에 의한 발효 천마의 유용성분 및 생리활성 분석 송효남

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Lactobacillus에 의한 발효 천마의 유용성분 및 생리활성 분석

송효남¹․박명수²

1세명대학교 보건바이오대학 바이오식품산업학부

2군산대학교 식품영양학과

Analysis of Biological Activities and Functional Components in Fermented Gastrodia elata Blume by Lactobacillus

Hyo-Nam Song¹ and Myoung-Su Park²

1School of Food & Nutrition Science of Bioindustry, Semyung University

2Department of Food and Nutrition, Gunsan University

ABSTRACT To improve the unpleasant flavor and taste of Gastrodia elata Blume, G. elata was fermented by Lactobacillus brevis (KCCM 41029) and then analyzed for functional components and biological activity changes. G.

elata samples before (NFG, non-fermented Gastrodia) and after (FG, fermented Gastrodia) fermentation were compared with a liquid product from FG (FG-P, product from FG). Crude lipid and crude ash contents were elevated after fermentation. pH level decreased from 4.76 to 4.26, total soluble solids increased from 5.2°Bx to 6.1°Bx, and yellowness (b value) in terms of Hunter’s color value significantly increased. Transmittance (%) decreased after fermentation.

Total sugar and reducing sugar contents significantly decreased, and total polyphenols increased from 16.6 mg GAE/g to 24.2 mg GAE/g. Three index compounds, gastrodin, gastrodigenin and p-hydroxybenzaldehyde, were isolated by HPLC concurrent with vanillyl alcohol and vanillin. Gastrodin level significantly increased from 146.63 ppm (NFG) to 166.26 ppm (FG) and 751.05 ppm (FG-P) upon fermentation. The level of gastrodigenin, which is an aglycone of gastrodin, decreased and was similar to that of p-hydroxybenzaldehyde. Reduction of these two compounds is thought to contribute to the gross increase in the main component, gastrodin. Vanillyl alcohol and vanillin contents increased upon fermentation. IC50 of 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) radical scavenging ability to determine the antioxidant activity was 8.05 mg/mL (NFG) compared with 5.86 mg/mL (FG) and 8.19 mg/mL (FG-P). Antibiotic activities against five food poisoning microorganisms, Bacillus cereus, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Escherichia coli O157:H7, and Salmonella enteritidis, were determined by the paper disc method. The diameter of the clear zone was concentration-dependent and FG showed the highest activity.

Key words: Gastrodia elata Blume, fermentation, gastrodin, 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH), antibiotic activity

Received 23 October 2017; Accepted 5 December 2017 Corresponding author: Hyo-Nam Song, School of Food & Nutrition Science of Bioindustry, Semyung University, Jecheon, Chungbuk 27136, Korea

E-mail: [email protected], Phone: +82-43-649-1430

서 론

한약재인 천마(天麻, Gastrodia elata Blume)는 난초과 (Orchidaceae)에 속한 다년생의 초본성 기생식물로 주로 한국, 중국, 일본 등에서 자생하며 5월에 채집한다. 엽록소 가 없어서 영양물질의 광합성이 불가능하고, 뿌리가 없어 뽕나무버섯(Armillaria mellea)에 공생하여 영양을 공급받 아 생장하는 기생식물이다(1). 줄기의 색깔에 따라 홍천마 및 청천마(Gastrodia elata)와 녹천마(Gastrodia gracilis) 로 구분된다. 주로 뿌리를 사용하며 맛은 맵고, 약성은 평범 하고 독이 없으며 고혈압, 당뇨, 두통, 신경성질환, 간질, 중

풍 등의 증상에 효능이 있는 것으로 알려져 있다(2,3).

여러 연구에서 천마의 기본성분에 대한 분석 결과와 생리 활성이 보고되고 있다. 천마 추출물의 성분분석 및 in vitro 생물활성에 관한 연구(4), 천마 분말의 화학적 성분분석에 관한 연구(5)와 반응표면분석법을 이용한 천마의 열수 추출 조건 설정에 관한 연구(6) 등 분석학적 연구가 이루어졌다.

