쉬와넬라 오나이덴시스 PKA 1008 유래 효소처리와 감마선 처리에 의한 미역뿌리(Undaria pinnatifida roots)와 참모자반(Sargassum fulvellum) 추출 분해물의 특성 및 염증억제능의 변화

Abstract

미역뿌리와 참모자반에 함유되어 있는 다당류를 저분자화하기 위해 Shewanella oneidensis PKA 1008 유래 효소 처리와 감마선 조사를 각각 진행하였다. 또한 저분자화 된 추출물로부터의 일반특성 및 기능적 특성 변화를 확인하였다.

1. 효소에 의한 저분자화 1-1. 효소분해물의 특성 1-1-1. 미역뿌리 조효소 분해물의 pH를 확인한 결과, 0시간(pH 8.11)에서부터 배양시간이 길어질수록 pH 값이 유의적으로 감소하였고, 24시간에서 pH 7.00로 가장 낮은 pH값을 나타내었다. 참모자반 조효소 분해물의 경우, 0시간(pH 8.04)에서 배양시간이 길어질수록 pH 값이 감소하여 배양시간 24시간에서 pH 7.37로 낮은 pH 값을 확인할 수 있었다.

1-1-2. 미역뿌리 조효소 분해물의 색도측정 결과, 명도(L*)는 배양 48시간에서 34.13으로 가장 낮은 측정값으로 나타났고, 적색도(a*)와 황색도(b*)는 0시간에서 각각 5.41과 60.16로 가장 낮은 측정값을 보였다. 참모자반의 경우, 명도(L*)는 12시간에서 39.48로 가장 낮은 측정값으로 나타났고, 적색도(a*)와 황색도(b*)는 0시간에서 각각 5.17과 52.50으로 가장 낮은 측정값으로 확인되었다.

1-1-3. 미역뿌리와 참모자반의 환원당은 배양 시간이 길어질수록 그 함량이 유의적으로 증가하였다. 배양 24시간에서 미역뿌리와 참모자반의 환원당 함량은 각각 250.68 μg/mL, 231.60 μg/mL로 가장 높게 나타났다. 미역뿌리와 참모자반의 점도 변화는 배양 시간이 길어질수록 유의적으로 감소하여, 배양 48시간에서 각각 1.13 cP, 1.06 cP로 아주 낮은 점도를 보였다.

1-2.산업적 이용 가능성 1-2-1. 미역뿌리 조효소 분해물은 반응 24시간 이후 저분자화 되었으며, 반응 48시간 까지는 monosaccharide로 분해됨을 확인하였다. 참모자반 조효소 분해물의 경우, 반응 24 시간까지는 dimer과 monomer로 분해되는 것을 확인할 수 있다. 1-2-2. Nitric oxide 생성량 측정 결과, 미역뿌리 시료에 조효소액을 반응시킨 경우 NO생성이 크게 억제되었는데, 특히 반응 12시간 이후에 크게 억제되었고 48시간에 약 69% 이상 감소함을 보였다. 이를 통해 미역뿌리 추출물이 조효소액에 의해 어느 정도 분해되었을 때, 염증 억제 효과가 크게 증가한다는 사실을 확인할 수 있었다. 참모자반의 경우도 효소 반응 이후 NO생성이 크게 억제되었는데, 특히 반응 6시간에서 약 79% 이상 억제가 되었으며 가장 높은 NO 저해효과를 보였다. 염증매개 사이토카인(IL-6 ,TNF-α, IL-1β)의 분비량을 측정한 결과, 미역뿌리 조효소 분해물은 배양 3-48시간에서 IL-6 분비량이 유의적으로 감소하였으며, 특히 24시간에서는 약 97% 감소하는 것으로 나타났다. 참모자반 경우, IL-6 분비량은 반응 3-48시간에서 약 85% 이상 감소하여 유의적인 저해활성을 보였다. 또한 미역뿌리 조효소 분해물의 TNF-α의 분비량은 반응 24시간에서 약 85%의 감소효과를 확인할 수 있었다. 참모자반의 경우도 반응 12시간에서 약 56%의 가장 높은 염증억제효과를 나타내었다. IL-1β 분비량은 미역뿌리와 참모자반 조효소 분해물 두 경우 모두 전반적으로 낮게 나타났다. 이에 따라 S. oneidensis PKA 1008 유래 조효소에 의한 미역뿌리와 참모자반 효소적 추출 분해물은 염증에 관여하는 NO와 사이토카인(IL-6 ,TNF-α, IL-1β) 발현을 억제하는데 효과가 있는 것으로 사료된다.

2. 감마선 조사에 의한 저분자화 2-1. 감마선분해물의 특성 2-1-1. 감마선 조사선량(3-20 kGy)에 따른 미역뿌리 및 참모자반 분해물의 pH 변화를 확인한 결과, 그 변화가 미미한 것을 확인할 수 있었다.

