서 론
재료 및 방법
1. 공시재료
2. 비타민 C 함량 분석
3. 무기성분(Mg, Na, K, Ca)함량 분석
4. 총 폴리페놀 함량
5. 식이섬유 함량 분석
6. 기능성 물질 함량 분석
결과 및 고찰
1. 비타민 C
2. 무기성분 분석
3. 총폴리페놀 함량
4. 식이섬유 함량
5. 기능성 물질(Quercetin, Apigenin, Isorhamnetin) 함량 분석
결 론
서 론
미나리(Oenanthe javanica DC.)는 다년생 초본으로, 시장에서 유통되는 길이는 30－80cm에 이른다(Lee 등, 2004). 우리나라 전역에 자생하며 아한대 및 열대 지역에 분포하고 중국 일본을 비롯한 일부 지역에서만 식용으로 재배되고 있다(Kim 등, 2020). 미나리는 약 94%가 수분으로 구성되어 있으며, 지질, 단백질, 당질이 1－2%를 차지하고, 나머지는 미량 무기질과 비타민으로 이루어져 있다(Park과 Lee, 1994). 특히, 비타민 A, B, C를 비롯해 isorhamnetin과 quercetin 등의 기능성 성분이 풍부한 것으로 보고되고 있다(Lee, 2016). 또한 마그네슘, 칼륨, 칼슘 등 각종 무기물을 함유하고 있어 현대인의 건강 유지에 많은 도움을 주는 채소로 평가된다(Ahn 등, 2010), 그리고 미나리에 포함되어 있는 비타민 C와 폴리페놀은 운동으로 인해 증가하는 지질과산화물인 Maleondialdehyde (MDA)의 활성을 저하시킬 뿐 아니라 항산화 효소인 Superoxide dismutase (SOD)의 활성을 증가시키는 것으로 보고되어 있다(Lee 등, 2006). 영양학적 측면 외에도, 다양한 생리활성으로 항염증, 간 보호, 알코올 대사 촉진, 항 바이러스 효과, 중금속 흡수 능력이 뛰어나 보건 기능성 식품 소재로서의 활용가능성이 높다(Son 등, 2005). 이러한 기능성과 영양적 가치로 인해 미나리는 기존의 탕용뿐만 아니라 샐러드, 쌈채소, 나물, 진액, 녹즙 등 다양한 형태로 소비가 확대되고 있다(Bae와 Na, 2015). 현재 우리나라에서 미나리 재배는 주로 가을재배, 촉성재배, 반촉성재배 방식으로 이루어지며, 주된 수확 시기는 11월부터 3월까지로 제한된다. 일부 지역에서는 밭을 이용한 봄재배와 여름재배를 통해 6월 중순부터 8월까지 추가적인 수확이 이루어지지만, 생산량이 매우 적고 품질 저하가 발생하여 증가하는 수요를 충족하기 어려운 상황이다(Kim과 Na, 2018). 농산물유통정보에 따르면, 매년 소비자 가격 상승과 미나리 수요는 증가하고 있으나, 재배 면적과 생산량은 오히려 감소하는 추세를 보이고 있다(KAMIS, 2018). 미나리 재배는 높은 노동 강도와 열악한 작업 환경으로 인해 선호도가 낮은 경향이 있기 때문이다. 특히, 노지 재배 방식은 노동력 의존도가 높아 인력 수급 문제가 심화되면서 재배 면적 감소를 더욱 가속화하고 있다. 이러한 요인과 더불어 주년 생산 기술체계가 확립되지 않아 연중 안정적인 공급이 어려우며, 이로 인해 월별 가격 변동 또한 큰 폭으로 나타나고 있는 실정이다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 외부 환경의 영향을 완전히 차단할 수 있는 밀폐형 식물공장을 활용한 재배 방식이 적절한 대안이 될 수 있다. 식물공장에서 다양한 소비 형태에 맞춰 미나리를 연중 단기 재배하기 위해서는 기존보다 초장이 짧은 형태로 재배하는 것이 더욱 효율적일 것으로 예상된다. 이에 본 연구에서는 식물공장에서의 미나리 재배 가능성을 평가하고, 짧은 초장으로 재배할 경우 기능성 물질과 영양학적 가치가 유지되는지를 검증하기 위해 초장을 20, 30, 40 및 50cm로 분류하여 기능성 물질 및 영양성분 함량을 비교·분석하였다. 현재 유통되는 미나리는 주로 초장이 50cm 이상이지만, 식물공장에서 이와 같은 길이로 재배하는 것은 현실적으로 어려운 상황이다. 따라서 짧은 초장으로 재배된 미나리가 기존 미나리와 비교해 주요 기능성 물질과 영양학적 가치를 유지할 수 있는지 확인하기 위해, 초장에 따른 비타민 C, 무기성분 함량(Mg, Na, K, Ca), 총 폴리페놀 함량, 기능성 물질(Quercetin, Apigenin, Isorhamnetin), 식이섬유 함량을 정량적으로 측정하고 비교 분석하였다.
