서 론
우리나라에 알려진 750여 종의 해조류 중 식용으로 이용 되는 해조류는 30여 종으로(1), 그 중 참가사리, 갈래곰보, 곰피, 고장초, 까막사리, 꼬시래기, 돌가사리, 세모가사리, 불등가사리, 실말, 진두발 등의 해조류는 해초무침, 해초 등의 가공식품과 제약, 화장품 등으로 이용되며(2), 미역, 김, 다시마, 톳, 파래 등 몇 가지만 가정에서 식재료로 이용 하고 있다. 해조류는 단백질, 지질, 탄수화물 등 일반 영양성 분과 미네랄을 풍부하게 함유하고 있으며, 특히 칼슘, 마그 네슘, 요오드, 철, 아연 등 필수 미량원소의 함유량이 높은 것이 특징이다. 또한 종류에 따라서는 특이한 생리활성을 나타내는 식이섬유를 비롯한 다양한 유효성분도 함유하고 있으며, 성인병과 비만 예방에도 효과가 있다는 것이 보고 되면서 최근에는 건강식품으로서 주목받고 있다(3-5).
한편 해조류의 기능성과 관련하여 해조 단당류와 올리고 당류에서 유래하는 다양한 생리활성이 밝혀지면서 해조류 를 원료로 한 고부가가치를 지닌 새로운 기능성 소재 개발 연구도 활발히 진행되고 있다. 그러나 기능성 물질을 추출 하는 방법으로 열수 및 용매 추출, 초임계 추출방법 등이 제한적으로 행해지고 있으며, 단당류 및 올리고당 제조는 효소에 의한 분해나 합성, 산 분해에 의해 가능하지만 효과 적인 가수분해를 위해서는 보다 효율적인 처리공정이 절실 히 요구되고 있는 실정이다(6-8).
최근 아임계 수를 이용하여 기능성 성분을 추출하는 방 법이 알려져 있으나 해조류와 관련된 연구는 거의 없는 실정이다. 아임계 추출(subcritical water extraction)은 물의 임계점(374°C, 22.1 MPa) 이하의 온도와 압력 조건에서 이 온화된 물을 이용하여 물질을 분해하고 추출하는 방법으로 pressurized hot water extraction(PHWE) 혹은 pressurized low polarity water extraction(PLPW) 이라고도 한다. 이러한 아임계 추출의 장점은 사용 용매가 물이라는 점과, 추출에 소요되는 시간이 5～30분 정도로 추출 시간이 짧은 것이 장점이며, 페놀 화합물 같은 비극성 물질을 추출하는데 효 율적인 것으로 알려져 있다(9-11).
따라서 본 연구에서는 전라남도 연안에서 대량 생산되고 있는 해조류의 활용 증진을 위해 미역․다시마․김․파 래․톳을 대상으로 새로운 추출방법인 아임계 추출법을 도입하여 기존의 추출방법(열수, 용매추출)과 비교를 통해 해조류 기능성 성분의 효율적인 추출 조건에 관해 조사하였 으며, 아임계 추출법을 통해 얻어진 추출물의 기능성 등 다양한 특성을 조사하였다.
재료 및 방법
해조류는 전라남도 연안에서 채취한 갈조류인 다시마 (고흥군), 미역(완도군, 진도군), 톳(완도군)과 홍조류인 김 (완도군), 녹조류인 파래(완도군) 등 5종의 해조류를 시료로 사용하였다. 채취한 해조류는 증류수로 3회 씻어 탈염과정 을 거치고, 동결건조기(vacuum freeze dryer, Biotron, Daejeon, Korea)로 건조한 후 마쇄하여 냉동고에 보관하면서 사용하 였다.
