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서 론
마는 Dioscorea 속에 속하는 다년생 덩굴초본으로 자양, 강장, 당뇨, 설사 등 다양한 효과가 있다(Lee & Kim, 1998). 마는 덩이 뿌리 모양에 따라 장마, 단마, 장풍마 등 약 650종이 있으며, 동남아시아 산지에 많이 자라는 것으 로 알려져 있다(Kim et al., 2015).
마의 일반 성분은 수분 82.1%, 조단백질 7.2%, 조지방 1.0%, 조회분 4.5%, 조섬유 2.0%, 무질소화합물 85.3%로 보고 되었으며(Kim et al., 2016), 총 탄수화물 중 전분은 43.7%를 함유하고 있다(Shujun et al., 2006). 약용 성분으 로는 아밀로스(amylose), 콜린(choline), 사포닌(saponin), 뮤 신(mucin), 아르기닌(arginine), 디오스게닌(diosgenin), 폴리 페놀(polyphenol) 등을 함유하고 있다(Kim et al., 2015). 사포닌(saponin)은 인삼, 도라지, 더덕 등에 많이 함유되어 있어 항암, 항염증 작용, 용혈, 자궁 수축 작용의 효능을 가지고 있고(Park et al., 1998, Kwak et al., 2008), 폴리페 놀 화합물은 다양한 분자량과 구조를 가진 이차대사산물로 free radical을 제거함으로써 산화를 억제(Moller et al., 1996;Madsen et al., 1996)하여 항암, 항균, 노화방지 등의 효과를 가지는 생리활성물질이다(Koshiura et al., 1985;Cheng et al., 1993;Ahn et al., 2002;Liu et al., 2005).
마의 특징 중 하나는 점성을 나타낸다는 것인데, 이는 마 특유의 점성 물질인 mannan과 globulin이 결합한 당단 백질에 의한 것이다(Im et al., 1995;Kim et al., 2006). 마 는 주로 생 마로 소비되거나 50-65ºC로 열풍 건조한 마를 분말 형태로 제조하여 판매 되고 있는데 열풍 건조한 마는 생 마 특유의 점성이 없고(Kim et al., 2006), 수용액 상에 서 분산성이 낮아지며, 갈변과 이미와 이취가 발생하는 단 점이 있는 것으로 보고되었다(Lee et al., 2018).
마의 추출물은 피부 미백효과를 보인다는 보고가 있는데 (Jang et al., 2016), 피부의 색조를 결정하는 요인인 melanin 은 표피 기저층의 melanocyte라고 불리는 색소세포내의 melanosome에서 합성된다. 아미노산의 일종인 tyrosine은 멜라닌 세포에서 tyrosinase에 의해 DOPA, DOPA quinone 으로 산화된 후, 여러 반응을 거처 melanin으로 생성되는 것으로 알려져 있다(Pavel & Miskiet, 1983). Tyrosinase 는 피부 멜라닌 생성에 있어서 매우 중요한 역할을 하고 있으며 melanosome 내에서 tyrosine을 산화시켜 DOPA 를 만드는 tyrosine hydroxylase로, DOPA를 산화시켜 DOPA quinone을 만드는 DOPA oxidase로서 작용하여 멜 라닌을 합성하는 효소로 작용한다. 따라서 tyrosinase의 활 성 억제는 멜라닌 중합체 생합성을 저해할 수 있어, 피부 미백제 개발에 있어 유용한 평가방법으로 인정되고 있다 (Lee et al., 2003).
국내 마에 대한 연구로는 건조 방법에 따른 마의 특성 연구(Kwon et al., 1998;Lee at al., 1998;Kim et al., 2006;Kim et al., 2016), 마의 항산화능과 효능(Park et al., 2012;Kim et al., 2015), 마의 쓴맛 물질에 관한 연구 (Im et al., 1995), 마를 첨가한 식빵(Yi & Kim, 2001a), 스 폰지 케이크(Yi et al., 2001b), 국수(Ahn & Yoon, 2008), 떡(Ha., 2014)의 품질특성 연구, 마 전분의 rheology 특성 (Choi et al., 1992;Lee et al., 1992;Lee et al., 2018) 등 다양한 연구가 보고되었다.
