[논문]아쿠아포닉스 기술을 이용한 친환경 항노화 제품 개발

김유아; 전태병; 장욱주; 박병준; 강학희

doi:10.15230/scsk.2019.45.3.307

아쿠아포닉스 기술을 이용한 친환경 항노화 제품 개발
Development of Sustainable Anti-aging Products Using Aquaponics Technology 원문보기

大韓化粧品學會誌 = Journal of the society of cosmetic scientists of Korea, v.45 no.3, 2019년, pp.307 - 317

김유아 (한국콜마(주) 피부천연물연구소) , 전태병 (농업회사법인 만나씨이에이(주)) , 장욱주 (한국콜마(주) 피부천연물연구소) , 박병준 (한국콜마(주) 피부천연물연구소) , 강학희 (한국콜마(주) 피부천연물연구소)

초록
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본 연구에서는 국내 자생식물로부터 지속가능한 천연 항노화 화장품 신소재 개발을 위해 수생식물인 어리연꽃의 친환경 아쿠아포닉스 시스템 적용 가능성 및 항노화 효능을 검증하였다. 어리연꽃은 아쿠아포닉스 시스템내에서 부엽형태의 담액식 방식에서 성장 가능하고, 근경번식을 통해 증식됨이 확인되었다. 또한, 어리연꽃의 재배에 질산염, 칼륨 및 수온이 크게 영향을 미치며, 최적 조건은 각각 $80{\mu}g/mL$, $63.5{\mu}g/mL$ 및 $25^{\circ}C$로 확인되었다. 특히 주성분 2종(3,7-di-O-methylquercetin-4'-O-${\beta}$-glucoside 및 sweroside)이 약 $5{\mu}g/mL$ 이상 함께 존재 시 시너지 유효성이 있었다. 어리연꽃 추출물은 환경 유해물질 $benzo[{\alpha}]pyrene$, ammonium nitrate, formaldehyde에 의해 손상된 피부 세포의 회복에 유의미한 효과가 있으며, 염증성 조절 인자인 $PGE_2$, $TNF-{\alpha}$ 및 COX-2를 억제하고, 콜라겐 분해 효소인 MMP-1의 생성을 억제함으로써 항염 및 항노화 효과가 있음이 확인되었다. 따라서 아쿠아포닉스 기술 기반 어리연꽃 추출물의 원료 표준화는 화장품 분야에서 신규 항노화 기능성 소재로서의 활용 가능성이 있을 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

To develop sustainable new natural anti-aging ingredients from Korean native plants, we investigated the cultivation potential of Nymphoides indica using the eco-friendly aquaponics system, and tested the anti-aging effects from N. indica extracts. N. indica could be grown in aquaponics system using floating leaved deep water culture method, and propagated through rhizome propagation. It was confirmed that the nitrate ($80{\mu}g/mL$), potassium ($63.5{\mu}g/mL$) and water temperature ($25^{\circ}C$) greatly affected the cultivation of the N. indica. In addition, synergistic effects were found when two major components (3,7-di-O-methylquercetin-4'-O-${\beta}$-glucoside & sweroside) were present at more than about $5{\mu}g/mL$. The extract had a significant effect on the recovery of skin cells damaged by environmental pollutant such as $benzo[{\alpha}]pyrene$, ammonium nitrate, formaldehyde. It also suppressed $PGE_2$, $TNF-{\alpha}$ and COX-2, and inhibited the production of MMP-1. Taken together, the results suggested that the standardized extracts of N. indica cultivated in the aquaponics has considerable potential as a new cosmetics ingredient with an anti-aging effect.

주제어

표/그림 (9)

그림 Figure 1. Practical deep water cultivation for N. indica. (A) free-floating and (B) floting leaved method.
그림 Figure 2. (A) Soil composition using peat moss, masato, and gravel, and (B) the soil environment using lightweight expanded clay aggregate (LECA).
표 Table 1. Calculated Parameters of The Initial Weight (g) While Being Supplied Nutrient Solution under Two Temperature Conditions
그림 Figure 3. Cutting position for breeding (A) N. indica (B) N. peltata in artificial culture.
그림 Figure 4. HPLC chromatogram of extracts of N. indica. C1 :3,7-di-O-methylquercetin-4’-O-β-glucoside, C2 : sweroside.
그림 Figure 5. Recovery effect of N. indica extract when inducing HaCaT cells damage by (A) benzo[α]pyrene (B) ammonium nitrate (C) formaldehyde.
그림 Figure 6. Inhibition of PGE₂ and TNF-α production in HaCaT cells of N. indica extract.
그림 Figure 7. Inhibitory effect of N. indica extract on COX-2 protein expression in HaCaT cells.
그림 Figure 8. MMP-1 inhibitory activity of N. indica extract in CCD-986sk cells.

