Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer
ISSN : 1225-4339(Print)
ISSN : 2287-4992(Online)
The Korean Journal of Food And Nutrition Vol.30 No.6 pp.1222-1228
DOI : https://doi.org/10.9799/ksfan.2017.30.6.1222

Mode of Action of Water Soluble β-Glucan from Oat (Avena sativa) on Calorie Restriction Effect In-Vitro and In-Vivo Animal Models

Hanna Kang, Se-Chan Kim*, Yong Soo Kang**, Young-In Kwon
Dept. of Food and Nutrition, Hannam University, Daejeon 34054, Korea
*Dept. Bio Quality Control, Korea Bio Polytechnic, Chungnam 32943, Korea
**Eugene Biotech Co., Ltd, Daejeon 34054, Korea
Corresponding author : Young-In Kwon, Dept. Food and Nutrition, Hannam University, Daejeon 34054, Korea. +82-42-629-8790, +82-42-629-8789, youngk@hnu.kr
20170918 20170925 20170927

Abstract

In the current study, we investigated the inhibitory activity of water soluble β-glucan from oat (Avena sativa) against various digestive enzymes such as α-glucosidase, sucrase, maltase and glucoamylase.

Inhibition of these enzymes involved in the absorption of disaccharide can significantly decrease the post-prandial increase of blood glucose level after a mixed carbohydrate diet. The β-glucan had the highest documented rate of small intestinal sucrase inhibitory activity (2.83 mg/mL, IC50) relevant for potentially managing post-prandial hyperglycemia.

Furthermore, we evaluated the effects of β-glucan on the level of post-prandial blood glucose in animal model. The post-prandial blood glucose levels were tested two hours after sucrose/starch administration, with and without β-glucan (100, and 500 mg/kg-body weight). The maximum blood glucose levels (Cmax) of β-glucan administration group were decreased by about 23% (from 219.06±27.82 to 190.44±13.18, p<0.05) and 10% (from 182.44±13.77 to 165.64±10.59, p<0.01) in starch and sucrose loading test, respectively, when compared to control in pharmacodynamics study. The β-Glucan administration significantly lowered the mean, maximum, and minimum level of post-prandial blood glucose at 30 min after meal.

In view of the foregoing, it is felt that our findings suggest that β-glucan from oat serves to reduce post-prandial blood glucose rise secondary to slower absorption of glucose in the small intestine, via carbohydrate hydrolyzing enzymes inhibition.


In-Vitro, In-Vivo 동물모델에서 귀리 유래 수용성 베타-글루칸의 칼로리 제한 효과 작용기전 규명

강 한나, 김 세찬*, 강 용수**, 권영인
한남대학교 식품영양학과
*한국폴리텍대학 바이오품질관리과
**(주)유진바이오텍

초록


    서 론

    소득수준의 향상과 탄수화물 과다 섭취와 같은 급격한 식 생활의 패턴의 변화로 인해 우리나라뿐만 아니라, 전세계적 으로 만성 대사성 증후군의 증가가 보고되고 있으며, 특히 비 만과 연관관계가 밝혀진 당뇨병과 같은 만성 질환들이 증가 가 사회적인 문제로 대두되고 있다. 최근에 이르러 많은 연구 를 통해 이러한 만성 질환들은 과도한 칼로리 섭취로 인한 생체내의 산화적 스트레스에 의해 생성되는 활성산소에 의 한 것으로 알려져 있다(Yhe 등 2003).

    한편 이러한 과도한 탄수화물 섭취로 유발되는 질병 중 당 뇨병은 선진국에 있어서 가장 흔한 내분비계 장애 질환으로 전 세계적으로 급격히 발병률이 증가를 하면서 2008년도 국제당뇨병학회에서는 당뇨와의 전쟁을 선포하고, 매년 당 뇨병의 위험성을 국가별로 경고하고 있는 실정이다(IDF 2008). 일반적으로 당뇨병은 중년층에서 빈번하게 발생하는 성인병으로 취급되었으나, 근래에는 연령층도 점점 낮아지 고 있으며, 소아 및 청소년 당뇨 환자도 증가하고 있는 추세 이다(Zhang 등 2008).

