Antioxidant and Antidiabetic Effects of Fermented Laminaria japonica = 발효 다시마의 항산화성 및 항당뇨 효과

국문 초록 (Abstract)

다시마는 식이섬유소 외에도 여러 가지 생리활성 물질을 함유하고 있으나, 이들 물질은 다시마의 단단한 rigid structural matrix에 결합되어 있으므로 인체 내에서 기능성을 나타내기 어렵다. 따라서 본 연구는 다시마를 발효하여 다시마의 생리활성 성분의 용출을 용이하게 하고, 이를 이용하여 산화 스트레스 개선 효과 및 당뇨병 환자에게서 유발되는 산화적 손상을 막을 수 있는 항산화계의 개선 효과를 검증하여 당뇨 합병증 예방과 치료를 위한 기능성 식품으로서의 발효다시마의 이용 가능성을 제시하고자 한다. 먼저 발효다시마 추출물의 혈당조절 및 산화적 스트레스 개선을 위한 최적 추출조건을 탐색하였고, 발효다시마 추출물 및 활성물질의 항당뇨성과 항산화성 효과를 검색하였으며, cell 실험을 통해 효과를 확인하였다. 마지막으로 제 2 형 당뇨 환자에게서 섭취시켜 발효다시마 추출물의 혈당 및 지질 대사와 혈액 항산화 체계에 미치는 영향을 분석하였다.
그 결과, in vitro 실험에서는 다시마 추물물보다 발효다시마 추출물이 항산화성 및 항당뇨이 높은 것으로 나타났으며, 일반적으로 다시마의 활성성분이 많은 당부분보다 비당부분인 ethanol 용해층이 활성이 높았고, 이를 계통 분획한 분획물 중에서는 butanol fraction이 높은 활성을 나타내었다. 또한 고농도의 glucose 및 AAPH로 산화를 유발한 HUVECs과 LLC-PK1 cell에 대한 항산화성 검증에서도 동일한 결과를 나타내었다. 그리고, 제 2형 당뇨병 환자에게 다시마 및 발효다시마 열수추출물을 3개월간 투여한 임상실험 결과, 대조군에서는 3개월 후 변화가 거의 없는 반면, 다시마 열수 추출물 섭취군은 혈당, 혈중 지질 및 항산화 효소 등에서 변화가 나타났고, 발효다시마 섭취군에서는 유의적으로 개선효과를 나타내었다. 따라서 발효다시마는 산화 스트레스 개선 효과 및 제 2형 당뇨병 환자의 혈당조절 뿐 아니라 혈중 지질 및 항산화 체계 개선효과를 가지는 것으로 나타났다.

목차 (Table of Contents)

