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 야콘[Samallanthus sonchifolius (Poepp. & Endl.) H. Robinson]은 국화과에 속하는 덩이뿌리 작물로서, 식용으로 이용되는 덩이뿌리는 아삭아삭하고 달콤한 맛을 낸다. 그래서 페루에서는 야콘이 ‘땅속의 과일(Peruvian ground apple)’로 불리고 있고, 우리나라에서는 ‘올리고당의 왕’으로 불린다(RDA, 2002; Kim et al., 2011; CIP, 2013).

 야콘은 남미 안데스에서 잉카시대 이전부터 재배되었으며, 현재 원산지인 페루를 비롯하여 브라질, 체코, 독일, 뉴질랜드, 일본, 중국, 러시아, 대만, 미국, 한국 등에서 지역 적응성 및 품질개량 연구가 진행되고 있다(Manrique et al., 2005; Kim et al., 2011). 야콘은 천연 프락토올리고당이 많이 함유되어 있고, 재배환경 적응력이 뛰어나 재배하기 쉬운 편인데도 불구하고, 감자나 고구마 등의 다른 뿌리작물에 비해 재배가 많이 이루어지지 못하였다(CIP, 2013). 이것은 야콘의 식품영양학적인 기능성 뿐만 아니라 먹는 방법이 잘 알려지지 않았기 때문이다.

 그러나 최근 연구를 통하여 야콘에 클로로겐산(chlorogenic acid)과 카페익산(caffeic acid) 등의 폴리페놀 성분이 들어 있어 항산화 효과가 보고되고 있다(Yan et al., 1999). 또한 야콘에 다량 함유되어 있는 프락토올리고당은 기능성 감미물질로 혈청콜레스테롤 저하, 변비 개선 등의 생리작용을 가지며 장내 유익한 미생물의 먹이인 프리바이오틱스(prebiotics) 역할을 하였다(Kim, 2005). 그밖에 야콘에 칼륨, 칼슘, 나트륨, 철, 마그네슘 등의 미네랄 성분이 다른 채소류 또는 과일류보다 많이 함유되어 있었다(Asami et al., 1989; Ohyama et al., 1990). 이에 따라 남미의 안데스 뿐만 아니라 우리나라, 미국, 일본, 중국, 뉴질랜드 등 전세계적으로 생산과 수요가 급증하고 있어, 야콘에 대한 식품영양학적 기능성 연구의 필요성이 크게 높아지고 있는 실정이다(Asami et al., 1989; Tsukihashi, 1999). 따라서 본 연구는 야콘의 핵심 기능성 물질인 프락토올리고당의 함량, 특성 및 효능을 분석·조사함으로써 식품소재로서의 기능성 및 영양학적 이용가치를 구명하고자 하였다.

재료 및 방법

시험재료

 뿌리작물 비교 시험에 사용된 야콘, 양파, 돼지감자 및 대파는 강원도 평창군 진부면 농촌진흥청 포장에서 재배하여 이용하였고 마늘과 우엉은 경상북도 안동군 풍천면 뿌리작물 농가포장에서 구매하여 이용하였다. 저장기간에 따른 프락토올리고당의 함량 변화를 보기 위하여 야콘을 4℃ 저온저장고에 1, 2, 3, 4개월간 저장한 후 분석하였다.

분석방법

 프락토올리고당의 분석은 식품공전(KFDA, 2005)에 준하여 실시하였다. 생체시료 10 g에 80% 에탄올을 첨가하여 균질기(Ultra-Turrax T25 Basic Homogenizer, IKA Co., Staufen, Germany)로 9,500 rpm으로 1분간 마쇄하고, 50mL로 정용한 다음, 여과지(No. 5A, Whatman International, Maidstone, UK)로 1차 여과한 후, 다시 멤브레인 필터(0.45 μm, Milipore, Bedford, MA, USA)로 2차 여과하였다. 프락토올리고당 표준용액(Fructooligosaccharides, Wako, Osaka, Japan)은 케스토즈(1-kestose = GF₂), 니스토즈(nystose = GF₃), 프락토푸란노실니스토즈(1^F-fructofuranosylnystose = GF₄)로 표준원액으로 하여 조제하였다. 고속액체크로마토그래피(Waters 2695 HPLC, Waters Co., Milford, MA, USA) 분석조건은 컬럼(Platisil^TM NH₂ 5μm, Φ 4.6 × 250mm, Dikma Technologies Inc., Lake Forest, CA, USA) 온도를 30℃로 유지하였고, 이동상은 아세토니트릴(acetonitrile) : 3차 증류수(70 : 30, v/v)를 이용하였으며, 유속은 1.0 mL/min로 하였고, 굴절률 검출기(Waters 2414 Refractive Index Detector, Waters, Milford, MA, USA)를 이용하였다. GF₂, GF₃, GF₄ 표준품의 머무름시간(Retention time)은 각각 6.9, 8.2, 9.7분으로 크로마토그램에 나타났다(Fig. 1). 각 시험 항목에 대한 시료의 분석은 생체중으로 표기하였고, 모든 분석결과는 4반복으로 수행된 평균값이며, 각 분석결과에 대한 통계분석을 위해 SAS 통계 프로그램(SAS Institute Inc., ver. 9.2, Cary, NC, USA)을 이용하였다.

