여주귀리즙의 개발과 STZ로 유도된 당뇨 흰쥐의 혈당개선효과

Ⅰ. 서 론

우리나라 2014 국민건강영양조사(Ministry of Health and Welfare, 2015)에 의하면 당뇨병 유병률은 만30세 이상에서 2014년 10.2%로 2005년부터 최근 10년간 약 9.0% 수준을 유지하다가 2013년 11.0%로 약 1-2%p 증가하였다.

당뇨병의 치료는 일반적으로 경구 혈당 강하제를 지속적으로 복용하여 당뇨병의 악화를 지연시키고 있는데 대표적인 당뇨병 치료약들은 한 두 생리기전 과정에만 인위적으로 작용하기 때문에 장기복용에 따른 췌장 섬세포의 기능저하와 인슐린저항성이 커지는데 부작용과 내성을 피할 수 없다(Kim et al., 2004).

이와 같은 문제를 해결하기 위해 최근에는 천연물을 이용하여 보다 안전한 혈당 강하제를 개발하려는 추세이며 최근 들어 천연물을 이용한 여러 항당뇨 물질이 탐색이 진행되고 있으며 여주도 주목받고 있다.

여주(Momordica charantia L, bitter melon)는 박과에 속하는 한해살이 덩굴성 풀로서 미숙열매는 맛이 써서 쓴 오이, 고과(苦瓜), ‘bitter melon’으로 불리며(Lee, 2011) 우리나라에서 주로 관상용으로 사용되어 왔는데 최근 기능성 식품재료로서의 관심이 커지고 있다.

여주열매의 성분은 카로티노이드계 색소를 함유하고 비타민 C, 사포닌, 알칼로이드, 글루코사이드, essential oil, flavonoid, phenolic acid, triterpene 및 alkaloid 등의 유용물질을 다량 함유하고 있다(Liu et al., 2009; Singh et al., 2012; Kenny et al., 2013; Kim et al., 2013B). 특히 여주의 과실에 함유되어 있는 triterpene glycoside인 charantin은 식물 인슐린으로 불릴 만큼 혈당강하에 효과가 있는 것으로 알려져 있고(Kim et al., 2013A; Lee et al., 2012; Park et al., 2002), alkaloid계 vicine이라는 성분과 polypeptide-p (Khanna et al., 1981)역시 췌장의 ß세포에 작용하여 인슐린의 분비를 촉진함으로써 혈당을 낮춰 주는 역할 등(Park et al., 2002) 다양한 생리활성을 갖는 여러 성분들이 보고되었다.

외국에서 행해진 여주 연구로는 혈당개선 및 혈액지질 개선작용, 항암작용(Alam S et al., 2009; Ganguly et al., 2000), 항괴사작용(Raza H et al., 1996) 등이 있었다.

국내에서는 여주의 항당뇨 효과(Jeong et al., 2008, Kim et al., 2013A; Kim, 2013), 항균 및 항암 효과(Bae, 2002; Kim et al., 2013C), 항산화활성(Park et al., 2007, Boo et al., 2009), 신경세포 보호효과(Choi et al., 2014), 조직손상억제(Lee et al., 2009), 혈중지질대사 개선(Park & Heo 2011), α-glucosidase 저해효과(Hu et al., 2013; Yuk et al., 2015) 등 각종 생리활성에 관한 연구들이 진행되어 왔다.

여주를 재료로 개발된 제품들은 쿠키(Moon & Choi, 2014), 양갱(Lee et al., 2015), 발효추출물(Park et al., 2015), 머핀(An, 2014), 스폰지 케이크(Kim, 2009)등이 있다.

다양한 기능성을 지닌 식품을 혼합하였을 경우, 이들 혼합물의 효과 상승작용 등이 예견되는 재료들을 혼합하는 시도가 있어 본 연구에서는 여주즙의 쓴맛을 줄여 마시기 쉬운 여주즙을 만들기 위해 구수한 맛과 생리기능에 도움이 될 것으로 여겨지는 귀리농축액의 혼합을 시도하였다.

귀리(Avena sativa L.)는 벼과에 속하는 곡류로 일반적으로 독성 및 부작용이 없고 예로부터 혈액과 심장에 효과적인 강장제로 사용하여왔다. 귀리의 배유 및 호분층세포벽에는 고분자인 다당체및 단백다당체가 다량 함유되어 있어 다양한 생리효능이 있는 것으로 알려져 있고(Clemens & Klinken, 2014; Thies et al., 2014), 식약청에서 식후 혈당 상승억제및 콜레스테롤개선에 도움을 주는 건강기능식품으로 인정받은 성분이다. 귀리에 다량 함유되어 있는 β-glucan은 체내 혈중 콜레스테롤 수치를 낮추어 심장질환을 예방하고, 체지방 축적을 억제하여 비만과 관련된 증상을 완화시켜 성인병 예방에 효과가 있는 것으로 알려져 있다(Choi & Koo, 2000; Kim et al., 2002).

