[논문]국내산 초피와 산초의 산업적 활용 가능성: 고당으로 유도된 뇌신경세포 독성에 대한 추출물의 보호 효과

한혜주; 박선경; 김민지; 안준우; 이세진; 강진용; 김종민; 허호진

doi:10.9721/kjfst.2020.52.3.274

국내산 초피와 산초의 산업적 활용 가능성: 고당으로 유도된 뇌신경세포 독성에 대한 추출물의 보호 효과
Industrial potential of domestic Zanthoxylum piperitum and Zanthoxylum schinifolium: Protective effect of both extracts on high glucose-induced neurotoxicity 원문보기

한국식품과학회지 = Korean journal of food science and technology, v.52 no.3, 2020년, pp.274 - 283

한혜주 (경상대학교 응용생명과학부(BK21 Plus), 농업생명과학연구원) , 박선경 (경상대학교 응용생명과학부(BK21 Plus), 농업생명과학연구원) , 김민지 (경상대학교 응용생명과학부(BK21 Plus), 농업생명과학연구원) , 안준우 (경상대학교 농업생명과학대학 식품공학과) , 이세진 (경상대학교 농업생명과학대학 식품공학과) , 강진용 (경상대학교 응용생명과학부(BK21 Plus), 농업생명과학연구원) , 김종민 (경상대학교 응용생명과학부(BK21 Plus), 농업생명과학연구원) , 허호진 (경상대학교 응용생명과학부(BK21 Plus), 농업생명과학연구원)

초록
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본 연구에서는 국내 주요 토종 향신료로 활용되는 초피(Zanthoxylum piperitum)와 산초(Zanthoxylum schinifolium)가 갖는 in vitro 항당뇨 활성과 뇌신경세포 보호 효과를 확인하고 이에 영향을 주는 주요 생리활성물질을 분석하고자 하였다. 추출 용매에 따른 차이를 비교하기 위하여 총 페놀함량을 측정한 결과, 공통적으로 40% 에탄올의 초피 추출물(EZP)과 산초 추출물(EZS)에서 뛰어난 함량을 나타냈으며, ABTS/DPPH 라디칼 소거 활성과 MDA 생성 억제 효과에 대해서도 상대적으로 우수한 항산화 활성을 보였다. 초피 추출물(EZP)와 산초 추출물(EZS)의 당뇨 관련 효소에 대한 저해 효과를 비교한 결과, 초피 추출물(EZP)는 α-amylase 및 α-glucosidase와 같은 효소를 직접적으로 억제하는 능력이 뛰어났으며, 산초 추출물(EZS)는 비효소적 반응으로 단백질과 당의 결합을 막아 최종당화산물의 생성을 억제하는 능력이 뛰어난 것으로 나타났다. 또한, MC-IXC 뇌신경세포에 고당을 처리하여 산화적 스트레스를 유발시켰을 때 생성되는 ROS의 함량과 뇌신경세포 사멸에 대해 우수한 보호 효과를 보여주었다. 이러한 초피 추출물(EZP)와 산초 추출물(EZS)의 생리활성물질을 확인하기 위해 UPLC IMS-QTOF/MS^E 분석을 실시한 결과, 초피 추출물(EZP)의 경우 3-CQA, 4-CQA, quercetin-3-O-glucoside 및 quercetin-3-O-rhamnoside가 주요 물질임을 확인하였으며, 산초 추출물(EZS)의 경우 protocatechuic acid glucoside, 5-CQA 및 rutin이 주요 물질임을 확인하였다. 이상의 결과로부터 초피와 산초는 식후 혈당의 급격한 상승을 지연 또는 개선하고 이로 인해 야기되는 산화적 스트레스로부터 뇌신경세포를 보호하여 고혈당으로 인한 퇴행성 뇌질환과 같은 당뇨 및 그 합병증을 예방할 수 있는 천연 유래 건강기능식품 소재로의 산업적 활용 가능성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study focused on the in vitro investigation of antioxidant and anti-diabetic activities, along with neuroprotection against high glucose-induced cytotoxicity, in order to evaluate the physiological effects of Zanthoxylum piperitum and Zanthoxylum schinifolium. The highest total phenolic content was measured in the 40% ethanolic extracts of Zanthoxylum piperitum (EZP) and Zanthoxylum schinifolium (EZS). The in vitro EZP antioxidant activity showed a relatively higher ABTS/DPPH radical scavenging activity and malondialdehyde inhibitory effect than that of EZS. The EZP inhibited carbohydrate hydrolysis (α-glucosidase and α-amylase) more efficiently than EZS in anti-diabetic tests. However, EZS showed a more efficient inhibition of advanced glycation end-products formation than EZP. In addition, both EZP and EZS effectively protected human-derived neuronal cells from high glucose-induced cytotoxicity. Finally, the physiological compounds were analyzed using UPLC IMS-QTOF/MSE, and the main EZP (quercetin-3-O-glucoside and 3-caffeoylquinic acid) and EZS (5-caffeoylquinic acid) compounds were identified as phenolic compounds.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Total phenolic contents (TPC) of ethanol extracts of Zanthoxylum piperitum and Zanthoxylum schinifolium.
그림 Fig. 2. ABTS (A) and DPPH (B) radical scavenging activity of 40% ethanol extracts of Zanthoxylum piperitum (EZP) and Zanthoxylum schinifolium (EZS).
그림 Fig. 3. Malondialdehyde (MDA) inhibitory effect of 40% ethanol extracts from Zanthoxylum piperitum (EZP) and Zanthoxylum schinifolium (EZS).
그림 Fig. 4. α-Amylase inhibitory effect (A) and α-glucosidase inhibitory effect (B) of 40% ethanol extracts from Zanthoxylum piperitum (EZP) and Zanthoxylum schinifolium (EZS).
그림 Fig. 5. Advanced glycation end products (AGEs) formation inhibitory activity of 40% ethanol extracts from Zanthoxylum piperitum (EZP) and Zanthoxylum schinifolium (EZS).
그림 Fig. 6. Reactive oxygen species (ROS) contents (A) and cell viability (B) of 40% ethanol extracts from Zanthoxylum piperitum (EZP) and Zanthoxylum schinifolium (EZS) on high glucose-induced cytotoxicity in MC-IXC cells.
그림 Fig. 7. UPLC IMS-QTOF/MS^E spectra in negative ion mode of 40% ethanol extracts from Zanthoxylum piperitum (EZP) (A) and Zanthoxylum schinifolium (EZS) (B).
표 Table 1. Identification of main compounds of 40% ethanol extract from Zanthoxylum piperitum (EZP)
표 Table 2. Identification of main compounds of 40% ethanol extract from Zanthoxylum schinifolium (EZS)

