[논문]수세미오이 발효추출물의 항산화 및 피부암 억제 효과

김송이; 감다혜; 김준희; 염서희; 박재현; 김진우

doi:10.5762/kais.2021.22.3.408

수세미오이 발효추출물의 항산화 및 피부암 억제 효과
Enhancement of Antioxidant and Skin Cancer Inhibition Effects by Fermented Luffa aegyptiaca Extract 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.22 no.3, 2021년, pp.408 - 414

김송이 (선문대학교 식품과학과) , 감다혜 (선문대학교 식품과학과) , 김준희 (선문대학교 식품과학과) , 염서희 (선문대학교 식품과학과) , 박재현 (선문대학교 식품과학과) , 김진우 (선문대학교 식품과학과)

초록
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본 연구의 목적은 수세미오이 추출물을 유산균을 이용한 발효를 통해 항산화 활성과 함께 생체 활성 물질의 생산을 중대하고 자외선 흡수 및 피부 흑색종 세포 성장 억제를 강화하여 피부암 예방 효과를 향상시키는 데 있다. 수세미오이 발효추출물의 총 폴리페놀(TPC)과 항산화 활성도가 30.23 mg GA/g DM와 45.12%로 열수추출물보다 약 1.4배 높은 수준으로 확인되었다. 자외선 흡수율에 있어 발효추출물은 열수추출물보다 1.5배 높은 53.9%의 흡수율을 보였는데 발효를 통해 증가된 TPC에 의해 UV 흡수가 증가했다는 결론을 도출하였다. 항암효과에 있어 발효추출물과 열수추출물에서 각각 1.0 와 2.0 mg/mL에서 피부 흑색종세포에 대한 성장저해 효과가 나타나 추출물 발효에 따른 항암효과가 증가했음을 알 수 있었다. 발효추출물의 자외선 흡수율에 있어 열수출물보다 2.4배 높아 피부암 예방효과가 예상되며, 수세미오이 발효를 통해 항산화, 자외선차단과 피부암 저해 효과를 가지는 화장품, 식품 및 의약품 소재 개발 가능할 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study aimed to improve the production of bioactive materials with antioxidant activity using a fermented Luffa aegyripia extract and improve the anticancer effect by enhancing UV absorption and inhibiting melanoma cell growth. The total phenolic content (TPC) and antioxidant activity of the fermented extract were 30.23 mg GAE/g DM and 45.12%, respectively, which was 1.4 times higher than that of the hot-water extract (HWE). The fermented extract showed a UV adsorption rate of 53.9%, which was 1.5 times higher than HWE, and it was concluded that UV absorption was increased by TPC, which was increased through the fermentation of L. aegyptiaca extracts using Lactobacillus. In the anticancer effect test, fermented and HWE extracts had carcinogenic effects of 1.0 and 2.0 mg/mL, respectively. This suggests that the increased antioxidant activity due to the increase in TPC caused by fermentation contributed to the anticancer effect. The UV absorption rate of fermented extracts was 2.4 times higher than HWE, giving them potential use as cosmetics and pharmaceutical materials with high polyphenol contents and antioxidant properties and skin cancer prevention.

주제어

표/그림 (4)

그림 Fig. 1. Effect of L. aegyripia extract and fermented extract on ultraviolet absorption, DPD = Disodium Phenyl Dibenzimidazole 100 ppm; HWE = hot-water extraction; Fer = Lactobacillus SMK13; HWE+Fer = fermented extract by Lactobacillus SMK13
표 Table 1. Comparison of TPC and antioxidant activity of L. aegyripia extract and feremented extrat.
그림 Fig. 2. Cytotoxicities of HWE from L. aegyripia on HEK-293 and B16F10 cells. Values are the mean±S.D. (n=3). The asterisk (*) indicates the significance (p < 0.05) between HEK and B16F10. The letters a (HEK-293) and b (B16F10) indicated that the different concentration of HWE showed significant growth inhibition compared to the control group (0 mg/mL).
그림 Fig. 3. Cytotoxicity of fermented extract from L. aegyptiaca on HEK-293 and B16F10 cells. Values are the mean±S.D. (n=3). The asterisk (*) indicates the significance (p < 0.05) between HEK and B16F10. The letters a (HEK-293) and b (B16F10) indicated that the different concentration of fermened extract showed significant growth inhibition compared to the control group (0 mg/mL).