이와 같이 여주에 대한 다양한 연구가 이루어지고 민간에서 생즙으로 가장 많이 이용되고 있음에도 불구하고 여주즙을 음용으로 한 연구는 없는 실정에서 본 연구에서는 여주즙의 쓴맛을 줄인 여주즙개발에 귀리농축액을 혼합한 여주귀리즙을 개발하고, 이를 streptozotocin(STZ)으로 당뇨를 유발시킨 흰쥐에 음용수로 4주간 공급하고 혈당지표로서 혈액 포도당농도 변화, 혈청 인슐린농도, 경구 당부하검사를 실시하여 여주즙과 여주귀리즙을 음용수로 장기간 마셨을 때 혈당에 어떠한 영향을 주는지 알아보고자 하였다.

Ⅱ. 재료 및 방법

Ⅲ. 결과 및 고찰

1. 여주귀리즙의 관능평가

여주즙에 귀리농축액을 2.5%, 5.0%, 7.0%, 10.0% 각각 혼합하여 만든 여주귀리즙의 관능평가결과는 <Table 1>과 같다.

색상은 3.53-3.59로 유의적 차이가 없었으며 맛은 여주즙 2.82에 비하여 여주귀리즙은 2.94-3.01, 향은 여주즙 3.38에 비하여 여주귀리즙은 3.81-3.92로, 전반적 기호도는 여주즙 3.22에 비하여 여주귀리즙 3.63-3.67로 맛, 향, 전반적기호도가 귀리농축액을 넣음으로서 유의하게 향상되었다.

4가지 관능항목 중 가장 낮은 평가를 받은 맛은 평균 2.92였고 색 3.56, 향 3.79, 전반적 기호도 3.58로 기능성을 유지하면서 너무 쓰거나 달지 않은 여주즙을 개발하여 소비자들의 요구와 기호도를 만족시킬수 있도록 해야 할 것이다.

본 연구의 목적은 여주즙의 쓴맛을 완화시키기 위한 최소량의 귀리농축액을 혼합하는 것이므로 관능평가에서 유의하게 좋은 평가를 받은 여주귀리즙 중에서 귀리농축액 혼합비율이 낮은 2.5%와 5.0% 혼합한 것을 최종제품으로 선택하였다.

혈당 개선을 목적으로 물성과 기능성이 다른 식품을 혼합하여 수행한 연구들로 뽕잎과 녹차(Son et al., 2014), 유색보리와 귀리(Lee et al, 2013B), 천연 기능성소재 혼합물(Lee, 2007), 약용식물 추출물(Roh et al., 2011), 생약재와 와송(Lee et al., 2012), 송이버섯과 동충하초추출물(Kim et al., 2008)등의 보고가 있었는데 본 연구에서 여주즙의 쓴맛과 자극적인 향을 귀리농축액이 개선시켜 기호도에 긍정적인 영향을 미쳤다고 생각된다.

<Table 1>

Sensory evaluation of bitter melon juice mixed with condensed oat juice

2. 영양성분 분석

여주즙에 귀리농축액을 5.0% 혼합하여 만든 여주귀리즙의 영양성분함량은 <Table 2>와 같다.

<Table 2>

Nutritional composition of bitter melon juice mixed with condensed oat juice

여주귀리즙 100 g당 수분 95.32 g, 열량 16.00 cal, 당류 2.52 g, 탄수화물 3.42 g, 조단백 0.64 g, 조회분 0.62 g, 나트륨 3.60 mg을 함유하였고 건강유지에 역효과가 크다고 알려진 포화지방산, 트렌스지방, 콜레스테롤은 검출되지 않았다.

3. 사료섭취량, 체중의 변화, 물섭취량 및 사료이용효율

여주귀리즙을 음용수로 공급하여 4주 후의 흰쥐의 식이섭취량, 체중의 변화 및 물섭취량은 [Figure 1]에 나타내었다.

