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고독성 곰팡이 독소인 아플라톡신은 식물이나 이들 제품에 오염되는 곰팡이인 Aspergillus flavus, Aspergillus parasiticus에 의해 발생되는 물질로서 현재 20종이 확인 되었고, 이중 4종의 아플라톡신 B1, B2, G1, G2는 가장 광범위하게 발생하여 다양한 식품과 사료에서 치명적인 오염물질로 알려져 있다(Sibanda et al., 1997; Shephard, 2003). 

 1960년 영국에서 아플라톡신이 칠면조 폐사원인으로 밝혀지면서 그 유독성이 알려진 바 있는데, 주로 고온 다습 환경에서 주로 발생하고 있으며 대부분이 저장 곡물에서 검출되고 있으며, 땅콩, 호두, 면실 같은 유지작물 뿐만아니라, 옥수수, 쌀과 같은 식량작물에서도 발생되어 대단위 식중독을 유발하는 것으로 알려져 있다(Bankole and Adebanjo, 2003; Bankole et al., 2006; Wagacha and Muthomi, 2008). 또한, 암을 유발하거나 성호르몬 교란 및 신경계 및 신장 독성을 보일 뿐만아니라 동물의 면역기능을 저하시키는 것으로 알려져 있다(Lopez et al, 2008; Mateo et al., 2007). 이와 같은 이유로 미국, 유럽 및 국제규격위원회(CODEX)에서도 총 아플라톡신의 함량을 규정하고 있으며, 이에 대한 규제 및 오염실태를 조사하고 있다. 또한, 아플라톡신의 피해를 최소화 시키기 위한 방법에 대해서도 제안을 하고 있는데, 아플라톡신 오염을 원천적으로 방지하거나 오염된 식품을 섭취하지 않도록 방지하는 것이 최선의 방법으로 제안되고 있다(Creppy, 2002; FAO, 2003).

 우리나라의 기후는 아플라톡신 발생 환경에 적게 노출되지만, 발생한 사례가 있고, 아플라톡신 자체의 위험성에 따라 현행 식품위생법과 사료관리법에서는 아플라톡신을 유해물질로 규정하여 엄격한 함량규제 및 안전관리를 하고 있다. 반면에 우리나라와 기후상황이 다른 아프리카 사하라 사막 남쪽에 위치한 나라들의 경우, 고온 다습한 기후와 저장시설 및 저장방법의 낙후됨에 따라 아플라톡신의 발생을 원천적으로 차단하지 못하고 있는 실정이다(Williams et al., 1983).

 따라서 곰팡이 감염과 증식을 통한 아플라톡신 발생은 농산물 생산 손실과 식품안전성 문제를 야기하고, 관련 국가의 농업 소득에 많은 영향을 미친다. 우간다의 경우, 아플라톡신을 생성시키는 각종 곰팡이의 발생에 따른 농산물의 피해량이 최대 20%정도에 달하는 것으로 알려져 있어, 아플라톡신에 의한 피해는 가뭄, 비료부족과 같은 기후환경 요인과 더불어 심각한 피해요인으로 평가 되고 있다. 아플라톡신의 축적이 일반적으로 고온 다습한 조건에서 특정 곰팡이균(Aspergillus flavus 등)이 옥수수 수확기에 감염 된 후 잠복하고 있다가 수확 후 빠른 시간에 건조가 이루어지지 않을 경우 곰팡이가 증식하면서 아플라톡신의 축적이 증가하고, 곰팡이의 증식이 계속되어 외관상으로 부패의 증상이 나타나면 상품으로서 가치가 떨어진다. 이런 이유로 농산물의 수확 후 관리 기술이 아플라톡신의 발생을 억제하는데 가장 중요한 해결책으로 알려져 있으나, 수확 전 곰팡이 감염 또한 아플라톡신 발생의 원인이 되는 것으로 알려져 있다(Moreno and Kang, 1999).