    당뇨병의 분류상, 제1형 당뇨병과 다르게 제2형 당뇨병 (Non-Insulin Dependent Diabetes Mellitus: NIDDM)은 전체 당 뇨환자의 90% 이상을 차지하면서 연령 및 비만 정도가 증가 함에 따라 비례하여 유병률이 높아지고 있다. 현재 제2형 당 뇨병은 과도한 탄수화물 섭취 및 생활환경 변화에 따른 운동 부족 등으로 인한 과체중과 비만에서 비롯된 생활습관성 질 환(life-style disease)으로 정의되고 있다. 현재 당뇨병 치료에 는 알파-글루코시데이즈 억제제, 설폰요소제, 비구아니드계 약물, 티아졸리딘다이온계 등의 경구혈당 강하제와 인슐린 요법, 췌장이식 등을 사용하고 있는데(Kim & Min 2005), 알 파-글루코시데이즈 억제제의 경우는 소화되지 않은 탄수화 물의 대장 유입으로 인한 설사 및 복부팽만의 부작용이 보고 되고 있고, 나머지 약효 군의 약물의 경우 장기 투여 시에 심 각한 부작용이 발생할 수 있으며, 효능에도 한계가 있는 것으 로 알려져 있다(Cheng & Fantus 2005, Marles & Farnsworth 1995, Yeh 등 2003). 따라서 타 약효 군의 약물과 비교하여 알파-글루코시데이즈 억제제의 부작용인 복부팽만 및 설사 등은 상대적으로 부작용이 경미하고, 당뇨 및 비만관리에 유 의적 효과가 있는 것으로 보고되어, 천연물 소재를 대상으로 새로운 알파-글루코시데이즈 억제 소재에 관한 많은 연구가 집중되고 있다.

    베타-글루칸은 분류학상 복합다당류에 속하는 기능성 소 재로서 자실체를 형성하는 고등균류인 담자균류(버섯류)에 서 다량 존재하며, 최근 곡류의 외피 등에서 추출이 이루어 져 다양한 곡류유래의 베타-글루칸이 생산되고 있다(Yoo 등 2009). 뿐만 아니라, 베타-글루칸은 색이 없고 향이 없는 특성 을 지니고 있어 식품가공에 범용적으로 사용되고 있으며, 기 능성 식품으로도 각광을 받고 있다. 특별히 귀리 유래의 베타- 글루칸은 귀리의 외피부분에 주로 존재하며, 귀리 가공 시 발 생하는 부산물의 고부가가치화 가능성이 보고되고 있으며, 이들 귀리에서 추출된 다당체들은 주로 백혈구와 상피세포 에서 면역 반응을 증진시키는 것으로 보고되고 있다(Julia 등 2008). 이러한 귀리 유래 베타-글루칸의 면역증강활성에 대한 연구는 Davis 등(2004), Estrada(1999) 등에 의해 보고된 바 있 다. 또한, 담즙산 분비 증가에 대한 보고(lia 1995) 및 비만과 대사증후군 개선 효과(ElKhoury 등 2012), 박테리아와 기생충 에 의한 감염에 대한 저항효과(Yun 등 2003)에 관한 연구들 이 수행되었다. 이러한 다양한 베타-글루칸의 기능성은 베타- 글루칸의 분자량의 차이에 주로 기인하며, 최근 들어 고분자 베타-글루칸의 가공을 통한 분자량 조절 소재의 개발이 다양 하게 진행되고 있다. 그러나 상대적으로 항당뇨 및 혈당상승 억제에 관한 연구는 빈약한 실정이며, 비만 및 대사증후군 개 선에 대한 작용기전 연구 역시 부진한 상황이다.

    따라서, 본 연구에서는 귀리 유래의 수용성 베타-글루칸 의 항당뇨 효과를 규명하기 위해 귀리 외피를 열수 추출하 고, 효소 처리하여 제조된 수용성 베타-글루칸 분말을 사용 하여 랫트 소장 유래의 α-glucosidase inhibition, maltase, sucrase, glucoamylase inhibition 시험과 5주령 Sprague-Dawley(SD) 랫 트를 이용하여 in vivo 실험을 통해 당질 분해 효소활성 저해 효과 및 식후 혈당 강하 효능을 조사하고, 약력학 연구를 수 행하여 수용성 베타-글루칸의 비만 및 혈당조절 작용기전을 규명하고자 한다.

