, and 3-MeQ content of OFS extracts fermented by L. plantarum and L. fermentum increased by 28.6 % and 21.4 %, respectively. Therefore, OFS stem extract AChE inhibitory activity, as well as DHK and 3-MeQ content, was enhanced by fermentation with Lactobacillus spp. This suggests that fermented OFS extracts may contribute to prevention or improvement of cognitive impairment. These data are anticipated to be useful in the development of enhanced-efficacy OFS products.

주제어

표/그림 (9)

표 Table 1. Content analytic condition of 3, 5-DCQA
그림 Fig. 1. Structure of Dihydrokaempferol (A) and Quercetin-3-methyl ether (B).
그림 Fig. 2. Calibration curves of DHK (A) and 3-MeQ (B).
그림 Fig. 3. Chromatograms of DHK of non-fermented (A), fermented with L. plantarum (B), and fermented with L. fermentum (C) at 280 nm.
표 Table 2. Content of Dihydrokaempferol at 280 nm
표 Table 3. Content of Quercetin-3-methyl ether at 360 nm
그림 Fig. 4. Chromatograms of 3-MeQ of non-fermented (A), fermented with L. plantarum (B), and fermented with L. fermentum (C) at 360 nm.
그림 Fig. 5. Acetylcholinesterase inhibitory activity of OFS stem extract: non-fermented (A), fermented with L. plantarum (B), and fermented with L. fermentum (C).
표 Table 4. AChE inhibitory activity of OFS stem extracts

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 손바닥선인장 줄기추출물의 지표물질 함유량과 효능을 증가시키기 위한 일환으로 유산균 발효를 수행하였다. High Performance Liquid Chromatography (HPLC)를 이용하여 손바닥선인장 발효추출물과 비발효추출물 간의 지표물질 함량 변화를 확인하고, AChE 저해 활성도 평가를 통해 발효추출물의 인지장애 개선에 대한 효과를 확인해 보고자 하였다. 발효에 사용한 균주는 산업현장에서 식용 균주로 사용되고 있는 Lactobacillus plantarum과 Lactobacillus fermentum으로, 손바닥선인장 줄기추출물을 발효시킨 다음, HPLC를 이용하여 지표성분의 함량을 분석하였다.
기존 연구에서 인삼을 발효하였을 때 흡수율이 증가13하였고, 항염·항통증14 및 항산화15 효과가 향상되는 것이 확인된 보고가 있어 본 연구에서는 손바닥선인장 줄기추출물을 L. plantarum과 L. fermentum로 유산균 발효하였을 때 인지능력 개선 효능의 변화를 확인하기 위해 AChE 저해 활성을 평가하였다.
이러한 기전으로 인해 AChE에 대한 억제제가 치매 치료제로도 개발되었다. 따라서 본 연구에서는 손바닥선인장 줄기추출물의 유산균 발효에 의한 인지능력 개선 효과를 확인하고자 AChE 저해 활성도를 평가하였다. Fig.
이에 본 연구에서는 손바닥선인장 줄기추출물의 지표물질 함유량과 효능을 증가시키기 위한 일환으로 유산균 발효를 수행하였다. High Performance Liquid Chromatography (HPLC)를 이용하여 손바닥선인장 발효추출물과 비발효추출물 간의 지표물질 함량 변화를 확인하고, AChE 저해 활성도 평가를 통해 발효추출물의 인지장애 개선에 대한 효과를 확인해 보고자 하였다.