AI 본문요약
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문제 정의

국내 자생의 어리연꽃속 대표식물인 어리연꽃에 대하여 자원화 및 표준화를 위한 재배 연구를 수행하였다. 재배 기간 동안 영양액 내의 pH, 질산염, 인산염, 칼륨 등의 다양한 미량원소의 농도 변화 양상을 측정하고 이를 정량화하였다.
담액식(deep water culture, DWC)를 이용한 부엽 환경 조성을 위하여 아쿠아포닉스 농장 내부에 수류가 발생하지 않는 배드와 뿌리 생장 환경 조성을 위한 연구를 수행하였다. 외부 병충해 확산을 방지하기 위하여 독립된 공간에서 양분 및 배수 등을 조절하였으며, 뿌리 생장 환경 조성을 위해 피트모스, 마사토, 자갈을 조합한 토양 조성 및 황토볼(630 g/pot) 토양 조성 방법을 통하여 담액식 재배 실험을 진행하였다.
수생식물은 주로 물속이나 물가에 서식하는 식물로 수중이라는 독특한 환경에서의 생존에 적응하기 위해 기존 육상식물과는 다른 2차 대사산물을 생산할 것으로 추정되나 그 산업적인 연구 사례는 육상식물에 비하여 낮은 실정이다[17,18]. 따라서 본 연구진은 산업적 가치를 갖는 새로운 수생식물 소재를 발굴하고자 한국에서 자생하는 3종의 어리연꽃속 식물을 천연물화학적으로 연구하여 어리연꽃(Nymphoides indica) 및 노랑어리연꽃(N. peltata) 추출물로부터 미백 및 주름 개선 등의 신규 화장품 소재로서의 가능성을 확인하였다[19-22]. 특히, 어리연꽃은 예로부터 열병, 머리 아픔 등 전통 약용작물로도 사용되어왔으나, 이를 산업화하기 위한 작물의 대량 확보가 어려워 자연을 훼손하지 않고 안정적으로 화장품 원료를 개발할 수 있는 표준화 연구가 필요한 실정이다.
본 연구에서는 최근 각광을 받고 있는 친환경 아쿠아포닉스 기술을 이용하여 지속가능한 신규 항노화 화장품 소재의 발굴을 위해 국내에 자생하는 수생식물인 어리연꽃의 표준화 연구 및 효능 연구를 수행하였다. 그 결과, 어리연꽃은 근경번식을 하며 부엽형태의 담액식 재배가 적합하였다.
특히, 어리연꽃은 예로부터 열병, 머리 아픔 등 전통 약용작물로도 사용되어왔으나, 이를 산업화하기 위한 작물의 대량 확보가 어려워 자연을 훼손하지 않고 안정적으로 화장품 원료를 개발할 수 있는 표준화 연구가 필요한 실정이다. 이에 본 연구에서는 국내 최초로 지속가능한 아쿠아포닉스 시스템으로 어리연꽃의 표준화를 연구하여 새로운 화장품 원료로의 개발 가능성을 입증하고자 하였다.
재배 기간 동안 영양액 내의 pH, 질산염, 인산염, 칼륨 등의 다양한 미량원소의 농도 변화 양상을 측정하고 이를 정량화하였다. 재배 방식을 표준화하고자 다양한 물리적 환경을 조정하여 이에 따른 결과를 관찰하였다. 온도와 영양 성분이 표본의 성장에 어떻게 영향을 주었는지 관찰하기 위해 생육 조건에 따라 생체 중량을 측정하였으며, 측정은 2개의 상이한 온도 성장 조건에서 표본을 공식적으로 이식한 후 7일, 14일, 21일 및 28일간으로 진행하였다.