해조류 추출물을 얻기 위하여 열수 추출은 시료 20배의 증류수로 80°C에서 4시간 환류 추출하였으며, 용매 추출은 시료의 20배에 해당하는 ethanol과 methanol로 실온에서 4시간 환류 추출을 통하여 추출하였다. 아임계 추출은 해조 류 시료 10 g에 200 mL의 증류수를 넣고 압력조건은 0.5, 1, 3, 5 MPa, 온도는 90, 120, 150, 180, 210, 240°C로 각각 조건을 달리하여 추출물을 얻고, 예비 실험을 통해 압력은 3 MPa로 고정하고 온도는 90, 150, 210°C의 조건에서 각각 추출물을 얻어 시료로 사용하였다.
해조류 추출물의 총당은 페놀황산법(12)에 따라 건조 시 료 3 g을 취하여 70% ethanol 60 mL를 가하고 80°C수욕상에 서 2시간 동안 환류 추출한 다음 여과지(Whatman No. 2)로 여과하여 여액 1 mL에 5% phenol 용액 1 mL, H2SO4 5 mL를 가하고 15분간 방치한 후 550 nm에서 측정하였다. 환원당 분석은 Bertrand법(13)을 이용하여 측정하였다.
총 폴리페놀 함량은 추출물 2 mL에 2배로 희석한 Folin 시약 2 mL를 첨가하고 잘 혼합하여 3분간 방치한 후 2 mL의 10% Na2CO3를 앙금이 생기지 않도록 서서히 가하고 1시간 방치한 후 700 nm에서 흡광도를 측정하였다. 또한 tannic acid를 이용하여 0, 25, 50, 100, 200 μg/mL의 농도로 표준곡선을 작성한 후 함량을 구하였다(14,15).
DPPH를 이용한 radical scavenging activity의 측정은 Abe 등(16)의 방법에 따라 96 well plate에 150 μm DPPH 용액 (1,1-diphenyl-2-picryl-hydrazyl in ethanol) 196 μL와 시료 4 μL를 처리하여 최종농도가 100, 500, 1,000, 2,000, 3,000 μg/mL가 되도록 하였다. 암실에서 10분간 반응시킨 후 반 응액을 520 nm 흡광도에서 전자공여능(electron donating ability)으로 측정하였으며, positive control로 ascorbic acid 를 사용하여 각 분획의 억제능을 대조군에 비하여 DPPH free radical을 50% 억제하는데 요구되는 함량(SC50)으로 나타내었다.
해조류 아임계 추출물 및 열수, 용매(methanol, ethanol) 추출물에 대한 미백효과를 측정하기 위하여 melanin의 생 합성에 관여한다고 알려진 tyrosinase 저해실험을 실시하였 다. 실험에 사용된 효소는 tyrosinase(from mushroom, Sigma, St. Louis, MO, USA)로 기질은 3,4-dihydroxyphenylalanine( L-DOPA, Sigma)를 사용하였다. 0.5 mL의 sodium phosphate buffer(0.1 M, pH 6.8), 시료 0.2 mL 그리고 20 μL의 tyrosinase solution(in 0.1 M PBS, pH 6.8, 2500 unit/mL, Sigma)을 넣은 후 3차 증류수 0.78 mL를 첨가하고 25°C에서 6분 동안 pre-incubation 하였다. 여기에 0.5 mL의 기질(in 0.1 M PBS, 10 mM)을 첨가 후 475 nm에서 측정하여 계산하 였다(17).
결과 및 고찰
해조류 추출방법은 열수(80°C, 4시간), 용매 추출 (methanol과 ethanol, 실온, 4시간)과 아임계 추출(압력 3 MPa, 온도 90, 150, 210°C)을 실시하여 각 추출물을 동결․ 건조하여 실험에 사용하였다. 추출 수율은 Table 1과 같으 며 전 시료에서 용매 추출(methanol, ethanol)보다는 열수 추출의 수율이 훨씬 높게 나타났으며, 이는 아임계 추출의 가장 낮은 조건인 3 MPa, 90°C에서 추출한 수율과 유사하였 다. 아임계 추출의 경우 추출 온도조건이 높아지면서 수율 또한 크게 증가하였으며 210°C에서 가장 높은 수율 결과를 나타냈다.
