[논문]프락토올리고당을 함유한 야콘 추출물의 비피더스균에 대한 잠재적인 프리바이오틱 효과

김수정; 손황배; 권빈; 박명수; 홍수영; 남정환; 서종택; 이종남; 김기덕; 장동칠; 김율호

doi:10.9721/kjfst.2020.52.2.149

프락토올리고당을 함유한 야콘 추출물의 비피더스균에 대한 잠재적인 프리바이오틱 효과
Potential prebiotic effects of yacon extract, a source of fructooligosaccharides, on Bifidobacterium strains 원문보기

한국식품과학회지 = Korean journal of food science and technology, v.52 no.2, 2020년, pp.149 - 155

초록
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본 연구에서는 야콘 덩이뿌리 추출물이 프로바이오틱스인 비피더스균과 락토바실러스균의 생장에 미치는 영향을 구명하고자 하였다. 야콘의 당함량을 HPLC로 분석한 결과, 생체 중 100 g 당프락토올리고당 함량이 7.60 g으로 가장 많았으며, 유리당은 수크로스가 0.72 g, 프럭토스 0.34 g, 글루코스 0.26 g 순의 함량을 보였다. 야콘 추출물이 장내 유산균 활성에 미치는 영향을 구명하기 위해 락토바실러스 3종(L. acidophilus AD031, L. plantarum BH02 and L. fermentum BH03)과 비피더스 3종(B. bifidum BGN4, B. longum BORI, B. lactis AD011) 등 6종을 대상으로 대조군과 야콘처리군 배지에서 유산균의 생장속도를 비교하였다. 락토바실러스 3종의 균주들은 대조군과 야콘처리군에서 대수기에 도달하는 시간이 비슷하였고, 생균수에서도 비슷하거나 감소하는 경향을 보였다. 하지만, 비피더스 3종의 경우 야콘처리군에서 모두 생장이 증가되었고, 특히, B. longum BORI 균주는 배양 10시간 이후부터 대조군과의 확연한 차이를 나타냈다. 이와 같은 결과로, 야콘 추출물은 장내 유익균 중에서도 비피더스균에 특이적인 증식 효과를 보이며, 야콘의 프락토올리고당이 비피더스균 증식에 적합한 영양원임을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study was conducted to investigate the potential prebiotic activity of an extract from yacon tuberous root on the growth of probiotic strains Bifidobacterium and Lactobacillus. Results showed that the amount of fructooligosaccharides per 100 g fresh root was the highest (7.60 g), followed by sucrose (0.72 g), fructose (0.34 g), and glucose (0.26 g). The in vitro culture test of intestinal beneficial bacteria, including Bifidobacterium longum BORI, B. bifidum BGN4, and B. lactis AD011 showed effective growth on the MRS-Yacon medium containing yacon extract, whereas the growth of Lactobacillus acidophilus AD031, L. plantarum BH02, and L. fermentum BH03 did not differ from that of the control groups. In particular, B. longum BORI showed better growth than the control group after 10 h of incubation. These results indicate that yacon can be a natural prebiotic source of fructooligosaccharides, which can exert a prebiotic effect on intestinal microflora by selectively enriching Bifidobacterium.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Chromatographic profiles of standard solutions of three main fructooligosaccharides (A) and four free sugar (B) by HPLC and sugar analysis, respectively.
그림 Fig. 2. Scanning electron microscopy of Bifidobacterium and Lactobacillus strains used in the experiment.
표 Table 1. Composition and content of MRS-Control and MRS-Yacon medium
그림 Fig. 3. Nutrient composition of fructooligosaccharides and free sugar content in yacon tuberous root.
그림 Fig. 4. Growth curves in MRS-Control and MRS-Yacon extract media of six probiotics strains such as Bifidobacterium and Lactobacillus.
그림 Fig. 5. Bioavailability and maximum growth curves for Bifidobacterium strains tested in in MRS-Control and MRS-Yacon extract media.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 야콘 추출물을 이용하여 in vitro 상에서 비피더스균 및 락토바실러스균의 생장률 및 생장속도를 조사 하여 야콘의 프리바이오틱스 효과를 평가하였다. 또한, 프락토올리고당이 함유된 야콘 추출물과 특정 유산균 증식간의 상관성을 구명하여, 향후 신바이오틱 제품 개발 연구에 필요한 기초자료를 마련하였다.
따라서, 본 연구에서는 야콘 추출물을 이용하여 in vitro 상에서 비피더스균 및 락토바실러스균의 생장률 및 생장속도를 조사 하여 야콘의 프리바이오틱스 효과를 평가하였다. 또한, 프락토올리고당이 함유된 야콘 추출물과 특정 유산균 증식간의 상관성을 구명하여, 향후 신바이오틱 제품 개발 연구에 필요한 기초자료를 마련하였다.
본 연구에서는 야콘 추출물이 장내 유산균 활성에 미치는 영향을 구명하기 위해 건강한 한국인의 장에서 분리한 락토바실러스 3종과 비피더스 3종을 대상으로 두 차례의 실험을 수행하였다. 먼저 1차 실험에서 락토바실러스 3종(Lactobacillus acidophilus AD031, L.

