서 언

자생식물은 주변에서 쉽게 접할 수 있고 특정 지역 환경에 대한 적응성이 높아 생물학적 다양성을 가지며(Kim et al. 2012), 식용, 약용, 천연소재 및 신물질 개발의 소재로서 가치 가 있어 중요하게 인식되고 있다(Yang et al. 2011). 우리나라 에는 약 4,200여 종의 자생식물이 분포하고 있으며(KBIS 2019), 이는 국토 단위면적당 종의 수로 비교하였을 때 중국 및 일본보다 다양한 종이 분포하고 있어 발굴가치가 높은 것 으로 보고되어졌다(Cho et al. 2007). 식물은 잎, 줄기, 열매, 뿌리, 꽃 등 모든 부분에 천연항산화제인 페놀성 화합물이 존 재하며, 이러한 성분은 활성산소의 생성을 지연시키거나 활성 을 저해하여 현대인의 건강한 삶과 활동 유지에 도움을 주는 것으로 알려져 있다(Kim et al. 2014;Wang et al. 2013).

물푸레나무과 식물은 30속 600종으로(KBIS 2019), 이 중 한 국산 개나리속은 개나리, 산개나리, 만리화가 대표적이며, 산 개나리(Forsythia saxatilis)의 변이체로 긴산개나리(F. saxatilis var. lanceolata)가 1984년 기재되어 한국 특산식물로 보고되었 다(Lee 1984;Kim and Kim 2004). 긴산개나리(F. saxatilis var. lanceolata)는 어린 잎 뒷면에 털이 있는 점이 산개나리와 같으 나 잎이 달걀모양이 아닌 피침형인 점이 특징이다(KBIS 2019). 산개나리는 우리나라 특산식물이자 멸종위기식물이기 때문에 자생지 내 개체수가 감소하고 있어 식물 자원을 보존 하기 위해 화분 최적 발아 조건 구명에 대한 연구(Han et al. 2013)와 생리적 활성에 대한 최적 광도 조건과 시비 효과에 대 한 연구가 이루어졌으며(Kim et al. 2013), 개나리 꽃은 천연 항산화제 및 기능성 소재로 잠재적 활용 가능성이 높은 것으 로 보고되었고(Kim et al. 2014), 개나리의 열매인 연교는 항균 작용 및 항염증 효과가 있는 것으로 연구되었다(Lim et al. 2008). 이와 같이 물푸레나무과 개나리속에 대한 연구는 개나 리와 산개나리에 대해 집중적으로 이루어졌으며, 긴산개나리 는 많이 알려져 있지 않아 다른 개나리속 식물보다 연구가 미 흡한 실정이다. 또한, 긴산개나리는 구체적인 생육환경에 대한 정보가 부족하나 산개나리는 음지와 양지 어디에서나 적응을 잘하는 것으로 알려져 있다(KBIS 2019). 그러나 산개나리는 낮은 광도보다 높은 광도에서 생육하면 잎의 두께와 엽록소 및 카로티노이드 함량이 증가하는 것으로 연구되었으며(Kim et al. 2013), 식물의 동일한 종에서 생육 조건에 따라 형태적 및 생리적 특성이 달라지는 것으로 보고되었다(Kim et al. 2013). 식물은 여러 환경에 노출되었을 때, 그 환경을 적응하 기 위해 변화한다(Cronin and Lodge 2003), 특히, 광은 식물의 대사활동과 생장에 영향을 미치는 주요 환경 인자로 투과되는 광량에 따라 광합성 및 수분 증산 등 생활상의 대부분을 제어 하고(Kim et al. 2013), 광 관련 인자의 변화에 따라 식물의 생 장, 형태형성 및 이차대사산물의 변화에 영향을 미친다. 또한, 식물은 광을 효율적으로 사용하기 위해 잎의 구조나 생리학적 특성과 형태적 변화 및 화학적 변화를 유도한다(Hansen et al. 2002). Zhong et al.(2015)는 광도에 따라 광합성을 촉진하고 건물중을 증가시키며, Lefsrud et al.(2006)에서 케일과 시금치 는 광의 정도에 따라 베타카로틴과 루테인을 비롯한 기능성 항산화 물질이 변화하고 상추는 저광도인 50μmol･m^-2 ･s^-1에서 200μmol･m^-2 ･s^-1 로 광도가 높아질수록 체내 가용성물질과 기 능성 물질이 증가하는 것으로 연구되었다(Zhou et al. 2011). 따라서, 본 연구에서는 우리나라 자생식물의 가치를 높이기 위 해 긴산개나리의 기능성 신소재로 활용하기 위한 기초자료를 마련하고자 하였으며, 다른 광환경 조건에서 자란 긴산개나리 줄기와 잎의 항산화물질 함량과 활성을 분석하였다.