 우간다에서 옥수수는 자국의 주요 식량 및 소득작물로서, 생산된 많은 옥수수가 케냐 등의 주변 국가로 수출되고 있다. 또한 중앙 및 동부아프리카의 기아해결을 위한 유엔세계식량계획(World Food Program; WFP)의 주요한 식량 공급 창구의 역할을 하고 있는데, 우간다에서 생산되는 옥수수의 약 40 - 50%(최고 85,000 MT)에 달한다(UBOS, 2007). 이는 우간다의 옥수수 생산성이 자국 농업에 대한 기여 뿐 아니라 아프리카 주변국의 식량사정에도 영향이 있으며, 아프리카 전체 식량공급의 안정에 크게 기여 할 수 있음을 의미한다(Rates, 2003).

 우간다는 옥수수 생산성 증대의 잠재력(3.4 ton/ha)은 매우 높음에도 불구하고, 옥수수 생산량(1.4 ton/ha)은 비교적 낮은 편이다. 이는 아직도 가뭄 같은 환경이나 병에 저항성 있는 개량된 종자의 개발과 사용이 아직까지 저조하기 때문이다. 최근 경지면적의 확대에 따라 생산량이 증대되었으나, 생산성은 여전히 낮은 편으로 생산성을 높이기 위해서는 양질의 교잡종자로서 각종 스트레스에 저항성이 높은 품종을 적절한 가격으로 보급될 필요가 있으며, 향상된 재배관리기술의 도입도 시급하다. 그러나 무엇보다 중요한 것은 국제적 기준에 적합한 식품안전성의 담보가 필요하다. 고온과 다습 같은 환경요인은 아플라톡신 생성에 밀접한 관련이 있을 뿐 만 아니라 해충에 의한 곰팡이 감염이 아플라톡신 발생에 밀접하게 관련되어 있다. 따라서 아플라톡신 빌생을 차단 시킬 수 있는 관련기술의 개발과 지원이 이루어지지 않을 경우 우간다의 옥수수 산업은 국제경쟁력을 가지기 어렵다(Williams et al., 2006, 2008).

 본 연구에서는 곰팡이 병과 독소로 인한 옥수수 생산 및 저장관리 상의 손실을 줄이기 위한 품종개량연구에 앞서 현지에서 유통 재배되고 있는 옥수수의 아플라톡신 오염실태를 조사하고, 그 결과분석을 통하여 주 발생 오염원 분석 및 곰팡이 독소 저항성 작물 개발을 위한 기초자료로 사용하고자 하였다.

재료 및 방법

시험재료

 시험에 사용된 옥수수는 우간다 국립작물보전연구소(National Crops Resources and Research Institute; NaCRRI)에서 우간다에서 상업적인 경작이 이루어지고 있는 지역 농장과 곡물상점에서 수집한 종자를 사용하였다. 이들 지역은 농업환경, 경작방식, 기후 조건, 재배고도 등을 고려하여 선정하였으며, 시료의 채취는 통계적인 처리를 고려하여 채취하였다. 시료 채취는 옥수수 재배가 활발한 서부지역의 Hoima, Kirya, Masindi, 중부 지역의 Biwindi, 북부지역의 Bweyal, Lira 그리고 남부의 Namulonge에서 수행하였고, 재배 중인 옥수수 종자에 대한 품종은 우간다에서 개발된 옥수수품종(longe1, KAWC 등)을 재배하고 있는 것으로 파악되었으나, 개별 농가단위로 재배되는 품종은 조사하지 않았다. 상점의 경우, 여러 옥수수 품종이 혼합된 채로 판매되고 있었다. 수집된 시료는 현지에서 상온 건조 후, 마쇄한 후 국내로 반입하여 분석에 사용하였다.

아플라톡신 추출

 마쇄된 시료에 70% methanol(HPLC grade, Sigma)을 가하고 이를 shaker에서 1시간 교반 한 후, 이를 Watmann Filterpaper 1번으로 걸러 낸 후, 1차적으로 ELISA 분석을 통하여 아플라톡신 B1의 함량을 측정하고, 아플라톡신 B1이 발현된 양성 시료에서 총 아플라톡신(B1, B2, G1, G2)에 대한 HPLC 분석을 실시하였다. 또한 일부 음성시료를 대조구로 넣어 동시에 비교 분석하였다.