    재료 및 방법

    1.시료 및 시약

    귀리 유래 수용성 베타-글루칸 시료는 (주)유진바이오텍 (Daejeon, Korea)에서 제공받아 사용하였고, 여타의 다른 시 약들은 Sigma-Aldrich Co.(St. Louis, MO, USA)에서 구입하여 사용하였다. 주요 시험재료인 베타-글루칸의 제조방법을 요 약하면, 시료의 제조를 위해 귀리를 분쇄한 후 효소를 이용해 가수분해하여 원심분리 후 상층액을 분리하고, 여과한 후 농 축하였다. 농축액은 주정을 이용해 침전시킨 후 원심 분리하 여 침전물을 회수하였다. 침전물을 진공 건조시킨 후 분쇄하 고 고온 멸균한 후 시험에 사용하였고, 제조된 분말 내 총 베 타-글루칸 함량은 80%였다.

    2.Rat small intestinal α-glucosidase 저해활성 분석

    한국식품의약품안전처에서 제시한 건강기능식품의 기능 성 시험가이드에 제시된 방법을 변형하여 α-glcucosidase (EC 3.2.1.20) 저해활성을 측정하였다. 효소는 rat 유래의 intestinal acetone powder(Sigma-Aldrich Co., St. Louis, Mo., U.S.A.)를 사용하였고, 기질은 p-Nitrophenyl-α-D-glucopyranoside(pNPG) 를 사용하였다. Rat intestinal acetone powder 100 mg을 3 mL 의 0.9% NaCl solusion에 첨가한 후 30초간 12회 ice water bath 에서 sonication하고, 10,000×g, 4℃에서 30분간 원심분리하였 다. 분리된 상등액을 바로 실험에 사용하였다. 100 mL의 α- glcucosidase solution에 50 mL의 시료를 넣은 다음 37℃에서 10분간 정치시켰다. 50 mL의 5 mM pNPG solution을 가한 다 음 37℃에서 30분간 반응시키고, 405 nm에서 ELISA reader를 사용하여 흡광도를 측정하여 rat α-glcucosidase 저해활성을 분석하였다.

    3.Rat small intestinal sucrase, maltase, glucoamylase 저해활성 분석

    한국식품의약품안전처에서 제시한 건강기능식품의 기능 성 시험가이드에 제시된 방법을 변형하여 sucrase, maltase, glucoamylase의 저해 활성을 분석하였다. 효소는 rat 유래의 intestinal acetone powder를 사용하였고, 기질은 sucrose, maltose, starch를 사용하였다. Rat intestinal acetone powder 100 mg을 3 mL의 0.9% NaCl 용액에 첨가한 후 30초간 12회 ice water bath에서 sonication하고, 10,000×g, 4℃에서 30분간 원심 분리 하였다. 분리된 상층액을 실험에 사용하였다. 100 mL의 rat α- glucosidase solution에 50 mL의 시료를 넣은 다음, 37℃에서 10분간 pre-incubation시켰다. 각각의 시험관에 50 mL의 100 mM maltose, 50 mL의 200 mM sucrose, 1% starch solution을 가한 다음 37℃에서 30분간 반응시킨 후, 각각의 반응액 50 mL를 glucose oxidase/peroxidase reagent와 o-dianisidine reagent 를 섞은 용액 1 mL를 함유한 시험관에 넣어 37℃에서 10분 동안 2차 반응시킨 후, 각각의 시험관에 12 N 황산을 1 mL 첨가하여 반응을 정지시키고, 540 nm에서 ELISA reader를 사 용하여 흡광도를 측정하여 저해활성 분석하였다.

    4.Rat starch/sucrose loading test

    동물모델을 이용한 혈당조절능 시험은 위해서 한남대학 교 동물실험윤리위원회의 심의를 통과하여 동물실험승인 후 수행하였다(승인번호: HNU 2016-03). 실험조건은 온도 2 2℃, 습도 50%를 유지하였고, 사육 공간(SPF zone)의 모든 공 기는 헤파필터를 통한 공기를 사용하였다. Rat의 식이는 (오 리엔트바이오 Pico 5053) 하루에 20~25 g으로 체중 증가에 따 라 늘려서 제공하였고, 깔짚(오리엔트바이오 Corncob 1/4)은 이틀에 한 번씩 교체하여 주었다. 사육실의 점등 및 소등 시 간은 12시간을 기준으로 실시하였다. 5주령의 SD rat을 8마리 씩 1군으로 정하고, 총 24마리 3군으로 나누어 각 군에 전분 (starch) 혹은 자당(sucrose)을 2.0 g/kg과 각 군별로 control (증 류수), 귀리 베타-글루칸(0.1, 0.5 g/kg-body weight)을 액상 상태로 경구투여하였다. 경구 투여량은 1 mL/100 g-body weight로 하였다. 혈당 측정은 24시간 절식 후 측정하였다. 24 시간 절식 시 수분의 공급은 자유롭게 하였다. 혈당 측정 0시 간의 경우 경구투여 전 측정을 이행하였고, 30분, 1시간, 2시 간으로 측정하였다. 측정 시 rat의 꼬리 끝을 멸균된 메스를 이용하여 절개 후 약 0.5 μL의 혈액을 혈당 스트립에 흡수 시켜 혈당측정기(Caresens Ⅱ (주)아이센스)를 사용하여 측정 하였다.

