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©The Korean Society of Food Science and Technology
고기능성 들깻잎을 이용한 침출차의 품질 극대화를 위한 최적 볶음조건 연구
윤웅재·양성용·이현순
1·홍충의·이광원*
고려대학교 생명과학대학 식품공학부, 1고려대학교 보건과학연구소
Optimal Roasting Conditions for Maximizing the Quality of Tea Leached
from High Functional
Perilla frutescens Leaves
Ung Jae Yun, Sung-Yong Yang, Hyun-Sun Lee1,Chung-Oui Hong, and Kwang-Won Lee* Division of Food Bioscience & Technology, College of Life Sciences & Biotechnology, Korea University
1
Institute of Life Science and Natural Resource, Korea University
Abstract This study was carried out to investigate the optimal roasting conditions for developing perilla leaf leached tea, which has high functional Perilla frutescens leaves. The roasting processes were carried out with variations in roasting
temperature (120-200oC) and roasting time (15-35 min), the response surface methodology was applied to monitor the
changes in qualities of the roasted Perilla frutescens leaves. The antioxidant, bioactive substance in roasted Perilla
frutescens leaves, and their extracts were the quality parameters. The total polyphenol and total flavonoid contents
increased with time and temperature up to 25 min and 160oC. Antioxidative activities showed a positive correlation with
the amount of phenolic compound. Caffeic acid and rosmarinic acid contents increased with time up to a mild temperature,
160oC, while they decreased at high temperatures over 160oC. The optimum roasting conditions selected for developing
perilla leaf leached tea were thus 180oC and 20 min, given the conditions in the above experiments.
Keywords: high functional Perilla frutescens leaf, caffeic acid, rosmarinic acid, optimization of roasting conditions
서
론
들깨(Perilla frutescens Britton var. japonica Hara)는 꿀풀 과에 속하는 1년생 초본으로 중국에서 처음으로 재배되기 시작하여 인 도, 베트남, 일본 그 밖의 동남아 지역에서 재배되었으며 우리나 라에서는 통일신라시대부터 재배되어온 대표적 유료작물 중 하 나이다(1). 들깻잎은 한국인이 즐겨먹는 채소로서 독특한 향미와 개운한 맛 때문에 육류 섭취 시 함께 많이 쓰이며, 외식문화의 발달 및 웰빙 문화에 의한 쌈 채소 소비의 증가, 그리고 들깻잎 품종이 개발되어 들깻잎 관련 시장 규모가 증가하고 있다(2). 