서양종꿀벌(Apis mellifera L.)의 봉군(colony)은 여왕벌, 일벌 및 수벌로 구성되어 있다. 이 중에서 수벌의 번데기는 본초강목에 심장병, 황달, 복통, 구토, 풍진, 내장출혈 및 대하증 등에 약효가 있다고 소개되어 있으며, 면역력 증강, 노화예방, 신체 허약, 피로회복 및 아동 지력 발육장애 치료에 탁월하다고 알려져 있다. 그러나 국내에서는 수벌번데기가 아직 식품원료로 등록되어 있지 않으며, 관련 학술적 연구결과가 극히 드물다. 따라서 본 연구에서는 양봉산물로서의 가치 평가와 제품다양화를 위한 기초자료 제공을 위해 수벌번데기(16~20일령)의 영양성분 분석 및 이를 이용한 추출물을 제조하고 생리활성을 평가하였다. 수벌번데기(16~20일령) 동결건조분말을 대상으로 일반성분을 분석한 결과, 수분 1.69±0.07%, 조단백 48.52±0.20%, 조지방 23.41±0.14%, 조회분 4.05±0.02%였고, vitamin C 14.92±0.52 mg/100 g, vitamin E 6.06±0.11 mg α-TE/100 g 이었으며, 무기성분은 K과 P의 함량(mg/100 g)이 1349.13±34.57 및 1323.55±43.85로 가장 높게 함유되어 있었고, Ca과 Fe의 함량은 55.43±1.51 및 5.49±0.19가 함유된 것으로 분석되었다. 수벌번데기 동결건조분말 중에 함유된 지방산은 포화지방산(g/100 g total fatty acids)이 약 59.62, 불포화지방산이 약 40.38을 차지하였고, 고급지방산인 palmitic acid (16:0)가 35.49±0.08, 그리고 oleic acid (C18:1, n-9)가 35.91±0.22로 다량 함유되어 있었다. 구성아미노산(g/100 g)은 총 38.99±2.63이 함유된 것으로 분석되었고, 유리아미노산(mg/100 g)은 총 5129.04였으며, 이중 proline이 1257.68, glutamic acid가 759.12로 가장 높았다. 또한 수벌번데기 단백질(Drone Pupa Protein, DPP)의 가수분해를 통해 저분자 단백질을 제조하고, 이를 대상으로 식품으로의 이용 가능성을 제시하고자 하였다. 식품용 단백질 분해 효소인 alcalase (Alc), neutrase (Neu) 및 flavourzyme (Fla)을 이용하여 가수분해를 하지 않은 대조구를 포함하여 Alc, Neu, Fla, Alc+Neu (1:1), Alc+Fla (1:1) 및 Fla+Neu (1:1) 등 총 7개 처리구를 설정하였으며, 0~24시간 동안 경시적으로 가수분해도를 조사한 결과, Fla+Neu (1:1)에 의한 가수분해도가 가장 높았으며, 시간에 따른 가수분해도를 tyrosine 함량(mg/mL)으로 환산한 결과, available amino group 농도는 Fla+Neu에 의해 4.15, Alc+Fla에 의해 3.76, 그리고 Fla에 의해 3.68로 측정되었다. 또한 효소처리별 수벌번데기 단백질 가수분해물의 유리아미노산을 분석한 결과, 근육생성과 관련된 분지 사슬 아미노산인 leucine, isoleucine 및 valine의 함량이 급격히 증가되는 것을 확인하였다. 수벌번데기(16~20일령) 추출물의 DPPH radical-scavenging 활성(μg/mL)은 증류수 추출 시 0.8, 50% EtOH 추출 시 3.2, 70% EtOH 추출 시 6.4, 그리고 EtOH 추출 시 32 농도에서 약 90% 이상이었다. 수벌번데기를 이용한 미용제품 개발을 목적으로 수벌번데기를 50% EtOH로 추출하여 B16F10 (Melanoma)과 Human Dermal Fibroblasts (HDF) 세포를 이용한 in vitro 시험을 통해 주름개선, 미백 및 보습 효과를 평가하였다. 수벌번데기 추출물의 주름개선 효과를 평가하기 위하여 세포 내 collagen type Ⅰ 유전자 및 MMP-1 유전자의 발현량을 측정한 결과, ultraviolet B (UVB) 조사로 감소된 collagen type 1 유전자의 발현량은 수벌번데기 추출물을 배지에 섞어서 처리한 경우 농도의존적으로 증가되었고, collagen 분해효소인 MMP-1 유전자의 발현은 농도의존적으로 감소하였다. 그리고 수벌번데기 추출물의 피부 미백 효과를 평가하기 위하여 melanin 생성을 유도한 B16F10 (Melanoma) 세포의 배지에 수벌번데기 추출물을 처리한 결과 melanin 농도가 감소하였다. 그리고 melanin 색소를 생성하는데 작용하는 tyrosinase의 활성억제 여부를 확인하기 위하여 tyrosinase inhibition 효과(in vitro 실험)를 평가한 결과, L-tyrosine 및 L-DOPA를 기질로 사용하였을 때, tyrosinase 저해활성은 각각 40.7, 62.5, 83.8%와 53.4, 57.7, 61.9%로 수벌번데기 추출물의 첨가 농도에 의존적으로 증가하였다. 따라서 이러한 기능성을 산업적으로 활용하기 위하여 미백효과 및 주름 개선 효과를 가지는 마스크팩을 제조하여 실용화 기반을 마련하였다. 수벌번데기 추출물을 원료로 사용한 샴푸 및 탈모예방 제품의 개발을 위하여 Human Follicle Dermal Paphilla Cell (HFDPC)를 이용하여 남성형 탈모 개선효과를 평가하였으며, 염증성 탈모 개선 효과 평가는 Human Keratinocyte (HaCaT) 세포주를 이용하였다. 그리고 Mouse Fibroblast Cell (NIH3T3)을 이용하여 양모 효능평가를 실시하였다. 수벌번데기 추출물을 HFDPC에 DHT (5α-dihydrotestosterone)와 동시에 처리한 결과, 세포증식효과는 양성대조구인 minoxidil 처리구와 유사하게 세포증식이 개선되었다. 또한 HaCaT 세포에 LPS (lipopolysaccharide)와 수벌번데기 추출물을 동시에 처리한 결과, 모든 처리구에서 세포증식이 우수하였으며, NIH3T3 세포에 TBM (tolbutamide)을 동시 처리시 유사분열이 억제된 세포에 수벌번데기 추출물을 100 μg/mL 농도로 처리하였을 때 세포증식이 촉진됨을 확인하였다. 