천마에 함유된 유효성분으로는 gastrodin, vanillyl alcohol, p-hydroxybenzyl alcohol, ergothioneine, phenolglyco- side, benzaldehydes 및 페놀성 배당체 등이 있는데, 항염 증, 항경련, 활성산소 억제 등의 효능이 있으며 이는 면역능 력 증강 및 활성산소 억제기능에 의한 것으로 보고되어 있다 (2,3).

천마의 생리활성에 관한 다양한 연구로는 천마 추출물의 항산화 및 항암활성 효과(7), 고지방 식이와 병행 섭취한 천 마 분말이 쥐의 혈청 및 간 조직 지질에 미치는 영향에 관한 연구(8), 천마 분획물이 고지방 식이를 급여한 쥐의 혈청 지

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질농도에 미치는 영향(9), 고지방 사료로 유발된 비만백서에 서 트레드밀 운동과 천마의 항비만 효과에 관한 연구(10) 등 이 있다.

천마를 가공한 제품들에 대한 관심도 증가하고 있어 건조 방법에 따른 천마의 특성변화(11), 천마 추출물을 이용한 음료의 품질특성(12) 및 천마 유효 성분의 에탄올 추출조건 최적화 연구(13) 등이 있다. 그러나 이와 같은 다양한 약리 적 효과에도 불구하고 천마는 독특한 맛과 이취로 인한 거부 감 때문에 일반적인 식품으로의 섭취보다는 농축액, 분말, 환, 술 등의 가공제품으로 개발되고 있으나 그 범위도 매우 한정적이다.

한편 천연물의 기능성과 생리활성 증가를 위한 생물공학 적 방법으로 미생물 발효공정이 이용되고 있다. 천마의 발효 에 대한 관심에 따라 발효 천마 분말의 품질특성(14), 발효 천마의 총 폴리페놀 함량 변화와 라디칼 소거능(15), 당화방 법에 따른 유산균 발효 천마의 품질특성(2), 유산균 발효 천 마의 수면유도 효과(16), 건천마와 발효 천마 추출물의 항노 화 활성과 신경성장인자 유도효과 비교(1) 등의 연구가 보고 되었다.

본 연구에서는 천마의 불쾌한 맛과 냄새를 개선한 천마 음료를 개발하기 위한 기초연구로서 미생물을 이용하여 발 효 천마를 제조해 발효 전후의 품질특성을 비교하였다. 이화 학적 품질지표를 측정하였고, gastrodin을 비롯한 천마의 주요 지표성분의 변화를 분석하였으며, 항산화 및 항균 활성 을 비교함으로써 천마의 부가가치와 기능성 식품소재로의 활용도를 높이고자 하였다.

재료 및 방법

실험재료

천마는 2016년 강원도 춘천에서 재배 수확한 건조 천마 슬라이스를 구입하여 실험재료로 이용하였다. 천마 분말 제 조방법은 건조 천마 슬라이스를 증류수로 세척하여 이물질 을 제거하고 70°C 열풍건조기로 수분 함량이 7%가 되도록 건조한 후, 분쇄기를 이용하여 80~100 mesh 정도의 입자 크기로 분쇄한 다음 동결건조를 거친 동결건조천마를 실험 재료로 사용하였다(16,17).

발효균주 및 천마 발효

본 연구에 사용한 균주는 Angiotensin Converting Enzyme(ACE) 저해활성이 높고, 천마 발효 시 천마 유효성 분 중 대표적 항산화 기능물질인 p-hydroxybenzyl alcohol 생산능이 우수한 것으로 보고된 바 있는 Lactobacillus brevis KCCM 41029 균주를 한국미생물보존센터(Korean Culture Center of Microorganisms(KCCM), Seoul, Ko- rea)에서 분양받아 천마 발효 종균으로 사용하였다(18,19).

