현대의 가공기술

인삼이란?

Home :: 인삼이란? :: 현대의 가공기술

현대의 가공기술

“현대의 인삼 가공기술”

생물전환반응(bioconversion)이란?

생체의 기능 또는 생체가 가지고 있는 생촉매의 기능을 이용하여 새로운 신 생물 제품을 생산하거나, 기존 화학 합성 공정에 의해 합성 및 생산되고 있는 기존화학제품을 신생물 제품으로 대체하고자 하는 기술을 말하다.,
Panax ginseng C.A. Meyer는 두릅나무과(Araliaceae) 인삼 속(Panax)식물에 속하는 다년생 반음지성 숙근 초로서 2,000여 전부터아시아, 러시아를 비롯하여 유럽에서도 진귀한 약재로 광범위하게 사용되어왔다.
인삼에는 인삼사포닌, 지용성성분, 함 질소화합물, 탄수화물, 비타민등 다양한 성분들이 존재한다.
대부분 인삼사포닌은 구조적으로 triterpenoid dammarane 골격에glucose, arabinose, xylose,rhamnose 등 당이 결합되어 생성된 배당체로서 인삼의 가장 중요한 약리 활성 성분으로 인정되고있다.
인삼사포닌은 자연계에 존재하는 다른 배당체 화합물과 마찬가지로major 사포닌의 당이 가수분해되어 만들어진minor사포닌이major 사포닌에 비하여 흡수나 약효 등에서 휠씬 뛰어난 효과를 나타낸다고 한다.
인삼사포닌은 화학공학기술의 발전에 따라 인공적인 합성을 위한 연구가 무수히 수행되었으나성공하지 못하고 있는 실정이다.
Minor인삼사포닌은 주로 화학적, 물리학적, 미생물학적이나 효소학적 방법으로 대량존재하는major 인삼사포닌의 변화로 만든다.
현재 인삼산업에서는 기존의 뿌리 삼 대신에 각 종 가공법에 의하여 효능이 증가되고 부가가치가 높은 인삼제품을 출시하고 있다. 가장 원조격으로 생각되는 홍삼은 증삼하여 말린 것으로 보관의 용이성도 있지만 열처리에 의하여 특수성분이 변환되어 더욱 더 많은 효과를 내기때문이다. 또한 인삼 산업은 각종 미생물을 이용한 발효처리 등을 통한 사포닌을 전환시킴으로서 더욱 더 효능이 증가된 인삼제품을 출시하고있다.

인삼사포닌의 분류

인삼사포닌은ginsenoside라고 불리우며, triterpenoid인oleanane 계 사포닌과dammarane type 사포닌으로 분류되며,dammarane type 사포닌은 다시protopanaxadiol 계 사포닌(PPD)과 protopanaxatriol 계 사포닌(PPT)으로 분류된다.
protopanaxadiol 계사포닌은 C-3, C-12, C-20에 수산기가 결합되어 있는 것으로ginsenoside Rb1,Rb2, Rc, Rd, Rg3, F2, Rh2, compound K(C-K), protopanaxadiol 등이 포함되고, protopanaxadiol 계사포닌은C-3, C-6, C-12, C-20에 수산기가 결합되어 있는 것으로 ginsenoside Re, Rg1,Rg2, Rf, Rh1, F1, protopanaxadiol 등의 사포닌이 포함되며, ginsenoside Rb1, Rb2, Rc, Rd, Re, Rg1 등 6종 사포닌이 백삼과 홍삼 중 전체 인삼사포닌의 90% 이상을 차지하고 있다.

