결구배추의 계절적 품종에 따른 카로티노이드 성분 함량
성기운1․김정봉2․정신교1
1경북대학교 식품공학부
2농촌진흥청 국립농업과학원
Carotenoid Contents of Head-Type Kimchi Cabbage (Brassica rapa L. ssp. pekinensis) Leaves
Gi-Un Seong1, Jung-Bong Kim2, and Shin-Kyo Chung1
1School of Food Science & Biotechnology, Kyungpook National University
2National Academy of Agricultural Science, Rural Development Administration
ABSTRACT The carotenoid compositions of head-type Kimchi cabbage (Brassica rapa L. ssp. pekinensis) were analyzed by high performance liquid chromatography (HPLC) and the characteristics were investigated by principal component analysis (PCA) in seasonal cultivars by portion. Lutein, zeaxanthin, β-cryptoxanthin, α-carotene, and β- carotene were identified, and lutein, α-carotene, and β-carotene contents were relatively high among all seasonal cultivars. Total carotenoid contents were highest in the autumn cultivar (82.6∼460.2 μg/g dry weight (DW)) and de- creased, in order, in the summer (12.7∼389.0 μg/g DW), winter (31.6∼339.0 μg/g DW), and spring (21.5∼141.2 μg/g DW) cultivars. The outer portion (141.2∼460.2 μg/g DW) had a higher total carotenoid content than the middle portion (25.4∼233.7 μg/g DW) and the inner portion (12.7∼82.6 μg/g DW) (P<0.05). Total carotenoid contents had high positive correlations with β-carotene (0.94668) and lutein (0.94293). In the PCA, PC 1 and PC 2 comprised 67.57% and 16.64%, respectively, of the cumulative proportion (84.21%). The main factors in PC 1 were total carotenoid, lutein and β-carotene, while the main factor in PC 2 was β-cryptoxanthin. The carotenoid composition of head-type Kimchi cabbage exhibited different characteristics depending on the portion rather than the seasonal cultivar. The carotenoid contents of autumn cabbage were highest among seasonal cultivars and that of the outer portion was higher than that of the inner portion, which resulted in relatively high correlations of total carotenoid contents with β-carotene and lutein.
Key words: β-carotene, carotenoid, Kimchi cabbage leaves, lutein, principal component analysis
Received 29 June 2018; Accepted 6 August 2018
Corresponding author: Shin-Kyo Chung, School of Food Science
& Biotechnology, Kyungpook National University, Daegu 41566, Korea
E-mail: [email protected], Phone: +82-53-950-5778
서 론
배추(Brassica rapa L. ssp. pekinensis)는 십자화과에 속하는 두해살이 잎줄기채소로 우리나라에서 소비량이 가 장 많은 대표적인 채소이다. 배추는 김장용으로 주로 가을에 재배됐으나 최근 사회 변화에 따른 식생활의 변화로 계절에 상관없이 재배 가능한 품종이 개발되어 연중 출하가 가능하 게 되었으며, 재배시기에 따라 봄배추, 여름배추, 가을배추, 겨울배추로 구분하고 포기 형태에 따라 결구형, 반결구형, 불결구형으로 분류된다(1-3). 결구배추는 식생활의 패턴 변 화로 인하여 김치 이외의 용도로 부위에 따라 쌈 혹은 혼합 샐러드 및 각종 전골류 음식 등의 주재료 및 부재료로 활용 되어 채소류의 상품화가 진행되고 있다(4). 이에 결구배추를
계절적 품종에 따라 각각 겉, 중, 속잎 부분으로 구분하여 이화학적 성분 특성 및 항산화 활성과 폴리페놀 성분을 측정 하고 주성분 분석(principal component analysis, PCA)으 로 그 차이를 보고한 바 있다(5,6). 배추의 유용 성분 중 하나 인 카로티노이드 성분은 과일 및 채소류에 다량으로 함유된 지용성 천연 색소로서 600종의 카로티노이드 화합물이 보 고되었다(7). 식품에 존재하는 주요 카로티노이드는 lutein, zeaxanthin, β-cryptoxanthin, α-carotene, β-carotene, lycopene 등이 있으며(8-10), 주요 생리학적 기능으로는 비타민 A의 전구체 역할, 항산화 활성, 항암 효과, 심혈관 질환 예방, 면역 활성 등이 보고되었다(11-14). 녹엽채류에 는 녹색의 chlorophyll, lutein과 β-carotene 성분을 많이 함유하고 있어 시력 보호 효과 및 항산화 활성을 가지고 있 는 것으로 알려져 있다(15). 국내에서 결구배추의 카로티노 이드 성분에 관한 연구로는 유기농 배추의 성분 함량(16), 저장기간 및 조리방법에 따른 함량 변화(17,18)에 관한 연 구들이 있다.