제안 방법

24 h 후 PBS로 2회 washing 한 뒤 1 mL의 PBS를 well에 채워 ultraviolet B (UVB, 312 nm)를 20mJ/cm2 조건으로 조사한 뒤 시료를 5, 10, 25 μg/mL의 농도로 배지와 함께 시료를 처리하여 48 h 배양하였다.
HPLC 분석을 위한 컬럼은 C18 (phenomenex, 5 μm, 4.6 × 250 mm)을사용하였고, 이동상은 물과 아세토나이트릴(gradient, 95/5∼ 0/100, v/v, 50 min, 0.8 mL/min)을 사용하였다.
HaCaT 세포를 2 × 103 cells/well 농도로 96 well plate에 24 h 배양한 후 대기 오염원으로 알려져 있는 세 가지 세포 손상 인자 benzo[α]pyrene, ammonium nitrate 및 formaldehyde를 2.5, 500, 및 1.5 μg/mL의 농도로 각각 독립적으로 세포에 처리하였다.
CCD-986sk 세포(human skin dermal fibroblast)는 americantype culture collection (Manassas, USA)에서 구입하였으며,HaCaT (immortalized human keratinocytes)은 경희대학교 김형민 교수로부터 분양받아 사용하였다. MTT assay를 통해 세포생존율을 측정하기 위해 각 세포를 10% FBS 및 1% streptomycin/penicillin이 함유된 DMEM 배지에서 세포배양기 37℃, 5% CO₂조건으로 계대 배양 하였다. 이후 CCD-986sk세포의 경우, 1 × 10⁴ cells/well 농도로 96 well plate에 24 h 배양 후 농도별 시료를 처리하고 다시 45 h 배양시켰다.
반응종료 후 세포 배지를 제거한 뒤 세포를 모아 Pro-PREP solution으로 세포 내 단백질을 획득 후 western blot를 수행하기 위해 전기영동하였다. PVDF membrane으로 transfer 시킨 뒤 membrane을 5% bovine serum albumin (BSA)로blocking 하여, MMP-1의 발현량을 확인하기 위하여 1차 및 2차 항체를 순차적으로 처리하였다. 각 군별 발현량을 표준화하기 위하여 house keeping protein으로는 β-actin을 사용하였다.
UVA 조사가 완료된 후 25, 50 및 100 μg/mL의 농도로 배지와 함께 시료를 처리하여 다시 14 h 배양하였다.
세포의 배양액을 수거하여 prostaglandin E₂ (PGE₂) 및 tumor necrosis factor (TNF)-α 측정 실험에 사용하였으며 각각 PGE2assay kit 및 TNF-α assay kit를 이용하여 microplate reader로 450 nm에서 흡광도를 측정하고 활성을 수치화하였다. 또한 세포는 pellet을 확보하여 Pro-PREP solution으로 단백질을 획득한 후 cyclooxygenase (COX)-2 생성량을 측정하였다. 준비된 단백질은 10% sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE)로 분리하고 polyvinylidenedifluoride (PVDF) membrane으로 120 V에서 2 h transfer 하였다.
외부 병충해 확산을 방지하기 위하여 독립된 공간에서 양분 및 배수 등을 조절하였으며, 뿌리 생장 환경 조성을 위해 피트모스, 마사토, 자갈을 조합한 토양 조성 및 황토볼(630 g/pot) 토양 조성 방법을 통하여 담액식 재배 실험을 진행하였다. 또한, 이를 통하여 인공 배양액에서의 어리연꽃의 번식 방법을 관찰하였다.
UVA 조사가 완료된 후 25, 50 및 100 μg/mL의 농도로 배지와 함께 시료를 처리하여 다시 14 h 배양하였다. 반응종료 후 세포 배지를 제거한 뒤 세포를 모아 Pro-PREP solution으로 세포 내 단백질을 획득 후 western blot를 수행하기 위해 전기영동하였다. PVDF membrane으로 transfer 시킨 뒤 membrane을 5% bovine serum albumin (BSA)로blocking 하여, MMP-1의 발현량을 확인하기 위하여 1차 및 2차 항체를 순차적으로 처리하였다.
배양된 두 세포 모두 동일하게 5 mg/mL MTT 용액을 20 μL 처리하고 3 h 반응시킨 후 배양액을 제거하고 dimethyhlsulfoxide (DMSO)를 150 μL 넣고 10 min간 교반한 뒤 microplate reader를 이용하여 570 nm에서 흡광도를 측정하였으며 실험 대조구는 시료를 넣지 않은 blank로 하였다.
cells/dish). 분주한 세포를 24 h 배양 후 UVA의 조사에 방해될 수 있는 인자를 제거하기 위하여 세포배지를 제거하여, PBS로 2회 washing 한 뒤 15 mL의 PBS를 dish에 채워 UVA (365 nm)를 30 J/cm² 조건으로 조사하였다. UVA 조사가 완료된 후 25, 50 및 100 μg/mL의 농도로 배지와 함께 시료를 처리하여 다시 14 h 배양하였다.
세포의 배양액을 수거하여 prostaglandin E2 (PGE2) 및 tumor necrosis factor (TNF)-α 측정 실험에 사용하였으며 각각 PGE2assay kit 및 TNF-α assay kit를 이용하여 microplate reader로 450 nm에서 흡광도를 측정하고 활성을 수치화하였다.
어리연꽃 자원화 및 표준화를 위한 물리⋅영양⋅환경적재배연구를 수행하였다.
어리연꽃 추출물은 CCD-986sk 및 HaCaT 두 세포에 대하여 모두 최대 100 μg/mL 농도까지 세포독성을 나타내지 않았으며 이 결과를 바탕으로 효능시험 농도를 설정하였다.
어리연꽃 추출물의 CCD-986sk 및 HaCaT 세포에 대한 세포 생존율과 실험에 사용될 농도 범위 결정을 위해 MMT assay를 수행하였다. 어리연꽃 추출물은 CCD-986sk 및 HaCaT 두 세포에 대하여 모두 최대 100 μg/mL 농도까지 세포독성을 나타내지 않았으며 이 결과를 바탕으로 효능시험 농도를 설정하였다.
