메밀화분의 성분 특성 및 항산화 활성

서 론

국내의 양봉산업은 2015년 기준으로 약 2만 농가에서 180만개의 봉군을 사육하여 연간 4,000억원의 소득을 올리며, 이중 약 60% 이상을 꿀 생산에 의존하고 있다(농림축산식품부, 2016). 양봉산물 중 화분은 탄수화물, 지방, 비타민, 무기질 등의 영양성분이 풍부하여 꿀벌의 유충과 성충의 단백질원으로 이용되며 또한 로열젤리(royal jelly)의 원료이다. 동의보감에는 송화분 등 31종의 화분에 대한 소개와 심장, 혈관 및 순환계, 소화기계, 비뇨생식기계, 피부과계 등 다양한 질병에 대한 효과가 기록되어 있다(유, 1988). 최근에는 산림출입이 어렵고 인건비가 비싸서 예전처럼 꽃에서 화분을 직접 수집하지 못하고 벌이 모아오는 꿀벌화분을 이용한다. 벌화분(bee pollen)은 일벌이 어린 벌에게 먹이기 위해서 다리에 묻혀오는 화분에 꿀과 효소가 혼합되어 경단처럼 뭉쳐진 덩어리로 일반 화분보다 오래전부터 자연 건강식품으로 이용되어 왔다(Todd and Bretherick, 1942; 정 등, 1984).

생활환경과 식생활 등의 변화로 심혈관계 질환과 내분비계 질환인 당뇨병 등 성인병이 증가하는 추세이다(Zhang et al., 2008). 노화와 질병의 원인은 다양하지만 일반적으로 생체내의 산화적 스트레스에 의해 생성되는 활성산소(reactive oxygen species, ROS)의 축적이 세포를 손상시켜 노화가 촉진된다. 활성 산소는 반응성이 매우 높은 물질로 세포를 손상시켜 동맥경화, 당뇨병, 암, 노화 등을 유발하는 것으로 알려져 있다(Wiseman and Halliwell, 1996; Yhe et al., 2003). 항산화 물질은 동, 식물계에 널리 분포하고 있으며, 페놀성 화합물과 플라보노이드, 아스코르빈산, 토코페롤 등의 물질은 성인병을 예방하고 노화를 지연시킨다고 알려져 있다(Block and Langseth, 1994). 화분은 페놀성 화합물이 함유된 항산화 활성이 높은 항산화제이다(Andrade et al., 1997; Sabatier et al., 1992). 최근에는 화분은 항균 및 면역증강 효과, 전립선 비대증 및 전립선염 치료 효과 등이 보고되었다(최 등, 2007; Fang et al., 2008; Li et al., 2009; Abouda et al., 2011). 벌화분은 생리활성 물질이 풍부한 완전식품으로 알려져 수요가 급증하고 있으나 국내에서는 도토리화분과 다래화분 등 몇 종 화분만 수집되어 부족한 화분을 외국에서 수입하고 있다. 2016년 스페인에서만 317톤이 수입되었으며 2017년 전반기에 372톤이 수입되었다(관세청, 2017). 메밀은 기호음료뿐만 아니라 건강 웰빙음료와 건강식품으로 소비자에 인식되면서 재배 면적과 생산량이 꾸준히 증가하고 있다. 메밀은 제주, 경북, 강원도 등 전국에서 재배되고 있으며. 재배면적은 2010년 2100 ha에서 2015년 2,700 ha로 꾸준히 증가하고 있다(농림축산식품부, 2016).

본 연구에서는 메밀벌화분의 영양성분을 평가하고 기능성을 분석하여 가을 화분원 식물로 개발하고자 하였다.

