천년초 분말의 기능성분 분석과 물리적 특성 연구

천년초는 2011년 10월에 전라남도 장성군에서 재배한 것을 공급받아 천년초의 줄기와 열매 분말을 제조하였다. 천년초의 줄기와 열매는 흙과 잔가시를 제거하고 흐르는 물에 씻은 다음 물기를 제거하여 -70℃에서 급속냉동 시킨 후 동결건조기(Ilshin Lab Co., Yangju, Korea)에서 건조시켰 다. 이를 분쇄기(DA505 lon power, Daesungartlon Co., Seoul, Korea)로 분쇄한 다음 100 mesh의 체로 통과시켜 진공포장기(SQ 101 fuji impluse, Saranrasipu Co., Tokyo, Japan)로 밀폐시켜 –20℃냉동고(CA-G11XZ, LG Electronics, Seoul, Korea)에 보관하면서 실험을 하였다.

비타민 분석은 비타민 B1는 Thiochrom 형광법, 비타민 B₂는 Iumiflavin 형광법, 비타민 B₃는 Konig 반응에 의한 비색법으로 분석하였다(19).

루틴 및 베타카로틴(Vit. A 전구체) 함량 측정(18)은 시료 를 10~20 IU/ mL 농도가 되도록 취하여 chloroform : MeOH : H₂O(1 : 2 : 0.8, v/v/v)을 5배량을 가하여 균질화한 다음 여과하여 chloroform층을 감압농축 하였다. 농축액을 2 N KOH-EtOH용액으로 검화한 후 ethyl ether로 3회 반복 추출 한 다음 ether를 제거하였다. 다시 MeOH에 용해시켜 0.45 μm membranc filter로 여과하여 HPLC로 분석하였다. 분석 조건은 컬럼은 μ-Bondapak C-18(300×3.9 mm, Waters Co., Milford, MA, USA)였으며 UV 검출기(UV-970, Jasco Co., Tokyo, Japan)를 이용하여 325 nm에서 분석하였다. 칼럼의 온도는 40℃를 유지하였고, 이동상으로는 MeOH : H2O(90 : 10, v/v)혼합용액이었으며, 유속은 분당 1.0 mL이고 시료 의 주입량은 10 μL이었다.

비타민 C 함량(18)은 시료를 추출용액 100 mL당 1.5~2.5 mg 되도록 시료를 취한 후 2% metaphosphoric acid를 50 mL가하여 저온에서 저으면서 추출하여 2분 동안 균질화 하였다. 균질화된 추출액을 원심분리한 후 0.45 μm membranc filter로 여과하여 HPLC(PU-980, Jasco Co., Tokyo, Japan)를 이용하여 UV 검출기(UV-970, Jasco Co.)로 254 nm에서 분석하였다. 분석조건은 칼럼은 YMC-park polyamine Ⅱ(4.6×250 nm, YMC Co., Ltd., Japan)이었고, 칼럼의 온도는 25℃를 유지하였다. 이동상으로는 acetonitrile : 50 mM NH₄H₂PO₄(70:30, v/v) 용액이었으며, 유속은 분당 0.6 mL, 시료의 주입량은 20 μL이었다.

식이섬유 분석은 AOAC법(20)의 효소중량법(enzymatic gravimetric method)으로 분석용 Kit(TDF 100A, Sigma Chemical Co., NY, USA)를 이용하여 총 식이섬유(total dietary fiber, TDF), 불용성 식이섬유(insoluble dietary fiber, IDF), 수용성 식이섬유(soluble dietary fiber, SDF)를 각각 분석하였다. 시료 0.3 g에 MES-TRIS buffer 40 mL를 가하여 시료와 α-amylase 50 μL를 첨가한 다음 95℃ water bath에서 35분 동안 교반하였다. 여기에 증류수 10 mL를 첨가하여 비이커 기벽을 깨끗이 씻어낸 후 사용 직전에 제조한 protease(50 mg/mL) 100 μL를 첨가하고 60℃에서 30분 동안 교반하였다. 교반된시료에0.561 N HCl 5 mL와amyloglucosidase 300 μL를 첨가하여 60℃에서 30분 동안 교반 후 실온에서 1시간 방치하였다. Crucible에 1 g의 celite을 평량한 후 78% ethanol, 95% ethanol 및 acton을 각각 15 mL씩 2회 씻어낸 후 105℃에서 건조시켜 crucible celite 무게를 측정하였다. 건조된 시료를 단백질 분석기(Kjeltec 2400 AUT, Foss Tecator, Eden Prairie, MN, USA)를 이용하여 단백질 정량과 건식 회화법으로 회분 정량을 분석하여 총 식이섬유로 하였 다. 이때, 효소를 반응시킨 시험용액을 여과하여 얻은 crucible 잔사는 불용성 식이섬유로 하였으며 여과액은 수 용성 식유섬유로 하였다.

