The Korean Journal of Food And Nutrition (한국식품영양학회지)

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Quality and Antioxidant Properties of Fermented Sweet Potato Using Lactic Acid Bacteria

유산균을 이용한 발효 고구마의 품질 특성 및 항산화 활성

  • Ha, Gi Jeong (Rural Resources Division, Gyeongsangnam-do Agricultural Research & Extension Services) ;
  • Kim, Hyeon Young (Rural Resources Division, Gyeongsangnam-do Agricultural Research & Extension Services) ;
  • Ha, In Jong (Rural Resources Division, Gyeongsangnam-do Agricultural Research & Extension Services) ;
  • Cho, Sung Rae (Rural Resources Division, Gyeongsangnam-do Agricultural Research & Extension Services) ;
  • Moon, Jin Young (Agricultural Product Research Division, Gyeongsangnam-do Agricultural Research & Extension Services) ;
  • Seo, Gwon Il (Department of Life Resources Industry, Dong-A University)
  • 하기정 (경상남도농업기술원 농촌자원과) ;
  • 김현영 (경상남도농업기술원 농촌자원과) ;
  • 하인종 (경상남도농업기술원 농촌자원과) ;
  • 조성래 (경상남도농업기술원 농촌자원과) ;
  • 문진영 (경상남도농업기술원 작물연구과) ;
  • 서권일 (동아대학교 생명공학과)
  • Received : 2019.08.29
  • Accepted : 2019.10.11
  • Published : 2019.10.31
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Abstract

The purpose of this study was to investigate the quality and antioxidant properties of three fermented sweet potato cultivars (Shinyulmi, Hogammi, and Shinjami) using lactic acid bacteria. During the fermentation, the pH was lowered and the titratable acidity increased. The viable cell counts of lactic acid bacteria increased 8.44-9.62 log CFU/g. Organic acid content (especially lactic acid) of sweet potatoes increased by fermentation. Also, ${\gamma}$-Aminobutyric acid increased more than 8.6 times by fermentation in all samples. The total polyphenol and flavonoid contents of sweet potato, showed insignificant changes in all samples by fermentation. ABTS radical scavenging activity of all samples slightly decreased by fermentation, but not significantly. DPPH radical scavenging activity decreased slightly by fermentation except Shinyulmi. However, when compared with the varieties, Shinjami showed the highest activity. The reducing power of Shinjami decreased slightly by fermentation, but activity was the highest among all samples. Based on these results, most of the chemical properties and functionality of fermented sweet potato are retained after fermentation, although some antioxidant activity decreases. We suggest that three fermented sweet potato cultivars (Shinyulmi, Hogammi, and Shinjami) using lactic acid bacteria can be used in various applications because of their effective functional properties.

Keywords

서 론

고구마(Ipomoea batatas L.)는 메꽃과에 속하는 쌍떡잎 식용작물로 1763년 우리나라에 도입된 이래 쌀, 보리 등의 곡류와 함께 주요 식량자원으로 이용되어 왔다(Woo 등 2013). 고구마는 재배가 용이하고 단위면적당 수확량이 많아 우리나라 전역에서 재배되고 있는 경제성 높은 작물이다(Lee 등 1999a). 경제성장이 이루어진 이후 다양해진 식생활의 변화로 고구마의 재배면적 및 수요가 감소되어져 왔으나, 최근 식생활 수준이 향상되고 기능성 건강식품에 대한 소비자의 욕구 증대와 함께 고구마의 식이섬유, 베타카로틴 등 기능성이 알려지면서 건강식품으로 새로이 인식되었다(Song 등 2005). 고구마는 수분을 제외한 대부분이 전분으로서 우수한 탄수화물의 공급원으로 그대로 식용하거나, 전분, 분말, 음료, 물엿, 바이오에탄올 원료 등 다양한 용도로 활용되고 있으며(Park 등 2011), 식이섬유와 칼륨, 칼슘, 철 등의 무기질과 비타민 C 또한 다량 함유하고 있어 영양학적으로 우수한 식품으로 평가되고 있다(National Institute of Agricultural Sciences. 2016)또한 안토시아닌, 베타카로틴, 폴리페놀, 토코페롤 등과 같은 항산화 성분들을 함유하고 있으며, 항암작용, 심혈관계 질환 예방에 효과가 잇는 것으로 보고되고 있다(Woolfe JA 1992; Karuta 등 2007; Oki 등 2016). 고구마에 함유된 카로티노이드와 페놀 화합물에 의해 고구마의 육색은 황색, 주황색, 자색 등 독특한 색을 띠며, 용도에 따라서 식용, 가공용, 관상용으로 구분하기도 한다(Teow 등 2007; Lee 등 2013).

고구마 가공에 관한 연구로는 고구마 음료(Kim JS 1995), 품종별 고구마 칩(Jang 등 2013), 고구마 분말을 첨가한 팽화과자(Cheon & Eun 2011), 고구마 분말을 첨가한 롤빵(Mo 등 2013), 분말 제조기술(Lee 등 2006), 자색고구마를 첨가한 떡, 생면(Ahn GJ 2010; Lee & Yoo 2012) 등이 있다. 고구마를 이용한 발효와 관련한 연구로는 고구마 막걸리(Cheon 등 2013), 고구마를 첨가한 된장, 청국장(Lee 등 2014; Cha 등 2017), 자색고구마를 이용한 요구르트 제조 (Lee 등 1999b; Kim 등 2015) 등이 있으나, 고구마를 원료로 하여 기호성과 기능성을 증진시키는 목적으로 발효를 수행한 연구는 미진한 실정이다. 대표적인 probiotic인 유산균은 장내에서 유해균의 생육을 억제시키고, 장내세균의 이로운 작용을 강화하거나 보충하여 면역증진에 기여하는 것으로 보고되었다(Parvez 등 2006). Probiotic 제품은 대부분 유제품 발효로 이용되어 왔으며, 유제품을 이용한 요구르트 제품의 경우, 유당 불내증과 allergy 등의 문제를 지닌 사람이나 저지방 다이어트를 행하는 사람에게는 기피되어 왔다(Jin HS 2001). 최근에는 대두(Song & Jung 2006), 밤(Jin HS 2001) 등 식물성 소재를 이용하여 유산균 발효를 통한 기능성 증진 및 이용도 증진을 위한 시도가 많이 되고 있다. 한편 Lactobacillus brevis는 식물유래 유산균으로서 된장, 절임 및 김치 등의 발효에 관련되며, 일반적으로 내산성, 내염성이 강하고, 독특한 풍미를 갖고 있다고 보고하였다(Cho 등 2009). 또한 유산균 중에서도 Lactobacillus plantarium과 함께 고농도의 GABA(ℽ-aminobutyric acid)를 생산하는 균주로 알려져 있다(Hanaoka Y 1967). 따라서 본 연구에서는 영양가가 높고 다양한 용도로 이용되고 있는 고구마 3품종(신율미, 호감미, 신자미)을 이용하여 새로운 용도를 개발하여 소비증대를 유도하고자 Lactobacillus brevis로 발효하여 품질특성을 분석하였다.