분양받은 균주는 MRS Lactobacilli MRS broth(BD Di-

fco^TM, Becton Dickinson, Franklin Lakes, NJ, USA)에 접종하고 37°C에서 24시간씩 2회에 걸쳐 계대배양 하여 균 주를 활성화시킨 후 사용하였다. 발효 천마는 분쇄된 천마 1 kg을 물에 침지 및 불림과정 후 물 빼기를 실시한 다음 200 g씩 배양용기에 분취하였다. 이후 121°C에서 15분간 가압 멸균하고 실온으로 냉각시킨 다음 Lactobacillus brevis KCCM 41029 배양액을 5%(v/w)로 접종한 후 30°C에 서 7일간 발효하였다. 배양체의 덩어리 형성 방지를 위해 하루에 3회 규칙적으로 혼합하여 주었다. 발효가 완료된 후 에는 동결 건조한 다음 분쇄하여 냉동보관 하면서 실험에 필요한 시료로 사용하였다(16). 상기와 같이 제조한 발효 천 마를 주원료로 하여 충북 청주의 식품 제조 기업에서 액상차 형태로 완제품을 개발하였다. 즉 원재료명 및 함량은 발효 천마 추출액(국산) 100%(고형분 함량 0.12% 이상), 식품의 유형은 액상추출차이며, 내용량은 80 mL로 제조하였다. 본 실험에서는 발효 전 천마(NFG, non-fermented Gastrodia), 발효 후 천마(FG, fermented Gastrodia) 및 액상차(FG-P, product from FG)에 대해 유용성분 및 생리활성을 분석･비 교하였다.

일반성분

일반성분은 AOAC 방법(20)에 따라 분석하였다. 수분 함 량은 105°C 상압건조법, 회분 함량은 550°C에서 직접회화 법으로 분석하였다. 조단백질 함량은 micro-Kjeldahl법, 조 지방은 Soxhlet법으로 분석하였다. 탄수화물은 전체 100%

에서 수분, 조단백질, 조지방과 조회분 함량을 제외한 값으 로 나타내었다.

pH 및 총 가용성 고형분

발효 전후 천마 분말시료에 증류수를 10배 가하여 상온교 반 추출한 후 여과하여 시료로 사용하였고 액상차는 원액 그대로 사용하였다. pH는 pH meter(Orion 420A, Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA)로 측정하였고, 총 가용성 고형분은 0.45 μm membrane filter로 여과한 후 Hand refractometer(PR-101; 0~45%, Atago Co., Ltd., Tokyo, Japan)로 측정하였다(21).

색도 및 투과율

색도는 시료를 10 mL 셀에 담아 색차계(HunterLab Ultra Scan VIS, Hunter Associates Lab Inc., Reston, VA, USA) 를 사용하여 명도(L/lightness), a(redness/greenness), b (yellowness/blueness) 값을 3회 반복 측정하였다. Stand- ard plate는 백색판(C)을 사용하였고 이 백색판이 나타내는 X, Y, Z는 각각 93.38, 98.55, 105.71이었다. 투과율은 Spec- trophotometer(Model DU600 Series, Beckman Coulter, Inc., Fullerton, CA, USA)를 사용하여 파장 500 nm에서 투과도(%, transmittance)를 측정하였다.

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총당 및 환원당

총당 함량은 phenol-sulfuric acid법으로 측정하였다. 시 료 희석액 1 mL에 5%(v/v) phenol 1 mL를 가하여 진탕하 고 95% H₂SO₄ 5 mL를 가하여 다시 진탕한 후 10분간 방치 한 다음, 37°C의 water bath에서 30분간 방치한 후 490 nm에서 흡광도를 측정하였다. Glucose 표준곡선으로부터 총당 함량(%)을 구하였다(22). 환원당 함량은 dinitrosalicylic acid(DNS) 방법을 이용하였다. 시료 용액 1 mL에 DNS 시약(1,000 mL d-water+7.5 g dinitrosalicylic acid+14 g NaOH+216 g Rochelle salt+5.4 mL phenol 및 5.9 g Na2S2O5) 1 mL를 가한 후 잘 혼합하여 95°C에서 15분간 중탕하였다. 충분히 냉각시킨 후 증류수 3 mL를 가하여 진 탕한 다음 550 nm에서 흡광도를 측정하였다. Glucose 표준 곡선으로부터 환원당 함량(%)을 구하였다(23).

총 폴리페놀 함량

Folin-Ciocalteu reagent가 시료의 폴리페놀성 물질에 의해 환원된 결과 몰리브덴 청색으로 발색하는 것을 원리로 측정하였다(24). 실험시료는 70% EtOH에 100 mg/mL의 농도로 제조하여 시료용액 20 μL를 취해 2 mL tube에서 증류수 1.4 mL로 희석하고 Folin-Denis reagent를 0.1 mL 가하여 진탕하였다. 3분 후 0.2 mL sodium carbonate 포화 용액을 가하고 전체를 2 mL로 정용하여 잘 혼합한 다음 실 온에서 1시간 동안 반응시켰다. 반응액의 흡광도를 725 nm 에서 측정하였고 mg gallic acid equivalent(GAE)/g으로 나타내었다.

