초록 ▼

○ 연구결과
[제1세부] 밀순에서 항당뇨 기능성소재의 분리 및 이용기술 개발
- 식물유래 혈당저하 유효물질군에 대한 자료조사는 미국 식품의약국 (FDA), 일본 국‧공립 연구소, 세계보건기구 (WHO), 한국식품과학회, Food Chemistry 등의 국내․외의 문헌 및 학술자료를 참고하여 천연물의 기능성소재와 밀순의 기능성 후보물질 및 이용가능성을 탐색하여 기초자료를 획득하였다.
- 저온처리 밀순 녹즙에서 기능성 소재를 획득하기 위해 메탄올, 에탄올 및 열수 추출을 실시하여 각각의 추출물을 획득하였고, 이들 추출물

○ 연구결과
[제1세부] 밀순에서 항당뇨 기능성소재의 분리 및 이용기술 개발
- 식물유래 혈당저하 유효물질군에 대한 자료조사는 미국 식품의약국 (FDA), 일본 국‧공립 연구소, 세계보건기구 (WHO), 한국식품과학회, Food Chemistry 등의 국내․외의 문헌 및 학술자료를 참고하여 천연물의 기능성소재와 밀순의 기능성 후보물질 및 이용가능성을 탐색하여 기초자료를 획득하였다.
- 저온처리 밀순 녹즙에서 기능성 소재를 획득하기 위해 메탄올, 에탄올 및 열수 추출을 실시하여 각각의 추출물을 획득하였고, 이들 추출물을 가지고 Streptozotocin으로 당뇨병을 유발시킨 실험동물 (혈당수치 : 300 mg/dl 이상)에 대해 혈당저하 활성을 측정한 결과, 밀순 에탄올 추출물 (혈당수치 : 152 mg/dl)이 메탄올 (혈당수치 : 218 mg/dl)과 열탕추출물(혈당수치 : 208 mg/dl) 보다 뛰어난 혈당저하 활성을 나타냈다. 혈당저하 활성이 뛰어난 저온처리 밀순 에탄올추출물의 기능성 소재를 분리하기 위해 다양한 용매 적용성을 통해 기능성 소재를 분획하였다. 분획은 저온처리 밀순 에탄올 추출물 20 g을 각각 hexane, chloroform, ethyl acetate, butanol 및 water (H₂O)의 용매를 사용하여 극성의 순서에 따라 순차적으로 분획을 실시하여 hexane층에서 0.086 g, chloroform층에서 0.2111 g, ethyl acetate층에서 0.2253 g, butanol층에서 1.9609 g 및 H₂O층에서 17.3113 g의 분획물을 획득하였다. 각각 분획물의 혈당저하 활성을 측정한 결과, H₂O 분획물이 가장 뛰어난 혈당저하 활성을 가진 것으로 나타났다. 따라서 밀순 H₂O 분획물에서 기능성 소재를 획득하기 위해 겔크로마토그래피 및 HPLC 등의 다양한 크로마토그래피법을 반복 이용하여 분리하고 혈당저하 활성을 확인한 결과, 기능성 소재 3개를 획득할 수 있었다. 이들의 구조는 IR, 13C-NMR 및 1H-NMR을 이용하여 분자의 결합구조와 분광학적인 성질 및 구조를 파악하여 arabinoxylan, beta-glucan 및 GABA를 동정하였다.
- 기능성 소재의 안정성을 분석하기 위해 저장온도 (4, 20, 40℃)와 기간 (0~62일)에 따른 물리 및 미생물학적 상태 변화에 대해 각각 평가를 실시하고, 그 결과를 토대로 식품의약품 안전청의 유통기한 설정 가이드라인을 참고하여 결과를 지표화 하였다. 각각의 시료는 9점 평점법을 이용하여 물에 대한 용해도, 성상, 색 및 풍미 등에 대한 평가를 통해 물리적인 안정성을 측정하였고, 식품공전의 일반세균, 대장균군 및 대장균 분석법을 이용하여 미생물학적 안정성을 측정하였다. 미생물학적 안정성의 경우, 오염도의 기준이 되는 대장균군과 대장균이 음성으로 평가되었다. 따라서 물리 및 미생물학적인 지표를 기준으로 arabinoxylan (445.64일), beta-glucan (245.93일), GABA (232.32일) 및 밀순 H₂O 분획물 (129.75일)의 유통기한을 획득하였다. 뛰어난 혈당저하 활성과 물질적인 안정성을 가진 최적 조성비율을 개발하기 위해 기능성 소재를 서로 혼합하여 혈당저하 활성과 물리 및 미생물학적 상태 변화를 측정한 결과, GABA:beta-glucan의 혼합 비율 1:50이 최적의 조건임을 확인하였다.