시료별 추출 수율을 살펴본 결과 열수 추출의 경우 다시 마, 미역, 김, 톳 순으로 수율이 높았으며, 아임계 추출의 경우 온도 조건에 따라 달라지는 경향을 보이나 다시마, 미역의 추출 수율이 타 시료에 비해 높게 나타났다. 이러한 결과로 보아 기존의 추출방법인 열수 추출과 용매 추출 (methanol, ethanol)에 비해 아임계 추출을 통한 추출법이 수율면에서 더 효과적임을 알 수 있었다.
Ahn 등(18)은 35종의 해조류 분말에 10배 분량의 methanol을 가하여 실온에서 2일간 추출한 결과 추출 수율 이 갈조류가 2.71∼11.10%, 홍조류가 1.87∼7.35%, 녹조류 가 3.58∼13.19%라고 보고하여 본 실험결과와 비교해 볼 때 홍조류는 비슷한 결과를 보였고, 갈조류와 녹조류는 조 금 낮은 결과를 보였으며 이는 추출횟수나 추출시간에 따라 달라지는 것으로 판단된다.
해조류 추출물의 총당 분석 결과는 Table 2와 같다. 기존 추출 방법인 열수 추출과 용매 추출(methanol, ethanol)의 경우 모든 시료에서 열수 추출물의 총당 함량이 높게 나타 났으며 이는 수용성인 당이 methanol이나 ethanol 등의 용매 보다는 물에 더 잘 용출되는 특성에 기인하는 것으로 판단 된다. 아임계 추출의 경우 모든 온도조건(90, 150, 210°C)의 추출물이 용매 추출조건보다는 높은 총당 함량을 보였으 며, 3 MPa, 210°C에서 추출하는 경우 열수 추출보다 높은 총당 함량 결과를 보였다. 총당 함량의 시료별 분석 결과 열수 추출물, methanol 추출물과 아임계 추출물의 경우 파 래>김>톳>미역>다시마 순으로 당 함량이 높게 나타났으 며, 이러한 결과는 ethanol 추출의 경우에서도 거의 유사한 결과를 보였다.
해조류 중 김, 미역, 다시마 등은 식이섬유를 약 32～75% 함유하고 있으며 그중 51～85%가 수용성 식이섬유로 구성 되어 있다. 이러한 해조류에 함유된 식이섬유와 다당류는 혈압 강하작용, 혈중 콜레스테롤 저하효과, 종양세포의 성 장저해 효과, 항 혈액응고 효과가 있다고 알려져 있다 (19-21). 따라서 총당 함량이 많은 결과는 해조류 내 다양한 기능성 물질을 좀 더 효과적으로 추출할 수 있는 방법의 지표가 될 것으로 추정된다.
다양한 추출방법을 통한 해조류 추출물의 환원당을 분석 한 결과는 총당 측정 결과와 유사하여 열수 추출물이 용매 (methanol, ethanol) 추출물 보다 더 높은 함량을 보였으며, 90°C아임계 추출물과는 비슷하거나 조금 낮은 결과를 보였 다. 아임계 추출온도에 따라 기존의 추출방법에 비해 훨씬 높은 환원당 함량을 보이는 것으로 나타났다. 해조류 시료 별 결과는 총당 함량과는 조금 다른 양상을 보여 톳>김>미 역>파래>다시마 순으로 환원당 함량이 높게 나타났다 (Table 3).
