[논문]유기 게르마늄 농축수로 재배한 농산물의 항염 및 함암효과

이명선

doi:10.7318/kjfc/2021.36.1.103

유기 게르마늄 농축수로 재배한 농산물의 항염 및 함암효과
Anti-inflammatory and Anti-cancer Effects of Agricultural Produce Grown with Organic Germanium-enriched Water 원문보기

韓國食生活文化學會誌 = Journal of the Korean Society of Food Culture, v.36 no.1, 2021년, pp.103 - 109

Abstract ▼ AI-Helper

The study was conducted to identify the anti-inflammatory and anti-cancer effects in sprouts of mouse-eyed bean (Rhynchosia nulubilis), ginseng (Panax ginseng), perilla (Perilla frutescens), broccoli (Brassica oleracea var. italica), and lettuce (Lactuca sativa) grown with organic germanium concentrate. Western blot analysis was performed to assess the anti-inflammatory activity of the extract. All extracts exhibited noticeable anti-oxidant activity, indicating a significant correlation between the germanium content and anti-oxidant activity (p<0.05). In particular, rat-eyed bean sprouts with the highest germanium content showed significant anti-inflammatory activity (p<0.05) by significantly inhibiting the expression of the inflammatory complexes, NLRP3, cytokines IL-1β and caspase-1. Ginseng and broccoli sprouts showed strong anti-cancer properties and had high anti-oxidant effects (p<0.001). Germanium-concentrated water allows the mass production of agricultural products containing high concentrations of organic germanium. Agricultural produce grown with germanium concentrate add organic germanium to various physiological active ingredients, increasing the anti-oxidant and anti-cancer effects. These results strongly suggest that agricultural products containing high germanium concentrations can be used as novel health supplements to improve health.

주제어

표/그림 (5)

그림 Ionization equipment for making germanium enriched water.
표 Ge (Germanium) contents of each agricultural product
그림 DPPH radical scavenging activity of extract in ethanol of (A) mouse-eyed bean sprout, (B) ginseng sprout, (C) perilla sprout, (D) broccoli sprout, (E) lettuce sprout containg germanium. Statistical analysis was performed using the Duncan's multiple range test. *p<0.05, **p<0.01, ***p<0.001 compared with control
그림 The inhibitory effect of (A) mouse-eyed bean sprout, (B) ginseng sprout, (C) perilla sprout, (D) broccoli sprout, (E) lettuce sprout containg germanium on the growth of human prostate cancer cell line, PC-3 after 24 hr of incubation at 37ºC. Statistical analysis was performed using the Duncan’s multiple range test. *p<0.05, **p<0.01, ***p <0.001 compared with control
그림 Western blot analysis of NLRP3 inflammasome components NLRP3, ASC, IL-1 and caspase-1 protein expressions in germaniumcontaining plant products A-E. [A]: Semiquantitative immunoblots reacted with anti-NLRP3, ASC, IL-1β and Caspase-1 antibodies. [B]:Corresponding densitometric analyses of protein expression levels of NLRP3, ASC, IL-1β and Caspase-1. CON, control; A, mouse-eyed bean (Rhynchosia nulubilis) sprout; B, Ginseng (Panax ginseng) sprout; C, perilla (Perilla rutescens) sprout; D, broccoli (Brassica oleracea var. italica) sprout; E, lettuce (Lactuca sativa) *p<0.05, **p<0.01 compared with control.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 국민의 질병 예방과 건강에 도움을 주는 식생활 문화에 기여하고자 하는 목적으로 이온화 기기를 사용하여 고함량 게르마늄 농축수를 제작(게르마늄 함량: 1, 683 ppm)하고, 이 농축수를 다량 희석하여 재배한 농산물들에서 게르마늄의 함량 분석과 효능 분석을 함으로써 고농도 유기 게르마늄 함유 농산물의 항염 및 항암 효과를 확인하고 웰니스 보조식품 신소재로 개발하고자 한다.
본 연구는 이온화 기기를 사용하여 고함량 게르마늄 농축 수를 제작하고, 이 농축수를 다량 희석하여 재배한 농산물에서 게르마늄의 함량 분석과 효능분석을 통하여 질병을 예방하고 인체 건강에 도움을 주는 식품 소재를 개발하고자 시도하였다. 천연의 게르마늄 농축수로 재배한 쥐눈이 콩나물, 인삼 새싹, 들깨 새싹, 브로콜리 새싹 및 상추 새싹에서 다량의 게르마늄 성분이 검출되었고, 모든 실험군에서 비교적 높은 항산화 및 항암 활성을 나타내었으며(p<0.
2004)하였으나, 본 연구에서는 천연의 고농축 게르마늄 수를 제작하여 사용하였고, 이로 인하여 농도 조절이 가능한 게르마늄수의 공급이 가능하게 되었다. 이러한 방식으로 재배한 새싹에서 게르마늄의 함량을 분석하고, 항산화, 항암, 항염 활성과 게르마늄과의 상관관계를 확인하여 세계 최초로 보고하는 바이다. 전립선 암에 강력한 항암효과를 나타낸 인삼 새싹과 브로콜리 새싹은 암을 예방하거나 치료하는 의약품 보조 식품소재로 활용 할 수 있을 것이며, 이러한 결과들은 다량의 게르마늄을 함유하고 있는 농산물들이 국민 건강에 도움을 주는 웰니스 보조 식품의 신소재로서의 사용 가능성을 강력하게 시사하는 것이다.

