농가소득 창출을 위한 식용식물의 항산화, 항염, 항혈전 및 항비만 효과 탐색

I. 서론

심혈관 질환은 대한통계협회의 조사에 의하면, 한국 주요 사망원인 중의 하나로 인구 10만 명당 52.4명의 높은 사망률(2위)을 보이고 있다(Korean Statistical Association 2015). 심혈관 질환은 다양한 원인(고혈압, 당뇨, 고지혈증, 비만 등)에 의해 발생하며 심비대증, 심부전, 심근경색, 심근손상 등이 이에 속하는데(Wood 2001), 체내 활성산소종의 증가, 염증 과민반응, 과도한 혈전 생성 및 체지방 증가와 관련된 것으로 보고되고 있다.

활성산소종(reactive oxygen species, ROS)은 체내전자 운반과정에서 불완전하게 환원되거나 사이토카인 등에 의해 생성된다. 우선 생체 내 항산화 활성을 띄는 물질을 파괴하여 피부노화를 일으키고, 이러한 활성산소종이 발생함에 따라 항상성이 깨지면서 면역력과 방어력이 약해져 신체와 피부에 문제를 일으키고 주름형성, 여드름, 아토피 등의 피부질환을 유발시키며, 노화에 영향을 미쳐 각종 성인병 유발의 원인이 된다(Maxwell 1995; Jeong et al. 2011). 또한, 산화스트레스에 의한 반응으로 체내의 당, 지질, 단백질 그리고 DNA의 변형 및 파괴를 일으킨다고 알려져 있다(Harold et al. 2007). 따라서 이러한 활성산소종에 의한 산화작용으로부터 생체를 보호할 수 있는 항산화제에 대한 연구들이 활발히 진행되고 있다(Oh 2005). 슈퍼옥사이드(superoxide), 하이드록시 라디칼(hydroxyl radical), 과산화수소(hydrogen peroxide) 등 활성산소종의 대사산물은 생체지질의 과산화를 일으키고 생체막을 변형시켜 효소의 불활성, 세포노화 당뇨, 만성염증질환, 뇌졸중 및 심장질환, 암 등을 일으킨다(Hammond et al. 1985). 이러한 활성산소를 억제하는 물질은 천연물질에 많이 함유되어 있으며 특히 식물 유래의 물질에 대한 항산화 연구가 진행되어 왔다(Seog et al. 2002).

우리 인체에서 혈액은 신체 각 조직으로 산소와 영양분을 공급하고 노폐물을 제거함으로 각 조직의 항상성 유지에 중요한 역할을 하며, 정상적인 상태에서는 출혈이나 혈전에 흐름을 받지 않는다. 그러나 다양한 원인으로 혈관벽이 파괴되면 혈소판은 다양한 혈구세포와 함께 내피세포의 손상으로 노출된 콜라겐과 결합되고 이는 급속한 혈전을 형성하여 지혈작용을 수행한다. 그러나 과도한 혈소판 응집은 혈전생성을 촉진시켜 정상적인 혈액순환을 저해한다(Sweeney et al. 1990; Lee 1995).

현대사회는 가공식품 소비의 증가, 식생활의 서구화로 인한 비만이 증가하는 추세이며 비만은 영양성분을 과다 섭취함에 따른 에너지 불균형이 원인으로, 호흡기, 순환계, 위장, 근골계 질환에 많은 관련이 있는 것으로 알려져 있다. 최근 식습관의 변화 및 각종 스트레스로 인한 질병의 발병과 관련하여 고혈압, 동맥 경화증 등의 심혈관 질환이 증가하고 있으며 이는 전체 사망률의 약 35% 이상으로 심각한 실정이다(Visscher & Seidell 2001).

현재까지 심혈관계 질환을 치료 및 예방하기 위한 연구가 지속되고 있지만 개발된 합성치료제의 부작용으로 인한 근육통, 백내장, 면역기능 약화 등의 문제가 있어(Wiwanitkit & Wiwanitkit 2011) 천연물을 이용한 치료제 개발에 관심이 높아지고 있다.