재료 및 방법
1. 공시재료
본 실험에 사용된 미나리는 광주광역시 동곡면에 위치한 온실(35°04'54.9"N 126°47'07.9"E)에서 초장 20, 30, 40 및 50cm의 미나리를 채취하여 7일(168시간) 동안 동결건조 시켰다. 이후 동결 건조된 미나리를 막자사발로 분쇄하여 시료를 제작하였으며, 이를 비타민 C, 총 폴리페놀, 무기성분(Mg, Na, K, Ca), 및 기능성 물질(Quercetin, Apigenin, Isorhamnetin) 함량 분석을 위한 재료로 활용하였다.
2. 비타민 C 함량 분석
비타민 C 함량을 측정하기 위한 시료의 전처리는 다음과 같이 하였다. 시료 3.0g을 10% meta-phosphoric acid 25ml로 균질화시킨 후 이 용액을 10% meta-phosphoric acid로 최종 부피가 50ml가 되도록 맞추어 고속 원심분리기에서 9,000 rpm, 30분간 원심분리 하여 이의 상등액을 취하여 시험용액으로 사용하였다. 이후 HPLC로 함량을 측정하였으며, HPLC의 조건은 Table 1과 같다.
Table 1.
Operating condition of HPLC for analysis of vitamin C content
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Column Mobile phase Flow rate Oven temperature Detector |
Mightsil C18 Acetonitrile : 0.1% Trifluoracetic acid=6:4 (v/v) 0.8 mL/min 30℃ UV 264nm |
3. 무기성분(Mg, Na, K, Ca)함량 분석
무기 성분 함량 측정을 위해 시료 3.0g을 정확하게 계량하여 50mL Teflon beaker에 넣었다. 시료에 20mL의 질산(HNO3, 65%)을 첨가한 후, 2시간 동안 90℃에서 완전 분해가 이루어지도록 가열하였다. 이후 시료를 실온으로 냉각한 뒤, 증류수를 이용하여 50mL로 정용하였다. 정용된 시료는 여과지를 사용하여 여과한 후, 여과액을 분석에 사용하였다. 시료 3.0g을 사용하였으며, 측정은 Dionex ICS 3000 (Dionex, USA)를 이용하여 수행하였다. Guard Column은 IonPac CG16 (5×50 mm, Dionex, USA), Analytical Column은 IonPac CS16 (5×250mm, Dionex, USA)을 사용하였다. Flow rate는 1.0 mL/min으로 설정하였고, Eluent로는 40mM MSA (Methanesulfonic acid)를 사용하였다. 주입량은 25 μL으로 하였고, 검출은 Suppressed conductivity 방식으로, CDRS 600 (4mm), recycle mode를 사용하였다. Oven Temperature 온도는 30℃로 설정하였고, 분석 시간은 20분으로 설정하였으며, 표준용액으로 Dionex™ Combined Six Cation Standard-II를 사용하였다.