재료 및 방법

아미노산 분석

메밀화분의 아미노산 분석을 위하여 건식분해법을 사용하여 전 처리하였다. 화분 약 5~20g을 취해 80°C에서 예비 건조한 후 450~550°C에서 회화하였다. 얻어진 회분에 염산(1+1) 10mL를 가하여 상온에서 3∼5시간 반응시킨 후 반응액을 여과지(Whatman NO. 5A)로 여과 후 50mL Volumetric flask에 정확히 정용하여 시험용액으로 사용하였으며, 표준품은 accu standard를 사용하였다. 시스테인, 메치오닌, 트립토판 이외의 아미노산 정량용 시험용액 단백질로서 약 10mg을 함유하는 검체를 가수분해 시험관에 정밀히 달아 넣는다. 0.05%(w/v) 2-mercaptoethanol을 함유한 6N 염산을 단백질양에 대하여 약 1,000배량 즉, 10mL를 가하였다. 드라이아이스·에탄올로 동결한 후 탈기장치에 장착하여 융해, 동결을 수회 반복하며 충분히 탈기 하였다. 봉관하여, 정온가열로에서 110±1°C, 22~24시간 가수 분해하고, 종료 후 봉관을 절단하여 즉시 감압하여 40°C에서 농축 건조하여 염산을 제거하였다. 염산을 최대한 제거하기 위하여 잔사에 물을 가해 다시 농축 건조한 후 0.2 N 구연산나트륨 완충액(pH 2.2) 또는 0.02 N 염산용액으로 일정량으로 만들어 시험용액으로 하였다. 침전이 있는 경우에는 멤브레인 필터를 사용하여 여과하였다. 시스테인, 메치오닌 아미노산 정량용 시험용액은 단백질 약 10mg 함유하는 검체를 정밀히 달아 미리 0°C로 냉각시켜 놓은 과개미산 용액 10mL를 가하여 단백질이 가용성인 경우 0℃에서 4시간, 불용성인 경우 0°C에서 하루 밤 방치하였다. 방치 후 공기를 흡입하고 소량의 물을 가해 동결건조하였다. 잔사를 0.05%(v/v) 2-mercaptoethanol 함유의 6 N 염산 10mL를 사용하여 가수분해 시험관으로 옮겼다. 동결한 후, 탈기장치에 장착하여 충분히 탈기한 후 봉관하여 110±1°C에서 18시간 분해하였다. 시스테인, 메치오닌, 트립토판 이외의 아미노산 정량용 시험용액 따라 시험용액을 조제하였다. 트립토판 정량용 시험용액은 단백질 10mg을 함유하는 검체를 가수분해 시험관에 정밀히 달아 넣고, 가용성 전분 100mg을 가한 다음 4.2 N 수산화나트륨용액 3 mL를 가하였다. 동결시킨 후, 탈기장치에 장착하여 충분히 탈기하고 밀봉하여 135±1°C에서 22시간 가수분해하였다. 가수분해 후 봉관을 잘라 열고 6 N 염산으로 중화하여 0.2 N 구연산나트륨완충액(pH 4.25)으로 일정량을 만들어 시험용액으로 하였다. 용액이 탁한 경우 30,000~40,000 rpm에서 30분간 원심 분리하여 상등액을 취하였으며, Table 1과와 같은 조건으로 분석하였다(AOAC 2010).

Table 1.