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서의 목적은 수세미오이 추출물을 Lactobacillus 속 균주를 이용하여 발효 전후의 항산화, 자외선 차단 및 항암효과를 평가하고 수세미오이 발효추출물이 항암 기능성을 가지는 소재 화장품과 의약품 소재로 활용 가능성을 평가하는데 있다.
본 연구의 목적은 김치 유산균을 이용한 수세미 추출물의 발효를 통하여 항산화 활성, 자외선 차단과 피부암 예방효과가 증진된 발효물의 생산함에 있다. 발효에 사용된 김치 유산균은 국내산 김치에서 분리된 Lactobacillus SMK13을 사용하였고 발효추출물의 TPC는 30.

제안 방법

, Marcy-I’Etoile, France)를 이용하여 β-glucosidase 외 18가지 효소 활성을 검사하였고 MRS 배지에서 최대 β-glucosidase 활성을 보이는 생장 및 발효 조건을 선택하여 균주를 선발하고 16S rRNA 유전자 염기서열을 이용한 균주동정은 코스모진텍(SungSoo Gu, Seoul) 에의뢰하였으며 Universal primer 27F (5’-AGAGTTT GATCMTGGCTCAG-3’)와 1492R (5’-TACGGYTAC CTTGTTACGACTT-3’)을 사용하여 유전자를 증폭한 후 PCR 산물을 정제하여 염기서열을 해독하였다. BLASTN search와 CLUSTAL W 프로그램을 사용하여 해독된 균주의 염기서열과 서열 일치도가 높은 표준 균주의 16S rRNA 유전자 염기서열을 비교하였다.
assay를 사용하였다[10, 11]. DPPH 시약을 MeOH로 희석하여 분광광도계를 이용해 517 nm에서 O.D 값을 1.0로 맞춰 희석액을 준비하고 시료 0.25 mL 에 희석한 DPPH 시약 1.25 mL를 가하여 암실에서 20 분간 정치반응 후 원심분리하여 517 nm에서 흡광도를 측정하고 대조군과 비교하여 아래와 같이 자유라디칼 소거 활성을 백분율로 표현하였다.
Lactobacillus sp. SMK13 발효를 위해 MRS를 기본 배지로 사용하였으며 1 M HCl과 1 M NaOH를 이용하여 배지의 pH를 7로 조정하고 50 mL를 250 mL 배양플라스크에 분주하여 고압멸균기(SAC05060P, DaeHan Sci.. Co., Korea)에서 121℃로 15 분간 멸균하였다. 멸균된 배지에 12 시간 배양한 종균을 1%를 접종하여 진탕 배양기에서 35℃ 조건으로 150 rpm으로 24시간 배양하였다.
TPC (total polyphenolic content) 분석은 Folin-Ciocalteu 시약을 사용하여 측정하였다[12, 13]. 추출물을 1 mg/mL로 희석한 후, 희석한 각 추출물을 0.
3). 발효추출물 농도를 앞선 실험과 같은 수준인 0.0~4.0 mg/mL로 처리하고 세포생존율을 측정하였다. 농도별 처리에 있어 신장 세포와 흑색종세포 모두에서 농도 의존적으로 세포 성장이 저해됨을 보였다(p < 0.
조효소액 생산을 위해서 세포를 초음파 호모게나이저를 이용하여 파쇄하였다. 생산 된 조효소액을 0.1 M HCl과 0.1 M NaOH로 pH를 7로 조정하고 건조 수세미 분말과 1:10의 고액비(w/v)로 혼합하여 48 시간 효소분해를 진행하였다.
평판배지에서 단일 콜로니를 MRS 액체배지 10 mL에 백금이를 이용하여 접종하여 35℃ 항온기에서 48 시간 배양하였다. 수세미오이 발효균주는 API ZYM kit (bioMerieux Co., Marcy-I’Etoile, France)를 이용하여 β-glucosidase 외 18가지 효소 활성을 검사하였고 MRS 배지에서 최대 β-glucosidase 활성을 보이는 생장 및 발효 조건을 선택하여 균주를 선발하고 16S rRNA 유전자 염기서열을 이용한 균주동정은 코스모진텍(SungSoo Gu, Seoul) 에의뢰하였으며 Universal primer 27F (5’-AGAGTTT GATCMTGGCTCAG-3’)와 1492R (5’-TACGGYTAC CTTGTTACGACTT-3’)을 사용하여 유전자를 증폭한 후 PCR 산물을 정제하여 염기서열을 해독하였다. BLASTN search와 CLUSTAL W 프로그램을 사용하여 해독된 균주의 염기서열과 서열 일치도가 높은 표준 균주의 16S rRNA 유전자 염기서열을 비교하였다.
수세미오이 열수추출물의 인체사용 안전성과 항암효과를 확인하기 위하여 인체정상인 신장세포(HEK-293)와 암세포인 흑색종세포(B16F10)을 대상으로 열수추출물을 농도별로 처리하여 생존율을 확인하여 항암효과를 평가하였다(Fig. 2). 수세미오이 추출물의 농도를 0.
수세미오이 추출물 발효를 위한 균주를 분리하기 위해 Difco MRS media (BD Biosciences, Sparks, USA)를사용하였다. MRS 고체배지는 한천 2 %(w/v)를 첨가하여 제조하였다.
수세미오이 추출물과 발효추출물을 각각 50배 희석한 후 UV/VIS 분광광도기를 이용하여 200~400 nm의 UV 파장에서 흡수스펙트럼을 관찰하였다. 자외선 흡수능 비교를 위한 대조군으로 화학합성 자외선흡수제인 Disodium Phenyl Dibenzimidazole (DPD)를 사용하였으며, 100 ppm을 농도가 되게 정제수로 희석하여 수세미오이 추출물과 추출물 발효물의 자외선 흡수량을 비교하고 정제수를 기준선으로 투과 스펙트럼을 측정하여 백분율로 계산하였다.
열수추출물의 발효를 통한 기능성 증대를 목적으로 Lactobacillus SMK13를 이용하여 추출물의 발효를 진행하고 발효물의 신장세포와 흑색종세포에 대한 성장저해 및 항암효과 비교를 진행하였다(Fig. 3). 발효추출물 농도를 앞선 실험과 같은 수준인 0.
흡수스펙트럼을 관찰하였다. 자외선 흡수능 비교를 위한 대조군으로 화학합성 자외선흡수제인 Disodium Phenyl Dibenzimidazole (DPD)를 사용하였으며, 100 ppm을 농도가 되게 정제수로 희석하여 수세미오이 추출물과 추출물 발효물의 자외선 흡수량을 비교하고 정제수를 기준선으로 투과 스펙트럼을 측정하여 백분율로 계산하였다.
추출물과 발효물이 일반세포와 암세포 생존에 미치는 영향을 평가하고자 세포생존율 실험인 MTT assay를 수행하였다. 세포주를 1×10⁴ cells/well로 96 well plate 에 180 uL씩 분주하여 24 시간 배양하였다.

