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ISSN : 1226-4768(Print)
ISSN : 2288-1247(Online)
Food Engineering Progress Vol.21 No.2 pp.143-149
DOI : https://doi.org/10.13050/foodengprog.2017.21.2.143

Evaluation of Antimicrobial Activity of Steamed and Fermented Asparagus cochinchinenesis

Seung-Min Lee, Su-In Kim, Moon-Sun Kang, Chung-Yeol Lee1, Dae-Youn Hwang2, Hee-Sup Lee3, Dong-Seob Kim*
Department of Food Science & Technology, Pusan National University
1Kanglim Organic Co., Ltd.
2Department of Biomaterials Science, Pusan National University
3Department of Food Science and Nutrition and Kimchi Research Institute, Pusan National University
Corresponding author: Dong-Seob Kim, 1268-50, Samnangjin-ro, Cheonghak-ri, Samnangjin-eup, Miryang-si, Gyeongsangnam-do 50463, Korea+82-55-350-5359; +82-55-350-5359kds@pusan.ac.kr
May 12, 2017 May 17, 2017 May 17, 2017

Abstract

This study was carried out to investigate antimicrobial activity and characteristics of Asparagus cochinchinenesis which was steamed and fermented with lactic acid bacteria. A. cochinchinensis was prepared to steaming process which was washed and freeze dried. A. cochinchinensis was steamed at 95°C for 12 h and dried by hot air at 50°C for 24 h. After steaming process, A. cochinchinensis was fermented with lactic acid bacteria (Leuconostoc mesenteroides 4395, Lactobacillus sakei 383 and Lactobacillus plantarum KCCM 11322). Ethyl acetate extracts of fermented A. cochinchinensis had antimicrobial activities for the respiratory disease bacteria (Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Pseudomonas aeruginosa and Escherichia coli). A. cochinchinensis had highest antimicrobial activity for the P. aeruginosa which fermented with L. mesenteroides 4395. The minimum inhibition concentration (MIC) of A. cochinchinensis fermented with L. mesenteroides 4395 was 10 mg/mL for S. aureus, S. epidermidis, E. coli and 5 mg/mL for P. aeruginosa. The MIC of A. cochinchinensis fermented with L. sakei 383 and A. cochinchinensis fermented with L. plantarum KCCM 11322 were the same. Total sugar was decreased from 863.33±17.47 mg/mL to 722.67±5.51 mg/mL during the steaming process. But reducing sugar was increased from 99.36±1.32 mg/mL to 109.29±2.71 mg/mL during the steaming process. Total sugar was decreased to 301.50-361.42 mg/mL and reducing sugar was decreased to 27.39-62.20 mg/mL during the fermentation process.


증숙 및 발효한 천문동의 항균활성과 특성

이 승민, 김 수인, 강 문선, 이 충렬1, 황 대연2, 이 희섭3, 김 동섭*
부산대학교 식품공학과
1(주)강림오가닉
2부산대학교 바이오소재과학과
3부산대학교 식품영양학과 및 김치연구소

초록


    Korea Institute of Planning and Evalution for Technology of Food, Agriculture, Forestry and Fisheries
    114034-03