HPLC에 의한 지표성분 분석

천마의 주요 지표성분인 gastrodin과 p-hydroxyben- zaldehyde를 HPLC(Agilent HPLC 2695, Waters Co., Milford, MA, USA)로 분석하였다(25). 시료 100 mg에 70

% methanol 1 mL를 첨가하여 30분간 sonication 한 후 0.22 μm syringe filter로 여과하였다. HPLC C18(Atlantis^TM, 4.6×150 mm, particle size 3 μm, Waters Co.) 칼럼에 10 μL의 시료를 주입하고, mobile phase는 water와 acetoni- trile의 gradient(0~8분, 1% water; 8~10분, 20% acetonitrile; 10~12분, 80~100% acetonitrile; 12~13분, 100%

acetonitrile) 조건으로 1 mL/min의 유속으로 흘려보내 UV 220 nm에서 검출하였다.

항산화 활성

항산화 활성은 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl(DPPH) 의 라디칼 소거능으로 측정하였다. 시료용액(0.5~10 mg/

mL) 0.2 mL에 0.2 mM DPPH 용액 0.8 mL를 가하여 진탕 하고 암실에서 30분간 반응을 유도한 후 525 nm에서 흡광 도를 측정하였고, 전자공여능(electron donating abilities, EDA)을 계산한 후 초기 DPPH 자유라디칼의 50%를 억제하 는 데 요구되는 농도(IC50)를 계산하였다(26).

항균 활성

항균 활성은 agar-well diffusion method(27)를 변형하 여 실시하였다. 항균 활성 측정용 병원성 식중독 균주로 Gram positive는 Bacillus cereus(KCCM 40935), Staphylococcus aureus(KCCM 11335), Listeria monocytogenes(KCCM 40307)를 사용하였고, Gram negative는 Escherichia coli O157:H7(KCCM 11591), Salmonella enteritidis(ATCC 12243)를 10 mL tryptic soy broth(BD Difco^TM, Becton Dickinson) 배지에 접종하고 37°C에서 24시간 배양하여 사 용하였다. 항균 활성 검사는 paper disc법으로 측정하였다 (28). 멸균된 tryptic soy agar(BD Difco^TM, Becton Dickin- son) 15 mL를 분주한 petri dish에 각각의 균 배양액 0.5 mL를 주입한 후, 그 위에 TSA 배지 5 mL를 중층하여 응고 된 2중의 균 접종 평판배지를 만들어 paper disc법으로 항 균 활성을 측정하였다. 즉 천마 시료를 100, 200, 300, 400, 500 mg/mL 농도로 조제한 후 0.45 μm membrane syringe filter(Advantec MFS, Dublin, CA, USA)를 통과시킨 다음 멸균된 paper disc(Φ6 mm, Advantec, Toyo Roshi Co., Tokyo, Japan)에 완전히 흡수시켜 배지 표면에 완전히 밀 착시킨 후 37°C에서 24시간 배양하였다. 각 병원성 식중독 균들에 대한 항균력은 disc 주변의 inhibition clear zone의 직경(mm)을 비교하여 측정하였다.

통계분석

모든 데이터는 SPSS 통계프로그램(Ver. 12.0, SPSS Inc., Chicago, IL, USA)을 이용하여 각 측정군의 평균과 표준편차를 산출하였고, 실험군 간의 차이는 분산분석으로 분석한 뒤 Duncan’s multiple range test를 실시하여 P<

0.05 수준에서 유의성을 검정하였다.