산마늘(Allium victorialis var. platyphyllum)은 백합과 다년생 초본식물로서 중국, 우리나라 북부지방과 울릉도의 숲에서 자란다. 산마늘은 외상이나 타박상, 코피를 그치게 하고, 어혈로 인한 동통 증상에 효과가 있으며, 콜레스테롤 생합성 저해, 비만억제, 항동맥경화, 항돌연변이원성 및 세포보호 등에 대한 효과가 있는 것으로 보고되었다(Doh et al. 2011; Park et al. 2011). 유효성분으로는 냄새의 근원인 diallyl disulfide, methyl allyl disulfide, methyl allyl trisulfide, 항혈전작용이 있는 3,4-dihydro-3-vinyl-1, 2-dithiin, 2-vinyl-1,3-dithiin, 1-kestose, neokestose와 astragalin, quercetin, kaempferol 및 ferulic acid 등이 보고되어 있다.

배암차즈기(Salvia plebeia R. Br.)는 꿀풀과에 속하는 일년생 혹은 이년생 직립초목으로 우리나라 전국에서 자생한다. 예로부터 기침, 천식, 염증 등에 효과가 있다고 알려져 있으며, 유효성분으로 flavonoid와 phenol성 물질, saponin 등이 보고되어 있다(Lim et al. 2007; Choi et al. 2014).

잔대(Adenophora triphylla)는 쌍떡잎식물 초롱꽃목 초롱꽃과의 다년생 식물로서, 사삼(沙蔘), 제니라고도 불린다. 초여름에 잎과 줄기를 나물로 먹고, 뿌리는 식용 및 약용으로 사용되어 왔다. 항돌연변이, 항종양, 항산화 등이 보고되어 있다. 에탄올추출물은 비만 마우스에서 항산화 효과와 염증 억제 효과, 인슐린 저항성 효과가 있으며, 천식 동물모델에서 잔대의 뿌리 추출물은 항염효과가 있는 것으로 보고되었다(Jang et al. 2015).

무(Raphanus sativus)는 쌍떡잎 식물 양귀비목 겨자과에 속하는 한해살이 또는 두해살이 초본으로, 항산화, 항균, 인간 암세포의 증식억제, 배변촉진, 항염 등이 알려져 있다. 무청은 항고혈압 활성, 콜레스테롤 축적 억제 효과, 위장 자극 저하 및 자궁수축의 기능이 보고되었다(Lee et al. 2013)

짚신나물(Agrimonia pilosa)은 장미과에 속하는 다년생 숙근초로서 북반구 온대, 남아메리카 그리고 우리나라의 경기, 충청, 전라도에 걸쳐 자생하고 있다. 항균, 항고혈압 효능이 밝혀졌고 최근에는 짚신나물의 물질들이 제약원료, 건강식품, 식물성 영양제 등으로 쓰인다. 유효성분으로 비타민 K, 탄닌, luteolin-7-β-glucoside, apigenin-7-β-glucoside, 페놀성 배당체 등이 보고되었으며 특히 agrimoniin의 항암효과가 잘 알려져 있다(Jang et al. 2008; Kim et al. 2011).

삼채는 파 속(屬) 식물로 식이 유황 화합물이 마늘보다 많은 것으로 알려져 있다. 히말라야 고랭지에서 자생하나 최근 국내에서 재배면적이 100만평에 달하고, 지역특화작목으로 확산되고 있다. 삼채는 당, 섬유소, 단백질, ascorbic acid, total phenol, phytosterol 등이 양파보다 많이 함유되어 있으며 항당뇨 및 항염증 효과가 보고되었다(Bae & Bae 2012; Kim et al. 2015, 2016).

현재까지 심혈관계 질환 치료와 예방을 위한 연구가 지속되고 있지만 개발된 합성치료제의 부작용으로 인해(Wiwanitkit & Wiwanitkit 2011) 천연물 및 천연소재를 원료로 한 약물개발에 관심이 높아지고 있다. 심혈관 질환 예방 소재 평가 요인으로 항산화, 항염, 항혈전 및 항비만 효과가 분석되고 있으며, 다양한 식품 소재에서 각각의 기능성을 평가해 왔으나 이들 요인을 동시에 복합적으로 분석한 연구 결과는 없는 실정이다. 따라서 본 논문에서는 심혈관 질환개선을 위해 사용되고 있는 식품 소재를 가지고 항산화, 항염, 항혈전 및 항비만 요인에 대해 분석하였다.