제안 방법

DHK와 3-MeQ분석은 최대 흡광도를 나타내는 280 nm와 360 nm에서 각각 크로마토그램을 추출하여 면적을 구하여 농도별표준액의 검량곡선으로부터 각 화합물의 함유량을 계산하였다.¹⁰ 각 검량곡선에 각 3회 반복 분석한 비발효추출물, L. plantarum 발효추출물, L. fermentum 발효추출물 검액을 적용하여 함량을 산출하였다.
10 시료 분석을 위해 역상 컬럼인 C18 column (250 × 4.6 mm, 5 μm)을 사용하였고 온도는 30℃로 설정하였으며, 이동상으로는 1 %의 phosphoric acid (이동상 A)와 acetonitrile (이동상 B)을 사용하여 1.0 mL/min 유속으로 시료 20 µL를주입하여 gradient 조건으로 분석하였다(Table 1).
AChE 저해 활성 평가는 AChE에 의해 acetylcholine iodide가 thiocholine으로 분해되는데, 이를 DTNB와 반응시켜 생성된 5-thio-nitrobenzoate의 흡광도 변화를 확인하는 Ellman법¹¹을 변형하여 사용하였다. 시료의 저해 활성을 측정하기 위하여 0.
분석시간대별 이동상 조건은 Table 1와 같다. DHK와 3-MeQ분석은 최대 흡광도를 나타내는 280 nm와 360 nm에서 각각 크로마토그램을 추출하여 면적을 구하여 농도별표준액의 검량곡선으로부터 각 화합물의 함유량을 계산하였다.¹⁰ 각 검량곡선에 각 3회 반복 분석한 비발효추출물, L.
검액은 L. plantarum과 L. fermentum을 이용해 발효한 손바닥선인장 줄기추출물(발효추출물)과 유산균을 주입하지 않은 손바닥선인장 줄기추출물(비발효추출물)을 각각 0.5 g을 취하여 50 % 메탄올 10 mL로 20 분간 초음파 추출하여 녹인 다음 20 mL로 표선하고 0.20 µmsyringe filter (Satorius Stedim Biotech, Göttingen,Germany)로 여과하여 준비하였다.
검액의 분석은 각각 3회씩 진행하였고, 표준액 검량곡선을 사용하여 함량을 계산하였다. 각 검액의 함량 평균은 Microsoft Excel 프로그램의 수식을 이용하여 계산하였다.
또한, HPLC를 이용하여 비발효추출물과 유산균 발효추출물 간의 지표성분 함량을 비교하였다. 지표물질은 손바닥선인장 줄기 및 열매추출물에 대한 구조분석 연구¹²와 HPLC-PDA로 손바닥선인장 줄기추출물의 성분을 profiling하고 method validation한 연구¹⁰를기반으로 손바닥선인장 줄기 중 함량이 높은 DHK와항산화 효능이 우수하다고 알려진 3-MeQ로 선정하였다.
High Performance Liquid Chromatography (HPLC)를 이용하여 손바닥선인장 발효추출물과 비발효추출물 간의 지표물질 함량 변화를 확인하고, AChE 저해 활성도 평가를 통해 발효추출물의 인지장애 개선에 대한 효과를 확인해 보고자 하였다. 발효에 사용한 균주는 산업현장에서 식용 균주로 사용되고 있는 Lactobacillus plantarum과 Lactobacillus fermentum으로, 손바닥선인장 줄기추출물을 발효시킨 다음, HPLC를 이용하여 지표성분의 함량을 분석하였다. 지표성분으로는 손바닥선인장 줄기추출물에서 함량이 높은 dihydrokaempferol (DHK)과 항산화 효능이 우수하다고 보고된 quercetin-3-methyl ether (3-MeQ)을 선정하였다.
지표물질은 손바닥선인장 줄기 및 열매추출물에 대한 구조분석 연구¹²와 HPLC-PDA로 손바닥선인장 줄기추출물의 성분을 profiling하고 method validation한 연구¹⁰를기반으로 손바닥선인장 줄기 중 함량이 높은 DHK와항산화 효능이 우수하다고 알려진 3-MeQ로 선정하였다. 본 연구에서는 각각의 최대 흡광도인 280 nm와 360 nm에서 지표성분으로 선정된 DHK와 3-MeQ를 HPLC로 함량을 분석하였다. 손바닥선인장 추출물의 DHK 함량은 비발효추출물 대비 L.
지표성분인 DHK와 3-MeQ의 표준시료를 각각의 크로마토그램으로 얻은 값으로 검량곡선을 구하였다. DHK은 y=44796x − 7072.
5mM ATCI 40 µL를 가해준 다음 37℃에서 30 분간 반응시키고 spectrophotometer를 이용하여 405 nm에서 흡광도를 측정하였다. 추출물 색에 의한 수치보정을 위하여 blank 그룹에는 ATCI 대신 buffer를 처리하였다. AChE 저해 활성 백분율은 아래의 공식에 따라 계산하였다.
표준액 분석을 위해 지표성분인 DHK과 3-MeQ의표준품을 5, 12.5, 20 µg/mL 농도로 조제하였다.

