Analysis of metabolites produced by enzymatic transformation of Platycodon saponins and their sensory evaluations

Abstract

길경은 초롱꽃과(Campanulaceae)의 식물인 도라지(Platycodon grandiflorum A. DC.)의 뿌리로 거담, 기침, 기관지염, 인후염 등의 치료제로 동양의학에서 전통적으로 사용되어 왔다. 길경의 주요 약효성분은 올레아난 계열의 트리테르펜 사포닌으로 전체의 2%정도 함유되어 있고, 지금까지 30여종 이상이 알려져 있다. 사포닌의 약리효과로는 면역증강작용, 항염증, 항당뇨 및 항비만, 소화효소분비억제, 콜레스테롤 억제 등이 있다. 길경 사포닌 중 다양한 생물활성을 보이고 약물학적 가치가 높은 플라티코딘 D는 길경에 함유된 양이 미량이므로 상업적 이용이 어려웠다. 따라서 본 연구실의 이전연구로, 플라티코딘 D를 당분해효소 셀룰라제를 첨가하여 고함량의 플라티코딘 D 강화분획물로 전환한 효소변환기술을 개발하였다. 그러나 길경 추출물의 셀룰라제를 통한 효소변환물의 맛을 보았을 때, 신맛과 불쾌한 향을 유발하여 기능성식품 등의 상업적 개발의 한계성을 가지고 있음을 발견하였다. 뿐만 아니라, 비록 플라티코시드 E와 플라티코딘 D3를 모두 플라티코딘 D로 전환시키는 특이적인 활성을 갖고 있으나, 동시에 플라티코딘 D와 폴리갈라신 D를 포함한 길경사포닌의 28번 탄소 말단에 위치하는 아피오스를 절단하며 지방축적억제효과, 암 증식 억제효과 활성을 급격히 하락시키는 단점 또한 가지고 있다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 보완할 수 있는 Aspergillus oryae로부터 유래한 레시타제 울트라를 이용하여 더욱 발전된 효소변환기술을 개발하였다. 이전 연구에서 고속향류크로마토그래피를 통해 분리한 순도 98% 플라티코딘 D와 폴리갈라신 D에 Lecitase Ultra를 효소반응시킴으로써, 28번 탄소에 위치한 에스테르 결합은 그대로 보존하며 3번 탄소에 위치한 글루코오스의 글리코시드결합만을 선택적으로 절단된다는 사실을 고성능 액체 크로마토그래피 및 질량분석기를 통해 확인할 수 있었다. 즉, 셀룰라제보다 길경사포닌들의 화학적인 변형을 더욱 선택적으로 유도할 수 있는 레시타제 울트라를 이용하여 플라디코딘 D의 함량을 안정적이고 효율적으로 증가시킬 수 있음을 확인하였다. 이러한 연구 과정에서, 극성이 높고 유사한 구조를 가지고 있는 사포닌들의 가수분해 전환경로를 고성능 액체 크로마토그래피 및 질량분석기를 이용하여 규명하였다.

한편, 도라지의 맛은 구조적인 식감과 향 이외에 아린맛, 쓴맛 및 단맛이 복합적으로 포함되어 있다. 오래된 도라지는 약효가 좋으나, 목과 혀에 통증처럼 아린 맛을 주기 때문에, 녹차, 귤피차 등과 같이 차나 건강음료로서 이용되지 못하고 있다. 본 연구는 앞서 언급하였던 셀룰라제를 이용한 효소전환물의 한계성 보완하는 동시에 도라지의 아린맛, 쓴맛의 개선에 대한 연구를 진행하였다. 도라지청과 도라지청에 레시타제 울트라와 적절히 반응한 효소전환물을 시료로 하여 맛을 비교하였다. 10대에서 60대의 다양한 연령층으로 구성된 56명의 일반인들을 대상으로 관능평가를 실시한 결과, 66%의 피실험자가 효소전환물이 도라지청과 비교하여 상대적으로 쓴맛이 개선되었다고 응답하였다. 또한 식품환경연구센터에 의뢰하여 숙련된 패널들을 통해 쓴맛이 개선되었다는 검사결과를 얻었다. 레시타제 울트라의 3번 탄소에 위치한 당사슬의 단순화에 따른 맛의 개선되었다는 결론을 얻을 수 있었다. 결론적으로, 이러한 연구결과를 토대로 셀룰라제의 단점을 보완하는 레시타제 울트라를 이용하여 길경의 주요 사포닌인 플라티코딘 D를 효율적으로 증가시킬 수 있었고, 동시에 쓴맛과 아린맛을 약화시킴으로써 상업적 이용가능성을 제시하였다.

Platycodon grandiflorum belongs to the Campanulaceae family. Platycodon saponins are the major and marker constituents of Platycodi radix (i.e., Platycodon grandiflorum root). Platycodon saponins were investigated to explore their hypolipidemic, cholesterol-lowering, and anti-obesity properties through a series of in vivo and in vitro experiments. Platycodi radix has been used as a food, as an herbal supplement, and as traditional oriental medicine in East Asia. However, Platycodon saponins have a bitter taste, which has had a negative impact on consumers' preferences. In order to improve the bitter taste for consumers when commercializing Platycodi radix as a health-functional food, it has either been processed with a food additive having a sweet taste or has had the content of the raw material extract decreased. This study was conducted to improve the bitter taste by simplifying the side chains of saponins through enzymatic transformation. It was also found that the efficacy was improved by increasing platycodin D, the main ingredient of Platycodon saponins. In previous studies, we reported a method of efficiently producing platycodin D through reaction with an enzyme cellulase-enriched saponin fraction, that is, Viscozyme L (a food additive with cellulase activity), which cleaves the glycosidic bond at the C-3 position. Lecitase Ultra (a food additive with lipase activity), which was expected to cleave the ester bond of position C-28, was also used in the experiment. However, Lecitase Ultra did not cleave the ester bond of the sugar at that position. Based on the results of this study, both enzymes Lecitase Ultra and Viscozyme L commonly cleaved the glycosidic bond at the C-3 position of all saponins, resulting in the disappearance of about 18 saponins. Viscozyme L also cleaved the ester bond at the C-28 position of Platycodon saponins and then converted D-forms into deapiose forms of Platycodon saponins, while Lecitase Ultra did not show this capability. The sensory evaluation showed that the bitterness of the Platycodon saponin decreased with the simplification of the side chain. The difference between the two enzymes was that with one of them, the apiose at the end of C-28 was cleaved to convert the saponins of D-forms into deapiose forms. When both enzymes were used, the bitter taste was improved, but when Viscozyme L was used alone, the pH was lowered, and the sour taste reappeared. Reviewing previous studies, we note that after treatment with platycodin D, platycodin D3, and platycoside E 5 uM in mast cells treated with adipocytes, the fat suppression effect was significantly reduced . The results of Oil Red O-staining show that the activity of C-3 increases as the sugar of C-3 drops. This study sought to identify the structure–bitterness relationship of Platycodi radix by cleaving the glycosidic bond at C 3 via enzyme by using Lecitase Ultra and Viscozyme L .