전남지역 마른김의 영양성분 빅데이터 다각화 분석 및 염증 제어 기전 규명

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 국내 김 생산량 중 가장 높은 비중을 차지하는 지역인 전남에서 생산되는 방사무늬김 (Porphyra yezoensis 과 잇바디돌김) (Porphyra dentata의 품종) 및 지역별 영양 성분과 항염증 효능에 대한 효과에 대해 분석하였다. 1. 전남 내 지역에서 2021년 11월부터 12월 사이에 생산된 방사무늬김 (P. yezoensis 과 잇바디돌김) (P. dentata)을 각각 459, 192, 총 651개 시료를 비교 분석하였다. 수분 함량은 방사무늬김 (P. yezoensis)이 잇바디돌김 (P. dentata)보다 유의미하게 낮았으며 (P<0.01), 중량 측정 시 잇바디돌김 (P. dentata)의 중량이 유의적으로 높게 나타났다 (P<0.001). 단백질 함량을 비교한 결과 방사무늬김 (P. yezoensis)이 잇바디돌김 (P. dentata)보다 유의하게 높은 단백질 함량을 포함하고 있는 것으로 나타났다 (P<0.01). 지방산 함량 측정 결과, 전체 지방산 함량에서 방사무늬김 (P. yezoensis)이 잇바디돌김 (P. dentata)에 비해 유의적으로 높았으며, 불포화 지방산 역시 방사무늬김 (P. yezoensis)이 잇바디돌김 (P. dentata)보다 함유량이 많음을 확인하였다 (P<0.001). 반면에 포화 지방산은 두 품종 간의 유의적 차이는 없었다 (P<0.001). 다량 무기질인 Ca, Mg 함량은 방사무늬김 (P. yezoensis)에 비해 잇바디돌김 (P. dentata)이 유의적으로 더 높았다 (P<0.001). 이와 반대로 K 및 Na 함량은 방사무늬김 (P. yezoensis)이 잇바디돌김 (P. dentata)보다 더 높은 함량을 나타냈다 (P<0.001, P<0.01). 미량 무기질인 Fe 함량은 두 품종 중 잇바디돌김 (P. dentata)이 더 많았지만, Zn은 방사무늬김 (P. yezoensis)이 잇바디돌김 (P. dentata)보다 더 풍부하게 함유한 것으로 확인되었다 (P<0.05). 색도 분석 결과 명도값(L*), 적색도(a*), 황색도(b*)에서 통계적 차이는 없었으나, 명도값(L*)과 황색도(b*)는 잇바디돌김 (P. dentata)이 더 높게 나타났으며, 적색도(a*)는 방사무늬김 (P. yezoensis)이 더 높은 수치를 나타냈다. 색소 함량 분석 결과, chlorophyll b에서는 군 간 유의적 차이가 없었으나, chlorophyll a와 carotenoids는 방사무늬김 (P. yezoensis)이 잇바디돌김 (P. dentata)보다 더 높은 수치를 보였다 (P<0.001). 향미 성분 분석 결과 두 품종 모두에서 methyl formate, 6-phenylquinoline, propenal 등 향미 성분이 공통적으로 검출되었다. 향미 성분에 대한 주성분 분석에서는 일부 교차하는 영역이 있었으나 그 외 부분에서는 뚜렷하게 분리된 경향이 관찰되었다 (PCA). 두 품종의 맛 패턴 비교 결과 단맛은 유의적 차이가 없었지만, 신맛은 잇바디돌김 (P. dentata)이 방사무늬김 (P. yezoensis)보다 더 높게 나타났으며 (P<0.05), 쓴맛에서도 유사한 경향으로 통계적 차이가 나타났다 (P<0.001). 반면, 짠맛은 방사무늬김 (P. yezoensis)이 잇바디돌김 (P. dentata)보다 유의하게 높았고 (P<0.05), 감칠맛에서는 더 명확한 통계적 차이가 나타났다 (P<0.001). Shinorine과 porphyra-334의 함량 비교 결과 잇바디돌김 (P. dentata)의 함량이 방사무늬김 (P. yezoensis)보다 유의적으로 높았다 (P<0.001). 주성분 분석(PCA) 결과 군집 간 명확한 분리가 나타나며, 주요 요인으로 중량, Mg, chlorophyll a, carotenoids, K, Zn가 나타났으며, 특히 중량, Mg, chlorophyll a가 핵심 인자로 확인되었다. 상관관계 분석 결과 단백질 함량은 일부 무기질 및 감칠맛(Zn, Ca, K)과 양의 상관관계를 보인 반면, 중량, Mg, Na와는 음의 상관관계를 나타냈다. 일부 색도 값(L*, b*, 색소 성분 chlorophyll a, chlorophyll b, carotenoids)과는 음의 상관관계를 나타내며, 여러 요인 간 복합적인 상호 연결 관계성을 보여주었다. 국내 생산량의 이상을 차지하는 보편적 김 품종인 방사무늬김 (P. yezoensis, 70%)의 지역별 특성을 도출하고자 전남 주요 산지를 대상으로 비교 분석하였다. 수분 함량은 모든 지역에서 마른 김 기준 12% 이하로 나타났으며, 신안 지역이 다른 지역에 비해 유의하게 낮았다. 중량은 고흥, 해남, 완도 지역에서 높았고, 단백질 함량은 완도 지역이 가장 높았다. 지방산 분석 결과 불포화 지방산 및 전체 지방산 함량은 완도 지역이 가장 높았으며, EPA 역시 다른 지역에 비해 통계적으로 가장 높았다. 반면 해남 지역은 포화 지방산 함량이 가장 낮았다. 무기질 함량에서는 Ca를 제외한 대부분 무기질에서 지역 간 차이가 관찰되었다. Mg 함량은 해남 지역이 높았으며, K와 Fe는 신안 지역이 풍부하였다. Na 함량은 고흥과 진도 지역이 높았고, Zn 함량은 완도 지역이 유의하게 높았다. 색도 측정 결과 신안 지역은 모든 색도 값이 높아 밝은 붉은빛과 노란빛을 띠었으며, 완도와 고흥 지역은 낮은 색도 값으로 어두운 초록빛과 푸른빛을 보였다. 완도 지역은 chlorophyll a, chlorophyll b, carotenoids가 풍부하게 함유된 것으로 나타났다. 