제안 방법

(주)비피도(BIFIDO Co, Ltd., Hongcheon, Korea)가 건강한 한국인의 장에서 분리하여 개발한 균주(Fig. 2)을 각각의 MRS 배지(Table 1)에 2% 접종하여 37ºC에 18시간 혐기배양한 후 4ºC에 냉장 보관하였다.
fermentum BH03)을 야콘처리군과 대조군에 접종하여 2시간 간격으로 12시간까지 총 6회에 걸쳐 생균수를 측정하였다. 2차 실험에서는 선발된 균주 활성 평가를 위해 1차에서 선발된 비피더스 3종(B. bifidum BGN4, B. longum BORI, B. lactis AD011)을 MRS-Control 배지 및 MRSYacon 배지에 접종하여 30시간까지 총 6회에 걸쳐 생균수를 측정해 내용물 g당 균수(CFU, colony forming units per gram of sample)로서 상용로그를 취하여 생육곡선으로 나타내었다.
고속액체크로마토그래프(Waters 2695 HPLC, Waters Co., Milford, MA, USA)에 컬럼(Supelcosil LC-NH 2 , 25 cm×4.5 mm I.D., 5 μm particles, Bellefonte, PA, USA)을 장착하고, 온도는 30ºC로 유지하였다.
대상균주는 실험 전 3회 이상 계대 배양하여 활성화시킨 후 사용하였다. 먼저 1차 실험에서 균주 선발을 위해 비피더스 3종(B. bifidum BGN4, B. longum BORI, B. lactis AD011) 및 락토바실러스 3종(Lb. acidophilus AD031, Lb. plantarum BH02, Lb. fermentum BH03)을 야콘처리군과 대조군에 접종하여 2시간 간격으로 12시간까지 총 6회에 걸쳐 생균수를 측정하였다. 2차 실험에서는 선발된 균주 활성 평가를 위해 1차에서 선발된 비피더스 3종(B.
먼저 1차 실험에서 락토바실러스 3종(Lactobacillus acidophilus AD031, L. plantarum BH02, L. fermentum BH03)과 비피더스 3종(Bifidobacterium bifidum BGN4, B. longum BORI, B. lactis AD011) 등 6종의 유산균을 대상으로 대조군(MRS-control)과 야콘처리군(MRS-yacon) 배지에서 유산균의 생장정도를 비교하였다 (Fig. 4).
야콘 덩이뿌리를 동결건조한 시료 10g에 10배의 80% 에탄올을 각각 가하여 교반 추출기(VS-8480, Vision Scientific Co., Ltd., Seoul, Korea)로 25ºC에서 24시간 동안 200 rpm으로 추출하여 여과지(No. 5 Whatman)로 여과한 다음, 회전진공농축기(EYELA CCA-1110, Tokyo, Japan)를 이용하여 용매를 제거하는 방법으로 야콘 추출물을 제조하였다.
야콘처리군(MRS-yacon) 배지는 0.05%의 L-cysteine HCl (Sigma Aldrich)을 첨가한 MRS broth에 1%의 야콘 추출물을 첨가하여 121ºC에 15분간 멸균하여 제조하였으며, 생균수 측정을 위한 평판배지는 0.05%의 L-cysteine HCl (Sigma-Aldrich)을 첨가한 MRS broth에 1.5% agar를 첨가하여 제조하였다.
유리당 분석을 위해 당분석기(Sugar analyser, DKK-TOA, Tokyo, Japan)에 당전용 컬럼(PCI-520 Φ4.6×150 mm 0.5 μm, DKK-TOA, Tokyo, Japan)을 장착하였다.
유리당과 프락토올리고당 분석을 위해 표준용액과 추출용액을 멤브레인 필터(0.45 μm, Milipore, Bedford, MA, USA)로 여과한 후 분석에 사용하였다.
이와 같은 결과를 바탕으로 2차 실험에서는 증식 효과가 확인된 비피더스균 3종을 대상으로 생균수를 30시간까지 측정하여 유산균의 증식 양상을 세밀하게 평가하였다(Fig. 5). 비피더스균 B.
, Osaka, Japan)은 케스토즈(1-kestose=GF₂), 니스토즈(nystose=GF₃), 프락토 푸란노실니스토즈(1^F -fructofuranosylnystose=GF₄)의 표준품을 각각 사용하였다. 프락토올리고당은 표준물 3가지를 합산한 농도를 계산하였다.

