천연색소 Phycocyanin 분말의 안정성은 어떠한가?

피코시아닌 (Phycocyanin)은 미세조류 세포 [1]에서 분리, 정제하여 얻은 광합성 색소 단백질 복합체이다.엽록소 [2]의 2차 색소이다.Phycocyan에서분말은 많은 분야에서 널리 사용되어왔다.식품 [3]에서는 천연색소로, 화장품 산업에서는 첨가제로, 건강 관리 산업 [4]에서는 영양 보충제로 쓰일 수 있다.형광 시약에 대한 민감도가 높기 때문에 면역측정실험에서도 항체 및 수용체의 표지로서 사용될 수 있다 [5].또한, phycobiliproteins은 항종양, 항염증, 항산화, 면역조절 등의 생물학적 활성을 가지며 [6], 제약 산업에서도 항염증제 및 항산화제로 사용될 수 있다.

그러나 phycocyanin의 단백질의 응집상태가 다르기 때문에 분해되기 쉽다.이 특성은 빛, 온도, pH,단백질 농도와 같은 많은 요인들과 관련이 있을 수 있다 [7-8].피코빌리단백질의 열과 빛에 대한 민감성은 색갈이 소실되고 강수가 나타나는 데서 나타난다.게다가 빛의 세기가 증가하고 온도가 증가함에 따라 phycobiliproteins의 활성 또한 감소하거나 심지어 비활성화되어 phycobiliproteins의 적용을 크게 제한한다 [9].일부 연구에 따르면 안정제 첨가, 구조 변형, 고정화 및 마이크로 캡슐화 등을 통해 phycobiliproteins의 분해 속도를 늦출 수 있으며 [10], 이를 통해 phycobiliproteins의 안정성을 향상시킬 수 있다.본 논문은 phycobiliproteins의 구조적 특성, 안정성에 영향을 미치는 인자 및 안정성 향상을 위한 방법들을 고찰하여 phycobiliproteins의 안정성 향상을 위한 이론적 자료를 제공하고 그 적용범위를 넓히는 것을 목적으로 한다.

1의 구조적 특성 (Structural characteristics)Phycocyanin

피코빌리좀 (Phycobilisomes, PBS)은 500-660 nm [11]의 흡수 범위를 가진 광수확 복합체이다.각각의 피코빌리좀은 피코빌리단백질 (phycobiliproteins, PBP) 이라고 불리는 색깔 있는 단백질로 구성되어 있다.이 분자들은 안테나 같은 방식으로 배열되어 있다;흡수된 에너지는 95% 이상의 효율로 광전계 II의 반응중심으로 수송된다.따라서 시아노박테리아는 빨강, 노랑, 초록, 적게는 청색광 [12]도 사용할 수 있다.색깔이 있는 단백질을 함유하고 있 phycocyanin(PC, λ 맥스 = 610-620 nm), phcoerythr에서(PE,  체육, λ 맥스 = 540~570 nm)와 allophycocyan에서(APC, λ 맥스 = 650~655 nm) (Fig. 1 [13]) 입니다.그림 1과 같이 서로 다른 피코빌리 단백질들이 특정한 순서로 조합되어 있어 에너지가 효율적으로 한 방향으로 반응중심에 전달될 수 있다.순서는 phycocyanin, 그 다음 phycobilin, 마지막으로 allophycocyanin으로 최종적으로 반응중심인 광계 I (photosystem 나는,PS I)과 II (photosystem II, PS II) [14]로 전이된다.

피코빌리 단백질은 단백질 분자에 공유적으로 부착된 사슬 입구 테트라피롤 크로포어인 피코빌린으로 구성되어 있다.피코빌린 염색체의 종류와 수에 따라 피코빌리 단백질이 다른 색으로 나타나게 된다 [15].염색체의 구조에 변화가 생기면 phycobiliproteins이 색소와 항산화 활성을 잃게 된다.Phycobiliproteins은 peripheral rod의 끝에 위치하며 allophycocyanin으로 구성된 core cylinder에 인접하고 있다.과의 기본적인 구조는 단 량 체들로 구성 되어 있를 두 상동아 단위, α와 β [11].이 단 량 체 골재들 (α β) 3 trimers 직면하고 있는 C3와 서로 대칭을 형성하는 것, 그리고 모든 두 (α β) 3을 형성 한 (α β) 6 hexamer 트리 플과 대칭 [16]. hexamer는 로드 또는 코어 실린더로 더 조립되고, 비색소 연결 단백질은 트리머, 헥사머, 로드 또는 코어 실린더 중앙의 큰 공극 (pore)에 분리된다.

