Functional beverages with antioxidant and anti-obesity properties and enhanced sensory quality using kimchi lactic acid bacteria

Abstract

국문초록

프로바이오틱스는 식물성 식품, 음료, 시리얼과 같은 식품에 응용될 수 있으며 소비자들에게 프로바이오틱스를 제공하는 대체 수단으로 새로운 선택지를 제공함과 동시에 건강학적 이점을 제공할 수 있다. 프로바이오틱스에 대한 관심 연구 분야는 특정 2차 대사 산물을 식별하고 유용성분을 규명하는 방향으로 확장되고 있다. 이러한 포스트바이오틱스는 식품 가공, 저장 과정 및 위장관 내 소화 과정을 견디며 다양한 생리적 이점을 제공한다. 이에 따라 건강 증진 효과를 갖춘 프로바이오틱스 강화 제품에 대한 수요가 증가하고 있다. 그러나 과학적으로 개발된 프로바이오틱스 제품은 맛과 향미가 감소하여 감각적 수용도가 낮아지는 문제가 발생할 수 있으며, 이는 소비자의 기호도 감소로 이어질 수 있다. 본 연구의 구체적인 목표는, 1) 김치유래 유산균의 항산화 효과를 조사하고, 과산화수소에 노출되었을 때 산화 스트레스에 저항하는 잠재적 메커니즘을 전사체와 단백질체 수준에서 탐구, 2) 유산균 발효 과채 주스(VJ)의 대사산물 규명: 초고성능 액체 크로마토그래피-사중극자 비행시간형 질량분석기(UPLC-QTOF-MS)와 가스 크로마토그래피-질량분석기(GC-MS)를 이용한 발효 VJ에 존재하는 파이토케미컬 분석 및 이 대사산물과 항산화 특성 간의 상관관계 비교, 3) 발효된 VJ가 체내 지방 축적에 미치는 영향을 시험관 내(in vitro) 및 생체 내(in vivo)에서 검증 및 그 유용성분 규명, 4) 대사체 프로파일 결과와 전자 혀 및 전자 코 기술을 활용하여 유산균으로 발효된 맥아 음료의 맛 인식 패턴, 향미 구성 및 관능품질특성을 조사하는 것이다. 김치는 한국 전통 발효식품으로, 그 기능적 특성은 널리 보고되어 왔다. 저장 기간 동안 김치 내 유산균은 발효를 통해 김치에 함유된 성분을 변화시켜 독특한 풍미와 건강에 유익한 생리 활성 화합물을 생성한다. 따라서 김치 유래 유산균은 김치의 다양한 건강 기능성과 밀접한 관련이 있다. 전국에서 수집한 김치를 발효하며 분리한 35,000여 종의 유산균 중, 식품에 적용할 때 우점화 가능성이 높은 5종의 균주를 사전에 선발하여 실험에 사용하였다. 김치 유산균 5종의 잠재적인 항산화 활성을 비교한 결과 Latilactobacillus curvatus WiKim38, Companilactobacillus allii WiKim39, 그리고 Lactococcus lactis WiKim0124는 더 높은 환원력, 지질 과산화 억제 효과, 및 항산화 효소 활성을 나타내었다. 과산화수소수에 노출된 유산균을 대상으로 RNA 시퀀싱을 이용한 전사체 데이터와 2차원 겔 전기영동으로 단백질체 프로파일 분석을 수행하였다. 그 결과 유산균이 산화 스트레스에 대응하여 세포막, 세포 내 대사, 그리고 세포 과정을 활성화하는 것을 확인하였다. 이를 통해 유산균의 항산화 특성에 대한 잠재적 원천으로 김치 유산균의 온전한 세포, 세포 추출물, 및 그 대사산물에 있는 것으로 추정하였다. 따라서, 프로바이오틱 유산균의 항산화 활성 메커니즘에는 자체 항산화 효소 및 항산화 대사산물의 생성, 세포벽 단백질 내 항산화 과정을 조절 또는 조절 경로 활성화, 그리고 활성산소종 생성 효소의 하향 조절이 포함될 수 있음을 예측하였다. 이를 통해 항산화 효능이 가장 우수한 두 종류의 김치 유산균, WiKim39와 WiKim0124를 최종 선정하고, 이를 기능성 유산균으로 발효식품에 적용하는 연구를 수행하였다. 4가지 작물 품종을 혼합하여 만든 음료에 유산균을 첨가하여 제조한 프로바이오틱 VJ의 발효 대사산물과 그 항산화 특성을 조사하였다. 이전에 확인된 두 가지 균주(WiKim39와 WiKim0124)가 VJ에 접종되었으며, 이들의 특성은 비표적 UPLC-QTOF-MS 및 GC-MS를 사용하여 분석을 수행하였다. 또한, 발효물에서 라디칼 소거 활성 등 항산화 활성을 평가하였다. 발효된 VJ는 총 페놀 화합물의 증가와 함께 향상된 항산화 능력을 나타내었다. 발효 과정에서 d-류신산(LA), 인돌-3-유산(ILA), 3-페닐유산(PLA) 수치가 크게 증가하였다. 이러한 대사산물은 상관관계 분석에서 항산화 특성과 유의미한 양의 상관관계를 나타내었다. 이러한 결과는 유산균 발효 VJ가 가질 수 있는 건강상의 이점과 밀접한 관련이 있으며, WiKim39와 WiKim0124로 발효된 VJ는 생리활성에 유리한 효과를 나타낼 것으로 예측하였다. 