“미나리과 식물 ‘해방풍’ 유산균 발효물은 화장품 소재로 좋아요”

홍선미 환동해산업연구원^MIRE 책임연구원을 처음 만난 것은 2019년 10월 대구 경북테크노파크에서 열린 ‘2019 경북지역 바이오뷰티 기술활성화 세미나’였다. 이 세미나는 화장품클러스터연합회(Cosmetic Cluster Association·CCA, 회장 예상규 서울대 의대 교수)가 주최하는 ‘제36차 화장품·뷰티바이오포럼’의 일환이었다. 경북테크노파크와 화장품클러스터연합회가 연계해 이 행사를 마련했고, 대구한의대학교가 이를 도왔다. 

그 때 홍 연구원은 ‘해양 유래 소재를 이용한 화장품 소재 개발’을 주제로 발표하면서 해양 유산균을 이용한 해방풍 발표 추출물 제조 및 가바랩^{GABA LAB} 샴푸 및 헤어컨디셔너 개발 과정을 설명했다.

경상북도농업기술원 울진군농업기술센터에서 울진지역 특산물인 해방풍을 이용한 기능성화장품 ‘해방풍 미스트’를 개발했는데, 경상북도농업기술원 생물자원연구소 최소영 농업연구사가 더케이뷰티사이언스에 그 내용을 자세하게 소개해 주었다. (2019년 7월호, ‘갯방풍 추출물의 미백 및 주름개선 효과’ 참조) 

당시 본지는 홍 연구원에게도 해방풍 연구에 관한 인터뷰를 요청했었는데, 아직 연구가 미흡하다는 답변을 받았다. 4년이 흐른 최근 인터뷰가 성사됐다. 그동안의 연구 성과가 쌓였기 때문이다. 그 예가 한국산학기술학회의 한국산학기술학회논문지 제24권 제2호에 게재한 논문 ‘해방풍 유산균 발효물의 항균 및 항산화 증진 효과^{Enhancement of the Antibacterial and Antioxidative Capacities of Glehnia littoralis Extracts through Lactic Acid Bacteria Fermentation}’이다. 이 논문은 2022년 해양수산부 재원으로 해양수산과학기술진흥원의 지원을 받아 수행된 연구이다. 

이번 인터뷰에서 “최근 천연물을 대상으로 유산균과 효모 등의 GRAS^{Generally Recognized As Safe} 미생물을 활용한 기능성 물질 생산과 적용 부분은 식품과 화장품을 넘어 의약 소재로 적용 가능성이 유망한 분야이다. 나고야의정서(2014년) 발효^發效와 함께 전 세계 각 나라의 생물자원 중요성이 높아진 만큼 국내 동해안의 새로운 자원의 발굴과 더불어 부가가치가 높은 소재가 지역과 더불어 국익으로 연결될 수 있도록 지역 지방자치단체 연구수행에 대한 지속적인 관심과 지원이 필요하다”고 당부했다.

Q. 먼저 환동해산업연구원^MIRE은 어떤 곳인가요? 

경북 울진 죽변면에 위치한 재단법인 환동해산업연구원^{MIRE, Marine Industry Research institute for East sea rim}은 산업자원부, 경상북도 울진군 지역 특화사업으로 설립된 경북도 출자출연기관입니다. 2019년 6월 경북해양바이오산업연구원^GIMB에서 명칭을 변경해 해양바이오, 해양에너지, 해양환경, 첨단양식, 해양문화 등 해양산업 전반으로 연구 범위를 넓혔어요. 화장품·뷰티분야에선 △포스트바이오틱스 소재 개발 △해양생물 유효물질 추출 또는 생산 △해양생물의 피부세포 장벽 보호 인자 등을 연구하고 있습니다. (환동해산업연구원은 2021년 9월 한국콜마와 ‘국내 야생화 유래 유용효모를 이용한 생물계면활성제 개발’에 관한 업무 협약을 맺었다. 올해 6월 1일엔 하킴코스메틱, 메디웨이코리아, 코리아향진원과 온천 소재 코스메틱 활성화에 관한 업무 협약을 체결했다. 이들 화장품기업은 경북도의 ‘환동해지역 온천 소재 코스메틱 시범사업’을 추진하고 있다.)