결과 및 고찰

일반성분

천마의 발효 전후 일반성분을 생천마와 함께 비교하였다 (Table 1). 생천마(raw)의 수분 함량은 80.84%였고 이를 건 조한 원료 분말은 9.50%, 발효 후 천마 분말의 수분 함량은 12.66%였다. 다른 연구에서도 생천마의 수분 함량을 81.20

%로 보고하여 본 실험과 유사하였다(12). 조단백 함량은 발 효 전후 0.69% 및 0.61%로 유의적 차이가 없었으나, 조지 방의 경우 발효 전 0.60%에서 1.57%로 증가하였고, 조회분 도 발효 후 유의적으로 증가하였다. 50°C에서 열풍 건조한 천마의 일반성분 결과 수분 11.72%, 조회분 3.27%, 조지방 0.56%, 조단백질 5.31%, 탄수화물 75.78%로 보고된 바 있 다(11). Kim 등(14)의 보고에서도 진균으로 발효된 천마 분 말의 조지방 함량이 0.5%에서 8.62%로 크게 증가하여 본 실험과 유사하였으며, 이는 발효를 위해 접종한 미생물에서 유래된 지방 또는 그 생성물에 의한 것으로 추정된다.

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Table 1. Approximate compositions of Gastrodia elata Blume before and after fermentation (unit: %)¹⁾ Treatment²⁾ Moisture Crude protein Crude lipid Crude ash Carbohydrate

Raw NFG FG

80.84±1.17^c3)4) 9.50±0.05^a 12.66±0.12^b

0.16±0.04^a 0.69±0.01^b 0.61±0.03^b

0.41±0.09^a 0.60±0.05^b 1.57±0.19^c

0.68±0.09^a 1.55±0.04^b 3.05±0.05^c

17.91±0.13^a 87.66±0.32^c 82.11±0.40^b

1)Raw Gastrodia, wet basis; NFG and FG, dry basis.

2)Raw: raw Gastrodia, NFG: non-fermented Gastrodia, FG: fermented Gastrodia.

3)Each values are mean±standard deviation (n=3).

4)The different letters in the same column indicate significant differences (P<0.05).

Table 2. pH, total soluble solid, Hunter’s color values, and transmittance of Gastrodia elata Blume Treatment¹⁾ pH Total soluble

solid (°Bx)

Hunter’s color value Transmittance

L a b (%)

NFG FG FG-P

4.76±0.01^c2)3) 4.26±0.02^b 4.03±0.02^a

5.2±0.1^b 6.1±0.0^c 3.8±0.1^a

82.05±0.33^b 85.41±0.47^b 71.43±0.21^a

0.89±0.24^a 0.96±0.32^a 4.55±0.15^b

15.77±0.83^a 31.92±0.27^b 42.59±1.14^c

78.10±0.13^b 57.40±0.32^a 83.30±2.75^c

1)NFG: non-fermented Gastrodia, FG: fermented Gastrodia, FG-P: product from FG.

3)The different letters in the same column indicate significant differences (P<0.05).

Table 3. Total sugar, reducing sugar, and total polyphenol con- tent of Gastrodia elata Blume

Treatment¹⁾ Total sugar

(%) Reducing

sugar (%) Total polyphenol (mg GAE/g) NFG

FG FG-P

65.40±0.31^c2)3) 55.21±1.39^b 28.79±0.25^a

0.34±0.00^b 0.25±0.01^a 0.25±0.00^a

16.60±0.38^b 24.20±0.22^c 12.78±0.00^a

1)NFG: non-fermented Gastrodia, FG: fermented Gastrodia, FG- P: product from FG.

3)The different letters in the same column indicate significant differences (P<0.05).

pH, 총가용성 고형분, 색도 및 투과율

천마의 pH는 발효 전 4.76에서 발효 후 분말 4.26 및 액상 제품 4.03으로 감소하여 미생물 발효에 따라 산성 물질이 생성되었음을 시사한다(Table 2). 총가용성 고형분량은 발 효 전 5.2°Bx에서 발효 후 6.1°Bx로 증가하였고 액상제품 에서는 3.8°Bx로 감소하였다. 시중에 유통 중인 일부 천마 비발효 액상제품의 경우 3.0°Bx로 측정되었다(data not shown). 색도 분석 결과 명도(L값)는 발효 전(82.05)보다 발효 후(85.41)가 높게 나타나 발효에 따라 오히려 색이 밝 아짐을 알 수 있었다. 발효 후 적색도(a값)는 미미하게 증가 하여 유의적 차이가 없었으나 액상제품은 4.55로 크게 증가 하였다. 황색도(b값)는 발효 후 및 액상제품에서 크게 증가 하였다. 투과율은 발효 후 78.10%에서 57.40%로 감소하여 탁해지는 것으로 나타났으나 액상제품은 83.30%로 매우 맑 은 성상을 지닌 것으로 나타났다.