대상 데이터

AChE 저해 활성 평가에 사용된 화합물인 Sodium phosphate와 ATCI (acetylcholine iodide), AChE (Acetylcholinesterase), DTNB (5,5'-dithiobis-(2-nitrobenzoicacid))은 Sigma-Aldrich Co. (St. Louis, MO, USA)에서 구매하였다.
HPLC 분석기기는 Waters ACQUITY Arc System(Waters Corporation, Milford, MA, USA)의 2998photodiode array detector (PDA), Sample Manager FTNR (auto sampler), Quaternary Solvent Manager-R (quaternary pump), column heater를 사용하였으며 HPLC column은 Agilent사의 ZORBAX Eclipse plus C18 column(250 × 4.6 mm, 5 μm, Agilent, USA)을 사용하였다.
HPLC 함량분석에 사용한 표준물질인 dihydrokaempferol (DHK)과 quercetin-3-methyl ether (3-MeQ)은 Sigma-Aldrich Co. (St. Louis, MO, USA)에서 구매하였다. AChE 저해 활성 평가에 사용된 화합물인 Sodium phosphate와 ATCI (acetylcholine iodide), AChE (Acetylcholinesterase), DTNB (5,5'-dithiobis-(2-nitrobenzoicacid))은 Sigma-Aldrich Co.
손바닥선인장 줄기추출물 및 2종의 유산균에 의한 발효추출물은 SK바이오랜드 (Ansan, Korea)에서 제공받았으며, 2종의 유산균에 의한 발효추출물은 37℃에서 24시간, 접종 및 배양되었다.
또한, HPLC를 이용하여 비발효추출물과 유산균 발효추출물 간의 지표성분 함량을 비교하였다. 지표물질은 손바닥선인장 줄기 및 열매추출물에 대한 구조분석 연구¹²와 HPLC-PDA로 손바닥선인장 줄기추출물의 성분을 profiling하고 method validation한 연구¹⁰를기반으로 손바닥선인장 줄기 중 함량이 높은 DHK와항산화 효능이 우수하다고 알려진 3-MeQ로 선정하였다. 본 연구에서는 각각의 최대 흡광도인 280 nm와 360 nm에서 지표성분으로 선정된 DHK와 3-MeQ를 HPLC로 함량을 분석하였다.
발효에 사용한 균주는 산업현장에서 식용 균주로 사용되고 있는 Lactobacillus plantarum과 Lactobacillus fermentum으로, 손바닥선인장 줄기추출물을 발효시킨 다음, HPLC를 이용하여 지표성분의 함량을 분석하였다. 지표성분으로는 손바닥선인장 줄기추출물에서 함량이 높은 dihydrokaempferol (DHK)과 항산화 효능이 우수하다고 보고된 quercetin-3-methyl ether (3-MeQ)을 선정하였다.¹⁰ 지표 물질의 함량은 HPLC-PDA(280 nm, 360 nm)로 method validation¹⁰한 시험법으로 측정하였다.

데이터처리

검액의 분석은 각각 3회씩 진행하였고, 표준액 검량곡선을 사용하여 함량을 계산하였다. 각 검액의 함량 평균은 Microsoft Excel 프로그램의 수식을 이용하여 계산하였다.

이론/모형

지표성분으로는 손바닥선인장 줄기추출물에서 함량이 높은 dihydrokaempferol (DHK)과 항산화 효능이 우수하다고 보고된 quercetin-3-methyl ether (3-MeQ)을 선정하였다.¹⁰ 지표 물질의 함량은 HPLC-PDA(280 nm, 360 nm)로 method validation¹⁰한 시험법으로 측정하였다. 연구 결과를 함께 비교 분석함으로써 유산균 발효 전후 손바닥선인장 추출물 내 지표성분함량 변화와 인지장애 개선 효과 간의 상관관계를 확인하였다.
HPLC 분석법은 기존에 알려진 손바닥선인장 줄기 추출물 분석법을 사용하였다. 10 시료 분석을 위해 역상 컬럼인 C18 column (250 × 4.

