Extraction of Polysaccharide from Achatina fulica Using Compressed Hot Water and Development of Bioactive Polysaccharide Derivatives by Chemical Modification

Abstract

아프리카 왕달팽이인 Achatina fulica는 점액에 함유되어 있는 뮤코다당류인 acharan sulfate의 생리활성으로 연구가 진행되었으나, 달팽이 본연의 연구는 거의 진행되지 않았다. 더불어 A. fulica는 전기충격을 통해 점액이 수득되고나면 이를 사료로 이용하거나 버려져 가치가 매우 하향되어 있다. 이러한 A. fulica의 가치있는 사용을 위해 청정기술을 이용하여 A. fulica 내의 유용성분을 추출하는 것을 목적으로 본 연구는 수행되었다. 첫 번째 연구에서 다양한 온도의 압축열수(100°C–300°C)를 이용하여 분해하고, Angiotensin I-converting enzyme (ACE) 저해능, acetylcholinesterase (AChE) 저해능 및 항산화능 등의 물리화학적 특성을 분석하였다. 200°C의 압축열수로 처리된 분해물의 ACE 억제능(IC50)은 5.60 µg/mL를 나타내었으며, 300°C의 압축열수로 처리된 분해물은 100 µg/mL의 농도에서 75.88%의 AChE 저해활성을 나타내었고, 250°C의 압축열수로 처리된 분해물은 311.06 ± 0.00 mM Trolox equivalent/g의 ABTS 라디칼 소거능을 나타내었다. 해당 결과는 온도의 변화에 따른 물의 이온곱을 비롯한 다양한 물리적 특성은 A. fulica의 세포를 파괴함으로써 다당류 및 펩타이드를 생산함으로써 발생된 것으로, 생성된 다당류 및 펩타이드는 다양한 물리화학적 활성을 나타내었다. 두 번째 연구에서는 Box-Behnken design 기반의 반응표면곡선법을 이용하여 A. fuica로부터 다당류를 수득하기 위한 최적공정에 대한 연구를 진행하였다. 최적 추출조건은 133.53°C, 용매/용질의 비율은 54.11 mL/g, 그리고 공정시간은 14.95 분으로 결정되었으며, 해당 최적조건을 적용하였을 때 다당류의 회수율은 42.39 ± 0.85%였다. 회수된 다당류의 총 당, 환원당, 단백질 함량은 각각 58.51 ± 0.79%, 6.74 ± 0.17%, 3.0% ± 0.01%로 나타났다. 해당 다당류는 18.00 ± 0.25 mg/g의 GAG와 363.17 ± 17.56 µg/g의 황을 가지고 있음에 따라 단백질에 당이 다량 결합된 당단백질이 함유되어 있는 것으로 예상된다. TLC 및 HPLC를 통한 단량체 분석 결과, 해당 다당류의 단량체는 glucose로 확인되었으며, 평균 분자량이 134.2 kDa로 나타났다. 본 연구에서 확보된 다당류는 ABTS 라디칼 소거능과 총 항산화능이 각각 32.30 ± 0.31%, 584.12 ± 2.10 µg ascorbic acid equivalent/mL로 나타났다. 세 번째 연구는 두 번째 연구에서 확보한 다당류의 생리활성을 증진시키기 위하여 화학수식을 진행함으로써 다당류 유도체를 제조하는 것에 대한 것으로, 적용된 수식방법은 황화(sulfation)와 셀레늄화 (selenylation)이었다. FT-IR결과를 통해 단량체의 수산화기 중 산소에 치환기들이 부착되어 있음을 확인하였다. 황-다당류 유도체는 2 mg/mL의 농도에서 항응혈 활성인 APTT와 TT가 각각 186.33 ± 9.24 s, 41.33 ± 3.21 s로 나타났다. 또한, 수산화기 라디칼 소거능이 72.99 ± 1.85%로 나타났으며, 셀레늄-다당류 유도체는 88.46 ± 0.36%를 나타냄에 따라 원다당류에 비해 다당류 유도체는 생리활성이 향상되었음을 확인하였다. 결론적으로, 본 연구에서는 압축열수 고유의 물리적인 특성으로 적용하는 조건에 따라 나타나는 다양한 반응 중 분해반응에 초점을 맞추어 A. fulica로부터 다당류를 수득하였으며, 화학수식을 통하여 다당류 유도체를 제조함으로써 이의 생리활성을 개선하였다. 해당 다당류 유도체는 증진된 생리활성과 확보된 안전성 결과를 토대로 기능성식품 및 의약품으로의 사용이 가능할 것으로 예상된다.

Achatina fulica, a giant African land snail, was noted for the physiological activity of acharan sulfate contained in its mucus, but the study of A. fulica itself was insufficient. Moreover, A. fulica that died after receiving electric shock to obtain mucus is used as a feed or discarded. For these valuable uses, the green technology process was used to extract valuable materials. In the first study, A. fulica was decomposed by compressed hot water at various temperatures (100°C–300°C) and characterized its physicochemical properties were characterized such as Angiotensin I-converting enzyme (ACE) inhibitory, Acetylcholinesterase inhibitory, and antioxidant activities. The physical properties of water such as an ionic product changed with increasing temperature produced polysaccharides and peptides by decomposition of the cell structure of A. fulica, indicating various physiological activities. The ACE inhibitory activity represented an IC50 value of 5.60 µg/mL at 200°C; 75.88% of AChE inhibitory activity was determined at 300°C at concentration of 100 µg/mL, and ABTS radical scavenging activity was 311.06 ± 0.00 mM Trolox equivalent/g at 250°C. In the second study, the extraction process of polysaccharide from A. fulica was optimized by response surface methodology. The optimized condition was temperature of 133.53°C, water to solid ratio of 54.11 mL/g, and time of 14.95 min, and the yield of the polysaccharide was 42.39 ± 0.85%. The carbohydrates, reducing sugar and protein content in polysaccharides were identified as 58.51 ± 0.79%, 6.74 ± 0.17%, and 3.0% ± 0.01%, respectively, while sulfate content was 363.17 ± 17.56 µg/g. The monomer that comprises polysaccharides through TLC and HPLC was identified as glucose, and the mean molecular weight (Mw) of polysaccharide extract through GPC was 134.2 kDa. The snail polysaccharides (SP) also demonstrated its antioxidant activity by ABTS+ assay and total antioxidant activity of 32.30 ± 0.31% and 584.12 ± 2.10 µg ascorbic acid equivalent/mL. In the third study, the chemical modification was performed for the production of polysaccharide derivatives to enhance biological activities of polysaccharides and sulfation and selenylation was used as a modification method. Through the FT-IR results, it was verified that the substituents were bound to the oxygen of hydroxyl group in monomer. Sulfated polysaccharide derivatives exhibited APTT and TT to 186.33 ± 9.24 s and 41.33 ± 3.21 s, respectively, as anticoagulant activity and hydroxyl radical scavenging was found to be 72.99 ± 1.85% at a concentration of 2 mg/mL. Selenized polysaccharide showed higher antioxidant and antitumor activity than sulfated polysaccharide as hydroxyl radical scavenging of 88.46 ± 0.36% and IC50 of 52.75 μg/mL for HeLa cell, respectively. In conclusion, Achatina fulica polysaccharide was obtained by compressed hot water treatment with focusing on decomposition reaction which is one of chemical reactions derived by physical properties with various conditions. Moreover, the chemical modification was performed to produce the polysaccharide derivatives which has been enhanced their bioactivity. The polysaccharide derivatives were verified to have the potential to be used as a functional material for food bio-material industry.