총당, 환원당 및 총 폴리페놀 함량

총당 함량은 발효 전에는 65.40%였으나 발효 후에는 55.21%로 크게 감소하였고 환원당도 0.34%에서 0.25%로 유의적으로 감소하였다(Table 3). 이는 발효과정에서 천마

의 당류화합물이 미생물의 영양원으로 쓰이거나 분해되었기 때문인 것으로 추측된다. 총 폴리페놀 함량은 발효 전 16.6 mg GAE/g에서 24.2 mg GAE/g으로 유의적으로 증가하였 다. 이와 같은 결과는 인진쑥(68.43 mg GAE/g), 토사자 (20.1 mg GAE/g)와 차이가 있었다(7,29). Park 등(15)은 효모균으로 발효한 천마의 경우 총 폴리페놀 함량이 108.65 mg/mL에서 389.99 mg/mL로 증가하였으며, 이와 같은 페 놀성 물질의 증가는 발효 중 protease, amylase, lipase 등 의 효소가 페놀성 물질들을 분비하기 때문으로 보고하였다.

HPLC에 의한 지표성분 분석

천마의 약리학적 성분은 gastrodin, p-hydroxybenzyl alcohol, vanillyl alcohol, vanillin, benzaldehydes, β-si- tosterol, polyphenol compounds 및 glycosides 등으로 알 려져 있다(2). 식품의약품안전처 생약연구과에서는 천마의 지표성분으로 gastrodin, gastrodigenin, p-hydroxybenzaldehyde 및 bis(4-hydroxybenzyl)ether 등의 4종 성분 을 가이드라인으로 설정한 바 있다(25). 본 연구에서도 발효 전후 지표성분을 포함한 약리학적 성분의 변화를 HPLC로 분석하여 Table 4에 나타내었다.

Gastrodin은 발효 전(146.63 ppm)보다 발효 후(166.26 ppm)에 유의적으로 증가하였고, 액상제품에서는 751.05 ppm으로 크게 증가하였다. Gastrodigenin(p-hydroxybenzyl alcohol)은 gastrodin의 aglycone이다. 따라서 발 효 후 감소하는 것은 gastrodin의 증가와 관련이 있을 것으 로 추측되며, p-hydroxybenzaldehyde는 gastrodin으로 생물전환 되는 성분으로 역시 gastrodin의 증감과 밀접한 관련이 있는 것으로 생각된다. 종합하면 gastrodigenin 및 p-hydroxybenzaldehyde는 gastrodin 생성에 기여하는 성분으로 본 연구에서는 발효에 의해 gastrodigenin이 당과 결합하여 glycoside로 전환되고, p-hydroxybenzaldehyde

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Table 4. Index compounds determined by HPLC in Gastrodia elata Blume (unit: ppm)

Compounds R.T. (min) NFG¹⁾ FG FG-P

Gastrodin Gastrodigenin Vanillyl alcohol p-Hydroxybenzaldehyde Vanillin

11.40 14.84 19.74 22.73 25.60

146.63±8.12^a2)3) 3,896.31±28.31^c 108.87±9.42^b 64.26±2.95^b 235.70±10.33^b

166.26±12.36^b 2,947.77±31.87^b 174.84±9.01^c 59.02±4.64^b 536.54±27.09^c

751.05±32.34^c 162.32±19.71â 3.60±0.48â 9.69±2.03â 3.60±0.51â

3)The different letters in the same row indicate significant differences (P<0.05).

Table 5. DPPH radical scavenging ability of Gastrodia elata Blume

Treatment¹⁾ EDA (%) IC50 (mg/mL) NFG

FG FG-P

46.26±0.48^b2)3) 53.10±0.63^c 38.76±0.30^a

8.05 5.86 8.19

1)NFG: non-fermented Gastrodia, FG: fermented Gastrodia, FG-P:

product from FG.

2)Each values are mean±standard deviation (n=3) at the concentration of 6 mg/mL for each samples.

3)The different letters in the same column indicate significant differences (P<0.05).

