최근 기상이변과 자연재해, 농업 인구 감소 등 농업 환경의 악화와 안전한 고품질 농산물에 관한 관심 증가에 따라 연중 안정적으로 작물을 생산할 수 있는 식물공장에 관한 연구가 증가하고 있다. 인공광 식물공장은 작물 생장에 필요한 온도, 습도, 이산화탄소 농도나 배양액 등 물리･화학적 환경요인을 인위적으로 조절하여 작물을 생산하는 시스템이다(RDA, 2018; Heo와 Baek, 2021). 인공광 식물공장은 형광등(fluorescent light, FL)과 발광다이오드등(light-emitting diode, LED), 고압나트륨등, 삼파장등, 백열등, 메탈할라이드등과 같은 광을 조사하여 작물을 재배한다(RDA, 2018; Kim 등, 2019). 특히 LED는 형광등, 고압나트륨등 및 메탈할라이드등에 비해 식물에 근접 조사할 수 있고 광질, 광량 등 조절이 용이하며, 작물 생장뿐만 아니라 유용 물질 합성과 색소 발현을 촉진한다(Kim 등, 2013; Lee 등, 2016).

인구의 고령화, 소득 수준의 향상으로 건강에 관한 관심이 증가하면서 건강기능식품 시장이 성장하고 있다(Lee, 2020). 건강기능식품의 소비 증가와 함께 기능성 농식품에 대한 수요도 증가하고 있다. 일상 식생활에서 한 가지 이상의 유익한 효과를 제공함으로써 질병 발생 위험성을 감소시키는 식품으로 건강기능식품 및 기능성 성분을 함유하는 농･임･축산물을 기능성 농식품으로 정의하였다(Park 등, 2016; 2017b). 기능성 농식품은 기능 성분을 갖는 식물, 동물, 미생물 자체의 소재와 단순 추출물, 1차 가공품, 2차 가공품으로 분류된다(Park 등, 2016; 2017b).

삼채(Allium hookeri)는 Allium속 식물로 뿌리 부추라고 불리며 숲, 습지, 해발 1,400~4,200 m의 초원지대에서 자생한다. 인도, 부탄, 중국 남서부, 미얀마 등에 분포하며, 최근 한국에 소개되어 남부지역에서 재배되고 있다(Won 등, 2013; Lee 등, 2014; Roh 등, 2016). 삼채는 잎, 인경, 뿌리로 구성되어 있으며, 단맛, 쓴맛, 매운맛이 난다고 하여 삼채(三菜), 인삼 맛이 난다고 해서 삼채(蔘菜)라 부르기도 한다(Hwang 등, 2015). 삼채는 항궤양, 항염증, 항당뇨, 항균 등 다양한 효과가 보고되어 있다(Deka 등, 2022).

기능성 작물들을 중심으로 인공광 식물공장에서 수경 재배한 방풍나물, 상추, 쌈 배추 등 작물의 생육, 품질 등 이화학적 특성(Park 등, 2012; Chung 등, 2014; Kim 등, 2021)과 노지에서 재배된 삼채의 기능성 연구는 활발히 진행되어 왔다(Bae와 Bae, 2012; Kim 등, 2015; Hwang 등, 2015; Jeong 등, 2022). 그러나 인공광 식물공장에서 수경 재배한 삼채의 기능 성분 및 기능성에 관한 연구는 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 인공광을 이용하여 수경 재배한 삼채를 잎과 뿌리로 분류하고, 노지 및 두 종류의 광원에 의해 생산된 삼채 추출물의 항산화, 면역증강 및 항당뇨 등의 기능성을 분석 및 비교하였다.

시료의 재배 조건 및 생산지

본 연구에서는 국립농업과학원 식물공장(Jeonju, Korea)에서 수경 재배한 삼채의 잎과 뿌리의 기능성을 평가하였다. 인공광원으로 형광등(24 W, Philips, Hamburg, Germany)과 LED(SungJae Co., Ltd., Sungnam, Korea)를 사용하였다. 청색+적색+백색 혼합 LED(혼합비율 1:2:1)를 광조사구로 설정하였고, 혼합 광질 제어에 사용한 청색 및 적색 LED 최대 파장은 470 nm와 660 nm, 그리고 백색 LED는 warm-white LED를 선택하였다. 모든 처리구에서 광강도는 재배 개시 2주부터 150 μmol/m²/s로 조절하였다. 식물공장의 실내 온도와 습도는 22±1°C 및 50±5%로 제어하였으며, 수경 배양액은 엽채류 전용 Yamazaki 배양액을 이용하여 담액식 수경 재배를 하였다(Kim 등, 2021). 또한, 대조구로는 전라북도 순창 소재 농장의 노지에서 토경 재배한 삼채를 사용하였다.