천년초 분말의 조 사포닌 분석은 시료 9 g를 90% methanol 100 mL를 첨가하여 3시간씩 3회 환류냉각 추출한 후 여과한 후 45℃에서 감압 농축시켜 methanol 추출물을 얻었다. 얻어진 methanol 추출물을 증류수 20 mL에 용해하 여 diethyl ether 100 mL를 첨가하여 지용성 성분과 색소 등을 제거하고 diethyl ether로 색소 및 비극성 문질을 분리 한 것을 ethyl ether 분획물로 하였다. Ethyl acetate로 분획하 여 수층을 수포화 butanol(water-saturated n-butanol)로 3회 반복 추출하여 증류수로 2회 세척한 후 butanol 층을 polyamide와 alumina column을 통과시켜 남아 있는 색소를 제거하였다. 다시 수포화 butanol로 column을 통과시켜 내 부에 부착되어 있을 crude saponin을 모아 첫 번째 butanol 층과 합하였다. 모아진 butanol 층을 45℃에서 감압 농축한 다음 건조하여 연황색 분말의 crude saponin을 얻었다. 이때 감압 농축물의 함량을 조 사포닌(crude saponin) 양으로 하 였다(21).

천년초의 줄기와 열매 분말의 pH 측정은 시료 3 g를 각각 취하고 여기에 증류수 27 mL를 가하여 균질화한 다음 pH meter(Orion 4 STAR, Thermo Scientific, Beverly, MA, USA)로 3회 반복 측정하여 평균값을 나타냈다. 색도의 측 정은 색차계(Color-Eye 3100, Macbeth, New Windsor, NY, USA)를 이용하여 Hunter 값인 L값(명도, lightness), a값(적 색도, redness), b값(황색도, yellowness)를 3회 측정한 뒤 평균값을 나타내었다.

천년초의 줄기와 열매 분말의 보수력, 보유력, 팽윤력, 용적밀도는 Chen 등(22)과 Robertson 등(23)의 방법을 변형 하여 측정하였다. 보수력(water holding capacity, WHC)측 정은 항량된 원심 분리관 50 mL에 시료 0.1 g를 취하고 여기에 증류수 25 mL를 가하여 잘 섞은 후 교반(30℃, 2 hr, 200 rpm)하여 평형화시켰다. 이를 원심분리(15,000 rpm, 20 min)한 후 상징액은 버리고 원심 분리관을 흡수 종이에 거꾸로 세워 2시간 동안 방치하였다. 물기를 제거하고 무게 를 잰 후 105℃에서 건조한 다음 항량을 구하여 시료 1 g당 잔류하는 수분의 양을 mL/g으로 나타내었다. 보유력 (oil holding capacity, OHC)은 50 mL 원심 분리관에 분말 시료 0.1 g과 식용유(해표) 25 mL을 넣고 유리 막대를 이용 하여 잘 섞은 후 교반(30℃, 2 hr, 200 rpm)하여 평형화 시켰 다. 이를 원심분리(15,000 rpm, 20 min)한 후 상징액은 버리 고 원심분리관을 여과지에 거꾸로 세워 1시간 동안 방치하 여 기름기를 제거하고 무게를 측정하였다. 보유력은 시료 1 g당 잔류하는 기름의 양(mL/g)으로 나타내었다. 팽윤력 (swelling)은 눈금실린더 25 mL에 시료 1 g를 넣은 다음 증류수 20 mL을 가하여 실온에서 24시간 정도 평형화시키 고 이때 나타나는 bed의 부피를 volume/g sample로 나타내 었다. 용적밀도(bulk density)은 눈금실린더 25 mL에 시료 4 g을 넣은 후 실린더를 딱딱한 표면에 30초 동안 두드린 후 시료가 차지한 부피를 측정하였다. 용적밀도는 단위 용 적 당 시료의 무게 g/mL로 표시하여 나타내었다.

