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건강 증진과 임상적 증세의 경감을 위한 올리고당의 기능성 연구

Title
건강 증진과 임상적 증세의 경감을 위한 올리고당의 기능성 연구
Authors
이다희
Issue Date
2003
Department/Major
대학원 식품영양학과
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Doctor
Abstract
올리고당은 대장의 비피더스 증식 및 체내 지질 대사 개선 효과 등이 알려지면서 다양한 음료, 유제품, 과자류, 장류에 이르는 광범위한 식품에 첨가되고 있는 기능성 식품 중의 하나이다. 그러나 올리고당의 생리 활성에 대한 임상 결과는 일본을 비롯한 외국의 연구 결과들에 전적으로 의존하고 있으며 국내에서는 주로 올리고당의 물리적 성질과 동물 실험을 통한 장내 균총의 개선능에 초점을 맞추어 제한적으로 진행되고 있는 실정이다. 본 연구는 올리고당의 투여 수준에 따른 생리적 효과와 올리고당의 건강 기능성 평가를 하기 위하여 수행되었다. 우선 올리고당의 섭취 수준에 따른 생리적 효과의 차이를 검증하기 위하여 동물 실험을 통해 비피더스 증식 효과와 장 기능 개선 효과, 체내 지질 대사 개선 효과를 알아보았다. 임상적으로 올리고당의 비피더스 증식 효과를 검증하기 위해 성인에 비해 장내균총이 매우 단순한 이유식 도입 이전의 인공영양아를 대상으로 장내균총 증식 효과를 살펴보았으며, 인체에서의 올리고당의 질병 개선 효과를 알아보기 위해 당뇨병 환자와 고지혈증 환자를 대상으로 올리고당의 섭취가 혈당, 혈액의 지질 성상, 지질 과산화물의 농도와 항산화 효소의 활성, 면역능, 혈중 인슐린과 leptin의 농도 및 배변 상태에 미치는 영향을 알아보았다. 올리고당의 투여 수준에 따른 생리적 효과를 알아보기 위해 평균 체중이 104.1±3.9g인 Sprague-Dawley 종 수컷 흰쥐 50마리를 5군으로 나누어 대두 올리고당을 각각 식이 무게의 0%, 5%, 10%, 15%, 20% 수준으로 첨가한 실험 식이로 4주간 사육한 후 맹장 내용물의 비피더스 균수와 pH를 측정하였고 장 통과시간, 혈장과 간 및 변의 총지질, 콜레스테롤, 중성지방농도를 분석하였다. 실험결과 4주간 대두 올리고당을 섭취한 후 올리고당 섭취군의 체중증가량이 대조군에 비해 낮게 나타났으며 그 중 20% 섭취군의 체중증가량은 대조군에 비해 유의적으로 낮게 나타났다. 식이섭취량은 올리고당 섭취군과 대조군 간에 비슷하게 나타났으나 식이 효율은 20% 섭취군이 가장 낮았다. 간과 흉선의 무게는 올리고당 섭취군에서 감소하는 경향을 보였고 체내 저장 지방의 지표로 사용되는 부고환 지방의 무게는 대두 올리고당 섭취수준이 높아질수록 감소하는 것으로 나타났다. 분변 무게는 5%군을 제외한 모든 올리고당 섭취군이 대조군에 비해 높았고 분변 내 수분함량도 증가하는 경향을 보였다. 장 통과시간은 5%, 10% 섭취군은 증가하는 경향을 보였고, 반면 15%, 20% 섭취군은 유의적으로 짧아지는 것으로 나타났다. 장의 길이 및 맹장의 무게 역시 올리고당 섭취수준이 많아질수록 증가하였으며 비피더스 증식효과를 살펴보면 모든 대두 올리고당 섭취군에서 비피더스균이 증가하는 것으로 나타났으며 그 중 15% 섭취군은 올리고당 섭취 전에 비해 올리고당 섭취 후 유의적으로 증가하였다. 혈장 총지질과 중성지방, 총콜레스테롤 및 LDL-콜레스테롤 수준은 대조군에 비해 대두 올리고당 섭취군이 낮은 경향을 보였으며 특히 20% 섭취군은 유의적으로 낮게 나타났다. 간의 총지방 농도는 대두올리고당 섭취군들이 약간 높은 편으로 나타났고, 간의 중성지방 농도는 대두올리고당 섭취군들이 대조군에 비해 낮은 경향을 보였으며, 간의 총콜레스테롤 농도는 10% 섭취군이 모든 군 중 가장 낮은 것으로 나타났다. 변으로 배설되는 지방 함량을 살펴보면 대조군에 비해 모든 대두올리고당 섭취군에서 많이 배설되는 경향을 보였는데 분변 1g 중 총지방 함량은 5%섭취군이 가장 많았고, 분변 내 중성지방 함량은 5%, 20% 섭취군이 가장 많았으며, 분변 중 총콜레스테롤 함량은 20% 섭취군이 가장 많았다. 인체를 대상으로 한 올리고당의 건강 기능성 평가 실험 중 먼저 올리고당이 인공영양아의 장내균총 개선에 미치는 효과를 살펴보기 위해 이유식 도입 이전이며 건강상태가 양호한 생후 12.7±6.5주의 인공영양아 14명을 두 군으로 나누어 cross-over design으로 3주간 프럭토 올리고당을 체중 1kg당 0.25g의 수준으로 보충한 후 분변 pH, 분변 중 총균수와 비피더스균, Lactobacillus균 및 Bacteroides균수를 측정하였으며 배변빈도, 변의 색, 변의 양, 변의 모양 등의 배변상태를 조사하였다. 실험 결과 먼저 분변의 pH는 3주간의 프럭토 올리고당의 섭취로 인해 감소하는 경향을 보였으며, 올리고당 섭취를 중단한 follow-up기간 중에 다시 분변 pH가 올리고당 보충 전과 비교해 봤을 때 유의적으로 증가하는 것으로 나타났다. 분변 중의 총균수는 프럭토 올리고당 보충 전에 비해 보충 후 유의적으로 증가하였으며 비피더스균 역시 유의적으로 증가하였고 이는 follow-up 기간 동안에도 어느 정도 증가된 상태가 유지되는 것으로 나타나 올리고당 투여의 효과가 지속되는 것으로 볼 수 있었다. 