Ginsenoside와 미생물대사

Ginsenoside(인삼사포닌)를 사람이 섭취했을 때 장내세균이 분비하는 효소의 작용으로glycoside결합은 끊어지고 체내로 흡수되어 혈액 이동을 통해 약리효과를 나타내게 된다. 그러나 식습관, 약물섭취, 스트레스 등으로 개개인에 따른 장내 환경이 판이하게 다르며, 그에 따라 배당체를 대사시킬 수 있는 능력 또한 사람마다 다르다. Yim 등은 실질적으로 같은 양, 같은 조성의ginsenosides를 섭취했다 해도 그 대사 되는 정도가 다르다는 것을 조사를 통해 입증하였다. 그러므로 이러한 이유로 인삼을 섭취 후 나타나는 효과의 정도가 개개인에 따라 차이가 생길 수밖에 없음을 추정할 수 있다.
일본의Kobashi 교수연구팀은Ginsenosides가 장내미생물에 의해 대사되어Compound K(C-K)로 전환되는 대사 계 를 규명한 바 있다.
장내 미생물은 이들 배당체를 기질로 하여 β-glucosidase 효소를 생산함으로 기질이 되는 배당체의glycoside 결합을 끊어서 ginsenosides Rb1을 F2, C-K와 protopanaxadiol까지 분해한다. PT계역시미생물이생산하는 효소의 작용을 받아Re에서Rg1과Rh1을 거쳐 기본골격인 protopanaxatriol로 분해된다.
한 연구에선 흰쥐에ginsenosides Rb1을 경구 투여하면 혈액과 소변 중에는 Rb1의 농도가 증가하는 대신 이의대사체인 C-K가 증가 한다고 보고하였고, 그 외에도 ginsenosides를 경구 투여한 실험을 통해 실제 흡수 되서 약효를 나타내는ginsenosides는 비극성이 큰 배당체의 형태임을 밝힌바있다.
그러나 김 등의 연구에 의하면 98명 한국인의 장내 미생물로 Rb1을 대사시켰을 때, 그중 20% 가량의 조사대상자가 ginsenosides의 대사능력이 없거나 현저히 떨어지는 것으로 보고한바있다. 이렇듯 개인에 따른 유효 약리 성분의 대사정도가 다양하기 때문에 효능발현의 차이도 다양해지는데, 약효 발현을 위해 발효기법을 도입하면, 이미 발효에 의해 흡수가 용이한 비 극성 대사체의 형태로 ginsenosides 조성을 바꾼홍삼을 먹음으로 약효발현의 개인차는 줄고 발현 정도는 극대화 시킬 수 있다는 가설이 가능해진다.

Bio-conversion에 의한 인삼사포닌 변환사포닌의 효능

인삼사포닌은암세포의사멸과암세포의분화촉진, 신생혈관 형성억제, 암세포 침윤억제 및 신체 면역력 증가와 암세포로 하여금 항암제에 대한 민감성을 높이는 등 다양한 방법으로 항암 및항암 전이 효과를 나타낸다.
일찍이Odashima 등은ginsenoside Rh2는 체외에서 폐암 세포, B-16 악B성세포와 HELA의 증식을 억제한다고 보고 하였고, Park 등 P과 Tatsuka 등은 ginsenoside Rh2가 암 세포의 사멸을 유도하고, Kim 등K은 ginsenoside Rh2와Rh1에서암세포의 분화를 유도한다고 보고하였다. Park 등P은ginsenoside Rh2와
Rh1이 암세포의 침윤에 중요한 역할을 하는 MMP-9 유P전자의 발현을 현저하게 감소시켜 항암 전이효과를 나타낸다고 보고하였고, Lee 등 L은 compound K가 체외에서 백혈병, 폐암세포,위암세포, 간암세포의 증식억제 효과 및 골수암 세포의 사멸유도 효과를 보고하였고, Jin 등 J은 protopanaxadiol의 HeLa 암세포 증식 억제 효과에 대해서 보고하였다. Tao 등은 ginsenoside Rg3가 신생 혈관 형성 억제를 통하여 위암의 생장과 암전이 억제작용을 한다고 보고하였다. 또한 면역 기능 증강에 대한 연구도 진행되었는데, Wang과Meng은 마우스에 ginsenoside Rg3를 처리하여 면역기관의 중량, 혈청 중 hemolysis의 농도, 림프세포증식, NK 활성 등의 측정을 통하여 면역기능 증강 작용을 확인하였고, Xu 등X, Gao 등G, Zhang 등은 ginsenoside Rg3가 암 세포로 하여금 방사선치료약물에 대한 민감성을 높이고 신체면역력을 증가시켜 수명을 연장시키고 삶의 질을 향상시킨다고 보고하였고, Guo 등은
ginsenoside Rh2의 구조 수식을 통하여 합성한 유도체물질의 농도에 따라 마우스B 림프구 세포의 증식을 현저하게 촉진하고, NK세N포의 살상 작용을 월등하게 증가시키며, 대사기능을 증가 시켰다고 보고하였다. 특히 변환사포닌의 신경 보호 작용 및 기억 개선효과도 보고 되었는데, Li 등 L은 ginsenoside Rg2가 항산화와glutamate 유발 신경세포 손상을 현저하게 감소시킨다고 보고하였고, Kim 등 K은 homocysteine에의해 유발된 마우스 해마 신경세포의 흥분독성에 대한 ginsenoside Rg3의 신경 보호작용을 보고하였으며, Tian 등 T, Park 등 P은 ginsenoside Rg3와Rh2가 뇌허혈로 인한 쥐의 뇌손상에 대하여 신경보호작용을 한다고 보고하였다. 또한 Zhang 등 a 은 ginsenoside Rg3의 알콜로 인한 기억 감퇴 개선 효과를 보고하였고, Li 등은 ginsenoside Rg2의 치매 치료효과를 보고하였다.
이외에 compound K, ginsenoside Rh2, Rh1 등은 항알러지 작용을 나타내고, ginsenoside Rg3 혈소판응집억제효과, 대동맥혈류개선효과, 항주름효과등 다양한 효능 연구를 찾아볼수있다.
발효 전후에 인삼으로 부터 분리한 ginsenosides 의 암세포증식억제효과를 관찰하신 등의 연구결과이다. 대사전의 ginsenosides 인 Rb1과 Rb2의 경우, 암세포의 수를 줄이는데 크게 기여하지 못했으나, 대사후의 ginsenosides Rh2나CK를 첨가했을때는 암세포의 수가 현저하게 감소되는 효과를 보여 주고 있다. 이는 기존에 암을 유발한 동물실험에서 ginsenosides를 섭취시켜 나타난 항암효과가 대사전의 ginsenosides가 아닌 그 대사체에 의해 나타남을 추측 할 수 있다.

