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Effects of Far Infrared Radiation Drying on Antioxidant and Anticoagulant Activities of Extracts from Ecklonia cava

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Author(s)
Lee Seung-Hong
Issued Date
2008
URI
http://dcoll.jejunu.ac.kr/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000000004333
Abstract
최근 노화와 성인병 질환의 원인으로 생체 내에서 발생하는 hydroxyl radical(·OH)과 superoxide anion(·O2-) 및 hydrogen peroxide(H₂O₂)와 같은 활성산소종(reactive oxygen species; ROS)의 산화대사 부산물이 중요 원인이 된다는 학설이 있으며, 이들 ROS는 세포막 지방질을 과산화시키고 세포막투과성의 변화를 초래하여 DNA손상을 유발시킨다고 보고되었다. 이러한 활성산소는 정상적인 세포 대사과정에서도 일부 생성되어 체내에서 각종 항산화효소와 항산화제로 이를 제어하고 있다. 오늘날 널리 이용되고 있는 합성 항산화제는 butylated hydroxyanisole(BHA)와butylated hydroxytoluene (BHT) 및 tertiary butylhydroquinone (TBHQ)이 알려져 있으며, 이들이 뛰어난 항산화력 페놀계 항산화제이다. 이러한 합성 항산화제는 약한활성과 독성 및 발암성의 안전성 문제가 지적되어 활성산소종을 효과적으로 제어시켜 안전하고 경제적인 천연물 생리활성 물질에 관한 연구들이 진행되고 있다.
최근 우리나라도 식생활의 서구화와 환경의 오염 및 운동부족에 의한 성인병의 발병율이 높아지고 있다. 그 중 혈관 내 생성된 혈전이 혈관벽에 점착하거나 미세혈관을 막아 혈류를 방해함으로써 야기되는 혈액 순환계질환이 큰 비중을 차지하고 있다. 항응고 활성이란 혈액의 응고를 억제하는 활성으로 혈액의 응고는 혈전의 주성분인 불용성의 섬유소를 형성하는 과정으로 12단계 이상의 단백분해 과정이 cascade식으로 일어나는 복잡한 생화학적 반응이다. 비정상적인 혈전생성은 혈류부전과 혈관상해 및 고혈압 그리고 지질침착 등의 이유로 혈관내에서 유발되며 뇌출혈과 뇌혈전 및 심부전 그리고 심근경색과 동맥경화증 같은 중대한 성인병을 일으킨다.
제주도는 지형학적 특성으로 해산식물의 보고라고 할만큼 풍부한 해조류가 서식하고 있다. 해조류는 다당류를 함유하고 다양한 미네랄과 비타민이 풍부하게 함유하여 어떤 특정 성분에서는 항균과 항산화 및 항바이러스 그리고 항암활성을 비롯하여 동맥경화와 심근경색 및 고혈압 그리고 협심증과 뇌졸증 같은 성인병 예방에 효과적이라는 연구결과에 의해 식품산업과 의약산업 및 화장품산업 에서 다양한 용도로 산업적 측면에서 매우 큰 파급효과가 기대된다. 이들중 감태(Ecklonia cava)는 갈조류의 일종으로 polyphenol과 polysaccharide을 풍부하게 함유하고 항산화성과 항암성 및 항응고성 기능성들이 밝혀짐으로 새로운 기능성 소재로 충분히 개발할 가치가 있음이 많은 연구자들에 의해 보고되고 있다.
이러한 해조류는 가공할 때 건조과정을 거치는데 현재까지 해조류 건조는 천일건조와 고온건조법이 주로 이용되고 있다. 그러나 이러한 건조과정은 chemical composition과 biologically functional compounds의 변화를 초래하게 된다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 식품산업에서 유용하게 쓰이는 동결건조법을 많이 이용하고 있지만 동결건조는 상대적으로 건조시간이 길고 비용이 비싸다는 단점을 가지고 있다. 이에 반해 원적외선 건조는 약 3.0~1,000 m의 파장대로 에너지가 직접 열로 변환되어 전열 속도가 빠른 특징을 가진다. 이런 특성은 건조물을 균일하게 가열하여 시간을 단축시킴으로서 에너지 절감 효과를 얻을 수 있고 열분해에 의한 영양물질 또는 생리활성물질의 손실을 최소화 할 수 있다. 이로 인해 농산품 및 식품 분야에 최근 많이 적용되고 있다. 또한 의약 분야에서도 in vivo 상으로 실험한 결과 쥐의 생존력이 증가하며, 체력과 지구력이 증강되는 생리활성이 나타내기도 하였고, 천연 항산화 물질들은 중합체인 polyphenol과 tocophenol 및 flavonoid 등의 고분자를 가지고 있는데 원적외선 처리가 이들을 저분자로 유리시켜 항산화능이 증가되었다는 결과들을 보고하였다.