단백질 구조는 phycobiliproteins의 안정성과 높은 상관관계가 있으며 염색체의 보호를 촉진한다.따라서 단백질의 안정성과 구조에 영향을 미치는 모든 인자는 phycobiliproteins의 분해를 방지하거나 가속화시킬 수 있다.트리머와 단량체에 비해 헥사메릭 구조가 더 안정적이며 [18].피코빌리 단백질 (phycobiliproteins)에 대해 더 높은 보호를 제공한다.phycobiliproteins의 선형형성 (linear conformation) 유지도 분해를 방지하는데 중요하다 [19];단백질이 변성되면 수소 결합 네트워크의 환원으로 인해 피코빌리 단백질 분자가 선형 결합에서 순환 결합으로 재배열되어 [20]색이 퇴색된다.

의 안정성 연구 2Phycocyanin

피코시아닌은 수용성 단백질 색소이다단지다.phycobiliprote에서분해속도는 단백질의 응집상태에 따라 달라지는데, 단백질은 빛, pH,온도 및 기타 요인에 의해 영향을 받는다.

phycobiliproteins의 안정성에 미치는 pH의 영향 2.1

pH는 용액에서 phycobiliproteins의 응집 및 분해에 영향을 미치는 주요 인자로 단량체, 트리머, 헥사머 및 기타 올리고머 등이 있다.pH 가 변하면 phycobiliproteins의 전하와 해리도 변하여 안정성에 영향을 미친다.pH 가 7.0에 가까우면 hexamers 가 우세하게 되는데, 이것은 가장 안정적인 구조이며 phycobiliproteins의 변성을 막는다.그러나 pH 가 높거나 낮으면이 구조는 해리되기 쉽고, [21]안정성이 떨어진다.pH 가 산성 또는 알칼리성을 띠면 phycobiliprote에서chromophore의 conformation이 변하여 색이 변하고 안정성에 영향을 미친다 [15, 22].렌순청 등은 phycobiliprote에서chromophore의 conformation이 안정하게 유지되어 pH 4.0-7.0에서는 밝은 청색을 나타냈으며, pH<4.0이나 pH>7.0에서는 청색이 녹색으로 바뀌어 pH 2.5-3.0에서 침전되었다.

빛이 phycobiliproteins의 안정성에 미치는 영향 2.2

빛은 phycobiliproteins의 구조를 손상시킬 수 있으며, 이는 phycobiliproteins에 부착된 염색체의 형성을 불안정하게하고 phycobiliproteins의 안정성을 감소시킨다.phycobiliproteins의 안정성은 빛의 세기가 감소함에 따라 점차 안정화된다.Wu et알다.[24]받는 phycobiliproteins의 저하 한 다는 것을 발견 한 빛의 강도의 100 μ m − 2 s mol − 1은 그것보다 더 높은 50세 미만 μ m − 2 s mol − 1 입니다.피코빌리단백질이 빛에 장시간 노출되면 염색체를 잃는 경우가 많아 [25]색과 안정성이 떨어진다.Liang Xiao 등 [26]은 1500 Lx의 빛 조건을 선택하여 phycobiliproteins을 방사하였다.광시간과 강도가 증가할수록 phycobiliproteins의 색은 점차 밝아졌으며, 보존율은 감소하여 광강도뿐만 아니라 광시간도 phycobiliproteins의 안정성에 영향을 미칠 것임을 알 수 있었다.

phycobiliproteins의 안정성에 미치는 온도의 영향 2.3

온도가 상승하면 phycobiliprotein-phycocyanin구조의 연장반응을 유도하여 선형적인 형태에서 순환적인 형태로 순응적인 변화를 일으켜 phycobiliproteins의 3차원 구조에 영향을 미칠 수 있다.피코빌리단백질의 열안정성 결정요인으로는 주로 수소결합의 수, 극표면의 분율, 이차구조의 함량, 부피에 대한 표면적의 비율 차이 [27]등이 있다.무나와로 등 [28]은 피코빌리 단백질이 60 °C 에서는 스펙트럼 강도를 유지할 가능성이 있지만 70 °C 이상의 온도에서는 감소하기 시작하는데, 색소 단백질이 가열하는 동안 열적으로 불안정하다는 것을 나타낸다.연구에 따르면 피코시아닌의 구조는 40 °C 이상에서 파괴된다 [29-30].Bcker 등 [31]은 phycocyanin트리머와 헥사머의 중간점 전이온도를 58.4 °C와 60.9 °C로 결정하였다.40 °C 에서는 phycocyanin의 흡광도나 형광 스펙트럼에 변화가 없고, 온도가 50 °C보다 크면, 온도의 증가에 따라 스펙트럼이 변화한다.phycobiliprotein은 고온에 민감할 뿐만 아니라 저온 조건에서는 안정성 또한 높지 않다.CHOI 등 (32)은 phycobiliprotein을 4 °C에서 저장한 결과, phycobiliprotein의 함량이 10.39% 감소하였고, 안정성이 감소하였다.