- 바이오 기능성 소재의 이용가능성을 확인하기 위해 장내 유익균의 생육촉진 활성, 유해균 및 구강세균에 대한 항균활성, 항산화활성 및 미백활성 등을 측정한 결과, 밀순 H₂O 분획물과 기능성 소재는 장내 유익균에 대해 100%의 높은 생육촉진 활성과 항산화활성을 가지는 것을 확인하였고, 이를 통해 밀순 유래 기능성 소재의 다기능성을 확인하였다.
[제2세부] 밀순의 항당뇨 기능성소재 효능평가 및 약리작용기전 연구
- 밀순 추출물을 인슐린의존성 당뇨 실험동물에 투여한 연구결과는 밀순 추출물 100 mg/kg 경구 투여군에서 당뇨로 인한 혈당 상승, 체중감소, 음용수 및 식이섭취량 등을 유의적으로 억제하고, 혈중 인슐린 농도가 10배 증가하였다. 특히 췌장조직에서 인슐린을 분비하는 Islet 베타세포의 증가뿐만 아니라 간조직의 글리코겐 함량 및 혈중 당화혈색소도가 약 50%이상 개선되는 탁월한 효과를 보였다. 밀순 추출물은 인슐린저항성 당뇨 동물모델에서도 혈당저하효과를 보였다. 또한 밀순 추출물의 인슐린저항성 당뇨병 개선 효과를 평가하고자 제2형 당뇨병 실험동물 db/db와 ob/ob마우스에 밀순 추출물을 투여하여 항당뇨 효능을 혈당으로 평가한 결과, 고인슐린혈증을 보이는 제2형 당뇨 동물모델에서는 서로 다른 작용기전에 의해 상대적으로 낮은 억제 효과를 보였다. 밀순에서 유래한 기능성물질이 췌장 베타세포의 ATP-sensitive K+채널의 차단에 관여하는 작용기전 실험을 통해 인슐린 분비를 촉진하고 혈당저하에 효과가 있음을 확인하였다. 또한 인슐린조절 당뇨병치료제와 병용 투여시 혈당저하효과를 증강시키는 결과를 얻었다.
- 밀순 추출물의 안전성을 평가하기 위해 의약품 등의 독성 시험 기준과 비임상관리 기준에 준하여 OECD에 명시된 최고 농도인 2,000 mg/kg을 한계 용량으로 일반 독성시험을 평가한 결과, 14일 시험기간 동안 모든 시험군에서 사망한 실험동물은 없었고, 투여일로부터 시험종료 시까지 실험동물의 행동, 피부 및 변 상태 등의 외적 이상변화도 관찰되지 않았다. 또한 간, 신장뿐만 아니라 흉선, 위 면적, 췌장, 비장, 흉선 및 고환 등에 밀순 유래 기능성물질 투여로 인한 어떠한 이상변화도 나타나지 않았다. 따라서 밀순의 섭취는 부작용 없이 혈당을 개선시켜 당뇨병 및 당뇨합병증 치료제 될 수 있으리라 사료된다.
[제1협동] 밀순 함유 건강기능성식품의 생산기술 개발
- 밀순 소재의 기능성식품의 국내시장은 소비자 설문조사에서 인지도는 낮지만, 기대심리는 높은 것으로 확인되었다. 또한 밀순 원료를 이용한 건강기능성식품 개발에 대한 상품성과 생산 타당성을 검토하여 원료의 특성에 따라 적절한 첨가제 (난소화성말토덱스트린)를 혼합하고 과립화 공정을 우선적으로 실시하여 기호성 향상과 과립제, 정제 및 캅셀제 등으로 제제화 공정을 확립하였다.
- 밀순은 특유의 비릿한 맛과 입감을 지니고 있기 때문에 식이 거부감이 발생할 수 있어 이를 해소하기 위해 밀순 원료는 동결건조 한 후, 중금속, 회분, 수분, 이물, 산도, pH 및 미생물검사를 실시하여 분말의 기본 물성을 확인하였다. 밀순은 동결건조공법을 통해 건강기능식품으로의 이용가능성을 확보하였으나 전처리 없이 동결건조상태의 분말을 제형화하기에는 부적합하다고 판단되었다. 따라서 이를 제품화하기 위해 3가지의 시제품을 만들었다.