본 연구에서는 국내산 마의 활용도를 높이기 위해 시판 용 마 분말과 생마를 이용하여 다양한 추출 방법으로 추출 하여 추출물의 총 폴리페놀, 항산화능, tyrosinase 활성 억 제효능을 알아보고 침전물의 호화 특성, 점도 등을 검토하 였다. 이를 통해 마 자원의 소재화, 가공제품 개발, 피부미 용 기능성식품 및 화장품 소재로서의 활용가능성 등의 기 초 자료로 활용될 수 있도록 하였다.
재료 및 방법
본 실험에 사용된 마는 안동지역에서 구입한 장마와 주식 회사 더원허브에서 구입한 마 분말을 구입하여 사용했다. 마의 추출 기술을 확립하기 위해 추출 용매는 물과 에탄올 을 사용하였고, 물의 추출 온도는 25, 50, 75, 95ºC, 에탄올 의 농도는 25, 50, 75, 100%로 하였다. 추출 방법은 침지, 회분, 가압 가열법을 사용하였다. 침지법과 회분법은 생 마 및 마 분말 고형분 중량의 3배의 추출 용매를 넣어 침지법 은 24시간 침지, 회분법 300 rpm으로 24시간 반응하였으며, 가압 가열 추출은 autoclave를 이용하여 121ºC에서 30분간 추출한 후 3,000 rpm으로 10분간 원심분리하여 추출물과 침전물을 분리하였다. 침전물은 동결 건조하여 사용하였다.
마 추출물의 total polyphenol 함량을 측정하기 위하여 gallic acid를 표준품으로 이용하였다(농도 10, 12.5, 20, 25, 40, 50, 80, 100 μg/mL). 마 추출물 10 μL을 증류수 90 μL 에 희석하였다. Folin & Ciocalteu’s phenol (F9252, Sigma- Aldrich, St. Louis, MO, USA) 용액을 10 μL를 넣고 5-8분 간 반응시켰다. 튜브에 100 μL의 7% Na2CO3용액을 넣고 90분간 반응시킨 후 750 nm 파장에서 흡광도를 측정하였다.
DPPH radical scavenging assay는 diphenylpicrylhydrazyl (DPPH) 라디칼 제거능을 확인하는 실험으로 각 마 추출물 100 μL에 에탄올에 녹인 0.7 mM DPPH 용액 100 μL을 첨 가한 후 암실에서 30분간 반응시켰다. 그 후 microplate reader를 이용하여 517 nm에서 흡광도를 측정하였다. DPPH 라디칼 소거능은 아무것도 넣지 않은 대조군에 대 한 추출물 첨가군의 흡광도 비율(%)로 나타내었고 ascorbic acid를 표준품으로 이용하였다.
마 추출물 내 조사포닌의 함량을 측정하기 위하여 진세 노사이드 Re를 표준품으로 이용하였다(농도 0.3125, 0.625, 1.25, 2.5 μg/mL). 마 추출물 100 μL을 시험관에 넣고 8% 바닐린-에탄올 용액 300 μL과 72% 황산용액 4 mL을 넣었 다. 60ºC의 물 중탕으로 10분간 반응시킨 후 545 nm에서 흡광도를 측정하였다.
마 추출물의 tyrosinase 활성 억제효능을 측정하기 위해 서 버섯에서 유래한 tyrosinase (T3824, Sigma-Aldrich)를 이용하였다. 튜브에 마 추출물을 각각 40 μL를 넣고 0.1M potassium phosphate 20 μL, 0.02 mg/mL 버섯유래 tyrosinase 20 μL를 넣은 후 상온에서 10분간 반응 시켰다. 그 후 기 질로 이용될 1 mM L-DOPA를 40 μL 넣어 5분간 추가 반 응 시킨 후 475 nm에서 흡광도를 측정하였다.