4. 총 폴리페놀 함량
총 폴리페놀 화합물의 함량을 측정하기 위해, 시료 1g을 50% methanol 30mL에 24시간 동안 상온에서 200rpm으로 3회 진탕추출하였다. 추출액은 100mL로 정용하였다. 이후, 추출된 시료액 50μL를 2mL tube에 취하고, 증류수로 부피를 1mL로 맞춘 후, 0.1mL의 Folin-Ciocalteau’s phenol reagent를 가하여 혼합하고 실온에서 3분간 반응시켰다. 이 용액에 Na₂CO3 포화용액 0.2mL를 가하여 다시 혼합한 후, 증류수로 부피를 2mL로 맞추고 실온에서 1시간 동안 반응시켰다. 반응 후, 1,000g에서 10분간 원심분리하여 상층액을 분리하였다. 상층액 250μL를 micro plate에 옮긴 후, ELISA reader (Spectra Max 190, Molecular Device, Sunnyvale, California, USA)를 사용하여 725nm에서 흡광도를 측정하였다(Ereifej 등, 2016). 측정된 흡광도 값을 caffeic acid로 작성된 표준곡선과 비교하여 폴리페놀 성분의 함량을 계산하였다.
5. 식이섬유 함량 분석
식이섬유의 함량은 효소중량법을 이용하여 수행하였다. 시험 시료를 MES-Tris 완충액(MES 0.05 M, TRIS 0.05 M; 총 1L, pH 8.2로 조정)과 혼합 후, 내열성 α-amylase를 첨가하고 95℃에서 15분 동안 반응시켰다. 이후 protease를 추가하여 30분간 반응시킨 후, pH를 4.0－4.7로 조정하고 amyloglucosidase를 투입하여 추가로 30분간 처리하였다. 불용성 식이섬유는 여과 후 105℃에서 24시간 동안 건조 시켜 정량하였다. 수용성 식이섬유는 불용성 식이섬유 정량 후 남은 여과액을 95% 에탄올에 1시간 침전시킨 후 수용성 식이섬유 정량에 사용하였다. 건조 후 525℃ 회화로(Difital Muffle Fumace, F-05, Daihan Scientific Co., Seoul, Korea)에서 5시간 동안 회화시켜 회분량을 정량하였다. 건조 후의 총 무게에서 회분을 제외한 값으로 불용성 및 수용성 식이섬유의 양을 계산하였으며 이 두 값을 합하여 총 식이섬유 함량을 산출하였다.
6. 기능성 물질 함량 분석
기능성 물질(Quercetin, Apigenin, Isorhamnetin)의 함량 분석을 위해, 시료 3.0g을 취한 후 적절한 전처리 과정을 진행하였다. 기능성 물질의 함량 측정은 Ultimate 3,000 HPLC (Thermo Dionex, Waltham, Massachusetts, USA)를 사용하여 수행하였다. 분석에 사용된 Inno C-18 Column (YoungjinBiochrom, Korea, 4.6×250mm, 5μm)은 시료 내 기능성 물질을 분리하는 데 사용되었다. 본 연구에서는 구배 조건(Gradient Elution)을 적용하여 이동상의 비율을 시간에 따라 변화시켰다. 구배 조건은 0분에서 10분까지 이동상 B (Acetonitrile)의 비율을 20%에서 40%로 증가시키고, 10분에서 20분까지는 50%로 증가시켰다. 이후 20분에서 30분까지는 70%로 증가시킨 후, 30분에서 40분까지는 80%로 유지하였다. 41분부터는 이동상 A (0.1% Trifluoroacetic acid in DW) 를 80%로 복귀하여 초기 용매 조건으로 되돌렸다. 이러한 구배 조건을 통해 각 성분의 분리도를 극대화하였다. 주입량은 10μL로 설정하였고, Flow rate는 0.8mL/min으로 설정하였다. Oven Temperature는 40℃로 일정하게 유지하였으며, 분석은 UV detector를 사용하여 280 nm에서 흡광도를 측정하였다.