시료 준비 및 추출물 제조

시료는 부위별로 건조 과정을 거친 후 분쇄하여 사이클로알린 함량 분석에 사용하였고, 생리활성은 삼채를 50% 주정으로 2회 추출, 감압농축(N-1000, EYELA, Tokyo, Japan) 및 동결건조하여 사용하였다. 시료의 증거 표본은 국립농업과학원 농식품자원부에 보관하였다.

사이클로알린의 함량 분석

사이클로알린 함량은 Agilent 6410 Triple Quad LC/MS(Agilent Technologies, Inc., Santa Clara, CA, USA)를 이용하여 분석하였다. 시료 주입량은 5 μL, 칼럼은 Synergi^TM 4 μm Hydro-RP C18(150×2 mm, 80Å, Phenomenex, Torrance, CA, USA), 칼럼 온도는 35°C이고 유속은 0.2 mL/min이었다. 이동상은 0.1% formic acid가 함유된 증류수(용매 A)와 0.1% formic acid가 함유된 acetonitrile(용매 B)이었으며, gradient program은 0~1분에 5% 용매 B를 유지, 1~11분에 100%로 용매 B를 증가, 11~12분에 용매 B를 100% 유지, 12~15분에 용매 B를 5%로 감소, 15~20분에 용매 B를 5%로 유지하게 설정하였다. 검출 및 정량을 위한 MS는 전기분무이온화(electrospray ionization) 모드에서 multiple-reaction monitoring mode(MRM) 방법을 사용하였다. MS 분석을 위한 조건은 gas temperature 300°C, gas flow 11 L/min, nebulizer 15 psi, capillary 4,000 V로 하였으며, MRM transition은 positive mode에서 178⟶73 m/z 조건으로 분석하였다(Jeong 등, 2022).

총 페놀 함량 분석

시료 20 μL를 96-well plate에 넣고 증류수 80 μL를 가한 후 40 μL의 Folin-Ciocalteu’s phenol reagent(Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO, USA)를 첨가하여 3분간 실온에 방치하였다. 10% Na₂CO₃ 용액을 60 μL 첨가하고 실온에서 2시간 반응시킨 후 725 nm에서 흡광도를 측정하였다. 표준물질로는 gallic acid(Sigma-Aldrich Co.)를 사용하여 표준 곡선을 구해 정량하였다(Jung 등, 2022).

DPPH 라디칼 소거능의 측정

삼채 잎과 뿌리 추출물의 시료 50 μL에 0.2 mM 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl(DPPH, Sigma-Aldrich Co.) 용액 200 μL를 넣어 혼합하고 상온에서 30분간 반응시킨 후, 517 nm에서 흡광도를 측정하였다(Jung 등, 2022).

ABTS 라디칼 소거능의 측정

7.4 mM 2,2′-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) diammonium salt(ABTS, Sigma-Aldrich Co.)와 2.6 mM potassium persulfate(Sigma-Aldrich Co.)를 1:1로 혼합한 용액을 실온에서 24시간 반응시켜 라디칼을 형성시키고, 실험 직전 760 nm에서 흡광도가 0.7~0.75가 되도록 용액을 증류수로 희석하여 사용하였다. 희석된 용액 200 μL와 추출물 50 μL를 혼합한 후에 암소에서 10분간 반응시키고 760 nm에서 흡광도를 측정하였다(Jung 등, 2022).

세포 배양

RAW264.7 세포는 한국세포주은행(Seoul, Koera)에서 구입하여 사용하였다. 세포는 10% heat inactivated fetal bovine serum(GenDEPOT, Katy, TX, USA)과 1% penicillin-streptomycin solution(HyClone, Cytiva, Logan, UT, USA)이 포함된 Dulbecco’s modified Eagle’s medium(DMEM, GenDEPOT) 배지를 사용하여 37°C, 5% CO₂ incubator에서 배양하였다.