HPLC conditions for the measurement of free amino acid in bee pollen

비타민 분석

화분의 비타민 분석은 B₁, B₂, B₃, C에 대하여 실시하였다. 표준품은 모두 Sigma사(St. Louis, Mo, USA)로 부터 구입하여 사용하였으며, 시약은 HPLC 등급을 사용하였다. 비타민 B₁ 분석을 위하여 화분 시료는 mg 단위로 정확하게 측량하였고, 5mM sodium hexanesulfonate 용액 50 ml을 가하여 30분간 초음파진탕기로 추출한 후 50ml로 정용하고, 3,000 rpm에서 원심분리하여 상등액을 0.45um 멤브레인 필터로 여과하여 시험용액으로 사용하였다. 비타민 B₂ 분석은 화분 시료를 mg 단위로 정밀히 담아 적당량의 3차 증류수를 가한 다음 75∼80°C 온탕에서 20분간 추출하여 50mL 로 정용 후 멤브레인필터로 여과후 시험용액으로 사용하였다. 비타민 B₃ 분석은 화분 시료를 mg 단위로 측정하여 5mM sodium hexanesulfonate 용액을 적당히 가하여 30분간 초음파진탕기로 추출한 후 50mL로 정용하고, 3,000 rpm에서 원심분리하여 상등액을 0.45um 멤브레인 필터로 여과하여 시험용액으로 사용하였다. 비타민 C의 분석은 화분을 5% metaphosphoric acid (Wako) 20mL로 시료를 균질화(Ultra-Turrax T25, IKA Labo, Germany)하여 총량 50mL까지 정용 후, 초음파추출기로 30분간 추출후 refrigerated centrifuge(5804R, Eppendorf, Germany) 12,500×g로 10분간 원심분리한 뒤 상등액을 취하여 0.45um 필터로 여과하여 시험용액으로 하였다. 비타민 분석은 HPLC(NANOSPACE SI-2, SHISEIDO, Japan)와 PDA Detector를 사용하였다(Table 2).

Table 2.

HPLC conditions for the measurement of vitamin B1, B2, B3 and C in buckwheat pollen

미량원소 분석

미량원소 함량은 한국식품공전 분석방법(2016)에 따라 분석하였다. 시료를 105°C에서 16시간 건조하여 마쇄한 다음 0.5g을 취하여 600°C 회화로에서 2시간 회화시킨 후 냉각하였다. 회화된 시료는 microwave(Mars5, Mars6, CEM, USA) 분해용기에 넣고 질산용액(HNO₃:H₂O＝1:1) 7 mL을 첨가하여 24시간 분해시킨 후 염산용액(HCl:H₂O＝1:1)을 가하여 24시간 용해시킨 다음 여과지(Whatman No. 6, Maidstone, England)로 여과하여 분석시료로 이용하였다. 분석조건은 Table 3과 같으며 유도결합플라즈마 (Inductively Coupled Plasma, PerkinElmer Optima 8300, USA)을 이용하여 정량하였다.

Table 3.

ICP_OES conditions for the measurement of minerals in bee pollen

결과 및 고찰

일반성분 분석

메밀화분의 일반성분을 분석한 결과는 Table 4와 같다. 조단백질 함량은 14.43%로 다래화분 35.8%와 도토리화분 22.3%보다 낮았으나 송화분 14.0%와 벼화분 15.66%와 유사하였다(홍 등, 2013a; 최와 정, 2004; 이 등, 1997; 홍 등, 2016). 메밀화분의 조지방 함량은 5.67%로 도토리화분 11.8%와 다래화분 8.7%보다 낮았으나 족제비싸리화분 3.12%, 송화분 3.0%와 유채화분 3.2%보다 높았다(홍 등, 2013a; Hong et al., 2016; 이 등, 1997; 김과 손, 1990). 화분의 일반 성분은 밀원과 지역의 외적 환경요인에 따라 차이가 있다. 탄수화물 함량의 비중이 높으면 밀원 분포상 초본류식물의 화분 유입이 많은 것으로 판단되며 이는 화분 함유량 중 glucose 량과의 관계로 해석된다(김, 1986).

Table 4.