ELISA 분석

 추출된 옥수수 추출물은 AflaREAD fast kit(LCtech GmbH, Germany)를 사용하여 제조사에서 제시한 측정방법에 따라 분석하였다. 이 키트의 분석한계치는 제조사 제시 기준으로 0.5 ppb이다. 측정의 정확도를 높이기 위해 각 시료에 대해 3 반복 분석을 실시하였다.

HPLC 분석

 ELISA 검정을 통해 아플라톡신 B1의 존재가 확인된 양성시료와 일부 음성 시료를 대상으로 Immuno Absorbant Column (IAC; LCtech, GmbH, Germany)을 이용하여 아플라톡신을 분리 한 후, 형광검출기(fluorescent detector)와 Quaternary pump가 장착된 Agilant HPLC system model HP-1100(Agilant, USA)을 사용하였다. 아플라톡신 표준물질은 Biopure사의 MYCOTOXIN MIX 1(AFLATOXINS)를 사용하였고, 컬럼은 zorbax SB-Aq(4.6 × 150 mm; 5 um, Agilant, USA)를 사용하였다. 유도체 형성을 위하여 Kobra cell(Rhone Diagnostics Technologies Ltd, Lyon, France)를 사용하였으며, 형광검출기는 1046A Programmable Fluorescence Detector(Agilant, USA)를 사용하였다. 이동상은 water: acetonitrile: methanol(6 : 2 : 2, v : v : v)을 사용하였고, 유속 0.7 ml/min로 분석하였으며, 여기 및 발광 파장은 각각 365와 435 nm를 사용하였다. 분석한계치는 0.005 ppb로 조사되었다.

결 과

ELISA를 이용한 아플라톡신 B1 오염도 조사

 일반적으로 아플라톡신의 정량은 ELISA 보다 HPLC를 이용한 방법이 더 우수한 것으로 알려져 있고, 특히 여러 아플라톡신이 혼재되어 있는 시료의 경우, 목적한 물질 이외에 다른 물질들을 검출 할 수 없었다. 그런 이유로 대부분의 ELISA 방법은 아플라톡신의 유무만을 정성적으로 판단하는 기능을 하였다. 그러나 최근에는 표준물질을 이용한 정량적 ELISA가 개발되었고, HPLC방법에 비해 비용과 신속성이 뛰어나, 시료가 많은 경우 신속하고 저렴하게 아플라톡신의 유무 및 대략적인 함량을 측정 할 수 있다.

 우간다 현지에서 수집한 옥수수를 대상으로 아플라톡신 B1의 오염상태를 ELISA로 조사한 결과, 총 55점의 시료 중 6점에서 아플라톡신 B1 오염이 확인되어, 오염률은 약 11%로 나타났다. 오염수준은 Table 1과 같이 아플라톡신 B1에 대하여 12.7 - 123.5 μg/Kg 범위로 나타났다. 재배 환경 별로 분석하면, 해발 1,000m 내외의 고도에 위치하고 있으며 수확기에 고온 다습한 기후를 가지고 있는 Hoima, Lira, Masindi 등에서 1,300m 내외의 고도에 건조한 기후를 보이는 Bwindi, Braru, Bweyale, Namulonge, Kirya 지역에 비해 높은 아플라톡신 B1 생성을 보였고, 오염이 확인 된 모든 시료에서 우리나라 기준치(10 ppb 이하) 이상의 오염이 확인되었고, 이 중 4점의 시료는 유럽(15 ppb 이하), 미국 및 CODEX(20 ppb 이하) 그리고 우간다 기준(20 ppb 이하)을 넘어서는 것으로 조사되었다. 곡물상점의 경우, 여러 농장의 수확물이 모아 판매되기 때문에 농장보다 상대적으로 낮은 아플라톡신 B1 함량을 나타내었다.

Table 1. Survey of Aflatoxin contents from Ugandan maize by ELISA

HPLC를 이용한 아플라톡신 오염도 조사

 ELISA 방법을 통해 Table 1과 같이 총 55점의 시료 중 6점에서 아플라톡신 B1의 존재와 함량을 분석하였다. 오염된 시료를 기준으로 아플라톡신의 주요한 물질인 B1, B2, G1, G2의 함량을 정확하게 측정하기 위하여 HPLC 방법을 이용하여 오염이 확인된 시료와 검출되지 않았던 일부 음성 시료의 아플라톡신 오염을 조사하였다(Table 2).

