The Korean Society of Pesticide Science

The Korean Journal of Pesticide Science - Vol. 22 , No. 2

[ ORIGINAL ARTICLES ]
The Korean Journal of Pesticide Science - Vol. 22, No. 2, pp.153-157
Abbreviation: Korean J. Pestic. Sci.
ISSN: 1226-6183 (Print) 2287-2051 (Online)
Print publication date 30 Jun 2018
Received 28 Apr 2018 Revised 16 May 2018 Accepted 21 Jun 2018
DOI: https://doi.org/10.7585/kjps.2018.22.2.153

수확 후 에틸렌 및 광 처리에 의한 콩 잎 중 플라보노이드 함량 변화
공승헌 ; 이득영 ; 배지연 ; 송영훈 ; 박기훈 ; 장기창1 ; 김진효*
경상대학교 농업생명과학연구원 (IALS) 응용생명과학부 농화학식품공학과
1농촌진흥청 국립식량과학원 작물기초기반과

Effect of Postharvest Treatment of Ethylene or Light on Total Flavonoid in Soybean Leaf
Seung-Heon Kong ; Deuk-Yeong Lee ; Ji-Yeon Bae ; Young-Hoon Song ; Ki-Hun Park ; Ki-Chang Jang1 ; Jin-Hyo Kim*
Division of Applied Life Science, Institute of Agriculture and Life Science (IALS), Gyeongsang National University, Jinju 52828, Republic of Korea
1Crop Foundation Division, National Institute of Crop Science, Rural Development Administration, Wanju 55365, Republic of Korea
Correspondence to : *E-mail: jhkim75@gnu.ac.kr

Funding Information ▼

초록

작물에서 이차대사산물의 생산유도를 위한 광 혹은 ethylene 처리에 관한 연구는 수년간 진행되어 왔다. 최근에는 콩 개화기 때 ethylene 혹은 ethephon 처리를 통하여 isoflavone 고함유 콩 잎 생산에 관한 연구가 있었다. 하지만, 이러한 처리 공정은 콩 생산을 대신하여 콩 잎을 생산하는 기법이며, ethylene 및 ethephon의 포장처리에서 많은 기술적 어려움을 포함하고 있다. 따라서, 본 연구에서는 수확된 콩 잎을 건조하는 과정 중 광과 ethylene을 처리하여 콩 잎 중 total flavonoid 변화를 유도할 수 있는지 평가하였다. 콩 잎을 60℃ 건조 과정 중 ethylene 처리시 total flavonoid 함량은 무처리구와 비교하여 최대 28% 증가한 912–920 mg-QE 100 g−1 수준을 확보할 수 있었다. 또한, 건조 중 콩 잎의 flavonoid 함량 증가에 필요한 ethylene 노출 시간은 최대 3시간을 넘지 않음을 확인하였다. 반면, 자외선과 백색광을 ethylene과 함께 처리시 total flavonoid 함량은 대조구에 비해 오히려 최대 18% 감소한 738–792 mg-QE 100 g−1으로 확인되었다.

Abstract

Light or ethylene treatment was reported as an efficient tool for enhancement of the secondary metabolites in crops. And isoflavone-rich soybean leaf production could be achieved by the treatment of ethephon or ethylene in pre-harvest stage. However, there was no report on the ethylene application effect on soybean leaf in post-harvest treatment. In here, the two elicitors for flavonoid production effect were investigated on soybean leaf during the post-harvest drying process. Ethylene treatment effectively induced total flavonoid contents (912–920 mg-QE 100 g−1) up to 28% in comparison with non-treatment (718 mg-QE 100 g−1). In addition, ethylene was needed for up to three hours initially at 60℃ during the drying process. On the other hand, light treatment including UV and visible lights negatively affected on the total flavonoid contents (738–792 mg-QE 100 g−1) up to 18% (p < 0.01) and the total phenol contents up to 27% (1,033–1,163 mg-QE 100 g−1).