본 연구에서는 신선편의 채소로서 결구배추의 활용성을 증대하기 위하여 계절적 품종과 부위별 카로티노이드 성분 을 각각 HPLC(high performance liquid chromatography) 를 이용하여 측정하고 주성분 분석을 통해 보고하는 바이다.
재료 및 방법
실험재료 및 시약
본 실험에 사용한 결구배추는 봄배추(춘황), 여름배추(고 랭지배추), 가을배추(휘파람), 겨울배추(동풍)로 전라남도 해남군의 화원농협(Haenam, Korea)에서 공여 받아 사용하 였다. 분석용 시료는 결구배추 부위에 따라 겉잎(L1), 중잎 (L2), 속잎(L3)으로 삼등분하여 각각을 세척하고 탈수시킨 후 동결건조 하였으며, 분쇄기(FM-681C, Hanil, Incheon, Korea)로 분쇄하여(40~60 mesh) 시료로 사용하였다(5,6).
표준물질 capsanthin, lutein, zeaxanthin 및 β-crypto- xanthin(Extrasynthese, Genay, France)과 내부표준물질 (trans8’-apo-β-carotenal), α-carotene 및 βcarotene (Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO, USA)을 사용하였다.
그 밖에 사용된 추출 용매 및 시약은 HPLC 또는 이에 준하 는 등급을 사용하였다.
카로티노이드 성분 추출 및 함량 분석
카로티노이드 성분은 Yoon 등(19)의 방법에 따라 분석하 였다. 카로티노이드 성분의 추출은 시험관에 분석용 시료 1 g과 0.2% ascorbic acid가 포함된 에탄올 5 mL를 넣고 항 온수조(80°C)에서 15분간 추출하였다. 추출액에 80% 수산 화칼륨 용액 3 mL를 넣고 항온수조(80°C)에서 10분간 비누 화 반응을 한 후, 얼음 보관 상자에 옮겨 냉각하였다. 반응이 정지된 tube에 내부표준물질(trans8’apoβ-carotenal, 100 ppm) 1 mL, 증류수 1.5 mL 및 헥산 1.5 mL를 차례로 넣은 후 혼합하여 10분간 원심분리 하였다(1,800 rpm, 4
°C). 원심분리 후 상층액을 취하고 이 과정을 2회 반복 수행 하였다. 추출액은 질소가스로 용매를 제거한 후 MeOH : TBME(1:1, v/v) 용매 1 mL를 넣어 녹여 syringe filter (PTFE, 0.45 μm)로 여과하여 분석시료로 사용하였다.
배추 시료의 카로티노이드 분석은 Alliance e2695 HPLC system(Waters Co., Ltd., Milford, MA, USA)에 2998 photodiode array detector가 함께 사용되었으며, YMC carotenoid column(4.6×250 mm i.d., 5 μm, YMC Inc., Wilmington, NC, USA)을 이용하여 분석하였다. 검출기에 서 사용된 파장은 450 nm이고, 칼럼오븐 온도는 40°C, 유속 은 1 mL/min의 속도를 유지하였다. 전개조건으로는 이동상 A용액으로 MTBE : MeOH : water : triethylamine(81:15 :4:0.1, v/v)을, B용액으로는 MTBE : MeOH : water : tri- ethylamine(90:6:4:0.1, v/v)을 사용하였으며, 기울기 조건 은 이동상 B용액을 0%로 시작하여 10분까지 유지시켰고 40분까지 일정하게 50%로 증가시켰다. 50분까지 100%로
증가시켰고 55분까지 다시 0%로 감소시키고 60분까지 유 지되도록 흘려주었다. 개별 카로티노이드 성분의 면적은 내 부표준물질의 면적을 이용하여 상대적으로 정량(μg/g dry weight, DW)하였으며 각 개별 성분은 Kim 등(20)의 방법을 참고하여 동정하였다.