식품원료는 잎과 뿌리를 분리하여 사용하므로, 부위별로 나누어 기능성을 평가하였다. 삼채의 경우에는 연구소재의 상용화를 위하여 다양한 추출방법을 통해 분석시료를 제조하였으며, 이전의 보고와 같이 발효과정을 거치면서 체지방 감소와 같은 생리활성이 증대됨에 따라(Kim et al. 2015) 발효 및 비발효군의 효과 또한 분석되었다.

Ⅱ. 연구방법

1. 추출물 제조

본 실험에 사용한 식품소재는 Table 1에 제시하였다. 모든 시료는 수세 후 동결건조(PVTFD 10R, Ilshin, Korea) 한 후 균일하게 분쇄하여 추출에 사용하였다. 발효삼채는 Kim et al.(2015)의 연구에서와 같은 방법으로 가공하여 사용하였다. 70% 주정 추출물 제조를 위해, 시료 100 g에 중량 대비 20배의 70% 발효주정을 가하고 실온에서 24시간씩 2회 반복하여 교반추출(SK-71, Jeio Tech, Korea)하였다. 열수 추출물 제조를 위해 시료 50 g에 중량 대비 20배의 3차 증류수를 가하고, 80~100℃에서 중탕 추출기(Daihan Scientific, Korea)를 이용하여 2시간씩 2회 반복하여 추출하였다. 각각의 추출물은 Filter paper(No.6, ADVANTEC, Japan)를 이용하여 감압여과하고, 감압농축기(N-1000, Eyela, Japan)를 사용하여 농축한 후 동결건조하여 –80℃에서 보관하였으며 산화방지를 위해 밀폐된 갈색 용기에 보관하면서 본 실험에 사용하였다. 본 논문에는 평가한 항목 중에서 한 항목에서라도 유의적으로 활성을 보인 소재 및 추출방법을 중심으로 보고하고자 한다. 배암차즈기와 삼채의 경우 건강기능식품 원료로서의 가능성을 가지고 실험이 진행되고 있어 열수 추출물 결과를 제시하였고, 삼채는 발효 처리하였을 때 체지방 감소효과가 증가되어(Lee et al. 2015) 본 실험에서도 비교 분석하였다.

Table 1.

Common name, scientific name, and plant part used in this experiment

Ⅲ. 결과 및 고찰

1. 항산화 활성

심혈관계 질환에는 활성산소가 관련되어 있으며, 활성산소 증가에 의한 세포막의 손상은 혈관내피 세포의 손상을 유도하여 심혈관계 질환의 원인이 된다. 본 실험에서 심혈관 질환 예방을 목적으로 사용되는 식용식물들의 항산화 활성을 분석한 결과는 다음과 같다.

1) DPPH 라디칼 소거활성

사용된 소재의 추출물을 이용하여 DPPH 라디칼 소거 활성을 확인한 결과(Table 2), 배암차즈기 잎, 잔대 잎, 짚신나물의 C₅₀ 값이 100 μg/mL이하로 라디칼을 소거하는 효과가 우수한 것으로 나타났다. 배암차즈기는 항산화효과가 높은 것으로 알려져 있는데(Choi et al. 2014; Chen & Kang 2014), 70% 주정에서 열수추출시보다 6배 이상 활성이 높아 추출방법에 따라 활성이 다른 것을 보여주고 있다.

Table 2.

Antioxidant activities of the plant extracts by DPPH and ABTS radical scavenging activities

2) ABTS 라디칼 소거활성

소재의 ABTS 라디칼 소거 활성을 확인한 결과(Table 2)도 DPPH 라디칼 소거 활성과 유사한 경향을 보였으며, 배암차즈기 잎, 잔대 잎, 짚신나물, 발효삼채의 IC₅₀ 값이 100 μg/mL 이하로 나타났다. 배암차즈기 잎, 잔대 잎, 짚신나물은 두 가지 항산화 효과 측정방법에서 IC₅₀ 값이 100 μg/mL 이하로 우수한 소재로 나타났으며, 대체적으로 뿌리보다는 잎 그리고 삼채의 경우 열수보다는 70% 주정 추출물에서 효과가 높았으며, 발효처리시에 IC₅₀ 값이 감소하여 항산화 활성이 향상되는 것으로 나타났다.