Proximate chemical composition of buckwheat bee pollen grains

아미노산 조성

메밀화분의 아미노산 조성을 분석한 결과는 Fig. 1에서와 같이 glutamic acid 등 18종의 아미노산이 존재하며, 특히 phenylalanine, leucine, threonine, lysine, valine, tryptophan, isoleucine, methionine 등 필수아미노산 8종을 모두 함유하고 있다. 함량은 glutamic acid 2.196%, aspartic acid 1.370%, lysine 1.091% 순이었으며, tryptophan, cystine, tyrosine, methionine, histidine 등은 소량 존재하였다. 도토리화분과 다래화분의 아미노산 조성은 aspartic acid, glutamic acid, leucine, lysine 순으로 분포하며(이 등, 1997; 홍 등, 2013b), 송화분은 aspartic acid, glutamic acid, arginine(한 등, 2004), 족제비싸리화분과 해바라기화분은 glutamic acid, aspartic acid, proline 순으로 분포하였다(Hong et al., 2016; 윤 등, 1985). 벌화분에는 glutamic acid와 aspartic acid 아미노산이 공통적으로 많이 존재하며, 메밀화분에는 lysine, 도토리화분과 다래화분에는 leucine, 송화분에는 arginine, 족제비싸리화분과 해바라기화분, 벼화분에는 proline이 많이 함유되어 있다. 또한 cystine, histidine, methionine 등의 아미노산은 모든 화분에 소량 존재하였다. 메밀화분에는 glutamic acid, aspartic acid, lysine, leucine, arginine, proline 등 6종의 아미노산이 총 아미노산 함량의 56%로 Solberg and Remedios(1980) 등이 보고한 60%와 유사한 결과이다. 일반적으로 화분에는 모든 필수아미노산을 함유하고 있으며 함량은 식물의 종에 따라 차이가 있다(Leblanc et al., 2009).

Fig. 1.

Content of amino acid composition in buckwheat pollen grains. IIe; isoleucine, Leu; leucine, Lys; lysine, Met; methionine, Phe; Phenylalanine, Thr; Threonine, Ttp; tryptophan, Val; valine, His; histidine, Ala; alanine, Arg; Arginine, Asp; aspartic avid, Glu; glutamic acid, Gly; glycine, Ser; serine, Cys; cysteine, Tyr; tyrosine, Pro; proline.

비타민 함량

메밀화분의 비타민 함량은 Table 5에서와 같이 비타민 C, B₃, B₁, B₂ 순으로 분포하였다. 메밀화분의 비타민 C의 함량 13.74mg/100g은 송화분(2.25mg/100g)과 벼화분(0.6mg/100g)보다 많았으나 족제비싸리화분(57.81mg/100g)과 다래화분(48.44mg/100g)보다 적었다. 메밀화분의 비타민 B₃ 함량 6.62mg/100g은 벼화분(4.28mg/100g) 보다 많았으나 다래화분(21.0mg/100g)보다 적었다. 메밀화분의 비타민 B₂ 함량 0.53mg/100g은 송화분 (7.93mg/100g)보다 적었으나 족제비싸리화분 (0.87mg/100g)과 유사하였으며 벼화분(0.69mg/100g)보다 많았다(한 등, 2004; 홍 등, 2016; Hong et al., 2016; Hong et al., 2015). 즉 벌화분의 비타민 함량은 메밀화분과 도토리화분, 다래화분에는 비타민 C, 벼화분에는 비타민 B₃, 송화분은 B₂ 함량이 가장 많이 분포하였다.

Table 5.

Vitamin content of buckwheat bee pollen grains

미량원소 함량

메밀화분의 대표적인 10종 미량원소 함량을 분석한 결과는 Table 6과 같다. 분석한 10종의 미량원소 중 칼륨(K) 1197.95mg/100g과 인(P) 962.77mg/100g, 마그네슘(Mg) 535.42mg/100g 순으로 가장 많이 함유되어 있으며, 구리(Cu)와 아연 (Zn)이 각각 0.46mg/100g, 1.59mg/100g으로 적게 함유되어 있었다. 족제비싸리화분과 송화분, 벼화분에서는 칼륨(K) 함량이 가장 많았으며 철분(Fe) 가장 적게 함유되어 있었다(Hong et al., 2016; 한 등, 2004; 홍 등, 2016). 즉 벌화분의 미량 원소 함량은 메밀화분과 송화분에는 칼륨, 인, 마그네슘 순으로, 벼화분과 족제비싸리화분은 칼륨, 인, 칼슘 순으로 많이 분포하였다. 화분의 미량원소는 밀원의 식생에 따라 다양하게 분포하며(Stanley and Linskens, 1974). 메밀화분의 K/Na 비는 123.3으로 도토리화분 12.59과 벼화분 31.93, 족제비싸리화분 44.03보다 높았다(이 등, 1997; 홍 등, 2016; Hong et al., 2016). 화분의 K/Na 비는 벌 먹이의 주요한 요인으로 작용한다(Wesh & Marston, 1983).