Q. MIRE의 소재산업화팀은 무슨 연구를 진행하나요?

MIRE의 소재산업화팀^{MIT, Material Industrial-ization Team}은 경북 동해안에서 서식하는 해양생물(미생물, 해조류 등)에서 유효한 물질을 분리하며, 이를 기반으로 표적 물질의 항균, 항산화, 항염 등의 효능과 안전성을 연구하는 팀입니다. 또한, 이를 활용하여 식품, 사료, 화장품 등의 시제품을 제조하고, 스케일업^scale-up을 통해 (시)제품화를 준비하며, 지역 해양수산 및 농·식품 기업에 기술을 이전하는 등 산업화와 상용화 연계를 목표로 연구를 수행하고 있습니다. 현재는 유산균의 포스트바이오틱스^postbiotics와 파라바이오틱스^parabiotics 대사체의 항균, 항염, 뼈건강 등의 효능을 검증하고, 항균 펩타이드^{AMP, anti-mircobacterial}와 유사구조를 지닌 해양생물 유래의 신규 펩타이드인 미토콘드리아 표적 서열^{MTS, Mitochondrial Tag Sequences}을 연구하여, 이를 기반으로 기능성이 우수하면서 안전한 펩타이드를 식·의약(화장품 포함) 소재로 활용하는 소재화 연구를 준비하고 있습니다.

Q. 해양치유자원 연구사업이 활발한가요?

2022년 1월 4일 해양치유자원법이 시행되면서 해양치유자원의 관리를 위한 연구사업(해양수산부, 다부처 등)이 시작되고, 국내의 다양한 해양자원의 활용을 위한 노력이 활발해지고 있습니다. 또한, 해양수산부는 2017년부터 전라남도 완도, 충청남도 태안, 경상북도 울진, 경상남도 고성 등 4개의 지방자치단체(지자체)에 2024년까지 해양치유자원센터 건립을 목표로 투자가 진행되고 있습니다. 전라남도 완도는 2023년 5월부터 시범 운영되고 있어요. 경상북도 울진의 해양치유센터는 해양관광 활성화를 위해 340억원(국비 170억원)을 투입해 2025년 평해읍에 완공할 예정입니다. 해양치유센터가 건립되면 해양생물, 해양심층수, 염지하수, 해조류, 염생식물 등 해양치유자원을 활용한 피부미용, 피로 해소, 재활치료 및 근·골격계 질환 완화 등 국민이 실질적으로 이용할 수 있는 상품과 프로그램 개발 등 지역 생태계 조성을 위한 준비가 필요할 것입니다. 지금 동해안에서는 해양심층수, 염지하수, 해풍, 해조류 및 심해생물 등의 해양자원을 활용하는 해양치유자원 효능 검증에 관한 연구가 국가 및 지자체 지원을 통해 진행되고 있습니다. 

Q. 이번 논문에 대해 소개 주세요. 

이번 논문은 동해안 해수에서 분리된 L. planta-rum^Lp과 P.acidilactici^Pa를 이용한 해방풍 발효를 통해, GABA 증량과 항산화, 항균 및 멜라닌 억제 효능을 확인한 것입니다. 우리 연구팀은 국내 동해안 지역을 따라 자생하는 염생식물(염을 포함하고 있지 않지만, 해풍 환경에서 성장하여 염생식물로 구분하고 있음)인 해방풍^{Glehnia littoralis}의 활용가치에 관심을 갖게 되었습니다. 국내의 해안사구에서 자라는 미나리과 식물인 해방풍(갯방풍)은 다년초 염생식물^halophyte로 일본, 만주, 중국 등에 분포하고 있어요. 예부터 해방풍은 여러 생리활성과 약리활성이 있어 고혈압, 뇌졸중, 해열, 진통, 신경통 등의 질환 치료를 위한 한약 재료로 이용되었으며 최근에는 일반 식품으로 판매되고 있습니다. 특히 잎과 줄기의 식용가치가 높아 동해안의 경상북도(울진군, 영덕군)와 강원도(고성군)에서 재배 단지를 조성하고, 식품과 화장품 등 기능성 제품 등의 활용을 위해 육성되고 있습니다. 이에 따른 해방풍의 열수, 유기용매 추출물 등의 연구 역시 활발히 보고되고 있어요. 