제안 방법

1% BCA로 15분간 Blocking한 다음 membrane에 NLRP3, IL1-β, β-actin 1차 항체(1:1, 000)를넣고 4^oC에서 overnight 하였다. 2차 항체(anti-rabbit)를 1시간 동안 처리한 후 LAS-4000으로 밴드를 관찰하고, Image-J 로 밴드의 intensity를 측정하였다.
구입하였다. DPPH용액(0.1mM, ethanol)을 900μL, DMSO를 50μL, 각각의 분말 추출물 50μL를 첨가하여 실온에서 20분 동안 반응시킨 후 ethanol에 의해 생긴 불순물은 10, 000×g에서 5분 동안 원심분리하여 제거한 후 spectro- photometer를 통해 517nm에서 흡광도를 측정하여 DPPH radical 소거 활성을 확인하였다.
PC-3세포를 3×10⁵개씩 세어서 100mm culture dish에 넣고 쥐눈이 콩나물(A), 인삼 새싹(B), 들깨 새싹(C), 브로콜리 새싹(D), 상추 새싹(E) 추출물 각각 0, 0.1, 1.0, 5.0, 10.0, 20.0μg/μL의 농도로 처리한 후 96 well에서 MTT용액 (0.5%, 3-(4, 5-dimethyl thiazol-2-yl)-2, 5diphenyl-2H-tetrazoli um bromide 액)을 각 well에 20μL씩 넣고, 37^oC, 5% CO₂ incubator에서 4시간 동안 배양하였다. 2, 000rpm에서 10분 동안 원심 분리하여 상층액을 제거한 다음, 각 well당 Dimethyl sulfoxide (DMSO)를 150μL 첨가 하여 30분 동안 교반한 후 ELISA reader를 사용하여 540nm의 흡광도를 측정하였다.
게르마늄 농축수를 사용하여 재배한 농산물의 건조 분말은 한국기초과학지원연구원에 의뢰하여 게르마늄의 함량을 분석하였다. 쥐눈이콩나물(A)에서 210.
Newman & Cragg 2012). 고농도 게르마늄을 함유하고 있는 천연물의 항암 활성을 확인하기 위하여 사람의 전립선 암세포 주인 PC-3에 쥐눈이 콩나물(A), 인삼 새싹(B), 들깨 새싹(C), 브로콜리 새싹(D), 상추 새싹(E) 추출물을 0, 0.1, 1.0, 5.0, 10.0, 20.0μg/μL 농도로 24시간 투여하여 세포의 성장률을 분석하였다. A-E 실험군 모두 농도에 의존하여 세포의 성장이 현저히 억제되었으며, 이중에서 특히 B는 10μg/μL의 저농도에서 24시간 투여하였을 때 100% 세포 사멸의 효과를 나타내었고, D는 20μg/μL 의 농도에서 암세포의 성장을 100% 억제하여 강력한 항암 활성을 보여주었다(p<0.
본 연구는 염증복합체인 NLRP3, ASC와 caspase-1, caspase-1에 의한 염증성 cytokine IL1-β의 세포 내 발현양상을 통하여 게르마늄을 함유하고 있는 농산물 A, B, C, D, E 의 항염효과를 분석하였다. NLRP3는 대조군에 비하여 쥐눈이 콩나물(A)과 인삼 새싹(B), 브로콜리 새싹(D)에서 발현억제를 보였고, ASC에서는 인삼 새싹 (B)과 브로콜리 새싹 (D)이 대조군과 비슷한 수준에서 발현되었으며, Ⅱ.
수돗물 100 L에 순도 99.9999%의 게르마늄 1kg을 넣어 이온화 기기에 연결한후 10일 동안 전기분해 공법으로 게르마늄 농축수를 제작하였다.