분변 중의 Lactobacillus균수 역시 올리고당 보충 후 유의적으로 증가하였지만 follow-up 기간 후 다시 유의적으로 감소하는 것으로 나타났고 분변 중의 Bacteroides 균수는 올리고당 보충에 의한 영향을 그다지 받지 않는 것으로 나타났다. 배변 상태를 살펴보면 프럭토 올리고당의 보충 후 대상 아기들의 배변빈도가 증가하는 것으로 나타났고 변의 색은 대체로 풀색 계통으로 변하였으며, 변이 묽어지는 경향과 함께 변의 양이 유의적으로 많아지는 것으로 나타나 올리고당의 보충이 인공영양아의 장내균총 개선과 함께 변비 개선에도 도움이 될 수 있을 것으로 사료된다. 올리고당의 질병 상태 개선 효과를 알아보기 위해 심혈관계 질환의 주요 위험 인자인 고지혈증 증세(plasma TG≥200mg/dL, CHOL≥250mg/dL)를 보이는 남자 환자 16명을 대상으로 10ml/day의 대두 올리고당을 2주간 보충한 후 배변 상태의 변화와 혈당, 혈장의 지질 성상, 혈장 과산화물의 농도와 항산화 효소의 활성, 면역능, 혈장의 인슐린 및 leptin의 농도를 측정하였다. 고지혈증 환자군의 평균 연령은 55.4±8.1세이며 평균 BMI(body mass index)는 25.1±2.0 kg/㎡이었다. 실험 결과 대두 올리고당의 섭취로 인해 배변 상태가 크게 변화하지는 않았지만 변의 양이 약간 증가하는 경향이 나타났다. 또한 대두 올리고당의 섭취 후 공복 상태에서의 혈당 수준이 약간 감소하는 경향을 보였다. 혈장의 지질 성상의 변화를 살펴보면 대두 올리고당의 섭취 후 혈중 총지질 수준이 유의적으로 감소하였으나 혈중 콜레스테롤과 중성지질의 수준은 유의적인 차이를 나타내지 않았다. 혈장 내 지질과산화물(thiobarbitric acid reactive substance, TBARS)의 농도는 대두 올리고당 섭취 후 증가하는 경향을 보였으며 혈장 항산화효소인 glutathione peroxidase(GSH-Px)의 활성 역시 증가하는 경향을 보였다. 그러나 적혈구 항산화효소인 glutathione peroxidase(GSH-Px), superoxide dismutase(SOD), catalase의 활성은 감소하는 경향을 보였으며 유의적인 차이는 없었다. 면역물질의 경우 혈장 Immunoglobulin G(IgG) 수준은 증가하였고, Immunoglobulin M(IgM)과 C₃ 수준은 감소하는 경향을 보였으며, 혈장의 인슐린과 leptin 수준은 모두 약간 증가하는 경향을 보였으나 유의적인 차이는 나타나지 않았다. 올리고당의 질병 개선 효과를 살펴보기 위한 두 번째 연구로 우리 나라의 대표적 만성 퇴행성 질환인 당뇨병 환자를 대상으로 대두 올리고당의 보충 효과를 알아보았다. 다른 합병증이 없는 순수 인슐린 비의존형 당뇨병 증세를 보이는 여자 환자 11명을 대상으로 대두 올리고당을 하루 10ml씩 2주간 보충한 후 배변 상태의 변화와 공복 혈당 및 인슐린 농도의 변화, 혈장의 지질 성상, 혈장 과산화물의 농도와 항산화 효소의 활성, 면역능, 혈장의 leptin 농도를 측정하였다. 당뇨환자군의 평균 연령은 58.9±8.9세이며 평균 BMI는 24.9±2.8kg/㎡으로 정상 범위에 속하였다. 실험 결과 대두 올리고당의 보충 섭취 후 공복 혈당은 약간 감소하는 경향을 보였고, 공복 인슐린 수준은 유의적으로 감소하는 것으로 나타나 대두 올리고당의 섭취가 내당능 개선에 도움이 될 수 있는 것으로 사료된다. 배변 상태를 살펴보면 배변횟수는 약간 증가하였고, 배변에 걸리는 시간은 약간 감소하였으며, 변이 황색 계통으로 변화하는 경향을 보이고, 변의 양 역시 약간 증가하는 것으로 나타나 대두 올리고당의 섭취가 환자들의 변비 개선에 도움이 될 수 있으리라 사료된다. 올리고당 보충에 의한 지질 대사의 변화를 보면 혈장 내 총지질, 콜레스테롤 수준이 유의적으로 증가하였고, 반면 혈장 중성지질의 수준은 약간 감소하였으며, HDL-콜레스테롤 수준은 유의적으로 증가하는 것으로 나타났다. 한편, 대두 올리고당의 섭취 후 혈장 과산화물(TBARS)의 수준이 감소하는 경향을 보였고 혈장 항산화효소인 GSH-Px의 활성은 증가하는 것으로 나타났으며 적혈구 항산화효소인 GSH-Px는 감소하는 경향을 보였다. 그러나 SOD의 활성은 증가하는 경향을 보이고 적혈구 Catalase의 활성은 유의적으로 감소하는 것으로 나타났다. 면역능을 살펴보면 혈장 내 IgG, IgM 수준은 증가하는 경향을 보였고 혈장 C₃ 수준은 유의적으로 증가한 것으로 나타났다. 혈장 leptin 수준은 대두 올리고당의 섭취 후 감소하는 경향을 보였으나 유의적인 차이는 보이지 않았다. 이상의 결과들을 종합하여 보면 대두 올리고당의 섭취 수준이 높아짐에 따라 비피더스 증식 효과 및 체내 지질 대사 개선 가능성이 커지는 것으로 나타나 올리고당의 섭취가 생체 기능에 유익한 작용을 함을 알 수 있었다. 인공영양아를 대상으로 프럭토 올리고당을 보충시켰을 때 배변 상태와 장내균총이 개선되는 효과가 뚜렷하게 나타났다. 또한 고지혈증과 당뇨병 환자를 대상으로 대두 올리고당을 보충시켰을 때에는 혈청 지질 수준이 감소하고 혈당 조절이 개선되는 등 질병 개선의 가능성을 보였으나 실험기간이 단기간이라는 제한점으로 유의적인 차이가 나타나지는 않아 이들을 대상으로 장기간의 올리고당 보충 효과에 대한 연구가 필요하다고 생각된다. 