I. 제목
홍삼 및 청국장 융합소재를 이용한 기능성 건강식품 개발
II. 연구개발 목적 및 필요성
고려 홍삼 및 전통 청국장 소재의 기능성을 강화하여 융합가공 한 건강식품을 개발하여 인삼의 신수요 창출과 전통 청국장의 고품격 브랜드 상품화를 위한 기반 기술을 개발 확보하고자 하였다.
아울러 홍삼 융합 청국장 소재에 대한 항암효과 확인과 동물모델 및 인체시험을 통하여 항당뇨, 당뇨합병증 예방, 제2형 당뇨합병증인 지질대사 이상증 예방 효능 등을 검증하여 개별 인정형 건강기능식품 인정 신청 자료를 확보하고, 나아가 홍삼 융합 청국장 소재를 이용하여 기능성 건강 시제품을 개발하여 관련기술의 산업화 기반을 마련하고자 하였다.
III. 연구개발 내용 및 범위
1. 홍삼소재의 고품질화 및 청국장 융합 가공식품 개발
풍기지역특산 원료삼의 연근별 홍삼가공 적성을 비교하여 홍삼가공 최적 원료를 선발하고, 홍삼제조 후 지근류(홍미삼)의 활용도를 제고하기 위한 마이크로파 추출기법을 이용한 잔류농약 저감화 기술을 연구하였다. 아울러 농축액 제조용 원료 지삼류의 기능성 강화를 위하여 열처리 가공에 의한 융합발효 원료의 확보와 청국장 분말과의 압출융합 특성을 확인하였고, 나아가 홍삼융합 분말청국장 소재를 이용한 시제품 개발과 관련과 내용을 수행하였다.
가. 지역특산 원료삼의 연근별 홍삼가공적성 비교 평가
나. 가공적성이 가장 우수한 연근 원료삼의 홍삼가공소재 최적화
다. 융합 가공용 홍삼소재의 잔류농약 저감화 조건 설정
라. 다양한 가공방법을 이용한 홍삼 가공 원료의 기능성 강화
마. 홍삼융합 청국장 소재를 이용한 분말가공 시제품 개발
바. 시제품의 포장, 유통기한 설정, 기준규격 설정 및 기호도 조사
2. 홍삼 융합 청국장 소재의 생리 기능성 검증
홍삼 청국장 융합 발효물인 홍삼청국장을 확보하여 이들 가공용 기능성 소재에 대한 항유전독성 및 항암효과의 확인과 동물모델 및 인체시험을 통한 항당뇨 효능 및 당뇨합병증인 지질대사이상 개선기능을 검증하고자 다음과 같은 실험을 수행하였다.
가. 홍삼 및 청국장 융합소재의 항 유전독성 효과 (in vitro)
나. 홍삼 및 청국장 융합소재의 세포 안전성 검사
다. 홍삼 및 청국장 융합소재의 항암 효과 (in vivo)
라. 청국장 및 홍삼청국장의 당대사 조절기능 검증
마. 청국장 및 홍삼청국장의 지질대사 조절기능 검증
바. 청국장 및 홍삼청국장의 항산화 조절기능 검증
3. 청국장의 기능강화 및 홍삼융합 발효소재화 기술 개발
홍삼과 청국장은 생리기능성이 뛰어난 대표적 건강식품이지만, 특히 청국장은 기호성과 품질 면에서 한계성이 지적되고 있다. 따라서 홍삼을 첨가하여 융합 발효시킨 청국장의 발효품질특성을 알아보고 발효물의 가수분해에 의한 저분자화를 통해 기능성 건강식품 소재로의 이용 가능성을 조사하였다.