통계처리
모든 실험은 3회 반복하여 평균±표준편차(mean±stand- ard deviation)로 나타냈으며, Statistical Analysis Sys- tem(SAS, version 9.4, SAS Institute Inc., Cary, NC, USA)을 이용하여 다중범위 검정(Duncan’s multiple range test, P<0.05), 요인 간의 상관성(Pearson’s correlation coefficient) 분석 및 주성분 분석을 하였다(21). 주성분 분 석은 카로티노이드 성분(lutein, zeaxanthin, β-crypto- xanthin, α-carotene, β-carotene, total carotenoid)을 측 정변수로 하고 결구배추의 품종에 따라 봄배추(spring), 여 름배추(summer), 가을배추(autumn), 겨울배추(winter) 및 부위에 따라 겉잎(L1), 중잎(L2), 속잎(L3)의 시료를 각각 관측대상으로 하여 결구배추의 계절적 품종 및 부위별 카로 티노이드 성분과 주성분의 연관성을 도출하고자 하였다.
결과 및 고찰
배추의 계절적 품종별 카로티노이드 함량
결구배추의 계절적 품종으로 봄배추, 여름배추, 가을배추 및 겨울배추를 겉잎, 중잎 및 속잎으로 구분하여 카로티노이 드 성분을 분석하였다. 표준 카로티노이드 성분의 크로마토 그램과 봄배추 겉잎의 크로마토그램을 Fig. 1에 나타내었 다. 모든 품종과 부위에서 lutein, zeaxanthin, β-crypto- xanthin, α-carotene 및 β-carotene이 확인되었다. 계절 적 품종과 부위별 결구배추의 카로티노이드 함량은 Table 1에 나타내었다. 개별 카로티노이드 성분 중 lutein(11.3~
158.6 μg/g DW), β-carotene(1.4~235.5 μg/g DW) 및 α -carotene(0~166.4 μg/g DW)의 함량은 비교적 높게 나타 났으며, 이는 녹엽채류의 카로티노이드 성분 함량을 조사한 보고(18,22)와 유사한 결과이다. 총 카로티노이드 함량은 개별 카로티노이드 성분의 합으로 나타냈으며, 가을배추 (82.6~460.2 μg/g DW)의 함량이 가장 높았고, 여름배추 (12.7~389.0 μg/g DW), 겨울배추(31.6~339.0 μg/g DW), 봄배추(21.5~141.2 μg/g DW) 순으로 나타내었다(P<0.05).
이는 국내산 결구배추의 총 카로티노이드 함량을 조사한 보 고(23)와 유사하였다. 비교적 일조량이 많은 가을배추, 여름 배추의 총 카로티노이드 함량이 높았으며, 이는 같은 품종일 지라도 재배시기에 따라 일조량이 많은 여름 이후 수확할 때 카로티노이드 함량이 높고(24,25), 생리활성물질의 생성 이 촉진된다는 보고(26)와 유사하였다. 모든 품종에서 부위 별 총 카로티노이드 함량은 겉잎(141.2~460.2 μg/g DW)의 함량이 가장 높았으며, 중잎(25.4~233.7 μg/g DW), 속잎
A
B
Fig. 1. High performance liquid chromatog- raphy (HPLC) chromatograms. (A) Standard carotenoids. (B) Carotenoid contents in the outer leaves of the spring head-type Kimchi cabbage.
1: capsanthin, 2: lutein, 3: zeaxanthin, 4: in- ternal standard, 5: β-cryptoxanthin, 6: α-car- otene, 7: β-carotene, 8: lycopene.