어리연꽃 추출물의 피부세포 내 MMP-1 생성 억제 효과를 확인하였다. 그 결과, 100 μg/mL의 어리연꽃 추출물의 처리군에서 UVA를 처리한 대조군 대비 99%의 MMP-1 발현율 감소를 보이며, UVA에 의한 MMP-1 발현을 충분히 억제하는 것을 확인할 수 있었다(Figure 8).
어리연꽃에 대한 환경 조건별 성분 변화를 관찰하기 위하여 2016년 12월부터 2018년 7월까지 월별로 재배,수확한 시료를 대상으로 추출물 내 2종의 유효/지표성분(3,7-di-O-methylquercetin-4’-O-β-glucoside (C1), sweroside(C2)) 함량을 HPLC를 이용하여 분석하였다.
어리연꽃의 번식을 위해 피트모스, 마사토(소), 마사토(대), 자갈을 크기순으로 순차적으로 3 : 1 : 1 : 1, 2 : 2 : 1: 1, 1 : 3 : 1 : 1 비율로 조합하여 3가지 조건에서 토양 적합성을 검토하였다. 그 결과, 부유물질을 방지하기 위해토양 표층에 사용한 자갈 및 마사토가 어리연꽃의 뿌리 번식에 적합하지 않음을 확인할 수 있었다.
영양적 요인으로는 양식 어종 가운데 환경 적응력이 뛰어난 향어(Cyprinus carpio)의 양식 부산물을 이용하여 자연적으로 분해되는 산물을 미량 조절하여 이용하였다. 어리연꽃의 생장에 가장 큰 영향을 미치는 시기와 이 시기의 영양자료 평균치 산정을 통해 어리연꽃의 적정 영양성분을 확인해 본 결과, 질산염과 칼륨이 중요한 요인으로 판단되었으며, 이에 대한 적정농도는 각각 80 μg/mL 및 63.
재배 방식을 표준화하고자 다양한 물리적 환경을 조정하여 이에 따른 결과를 관찰하였다. 온도와 영양 성분이 표본의 성장에 어떻게 영향을 주었는지 관찰하기 위해 생육 조건에 따라 생체 중량을 측정하였으며, 측정은 2개의 상이한 온도 성장 조건에서 표본을 공식적으로 이식한 후 7일, 14일, 21일 및 28일간으로 진행하였다.
담액식(deep water culture, DWC)를 이용한 부엽 환경 조성을 위하여 아쿠아포닉스 농장 내부에 수류가 발생하지 않는 배드와 뿌리 생장 환경 조성을 위한 연구를 수행하였다. 외부 병충해 확산을 방지하기 위하여 독립된 공간에서 양분 및 배수 등을 조절하였으며, 뿌리 생장 환경 조성을 위해 피트모스, 마사토, 자갈을 조합한 토양 조성 및 황토볼(630 g/pot) 토양 조성 방법을 통하여 담액식 재배 실험을 진행하였다. 또한, 이를 통하여 인공 배양액에서의 어리연꽃의 번식 방법을 관찰하였다.
8 mL/min)을 사용하였다. 유효/지표성분의 확인은 기 보고된 분광학적 자료를 이용하여 확인하였다[23-25].
이를 위해 benzo[α]pyrene, ammonium nitrate, formaldehyde 3종을 환경 유해물질 대체물질로 선정하여 이로 인한 손상된 세포의 회복 효과를 확인하였다.
또한 자갈, 마사토(대), 마사토(소)를 혼합한 조건(1 : 1 : 0, 1 : 0 : 1, 0 : 1 : 1mixing)에서도 물의 순환과 산소의 유입이 부족하여 부영양화 및 식물성 플랑크톤의 과생장에 의한 녹조가 발생하였으며, 재배 환경 조성에 부적합함을 확인할 수 있었다(Figure 2A). 이에 물의 순환이 원활한 황토볼을 이용하여 토양 조성 시험을 진행하였다. 한 포트당 약 630 g의 황토볼을 채우고 어리연꽃을 재배한 결과, 양액의 순환이 원활함과 동시에 관리가 용이하였으며, 30일간의 생장 기간 동안 식물체의 생육이 매우 양호하고, 번식 및 개화가 지속적으로 진행됨을 확인할 수 있었다(Figure 2B).
이후 시료를 25, 50 및 75 μg/mL의 농도로 처리하고 다시 21 h 배양시키고, 배양이 끝난 후 세포 생존율 측정과 동일한 방식으로 MTT 용액을 처리하고 흡광도를 측정하였다.
국내 자생의 어리연꽃속 대표식물인 어리연꽃에 대하여 자원화 및 표준화를 위한 재배 연구를 수행하였다. 재배 기간 동안 영양액 내의 pH, 질산염, 인산염, 칼륨 등의 다양한 미량원소의 농도 변화 양상을 측정하고 이를 정량화하였다. 재배 방식을 표준화하고자 다양한 물리적 환경을 조정하여 이에 따른 결과를 관찰하였다.
최근 이슈화되고 있는 환경 유해물질에 대하여 어리연꽃 추출물의 세포 손상 방어 효과를 측정하였다. 이를 위해 benzo[α]pyrene, ammonium nitrate, formaldehyde 3종을 환경 유해물질 대체물질로 선정하여 이로 인한 손상된 세포의 회복 효과를 확인하였다.
각 군별 발현량을 표준화하기 위하여 house keeping protein으로는 β-actin을 사용하였다. 항체처리가 완료된 membrane에 immobilonwestern chemiluminescent HRP substrate를 처리하여 형광 반응을 유도 후 현상하였다. 현상에는 Chemi-Doc 장비를 활용하였으며, CS analyzer 이미지 분석 소프트웨어를 이용하여 단백질 발현량을 분석하였다.
항체처리가 완료된 membrane에 immobilonwestern chemiluminescent HRP substrate를 처리하여 형광 반응을 유도 후 현상하였다. 현상에는 Chemi-Doc 장비를 활용하였으며, CS analyzer 이미지 분석 소프트웨어를 이용하여 단백질 발현량을 분석하였다. 시험 결과의 비교를 위한 양성대조구로는 0.
환경조건에 따른 유효/지표성분 변화를 관찰하기 위해 월별 어리연꽃 추출물 내 성분 함량을 분석하였다(Figure 4). 자생지에서 실내로 도입한 직후 시료인 16년 12월은 재배적응 전 시료 결과로 함량 계산에서 제외하고 데이터를 해석하였다.
종판별된 어리연꽃은 농업회사법인만나씨이에이의 아쿠아포닉스 시설에서 재배되었으며, 어리연꽃의 전초는 음건한 후 실온에서 에탄올에 3일 동안침지시키고 이 과정을 3회 반복하여 농축 후 동결 건조하여 추출물을 얻었다. 획득한 추출물은 성분 분석 및 invitro 효능 평가에 사용되었다.