Fig. 1. Chromatograph of three main fructooligosaccharides between standard solution and yacon sample by HPLC. Fructooligosaccharides = GF₂+ GF₃+ GF₄ (GF₂ = 1-Kestose, GF₃ = Nystose, GF₄ = 1^F-Fructofuranosylnystose).

결과 및 고찰

작목별 프락토올리고당의 함량 차이

 야콘의 식품학적 기능성의 우수성을 입증하기 위하여 작목의 종류에 따른 프락토올리고당 성분 함량을 추출하여 비교분석하였다. 그 결과 프락토올리고당 함량은 야콘 8.1%, 마늘 3.3%, 우엉 2.0%, 돼지감자 1.9%, 양파 1.6% 순으로 나타났다(Fig. 2).

Fig. 2. Comparison of fructooligosaccharides content in root crops.

 다른 연구결과와 비교해 보면, Van Loo et al.(1995)은 양파에서 2 ~ 6%, 부추 2 ~5%, 마늘 3 ~ 6%, 바나나 0.3 ~ 0.7%, 보리 0.5 ~ 1.5%로 보고한 바 있다. 또한 Woo(2005)에 따르면 프락토올리고당은 바나나, 양파, 아스파라거스, 우엉, 마늘, 치커리 등과 같이 채소나 버섯, 과일류에 함유되어 있는 천연물질로서 양파에서 함량이 가장 많다고 하였다.

 그러나 이러한 결과는 야콘을 제외한 다른 작물의 성분분석에서 나온 것으로서 본 연구 결과에서는 야콘의 프락토올리고당 함량이 8%로서 탁월하게 많았다. 이러한 결과는 Tsukihashi(1999)가 보고한 바와 같이 프락토올리고당 함량이 야콘 8.0%, 우엉 3.6%, 양파 2.8%, 마늘 1.0%, 및 바나나 0.3% 순으로 야콘이 가장 많았다는 보고와 일치하였다. 또한 Manrique et al.(2005)는 프락토올리고당은 많은 종류의 식물에 함유되어 있는 천연 당 성분이지만 야콘처럼 함량이 많은 작물은 아직까지 보고된 바 없다고 하였다.

프락토올리고당의 특성

 프락토올리고당은 물리화학적으로 설탕과 유사하지만, 생리적 특성은 매우 다르다(Woo, 2005). 프락토올리고당은 장내소화효소에 의해 분해되지 않고 비피더스균 증식, 장내 미생물 개선, 변비 개선, 장내 부패물질 감소 및 면역력 강화 등의 생리적인 기능성을 갖추고 있으며(Doo et al., 2001), 설탕의 20 ~ 40%에 해당하는 감미도를 보였다(Prosky and Hoebregs, 1999). 프락토올리고당은 설탕의 과당 잔기에 1-3개의 과당이 결합된 당류의 혼합물로서(Fig. 3), 그 구성성분은 1-케스토스(1-kestose, GF₂), 니스토스 (nystose, GF₃), 1-F 프락토퓨라노실니스토스(1-^F fructofuranosylnystose)이다(Fukai et al., 1997; Pedreschi et al., 2003).

Fig. 3. Chemical structure of three main fructooligosaccharides (Lachman et al., 2003).

 프락토올리고당은 열 안정성 측면에서는 140℃까지 안정하고 160℃ 이상에서 가열시 15분간 약 15%가 분해된다고 하였으며, 수분장력은 설탕에 비해 크며 비환원당으로서 마일라드 반응을 일으키지 않으며 산성인 환경에서 가열하면 프락토올리고당의 가수분해가 촉진되므로 중성으로 유지하는 것이 좋다고 하였다(Woo, 2005). 프락토올리고당 과다 섭취시 위장과 관련하여 불편한 사항은 복명, 복부 팽창, 헛배부름 등이 있으며 가장 흔하게 나타나는 현상은 가스로 인한 복부 팽만 현상으로서 이를 제외한 증상들은 대부분 없거나 가벼운 경우가 많다. 특히 개인에 따라서는 오히려 복부 팽만이 개선되었다는 결과도 있어 프락토올리고당을 섭취할 경우 하루 3-8 g정도를 추천하고 있다(Woo, 2005).