우리 연구팀은 2016년부터 동해안 해양심층수, 해수, 해조류, 해초류 등에서 유산균 200종 이상을 분리하여 데이터베이스를 구축하는 한편, 해양생물(해조류 등), 육상생물(식물 및 곤충류)과 프로바이오틱스로의 유산균주를 활용한 다기능성 소재개발에 대하여 지속적으로 연구를 수행하였고 이에 대한 항균, 항염증 및 비타민 생산 기능의 유효 균주와 이들을 양적·질적으로 증강할 수 있는 기술(생물강화기술, Biofortification)을 적용하고 있습니다. 그 중 하나의 소재로 울진군 평해에서 재배하고 있는 해방풍을 목표로 하였으며, 이를 프리바이오틱스^prebiotics로 하고 항균과 항산화 기능을 가진 프로바이오틱스인 유산균으로 발효함으로써 성분과 효능을 증강하여 화장품 및 건강 증진을 위한 업그레이드 소재화를 위한 연구를 시작했습니다. 이번 연구 결과는 2018년 진행한 초기의 내용이며, 이후 다양한 효능 검증을 위한 연구를 현재까지 꾸준히 진행하고 있어요.

Q. 연구 과정에서 힘들었던 점도 많았겠네요.

해수 유래의 유산균주는 그 수가 많지 않으며 종류도 다양하지 않습니다. 분리한 유산균주를 단일의 균주로 분리하여 각각에 대한 항균 기능별로 조사하고 데이터베이스화하는 것은 지역 출연연구소에서 쉽지 않은 일입니다. 그러나 해수 이외에도 잘피, 해조류 등에서도 꾸준히 새로운 균주를 분리하고 있으며, 이들을 유산균주의 특성에 맞게 해양과 육상생물의 프리바이오틱스와 유효물질 생산 매칭^matching을 통해 유효물질 생산을 위한 생물강화기술^{biofortification}을 적용하고 있습니다.

Q. 연구는 어떻게 진행했나요?

먼저 해방풍 유산균 발효물 제조를 진행했습니다. 울진에서 수확한 해방풍 잎과 뿌리를 분리한 후 세척 및 열풍건조를 통해 분말로 제조 후 분말 5%에 해당하는 증류수를 가하여 121℃에서 15분간 멸균 과정을 거치고 해수 유래 유산균 Lactobacillus plantarum_DSW(KCCM12299P)와 Pediococcus acidilactici(KCCM12472P) 등 2종을 단일 또는 공접종하여 24시간 동안 발효한 후 항균과 항산화 기능성 성분들을 증강시켰습니다. 

효능 분석은 뇌 기능 촉진, 항산화, 혈압 강하, 이뇨, 성장 호르몬 조절에 관련된 것으로 보고된 GABA·^{γ-aminobutyric acid} 성분을 TLC^{Thin Layer Chromatography}와 ELISA^{Enzyme-linked Im-munosorbent Assay} 방법을 통해 측정했습니다. 또 자유라디컬^{free radical}의 하나인 DPPH^{2,2- Diphenyl-1-picrylhydrazyl} 소거 활성을 통해 해방풍추출발효물의 항산화^antioxidant 효과를 분석하였습니다. 그리고 해방풍추출발효물의 독성과 멜라닌 색소 억제 기능은 마우스 흑색종^melanoma 세포인 B16-F10(ATCC CRL-6745) 를 이용하여 MTT( 3-(4,5-dimethylthiazol-2yl)- 2,5diphenyl -tetrazolium bromide) 세포독성 및 멜라닌 억제 활성을 분광광도계를 이용하여 분석하였습니다. 또한 여드름균(Propinibacterium acnes, ATCC6919), 비듬균(Malassezia furfur, ATCC14521), 치아우식균(Streptococcus sobrinus, ATCC33478), 충치균(Streptococcus mutans, ATCC3065) 등 4개균에 대한 항균 활성 분석을 페이퍼 디스크^{paper disc}에 의한 억제 환^{inhibition clear zone}으로 확인하였습니다. 