마른 김의 향미 성분 분석 결과 총 24개의 향미 성분(dicrotophos, propanal, trimethylamine, methyl formate, δ-hexalactone, heptadecane, dimethyl sulfide, methyl acetate, acetaldehyde, ethyl chloride, propane-2-one, methanethiol, methanol, pyrazine, tetradecanal, cyclopentane, indole, 4-hydroxy-5-methyl-3(2H)-furanone, furan, propenal, 2-ethyl-3,6-dimethylpyrazine, silane, 3-tetradecanol, 2-mercaptoethanol)이 검출되었으며, 이 중 trimethylamine과 methyl formate 성분이 공통된 향미 성분으로 확인되었다. 관능적 분석 결과 장흥 지역은 신맛, 짠맛, 단맛, 감칠맛이 높은 반면 쓴맛은 낮아 다채로운 맛을 지닌 것으로 나타났다. 마른 김의 지역별 분석 요인에 대한 종합적 빅데이터 분석 결과 주성분 분석에서는 지역별 군집 간 명확한 분리가 나타나지 않았으며, 이는 지역 간 김의 조성적 특징이 크게 차별화되지 않고 유사한 성분 구성을 가지고 있음을 시사한다. 집단 간 변수의 주요 지표를 분석한 결과 VIP score, a*, b*, L*, 포화 지방산, 전체 지방산, Zn, Fe, Na, chlorophyll a, carotenoids가 주요 변수로 도출되었으며, 쓴맛 역시 일정 수준의 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 방사무늬김 (P. yezoensis)과 잇바디돌김 (P. dentata)의 항염증 효능 및 기전을 분석하기 위하여, 방사무늬김을 열수 및 아임계 추출하여 방사무늬김 열수 추출물(WP-yezo)과 아임계 추출물(SP-yezo)로 명명하였으며, 잇바디돌김도 동일한 방법으로 열수 추출물(WP-dent)과 아임계 추출물(SP-dent)로 명명하였다. 위 종류의 시료에 대한 농도별 세포 독성 실험을 진행한 결과, 모든 시료는 50, 100, 200 μg/mL 농도에서 대식세포에 대한 세포 독성을 나타내지 않았다. 처리로 증가한 LPS 유도 NO 및 ROS 생성에 대해 모든 김 추출물 시료에서 농도 의존적으로 생성 억제 효과를 보였다. 특히 SP-dent에서 가장 두드러진 생성 억제 효능이 확인되었다. 전염증성 사이토카인 TNF-α 및 IL-6 발현 분석 결과, 모든 추출물에서 유의한 수준으로 감소하였으며, SP-dent 아임계 추출물에서 가장 우수한 효능을 나타냈다. 마른 김 추출물의 염증 관련 유전자 분석 결과, NF-κB, iNOS, COX-2, TNF-α, IL-6 발현은 모든 LPS 추출물 군에서 유의하게 감소하였으며, SP-dent 열수 추출물군은 정상군 수준으로 염증 유전자 발현을 개선하였다. 또한 SP-yezo와 SP-dent는 항염증 인자인 IL-10 유전자 발현을 유의적으로 증가시켰다. 단백질 발현 분석 결과 SP-dent와 SP-yezo는 TLR4, NF-κB, ERK1/2, iNOS, COX-2 단백질 발현을 정상군과 유사한 수준으로 하향 조절하였으며, 특히 SP-dent에서 가장 뚜렷한 억제 효과가 관찰되었다. 이와 같이 방사무늬김 (P. yezoensis)과 잇바디돌김 (P. dentata)의 분석에서는 품종에 따라 영양 구성과 기능적 특성이 확연하게 다른 특징을 나타냈다. 방사무늬김 (P. yezoensis)은 단백질과 EPA를 포함한 불포화 지방산이 풍부하며, 색소 성분과 칼륨 및 아연 함량이 높은 것이 특징이다. 또한 짠맛과 감칠맛이 강하게 나타났다. 반면 잇바디돌김 (P. dentata)은 수분과 중량이 높고, 마그네슘과 철의 함량이 풍부하며, 신맛과 쓴맛이 강한 특징을 지닌다. 특히 잇바디돌김은 porphyra-334와 shinorine의 함량이 높아 기능성을 부각한 고부가가치 소재로의 활용 가능성이 높다고 판단된다. 지역별 방사무늬김 (P. yezoensis)은 여러 요소의 복합적 영향으로 인해 특정 지역에서 일관된 결과를 보이진 않았으나, 지형적 특성과 해양 환경에 많은 영향을 받는 것으로 나타났다. 품종에 따른 항염증 효능과 기전 분석 결과, 마른 김 추출 시료는 NF-κB, TLR4 활성화 및 ERK1/2 인산화 경로를 억제함으로써 LPS로 유도된 대식세포의 염증 반응을 효과적으로 줄일 수 있음을 확인하였으며, 아임계 추출 방식을 활용한 잇바디돌김 추출물 (SP-dent)이 가장 우수한 염증 조절 효과를 보였다. 본 연구 결과는 마른 김의 품종 및 지역 간 특성을 도출함으로써 품질 등급화 및 마른 김 분류 알고리즘 개발의 기초자료로 활용될 수 있으며, 김이 자연유래 염증성 질환에 대한 제어 가능성을 시사하여 고부가가치화를 위한 기반을 마련하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, the nutritional components and physicochemical properties of dried laver from the Jeonnam region were analyzed to identify varietal characteristics between Porphyra yezoensis and Porphyra dentata. Additionally, regional characteristics of Porphyra yezoensis (cultivated in Goheung, Shinan, Haenam, Jindo, Wando, and Jangheung) were compared and analyzed through big data analysis. Furthermore, to enhance the added value of laver, the study investigated its effects on inflammatory responses, which are a major cause of chronic diseases. Principal component analysis(PCA), variable importance in projection(VIP) scores, and correlation analysis were performed to identify the nutritional characteristics of laver. In experiment 1; A total