세계적인 산업화에 따라서 식품 소비와 이에 따라 발생하는 식품 비가식 부위의 양이 증가하고 있다. 식품 비가식 부위 중 채소와 과일에서 발생하는 과채 비가식 부위는 일부가 사료로 사용되거나 특별한 재사용 계획 없이 폐기물 처리 비용과 환경오염을 발생시키고 있다(Kim과 Phae, 2019). 과채 비가식 부위는 겨, 잎, 씨 등 식이가 불가능한 비가식 부위와 당근 껍질, 고구마 껍질, 브로콜리 줄기와 같이 식이가 가능하지만 상품으로서 가치가 낮은 가식 비가식 부위로 나뉜다. 과채 비가식 부위의 외관, 식감, 맛은 식이에 적합하지 않지만 식물성 화합물(phytochemical)이나 무기질 등이 풍부하여 기능성 소재 원료로의 활용 가치가 있다(Kim 등, 2014). 십자화과(Brassicaceae) 채소에는 황화합물이자 강한 항산화 및 항암 물질인 글루코시놀레이트(glucosinolates)라는 성분이 다량 함유되어 있는데 현재까지 약 100여 종의 글루코시놀레이트가 알려져 있으며, 이들 중에서 30여 종이 생리활성을 나타내는 것으로 보고되고 있다(Fahey 등, 2001). 글루코시놀레이트는 비활성 상태로 채소가 가공되는 과정에서 채소 내 myrosinase에 의해 분해되어 isothiocyanates, thiocyanates, nitriles와 같은 물질로 치환되며, 이 물질들이 인체 내에서 생리활성을 나타내는데 브로콜리의 강한 항산화 물질인 sulforapane이 여기에 속한다. 십자화과 채소는 주로 간암, 폐암, 위암 등의 암 질환에 효과적이라고 알려져 있으며, 이러한 효과는 글루코시놀레이트로부터 생성된 isothiocyanates, thiocyanates 등에 있다. 현재까지 보고된 과채 비가식 부위의 유효성분 관련 연구로는 당근 껍질의 카로티노이드 및 미네랄(Clementz 등, 2019), 브로콜리 잎과 줄기의 미네랄 및 비타민 C(Domínguez-Perles 등, 2010), 양파 겉과육의 식이섬유 및 플라보놀(Benítez 등, 2011) 등이 있으며 비가식 부위를 식품으로 활용하기 위한 연구들이 활발히 이루어지고 있다. 이처럼 과채 비가식 부위의 유효성분을 활용하기 위한 연구는 다수 진행되었지만, 글루코시놀레이트를 포함한 항산화 물질을 다량 함유하는 십자화과 채소의 비가식 부위에 대한 유효성분 분석 연구는 미비한 실정이다. 따라서 활용되지 못하고 있는 십자화과 채소 비가식 부위의 항산화 활성 및 영양성을 평가함으로써 천연 항산화 소재로서의 가능성을 확인하고자 한다.

실험재료

실험에 사용한 십자화과 비가식 부위로 브로콜리 줄기, 양배추의 바깥 잎과 심지, 배추의 바깥 잎과 심지, 청경채의 밑둥, 무 껍질은 그린친환경(Chuncheon, Korea)에서 제공받았다. 실험에 사용한 Folin-Ciocalteu’s reagent, 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl(DPPH), 2,2′-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulphonic acid)(ABTS)는 모두 Sigma-Aldrich(St. Louis, MO, USA)에서 구입하였으며 그 외의 시약들은 특급 이상을 사용하였다.

십자화과 비가식 부위 추출물 제조

십자화과 비가식 부위 추출물을 제조하기 위해 70% 에탄올과 물을 이용하여 추출하였다. 물 추출물을 제조하기 위해 250 g의 비가식 부위를 압출기(GH-FBS06, Hurom, Seoul, Korea)로 착즙하여 추출액을 제조하였다. 에탄올 추출물을 제조하기 위해 250 g 비가식 부위에 수분함량을 포함한 전체 에탄올의 농도가 70%가 되도록 에탄올을 첨가한 후 블렌더(HR-3652, Philips, Amsterdam, Netherlands)를 이용하여 추출액을 제조하였다. 모든 추출액은 원심분리(3,200×g, 10분) 및 감압여과(Whatman No.4, Whatman, Maidstone, UK)하여 추출물로 제조되었다. 제조된 추출물은 -80°C에서 보관하면서 시료로 사용하였다.