세포 생존율의 측정

RAW264.7 세포를 2×10⁵ cells/mL의 농도로 96-well plate에 100 μL씩 분주하고 37°C, 5% CO₂ incubator에서 4시간 배양하였다. Phosphate buffered saline(Caisson Labs, Inc., Smithfield, UT, USA)을 이용하여 10 mg/mL 농도로 제조한 시료를 0.2 μm 필터(syringe filter, PVDF filtration medium, Cytiva Whatman^TM)로 여과시켰다. 세포 생존율 실험 직전에 추출물을 농도별(31.25, 62.5, 125, 250, 500, 1,000 μg/mL)로 희석하고 세포에 추출물을 처리 후 48시간 배양하였다. RAW264.7 세포 생존율은 WST-8 cell viability assay kit(BIOMAX Co., Ltd., Seoul, Korea)을 이용하여 측정하였다. 추출물을 처리한 세포 현탁액의 각 well에 Quanti-Max^TM를 10 μL 분주하고, 1시간 배양 후에 450 nm에서 흡광도를 측정하였다.

Nitric oxide(NO) 함량

NO 생성량은 Griess Reagent System(Promega Co., Madison, WI, USA) 방법으로 측정하였다. RAW264.7 세포(2×10⁵ cells/mL)를 96-well plate에 100 μL씩 분주하고 37°C, 5% CO₂ incubator에서 4시간 배양하였다. 세포에 추출물을 농도별(31.25, 62.5, 125, 250, 500, 1,000 μg/mL)로 100 μL씩 분주한 후 37°C, 5% CO₂ incubator에서 48시간 배양하였다. 세포의 배양 상등액 100 μL와 sulfanilamide solution 100 μL를 10분간 상온에서 반응시켰다. N-1-napthylethylenediamine dihydrochloride(NED) solution 100 μL를 혼합하여 상온에서 10분 동안 반응시킨 후 540 nm에서 흡광도를 측정하였다. Nitrite standard(Promega Co.)로 표준 곡선을 작성하여 NO 함량을 산출하였다.

α-Amylase 억제 활성 측정

인공광 삼채 잎과 뿌리 추출물의 α-amylase 활성 저하 효과를 평가하기 위해 본 효소에 대한 억제 분석 키트(ab283391, Abcam, Cambridge, UK)를 이용하여 측정하였다. 시료 50 μL와 α-amylase solution 50 μL를 96-well plate에 첨가하고 호일로 감싼 상태로 상온에서 10분 동안 반응시켰다. α-Amylase substrate를 50 μL 첨가하고 kinetic mode로 25분 동안 405 nm에서 흡광도를 측정하였다. α-Amylase assay buffer를 control로 사용하였다.

$$a-Amylase억제능\left(\%\right)=\frac{slopeofcontrol-slopeofsample}{slopeofcontrol}\times 100$$

α-Glucosidase 억제 활성 측정

인공광 삼채 잎과 뿌리 추출물의 α-glucosidase 활성 저하 효과를 평가하기 위해 본 효소에 대한 억제 분석 키트(ab284520, Abcam)를 이용하여 측정하였다. 시료 10 μL와 α-glucosidase enzyme solution 10 μL, α-glucosidase assay buffer 60 μL를 96-well plate에 분주하고 호일로 감싼 상태로 20분 동안 상온에서 반응시켰다. α-Glucosidase assay buffer와 α-glucosidase substrate mix를 혼합한 reaction mix를 20 μL씩 각 well에 분주하였다. Kinetic mode로 60분 동안 410 nm에서 흡광도를 측정하였다. Control로 α-glucosidase assay buffer를 사용하였다.

$$a-Glu\cos idase억제능\left(\%\right)=\frac{slopeofcontrol-slopeofsample}{slopeofcontrol}\times 100$$

통계처리

통계는 SPSS 프로그램(version 18.0, SPSS Inc., Chicago, IL, USA)을 이용하여 분산분석(ANOVA)하고, 유의차가 있는 항목에 대하여는 Duncan’s multiple range test로 P<0.05 수준에서 시료 사이의 차이를 검정하였다.