    5.약력학적(Pharmacodynamics) 연구

    혈당조절능 시험을 통해 확보한 데이터를 활용하여 베타- 글루칸 섭취가 탄수화물의 혈중농도에 미치는 영향을 조사 하기 위하여 혈중 포도당의 농도에 대한 약력학적 연구를 수 행하였다. 탄수화물과 베타-글루칸을 섭취한 후 시간 별로 구해진 혈중포도당 농도의 변화를 WinNonlin(Version 5.2.1, Pharsight Co., Cary, NC, USA) 프로그램을 사용하여 분석하 였다. 이를 통해 베타-글루칸/탄수화물 투여 후 혈중 포도 당 최고농도(Cmax), Cmax에 도달하는데 걸리는 시간인 tmax, 혈중포도당의 전신순환에 도달한 총량인 시간곡선 하 면적 (AUCt, Area under the plasma level of glucose-time curve)을 구 하였고, 이들 데이터를 활용하여 베타-글루칸 섭취가 혈중포 도당농도 변화에 미치는 다양한 영향을 분석하였다.

    6.통계처리

    모든 실험결과의 측정치는 mean±S.D.로 나타내었고, 각 평 균치간의 유의성은 SPSS 12(Statistical Package for Social Science, SPSS Inc., Chicago, IL, USA) 프로그램에 의한 Duncan 의 다 범위 검정(Duncan's multiple range test)을 통하여 p<0.05에서 각 시료간의 유의적인 차이를 분석하였고, Student’s t-test로도 분석하였다.

    결과 및 고찰

    1.인비트로 혈당상승억제 실험

    따라서, 본 실험에서는 베타-글루칸이 효과적으로 소장 내 당질분해효소들에 대한 저해활성을 측정하여, 베타-글루칸 의 혈당상승억제효능이 고콜레스테롤혈증 및 체중증가 경감 을 일으키는 주요 작용기전임을 밝히고자 하였다.

    전분은 탄수화물의 주된 성분으로써 췌장에서 분비되는 α- amylase에 의해 이당류로 분해된 후 소장 융모막에 존재하는 α-glucosidase 효소들에 의해 단당류로 분해된다. 한국인의 전 형적인 식단은 전분과 이당류가 주된 탄수화물원이며, 과 도한 탄수화물의 소화흡수로 인해 체내 콜레스테롤 합성을 증가시켜 고콜레스테롤혈증 및 체중 증가로 이어질 수 있 다. 따라서 효과적인 고콜레스테롤혈증 및 체중 관리를 위 해서 탄수화물의 소화에 관여하는 효소의 활성을 억제시켜 칼로리 흡수를 제한할 수 있는 소재가 필요하다. 본 연구에 서는 혈당상승에 관여하는 α-glucosidases인 sucrase, maltase, glucoamylase에 대한 귀리 베타-글루칸의 저해활성을 조사 하 였다. 이 들 탄수화물 중 전분의 소화흡수는 전분을 포도당과 맥아당으로 분해하는 a-amylase, 생성된 맥아당을 포도당으 로 분해하는 maltase가 복합적으로 작용하여 일어난다. 한편, 식품산업에 범용적으로 사용되는 대표적인 이당류인 자당의 경우는 sucrase에 의해 포도당과 과당으로 분해된 후, 소장 융 모를 통해 흡수된다. 따라서 소장 내 이들 탄수화물의 분해흡 수는 특정 탄수화물에 대한 특이적인 소장 내 분해 효소들의 상호복합적인 효소-기질 작용에 의하여 단당류의 형태로 최 종적으로 혈당 상승을 발생시키고, 이에 따라 체내 칼로리 증 가를 일으킨다.