역시 gastrodin으로 전환됨으로써 전체적으로 gastrodin의 함량을 증가시킨 것으로 추측된다. Gastrodin은 p-hydroxybenzyl alcohol과 약리작용은 동일하지만 더욱 안정적 형 태로 존재하기 때문이다(30). 이와 같은 기작에 관한 연구는 추후 더욱 면밀하게 이루어져야 할 것으로 생각된다. 또한, 액상제품(FG-P)에서 gastrodigenin이 발효 전보다 더 큰 폭으로 감소하고 gastrodin이 크게 증가한 것은 물에 대한 용해도 문제 때문인 것으로 추정되나 더 정확한 추가분석이 필요할 것으로 보인다.

Gastrodin은 항간질 등 의약분야에서 많은 활성이 보고 되어 있는 물질로 γ-aminobutyric acid(GABA)의 감소를 줄이고 glutamate 증가를 억제하며 pentylene tetrazole 유 도성 간질에서 항간질 효과가 있는 것으로 보고되어 있다 (3). 이와 같은 효능은 vanillin에서도 보고되어 있으며 va- nillin은 발효 후 235.70 ppm에서 536.54 ppm으로 크게 증가한 것으로 나타났다. Vanillyl alcohol은 라디칼 소거 활성능이 우수하고 혈관생성 억제기능 및 항염증 효과가 있 는 것으로 보고된 바 있다(31).

항산화 활성

발효 전후 천마의 항산화 활성은 천마시료의 농도 5~6 mg/mL에 대해 DPPH 유리라디칼 소거법에 의한 전자공여 능(%) 및 IC₅₀으로 나타내었다(Table 5). 발효 전 IC₅₀ 8.05 mg/mL보다 발효 후 5.86 mg/mL로 감소한 것으로 나타났 다. 효모균에 의한 발효 천마는 84.5%(농도 8 mg/mL)의 소거율을 나타내었고(15), 상황버섯균을 이용하여 3차에 걸 쳐 다중 발효한 천마의 경우 최대 70.07%(농도 1,000 ppm) 의 소거율을 나타낸 것으로 보고되었다. 균주의 종류 및 발

효방법에 따른 차이는 있으나 발효공정은 천마의 항산화 활 성 증가에 효과적인 것으로 사료된다. 또한, 항산화 활성의 증가는 Table 3에서와 같이 폴리페놀 함량의 증가와도 상관 관계가 있을 것으로 생각된다. 일반적으로 flavonoids 및 페놀성 물질들은 체내 활성산소에 의해 생성된 free radical 을 환원시키거나 상쇄시키는 능력이 우수한 것으로 이미 널 리 알려져 있기 때문이다. 따라서 이러한 폴리페놀 함량 증 가 및 항산화 활성 증가는 미생물의 발효에 의해 수용성 폴 리페놀 화합물들이 생성되기 때문일 것으로 사료된다(15).

항균 활성

천마시료의 병원성 식중독균에 대한 항균 활성 측정 결과 는 Table 6과 같으며, 각각의 시료 농도가 100, 200, 300, 400, 500 mg/mL로 증가될수록 clear zone의 크기도 증가 하여 농도에 비례하여 항균 활성이 증대하는 것으로 나타났 다. 발효 전 천마(NFG)는 농도 400 mg/mL까지 항균 활성 이 없는 것으로 나타났으며, Lactobacillus brevis로 발효한 FG와 FG-P의 항균 활성은 농도 100 mg/mL에서도 항균 활성이 있는 것으로 나타났다. 병원성 식중독 균주들 중 B.

cereus 균주는 발효 천마 분말에서 11 mm 이상의 clear zone을 형성하였으나, 그람 음성균인 E. coli O157:H7은 NFG, FG, FGP 디스크에 clear zone이 미비한 것으로 나타 나 미생물 생육저해 활성이 미비한 것으로 나타났다. Bae (32)의 연구에서도 그람 음성균인 E. coli에서는 항균 활성 을 거의 나타내지 않아 본 연구 결과와 유사한 경향을 보였 다. 이는 E. coli에 대한 항균 활성이 나타난 물질들이 주로 산성에 가까웠다는 기존 보고와 유사하였다(33). 본 연구에 사용된 병원성 식중독 균주들에 대한 FG의 항균 활성이 NFG와 FG-P보다 더 크게 나타나는 경향을 보였는데, 이는 천마의 젖산균 발효로 인하여 항균 활성을 갖는 기능성 물질 의 생물전환이 일어난 것으로 추측된다(34,35). 또한, 발효 에 따라 증가하는 유기산에 의해 식중독균 증식 억제 효과가 증진됨이 보고된 바 있다(28,36). 발효 천마(FG)의 pH(4.26) 가 액상제품(FG-P)의 4.03보다 높음에도 불구하고(Table 2) 전반적인 항균 활성이 높은 것은 이와 같은 산에 의한 단일 억제 효과뿐 아니라 일반적으로 천연물의 항균성은 유 기산, 식물의 정유 성분 및 식물체 내 특정성분 등에 의해 복합적으로 이루어지기 때문으로 생각된다(37).