    서 론

    세계보건기구(WHO)에서는 대기 중에 인공적으로 반입 된 물질의 농도나 지속 시간이 사람들에게 불쾌감을 유발 하거나 공중보건상의 위해나 동식물의 생활을 방해하도록 되어있는 상태를 대기오염으로 정의하고 있으며 우리나라 는 대기환경보전법을 통하여 대기환경을 관리·보전하고 있 다. 대기환경보전법에서 대기오염 물질은 미세먼지 등의 입자상 물질과 주석, 철 등의 중금속 및 그 화합물 그리고 일산화탄소(CO), 이산화황(SO2) 등의 가스상 물질 등으로 총 64종이 지정되어 있으며 이중 미세먼지는 직경이 10 μm이하인 먼지 입자로 직경에 따라 PM10과 PM2.5 등으로 구분하고 있다. 우리나라의 PM10은 증감을 반복하다 2007 년부터 감소하였으나 2013년부터 다시 증가하기 시작하여 이듬해에는 연간 기준치인 50 μg/m3에 가까운 49 μg/m3을 기록하였다(Hong et al., 2016). PM10이 10 μg/m3 증가할 경우 호흡기 질환으로 인한 입원이 3.2% 증가하며 PM2.5 가 10 μg/m3 증가할 경우 5세 미만 영유아의 입원이 2.2% 증가하였다는 보고가 있다(Rodopoulou et al., 2014; Luong et al., 2017). 또한 미세먼지는 감기, 천식, 기관지염 등의 호흡기 질환과 심혈관 질환 등을 유발할 수 있는 것으로 알려져 있으며 수도권의 경우 미세먼지로 인해 약 80만 명이 폐 관련 질환에 노출되는 것으로 나타났다(Song, 2016).

    천문동은 중국이 원산지인 백합과의 다년생 초본식물로 우리나라에서는 서해안과 남해안에 분포하고 있다. 천문동 의 뿌리는 한의학에서 주로 폐조건해, 혜수토열, 폐옹, 인 후종통 등의 호흡기 질환에 많이 이용되는 것으로 알려져 있으며 간질, 종괴 등에 기대효과가 있는 것으로 조사되었 다(Choi et al., 2008; Kook, 2012). 이러한 천문동에는 asparagine, steroidal saponins, β-sitosterol 등의 유효성분이 함유되어 있는 것으로 나타났다(Kimura et al., 1996; Choo et al., 2008). Steroidal saponins은 구강염을 일으키는 C. albicans에 대해 항진균 효과가 있으며 폐혈증을 일으키는 S. bovis의 초기생장을 저해할 수 있다는 연구가 있으며 β- sitosterol의 경우 S. aureus에 대해 항균활성이 있는 것으로 나타났다(Wang et al., 2000; Yang et al., 2006; Saeidnia., et al 2014).

    약용식물 중 보다 잘 알려진 인삼, 더덕, 도라지 등의 경 우 최근 여러 가공처리에 따른 특성의 변화가 많이 연구되 고 있다. 전통적으로 인삼의 가공에 이용해온 증숙은 최근 다양한 소재에 적용되어 흑마늘, 흑도라지 등의 제품이 판 매되고 있으며 인삼은 증숙 처리를 통해서 ginsenoside Rg2, Rh1, Rh3 등의 특이성분이 크게 증가하는 것으로 나 타났다(Hong et al., 2007). 젖산균을 이용한 발효의 경우 젖산균이 배양됨에 따라 항균활성 물질이 생성되는 것으로 알려졌으며 더덕의 경우 증숙과 발효를 통해서 항산화 및 항균 활성이 증가되는 것으로 확인되었다(Baek et al., 2010; Jung et al., 2012). 반면에 천문동의 경우 이러한 가 공처리에 따른 특성의 변화에 대한 연구가 거의 전무한 실 정으로 본 연구를 통해 천문동의 증숙 및 발효를 통한 항 균활성 및 특성의 변화를 살펴보고자 하였다.

    재료 및 방법

    시료 및 증숙 처리 조건

    천문동은 전라도 고창의 천문농원에서 17년근을 구입하였 다. 구입한 천문동은 세척 후 동결건조(FD5510S-FD5520S, Ilshinbiobase Co., Dongduchon, korea)하여 증숙 처리하 였다. 증숙 처리 조건은 추출기(Extractor, Dongnam Co., Daejeon, Korea)를 통해 95°C에서 12시간 동안 증숙한 후 50°C에서 24시간 동안 열풍 건조(JSOF-150, JS Resarch Co., Gongju, Korea)하여 50 mesh 이하로 분쇄(MF-3100S, Hanil Electric Co., Seoul, Korea)한 후 사용하였다.