생리활성이 양호하다고 보고된바 있는 여러 식물들을 기존의 추출방법으로 추출할 때 낮은 추출효율과 이로 인한 에너지 소비가 많으며 열로 인한 많은 유용성분의 파괴와 단백질의 변이 및 성분의 손실 그리고 가용성분 위주의 추출과 열에 대하여 불안정한 것과 같은 단점을 드러내고 있다. 이에 반해 최근 대두되고 있는 초음파 추출 방법은 전통적인 용매 추출방법과는 달리 많은 경비가 소요되지 않으면서 추출공정의 효율을 높이고 식물성분의 용매 추출에 효과를 나타내는 등 최근 관심이 집중되고 있는 실정이다. 용매추출과 초음파 추출을 비교한 실험에서 초음파 에너지를 용매추출공정에 도입하여 추출한 결과 초음파 조사시간이 증가함에 따라 추출량은 증가하였고, 이는 용매추출에 비해 매우 짧은 시간에 추출이 완료된 것으로 초음파의 공동현상에 의한 높은 압력으로 세포 내부조직이 파괴되어 지방질의 이동거리가 짧아지고 확산이 용이하게 일어나기 ??문이라는 결과를 보고한바 있다.
이에 이 연구는 항산화와 항응고에서 뛰어난 활성을 가지고 있다고 알려진 감태로부터 원적외선 건조에 의한 다양한 추출물을 제조하여 항산화활성 및 항응고활성을 조사하였으며 또한 초음파 추출법을 이용한 추출물의 항산화활성과 추출수율의 향상을 검토하였다. 원적외선 건조에 의한 감태 추출물의 항산화활성을 검토하기 위하여 라디칼 소거활성을 측정하였고, 정상세포인 Vero cell의 산화적 손상 억제활성을 측정하였다. 그 결과 원적외선 80℃의 건조조건를 제외한 모든 추출물에서 동결건조에 의한 추출물과 비교하여 높은 라디칼 소거활성과 우수한 세포 보호효과에 의한 Vero cell의 산화적 손상을 억제하였다. 특히, 원적외선 40℃의 건조조건에서의 모든 추출물이 가장 우수한 활성을 나타냈다. 원적외선 건조에 의한 감태 추출물의 항응고활성을 검토하기 위하여 동결건조에 의한 추출물과 비교해 APTT 활성을 측정하였다. 그 결과 crude polysaccharide fraction에서는 비슷한 결과를 나타냈지만 crude phenolic fraction에서는 원적외선 건조에 의한 추출물이 높게 나타났다. 초음파 추출법을 이용한 감태 추출물의 항산화활성과 추출수율의 향상을 검토한 결과는 초음파 추출시간이 증가함에 따라 항산화활성과 추출수율이 증가하였고, alkyl radical, hydrogen peroxide 소거활성 및 DNA 손상 억제활성에서 12시간 초음파 추출법을 이용한 추출물이 24시간 전통적인 추출법에 비해 높은 활성을 나타내었다.
이러한 결과를 종합하면, 감태 추출물의 항산화활성과 항응고활성은 원적외선 건조가 효과적임을 입증하였으며 초음파 추출법 또한 효과적이라 판단된다. 이 연구에서 감태를 재료로 수행된 원적외선 건조와 초음파 추출법은 기존의 방법에 비하여 높은 활성과 시간 및 경비절감과 같은 장점이 있어 식품산업과 의약산업 및 화장품산업과 같은 분야에 경제적 파급효과를 기대할 수 있는 방법으로 판단된다
Part Ⅰ. Effects of far infrared radiation drying on antioxidant and anticoagulant activities of extracts from E. cava
This study investigated the effect of the antioxidant and anticoagulant activity of various water-soluble extracts (Water, Celluclast and Protamex extract) from Ecklonia cava dried by far infrared radiation drying at 40~80℃ (FIRD) as compared to those of extracts by freeze drying (FD). The total polyphenolic content were determined. In addition, the antioxidant activity was determined by measuring the free radical(DPPH, alkyl radical, hydroxyl radical and hydrogen peroxide) scavenging activity. The anticoagulant activity was determined by measuring activated partial thromboplastin time (APTT). In case of FIRD, total polyphenolic content decreased as the drying temperature was increased. But, FIRD extracts had a higher total polyphenolic content than FD extracts. Among them, Celluclast extracts from E. cava dried by FIRD at 40℃showed the highest total polyphenolic content (5.50 g/100 g). All thefrom the dried E. cava by FIRD at 40~80℃ and FD showed strong antioxidant activity. In case of FIRD, radical scavenging activity decreased as the drying temperature was increased. Most FIRD extracts except for a dry condition at 80℃ had a lower IC_(50) value than FD extracts. Among them, water extracts from E. cava dried by FIRD at 40℃ showed the lowestIC_(50) value (DPPH, hydroxyl radical, alkyl radical and hydrogen peroxide). All extracts were subjected to APTT assay to estimate their anticoagulant efficacy. In case of FIRD, APTT activity decreased as the drying temperature was increased. Comparatively, FD extracts showed higher APTT activity than FIRD extracts. In all the tested samples for anticoagulant activity of extracts, Celluclast extracts from E. cava dried by FD (FD-CE) and FIRD at 40℃ (FIRD40-CE) were selected and a crude polysaccharide fraction with molecular weight above 30 kDa was obtained. The crude polysaccharide fraction of FD-CE and FIRD40-CE showed the APTT activity (>500 s). The highly sulfated (0.87 and 0.84 sulfate/total sugar) active samples contain high amount of fucose and less amount of galactose. This study provide information regarding its antioxidant and anticoagulant activity as affected by FIRD.