대상 데이터

본 실험에는 강원도 평창군 진부면 시험포장(해발고도 560 m) 에서 야콘 재래종을 5월 중순에 정식한 후 10월 중순에 수확한 덩이뿌리를 시료로 채취하였다. 야콘의 덩이뿌리 시료는 분석 직전까지 초저온냉동고(-70ºC)에 보관하였다.
7 mL/min로 하였으며, 자동주입장치(Auto sampler ICA-200AS, DKK-TOA)를 이용하여 분석하였다. 유리당 표준용액은 글루코스, 프럭토스, 수크로스, 말토즈(Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA)의 표준품을 사용하였다.
2)을 각각의 MRS 배지(Table 1)에 2% 접종하여 37ºC에 18시간 혐기배양한 후 4ºC에 냉장 보관하였다. 유익균 배양을 위한 생육배지로는 0.05%의 L-cysteine HCl (Sigma Aldrich)을 첨가한 Lactobacilli MRS broth (BD Difco^TM , Franklin Lakes, NJ, USA)를 사용하였다. 야콘처리군(MRS-yacon) 배지는 0.
5 μm, DKK-TOA, Tokyo, Japan)을 장착하였다. 이동상은 0.2 M 수산화나트륨(NaOH)를 사용하였고, 유속은 0.7 mL/min로 하였으며, 자동주입장치(Auto sampler ICA-200AS, DKK-TOA)를 이용하여 분석하였다. 유리당 표준용액은 글루코스, 프럭토스, 수크로스, 말토즈(Sigma-Aldrich, St.
, 5 μm particles, Bellefonte, PA, USA)을 장착하고, 온도는 30ºC로 유지하였다. 이동상은 아세토니트릴: 증류수(acetonitrile:water =70:30, v/v)를 이용하였으며, 유속은 1.0 mL/min로 하였다. 검출기는 굴절률 검출기(Waters 2414 Refractive Index Detector, Waters)를 이용하였다.
검출기는 굴절률 검출기(Waters 2414 Refractive Index Detector, Waters)를 이용하였다. 프락토올리고당의 표준용액(Fructooligosaccharides Set, Wako Pure Chemical Industries, Ltd., Osaka, Japan)은 케스토즈(1-kestose=GF₂), 니스토즈(nystose=GF₃), 프락토 푸란노실니스토즈(1^F -fructofuranosylnystose=GF₄)의 표준품을 각각 사용하였다. 프락토올리고당은 표준물 3가지를 합산한 농도를 계산하였다.

데이터처리

본 실험에서 얻어진 자료는 완전임의배치로서 처리의 평균은 SAS software (Cary NC, USA)의 평균과 표준오차를 분석하였다. 세균 총수는 log10으로 변환시킨 후 분석하였으며, 평균의 차이는 최소유의차(least significant difference, LSD)에 의해서 비교하였다.
본 실험에서 얻어진 자료는 완전임의배치로서 처리의 평균은 SAS software (Cary NC, USA)의 평균과 표준오차를 분석하였다. 세균 총수는 log10으로 변환시킨 후 분석하였으며, 평균의 차이는 최소유의차(least significant difference, LSD)에 의해서 비교하였다. 모든 통계적 유의성은 p<0.

이론/모형

유리당과 프락토올리고당 분석은 식품공전(KFDA, 2005)에서 명시된 방법에 준하여 실시하였다. 시료 10 g에 80% 에탄올 50 mL를 가하여 균질기(Ultra-Turrax T25 Basic Homogenizer, IKA Co.
프락토올리고당 분석도 식품공전(KFDA, 2005)에 준하여 실시하였다. 고속액체크로마토그래프(Waters 2695 HPLC, Waters Co.