이와 같이 올리고당의 섭취는 유아나 질병 상태에서 생리적으로 유익한 효과를 보이므로 건강 유지 및 개선에 도움을 줄 것으로 기대된다.;Certain indigestible oligosaccharides may benefit gastrointestinal tract via fermentation and proliferation of desirable bacterial species and enhance lipid metabolism. The purpose of this study was 1) to elucidate the effects of dosage of soybean oligosaccharide supplementation on cecal microflora, pH, and lipid profiles of the rats, and 2) to investigate the effects of fructo-oligosaccharide on fecal microflora proliferation and evacuation habits of the formula-fed infants, 3) to investigate the effects of soybean oligosaccharide on evacuation habit and improvement of disease in hyperlipidemia and NIDDM. 1. Fifty male rats of Sprague-Dawley strain were randomly assigned to one of five treatment : 1) control diet(AIN-93G diet); 2) control diet + 5% soyoligosaccharide(w/w diet); 3) control diet + 10% soyoligosaccharide; 4) control diet + 15% soyoligosaccharide; 5) control diet + 20% soyoligosacchride. The duration of the study was 4 weeks. Cecal pH was lower in group fed oligosaccharide, especially in group fed 10%, 20% of soyoligosaccharide, than control group. Cecal bifidobacteria concentration was significantly higher(p<0.05) in the 15% group compared with the control group after 4 weeks of dietary treatment. The concentration of plasma total lipid, triglyceride, cholesterol and LDL-cholesterol was decreased by oligosaccharide consumption, especially in the 20% group, but statistical significance was not found. The concentration of liver triglyceride and total cholesterol was the lowest in the 15% group. The concentration of total lipid in feces was the highest in the 5% fed group and the concentration of triglyceride and total cholesterol in feces was the highest in the 20% fed group. 2. Fourteen six-month old infants divided into two group for cross-over design. They were all bottle-fed infants before the weaning period and all subjects were fed formula milk with mixing FOS three times a day for three weeks. The fecal pH after FOS supplement had a tendency of decreasing. The number of fecal bifidobacteria had significantly increased after FOS supplement and this increased bifidobacteria level remain stable to some extent after its discontinuing. The number of Lactobacillus in feces just after FOS supplement had significantly increased more than that of before FOS supplement, but after 3 week follow-up period the number of Lactobacillus had significantly decreased compared with that of FOS supplement. The number of fecal Bacteroides after FOS treatment had a tendency to decrease not significantly. The frequency of stool