    실험 균주

    천문동의 발효 및 항균활성 측정에 사용한 균주는 본 실 험실에서 분리한 균주와 한국미생물보전센터(KCCM)에서 분양받은 균주를 사용하였다. 천문동의 발효에는 본 실험 실에서 분리한 Leuconostoc mesenteroids 4395 (Kim et al., 2011), Lactobacillus sakei 383 (Kim et al., 2011) 그 리고 Lactobacillus plantarum KCCM 11322를 MRS broth (Difco, San Jose, CA, USA)에 배양하여 실험에 사용하였 다. 또한 항균활성 측정에는 호흡기 질환과 관련이 있는 것으로 알려진 균주를 사용하였다. 그람 양성균으로는 만 성 부비동염에서 발견되는 Staphylococcus aureus KCCM 40881과 상악동염에서 발견되는 Staphylococcus epidermidis KCCM 35494이, 그람 음성균으로는 폐렴의 원인균으로 알 려진 Pseudomonas aeruginosa KCCM 11328과 호흡기 질 환 환자의 객담에서 나타난 Escherichia coli KCCM 11234을 실험에 사용하였다(Shin et al., 1991; Sohn, 1997; Chung et al., 2006; Kim et al., 2013). 항균활성 측정에 사용된 균주는 Muller Hinton broth (Difco)와 Triptic Soy broth (Difco) 로 배양하여 실험에 사용하였다.

    천문동의 발효

    증숙 처리 후 분쇄한 천문동 분말 37.5 g에 증류수 250 mL를 가하여 121°C에서 20분간 멸균하였다. 젖산균은 30°C에서 계대 배양을 2회 한 후 650 nm에서 흡광도가 1.0일 때 멸균된 천문동에 각각 5% (v/v) 씩 접종하였다. 접종된 천문동은 30°C에서 48시간 동안 발효하였다.

    추출물 제조

    증숙 처리한 천문동의 추출물은 증숙 처리한 천문동 분 말 50 g에 에틸아세테이트 500 mL를 가하여 추출하였다. 발효한 증숙 천문동의 추출물은 250 mL의 에틸아세테이트 를 가하여 추출하였다. 각각의 추출은 진탕 항온수조에서 50°C, 110 rpm으로 24시간씩 총 3회 이루어졌다. 추출물은 여과(Whatman filter paper No. 2) 후 농축을 통해 일정농 도로 조절하여 실험에 사용하였다.

    항균활성 측정

    항균활성은 agar well diffusion method를 변형하여 측 정하였다(Ahmad & Beg, 2001). 각각의 균주들은 35°C에 서 2회 계대 배양한 후 600 nm에서 흡광도가 0.4일 때 Muller Hinton broth Agar (0.8% agar)에 1%씩 접종한 후 petri dish에 20 mL씩 분주하였다. Plate가 실온에서 응고되 면 pasteur pipette을 이용하여 6 mm 직경의 well을 만든 후 추출용매인 negative control과 일정 농도의 추출물을 70 μL 주입하였다. 35°C에서 일정시간 배양한 plate는 well 주위의 생장 저해환의 직경(mm)을 측정하여 비교하였으며 이어지는 모든 실험은 3회 반복한 결과를 평균과 표준편차 로 나타내었다.

    최소저해농도 측정

    증숙 후 발효한 천문동 추출물의 최소저해농도(Minimum inhibitory concentration)는 항균활성 측정과 동일한 방법으 로 측정하였다. 추출물을 일정 농도로 조성하여 well에 70 μL씩 주입한 후 35°C에서 일정시간 배양하여 생장 저해환 의 직경이 8 mm 이상을 최소저해농도로 정하였다(Choe & Kang, 2014; Yoo et al., 2005).

    pH 및 산도 측정

    증숙한 천문동 분말 17.25 g을 증류수 125mL에 첨가하 여 121°C에서 20분간 멸균한 후 젖산균을 각각 5% (v/v) 씩 접종하여 30°C에서 발효하였다. 접종 후 0, 12, 24, 36, 48, 72, 96시간마다 pH와 산도를 측정하였다. 산도는 발효 한 증숙 천문동 10 mL에 증류수를 10 mL 혼합한 후 0.1 N NaOH로 pH 8.3이 될 때까지 적정하여 측정하였다. 적 정에 사용된 0.1 N NaOH 양을 다음과 같은 식을 통하여 젖산의 산도로 계산하였다.