Table 1. Carotenoid contents of seasonal head-type Kimchi cabbage cultivar leaves depending on the cultivars and portions (μg/g DW) Lutein Zeaxanthin β-Cryptoxanthin α-Carotene β-Carotene Total carotenoid S1)
L1 L2 L3
42.2±0.8bA2)3) 18.2±0.4aC 19.5±0.5aB
0.0±0.0dA 0.0±0.0dA 0.0±0.0cA
0.6±0.0dA 0.5±0.0cA 0.0±0.0cB
64.4±1.8aA 0.0±0.0dB 0.0±0.0cB
33.9±0.9cA 6.7±0.1bB 2.0±0.0bC
141.2±2.4A 25.4±0.5B 21.5±0.5C Su
L1 L2 L3
147.8±3.4bA 30.3±0.6bB 11.3±0.2aC
1.7±0.0dA 0.6±0.0dB 0.0±0.0cC
0.6±0.0dA 0.0±0.0dB 0.0±0.0cB
78.6±2.0cB 85.3±1.7aA 0.0±0.0cC
160.3±2.7aA 20.9±0.5cB 1.4±0.0bC
389.0±6.7A 137.0±2.4B 12.7±0.2C A
L1 L2 L3
158.6±2.7bA 47.7±1.3cB 26.0±0.6bC
3.2±0.1dA 0.8±0.0dB 0.0±0.0eC
0.9±0.0dB 0.9±0.0dB 1.5±0.0dA
62.0±1.2cB 130.1±3.3aA 47.4±0.8aC
235.5±5.0aA 54.2±1.3bB 7.6±0.1cC
460.2±7.9A 233.7±4.0B 82.6±1.4C W
L1 L2 L3
77.3±2.0cA 22.5±0.4aC 25.0±0.5aB
0.0±0.0dA 0.0±0.0dA 0.0±0.0dA
0.8±0.0dB 0.7±0.0cC 1.6±0.0cA
166.4±3.0aA 0.0±0.0dB 0.0±0.0dB
94.6±1.7bA 11.8±0.4bB 4.9±0.1bC
339.0±6.6A 35.0±0.7B 31.6±0.6B
1)S: spring, Su: summer, A: autumn, W: winter, L1: outer portion, L2: middle portion, L3: inner portion.
2)Data are shown as mean±SD (n=3).
3)Means followed by the same small letters within the row are not significantly different (P<0.05). Means followed by the same capital letters within the column are not significantly different (P<0.05).
(12.7~82.6 μg/g DW) 순으로 그 함량이 높았다(P<0.05).
특히 가을배추의 경우 겉잎의 함량이 중잎보다 2배 이상 높 고, 속잎보다 5배 이상 높게 나타났다. 녹엽채류의 속잎은 겉잎보다 일조량이 작아 엽록소의 생합성 촉진이 되지 않으 므로 주요 카로티노이드 성분인 lutein 및 β-carotene의 생 성이 적어(21) 그 함량이 낮게 나타났다. 주요 카로티노이드 성분인 lutein, β-carotene의 함량은 가을배추(158.6 μg/g DW, 235.5 μg/g DW)에서 가장 높았고, 여름배추, 겨울배
추, 봄배추의 순으로 높은 함량을 나타내었다. 카로티노이드 함량은 배추의 황색 또는 맛과 상관성이 높고(27), glucosi- nolates의 함량과도 높은 정의 상관성을 나타낸다(23).
배추 품종 및 부위별 카로티노이드 성분의 주성분 분석 결구배추의 계절적 품종별, 부위별 총 카로티노이드 함량 및 개별 카로티노이드 성분 함량 간의 상관계수를 Table 2에 나타내었다. 총 카로티노이드 함량은 β-carotene 함량과
A
B
Spring Summer Autumn Winter
Fig. 2. (A) Score and (B) loading plots of PC 1 and PC 2 of principal component analysis (PCA) results obtained carotenoid contents of seasonal head-type Kimchi cabbage cultivar leaves.
◇ L1: outer portion, ○ L2: middle portion, △ L3: inner portion.
Table 2. The correlation coefficients between the carotenoid compounds of the head-type Kimchi cabbage cultivar leaves depending on the cultivars and portion
Lutein Zeaxanthin β-Cryptoxanthin α-Carotene β-Carotene Total carotenoid Lutein
Zeaxanthin β-Cryptoxanthin α-Carotene β-Carotene Total carotenoid
－ 0.88358****
－
0.14344* 0.05634
－
0.44755***
0.25321* 0.10694
－
0.98258****
0.91878****
0.12507* 0.45016***
－
0.94293****
0.80775****
0.14574* 0.70903****
0.94668****
－ Significant at *P<0.5, **P<0.1, ***P<0.01, and ****P<0.0001.
가장 높은 정의 상관관계(0.94668)를 나타냈으며, lutein 함 량(0.94293), zeaxanthin 함량(0.80775) 및 α-carotene 함량(0.70903)의 순으로 높은 정의 상관성을 나타내었다.