삼채 추출물의 기능성 성분 함량

노지와 인공광(형광등, LED) 식물공장에서 재배한 삼채 잎과 뿌리 건조물의 사이클로알린 함량을 분석한 결과는 Fig. 1과 같다. 삼채 잎의 사이클로알린 함량은 노지 4.3 μg/g, 형광등 1.8 μg/g, LED 3.0 μg/g이었고, 삼채 뿌리의 사이클로알린 함량은 노지 13.1 μg/g, 형광등 2.7 μg/g, LED 3.9 μg/g로 나타났다. 보고에 의하면 HPLC-PDA system으로 사이클로알린을 측정한 결과, 삼채에 1.3~11.6 mg/g의 사이클로알린이 함유되어 있었다(Kim 등, 2016). 삼채 뿌리의 메탄올 추출물에서 MS/MS로 사이클로알린 함량을 분석한 결과, 단순 건조한 삼채 뿌리는 2.2 mg/g, 증포 처리한 삼채 뿌리는 1.2 mg/g의 사이클로알린을 함유하고 있었다(Jun 등, 2016). 본 연구에서는 추출 전의 원물을 사용하여 상대적으로 사이클로알린 함량이 낮았고, 잎과 뿌리 모두 노지에서 재배된 삼채에서 사이클로알린 함량이 많은 것으로 나타났다. 따라서 인공광을 이용하여 삼채를 재배할 경우에는 노지와 같은 수준으로 맞추기 위해 광원뿐 아니라 배지 조성도 고려되어야 할 것으로 생각된다.

Fig 1. TIC chromatogram of (A) cycloalliin standard analyzed by Agilent 6410 Triple Quad LC/MS and (B) its concentrations in dried A. hookeri leaves and roots grown in outfield and in the plant factory using light-emitting diode (LED) and fluorescent light (FL). AHL-S, A. hookeri leaves grown in outfield with soil; AHL-F, A. hookeri leaves grown in the plant factory using FL; AHL-L, A. hookeri leaves grown in the plant factory using LED; AHR-S, A. hookeri roots grown in outfield with soil; AHR-F, A. hookeri roots grown in the plant factory using FL; AHR-L, A. hookeri roots grown in the plant factory using LED.

총 페놀 함량을 측정한 결과는 Table 1과 같다. 총 페놀 함량을 비교한 결과, 잎의 경우 노지에서 재배한 삼채 잎에서 가장 많았으며(36.5 μg GAE/g), 뿌리의 경우 LED를 이용한 식물공장에서 재배한 삼채 뿌리에서 가장 많게 나타났다(14.5 μg GAE/g). 선행연구에서 노지 재배 방풍나물은 인공광(형광등, 청+백색 혼합 LED, 청+적+백색 혼합 LED, 청+적색 LED+형광등, 백색 LED+형광등)으로 재배된 방풍나물보다 총 페놀 함량이 많은 것으로 나타났다(Kim 등, 2021). 총 페놀 함량은 지상부에서 지하부보다 많았는데, 청+적색 LED 비율에 따라 지상부와 지하부의 총 페놀 함량에 차이가 있었다(Choe, 2017). 선행연구에서도 삼채 뿌리보다는 잎에서 더 많은 총 페놀 함량이 측정되었고(Hwang 등, 2015), 본 연구 결과와 일치하는 경향을 보였다. 또한, 노지에서 재배한 삼채에서 시설 재배한 삼채보다 총 페놀 함량이 많다고 보고되었는데(Won 등, 2013), 본 연구에서 LED 재배한 삼채 뿌리는 노지나 형광등으로 재배한 경우보다 총 페놀 함량이 높게 나타났다. 따라서 삼채의 총 페놀 함량은 뿌리보다 잎에 많고, 인공광 식물공장에서 LED와 형광등 조절을 통해 삼채의 부위별 기능 성분 함량을 증가시킬 수 있을 것으로 기대된다.

Table 1 . Total phenolic content of A. hookeri grown in outfield and in the plant factory using FL and LED.