Keywords: Ethylene, light, flavonoid, total phenol, soybean leaf
키워드: 에틸렌, , 플라보노이드, 콩 잎, 폴리페놀

서론

Flavonoid는 polyphenol 물질 중 식물에서 가장 잘 알려진 2차 대사산물 중 하나이며, 15개의 탄소가 C6-C3-C6의 기본 탄소골격으로 구성되어 있고, shikimate pathway를 거쳐 생성된 coumaroyl-CoA와 malonyl-CoA의 반응을 통해 생성된 chalcone으로부터 만들어진다(Punyasiri et al., 2004; Shoeva et al., 2016). 이러한 flavonoid는 높은 항산화력과 함께 항암, 항균, 항바이러스, 항비만 등 다양한 건강 기능성을 갖는 것으로 알려져 있다(Jun et al., 2007; Lee et al., 2016; Madunic et al., 2018; Mahboubi et al., 2015; Obafemi et al., 2017). 특히, 이들 중 genistin과 daidzein은 항비만, 항균, 항암, 뼈 건강 등 다양한 인체 질환에 대한 예방 및 치료 효능이 있는 것으로 알려져 있다(Albertazzi, 2002; Gilbert and Liu, 2013; Lee et al., 2012; Ulanowska et al., 2006). 이로 인해, 최근 많은 연구자들이 flavonoid를 중심으로 하는 기능성 물질의 대량생산과 이들 이차대사산물의 안정적 생산을 위한 다양한 시도를 하고 있다. 이러한 연구는 flavonoid 고함유 생물소재 발굴과 대량생산을 위한 재배 및 생산기술 개발에 집중되고 있다. 특히, 이들 중 바이오매스의 대량 생산 체계가 잘 구축된 작물로부터 광, 혹은 식물 호르몬 등을 처리하여 flavonoid 와 같은 기능성 물질 생산을 유도하는 연구가 활발히 진행되고 있다(Concha et al., 2013; Das et al., 2012; Kadomura-Ishikawa et al., 2015; Sun et al., 2017).

자외선, 백색광 등 광 처리기술은 식물내 산화스트레스를 유도하여(Ku et al., 2010), 다양한 flavonoid 계 물질 생산이 가능하도록 하는 기술로, 현재 수확 후 농산물의 색도 향상 등 농산물 품질을 개선을 위해 시도되고 있다(Azuma et al., 2012; Ramel et al., 2013; Neugart et al., 2016). 또한, 최근에는 식물호르몬 처리기술을 작물 생산단계에서 사용하여 콩 잎으로부터 기능성 isoflavone 생산 연구도 보고되었다(Yuk et al., 2016). 이외에도 ethylene과 같은 식물호르몬 처리는 anthocyanin 등 다양한 2차 대사산물 생산에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 그러나, 작물 재배지에서 기체 상태인 ethylene 처리는 인접 재배 작물의 생육에 영향을 줄 수 있어 재배 포장에서의 현장적용에는 한계가 있다. 이러한 문제 해결을 위해 노지 포장에서는 ethylene 전구체로 개발된 ethephon을 주로 살포하고 있으나(Yuk et al., 2016), ethylene의 휘산으로 인한 인접 재배 작물 생산 피해가 종종 발생하고 있다(Kong et al., 2018).

콩은 대단위로 재배되는 작물 중 기능성 flavnonoid 함량이 가장 높은 작물로 알려져 있어, 기능성 flavonoid 생산에 관한 많은 연구가 콩을 대상으로 수행되고 있다. Yuk 등(2016)의 연구는 콩 생산 단계에서 콩 잎에 대한 ethephon 및 ethylene 처리를 통해 콩 잎으로부터 기능성 flavonoid를 생산하고자 하였으나, 이는 콩 생산을 목적으로 하지 않기 때문에, 콩 생산과 기능성 콩 잎 생산을 동시에 수행 할 수 없었다. 따라서, 콩 재배와 flavonoid 고함유 콩 잎 생산이라는 두 가지 목적을 동시에 충족시키기 위해서는 수확 후 콩 잎에 대한 ethylene 및 광처리 기술을 통한 flavonoid 생산 연구가 필요하였다. 따라서, 본 연구에서는 수확된 콩 잎을 대상으로 광과 ethylene 처리시 콩 잎 중 flavonoid와 phenol 성분 함량 변화 여부를 평가하고, 이를 통해 flavonoid 고함유 콩 잎에 대한 적절한 수확 후 처리 기술을 확보하고자 하였다.