추출 후 침전물의 호화특성을 AACC Method 61-02에 의하여 Rapid Visco Analyzer (Newport Scientific, RVASuper4, Sydney, Australia)를 이용하여 측정하였다. 각 시료 는 건물 기준으로 14% 수분함량이 되도록 제조하였으며, 측정온도는 1분간 50ºC를 유지하고 95ºC까지 12ºC/min의 속도로 온도를 상승시킨 후 2분 30초 동안 95ºC를 유지, 12ºC/min의 속도로 50ºC까지 온도를 하강시킨 후 50ºC에 서 2분간 유지하여 점도곡선을 얻었다. 얻어진 점도 곡선 으로부터 호화 온도(pasting temperature), 최고 점도(peak viscosity), 최저 점도(trough), 최종 점도(final viscosity)를 측 정하고 이들 측정치로부터 breakdown, setback 값을 구하 였다.
침전물의 물성 측정은 10% 현탁액으로 균질물을 만들 어서 Brookfield viscometer (LVF, Brookfield Eng, Middleboro, MA, USA)로 겉보기 점도를 측정하였다. 측정 조건은 spindle No. 1을 사용하여 20ºC에서 100 rpm으로 회전시켜 측정하였다.
결과 및 고찰
에탄올로 추출 한 마 추출물의 total polyphenol 함량을 Fig. 1에 나타내었다. 에탄올 추출법을 이용하여 추출한 시 료의 total polyphenol 함량에서 생 마의 경우 25, 75% 에 탄올 회분법에서 각각 100.52, 100.93 μg/mL로 가장 높은 값을 보였으며, 100% 에탄올 회분법으로 추출한 시료는 79.70 μg/mL, 25% 에탄올 침지법으로 추출한 시료는 77.68 μg/mL, 100% 에탄올 침지법으로 추출한 시료는 75.02 μg/mL로 낮은 값을 나타내었다.
마 분말로부터 추출한 추출물의 total polyphenol은 50% 에탄올 회분법으로 추출한 시료와 침지법으로 추출한 시료 가 각각 303.50 μg/mL, 306.32 μg/mL로 가장 높은 값을 나타내었으며, 100% 에탄올 회분법으로 추출한 시료와 침 지법으로 추출한 시료는 각각 32.37 μg/mL, 18.05 μg/mL로 생 마와 마 분말 통틀어서 가장 낮은 total polyphenol 함 량을 나타내었다. 따라서 total polyphenol의 함량을 극대화 하는 추출법으로, 생 마는 25, 75% 에탄올 회분법, 마 분 말은 50% 에탄올 추출법이 가장 유리한 것으로 나타났다.
마 분말과 생 마 추출물의 DPPH 라디칼 제거능을 각각 Fig. 2와 Fig. 3에 나타내었다. 마 분말의 경우 열수 추출 법, 가압 가열 추출법에 비해 100% 에탄올 추출법을 제외 한 25, 50, 75% 에탄올 추출법으로 추출한 시료가 우수한 DPPH 라디칼 제거능을 보였으며, 그 중에서도 75% 에탄 올 회분법으로 추출한 시료에서 DPPH 라디칼 제거능이 88.47%로 가장 높게 나타났다. 생 마의 경우에도 마찬가지 로 열수 추출법, 가압 가열 추출법에 비해 상대적으로 에 탄올 추출법으로 추출한 시료가 높은 DPPH 라디칼 제거 능을 보였으며, 100% 에탄올 추출법에서 회분법과 침지법 으로 추출한 시료들이 각각 86.23%, 88.48%로 높은 DPPH 라디칼 제거능을 나타내었다. 식물로부터 추출된 천 연물의 경우 phenol 함량이 많을수록 항산화능이 높다고 보 고되고 있다(Kim et al., 2015). 그러나 본 실험에서는 마 분말의 경우 100% 에탄올 추출법으로 추출한 시료에서 낮 은 total polyphenol 함량과 동시에 낮은 DPPH 라디칼 제거 능을 보인 반면, 생 마의 경우 100% 에탄올 추출법츠로 추 출한 시료에서 낮은 total polyphenol 함량을 보였지만 가장 높은 DPPH 라디칼 제거능을 보였다. 따라서 생 마에만 존 재하는 DPPH 라디칼 제거능을 가지는 원인 물질의 정확한 규명이 필요하므로 추출물의 각 성분에 대한 분리와 구조분 석 등의 추가 연구도 필요할 것으로 생각된다.
