Production of γ-Aminobutyric Acid during Fermentation of Gastrodia elata Bl. by Lactobacillus brevis GABA 100

Abstract

천마는 아시아의 전통적인 천연약초로써 식품으로 활용 가능하다. 가스트로딘, 하이드록시벤질알콜, 바닐린 등의 페놀 화합물을 함유하여, 발작, 두통, 간질과 같은 신경 질환에 예방 효과가 있다. 또한, 혈압조절 효과가 보고된바 있다. 페놀 화합물 중 하이드록시벤질알콜은 뇌혈관 손상을 약화시켰고, 신경보호기능이 있었다. 감마-아미노부티르산 (GABA)은 중추신경계의 억제적 신경전달 물질로써, 다양한 생리기능 활성과 항 고혈압 효과가 있다고 알려져 있다. GABA의 생리활성으로 인해, 글루탐산을 소스로 하여 GABA를 생합성 할 수 있는 유산균 연구가 많이 진행되었고, 이를 이용한 GABA 함유 발효 식품들이 보고되었다. Lactobacillus brevis GABA 100 (L. brevis GABA 100)은 GABA를 생합성 할 수 있는 유산균이다. 천마를 L. brevis GABA 100으로 발효시킴으로써, 혈압조절 및 신경보호 기능성이 향상될 것을 기대하였다. 이 연구의 목적은 유산균을 이용하여 높은 수준의 GABA를 함유하는 발효 천마를 개발하는데 있었다. 발효하는 동안 GABA 생산을 위한 최적 배지 조건은 다음과 같다: 초기 pH 6.5, 글루탐산나트륨 3%, 천마 고형분 10%, 효모추출물 0.5%. GABA의 생산은 L. brevis GABA 100을 Bifidobacterium bifidum BGN4와 공동 배양했을 때 향상되었다. 50 L 발효조를 이용하여 천마를 scale-up 발효 후, 몇 가지 영양 물질 (유리당, 유기산, 유리아미노산)과 페놀 화합물을 HPLC 분석하였다. 높은 수준의 유기산과 GABA가 생성되었음을 확인 할 수 있었다. 또한, 천마의 주요 폴리페놀 화합물인 가스트로딘은 그 아글리콘 형태인 하이드록시벤질알콜로 완전히 전환되었다. 결론적으로, GABA를 함유한 발효 천마가 배양 조건의 최적화에 의해서 성공적으로 생산되었고, 이는 혈압 조절 및 신경질환예방 기능성 식품으로 활용 될 수 있을 것이다.

Gastrodia elata Bl. (GE) is a traditional herbal medicine used for the prevention of cerebrovascular disease and regulation of blood pressure. The γ-aminobutyric acid (GABA) is known to be beneficial for preventing neurological disorders and hypertension. The objective of this study was the development of fermented GE products containing high levels of GABA. Optimal medium conditions for the production of GABA during fermentation were as follows: initial pH 6.5, 3% L-monosodium glutamate, 10% GE powder, and 0.5% yeast extract. The production of GABA was further enhanced by the co-culture of Lactobacillus brevis GABA 100 (L. brevis GABA 100) with Bifidobacterium bifidum BGN4 (B. bifidum BGN4). Several nutritional materials and phenol compounds of the fermented GE were analyzed by HPLC. During fermentation, high amounts of organic acids and GABA were produced while the gastrodin (GAS), the main polyphenol compound of GE, was completely converted to 4-hydroxybenzyl alcohol (HBA). The fermented GE product with GABA was successfully produced by optimizing the fermentation conditions. These findings suggest an opportunity to develop functional GE products with GABA.