들깻잎의 약리작용에 관한 연구도 활발하게 이루어져 항산화 (3), 항균작용(4) 및 항암 활성(5) 등에 관한 연구가 보고되고 있 다. 최근 연구에 의하면 들깻잎추출물에서 활성산소기(reactive oxygen radical, ROS)에 의한 세포손상 등의 독성에 대하여 방어 작용을 하는 물질인 glutathione(GSH)의 함량을 증가시키는 활성 본체가 caffeic acid로 보고되었다(6). Caffeic acid는 polyphenol계 화합물로서 발암억제제로 작용하고, 생체안과 밖에서 항산화제로 알려져 있으며(7), caffeic acid의 dimer인 rosmarinic acid는 인체 에서 형성되는 독성물질인 활성산소를 제거함으로써 인체의 노 화와 각종 질병을 예방해주고, 유지식품의 산화에 의한 부패를 막아주며(8), 고혈압, 당뇨, 고지혈증을 예방한다고 알려져 있다 (9). 이와 같이 들깻잎의 기능성에 관한 다양한 연구 결과와 들 깻잎이 지닌 독특한 맛과 향은 기능성식품 개발에 이용가치가 있 음에도 단순한 식용 소재로만 소비될 뿐 이에 관한 연구는 미비 한 실정이다. 선행연구를 통해 국내에서 생산되어 식용되고 있는 다양한 품 종별 들깻잎 열수추출물의 항산화활성과 생리활성물질인 caffeic acid와 rosmarinic acid 함량을 비교 분석하고, 병충해 저항성, 생 산성 등의 요소를 고려하여 기능성 식품소재로 가장 적합한 품 종을 선정한 후(10), 식물의 2차 대사산물인 phenolic 화합물의 생 체합성을 조절하기 위한 생장조절제를 개발하고 재배지 적응성 및 생장조절제 투여시기, 수여량 등을 고려하여 기능성물질의 함 량을 더욱 높인 친환경 고기능성 들깻잎 개발 연구를 수행하였다. 이를 이용한 고기능성 식품개발은 들깻잎을 쌈 채소로 활용할 뿐만 아니라 다양한 소비패턴을 부여하여 들깻잎의 소비촉진을 이뤄 국민건강의 증진과 농가 소득 및 수출 증대 등 국가 경제 에 이바지하는 면에서 중요하다. 최근 건강 음용 차에 대한 소비 자들의 관심증가로 녹차효능 연구 외에 다양한 식물 침출차를 개 발하고자 하는 연구가 많이 수행되고 있으며(11-13), 기능성 들깻 잎을 소재로 한 침출차 개발은 들깻잎의 지역성 특성을 잘 살리 며 들깻잎이 지닌 고유한 향과 기능성을 이용하여 새로운 식품 소재로 적합하다고 판단된다. 침출차 제조에 있어서 볶음처리는 식물체의 세포벽 분해와 세 포내부의 공간증대, 세포의 구성성분인 polysaccharides, protein, lipid 간의 결합 네트워크를 붕괴시키고 polyphenolics와 갈변반응 물질 간의 상호작용을 촉진시켜 식품의 화학적 성분을 조정하며, *Corresponding author: Kwang-Won Lee, Department of Food
Sci-ence, College of Life Science and Biotechnology, Korea University, Seoul 136-701, Korea
Tel: 82-2-3290-3027 Fax: 82-2-927-1970
E-mail: [email protected]
Received August 3, 2011; revised October 11, 2011; accepted December 16, 2011
고기능성 들깻잎을 이용한 침출차의 품질 극대화를 위한 최적 볶음조건 연구 35 생리활성 성분 및 수용성 고형분의 추출을 용이하게 해준다(14-16). 또한, 고유한 향미와 색 등 관능적 품질요소에 영향을 미치 는 것으로 보고되고 있어(17), 식품에 적용하기 위하여 유용성분 의 활성 또는 추출을 극대화 할 수 있는 최적화 연구가 요구된 다. 볶음처리에 있어 제품의 품질을 결정하는 요인은 볶음온도와 볶음시간이며, 이들이 제품에 미치는 영향을 규명하는 것이 새로 운 소재의 제품 적용에 중요하다(18,19). 따라서 본 연구에서는 고기능성 들깻잎을 이용하여 볶음조건 에 따른 들깻잎의 항산화력 및 생리활성물질인 caffeic acid와 rosmarinic acid 함량을 모니터링하고 들깻잎 침출차의 품질을 극 대화 시킬 수 있는 최적볶음조건을 설정하여 새로운 식품소재로 서의 고기능성 들깻잎 침출차 제조의 기초자료로 활용하고자 한다.