재료 및 방법

1. 실험재료

본 실험에 사용된 고구마는 경남 통영 욕지도 농가에서 2017년 8~11월경에 수확한 신율미, 호감미(주황색), 신자미(자색)를 구입하여, 세척, 박피, 슬라이스하여 증기에 20분 동안 찐 다음 으깨어 냉동보관하면서 발효에 이용하였다. 발효에 사용된 Lactobacillus brevis는 농촌진흥청 농업유전자원센터로부터 분양받아 사용하였으며, 발효에 이용하기 전 MRS 액체배지(Lactobacilli MRS broth, Difco, Franklin Lakes, NJ, USA)에서 37℃에서 48시간동안 배양하여 발효에 이용하였다. 유기산 표준품 및 항산화활성 분석에 사용된 시약은 Sigma Chemical Co.(St. Louis, MO, USA) 제품, GABA 분석은 Wako(Wako Pure Chemical Industries Ltd, Tokyo, Japen) 제품, 그 외 시약은 모두 특급 시약을 사용하였다.

2. 고구마 발효물 제조

고구마 원물은 각각 고구마를 증류수와 1:1로 희석하여 블렌드로 마쇄하고 설탕을 5%(w/w)의 농도로 첨가하여 121℃에서 15분 동안 멸균하여 식힌 것이며, 고구마 발효물은 멸균하여 식힌 것을 미리 전배양한 Lactobacillus brevis를 2% (v/w) 접종하여 37℃ 항온기에서 48시간동안 배양하면서 12시간마다 발효특성을 조사하였으며, 고구마 원물과 발효가 끝난 고구마 발효물은 deep freezer에 보관하며, 유기산, 가바 분석 및 항산화 실험에 사용하였다.

3. pH 및 적정산도 측정

고구마 발효물의 pH와 산도는 12시간마다 측정하였으며, 시료를 5 g 취하여 증류수로 5배 희석한 후 Digital pH meter(Titroline Easy, Schott, Mainz, Germany)를 이용하여 측정하였고, 산도는 0.1 N NaOH로 적정한 결과를 lactic acid로 환산하여 %로 나타내었다.

4. 유산균수 측정

무균적으로 채취한 고구마 발효물 1 g을 멸균 생리식염수로 109까지 단계적으로 희석한 후 유산균 배양용 배지(Lactobacillus MRS agar, Difco Laboratories, Detroit, MI, U.S.A.)에 0.1 mL씩 분주 및 도말하고, 37℃에서 36~48시간 배양하여 형성된 colony 수를 12시간마다 계측하여 시료 g당 log colony forming units(log CFU/g)므로 나타내었다(Korean Food Industry Association 2015).

5. 유기산 함량 측정

고구마 발효물의 유기산 분석은 Shim 등(1989)의 방법을 변형하여 수행하였다. 고구마 발효물을 1 g에 증류수 9 mL를 넣어 섞은 후 60분간 추출하고, 5,000 rpm에서 10분간 원심분리하여 얻은 상등액 2 mL를 미리 활성화된 sep-pak C18 cartridge (Waters Co., Milford, MA, USA)에 통과시키고, 0.2 μm membrane filter(Advantec MFS, Inc, Tokyo, Japan)로 여과하여 HPLC (DGU-20A3, Shimadz Co, Tokyo, Japan)로 분석하였다.

6. γ-Aminobutyric acid(GABA) 함량 측정

가바의 분석은 Kim 등(2011)의 방법을 변형하여 분석하였다. 고구마 발효물 1 g을 70% 에탄올 10 mL에 넣어 24시간 4℃ 냉장고에서 추출한 다음 40℃로 설정한 초음파 추출기(UC-20, Jeio tech, Daejeon, Korea)로 20분 동안 추출하였다. 추출된 시료를 5분간 정치한 후 상등액 2 mL를 취하여 3,000 rpm에서 20분 동안 원심분리(2236HR high-speed centrifuge, GYROZEN Co., Ltd, Daejoen, Korea)한 후 1 mL를 취하여 농축하고, 0.2 N citrate loading buffer(pH 2.2) 1 mL로 녹이고 0.2 μm syringe filter(whatman)로 필터하여 아미노산 자동분석기(L-8900 Amino acid auto analyzer, Hitachi, Tokyo, Japan)로 분석하였다. 분석조건은 이동상용액(PF-1,2,3,4,6, PF-RG, R-3, C-1)과 발색용액인 Ninhydrin 용액은 Wako(Japan)제품을 사용하였고, 아미노산 분리는 이온교환컬럼(#2622SC PF)을 이용하였다. 컬럼과 reactor의 온도는 각각 50℃, 135℃로 하여 분석을 수행하였다.