대상 데이터

표준품인 sweroside는 Chengdu Biopurify PhytochemicalsLtd. (China)로부터 구입하였으며, 유효/지표성분의 함량분석은 Shimadzu LC-20A HPLC (high-performance liquid chromatography) system (LC-20AD pumps, Diode array detector (SPD-M20A), Shimadzu, Japan)을 사용하였다. 항노화효과 측정에 사용된 시약인 benzo[α]pyrene은 Wako (Japan),ammonium nitrate, formaldehyde solution (36.
CCD-986sk 세포(human skin dermal fibroblast)는 americantype culture collection (Manassas, USA)에서 구입하였으며,HaCaT (immortalized human keratinocytes)은 경희대학교 김형민 교수로부터 분양받아 사용하였다. MTT assay를 통해 세포생존율을 측정하기 위해 각 세포를 10% FBS 및 1% streptomycin/penicillin이 함유된 DMEM 배지에서 세포배양기 37℃, 5% CO₂조건으로 계대 배양 하였다.
PGE₂ assay kit 및 TNF-α ELISA kit는 각각 R&D system (USA) 및 Thermo Fisher Scientific (USA)에서구입하여 사용하였다. 본 실험에 사용된 UV irradiation system은 World corporation (Korea), microplate reader 장비는 Bio-rad model 680 (Hurcules, USA)를 사용하였으며,Chemi-Doc과 CS Analyzer는 Atto corporation (Japan), LAS4000(Fuji Film, Japan) 제품을 사용하였다.
본 실험에 사용된 어리연꽃은 국내산으로 광주광역시에소재한 농업회사법인 ㈜로터스그린(Korea)에서 구매하여사용하였으며, 국립생물자원관 생물자원연구부 식물자원과의 확증표본(NIBRVP0000592689)으로 생물 종 판별 시스템에 의해 확인되었다. 종판별된 어리연꽃은 농업회사법인만나씨이에이의 아쿠아포닉스 시설에서 재배되었으며, 어리연꽃의 전초는 음건한 후 실온에서 에탄올에 3일 동안침지시키고 이 과정을 3회 반복하여 농축 후 동결 건조하여 추출물을 얻었다.
세포독성 실험 및 배양을 위한 3-[4,5-dimethylthiazol-2-yl]-2,5-diphenyl-tetrazolium bromide(MTT)는 Sigma-Aldrich (USA), dulbeco’s modified eagle’smedium (DMEM), fetal bovine serum (FBS) 및 penecillinstreptomycin (100X)는 Hyclone (USA) 제품을 사용하였다.
시험 결과의 비교를 위한 양성대조구로는 0.1 μM 농도의 EGCG를 사용하였다.
유효성 평가를 위한 MMP-1, Pro-COL1A1, β-actin 항체는 Santa Cruz Biotechnology (USA)에서 구입하여 사용하였으며, PRO-PREP (Protein extraction solution)과 immobilonwestern chemiluminescent HRP substrate는 각각 iNtRONBiotechnology (Korea)와 Immobilon (Millipore, USA) 제품을 사용하였다.
환경조건에 따른 유효/지표성분 변화를 관찰하기 위해 월별 어리연꽃 추출물 내 성분 함량을 분석하였다(Figure 4). 자생지에서 실내로 도입한 직후 시료인 16년 12월은 재배적응 전 시료 결과로 함량 계산에서 제외하고 데이터를 해석하였다. 그 결과, C1 (3,7-di-O-methylquercetin-4’-O-β-glucoside)은 평균 7 μg/mL의 함량을 보였으며, 최고치는 18년 6월에 12.
본 실험에 사용된 어리연꽃은 국내산으로 광주광역시에소재한 농업회사법인 ㈜로터스그린(Korea)에서 구매하여사용하였으며, 국립생물자원관 생물자원연구부 식물자원과의 확증표본(NIBRVP0000592689)으로 생물 종 판별 시스템에 의해 확인되었다. 종판별된 어리연꽃은 농업회사법인만나씨이에이의 아쿠아포닉스 시설에서 재배되었으며, 어리연꽃의 전초는 음건한 후 실온에서 에탄올에 3일 동안침지시키고 이 과정을 3회 반복하여 농축 후 동결 건조하여 추출물을 얻었다. 획득한 추출물은 성분 분석 및 invitro 효능 평가에 사용되었다.

데이터처리

,USA)을 사용하였다. 각 실험구의 결과는 평균치와 표준편차로 나타내었으며, 실험값과 대조값 사이의 통계적으로 유의한 차이는 2-표본 t 검정을 사용하여 분석하고 유의적인 차이가 있는 항목에 대해서만 검정하였다. 실험군 간의 차이는 95% 수준(*p < 0.

