인삼 추출물에 대한 이산화탄소 보조 수열반응의 효과

Abstract

일반 사포닌을 생물학적 활성이 뛰어난 사포닌인 (S)-Rg3, (R)-Rg3, Rk1, Rg5로 전환시키기 위해서 이산화탄소 보조 수열반응을 수행하였다. 이 네 가지 변환 사포닌의 수율과 시료의 항암 효과를 보편적으로 사용 되고 있는 증숙 공정, 수열반응 공정, 그리고 이산화탄소 보조 수열반응 공정, 세가지 공정에서 비교해 보았다. 같은 온도인 120℃에서 증숙 공정은 3시간을 필요로 하는데 비하여, 이산화탄소 보조 수열반응 공정은 30분 이내에 변환 사포닌의 수율을 약 두 배 이상 높일 수 있었다. 같은 온도에서 짧은 반응 시간에 높은 수율을 얻을 수 있었던 이유는 크게 두 가지 이다. 우선, 이산화탄소 보조 수열반응은 불균일 반응 (heterogeneous reaction) 인 증숙 공정과 달리 균일 반응 (homogeneous reaction) 이었다. 균일 반응이란 반응물이 동일한 상에 존재하는 반응으로, 반응물이 서로 다른 상에 존재하는 불균일 반응에 비하여 반응 속도나 열 및 물질 전달 속도가 빠르다. 변환 사포닌이 생성되는 과정은 일반 사포닌에서 당이 떨어져 나가는 가수분해 과정을 포함하므로 반응물을 일반 사포닌과 물로 볼 수 있다. 증숙 공정에서는 일반 사포닌은 고체인 인삼에 있고, 물은 증기의 형태로 존재하므로 불균일 반응이 일어난다고 할 수 있다. 그에 반하여, 이산화탄소 보조 수열반응에서는 수용액인 인삼의 추출물을 재료로 하여 반응을 진행하기 때문에, 반응물인 일반 사포닌이 물에 존재하므로 액상이 물에 두 반응물이 공존하게 된다. 따라서 균일 반응으로 볼 수 있고, 이산화탄소 보조 수열반응 공정에서 반응 속도나 열 및 물질 전달 속도가 증숙 공정에서보다 빠르게 일어났음을 유추할 수 있다. 다음으로, 이산화탄소 보조 수열반응에서는 탄산이 생성되어 산 촉매로 작용했다. 따라서 이산화탄소 보조 수열반응을 통해 변환 사포닌의 수율이 짧은 시간에 크게 증가할 수 있었다. 이 때, 수열반응 공정과 비교하여 산 촉매의 효과를 계산해보기 위해 일반 사포닌의 분해 속도 상수를 이용하여 아레니우스 도표를 그려보았다. 일반 사포닌의 분해 속도 상수를 비교해보면, 같은 온도에서 이산화탄소를 넣었을 때, 일반 사포닌의 분해가 더 빨리 일어남을 확인할 수 있었다. 아레니우스 도표의 기울기 값을 이용해 수열반응 공정과 이산화탄소 보조 수열반응 공정에서의 활성화 에너지를 계산해 보았는데, 이산화탄소를 수열반응에 도입하면 활성화 에너지가 약 16.7% 낮아짐을 확인하였다. 한편, 변환 사포닌은 항암 효과를 포함한 다양한 약효가 있다고 알려져 있기 때문에, 세가지 공정을 통해 얻은 시료의 항암 효과를 측정했다. 이산화탄소 보조 수열반응 공정을 통해 얻은 시료가 정상 세포인 골수줄기세포 (human bone marrow-derived mesenchymal stem cells) 의 성장은 저해하지 않으면서, 다른 두 공정을 통해 얻은 시료보다 섬유육종세포 (HT 1080 cells) 와 유방암세포 (MDA-MB-231 cells) 의 성장을 크게 저해했다. 이는 이산화탄소 보조 수열반응에서 변환 사포닌의 수율이 가장 높았기 때문인 것으로 보인다. 또한, 높은 변환 사포닌의 수율 때문에, 다른 연구에서 사용하는 양의 10−20%만 사용하고도 비슷하거나 더 높은 항암 효과를 얻을 수 있었다. 한편, 이러한 항암 효과는 qRT-PCR 을 통해 구한 caspase-3 유전자의 발현 정도를 보았을 때, 시료가 세포 자멸을 유도하여 발생한 것으로 보인다.