알룰로스 (Allulose)는 무엇으로 만들어졌는가?

비만과 당뇨가 증가함에 따라'건강한 식습관과 저당 생활'이 유행처럼 번져 투데이 ' s 사회이다.2019년 국제당뇨병연맹 (IDF)은 전 세계 20 ∼ 79세 성인 중 9.3% 가 당뇨병을 앓고 있으며, 이는 4억 6300만 명이 당뇨병을 앓고 있다는 보고서를 발표했다.당뇨병 의료비는 세계 보건 지출의 10% (약 7600억 미국 달러) [1~2]를 차지한다.이러한 환자들과 비만자들의 매일 단맛에 대한 갈망에 대응하여 단맛에 있어서는 자당과 유사하면서도 혈당을 상승시키지 않는 감미료 개발이 시급하다.

알룰로오스는 자당과 유사한 단맛, 극도로 낮은 칼로리 함량 및 특수 생리 효과로 인해 이러한 요구를 충족시킬 수 있습니다.최근 몇 년 동안 해외 시장에서의 수요는 증가하고 있다.국내 대학, 연구기관, 효소제제 업체들은 최근 알룰로스에 대한 연구를 빠르게 전개하고 있으며 [3] 관련 논문 발표 수도 해마다 증가하고 있다.

1. D-allulose의 물리화학적 특성과 생리적 기능

d-알룰로스는 d-리보-2-헥술로스로 알려져 있으며, C-3위치에서 d-과당의 이입체 이성질체이며, d-과당에 이입체 이성질체를 첨가하여 제조할 수 있다.원래는 psicofuranine에서 분리되었으므로 D-psicose 라고 명명하였다 [4].2014년 일본에서 열린 국제 희귀당 회의에서 기존의 D-psicose의 명칭을 D-psicose에서 D-allulose로 공식 정정했다 [5~6].

1. 1   d-알룰로스의 물리적, 화학적 특성

d-알룰로스는 대표적인 희귀 헥소스이다다.그것은 백색의 결정 분말이며 포도당과 과당의 이성질체이다.분자량은 180.16 이고 분자식은 C6H12O6이다.그것은 물에 잘 녹는다.상온에서 100g은 알룰로오스 291g을 물에 녹일 수 있다 [7];녹는점은 109℃ 이며, 정상적인 온도와 압력 하에서 안정합니다.융점이 낮기 때문에 분말형 제품을 생산하는 분무 건조에는 적합하지 않습니다.d-알룰로스의 단맛은 자당의 70% 정도이며 [8], 단맛은 부드럽다.같은 양의 알룰로오스를 먹어도 자크로스의 열량은 0.3% 밖에 안 된다 [9].

D-allulose의 생리적 기능 1.2

1. 2. 1 신경 보호 효과

일본 과학자 다카타 등 [10]은 50 mmol/L d-알룰로스가 세포 내 글루타치온 수치를 증가시키고 신경독인 6-히드록시 도파민에 의해 유도된 카테콜라민 PC12세포의 사멸을 억제함으로써 신경을 보호할 수 있다는 것을 발견했다.일일 식단에 d-알룰로스를 첨가하면 파킨슨&의 발생을 효과적으로 줄일 수 있다#39; s 질병이다.

1. 2. 2    혈당 저하 (reducing blood sugar)

관련 연구에 따르면 구강 후d-알룰로스의 섭취하고 glycosidase 포도당이의 활동, α-amylase 장에 D-allulose에 의해 효과적으로 억제 될 수 있다 [11], 그렇게 함 으로써 식사 후 혈당을 크게 낮추는하게 한다.소규모 임상 실험에서 말토덱스트린 75 g과 d-알룰로오스 5 g 이상을 섭취한 건강한 피험자들은 혈장 포도당과 인슐린 농도가 낮았다 [12].

1. 2. 3. 지질 저하 및 체중 감소 효과

Ochiai 등 [13]은 d-알룰로스 먹이가 쥐의 리파아제 활성을 유의적으로 증가시킨다는 것을 보여주었다.Matsuo 등 [14]은 쥐에게 D-allulose를 28일 동안 먹인 후, 간 지방 생성 효소의 활성이 현저히 감소되었으며, 복부 지방 조직은 D-fructose [8]를 먹인 쥐에 비해 현저히 낮다는 것을 실험적으로 확인하였다.연구에 따르면 d-알룰로스는 콜레스테롤 역전사를 촉진하고 [15] 동맥경화증을 예방하는 효과가 있는 고밀도 콜레스테롤을 낮출 수 있음이 확인되었다.또한, d-알룰로스가 활성산소종 (reactive oxygen species, ROS) [16]을 제거하는 강력한 능력이 있다는 것이 수많은 연구에서 밝혀졌다.

d-알룰로스의 2 준비

d-알룰로스는 자연에서 거의 발견되지 않으며, 무화과, 사탕수수 당밀, 밀 및 쥐가시나무 식물에 소량 함유되어 있으므로 식물에서 추출하기에는 적합하지 않습니다.현재 d-알룰로오스를 준비하는 주요 방법은 화학적 합성과 생물학적 효소 전환이다.