Son et al.(2002)은 고혈압 및 심혈관 질환에 처방되는 산사(山揸)의 DPPH 라디칼 소거능에서는 800 μg/mL에서 60.4%의 소거능을 보였고, phosphatidylcholine hydroperoxides의 생성 억제효능에서 최대 79.25%의 지질과산화 억제율을 제시하면서 항산화와 심혈관 질환 예방 효과의 관련성을 제시하였다. 따라서 배암차즈기, 잔대 및 짚신나물의 높은 항산화 효과는 심혈관질환 예방 소재의 가능성을 갖고 있다 하겠다.

2. 항염 활성

O₂^-, H₂O₂, 그리고 NO는 LPS를 통해 대식세포에서 생산된다. NO는 종양이나 세균 등에 대해 방어하는 역할을 하나 과도한 NO 생성은 독성 라디칼로 작용하여 세포나 조직의 손상을 일으키고(Baek et al. 2009) 염증을 유발하게 된다. 따라서 기능성 소재의 항염 활성을 측정하기 위해 Raw 264.7세포에 LPS를 처리하고 NO 생성억제 활성을 평가하는 방법이 사용되고 있다(Jeong et al. 2012; Choi et al. 2014).

1) Raw 264.7 대식세포에서의 세포독성

추출물 자체의 독성을 평가하였을 때 배암차즈기 뿌리, 잔대 뿌리 및 짚신나물 잎은 1,000 μg/mL 농도에서 세포 증식율을 대조군에 비하여 감소시켰으나, 500 μg/mL 이하의 농도에서 모든 시료가 자체 독성을 보이지 않았다(Table 3).

Table 3.

Effects of the plant extracts on NO production by LPS-treated Raw 264.7 cells

Raw 264.7 대식세포에서 염증유발물질로 사용되는 LPS를 추출물과 함께 처리하여 세포독성을 확인하였다. 그 결과 모든 시료가 500 μg/mL 이하의 농도에서 LPS에 대해 농도 의존적으로 세포를 보호하는 효과가 있었다(Table 3). 특히 풋마늘, 무, 발효삼채 뿌리는 유의한 수준에서 세포를 보호하는 효과가 우수한 것으로 나타났다. 무는 항산화 및 항염 효과가 있는 것으로 보고되고 있는데(Lee et al. 2013), 본 실험결과에서 무는 세포를 보호하여 항염 효과를 보이는 것으로 해석된다.

2) Nitric oxide 함량

Raw 264.7 대식세포를 LPS 및 추출물과 함께 처리한 결과 LPS만을 처리한 대조구에서 NO 생성량이 증가하였고, 양성대조군으로 사용된 dexamethasone은 NO 생성량을 44.7% 수준으로 낮추었다. Raw 264.7 대식세포에 추출물을 함께 처리한 경우 추출물의 농도 의존적으로 유의적인 수준에서 NO 생성량이 감소하였으며, 추출물 농도가 낮아질수록 NO 생성을 억제하는 효과가 유의적으로 감소하였다(Table 3). 1,000 μg/mL 농도에서 세포 독성을 보이지 않는 소재로 배암차즈기 잎이 대조군에 비하여 67% 이상 가장 높은 NO 생성 억제능을 보였고, 삼채 뿌리의 경우 발효 처리하였을 때 NO 생성 억제능이 20% 이상 높아지는 결과를 보였다. 무도 1,000 μg/mL에서 약 37%의 NO 생성 억제 활성을 보였는데, 이것은 위에서 제시한 LPS에 대한 세포 보호 효과와 관련된 것으로 보인다. 그러나 잔대는 다른 추출물에 비하여 NO생성 억제효과가 적고, 농도에 따른 NO 생성 억제효과도 크지 않았다.