성능/효과

이러한 대조군과 야콘처리군간의 차이는 통계적으로도 유의한 것으로 확인되었다. B. bifidum BGN4와 B. lactis AD011 균주는 각각 6-12시간에서 대조군과 통계적 유의차가 있었으며, B. longum BORI 균주의 경우 6시간 이후 모든 조사구간에서 통계적 유의성이 확인되었다.
이러한 차이는 두 균의 이용하는 영양원이 다른 데서 기인한 것으로 판단된다. 또한, 비피더스균 중 B. longum BORI 균주의 경우 30시간까지도 증식효과가 뛰어난 것으로 관찰되었는데, 이는 B. longum BORI 균주가 한국인의 장에서 분리한 유산균이란 점을 고려할 때, 한국인의 장내 환경을 개선할 수 있는 맞춤형 제품개발이 가능함을 시사한다. 본 연구를 통해 야콘처리군에서 프로바이오틱스인 비피더스균의 성장이 촉진되는 것을 확인하였으며, 야콘의 프락토올리고당이 주요 원인 물질임을 입증할수 있었다.
longum BORI 균주가 한국인의 장에서 분리한 유산균이란 점을 고려할 때, 한국인의 장내 환경을 개선할 수 있는 맞춤형 제품개발이 가능함을 시사한다. 본 연구를 통해 야콘처리군에서 프로바이오틱스인 비피더스균의 성장이 촉진되는 것을 확인하였으며, 야콘의 프락토올리고당이 주요 원인 물질임을 입증할수 있었다. 따라서 프리바이오틱스인 야콘추출물과 프로바이오틱 스인 비피더스균을 조합함으로써 유산균 증식효과가 우수한 신바이오틱 조성물을 개발할 수 있을 것으로 기대된다.
‘충분한 양’이란 프로바이오틱스의 기능성분의 수를 생균으로 1억(100,000,000) CFU/g 이상을 함유해야 한다고 하였다(Kim 등, 2018). 본 연구에서 비피더스균은 30시간에 B. bifidum BGN4 균주는 7.5억 CFU/g, B. longum BORI 균주는 15.3억 CFU/g, B. lactis AD011 균주는 24.3억 CFU/g의 생균수를 보여 높은 증식효과를 나타내었다.
6% 정도 함유되어 있다고 보고하였다. 본 연구에서도 야콘 생체 중 100 g 당 프락토올리고당 함량이 7.60 g으로 가장 많았으며, 유리당은 수크로스가 0.72 g, 프럭토스 0.34 g, 글루코스 0.26 g 순의 함량을 나타냈다(Fig. 3). 이러한 결과를 기존 연구와 비교하였을 때, 프락토올리고당과 글루코스 함량은 보고된 함량 범위를 보였으나 프럭토스의 경우 함량이 현저히 적은 것으로 나타났다.
본 연구에서도 야콘처리군에서 락토바실러스균의 증식 효과는 관찰되지 않았으나 비피더스균에서는 뚜렷한 증식효과가 확인되었다. 이러한 차이는 두 균의 이용하는 영양원이 다른 데서 기인한 것으로 판단된다.
5). 비피더스균 B. bifidum BGN4와 B. lactis AD011 균주는 야콘처리군에서 생균수 값이 배양 12시간까지 급속히 증가하였으나 그 이후에는 대조군과 비슷하거나 떨어지는 경향을 보였다. 하지만, B.
4). 실험에 공시된 락토바실러스 3종의 균주들은 대조군과 야콘처리군에서 대수기(log phase)에 도달하는 시간이 비슷하였고, 생균수에서도 대조군보다 낮거나 비슷하여 차이를 보이지 않았다. 하지만 비피더스 3종(B.
3). 이러한 결과를 기존 연구와 비교하였을 때, 프락토올리고당과 글루코스 함량은 보고된 함량 범위를 보였으나 프럭토스의 경우 함량이 현저히 적은 것으로 나타났다. 이러한 차이는 숙성된 야콘의 경우 프락토올리고당이 감소하면서 프럭토스 함량이 급격히 증가한다는 기존 연구결과(Kim 등 , 2013b)를 고려할 때, 수확 후 저장기간이 성분 함량에 영향을 미친 것으로 판단된다.
longum BORI 균주는 야콘처리군에서 배양 초기 6시간까지는 대조군과 생균수의 차이가 없었으나 12시간 이후부터 생장이 급격히 증가하여 30 시간 까지도 대조군에 비해 높았다. 이러한 대조군과 야콘처리군간의 차이는 통계적으로도 유의한 것으로 확인되었다. B.
lactis 균주에서 대조군과의 통계적 유의차가 확인되었다. 특히, B. longum BORI균주는 배양 8시간까지는 대조군과 야콘처리군에서 비슷한 생장을 보였으나, 10시간 이후부터 야콘처리군에서 균주의 생장이 더욱 촉진되어 대조군과의 확연한 차이를 나타냈다(Fig. 4.). 이는 8시간까지는 배지내의 포도당을 주로 사용하다가 이 영양원이 소진된 후에 야콘추출물의 프락토올리고당을 프리바이오틱스로 이용하는 능력이 우수한 비피더스균, 특히, B.
lactis AD011 균주는 야콘처리군에서 생균수 값이 배양 12시간까지 급속히 증가하였으나 그 이후에는 대조군과 비슷하거나 떨어지는 경향을 보였다. 하지만, B. longum BORI 균주는 야콘처리군에서 배양 초기 6시간까지는 대조군과 생균수의 차이가 없었으나 12시간 이후부터 생장이 급격히 증가하여 30 시간 까지도 대조군에 비해 높았다. 이러한 대조군과 야콘처리군간의 차이는 통계적으로도 유의한 것으로 확인되었다.