수벌번데기 추출물의 남성형 탈모억제 관련 유전자 발현량을 분석한 결과, 수벌번데기 추출물 처리시 DHT 처리에 의해 감소되었던 cAMP 유전자가 모든 시험구간에서 증가되어 활성 회복능을 보였고, 세포의 분열 및 분화를 억제시키는 TGF-β1 유전자의 발현은 100 μg/mL 농도에서 특히 낮은 것으로 확인되었으며, IGF-1 유전자의 발현이 회복되는 것을 확인하였다. 그리고 수벌번데기 추출물의 염증성 탈모 억제관련 유전자 발현시험 결과, TNF-α 유전자의 발현이 억제되었고, IL-6 유전자의 발현은 LPS만 처리한 negative 대조구와 비교하여 수벌번데기 추출물의 모든 농도처리구에서 유의적으로 억제되었다(p<0.05 및 p<0.01). 또한 caspase-3 유전자 발현 억제 시험결과, 수벌번데기 추출물의 1000 μg/mL 농도 이하에서 가장 억제 효과가 높았다(p<0.05). 또한, 수벌번데기 추출물의 양모 효능과 관련된 collagen type 1 유전자 발현 및 억제효과 시험 결과, 100 μg/mL 농도로 처리한 경우 가장 효과적인 양모효과가 발현되는 것으로 확인되었다(p<0.01). 결론적으로 수벌번데기를 50% EtOH로 추출한 수벌번데기 추출물은 melanin 합성을 억제하여 피부미백 효과를 보유하고 있으며, 탈모관련 유전자의 발현을 억제하고 양모에 도움이 되는 유전자의 발현을 촉진하여 탈모예방 및 양모효과 등의 기능성을 발현하는 것으로 확인되었다. 이상의 본 연구 결과가 수벌번데기의 식품원료로의 이용 및 미용제품 개발을 통한 양봉농가의 소득향상 및 양봉산업 다양화를 위한 기초자료로 활용되기를 기대한다.

The colony of the western honeybee (Apis mellifera L.) consists of a queen, workers, and drone. Among them, the pupa of the drone was introduced in the medicinal treatments of heart disease, jaundice, abdominal pain, vomiting, rubella, internal bleeding, and hyperlipidemia from the main plant. It was also known to be excellent for immunization, prevention of aging, physical weakness, fatigue recovery, and the treatment of child intellectual developmental disorders. However, in Korea, no food ingredients are registered, and related academic research results are extremely rare. Therefore, this study analyzed the nutritional ingredients of the drone pupa (16th to 20th instar old) to evaluate the value of bee products. We provide basic data for product diversification, and the physiological activities of manufactured extracts using them were evaluated.
The analysis of the general ingredients (%) of the freeze-dried powder of the drone pupa (16th to 20th instar old) showed that the moisture was 1.69 ± 0.07, the crude protein was 48.52 ± 0.20, the crude fat was 23.41 ± 0.14, and the crude ash was 4.05 ± 0.02. Vitamin C (mg/100g) was 14.92±0.52 and vitamin E (mg α-TE/100g) was 6.06 ± 0.11. Mineral elements contained the highest content of K (1,349.13 ± 34.57) and P (1,323.55 ± 43.85), and Ca and Fe was 55.43±1.51 and 5.49±0.19 mg/100g, respectively. The fatty acids of the pupa freeze-dried powder accounted for approximately 59.62% of saturated fatty acids and 40.38% of unsaturated fatty acids. High-quality fatty acids, such as palmitic acid (C16:0) and oleic acid (C18:1, n-9), revealed values of 35.49±0.08 and 35.91 ± 0.22 (g/100g total fatty acids), respectively. The analysis showed that the composition amino acid contained 38.99±2.63 g/100g, and the free amino acid was in total 5,129.04 mg/100 g, of which 1,257.68 mg/100 g was proline and 759.12 mg/100 g glutamic acid. The 1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl (DPPH) radical-scavenging activity of the drone pupa (16th to 20th instar old) extract showed 0.8 for distilled water extraction, 3.2 for 50% EtOH extraction, 6.4 for 70% EtOH extraction, and approximately 90% for 32μg/mL for 100% EtOH extraction.