7. 총 폴리페놀 및 총 플라보노이드 함량 측정

총 폴리페놀 함량은 Folin & Ciocalteu’s 방법(Singleton & Rossi 1965)을 참고 및 수정하여 실험을 진행하였다. 3가지 품종의 고구마 시료에 20배 용량의 증류수를 혼합하여 희석하고 균질화한 후 여과하여 시료로 사용하였으며, 각 시료 0.1 mL에 증류수 8.4 mL와 2 N Folin-Ciocalten 시약 0.5 mL를 첨가하고, 20% Na2CO3 1 mL를 가하여 2시간 방치하였다. 반응물의 흡광도는 725 nm에서 Microplate readers(infinite M200 PRO, TECAN, Männedorf, Switzerland)를 사용하여 측정하고, gallic acid(GAE)를 이용한 표준곡선으로 양을 환산하였다.

총 플라보노이드 함량은 Lee 등(1997)의 방법을 변형하여 실험하였다. 희석한 시료 1 mL에 5% sodium nitrite 0.15 mL를 가하고, 25℃에서 6분간 반응시킨 후 10% aluminum chloride 0.3 mL를 가하여 5분간 방치하였다. 이후 1 N NaOH 1 mL를 가하고 교반한 후 510 nm에서 흡광도를 측정하였으며, quercetin(QE)을 이용한 표준곡선으로 양을 환산하였다.

8. ABTS radical 소거활성 측정

3가지 품종의 고구마 원물, 즉 발효 전의 고구마와 Lactobacillus brevis를 2% 접종한 발효 후의 고구마에 대한 ABTS radical 소거능은 Kim 등(2003)의 변형하여 측정하였다. 2.45 mM의 2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulphonic acid)와 7 mM 2,2'-azobis(2-amidinopropane) dihydrochloride를 혼합한 후 23°C의 암소에서 16시간 동안 반응시켰다. ABTS 용액의 농도는 734 nm에서 흡광도가 0.700±0.005 정도가 되도록 조정하였다. 각각의 시료 10 mg/mL의 농도로 만들고, 그 중에서 0.1 mL와 3.9 mL ABTS 용액을 혼합한 후 23°C에서 6분간 반응시키면서 734 nm에서 Microplate reader로 흡광도를 측정하였다. ABTS radical 소거능은 다음의 식에 따라 계산하였다.

Scavenging activity(%)＝ (Control O.D.－Sample O.D.) / Control O.D. × 100

9. DPPH radical 소거활성 측정

각 시료의 DPPH radical 소거활성은 Blois MS(1958)방법에 대한 α,α'-diphenyl-β-picrylhydrazine(DPPH)의 환원성을 이용하여 517 nm에 UV/Vis-spectrometer(UV-2700, Shimadzu, Tokyo, Japan)로 측정하였다. 고구마 원물과 발효물을 각각 10 mg/mL의 농도로 만든 시료 1 mL를 4×10-4 M DPPH 용액 3 mL와 함께 5초 동안 vortex mixer로 혼합하고, 이를 30분간 암소에서 반응시켜 흡광도를 측정하였으며, control은 시료 대신 에탄올 1 mL를 첨가하였고, 라디칼 소거활성은 control에 대한 흡광도의 감소비율로 나타내었다.

10. 환원력 측정

시료의 환원력은 Yildirim 등(2001)의 방법을 변형하여 측정하였다. 10 mg/mL의 고구마 원물과 발효물 1 mL에 2.5 mL의 인산완충용액(0.2 M, pH 6.6)과 2.5 mL의 potassium ferricyanide (1%, w/v)를 첨가하여 섞은 후, 50°C로 유지하면서 30분간 반응시켰다. 반응액에 2.5 mL의 trichloroacetic acid(10%, w/v)를 첨가한 후 3,000 rpm으로 10분간 원심분리하였다. 상층 액의 1 mL를 취해 시험관에 담고 1 mL의 증류수와 0.2 mL의 FeCl3(0.1%, w/v)을 첨가하여 700 nm에서 UV/Vis-spectrophotometer로 흡광도를 측정하였다.

11. 통계처리

통계분석은 SPSS software(Version 20., SPSS Inc., Chicago, IL., USA)을 이용하여 각 측정군의 평균과 표준편차를 산출하였고, 고구마의 품종간의 발효 전후 차이 유무를 one-way analysis of variance(ANOVA)로 분석한 뒤 p<0.05 수준에서 Duncan's multiple range test를 이용하여 유의성을 검증하였다.

결과 및 고찰

1. pH 및 적정산도

고구마 발효물의 pH와 적정산도의 변화는 Table 1 및 2와 같다. 프로바이오틱스의 대략적인 작용기작은 인간이나 동물의 건강에 많은 영향을 미치는 장내 미생물의 균총을 개선함으로써 숙주에게 유익을 주는 것으로 알려져 있다(Kim YH 2016). 프로바이오틱스 중 가장 대표적인 미생물인 유산균은 탄수화물을 발효시켜 유산을 생성하는 균류를 말하며, 장 내에서 산도를 증가시키고 pH를 감소시켜 유해세균 증식을 억제하는 것으로 알려져 있다. 유산균을 접종한 세 가지 품종의 고구마 모두 초기 pH는 약 5.56±0.02 이었으며, 초기 산도는 약 0.16±0.02%로 모두 발효시간이 경과함에 따라 pH는 감소하고 산도는 증가하였다. 이는 Reddy LV 등(2015)의 연구에서 다양한 유산균을 접종한 망고주스에서 시간이 지날수록 pH는 감소하고 산도는 올라가는 경항을 보인 것과 유사한 것으로 나타났다. 발효 48시간 후의 pH는 3.66~3.95, 산도는 0.87~1.05%로 나타났으며, 세 가지 고구마 품종의 발효특성을 보았을 때, 산 함량이 호감미가 초기 0.14%보다 8배 이상의 값으로 측정되어 약 6배 증가한 신율미나 신자미에 비해서 산 생성능이 높은 것으로 나타났다.