Table 2. Survey of Aflatoxin contents from Ugandan maize by HPLC

 조사 결과, ELISA 방법에서 아플라톡신의 오염이 확인된 모든 시료에서 아플라톡신이 검출되었다. 측정된 아플라톡신의 양은 정도의 차이는 있었지만, 총 아플라톡신 양을 기준으로 할 때 ELISA를 통해 얻은 것과 비슷한 수치를 얻을 수 있었다. 이는 ELISA Kit가 다른 아플라톡신과 교차반응을 통해 아플라톡신 B1뿐 아니라 다른 종류의 아플라톡신도 검출한 결과로 보인다.

 대조구로 사용된 음성 시료 일부에서도 아플라톡신이 검출되었다. 검출량은 모두 규제기준이하로 나타났으며, 아플라톡신 B1이 아닌 다른 종류의 아플라톡신이 함유되어 있었음을 알 수 있었다.

고 찰

 아플라톡신은 곰팡이 Aspergillus flavus에 오염된 옥수수에서 만들어지는 이차대사산물로서 인간과 동물의 건강에 치명적인 영향을 미친다. 세계보건기구(World Health Organization, WHO)에서는 아플라톡신 B1의 함량기준치가 10 ppb 이하, 기타 아플라톡신 B2, G1, G2까지 합한 경우 20 ppb이하로 규정하고 있다(Agag, 2004). 그럼에도 불구하고 우간다에서의 연구결과를 보면 1 - 1000 ppb 범위에서 오염되어 있음이 보고된 바 있다(Kaaya et al., 2007).

 본 연구를 통하여 아프리카 우간다에서의 옥수수 아플라톡신 오염실태를 확인 할 수 있었다. 총 55점의 시료 중 4점에서 기준치 이상의 총 아플라톡신 함량이 검출되었다, 이는 아플라톡신이 식품안전에 미치는 영향을 고려 할 때 심각하게 작용 할 수 있으며 보다 철저한 관리가 필요함을 의미한다. 그러나 아플라톡신 오염에 대한 체계적인 조사가 이루어지지 않고 있으며, 일부 실시된 경우에도 아플라톡신 분석을 위한 표준 가이드라인을 따르지 않은 경우가 많아 정확한 실태를 반영하지 못하고 있다. 생산된 옥수수의 상당부분을 수출하는 우간다는 수출경쟁력을 높이고 소비자 보호를 위해 정부가 적극적인 의지를 가지고 아플라톡신 오염을 막기 위한 체계적인 교육 및 저감 방안을 마련 할 필요가 있다. 또한 농장에서부터 소매점에 이르기 까지 지속적인 아플라톡신 오염을 관리해야 한다.

 우간다는 전형적인 농업국가로서 비옥한 토지와 많은 인적자원을 바탕으로 아프리카지역의 식량 창고로서 주변 여러 나라에 농산물을 수출하고 있다. 이 중 옥수수는 주요 식품공급원이자 많은 농가의 주요 소득원으로 우간다 경제의 중요한역할을 하고 있다. 생산량과 수출량은 매년 증가하고 있으나, 성장 속도는 느린 편이다. 이는 미경작지의 이용과 비교적 풍부한 인적자원의 영향이 크지만, 비료 등의 농업자원의 부족, 신품종의 보급지연 등의 원인으로 인해 생산성이 많이 낮기때문이다. 또한, 수확기 또는 수확 후 관리의 부실은 각종 병원균의 감염으로 인해 생산된 곡물의 상품성이 저하되어 있어 손실도 많은 편이다.

 경지면적의 확대에 따라 생산량은 늘어났으나, 생산성은 여전히 낮다. 생산성을 높이기 위해서는 균일한 품질의 적절한 스트레스 저항성 품종의 종자가 적절한 가격으로 보급될 필요가 있다. 또한 향상된 관리기술의 도입도 필요하다. 그러나 무엇보다 중요한 것은 국제적 기준에 적합한 식품안전성의 담보가 필요하다. 고온 다습한 환경요인은 아플라톡신 축적과 밀접한 관련이 있다. 해충에 의한 곰팡이 감염이 아플라톡신 함량의 증가와 밀접하게 관련되어 있다. 제대로 된 아플라톡신 생성 억제가 이루어지지 않는 한 국제적으로 경쟁력을 가지기 어렵다(Williams et al., 2006, 2008).