2. 1 화학 합성법

d-알룰로스의 비교적 전형적인 화학 합성 방법은 포도당을 원료로, molybdate를 촉매로 사용하고 80~120℃에서 합성하는 것입니다.이 방법의 최대 전환율이 40% 이상에 도달 할 수 있지만 제품의 회분 함량이 너무 높아 식품 요구 사항을 충족할 수 없습니다.게다가, 반응의 전도 해결책은만큼 높 10,000-20,000 μ s/cm [17], 필요로하는 여러 개 electrodialysis고 정화와 담수 화 음이온 교환과 cation 송진, 결과에 오수처리 하중을 증가시 킬 수 있다.팽지지 등 [18]은 글리세롤라이드로부터 알를로스를 화학 합성하는 방법을 개발했다.이 과정에서 톨루엔, 아세토니트릴 등 화학용제를 사용하면 인체에 해로울 뿐만 아니라 번거롭다.그 외에 촉매 수소화, 페리에 재배열 [19] 등의 방법도 낮은 변환 효율과 심각한 환경 오염 등의 문제가 있으며 대규모 산업 생산에는 적합하지 않다.

2. 생물학적 효소 전환 방법 2

D-allulose생물세포분해에 대한 연구는 해외에서는 비교적 일찍 시작되었다.일본 가가와대학 희귀당연구센터의 이즈모리 켄은 수년간의 희귀당 생물전환에 대한 연구를 바탕으로 일련의 희귀당 전환 전략을 제안했는데, 이를'이즈모링'방법 [20] 이라고 한다.Izumoring 희귀당 전환 전략에 따르면, 현재 d-알룰로스의 생산을 달성 할 수있는 생물 전환에는 크게 두 가지 방법이 있습니다.하나는 산화환원효소를 이용하여 알를로-이니톨 (알롤린), 타로-이니톨 및 d-갈락토-이니톨로부터 d-알롤로-케토당을 생성하는 것이다.이 방법에서 기판의 가격이 비싸기 때문에 [21~22] 비용적인 관점에서 상업성이 없다.또 다른 방법은 이성질화효소에 의해 d-과당을 d-알룰로오스로 이성질화하는 방법이다.1993년, 이즈모리 등 [23]은 녹농균 시커리 ST-24에서 헥소스의 C3의 이성질화를 촉매할 수 있는 효소를 발견하였다.최적의 기질이 타가토스이기 때문에 D-tagatose 3-epimerase(DTE 효소, 이하 DTE로 칭함) 라고 명명하였다.

2006년 한국의 Kimh 등 [24]은 Agrobacterium tumefaciens로부터 D-allulose 3-epimerase (D-Psicose 3-epimerase, DPE 효소, 이하 DPE라 함)를 분리하였으며, 이의 최적 기질은 D-allulose이다.DPE는 DTE보다 높은 D-fructose 이성화 활성을 나타낸다 [8].국외 연구에 비해 D-allulose에 대한 국내 연구는 비교적 늦게 시작되었다.2008년이 되어서야 Jiang Bo' 장난 대학교 [25]의 s 팀은 30개의 진흙과 물 샘플에서 SK011 이라는 Rhodobacter sphaeroides의 DTE를 선택했다.shake flask 배양 후 전세포 형질전환을 수행한 결과, 수율은 6.54%에 그쳤다.2010년 이후 중국에서 DPE/DTE에 대한 연구가 급속히 발전하여 5개의 master's와 2021년에만 [26~30] 발표된 박사학위 논문.

그 중 우진 ' s 팀에서 Jiangnan 대학은 지속적으로 최적화 된의 분자 수정 및 발효 문화 조건 DPE 유전자에서 파생 된 클 로스 cellulolyticum H10,과 농도변화 특성의 발효 효소 활동이 증가 할 탱크를 4567 μ/mL [26].현재 미국 국가생명공학정보센터에는 400개 이상의 DPE 효소 유전자가 주석되어 있으며, 20개 이상이 문헌에 명확하게 보고되었다.재조합 효소는 과당 전환율이 약 30%이다.보레이트를 첨가하면 전환율을 높일 수 있으며, 알룰로스 보레이트 복합체 내의 보레이트는 암베라이트 IRA-743과 Dowex 50 수지 [31]를 이용하여 쉽게 제거할 수 있다.