재료 및 방법
실험재료 본 실험에 사용된 들깻잎은 영남농업기술시험장에서 분양 받 은 종자를 밀양농업기술센터에서 동일 구획 내에서 2009년 9월 에 파종하여 11월에 온실재배 후 수확한 것을 −70o C로 보관하여 시료로 사용하였으며, 선행연구를 통해 재배조건을 달리하여 일 반 들깻잎보다 항산화력 및 생리활성성분 함량이 가장 우수했던 175 mM 설탕물 재배 들깻잎을 사용하였다. 볶음조건 본 실험에서는 최적의 볶음조건을 선정하기 위하여 볶음온도 (120-200oC)와 볶음시간(15-35 min)을 Table 1과 같이 −2, −1, 0, 1, 2의 5단계로 부호화 하여 10구간의 실험조건을 설계하였으며, 무작위 순서로 볶음처리를 실시하였다. 볶음조건인 온도와 시간 에 따른 들깻잎의 품질특성 변화를 반응표면분석으로 모니터링 하고, 실험조건별 품질을 종합적으로 비교 분석하여 품질이 가장 우수한 조건을 최적 볶음조건으로 선정하였다. 볶음처리 들깻잎 100 g을 일정한 크기로 절단하여 미리 소정의 온도까 지 상승시킨 열풍오븐(MP29N, LG, Seoul, Korea)에 넣고 일정시 간 볶음 처리하였다. 볶음이 끝난 시료는 즉시 꺼내어 상온에서 냉각시켰고 냉각이 완료된 시료는 폴리에틸렌 용기에 밀봉 보관 하여, 이를 분석용 시료로 사용하였다. 반복 실험을 위하여 볶음 처리는 3회 실시하여 시료를 제작하였다. 추출조건 실험계획에 의해 설계된 볶음조건에 따라 볶음 처리된 들깻잎 시료 1 g에 증류수 20 mL를 가하여 미리 85o C까지 예열시킨 water bath에 넣어 80 rpm, 30 min 진탕 추출하였다. 추출액은 원심분리 (1000 rpm, 15 min)하여 상층 액을 얻은 뒤 감압 농축하여 각각의 시료를 일정하게 농도로 유지시킨 후 분석용 시료로 사용하였다. 총 폴리페놀 함량 및 총 플라보노이드 함량 총 폴리페놀 함량은 Folin-Ciocalteu reagent가 폴리페놀성 화합 물에 의해 환원된 결과 몰디브덴 청색으로 발색하는 것을 원리 로 분석하였다(20). 추출물 50 µL에 증류수 200 µL를 가하여 희 석한 후 2 N Folin-Ciocalteu reagent 125 µL를 가한 후 20% Na2CO3 625 µL 가하여 잘 섞고, 실온에서 40 min 정치한 후spectrophotometer(BioTek, Winooski, VT, USA)를 이용하여 725 nm에서 흡광도를 측정하였다. 표준물질로 gallic acid를 사용하여 검량선을 작성하였으며, 총 폴리페놀 함량은 시료 g중의 mg gallic acid로 나타내었다. 총 플라보노이드의 함량은 각 추출물 100 µL에 2% AlCl36H2O 용액 100 µL를 넣고 5 min 정치한 후, spectrophotometer를 이용 하여 430 nm에서 흡광도를 측정하였다(21). 표준물질로 quercetin 을 사용하여 검량선을 작성하였으며, 플라보노이드 함량은 시료 g중의 mg quercetin으로 나타내었다.
Table 1. Levels of roasting conditions in experimental design for Perilla frutescens leaf
Roasting condition Level
-2 -1 0 1 2
Temperature (oC) 120 140 160 180 200
Time (min) 15 20 25 30 35
Table 2. Experimental data on antioxidant and bioactive substance properties of leaves of Perilla frutescens under different conditions of roasting
Exp. No.
Roasting
conditions Antioxidant properties Bioacitive substance properties
Temp. (o C) Time (min) Total
polyphenol Total Flavonoid DPPH SC50 ABTS SC50 FRAP Caffeic acid Rosmarinic acid
(mg GAE/g DM) (mg QE/g DM) (µg DM/mL) (µg DM/mL) (mM FeSO4 · 7H2O/g DM) (mg/g DM) (mg/g DM) 1 180 30 49.95±0.63a 1.36±0.06a 878.38±4.87a 0 1428.58±68.68a 450±11.56a 1.34±0.007a 08.46±0.10a 2 180 20 49.87±0.33a 1.39±0.07a 819.02±25.94a 1407.15±23.06a 440±15.47a 1.29±0.014b 12.52±0.12b 3 140 30 44.90±0.59b 1.43±0.03a 815.29±22.89a 1836.05±32.03a 360±16.30b 1.74±0.007c 15.71±0.03c 4 140 20 35.38±0.44c 1.12±0.04b 1000.86±23.12bc . 2457.76±23.09a 280±17.01c 1.46±0.008d 13.01±0.05d 5 160 25 39.49±0.20d 1.14±0.07b 953.75±2.97c 0 1994.86±31.07a 360±12.47b 1.62±0.006e 09.73±0.06a 6 160 25 36.60±0.46e 1.16±0.03b 1106.86±47.97b 0 2192.09±80.48a 300±2.87c 0 1.44±0.007f 10.25±0.6f 0 7 200 25 43.49±0.57f 0.81±0.09c 1057.52±66.89bc . 1753.59±33.85a 460±23.01a 1.07±0.008g 10.91±0.11g 8 120 25 27.65±0.30g 0.66±0.07d 1501.98±10.88d 0 3253.64±25.27a 220±4.99d 0 1.64±0.006h 10.73±0.06g 9 160 35 30.35±0.42h 0.87±0.02c 1171.80±25.90e 0 2779.40±32.43a 250±5.47e 0 1.31±0.007i 06.51±0.07h 10 160 15 29.62±0.27h 0.89±0.10c 1562.00±1.86f 00 2951.12±51.00a 250±8.11e 0 1.35±0.009a 07.88±0.06i
Fig. 1. Contour plot and response surface for the effect of roasting temperature and roasting time on antioxidant properties. (a) Total polyphenol contents, (b) Total flavonoid contents, (c) DPPH, (d) ABTS, and (e) FRAP of leaves of Perilla frutescens.