Furthermore, the hydrolysis of the drone pupa protein had to produce low-molecular proteins and present the possibility of their use as food. Hydrolysis effects were tested by using protein-dissolving enzymes for food, namely alcalase (Alc), neutrase (Neu), and flavourzyme (Fla). We investigated the differences between the hydrolysis effects treating the hydrolysis of the drone pupa protein with a control and Alc, Neu, Fla, Alc+Neu (1:1), Alc+Fla (1:1), and Fla+Neu (1:1) for 24 hours. Consequently, hydrolysis by Fla+Neu (1:1) was the highest, and because of measuring the tyrosine content of hydrolysis over time, available amino group concentrations were measured by Fla+Neu 4.15 mg/mL, Alc+Fla 3.76 mg/mL, and Fla 3.68 mg/mL. Furthermore, the analysis of free amino acids in the hydrolysis of the drone pupa protein by enzyme treatment confirmed that the content of branched-chain amino acid related to muscle generation was increased rapidly.
To develop beauty products using a drone pupa, in vitro tests using B16F10 (melanoma) and human dermal fibroblasts (HDF) cells were evaluated to improve wrinkles, and for whitening and moisturizing effects. To improve the wrinkling effects of drone pupa extracts (DPE), we measured the amount of collagen type I gene and MMP-1 gene expression in the cell. We examined the ultraviolet B (UVB) and reduced collagen type I gene expression in the medium mixed with DPE. Furthermore, treating DPE in a culture medium of B16F10 cells induced melanin production and reduced melanin concentration. DPE had a skin-whitening effect. The effect of inhibiting tyrosinase generation, in which DPE function to increase melanin pigment, was confirmed using an in vitro tyrosinase inhibition test. Consequently, when L-tyrosine and L-DOPA were used as substrates, the inhibitory effect of tyrosinase was increased with higher DPE concentrations at L-tyrosine (40.7, 62.5, and 83.8%), and L-DOPA (53.4, 57.7, and 61.9%). Therefore, to use this functionality industrially, the foundation for commercialization was prepared by manufacturing mask packs with whitening and wrinkle improvement effects.
In vitro male hair loss prevention effects were tested using human follicle dermal papilla cells (HFDPC) and inflammatory hair loss prevention effects using human keratinocyte (HaCaT) cells to develop shampoo and hair loss prevention products using DPE. DPE and DHT (5α-dihydrotestosterone) were mixed and treated with HFDPC. Consequently, when the DPE extracted with 50% EtOH were treated, the proliferation of HFDPC cells was improved by 7.9~15.7%. Furthermore, the processing of lipopolysaccharide (LPS) and DPE in HaCaT cells at the same time resulted in superior cell proliferation in the entire treatment area. The simultaneous treatment of DPE and tolbutamide (TBM) in mouse fibroblast cells (NIH3T3) promoted cell proliferation when treated with DPE 100 μg/mL concentration in cells with mitosis inhibition.
The treatment of DPE in DHT treated cells increased the amount of expression of the cAMP gene, which was reduced cAMP were recovered in all treats. The TGF-β1 gene, inhibiting cell division and differentiation, was then extremely low in expression when DPE extracted at 50% EtOH were treated, but the IGF-1 gene expression recovered. Thus, DPE increase the amount of expression in the gene related to male hair loss inhibitors.
In addition, as a result of the gene expression test related to the inhibition of inflammatory hair loss of the DPE, the expression of the TNF-α gene was suppressed, and the expression of the IL-6 gene was significantly suppressed in the entire treatment zone (p <0.05 and p<0.01). In addition, as a result of the caspase-3 gene expression suppression test, the most inhibitory effect was found at 1000 μg/mL concentration of the drone pupa extract (DPE) (p<0.05). The collagen type 1 gene expression and inhibitory effect test, it was confirmed that expression was promoted when the DPE was treated at a concentration of 100 μg/mL (p<0.01).
In conclusion, DPE extracted from drone pupa at 50% EtOH have a skin-whitening effect by inhibiting melanin synthesis. In addition, it was confirmed that it suppresses the expression of genes related to hair loss and promotes the expression of genes conducive to hair growth, thereby expressing functions such as hair loss prevention and hair growth effects. It should also be available for protein drinks, functional food additives, and patient meals using hydrolyzed drone pupa protein. As such, the results of this study should contribute to improving the income of beekeepers and diversifying the beekeeping industry by developing food and beauty products using drone pupa.