마 분말을 가압 가열 추출법으로 추출한 시료의 경우 20.58%로 가장 낮은 DPPH 라디칼 제거능을 보였는데, 이 는 높은 압력과 온도 때문에 항산화 물질의 파괴로 인한 결과로 생각된다.
마 분말과 생 마 추출물의 조사포닌 함량을 각각 Fig. 4 및 Fig. 5에 나타내었다. 조사포닌 함량은 반드시 열수 추 출온도에 따라 올라가는 것은 아니지만 95ºC에서 마 분말 회분법으로 추출한 시료는 2.13 mg/mL, 침지법으로 추출한 시료는 1.37 mg/mL로 나타났고, 생 마 회분법으로 추출한 시료는 1.03 mg/mL, 침지법으로 추출한 시료는 0.94 mg/ mL로 95ºC로 추출했을 때 가장 높은 조사포닌 함량을 나 타내었다.
에탄올 추출법은 마 분말의 경우에는 50% 에탄올로 추 출 했을 때 1.05 mg/mL, 생 마의 경우에는 100% 에탄올 로 회분법을 사용하여 추출 했을 때 0.88 mg/mL 가장 높 은 조사포닌 함량을 나타내었다. 결과적으로 조사포닌 함 량을 극대화 하는 추출 법으로는 95ºC 열수 회분 추출법 인 것으로 나타났다.
마 분말과 생 마 추출물의 tyrosinase 활성 억제 결과를 Fig. 6과 Fig. 7에 각각 나타내었다. 마 분말의 경우 모든 샘플에 해당되는 것은 아니지만 대부분의 샘플에서 에탄올 추출 보다는 열수추출과 가압 가열 추출법에서 tyrosinase 활성 억제능이 높게 나타났으며, 특히 회분법으로 추출한 시료에서는 75, 95ºC에서 각각 148.30%, 142.03%, 침지법 으로 추출한 시료에서는 50, 95ºC에서 각각 147.57%, 133.03%, 가압 가열법으로 추출한 시료에서는 139.07%로 높게 나타났다.
생 마에서 열수 추출법으로 추출한 시료의 경우 추출 온 도가 올라갈수록 높은 tyrosinase 활성 억제능이 보였는데 회분법으로 추출한 시료의 경우 25ºC에서 3.44% 였지만 95ºC에서 158.58%로 증가하였고, 침지법으로 추출한 시료 에서는 25ºC에서 59.41, 95ºC에서 189.79%로 증가하는 경 향을 보였다. 에탄올 추출법으로 추출한 시료에서는 에탄 올 함량이 증가할수록 tyrosinase 활성 억제능은 감소하는 경향을 보였는데 회분법으로 추출한 시료에서 25% 에탄올 은 148.66%인 반면 100% 에탄올은 104.45% 였으며, 침 지법으로 추출한 시료에서 25% 에탄올은 141.89%였고 100% 에탄올은 92.98%로 감소하는 경향을 나타내었고, 가압 가열 추출법으로 추출한 시료는 126.39%로 높은 tyrosinase 활성 억제능을 보였다. 따라서 tyrosinase 활성 억제능이 높은 추출물을 얻기 위해서는 마 분말은 95ºC 열수 추출, 50% 에탄올 추출 또는 가압 가열 추출법이 적 당하며, 생 마의 경우에는 95ºC 열수추출, 25% 에탄올 추 출 또는 가압 가열 추출법으로 추출 시 미백에 효과가 높 을 것으로 추측된다.