 곰팡이 감염에 따른 아플라톡신의 발생도 이들 요인 중의 하나이다. 본 연구의 결과에서 보듯이 아플라톡신에 의한 식품안전성 문제와 곰팡이 감염에 의한 생산성이 저하되고 있음을 인지하고 있지만 아직 별다른 조치는 없는 실정이다. 옥수수에서 아플라톡신을 포함한 식품독소에 대한 공식적인 조사조차 하지 않는 느슨한 안전관리는 주요 식량으로서 그 파장이 크기 때문으로 보인다. 이 때문인지 아플라톡신에 의한 식중독 사고가 종종 발생하고 있다. 지금과 같이 오염된 작물이 지속적으로 공급될 경우 심각한 식품안전문제 뿐 아니라 향후 국가 경제에 미치는 영향도 클 것으로 보인다. 그러나 이용가능한 넓은 농토에도 불구하고 개척되지 않은 미 경작지가 많고, 비료 등의 농업자원의 부재로 인해 생산성이 매우 낮다. 또한 우수한 종자의 보급률이 저조하고, 식품안전성 미비 등이 생산성 향상을 저해하는 주요 요인이다.

 아플라톡신을 저감하거나 원천적으로 방지하기 위한 기술이 기존에 개발되어 있었다. 직접적으로 아플라톡신을 제거하기 위한 방법과 곰팡이 저항성 품종을 개발하는 방법 그리고 수확 후 처리기술의 개선 등의 방법이 있다. 아플라톡신 저감을 위한 직접적인 방법은 이미 수확된 옥수수에 대해 아플라톡신의 독성을 직접적으로 제거 할 수 있는 방법으로 암모니아 또는 오존을 처리하여 독성을 저감 시킬 수 있으나 식품으로서의 품질을 떨어뜨리는 단점이 있어 지금은 거의 쓰이지 않고 있다(Lee et al., 1981; Martinez et al., 1994). 곰팡이 저항성 품종의 개발은 여러 연구기관에서 곰팡이 병에 대한 저항성 유전자(Chandrashekar et al., 2000) 및 품종의 개발이 이루어져 현재 활발한 연구가 진행되고 있다(Brown et al., 1999). 또한 곰팡이의 감염 및 아플라톡신의 생성이 부적절한 건조 또는 저장조건에서 많이 발생하기 때문에 적절한 수확후 관리기술의 개발을 통해 일정 부분 아플라톡신의 생성을 줄일 수 있다.

 우간다에서는 이런 식품안전을 고려하여 곰팡이 저항성 품종의 개발을 진행하고 있다. 이미 기존에 알려져 있던 곰팡이 저항성 inbred line을 국제옥수수밀연구소(CIMMYT), 미 농무성 농업연구소(USDA-ARS) 등에서 곰팡이 저항성이 확인된 여러 품종을 제공 받았다. 그러나 이런 품종 들이 우간다의 환경에 맞지 않기 때문에 이를 지역 적응 품종과의 교배를 통해 우간다 환경에도 적합하고 곰팡이 저항성도 가지는 우수한 품종을 개발하고 있다. 또한, 우리나라와 한-아프리카 농식품기술협력체(KAFACI) 사업을 통한 공동연구를 진행하고 있으며, 우간다 현지에서 육종 개발된 옥수수 품종들에 대한 곰팡이 저항성 연구 및 아플라톡신 생성 관련 연구를 시행하고 있어, 보다 아플라톡신 생성이 억제되는 옥수수 품종의 개발이 이루어질 것이다. 이를 통해 우간다 및 주변국의 식품안전성 증대 및 농가 소득 증대에 기여 할 것으로 보인다. 또한, 작물의 수확 후 부적절한 저장을 통한 수확 후 관리의 문제도 크기 때문에 이 부분에 대한 고려도 필요하다.

사 사

 본 연구는 농촌진흥청 국립농업과학원(과제번호: PJ0096542013)과 KAFACI 사업의 지원에 의해 수행되었음.