재료 및 방법

식물재료

공시재료는 2017년 10월 한택식물원 내에서 삽목 후 3년동안 서로 다른 광환경에서 생육한 긴산개나리(F. saxatilis var. lanceolata) 를 제공받아 사용하였다. 일평균 788.39μmol･m^-2 ･s^-1 PPFD 양지 (sunny)와 일평균 42.83μmol･m^-2 ･s^-1 PPFD 반음지(shade)인 광 환경에 따라 무작위로 각각 20개의 가지를 선정하여 채취하였으 며, 잎과 줄기를 각각 동결건조한 한 후 냉동보관하였다.

식물 추출

냉동 보관한 시료는 80% 에탄올을 가하여 g당 mL로 10배 희석하여, 균질기(T18D, IKA, Germany)를 이용해 3분씩 3회 균질 및 혼합하였다. 균질한 혼합물은 여과지(What man #2, Whatman International Ltd., England)로 여과한 후, 감압식 회전농축기(N-1200A, EYELA, Japan)를 이용하여 40℃에서 1/10로 감압농축하였다. 위와 같은 과정으로 전처리부터 추출 및 농축까지 3반복으로 추출한 농축액은 -25℃에 보관하여 분 석에 사용하였다.

항산화 물질 함량 및 활성 분석

추출물은 총 안토시아닌, 총 플라보노이드, 총 페놀 함량을 통 해 항산화 물질 함량과 DPPH(2,2 Dipheny-1-picrylhydrazyl) radical 소거활성을 통해 항산화 활성을 분석하였다. 또한, 항 산화물질 함량과 활성의 흡광도는 각 추출물당 5반복으로 측 정하였다. 총 안토시아닌 함량은 각 추출물을 pH differential method에 따라 측정하였으며(Meyers et al. 2003), 단위는 mg cyanidin 3-O-glucoside equivalents(CGE)/100g fresh weight(FW) 로 다음 공식을 통해 환산하였다.

MW (cyanidin 3-O-glucoside 분자량 = 449.2

D (dilution factor) = 희석배수

ε (cyaniding 3-O-glucoside 몰 흡광계수) = 26,900

총 플라보노이드 함량은 Colorimetric assay에 따라 분석하 였으며(Meyers et al. 2003), 분광광도계를 이용하여 510nm 파장에서 흡광도를 측정하였다. 표준물질은 catechin으로 사 용하였고 단위를 mg catechin equivalents(CE)/100g FW로 환 산하였다. 총 페놀 함량은 Folin-Ciocalteu colorimetric method 에 따라 분석하였으며(Meyers et al. 2003;Singlenton et al. 1999), 분광광도계를 이용하여 750nm의 파장에서 흡광도를 측정하였다. 표준물질은 gallic acid로 하였으며, mg gallic acid equivalents(GAE)/100g FW로 단위를 환산하여 표기하였 다. 또한, 각 추출물은 DPPH(2,2 Dipheny-1-picrylhydrazyl) radical 소거활성을 통해 항산화 활성을 분석하였으며, DPPH 분석 방법에 따라 분광광도계를 이용해 517nm 파장에서 흡광 도를 측정하였다(Brand-Williams et al. 1995). DPPH radical 소거 활성은 Vitamin C를 표준물질로 하였으며, mg vitamin C equivalents(VCE)/100g FW로 단위를 환산하여 표기하였다.

엽록소함량 측정

위와 같이 다른 광환경에서 자란 긴산개나리 잎은 무작위로 엽록소측정기(SPAD 502, Minolta, Japan)를 이용하여 10반복 으로 측정하였다.

통계처리

측정값은 SAS 프로그램(SAS 9.0, SAS institute Inc., Cary, USA)을 이용하여 p ≤ 0.05 수준에서 ANOVA T-test와 Duncan 의 다중검정을 하였다. 또한, 긴산개나리의 항산화물질 함량 및 활성 간의 요인별 상관관계를 알아보고자 SPSS 프로그램 (SPSS 23.0 Statistics, SPSS Inc., USA)을 이용하여 Pearson’s 상관분석을 실시하였다.