일반성분 분석

십자화과 비가식 부위 동결건조분말의 일반성분 분석은 식품공전(MFDS, 2020)에 따라 수분함량은 상압가열건조법, 지방 함량은 Soxhlet법, 회분 함량은 직접회화법, 조단백 함량은 Kjeldahl법을 이용하였다. 조단백 함량은 조단백 자동분석장치(Kjeltec8200, Foss, Hillerod, Denmark)를 통해 분석하였으며 질소계수는 6.25를 사용하였다.

무기질 분석

십자화과 비가식 부위 동결건조분말의 무기질 분석은 ICP-OES(OPTIMA 7300 DV, PerkinElmer, Waltham, MA, USA)를 이용하여 분석하였다. 무기질 분석을 위해 수용성 추출물과 에탄올을 제거한 에탄올 추출물을 각각 PFA 용기에 5 mL씩 첨가하였으며 12 mL의 질산을 첨가하였다. 혼합액을 hood에서 방치하여 예비 분해 후, 용기를 밀폐하여 1,300 W power에서 순차적으로 200°C, 210°C, 220°C에서 각각 5분 동안 가열함으로써 시료를 분해하였다. 분해한 혼합액을 실온까지 방랭하여 탈기하였으며, 용기에 1 mL 과산화수소를 가하여 탈색시킨 후 증류수를 가하여 50 mL로 정용하여 시험용액으로 하였다. ICP-OES를 이용하여 Ca, Fe, P, Mg 원소 각각 317.933, 238.204, 213.617, 285.213 nm 영역의 파장에서 분광을 측정하였다. 무기질 함량은 비가식 부위 100 g당 무기질 함량(mg/100 g)으로 나타내었다.

총 폴리페놀 함량

총 폴리페놀 함량 측정 방법으로 Folin-Denis법을 기반으로 한 Ismail 등(2004)의 방법을 일부 변형하여 실험하였다. 0.1 mL 시료 및 표준물질 용액이 담긴 2 mL micro tube에 0.75 mL 0.2 N Folin-Ciocalteu’s reagent를 넣은 후 5분간 실온에서 정치하였다. 각 혼합액에 0.75 mL 6% calcium carbonate를 첨가하고 60분간 암소･실온 조건에서 반응시켰으며 반응이 끝난 혼합액을 spectrophotometer(SPECTRAmax PLUS 6, Molecular Devices, San Jose, CA, USA)를 이용하여 725 nm에서 흡광도를 측정하였다. 시료의 총 폴리페놀 함량은 비가식 부위 100 g당 gallic acid equivalent 함량(mg GAE/100 g)으로 나타내었다.

Ferric reducing antioxidant power(FRAP)

FRAP 측정은 Benzie와 Strain(1996)의 방법을 수정하여 측정하였다. 300 mM sodium acetate buffer(pH 3.6), 10 mM 2,4,6-Tris(2-pyridyl)-s-triazine(TPTZ), 20 mM ferric chloride를 10:1:1(v/v/v) 비율로 혼합하여 FRAP reagent를 제조하였으며, 실험 전에 37°C로 예열하여 실험에 사용하였다. 50 μL의 시료를 950 μL FRAP reagent에 넣어 30분간 암소･실온 조건에서 반응시켰다. 반응이 끝난 혼합액을 spectrophotometer를 이용하여 593 nm에서 흡광도를 측정하였다. FRAP는 비가식 부위 100 g당 Trolox equivalent 함량(mg TE/100 g)으로 나타내었다.