    실험결과, Fig. 12에서 볼 수 있듯이 베타-글루칸은 랫트 소장 유래 α-glucosidase는 농도의존적으로 저해하나, 췌장 유 래의 a-amylase는 저해하지 못하는 것을 알 수 있었다. 저해활 성이 확인된 α-glucosidase 효소들에 대하여 보다 특이적으로 저해하는 기전을 확인하기 위하여 Fig. 3~5와 같이 sucrase, maltase, glucoamylase에 대한 효소특이적 저해활성을 검토한 결과, 세가지 효소 모두에 대하여 베타-글루칸은 농도의존적 으로 저해하는 것을 알 수 있었다.Fig. 4

    흥미롭게도 Fig. 2에서 보듯이 베타-글루칸은 α-amylase 에 대해서 저해활성을 보이지 않은 반면, Fig. 45에서 같이 maltase와 glucoamylase에 대해서는 농도의존적 저해활성을 보였다. 이러한 결과는, 베타-글루칸이 a-amylase에 의한 전분 의 맥아당으로의 분해는 저해하지 못하나, 분해된 맥아당이 소장 융모막에 존재하는 maltase에 의한 포도당으로의 분해 는 저해할 수 있을 가능성을 유추할 수 있었으며(Fig. 2, 4), 또한 glucoamylase에 의한 전분으로부터 포도당의 유리작용 은 억제할 수 있음도 알 수 있었다(Fig. 5). 이러한 결과 및 예측은 동물실험을 통해 증명될 수 있을 것으로 사료된다.

    한편, a-amylase에 대해 저해활성이 없거나 낮은 것은 오히 려 혈당상승 억제제로서의 장점에 속한다. Kim 등의 보고에 따르면, 시판되는 혈당상승억제제의 주요 부작용인 설사 및 복부팽만은 소장상부에서 지나친 약물의 a-amylase저해로 인 한 소화되지 않은 전분의 대장 내 유입으로 인해 대장 내의 전분분해 세균류(starch hydrolyzing bacteria)의 지나친 생육으 로 발생되는 이산화탄소와 메탄에 의한 것으로, 신규의 혈당 상승 억제제 개발 시 부작용 경감을 위해 a-amylase에 대한 저해율은 낮고, α-glucosidase에 대한 저해율은 높은 소재를 선호하는 것으로 알려져 있다(Kim 등 2011). 따라서 베타-글 루칸의 경우, a-amylase에 대한 저해활성은 낮은 반면, α- glucosidase에 대한 저해활성은 농도의존적으로 높아, 부작용 경감에 도움을 줄 것으로 사료된다.

    이상의 결과를 각각의 효소별 50% 저해율을 갖는 베타-글 루칸의 농도(IC50, mg/mL)로 정리하면 Table 1과 같았다. 귀리 베타-글루칸의 경우, sucrose를 분해하는 sucrase에 대한 50% inhibition concentration(IC50)값이 2.83 mg/mL로 가장 우수한 것을 알 수 있었다. 이러한 결과는 베타-글루칸이 시판되는 대다수의 식품에서 선호하는 자당으로 인한 혈당상승억제에 도움을 줄 수 있을 것을 의미하며, 이는 추후 인체임상시험을 통해 증명될 수 있을 것으로 사료된다.

    2.Rat starch/sucrose loading test

    소장 내 융모막의 상피세포에 존재하는 효소인 α-glucosidase 는 starch와 sucrose 등을 소화시키는 효소이다. 이 효소는 탄 수화물과 같은 이당류를 섭취할 경우 소장에서 단당류로 소 화시키기 때문에, 흡수한 후 혈당을 상승시킨다. 그러므로 소 장 내 α-glucosidase의 활성을 억제시켜 흡수할 수 있는 칼로 리에 제한을 두는 것이 고콜레스테롤혈증을 개선시키는데 중요한 역할을 한다. 따라서 in-vitro에서의 활성평가를 통해 소장 내 α-glucosidase 억제활성을 검증한 귀리 베타-글루칸의 혈당상승억제 여부를 동물모델에서 평가하기 위해 Sprague- Dawley(SD) rat을 이용하여 귀리 베타-글루칸의 식후 혈당 감 소 효과를 측정하였으며, 결과는 Fig. 67과 같았다.