후속연구

본 연구를 통해 야콘처리군에서 프로바이오틱스인 비피더스균의 성장이 촉진되는 것을 확인하였으며, 야콘의 프락토올리고당이 주요 원인 물질임을 입증할수 있었다. 따라서 프리바이오틱스인 야콘추출물과 프로바이오틱 스인 비피더스균을 조합함으로써 유산균 증식효과가 우수한 신바이오틱 조성물을 개발할 수 있을 것으로 기대된다.
영양학적 측면에서도 프락토올리고당은 난소 화성으로 체내에 흡수되지 않고 대장까지 도달함으로 생체 내에서 천연 식이섬유소와 유사한 역할을 한다. 따라서, 기능성이 우수한 프락토올리고당이 풍부한 야콘의 경우 향후 기능성 식품 소재로 이용 가치가 높을 것으로 판단된다.
이처럼, 프락토올리고당은 많은 종류의 식물에 함유되어 있는 천연 당 성분이지만 작물 중에서 야콘처럼 함량이 많은 경우는 드물다. 따라서, 향후 관련 연구를 통해 야콘의 프리바이오틱스 효과를 확장해 나갈 필요가 있을 것으로 판단된다. 또한 프리바이오틱스로 이용될 수 있는 다양한 식품들을 대상으로 식품의 기능성을 향상시키는 재료로서 야콘의 활용성을 높이는 연구가 지속적으로 이루어져야 할 것으로 생각된다.
따라서, 향후 관련 연구를 통해 야콘의 프리바이오틱스 효과를 확장해 나갈 필요가 있을 것으로 판단된다. 또한 프리바이오틱스로 이용될 수 있는 다양한 식품들을 대상으로 식품의 기능성을 향상시키는 재료로서 야콘의 활용성을 높이는 연구가 지속적으로 이루어져야 할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	2015년 식품의약품통계연보에 의한 건강기능식품 제조 품목 수의 순위는?	최근 식품의약품통계연보에 의하면 2015년 건강기능식품 제조 품목 수는 비타민 및 무기질이 5,169건으로 제일 많고, 홍삼이 2,554건으로 두 번째, 프로바이오틱스가 세 번째를 차지하고 있다. 특히, 프로바이오틱스의 시장 성장률은 23.
	야콘은 무엇인가?	] H. Robinson) 은 남미 안데스 지역이 원산지로 고구마와 비슷하게 생긴 덩이뿌리(괴근)에 프락토올리고당 및 항산화 성분과 같은 다양한 기능성 물질을 함유하고 있다(Endt, 1983). 지금까지 야콘에 관한 연구로는 이화학 성분 분석(Kim 등, 2012; Lee 등, 2002), 수집계통별 프락토올리고당 함량 분포(Kim 등, 2013a), 저장기간 및 저장온도에 따른 프락토올리고당 함량 변화(Douglas 등, 2002; Kim 등, 2011) 등과 같은 성분 분석과 환경에 의한 함량 변화에 관한 연구가 주로 수행되었다(Kim 등, 2013a; Kim 등, 2013b).
	소화성 올리고당과 난소화성 올리고당 중 장내 환경 개선에 더 적합한 것은?	반면 난소화성 올리고당은 소장에서 소화, 흡수가 되지 않아 대장까지 도달하는 특성이 있으며, 프락토올리고당이 대표적이다(Kim 등, 2013a; Kim 등, 2013b). 소화성, 난소화성 올리고당 모두 장내 환경을 개선시키는 효능을 가지고 있으나, 소화성 올리고당의 경우 소장 등에서 흡수가 되어 대장까지 잘 도달하지 못하는 경우가 많고 당분 흡수율도 더 높아 프락토올리고당 등의 난소화성 올리고당이 장내 환경 개선에 더 적합하다(Lee 등, 2003).

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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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