재료 및 방법
시약 및 기구

시험에 사용된 콩은 대원콩을 사용하였고, 경상대학교내 온실에서 시험재배 하며, 재배 중 콩 잎을 수확하여 시험에 사용하였다. Ethanol은 Fisher Scientific 사(USA), genistein 표준품은 Sigma-Aldrich Co. Ltd. (St. Louis, MO, USA), aluminum chloride와 sodium acetate, sodium carbonate는 Shinyo Pure Chemicals Co. (Hyogo, Japan) 제품을 구입하여 사용하였다. 광량 측정에 사용한 장비는 HD 2102.1(Delta OHM Co., Italy) 제품을 사용하였다.

콩 잎 건조

콩 잎은 수확 후 30분 이내에 Fig. 1과 같이 설치된 대기순환식 건조기(Philip Harris Ltd., England)에 시료가 겹치지 않도록 넣은 뒤, 60℃에서 24 h 동안 건조하였다.


Fig. 1. 
Schematic drying condition for soybean leaf.

Ethylene 처리

99.9% ethylene (Daechang Gas Co., Jinju, Republic of Korea)를 100 L 건조기에 지속적으로 주입시키면서 건조기내 ethylene 농도가 60 mg L−1 이상 유지되도록 하였고, 건조기내 ethylene 농도는 ethylene gas detector (Cosmos XP-3160, New Cosmos Electric Co. Ltd., Osaka, Japan)를 사용하여 측정하였다. Ethylene 처리에 따른 flavonoid 생성유도 효과는 ethylene 노출시간을 3 h과 24 h으로 구분하여 평가하였다.

광 처리 조건

광 처리에 따른 polyphenol 및 flavonoid 함량 변화를 관찰하기 위해 수확된 콩 잎에 백색 광과 자외선 광(254 nm과 360 nm)을 조사하였다. 한성자외선(Seongnam, Republic of Korea)에서 판매하는 Philips TUV T8 (15W, 435 mm × 24 mm)을 254 nm 광원으로 사용하였고, 365 nm 광원으로 Philips Master Actinic BL TL-D (15W, 435 mm × 24 mm), visible 광원으로 GNS-H1 (LG Innoteck Co., 18W, 2, 418 mm × 70 mm)을 사용하였다. 콩 잎 시료는 광원으로부터 20-25 cm의 이격거리를 두었고, 광 종류와 광량은 Table 1에 상세히 나타내었다.

Table 1. 
UV and visible light treatment condition with light intensity
White light (μmol m−2 s−1) UV light (W m−2)
Dark condition 0 0
Light condition I 143 0
Light condition II 144 3.15 (254 nm)
Light condition III 145 1.92 (360 nm)

콩 잎 중 Total flavonoid 분석

Li 등(2011)이 사용한 aluminium trichloride 법을 적용하여 total flavonoid를 분석 하였고, 기준물질은 quercetin을 사용하였다. 표준물질 quercetin은 70% ethanol으로 희석하여 5, 10, 25, 50, 100, 200 mg L−1의 용액을 만들었다. 각각의 표준 용액 0.5 mL와 10% aluminum trichloride 0.4 mL, 10% sodium acetate 0.5 mL, 증류수 4.0 mL를 잘 혼합하여 15분간 상온에서 반응 시킨뒤, Genesys 20 UV/Vis-spectrophotometer(Thermo-Fisher Scientific Ltd., Waltham, MA, USA)를 사용하여 485 nm에서 흡광도를 분석하고 검량선을 작성하였다. 콩 잎 시료 중 total flavonoid는 시료 0.20 g에 70% ethanol 10.0 mL을 넣고 24 h 진탕 추출하여 원심분리(4,000 rpm, 10 min, 4℃) 한 뒤, 상등액 0.5 mL를 aluminum trichloride와 반응시켜 485 nm에서 흡광도를 측정하여 그 함량을 분석하였다.