DPPH 라디칼 소거 활성

DPPH 라디칼 소거 활성 측정은 Kim 등(2013)의 방법을 수정하여 측정하였다. 0.2 mL 시료 및 표준물질 용액이 담긴 1.5 mL micro tube에 1.0 mL 0.2 mM DPPH reagent를 넣은 후 30분간 암소･실온 조건에서 반응시켰다. 반응이 끝난 혼합액을 spectrophotometer를 이용하여 517 nm에서 흡광도를 측정하였다. 시료의 DPPH 라디칼 소거 활성은 비가식 부위 100 g당 Trolox equivalent 함량(mg TE/100 g)으로 나타내었다.

ABTS 라디칼 소거 활성

ABTS 라디칼 소거 활성 측정은 Ji 등(2022)의 방법을 수정하여 측정하였다. 7 mM ABTS와 2.45 mM potassium persulfate를 2:1(v/v) 비율로 혼합한 후, 암소･실온 조건에서 반응시켜 734 nm의 파장에서 흡광도가 0.7±0.02가 되도록 무수에탄올을 이용해 희석하여 ABTS 활성 용액을 제조하였다. 10 μL 액상 추출물을 990 μL ABTS 활성 용액과 6분간 암소･실온 조건에서 반응시켰다. 반응이 끝난 혼합액을 spectrophotometer를 이용하여 734 nm에서 흡광도를 측정하였다. 시료의 ABTS 라디칼 소거 활성은 비가식 부위 100 g당 Trolox equivalent 함량(mg TE/100 g)으로 나타내었다.

통계처리

모든 실험 결과는 SPSS(SPSS Statistics 24, IBM Corp., Armonk, NY, USA)를 이용하여 통계처리 하였으며 평균±표준편차로 나타내었다. 일원배치 분산분석(one-way ANOVA)을 이용하여 각 결괏값의 차이에 대한 유의성을 검증하였으며, 사후검증으로 Duncan’s multiple range test를 P<0.05로 실시하였다.

십자화과 채소 비가식 부위의 일반성분 조성 및 무기질 함량

십자화과 채소 비가식 부위의 일반성분 조성과 무기질 함량은 각각 Table 1과 Table 2에 나타내었다. 십자화과 비가식 부위의 수분함량은 모두 92.8% 이상이었으며 청경채 비가식 부위의 수분함량이 97.45±0.20%로 가장 높았다. 양배추 비가식 부위의 조단백 함량이 1.71±0.03%로 가장 높게 측정되었으며 브로콜리 비가식 부위의 조회분 함량이 1.54±0.12%로 가장 높게 측정되었다. 십자화과 비가식 부위 추출물 중 Ca 함량은 33.97±0.41 mg/100 g으로 청경채 물 추출물에서 가장 높게 측정되었으며, Mg 함량은 10.02±0.22 mg/100 g으로 브로콜리 에탄올 추출물에서 가장 높게 측정되었다. Fe와 P 함량은 각각 0.12±0.00 mg/100 g, 29.64±0.72 mg/100 g으로 모두 브로콜리 물 추출물에서 가장 높게 측정되었다.

Table 1 . Proximate composition of Brassicaceae vegetable by-products (Unit: %).

Name of by-products3)	Moisture	Crude protein	Crude ash	Crude fat
BR	94.21±0.32b1)2)	1.22±0.02d	1.54±0.12d	0.13±0.03b
CB	92.82±0.22a	1.71±0.03e	0.83±0.04b	0.22±0.04c
CC	97.41±0.10d	1.04±0.04c	0.66±0.03a	0.04±0.01a
PC	97.45±0.20d	0.76±0.02b	0.62±0.04a	0.14±0.02b
RD	95.89±0.10c	0.38±0.01a	1.04±0.04c	0.12±0.01b

¹⁾Each value is shown as the mean±SD..

²⁾Values with different small letters within a column are significantly different at P<0.05..

³⁾BR: broccoli, CB: cabbage, CC: Chinese cabbage, PC: pak choi, RD: radish..

Table 2 . Mineral contents of Brassicaceae vegetable by-products (unit: mg/100 g).