2.4기타 요인

phycobiliprotein의 안정성에 영향을 미치는 상기 인자 외에도 금속 이온, 첨가제 등도 phycobiliprotein 염색체의 형성에 영향을 미칠 수 있다.금속 이온의 첨가는 phycobiliproteins의 안정성에 영향을 미치는 반면, 유화제를 첨가하거나 기포제를 첨가하면 phycobiliproteins의 주위에 기포를 형성하여 이를 보호함으로써 phycobiliproteins의 안정성을 유지할 수 있다 [22].장연안 등 33)은 phycobiliproteins의 안정성이 Mn2+, Al3+, Zn2+, Cu2+의 농도가 낮은 용액에서 더 우수함을 확인하였다.phycobiliproteins의 안정성은 Na+와 Mg2+의 농도 변화에 큰 영향을 받지 않는 반면, Fe3+의 농도가 높을수록 phycobiliproteins의 안정성에 도움이 되었다.일부 유기시약은 phycobiliproteins의 안정성을 감소시킬 수 있다.자오빙빙 등은 phycobiliproteins에 다른 농도의 첨가제를 첨가하였고 ethanol, sodium benzoate, citric acid 등이 증가함에 따라 안정성이 감소함을 발견하였다.그 중에서도 구연산이 더 큰 효과를 보였다.

의 안정성을 향상시키는 3가지 방법Phycocyanin

3.1 안정제 첨가하기

안정제를 첨가하는 것은 phycobiliproteins의 안정성을 향상시키는 가장 간단한 방법이다.이 방법은 적용이 쉽고 복잡하거나 고가의 장비를 필요로 하지 않지만 안정제가 매우 안전하며 독성 및 무해성이 낮고 첨가제의 양이 많아야 합니다.현재 일반적으로 사용되는 주요 안정제는 설탕, 소르비톨, 벤조산, 아지드 나트륨 및 디티오 트레이톨이다.첸티르 등 [35]은 0.5 mg/mL의 phycobiliprotein 용액에 polyethylene glycol-4000, sucrose, sorbitol을 첨가하였다.phycobiliprotein에 대한 열안정화 효과는 Polyethylene glycol-4000이 가장 우수하였고, 그 다음으로 sorbitol, 그리고 algin 단백질에 대한 보호효과는 안정제의 농도에 따라 증가한다.FAIET한등 (36)은 수크로스와 트레할로스의 다양한 농도의 용액과 물에서 algin 단백질의 변색에 대한 열적 효과 및 등가 열적 효과의 영향을 연구하였다.일정한 온도에서 시간이 지날수록 색의 손실이 커지는 반면 용질의 농도는 증가한다.이는 안정제의 농도가 phycobiliproteins의 안정성과 양의 상관관계가 있으나 장기간 가열할 경우 phycobiliproteins의 안정성이 저하됨을 보여준다.

식품 가공 조건에서 단백질을 첨가함으로써 phycobiliproteins의 안정성을 향상시킬 수 있다.단백질은 phycobiliproteins을 감싸서 안정성을 향상시킬 수 있다 [37].장등 (38)은 유장protein과 phycobiliproteins을 pH 3.0과 80 °C에서 1-20분간 처리한 결과 10% whey protein 용액이 phycobiliprotein의 응집 현상을 방지할 수 있었으며, 천연 whey protein이 변성 가수분해 whey protein보다 더 효과적이었다.