대상 데이터

MRS 고체배지는 한천 2 %(w/v)를 첨가하여 제조하였다. 균주분리를 위하여 김치 국물을 1/100으로 희석하여 0.
본 실험에서 사용된 수세미오이는 경북 영천에서 2020년에 생산된 건조물을 구매하여 사용하였고 초음파 추출을 위해 탁상형 초음파기(JAC Ultrasinic, Hwaseng, Korea)를 사용하여 40 kHz의 출력으로 80 ℃에서 30 분간 추출을 진행하여 분석에 사용하였다. 실험에 사용된 시약은 Sigma-Aldrich (St.
사람 간암세포인 HepG2 (Human hepatoblastoma, KCLB No. 88065)는 Korea Cell Line Bank (KCLB) 로부터 분양받았으며 흑색종세포인 B16F0 암세포주는 생물자원센터(KCTC, Korea)에서 분양받아 각각 10% Fetal Bovine Serum (FBS, Thermo Fisher Co, USA) 와 1% Penicillin (Thermo Fisher Co, USA)가 함유된 DMEM 배지(Thermo Fisher Co, USA)를 이용하여 3 7℃, 5% CO₂ Incubator에서 배양하였고 80~85% confluency를 보일 때 3-4일마다 계대배양하여 실험에 사용하였다. 세포배양을 위해 37℃, 5 % CO₂ incubator를 사용하였다.
추출을 진행하여 분석에 사용하였다. 실험에 사용된 시약은 Sigma-Aldrich (St. Louis, USA)의 순도 99.5 % 이상 시약을 사용하였다.

데이터처리

, IL, USA) 프로그램을 이용하여 분석하였다. 각 항목별 실험결과들은 일원배치분산분석 통해 유의성을 검증하였으며 Duncan’s multiple test를 통해 시료 간의 유의성을 p < 0.05 수준에서 비교하였다.
본 실험의 결과값은 3회 독립실험한 결과값을 평균± 표준편차로 나타내었으며, 통계적 유의성은 SPSS (SPSS Inc., IL, USA) 프로그램을 이용하여 분석하였다. 각 항목별 실험결과들은 일원배치분산분석 통해 유의성을 검증하였으며 Duncan’s multiple test를 통해 시료 간의 유의성을 p < 0.

이론/모형

항산화 활성은 전자공여능 측정법의 하나인 DPPH (2, 2-Diphenyl-1-picrylhydrazyl) radical scavenging activity assay를 사용하였다[10, 11]. DPPH 시약을 MeOH로 희석하여 분광광도계를 이용해 517 nm에서 O.