Extract types	Samples3)	Ca	Fe	P	Mg
Water	BR	18.27±0.36g1)2)	0.12±0.00g	29.64±0.72i	8.26±0.07e
	CB	11.51±0.25d	0.11±0.00f	27.50±0.23h	5.32±0.17b
	CC	17.53±0.41f	0.03±0.00d	18.54±0.39f	5.26±0.10b
	PC	33.97±0.41i	0.02±0.00c	17.27±0.04e	8.18±0.07e
	RD	21.24±0.29h	0.02±0.00c	12.31±0.16d	6.86±0.10c
Ethanol(70%)	BR	4.65±0.06a	0.05±0.00e	19.82±0.31g	10.02±0.22g
	CB	6.00±0.12b	0.01±0.00b	18.23±0.40f	8.66±0.14f
	CC	5.01±0.04a	0.00±0.00a	11.71±0.15c	4.40±0.01a
	PC	14.31±0.04e	0.00±0.00a	7.35±0.11a	8.48±0.01f
	RD	8.74±0.12c	0.00±0.00a	7.85±0.03b	7.73±0.09d

¹⁾Each value is shown as the mean±SD..

²⁾Values with different small letters within a column are significantly different at P<0.05..

³⁾BR: broccoli, CB: cabbage, CC: Chinese cabbage, PC: pak choi, RD: radish..

십자화과 채소 비가식 부위 추출물의 항산화 활성 특성

총 폴리페놀 함량, FRAP, DPPH 라디칼 소거 활성 및 ABTS 라디칼 소거 활성을 포함한 십자화과 비가식 부위 추출물의 항산화능 측정 결과는 Fig. 1에 나타내었다. 항산화 물질의 항산화 기작은 항산화 물질의 양, 환원력 및 전자 공여능, 자유 라디칼 소거능 등으로 다양하므로 시료의 정확한 항산화능 분석을 위해 측정기작이 다른 4가지 항산화 시험을 이용하여 십자화과 비가식 부위 추출물의 항산화능을 평가하였다. 총 폴리페놀 함량 시험법은 플라보노이드, 안토시아닌 및 카테킨과 같은 페놀 화합물을 측정하는 방법이다. 페놀 화합물은 수용액 상에서 자유 라디칼 및 활성산소를 소거하며 토코페롤(tocoperols)과 같은 항산화 물질의 항산화 작용을 돕는다. 십자화과 비가식 부위 추출물 중 브로콜리 비가식 부위 에탄올 추출물의 총 폴리페놀 함량이 88.78±1.89 mg GAE/100 g으로 가장 높게 측정되었다. 총 폴리페놀 함량 시험 결과, 배추 비가식 부위를 제외한 십자화과 비가식 부위의 70% 에탄올 추출물이 물 추출물보다 더 높게 측정되었는데, 이는 다른 다수의 연구 결과와 비슷한 경향을 나타내었다(Kim, 2018; Hwang, 2019). 이를 통해 십자화과 비가식 부위에 함유된 페놀 화합물은 물보다 70% 에탄올에 쉽게 용해됨을 알 수 있다. FRAP 시험은 시료에 의해 Fe³⁺로부터 환원된 Fe²⁺를 TPTZ를 이용하여 정량하는 시험법으로 환원력을 기반으로 한 항산화능을 측정하는 시험법이다. FRAP 시험 결과, 브로콜리 비가식 부위 에탄올 추출물의 FRAP가 70.70±2.30 mg TE/100 g으로 가장 높게 측정되었다. 십자화과 비가식 부위 추출물의 FRAP 시험과 총 폴리페놀 함량 분석 결과, 두 항산화능 지표 간에 높은 상관관계(0.849)를 확인하였다(Table 3). 이와 비슷한 연구 결과로 다양한 잎의 항산화능을 측정한 Xu 등(2010)의 연구의 FRAP와 총 폴리페놀 함량 간의 상관계수(r)가 0.9654로 매우 높은 상관관계를 나타내었다. 총 폴리페놀 함량과 FRAP의 높은 상관관계는 십자화과 비가식 부위 추출물의 페놀 화합물의 수산기(-OH)가 Fe³⁺를 Fe²⁺로 효과적으로 환원시키기 때문이라 생각된다. DPPH assay와 ABTS assay는 시료가 인위적으로 생성된 라디칼을 소거하는 능력을 측정하는 시험이다. 두 종류의 라디칼 소거 활성 시험 결과, 브로콜리 비가식 부위 에탄올 추출물의 DPPH 라디칼 소거 활성이 91.52±1.59 mg TE/100 g으로 가장 높게 측정되었으며, 배추 비가식 부위 물 추출물의 ABTS 라디칼 소거 활성 활성이 70.72±1.23 mg TE/100 g으로 가장 높게 측정되었다. 십자화과 비가식 부위 추출물의 라디칼 소거 활성 시험 분석 결과, 총 페놀 함량이 높은 시료일수록 DPPH 및 ABTS 라디칼 소거 활성이 높게 측정되었으며 추출된 페놀 화합물의 항산화능에 기인한다고 사료된다. 네 종류의 항산화 시험 결과, ABTS 시험을 제외한 모든 항산화 시험에서 줄기를 포함하는 브로콜리 비가식 부위 에탄올 추출물의 항산화능이 가장 높게 측정되었다. 브로콜리(B. oleracea var. italica)는 항산화 물질인 β-carotene, ascorbic acid, rutin, glutathione, quercetin, selenium이 풍부하며, 강력한 항산화 물질로 알려진 sulforaphane도 다량 함유하기 때문이라 사료된다(Park 등, 2014). ABTS assay 결과, 겉잎과 심지를 포함하는 배추 비가식 부위 물 추출물의 라디칼 소거 활성이 70.72±1.23 mg TE/100 g으로 가장 높게 측정되었다. Seong 등(2016)의 연구에 따르면 배추의 겉잎에는 속잎의 2배에 해당하는 양의 페놀 화합물이 존재한다. 햇빛에 장기간 노출될수록 식물은 더 강한 외부적 스트레스를 이겨내기 위해 식물 체내에서 페놀 화합물, 플라보노이드, 비타민 C, 카로티노이드, 글루코시놀레이트 등을 포함하는 더 많은 양의 항산화 성분을 합성한다(Kusznierewicz 등, 2007).