    귀리 베타-글루칸을 starch 와 혼합하여 경구 투여 후 0.5~2 hrs 동안 혈당을 측정한 결과, 식후 30 분에 control군(212.06± 35.3) 대비 0.1 g/kg-body weight(175.17±21.29)(p<0.05), 0.5 g/ kg-body weight(170.33±14.25 mg/dL)(p<0.01)군에서 농도 의 존적으로 약 17~20%의 식후 혈당 상승을 억제하는 것을 알 수 있었다. 이들 식후 시간 별 혈당상승억제 효과는 약력학적 지표 분석을 수행한 Table 2에서와 같이 포도당의 혈중최고 농도(Cmax)는 귀리 베타-글루칸을 투여한 군에서 190.44± 13.18(p<0.05)로 Cmax 값이 유의적으로 감소하였고, 식후 최 고 혈당까지 도달하는 시간(Tmax) 또한 30~40% 유의적으로 지연시킨 것을 알 수 있었다. 이러한 결과는 랫트 소장 내 탄 수화물 분해 효소저해 활성이 검증된 베타-글루칸의 섭취가 동물모델에서도 유효하게 랫트 소장 내 탄수화물분해효소를 저해하여 효과적으로 혈당을 낮추고, 탄수화물의 소화흡수를 적절하게 지연시킨 것을 의미한다.

    한편 귀리 베타-글루칸을 sucrose와 혼합하여 경구 투여 후 0.5~2 hrs 동안 혈당을 측정하였고, 그 결과, 식후 1시간에 Control 군(182.58±15.01 mg/dL) 대비 0.5 g/kg-body weight 투여군(154.67±11.16 mg/dL)(p<0.01)에서 농도 의존적으로 약 16%의 식후 혈당 상승을 억제하는 것을 알 수 있었다. Table 3 에서와 같이 포도당의 혈중최고 농도(Cmax)는 귀리 베타- 글루칸 0.5 g/kg-body weight를 투여한 군에서 165.64±13.18 (p<0.01)로 Cmax 값이 유의적으로 약 10% 감소하였고, 식후 최고 혈당까지 도달하는 시간(Tmax) 또한 12~44% 유의적 으로 지연 시킨 것을 알 수 있었다. 이러한 결과를 통해 전분 섭취 후 혈당감소 및 흡수지연 효과와 유사하게 자당섭취 에서도 효과적으로 혈당의 흡수를 저해하는 것을 확인할 수 있었다.

    이상의 결과로 귀리 베타-글루칸의 작용기전은 탄수화물 과 함께 섭취 시, 소장 내 탄수화물분해효소의 저해를 유발하 며, 이를 통해 식후의 급격한 혈당 상승을 억제하는 것임을 확인 할 수 있었고, 이러한 작용기전은 탄수화물의 흡수 저해 로 인한 칼로리 제한(Calorie restriction)을 통해 이어지는 지 방 합성 대사 감소 및 고콜레스테롤혈증 증상완화에 도움을 줄 수 있음을 시사하는 것이다.

    요약 및 결론

    베타-글루칸은 포도당이 β-1,3 결합을 중심으로 중합된 다 당류를 총칭하며, 버섯, 효모 등 미생물의 세포벽이나, 세포 외 다당류에서 분리함으로써 생산되는 미생물 유래의 베타- 글루칸과 보리, 귀리와 같은 곡물의 식이섬유에서 추출 생산 되는 식물성 베타-글루칸이 있다. 이들 베타-글루칸의 주요 생리활성은 주로 항암 및 면역기능 향상으로서 다양한 보고 가 이루어지고 있다. 또한, 고콜레스테롤혈증 개선이나, 비만 조절 기능에 관련한 논문들도 보고되고 있는데, 콜레스테 롤개선이나 비만조절에 관련한 베타-글루칸의 작용기전 규 명은 극히 제한적으로, 명확한 작용기전 제시가 이루어지지 않고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 귀리 유래의 수용 성 베타-글루칸의 콜레스테롤개선 및 비만조절에 관련한 작용기전을 규명하기 위하여, 베타-글루칸이 지방산대사 및 콜레스테롤 대사의 상위 대사의 하나인 탄수화물대사에 영 향을 미칠 것을 가설로 세우고, 이들 탄수화물의 소화흡수 의 조절이 전체적인 칼로리 제한의 주요 요소임을 확인하기 위해 소장 내 융모막에 존재하여 이당류 이상의 탄수화물 흡 수에 관여하는 알파-글루코시다아제 효소인 sucrase, maltase, glucoamylase의 활성에 미치는 베타-글루칸의 저해활성을 조 사 한 결과, 베타-글루칸이 자당의 분해흡수에 관여하는 sucrase를 효과적으로 저해하고, 전분의 소화흡수에 관여하는 malase와 glucoamylase를 저해하는 것을 확인할 수 있었다.