콩 잎 중 Total phenol 분석

Total phenol 함량은 Li 등(2011)이 사용한 Folin-Dennis법을 사용하여 분석하였고, Yuk 등(2016)이 콩 잎에서 생산하는데 성공한 quercetin을 기준물질로 사용하였다. 시료 0.20 g을 70% ethanol 수용액 10.0 mL로 24시간 동안 진탕추출하고, 추출액 0.1 mL는 Folin-ciocateu’s phenol (Sigma-Aldrich Co., St. Louis, USA) 0.5 mL와 1% sodium carbonate 1.0 mL를 넣고 1분간 중탕하였다. 암 조건에서 15분간 식힌 뒤, 685 nm에서 흡광도를 측정하여 total phenol 함량을 분석하였다.

통계 분석

Total flavonoid와 total phenol 분석결과에 대한 신뢰성 분석은 총 9회 반복 시험 결과를 바탕으로 통계프로그램 R(ver. 3.2.4, R Foundation, Austria)을 사용하여 Tukey test를 통해 유의수준 0.01에서 검정하였다.


결과 및 고찰
Ethylene 처리에 따른 건조 콩 잎 중 Total flavonoid 및 Total phenol 함량 변화

콩 잎 수확 후 건조 과정 중 ethylene 처리에 의한 flavonoid 및 polyphenol 함량은 시험 포장에서 수확한 콩 잎을 건조한 뒤 비교평가 하였다. 건조 콩 잎 중 total flavonoid 함량은 ethylene이 처리되지 않은 무처리구에서 718 mg-QE 100 g−1이었고, ethylene 처리구는 무처리구에 비해 26.9–28.0% 증가한 912–920 mg-QE 100 g−1으로 확인되었다(p < 0.01) (Fig. 2). 콩 잎 건조 시 ethylene 노출시간에 따른 total flavonoid 함량 변화는 관찰되지 않았다(p > 0.01). 이는 건조 중 ethylene에 의한 flavonoid 생성 유도 대사작용이 60℃ 건조 조건에서 3 h 이내 종결되는 것으로 고려되었다. 또한, 콩 잎 수확 후 단시간 ethylene 처리로 flavonoid 고함유 콩 잎 생산이 가능함을 확인하였다. 이와 달리, 동일한 ethylene 처리로 얻어진 건조 콩 잎 중 total phenol 함량은 무처리구(1,347 mg-QE 100 g−1)와 비교하여 ethylene 처리구가 5.5-6.1% 증가한 1,422–1,429 mg-QE 100 g−1으로 확인되었으나, 무처리구와 비교하여 유의적인 차이를 나타내지 않았다(p > 0.01).


Fig. 2. 
Ethylene (a) and light (b) treatments effects on total flavonoid and total phenol contents in soybean leaf (p 0.01).

광 처리에 따른 건조 콩 잎 중 Total flavonoid 및 Total phenol 함량 변화

과채류의 색상과 관련한 대사물질인 flavonoid 및 anthocyanin 등의 생산을 유도하는 것으로 알려진 백색 광과 자외선 광을 콩 잎 수확 후 처리과정에 적용하여, total flavonoid 및 total phenol 함량변화를 관찰하였다. 광 처리는 flavonoid 생성 유도 효과가 있는 ethylene 처리 조건에서 수행하였으며, 백색 광과 UV-A (360 nm), UV-C (254 nm)를 Table 1에서 나타낸 바와 같이 처리하였다. 암 조건에서 건조된 대조구 콩 잎은 total flavonoid 함량이 899 mg-QE 100 g−1으로 확인되었으며, 백색광, UV-A, UV-C가 처리된 광 처리구의 함량은 대조구에 비해 최대 18% 감소한 738–792 mg-QE 100 g−1으로 확인되었다(p < 0.01) (Fig. 2). 또한, total phenol 함량도 광 처리구에서 최대 27% 감소한 1,033–1,163 mg-QE 100 g−1이 확인되었다(p < 0.01). 따라서, 수확 후 건조 중 콩 잎에 대한 광 처리는 total flavonoid와 total phenol 생성 유도 효과 보다는 광 처리에 의해 유도된 산화 스트레스로 인해 flavonoid와 같은 항산화 물질의 분해 감소가 관찰된 것으로 판단된다. 이는 Ramel 등(2013)이 보고한 바와 같이 유도된 산화스트레스의 제거를 위해 비효소적인 반응에 항산화물질이 사용되었다는 보고와 유사한 결과로 해석될 수 있다.