프락토올리고당의 효능

 프락토올리고당은 위산에 의해 분해되지 않으며 설탕과는 다르게 소장 내 소화효소에 의해 가수분해되지 않고 대장에 도달한다(Woo, 2005). 성인을 대상으로 실험한 결과 섭취한 프락토올리고당의 90%가 대장에서 발견되었다고 하였다(Molis et al., 1996). 프락토올리고당은 체내에서 소화가 잘 안되기 때문에 위나 장에서 흡수가 되지 않고 대장까지 도달하여 장내 유용 유산균인 비피더스(bifidus)를 증가시켜 장 기능을 개선시킨다(Asami, 1989; Schaafsma et al., 1998; Fernández et al., 2006). 프락토올리고당은 효소 유도와 비피더스균 증가에 이눌린이나 말토덱스트린보다 더 강력한 효과를 보인다고 보고하였다(Bornet et al., 2002). 또한, 프락토올리고당은 프리바이오틱(prebiotic) 역할을 하므로 장내 유익균의 증식을 통해 유해균의 성장을 억제시켜 암모니아 계열 화합물의 생성을 막아주므로, 변취를 개선시키고 장 건강을 유지시키는 역할을 한다(Woo, 2005). 또한 이 당은 장의 연동 운동 증가, 장내 수분 함량 증가, 장내 운송 시간 단축으로 변비를 방지하고 제어할 수 있다(Manrique et al., 2005). 당은 일반적인 탄수화물처럼 4 kcal/g의 칼로리를 내지만, 프락토올리고당은 1-2 kcal/g에 해당하는 열량을 내므로, 칼로리 섭취 제한에 유용하다(Manrique et al., 2005; Woo, 2005). 프락토올리고당은 소장에서 효소에 의해 분해되지 않으므로 인슐린을 소비하지 않으며 체내 흡수되지 않으므로 혈당치 상승도 보이지 않아서 당뇨병 환자가 이용할 수 있는 당질이며, 혈중 나쁜 LDL(low density lipoprotein)-콜레스테롤을 저감시키고 좋은 HDL(high density lipoprotein)-콜레스테롤은 저하시키지 않아 동맥경화 예방에 효과적이라고 하였다(Kim, 2005; Van Loo et al., 1995). 또한, 프락토올리고당은 충치균(Streptococcus mutans)이 이용할 수 없어, 충지 생성을 효과적으로 억제할 수 있다고 하였다(Asami et al., 1989).

 우리 몸을 지탱하는 뼈의 유기물질과 무기물질의 총량(골질량)은 노화가 진행될수록 감소하게 된다. 특히 골질량의 감소는 골다공증으로 연계될 수 있어 칼슘의 섭취가 중요하다. 특히 칼슘은 섭취 후 평균 30% 정도만 흡수되고 나머지 70% 가량은 배출되는 흡수가 어려운 영양소 중의 하나이다(Woo, 2005). 프락토올리고당은 대사과정에서 장내를 산성화시켜 미네랄의 용해도를 증가시키며 결국 대장내 각종 미네랄의 흡수도를 높였다(Chen et al., 2000; Manrique et al., 2005). 즉, 프락토올리고당은 면역체계 강화 뿐만 아니라 칼슘과 마그네슘의 체내 흡수를 높이는 작용도 있다.

 또한 프락토올리고당은 스트레스로 인해 각종 질환에 시달리는 현대인들에게 필요한 정장 기능(Kim et al., 2010), 지질대사 개선과 항비만 효과(Ide et al., 1999), 심혈관계 질환 예방 효과(Kim et al., 2010), 중성지방 합성 감소 역할(Fiordaliso et al., 1995)을 하는 것으로 보고되었다. 이상의 보고를 요약해 보면, 야콘에 함유되어 있는 프락토올리고당은 장내 유산균인 비피더스 균을 증식시키고, 칼로리가 낮으며, 칼슘이나 마그네슘 같은 미네랄 흡수를 촉진시키며, 충치를 예방하고 당뇨, 비만 등 현대인의 생활습관병을 개선시킨다(Fig. 4).

Fig. 4. Major health effects of fructooligosaccharides.