Sample	Leaves			Roots
	AHL-S1)	AHL-F	AHL-L	AHR-S	AHR-F	AHR-L
Total phenolic content(μg GAE/g)	36.5±0.9a	34.9±0.3ab	33.4±0.4b	11.5±0.0c	12.7±0.3b	14.5±0.4a

¹⁾AHL-S, A. hookeri leaves grown in outfield with soil; AHL-F, A. hookeri leaves grown in the plant factory using FL; AHL-L, A. hookeri leaves grown in the plant factory using LED; AHR-S, A. hookeri roots grown in outfield with soil; AHR-F, A. hookeri roots grown in the plant factory using FL; AHR-L, A. hookeri roots grown in the plant factory using LED..

Results were expressed as the mean±SEM..

Means with different letters (a-c) in a row are significantly different at P<0.05..

삼채 추출물의 항산화 활성1

DPPH 라디칼 소거능은 식품과 작물의 항산화 활성을 측정하기에 간단하여 널리 이용되는 방법이고, ABTS 라디칼 소거능은 수용성과 지용성 시료의 항산화 효과를 측정할 수 있는 방법이다(Boligon 등, 2014). 노지와 인공광 재배 삼채 잎과 뿌리의 DPPH와 ABTS 라디칼 소거능에 대한 결과는 Fig. 2와 같다.

Fig 2. Antioxidant effects of the A. hookeri leaves and roots grown in outfield and in the plant factory using LED and FL. A, DPPH radical scavenging activity of A. hookeri leaves; B, DPPH radical scavenging activity of A. hookeri roots; C, ABTS radical scavenging activity of A. hookeri leaves; D, ABTS radical scavenging activity of A. hookeri roots. AHL-S, A. hookeri leaves grown in outfield with soil; AHL-F, A. hookeri leaves grown in the plant factory using FL; AHL-L, A. hookeri leaves grown in the plant factory using LED; AHR-S, A. hookeri roots grown in outfield with soil; AHR-F, A. hookeri roots grown in the plant factory using FL; AHR-L, A. hookeri roots grown in the plant factory using LED. Results were expressed as the mean±SEM. Different letters (a-f) on bars are significantly different (P<0.05).

DPPH 라디칼 소거능은 삼채 잎에서 노지 10.2~22.1%, 형광등 7.0~24.3%, LED 5.5~17.8%로 측정되었고, 삼채 뿌리는 노지 7.3~14.7%, 형광등 6.8~15.5%, LED 5.5~15.4%로 나타났다. 라디칼 소거능은 삼채 잎과 뿌리 추출물의 농도가 증가함에 따라 유의적으로 증가했으며, 잎에서 뿌리보다 높은 DPPH 라디칼 소거능이 확인되었다(Fig. 2A, 2B). 이것은 노지 및 시설 재배한 삼채 잎과 뿌리의 DPPH 라디칼 소거능이 잎에서 뿌리보다 우수하게 나타난 선행연구와 유사한 결과이다(Won 등, 2013). 형광등과 LED 조사로 재배된 곰보배추의 DPPH 라디칼 소거능을 측정한 결과, 청색과 적+청 혼합 LED 처리 시 형광등보다 IC₅₀값이 높았고, 적색 LED 처리 시 형광등과 비슷한 수치였으며 백색 LED 처리 시 형광등보다 IC₅₀값이 낮았다(Park 등, 2017a). 청‧녹‧주황색 LED를 이용하여 재배한 큰느타리버섯 자실체는 형광등 재배보다 높은 DPPH 라디칼 소거 활성을 보였다(Jang 등, 2011). 또한 다양한 LED 광질을 이용하여 섬기린초를 재배한 연구에 따르면, 형광등과 LED 조사로 인해 잎의 항산화 활성은 향상되었으며, 형광등보다 적색, 청색, 적+청+백색 혼합 LED로 조사한 섬기린초의 잎에서 높은 DPPH 라디칼 소거 활성을 나타냈다. 특히, 청색 LED를 조사한 경우 다른 LED 조건보다 높은 라디칼 소거 활성을 보였다(Oh 등, 2019). 본 연구에서도 삼채 잎에서 뿌리보다 높은 DPPH 라디칼 소거 활성이 나타났다. 삼채 잎은 250 μg/mL 이상의 농도에서 형광등을 처리한 경우에 노지나 LED 처리보다 높은 라디칼 소거 활성을 보였고, 삼채 뿌리는 250 μg/mL 이상의 농도에서 노지, 형광등 및 LED 처리 사이에 유의한 차이를 보이지 않았다.