3. 적합한 d-알룰로스 산업용 효소의 개발 방향

최근 d-알룰로스에 대한 중요한 개발이 있었지만 대부분은 유전자 채굴 및 균주 구축에 초점을 맞추고 있으며 [32] 산물의 분리 및 정제에 대한 보고는 상대적으로 적었다.제품의 연구개발과 공업화와의 효과적인 결합에는 아직 일부 부족점이 있다.d-알룰로오스는 주로 식품에 사용되기 때문에 다음은 산업화 요구의 방향을 식품법과 법규의 요구사항과 산업화 과정에서 발견된 문제점과 함께 설명한다.

재조합 박테리아의 발현 균주의 선발 3.1

불안정성, 좁은 기질 스펙트럼 및 낮은 촉매 효율과 같은 천연 효소의 한계로 인해 생산에 직접 적용하기에는 적합하지 않습니다.목표 단백질을 암호화하는 유전자를 분자 수준에서 개정한 다음, 성질이 상당히 개선된 돌연변이를 걸러내야 한다 [26].식품안전과 순응도 및 산업화를 고려할 때, 재조합세균의 선택은 식품급 미생물을 기준으로하고, 비병원성, 파지에 쉽게 감염되지 않으며, 단백질을 효율적으로 분비할 수 있는 능력을 갖추어야 한다.바실러스 서브틸리스 (Bacillus subtilis)는 호기성 그람양성 세균으로 포자를 형성할 수 있으며 내독소를 포함하지 않는 세포벽을 가지고 있다.바실러스속 중 가장 먼저 유전공학 숙주로 이용된 종이다.Bacillus subtilis는 식품의약품안전처로부터 안전성을 인정받은 미생물로서 발효식품 제조에 오랫동안 사용되어 왔다.재조합 바실러스 서브틸리스 (Bacillus subtilis)는 배양이 간단하고 신속하며, 발효 기반과 생산 기술이 우수하다는 장점이 있으며, [33] 산업용 효소에 이상적인 발현 호스트이다.

3. DPE 효소 변형의 방향 2

최근 연구 방향은 어느 정도 산업화 가능성을 고려했지만, 대부분 DPE 효소의 열적 안정성 향상에 초점이 맞춰져 있다.다음은 산업화의 관점에서 산업용 효소에 대한 요구사항을 설명한다.

효소의 최적 pH 3.2.1

효소의 최적 pH는 가급적 약산도이며, 그 범위가 넓을수록 산업화에 도움이 된다.희귀당 전환 전략에 따르면 d-알룰로스의 1단계 효소 생산은 상대적으로 저렴한 과당을 기질로 사용하고 DPE 효소에 의해 촉매되어 알룰로스를 생성한다.그러나 DPE에 의한 과당으로부터 알룰로오스의 생성은 가역반응이며, 반응이 끝난 후에는 효소처리가 필요하다.기질인 과당과 알룰로오스는 고온, 알칼리도 및 단백질의 존재 조건에서 마이야르 반응을 일으킬 가능성이 높으며, 이는 이후 당 정제를 위한 활성탄을 이용한 탈색 비용을 증가시킨다.가장 적합한 pH 값의 산업적 선택은 더 적합한 약산성 DPE입니다.다양한 pH 값이 사료 용액의 투과율 및 흡광도에 미치는 영향을 표 1에 나타내었다.

표 1에서 볼 수 있듯이, 반응의 초기 pH 가 약산성인 경우, 반응 용액의 투과율 및 색 값이 중성의 초기 pH인 용액보다 좋다.

앞서 언급한 문헌에서, DPE 효소는 과당으로부터 알를로스를 제조하는 촉매이다.과당의 용해를 위해서는 pH 값을 안정화시키기 위해 완충된 염 용액으로 유지해야 하는데, 이렇게 되면 용액의 전도도가 증가하게 되어 이후 진행되는 음이온 및 케이션 교환 공정에서 물질이 수지를 통과할 수 있는 횟수가 감소하는 문제가 발생하게 된다.공업적으로 생산하면 채택이 쉽지 않고 탈이온수에 녹이면 충분하다.위안탕궈 등 [3]과 리샤오보 등 [21]은 실험을 통해 이를 확인했다.