결과 및 고찰

긴산개나리의 부위별 항산화물질 함량 및 활성

긴산개나리의 부위별 항산화물질 함량과 활성을 분석한 결 과(Table 1), 항산화물질인 총 안토시아닌과 총 플라보노이드, 항산화 활성은 0.001 유의수준 내에서, 총 페놀은 0.01 유의수 준 내에서 부위에 따라 유의적 차이가 있는 것으로 조사되었 다. 총 안토시아닌 함량과 총 플라보노이드 함량, 총 페놀 함 량은 줄기보다 잎에서 각각 68.8mg CGE/100g FW, 7405.0mg CE/100g FW, 4231.2mg GAE/100g FW로 총 안토시아닌 함 량은 약 2배, 총 플라보노이드 함량은 1.3배, 총 페놀 함량은 약 1.9배 높은 것으로 조사되었다. 플라보노이드는 페놀류의 주요한 화합물로 diphenylpropanes(C₆-C₃-C₆)의 기본 골격 구 조를 가지며 이러한 화합물은 유리기를 소거하거나 연쇄반응 을 종결시켜 강력한 항산화 활성을 가지는 것으로 보고되었다 (Zhishen et al. 1999). 또한, 페놀성 화합물에 존재하는 phenolic hydroxyl(OH)기는 단백질과 결합하여 항산화, 항암 및 항균 효과 등의 생리활성을 나타내는 것으로 알려져 있다 (Wang et al. 2013). 긴산개나리 잎의 총 플라보노이드 함량 과 총 페놀 함량은 Kim et al.(2014)의 개나리꽃 보다 각각 약 2배, 약 3배 이상 높은 함량으로 나타났으며 이에 따라 긴산 개나리의 잎은 높은 수준의 총 플라보노이드와 총 페놀 함량 이 함유된 것으로 판단된다. 긴산개나리의 부위에 따른 항산 화 활성을 분석한 결과, 항산화물질 함량과 같이 줄기보다 잎 에서 294.3mg VCE/100g FW로 약 2.1배 높은 것으로 나타났 다. DPPH radical 소거활성의 표준물질인 vitamin C는 vitamin E와 함께 유리된 라디컬을 효과적으로 소거하는 유기체 내의 대표적인 항산화물질로서(Byers and Perry 1999) 일반적으로 vitamin C의 함량은 과일의 껍질에 함유량이 높으며 긴산개나 리의 잎은 오렌지 껍질과 비슷한 함량을 가지는 것으로 연구 되었다(Lee et al. 2012). 또한, 긴산개나리의 잎은 식용 봄 꽃 인 벚꽃보다 약 2.2배, 개나리꽃보다 약 4.1배 이상의 항산화 활성을 갖는 것으로 조사되었다(Kim et al. 2014). 위의 결과 에 따라 긴산개나리의 항산화물질 함량과 활성간의 상관관계 를 분석한 결과(Table 2), 긴산개나리의 총 안토시아닌은 다른 요인 간의 상관관계가 없는 것으로 나타났으며, 총 플라보노 이드와 총 페놀은 서로 간에 0.05 유의수준 내에서 r=0.753으 로 높은 양의 상관관계를 갖는 것으로 조사되었다. 또한, 총 플라보노이드와 총 페놀은 항산화 활성인 DPPH radical 소거 활성과 0.05 유의수준 내에서 각각 r=0.753, 0.698로 높은 양 의 상관관계를 갖는 것으로 조사되었다. 일반적으로 페놀성 화합물의 농도가 높아짐에 따라 유리 radical의 소거활성도 높 아지는 것으로 보고되었으며(Jo et al. 2012), 본 연구에서 긴 산개나리는 총 플라보노이드와 총 페놀 함량이 높은 것으로 나타나 항산화 활성에 영향을 미친 것으로 판단된다. 따라서, 상관관계 결과를 통해 긴산개나리의 총 페놀은 대부분 총 플 라보노이드로 구성되었으며, 총 안토시아닌의 활성화 기여도 가 낮은 것으로 보아 안토시아닌 외 총 플라보노이드를 이루 고 있는 물질과 총 페놀이 항산화 활성에 기여하는 것으로 판 단된다. 그러나 항산화 활성 radical은 페놀성 화합물 종류에 따 라 선택적으로 활성화되며(Rice-Evans et al. 1996), 만성질환이 나 노화의 원인이 되는 활성산소족(reactive oxygen species) 을 감소시키는 것으로 연구되었다(Son et al. 2012). 이를 위 해 긴산개나리를 기능성 물질로 활용하기 위해서는 DPPH radical 소거활성 뿐만 아니라 ABTS radical 소거활성, 환원능 등 항산화 활성의 지표가 되고 있는 다양한 항목들에 대해 구 체적인 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.