성능/효과

17년 3월 시료의 경우, 추출물의 유효성이 가장 뛰어난 시기로 주성분의 함량 변화가 효능에 영향을 미치는 것으로 보이지만, C1의 함량이 가장 높은 16년 12월(15 μg/mL)의 효능이 최고치가 아닌 점을 감안하면 C1과 C2가 평균치 이상 혼합되어 함량이 유지될 때 그 효능이 증가할 것으로 추측된다.
HaCaT 세포 내에서의 PGE2 및 TNF-α 저해 활성을 측정한 결과, 어리연꽃 추출물 25 μg/mL의 농도에서 각각 55% 및 30%의 효과를 보이며 모두 농도의존적으로 우수한 저해 활성능을 나타내었다(Figure 6).
그 결과, 100 μg/mL의 어리연꽃 추출물의 처리군에서 UVA를 처리한 대조군 대비 99%의 MMP-1 발현율 감소를 보이며, UVA에 의한 MMP-1 발현을 충분히 억제하는 것을 확인할 수 있었다(Figure 8).
그 결과, C1 (3,7-di-O-methylquercetin-4’-O-β-glucoside)은 평균 7 μg/mL의 함량을 보였으며, 최고치는 18년 6월에 12.9 μg/mL, 최저치는 17년 3월에 3.7 μg/mL으로 기록되었다.
어리연꽃의 번식을 위해 피트모스, 마사토(소), 마사토(대), 자갈을 크기순으로 순차적으로 3 : 1 : 1 : 1, 2 : 2 : 1: 1, 1 : 3 : 1 : 1 비율로 조합하여 3가지 조건에서 토양 적합성을 검토하였다. 그 결과, 부유물질을 방지하기 위해토양 표층에 사용한 자갈 및 마사토가 어리연꽃의 뿌리 번식에 적합하지 않음을 확인할 수 있었다. 또한 자갈, 마사토(대), 마사토(소)를 혼합한 조건(1 : 1 : 0, 1 : 0 : 1, 0 : 1 : 1mixing)에서도 물의 순환과 산소의 유입이 부족하여 부영양화 및 식물성 플랑크톤의 과생장에 의한 녹조가 발생하였으며, 재배 환경 조성에 부적합함을 확인할 수 있었다(Figure 2A).
본 연구에서는 최근 각광을 받고 있는 친환경 아쿠아포닉스 기술을 이용하여 지속가능한 신규 항노화 화장품 소재의 발굴을 위해 국내에 자생하는 수생식물인 어리연꽃의 표준화 연구 및 효능 연구를 수행하였다. 그 결과, 어리연꽃은 근경번식을 하며 부엽형태의 담액식 재배가 적합하였다. 재배에 영향을 미치는 영양 성분은 질산염과 칼륨으로 각각 80 μg/mL과 63.
5 μg/mL으로 기록되었다. 두 성분이 각각 최고치로 기록되는 시기에 나머지 성분의 함량은 미미한 수준으로 확인되었으며, 이는 두 성분이 환경에 따라 서로 상호 보완적으로 성분 함량이 조절되는 것으로 판단된다. 특히, 두 성분이 동시에 평균치 이상으로 유지되는 시점은 2년 연속 3, 4월로 각각 약 7 μg/mL (C1) 및 5 μg/mL(C2)를 유지하는 것으로 확인되었다.
하지만, 자외선 등에 의해 피부 노화가 진행됨에 따라 이들 발현은 비정상적으로 이루어지며 피부 내 matrix를 구성하는 collagen을 분해하여 주름과 처짐을 발생한다는 것이 잘 알려져 있다. 따라서 어리연꽃 추출물은 자외선에 의하여 피부 세포 내 주름 형성에 영향을 주는 MMP-1단백질의 과발현을 억제하여 피부 노화를 예방하는 효과를 갖는다고 판단된다.
또한, 25μg/mL의 농도에서 염증 발현에 관여하는 PGE2, TNF-α, 그리고 COX-2의 신호전달 물질을 각각 55%, 30%, 61% 억제함으로써 결과적으로 피부 노화 및 손상 억제에 효과적인 것을 확인할 수 있었다.
및 TNF-α 저해 활성을 측정한 결과, 어리연꽃 추출물 25 μg/mL의 농도에서 각각 55% 및 30%의 효과를 보이며 모두 농도의존적으로 우수한 저해 활성능을 나타내었다(Figure 6). 또한, 동일한 농도에서 COX-2 protein의 발현 억제 측정 결과에서도 61%의 우수한 효과를 확인하였다(Figure 7). 피부 투과 장벽이 손상되면, 표피 내에서 TNF-α 등과 같은 사이토카인의 발현이 증가된다고 알려져 있으며[30], PGE₂는 가장 잘 알려진 염증 반응의 매개체로서의 역할뿐만 아니라, Th2 type 면역반응을 촉진하고 Th1 type의 면역반응은 억제하며, 대식세포에서 TNF-α, IL-1β, IL-8, IL-12 등의 염증성 사이토카인의 생성을 억제하고, IL-10과 같은 항염증성 사이토카인의 생성을 촉진하는 면역반응의 조절자로서의 역할이 많은 연구에서 밝혀졌다[31].
5μg/mL으로 나타났다. 또한, 환경적 요인 중에서 가장 큰 영향을 미치는 인자는 수온으로 최적 수온은 25 ℃로 낮은 온도 대비 재배 작물의 생중량이 증가함을 확인할 수 있었다(Table 1).