첫 번째로, 하드캅셀형의 ‘종근당건강 밀순’은 난소화성말토덱스트린을 첨가제로 하여 밀순 과립 타입을 확립한 것으로서, 칭량 → 과립 → 충진 → 완제품의 순서로 제조공정을 거쳐서 만들었다. 제제검토 결과, 수분 1.83, 부피밀도 0.19 → 0.25, 충진성 18 Table, 안식각 0.68 (h/r), 붕해 8분이내로 섭취량 1일 8캅셀이 적합한 것으로 확인되었다. 두 번째로, ‘종근당건강 밀순정’은 난소화성말토덱스트린을 첨가제로 하여 밀순 과립 타입을 확립하여 타정기를 이용하여 정제로 제조한 것으로서, 제제검토결과, 수분 2.77, 부피밀도 0.27 →0.35, 경도 8.55, 마손도 0.32%, 붕해 15분이내로 섭취량 1일 8정이 적합하였다. 세 번째로, ‘당노원 (개별인정형제품)’은 건강기능성식품에 대한 개별인정형 인증을 받은 바나바주정추출물분말을 주원료로 이용하여 동결건조 밀순 분말 및 기타 부형제를 첨가하여 제조하였다. 제제검토결과, 수분 4.45%, 충진성 양호, 붕해 11분 이내로 제제화가 적합하였다.
- 밀순 원료를 안전하고 효과적으로 수급하기 위해서는 친환경적인 고품질 밀순 재배기술 확립이 필요하였다. 따라서 생육특성을 평가한 결과, 일장조건이 짧고, 20oC에서 2주이상의 재배기간이 최적조건임을 확인하였고, 이러한 조건은 기능성 유효성분의 고함유량을 확인하였다.

Abstract ▼

Diabetes mellitus including insulin-dependent or non-insulin-dependent diabetes mellitus affects approximately 171 million people worldwide and the incidence is expected to be more than double by 2030. In particular, hyperglycemia-induced pathogenesis is a primary risk factor in the development of t

Diabetes mellitus including insulin-dependent or non-insulin-dependent diabetes mellitus affects approximately 171 million people worldwide and the incidence is expected to be more than double by 2030. In particular, hyperglycemia-induced pathogenesis is a primary risk factor in the development of type 2 diabetes mellitus, due to deficiency in insulin secretion. Insulin secretion deficiency results in the increase of blood glucose level and causes oxidation-linked vascular complications about blood vessels and nerves. Therefore, controlling blood glucose is the major goals in the treatment of diabetes mellitus and prevention of diabetes-related complications. Recently, there are many kind of pharmaco-reagents selling now for anti-diabetic, such as acarbose and voglibose etc. Unfortunately, the main drawbacks of using synthetics have one and/or more side effects including flatuelence, abdominal cramping, and possibly diarrhea. In this regard, many efforts have been focused on isolation and identification of natural anti-diabetic compounds from medicinal plant and food, due to naturally bioactive compounds (amino acids, polypeptides, and terpenes). These natural anti-diabetic compounds could be used to effective treatment for diabetes mellitus with minimal side effects, develop physiological functional food, and lead compounds for antidiabetic treatment. Furthermore, these bioactive compounds showed various functional abilities.
Triticum aestivum is one of the world's major cereals for a long times. This is rich in dietary fiber, minerals, phenolic compounds, starch, and other phytochemicals. These compounds play important roles in human nutrition and health benefits. In general, earlier reports mostly showed about functionality and nutrition of wheat grains such as flour and bran. However, relatively few studies have examined isolation and purification of bioactive compounds from the T. aestivum sprouts.
The objectives of this study are to elucidate anti-diabetic effects of T. aestivum sprouts and develop value-additive products. This project consists of three subjects to fulfill the objectives. The first subject is to elucidate the isolated and identify the bioactive compounds with anti-diabetic effect from T. aestivum sprouts and development of functional food materials. The second is to elucidate anti-diabetic effect of the T. aestivum sprouts extracts in vitro and in vivo and determine efficacy the anti-diabetic effects of bioactive compounds isolated from T. aestivum sprouts in animal model of diabetes. The third is to apply development of convenience processed anti-diabetic manufactured product using T. aestivum sprouts.
1. Determination of bioactive compounds from T. aestivum sprouts and development of functional food materials
- Ethanol extract was prepared from the sprouts of T. aestivum sprouts (treated at chilling temperature (4℃)) and fractionated by a series of extraction using hexane, chloroform, ethyl acetate, butanol, and water. Among the fractions, water fraction showed potent anti-diabetic activity. Therefore, purification of the biologically active constituents from the water fraction which recorded high yield (17.3113 g) was done by various chromatography methods. Bioassay-guided fractionation of the T. aestivum sprouts water fraction afforded an active constituent identified by spectroscopic analyses, including IR, 13C-NMR, and 1H-NMR, and by direct comparison with an authentic reference compound or other papers. The active constituents were characterized as arabinoxylan, beta-glucan and GABA. In the present study, these isolated compounds showed outstanding anti-diabetic activities. In particular, GABA showed strong anti-diabetic activities against streptozotocin into male Balb/c mice.