• List of Tables ⅶ
• List of Figures Ⅹ
• Ⅰ. INTRODUCTION 1
• Ⅱ. LITERATURE REVIEW 5
• 1. Seaweed and fermentation 5
• 1) Seaweed 5
• (1) General characteristics of seaweed 5
• (2) Laminaria japonica 6
• (3) Active components of Laminaria japonica 7
• 2) Fermentation 10
• (1) Effects of fermentation 10
• (2) Aspergillus oryzae 12
• 2. Diabetes mellitus and antioxidant effects 13
• 1) Etiology of diabetes 13
• 2) Diabetic complications 17
• (1) Microvascular complications 19
• (2) Macrovascular complications 19
• (3) Risk factors related to complications 21
• A. Oxidative stress 21
• B. Hyperlipidemia 25
• (4) Prevention for diabetic complications 28
• A. Antioxidants 28
• B. Plants and their active ingredients 29
• 3. Diabetes and cell culture system 30
• 1) High glucose and endothelial cells 30
• 2) Oxidative stress and epithelial cells 33
• 3) Insulin-secretion and pancreatic β-cells 35
• Ⅲ. MATERIALS AND METHODS 38
• 1. Materials 38
• 1) Samples 38
• 2) Chemicals 38
• 3) Fermentation and fractionation of Laminaria japonica 38
• 2. Bio-active components analysis 39
• 1) Proximate analysis 39
• 2) Active compounds analysis 41
• (1) Total phenol 41
• (2) Ascorbic acid 41
• (3) Carotenoide 41
• (4) Chlorophyll 42
• 3. Determination of antioxidant and antidiabetic activities 43
• 1) Radical scavenging and antioxidant activities 43
• (1) DPPH scavenging activity 43
• (2) Superoxide anion radical scavenging activity 43
• (3) Hydroxyl radical scavenging activity 44
• (4) Prevention of linoleic acid autoxidation 44
• 2) Carbohydrate digesting enzymes inhibitory activities 45
• (1) Alpha-glucosidase inhibitory assay 45
• (2) Alpha-amylase inhibitory assay 46
• 4. Diabetic studies in cell culture system 46
• 1) Protection of HUVECs from high glucose treated oxidative
• stress 46
• (1) Cell culture and treatment 46
• (2) Cell viability 47
• (3) No production 47
• (4) Lipid peroxidation assay 48
• (5) Glutathione determination 48
• (6) Determination of antioxidant enzyme activity 49
• 2) Protection of LLC-PK1 cells from AAPH treated oxidative
• stress 50
• (1) Cell culture and treatment 50
• (2) Cell viability 51
• (3) Determination of lipid peroxidation and antioxidant enzyme
• activity 51
• 3) Insulin secretion in HIT-T15 cells from alloxan treated
• oxidative stress 51
• (1) Cell culture and treatment 51
• (2) Cell viability 52
• (3) Insulin secretion 52
• 5. Clinical trial in type Ⅱ diabetic patients 52
• 1) Subjects 52
• 2) Preparation of L. japonica supplement and placebo 53
• 3) Study design 54
• 4) Lifestyle and anthropometric measurements 56
• 5) Dietary measurements 56
• 6) Biochemical measurements 57
• 6. Statistical analysis 59
• Ⅳ. RESULTS AND DISCUSSION 60
• 1. Contents of bio-active components in L. japonica 60
• 1) Proximate composition 60
• 2) Active compounds 60
• 2. Antioxidant and antidiabetic activities of L. japonica in vitro 62
• 1) Radical scavenging and antioxidant activities 64
• (1) Extraction yield 64
• (2) Scavenging activity of DPPH radical 64
• (3) Scavenging activity of superoxide anion radical 67
• (4) Scavenging activity of hydroxyl radical 70
• (5) Antioxidant activity against linoleic acid autoxidation 73
• 2) Carbohydrate digesting enzyme inhibitory activities 77
• (1) Alpha-amylase inhibitory activity 81
• (2) Alpha-glucosidase inhibitory activity 84
• 3. Protective effects of fermented L. japonica against oxidative
• stress in cell culture system 85
• 1) Protection of HUVECs from high glucose treated oxidative
• stress 85
• (1) Cell viability 88
• (2) Lipid peroxidation 88
• (3) Glutathione concentration 91
• (4) Antioxidant enzyme activities 94
• 2) Protection of LLC-PK1 cells from AAPH treated oxidative
• stress 97
• (1) Cell viability 97
• (2) Lipid peroxidation 100
• (3) Antioxidant enzyme activities 103
• 3) Insulin secretion in HIT-T15 cells from alloxan treated
• oxidative stress 106
• (1) Cell viability 106
• 4. Effects of fermented L. japonica supplement in type Ⅱ
• diabetic patients 109
• 1) Characteristics of the subjects 109
• (1) General and clinical characteristics 109
• (2) Anthropometric characteristics and blood pressure 111
• (3) Lifestyle and food habits 111
• (4) Dietary intakes 115
• 2) Effects of fermented L. japonica supplement in the subjects 118
• (1) Changes in anthropometric characteristics and blood pressure 118
• (2) Changes in blood glucose, HbA1c and C-peptide concentrations 124
• (3) Changes in serum lipid concentrations 129
• (4) Changes in MDA concentration, GSH-px and SOD activity 132
• (5) Changes in aspartate aminotransferase and alanine
• aminotransferase concentrations 134
• (6) Changes in blood urea nitrogen, creatinine and uric acid
• concentrations 134
• (7) Changes in thyrotropin and free thyroxine concentrations 138
• Ⅴ. CONCLUSIONS 146
• Ⅵ. REFERENCES 150
• ABSTRACT (in Korean) 199