세포 독성이 없는 수준에서 항염 활성을 평가하였을 때 배암차즈기(Jeong et al. 2012)와 작약 추출물(Im & Lee 2012)은 Raw 264.7세포에서의 NO 생성억제 효과가 보고되었는데, Han et al.(2001)은 항산화제 혹은 항산화 효과가 있는 물질은 NF-κB의 활성을 억제하고 Raw 264.7세포의 iNOS 유전자 발현을 조절하여 NO생산을 저해하는 것으로 설명하였다.

3. 항혈전 효과

항혈전 효과는 혈액응고효소인 트롬빈을 추출물과 함께 처리한 후 트롬빈의 활성을 분석하여 제시하였다(Table 4). 본 실험에 사용된 시료(500 ug/mL) 중에서 배암차즈기 잎, 짚신나물과 삼채 뿌리에서 52.4~98.1%의 항혈전 효과가 나타났다. 같은 농도에서 짚신난물(98.1%)이 가장 높은 항혈전 효과를 보였으며, 삼채 뿌리를 발효처리하였을 때 항혈전 활성이 향상되는 것으로 나타났다.

Table 4.

Thrombin inhibition effect of the plant extracts

Shin et al.(2008a)에 의하면 버섯의 균사체를 이용한 한약재를 발효시킨 결과 DPPH 소거능 및 thrombin 억제능이 발효 전에 비해 각각 20.7~59%와 13.9~31.4% 증가한다고 하였다(Shin et al. 2008b). 본 실험에서도 발효 처리에 의해 항혈전 효과가 높아졌고, 앞으로 발효 방법에 따른 항혈전 효과 비교가 수행되어야 할 것으로 생각된다. 식물 중에서 골쇄보의 경우 DPPH 소거능과 thrombin 억제효과가 동시에 증가되어 복합 특정 기능성의 강화 원재료로 취급하고 있는데(Shin et al. 2008a, 2008b), 본 연구에서도 배암차즈기와 짚신나물은 항산화 효능과 thrombin 억제능 등이 동시에 관찰되어 그 활용 방안이 주목된다.

4. 항비만 효과

1) 3T3-L1 세포독성

3T3-L1 지방전구세포에서 추출물의 세포독성을 확인한 결과 독성을 나타내지 않는 범위는 1.95~250 μg/mL 이었다. 세포독성이 높아 제일 낮은 농도를 처리한 시료는 풋마늘(0.48~3.9 μg/mL)이었으며, 산마늘과 짚신나물은 높은 농도에서도 세포독성이 없어 31.25~250 μg/mL의 범위에서 사용하였다(Table 5).

Table 5.

Inhibitory effects of the plant extracts on the lipid accumulation in 3T3-L1 cells

2) 3T3-L1 분화 억제능

동맥경화와 심혈관 질환의 발생은 비만수준과 밀접한 관계가 있다고 알려져 있으며, 비만의 예방과 치료를 위해 식품이나 천연물에서 효과적인 치료제를 찾는 연구가 진행되고 있다(Jee et al. 2006; Pi-Sunyer 2009). 본 연구에서 식용식물의 3T3-L1 분화억제능을 평가하기 위하여 먼저 3T3-L1 세포에서 세포독성과 분화 억제능을 확인하였다. 추출물의 지방세포 분화 억제능의 범위는 4.1~15.2%로, 삼채 지상부(15.2%)가 가장 높은 분화 억제능을 보였으며(Table 5), 이들 소재의 지방축적 억제 효과는 심혈관 질환 예방에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다. 삼채 뿌리는 발효시 비만 마우스에서 체지방 감소효과가 높아지는 것으로 보고되었고(Kim et al. 2015) 본 연구에서도 유사한 경향을 보였으나 발효 방법 및 관련된 기전 연구가 계속되어야 할 것으로 생각된다.

5. 기능성 성분

1) 총 페놀함량

사용된 소재에서 총 페놀함량을 분석한 결과 모든 소재에서 페놀함량이 확인되었다(Table 6). 1 mgGAE/g 이상의 페놀을 함유한 시료는 3종으로 배암차즈기 지상부, 잔대 지상부, 짚신나물로, 예측한 바와 같이 잎 부분에 총페놀 함량이 높은 것으로 나타났다.