본 연구에서 제시된 결과를 종합하면, 콩 잎에 대한 수확 후 건조처리 공정에서 ethylene 처리는 기능성 물질로 알려진 flavonoid 함량 증진에 도움을 줄 수 있을 것으로 판단된다. 하지만 백색광 등 광처리는 total phenol 성분의 감소와 연결되어 항산화 기능성과 관련한 성분 변화에 영향을 주는 것으로 판단되어, 수확 후 콩 잎에 대한 후처리는 ethylene 단독 처리가 보다 효율적인 것으로 고려된다. 아울러, 본 연구에서 수행되지 못한 ethylene처리에 대한 최적화 공정에 관한 연구는 지속적으로 수행될 필요가 있다.


Acknowledgments

본 연구는 한국연구재단 이공학 개인기초 연구지원사업의 지원으로 수행되었습니다(No. 2016R1D1A3B03930535).


Literature cited
1. Albertazzi, P., (2002), Purified phytoestrogens in postmenopausal bone health: is there a role for genistein?, Climacteric, 5(2), p190-196.
2. Azuma, A., H. Yakushiji, Y. Y. Koshita, and S. Kobayashi, (2012), Flavonoid biosynthesis-related genes in grape skin are differentially regulated by temperature and light conditions, Planta, 236(4), p1067-1080.
3. Concha, C. M., N. E. Figueroa, L. A. Poblete, F. A. Onate, W. Schwab, and C. R. Figueroa , (2013), Methyl jasmonate treatment induces changes in fruit ripening by modifying the expression of several ripening genes in Fragaria chiloensis fruit, Plant Physiol. Biochem., 70, p433-444.
4. Das, P. K., D. H. Shin, S. B. Choi, S. D. Yoo, G. Choi, and Y. I. Park, (2012), Cytokinins enhance sugar-induced anthocyanin biosynthesis in Arabidopsis, Mol. Cells, 34(1), p93-101.
5. Gilbert, E. R., and D. Liu, (2013), Anti-diabetic functions of soy isoflavone genistein: mechanisms underlying its effects on pancreatic beta-cell function, Food Funct., 4(2), p200-212.
6. Jun, N. J., K. C. Jang, S. C. Kim, D. Y. Moon, K. C. Seong, K. H. Kang, L. Tandang, P. H. Kim, S. K. Cho, and K. H. Park, (2007), Radical scavenging activity and content of cynarin (1,3-dicaffeoylquinic acid) in artichoke (Cynara scolymus L.), J. Appl. Biol. Chem., 50(4), p244-248.
7. Kadomura-Ishikawa, Y., K. Miyawaki, A. Takahashi, T. Masuda, and S. Noji, (2015), Light and abscisic acid independently regulated FaMYB10 in Fragaria x ananassa fruit, Planta, 241(4), p953-965.
8. Kong, SH, D. Y. Lee, Y. H. Song, K. H. Park, W. D. Seo, D. Y. Lee, and J. H. Kim, (2018), Residue safety on ethephon in soybean leaf by drenching and foliar application, J Appl Biol Chem, 61(1), p75-78.
9. Ku, M. J., M. S. Lee, H. J. Moon, and Y. H. Lee, (2010), Protective effects of fucoidan against UVB-induced oxidative stress in human skin fibroblasts, J. Life Sci., 20(1), p27-32.
10. Lee, J. Y., H. S. Kim, and Y. S. Song, (2012), Genistein as a Potential Anticancer Agent against Ovarian Cancer, J. Tradit. Complement. Med., 2(2), p96-104.
11. Lee, Y. G., J. Y. Cho, Y. M. Kim, and J. H. Moon, (2016), Change in flavonoid composition and antioxidative activity during fermentation of onion (Allium cepa L.) by Leuconostoc mesenteroides with different salt concentrations, J Food Sci, 81(6), pC1385-1393.