Table 1. Changes of pH by fermentation time of variable sweet potato during fermentation by Lactobacillus brevis at 37℃

Table 2. Changes of total acid content by fermentation time of variable sweet potato during fermentation by Lactobacillus brevis at 37℃

2. 유산균수의 변화

고구마의 품종별 발효특성을 알아보고자 MRS 배지에서 24시간 전배양시킨 유산균을 2% 접종한 다음 48시간동안 발효하면서 12시간 간격으로 유산균 생균수의 변화를 검토하였다(Table 3). 접종초기에 6.21~6.30 log CFU/g로 모든 실험군에서 12시간 및 36시간까지 증가하였으나, 그 이후는 완만하게 증가하거나 감소하는 경향을 나타내었다. 신율미의 경우, 발효 24시간째에 8.87 log CFU/g로 가장 높은 균수를 나타내고, 그 이후 다소 감소하는 경향을 나타내었다. 호감미의 경우, 배양 36시간째에 9.88 log CFU/g 으로 가장 높은 균수를 나타내다 이후 감소하였으며, 실험에 사용한 세가지 품종 중 가장 높은 생균수를 나타내었다. 신자미는 발효 24시간째에 8.63 log CFU/g 으로 가장 높은 생균수를 나타낸 후 낮아지는 경향을 나타내었다. Kim 등(2015)은 자색고구마 효소분해물을 0~50% 함량으로 탈지분유를 대체하여 요구르트를 제조하였을 때 탈지분유 대체 정도가 높아질수록 유산균 생균수가 낮아진다고 보고한 결과와 달리, 본 시험에서는 양호한 유산균 생육을 보여주었는데, 이는 고구마에 발효기질로 설탕 5%를 첨가하여 발효함으로서 비교적 유산균 생육에 양호한 영향을 준 것으로 보여진다.

Table 3. Changes of viable cell counts by fermentation time of variable sweet potato during fermentation by Lactobacillus brevis at 37℃

3. 유기산 함량

3가지 품종의 고구마를 이용하여 발효 전과 발효 후의 유기산 함량을 측정한 결과는 Table 4와 같다. 유산균의 대사산물로 생성되는 유기산은 맛, 향, 영양적 측면 이외에도 생육활성의 중요한 지표이다. 고구마는 발효와 관계없이 다양한 유기산을 함유하고 있었는데, 신율미는 malic acid, citric acid, oxalic acid, succinic acid 순서로 높은 함량을 나타냈으며, 호감미는 malic acid, citric acid, succinic acid, oxalic acid 순서로 높았고, 신자미는 malic acid, citric acid, oxalic acid 순서로 유기산 함량이 높았는데, 특히 호감미는 다른 품종에 비하여 citric acid의 함량이 높았다. Ra 등(2018)의 연구에서는 자주색의 고구마 품종에서 oxalic acid 와 citric acid가 높은 함량을 보였으며, malic acid는 주황색의 고구마 품종에서 높은 함량을 나타냈다고 보고하였는데, 본 연구에서 malic acid를 기준으로 했을 때 세가지 품종의 고구마 중 호감미에서 가장 많은 함량을 나타낸 것과 비슷하였으며, 특히 citric acid는 호감미에서 가장 높은 함량을 보였다. Lactobacillus brevis 균을 접종하여 발효한 고구마의 총유기산 함량은 신율미의 경우 290.00 mg/100 mL에서 509.46 mg/100 mL로 증가하였고, 호감미는 386.75 mg/100 mL에서 599.05 mg/100 mL, 신자미는 178.82 mg/100 mL에서 542.38 mg/100 mL로 증가하였다. 특히 전품종에서 lactic acid의 함량이 400 mg/100 mL 이상 증가하는 값을 보였으며, malic acid와 succinic acid는 감소하였다. 이는 Kim & Yoon(2013)의 연구에서 유산균으로 발효한 감자주스의 유기산 함량을 조사한 결과, lactic acid와 acetic acid의 함량이 현저히 증가하였다고 보고한 결과와 유사하였다.

Table 4. Organic acid content of variable sweet potato by fermentation

4. γ-Aminobutyric acid(GABA) 함량

γ-Aminobutyric acid(GABA)는 단백질에서 발견되지 않는 비단백질성 아미노산으로 뇌와 척추에 존재하는 신경전달물질로서 혈류를 개선하며, 뇌의 산소공급을 증가시켜 뇌의 대사촉진 및 뇌 기억을 증진시키는 뇌의 영양제로 알려져 있으며, 동식물계에 널리 분포되어 있다(Isato & Kunio 2000; Flora 등 2004). 고구마 품종별 발효물의 γ-aminobutyric acid(GABA) 함량을 측정한 결과는 Fig. 1과 같다. 발효 전 고구마의 GABA 함량은 신율미가 5.13 μg/mL, 호감미는 3.88 μg/mL, 신자미는 1.60 μg/mL로 나타났으며, 발효 후 고구마의 GABA 함량은 신율미가 44.41 μg/mL, 호감미는 34.80 μg/mL, 신자미는 46.83 μg/mL로 고구마 발효 전 대비 발효 후에서 신율미는 약 39.28 μg/mL, 호감미는 약 30.92 μg/mL, 신자미는 약 45.23 μg/mL의 증가폭을 보였다. Ha ES(2017)의 연구에 따르면 아이스플랜트를 다양한 조건으로 발효하였을 때 생시료에 비해 1.5~4.8배 증가하였다고 보고하였으며, Jeon 등(2012)은 2단 발효시킨 마 분말을 농도별로 첨가하여 제조된 요구르트 중의 GABA 함량이 무첨가구에서 280.9 mg/L이었으나, 마 분말의 첨가농도가 많아질수록 304.6~685.4 mg/L로 증가되었다고 보고하고 있다. 본 연구에서도 함량의 차이는 있으나, 발효 전에 비하여 발효 후 8.6배 이상 증가한 것으로 보아 고구마의 유산균 발효 시 GABA 함량이 증가된다는 점에서 유사한 결과를 확인하였다.