(6)

Table 6. Inhibition zone of Gastrodia elata Blume fermented with Lactobacillus brevis Treatment¹⁾ Conc.

(mg/mL)

Inhibition zone (mm)

Gram (+) Gram (−)

Bacillus

cereus Listeria

monocytogenes Staphylococcus

aureus Escherichia coli

O157:H7 Salmonella enteritidis

NFG

100 200 300 400 500

ND²⁾ ND ND ND +++

ND ND ND ND ++

ND ND ND ND +

ND ND ND ND ++

FG

100 200 300 400 500

+++

++++

++

+++

++++

++

+++

+ + + + ++

++

++++

FG-P

100 200 300 400 500

+++

++

+++

++

+++

+ + + + ++

++

+++

2)ND, not detected; +, 6∼8 mm: ++, 9∼10 mm; +++, 11∼14 mm; ++++, exceed 15 mm.

요 약

천마의 불쾌한 맛과 냄새를 개선하기 위한 제품개발의 기초 연구로써 발효 천마를 제조하여 유용성분 및 생리활성을 분 석하였다. Lactobacillus brevis KCCM 41029 균주를 분양 받아 발효하였고 발효 전 천마(NFG, non-fermented Gas- trodia), 발효 후 천마(FG, fermented Gastrodia) 및 액상차 (FG-P, product from FG)로 구분하였다. 일반성분 분석 결과 발효 후 조지방과 조회분이 유의적으로 증가하였다.

발효 후 pH는 4.76에서 4.26으로 감소하였고, 총 가용성 고형분은 5.2°Bx에서 발효 후 6.1°Bx로 증가하였으며, 색 도 분석 결과 발효 후 황색도(b값)가 유의적으로 크게 증가 하였다. 투과율은 발효 후 감소하였으나 액상차는 유의적으 로 증가하였다. 총당 및 환원당 함량은 발효 후 유의적으로 감소하였고, 총 폴리페놀 함량은 16.6 mg GAE/g에서 24.2 mg GAE/g으로 유의적으로 증가하였다. HPLC로 분석한 결 과 gastrodin, gastrodigenin 및 p-hydroxybenzaldehyde 등 3종의 지표성분이 분리되었으며 그 외 유용성분으로 vanillyl alcohol과 vanillin이 분리되었다. Gastrodin은 발효 전(146.63 ppm)보다 발효 후(166.26 ppm)에 유의적으로 증가하였고, 액상제품에서는 751.05 ppm으로 크게 증가하 였다. 발효 후 gastrodin의 aglycone인 gastrodigenin은 감 소하였고, p-hydroxybenzaldehyde 역시 감소하여 두 성 분의 감소는 gastrodin의 총량 증가에 기여하는 것으로 생 각되었다. Vanillyl alcohol과 vanillin 모두 발효 후 유의적 으로 증가하였다. 2,2-Diphenyl-1-picrylhydrazyl 라디칼 소거능 측정 결과 발효 전의 IC50 값은 8.05 mg/mL였으나 발효 후 5.86 mg/mL로 감소하여 항산화 활성이 증가함을

확인하였다. Paper disc법으로 Bacillus cereus, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Escherichia coli O157:H7 및 Salmonella enteritidis 등의 식중독균에 대한 항균 활성을 분석한 결과 clear zone의 크기는 농도 의존적으로 비례하였으며 발효 천마의 활성이 가장 높은 것 으로 확인되었다.

감사의 글

본 연구는 2015년 세명대학교 교내학술연구비의 지원으로 수행되었으며 이에 감사드립니다.

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