    Acidity (%) = 0.009×Consumption of 0.1 N NaOH (mL) × Factor×Dillution rate Volume of sampe (mL) ×100

    수분 및 조회분 함량 측정

    증숙 후 발효한 천문동의 수분함량은 105°C 상압가열건 조법, 조회분은 직접회화법(AOAC, 1995)을 통하여 측정하 였다.

    총당 및 환원당 측정

    총당은 동결건조한 시료 0.2 g에 증류수 9 mL와 25% HCl 1 mL를 첨가하여 2시간 동안 95°C에서 산분해시킨 후 여과(Whatman filter paper No. 2)하였다. 각 여액 0.5 mL 에 5% phenol 0.5 mL와 진한 황산 2.5 mL를 가하여 15분 간 반응시킨 후 550 nm에서 흡광도를 측정하였다.

    환원당은 동결건조한 시료 4 g에 증류수 100 mL를 가한 후 30°C, 120 rpm으로 2시간 동안 교반하였다. 교반이 끝난 시료는 10% trichloroacetic acid (v/v)를 소량 첨가한 후 15 분간 정치하여 단백질을 침전시켜 여과(Whatman filter paper No. 2)하였다. 각 여액 0.5 mL에 3,5-dinitrosalicylic acid 시약을 1.5 mL 넣고 90°C에서 10분간 수욕시킨 후 535 nm에서 흡광도를 측정하였다. 실험은 3회 반복하여 결 과를 평균과 표준편차로 표기하였다.

    결과 및 고찰

    증숙 후 발효한 천문동의 항균활성

    증숙 후 젖산균으로 발효한 천문동의 에틸아세테이트 추 출물의 항균활성을 Table 1에 나타내었다. 추출물 농도 25 mg/mL에서도 본 실험에 사용된 모든 호흡기 질환 관련 미생물에 대해 생장 저해환을 확인할 수 있었다. 천문동을 증숙하지 않고 젖산균으로 발효한 선행 연구에서 천문동 추 출물의 경우 25 mg/mL 농도에서 S. aureusP. aeruginosa 에 대한 항균활성이 나타나지 않았으나 증숙 후 발효한 천 문동 추출물의 경우 생장 저해환이 나타났으며 특히 P. aeruginosa에 대해 가장 높은 항균활성을 나타내었다(Fig. 1). S. epidermidis의 경우 100 mg/mL 농도에서 ESAM이 18 mm 직경의 생장 저해환을 나타내 다른 젖산 발효 추출 물의 14.17-15.33 mm에 비해 높은 항균활성을 나타냈다. 본 실험 결과에서 천문동은 증숙 후 발효를 하였을 때 항 균활성이 개선된 것으로 나타났으며 이는 증숙을 통해 항 균활성이 있는 것으로 보고된 폴리페놀과 플라보노이드의 함량이 증가되었기 때문인 것으로 판단된다(Alvarez-Suarez et al., 2010; Lee et al., 2013). 유사 실험에서 도라지의 증 숙을 통해 총 폴리페놀과 플라보노이드 함량이 증가하였으 며 항균활성 또한 개선된 것으로 보고된 바 있다(Lee et al., 2013; Kim et al., 2016).