Fig. 1. Change in γ-aminobutyric acid (GABA) content of variable sweet potato by fermentation.

5. 총 폴리페놀 및 총 플라보노이드 함량

주황색을 띄는 호감미에는 베타카로틴이 함유되어 있고(National Institute of Crop Science, Rural Development Admin-stration 2018), 보라색을 띄는 신자미에는 안토시아닌 성분이 다량 함유된 것으로 알려져 있다(Kim 등 2010). 호감미와 신자미 등 유색 고구마의 항산화 활성과 관련이 깊은 총 폴리페놀 및 플라보노이드의 함량을 측정하였으며, 그 결과는 Table 5와 같다. 발효 전 품종별 고구마의 총 폴리페놀 함량은 신율미가 325.28 μg GAE/mL, 호감미가 275.28 μg GAE/mL, 신자미가 1,036.39 μg GAE/mL로서 신자미가 신율미나 호감미에 비해서 3배 높은 총 폴리페놀 함량을 나타냈다. 발효 후 신율미의 경우 36.1 μg GAE/mL가 증가한 반면 호감미와 신자미의 경우 다소 감소된 결과를 보였다. 이와 같이 품종 간 총폴리페놀 함량은 종류에 따라 큰 차이가 있었으며, 이는 품종별 항산화 활성에 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다. 고구마의 품종별 총 플라보노이드는 신자미가 444.91 μg QE/mL로 신율미와 호감미가 74.56 μg QE/mL, 79.78 μg QE/mL인 것에 비해 약 5.5배 이상의 함량 차이가 있는 것으로 나타났다. 발효 후 총 플라보노이드의 함량은 신율미와 호감미의 경우 다소 감소하는 결과를 나타내었고, 신자미는 다소 증가하였으나 유의적 차이는 없는 것으로 나타났다. Ryu 등(2018)의 연구에서 오디를 발효했을 때 총 폴리페놀 및 총 플라보노이드 함량이 유의적으로 감소하였다고 보고한 반면, Lee & Hong (2016)의 연구에서는 유산균을 이용한 오디 발효 시 폴리페놀 및 플라보노이드 함량이 증가되었다고 보고하였는데, 이는 연구에 이용된 균주가 상이한 만큼 균주 고유의 특성 또는 폴리페놀, 플라보노이드, 안토시아닌의 조성 차이에 기인한 것으로 예측하였다. 또한 Kim YS 등(2011)의 연구에 따르면 미생물을 이용한 발효 초기에는 폴리페놀 및 플라보노이드의 함량이 감소하지만, 발효 시간이 증가할수록 그 함량이 증가한다고 보고하고 있다. 본 연구에서도 실험에 사용된 세 가지 고구마 품종이 함유한 베타카로틴, 안토시아닌 등이 발효에 의해 총 폴리페놀, 총 플라보노이드 함량의 증감이 일어났을 것으로 판단되지만, 이와 관련하여 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.

Table 5. Change in total phenolic content and total flavonoid content of variable sweet potato by fermentation.

6. ABTS radical 소거활성

ABTS 용액과 과황산칼륨(potassium persulfate)을 혼합하여 암소에 두면 ABTS 양이온이 생성되는데 추출물의 항산화물질과 반응하여 양이온이 소거됨으로써 특유의 청록색이 탈색되며, 이의 흡광도를 측정하여 항산화 능력을 측정할 수 있다(Re 등 1999). 품종별 고구마 발효 전과 발효 후의 ABTS radical 소거능을 확인한 결과는 다음 그림과 같다(Fig. 2). 발효 전의 신율미와 호감미는 약 3.5%로 낮은 radical 소거활성을 보였으며, 신자미는 약 30%의 소거활성을 보였다. 발효 후 활성의 변화는 다소 감소하였으나 유의성이 없었으며, 품종별로 비교하였을 때 신자미가 신율미와 호감미에 비해 약 10배 정도의 월등히 높은 radical 소거활성을 나타냈다. Lee 등(2012)의 연구에 따르면, 자색 고구마인 신자미의 경우 생것과 찐 것, 구운 것의 농도 200 μg/mL에서 최저 59.5%에서 최고 99.7%의 농도로 강한 ABTS radical 소거활성을 보였는데, 이는 본 연구와 고구마의 가공방법과 추출용매 및 추출조건이 다르기 때문인 것으로 사료되며, 발효에 의해서 ABTS radical 소거활성의 변화는 크지 않은 것으로 판단되었다.

Fig. 2. Change in ABTS․+ radical scavenging activity of variable sweet potato by fermentation.

7. DPPH radical 소거활성

3가지 품종의 발효전후 고구마를 대상으로 DPPH radical 소거활성을 평가한 결과는 Fig. 3과 같다. 발효 전 고구마의 DPPH radical 소거활성에서도 자색고구마인 신자미가 다른 품종의 고구마에 비하여 높은 것으로 나타났고, 이는 Song 등(2005)의 연구 결과에서와 마찬가지로 자색 고구마의 DPPH radical 소거활성이 일반 고구마와 주황색을 띄는 호감미 고구마에 비하여 높은 결과를 보고한 것과 일치한다. 폴리페놀 함량과 DPPH radical 소거능, ABTS radical 소거활성 사이에 유의적인 양의 상관관계가 존재하여(Ku 등 2009; Kim 등 2010), 본 연구에서도 자색고구마가 폴리페놀 함량도 가장 높았고, DPPH와 ABTS radical 소거능도 가장 우수하였다. 발효 후 고구마의 품종별 활성은 신율미는 발효 전과 비교했을 시 13.52%로 활성이 약간 증가하였으나, 호감미와 신자미는 발효 전보다는 다소 떨어진 10.49%와 52.26%의 radical 소거활성을 나타내어 유의적으로 감소하는 경향이었다. Ryu 등(2018)은 유산균을 접종한 오디의 항산화 활성을 비교한 결과, 발효 전보다 발효 후의 DPPH radical 소거 활성이 다소 낮게 나타났다고 보고하여 본 연구와 유사한 결과를 나타내었다. 또한 Jeong DR(2015)의 연구에서 밤을 이용한 유산균 발효 시 활성이 약간 상승하였으나 유의적 차이는 없었으며, Kim & Yoon(2013)의 연구와 같이 감자주스를 유산균 발효한 결과, 발효 전후 항산화 활성에 유의적인 차이가 없다고 보고하였다. 이와 같은 결과는 각 식품이 가진 안토시아닌, 폴리페놀, 플라보노이드 물질들의 종류와 조성이 발효특성에 영향을 미쳤을 것으로 판단되며, 발효균주, 발효조건 등 다양한 검토가 필요할 것으로 사료된다.

