본 연구는 땃두릅나무 부정근 대량생산 체계를 확립하고, 게르마늄 처리에 의한 유기 게르마늄 생산 및 부정근 발효에 따른 미백 및 항산화 활성의 증진 효과를 확인하고자 수행되었다. 땃두릅나무 부정근의 최적 배양 조건은 1/2× MS 배지에 탄소원으로 3% sucrose 및 auxin 계열 생장조절물질인 IBA 0.5 ㎎/ℓ를 첨가하고, pH는 5.8로 조절하여 0.5～0.8 cm의 땃두릅나무 부정근을 접종하여 25℃의 암조건으로 6주간 배양한 경우 최대의 biomass를 나타내어 배양 조건을 확립하였다.
조직배양시 주요 탄소원이자 삼투압을 조절하는 기능을 하는 sucrose 농도를 달리하여 체내 당, 삼투압 관련 물질의 생산?축적 양상을 확인하고 항산화 효소 활성 및 부정근의 건조물의 미백, 항산화 활성을 평가하였다. 삼투압 조절 물질인 proline은 5% 처리구에서 가장 많이 생산되었고, 과산화 지질 산물인 malondialdehyde (MDA)는 1% 처리구에서 가장 많이 생산되었다. 부정근 체내의 항산화 역할을 하는 효소의 활성을 분석한 결과, SOD 및 GPx는 5%에서 가장 높았으며, 반면 catalase는 5%에서 가장 낮고 7% 처리구에서 가장 높게 나타났다. 이에 5% 이상의 sucrose 처리는 땃두릅나무 부정근 배양시 강력한 산화적 스트레스를 유발하는 것을 확인할 수 있었다. Sucrose 농도별 생리활성은 미백에서는 5%, 3%, 1% 및 7% 순으로 높았으며, 항산화 활성은 3%, 5%, 1% 및 7% 순으로 높은 활성을 나타내었다. 식물의 강력한 항산화 활성을 가진 페놀 함량 및 UPLC를 통한 페놀 정량분석에서 chlorogenic acid와 vanillin이 3% 및 5% sucrose 처리구에서 많았으며 그 정도는 유사하였다. 이에 땃두릅나무 부정근의 증식 및 항산화 물질 대량 생산을 위하여 3% sucrose를 처리하는 것이 가장 적합한 것을 확인할 수 있었다.
유기 게르마늄 생성능을 확인하기 위하여, 기내배양한 땃두릅나무 유식물체 및 부정근의 계대 배지에 게르마늄을 처리하여 유기 게르마늄의 축적?생산 양상을 확인하여 이에 따른 생리활성 증진 효과를 분석하였다. 땃두릅나무 유식물체의 경우 GeO2 10 ㎎/ℓ 처리구에서 생육이 증진되고, 광합성 색소인 Chl a, Chl b, carotenoid의 함량이 가장 높았다. 유기 게르마늄의 생산 및 축적은 GeO2 50 ㎎/ℓ 처리구에서 40.87±3.04 ㎍/plantlet으로 가장 많았다. 땃두릅나무 부정근은 게르마늄 처리농도가 증가할수록 생육이 감소하는 경향을 보였고, 부정근에서도 GeO2 50 ㎎/ℓ 처리구에서 가장 높은 유기 게르마늄 생산량을 보였다. 땃두릅나무 부정근을 이용한 유기 게르마늄 생산능을 증진시키고자 유기산 및 킬레이트를 처리하는 방법과 two step 배양법을 고안하였다. 유기산 및 킬레이트 처리에 의한 유기 게르마늄 축적은 NTA 0.1, 1 mM 및 EDTA 0.1 mM를 처리하였을 때 증진하였고, 특히 인산 0.1 mM 처리시 생육 및 유기 게르마늄 생산이 증진되었다. Two step 배양은 부정근 유도 배지에 3주 동안 증식하고, GeO2 50 ㎎/ℓ 처리하여 3주 동안 배양하였을 때, 유기 게르마늄 축적 및 생산이 효과적으로 이루어졌다. 유기 게르마늄을 축적한 땃두릅나무 부정근은 미백, 항산화 활성 및 총 페놀 함량이 증가하는 효과를 나타내었다.
땃두릅나무 부정근의 기능성을 증진시키고자, 식품 미생물 7종 (Aspergillus oryzae, Monascus ruber, Saccharomyces cerevisiae, Bacillus subtilis, Lueconostoc mesenteroides, Lactobacillus plantarum, Acetobacter aceti)을 이용하여 3일 동안 발효하고 생리활성 분석을 실시하였다. 미백, 항산화 활성에서 효모인 S. cerevisiae과 초산균인 A. aceti를 이용한 발효에서 감소하였고, 곰팡이류인 A. oryzae 및 M. ruber를 이용한 발효 처리에 의해 증진하는 경향을 보였다. 특히 홍국 M. ruber의 발효는 2배에 달하는 생리활성 증진 효과를 보일 뿐만 아니라, 발효하지 않은 부정근에서의 chlorogenic acid 및 vanillin을 유사한 수준으로 유지하고, 미백 활성이 뛰어난 gentistic acid와 강력한 항산화력을 가진 protocatechuic acid를 새로이 합성하였다.