고기능성 들깻잎을 이용한 침출차의 품질 극대화를 위한 최적 볶음조건 연구 37 항산화활성 측정 자유라디칼 소거능을 통한 항산화활성을 알아보기 위해 신속 하고 간편하게 측정가능하며 열에 의한 변이가 없는 방법인 DPPH 방법을 사용하였다. 각 시료 100 µL에 700 µM DPPH 100 µL를 첨가하여 어두운 상태로 37o C에서 30 min 방치한 후 spectropho-tometer로 515 nm에서의 흡광도 감소를 통하여 측정하였다. 각 시 료의 SC50(scavenging activity 50%)은 DPPH의 농도가 50% 감소 하는데 필요한 시료의 농도로 하였다. 또한 ABTS 라디칼 소거능 방법(22)을 일부 변형하여 2,2'-Azinobis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) diammouniumsalt (ABTS) 7 mM과 2.45 mM potassium persulfate를 첨가한 후 잘 혼합하여 12-18 h 암소에 방치하여 ABTS· + 이온을 형성시킨 뒤
이 용액을 734 nm에서 흡광도 값이 0.70±0.02가 되도록 증류수 로 희석하였다. 시료 20 µL에 희석한 ABTS용액 160 µL를 넣고 5 min 반응시켜 734 nm에서 흡광도를 측정하였다. 각 시료의 SC50
은 ABTS의 농도가 50% 감소하는데 필요한 시료의 농도로 하였다. 항산화제의 환원력을 측정하는 FRAP활성은 Benzie와 Strain에
의한 방법(23)을 일부 변형하여 측정하였다. FRAP reagent로서 40 mM HCl에 용해시킨 10 mM 2,4,6-tripyridyl-s-triazine(TPTZ) 2.5 mL에 20 mM FeCl3· 6H2O 2.5 mL과 pH 3.6의 0.3 M acetate
buffer 25 mL을 가하였다. FRAP reagent 3 mL에 들깻잎 추출액 0.1 mL를 넣어 혼합한 것을 37o
C에서 5 min 경과 후에 593 nm에 서 흡광도를 측정하고 표준물질로 FeSO4· 7H2O를 사용하여 검량
선을 작성하여 산출하였다.
Caffeic acid와 rosmarinic acid 함량 측정
볶음 처리된 들깻잎에 들어있는 caffeic acid와 rosmarinic acid 의 함량은 HPLC(varian prostar)를 사용하여 측정하였다. 이동상 은 이동상 A(0.05% trifluoroacetic acid in D.W)와 이동상 B (methanol)의 비율을 100:0(0 min) 0:100(40 min)로, 유속은 1.0 mL/min 조건으로 설정하였다. 표준용액 조제는 caffeic acid와 rosmarinic acid의 표준시료를 각각 10 mM로 만들어 stock solution 으로 제조하였고, 위 용액을 희석하여 working solution으로 사용 하여 검량선을 작성한 다음 시료에 대해서 농도를 측정하였다. Fig. 1. Continued.