    최소저해농도

    증숙 후 젖산균으로 발효한 천문동의 에틸아세테이트 추 출물의 최소저해농도를 측정하였다(Table 2). 실험에 사용 한 모든 젖산균 발효 천문동 추출물이 10 mg/mL의 추출물 농도에서 직경 8 mm 이상의 생장 저해환을 나타냈으며 P. aeruginosa는 5 mg/mL의 추출물 농도에서 각각 8.33-8.58 mm 직경의 생장 저해환을 나타내었다. 선행 연구에서 ESAM과 같은 젖산균으로 발효한 천문동 에틸아세테이트 추출물의 경우, E. coli에 대한 최소저해농도가 25 mg/mL 였으나 증숙 후 발효하였을 때 최소저해농도가 10 mg/mL 로 낮아진 것으로 나타났다.

    pH 및 산도 변화

    증숙 후 발효한 천문동의 pH와 산도는 Fig. 2에서 나타 내었다. L. mesenteroides 4395와 L. sakei 383은 접종 후 12시간이 되었을 때 pH 3.55-3.58까지 감소한 뒤 96시간 까지 큰 변화가 없었으나 L. plantarum KCCM 11322의 경우 24시간이 되서야 pH 3.58로 감소하였다. 산도의 경 우 L. mesenteroides 4395가 접종 후 12시간이 되었을 때 2.20±0.05%로 L. plantarum KCCM 11322의 1.57±0.05% 보다 높은 산도를 나타내었다.

    수분 및 회분 함량

    증숙 후 발효한 천문동의 수분 및 회분 함량은 Table 3 를 통하여 나타내었다. 발효한 증숙 천문동의 수분 함량은 86.28-86.43%로 발효 전 보다 약 5% 내외 정도 감소한 것 으로 나타났다. 조회분 함량은 0.89-0.92%로 발효 전과 후 가 큰 차이를 나타내지 않았다.

    총당 및 환원당 분석

    증숙 후 발효한 천문동의 총당 및 환원당 분석 결과는 Table 4로 나타내었다. 증숙 처리 후 총당이 863.33 mg/ mL에서 722.67 mg/mL로 감소하였으며 발효 후 301.50- 361.42 mg/mL로 감소하였다. 환원당은 증숙 처리 후 99.36 mg/mL에서 109.29 mg/mL로 증가하였으며 발효 후 27.39- 62.20 mg/mL로 감소하였다. 총당의 경우 우엉의 증건을 반 복하였을 때 함량의 감소가 나타났다는 연구 결과가 있으 며 이는 수용성 당이 수증기를 통해 유출되어 손실된 것으 로 판단된다(Lee et al., 2015). 환원당의 경우 수삼의 증건 을 반복하였을 때 초기에는 환원당이 증가하다 이후 감소 하였다는 보고가 있으며 발효 후 총당과 환원당의 감소는 김치의 발효 과정에서 당이 감소한다는 보고가 있어 젖산 균의 생육과 대사산물의 생성에 당이 사용된 것으로 생각 된다(Song & Kim, 1991; Hong et al., 2007). 천문동은 본 래 달고 쓴맛을 지녔다고 알려졌으나 증숙 후 발효를 통해 당의 감소와 젖산의 증가가 일어나 쓴맛과 신맛이 부각되 었다(Shin et al., 2010). 증숙한 천문동의 발효액을 제품화 할 경우 제품소비의 확대를 위해 맛을 조절 할 필요가 있 다고 판단된다(Kim et al., 2014).