AI 본문요약
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문제 정의

schinifolium)는 예부터 쓰임새 및 형태가 유사하고 학명조차 혼동되어 사용되었기에 잘못 알려진 경우가 많으며, 다양한 생리활성 성분이 함유되어 있음에도 불구하고 이들 에 대한 직접적인 상호 비교한 연구는 미비했다. 그러므로 본 연구는 식품공전(식품원료목록)에 등재된 초피(Z. piperitum)와 산초 (Z. schinifolium)를 활용하여, 고당으로 유도된 뇌신경세포 독성에 대한 산화적 스트레스 개선 및 뇌신경세포 보호 효과를 확인함으로써 산업적 활용 가능성을 알아보고자 하였다.

제안 방법

83 mg GAE/g으로 두 향신료 모두 40% 에탄올 추출물에서 유의적으로 우수한 폴리페놀 함량을 나타내었다. 따라서 각 에탄올 추출물의 농도별 결과에 따라 가장 우수한 총 폴리페놀 함량을 나타낸 초피 추출물(초피 40% 에탄 올 추출물; EZP) 및 산초 추출물(산초 40% 에탄올 추출물; EZS) 이 갖는 in vitro 항산화 효과를 확인하기 위한 실험을 진행하였다.
만일 지속적 으로 고혈당의 환경에 노출될 시 세포 내 ROS의 생성량이 증가되어 신경 세포에 직접적인 독성 작용을 한다는 연구결과가 보고되어 있다(Cabello-Verrugio 등, 2016; Mun 등, 1997). 따라서 뇌신경세포 중 하나인 MC-IXC 세포에 고당(high glucose)을 처리하여 산화적 스트레스를 야기한 뒤, 초피 추출물(EZP)와 산초 추출물(EZS)를 처리하여 세포 내 산화적 스트레스 및 뇌신경세포 보호 효과에 대하여 측정하기 위해 DCF-DA와 MTT assay를 각각 실시하였다. DCF-DA는 세포 내 존재하는 ROS에 의해 비형광 화합물인 dichloro-dihydro-fluorescein diacetate (DCFH-DA) 가 dichlorofluorescein (DCF)로 전환되어 형광을 발하는 것을 이용하여 측정하는 방법으로 그 결과는 Fig.