사료섭취량은 적응기간에 하루 31-35 g정도였는데 STZ투여 후 24-27 g으로 적어졌다[Figure 1 A]. STZ투여로 당뇨를 유발시킨 다른 연구에서 정상군에 비하여 사료섭취량 감소한 경우는 유색보리와 귀리 즉석죽 섭취, 더위지기추출물 경구투여가 있었고, 사료섭취량이 증가한 경우는 여주열매분발 5%와 10%첨가사료, 대두, 청국장 및 된장 분말 5% 사료, 손바닥선인장 열매와 줄기 복합물 5-10% 사료, 뽕잎과 녹차혼합분말 5%사료섭취가 있었고, 유의적 차이가 없었던 것은 오디즙, 오디분말 0.5-2.0%사료섭취 경우로 사료섭취량이 다른 결과들은 제공물질에 따라 흰쥐의 사료섭취가 크게 영향받음을 나타내었다.

흰쥐의 시작체중은 160 g정도로 비슷하였는데 STZ투여군은 STZ 투여후 체중이 감소하였다[Figure 1 B]. NC군은 1주 동안 30-40 g정도 꾸준히 증가하여 4주 후 318.7±37.8 g이었던 것에 비하여 당뇨유발군들은 4주후 -18.0- -38 g정도로 체중이 감소하였다(Fig. 1). NC군외에 STZ 투여군의 체중이 감소한 것은 STZ 투여에 의한 생리작용결여, 낮은 사료섭취량, 음용수의 거부에 의한 스트레스가 있었을 것으로 생각된다.

STZ 투여로 당뇨 유발된 실험동물은 췌장의 β-cell이 파괴되어 인슐린 생성 장애를 일으켜 당대사의 불균형을 초래함으로써, 세포 내에서 포도당 이용률이 감소하게 되어 체지방 및 체단백질의 지속적인 소실, 탈수와 이화작용 증가로 체중이 감소하는 것으로 알려져 있다(Lee, 2011).

STZ 투여로 당뇨 유발된 실험동물의 체중이 대부분의 연구에서 감소하는데 반해 체중이 증가한 경우도 있었는데 대두, 청국장 및 된장 분말을 5%사료로 급여한 연구에서는 정상군에 비하여 당뇨 대조군이 유의한 체중 감소가 있었는데 당뇨 대조군에 비하여 대두, 청국장 및 된장급여군은 체중이 증가하여 이것들이 당뇨 시 급격한 체중감소를 완화하였다고 보고하였고(Kim et al., 2012), 유색보리와 귀리즉석죽으로 8주간 흰쥐를 사육한 연구에서는 실험시작 30일째까지는 실험군의 체중이 STZ대조군에 비해 감소하다 35일째부터 실험군의 체중이 증가하기 시작하여 실험종료일인 8주째에는 44.6 g 증가하였다는 보고가 있으며(Kim et al., 2002), 홍삼 및 팽화홍삼분을 물에 녹여 500 mg/kg 매일 7주간 경구투여했을 때 체중증가가 있었다는 보고(Kim et al., 2008)들이 있는데, STZ투여로 인해 감소되었던 체중이 7-8주정도의 장기간에 걸쳐서는 회복하는 것으로 생각된다.

[Figure 1]

Food intakes, body weight, and water intakes of normal and diabetic rats per one day during 4 weeks of drinking bitter melon juice mixed with condensed oat juiceNC: normal water, STZ: STZ+normal water, BM: STZ+bitter melon juice, BM2.5: STZ+bitter melon juice mixed with 2.5% condensed oat juice, BM5: STZ+bitter melon juice mixed with 5.0% condensed oat juice.

하루동안 물섭취량은 NC군 70-80 ml에 비하여 STZ군들이 112-178 ml 로 약 2배 정도 유의적으로 증가하였고 STZ군들 간에는 유의적인 차이는 없었다 [Figure 1 C].

당뇨병은 혈중 포도당이 세포내로 원활하게 유입되지 못하여 다식이 나타나고 포도당이 체내 수분을 같이 끌고 소변으로 배설되어 다뇨에 의한 다음이 뒤따르는데(Tian et al., 2010) 본 조사에서도 이러한 양상을 확인할 수 있었다.

여주귀리즙을 음용수로 4주간 공급는 동안 흰쥐의 시작체중, 최종체중, 하루동안 체중증가량, 하루 동안 사료섭취량, 사료이용효율은 <Table 3>에 정리하였다.

하루 동안 체중변화는 NC군 5.6±1.2 g정도 증가하였고 STZ군은 -0.64- -1.36 g으로 체중이 감소하였다. 하루동안 사료섭취량은 NC군 40.4 g에 비하여 STZ군 25.0 g, BT군 26.5 g, BT2.5군 25.4 g, BT5.0군 25.9 g으로 유의적으로 적었다.