ABTS 라디칼 소거능을 측정한 결과, 삼채 잎은 노지 7.3~45.1%, 형광등 11.4~47.9%, LED 5.3~40.8%, 삼채 뿌리에서 노지 4.3~25.3%, 형광등 3.3~26.6%, LED 4.8~31.1%로 나타났다. ABTS 라디칼 소거능도 추출물의 농도가 증가함에 따라 유의적으로 증가하였고 삼채 잎이 뿌리보다 높은 ABTS 라디칼 소거능을 보였다(Fig. 2C, 2D). 이전 연구에서 80% 주정 추출한 삼채 뿌리는 잎보다 높은 ABTS 라디칼 소거능을 보였으나, 열수와 메탄올로 추출한 삼채 뿌리는 잎보다 낮은 ABTS 라디칼 소거 활성이 확인되었다(Lee 등, 2014; Hwang 등, 2015). 80% 주정 추출한 대파는 잎, 뿌리, 줄기 순으로 ABTS 라디칼 소거 활성이 높게 나타났다(Han과 Kim, 2017). Oh 등(2019)의 연구에 의하면 적색, 청색, 적+청 혼합, 적+청+백색 혼합 LED 처리한 섬기린초의 잎은 형광등으로 재배한 경우보다 높은 ABTS 라디칼 소거 활성을 보였다. 형광등 및 적색과 청색 혼합 LED로 재배한 청오크 상추에서 LED 처리한 경우에 형광등보다 ABTS 라디칼 소거능이 높았으며, 적색과 청색의 비율에 따라 활성이 다르게 나타났다(Etae 등, 2020). 본 실험에서 형광등 재배한 삼채 잎 추출물과 LED 재배한 삼채 뿌리 추출물의 항산화 효과가 가장 높았으며, 노지에서 재배한 삼채 잎과 뿌리보다도 높게 측정되었다. 따라서 인공광 식물공장에서 재배된 삼채 잎과 뿌리는 항산화 식품 소재로서 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

삼채 추출물의 세포 생존율 및 NO 생성능

삼채 잎과 뿌리 추출물(노지, 형광등, LED)의 독성 여부를 확인하기 위해 RAW264.7 세포에 추출물을 농도별로 처리하고 cell viability assay를 수행하였다. 그 결과, lipopolysaccharide(LPS)를 처리한 양성대조군에서 세포 생존율이 약 70% 수준으로 감소하였으나,

삼채 추출물을 처리한 경우에 세포 생존율은 80% 이상으로 나타났다(Fig. 3A, 3B). 노지와 인공광 재배 삼채 잎과 뿌리 추출물이 대식세포 활성화에 미치는 영향을 평가하기 위해 RAW264.7로부터의 NO 생성량을 측정했을 때(Fig. 3C, 3D), 음성대조군인 무처리군의 NO 함량은 0.99 μM이었고 양성대조군인 LPS 처리군의 NO 함량은 8.47 μM로 나타났다. 잎과 뿌리로 나누어 비교했을 때, 최고 농도(1,000 μg/mL)에서 삼채 잎은 노지 5.67 μM, 형광등 0.87 μM, LED 0.85 μM, 삼채 뿌리는 노지 7.20 μM, 형광등 6.44 μM, LED 7.75 μM이 생성되었다. 대체로 뿌리에서 잎보다 NO 생성량이 많았고, 노지에서 재배된 삼채에서 인공광 재배된 삼채보다 높은 수준을 보였다. 과량의 NO는 염증을 유도하여 독성을 갖는 염증질환의 매개인자로 알려져 있다. 그러나 활성화된 면역세포에서 분비되는 적절한 양의 NO는 면역신호 전달자로서 면역세포를 활성화해 암세포에 대한 독성 및 외부 병원체로부터의 저항성을 증강시킨다. 또한, NO는 혈관의 항상성 유지와 신경전달 등 중요한 역할을 담당하고 있다(Kim 등, 2018). Kim 등(2022)이 보고한 16종 지역 농산물의 NO 함량은 작물 부위에 따라 차이가 있었다. 줄기와 뿌리 소재로는 삼채 추출물, 껍질로는 흑미 호분층, 잎과 열매로는 생강잎에서 NO 생성량이 많았다. 본 연구에서도 삼채의 뿌리 추출물에서 잎보다 많은 NO 생성량을 보였으며, LED 조사가 형광등보다 삼채 뿌리의 NO 생성에 영향을 줄 수 있는 것으로 나타났다. 따라서 앞으로 좀 더 다양한 면역 관련 지표들이 분석되어야 하겠지만 삼채 뿌리는 인공광 식물공장 재배를 통해 면역 활성 증진 효능이 있을 것으로 사료된다.