Bio-conversion기술을 이용한 인삼 사포닌의 장점

인삼, 홍삼성분의 고분자 및 배당체 형태를 저분자화 하고 비배당체로 전환시켜 흡수율을 높이고, 독성은 낮추며, 생리활성을 높임으로 인체 내에서 활용되어, 체력증진, 원기회복, 자양강장, 혈행 개선 등에 도움을 줄 수 있다.
특히, 인체에 무해한 균주를 이용하여 과학적인 방법으로, 기존의 재래식 증숙 방법과는 달리 사포닌의 성분 전환을 표준화하였다. 특히 재래식 증숙방법에서는 많이 전환되지 않는 Compound K, Rh1, Rh2등의minor 인삼 사포닌성분은 최근 국제적인 논문에서도 그 유용성이 높은 것으로 많이 알려져있으며, Bio-conversion을 이용한 방법에서는 그러한 유용성이 높은 minor 인삼 사포닌이 많이 생성되는 것을 알 수있다.

인삼사포닌의 전환 방법

인삼사포닌은 구조적으로 당부분 과 비당 부분 즉 비당체 부분으로 나뉘며 ginsenoside Ro를 제외한 기타 인삼사포닌의 비당부분은 다시 4환성 고리부분과 측쇄부분으로 나눌 수 있다.
인삼사포닌의 당 부분에는 주로glucose, arabinose, xylose, rhamnose 등 당이ether 결합을 하고있고 당과aglycone의결합에는glc(1-3)C, glc(1-6)C, glc(1-20)C 결합이 포함되고 당과 당사이의결합에는glc(2-1)glc, glc(6-1)glc, glc(6-1)ara,glc(6-1)rha, alc glc(6-1)xyl 등 결합이 포함되어 있으며, 측쇄
부분에는 이중결합이 포함되어있다. 인삼사포닌의 구조에 있어서 고리부분은 상대적으로 화학적성질이 안정한데비해,당부분과 측쇄부분은 모두 화학반응이 잘 일어나는 부위로 minor 인삼사포닌 생산에서 특히 측쇄 부분에 의한 부 반응 감소가중요하다.

