본 연구는 식품 가공부산물의 기능성 식품소재로 활용하기 위해 들깨박을 cellulose 및 hemicellulose 분획으로 나누고 효소적 가수분해를 하여 이들 분획으로 부터 수용성 식이섬유를 생산하고자 하였다. 또한 들깨박으로부터 생상된 수용성 식이섬유의 물리적 및 항산화 활성을 확인하였으며, 나아가 항산화 활성이 가장 우수한 식이섬유의 생리기능성을 평가하였다.

1. 들깨박으로부터 수용성 식이섬유를 생산하기 위한 cellulose 분획의 효소가수분해 최적 조건은 Celluclast 1.5L를 이용하여 pH 5.0, 50℃ 및 효소농도 30 unit이였으며, hemicellulose 분획의 경우 Viscozyme L을 이용하여 pH 4.0, 50℃ 및 효소농도 30 unit로 결정되었다.

2. 최적 조건을 통해 생성된 cellulose 분획의 들깨박 수용성 식이섬유 수율은 분해시간이 경과할수록 증가하였으나 72시간 분해 시에는 유의적인 증가는 없었다(p>0.05). 반면 Hemicellulose 분획은 효소분해시간이 경과할수록 수율이 유의적으로 증가하였다(p<0.05).

3. 들깨박의 총당 함량은 효소분해 시간이 경과함에 따라 높아졌다. Cellulose 분획의 48시간(154.68 mg/g) 및 72시간(155.29 mg/g)이 유의적으로 가장 높았다(p>0.05). Hemicellulose 분획의 72시간 효소분해하여 얻은 식이섬유 50.20 mg/g으로 가장 높은 총당 함량을 보였다.

4. 들깨박 수용성 식이섬유의 수화능은 효소분해 시간이 길어질수록 수분보유력과 팽윤력은 감소하였으며, 반면 용해력은 증가하였다. 즉, 각 분획의 효소분해 전 식이섬유의 수분보유력과 팽윤력이 가장 높았고 용해력은 가장 낮은 것으로 나타났다.

5. 들깨박 수용성 식이섬유의 유지보유력은 효소분해시간이 길수록 증가하였다. Cellulose 분획의 경우 72시간 효소분해하여 얻은 식이섬유가 4.54 g/g으로 가장 높았고, hemicellulose 분획의 48시간 및 72시간 효소분해하여 얻은 식이섬유가 각각 3.92 g/g 및 4.03 g/g로 유의적으로 높은 유지보유력을 보였다(p<0.05).

6. 들깨박 수용성 식이섬유의 유화력 및 유화안정성은 효소분해 시간이 길수록 증가하는 경향을 보였으며, 각 분획의 48시간 및 72시간 효소분해하여 얻은 식이섬유의 유화력과 유화안정성이 높은 것을 확인하였다.

7. 들깨박 cellulose 분획의 72시간 효소분해하여 얻은 식이섬유가 가장 높은 겉보기 밀도(0.65 g/mL) 및 부피 밀도(0.98 g/mL)를 보였다. Hemicellulose 분획의 경우 효소분해를 통해 얻어진 식이섬유가 효소분해 전 식이섬유의 겉보기 밀도 및 부피 밀도보다 높게 나타났다.

8. 들깨박 수용성 식이섬유의 폴리페놀 함량은 cellulose 및 hemicellulose 분획 모두 24시간 효소분해한 경우 각각 11.86 mgTA/g와 12.92 mgTA/g로 가장 높았다. 이후 48시간 이상 분해 시 폴리페놀의 함량이 감소하였으며, 특히 cellulose 분획의 경우 크게 감소하는 경향을 보였다.