결과 및 고찰
1. 비타민 C
비타민 C는 대표적인 수용성 비타민으로, 채소와 과일의 영양지표로 자주 활용된다(Lee 등, 2012). 본 연구에서 미나리의 초장에 따른 비타민 C 함량을 분석한 결과, 초장 20cm에서 698.77mg·kg-1, 30cm에서 1,165.38mg·kg-1, 40cm에서 900. 93mg·kg-1, 50cm에서 373.68mg·kg-1으로 나타났다(Fig. 1). 특히, 정식 후 3－4주가 경과한 초장 30cm에서 비타민 C 함량이 가장 높게 나타났으며, 반면 초장이 길어질수록 비타민 C 함량은 점차 감소하는 경향을 보였다. 이러한 경향은 보리 잎에서도 생육이 진행됨에 따라 비타민 C 함량이 감소하는 것으로 보고된 바 있으며(Kim 등, 1994), 부추 역시 수확 시기가 늦어질수록 비타민 C 함량이 줄어드는 것으로 나타났다(Moon 등, 2003). 이는 재배 기간이 길어짐에 따라 항산화 효과가 감소하며, 항산화 효과와 가장 밀접한 관련이 있는 성분이 비타민 C이기 때문으로 설명된다. 본 연구에서도 재배 기간이 6－7주로 가장 길었던 초장 50cm에서 비타민 C 함량이 가장 낮게 나타났으며, 이는 기존 연구 결과와 일치하는 경향을 보였다. 따라서, 식물공장에서 재배 가능한 초장 30cm의 미나리는 가장 높은 비타민 C 함량을 유지하며, 이를 통해 식물공장에서 재배된 미나리도 충분한 비타민 공급원이 될 수 있음을 시사한다.
2. 무기성분 분석
초장에 따른 무기성분(Mg, Na, K, Ca) 함량을 분석한 결과, 마그네슘(Mg)은 초장 20cm에서 3,103.06mg·kg-1, 30cm에서 3,201.98mg·kg-1, 40cm에서 3,313.14mg·kg-1, 50cm에서 3,188.00mg·kg-1으로, 초장에 관계없이 비교적 일정한 함량을 유지하는 것으로 나타났다(Fig. 2). 반면, 칼륨(K)은 초장 30cm에서 24,026.85mg·kg-1으로 가장 높은 값을 보였으며, 20cm에서 21,664.69mg·kg-1, 40cm에서 19,132.75mg·kg-1, 50cm에서 15,974.95mg·kg-1으로, 초장이 길어질수록 감소하는 경향을 보였다. 칼슘(Ca) 또한 초장 30cm에서 10,529. 88mg·kg-1으로 가장 높은 함량을 기록하였으며, 20cm에서 9,158.82mg·kg-1, 40cm에서 10,038.23mg·kg-1, 50cm에서 6,161.19mg·kg-1으로 나타났다. 한편, 나트륨(Na)은 초장 30 cm에서 2,064.53mg·kg-1으로 가장 낮은 값을 보였으며, 초장 50cm에서 4,457.09mg·kg-1으로 가장 높게 나타났다. 미나리에 함유된 칼륨(K)은 인체 세포의 신진대사, 체내 수분 조절, 심장 기능 유지에 중요한 역할을 하며, 마그네슘(Mg)은 신경 및 근육 기능 조절, 나트륨(Na)은 체액의 삼투압을 조절하며, 칼슘(Ca)은 뼈와 치아 건강 유지, 신경 전달, 혈액 응고 및 근육 기능 조절 등 다양한 생리적 기능을 담당한다(Kim, 2021). 또한, Lee 등.(2001)의 연구에서도 미나리의 무기성분 중 칼륨(K) 함량이 가장 높게 나타났으며, 이는 본 연구에서 확인된 결과와도 부합한다. 해당 연구에서는 칼륨이 인체 세포 신진대사에 중요한 역할을 한다고 보고된 바 있으며, 이러한 점은 미나리가 무기성분 공급원으로서의 가치가 높음을 시사한다. 특히, 본 연구에서는 초장 30cm에서 칼륨(K)과 칼슘(Ca) 함량이 가장 높게 나타나, 식물공장에서 재배 가능한 크기의 미나리도 충분한 무기성분 공급원이 될 수 있음을 확인하였다. 따라서, 식물공장에서 재배된 미나리 또한 무기성분을 공급하는 기능성 채소로서의 활용 가능성이 높을 것으로 판단된다.