대상 데이터

본 실험에 사용된 뇌신경세포(MC-IXC)는 인간의 뇌 조직에서 유래된 것이며 American Type Culture Collection (Manasas, VA, USA)로부터 구매하여 사용하였다. MC-IXC 세포는 10% 소태아 혈청 및 1% 페니실린이 포함된 MEM 배지를 배양액으로 하여 37^o C에서 5% CO₂ 조건으로 배양하였다.
본 연구에 사용된 초피(Z. piperitum)는 2017년 7월에 재배된 것(Geochang, Korea)을 구입하였으며, 산초(Z. schinifolium)는 2017 년 7월에 재배된 것(Jinan, Korea)을 구입하여 사용하였다. 이들은 동결건조기(Operon Co.
지질과산화물 생성 억제 효과는 마우스 뇌 조직을 이용하여 측정되었으며, 이를 위하여 실험동물 공급업체(Samtako Bio Korea Co., Ltd., Osan, Korea)로부터 4주령의 수컷 ICR 마우스를 구입하여 뇌를 적출하였다(경상대학교 동물실험 인가번호 GNU-120831- M0067). 뇌 조직 무게 10배의 20 mM Tris-HCl buffer (pH 7.

데이터처리

모든 실험 결과는 mean±standard deviation (SD)로 나타내었으며, 각 평균값에 대한 검증은 SAS software (version 9.4, SAS institute, Cary, NC, USA)를 이용하여 분산분석(analysis of variance, ANOVA)을 실시하였고, Ducan의 다중범위검정법(Duncan’s multiple range test)으로 각 시료 간의 유의차를 검증하였다.

성능/효과

또한, streptozotocin으로 유도된 당뇨 모델 rat에 대해 hyperin을 30일간 섭취시킨 후 경구 당부하 검사(oral glucose tolerance test, OGTT) 를 일주일 간격으로 실시하였을 때, hyperin 섭취 기간이 길어질수록 내당능 장애에 대해 개선 효과를 나타냈다고 보고하였다 (Verma 등, 2013). 따라서 이들 결과를 고려할 때 초피 추출물 (EZP)는 산초 추출물(EZS)보다 탄수화물 가수분해에 대해 더 우수한 억제 효과가 있음을 보였으며, 더 나아가 양성대조군인 acarbose 수준의 억제 활성을 보여줌으로써 자연 유래 탄수화물 가수분해 효소의 억제제로서의 가능성을 확인하였다.
5와 같이 나타내었다. 200 μg/mL에서 초피 추출물(EZP) 와 산초 추출물(EZS)의 최종당화산물 억제 효과는 각각 64.91 및 91.74%로 Fig. 4의 결과와는 다르게 산초 추출물(EZS)에서 더 우수한 억제 효과를 나타내었고, IC₅₀ 값은 각각 41.37 및 3.11 μg/ mL을 나타내었다. Aminoguanidine은 현재 최종당화산물 억제제로 개발되어 사용되고 있는 대표적인 양성대조군 중 하나로, 본 실험에서의 IC₅₀ 값은 36.
또한 Artemisia princeps Pampanini의 n-butanol 분획물에 함유되어 있는 다양한 CQA는 amyloid-beta로 유도된 산화적 스트레스에 대해 PC12 신경세포의 세포 생존율을 증가시킴으로써 항산화 활성을 기반으로 하여 뇌신경세포 보호 효과를 갖는 것으로 보고되었다(Lee 등, 2011). Quercetin은 flavonoid 계 화합물로 다양한 isomer 형태를 갖고 있으며, 따라서 초피 추출물(EZP)는 3-CQA, 4-CQA 및 quercetin-3-O-glucoside와 같은 생리 활성물질을, 산초 추출물(EZS)은 5-CQA 및 rutin 등의 생리활성 물질을 함유하고 있는 것으로 확인되었다. 초피 추출물(EZP)과 산초 추출물(EZS)의 항산화 활성, 당 대사 관련 효소 억제효과 및 고당에 의한 뇌신경세포 보호효과는 주요 생리활성 물질로써 페놀성 화합물에 의한 것으로 판단된다.
87%로 더 우수한 산화억제 효과를 보여주었다. 따라서 초피 추출물(EZP)와 산초 추출물(EZS)은 고당으로부터 야기된 뇌신경세포 내 산화적 스트레스를 효과적으로 감소시켜주는 것을 확인하였다.
초피 추출물(EZP)과 산초 추출물(EZS)의 ABTS 및 DPPH 라디칼 소거 활성을 확인해본 결과는 Fig. 2와 같이 나타났으며, 두 향신료 모두 농도가 증가함에 따라 ABTS 및 DPPH 라디칼 소거 활성이 높아지는 경향이 나타났다. ABTS 실험에서 초피 추출물(EZP)와 산초 추출물(EZS)의 IC₅₀ 값을 비교한 결과 각각 261.