    이러한 인비트로 결과를 인비보 동물모델에서 검증하기 위하여 식후혈당상승억제 효능평가 모델을 디자인하여 자당 과 전분의 섭취에 따른 식후혈당 상승에 미치는 베타-글루칸 의 영향을 조사한 결과, 베타-글루칸 투여군의 경우, 16~ 20% 의 혈중포도당 농도 상승을 억제하는 것을 확인하였다. 또한, 약력학적 연구를 통해 혈중포도당 최고농도(Cmax) 역시 유 의적으로 10~23% 감소하며, 소화흡수 지연의 지표인 Tmax의 경우도 유의적으로 약 10~44% 지연시키는 것을 알 수 있었 다. 이로써 베타-글루칸의 섭취가 주요 인체섭취 탄수화물인 자당과 전분의 혈중유입을 적절하게 조절함으로써 지속적인 칼로리 제한을 통해 체내로 유입되는 칼로리를 제한할 수 있 고, 이러한 탄수화물의 유입차단 기전이 결과적으로 콜레스 테롤저하 및 체중저하를 유도할 수 있을 가능성을 보여주는 작용기전이라 사료된다. 추후 인체임상 시험을 통해 베타-글 루칸의 체중 및 콜레스테롤조절 효능을 검증하는 것이 필요 하며, 이러한 작용기전이 적절하게 적용되었을 경우, 베타-글 루칸은 식후 탄수화물의 소화흡수를 억제하여 혈당조절 및 칼로리 제한이 가능하고, 이러한 초기단계에서 칼로리 흡수 조절이 장기적으로 체중 및 콜레스테롤 조절에 유효할 것이 라 사료된다.

    감사의 글

    이 논문은 본 연구는 연구개발특구진흥재단의 “15년 하반 기 기술이전사업화사업(연구소기업 R&BD)”으로 수행된 연 구결과임.

    Figure

    KSFAN-30-1222_F1.gif
    Dose dependent changes in rat intestinal α-glucosidase inhibitory activity (% inhibition) of β-glucan.

    The results represent the mean±S.D. Different corresponding letters indicate significant differences at p<0.05 by Duncan’s test.

    KSFAN-30-1222_F2.gif
    Dose dependent changes in porcine pancreatic α- amylase inhibitory activity of β-glucan.

    The results represent the mean±S.D. Different corresponding letters indicate significant differences at p<0.05 by Duncan’s test.

    KSFAN-30-1222_F3.gif
    Dose dependent changes in rat intestinal sucrase inhibitory activity (% inhibition) of β-glucan.

    The results represent the mean±S.D. Different corresponding letters indicate significant differences at p<0.05 by Duncan’s test.

    KSFAN-30-1222_F4.gif
    Dose dependent changes in rat intestinal maltase inhibitory activity (% inhibition) of β-glucan.

    The results represent the mean±S.D. Different corresponding letters indicate significant differences at p<0.05 by Duncan’s test.

    KSFAN-30-1222_F5.gif
    Dose dependent changes in rat intestinal glucoamylase inhibitory activity (% inhibition) of β-glucan.

    The results represent the mean±S.D. Different corresponding letters indicate significant differences at p<0.05 by Duncan’s test.

    KSFAN-30-1222_F6.gif
    Changes in blood glucose level after an oral administration of starch with β-glucan to SD (Sprague- Dawley) rats.

    After fasting for 24 hours, 5-week-old, male S.D. rats were orally administered with starch solution (2.0 g/kg) with or without samples. Each point represents mean ±S.D. (n=8). Different corresponding symbols indicate significant differences between control and treatment at 30 min by unpaired Student’s t-test (*p<0.05, **p<0.01).

    KSFAN-30-1222_F7.gif
    Changes in blood glucose level after an oral administration of sucrose with β-glucan to SD (Sprague- Dawley) rats.