천년초의 줄기와 열매 분말의 점액물질 함량은 동결건조 시킨 시료분말 10 g을 물 100 mL에 용해시켜 24시간 동안 방치시킨 후 침전물을 제거하였다. 여기에 acetone 100 mL 을 첨가한 다음 5℃에서 24시간 동안 방치한 후에 여과지 (Whatman No. 2)로 여과하여 응고물질을 105℃ 건조기에 서 건조한 다음 점액물질의 함량을 측정하였다(9). 점액물 질의 수분흡수량은 105℃의 건조기에서 건조시킨 천년초 분말의 시료 1 g에 100 mL의 증류수를 가하여 실온에서 4시간 정도 방치한 다음 여과지(Whatman No. 2)로 여과한 후 응고물에 흡수된 수분함량을 측정하였다(9).

실험에서 얻어진 결과에 대한 통계처리는 SPSS 통계프 로그램(12.0, SPSS Inc., Chicago, IL, USA)을 이용하여 분산 분석을 실시하였으며, 유의성 검정(p<0.05)은 t-test를 이용 하였다.

천년초의 줄기와 열매 분말의 비타민를 분석한 결과는 Table 1에서 보는 바와 같이 비타민류 중에서 비타민 C(ascorbic acid)의 함량이 가장 많이 함유되어 있음을 확인 하였는데, 줄기 분말에서 42.14 mg으로 나타났으며 열매 분말이 105.21 mg으로 줄기 분말의 약 2배 이상 더 높게 나타났다. 이러한 결과로 천년초의 비타민 C 함량이 상당히 많이 함유되어 있음을 확인 할 수 있었다. Jung 등(18)의 연구에 서 전남 여수지역에서 재배되는 천년초 선인장의 줄기와 열매의 비타민 C를 측정한 결과 줄기는 17.33 mg이 었으며 열매는 32.55 mg로 열매가 줄기보다 높았다는 보고 와 본 실험과 일치하였으나 비타민 C의 함량이 약 2~3배 정도 차이를 보였다. 이것은 천년초 선인장의 재배지역, 재취시기, 동결건조 분말화 과정 및 보관방법 등에서 비타 민 C의 손실로 인해 비타민 C 함량이 차이가 난 것으로 사료된다. 한편으로 Lee 등(24)의 연구에서 손바닥 선인장 의 줄기와 열매, 씨, 알로에 등의 비타민 C의 함량을 분석한 결과 줄기가 71.2 mg, 열매가 163.8 mg로 줄기보다 열매가 약 2.3배 높았으나 씨의 경우 비타민 C의 함량이 검출되지 않았고 알로에는 33.2 mg으로 나타났다는 연구 보고가 있 었다.

일반적으로 lutein과 β-carotene은 carotenoid계의 황색 색 소로 활성산소를 소거하는 항산화 효능, 시력보호, 면역증 강 및 염증반응 억제 등을 가지고 있다고 하며 β-carotene은 비타민 A의 전구체로 알려져 있다(25). 본 실험의 lutein의 함량을 측정한 결과 천년초 줄기에서 424.93 μg으로 열매의 161.13 μg보다 약 2.3배 정도 더 높게 나타났으며 β-carotene 의 함량은 줄기가 45.90 μg이었으며 열매가 134.08 μg으로 열매에서 약 2.9배 정도 높은 함량을 나타내었다. 비타민 B의 경우 줄기와 열매의 함량이 각각 비타민 B1(thiamin)는 0.16 mg 및 0.15 mg이었고 비타민 B2(riboflavin)은 0.08 mg 및 0.12 mg으로 아주 적은양이 함유되어 있었으며 비타민 B3(niacin)은 0.92 mg 및 1.01 mg으로 나타났다.