본 연구를 통하여 땃두릅나무 부정근의 대량 생산 체계를 확립하고, 나아가 땃두릅나무 부정근을 이용한 유기 게르마늄 생산 및 발효에 의한 고기능성 원료를 확보하고, 이의 미백 및 항산화 증진 효과를 확인하여 산업화에 부합되는 소재로서의 개발을 가능하게 할 것으로 사료된다.

The purpose of this study was to establish a mass production system adventitious roots of Oplopanax elatus, and to determine the whitening effect and antioxidant activity of adventitious roots treated with germanium and fermentation process. The optimal culture conditions were 1/2 × MS, 3% sucrose as a carbon source in a culture medium supplemented with 0.5 ㎎/ℓ IBA, pH 5.8. Maximum biomass of the adventitious root was achieved (0.5-0.8 cm in length) after 6 weeks of dark condition at 25 ℃. Different concentration of sucrose and proline were treated and evaluated its effect on adventitious root growth of O. elatus in terms of bleaching and antioxidant activity. Treatment of 5% proline and 1% sucrose resulted into higher lipid peroxidation activity of adventitious roots. Treatment of 5% sucrose concentration in the growth culture resulted into higher SOD and GPx activity, whereas, catalase highest activity was higher at 7% and lowest at 5% sucrose concentration. Result showed that sucrose concentration more than 5% causes antioxidant stress in the adventitious roots in the culture medium. Whitening activity of adventitious roots were in the order of 5%>3%>1%>7%, whereas, antioxidant activity of adventitious roots were in the order of 3%>5%>1%>7%. Quantitative analysis of phenolic compounds concentration were carried out by UPLC using adventitious roots and compared with the roots of wild O. elatus plants roots. The concentration of chlorogenic acid and vanillin were higher at 3% and 5% sucrose. 3% sucrose concentration in the liquid culture showed the best performance in terms of growth, bio-mass production and antioxidant activity of adventitious roots of O. elatus.
In order to produce organic geranium and to enhance antioxidant activity, different concentration of geranium was treated to adventitious roots and compared with the roots of wild O. elatus plants roots. Among the different concentration of germanium treatment, 10 mg/l GeO2 promoted higher growth, carotenoids concentration and photosynthetic pigments (Chl. a, Chl. b) in the adventitious roots compared to seedlings of O. elatus. Production and concentration of organic germanium was higher (40.87 ± 3.04 μg/plantlets) in culture medium supplemented with 50 mg/l GeO2. The growth of adventitious roots decreased with the increase of GeO2 concentration in the culture medium. 50 mg/L GeO2 treatment in the culture medium showed highest organic germanium production in the adventitious roots. Different concentration of organic acid and chelating agents were used to determine its effects on organic germanium production in adventitious roots of O. elatus using two step methods. Organic acid and chelating agent treatment at a concentration of 0.1 mM, 1 mM NGT and 0.1 mM EDTA, respectively, promoted the accumulation of organic germanium and 0.1 mM phosphate promoted the growth process and organic germanium production. In the two step culture, adventitious roots incubate for three weeks supplemented with 50 mg/l GeO2 enhanced the production and accumulation of organic germanium. Furthermore, accumulation of organic germanium in adventitious roots of O. elatus increased the whitening, antioxidant activity and total phenolic contents. To enhance the functional property of O. elatus, the adventitious roots were fermented for three days by treating with seven different types of microbes including Aspergillus oryzae, Monascus ruber, Saccharomyces cerevisiae, Bacillus subtilis, Lueconostoc mesenteroides, Lactobacillus plantarum, Acetobacter aceti. Antioxidant activity of fermented adventitious roots were analyzed and determined. Result showed the whitening effect and antioxidant activity of adventitious roots treated with S. cerevisiae and A. aceti were decreased significantly, while adventitious roots treated with A. oryzae and M. ruber enhanced the whitening effect and antioxidant activity of adventitious roots. In particular, adventitious roots treated with M. ruber resulted into increased antioxidant twice than control roots. In addition, concentration of vanillin and chlorogenic acid were similar in its concentration in adventitious roots treated with M. ruber compared to the non treated adventitious roots. Protocatechuic acid and gentisic acid were detected in the adventitious roots treated M. ruber, while absent in the control non treated roots.
The present study established an efficient mass production system of adventitious roots of O. elatus and further enhanced its functional properties and organic germanium production. Production of organic germanium and fermentation of adventitious roots improved the whitening effect and antioxidant activity of adventitious roots of O. elatus. Thus, the establishment of mass production, improvement of functional property, germanium production, enhancement of antioxidant activity of the adventitious roots can used to meet its demands, as a resources for making valuable products in the food industry.