산에 의한 인삼사포닌 전환

산에 의한 가수분해는 인삼사포닌의 전환에서 가장 많이 사용되는 방법 중의 하나로 인삼사포닌은 산의 촉매작용 하에서 쉽게 당 가수분해가 일어난다.
6종 major 인삼사포닌에는 ginsenoside Rg1을 제외하고 3개 혹은 3개 이상의 당이 결합되어있으며, 당의종류, 위치 및 당과 당사이의 결합방식이 서로 다를 뿐만 아니라 측쇄부분에는 반응성이 아주 높은 이중 결합을 함유하고 있다. 화학촉매는 효소의 촉매작용과 달리 한가지 촉매가 많은 유형의 반응을 촉매 할 수 있다. 따라서 major 인삼사포닌에 산을 처리하면 당의 가수분해반응에 의하여 다양한 인삼사포닌으로 전환 될 뿐만 아니라 이중 결합에 의해 쉽게 첨가반응, 산화반응, cyclization 등 부반응이 일어날 수 있고, C-20에연결된 당이 전부 가수분해되어 수산기로 치환이 될 경우 쉽게 epimerization 반응 및 탈수반응이 일어나 사포닌의 선택적 가수분해에 매우 큰 어려움을 준다.

염기에 의한 인삼사포닌 전환

염기에 의한 인삼 사포닌의 가수분해는 전형적인 칙핵성 2분자 반응이 특징이지만 당부분에서 입체구조의 반적이 생기고 인삼사포닌은 입체구조를 그대로 유지시켜 S-form만 생성이 된다.
염기 가수분해는 산 가수 분해에 비하여 측쇄에 의한cyclization, epimerization 등 부반응을 많이 감소시킬 수 있지만, 높은 반응온도, 고농도의 강염기를 필요로 하므로 가수분해 산물 뿐만 아니라 측쇄에 의한 기타부반응(탈수반응, 산화반응 등)이 많이 진행되어 가수분해의 선택성이 떨어지는 동시에 환경오염을 유발시킬 수 있다.

효소와 미생물에 의한 인삼사포닌 전환

효소는 단백질의 일종으로서 생체 내에서 일어나는 각종 화학 반응을 촉매하는 역할을 한다. 효소는 화학적 촉매의 비 특이적특성, 즉 한 분자 내에서 많은 반응을 동시에 촉매하여 부산물을 많이 형성하는 성질과는 달리 정해진 물질 혹은 그 것과 유사한 구조를 가진 물질에만 특이적으로 작용하여 높은 반응 선택성을 나타내는 동시에 상온과 상압 및 중성에 가까운 pH에서 반응을 진행할 수 있어 높은 효율성을 나타낸다.
β-glucosidase는 당을 가수분해하는 효소로 주로 아래와 같은 두 가지 가수분해 기작, 즉 구조반전(inversion, )과 구조유지(retention)의)방식에 따라 반응을 촉매 한다.
β-glucosidase의 촉매 활성부위는 두 개의 카르복실기로서 두 작용기 사이의 거리가 약10Å 일 때에는inversion 기작의 형식으로 가수분해가 일어나고 거리가약5.5Å 일 때에는 retention 기작의 형식으로 가수분해를 진행한다. 효소에 의한 당의 가수분해에서 구조유지와 구조반전은 염기 가수분해와 마찬가지로 모두 당부분에서 일어나고 비 당체부분은 원래의
구조를 유지한다.
효소에 의한 인삼사포닌의 전환은 직접 미생물을 사용하거나 또는 미생물로 부터 분리한 효소를 이용하며 미생물은 주로
곰팡이나 세균, 그 중에서도 장내세균에 의한 전환이 많이 연구 되어오고 있다.

