알칼리 가수분해에 따른 보리 ${\beta}$-glucan의 이화학적 특성변화를 살펴보기 위하여 새쌀보리, 새찰쌀보리 및 흰찰쌀보리에 0.2~1.0 N NaOH를 처리하였으며, 총 및 수용성 ${\beta}$-glucan의 함량 및 순도, 수용성 ${\beta}$-glcuan의 분자량, 점도 및 재용해율을 살펴보았다. 3품종 보리의 총 ${\beta}$-glucan 함량은 7.77~8.40% 범위이었으며, 알칼리 가수분해 농도가 증가함에 따라 6.89~7.54% 범위로 감소하였다. 수용성 ${\beta}$-glucan의 함량은 무처리의 4.16~4.80% 범위에서 알칼리 가수분해 농도가 증가함에 따라 4.30~4.82% 범위로 유의적인 차이가 없었다. 수용성 ${\beta}$-glucan의 순도는 3품종 모두 30.91~35.79% 범위이었으나, 알칼리 가수분해에 의해 74.02~81.41%까지 증가하였다. 분자량은 메성보리보다 찰성보리가 더 컸으며, 알칼리 가수분해 농도가 증가함에 따라서 크게 감소하였다. ${\beta}$-Glucan 수용액의 점도는 알칼리 가수분해 농도가 증가함에 따라 감소하였으며, 메성보리보다 찰성보리가 높았고, 흰찰쌀보리보다 새찰쌀보리가 높았다. 재용해율은 무처리의 50~55% 범위에서 알칼리 가수분해 농도가 증가함에 따라 증가하여 1.0 N NaOH 처리구에서 80.00~87.66% 범위로 증가하였다.
보리로부터 분리한 ${\beta}$-glucan이 메성 및 찰성 보리전분의 호화 및 겔화시의 동적점탄성에 미치는 영향을 조사하였다. 호화시 ${\beta}$-glucan의 첨가는 찰성전분에 대해서는 거의 영향을 미치지 않았지만 메성전분의 동적점탄성에는 상당한 영향을 미쳐 호화개시온도가 높아졌으며, $80{\sim}90^{\circ}C$의 온도범위에서 저장탄성율과 손실탄성율이 크게 증가하여 저장탄성율의 경우 $90.7{\pm}0.7^{\circ}C$에서 peak를 나타내었다. 겔화과정 중 메성전분은 ${\beta}$-glucan의 첨가에 의해 겔 형성 속도가 상당히 빨라졌고 전분 및 amylose의 회합을 방해하여 network 구조를 약화시키는 것으로 나타났으나 amylose와 ${\beta}$-glucan 사이에 특이한 상호작용은 존재하지 않는 것으로 판명되었다. 한편 찰성전분의 경우에는 ${\beta}$-glucan 첨가에 의해 겔화 양상이 거의 영향을 받지 않는 것으로 나타났다.
${\beta}$-Glucan이 보리 전분의 호화양상에 미치는 영향을 조사하였다. RVA 분석에 의하면 ${\beta}$-glucan의 첨가에 의해 전분은 RVA 상에서의 호화개시가 빨라지고 점도가 크게 증가하는 것으로 나타났다. 또한 DSC 분석 결과 ${\beta}$-glucan 첨가에 의해 전분입자가 안정화되어 전분의 호화개시 및 peak 온도가 증가하였으며, X-선 회절 양상 결과에서도 ${\beta}$-glucan 첨가에 의해 전분의 결정성이 증진되어 DSC 분석과 동일한 결과를 나타내었다. 그러나 ${\beta}$-glucan 첨가는 전분의 호화과정 중의 전분입자의 형태 및 amylose, amylopectin의 용출양상과 팽윤력, 용해도 등의 호화시 발생하는 특성의 변화에는 거의 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
미생물 발효로 제조한 ${\beta}$-glucan을 밀가루의 3, 6, 9%를 대체 첨가하여 반죽의 물리적 특성으로 farinograph, amylograph를 분석하였고, 제빵에 미치는 영향으로 식빵의 부피 및 비용적, 수분함량, 조직감, 관능검사 등을 분석하였다. Farinograph에서 ${\beta}$-glucan 첨가량이 많을수록 흡수율이 높았고 특히 9% 첨가구는 대조구에 비하여 13% 정도 높았다. 첨가량이 많아짐에 따라 반죽형성시간도 증가하였으나 안정도는 감소하였다. Amylograph 분석에서 첨가량에 관계없이 호화온도와 최고점도온도에는 영향이 없었으나 최고점도는 첨가량이 증가할수록 감소하였다. 식빵의 부피와 비용적은 첨가량이 증가함에 따라 다소 감소하는 경향을 보였다. 수분함량은 시험구들이 대조구보다 높았고 6% 첨가구에서 가장 높았다. 식빵의 조직감도 6% 첨가구가 가장 부드러운 것으로 나타났고, 관능검사의 전체적 품질에서 3%와 6% 첨가구는 대조구와 유의적 차이가 없었으나 9% 첨가구는 대조구보다 낮은 점수를 얻었다. 따라서 건강 기능성 식빵을 제조하는데 미생물 발효로 얻은 ${\beta}$-glucan을 6%까지는 첨가가 가능한 것으로 나타났고 향 후 케이크나 쿠키 등에도 응용이 가능하리라 생각된다.
