Glucosinolate를 활용한 기능성 브로콜리 육성계통 선발 전략

식물은 스트레스가 많은 환경조건에 노출되었을 때 자신을 보호하기 위한 방어 기작의 하나로써 항산화물질을 포함한 다양한 2차 대사산물을 생합성하여 식물체 내에 축척하게 된다[11]. 배추과 작물은 섬유질과 비타민 C의 중요한 공급원이며, GSL, flavonoid, phenol 화합물 등과 같은 기능성 물질을 풍부하게 함유되어 있어 약리적, 생리적 활성을 나타내는 중요한 채소 작물로 알려져 있다[2]. 그중 브로콜리는 식용부위 100 g당 33 kcal, 수분 88.6%, 단백질 5.0 g, 칼슘 64 mg, 철분 1.5 mg, 칼륨 307 mg 등 영양성분이 많이 함유되어 있으며, 비타민 A(retinol equivalent 128 μg, β-carotene 766 μg), 비타민 B2 0.26 mg, 비타민 C 98 mg 등을 함유하고 있어 배추과 채소류 중 식품영양학적 측면에서 매우 우수한 가치를 지닌 채소이다[12].

브로콜리는 GSL, 비타민, phenol, flavonoid 등 다양한 2차 대사산물이 풍부하여 가장 인기 있는 기능성 채소 중 하나로 꼽히며, 2000년대부터 소비자의 높은 관심으로 국내에서도 인기를 얻고 있다. 다양한 생리활성 화합물 중에서 GSL은 배추과 채소에 포함된 특이적 기능성 화합물이며, 항암 효과 및 항산화 활성과 같은 건강에 유익한 효과를 가지고 있다. 과거에는 GSL의 쓴맛과 매운맛 때문에 함량이 적은 배추과 채소를 선호했지만, 최근 GSL의 다양한 건강증진 효과가 보고되면서 GSL 함량이 높은 배추과 채소가 인기를 얻고 있다. 브로콜리는 glucobrassicin과 glucoraphanin을 주로 함유하고 있으며, 이들의 가수분해산물인 indole-3-cabinol(I3C)과 sulforaphane은 브로콜리에 풍부하며, 전립선암, 폐암, 난소암, 유방암, 간암, 후두암의 발생을 억제하는 것으로 보고되었다[13–15]. 브로콜리의 I3C과 sulforaphane은 myrosinase에 의한 glucobrassicin과 glucoraphanin 분해로 생성되는 대표적인 ITC이며[16], ITC는 산화 스트레스를 감소시켜 다양한 질병으로부터 인체를 보호하고, 효소 활성을 유도하거나 글루타티온 수준을 증겨사켜 간접적으로 항산화 활성을 유도할 수 있다[17]. 브로콜리에 들어 있는 glucoraphanin의 가수분해 생성물인 sulforaphane은 고혈압, 심혈관 질환, 암을 예방하는 것으로 알려져 있다. 브로콜리의 긍정적인 생물학적 활성은 항비만 효과, 콜레스테롤 저하[18], 항염증 효과[19], 항산화 활성[20]에 대해 밝혀졌다. Sulforaphane은 쥐에서 화학적으로 유발된 유방암을 억제하고[21], 세포 주기를 차단하고 세포사멸을 촉진하여 종양 성장을 예방하는 것으로 효과가 입증되었고[22], 위염과 위암을 억제할 수 있다[23]. 최근 연구에 따르면 sulforaphane은 폐암, 악성의 연공성 종양, 자궁경부암세포[24,25], 세포주기 조절 유전자의 활성화[26]을 조절하는 것으로 나타났다. 브로콜리 화뢰의 glucobrassicin의 분해로 생성된 I3C는 에스트로겐 대사를 변경하여 호르몬 의존성 암의 발생을 조절할 수 있다[27].

GSL의 암 화학적 예방이 널리 알려지면서 브로콜리의 섭취도 늘어나고 있으며, 브로콜리를 활용한 건강보조식품과 화장품이 개발되고 있다. 따라서 많은 연구자들이 기능성 배추과 채소 선발에 관한 연구를 진행해 왔다[6,28,29].

기능성 브로콜리를 선발하는 연구들이 활발하게 진행되고 있으며, 동일한 품종이라도 생장단계, 식물부위, 유전적 요인, 재배조건, 생장시기 등 다양한 환경요인에 따라 GSL의 조성과 함량에 차이가 발생하기 때문에 어려움을 겪고 있다[30]. 또한 GSL은 그 자체로는 활성을 나타내지 않으나 myrosinase에 의해 분해산물이 생성될 때 긍정적인 효과를 보인다[31]. 가수분해물 중 ITC는 항암효과 등 많은 긍정적인 효과를 나타낸다. GSL이 myrosinase에 의해 분해될 때, 가수분해된 생성물의 함량은 ESP(epithiospecifier protein) 및 pH와 같은 여러 요인에 의해 결정된다[32]. 그중 ESP는 nitrile과 epithionitrile의 형성을 지시하고 가수분해물의 구성에 영향을 미친다[32]. 연구에 따르면 20개 상용 브로콜리 품종의 ESP 활성은 17.1±0.98%에서 46.0±1.33%로 다양했다[32]. 이러한 결과를 통해 브로콜리는 다양한 ESP 활성을 가지고 있음을 알 수 있으며, 다양한 ESP 활성으로 인해 브로콜리 유전자형에 따라 가수분해물의 조성과 함량이 달라질 것으로 예상된다. 또한 ITC인 sulforaphane과 phenethyl ITC가 퀴논 환원효소를 유도하는 것으로 보고되었다[33]. 반면, nitrile은 sulforaphane과 phenethyl ITC에 비해 화학적 보호 작용이 거의 또는 전혀 없는 것으로 알려져 있다[34]. 그러나 기능성 브로콜리 계통의 선별은 주로 GLS 함량과 조성에만 초점을 맞춰왔으며, 지금까지 기능성 브로콜리 선발을 위해 가수분해산물에 대한 연구는 거의 이루어지지 않다.