성능/효과

김치로부터 분리한 균주를 MRS 배지에서 배양하여 명확한 단일 콜로니 형태를 보이는 균주를 선별하고 동정 및 계통학적 분류를 위하여 코스모진텍(Sungdong, Seoul)에 sequencing을 의뢰하여 분리한 균의 16S rRNA gene 영역은 2024 bp의 염기로 구성되어 있어 Lactobacillus plantarum에 속하는 균주로 확인되었으며, 최종적으로 Lactobacillus SMK13으로 명명하였다.
0 mg/mL로 처리하고 세포생존율을 측정하였다. 농도별 처리에 있어 신장 세포와 흑색종세포 모두에서 농도 의존적으로 세포 성장이 저해됨을 보였다(p < 0.05). 신장세포에 미치는 발효추출물의 농도에 따른 세포성장 저해 효과를 비교했을 때, 미처리군 대비 2.
0 mg/mL에서는 신장세포의 성장을 저해하지 않음이 확인되었다. 반면, 발효추출물은 1.0 mg/mL에서부터 암세포 성장을 저해함을 확인되었고 신장세포 성장저해는 2.0 mg/mL부터 발생되어 1.0 mg/mL에서 인체 사용에 안전성을 확보하며 흑색종 세포에 대한 항암효과를 보였다. 수세미오이의 발효추출물의 신장세포 생장저해는 열수 추출물과 유사한 수준이나 흑색종세포 성장을 보다 효과적으로 저해하여 열수추출물에 비해 항암효과가 우수함이 확인되었다.
증진된 발효물의 생산함에 있다. 발효에 사용된 김치 유산균은 국내산 김치에서 분리된 Lactobacillus SMK13을 사용하였고 발효추출물의 TPC는 30.23 mg GAE/g DM으로 열수추출에 비해 1.5배 증가됨이 확인되었다. 항산화 활성의 지표인 전자공여능은 발효추출물에서 45.
수세미오이 열수추출물과 발효추출물의 UV-B (270-290 ㎚) 흡수능을 측정한 결과 UV-B 영역인 280 ㎚에서 모든 처리군에서 UV-B 차단효과를 보였다. 화학합성 자외선흡수제인 DPD에서 96.
2). 수세미오이 추출물의 농도를 0.0~4.0 mg/mL 로 처리한 후 72 시간 세포를 배양하여 농도에 따른 생존율의 변화를 MTT assay로 측정하였을 때, 신장세포와 흑색종 세포 모두에서 열수추출물의 농도 증가에 따라 세포 성장이 유의하게 감소하는 경향을 보여 수세미오이 열수 추출물이 신장세포와 흑색종세포 모두에서 성장을 저해함을 알 수 있었다(p < 0.05). 일반세포에 미치는 열수추출물 농도별 세포성장 저해 효과를 평가했을 때, 미처리군 대비 0.
0 mg/mL에서 인체 사용에 안전성을 확보하며 흑색종 세포에 대한 항암효과를 보였다. 수세미오이의 발효추출물의 신장세포 생장저해는 열수 추출물과 유사한 수준이나 흑색종세포 성장을 보다 효과적으로 저해하여 열수추출물에 비해 항암효과가 우수함이 확인되었다.
수세미오이의 열수추출물과 발효추출물의 TPC 비교에 있어 발효추출물에서 30.23 mg GAE/g가 확인되어 열수 추출물에 비해 약 1.4배 높음이 확인하였고 항산화 활성의 지표인 전자공여능 또한 발효추출물에서 45.12% 로 열수추출물이 비해 약 1.5배 높음이 확인되었다. 추출물 발효에 의한 TPC와 항산화 활성 증가는 발효에 의해 생성된 가수분해효소가 추출물에 포함된 폴리페놀의 집합체인 리그닌을 셀룰로스와 헤미세룰로스로부터 해리 시켜 폴리페놀 함량이 증가함에 따라 항산화능이 증가한 것으로 사료된다[14]