Fig. 3. Change in DPPH radical scavenging activity of variable sweet potato by fermentation.

8. 환원력

환원력은 항산화 활성과 밀접한 관련이 있는 측정법이며, 항산화 활성은 환원력에 의한 free radical 소거능으로 나타내어진다(Siddhuraju 등 2002). 항산화 물질의 환원제는 수소 원자를 제공하여 free radical chain reaction을 중단시킴으로써 환원력을 제공한다(Kumaran & Karunakaran 2007). 고구마 시료의 환원력을 평가한 결과는 Fig. 4와 같다. 신율미와 호감미는 발효 전과 발효 후 환원력에 큰 차이를 보이지 않았으나, 신자미는 발효 후 감소하는 경향이었다. 품종별로 비교했을 때, 전체적으로 약 0.200 정도의 환원력을 보인 신율미와 호감미보다 신자미가 발효 전후에서 0.800 이상의 측정값을 보여 약 4배 이상의 항산화 활성을 나타냈다. 환원력의 결과는 앞의 항산화 실험인 총 페놀과 총 플라보노이드 함량, radical 소거활성과 비슷한 경향을 보이는데, 이는 항산화물질의 작용이 전이 금속물의 결합, 과산화물의 분해, 연쇄반응 개시 방해, 연속적 수소제거 방해, radical 소거능과 연관이 있기 때문인 것으로 알려져 있다(Yoshino & Murakami 1998).

Fig. 4. Change in reducing power of variable sweet potato by fermentation. Data values are expressed as mean as SD (n=3). *Values with different letters are significantly different (p<0.05) by Duncan’s test.

요약 및 결론

본 연구에서는 영양가가 높고 다양한 용도로 이용되고 있는 고구마 3품종(신율미, 호감미, 신자미)을 이용하여 새로운 용도를 개발하여 소비증대를 유도하고자 Lactobacillus brevis로 발효하여 품질특성과 항산화 활성을 분석하였다. 고구마에 Lactobacillus brevis를 2% 접종하여 48시간동안 발효하면서 발효시간 경과에 따른 pH 및 산도와 유산균 수의 변화를 분석하고, 48시간 발효 후 고구마 발효 전과 후의 유기산 함량, γ-aminobutyric acid 함량을 측정하여 품질특성을 확인하였다. 또한 발효 전후의 총 폴리페놀 함량, 총 플라보노이드 함량, ABTS, DPPH radical 소거 활성, 환원력으로 항산화 활성을 측정하였다. 2% Lactobacillus brevis를 접종한 3가지 품종의 고구마는 발효시간이 경과할수록 pH는 낮아지고 산도는 증가하였으며, 유산균수는 8.44~9.88 log CFU/g의 범위를 나타내었다. 유기산을 분석한 결과, 총유기산의 함량이 발효 전에 비하여 크게 증가하여 맛의 기호도가 긍정적으로 나타날 것으로 예상되었다. 또한 기능성 아미노산인 γ-aminobutyric acid가 발효전후 8.6배 이상 증가하는 것으로 나타났다. 발효전후 고구마의 항산화 활성 측정 결과, ABTS radical 소거활성은 활성의 증감에 유의적 차이가 없었으며, DPPH radical 소거활성에 있어서 호감미와 신자미가 유의적으로 감소하는 결과를 나타내었다. 품종별 항산화 활성은 신자미>신율미>호감미 순서로 신자미가 3가지 품종 중 가장 높은 항산화 활성을 보였다. 이상의 결과로 볼 때 고구마의 발효후 항산화활성의 증가는 기대에 미치지 못하였으나, 발효 후 영양성과 기능성이 잘 유지되면서 probiotic 효과 등을 갖춘 다양한 용도 및 효과적인 소재로 적용 가능할 것으로 사료된다.

감사의 글

본 연구는 농촌진흥청 지역특화작목기술개발사업(과제번호 : PJ012494032019) 연구비로 수행되었으며, 이에 감사드립니다.