프락토올리고당의 함량 변화

 야콘은 광합성 산물을 일반적인 뿌리작물처럼 전분형태로 저장하기보다 프락토올리고당, 과당, 포도당, 형태의 다량의 당이 함유되어 있는데 저장기간에 따라 그 함량이 변하게 된다(Hermann et al., 1999; Lachman et al., 2003). 야콘의 저장기간 변화에 따른 프락토올리고당 함량 변화를 조사한 결과, 수확 직후 생체 기준으로 프락토올리고당 함량은 약 8.1% 함유되어 있었으나 저장기간이 길어질수록 그 함량이 감소하였다(Fig. 5). 특히 저장 1개월 후에는 그 함량이 8.1%에서 4.8%로 59% 이상 급격히 감소하였다. 이는 프락토올리고당이 후숙과정에서 단당류나 이당류로 전환되었기 때문이라고 판단된다. Cazetta et al.(2005)도 시간의 경과에 따라 프락토올리고당 함량이 감소하였으며 수확 후 온도나 저장방법에 따라 성분 함량의 차이를 보였다고 하였다. Cisneros-Zevallos et al.(2002)은 페루 후안코(Huanco)로부터 가져온 유전자원에 대하여 저온(4℃)과 실온(25℃)에서 저장기간을 0, 15, 30, 45, 90일로 하였을 때, 프락토올리고당의 함량이 실온보다 저온에서 감소폭이 적다고 하였다. 따라서 프락토올리고당의 함량 감소를 줄일 수 있는 저장기술의 개발이 필요할 것으로 생각된다. 또한 국내에서 프락토올리고당은 유제품, 제과, 음료 등에 기능성 강조, 감미질 개선, 물성 개선 목적으로 사용되고 있으며 향후 수요가 증가될 것으로 전망하고 있다(Woo, 2005). 야콘을 이용한 건강 기능성 식품 개발이 본격화 됨에 따라 수확, 저장 및 유통에 따른 프락토올리고당의 함량 변화 등에 대한 체계적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 5. Changes of fructooligosaccharides in yacon as affected by storage period.

식품소재 이용 현황

 1950년대 탄수화물 저장 식물을 대상으로 프락토올리고당 생성 관여 효소에 대한 연구가 시작되었다(Woo, 2005). Bhatia et al.(1955)은 용설란(Agave vera-cruz) 줄기에 존재하는 효소를 분리하여 설탕과 반응시켜 프락토올리고당의 생성을 확인하였고, Allen과 Bacon(1956)은 사탕무 잎 추출물 내 효소를 이용하여 생물학적 전이 반응으로 프락토올리고당을 생성할 수 있음을 보여주었다. 이후 1979년 전이효소에 의한 효소처리를 통하여 설탕으로부터 프락토올리고당을 대량 생산하는 방법을 개발하여 1980년대 중반에 일본에서는 제품생산을 하였다(Woo, 2005).

야콘을 이용한 식품개발 연구로는 기능성 야콘잼 제조(Kim, 2005), 초절임 (Moon et al., 2010), 된장 제조(Kim et al., 2012a),  시럽 가공(Hermann et al., 1999; Manrique et al., 2005), 식빵 소재(Kim et al., 2012b) 등 다양하다. 우리나라 재배농가에서는 야콘즙이 가장 보편화되어 있고, 그 외에 떡, 잼, 된장, 와인, 발효액 및 식초 등을 일부 판매하고 있다. 또한 농촌진흥청에서 한식과 접목한 김밥, 떡, 김치, 한과 등 80여가지 요리(Fig. 6)를 선보이기도 하였다(Kim et al., 2012c).

Fig. 6. Processed products of yacon in Korean food style.

야콘은 프락토올리고당이 체내에서 소화되지 못하기 때문에 에너지원으로 이용되지 않아 저칼로리성 식품 소재로 활용될 수 있다. 또한 프락토올리고당은 충치 발생균(Streptococcus mutants)이 이용할 수 없기 때문에 기존의 감미료인 설탕을 대체할 수도 있다(Asami et al., 1989). 설탕 대체 감미료로서 음료, 제과, 스낵류, 건강식품, 장류 및 각종 소스 등에서 이용 가치가 높다고 판단된다. 프락토올리고당은 설탕과 물리적인 특성이 유사하고 설탕의 20 - 40%에 해당하는 감미도가 있기 때문에 야콘을 건강·기능성 식품의 새로운 소재로 개발할 수 있다. 이를 위해서는 프락토올리고당을 활용한 과학적이고 체계적인 생리활성 연구가 지속적으로 수행되어야할 것이다.