Part Ⅱ. Antioxidative effect of far infrared radiation drying on radical scavenging and H₂O₂-induced cell damage of methanolic extracts from E. cava
In this study, methanolic extracts of Ecklonia cava dried by far infrared radiation drying at 40∼80℃ (FIRD) were evaluated for their potential antioxidant activities, and then compared to the extracts from freeze drying (FD) sample. In case of FIRD, total polyphenolic content decreased as the drying temperature was increased. FIRD extracts had a higher total polyphenolic content than FD extracts. And, except for the drying condition at 80 C, dieckol and eckol content decreased as the drying temperature was increased. But, FERD extracts had a higher dieckol and eckni content than Fl) extracts. -neffianolic extracts from E. cava dried by FD and FIRD at 40∼80℃ slowed strong antioxidant activity, In case of FIRD, radical scavenging activity decreased as thie drying`ternper azure, was Mc easy t$t, except for the drying condition at 80℃, FIRD extracts had a lower IC_(50)vaule than FD extracts. Among them, 100% methanoiic extract from E, cava em td by FIRf at 40℃(FIRD40-100ME) showed the lowest IC50 value (DPPH, hydroxyl radical, alkyl radical and hydrogen peroxide). Therefore, 100% methanolie extract from If. raga dried by F I1 at 40℃(FIRD40-100ME) and 100% methanolic extract from E.cava dried by FD(FD-100ME)was selected for use in the further experiments. Among the tested samples, FIRD40-100ME enhanced cell viability against H₂0₂ -induced oxidative damage, and relatively good hydrogen peroxide scavenging activity in a African green monkey kidney line (Vero) cell line as compared to FD-100ME. FIRD40-100ME also effected a reduction in the proportion of cells undergoing H₂0₂-induced apoptosis. These results illustrate that methanolic extracts from E. cava dried by FIRD exhibits a good antioxidant activity over H₂0₂ mediated cell damage in vitro.
Part Ⅲ. Antioxidative effect on radical scavenging and H₂O₂-induced DNA damage of extracts using ultrasonic extraction from E. cava by far infrared radiation drying
Water and methanolic extracts of Ecklonia cava dried in far infrared radiation drying at 40℃ were prepared under ultrasonic extraction (UE) and conventional extraction (CE) investigated for radical scavenging activity, as well as inhibitory effect on H₂0₂-induced DNA damage. In addition, the total polyphenolic content and extraction yield were measured. Extraction yield and total polyphenolic content increased as the ultrasonic extraction time was increased. Water extract showed higher extraction yield than methanolic extract. Also, all the extracts by UE exhibited higher than the yield of CE. On the other hand, in case of total polyphenolic content, 50% methanolic extract showed higher total polyphenolic content than water extract, and all the extracts by CE exhibited higher total gulyphenok contents than UE. Among the tested extracts, 100% methanolic extracts by UE and CE showed the lowest IC_(50) value (DPPH, hydroxyl radical, alkyl radical and hydrogen eroxide), in case of all the extracts by UE, radical scavenging activities increased as the ultrasonic extraction time was increased. All the extracts by CE showed higher DPPH and hydroxyl radical scavenging activity than 1JF. But, in case of alkyl radical and hydrogen peroxide, extracts by UE showed higher scavenging activity than CE. In all the tested samples for hydrogen peroxide scavenging activity of extracts, 100% methanolic extract with UE 12 h (100MEU12h)and 100% methanolic extract with CE 24 h (100MEC24h) were selected and evaluated by comet assay for inhibitory effect against H₂0₂-induced DNA damage. The protective effect of 100MEU12h and 100MEC24h increased as their concentratios increased from 25 to 100 ㎍/ml. 100MEU12h showed slightly higher protective effect against H₂0₂-induced DNA damage than 100MEC24h. These results indicate that the extracts obtained by UE from E. cava have the high extraction yield, potential inhibitory effect on H₂0₂-induced DNA damage and harmful free radicals. Thus, ultrasonic extraction can be effectively used as seaweeds extraction technique and a potential for scale up of the extraction process.