05). 신장세포에 미치는 발효추출물의 농도에 따른 세포성장 저해 효과를 비교했을 때, 미처리군 대비 2.0 mg/mL 처리군에서부터 세포 성장을 저해하는 것으로 확인되었으며(p < 0.05), 1.0 mg/mL에서는 신장세포의 성장을 저해하지 않음이 확인되었다. 반면, 발효추출물은 1.
05). 일반세포에 미치는 열수추출물 농도별 세포성장 저해 효과를 평가했을 때, 미처리군 대비 0.5 mg/mL까지는 세포성장에 저해가 없으나 1.0 mg/mL 처리군에서부터 세포성장 저해(p < 0.05)가 확인되었다. 한편, 수세미오이 열수추출물이 흑색종세포 성장에 미치는 영향을 평가했을 때, 4.
4배 증가함을 보여 추출물 발효를 통해 유용물질 및 UV-B 흡수율 증가가 가능함을 입증하였다. 자외선흡수제로 화장품에 널리 사용되는 DPD에 비해 약 50% 수준의 흡수율이 관찰되었다. 따라서 수세미 추출물은 UV-B 영역의 자외선을 흡수하여 일광화상의 위험성을 감소시키는 동시에 지연형 색소 침착을 억제시키는 효과를 기대할 수 있어, 추후 추출효율의 증대와 발효 공정 최적화를 통해 추출물 성분 중에 자외선 차단에 주요 역할을 하는 활성성분의 수율 증대를 통해 기존 합성 자외선차단제의 대체가 가능할 것으로 사료된다.
9 %의 흡수율을 보여 수세미오이 추출물의 발효를 통해 UV-B 흡수소재의 생산이 가능함을 확인하였다. 특히 열수추출에 비해 발효추출물이 흡수율에서 2.4배 증가함을 보여 추출물 발효를 통해 유용물질 및 UV-B 흡수율 증가가 가능함을 입증하였다. 자외선흡수제로 화장품에 널리 사용되는 DPD에 비해 약 50% 수준의 흡수율이 관찰되었다.
05)가 확인되었다. 한편, 수세미오이 열수추출물이 흑색종세포 성장에 미치는 영향을 평가했을 때, 4.0 mg/mL 이상에서 세포성장을 저해하는 것으로 확인되어 (p < 0.05) 흑색종세포에 비해 신장 세포의 성장저해에 대한 영향이 더 높았으며 흑색종 세포에 대한 항암효과는 4.0 mg/mL 이상부터 항암효과가 있다는 결론을 도출하였다.
5배 증가됨이 확인되었다. 항산화 활성의 지표인 전자공여능은 발효추출물에서 45.12 %로 열수추출물보다 약 1.5배 높은 효과를 보였고 자외선 흡수에 있어 UV-B를 50% 이상 흡수하여 열수 추출물 대비 자외선 흡수 효과가 우수함을 보였으며 피부암세포에 대한 성장저해 효과를 확인하였을 때 1.0 mg/mL에서 신장세포 성장은 억제하지 않으나 피부암세포인 흑색종세포 성장을 억제하여 인체 사용에 안전하며 항암효과가 있음이 확인되었다. 실험 결과 김치 유산균을 이용한 수세미오이 발효추출물은 생리활성물질 생산 증진에 따른 항산화 효과를 증진뿐만 아니라 자외선 흡수 효과와 항피부암의 효능을 가져 피부노화 방지와 피부암 방지에 효과적인 화장용 소재로 사료되며 향후 자외선흡수용 소재로 활용이 가능할 것으로 기대된다.
화학합성 자외선흡수제인 DPD에서 96.3%의 높은 흡수 능을 보였으며 발효추출물에서 53.9 %의 흡수율을 보여 수세미오이 추출물의 발효를 통해 UV-B 흡수소재의 생산이 가능함을 확인하였다. 특히 열수추출에 비해 발효추출물이 흡수율에서 2.