9. 들깨박으로부터 생산된 수용성 식이섬유의 항산화 활성을 측정한 결과는 다음과 같다.
Cellulose 분획의 24시간 효소분해한 식이섬유가 3 mg/mL의 농도구간을 제외한 모든 농도에서 가장 높은 DPPH 라디칼 소거능을 보였다. 마찬가지로 Hemicellulose 분획의 24시간 효소분해한 식이섬유가 모든 구간에서 가장 높았으며, 2 mg/mL농도에서 모든 식이섬유가 60% 이상의 라디칼 소거능을 보였다. Cellulose의 24시간 효소분해한 식이섬유는 모든 농도구간에서 50% 이상의 라디칼 소거능을 보였다. Cellulose와 hemicellulose 분획의 24시간 효소분해하여 얻은 식이섬유가 가장높은 ABTS+ 라디칼 소거능을 보였다. Cellulose 분획의 24시간 효소분해되어 얻어진 식이섬유는 1 mg/mL의 농도를 제외한 모든 농도구간에서 가장 높은 hydroxyl 라디칼 소거능을 보였고, 이와 유사하게 hemicellulose 분획의 24시간 효소분해하여 얻은 식이섬유는 10(57.08%), 15(69.02%) 및 20 mg/mL(73.82%)의 농도에서 가장 높은 라디칼 소거능을 보였다. 들깨박 cellulose 및 hemicellulose 분획의 수용성 식이섬유의 Fe2+ 킬레이팅 효과는 대부분의 농도구간에서 24시간동안 효소분해된 식이섬유가 가장 높았으며, 특히 hemicellulose의 모든 식이섬유는 600 μg/mL에서 50%이상의 Fe2+ 킬레이팅 효과을 보였다. 환원력은 cellulose 분획의 24시간 효소분해한 식이섬유의 값이 가장 높았으며, 2 mg/mL에서 1.0 이상의 환원력을 보였다. Hemicellulose 분획은 대부분의 농도구간에서 24시간 효소분해하여 얻은 식이섬유의 환원력이 가장 높았다. Cellulose 및 hemicellulose 분획의 들깨박 수용성 식이섬유는 농도가 증가할수록 SOD 유사활성이 높아졌으며, 그 중 24시간 효소분해한 식이섬유가 가장 높았다. Cellulose 및 hemicellulose 분획의 β-carotene bleaching 활성은 24시간, 48시간, 72시간, 효소분해 전 식이섬유 순으로 높은 것으로 나타났다.
Hemicellulose의 24시간 효소분해하여 얻은 식이섬유는 DPPH 라디칼 소거능(1.57 mg/mL), Fe2+ 킬레이팅 효과(76.32 μg/mL), hydroxyl 라디칼 소거능(1.16 mg/mL), SOD 유사활성(1.46 mg/mL) 및 β-carotene bleaching(0.66 mg/mL)에서 가장 낮은 IC50 값을 보였다. 반면, ABTS+ 라디칼 소거능(9.80 mg/mL)과 환원력(2.02 mg/mL)에선 cellulose 분획의 24시간 효소분해로 생성된 수용성 식이섬유가 가장 낮은 IC50 값을 보였다.

10. 들깨박 수용성 식이섬유 cellulose 및 hemicellulose 분획의 아질산염 소거능은 농도가 높아질수록 증가하였으며, 모든 농도구간에서 24시간 효소분해하여 얻은 식이섬유가 가장 높은 소거능을 보였다. Hemicellulose 분획의 24시간 효소분해한 식이섬유(2.34 mg/mL)는 celllulose 분획에 비해 낮은 IC50 값을 가지는 것을 확인하였다.

11. 들깨박 식이섬유의 항치매활성은 AChE 저해활성을 통해 확인하였다. Hemicellulose 분획을 24시간 효소분해하여 얻은 식이섬유가 2.5 mg/mL(39.27%), 5 mg/mL(42.11%) 및 10 mg/mL(90.35%)의 농도에서 cellulose 분획의 식이섬유보다 높은 항치매 활성을 보였다. Hemicellulose 분획 식이섬유의 AChE 저해활성에 대한 IC50 값(4.20 mg/mL)은 cellulose 분획보다 낮았다(5.66 mg/mL).

12. 들깨박 수용성 식이섬유의 항고혈압 활성은 ACE 저해활성을 통하여 확인하였으며, 모든 농도에서 hemicellulose 분획으로부터 24시간 효소분해하여 얻은 식이섬유가 cellulose 분획의 식이섬유보다 높았다. 또한 hemicellulose 분획의 24시간 효소분해하여 얻은 식이섬유(12.97 mg/mL)는 ACE 저해활성에서 cellulose 분획(19.43 mg/mL)보다 낮은 IC50 값을 보였다.

13. 들깨박 수용성 식이섬유의 항당뇨 활성은 당 대사효소인 α-amylase와 α-glucosidase 효소의 저해활성을 측정하였다. α-Glucosidase 저해활성에서 cellulose의 24시간 효소분해하여 얻은 식이섬유는 hemicellulose 분획보다 높았으며, 이는 2 mg/mL 농도에서 acarbose의 항당뇨 활성의 69%에 해당하는 값을 보였다. 또한 cellulose 분획의 24시간 효소분해된 식이섬유는 hemicellulose 분획보다 높은 α-amylase 저해활성을 보였고, cellulose의 식이섬유는 2 mg/mL의 농도에서 acarbose의 76%에 해당하는 우수한 항당뇨 효과가 있음을 확인하였다.