최근 연구에서는 GSL 함량 또는 가수분해산물만을 고려하여 기능성 브로콜리를 선택함에 있어서 뚜렷한 차이를 발견하였고, 전체 GSL 함량과 개별 GSL 함량이 높아도 ITC 함량은 높은 수준으로 생산되지 않았다[35]. 따라서 기능성 브로콜리를 선발함에 있어서 낮은 nitrile 형성과 높은 ITC 함량이 필요하며, GSL 함량이 높은 기능성 브로콜리 계통을 선발할 때 이와 같은 사항을 고려하여야 한다. 또한 브로콜리뿐만 아니라 기능성 배추과 채소를 선발함에 있어서도 적용될 수 있지만, 명확한 육종 프로그램을 위해서는 개별 가수분해산물의 함량을 보다 정밀하게 분석할 필요가 있다.

이와 같은 기능적 이유로 기능성 브로콜리 품종을 육성하거나[6], 배추과 채소의 건강 증진 화합물을 강화하기 위한 다양한 방법이 시도되었다. 여러 보고서에 따르면 GSL 함량과 그 조성의 변화는 케일 싹에 대한 LED 단일 광 처리에 따라 달라졌고[36], 광주기(12시간과 24시간)에 따른 브로콜리의 식물화학물질의 변화[37]와 광주기에 따른 Arabidopsis thaliana의 차등적 GSL 생합성이 보고되었다[38]. 케일의 시니그린 함량은 적색광의 영향으로 증가했고[39], 청색광은 브로콜리 새싹의 glucoraphanin, epiprogoitrin, aliphatic GS을 증가시켰다[40]. 이와 같이 배추과 채소의 GSL 함량 증진 연구를 다양하게 보고되고 있다.

수확 후 브로콜리 화뢰는 저장기간이 증가하는 동안 급속한 노화를 겪을 수 있으며, 노화는 시각적으로 화뢰의 엽록소 분해로 나타날 수 있다[41]. 또한, 수확된 브로콜리 화뢰의 긴 운송 기간으로 인해 GSL 및 기타 건강 증진 화합물의 함량이 달라질 수 있다. 긴 운송 기간은 브로콜리의 노화로 이어질 수 있으며, 이는 GSL이 myrosinase에 의해 가수분해되어 휘발성 화합물로 방출되기 때문에 GSL 함량을 감소시킨다[42]. 몇몇 저자들은 1–22도 범위 내에서 높거나 낮은 온도에서 총 GSL 및 glucoraphanin 수준에 변화가 없거나 총 GSL이 감소했다고 보고했다[43]. 또한 10℃에서 보관한 브로콜리 화뢰의 총 GSL이 42% 증가했다는 연구도 있다[44]. 따라서 브로콜리의 GSL 함량에 대한 저장 온도의 영향은 완전히 연구되지 않았으며, 저장온도에 따른 가수분해산물에 대한 연구도 아직 미흡한 실정이다.

GSL 및 기타 식물화학물질에 가장 큰 영향을 미치는 수확 후 과정은 섭취 방법이다. 브로콜리 화뢰의 GSL은 주로 요리하는 동안 물로 침출 되어 손실되지만 손실 속도는 물의 양, 사용된 섭취 방법 및 요리 시간에 따라 달라진다[45]. 여러 연구에 따르면 브로콜리의 GSL 손실은 대부분 전자레인지에서 조리되거나 물로 삶을 때로 나타났다[46]. 대조적으로, 증기를 이용한 조리방법은 다양한 배추과 채소에서 GSL 손실이 가장 적은 것으로 밝혀졌다[47]. 익히지 않은 브로콜리의 화뢰에서 nitrile과 sulforaphane은 ESP의 작용으로 glucoraphanin의 주요 가수분해산물이었지만[48], 브로콜리 화뢰를 60도에서 5분 또는 10분 동안 가열을 시키면 sulforaphane 함량이 증가하고, 이는 가열 온도가 ESP를 비활성화시키기 때문이다[48]. 비록 일반적인 조리 방법은 아니지만 낮은 열처리를 통해 단백질의 비활성으로 브로콜리 화뢰의 sulforaphane을 크게 증가시킬 수 있다고 보고되었다[48]. 또한, 전자레인지 처리 시간이 길어질수록 sulforaphane 함량이 감소하고, 조리 시간이 길어질수록 sulforaphane 생산을 방해할 수 있다고 보고되었다[49]. 따라서 섭취 전 가공 방법은 다른 건강 증진 화합물과 함께 ITC 및 nitrile의 함량을 결정하는 중요한 요소가 될 수 있다.