3. 총폴리페놀 함량
총 폴리페놀 함량은 기능성 식품의 항산화력을 결정하는 중요한 요소이다(Byun 등, 2016). 본 연구에서 미나리의 총 폴리페놀 함량을 분석한 결과, 초장 20cm에서 18,208mg·kg-1, 30cm에서 18,491mg·kg-1, 40cm에서 18,604mg·kg-1으로 나타났으며, 초장 50cm에서는 14,987mg·kg-1로 가장 낮은 함량을 보였다(Fig. 3). 초장 20－40cm 구간에서는 총 폴리페놀 함량이 유사하게 높은 수준을 유지했으나, 초장 50cm에서는 감소하는 경향이 확인되었다. 페놀화합물은 수산기를 통한 수소 공여와 페놀 고리 구조의 공명 안정화를 통해 항산화 능력을 발휘하며, 식물체 내에서 자유기로부터 조직을 보호하는 역할을 한다(Hyon 등, 2010; Choi 등, 2008). 특히, 페놀성 물질의 수산기는 산화 억제 작용을 통해 노화 및 질병과 관련된 산소 자유 라디칼 반응을 방지하는 데 중요한 역할을 한다(Lee 등, 2005). 본 연구 결과, 총 폴리페놀 함량이 재배 기간이 긴 초장 50cm에서 감소하는 경향을 보였는데, 이는 재배 기간이 길어짐에 따라 산화 억제 작용이 약화되어 작물의 노화 방지 능력이 저하되었기 때문으로 판단된다.
4. 식이섬유 함량
식이섬유는 소화 효소에 의해 분해되지 않는 복합 탄수화물로, 장 건강 증진, 변비 예방, 혈당 조절, 콜레스테롤 감소, 체중 관리, 장내 미생물 균형 유지 등 다양한 생리적 기능을 수행한다(Won 등, 2015). 본 연구에서 미나리의 초장에 따른 식이섬유 함량을 분석한 결과, 초장 20cm에서 359g·kg-1, 30cm에서 314g·kg-1, 40cm에서 318g·kg-1, 50cm에서 365g·kg-1으로 나타났다(Fig. 4). 모든 초장에서 1kg당 300g 이상의 식이섬유를 함유하고 있어, 초장의 차이가 식이섬유 함량에 미치는 영향은 크지 않은 것으로 확인되었다. 선행 연구에 따르면, 줄기채소는 식이섬유를 풍부하게 함유하는 것으로 보고된 바 있으며(Park과 Kim, 1991), 미나리 또한 줄기의 식용 비율이 높은 줄기채소로서 식이섬유 공급원으로 활용될 수 있다. 신선초의 경우에도 잎보다 줄기에 더 많은 식이섬유가 포함되어 있어, 기능성 식품 개발 시 줄기의 활용이 유리하다고 보고된 바 있다(Kang 등, 1999). 본 연구에서 도출된 식이섬유 분석 결과를 고려할 때, 미나리는 재배 조건이나 수확 시기에 관계없이 일정 수준 이상의 식이섬유를 함유하고 있어 기능성 식품 소재로서의 활용 가능성이 높으며, 건강 증진에 기여할 수 있는 유용한 채소로 평가될 것으로 판단된다.