14. 들깨박 수용성 식이섬유의 glucose 및 bile acid 투과 억제효과를 측정하였다. cellulose 분획의 식이섬유는 투석 1시간(47.98%) 및 12시간(6.81%) 경과 시 positive control인 CMC와 유사한 GRI를 보였으며, 또한 cellulose 분획의 식이섬유는 모든 투석시간에서 CMC 및 pectin과 유사하거나 높은 bile acid 투과 억제효과를 가지는 것으로 나타났다.

이상과 같이 최적 효소분해 조건하에서 생성된 들깨박 수용성 식이섬유의 물리적 및 기능성 특성을 확인하였다. 들깨박으로부터 생성된 수용성 식이섬유는 수분 및 유지와 높은 친화력을 가져 물성특징을 향상시키기 위한 식품소재로 사용될 수 있을 것으로 판단된다. 또한 들깨박 수용성 식이섬유소, 특히 24시간 효소분해로 얻어진 식이섬유는 높은 항산화 및 생리기능 활성을 보여 항치매, 항고혈압 및 항당뇨 효과뿐만 아니라 glucose 및 bile acid 흡수억제 효과를 가진 기능성 식품소재로의 활용이 가능할 것으로 판단된다. 본 연구결과는 들깨유 제조 시 다량 생산되는 들깨박의 잠재적 생리활성을 확인함으로써 새로운 소재개발의 기초자료가 될 수 있을 것으로 기대된다.

This study was conducted for the production of water-soluble fiber (WSF) from perilla seed cake, which is a byproduct of food processing, by using commercial enzymes. Perilla seed cake was divided into cellulose fraction (CF) and hemicellulose fraction (HF), and optimal enzymatic hydrolysis of each fraction was determined for production of WSF. The physical properties and physiological activity of WSF produced from perilla seed cake were measured.

1. The optimal hydrolysis conditions of CF for producing WSF from perilla seed cake were pH 5.0 and 50 ℃ using 30 unit of Celluclast 1.5L. Enzymatic degradation conditions of HF were pH 4.0 and 50 ℃ using 30 unit of Viscozyme L.

2. The yield of WSF from CF and HF was increased according to increase of hydrolysis time. Yield of WSF from CF and HF were 14-18% and 3-4%, and WSF hydrolysed for 72 h from CF and HF had the highest yield.

3. The total sugar content of WSF from perilla seed cake increased with increase of enzymatic hydrolysis time. Total sugar contents of WSF produced by hydrolysis for 72 h were the highest with 154.68 mg/g and 155.29 mg/g, respectively, for CF and HF.

4. As hydrolysis time became longer, water holding capacity and swelling power of WSF decreased while water solubility increased. WSF without enzyme treatment showed highest water holding capacity and swelling power, but it had the lowest in water solubility.

5. The oil-holding capacity of WSF from CF and HF increased with increase of enzymatic hydrolysis. In the case of CF, WSF hydrolysed for 72 h was the highest (4.54 g/g). WSF enzymatically degraded for 48 h (3.92 g/g) and 72 h (4.03 g/g) had high oil-holding capacity.

6. The emulsifying activity and emulsification stability of WSF from perilla seed cake increased with increasing of enzymatic hydrolysis. WSF obtained by enzymatic hydrolysis of 48h had the highest emulsifying activity(48.00%). WSF obtained by enzymatic hydrolysis showed higher emulsion stability than that of WSCF without enzyme treatment in CF. In HF, WSF obtained by hydrolysis of 48 h had the highest emulsifying activity (47.42%), and WSF obtained by hydrolysis of 72 h had the highest emulsion stability (45.00%).

7. The direct density (0.65 g/mL) and bulk density (0.98 g/mL) of WSF obtained by enzymatic hydrolysis for 72 h were the highest in CF. In the case of HF, WSF obtained by enzymatic hydrolysis showed higher direct density and bulk density than non-hydrolysed fiber.

8. The polyphenol content of WSF enzymatically hydrolysed for 24 was the highest in CF and HF, and decreased after hydrolysis of 48 h.