마 분말 열수 추출 및 가압 가열 추출법 침전물의 RVA 호화 특성을 Table 1에, 에탄올 추출법 침전물의 RVA 호 화 특성을 Table 2에 나타내었다. 또한 생 마 열수 추출 및 가압 가열 추출법 침전물의 RVA 호화 특성을 Table 3 에, 에탄올 추출법을 침전물의 RVA 호화 특성을 Table 4 에 나타내었다.
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마 분말의 pasting temperature는 25, 50ºC 열수 추출과 에탄올 추출법의 침전물에서는 control에 비해 약간의 감소 를 나타냈고, 75ºC 열수 추출법의 침전물의 경우에는 pasting temperature가 나타나지 않았는데 이는 열수 처리 를 통한 마 전분의 아밀로오스 침출 및 팽윤력의 감소로 인해(Lee et al., 2016) pasting temperature가 실험 설정 온 도인 95ºC 이상으로 나타나 데이터에 나타나지 않은 것으 로 생각된다. 95ºC 열수 추출법에서 pasting temperature는 회분법 침전물은 72.6ºC, 침지법 침전물은 66.0ºC, 가압 가 열 추출법 침전물은 67.7ºC로 확연하게 감소한 것을 확인 할 수 있었다. Peak viscosity는 control이 1,349 cp인 것에 비해 대부분 침전물이 1,527-2,466 cp로 증가했으나, 75ºC, 95ºC 열수 추출법의 침전물과 가압 가열 추출법의 침전물 은 190-1,139 cp로 확연하게 감소함을 나타내었다. Trough 값과 final viscosity 역시 대부분 control 보다 높게 나타났 지만 75ºC, 95ºC 열수 추출법의 침전물과 가압 가열 추출 법의 침전물은 control 보다 낮게 나타났다. 이러한 95ºC 열수 추출의 침전물과 가압 가열 추출법의 침전물의 pasting temperature 및 viscosity 감소는 Fig. 8에서 볼 수 있듯이 마 전분의 구조파괴에 의한 것으로 생각된다. Setback은 대부분 control과 비슷하게 나타났으나, 50ºC 열 수 침지법으로 추출한 침전물의 경우 301 cp로 가장 높은 값을 나타내 아밀로오스에 의한 노화도가 가장 크게 일어 난 것으로 판단된다.
생 마 침전물의 pasting temperature는 대부분 control의 90.2ºC 보다 낮게 나타났지만, 75ºC 회분법 침전물에서 91.0ºC로 약간 상승한 것은 마 분말과 같은 이유인 것으로 생각된다. 95ºC 추출법에서 회분법 침전물은 65.7ºC, 침지 법 침전물은 71.4ºC, 가압 가열법 침전물은 62.7ºC로 낮은 값을 보인 것 역시 마 분말처럼 전분구조의 파괴에 의한 것으로 생각된다. Peak viscosity, trough, final viscosity는 control에 비해 대부분 증가했지만 75ºC, 95ºC 열수 추출 침지법 침전물의 경우에는 control보다 낮은 값을 나타냈 다. Setback은 control이 282 cp인 것에 비해 대부분의 침 전물에서 높은 값을 보였으며, 특히 25ºC 열수 추출 회분 법 침전물의 경우 1,392 cp로 가장 높은 값을 나타냈다. 이 는 마 분말과 생 마를 추출한 이후에 부산물을 활용하기 위한 기초 데이터로 활용이 가능할 것으로 생각된다.