5. 기능성 물질(Quercetin, Apigenin, Isorhamnetin) 함량 분석
Quercetin, Apigenin, Isorhamnetin은 강력한 항산화 및 항염증 작용을 바탕으로, 심혈관 건강 증진, 암 예방, 신경 보호, 면역 조절 등의 다양한 생리활성을 나타내는 기능성 물질이다(Choe 등, 2007; Lee 등, 2002; Won 등, 2016). 본 연구에서 미나리의 초장에 따른 기능성 물질 함유량을 분석한 결과, Quercetin은 초장 20cm에서 29.59mg·kg-1, 30cm에서 22.29 mg·kg-1, 40cm에서 23.57mg·kg-1, 50cm에서 28.14mg·kg-1으로 측정되었으며, 초장에 따른 함량 차이는 크지 않은 것으로 나타났다(Fig. 5). 선행 연구에 따르면, 삼백초의 경우 Quercetin 함량이 줄기보다 잎에서 더 높게 나타나며, 재배 기간이 길어질수록 줄기의 비율이 증가하면서 Quercetin 함량이 감소하는 경향을 보였다(Lee 등, 2002). 본 연구에서도 미나리 초장별 줄기와 잎의 생체중 비율을 분석한 결과 초장 20cm에서는 줄기와 잎의 생체중 비율이 1:1.3으로 나타나 잎의 비율이 상대적으로 높았다. 그러나 초장이 증가함에 따라 줄기의 비율이 점차 높아져, 초장 30cm에서는 3.2:1, 초장 40cm에서는 5.1:1, 초장 50cm에서는 6.6:1로 증가하였다. 이러한 경향은 초장이 짧을수록 잎의 비율이 높아 Quercetin 함량이 상대적으로 증가하는 결과를 유도한 것으로 판단된다(데이터미제시). Apigenin 함량은 초장 20cm에서 3.45mg·kg-1, 30cm에서 2.84mg·kg-1, 40cm에서 3.25mg·kg-1, 50cm에서 2.53mg· kg-1으로 나타났으며, 초장이 가장 긴 50cm 미나리에서 Apigenin 함량이 가장 낮았다. Isorhamnetin 함량은 초장 30cm에서 2.37mg·kg-1으로 가장 높았으나, 20cm에서 2.27mg· kg-1, 40cm와 50cm에서 각각 2.08mg·kg-1으로 측정되어, 초장 20－50cm 구간의 미나리는 모두 kg당 2mg 이상의 Isorhamnetin을 함유하고 있음을 확인하였다. 이는 초장의 차이가 Isorhamnetin 함량에 미치는 영향이 크지 않음을 시사한다. 따라서, 미나리는 다양한 무기성분과 비타민 C뿐만 아니라 여러 기능성 물질을 함유하고 있어, 식물공장에서 재배하더라도 고기능성 채소로서의 활용 가능성이 높을 것으로 판단된다.
결 론
본 연구 결과, 칼륨, 칼슘, 비타민 C의 함량은 재배기간이 3－4주인 초장 30cm에서 가장 높았으며 다른 영양성분 및 기능성 물질에서 초장에 따른 함량의 변화는 거의 없었다. 이를 바탕으로, 식물공장에서 고기능성 미나리를 생산하기 위한 최적 초장은 정식 후 3－4주 동안 재배한 30cm 전후로 판단된다. 특히 식물공장에서 재배된 미나리는 논밭 재배보다 외부 환경의 영향을 받지 않고 안정적으로 생장할 수 있으며, 식물공장을 활용하면 연간 10회 이상 안정적인 생산이 가능할 것으로 기대된다. 또한, 식물공장을 활용한 미나리의 연중 생산을 통해, 기존의 탕용뿐만 아니라 샐러드, 나물, 진액, 녹즙 등 다양한 소비 수요에도 효과적으로 대응할 수 있을 것으로 판단된다.