Q. 연구 성과는 좋았나요? 

연구 결과를 먼저 설명하자면, 다른 영양성분 첨가 없이 Lp와 Pa가 접종된 해방풍 발효는 GABA 증량이 가능하고, GABA가 포함된 해방풍 발효물은 항산화, 항균과 멜라닌 억제 효능과 세포 안정성이 확인되어 식품 및 화장품 산업의 유효 소재로의 활용 가치가 있을 것으로 봅니다. 동해안 해수에서 분리된 L. plantarum^Lp과 P. acidilactici^Pa 등 2종의 유산균과 해방풍의 발효를 통해 GABA 증량과 항산화, 항균 및 멜라닌 색소의 억제 효능을 확인하였습니다. 해방풍 잎과 뿌리 추출물의 Lp와 Pa의 공발효에서 유산균은 일반 유산균 성장 배지인 MRS^{de Man, Rogosa, Sharpe} 보다 높은 100억~1000억 개 이상의 성장을 보여, 해방풍은 기타 탄소원과 질소원의 첨가 없이도 유산균 성장에 필요한 충분한 영양소를 가진 프리바이오틱스임이 확인되었어요. 항산화 효능은 해방풍 잎과 두 종의 유산균의 각 단일 배양에서 높았으나 뿌리에서는 낮은 항산화 활성이 확인되었습니다. 마우스 흑색종^melanoma 세포인 B16-F10(ATCC CRL-6745)에서의 독성은 없었으며 오히려 72시간까지 세포가 안정적으로 성장하는 것이 관찰되었습니다. 또한, 멜라닌 색소 억제 효능도 확인되었으며 특히 락토바실러스^Lp의 잎과 뿌리 발효물의 경우, 높은 멜라닌 억제 기능이 있었습니다. 항균 기능에서는 두 유산균의 단일배양보다는 뿌리의 공배양물이 추출물보다 여드름균은 1.25배, 비듬균은 12배, 치아 우식균은 2,2배, 충치균은 2.5배 높은 것을 확인하였습니다. 이러한 효과들을 기반으로 하여 특허출원과 등록을 진행하고 해방풍 헤어·두피케어 시제품을 출시하였습니다. 

Q. 이번 논문이 화장품산업에는 어떤 도움을 줄까요? 

해방풍의 락토바실러스^Lp와 페디오코쿠스^Pa의 잎 발효물의 경우 피부 항산화 기능을, 또한 잎과 뿌리 발효물의 경우는 멜라닌 색소 억제 기능에 도움을 줄 수 있습니다. 뿌리 공배양물은 여드름균과 치아우식균, 충치균 억제에 효과가 있어요. 특히 비듬균에서는 일반 해방풍 추출물보다 12배가 높은 항균 기능이 있어 두피케어 제품 개발에 도움이 될 수 있을 것으로 생각됩니다. 

Q. 앞으로 연구 계획을 소개해 주세요. 

경북 동해안의 해방풍은 현재 재배 기술이 일반화되어 대량 생산이 가능하여 지속적 공급의 해양치유자원이자 농가의 주요 소득원이 될 것으로 기대됩니다. 현재, 해양치유자원 효능 표준화 기술개발사업의 일환으로 모자반과 해방풍 파라바이오틱스에 대한 연구를 진행하고 있으며 이 소재가 가지는 피부미용, 피로 해소 및 근골격계질환 완화 효과 등의 연구를 통해 국민이 실질적으로 이용할 수 있는 효능 가치를 제시하고자 합니다. 이 소재가 경상북도 울진군의 해양치유자원으로서의 가치가 인정되어 피부뿐 아니라 다양한 분야에 활용될 수 있도록 노력하겠습니다.