가. 청국장 균주선발 및 홍삼융합 청국장의 발효특성 평가
나. 홍삼융합 청국장 발효물 제조조건 최적화
다. 발효물의 기능성 및 기호성 평가
라. 기능성 가수분해물 이용 가공시제품 개발
IV. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
1. 연구결과
가. 홍삼소재의 고품질화 및 청국장 융합 가공식품 개발
1) 지역 원료수삼의 연근별 홍삼가공적성을 검토하였을 때 홍삼 등급에서 천삼 비율은 5년 근 > 6년 근 > 4년 근의 순이었으며, 원료 수삼에 대비한 홍삼의 수율은 5년 근과 6년 근이 유사하게 25%를 나타내었다. 또한 연근별 홍삼의 상품적 품질에서는 6년 근과 5년 근은 유사하였으나 경제적 채산성 분석에서는 5년 근이 4, 6년에 비해 월등히 우수하였다.
2) 홍삼제조조건의 타당성 검토를 위하여 증삼시간 2.5, 3.5, 4.5시간의 비교에서 진세노사이드 패턴 즉, 항암활성의 Rg₃와 Rh₂ 함량과 대부분 기능성분 함량은 증자시간 3.5시간을 전후하여 우수한 값을 보였다. 현행 3.5시간 증자삼의 건조방법에서는 원적외선과 열풍건조에서 산성다당체와 총 페놀성분 함량, 전자공여능 등이 높은 값을 보였으나 진세노사이드 함량과 패턴에서는 현행 열풍건조법이 가장 타당하였다.
3) 융합가공 원료 홍삼의 기능성 강화를 위하여 중심합성계획에 의한 볶음(배소처리)과 원적외선 처리를 하여 품질 및 기능성을 강화할 수 있는 최적조건을 예측하였다. 홍미삼 원료의 볶음처리는 시간에 비해 온도가, 원적외선에서는 출력(W)보다는 처리시간(min)이 더 많은 영향을 미쳤다. 한편, 적용타당성이 인정된 홍미삼 배소처리는 농축액 제조수율, 기능성분, 관능적 기능성의 강화에 매우 효과적이었다. 또한 압출가공을 통한 홍삼 및 청국장 소재의 융합가공(130℃, 수분 30%)에서는 홍삼:청국장의 비율이 25:75일 때 압출가공물의 색, 향, 맛 등 관능적기호도가 가장 높았다.
4) 원료삼의 기능성 강화를 위한 팽화처리에서 백삼(지근), 홍미삼, 홍삼절편 I(주근: 수삼-증삼-건조-습점-절편-건조) 및 홍삼절편 II(주근: 수삼-절편-증삼-건조)에 대한 puffing gun 팽화실험에서는 모든 시료에서 고온고압으로 인해 갈색도가 증가하였다. 또한 팽화로 인해 치밀하던 조직이 파열되어 세포벽 등의 조직이 변형되고 비체적이 증가하였으며 경도, 씹힘성 등의 조직감이 향상되었다. 시료의 수분은 감소하였으나 열수추출물 수율, 조사포닌 함량은 증가하였으며, 홍삼 팽화물의 일부 기능성 진세노사이드 함량(Rg₃, Rh₂등)은 2배 이상 증가되었다.
5) 홍삼가공용 원료의 안전성 확보를 위하여 국내 홍삼분말 및 농축액 제품과 중국산 홍미삼의 잔류농약을 분석하였다. 그 결과 중국산 홍미삼에서만 잔류기준이 설정된 4종의 잔류농약이 확인되었다. 따라서 홍미삼 잔류농약의 저감화를 위한 시도로써 마이크로웨이브 추출법(MAE)의 적용성을 식품공전법(Soxhlet 포함)과 비교한 결과, 200 W에서 2분 간 2, 3회 반복 추출한다면 잔류량의 80% 이상의 추출이 가능하였고, MAE 추출 시 인삼의 사포닌과 관련 기능성 성분은 비교적 안정하였다.