광환경에 따른 긴산개나리의 부위별 항산화물질 함량 및 활성

광환경에 따른 긴산개나리의 항산화물질 함량을 분석한 결 과(Table 3), 총 안토시아닌 함량은 반음지(shade)보다 양지 (suuny)에서 생육한 긴산개나리가 높으며, 줄기보다 잎에서 함량이 높은 것으로 조사되었다. 총 플라보노이드 함량과 총 페놀 함량 또한 반음지보다 양지에서 생육한 긴산개나리의 잎 에서 다소 높은 것으로 조사되었다. 이는 Yang et al.(2017)의 연구 결과에서 심비디움의 총 페놀 함량이 다른 부위보다 잎 추출물에서 높았다는 연구 결과와 유사하였다. 특히, 잎은 광 합성을 하는 부위로 광합성 중 페놀화합물이 합성되기 때문에 (Lee et al. 2005) 광량이 많은 양지에서 생육한 긴산개나리 잎 의 총 플라보노이드와 총 페놀의 함량이 반음지에서 생육한 것보다 높은 것으로 판단된다. 긴산개나리의 생육환경에 대한 연구는 부족하나 산개나리는 자생지에서 상대광도가 40% 정 도로 낮거나 200μmol･m^-2 ･s^-1 PPFD 이하에서는 생육이 불량 한 것으로 보고되었다(Han et al. 2011). 산개나리의 광량 차 이에 의한 생육은 낮은 광 조건에서 생장한 식물의 잎이 고광 도에 노출된 잎보다 엽록소 함량이 높으며(Han et al., 2011), 또한, 광계 Ⅱ(PS Ⅱ, photo system Ⅱ)의 반응 단백질 함량과 상관성이 높은 엽록소 b의 함량이 증가하는 것으로 보고되었 다(Adam et al. 1990;Terashima and Hikosaka, 1995). 낮은 광 조건에서 식물의 잎은 엽록소 함량 증가와 함께 카로티노 이드 함량 및 β-carotene 함량이 증가하고(Han et al. 2011), 식물은 광 수용 능력을 높이기 위해 광색소 함량을 증가시킨 다(Terashima and Hikosaka 1995). 그러나 본 연구에서는 위 의 보고와 달리 양지에서 생육한 긴산개나리의 엽록소 함량이 반음지에서 생육한 것 보다 높았으며(Fig. 1), Kim et al.(2013) 의 연구와 같이 높은 광도에서 산개나리 잎의 엽록소 함량이 증가하였다는 연구 결과와 일치하였다. 산개나리는 높은 광에 노출될수록 잎이 두꺼워지고, 두꺼운 잎에는 더 많은 광색소를 포함하는 것으로 연구되었다(Goncalves et al. 2008). 본 연구 의 결과도 이와 같은 이유로 반음지보다 양지에서 생육한 긴 산개나리의 잎이 엽록소 함량이 증가하고 광합성이 활발하여 항산화물질 함량이 증가한 것으로 판단된다. 다른 광환경에 따른 긴산개나리의 부위별 항산화 활성을 분석한 결과(Table 3), 항산화물질 함량 결과와 비슷한 경향으로 반음지에서 생육 한 것보다 보다 양지에서 생육한 긴산개나리의 잎에서 항산화 활성이 460.8mg VCE/100g FW로 약 1.4배 높은 것으로 조사 되었다. DPPH radical 소거활성의 표준물질인 vitamin C는 광 합성 능력이 향상됨에 따라 vitamin C 합성 속도도 증가하는 것으로 보고되었으며(Zhan et al. 2012) 위의 결과와 같이, 양 지에서 생육한 긴산개나리의 잎은 엽록소 함량이 높기 때문에 vitamin C와 페놀화합물 합성에 영향을 미쳐 항산화 활성이 높 은 것으로 판단된다. 그러나, 엽록소 함량 결과만으로는 구체 적으로 식물의 광합성에 관여하는 활성을 파악하기 어렵기 때 문에 이를 뒷받침 할 수 있는 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다. 따라서, 우리나라 자생식물인 물푸레나무과 긴산개 나리는 줄기보다 잎에서 항산화물질 함량과 활성이 높으며, 이 는 기능성 소재로 사용되고 있는 장미 꽃과 동백 꽃보다 총 페 놀 함량이 8배 이상 높고(Cho et al. 2015), 금잔화 꽃보다 DPPH radical 소거 활성이 3배이상 높기 때문에(Lee et al. 2015) 천연항산화제로서 가능성이 있는 것으로 판단된다. 또 한, 양지에서 생육한 긴산개나리의 잎이 반음지에서 생육한 것 보다 항산화물질 및 활성이 높기 때문에 기능성 소재로서 잠 재적 활용 가능성이 높을 것으로 판단된다.