Table 6.

Mineral content of buckwheat bee pollen grains

항산화 활성 및 총페놀 함량

메밀화분의 항산화 활성과 총페놀함량을 분석한 결과는 Table 7과와 같다. 메밀화분의 자유라디칼소 거능에 대한 항산화 활성은 추출물 500μg/ml에서 8.1%이었으며, 총페놀함량은 mg당 2.25μg이었다. 이는 벼화분의 항산화 활성과 총페놀함량 보다 낮은 결과이다(홍 등, 2016). DPPH radical 소거능은 산화작용에 의하여 발생하는 hydroxyl radical, superoxide radical 등을 제거하는 항산화 능력을 평가할 때 가장 널리 이용되는 지표이다(김 등, 2000; 이 등, 2011). 항산화 효과는 페놀 또는 플라보노이드 함량이 많을수록 높은 것으로 알려져 있으며(Kim et al., 2015), 항산화 활성은 폴리페놀성 물질의 수산기를 통한 수소 공여와 페놀 고리구조의 공명구조 안정화로 인하여 나타낸다고 알려져 있다(이 등, 2009).

Table 7.

Antioxidant activity and phenolic content of buckwheat pollen grains

적 요

벌화분은 생리활성 물질이 풍부한 완전식품으로 알려져 수요가 급증하고 있으나 봄철에 도토리화분과 다래화분 등 몇 종의 화분만 수집되어 생산량이 부족한 실정이다. 본 연구에서는 건강 및 기호식품으로 재배면적이 계속 증가하는 메밀 화분을 가을 화분원으로 개발하고자 영양성분, 비타민, 미량원소, 항산화활성, 유리 아미노산 등을 평가하였다. 메밀화분의 일반성분은 수분 9.75%, 회분 5.18%, 조단백질 14.43%, 조지방 5.67%였다. 메밀화분에는 glutamic acid, aspartic acid, lysine 등의 아미노산의 함량이 주로 분포하였으며, tryptophan, cystine, tyrosine 등은 소량 존재하였다. 비타민 함량은 C 13.74mg/100g, B₃ 6.62mg/100g, B₁ 1.26mg/100g, B₂ 0.53mg/100g 순으로 존재하였다. 미량원소 함량은 칼륨(K) 119.95mg/100g과 인(P)962.77mg/100g으로 많이 함유되어 있으며, 구리(Cu)와 아연(Zn)은 각각 0.46mg/100g, 1.59mg/100g으로 소량 존재하였다. 메밀화분의 DPPH에 대한 항산화 활성은 500μg/ml 에서 8.1%이었으며, 총페놀함량은 mg당 2.25μg이었다. 메밀화분은 조단백질, 조지방 등 영양성분이 모두 존재하였으며, 아미노산도 필수아미노산 8종을 포함하여 18종의 아미노산이 풍부하게 존재하였다. 또한 비타민도 C, B₃, B₁, B₂ 분포하였으며, 항산화 활성도 우수하여 가을 화분원으로 활용이 가능할 것으로 기대된다.

Acknowledgments

본 연구는 농촌진흥청 국립농업과학원 공동연구국책기술개발사업(과제번호: PJ 010837)의 지원에 의해 수행된 결과입니다.

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