사료이용효율(food energy ratio, FER)은 NC군 0.138에 비하여 STZ군은 -0.024 - -0.054로 유의적으로 낮았다. 사료섭취량은 많은 편인데 체중증가가 적어 FER이 낮았다. 본 실험에서 STZ군들은 24-27 g의 사료를 섭취하였음에도 불구하고 체중감소가 나타난 것은 당뇨에 의한 체내 대사작용의 이상으로 인해 섭취한 식이가 에너지 대사에 제대로 사용되지 못한 채 체외로 배출되어 체중이 감소되기 때문이라고 알려졌다(Kim, 2004).

4. 혈당변화, 혈장포도당, 경구 당부하 검사

여주귀리즙을 음용수로 4주간 공급하여 측정한 흰쥐의 혈당변화, 혈장포도당 및 경구 당부하 검사결과는 [Figure 2]에 나타내었다.

혈장 포도당의 수준변화는 NC군이 110 mg/dL대로 유지되는데 비해 STZ군은 412.7±26.4 mg/dL로 약 3.7배 높았고 BT군 336.2±27.7 mg/dL, BT2.5군 357±31.8 mg/dL , BT5.0군 338±18.1 mg/dL로 STZ 군보다 낮아 여주즙 음용이 혈당을 낮춤을 보여주었다[Figure 2 A].

STZ는 산화적스트레스를 유발하여 췌장 내 Langerhans' islet의 β-세포를 파괴하여 인슐린 부족을 초래하고 포도당에 대한 β-세포의 예민도를 감소시켜 혈당이 증가되고, 포도당 신생합성효소의 활성이 증가되어 당 신생이 촉진되어 고혈당증을 초래하는 것으로 보고되었고(Choi et al., 2014), 여주에 들어있는 인슐린 유사물질인 펩티드 P, 사포닌, 페놀 및 alkaloid 등의 생리활성 성분에 의해서도 당의 수송을 원활하게 하여 혈당 수준 조절에 도움이 되고(Khanna et al., 1981), 여주의 추출물의 경구투여 시 혈청 내 인슐린 수준을 감소시켜 고인슐린혈증을 개선시킨다고 보고하였다(Jeong et al 2008).

α-glucosidase는 소장에 존재하는 당분해효소로서 그저해제는 탄수화물의 포도당으로의 소화를 지연시킴으로써, 결국 식후의 혈당치를 감소시키는 역할을 하는데, 식물로부터 α-glucosidase의 활성을 억제시킬 수 있는 기능성 소재 개발에서 여주씨 95% 에탄올 및 비극성용매에서 다량 추출되는 생리활성물질인 Vicine과 α-Eleostearic Acid의 우수한 α-glucosidase저해효과를 보고하였다(Yuk & Noh, 2015).

귀리에 다량 함유된 β-glucan의 혈당강하화 및 지질개선 효과는 보리의 탄수화물 분해효소 저해물질, 면역 기능을 나타내는 보체계의 활성화 등과 밀접한 관계가 있다고 보고된 바 있어(Choi & Koo, 2000) 본 실험에서 사용한 여주와 귀리의 여러 성분들이 혈당개선에 작용하였을 것으로 생각된다.

STZ으로 유도된 당뇨유발 흰쥐의 당분해 및 당 흡수기전을 확인하기 위하여 포도당을 경구투여 한 후 0, 30, 60, 90, 120분에 꼬리정맥 채혈하여 측정한 혈당은 포도당투여 후 30분에서 NC군의 혈당은 207±29 mg/dL로 측정되었고 STZ군 508±36 mg/dL, BM군 475±36 mg/dL, BM2.5군 423±52 mg/dL, BM5.0 417±44 mg/dL였고, 2시간 후 NC군 혈당 115±16mg/dL, STZ군 391±27 mg/dL, BM군 355±32 mg/dL, BM2.5군 328±29 mg/dL, BM5.0 310±24 mg/dL로 감소하였다[Figure 2 B]

이 결과는 NC군에 비하여 STZ군들의 당분해가 낮고 흡수가 억제됨을 보여주었고 STZ군에 비해 BM군들의 혈당이 낮아 여주즙과 여주귀리즙의 포도당 분해능이 커서 혈당을 낮추는 것을 알 수 있었다.

NC군의 혈청 인슐린은 4.01±0.71 ng/mL 였고 STZ군 2.89±0.37 ng/mL, BM군 3.13±0.36 ng/mL, BM2.5군 3.27±0.36 ng/mL, BM5.0 417±44 ng/mL였다[Figure 2C].