통계처리
본 실험의 결과는 mean±SD로 나타냈으며, 실험군 간의 비교 분석은 statistical analysis system(SAS)을 이용하여 ANOVA 분석 후 p<0.05에서 Duncan’s multiple range test를 이용하여 유의성 검증을 하였다.
결과 및 고찰
총 폴리페놀 및 총 플라보노이드 함량 변화 들깻잎을 조건별로 볶음 처리하여 측정한 총 폴리페롤 함량 및 총 플라보노이드 함량 결과는 Table 2와 같으며, 실험구간 내 볶 음조건에 따른 함량 변화는 Fig. 1과 같다. 들깻잎의 볶음조건에 따른 총 폴리페놀 함량은 27.65-49.95 mg gallic equivalents/g dry material(DM), 총 플라보노이드 함량은 0.66-1.43 mg quercetin equivalents/g DM 범위를 나타내었다. 대체적으로 160o C 이하의 낮은 온도에서는 볶음온도가 낮고, 볶음시간이 증가할수록 페놀 성 화합물 함량이 증가하였고 160oC 이상의 온도에서는 볶음온 도가 상승할수록 페놀성 화합물 함량이 증가하는 경향을 보였 다. 치커리(24), 율무(25), 감국(26), 민들레(27)등을 볶음 처리할 경우에는 볶음온도와 볶음시간이 증가할수록 페놀성 화합물의 함 량은 증가한다고 보고되고 있으며, 본 연구에서는 대체적으로 볶 음온도가 높아지고, 볶음시간이 경과할수록 페놀성 화합물이 증 가하는 경향을 보였다. 이는 볶음처리에 따라 들깻잎 내부조직의 파괴로 인하여 페놀화합물이 고분자 화합물로부터 분리되어 유 리 페놀성 화합물 상태로 쉽게 추출되어 나올 수 있기 때문으로 사료된다. 항산화활성 변화 들깻잎을 볶음 조건별로 처리하여 측정한 항산화활성 결과는 Table 2에 나타내었으며, 실험구간 내 볶음조건에 따른 항산화활 성 변화는 Fig. 1과 같다. 시료의 특성에 따라 DPPH 라디칼과 ABTS 라디칼과의 결합 정도가 다를 수 있으므로(28), 본 연구에 서는 DPPH 라디칼과 ABTS 라디칼 소거능을 모두 분석하여 볶 음조건에 따른 들깻잎의 라디칼 소거능을 비교하였다. 들깻잎의 Fig. 2. Contour plot and response surface for the effect of roasting temperature and roasting time on bioactive substance properties. (a) Caffeic acid contents and (b) Rosmarinic acid contents of leaves of Perilla frutescens.고기능성 들깻잎을 이용한 침출차의 품질 극대화를 위한 최적 볶음조건 연구 39 볶음조건에 따라 DPPH 라디칼 소거능(SC50)은 815.29-1501.98 µg DM/mL, ABTS 라디칼 소거능(SC50)은 1407.15-3253.64 µg DM/ mL 범위를 나타내었으며, 환원력은 220-460 mM FeSO4· 7H2O/g DM로 나타내었다. 일반적으로 추출물의 금속이온 제거능은 라디 칼 제거물질과의 작용 기작이 다르므로 폴리페놀 및 토코페놀 등 의 항산화물질과는 상관성이 낮은 것으로 알려져 있으나(29), 본 연구에서는 볶음조건에 따른 총 폴리페놀 및 총 플라보노이드의 함량이 증가할수록 전자공여능 및 총 환원력 등의 항산화 활성 이 비례적으로 증가하였다.