Table 3 . Correlation coefficient between the four antioxidant assays (r²).

	DPPH	ABTS	FRAP
ABTS	0.293
FRAP	0.675	0.175
TPC	0.704	0.209	0.849

Fig 1. Total polyphenol content (TPC) (A), ferric reducing antioxidant power (FRAP assay) (B), ABTS radical scavenging activity (ABTS assay) (C), DPPH radical scavenging activity (DPPH assay) (D) of five Brassicaceae vegetable by-products. Bars with different small letters on bars are significantly different at P<0.05. BR: broccoli, CB: cabbage, CC: Chinese cabbage, PC: pak choi, RD: radish.

본 연구에서는 십자화과 비가식 부위의 활용 가능성을 검토하고자 물과 70% 에탄올로 추출하여 십자화과 비가식 부위의 항산화능과 무기질을 포함한 영양성분을 측정하였다. 항산화 시험 결과 ABTS 시험을 제외한 모든 항산화 시험에서 줄기를 포함하는 브로콜리 비가식 부위 70% 에탄올 추출물의 항산화능이 가장 높게 측정되었으며, 이는 glutathione, quercetin, selenium, sulforaphane을 포함한 브로콜리의 강한 항산화 물질에 기인한다고 사료된다. ABTS assay 결과, 겉잎과 심지를 포함하는 배추 비가식 부위 물 추출물의 라디칼 소거 활성이 70.72±1.23 mg TE/100 g으로 가장 높게 측정되었으며, 배추의 겉잎이 햇빛과 같은 강한 외부적 스트레스를 이겨내기 위해 더 많은 항산화 물질을 합성한 결과로 사료된다. 따라서 농산물 가공공정에서 버려지는 브로콜리 줄기, 양배추 겉잎 및 심지, 배추 겉잎 및 심지 등의 십자화과 비가식 부위는 항산화 소재 원료로 충분한 가치가 있다고 판단된다. 또한 이들을 원료로 하여 제조된 항산화 소재는 천연 식품첨가물이나 보존제로 활용 가능할 것으로 기대된다.

본 연구는 중소벤처기업부의 지역특화산업육성 기술개발사업(R0006436)과 2018년도 강원대학교 대학회계 학술연구조성비의 지원을 받아 연구하였음.