후속연구

초피 추출물(EZP)과 산초 추출물(EZS)의 항산화 활성, 당 대사 관련 효소 억제효과 및 고당에 의한 뇌신경세포 보호효과는 주요 생리활성 물질로써 페놀성 화합물에 의한 것으로 판단된다. 하지만, 확인되지 않은 미지의 물질이나 상대적 미량의 물질들에 대한 연구 및 전임상 단계에서의 효능평가와 같은 추가적인 검증이 필요하다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초피란?	piperitum)와 산초(Zanthoxylum schinifolium; Z. schinifolium)는 우리나라를 비롯하여 중국, 일본 등 동아시아에 널리 자생하는 운향과의 산초나무속에 속하는 낙엽과목으로 오랜 기간 전통적인 향신료, 약용 및 제유용으로 이용된 유용식물자원이다. 이들의 잎, 줄기, 뿌리, 열매 등 여러 부위의 추출물에는 우수한 항산화 활성 및 다양한 기능성 물질을 함유하고 있음이 보고된 바 있다(Jang 등, 2007; Jang 등, 2006).
	산초(Z. schinifolium)에 함유된 대표적인 생리활성성분의 특징은?	piperitum)에는 신미성분 중 하나인 sanshool-I,II가 함유되어 있어 항균효과(Kurita와 Koike, 1982)를 갖는 것으로 알려져 있으며, 산초(Z. schinifolium)에는 불포화 지방산의 과산화를 억제하는 quercetin-3-O-α-L-rhamnopyranoside 및 quercetin-3-O-β-D-galactopyranoside가 함유되어 있어 어류가 갖는 특유의 비린내를 제거해주는 역할을 하고, 더 나아가 지방 과산화 및 간 손상 억제에 대한 효과가 있다고 알려져 있다(Mun 등, 1994; Mun, 2000). 그밖에도 초피(Z.
	MC-IXC세포내 스트레스 및 뇌신경세포 보호효과에 대해 측정하기 위해 DCG-DA와 MTT assay를 실시한 결과, 초피/산초 추출물은 뇌신경세포 내 산화적 스트레스에 어떤 영향을 주는가?	6A와 같다. 대조군 (100.00%) 대비 고당을 처리한 경우 119.79%로 세포 내 ROS의 함량이 약 20% 증가하는 것을 보였으며, 양성대조군인 vitamin C를 처리한 경우 고당에 의해 증가된 ROS의 약 40%가 감소되는 것을 보여 산화적 스트레스에 대한 억제 효과를 보여주었다. 또한, 초피 추출물(EZP)와 산초 추출물(EZS)을 처리해 준 경우 농도가 증가함에 따라 산화적 스트레스가 감소하는 결과를 나타 내었다. 특히 초피 추출물(EZP)와 산초 추출물(EZS) 모두 10 μg/ mL 이상의 농도에서 vitamin C보다 우수한 활성을 나타냈으며, 100 μg/mL에서는 각각 31.

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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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