6) 홍삼 융합 청국장 분말소재의 흡습특성을 조사하고 수분활성도 예측모델을 수립하였다. 등온흡습독선은 역S형을 나타내었으며, 단분자층수분함량은 BET식에 의해 0.029-0.036 g H₂O/g solid의 값으로 계산되었다. 등온흡습곡선의 적합도는 Kuhn 모델식의 R²가 0.99이상으로 가장 높은 적합도를 보였으며, 편차 또한 가장 낮았다. 수분활성도 예측모델 수립을 위해 각 독립변수의 최적함수로 시간은 ln 함수, 온도는 선형 그리고 수분활성도(RH/100)는 선형함수를 선정하였다. 이 때 수분활성도 예측모델식은 시간과 수분활성도를 독립변수로 하는 모델이 가장 적합한 것으로 나타났다.
7) 홍삼-청국장 분말을 사용하여 제조한 시제품 즉, 캡슐(PTP 포장, PE병 포장), 정제(타블렛, PE병 포장) 및 환제(PE 삼면포장, 유리병 포장)의 유통기한 설정과 규격기준은 식품공전 등을 참고하여 실험하였다. 모든 시제품은 전 항목이 규격기준에 부합하였으나 정제 제품의 경우 조사포닌 함량, PE 삼면포장 환제의 경우는 수분 항목에서 다소 미흡한 것으로 나타났다. 관능검사 및 전자코 분석 결과 등을 바탕으로 하여 예상 유통온도 20℃에서의 캡슐(PTP 포장, PE병 포장), 정제 및 환제(PE 삼면포장, 유리병 포장)의 shelf-life를 측정한 결과 97.96일과 89.67일, 137.10일, 91.74일과 139.30일로 각각 예측되었다. 이들 제품의 기준규격(안)은 '수분 7% 이하, 조사포닌 7.0 mg/g 이상, 홍삼성분 ginsenoside Rb₁ 및 Rg₁이 확인되어야 하고, 대두성분으로서 daidzein과 genistein이 확인되고 대장균군은 음성'으로 설정하였다.
8) 기능성 분말 가공 시제품(캡슐, 정제, 환제)에 대한 기호도 조사를 연령대별 (2-30대, 4-50대, 60대 이상, 총 100명)로 실시한 결과, 대부분의 연령대에서 환제를 선호하였다. 정제에 대해서는 40~50대만이 50% 수준의 긍정적인 평가를 하였고 20~30대와 60대 이상의 경우 매우 낮은 기호도를 나타내었다. 또한 당뇨군과 비당뇨군의 비교실험에서는 40~50대 당뇨군의 경우 환제의 풍미에 대한 기호도가 낮게 나타나면서 환제보다는 캡슐을 선호하는 경향을 보였으나, 섭취의향(1회 복용량 등)을 묻는 질문에서는 환제와 캡슐의 선호도가 높았다.
나. 홍삼 융합 청국장 소재의 생리 기능성 검증
1) 홍삼시료의 연근별 항 유전독성 효과를 실시한 결과, 6년 근과 5년 근 홍삼은 항 유전독성 효과의 차이가 없었으나 4년 근은 다수 약함을 알 수 있었다. 또한 청국장 단독보다는 홍삼융합 청국장과 그 가수분해물에서 10배 희석 시 각각 약 22%와 31%의 DNA repair 효과를 나타내었다.
2) 홍삼 청국장 융합소재에 대한 MTT assay를 통하여 세포 안전성을 확인하였을 때 청국장, 홍삼청국장, 홍삼청국장 가수분해물은 그 안전성이 매우 유효함을 알 수 있었으며, 그 중에서 홍삼청국장 가수분해물의 안전성이 특히 높은 것으로 나타났다.
3) 홍삼 및 청국장 융합소재의 항암효과 시험에서 5년 근과 6년 근 홍삼의 anticarcinogenic effect는 차이가 없었으며, Spraque-Dawley rat colon 및 stomach에서의 anticarcinogenic effect는 5년 근 홍삼과 청국장을 혼합했을 때 synergic effect가 유의적으로 나타났다. 또한 홍삼 및 청국장의 융합에 따른 anticarcinogenic effect에서는 홍삼청국장 가수분해물, 홍삼청국장의 순으로 높게 나타났다.