2-1-2. 미역뿌리 분해물의 명도(L*)는 감마선 비조사 시 90.04로 나타나 전반적으로 명도가 높게 나타났으며, 조사량에 따라 명도의 증감은 있으나 특별한 경향을 보이지는 않았다. 적색도(a*)의 경우, 비조사 시 -0.61로 측정되었으며 7 kGy 조사선량에서 -0.16으로 그 값이 증가하였다. 하지만 10과 20 kgy 조사선량에서는 각각 -0.48과 -0.45 값으로 측정되어 적색도가 다시 감소하는 경향을 보였다. 황색도(b*)는 감마선 비조사 시 11.80으로 측정되었으며, 감마선 조사에 의해 그 값이 증가하는 경향을 보였다. 특히 7 kGy 조사선량에서 17.80으로 가장 높은 황색도 값을 나타내었다. 참모자반 분해물의 경우, 조사선량이 증가함에 따라 적색도와 황색도가 감소하는 경향이 뚜렷이 나타났다. 명도는 3, 7, 10 및 20 kGy 감마선 조사 시 비조사구에 비해 유의적으로 높은 값을 나타내었다.

2-1-3. 환원당 및 점도를 측정한 결과, 미역뿌리와 참모자반 분해물의 환원당은 20 kGy 조사 시 각각 283.40 μg/mL와 283.40 μg/mL로 가장 높은 값을 보였다. 또한 감마선 조사선량이 증가함에 따라 미역뿌리와 참모자반 분해물의 점도는 감소하여 최종적으로 20 kGy 조사선량에서 각각 0.91 cP와 0.83 cP로 가장 낮은 점도값을 나타내었다.

2-2.산업적 이용 가능성 2-2-1. 감마선 조사선량(3-20 kGy)에 따른 미역뿌리 및 참모자반 분해물의 저분자화를 TLC를 통해 확인한 결과, 감마선을 조사하지 않는 미역뿌리와 참모자반 각 시료에서는 저분자화를 확인할 수 없었고, 3 kGy 조사선량에서 부터 분해되기 시작하여 최종 20 kGy 조사선량에서 monosaccharide로 분해됨을 확인하였다.

2-2-2. 감마선을 조사한 미역뿌리 시료의 NO 생성 억제효과를 확인한 결과, 3 kGy 조사 시 50%의 NO 생성 억제 효과를 보였다. 참모자반의 경우, 20 kGy 선량으로 조사 시 약 87% 감소되는 것으로 확인되었다. 염증 매개 사이토카인(IL-6, TNF-α, IL-1β)의 분비량을 측정한 결과 미역뿌리의 경우, 3 kGy 조사 시 IL-6 분비가 약 46% 감소하여 염증 억제효과가 가장 높은 것으로 확인되었다. 참모자반의 경우에도 3-20 kGy 조사구가 IL-6의 분비량이 약 97%이상 감소하여 염증 억제효과가 매우 높게 나타났다. 또한 3-20 kGy 선량으로 조사된 미역뿌리와 참모자반 시료 모두 TNF-α의 억제 효과가 더 증가하는 경향을 보였다. 그러나 IL-1β의 경우, 조사구 별로 변이가 심하여 일정한 경향을 나타내지 않았다. 이에 따라 감마선 조사에 의한 미역뿌리와 참모자반 분해물은 염증에 관여하는 NO와 사이토카인(IL-6 ,TNF-α, IL-1β) 발현을 억제하는데 효과가 있는 것으로 판단된다.

Marine algae are important marine resources, with abundant reserves and a wide variety. Algae polysaccharide is a biologically active substance. A large number of studies have shown that Algae polysaccharides have many biological activities such as antiviral, immune regulation, antitumor and antioxidant. However, in many of industrial applications low viscosity of polysaccharides is required. Alginate is the polysaccharide obtained from brown algae and is composed of 1,4-linked β-D-mannuronic acid and α-L-guluronic acid. In order to use alginate more effectively, alginate can be depolymerize by acid hydrolysis, enzymatic treatment and gamma radiation degradation and so on. The aim of this study was to investigate the characterization and functionality of Undaria pinnatifida roots (UPT) and Sargassum fulvellum (SF) extracts degraded using crude enzyme by Shewanella oneidensis PKA 1008 and gamma-irradiation. Firstly, in order to obtain the optimum degrading condition for the UPT and SF, the UPT and SF were respectively mixed with crude enzymes from Shewanella oneidensis PKA 1008 and incubated at ratio of 1:1 (v/v) for 0-48 h. And the changes in pH, reducing sugar, viscosity and color were measured with increasing incubation time. As the incubation time increased, the pH value and viscosity were decreased. The highest reducing sugar content of UPT and SF is respectively 250.68 μg/mL and 231.60 μg/mL at 24 h. The effects of enzymatic extract on nitric oxide(NO) and cytokine(IL-6, TNF-α, IL-1β) secretion. The UPT and SF production of NO, cytokine were inhibited. Then, the UPT and SF were irradiated with gamma irradiation in dosages ranging from 3 to 20 kGy to determine the effect of radiation on the alginate properties of UPT and SF, such as pH value, reducing sugar, viscosity and color. As the gamma-irradiation dosage increased, the reducing sugar of UPT and SF were increased and viscosity were decreased. When the UPT and SF production was irradiated by gamma-irradiation, the UPT and SF production of NO, cytokine were inhibited. These results indicated that crude enzyme from Shewanella oneidensis PKA 1008 can be used to enhance the polysaccharide degradation of UPT and SF, and 24 h was effective to produce alginate oligosaccharide. In addition, the high gamma dosage can enhance the polysaccharide degradation with immune activities.