항산화 특성은 활성산소를 감소시켜 염증과 지방 축적을 억제함으로써 항비만 효과를 촉진한다. 이에 따라, 다음 연구에서는 항산화 활성이 우수한 WiKim39와 WiKim0124 균주가 항비만 효능도 나타내는지 조사하였다. 유산균 단독으로 또는 발효 VJ 형태로 식품 매트릭스와 함께 섭취하였을때의 효능을 비교하였으며 in vitro 및 in vivo에서 활성을 평가하였다. 이 균주들은 염증성 사이토카인의 유전적 발현을 자극하여 면역 기능을 향상시키고 지질 축적을 효과적으로 억제하는 것으로 관찰되었다. 또한, 발효된 VJ는 유산균을 단독으로 섭취한 경우보다 효능이 뛰어나, 식품 매트릭스에서 유산균 발효를 통해 생성된 대사산물의 생체 이용률이 확대된 것으로 예측하였다. 특히, 발효된 VJ의 유용 대사산물인 LA, ILA, PLA는 인간 중간엽 줄기세포에서 지질 축적이 개선된 것을 확인하였다. 다음으로, 관능 품질이 개선된 발효 음료를 개발하고자 하였다. 이를 위해 식물성 식품이 발효 과정 중 화합물 구성 변화가 감각적 특성에 미치는 영향을 탐구하였다. 실험에는 사전에 선발된 우점화 가능성이 높은 김치 유산균 5종에 발효 속도 증진용 유산균 2종을 추가하여 사용하였다. 그 결과, 맥아 음료에서 우점화와 발효 속도 증진에 탁월한 Levilactobacillus brevis WiKim0194 유산균이 선발되었다. 이후 WiKim0194로 발효된 맥아 음료의 향 구성과 풍미 인식을 조사하는 것을 최종 목표로 하였다. 연구 방법으로는 고성능 액체 크로마토그래피와 GC-MS를 통한 대사체 프로파일링, 전자 혀(e-tongue) 및 전자 코(e-nose) 기술을 사용하였다. 전자 혀로 감지된 주요 미각의 차이는 신맛의 증가와 쓴맛의 감소로 관찰되었다. 발효된 맥아 음료에서 WiKim0194의 주요 산물인 젖산을 포함한 유기산은 불쾌한 쓴맛의 인식을 억제하는 것으로 예측하였다. 전자 코로 감지된 WiKim0194 발효 맥아 음료의 긍정적인 향미 특성은 각각 꽃 향기, 과일 향기, 달콤한 향기(Vanillin, citronellol, and β-damascenone)로 확인되었다. 또한, WiKim0194 발효 맥아 음료의 쓴 냄새와 불쾌한 맛은 쓴맛을 유발하는 휘발성 화합물들(chlorobenzene, 2-acetylpyridine)의 감소로 인해 쓴맛에 대한 감각적 인지도 함께 감소된 것으로 추정하였다. 본 연구를 통해 도출된 결과는 김치 유래 유산균의 건강 증진 효과를 검증하고 식품 산업에서 응용하기 위한 기초를 마련하였다. 적합한 유산균은 식품 발효에서 발효 주도용 종균으로 사용될 수 있으며, 생리활성 메커니즘과 대사 경로에 영향을 미치고, 건강 기능성 개선 또는 향상된 관능품질 특성을 통해 제품 품질을 종합적으로 향상시킬 수 있을 것으로 사료되었다. 따라서 본 연구는 발효 식품 산업에서 프로바이오틱 유산균 제품으로 응용하기 위해 종균으로 적합한 균주 선택의 중요성을 제시했다는 점에서 그 의의가 크다고 할 수 있다.

Abstract Moeun Lee Department of Agricultural Biotechnology The Graduate School Seoul National University Emerging probiotic food applications, such as plant-based products, beverages, and cereal, offer alternative means of delivering probiotics to consumers. This study explored the functional potential of kimchi-derived lactic acid bacteria (LAB) strains, focusing on antioxidant and anti-obesity properties, metabolite profiling, and sensory enhancements in fermented foods. Among 35,000 LAB strains isolated, Companilactobacillus allii WiKim39 and Lactococcus lactis WiKim0124 were identified as highly effective in antioxidant activities through transcriptomic and proteomic analyses, revealing mechanisms such as antioxidase production