진균류 유래의 ${\beta}$-glucan은 pathogen-associated molecular patterns의 일종이기도 하며 면역촉진과 항암작용을 나타냄이 알려져 있지만 세포 내 신호전달에 관해서는 알려진 바가 많지 않다. 대식세포주인 RAW264.7 세포에 불로초에서 추출한 ${\beta}$-glucan을 처리하였을 때 세포막에서는 덱틴-1, toll-like receptor 2, 4, 6의 발현이 증가되었으며, 세포 내에서는 macrophage inflammatory protein (MIP)-1a, MIP-$1{\beta}$, MIP-$1{\gamma}$, IL-$1{\beta}$ 그리고 tumor necrosis factor (TNF)-${\alpha}$의 발현이 증가되었다. 또한 대식세포주에 불로초의 ${\beta}$-glucan과 PI3K 또는 MEK1/MEK2 억제제를 각각 처리하였을 때에 세포 내의 MIP-1a, MIP-$1{\beta}$, MIP-$1{\gamma}$, interleukin-$1{\beta}$, TNF-${\alpha}$의 발현이 감소되었다. 따라서 불로초의 ${\beta}$-glucan은 대식세포에서 MyD88의 경로인 PI3K/Akt를 경유할 뿐만 아니라 MEK 경로를 활성화시킴으로써 다양한 면역조절작용이 가능한 것으로 여겨진다.
보리를 thermostable ${\alpha}-amylase$와 amyloglucosidase로 처리하여 ${\beta}-glucan$을 제조하였으며 이를 정제한 후, 보리 ${\beta}-glucan$의 여러가지 리올로지 특성치들을 측정하였다. 본 실험에서 제조한 ${\beta}-glucan$의 함량은 64%이었다. crude한 시료를 정제과정을 통해 순수한 ${\beta}-glucan$을 얻었으며 순수한 ${\beta}-glucan$의 고유점도는 2.290 dl/g 이었다. pH 의존성은 pH 7일 때, 고유점도가 2.290 dl/g로 최대값을 나타냈으며, 산성과 알칼리성이 강할수록 낮은 값을 보였다. 산성보다는 알칼리성이 pH 의존성이 크게 나타났다. 염농도의존성에서는 염을 가하지 않았을 때 보리 ${\beta}-glucan$의 고유점도는 2.290 dl/g이었으나, 염존재하에서는 고유점도가 급격히 감소하는 염농도의존성을 나타냈다. 10% glycerol 용액에서 보리 ${\beta}-glucan$의 고유점도는 1,360 dl/g이었으며 8 M urea 용액에서 고유점도는 4.114 dl/g로 나타났고, urea 제거후의 고유점도는 1.686 dl/g로 낮은 수치를 나타냈다. Chain stiffness는 0.05이었으며 온도에 대해서는 매우 안정하였다. Zero shear specific viscosity에서는 $C{\cdot}[{\eta}]=0.573$이었으며, specific viscosity는 0.327로서 0.573 g/dl농도 이상에서 entanglement가 시작되며, 보리 ${\beta}-glucan$의 농도의존성은 1.0 g/dl, 2.0 g/dl 농도용액에서 newtonian fluid 성질을 나타냈고, 3.0 g/dl 농도 이상일 때는 pseudoplastic behavior를 보여주는 동시에 thixotropic hysteresis가 일어나는 특성을 보였다. Dynamic 성질로서는 4.0 g/dl 용액에서 damping이 0.5 frequency에서 나타나며, 0.5 frequency 이하일 때는 viscous behavior 성질이 있고 0.5 frequency 이상일 때는 elastic behavior 성질을 나타냈다.