후속연구

자외선흡수제로 화장품에 널리 사용되는 DPD에 비해 약 50% 수준의 흡수율이 관찰되었다. 따라서 수세미 추출물은 UV-B 영역의 자외선을 흡수하여 일광화상의 위험성을 감소시키는 동시에 지연형 색소 침착을 억제시키는 효과를 기대할 수 있어, 추후 추출효율의 증대와 발효 공정 최적화를 통해 추출물 성분 중에 자외선 차단에 주요 역할을 하는 활성성분의 수율 증대를 통해 기존 합성 자외선차단제의 대체가 가능할 것으로 사료된다.
0 mg/mL에서 신장세포 성장은 억제하지 않으나 피부암세포인 흑색종세포 성장을 억제하여 인체 사용에 안전하며 항암효과가 있음이 확인되었다. 실험 결과 김치 유산균을 이용한 수세미오이 발효추출물은 생리활성물질 생산 증진에 따른 항산화 효과를 증진뿐만 아니라 자외선 흡수 효과와 항피부암의 효능을 가져 피부노화 방지와 피부암 방지에 효과적인 화장용 소재로 사료되며 향후 자외선흡수용 소재로 활용이 가능할 것으로 기대된다.

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Lee Y. K, and Kim J. D "Influence of Sun-expose on the Skin Aging" J. Kor. Soc. Cosm., Vol.13, No.2, pp.841-850 (2007).

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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