References

  1. Ahn GJ. 2010. Quality characteristics of sulgidduk prepared with amount of purple sweet-potato powder. Korean J Culin Res 16:127-136
  2. Blois MS. 1958. Antioxidant determinations by the use of a stable free radical. Nature 181:1199-1200 https://doi.org/10.1038/1811199a0
  3. Cha SJ, Park SR, Kim DH. 2017. Quality characteristics of doenjang prepared with sweet potato. Korean J Food Preserv 24:221-229 https://doi.org/10.11002/kjfp.2017.24.2.221
  4. Cheon JE, Baik MY, Choi SW, Kim CN, Kim BY. 2013. Optimization of makgeolli manufacture using several sweet potatoes. Korean J Food Nutr 26:29-34 https://doi.org/10.9799/ksfan.2013.26.1.029
  5. Cheon SH, Eun JB. 2011. The physical properties of puffed snacks (ppeongtuigi) added with sweet potato flours. J Appl Biol Chem 54:147-152 https://doi.org/10.3839/jabc.2011.025
  6. Cho YH, Park SN, Jeong SH. 2009. A study on the physiological activity and industrial prospects of plant-origin lactic acid bacteria. Korean J Dairy Sci Technol 27:53-57
  7. Flora J, Doreen C, Lim HK, Tom N, Stephen L. 2004. Production of GABA by cultured hippocampal glial cells. Neurochem Int 45:273-283 https://doi.org/10.1016/j.neuint.2003.11.021
  8. Hanaoka Y. 1967. Studies on preservation of soy sauce(VI). Enzymatic decomposition of L-aspartic acid in soy sauce by Lactobacilli. Hakkokogaku 45:312-319
  9. Ha ES. 2017. Physiological activities of ice plant and production of ${\gamma}$-aminobutyric acid from it using Lactobacillus plantarum. Master's Thesis, Gyeongsang Univ. Jinju. Korea
  10. Isato K, Kunio H. 2000. Change in ${\gamma}$-aminobutyric acid content during beni-koji making. Biosci Biotechnol Biochem 64:617-619 https://doi.org/10.1271/bbb.64.617
  11. Jang GY, Li MS, Lee SH, Woo KS, Sin HM, Kim HS, Lee JS, Jeong HS. 2013. Optimization of processing conditions and selection of optimum species for sweet potato chips. Korean J Food Nutr 26:565-572 https://doi.org/10.9799/ksfan.2013.26.3.565
  12. Jeon CP, Lee JG, Lee JB, Park SC, Choi CS, Kim JE, Kwon GS. 2012. Biological activities of fermented Dioscorea batatas Dence by two stage fermentation. Korean J Microbiol 48:29-36 https://doi.org/10.7845/kjm.2012.48.1.029
  13. Jeong DR. 2015. A study on the quality characteristics of fermented chestnut puree using lactic acid bacteria. Master's Thesis, Hoseo Univ. Asan. Korea
  14. Jin HS. 2001. Lactic acid fermentation of chestnut broth. Korean J Appl Microbiol Biotechnol 29:162-168
  15. Kim DC, Won SI, In MJ. 2015. Substitution effect of enzymatically hydrolyzed purple sweet potato powder on skim milk in yogurt preparation. J Appl Biol Chem 58:311-316 https://doi.org/10.3839/jabc.2015.049
  16. Kim DO, Jeong SW, Lee CY. 2003. Antioxidant capacity of phenolic phytochemicals from various cultivars of plums. Food Chem 81:321-326 https://doi.org/10.1016/S0308-8146(02)00423-5
  17. Kim GR, Yoon SR, Lee SW, Jeong MS, Kwak JY, Jeong YJ, Yeo SH Kwon JH. 2011. Analysis of the free amino acids and volatile: Flavor compounds in the commercial brown-rice vinegar prepared via static acetic-acid fermentation. Korean J Food Preserv 18:803-810 https://doi.org/10.11002/kjfp.2011.18.5.803
  18. Kim JS. 1995. Preparation of sweet potato drinks and its quality characteristics. J Korean Soc Food Sci Nutr 24:943-947
  19. Kim KE, Kim SS, Lee YT. 2010. Physicochemical properties of flours prepared from sweet potatoes with different flesh colors. J Korean Soc Food Sci Nutr 39:1476-1480 https://doi.org/10.3746/jkfn.2010.39.10.1476
  20. Kim NJ, Yoon KY. 2013. Qualities and antioxidant activity of lactic acid fermented-potato juice. J Korean Soc Food Sci Nutr 42:542-549 https://doi.org/10.3746/jkfn.2013.42.4.542
  21. Kim SM, Jung YJ, Pan CH, Um BH. 2010. Antioxidant activity of methanol extracts from the genus Lespedeza. J Korean Soc Food Sci Nutr 39:769-775 https://doi.org/10.3746/jkfn.2010.39.5.769
  22. Kim YH. 2016. Probiotics, prebiotics, synbiotics and human health. BT News 23:17-22
  23. Kim YS, Jo C, Choi GH, Lee KH. 2011. Changes of antioxidative components and activity of fermented tea during fermentation period. J Korean Soc Food Sci Nutr 40:1073-1078 https://doi.org/10.3746/jkfn.2011.40.8.1073
  24. Korean Food Industry Association. 2015. Korean Food Code. p.466
  25. Ku KM, Kim SK, Kang YH. 2009. Antioxidant activity and functional components of corn silk (Zea mays L.). Korean J Plant Res 22:323-329
  26. Kumaran A, Karunakaran RJ. 2007. In vitro antioxidant activities of methanol extracts of five Phyllanthus species from India. LWT-Food Sci Technol 40:344-352 https://doi.org/10.1016/j.lwt.2005.09.011
  27. Kurata R, Adachi M, Yamakawa O, Yoshimoto M. 2007. Growth suppression of human cancer cells by polyphenolics from sweetpotato (Ipomoea batatas L.) leaves. J Agric Food Chem 55:185-190 https://doi.org/10.1021/jf0620259
  28. Lee DH, Hong JH. 2016. Physicochemical properties and antioxidant activities of fermented mulberry by lactic acid bacteria. J Korean Soc Food Sci Nutr 45:202-208 https://doi.org/10.3746/jkfn.2016.45.2.202
  29. Lee HH, Kang SG, Rhim JW. 1999a. Characteristics of antioxidative and antimicrobial activities of various cultivars of sweet potato. Korean J Food Sci Technol 31:1090-1095
  30. Lee JC, Lee KS, Lee JK, Han KH, Oh MJ. 1999b. Preparation and characteristics of curd yogurt from milk added with purple sweet potato. Korean J Food Preserv 6:442-447