9. Antioxidant activity of WSF produced from the perilla seed cake was measured, and the results are as follows.
DPPH radical scavenging activity of WSF produced by hydrolysis of 24 h from perilla seed cake was the highest at all concentrations. All WSF obtained from HF showed more than 60% radical scavenging activity at 2 mg/mL. WSF enzymatically hydrolysed for 24 from CF showed the highest ABTS+ radical scavenging activity and showed more than 50% radical scavenging activity at all concentrations. ABTS+ radical scavenging activity of WSF from HF obtained by enzymatic hydrolysis showed higher than that of WSF without enzyme treatment at all concentrations except 10 mg/mL. WSF hydrolysed for 24 h from perilla seed cake had the highest activity at most of the concentrations. WSF from CF had more than 50% hydroxyl radical scavenging activity at 5 mg/mL. WSF produced by hydrolysis of 24 h showed the highest Fe2+ chelating at most of the concentration. Especially, all WSF produced from HF had more than 50% chelaing activity at 600 μg/mL. Reducing power of WSF degraded for 24 h from perilla seed cake were the highest value at most concentrations range. And reducing power of WSF from CF was more than 1.0 at 2 mg/mL. SOD-like activity of WSF increased, as concentration was increased. WSF degraded for 24 h was the highest activity among WSF at all concentration. The β-carotene bleaching activity of WSF were high in the order of 24 h, 48 h, 72 h, non-degraded. All WSF showed more than 50% activity at a concentration of 5 mg/mL. And β-carotene bleaching activity of WSF obtained by enzymatic hydrolysis for 24 h were the highest. WSF obtained by enzymatic hydrolysis for 24 h from HF had the lowest IC50 values in DPPH radical scavenging activity (1.57 mg/mL), Fe2+ chelating activity (76.32 μg/mL), hydroxyl radical scavenging activity (1.16 mg/mL), SOD-like activity (1.46 mg/mL) and β-carotene bleaching(0.66 mg/mL). On the other hand, WSF produced by hydrolysis of 24 h from CF had the lowest IC50 value in ABTS+ radical scavenging activity(9.80 mg/mL) and reducing power(2.02 mg/mL).

10. Nitrite scavenging activity of WSF increased with increase of concentration. WSF obtained by enzymatic hydrolysis for 24 h showed the highest nitrite scavenging activity among WSF. WSF enzymatically hydrolysed for 24 h from HF had lower IC50 value(2.34 mg/mL) than that of WSF degraded for 24 h from CF(3.21 mg/mL).

11. The anti-dementia activity of WSF for 24 h from CF (WSFC24) and HF (WSFH24) was confirmed by the inhibition activity of acethylcholinesterase (AChE). AChE inhibition activity of WSFH24 was higher than that of WSFC24 at concentrations of 2.5 mg/mL, 5 mg/mL and 10 mg/mL. Also, IC50 value of WSFH24 was lower than that of WSFC24.

12. The antihypertensive activity of WSF from perilla seed cake was confirmed by the inhibition activity of angiotensin I-converting enzyme(ACE). WSFH24 had higher ACE inhibition activity than that of WSFC24 at all concentrations. The IC50 value of WSFH24(12.97 mg/mL) was higher than that of WSFC24(19.43 mg/mL).

13. Anti-diabetic activity of WSF perilla seed cake was measured by measuring inhibition activity of α-amylase enzyme and α-glucosidase enzyme. In the α-glucosidase inhibition activity of WSFC24 was higher inhibition activity than that of WSFH24 at all concentrations, which had 69% inhibition activity of acarbose of antidiabetic activity at 2 mg/mL. α-Amylase inhibition activity of WSFC24 was higher than that of WSFH24, which had 76% of acarbose of antidiabetic activity at the concentration of 2 mg/mL.
14. WSFC24 showed high GRI and BRI values in glucose and bile acid permeation inhibition effects. WSFC24 had a GRI value similar to CMC, which is a positive control, at dialysis of 1 h and 12 h. In addition, bile acid permeation inhibition effects of WSFC24 was similar or higher than that of CMC and pectin.

According to these results, WSF produced from the perilla seed cake could be used as a food material to improve the physical properties with high affinity with water and fat. In addition, WSF obtained from perilla seed cake, especially WSF enzymatically decomposed for 24, had high antioxidative and physiological activity. Thus it could be used as a functional food material with anti-dementia, antihypertensive, anti-diabetic effects as well as glucose and bile acid absorption inhibition effect. The results of this study are expected to be a basic data for the development of new materials by confirming the potential physiological activity of perilla seed cake produced in the production of perilla oil.