식이섬유(dietary fiber)는 인체 내 소화효소에 의하여 소 화되지 않는 식품성분을 말하며 식물의 벽을 구성하는 cellulose, hemicellulose, lignin, pectin, mucilages 등으로 이 루어져 있다. 구조적으로 식이섬유는 복합다당류로서 전분 이나 glycogen과 마찬가지로 포도당이 결합한 것으로 옆의 분자와 붙어서 micelle이 강하게 고정되어 섬유구조를 형성 할 수 있어서 물과 함께 끓여도 끊어지지 않는 특성이 있다. 또한, 식이섬유는 식품 내에서는 보습성, 용해성, 점성, 흡 착성 등의 물리화학적 특성을 지니며 인체 내에서는 변비억 제, 혈당상승 억제, 혈중 콜레스테롤 저하, 장내세균총의 개선 등의 생리활성 기능을 갖는 물질이다(26).

천년초의 줄기와 열매에 존재하는 식이섬유 함량을 총 식이섬유(TDF)와 수용성 식이섬유(SDF), 불용성 식이섬유 (IDF)를 각각 측정하여 건조물 기준(dry matter basis)으로 계산하여 Table 2에 나타내었다. 천년초의 줄기와 열매 분 말의 식이섬유 함량은 건조물 기준 줄기의 경우 총 식이섬 유 함량이 67.39%, 수용성 식이섬유가 45.24%, 불용성 식이 섬유가 22.15%이었으며, 열매의 경우 총 식이섬유 함량이 44.51%, 수용성 식이섬유가 32.16%, 불용성 식이섬유 12.35%로 나타났다.

Hwang(27)의 연구에서는 녹황색 채소류, 버섯류, 과일류 및 해조류의 총 식이섬유의 함량을 측정한 결과 녹황색 채소류 중 건 고사리의 경우 38.36%로 가장 높았고, 버섯류 는 말린 석이버섯이 52.87%, 과일류는 곶감이 17.73%, 해조 류는 미역이 37.77%로 가장 높은 함량을 보였다는 연구가 보고되었다. 이러한 연구와 본 실험의 결과와 비교해 보면 천년초의 줄기와 열매의 식이섬유 함량은 매우 높으며 천년 초 의 열매보다 줄기에 식이섬유가 함량이 더 높음을 확인 할 수 있었다. 그러므로 천년초의 줄기와 열매에는 식이섬 유가 많아 천연 식품소재로서 이용가치가 높을 것으로 생각 된다.

천년초의 줄기와 열매 분말로부터 분리한 조 사포닌 함 량을 측정한 결과는 Table 3에서 보는 바와 같이 천년초의 조 사포닌 함량은 줄기가 19.30 mg/g이었고 열매가 25.10 mg/g으로 열매가 다소 높게 나타났다.

사포닌(saponin)은 glycoside라고 하는 화합물로 미세한 거품을 내는 특성을 지니며 사포닌을 함유하고 있는 식물은 소염, 강장, 거담, 진해 등 의약품에 사용되어 왔고 사포닌이 많은 인삼의 사포닌은 ginsenoside(Rg₁, Rf, Re, Rd, Rc, Rb₂, Rb₁)라고 불리우며 여러 가지 화학적 구조가 밝혀져 그 기능성이 이미 알려져 있다(28). 따라서, 천년초의 사포닌 의 종류와 화학적 구조에 관한 연구가 이루어진다면 앞으로 용도에 맞게 활용하게 되어 천년초의 부가가치를 더 높일 수 있고 기능성으로서의 그 이용가치가 더욱 더 증대 될 것으로 사료되었다.

천년초 분말의 pH 및 색도를 측정한 결과는 Table 4에서 보는 바와 같으며 pH의 경우 줄기 분말은 pH 5.34이었고 열매 분말은 pH 5.07로 줄기 분말이 더 높게 나타났다. 색도 는 줄기 분말의 경우 명도를 나타내는 L값의 경우 78.28이 었으며 적색도인 a값은 -3.71, 황색도인 b값은 19.19로 나타 났다. 열매 분말의 경우 L값은 55.56로 나타났으며 a값과 b값이 각각 24.84 및 -3.18로 나타났다.