Affiliation
제주대학교 대학원
Department
대학원 수산생명의학과
Advisor
전유진
Awarded Date
2008. 2
Table Of Contents
PartⅠ. Effects of far infrared radiation drying on antioxidant and anticoagulant activities of extracts from E. cava = 1
ABSTRACT = 2
INTRODUCTION = 4
MATERIALS & METHODS = 6
Materials = 6
The preparation of dried E. cava = 6
Approximate chemical composition of dried E. cava = 8
Water extracts from E. cava = 8
Enzymatic extracts from E. cava = 8
Measurement of extraction yield = 8
Determination of total polyphenolic content = 9
DPPH radical scavenging assay using an ESR spectrometer = 9
Hydroxyl radical scavenging assay using an ESR spectrometer = 9
Alkyl radical scavenging assay using an ESR spectrometer = 10
Hydrogen peroxide scavenging assay = 10
Separation of high molecular weight crude polysaccharide fraction (MW >30 kDa) = 10
Blood coagulation assay = 11
Monosugar composition analysis = 11
Sulfate content analysis = 12
RESULTS = 13
Approximate chemical composition = 13
Extraction yield = 13
Total polyphenolic compounds = 13
DPPH radical scavenging assay = 17
Hydroxyl radical scavenging assay = 17
Alkyl radical scavenging assay = 17
Hydrogen peroxide scavenging assay = 18
Activated partial thromboplastin time (APTT) activity of crude polysaccharide with molecular weight fraction of above 30 kDa = 23
Monosugar composition analysis = 23
DISCUSSION = 28
Part Ⅱ. Antioxidative effect of far infrared radiation drying on radical scavenging and H₂O₂-induced cell damage of methanolic extracts from E. cava = 32
ABSTRACT = 33
INTRODUCTION = 34
MATERIALS & METHODS = 36
Materials = 36
Methanolic extracts from E. cava = 36
Measurement of extraction yield = 36
Determination of total polyphenolic content = 36
Determination of total eckol and dieckol content by HPLC system = 34
DPPH radical scavenging assay using an ESR spectrometer = 37
Hydroxyl radical scavenging assay using an ESR spectrometer = 38
Alkyl radical scavenging assay using an ESR spectrometer = 38
Hydrogen peroxide scavenging assay = 38
Cell culture = 39
Hydrogen peroxide scavenging assay by DCF-DA = 39
Assessment of cell viability = 39
Nuclear staining with Hoechst 33342 = 40
RESULTS = 41
Extraction yield = 41
Total polyphenolic compounds = 41
Total eckol and dieckol compounds = 41
DPPH radical scavenging assay = 46
Hydroxyl radical scavenging assay = 46
Alkyl radical scavenging assay = 46
Hydrogen peroxide scavenging assay = 47
Hydrogen peroxide scavenging assay by DCF-DA = 52
Protective effect against H₂O₂-induced cell damage = 52
Reduction of H₂O₂-induced apoptotic body = 52
DISCUSSION = 57
Part Ⅲ. Antioxidative effect on radical scavenging and H₂O₂-induced DNA damage of extracts using ultrasonic extraction from E. cava by far infrared radiation drying = 60
ABSTRACT = 61
INTRODUCTION = 62
MATERIALS & METHODS = 64
Materials = 64
The preparation of dried E. cava = 64
The preparation of extracts from E. cava ultrasonic extraction = 64
The preparation of extracts from E. cava conventional extraction = 65
Measurement of extraction yield = 65
Determination of total polyphenolic content = 65
DPPH radical scavenging assay using an ESR spectrometer = 65
Hydroxyl radical scavenging assay using an ESR spectrometer = 66
Alkyl radical scavenging assay using an ESR spectrometer = 66
Hydrogen peroxide scavenging assay = 66
Cell culture = 67
Comet assay = 67
Statistical analysis = 68
RESULTS = 69
Extraction yield = 69
Total polyphenolic compounds = 69
DPPH radical scavenging assay = 69
Hydroxyl radical scavenging assay = 70
Alkyl radical scavenging assay = 75
Hydrogen peroxide scavenging assay = 75
Inhibitory effect of DNA damage of H₂O₂-induced cells = 78
DISCUSSION = 81
REFERENCES = 84
ACKNOWLEDGEMENT = 93
Degree
Master
Publisher
제주대학교 대학원
Citation
Lee Seung-Hong. (2008). Effects of Far Infrared Radiation Drying on Antioxidant and Anticoagulant Activities of Extracts from Ecklonia cava
Type
Dissertation
Appears in Collections:
General Graduate School > BMarine Life Sciences
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