어리연꽃 자원화 및 표준화를 위한 물리⋅영양⋅환경적재배연구를 수행하였다. 물리적 환경으로 수생식물의 생육환경과 유사한 담액식 방식을 적용하였으며, 일반적인 수경재배 방식인 부유(free-floating) 형태로 어리연꽃의 잎과 뿌리가 모두 떠다니는 환경에서는 생장 장애가 있음을 확인하였다. 이에 원인을 확인해 본 결과, 자생하는 어리연꽃의 뿌리가 바닥에 고정되어 자라는 생육 특성이 있음을 확인하였다.
나아가, 인공배양액에서 어리연꽃의 번식 방법을 관찰한 결과, 어리연꽃은 잎에 뿌리가 생긴 뒤 떨어져 나가는 근경번식을 하는 모습이 관찰되었다(Figure 3). 본 연구에서는 어리연꽃의 근연속종인 노랑어리연꽃의 번식법 또한 동시에 확인한 결과, 어리연꽃과 달리 노랑어리연곷은 기는줄기번식을 하는 것으로 나타났다. 따라서 유사종이라 하더라도 종별 번식법이 다른점을 감안하여 자생식물의 성공적인 재배화를 위해 정확한 번식법 연구가 선행되어야 할 것으로 판단된다.
뿐만 아니라 in vitro 세포 실험에서 50 ∼ 75 μg/mL 농도의 어리연꽃 추출물이 피부 세포 손상을 유발시키는 외부 인자인 benzo[α]pyrene, ammonium nitrate, formaldehyde로부터 피부 손상을 12 ∼ 22%의 개선하였다.
시험 결과, benzo[α]pyrene 및 ammonium nitrate로 세포 손상을 유도한 그룹에서 어리연꽃 추출물 75 μg/mL의 농도에서 각각 14% 및 22%의 세포 활성이 개선되었으며,formaldehyde로 세포 손상을 유도한 그룹에서는 어리연꽃 50 μg/mL 농도에서 12%의 세포 활성이 개선되었음을 확인할 수 있었다(Figure 5).
아쿠아포닉스에서 시기별로 재배한 어리연꽃의 유효/지표성분에 대한 정량 분석을 실시한 결과, 3, 4월의 자연광 상태에서 주성분 2종(3,7-di-O-methylquercetin-4’-O-β-glucoside (C1) 및 sweroside (C2))의 함량이 약 5 μg/mL 이상 일정하게 유지되었으며, 이를 최적의 원료 재배 조건으로 설정하고 동일 환경에서 지속가능한 원료 확보가 가능하도록 표준화 조건을 설정하였다.
어리연꽃의 생장에 가장 큰 영향을 미치는 시기와 이 시기의 영양자료 평균치 산정을 통해 어리연꽃의 적정 영양성분을 확인해 본 결과, 질산염과 칼륨이 중요한 요인으로 판단되었으며, 이에 대한 적정농도는 각각 80 μg/mL 및 63.5μg/mL으로 나타났다.
물리적 환경으로 수생식물의 생육환경과 유사한 담액식 방식을 적용하였으며, 일반적인 수경재배 방식인 부유(free-floating) 형태로 어리연꽃의 잎과 뿌리가 모두 떠다니는 환경에서는 생장 장애가 있음을 확인하였다. 이에 원인을 확인해 본 결과, 자생하는 어리연꽃의 뿌리가 바닥에 고정되어 자라는 생육 특성이 있음을 확인하였다. 이에 자생환경과 유사한 부엽(floting leaved) 형태의 배드 환경을 변경 도입한 결과, 물의 순환 및 균형적인 영양공급으로 생장에 ‘이상 없음’을 확인하였다(Figure 1).
이에 자생환경과 유사한 부엽(floting leaved) 형태의 배드 환경을 변경 도입한 결과, 물의 순환 및 균형적인 영양공급으로 생장에 ‘이상 없음’을 확인하였다(Figure 1).
재배에 영향을 미치는 영양 성분은 질산염과 칼륨으로 각각 80 μg/mL과 63.5 μg/mL의 농도가 적절하며,환경적 주요 요인으로 수온은 25 ℃가 최적 조건으로 확인되었다.
종합적으로 국내 최초로 자연의 훼손을 극소화하는 아쿠아포닉스 기술로 연중 표준화된 화장품 원재료의 수급이 가능하게 되었으며, 어리연꽃은 국내 대표 친환경 항노화 화장품 신소재로의 활용가치가 있는 것으로 판단된다. 또한, 향후 본 연구를 기초로 아쿠아포닉스 기술에 다양한 천연 소재를 적용하여 지속가능한 화장품 신소재 개발 및 제품화 연구에 기여 하고자 한다.
특히, 두 성분이 동시에 평균치 이상으로 유지되는 시점은 2년 연속 3, 4월로 각각 약 7 μg/mL (C1) 및 5 μg/mL(C2)를 유지하는 것으로 확인되었다.
이에 물의 순환이 원활한 황토볼을 이용하여 토양 조성 시험을 진행하였다. 한 포트당 약 630 g의 황토볼을 채우고 어리연꽃을 재배한 결과, 양액의 순환이 원활함과 동시에 관리가 용이하였으며, 30일간의 생장 기간 동안 식물체의 생육이 매우 양호하고, 번식 및 개화가 지속적으로 진행됨을 확인할 수 있었다(Figure 2B). 나아가, 인공배양액에서 어리연꽃의 번식 방법을 관찰한 결과, 어리연꽃은 잎에 뿌리가 생긴 뒤 떨어져 나가는 근경번식을 하는 모습이 관찰되었다(Figure 3).