Lee 등(29)의 연구에서 pH에 따른 선인장 추출액의 색소 의 변화를 보면 산성에서는 매우 밝은 적색을 유지하지만 알칼리로 갈수록 betalamic acid의 유리에 의해 색소의 탈색 이 일어났으며, 색소의 안정성은 산성에서도 색소의 안정 성 및 물성을 유지하는 다당류를 함유하고 있다고 보고하였 다. 일반적으로 선인장과에 속하는 선인장 열매의 색소 주 성분은 베타레인(betalain)으로 적색의 베타시아닌(betacyanin) 과 황색의 베타잔틴(betaxantin)으로 분류되며 다양한 색상 으로 분포하는 천연색소로 알려져 있다(30). 따라서, 천년 초의 줄기와 열매 색소는 천연색소로서 적절하게 이용된다 면 제품의 기호성 증진시키는 유용한 식품소재가 될 것으로 생각된다.

천년초 선인장의 줄기와 열매 분말의 보수력, 보유력, 팽윤력, 용적밀도를 측정한 결과는 Table 5와 같다. 보수력 은 줄기가 20.65 g/g, 열매가 17.05 g/g로 줄기가 더 높게 나타났으며 보유력은 줄기가 2.22 g/g, 열매가 2.24 g/g로 나타나 열매가 높았으나 유의적인 차이는 없었다. 용적밀 도는 줄기가 2.56 g/mL이었으며 열매가 1.86 g/mL로 나타 났다. 팽윤력도 줄기가 5.95 mL/g이었고 열매가 2.77 mL/g 로 줄기가 열매 보다 더 높게 나타났다. 이러한 결과로 줄기 는 보습제와 팽윤제, 열매는 유화 안정제에 적합할 것으로 생각된다. 보수력은 수용성 식이섬유의 구성하는 성분과 비율에 따라 영향을 받고 불용성 식이섬유는 물을 잘 보호 할 수 있는 미세구조에 따라 결정되어지며 용적밀도와 팽윤 력이 중요한 요인으로 작용하기도 한다(31). 이러한 팽윤력 은 천년초 분말의 보수력 및 보유력과 같이 수화 관련 중요 한 성질로 값이 클수록 탈수 중 물리화학적 변화가 적고 건조의 손상이 적은 것으로 보고되었다(32,33).

따라서, 앞서 식이섬유 분석 결과에서 불용성 식이섬유 가 줄기나 열매에서 모두 높았는데 이런 결과는 본 연구의 보수력의 결과와도 일치하는 경향이었다. 특히 앞의 실험 결과에서 천년초 줄기의 불용성 식이섬유가 더 높게 나타났 고 보수력과 팽윤력이 높아 식품소재로서 줄기가 열매보다 더 가치가 클 것으로 기대된다.

천년초 줄기와 열매 분말의 점질물질 함량 및 수분흡수 량을 측정한 결과는 Table 6과 같다. 점질물질 함량은 줄기 에서 73.57%이었으며 열매에서는 24.81%로 줄기에서 점질 물질이 더 많음을 확인할 수 있었다. 점질물질의 수분흡수 량은 줄기와 열매가 각각 12.00 mL/g, 7.33 mL/g으로 수분흡 수량을 나타내었다. 이러한 천년초의 점질물질에 관한 연 구는 천년초에서 점질물질의 다당을 분리하여 면역자극활 성을 측정한 결과 당류는 arabinose, galactose 및 xylose이 높은 비율로 함유하고 있었으며 rhamnose와 fucose는 미량 함유되어 있었고 이러한 점질 당류는 인체에 유익한 면역 생리기능 역할을 한다고 보고하였다(9).

따라서, 천년초의 점질물질은 생리기능성을 가지고 있지 만 높은 점도 때문에 식품가공 시 저해요인이 될 수 있으므 로 새로운 이용 방안이 모색되어야하며 본 연구의 수분흡수 량의 결과는 가공적성을 높이는데 중요한 역할을 할 것으로 보인다.