of 651 samples were collected(Porphyra yezoensis, 459; Porphyra dentata, 192) and analyzed for this study. The analysis showed that P. dentata had higher moisture and weight but lower protein content than P. yezoensis. Fatty acids composition analysis indicated that P. yezoensis contained higher levels of unsaturated fatty acid and EPA compared to P. dentata. Magnesium(Mg) and Iron(Fe) levels were higher in P. dentata, while potassium(K), sodium(Na), and zinc(Zn) levels were higher in P. yezoensis. Calcium(Ca) showed no significant differences between P. yezoensis and P. dentata. P. yezoensis had significantly higher levels of chlorophyll a and carotenoids compared to P. dentata. Despite this, the color values did not show any statistically significant differences. In both groups, three olfactory sensory compounds(methyl formate, 6-phenylquinoline, propenal) exhibited the same factor and were described as having agreeable, fruity, almond, and cherry. Sensory analysis indicated that P. yezoensis was more intense in saltiness and umami, whereas P. dentata had higher sourness and bitterness. When compared to P. yezoensis, P. dentata had significantly higher levels of shinorine and porphyra-334. These mycosporine-like amino acids(MAAs) clearly differentiated the two groups in the PCA results. Although the overall PCA results did not clearly distinguish all factors, weight, Mg, and chlorophyll a were the key factors in differentiating the groups. In the correlation analysis, protein showed a positive correlation with Zn, Ca, K, and Fe, whereas it was negatively correlated with Mg and Na. Overall, complex interrelationships were observed among all factors. In experiment 2; The nutritional and physicochemical properties of 459 samples of the common laver cultivar Porphyra yezoensis were comparatively analyzed according to their cultivation regions (Goheung, Shinan, Haenam, Jindo, Wando and Jangheung). The analysis revealed that both moisture and protein contents were higher in samples from Wando compared to those from other regions, whereas sample weight was greater in Goheung, Haenam, and Wando than in the remaining regions. In composition of fatty acids, total fatty acids and unsaturated fatty acids were higher in Wando, with eicosapentaenoic acid(EPA) being the predominant unsaturated fatty acid relative to other regions. Mg content was higher in Haenam, whereas K levels were greater in Shinan compared to other regions. Na content was elevated in Goheung and Jindo, while Zn levels were higher in Wando. Fe content was significantly greater in Shinan compared to other regions. In contrast, Ca levels showed no significant differences among the regions. Shinan was brighter than other regions, and Shinan and Jangheung showed a stronger red hue. Shinan also had a more yellow coloration. On the other hand, chlorophyll a, chlorophyll b, and carotenoids were significantly higher in Wando relative to other regions. A total of 24 common olfactory sensory