후속연구

본 연구에서는 어리연꽃의 근연속종인 노랑어리연꽃의 번식법 또한 동시에 확인한 결과, 어리연꽃과 달리 노랑어리연곷은 기는줄기번식을 하는 것으로 나타났다. 따라서 유사종이라 하더라도 종별 번식법이 다른점을 감안하여 자생식물의 성공적인 재배화를 위해 정확한 번식법 연구가 선행되어야 할 것으로 판단된다.
종합적으로 국내 최초로 자연의 훼손을 극소화하는 아쿠아포닉스 기술로 연중 표준화된 화장품 원재료의 수급이 가능하게 되었으며, 어리연꽃은 국내 대표 친환경 항노화 화장품 신소재로의 활용가치가 있는 것으로 판단된다. 또한, 향후 본 연구를 기초로 아쿠아포닉스 기술에 다양한 천연 소재를 적용하여 지속가능한 화장품 신소재 개발 및 제품화 연구에 기여 하고자 한다.
또한, 25μg/mL의 농도에서 염증 발현에 관여하는 PGE₂, TNF-α, 그리고 COX-2의 신호전달 물질을 각각 55%, 30%, 61% 억제함으로써 결과적으로 피부 노화 및 손상 억제에 효과적인 것을 확인할 수 있었다. 이는 염증 매개의 다양한 질환에도 효과적일 것으로 판단되어 향후 다양한 질병 치료 및 예방에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
이를 바탕으로 재배 환경을 검토해본 결과, 2, 3 및 7 ∼ 9월경 수온의 변화가 크게 있었음을 확인할 수 있었으며, 유사 환경조성을 통한 재현성 연구가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	천연화장품에 대한 소비자의 니즈가 친환경산업 변화를 유도하는 이유는?	화장품 산업에서도 폐자원을 활용하여 제품을 개발하거나 지속가능한 원료를 대체하고자 하는 노력들이 이루어지고 있다[11,12]. 특히, 천연화장품에 대한 소비자의 니즈는 감성적인 코스메틱 산업에서 유기농 및 친환경을 내세우는 신제품의 개발로 이어지고 나아가 마케팅 요소로도 작용하고 있어 친환경산업 변화를 유도하고 있다. 아쿠아포닉스(aquaponics)란 수산양식(aquaculture)와 수경재배(hydroponics)가 결합된 최첨단 시스템으로 수산양식에서 발생하는 배설물을 식물 성장 영양소로 이용하면서 수질 정화 및 식물성장을 지속적으로 이어가는 유기생산법이다[13,14].
	아쿠아포닉스(aquaponics)란?	특히, 천연화장품에 대한 소비자의 니즈는 감성적인 코스메틱 산업에서 유기농 및 친환경을 내세우는 신제품의 개발로 이어지고 나아가 마케팅 요소로도 작용하고 있어 친환경산업 변화를 유도하고 있다. 아쿠아포닉스(aquaponics)란 수산양식(aquaculture)와 수경재배(hydroponics)가 결합된 최첨단 시스템으로 수산양식에서 발생하는 배설물을 식물 성장 영양소로 이용하면서 수질 정화 및 식물성장을 지속적으로 이어가는 유기생산법이다[13,14]. 이 기술은 수산양식에서 발생하는 과량의 오폐수를 친환경적으로 재사용함으로써 부영양화, 녹조, 적조 등의 수질오염을 예방함과 동시에 식물 재배에 필요한 농약, 비료 등의 사용을 유기농으로 대체함으로써 글로벌 지속가능한 기술로 각광을 받고 있다[15].
	아쿠아포닉스(aquaponics)가 각광받는 이유는 무엇인가?	아쿠아포닉스(aquaponics)란 수산양식(aquaculture)와 수경재배(hydroponics)가 결합된 최첨단 시스템으로 수산양식에서 발생하는 배설물을 식물 성장 영양소로 이용하면서 수질 정화 및 식물성장을 지속적으로 이어가는 유기생산법이다[13,14]. 이 기술은 수산양식에서 발생하는 과량의 오폐수를 친환경적으로 재사용함으로써 부영양화, 녹조, 적조 등의 수질오염을 예방함과 동시에 식물 재배에 필요한 농약, 비료 등의 사용을 유기농으로 대체함으로써 글로벌 지속가능한 기술로 각광을 받고 있다[15]. 국내에서도 Ha & Jeong (2017)에 의해 엽채류 생산성 검토가 선행되어, 청하청치마 상추 품종의 생산성에 유의미한 효과를 보고한 바 있다[16].

저자의 다른 논문 :

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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