5종 해조류 추출물의 총 폴리페놀 함량은 Table 4와 같다. 총 폴리페놀 함량은 210°C 아임계 추출물이 다른 조건의 추출물보다 유의적으로 높은 결과를 보였으며, 150°C 아임 계 추출물 순으로 나타났다. 90°C 아임계 추출물의 경우 열수 추출 방법과 유의적으로 차이가 없거나 일부 시료에서 조금 높은 결과를 보였으며, 용매 추출(methanol, ethanol)은 상대적으로 낮은 결과를 보였다. 또한 시료별 총 폴리페놀 함량은 홍조류인 김(7.9∼25.6 mg/g), 갈조류인 톳(7.2∼ 18.1 mg/g), 갈조류인 미역(5.9∼14.3 mg/g), 녹조류인 파래 (3.2∼12.4 mg/g) 순이었으며 모든 시료에서 아임계 추출법 이 기존의 추출법에 비해 더 효과적이었다.
Kwak 등(22)은 5종(김, 미역, 다시마, 톳, 파래)의 해조류 ethanol 추출물의 총 폴리페놀 함량을 분석한 결과 파래가 8.97 mg/g으로 가장 높았으며, 김(3.81 mg/g), 미역(2.43 mg/g), 톳(1.44 mg/g), 다시마(1.17 mg/g) 순으로 보고하여 본 실험 결과보다 조금 낮은 결과를 보였다. Ahn 등(18)은 갈조류, 홍조류, 녹조류를 대상으로 총 폴리페놀 함량을 조사한 결과 갈조류의 평균 폴리페놀 함량이 47.88±59.1 mg/g, 홍조류가 5.36±2.5 mg/g, 녹조류가 11.88±5.6 mg/g으 로 갈조류가 총 플라보노이드와 총 폴리페놀 함량이 상대적 으로 높다고 하였으며, 항 혈전활성이 우수한 8종의 해조류 는 총 폴리페놀 함량이 상대적으로 매우 높은 특징을 나타 낸다고 보고하여 이들 해조류는 항산화활성 뿐만 아니라 항 혈전활성도 우수한 것으로 보인다.
해조류 아임계 추출물 및 열수, methanol, ethanol 추출물 의 DPPH radical 소거능을 측정한 결과는 Fig. 1과 같다. 모든 시료에서 열수 추출, 용매 추출, 3 MPa, 90°C 아임계 추출물의 SC50 값은 서로 유사한 결과를 보였으며(data not shown), 210°C 아임계 추출물의 경우 SC50 농도가 현저히 낮아 항산화 활성이 크게 증가하는 것으로 나타났다. 시료 간 DPPH radical 소거능은 열수 추출의 경우 시료별 큰 차이를 보이지 않았지만 미역, 김, 톳, 파래, 다시마 순으로 나타났으며, 210°C 아임계 추출물의 경우 김, 톳, 미역, 다시 마, 파래 순으로 활성이 보였으며 항산화 활성의 크기도 크게 증가함을 알 수 있었다.
DPPH radical 소거능은 활성이 있는 시료의 농도에 따라 추출물의 항산화 활성이 달라진다고 하였으며, 추출에 사 용된 용매에 따라서 radical 소거 활성이 달라져 항산화 활성 이 추출 용매, 농도, 시료 상태 등에 따라 달라짐을 알 수 있었다(22,23). Kim 등(24)은 해조류 methanol 추출물의 가 용성 분획과 불용성 분획에 대한 총 페놀 함량과 free radical 소거능을 측정한 결과 가용성 분획의 활성이 높게 나타났는 데, 이는 총 페놀 함량과 정의 상관관계를 보인다고 하였으 며, methanol 불용성 분획은 7종의 모든 해조류에서 총 페놀 이 거의 없었으며 활성 또한 없는 것으로 나타나 항산화 활성이 페놀 화합물과 관련이 있음을 시사하였다.