compounds(dicrotophos, propanal, trimethylamine, methyl formate, δ-hexalactone, heptadecane, dimethyl sulfide, methyl acetate, acetaldehyde, ethyl chloride, propane-2-one, methanethiol, methanol, pyrazine, tetradecanal, cyclopentane, indole, 4-hydroxy-5-methyl-3(2H)-furanone, furan, propenal, 2-ethyl-3,6-dimethylpyrazine, silane, 3-tetradecanol, 2-mercaptoethanol) were found among the regions. Among all regions, Jangheung and Shinan exhibited higher sourness intensity. In particular, Jangheung showed greater intensity in saltness, sweetness, and umami, while exhibiting lower bitterness. All PCA results by region did not clearly distinguish all factors. However, the VIP scores indicated that color values(a＊, L＊, b＊), zinc(Zn) iron(Fe), sodium(Na), Saturated fatty acid, and color pigments(chlorophyll a and carotenoids) were the primary contributors to the regional separation. In experiment 3; In this study, hot water(WP-yezo, WP-dent) and subcritical water(SP-yezo, SP-dent) extracts of Porphyra yezoensis and Porphyra dentata were prepared to investigate their anti-inflammatory effects in RAW 264.7 cells. The laver extracts significantly reduced LPS-induced nitric oxide(NO) and reactive oxygen species(ROS) production in a dose-dependent manner. In addition, they suppressed the release of pro-inflammatory cytokines, including tumor necrosis factor-alpha(TNF-α) and interleukin-6(IL-6). Furthermore, WP-yezo, WP-dent, SP-yezo, and SP-dent markedly down-regulated the expression of inflammation-related genes such as nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells(NF-κB), inducible nitric oxide synthase(iNOS), cyclooxygenase-2(COX-2), and TNF-α. Notably, SP-yezo and SP-dent significantly up-regulated the expression of the anti-inflammatory gene interleukin-10(IL-10). Moreover, Western blot analysis confirmed that SP-yezo and SP-dent down-regulated the protein expression of toll-like receptor 4(TLR4), NF-κB, iNOS, and COX-2. In particular, SP-dent effectively blocked the protein expression of extracellular signal-regulated kinase 1/2(ERK1/2). These findings indicate that laver extracts modulated the TLR4/NF-κB signaling pathway and the ERK1/2 pathway by inhibiting the expression of related proteins. Therefore, these results contribute to a new database for evaluating the quality of Jeonnam laver and confirm its anti-inflammatory effects.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 연구배경 5
• 1. 김의 생물학적 특성 및 분류 5
• 2. 김의 영양학적 이점 및 생리 활성 효과 8
• 3. 전남 지역 김의 경제 산업적 중요성 10
• 4. 김의 항염증 연구 13
• Ⅲ. 연구 목적 17
• Ⅳ. 재료 및 방법 18
• 1. 실험 재료 수집 18
• 2. 이화학적 특성 분석 20
• 3. 영양 성분 분석 21
• 4. 색도 및 색소 성분 분석 24
• 5. 향미 성분 및 맛 패턴 분석 26
• 6. Shinorine 및 porphyra-334 함량 분석 28
• 7. 항염증 효과 분석을 위한 김 추출물 제조 30
• 8. 염증 세포 배양 및 농도 설정 31
• 9. 산화적 스트레스 관련 인자 측정 33
• 10. 전염증성 사이토카인 함량 측정 35
• 11. 염증 기전 관련 유전자 발현 수준 측정 37
• 12. 단백질 발현 수준 측정 40
• 13. 통계 분석 42
• Ⅴ. 결과 43
• Ⅵ. 고찰 126
• 1. 방사무늬김과 잇바디돌김의 영양 성분 측정 및 빅데이터 다각화 분석 126
• 2. 전남 내 지역별 방사무늬김의 품질 특성 및 영양 성분 분석 133
• 3. 방사무늬김과 잇바디돌김 추출물의 항염증 효과 및 기전 분석 141