대상 데이터

DPPH radical 소거 활성에 사용된 DPPH (1, 1-Diphenyl- 2-icrylhydrazyl)와 DMSO (Dime thyl sulfoxide)는 Sigma 에서 구입하였다. DPPH용액(0.
전립선 암세포주, PC-3는 한국생명공학연구원에서, 대식세포인 Raw264.7은 한국 세포주은행(KCLB; seoul, Korea)에서 분양 받은 것을 사용하였다. 전립선 암세포주, PC-3는 RPMI-1640, Raw264.
청산영농조합법인에서 쥐눈이콩(Mouse-eyed bean), 인삼 (Ginseng) 씨앗, 들깨(Perilla) 씨앗, 브로콜리(Broccoli) 씨앗, 상추(Lettuce) 씨앗을 22-25^oC, 습도 60-70%에서 10ppm의 게르마늄 농축수로 10일간 수경재배 한 것을 건조시킨 후 분쇄한 분말을 제공 받아서 70% ethanol 추출하여 시료를 준비 하였다.

데이터처리

C. Statistical analysis was performed using the Duncan’s multiple range test. *p<0.
모든 실험은 3회 반복 시행하였다. 각 실험군간의 통계적 유의성 검정에 따른 통계분석은 ANOVA (one way analysis of varience test)로 실시하고, Duncan’s multiple range test 를 이용하여 p<0.05일 경우에 유의한것으로 판정하였다 (SPSSV12, SPSS Inc, Chicago, IL, USA).

성능/효과

05)부터 비교적 높은 DPPH 소거능을 나타내었다<Figure 3>. 100mg/ mL에서 확인한 DPPH소거능은 B, A, D, C, E 순서로 실험군 모두 높은 소거능을 보였으며, 이러한 항산화 활성은 대체적으로 식물에서 검출된 게르마늄의 함량에 비례하였다. 일반 수돗물로 재배한 쥐눈이 콩나물, 들깨 새싹, 상추 새싹에서는 게르마늄이 불검출되었고, 인삼 새싹에서는 0.
05)<Figure 4>. 5가지 실험군중에서 쥐눈이 콩나물(A)은 모든 염증분자에서 낮은 발현율을 보였다. 각 실험군마다 염증반응에 관여하는 분자의 발현율에 차이를 보인 것은 다양한 종류와 양의 영양 성분을 가지고 있는 농산물들이 염증과 관련된 여러가지 분자의 작용경로에 각각 다른 반응을 보이기 때문으로 추정되며, 각 게르마늄 함유 농산물에서 게르마늄 함량에 따른 항염 효과에 대해서는 염증 관련 분자에 대한 보다 깊은 연구가 필요하다.
0μg/μL 농도로 24시간 투여하여 세포의 성장률을 분석하였다. A-E 실험군 모두 농도에 의존하여 세포의 성장이 현저히 억제되었으며, 이중에서 특히 B는 10μg/μL의 저농도에서 24시간 투여하였을 때 100% 세포 사멸의 효과를 나타내었고, D는 20μg/μL 의 농도에서 암세포의 성장을 100% 억제하여 강력한 항암 활성을 보여주었다(p<0.001)<;Figure 2>.
DPPH radical 소거능으로 항산화 활성을 분석한 결과 농산물 A, B, C, D, E 모두 10mg/mL의 농도에서 대조군에 비하여 유의적으로 DPPH radical을 소거하였으며(p<0.05), 낮은 농도에서 다소 차이를 보였지만 100mg/mL의 농도에서는 각각 87.6%±0.45, 89.5%±0.33, 81.3%±1.67, 85.1%±0.98, 79.6%±2.01의 DPPH 소거율을 나타내어 높은 항산화 활성을 확인하였다. 상추 새싹은 게르마늄 함량이 상대적으로 낮음에도 불구하고 50mg/mL의 농도 (52.
본 연구에서는 고농도 게르마늄수를 최종농도 10ppm으로 희석하여 농산물을 재배한 결과, 이전에 보고한 게르마늄함유 농산물보다 매우 높은 농도의 게르마늄이 검출 되었고 , 게르마늄이 많이 검출된 순서는 A, B, D, C, E 였으며 항암활성이 높게 나타난 순서는 B, D, A, C, E로 게르마늄의 함량에 비례하지는 않은 것으로 나타났다.
001). 이 중에서도 특히 게르마늄의 함량이 제일 많은 쥐눈이 콩나물은 염증복합체인 NLRP3와 cytokine분자의 발현을 강하게 억제함으로서 가장 높은 항염 활성을 보여주었다(p<0.01). 기존의 게르마늄 함유 농산물 생산 방식은 무기 게르마늄을 비료(Lee et al.
100mg/ mL에서 확인한 DPPH소거능은 B, A, D, C, E 순서로 실험군 모두 높은 소거능을 보였으며, 이러한 항산화 활성은 대체적으로 식물에서 검출된 게르마늄의 함량에 비례하였다. 일반 수돗물로 재배한 쥐눈이 콩나물, 들깨 새싹, 상추 새싹에서는 게르마늄이 불검출되었고, 인삼 새싹에서는 0.2ppm, 브로콜리 새싹에서는 0.1ppm의 게르마늄이 검출되었으며, 이들 중에서 수돗물로 재배한 상추와 들깨 새싹의 항산화 효과를 게르마늄 농축수로 재배한 것과 비교한 결과 게르마늄 함량이 높은 상추(12.5ppm)와 들깨 새싹(11.7ppm)의 항산화 효과가 100mg/mL의 농도에서 3배 이상 높은 것을 확인한 바 있다.
천연의 게르마늄 농축수로 재배한 쥐눈이 콩나물, 인삼 새싹, 들깨 새싹, 브로콜리 새싹 및 상추 새싹에서 다량의 게르마늄 성분이 검출되었고, 모든 실험군에서 비교적 높은 항산화 및 항암 활성을 나타내었으며(p<0.05), 인삼 새싹과 브로콜리 새싹 추출물은 대조군에 비하여 전립선암 세포주인 PC-3에 매우 강력한 항암활성을 보였다(p<0.001). 이 중에서도 특히 게르마늄의 함량이 제일 많은 쥐눈이 콩나물은 염증복합체인 NLRP3와 cytokine분자의 발현을 강하게 억제함으로서 가장 높은 항염 활성을 보여주었다(p<0.