  31. Lee JS, Ahn YS, Kim HS, Chung MN, Jeong BC. 2006. Making techniques of hight quality powder in sweetpotato. Korean J Crop Sci 51:198-203
  32. Lee JS, Chung MN, Ahn YS, Kim HS, Song YS, Shim HK, Han SK, Kim JM, Suh SJ, Kim JJ, Jeong KH, Choi JS. 2013. A sweet potato cultivar 'jeonmi' for starch processing. Korean J Breed Sci 45:440-444 https://doi.org/10.9787/KJBS.2013.45.4.440
  33. Lee JS, Yoo SS. 2012. Quality characteristics of wet noodles added with purple sweet potato powder. J East Asian Soc Diet Life 22:489-496
  34. Lee MJ, Lee YG, Cho JI, Na KC, Kim MS, Moon JH. 2014. Antioxidative activity of cheonggukjang prepared with purple sweet potato. Korean J Food Sci Technol 46:224-230 https://doi.org/10.9721/KJFST.2014.46.2.224
  35. Lee YC, Hwang KH, Han DH, Kim SD. 1997. Compositions of Opuntia ficus-indica. Korean J Food Sci Technol 29:847-853
  36. Lee YM, Bae JH, Kim JB, Kim SY, Chung MN, Park MY, Ko JS, Song J, Kim JH. 2012. Changes in the physiological activities of four sweet potato varieties by cooking condition. Korean J Nutr 45:12-19 https://doi.org/10.4163/kjn.2012.45.1.12
  37. Mo EK, Kim SM, JeGal SA, Choi YS, Song CS, An SL, Lee MH, Sung CK. 2013. Quality characteristics of dinner roll added with lyophilized sweet potato powder and its effect on the blood glucose level. Korean J Food Sci Technol 45:40-46 https://doi.org/10.9721/KJFST.2013.45.1.40
  38. National Institute of Crop Science, Rural Development Adminstration. 2018. Development varieites. Available from: http://www.nics.go.kr/api/breed.do?m=100000128&homepageSeCode=nics [cited 26 July 2019]
  39. National Institute of Agricultural Sciences. 2016. Korean Food Composition Table. 9th ed. Rural Development Administration
  40. Oki T, Kano M, Watanabe O, Goto K, Boelsma E, Ishikawai F, Suda I. 2016. Effect of consuming a purple-fleshed sweet potato beverage on health-related biomarkers and safety parameters in Caucasian subjects with elevated levels of blood pressure and liver function biomarkers: A 4-week, open-label, non-comparative trial. Biosci Microbiota Food Health 35:129-136 https://doi.org/10.12938/bmfh.2015-026
  41. Park SJ, Kim JM, Kim JE, Jeong SH, Park KH, Shin MS. 2011. Characteristics of sweet potato powders from eight Korean varieties. Korean J Food Cookery Sci 27:19-29 https://doi.org/10.9724/kfcs.2011.27.2.019
  42. Parvez S, Malik KA, Kang SA, Kim HY. 2006. Probiotics and their fermented food products are beneficial for health. J Appl Microbiol 100:1171-1185 https://doi.org/10.1111/j.1365-2672.2006.02963.x
  43. Ra HN, Kim JS, Kim GC, Choi SY, Han SK, Chung MN, Kim KM. 2018. Nutrient components and physicochemical properties of Korean sweet potato according to cultivars. J Korean Soc Food Cult 33:597-607 https://doi.org/10.7318/KJFC/2018.33.6.597
  44. Re R, Pellegrini N, Proteggente A, Pannala A, Yang M, Rice-Evans C. 1999. Antioxidant activity applying an improved ABTS radical cation decolorization assay. Free Radical Biol Med 26:1231-1237 https://doi.org/10.1016/S0891-5849(98)00315-3
  45. Reddy LV, Min JH, Wee YJ. 2015. Production of probiotic mango juice by fermentation of lactic acid bacteria. Microbiol Biotechnol Lett 43:120-125 https://doi.org/10.4014/mbl.1504.04007
  46. Ryu EH, Chae KS, Kwon JW. 2018. Fermentation characteristics of mulberry concentrate by lactic acid bacteria isolated from mulberry and elderberry. Korean J Food Cookery Sci 34:598-606 https://doi.org/10.9724/kfcs.2018.34.6.598
  47. Siddhuraju P, Mohan PS, Becker K. 2002. Studies on the antioxidant activity of Indian Laburnum (Cassia fistula L.): A preliminary assessment of crude extracts from stem bark, leaves, flowers, and fruit pulp. Food Chem 79:61-67 https://doi.org/10.1016/S0308-8146(02)00179-6
  48. Singleton VL, Rossi JA. 1965. Colorimetry of total phenolics with phosphomolybdic-phosphotungstic acid reagents. Am J Enol Vitic 16:144-158
  49. Shim KH, Sung NK, Choi JS, Kang KS. 1989. Changes in major components of Japanese apricot during ripening. J Korean Soc Food Sci Nutr 18:101-108
  50. Song HN, Jung KS. 2006. Quality characteristics and physiological activities of fermented soybean by lactic acid bacteria. Korean J Food Sci Technol 38:475-482
  51. Song J, Chung MN, Kim JT, Chi HY, Son JR. 2005. Quality characteristics and antioxidative activities in various cultivars of sweet potato. Korean J Crop Sci 50:141-146
  52. Teow CC, Truong VD, McFeeters RF, Thompson RL, Pecota KV, Yencho GC. 2007. Antioxidant activities, phenolic and ${\beta}$-carotene contents of sweet potato genotypes with varying flesh colours. Food Chem 103:829-838 https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2006.09.033
  53. Woo KS, Ko JY, Kim HY, Lee YH, Jeong HS. 2013. Changes in quality characteristics and chemical components of sweet potatoes cultivated using different methods. Korean J Food Sci Technol 45:305-311 https://doi.org/10.9721/KJFST.2013.45.3.305
  54. Woolfe JA. 1992. Sweet Potato: An Untapped Food Resource. Cambridge University Press
  55. Yildirim A, Mavi A, Kara AA. 2001. Determination of antioxidant and antimicrobial activities of Rumex crispus L. extracts. J Agric Food Chem 49:4083-4089 https://doi.org/10.1021/jf0103572
  56. Yoshino M, Murakami K. 1998. Interaction of iron with polyphenolic compounds: Application to antioxidant characterization. Anal Biochem 257:40-44 https://doi.org/10.1006/abio.1997.2522