초 록

본 연구에서는 다른 광환경에서 자란 긴산개나리(Forsythia saxatilis var. lanceolata) 줄기와 잎의 항산화물질 함량 및 활성 을 분석하여 기능성 신소재로 활용하기 위한 기초자료를 마련 하고자 수행하였다. 삽목 후 3년생인 긴산개나리를 무작위로 채취하여 부위별로 분석한 결과, 긴산개나리 잎의 항산화물질 함량은 총 안토시아닌 함량과 총 플라보노이드 함량, 총 페놀 함량이 각각 68.8mg CGE/100g FW, 7405.0mg CE/100g FW, 4231.2mg GAE/100g FW로 줄기보다 높았으며, 항산화 활성 또한 294.3mg VCE/100g FW로 줄기보다 높은 것으로 조사되 었다. 이에 따라 긴산개나리의 항산화물질 함량과 활성간의 상 관관계를 분석한 결과, 총 안토시아닌은 다른 요인 간의 상관관 계가 없는 것으로 나타났으나 총 플라보노이드와 총 페놀은 서 로 간에 0.05 유의수준 내에서 r=0.753으로 양의 높은 상관관계 를 가지며, 총 플라보노이드와 총 페놀은 항산화 활성인 DPPH radical 소거활성과 0.05 유의수준 내에서 각각 r=0.753, 0.698 로 높은 양의 상관관계를 갖는 것으로 조사되었다. 이를 통해 긴산개나리의 총 페놀은 대부분 총 안토시아닌보다 총 플라보 노이드로 구성된 것으로 판단되고, 이러한 총 플라보노이드와 총 페놀이 항산화 활성에 기여하는 것으로 판단된다. 서로 다른 광환경에서 삽목 후 3년동안 생육한 긴산개나리의 부위별 항산 화물질 함량 및 활성을 분석한 결과, 총 안토시아닌, 총 플라보 노이드, 총 페놀은 반음지(42.83μmol･m^-2 ･s^-1 PPFD)보다 양지 (788.39μmol･m^-2 ･s^-1 PPFD)에서 생육한 긴산개나리의 잎에서 함량이 높은 것으로 조사되었으며, 항산화 활성도 반음지보다 양지에서 생육한 긴산개나리의 잎에서 높은 것으로 나타났다. 광환경에 따라 긴산개나리의 엽록소 함량을 조사한 결과, 엽록 소 함량 또한 양지에서 생육한 긴산개나리 잎에서 높은 것으로 조사되었다. 이를 통해, 페놀화합물과 vitamin C 는 광합성 과 정 중 합성되는 물질이기 때문에 반음지보다 광량이 많은 양지 에서 생육한 긴산개나리의 잎이 항산화물질 함량과 활성이 높 은 것으로 판단된다. 따라서, 긴산개나리는 줄기보다 잎에 항산 화물질 함량 및 활성이 높아 천연항산화제로서 가능성이 있는 것으로 판단되며, 특히, 양지에서 생육한 긴산개나리의 잎이 반 음지에서 생육한 것보다 항산화물질 및 활성이 높기 때문에 기 능성 소재로서 잠재적 활용 가능성이 높을 것으로 판단된다.

추가 주요어: DPPH radical 소거활성, 기능성 식물, 물푸레나 무과, 플라보노이드, 페놀