4) 동물실험의 당대사 조절기능 검증을 위한 실험 결과 청국장군이 혈중 공복혈당, 당화혈색소 및 당부하가 유의적으로 개선되었으며 간조직의 GK, G6Pase 및 PEPCK 활성도에서도 당뇨대조군에 비해 유의적인 차이를 나타내며 혈당강하 효과에 가장 탁월한 것으로 관찰되었다.
5) 동물실험의 지질대사 실험 결과 혈장 유리지방산, 중성지방산 및 총 콜레스테롤의 농도는 모든 시험물질군에서 유의적으로 낮게 나타났다. 특히, 홍삼청국장가수분 해물을 보충한 군에서 동맥경화지수, 간조직 중성지방과 콜레스테롤 농도 그리고 G6PD활성도 유의적으로 낮게 나타났으며, 분변에서 검출된 유리지방산과 중성지방산 함량은 유의적으로 높게 나타났다. 간의 경우는 청국장 보충군이 FAS, β-oxidation 및 CPT의 활성도가 당뇨대조군에 비해 유의적으로 낮았다.
6) 동물실험의 항산화대사 실험 결과 청국장 보충군에서 간 catalase 및 glutathione peroxidase의 활성도가 당뇨대조군에 비해 유의적으로 높았으며, GR 활성도는 약물대조군을 비롯한 청국장군 및 홍삼청국장군 보충군이 유의적으로 높았다. 적혈구에서의 SOD 활성도는 당뇨대조군에 비해 청국장 보충군이 유의적으로 높았다.
7) 인체시험의 실험 결과 청국장 및 홍삼청국장의 보충으로 당대사 조절 기능 검증에 관련해서는 공복혈당이, 지질대사 관련해서는 총 콜레스테롤, LDL-cholesterol 및 유리지방산 농도가, 항산화 관련해서는 적혈구 catalase의 활성도와 지질과산화물(TBARS)의 함량이 시험 전에 비하여 시험 후(8주) 유의적으로 낮아진 것으로 나타났다. 이 외에도 청국장을 보충했을 때 당화혈색소 농도가 유의적으로 낮았다.
8) 인체시험에서 청국장 및 홍삼청국장을 보충했을 때 간독성 관련 지표인 AST의 활성과 동맥경화 위험인자인 LP(a) 농도가 유의적으로 감소하였다. 당뇨 합병증과 관련된 BUN의 경우 청국장을 보충함으로써 시험 전후뿐만 아니라 각 군간 비교시에도 유의적으로 낮은 것으로 나타났다.
다. 청국장의 기능강화 및 홍삼융합 발효소재화 기술 개발
1) 시판 청국장에서 혈전용해능이 우수한 균주를 선별하여 청국장의 발효특성을 비교 조사한 결과 B. subtilis N2균의 혈전용해능이 우수하였고 가장 많은 점질물을 생성하였으며 이를 이용한 청국장의 아미노태, 암모니아태, 질소 함량이 가장 높은 것으로 나타났다.
2) 홍삼 융합 청국장의 발효 특성을 조사하고자 홍삼 분말(2-14%) 및 농축액 (2-10%)을 첨가하여 청국장을 제조한 결과 농축액의 첨가량이 많을수록 점질물 생성, 환원당 함량 및 혈전용해능이 우수하였고 홍삼분말 첨가 청국장은 농축액 첨가 청국장과 비슷한 경향으로 나타났으나 아미노태질소와 암모니아태질소 함량은 분말 첨가량이 높을수록 점점 감소하는 경향으로 나타났다.
3) 홍삼첨가 방법(발효 전, 후)을 달리하여 청국장을 제조한 결과, 점질물, 아미노태질소, 암모니아태 질소, 환원당 함량 및 혈전용해능은 첨가방법에 따른 차이가 크지 않았으며, 조사포닌 함량은 발효전에 첨가한 구간이 발효후에 첨가한 것보다 더 높은 함량을 나타내었다. 이상의 결과로 홍삼융합 청국장의 최적 발효 조건은 홍삼 농축액 4%를 발효전에 첨가하는 것으로 설정하였다.