인삼 사포닌전환에 이용되는 미생물 균주들

일반적으로 인삼사포닌전환에 이용되는 미생물은 크게 세균류와 진균류(담자 균과 자낭균 류)로 나눌수있다. 최소한의 안전성 확보차원에서 발효에 이용되는 세균은 주로 유산균이나 Bacillus sp.등과 같이 사람이나 발효식품 유래의 종류들이,진균류로는 황국균 등과같이 발효식품 유래의 곰팡이나 식용버섯의 균사들이 주로 사용 되고 있다. 발효 미생물로서 세균의 가장 큰 장점은 다른 미생물에 비해 발효에 걸리는 시간이 짧고, 단 세포생물체로서 비교적 생활사가 간단 하다는 것이다.
실제로 현재까지 발효실험에 이용되는 균주의 대부분이 유산균류인 것도 같은 맥락에서 이야기 되어질 수 있다. 현재 생활사가 비교적 간단하여 품질관리가 용이하고 발효시간이 짧게 걸리는 세균류에 대한 연구가 중점적으로 이뤄지고 있으나 일부 진균류를 이용한 발효인삼의 효능 평가도 검토된 바 있다. 또
한국내 특허에서 살펴보면 인삼과 번데기를 혼합한 배지에서 동충하초를 배양하는 기술, 상활버섯 균사배양을 통한 ginsenosides 조성 전화기술을 찾아 볼 수 있다.
그러나 진균류의 경우, 발효에 걸리는 시간이 길고, 특히 버섯류의 경우 자실체로 ginsenosides 성분이 전이되는 확률이극히 낮은 것으로 알려져 있어 버섯 균을 이용한 연구는 균사체 위주로 진행되고 있다. 진균 특히 버섯 균사를 이용한 발효는 빠른 결과를 얻을 수 있는 세균을 이용한 연구와는 달리 배양시간은 오래 걸리나 버섯이 갖는 효능성분까지도 함유 시킬 수 있어 더욱 복합적인 소재를 만드는 일 가능할 수 도 있다. 그러나 균사에 대한 식용여부가 불투명한 종이 많으므로 안전성에 대한 검증이 재고 되야 한다.

효소 및 미생물에 의한 인삼사포닌 전환 메커니즘

Cheng 등은 인삼 밭 토양으로부터 분리한 A균주로 ginsenoside Rb1을Rd, F2, compound 로 전환시켰고, Son 등은 B균주로 ginsenoside Rb1을ginsenoside Rd로 전화시켰다.
Hasegawa 등은 장내C균주로ginsenoside Rb1이 compound K로 전환되는 것을 발견하였으며, Sung 등S은ginsenoside Rb1, Rb2, Rc, Re, Rg1이 장내D균주에 의해 각각 ginsenoside Rb1 → Rd → F2 → compound K, Rb2 → compound O ⇒ compound Y → compound K, ginsenoside Rc → Mc1 → MC → compound K 순으로 분해 된다고 보고하였으며,Shin 등은 장내E균주를 이용하여ginsenoside Rg5를Rh3로
전화시켰다. 또한Bae 등은20(S)- 및(20(R)-Rg3을 장내F균주로 각각20(S)- 및20(R)-Rh2로 전환시켰고, Choi 등은 장내G균주를 이용하여ginsenoside Rb1, Rb2, Rc를Rd, F2를거쳐 compound K로, ginsenoside Re는 Rg2를 거쳐 Rh1으로 전환된다고 보고하였다. 곰팡이에 의한 인삼사포닌의 전환에서 Kim 등은H균주의 효소를 이용하여 ginsenoside Rb1을 Rd로 전환하였고, Yu 등은I균의multi-glucosidase를 이용하여 ginsenoside Rb1, Rb2, Rb3, Rc, Rd를 모두 F2를 거쳐 compound K로 전환시키는 동시에ginsenoside Rg3를 Rh2로 전환 하였으며, Chen 등은 J균주를 이용하여 ginsenoside Rg1, Re를 Rginsenoside Rh1, Rh4, Rg2 등으로전환시켰다. Ko 등은 K균주에서 분리한 효소를 이용하여PPT type 사포닌을ginsenoside Rg2, Rh1으로 전환시켰으며, L균주로부터 분리한 효소를 이용하여ginsenoside Re, Rg1, Rg2, Rh1, F1으로Rf, Rg1 및Rg2를 Rh1으로 전환시켰다. 또한 버섯균사체를 이용하여 ginsenoside Rb1을Rd로 전환하였다. 또한N사는 자체 변형균주를 이용하여 ginsenoside Rb2, Rg1을 Rg2, Rg3, F2로 전환 시켰으며, 대부분의 발효 인삼사포닌 제품이 건강 기능성식품 기준이되는 Rb1과 1Rb2의 값이 낮아서 판매가 되지 못하는 실정
에 비해 Rb1의 이용을 최소화하여 전환이 이루어지기 때문에 향후 인삼사포닌전환에 유용하게 이용될 것으로 기대된다.