Fig 3. Effects of the A. hookeri leaves and roots grown in outfield and in the plant factory using LED and FL on the cell viability and nitric oxide (NO) production of RAW264.7 macrophages. A, the cell viability of A. hookeri leaves; B, the cell viability of A. hookeri roots; C, the NO production of A. hookeri leaves; D, the NO production of A. hookeri roots. AHL-S, A. hookeri leaves grown in outfield with soil; AHL-F, A. hookeri leaves grown in the plant factory using FL; AHL-L, A. hookeri leaves grown in the plant factory using LED; AHR-S, A. hookeri roots grown in outfield with soil; AHR-F, A. hookeri roots grown in the plant factory using FL; AHR-L, A. hookeri roots grown in the plant factory using LED. Results were expressed as the mean±SEM. Different letters (a-f) on bars are significantly different (P<0.05).

삼채 추출물의 α-amylase 및 α-glucosidase 저해 효과

노지 및 인공광으로 재배한 삼채 잎과 뿌리에서 당질 소화 효소인 α-amylase와 α-glucosidase에 대한 저해 작용을 측정하였고, 그 결과는 Fig. 4와 같다.

Fig 4. Anti-diabetic effects of the A. hookeri leaves and roots grown in outfield and in the plant factory using LED and FL. A, α-amylse inhibitory activity; B, α-glucosidase inhibitory activity. AHL-S, A. hookeri leaves grown in outfield with soil; AHL-F, A. hookeri leaves grown in the plant factory using FL; AHL-L, A. hookeri leaves grown in the plant factory using LED; AHR-S, A. hookeri roots grown in outfield with soil; AHR-F, A. hookeri roots grown in the plant factory using FL; AHR-L, A. hookeri roots grown in the plant factory using LED. Results were expressed as the mean±SEM. Different letters (a-c) on bars are significantly different (P<0.05). ns: not significant.

소장에서 전분은 α-amylase에 의해 포도당과 같은 단당으로 분해･흡수된다(Oh 등, 2008). 삼채 추출물(100 mg/mL)의 α-amylase 저해 효과는 잎에서 노지 90.2%, 형광등 94.4%, LED 79.3%로 나타났고, 뿌리는 노지 77.1%, 형광등 90.0%, LED 93.5%로 측정되었다(Fig. 4A). α-Amylase 저해 활성은 혈당 수치 상승 억제의 지표로 제주도 자생 양치식물에서 50% 이상의 저해 활성이 나타났고 쇠고비와 홍지네고사리에서 우수한 저해 활성을 갖는 것으로 조사되었다(Oh 등, 2008). 메밀 추출물의 α-amylase 저해 활성은 꽃> 잎> 줄기> 곡립 순으로 높았고(Lee 등, 2008), 칡뿌리, 두충 잎, 구기자 열매 등 국내 약용식물에서 80% 이상의 α-amylase 저해 활성을 보였다(Lee와 Yoon, 2015). 본 실험에서 삼채 잎과 뿌리 추출물의 α-amylase 저해 활성은 10과 50 mg/mL 농도에서 노지가 인공광 재배보다 높게 나타났다. 그러나 100 mg/mL 농도에서 인공광으로 재배한 삼채의 α-amylase 저해 활성이 노지에 비해 높게 나타났고, 형광등 조사한 삼채 잎과 LED 조사한 삼채 뿌리 추출물에서 가장 높은 저해 활성을 보였다. 또한 노지에서 재배한 삼채 뿌리 추출물을 제외하고는 농도 의존적으로 α-amylase 저해 활성이 증가하였다. 따라서 삼채 잎과 뿌리 추출물은 이들 효소에 대한 저해 활성이 우수한 것으로 나타났으며, 세포 및 동물실험을 통한 항당뇨 확인 연구가 필요한 것으로 보인다.