    요 약

    본 연구에서는 증숙처리 후 발효를 통해 천문동 에틸아 세테이트 추출물의 항균활성이 증가하는지 알아보고자 하 였다. 선행연구에서 S. aureusP. aeruginosa에 대한 항 균활성이 나타나지 않았던 L. plantarum KCCM 11322로 발효한 천문동의 경우 증숙 처리 후 발효를 하였을 때 25 mg/mL 추출물 농도에서 생장 저해환이 나타났다. 증숙 후 발효한 천문동의 최소저해농도를 측정한 결과 선행연구에 서 L. mesenteroides 4395로 발효한 천문동 추출물의 경우 최소저해농도가 25 mg/mL였으나 증숙 처리 후 발효시 10 mg/mL인 것으로 나타났다. P. aeruginosa에 대한 최소저해 농도는 증숙 처리 후 발효하였을 때 모든 추출물이 5 mg/ mL인 것으로 나타났다. 이를 통해 천문동을 증숙 처리 후 발효를 하면 증숙 처리 하지 않고 발효한 천문동 보다 항 균활성이 개선될 수 있을 것으로 사료되며 이는 증숙 처리 를 통해 항균활성이 있는 것으로 보고된 폴리페놀과 플라 보노이드의 함량이 증가하기 때문인 것으로 판단된다. 총 당의 경우 증숙 처리시 감소되는 것으로 나타났고 환원당 의 경우 증숙 처리를 통해 증가한 것으로 나타났다. 발효 후 총당과 환원당은 모두 크게 감소하여 젖산균의 발효를 통해 당이 소비된 것으로 사료된다. 발효에 따른 pH 및 산도의 변화는 L. plantarum KCCM 11322로 발효하였을 때 L. mesenteroides 4395와 L. sakei 383로 발효한 것 보 다 완만하게 변화하였으며 수분 및 회분은 발효균주에 따 른 차이가 나타나지 않았다.

    감사의 글

    본 연구는 농림수산식품 기술기획평가원(관리번호: 114034-03)의 지원에 의해 수행되었습니다.

    Figure

    FOODENGPROG-21-143_F1.gif
    Antimicrobial activities of ethyl acetate extracts of A. cochinchinenesis steamed and fermented with lactic acid bacteria.

    A: Antimicrobial activity of ESAM, B: Antimicrobial activity of ESAP, Concentration of the 25, 50, 100 mg/mL.

    FOODENGPROG-21-143_F2.gif
    pH and acidity of A. cochinchinensis steamed and fermented with lactic acid bacteria.

    ●: pH, ▲: Acidity, A: Steamed A. cochinchinenesis fermented with L. mesenteroides 4395, B: Steamed A. cochinchinenesis fermented with L. sakei 383, C: Stea1med A. cochinchinenesis fermented with L. plantarum KCCM 11322.

    Table

    Antimicrobial activity of steam pretreated A. cochinchinensis fermented with lactic acid bacteria
    +: 6-10 mm, ++: 10-14 mm, +++: over than 14 mm
    1)ESAM: Steam pretreated A. cochinchinensis fermented with L. mesenteroides 4395
    2)ESAS: Steam pretreated A. cochinchinensis fermented with L. sakei 383
    3)ESAP: Steam pretreated A. cochinchinensis fermented with L. plantarum KCCM 11322
    Minimum inhibitory concentration of steam pretreated A. cochinchinensis fermented with lactic acid bacteria (Unit : mm)
    *-: not detected, Mean±SD (n=3)
    1)ESAM: Steam pretreated A. cochinchinensis fermented with L. mesenteroides 4395
    2)ESAS: Steam pretreated A. cochinchinensis fermented with L. sakei 383
    3)ESAP: Steam pretreated A. cochinchinensis fermented with L. plantarum KCCM 11322
    Moisture and crude ash content of A. cochinchinensis during steaming and fermentation process (Unit : %)
    Mean±SD (n=3)
    1)NS-NF: Non steamed and non fermented A. cochinchinensis
    2)S-NF: Steamed and non fermented A. cochinchinensis
    3)S-FM: Steamed and fermented with L. mesenteroides 4395
    4)S-FS: Steamed and fermented with L. sakei 383
    5)S-FP: Steamed and fermented with L. plantarum KCCM 11322
    Total sugar and reducing sugar in A. cochinchinensis (Unit : mg/mL)
    Mean±SD (n=3)
    1)NS-NF: Non steamed and non fermented A. cochinchinensis
    2)S-NF: Steamed and non fermented A. cochinchinensis
    3)S-FM: Steamed and fermented with L. mesenteroides 4395
    4)S-FS: Steamed and fermented with L. sakei 383
    5)S-FP: Steamed and fermented with L. plantarum KCCM 11322

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