12. Li, C., and M. H. Wang, (2011), Antioxidant activity of peach blossom extracts, J. Korean Soc. Appl. Biol. Chem., 54(1), p46-53.
13. Madunic, J., I. V. Madunic, G. Gajski, J. Popic, and V. Garaj-Vrhovac, (2018), Apigenin: A dietary flavonoid with diverse anticancer properties, Cancer Lett, 413, p11-22.
14. Mahboubi, A., J. Asgarpanah, P. N. Sadaghiyani, and M. Faizi, (2015), Total phenolic and flavonoid content and antibacterial activity of Punica granatum L. var. pleniflora flowers (Golnar) against bacterial strains causing foodborne diseases, BMC Complement Altern. Med., 15, p366.
15. Neugart, S., A. Krumbein, and R. Zrenner, (2016), Influence of light and temperature on gene expression leading to accumulation of specific flavonol glycosides and hydroxycinnamic acid derivatives in kale (Brassica oleracea var. sabellica), Front. Plant Sci., 7, p326.
16. Obafemi, T. O., A. C. Akinmoladun, M. T. Olaleye, S. O. Agboade, and A. A. Onasanya, (2017), Antidiabetic potential of methanolic and flavonoid-rich leaf extracts of Synsepalum dulcificum in type 2 diabetic rats, J. Ayurveda Integr. Med., 8(4), p238-246.
17. Punyasiri, P. A., I. S. Abeysinghe, V. Kumar, D. Treutter, D. Duy, C. Gosch, S. Martens, G. Forkmann, and T. C. Fischer, (2004), Flavonoid biosynthesis in the tea plant Camellia sinensis: properties of enzymes of the prominent epicatechin and catechin pathways, Arch. Biochem. Biophys., 431(1), p22-30.
18. Ramel, F., A. Mialoundama, and M. Havaux, (2013), Nonenzymic carotenoid oxidation and photooxidative stress signalling in plants, J. Exp. Bot., 64(3), p799-805.
19. Shoeva, O. Y., H. P. Mock, T. V. Kukoeva, A. Borner, and E. K. Khlestkina, (2016), Regulation of the flavonoid biosynthesis pathway genes in purple and black grains of Hordeum vulgare, PLoS One, 11(10), pe0163782.
20. Sun, R. Z., G. Cheng, Q. Li, Y. N. He, Y. Wang, Y. B. Lan, S. Y. Li, Y. R. Zhu, W. F. Song, X. Zhang, X. D. Cuim, W. Chen, and J. Wang, (2017), Light-induced variation in phenolic compounds in cabernet sauvignon grapes (Vitis vinifera L.) involves extensive transcriptome reprogramming of biosynthetic enzymes, transcription factors, and phytohormonal regulators, Front. Plant Sci., 8, p547.
21. Ulanowska, K., A. Tkaczyk, G. Konopa, and G. Wegrzyn, (2006), Differential antibacterial activity of genistein arising from global inhibition of DNA, RNA and protein synthesis in some bacterial strains, Arch. Microbiol., 184(5), p271-278.
22. Yuk, H. J., Y. H. Song, M. J. Curtis-Long, D. W. Kim, S. G. Woo, Y. B. Lee, Z. Uddin, C. Y. Kim, and K. H. Park, (2016), Ethylene induced a high accumulation of dietary isoflavones and expression of isoflavonoid biosynthetic genes in soybean (Glycine max) leaves, J. Agric. Food Chem., 64(39), p7315-7324.