개별 카로티노이드 성분 간의 상관성을 조사한 결과 β- carotene 함량과 lutein 함량(0.98258), zeaxanthin 함량 (0.91878)이 높은 정의 상관성을 나타냈으며, lutein 함량과 zeaxanthin 함량 간 상관성(0.88358)도 비교적 높았다. 이 는 녹엽채류의 lutein 함량과 β-carotene 함량의 상관성이 높다는 보고(25)와 유사한 결과이다. 배추의 계절적 품종 및 부위별 총 카로티노이드 함량 및 각 성분 함량을 측정변 수로 설정하고 주성분 분석을 하여 그 결과를 Fig. 2에 나타 내었다. 주성분 분석 결과 제1 주성분(PC 1)은 67.57%를,
제2 주성분(PC 2)은 16.64%를 설명할 수 있었으며, 제2 주성분까지 누적 기여율(cumulative proportion)은 84.21
%로 전체 결과를 설명할 수 있다. PC 1은 총카로티노이드, lutein, β-carotene의 함량이 주요 요인이며, PC 2는 β- cryptoxanthin의 함량이 높은 설명력의 주요 요인으로 나타 났다(1). 결구배추의 계절적 품종별 카로티노이드 성분 조성 은 그래프 상에 전체적으로 분포되어 품종 간에 비교적 구분 이 잘 되지 않았다. 결구배추의 부위별 카로티노이드 성분 조성은 모든 품종에서 겉잎의 경우 PC 1의 오른쪽 좌표에 분포되어 있었으며, 중잎 및 속잎의 경우 PC 1의 왼쪽 좌표 에 분포되어 있는 것을 확인할 수 있다. 특히 가을배추의 카로티노이드 성분 조성은 다른 품종에 비해 부위별로 확연 하게 구분되었다. Kruk(22)의 보고에 따르면 일조량이 큰 환경일수록 녹엽채류 부위에 따라 카로티노이드 특성 차이 가 크다는 결과와 유사하였다. 동일한 품종의 결구배추도 재배시기 및 기후환경에 따라 주성분 분석 결과 다른 특성을 나타낸다고 보고(28)된 바 있다.
요 약
결구배추의 계절적 품종을 각각 겉잎, 중잎 및 속잎으로 세 등분 하여 카로티노이드 성분 조성을 HPLC를 이용하여 분 석하였다. 또한 주성분 분석을 하여 품종과 부위별 조성의 차이를 구명하였다. 결구배추의 카로티노이드 성분은 lu- tein, zeaxanthin, β-cryptoxanthin, α-carotene 및 β-car- otene이 확인되었고, 그중 lutein, α-carotene 및 β-caro- tene의 함량이 비교적 높았다. 총 카로티노이드 함량은 가을 배추(82.6~460.2 μg/g DW)가 가장 높았으며, 여름배추 (12.7~389.0 μg/g DW), 겨울배추(31.6~339.0 μg/g DW) 및 봄배추(21.5~141.2 μg/g DW) 순이었다(P<0.05). 부위 별 총 카로티노이드 함량은 겉잎(141.2~460.2 μg/g DW)이 가장 높았으며, 중잎(25.4~233.7 μg/g DW), 속잎(12.7~
82.6 μg/g DW)의 순이었다(P<0.05). 총 카로티노이드 함량 및 각각의 카로티노이드 성분 함량과의 상관성은 β-car- otene 함량(0.94668), lutein 함량(0.94293)이 높게 나타났 다. 주성분 분석 결과 제1 주성분(PC 1)과 제2 주성분(PC 2)은 각각 67.57% 및 16.64%를 설명할 수 있었으며, 누적 기여율은 84.21%를 나타내었다. PC 1의 총 카로티노이드,
lutein, β-carotene의 함량이 주요 요인이며, PC 2는 β- cryptoxanthin의 함량이 주요 요인으로 나타났다. 결구배추 의 개별 카로티노이드 성분 조성은 계절적 품종보다 일조량 에 따른 부위별 차이가 큰 것으로 나타났다. 카로티노이드 함량은 계절적 품종 중에서 가을배추가 가장 높게 나타났고 부위별로 속잎보다 겉잎이 높게 나타났다. β-Carotene 및 lutein의 함량이 총 카로티노이드 함량과 상관성이 높았다.
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