성능/효과

따라서 본 연구에서는 손바닥선인장 줄기추출물의 유산균 발효에 의한 인지능력 개선 효과를 확인하고자 AChE 저해 활성도를 평가하였다. Fig. 5에서 확인할 수 있는 바와 같이 발효추출물의 AChE 저해 활성도가 비발효추출물에 비해 높았으며,발효 추출물 중에서도 L. plantarum를 이용한 발효추출물이 L. fermentum 발효추출물보다 AChE 저해 활성도가 높았다. 또한 L.
fermentum 발효추출물은 0.17±0.002 mg/g로 각각 28.6 %, 21.4 % 증가하였다(Table 3).
결론적으로 손바닥선인장 줄기추출물은 유산균 발효에 의해서 지표성분의 함량과 인지개선 효과가 증가되었다. 이는 효능이 향상된 고부가가치의 손바닥선인장 제품 개발에 유용한 자료로 활용될 것으로 사료된다.
71 mg/mL)보다 상대적으로 높은 AChE 저해 활성도를 나타냈다. 따라서 손바닥선인장 발효추출물은 비발효추출물에 비해 AChE 저해 활성이 더욱 증가하여 인지장애 개선에 보다 효과적일 것으로 사료된다.
fermentum 발효추출물보다 AChE 저해 활성도가 높았다. 또한 L. plantarum 발효추출물 (IC50=12.56 mg/mL)과 L. fermentum 발효추출물 (IC50=17.71mg/mL)의 IC50 값은 비발효추출물 (IC50=28.35 mg/mL)의 IC50 값에 비해 2.26배, 1.60배 증가하였다(Table 4). 이와 같은 결과는 손바닥선인장 줄기추출물은 발효에 의해서 AChE 저해 활성도가 더욱 증가하며, 인지능력 개선에도 보다 효과적으로 작용할 것으로 사료된다.
손바닥선인장 줄기추출물의 DHK의 함량은 비발효추출물에서 0.12±0.001 mg/g, L. plantarum과 L. fermentum 발효추출물에서 각각 0.14±0.001 mg/g, 0.14±0.002mg/g으로 발효추출물의 DHK의 함량이 비발효추출물에 비해 16.7 % 증가하였다(Table 2).
본 연구에서는 각각의 최대 흡광도인 280 nm와 360 nm에서 지표성분으로 선정된 DHK와 3-MeQ를 HPLC로 함량을 분석하였다. 손바닥선인장 추출물의 DHK 함량은 비발효추출물 대비 L. plantarum과 L.fermentum 발효추출물 모두 동일하게 16.7% 증가하였고, 3-MeQ의 함량은 비발효추출물 대비 L. plantarum과 L. fermentum 발효추출물에서 각각 28.6 %, 21.4 % 증가하였다. 이러한 결과는 유산균 발효추출물의 지표 물질 함량이 비발효추출물에 비해 높기 때문에 손바닥선인장 줄기추출물은 발효를 통하여 항산화, 인지능력 개선 등 관련 효능을 증가시킬 수 있다는 것을 시사해 준다.
¹⁰ 지표 물질의 함량은 HPLC-PDA(280 nm, 360 nm)로 method validation¹⁰한 시험법으로 측정하였다. 연구 결과를 함께 비교 분석함으로써 유산균 발효 전후 손바닥선인장 추출물 내 지표성분함량 변화와 인지장애 개선 효과 간의 상관관계를 확인하였다.
fermentum로 유산균 발효하였을 때 인지능력 개선 효능의 변화를 확인하기 위해 AChE 저해 활성을 평가하였다. 유산균발효추출물은 비발효추출물에 비해 높은 AChE 저해 활성이 보였으며, L. plantarum 발효추출물 (IC50=12.56mg/mL)이 L. fermentum 발효추출물 (IC50=17.71 mg/mL)보다 상대적으로 높은 AChE 저해 활성도를 나타냈다. 따라서 손바닥선인장 발효추출물은 비발효추출물에 비해 AChE 저해 활성이 더욱 증가하여 인지장애 개선에 보다 효과적일 것으로 사료된다.

후속연구

결론적으로 손바닥선인장 줄기추출물은 유산균 발효에 의해서 지표성분의 함량과 인지개선 효과가 증가되었다. 이는 효능이 향상된 고부가가치의 손바닥선인장 제품 개발에 유용한 자료로 활용될 것으로 사료된다.
60배 증가하였다(Table 4). 이와 같은 결과는 손바닥선인장 줄기추출물은 발효에 의해서 AChE 저해 활성도가 더욱 증가하며, 인지능력 개선에도 보다 효과적으로 작용할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	손바닥선인장은 어떤 식물인가?	손바닥선인장은 제주도에서 자생하는 다년초로서 민간에서 기관지, 천식, 위염, 신장염, 당뇨 등의 증상에 효능이 있는 것으로 알려져 있다.1 최근 손바닥선인장에 대한 연구가 활발히 진행되면서 위 점막 보호 및 항염증 작용,2, 3 면역체계 개선 효과,4 인지 개선5등에 대한 다양한 효능이 보고되었다.
	손바닥선인장의 열매와 줄기 추출물은 인체에 어떤 효능이 있는가?	1 최근 손바닥선인장에 대한 연구가 활발히 진행되면서 위 점막 보호 및 항염증 작용,2, 3 면역체계 개선 효과,4 인지 개선5등에 대한 다양한 효능이 보고되었다. 특히 인지장애개선과 관련하여 손바닥선인장의 열매와 줄기 추출물이 항산화 효과와 신경 보호 효과가6 있으며, 마우스를 이용한 동물실험에서 손바닥선인장 줄기 추출물이 장기 기억을 향상시켰다.5
	고부가가치의 손바닥선인장 제품 개발이 기대되는 이유는 무엇인가?	결론적으로 손바닥선인장 줄기추출물은 유산균 발효에 의해서 지표성분의 함량과 인지개선 효과가 증가되었다. 이는 효능이 향상된 고부가가치의 손바닥선인장 제품 개발에 유용한 자료로 활용될 것으로 사료된다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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