Table 6.

Total phenolic and total flavonoid contents of the plant extracts

2) 총 플라보노이드 함량

본 실험에 사용된 모든 식용식물의 총 플라보노이드 함량을 분석한 결과(Table 6) 플라보노이드 함량은 149.3~1685.3 μg CE/g이었으며, 배암차즈기, 잔대, 짚신 나물 및 삼채에서 플라보노이드가 분석되었다. 배암차즈기 지상부와 짚신나물은 1 mg CE/g 이상의 플라보노이드를 함유하고 있었다(Table 6).

총 페놀 함량은 phenolic hydroxyl 그룹이 단백질, 2가 금속이온과 결합하는 높은 항산화효과를 가지는 것으로 알려져 있으며(Shin et al. 1994; Jung & Sohn 2014), 본 연구에서는 모든 시료에서 Shin et al.(2008a)이 제시한 마늘의 총 페놀 함량보다 최소 4배~최대 264배 높게 나타났다. 채소류 및 식용식물의 잎, 꽃, 과실, 줄기 등에서 존재(Jang et al. 2010)하는 플라보노이드도 본 연구에 사용된 시료에서 총 폴리페놀함량과 유사한 경향을 보여 Shin et al. (2008a)의 연구에서보다 최소 20배~616배 높게 나타났다. 식물 내에 존재하는 페놀성 화합물들은 채내의 효소단백질과 같은 거대분자와 결합하는 성질을 가지고 있어서 항산화, 항당뇨, 항비만 등과 관련이 있는 것으로 보고되고 있다. 그러므로 본 연구에서 사용된 배암차즈기와 짚신나물도 생마늘 및 흑마늘의 추출물(Jung & Sohn 2014)과 함께 관련된 생리활성이 높은 소재로 활용될 수 있을 것으로 보인다(Sakihama et al. 2002; Scalbert et al. 2005).

총 플라보노이드 함량은 항혈전 활성과 관련 있는 것으로 보고되고 있는데(Ahn et al. 2010) 본 연구에서도 항산화, 항염, 항혈전 및 항비만 효과가 있는 식용식물 소재들에서 플라보노이드 함량이 높게 나타났다. 따라서 본 실험에 사용된 배암차즈기, 짚신나물, 삼채 등은 플라보노이드 및 폴리페놀 함량이 많고 심혈관 질환 예방과 관련된 항산화, 항염, 항혈전 및 항비만 효과가 있어 다양한 기능성 소재로 개발이 가능하며 재배 농가의 수입 증대에도 크게 기여할 수 있을 것으로 보인다.

IV. 요약 및 결론

본 연구에서는 그동안 심혈관 질환에 효과가 있다고 알려져 있고, 농가에서 소득 작목으로 재배되고 있는 7종의 식용식물에서 항산화, 항염, 항혈전, 항비만 효능을 살펴보고 이들 기능성과 관련해서 총폴리페놀과 플라보노이드 함량을 분석하였다. 그 결과 배암차즈기, 잔대, 짚신나물, 삼채에서 항산화(DPPH 및 ABTS radical 소거능), 항염, 트롬빈 억제 및 지방세포내 지질축적 억제효능이 관찰되었고, 부위 및 추출 조건에 따라 활성이 다른 것으로 나타났다. 따라서 이러한 기능성 소재는 인체적용시험 뿐 아니라 기능성 소재의 특성에 맞는 추출 등 가공방법을 고려하고 다양한 식품 개발을 통해 일반 국민이 쉽게 섭취 및 이용할 있게 되길 기대한다. 또한 이러한 소재들을 이용한 다양한 심혈관질환 예방 식품 개발은 우수한 우리 기능성 농산물의 판로 확대 및 농가의 소득향상에도 기여할 수 있을 것이다.

Acknowledgments

This work was supported by the Cooperative Research Program for Agriculture Science & Technology Development (PJ01097701, PJ01049004), Rural Development Administration, Republic of Korea.

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