후속연구

5가지 실험군중에서 쥐눈이 콩나물(A)은 모든 염증분자에서 낮은 발현율을 보였다. 각 실험군마다 염증반응에 관여하는 분자의 발현율에 차이를 보인 것은 다양한 종류와 양의 영양 성분을 가지고 있는 농산물들이 염증과 관련된 여러가지 분자의 작용경로에 각각 다른 반응을 보이기 때문으로 추정되며, 각 게르마늄 함유 농산물에서 게르마늄 함량에 따른 항염 효과에 대해서는 염증 관련 분자에 대한 보다 깊은 연구가 필요하다.
전립선 암에 강력한 항암효과를 나타낸 인삼 새싹과 브로콜리 새싹은 암을 예방하거나 치료하는 의약품 보조 식품소재로 활용 할 수 있을 것이며, 이러한 결과들은 다량의 게르마늄을 함유하고 있는 농산물들이 국민 건강에 도움을 주는 웰니스 보조 식품의 신소재로서의 사용 가능성을 강력하게 시사하는 것이다. 또한 게르마늄 농축 수를 활용하면, 고농도 유기 게르마늄을 함유하는 농산물의 대량생산이 가능하고, 다양한 생리활성 성분에 유기 게르마늄이 더해져 항산화 및 항암 또는 항염효능이 증가한 농산물을 생산할 수 있어 농가의 부가가치를 높이고 국민 건강에도 크게 기여할 것으로 기대된다.
본 연구 결과에서 게르마늄이 가장 많이 함유 되어있는 쥐눈이 콩나물에 비하여 인삼 새싹과 브로콜리 새싹이 상대적으로 매우 높은 항암활성을 보인 것은 인삼 새싹 및 브로 콜리 새싹에 들어있는 성분에 게르마늄이 더해지면서 항암 활성을 촉진시키는 생리활성 성분의 변화로 인한 것으로 추정되며, 추후 이에 대한 상세한 연구도 필요할 것으로 사료된다.
이상과 같은 결과로 미루어, 영양성분의 종류와 양이 모두 다른 농산물이지만, 게르마늄수로 재배한 농산물이 보유하고 있는 고농도의 유기 게르마늄은 항산화작용을 활성화 시키는데 도움을 주는 유용한 소재가 될 것으로 사료된다.
이러한 방식으로 재배한 새싹에서 게르마늄의 함량을 분석하고, 항산화, 항암, 항염 활성과 게르마늄과의 상관관계를 확인하여 세계 최초로 보고하는 바이다. 전립선 암에 강력한 항암효과를 나타낸 인삼 새싹과 브로콜리 새싹은 암을 예방하거나 치료하는 의약품 보조 식품소재로 활용 할 수 있을 것이며, 이러한 결과들은 다량의 게르마늄을 함유하고 있는 농산물들이 국민 건강에 도움을 주는 웰니스 보조 식품의 신소재로서의 사용 가능성을 강력하게 시사하는 것이다. 또한 게르마늄 농축 수를 활용하면, 고농도 유기 게르마늄을 함유하는 농산물의 대량생산이 가능하고, 다양한 생리활성 성분에 유기 게르마늄이 더해져 항산화 및 항암 또는 항염효능이 증가한 농산물을 생산할 수 있어 농가의 부가가치를 높이고 국민 건강에도 크게 기여할 것으로 기대된다.

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