Bio-conversion을 이용한 인삼사포닌 제품 국내 산업 동향

요쿠르트나 김치, 술 발효의 부원료로 인삼이 첨가되었을 때 발효에 미치는 영향이나 그 기호도를 평가하는 연구가 주류 였던 반면, 약물대사에서 장내 미생물의 역할이 밝혀진 이후, 배당체를 비당체로 전환시키는 생물 전환 기술이 각광 받게 되었고, 이를 이용한 발효기술 도입이 적극적으로 검토되어졌다.
경희대 약학대학 김동현 교수 연구팀은 한국인의 장내에서 분리한 유산균 중 PD계 ginsenosides의 C-K 전 K환율이 높은 균주를 분리하여 2002년(주)구안산업을 통해 제품으로 선 보였다.
생약 발효연구소 김재백 소장과 일본의 하세가와 박사팀은 장내에서 ginsenosides대사와 밀접한 연관을 갖는 Prevotellaoris균주를 분리하여 하세가와 주로 명명, 인삼발효에 적용한 상품을 원광제약을 통해 선보였다.
(주)비피도에서는“Probiotic 유산균을 이용하여 인삼사포닌의 전환연구”를 수행 한바있으며, 그 외에도(주)일화의“비삼”등의 발효 인삼제품이 산업화되어 생산·판매되고 있다.
이들 발효 인삼제품의 특징은 ginsenosides 대사가 가능한 균주를 선별하여 발효에 적용함으로, 항암, 치매억제, 면역 증강에 유익한 활성이 있다고 알려진Rh1, Rh2, Rg3와 같은 저분자 당류 생산과 관련된 효소 ginsenosides 대사체나 C-K 함량 증가라는 분명한 조성변화를 내세우고 있다는 것이다.
미생물을 이용한 발효기법 외에도 미생물이 생산하는 β-glucosidase를 분리, 적용한 생물전환 기법으로 녹십자 상아 제약의“어삼”, 일동제약의“황삼”과 같은 제품도 현재 시판되고 있다.
현재 발효 인삼사포닌 시장은 꾸준히 성장하여 무수한 제품들이 쏟아져 나오고 있다.

Bio-conversion을 인삼사포닌 연구 전망

이미 발효 인삼사포닌제품들이 시중에 유통되고 있기는 하나 향후 해결해야 할 숙제는 많다. 우선 미생물 선택에 있어서 유의해야할 점은 모든 미생물이ginsenosides를 대사시킬 수 있는 것이 아니란 점이다.
인삼을 요쿠르트에 첨가해서 유산 발효시켰을 때, 인삼에 의해 유산균 증식 효과라든지 여타의 효과는 기대할 수 있겠지만 그렇다고 그 요구르트가 반드시 C-K나Rg3의 함량이 증가된 상태는 아닐 수 있음을 구분해야 한다는 것이다.
같은 종이라고 해도 이용된 미생물의 특성에 따라 ginsenosides의 대사가 이뤄지지 않거나, 이뤄진다 하더라도 대사율에 현저한 차이를 보이게 되기 때문이다. 그러므로 연구 개발된 발효 인삼제품이 신뢰성을 갖기위해서 우선, 현재 집중되어있는 발효인삼의 효능에 관한 연구 뿐 아니라, 발효로 인해 대사됐을 ginsenosides profile 특성 역시 객관적인 자료로 제시되어 소재에 대한 신뢰성을 유지하기위한 꾸준한 노력이 필요하다.
두 번째는 발효 전후의 인삼 조성 변화에 대한 다양한 고찰이 필요하다. 미생물 발효에 있어 영향 받는 부분은 ginsenosides만이 아니므로 발효조건에 따라 산성 다당체, 지용성성분, 함질소화합물 등의 유효 성분들이 가감되거나 변화되는 부분 또한 관찰되어야한다. 이러한 연구가 거듭되면서 인삼약효를 최대화 할 수 있는 효율적인 발효기법에 대한 연구내용이 축적 되어질 것이다.
끝으로 단일성분을 이용한 효능 평가도 다양한 방면에서 계속 되어야 겠지만 발효인삼에 대한 실질적인 효능 평가도 이뤄져야한다. 물론 인삼자체 외에도 미생물 균체라는 변수가 개입하는 다소 복잡한 실험 디자인이 되겠지만 그렇지 않고서는 발효 인삼사포닌의 효과는 이론적인 수준에 그칠 것이기 때문이다.