미백효과 실험을 위해 tyrosinase 저해 효과를 살펴본 결 과(Table 5), 톳과 김이 가장 효과가 좋았으며 미역, 다시마 순으로 나타났고, 파래의 경우 거의 효과가 없는 것으로 나타났다. 추출 방법별 비교는 아임계 추출 방법(90°C, 12 0°C, 150°C)이 기존의 추출법에 비해 좋은 결과를 보였으며 아임계 추출 온도가 올라갈수록 저해 효과가 증가하는 것으 로 나타났고, 비교를 위해 사용된 기존의 추출 방법인 열수 추출과 methanol, ethanol 추출물은 서로 차이를 보이지 않 았다.
피부 색소 침착에 영향을 주는 멜라닌은 L-tyrosine의 연속적인 산화반응으로 합성되는데, L-tyrosine은 tyrosinase 에 의해 3,4-dihydroxyphenylalanine(L-DOPA)으로 전환되 고, L-DOPA는 phenylalanine-3,4-quinone으로 산화되며, 중 간대사 산물을 거쳐 최종적으로 멜라닌이 된다. 따라서 피 부미백과 관련된 기능성 소재를 개발하기 위해서는 해당 추출물이 tyrosinase의 활성을 저지하는지의 여부가 매우 중요하다고 한다(25,26).
요 약
전라남도 연안에서 대량 생산되고 있는 해조류 5종(다시 마․미역․김․파래․톳)을 대상으로 새로운 추출방법인 아임계 추출법을 도입하여 기존의 추출방법(열수, 용매추 출)과 비교를 통하여 전남산 해조류의 기능성 측정 및 효율 적인 추출물에 대한 자료를 확보하기 위해 조사를 실시하였 다. 해조류 추출물 제조는 열수(80°C, 4시간), 용매추출 (methanol, ethanol, 실온, 4시간)과 아임계 추출(압력 3 MPa, 온도 90, 150, 210°C)을 이용하여 제조하였다. 추출 수율은 아임계 추출＞열수 추출＞용매 추출 순으로 높게 나타났으 며, 아임계 추출의 경우 추출 온도 조건이 높아지면서 수율 또한 증가하였으며 210°C에서 가장 높은 수율 결과를 나타 냈다. 해조류 추출물의 총당 분석 결과 열수와 용매 추출의 경우 모든 시료에서 열수 추출이 높은 총당 함량을 보였으 며, 아임계 추출의 경우 모든 조건(90, 150, 210°C)의 추출물 이 용매 추출보다는 높은 총당 함량을 보였다. 시료별 총당 함량의 경우 열수 추출물은 파래, 김, 톳, 미역, 다시마 순으 로 당 함량이 높았으며, 이러한 결과는 아임계 추출의 경우 에서도 동일한 결과를 보였다. 환원당 분석 결과도 총당 결과와 유사하였다. 5종 해조류 추출물의 총 폴리페놀 함량 은 210°C 아임계 추출물＞150°C 아임계 추출물＞90°C 아임 계 추출물＞열수 추출물＞methanol 추출물＞ethanol 추출 물 순으로 높게 나타났다. 해조류 추출물의 DPPH radical 소거능을 측정한 결과, 모든 해조류 시료에서 열수 추출, 용매 추출, 3 MPa, 90°C 아임계 추출물의 SC50 값은 서로 유사한 결과를 보였으며, 150°C 아임계 추출물의 경우 농도 가 조금 낮아졌으며, 특히 210°C아임계 추출물의 경우 SC50 농도가 현저히 낮아져 항산화 활성이 크게 증가하는 것으로 나타났다. 미백효과 실험을 위해 tyrosinase 저해 효과를 살펴본 결과 톳과 김이 가장 효과가 좋았으며 미역, 다시마, 미역귀 순으로 나타났고, 파래의 경우 거의 효과가 없는 것으로 나타났다. 결론적으로 새로운 추출방법인 아임계 추출법은 다른 방법에 비하여 높은 항산화 활성을 보여준다 는 사실을 확인할 수 있었고, 이러한 추출공정은 식품소재 로부터 기능성 성분을 보다 더 효과적으로 추출하는 방법으 로 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