Caffeic acid와 rosmarinic acid 함량 변화
들깻잎을 볶음조건 별로 처리하여 측정한 caffeic acid 와 ros-marinic acid 함량은 Table 2에 나타내었으며, 실험구간내의 볶음 조건에 따른 함량 특성 변화는 Fig. 2와 같다. 볶음조건에 따른 caffeic acid 함량의 변화는 1.07-1.74 mg/g DM 범위를 나타내었 으며, 낮은 볶음온도에서는 볶음시간이 길어질수록 함량이 증가 하다가, 볶음온도가 증가할수록 함량이 점점 감소하는 경향을 나 타내었다. Rosmarinic acid의 함량의 변화는 6.51-15.71 mg/g DM 범위를 나타내었으며 대체적으로 낮은 볶음온도에서는 볶음시간 이 증가할수록 함량이 증가되었고, 높은 볶음온도에서는 볶음온 도가 증가할수록 함량이 증가되었다가 장시간 볶음 시에는 함량 이 다시 줄어드는 것으로 나타내었다. 이는 볶음공정에 따른 가 열처리에 의해 들깻잎의 내부조직의 파괴로 인하여 페놀성 화합 물이 추출되어 함량이 증가하다가 노출된 caffeic acid와 rosmarinic
acid 성분이 볶음온도가 증가할수록 열에 파괴되어 손실된 것으 로 생각된다. 최적볶음조건 선정 고기능성 들깻잎을 이용한 침출차의 품질 극대화를 위한 최적 볶음조건은 볶음온도와 볶음시간을 달리하면서 볶음 처리한 들 깻잎에 대하여 품질특성 변화를 모니터링하고, 실험구간 내 볶음 조건 별 항산화력과 생리활성성분 변화 등의 종합적인 품질비교 를 통하여 최적 볶음조건을 선정하고자 하였다. 볶음조건에 따른 들깻잎 차의 항산화력 및 생리활성성분 품질을 종합적으로 방사 형 그래프로 표현한 결과(Fig. 4), 볶음조건 별 180o C, 20 min > 180oC, 30 min > 140oC, 30 min > 200oC, 25 min > 160oC, 25 min
> 140o C, 20 min > 160o C, 35 min > 160o C, 15 min > 120o C, 25 min 순으로 나타내었다. 따라서 항산화력 및 생리활성성분 품질이 가 장 우수했던 볶음조건을 고려하여 고기능성 들깻잎을 이용한 침 출차의 품질 극대화를 위한 최적 볶음조건은 180oC, 20 min로 선 정하였다.
요
약
본 연구는 고기능성 들깻잎을 사용한 침출차 제조의 품질 극 대화를 위한 최적볶음조건을 설정하기 위하여 볶음조건을 볶음 온도(120-200oC)와 볶음시간(15-35 min)을 달리하면서 들깻잎 차 의 항산화력과 생리활성성분을 분석하여 들깻잎의 품질변화를 모 Fig. 3. Radar charts demonstrating characteristic features in the antioxidant and bioactive substance properties on different roasting conditions of leaves of Perilla frutescens.1)1)Scale expressed as the ratio when each value is compared with correspondingly maximum. A: 180oC, 30 min; B: 180oC, 20 min; C: 140oC,
30 min; D: 140o C, 20 min, E: 160o C, 25 min; F: 160o C, 25 min; G: 200o C, 25 min; H: 120o C, 25 min; I: 160o C, 35 min; J: 160o C, 15 min
니터링하고 실험구간 내 볶음조건 별 종합적인 품질비교를 통하 여 최적 볶음조건을 선정하였다. 볶음조건에 따른 페놀성 화합물 함량은 대체적으로 160oC 이하에서는 시간이 증가할수록 함량이 증가하였고 160o C 이상에서는 온도가 상승할수록 함량이 증가하 는 경향을 보였다. 페놀성 화합물 함량이 높은 볶음조건에서 자 유라디칼 소거능 및 환원력 모두 우수한 항산화활성을 나타내었 다. Caffeic acid 및 rosmarinic acid는 실험구간 내 낮은 온도에서 는 시간이 증가할수록 함량이 증가하다가 대체적으로 온도가 상 승할수록 감소하였다. 실험구간 내 볶음조건별 들깻잎의 품질 특 성을 종합적으로 비교 분석한 결과, 고기능성 들깻잎을 이용한 침출차의 품질을 극대화하는 최적 볶음조건은 180oC, 20 min로 선정되었다.
감사의 글
본 연구는 농림수산식품부(108066-03-3-HD110)에 의해 이루어 진 것이며 고려대학교 CJ식품안전관의 장비 및 시설을 사용하여 연구되었으므로 이에 감사드립니다.문
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