evacuation significantly increased after FOS supplement. The color of stool generally yellowish, but most of them was founded to be greenish after FOS supplement. The amount of stool increased, in general, by supplementing FOS. 3. The sixteen hyperlipidemia patients(plasma TG≥200mg/dL or plasma CHOL≥250mg/dl) were supplied with soyoligosaccharides (10ml) dissolved in a cup of warm water daily for 2 weeks. Defecation frequency and the color of stool were not affected by oligosaccharide and amount of stool had a tendency to increase by oligosaccharide supplement. The concentration of plasma total lipid was significantly decreased after oligosaccharide consumption, but the concentration of plasma triglyceride(TG) and cholesterol were not affected by soyoligosaccharide supplement. Thiobarbituric acid reactive substance (TBARS) concentration in plasma was increased and the change of antioxidant enzyme activities in plasma and erythrocyte were not under one law by supplementation. Plasma leptin, insulin and immunoglobulin concentration had a tendency to increase not significantly. 4. The eleven NIDDM patients without any complication were supplied with soyoligosaccharides (10ml) dissolved in a cup of warm water daily for 2 weeks. The fasting blood glucose level was decreased after soyoligosaccharide and the fasting plasma insulin concentration was significantly decreased. Defecation frequency and the color of stool were improved by oligosaccharide supplementation : Dark brown color was diminished and yellow color increased, but not significantly. The required time, effort to evacuate and the hardness and the quantity of stool were also improved by supplementation. The concentration of plasma total lipid and cholesterol were increased after soyoligosaccharide supplementation. However the concentration of plasma triglyceride(TG) was decreased and plasma HDL-cholesterol concentration was increased significantly. Thiobarbituric acid reactive substance(TBARS) concentration in plasma was decreased. The antioxidant enzyme, GSH-Px, activities in plasma was increased but the catalase activity in erythrocyte was significantly decreased. Plasma IgG, IgM concentration had a tendency to increase, and plasma C₃ concentration was significantly increased. Plasma leptin had a tendency to decrease not significantly. The results in this study suggest that dietary oligosaccharides has possibly desirable effects on the improvement of symptoms for hyperlipidemia or diabetes mellitus and benefit gastrointestinal tract via proliferation of bifidobacteria for infants.
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