<Table 3>

Body weight(BW), BW gains, food intakes, and food efficiency ratio(FER) of rats after 4 weeks of drinking bitter melon juice mixed with condensed oat juice

NC군에 비하여 STZ군들의 인슐린농도가 유의적으로 낮고 STZ군에 비해 BM군들의 인슐린농도가 높아 여주즙과 여주귀리즙이 인슐린분비에 효과가 있음을 나타냈다.

STZ으로 췌장의 β-세포를 손상시켜 형성되는Ⅰ형 당뇨병에서는 항당뇨효과가 있는 약물을 빠른 시간내에 투여할수록 인슐린함량이 증가한다고 알려졌는데(Tian et al., 2010), 본 연구에서 여주즙을 음용한 흰쥐의 혈청인슐린농도가 높게 나타난 것은 여주즙이 STZ에 의한 췌장내 랑겔한스섬의 β-세포 손상을 늦추거나 파괴된 β-세포를 회복시키는 효과로 생각된다.

[Figure 2]

Blood glucose concentration, oral glucose tolerance, and serum insulin levels of normal and diabetic rats during 4 weeks of drinking bitter melon juice mixed with condensed oat juiceNC: normal water, STZ: STZ+normal water, BM: STZ+bitter melon juice, BM2.5: STZ+bitter melon juice mixed with 2.5% condensed oat juice, BM5: STZ+bitter melon juice mixed with 5.0% condensed oat juice

IV. 요약 및 결론

여주즙의 쓴맛을 줄여 마시기 좋은 여주즙을 개발하고자 귀리농축액을 혼합하여 여주귀리즙을 개발하여 영양성분을 분석하고, 여주즙을 음료수로 마셨을 때 혈당개선효과를 알아보고자 streptozotocin(STZ)으로 당뇨를 유발시킨 흰쥐에 여주즙을 음용수로 4주간 공급하고 혈당지표로서 혈액 포도당농도 변화, 최종혈당농도, 혈청 인슐린농도, 경구 당부하검사를 실시하였다.

여주즙에 귀리농축액을 2.5%, 5.0%, 7.0%, 10.0% 각각 혼합하여 만든 여주귀리즙의 관능평가결과 4가지 관능 항목 중 가장 낮은 평가를 받은 것은 맛으로 평균 2.92였고 색 평균 3.56, 향 3.79, 전반적 기호도 3.58로 맛에 대한 기호도를 높이는 방안이 더 필요하였다.

본 연구의 목적이 여주즙의 쓴맛을 완화시키기 위한 최소량의 귀리농축액을 혼합하는 것이므로 유의적으로 좋은 평가를 얻은 여주귀리즙 중에서 귀리농축액 혼합비율이 낮은 2.5%와 5.0% 혼합한 것을 최종제품으로 선택하였다.

여주즙에 귀리농축액을 5.0% 혼합하여 만든 여주귀리즙의 영양성분함량은 100 g당 수분 95.32 g, 열량 16.00 cal, 당류 2.52 g, 탄수화물 3.42 g, 조단백 0.64 g, 조회분 0.62 g, 나트륨 3.60 mg을 함유하였고 포화지방산, 트렌스지방, 콜레스테롤은 검출되지 않았다.

여주즙에 귀리농축액을 2.5%, 5.0% 혼합한 여주귀리즙을 음용수로 4주간 STZ로 당뇨를 유발시킨 흰쥐에 공급하였을 때 여주귀리즙 음용군이 STZ대조군에 비해 사료섭취량이 많았고 체중이 감소가 적었으며 사료이용효율과 물섭취량은 높았다.

혈장 포도당의 수준변화는 NC군이 110 mg/dL대로 유지되는데 비해 STZ군은 412.7±26.4 mg/dL로 약 3.7배 높았고 BT군 336.2±27.7 mg/dL, BT2.5군 357±31.8 mg/dL, BT5.0군 338±18.1 mg/dL로 여주즙 음용이 혈당을 낮추었다. 4주 동안 사육후 NC군의 혈청 인슐린은 4.01±0.71 ng/mL 였고 STZ군 2.89±0.37 ng/mL, BM군 3.13±0.36 ng/mL, BM2.5군 3.27±0.36 ng/mL, BM5.0군 4.17±44 ng/mL로 STZ군에 비해 BM군들의 인슐린농도가 높아 여주귀리즙 음용이 당뇨개선에 도움이 될 것으로 평가되며 여주의 고부가가치를 높힐 수 있을 것으로 기대된다.

Acknowledgments

본 논문은 중소기업청에서 지원하는 2014년도 산학연협력 기술개발사업(No. C0249037)의 연구수행으로 인한 결과물임을 밝힙니다.

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