4) 홍삼 융합 청국장의 가수분해 조건에 따른 특성변화를 조사한 결과 protease(KMF-G)를 0.02%를 첨가하여 60분간 가수분해하였을 때 이화학적 특성, 혈전용해능 및 ACE 저해활성이 향상된 홍삼 융합청국장 최적 가수분해 조건을 설정할 수 있었다.
5) 최적조건에서 제조한 청국장, 홍삼 청국장 및 홍삼청국장 가수분해물의 품질 및 기능적 특성을 조사한 결과, 홍삼청국장 가수분해물의 유리아미노산 및 필수아미노산 함량이 가장 높았다. SDS-전기영동 패턴 분석 결과는 청국장과 홍삼청국장은 33 kDa이하의 분자량을 나타내었고, 홍삼청국장 가수분해물은 17 kDa이하의 저분자 분자량으로 나타내어 저분자화 가수분해 되었음을 확인 할 수 있었다.
6) 발효물의 DPPH free radical 소거활성, superoxide radical 소거활성, ACE 저해활성은 시료간에 유의적 차이는 크게 나타나지 않았으나, 홍삼청국장 가수분해물이 가장 높은 활성을 보였고, 혈전용해활성은 청국장이 가장 높게 나타났다. 관능평가에서 홍삼 특유의 쓴맛은 있었으나 종합적 기호도는 증가되었다. 이상의 결과 청국장에 비하여 홍삼청국장 및 홍삼청국장 가수분해물이 기능성 강화 및 불쾌취가 감소되어 다양한 식품 소재로 활용이 가능 할 것으로 기대된다.
7) 홍삼 청국장 융합소재의 활용성 증대를 위하여 홍삼청국장 가수분해물을 첨가한 두유를 제조하여 관능 평가한 결과, 20% 이하로 첨가할 경우 관능적인 특성이 가장 양호하였다. 두유제품의 주요 기준 규격(안)으로는 조단백질 0.5% 이상, 대장균군 음성 등으로 설정하였다.
2. 활용에 대한 건의
풍기지역 연근별 원료 수삼의 홍삼가공적성 평가에서 확인된 5년 근의 경제적 채산성과 타당성은 풍기지역 홍삼제조 분야에서 적극 반영될 수 있을 것이다. 홍삼 제조 후 얻어지는 지삼류(홍중미, 미삼)는 잔류농약 수준이 모니터링되어 농축액 등 가공원료용으로 사용되어야 하며, 효과가 인정된 마이크로웨이브 공정에 의한 잔류농약 저감화 방안은 추후 스케일 업 규모에서 타당성 연구가 요망된다.
한편 홍삼가공원료의 품질 기능성 향상을 위한 열처리 방법 즉, 배소/볶음, 팽화, 압출가운데 배소(볶음)처리 기법은 즉시 현장에서 적용이 가능하므로 우수한 품질과 기능성을 갖는 홍삼농축액 제조에 적용이 가능하다. 그리고 홍삼융합 청국장 제조기술과 생산가능한 홍삼청국장 및 그 가수분해물은 농축액, 저분자 음료, 분말 등의 개발에서 제품의 기호성(냄새, 맛), 활용성(용해성, 분산성, 저분자화, 칼슘내인성) 및 기능성을 증대시켜 다양한 기능성 식품소재로의 활용이 기대된다.
청국장과 홍삼을 융합한 홍삼청국장은 제2형 당뇨병 예방과 당뇨병환자들의 지질 대사이상 합병증을 개선하는데 이용될 수 있으며, 특히, 홍삼청국장은 식품의약품안정청의 건강기능식품 인정획득을 통해 혈당조절용 건강기능성식품으로 활용될 수 있다고 사료된다.