This research analyzed the effect of ${\beta}$-glucan that is expected to alleviate the production of the inflammatory mediator in macrophagocytes, which are processed by the lipopolysaccharide (LPS) of Escherichia. The incubated layer was used for a nitric oxide (NO) analysis. The DNA-binding activation of the small unit of nuclear factor-${\kappa}B$ was measured using the enzyme-linked immunosorbent assay-based kit. In the RAW264.7 cells that were vitalized by Escherichia coli (E. coli) LPS, the ${\beta}$-glucan inhibited both the combatant and rendering phases of the inducible NO synthase (iNOS)-derived NO. ${\beta}$-Glucan increased the expression of the heme oxygenase-1 (HO-1) in the cells that were stimulated by E. coli LPS, and the HO-1 activation was inhibited by the tin protoporphyrin IX (SnPP). This shows that the NO production induced by LPS is related to the inhibition effect of ${\beta}$-glucan. The phosphorylation of c-Jun N-terminal kinases (JNK) and the p38 induced by the LPS were not influenced by the ${\beta}$-glucan, and the inhibitory ${\kappa}B-{\alpha}$ ($I{\kappa}B-{\alpha}$) decomposition was not influenced either. Instead, ${\beta}$-glucan remarkably inhibited the phosphorylation of the signal transducer and activator of transcription-1 (STAT1) that was induced by the E. coli LPS. Overall, the ${\beta}$-glucan inhibited the production of NO in macrophagocytes that was vitalized by the E. coli LPS through the HO-1 induction and the STAT1 pathways inhibition in this research. As the host immune response control by ${\beta}$-glucan weakens the progress of the inflammatory disease, ${\beta}$-glucan can be used as an effective immunomodulator.
$\beta$-Glucan을 경구 혹은 침지투여하여 조피볼락(Sebastes schlegeli)의 비특이적 방어기작을 향상시켜 세균성 질병에 대한 저항성을 증가시키는 면역자극제로서의 효과를 알아보고자 하였다. $\beta$-Glucan을 사료에 섞어 경구투여하거나 혹은 사육수에 현탁시켜 침지투여한 후 Vibrio ordalii, Staphylococcus epidermidis 및 Edwardsiella tarda를 주사하여 인위감염으로 $\beta$-glucan의 효능을 시험하였다. V. ordalii를 주사한 결과, 1% $\beta$-glucan을 30일 동안 경구투여한 시험구는 25%의 생존율을 보였으나 $\beta$-glucan을 투여하지 않은 대조구는 3일 이내에 모두 폐사하였다. S. epidermidis를 주사한 결과, 20 및 30일 경구투여구는 95%의 높은 생존율을 보였다. 그러나 E. tarda의 인위감염시 전혀 방어효과가 없었다. V. ordalii 사균혼합구 혹은 단독 침지 시험구는 주사 후 10일 동안 전혀 방어효과가 관찰되지 않았다. 이러한 결과로 볼 때 $\beta$-glucan의 경구투여는 S. epidermidis와 V. ordalii에 효과적이나 E. tarda에는 방어효과가 없는 것으로 나타났다.
한국산 메기(Silurus asotus)에 $\beta$-glucan을 복강내에 접종한 후, 경시적으로 말초혈액중의 호중구의 수와 PAS반응의 변화, 호중구의 탐식능 및 혈청중의 리소자임의 활성변화를 지표로 비특이적방어능력의 증강유무를 조사하였다. 글루칸의 투여후 말초혈액중의 호중구수를 증가시켰으며 투여회수에 따라 2회 접종한 경우 호중구의 증가가 지속되는 기간이 1회 접종어보다 길게 나타났다. 그러나 호중구의 PAS반응에는 변화가 없었다. 또 탐식율도 현저하게 증가하였지만 탐식지수는 변화가 없었다. 리소자임의 활성은 2회 접종시만이 현저히 증가하였으나 1회 접종시에는 활성의 증가가 없었다. 그러므로 $\beta$-glucan의 투여는 말초혈액중의 호중구수와 탐식능의 증가 및 리소자임 활성의 증가등 비특이적방어인자의 활성을 증가시켜 어체를 방어하는 능력을 증강시키는 것임을 알 수 있다.
항암, 항콜레스테롤, 항산화 및 면역증가 효과와 피부재생 효과 등 여러 가지 생리활성이 밝혀지고 있는 ${\beta}-1,3/1,6-glucan$은 크게 식물성 유래, 효모 및 곰팡이, 버섯유래의 것으로 등으로 분류할 수 있다. 본 연구에서는 이처럼 다양한 효능을 나타내는 버섯균사체로부터 ${\beta}-glucan$를 다량함유하고 보다 쉽게, 대량으로 생산하기 위한 일환으로 연구를 하였다. 이때 고분자 중합체인 ${\beta}-glucan$을 분리하여 핵자기 공명분석기로 분석한 결과 ${\beta}-1,3-$ 및 ${\beta}-1,6-$결합이 혼재되어 있는 ${\beta}-1,3/{\beta}1,6-glucan$의 전형적인 구조임을 확인 할 수 있었다. 또한 ${\beta}-1,3/{\beta}1,6-glucan$의 함량을 gel permeation chromatography으로 분석한 결과 $766{\pm}0.19$ mg/g 함유되었음을 확인 할 수 있었다. 또한 항생재 내성균주인 MRSA의 항균효과를 측정한 결과 MIC가 18mg/mL임을 확인 할 수 있었다. 이 연구결과는 통하여 효과적인 생산방법과 효능을 접목시켜 보다 저렴한 생산비로 대량 생산할 수 있는 방법을 개발할 수 있을 것으로 사료된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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