and reactive oxygen species regulation. Fermentation of vegetable juices (VJ) with these strains increased phenolic compounds and metabolites like d-leucic acid, indole-3-lactic acid, and 3-phenyllactic acid, correlating with improved antioxidant and anti-obesity effects in vitro and in vivo. The study further demonstrated that LAB-fermented VJ showed greater bioavailability of beneficial metabolites when incorporated into food matrices, highlighting the synergistic effects of probiotics and substrates. Enhanced sensory attributes were achieved in malt beverages fermented with Levilactobacillus brevis WiKim0194, characterized by increased sourness, reduced bitterness, and improved aroma profiles. In malt beverages, sensory improvements were attributed to the reduction of off-flavors and the production of desirable flavor compounds, such as vanillin, citronellol, and β-damascenone, alongside decreased bitterness from compounds like chlorobenzene and 2-acetylpyridine. The study emphasizes the importance of selecting appropriate LAB strains to optimize fermentation processes for both health benefits and sensory qualities. By demonstrating the antioxidant, anti-obesity, and sensory improvement effects of specific LAB strains, such as WiKim39, WiKim0124, and WiKim0194, this research highlights their potential as starter cultures in various food applications. The integration of advanced metabolomics and sensory analysis technologies, including UPLC-QTOF-MS, GC-MS, electronic tongue, and electronic nose, provided valuable insights into the mechanisms underlying these benefits. By identifying strains with superior antioxidant and anti-obesity properties, such as WiKim39 and WiKim0124, alongside sensory-enhancing strains like WiKim0194, the study showcases the multifaceted applications of LAB in developing functional foods. These findings advocate for the strategic selection of LAB as functional supplements and starter cultures, offering a pathway to meet consumer demands for nutritious, flavorful, and health-promoting fermented products. This work contributes not only to academic advancements in probiotics and fermentation but also to the food industry's efforts to innovate and expand the diversity of functional food offerings globally.