마 침전물의 겉보기 점도를 Table 5에 나타내었다. 마 분말 control의 점도는 7.98 cp이고 생 마 control의 점도는 13.56 cp로 생 마의 점도가 더 높게 나타나는 것을 확인 할 수 있었다. 마 분말 침전물의 점도는 대부분 5.82-7.71 cp로 control에 비해 낮아졌으나, 95ºC 열수추출, 가압 가 열 추출법 침전물의 경우에는 control 보다 높은 점도를 나 타냈다. 생 마의 경우에는 모든 침전물이 control 보다 높 게 나타났으며 특히, 100% 에탄올 침지법으로 추출한 침 전물은 19.10 cp로 가장 높은 점도를 나타냈다. 모든 sample에서 마 분말 침전물보다 생 마 침전물의 점도가 높 게 나타났는데, 이는 시판되고 있는 마 분말의 경우 열풍 건조로 인한 마의 점성 물질의 파괴로 마 특유의 점성이 없고(Kim et al., 2006), 동결 건조한 마의 경우 특유의 점 성을 가장 잘 유지한다는 보고와 일치한 결과를 나타내었 다(Lee et al., 1994).
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열수 추출 및 가압 가열추출 마 침전물의 SEM 미세구 조를 Fig. 8에, 에탄올 추출 마 침전물의 SEM 미세구조를 Fig. 9에 나타내었다. 열수 추출에서 마 분말과 생 마 모두 에서 대부분 손상되지 않은 전분이 발견되었지만 95ºC 열 수 추출법과 가압 가열법으로 추출한 침전물의 경우 높은 온도에 의해 전분이 호화되어 구조가 완전히 파괴된 것을 확인할 수 있었다. 이는 RVA 호화 특성에서 95ºC 열수 추 출법과 가압 가열법으로 추출한 침전물의 viscosity 감소 에 대한 원인을 증명 할 수 있는 결과로 추출과정에서 마 전분의 구조 유지의 여부를 결정할 수 있을 것으로 판단 된다.
요 약
마 분말과 생 마의 추출 용매(열수 25, 50, 75, 95ºC, 에 탄올 25, 50, 75 100%) 및 추출 방법(회분법, 침지법)에 따른 추출물과 추출 후 침전물에 대한 특성을 알아보았다. 추출물의 total polyphenol 대부분 생 마 보다는 마 분말에 서 더 높게 나타났고 마 분말 50% 에탄올 추출에서 가장 높은 함량을 나타냈다. DPPH 라디칼 제거능은 마 분말과 생 마 모두 75% 에탄올 추출법에서 높은 제거능을 보였고, 가압 가열 추출법은 높은 압력과 온도에 의한 항상화 물질 의 파괴로 인해 낮은 제거능을 보였다. 조사포닌 함량은 마 분말과 생 마 모두 95ºC 열수 추출법에서 가장 높은 함량을 나타냈다. 티로시네이즈 활성 억제능에서는 마 분 말의 경우는 95ºC 열수 추출법 또는 가압 가열 추출법, 생 마의 경우에는 95ºC 열수 추출법, 25% 에탄올 추출법 또 는 가압 가열 추출법으로 추출한 시료가 가장 티로시네이 즈의 활성을 억제하는 것으로 나타났다. 침전물의 RVA 호 화특성 결과 대부분 추출법에서 peak viscosity, trough, final viscosity 등이 control에 비해 증가하는 결과가 나온 반면 95ºC 열수 추출법과 가압 가열 추출법에서는 전분 그래뉼의 파괴를 SEM을 통하여 확인하였고 그로 인한 viscosity 감소 현상이 나타났다. 그러나 마 분말 75ºC 열 수 추출의 경우 전분 그래뉼의 파괴는 SEM에서 관찰되지 않았음에도 viscosity가 감소한 것에 대한 추가 연구도 필 요할 것으로 생각된다. 침전물 현탁액의 점도는 마 분말에 서 5.82-9.12 cp, 생 마에서 13.88-19.10 cp로 생 마에서 더 높게 나타났으며 이는 생 마의 점액 물질에 의한 결과로 생각되었다. 본 연구를 통해 마의 추출물과 침전물의 특성 을 확인함으로써 마를 활용한 소재화, 식품 및 피부미용 기능성식품 및 화장품 소재 개발을 위한 데이터 자료로써 활용될 수 있을 것이라 생각된다.