노지, 형광등, LED에서 재배한 삼채 추출물(100 mg/mL)의 α-glucosidase 저해 효과는 잎에서 노지 86.3%, 형광등 82.5%, LED 76.2%, 뿌리에서 노지 57.1%, 형광등 67.5%, LED 67.7%로 측정되었다(Fig. 4B). α-Glucosidase 저해제는 α-glucosidase에 결합함으로써 단당류인 포도당이 분해･흡수되는 것을 방해하여 식후 혈당을 조절한다(Park과 Yoon, 2016). α-Glucosidase 활성 억제제는 기존 약물에서 나타나는 저혈당 현상이나 간 독성 유발 및 췌장의 기능 저하 등 부작용을 감소시킬 수 있는 것으로 나타났다(Cho 등, 2015). Park과 Yoon(2016)은 국내산 삼채 뿌리는 미얀마산 삼채 뿌리보다 α-glucosidase 억제 효과가 높고 농도가 증가함에 따라 저하 효과가 증가한다고 보고하였다. 대파 80% 주정 추출물의 α-glucosidase 저해 활성은 부위마다 달랐고 뿌리> 줄기> 잎의 순으로 높게 나타났다(Han과 Kim, 2017). 그리고 두충 줄기심재, 화살나무 줄기, 마, 율무, 녹두 등의 국내 약용식물에서 80% 이상의 우수한 α-glucosidase 저해 활성을 보였다(Lee와 Yoon, 2015). 본 연구 결과 잎 추출물은 뿌리 추출물보다 높은 α-glucosidase 저해 활성을 보였고, 잎 추출물은 노지 재배, 뿌리 추출물은 인공광 조건에서 재배된 경우에 α-glucosidase 저해 활성이 높게 나타났다. 따라서 대상 효소의 저해 활성을 높이기 위해서는 부위별 인공광 조절을 달리해야 하고, 광원 제어를 통해 삼채 잎과 뿌리를 이용한 혈당 조절 소재 개발이 가능할 것으로 기대된다.

본 연구에서는 인공광 식물공장에서 수경 재배한 삼채의 항산화, 면역증진 및 항당뇨 효과를 평가하고, 노지 재배된 삼채의 생리활성과 비교하였다. 인공광원으로 형광등과 LED를 이용하여 재배한 삼채는 잎과 뿌리 부위로 나눠 분석하였다. 연구 결과, 사이클로알린 함량은 노지에서 재배된 삼채에서 많았고 총 페놀 함량은 잎에서 뿌리보다 2배 이상 많았으며, 노지 재배된 삼채 잎과 인공광 재배된 뿌리 추출물에서 총 페놀 함량이 많게 나타났다. DPPH 및 ABTS 라디칼 소거능을 포함한 항산화 활성도 잎에서 뿌리보다 높았고, 형광등 조사한 삼채 잎에서 높은 경향을 보였다. 본 실험에 사용된 잎과 뿌리의 추출물은 RAW264.7 세포에 대해 독성을 나타내지 않았고, 삼채 뿌리에서 잎보다 NO 생성량이 많았다. 또한 α-amylase와 α-glucosidase 저해 활성은 형광등을 조사한 삼채 잎 추출물(100 μg/mL)과 LED를 조사한 삼채 뿌리 추출물에서 가장 높은 경향을 보였다. 따라서 인공광원의 조절로 기능 성분 및 기능성을 개선할 수 있을 것으로 기대되며, 동물실험 등의 확인을 통해 연중 안정적 공급이 가능한 소비자 맞춤형 농산물 생산에 기여할 수 있을 것으로 보인다.

본 연구는 농촌진흥청 공동연구사업(과제번호: PJ01580203) 지원에 의해 수행되었고, 영문을 검토해준 Ivan Pacsay Layag에게 감사합니다.