- We confirmed using the Arrhenius equation the physical and bacterial stabilities of T. aestivum sprouts water fraction, arabinoxylan, beta-glucan and GABA. Among the T. aestivum sprouts water fraction and its isolated compounds, material stabilities of arabinoxylan were very strong other compounds. Therefore, these results indicated that the optimum composition of bioactive compounds from T. aestivum sprouts was the GABA and beta-glucan complications. Furthermore, T. aestivum sprouts and isolated compounds had various functionalities. In particular, T. aestivum sprouts-derived materials exhibited moderate growth promotion activities of toward human intestinal microorganisms.
2. Elucidation anti-diabetic effect of the T. aestivum sprouts extracts in vitro and in vivo and determine efficacy the anti-diabetic effects of bioactive compounds isolated from T. aestivum sprouts in animal model of diabetes.
- Anti-diabetic effects of the T. aestivum sprouts (TAE) in the diabetic mice: To investigate the anti-hyperglycemia effects of TAE in the diabetic mice, insulin-dependent type 1 diabetic animal model was established by intraperitoneal injection of streptozotocin into male Balb/c mice. Oral administration of 100 mg/kg/day TAE extracts reduced slightly food intake and induced a little body weight gain. The blood concentration of glucose was remarkably decreased and blood level of insulin was increased significantly by administration of TAE in dose-dependent manner.
- For the experiments in insulin resistent diabetic animal model, leptin receptor-deficient db/db mice and leptin-deficient ob/ob mice were used and divided to each 3 groups: diabetic control and two experimental groups orally treated with 25 and 100 mg/kg single dose of TAE (TAE-25 and TAE-100, respectively). After TAE administration for 5 weeks, the blood glucose level, body weight and diet consumption were significantly reduced in dose-dependent manner. TAE-100 significantly decreased remarkedly liver weight and slightly serum insulin levels when compared with them of the diabetic control group. Moreover, TA-100 treatment significantly improved impaired glucose tolerance in diabetic db/db mice. The results suggest that TA has anti-hyperglycemic effect attenuating blood glucose in the animal model of diabetes and might be useful as a functional diet for human diabetic diseases.
- Anti-diabetic mechanism of bioactive polysaccharide isolated from T. aestivum sprouts (TAP) on insulin secretion in pancreatic beta-cells and on the anti-diabetic activity in STZ-induced diabetic mice: We investigate the stimulating activity of TAP on insulin secretion in vitro using RIN-5F pancreatic beta-cell line and rat pancreatic islets. TAP augmented glucose-stimulated insulin secretion in a dose-dependent manner in the presence of high glucose concentration (16.7 mM). The insulinotropic effect of TAP was significantly inhibited by diazoxide, an opener of ATP-sensitive K+ channel blocking insulin release. TAP also significantly increased glucose-induced 45Ca²⁺ uptake and proinsulin mRNA expression in rat islets. Overall, these results suggest that TAP has the stimulating effect on insulin secretion and production in the pancreatic beta-cells via K+ channel closure and calcium influx. It implicate that TAP may be useful for the therapy of diabetes mellitus.
- Acute toxicity studies of bioactive TAP in animals: Animals should be observed for 14 days after TAP (2,000 mg/kg) administration for acute toxicity studies monitoring mortalities, clinical signs, and organ injury. We have no observed any abnormal clinical signs and organ injury in the experimental mice terminated at 14 days.
3. Development of convenience processed anti-diabetic manufactured product using T. aestivum sprouts
- Survey of related commercial products revealed that the greater product type of T. aestivum sprout is juice. The oversea market of T. aestivum sprout is growing as the product of diabetic supplement food, including amino acid, glutamine, vitamin, mineral, and calcium supplement.
- Consumers recently have come to realize the effects of diet on health, and are actively seeking functional food products that enhance health beyond. In the survey of the consumer preferences, although the awareness of the wheat sprout is low, they are great expectations of the functional effects. T. aestivum sprout dried under frozen condition has the original nutrients. it is very useful as a functional food.
- For establishment of cultivation techniques and management rules for high-quality T. aestivum sprout. The properties of growth was investigated under the various temperatures and cultivating periods. Its were 20℃ and more than 2 weeks. In addition the contents of functional compounds, beta-glucan and GABA, was best in cultivating periods longer than 2 weeks.
- For development of the functional food of T. aestivum sprout, we examined the various type's products, including capsule, tablet and pulp. As powder of dried T.aestivum sprout has light property, the manufacture process was established for the type of capsule, tablet, and pulp after its granule formulation with food additives. Also, the quality control process was suggested for safety and good products. Based on these manufacturing process, a preliminary samples was produced and tested for stability and safety. However the contamination of microbes was observed on quality test. Thus in next study the sterilization process should be investigated to remove the contamination of microbes in dried wheat sprout without the destruction of nutrient and the functional compound activity.
In conclusion, these results indicated that T. aestivum sprouts-derived compounds have anti-diabetic effects in vitro and in vivo against animal model.
Anti-diabetic effects of T. aestivum sprouts-derived three compounds can be developed as new medicine and led compounds for the patients with diabetes.