    After fasting for 24 hours, 5-week-old, male SD rats were orally administered with starch solution (2.0 g/kg) with or without samples. Each point represents mean ±S.D. (n=8). Different corresponding symbols indicate significant differences between control and treatment at 30 min by unpaired Student’s t-test(*p<0.05, **p<0.01).

    Table

    Comparison of inhibitory activities (IC50: mg/mL) of oat β-glucan against rat intestinal α-glucosidase, α-amylase, sucrase, maltase, and glucoamylase in vitro
    Pharmacodynamics (PD) parameters in SD rats after administration of β-glucan and starch ingestion
    Each point represents mean±S.D. (n=8).
    All parameter were compared between control and treatment groups by unpaired Student’s t-test (*p<0.05; **p<0.01; and ***p<0.001).
    Pharmacodynamics (PD) parameters in SD rats after administration of β-glucan and sucrose ingestion
    Each point represents mean±S.D. (n=8).
    All parameter were compared between control and treatment groups by unpaired Student’s t-test (*p<0.05; **p<0.01; and ***p<0.001).

    Reference

    1. YehGy EisengergDM (2003) Systematic review of herbs and dietary supplements for glymcemic control in diabetes. , Diabetes Care, Vol.26 ; pp.1277-1294
    2. IDFIDF (2008) 7th International Diabetes Federation-Western Pacific Region Congress. , Diabetes Res. Clin. Pract., Vol.79 ; pp.S1-S1
    3. ZhangW. XuY.C. GuoF.J. MengY. LiM.L. (2008) Antidiabetic effects of cinnamaldehyde and berberine and their impacts on retinol-binding protein 4 expression in rats with type 2 diabetes mellitus. , Chin. Med. J. (Engl.), Vol.121 ; pp.2124-2128
    4. KimU.J. MinH.K. (2005) Diabetes mellitus., Korea Diabetes Association,
    5. ChengA. FantusI. (2005) Oral antihyperglycemic the rapy for type 2 diabetes mellitus. , Can. Med. Assoc. J., Vol.172 ; pp.213-226
    6. MarlesR. FarnsworthN. (1995) Antidiabetic plants and their active constituents. , Phytomed, Vol.2 ; pp.137-165
    7. YooY.S. LeeK.S. ChoK.H. KimD.H. ParkC.H. LeeS.H. LeeJ.H. (2009) Effect of barley on variation of blood glucose and lipid metabolism. , Korean J. Fam. Med., Vol.30 ; pp.790-795
    8. JuliaJ.V. JulianD.R. JogchumP. (2008) Dietary modulation of immune function by I -glucans. , Physiol. Behav., Vol.94 ; pp.276-284
    9. DavisJ.M. MurphyE.A. BrownA.S. CarmichaelM.D. GhaffarA. MayerE.P. (2004) Effects of oat beta-glucan on innate immunity and infection after exercise stress. , Med. Sci. Sports Exerc., Vol.36 ; pp.1321-1327
    10. EstradaA. AvanK. LaarveldB. (1999) Effect of administration of oat beta-glucan on immune parameters of healthy and immunosuppressed beef steers. , Can. J. Vet. Res., Vol.63 ; pp.261-268
    11. LiaA. HallmansG. SandbergA.S. SundbergB. AmanP. AnderssonH. (1995) Oat beta-glucan increases bile acid excretion and a fiber-rich barley fraction increases cholesterol excretion in ileostomy subjects. , Am. J. Clin. Nutr., Vol.62 ; pp.1245-1251
    12. KhouryD.E. CudaC. LuhovyyB.L. AndersonG.H. (2011) Beta glucan: Health benefits in obesity and metabolic syndrome. , J. Nutr. Metab., Vol.2012 ; pp.28
    13. YunC.H. AlbertoE. AndrewV.K. ParkB.C. BernardL. (2003) Beta-glucan, extracted from oat, enhances disease resistance against bacterial and parasitic infections. , FEMS Immunol. Med. Microbiol., Vol.35 ; pp.67-75
    14. KimS.H. JoS.H. KwonY.I. HwangJ.K. (2011) Effects of onion (Allium cepa L.) extract administration on intestinal α-glucosidase activities and spikes in postprandial blood glucose levels in SD rats model. , Int. J. Mol. Sci., Vol.12 ; pp.3757-3769