3. 2. 2 금속 이온 선택성

대부분의 DPE 효소는 금속 의존성 효소이다.일부는 금속에 의존하지 않더라도 특정 금속 이온이 있으면 반응 속도를 크게 촉진할 수 있다 [21].식품안전성의 관점에서 볼 때 효소의 공업적 조제를 위한 식품첨가물로는 Mg2+, Mn2+와 같은 금속이온을 선택하는 것이 바람직하다 [34 ∼ 35].

효소의 최적온도 3.2.3

연구 결과, 반응 온도가 높을수록 효소의 반감기는 짧아지지만 동시에 반응 속도는 빨라지고 생산 주기는 짧아진다.공업생산의 관점에서 효소의 최적온도는 높을수록 좋은것이 아니다.온도가 높을수록 증기 소비량이 커져 마이야르 반응이 일어날 가능성이 높습니다.둘 사이에서 균형을 찾을 필요가 있으며, 다른 기능성 당의 생산을 고려하여 일반적으로 40~60 °C 사이에서 조절한다.효소의 최적온도가 높을수록 원효소용액의 추출과정 중 효소활성 회수율 향상에 도움이 된다.

3. 3   산업 응용 분야에 적합한 기질 농도

기질 농도가 효소 전환에 미치는 영향을 하기 표 2에 나타내었다.

표 2에서 볼 수 있듯이, 과당 용액의 농도가 낮을수록 (반응 기질의 건조 기준으로) 같은 양의 첨가된 효소와 반응 초기 단계에서 전환이 빨라진다.그러나 농도가 너무 낮으면 단위 시간 당 생성되는 알룰로오스의 양이 너무 많아진다.고농도 탈색 및 고농도 이온 교환의 산업화에 따라 저농도 효소를 후속 농도와 다른 공정으로 전환하면서 작업량이 증가했습니다.따라서 산업 생산에서 약 (400-500) g/L의 농도로도 높은 전환율을 얻을 수 있으며, 물과 에너지 소비를 줄이고 탄소 배출을 줄일 수 있습니다.

3. 효소의 준비와 문제점 4

효소용액의 반응속도는 전세포의 반응속도보다 훨씬 높다.효소를 첨가하는 동일한 조건에서, 과당 용액의 농도가 약 300 g/L 일 때, 조제된 효소 용액의 반응 속도는 전세포의 약 5배가 된다.DPE 효소는 세포 내 효소이며, 효소 용액을 준비하는 과정에는 원심분리, 세척 및 균질화가 포함됩니다.실험실 수준의 낮은 온도에서 원유 또는 순수 효소 용액을 조제할 수 있지만, 산업 생산시 원심분리 및 균질화 과정에서 낮은 온도를 유지하기 어렵다.특히 균질화 과정 중 효소 활성의 손실이 상대적으로 높아 높은 효소 생산 비용이 발생한다.

4 전망

e-알룰로스는 현재 일본, 한국, 캐나다, 멕시코, 싱가포르, 호주 등 13개국에서 규제 승인을 받았다.심지어 2019년 4월 FDA는 d-알룰로스를"설탕 첨가"및"총 설탕"표시에서 제외할 것이라고 발표했는데 [2], 이는 식품에 첨가되는 d-알룰로스의 양이 첨가량에 따라 더 이상 제한되지 않음을 의미한다.하지만 현재 알룰로스의 가격이 비교적 높기 때문에 판매량은 아직 그리 크지 않다.d-알룰로오스에 대한 핵심 DPE 효소 기술의 식품급 숙주 재조합 발현이 점차 성숙됨에 따라 d-알룰로오스의 전환율 또한 지속적으로 향상될 것이다.기업은 산업화 중에 확인된 문제를 지속적으로 개선하고 효소 준비 기업은 완성된 효소를 출시할 것이다.

allulose의 준비 비용은 현저히 감소하고 제품 제품 품질이 더욱 향상될 것입니다.2021년 8월 차이나's 국가 건강 위원회는 d-알룰로스를 새로운 식품 성분으로 신청했다.현재 독성학적 실험이 진행 중이며, 알룰로스를 감미료로 사용하는 것은 2023년 하반기 또는 2024년 승인될 것으로 예상된다.d-알룰로오스는 장을 통과한 후 거의 대사되지 않기 때문에 에너지를 공급하지 않으며 식후 혈당을 효과적으로 감소시키고 체중을 조절하며 지방 축적을 감소시키는 등 독특한 생리적 효과를 가지고 있어 응용 분야는 점점 더 넓어질 것이다.향후 몇 년 국내외 d-알룰로스의 시장 공간과 능력은 계속 확대될 것이며 시장 전망은 양호하다.

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