3.2 화학적 개질

화학변형은 이기능성 시약을 이용해 단백질 표면에 두 개의 화학군을 공유결합시켜 피코빌리단백질의 접힌 구조를 강화하고 안정성을 향상시키는 기술이다.포름알데히드 (Formaldehyde), 메틸글리옥살 (methylglyoxal), 프로피오네이트 (propionates) 등을 이용하여 phycobiliproteins을 교차 연결시키고 3차 및 4차 구조를 안정화시켜 안정성을 향상시킬 수 있다 [39-41].또한 확장된 테트라피롤 구조를 보존하기 위해 단백질을 다당류에 공유적으로 연결함으로써 색소의 안정성을 유지할 수 있습니다. SELIG 등 42)은 phycocyanin에 대한 비트 펙틴, 구아검 및 가용성 콩 다당류의 안정화 효과를 평가하였다.그 결과 비트 펙틴은 피코시아닌을 안정시키고 색을 유지하며 효소 (알칼리 프로테아제, 파파인, 브로멜라인 등) 가 단백질을 분해하는 능력을 감소시키는 것으로 나타났다.

캡슐화 기술 3.3

마이크로 캡슐 캡슐화 3.3.1

마이크로 봉지 기술은 고체, 액체 또는 기체 등의 핵심 물질을 사용한 다음, 천연 또는 합성 고분자 물질을 벽체 물질로 사용하여 반투과성 또는 밀봉된 마이크로 입자를 형성하는 것이다 [43].봉지에 사용되는 벽면 재료는 생체적합성, 생분해성, 저독성 및 저비용이어야 합니다.마이크로 봉지 기술은 핵심 물질의 안정성, 용해도 및 생체 가용성을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다.phycocyanin의 미세캡슐은 동결건조, 분무건조, 압출봉지 등의 다양한 방법을 이용하여 제조할 수 있다.이러한 방법을 이용하여 제조된 phycocyanin의 마이크로캡슐은 내열성이 우수하고 항산화 활성이 높다 [44-45].코팅재질에 따라 phycocyanin의 안정성에도 영향을 주는데 maltodextrin과 carrageenan이 가장 좋은 코팅재 [46]이다.Lv 샤오링 등 [47]은 에어 서스펜션 코팅을 이용해 피코시아닌의 마이크로 캡슐을 준비했다.최적조건 (입구공기온도 80 °C, 심벽재비 1:1.5, 분무압력 0.15 MPa, 벽재내 젤라틴 함량 20%)에서 phycocyanin의 안정성은 26.21% 증가된 것으로 측정되었으며,  그리고 저장안정성이 75.1% 증가하였다.SCHMATZD 등 [48]은 폴리비닐알코올을 이용하여 전기 살포 기술로 phycocyanin을 캡슐화하였다.phycocyanin-polyvinyl alcohol 초미립자는 내열온도가 최대 216 °C로 높은 내열성을 가지며 phycocyanin의 항산화 활성을 유지한다.

리포좀 캡슐화 3.3.2

리포좀은 수용액 단계에서 안정한 지질 이중층을 형성하는 경향을 갖는 인지질 분자로부터 형성된다.그들은 내부 층에 캡슐화 된 물질의 안정성과 용액 분산성을 효과적으로 향상시킬 수있을뿐만 아니라 전달 시스템에서 역할을하여 활성 물질의 기능적 역할을 향상시킬 수 있습니다.이들은 질병 치료에서 표적 약물 전달을 위한 약물 전달체로서 큰 잠재력을 가지고 있습니다.

Algin 단백질은 다양한 물질에 내장되어 안정성을 향상시킬 수 있다.정 등 (49)은 키토산을 이용하여 알진 단백질 리포솜을 제조하였다.키토산의 친수성을 이용하여 용액에 균일하게 리포좀을 분산시키고 algin 단백질의 열적 안정성을 향상시켰다.NOGUEIRA 등 (50)은 콩 lectin의 chloroform 용액에 trimethylglycine, 염화마그네슘, phycocyanin을 수화하여 phycocyanin 리포솜을 형성하여 단백질의 안정성과 특이성을 향상시켰을 뿐만 아니라 항산화, 항염증 및 신경보호 활성도 향상시켰다.이가등 (51)은 70 °C에서 디에틸렌글리콜을 이용하여 phycocyanin 리포솜을 제조하였고 그 결과 리포솜이 침전과 부유입자 측면에서 높은 안정성을 가지고 있음을 발견하였다.

3.4기타 방법

phycobiliproteins의 안정성은 고압 등의 방법에 의해서도 향상될 수 있다.높은 압력으로 인해 phycobiliproteins은보다 조밀한 단백질 구조를 형성하고 2차 구조의 변화와 함께 응집된다.장등 52)은 고압 처리가 phycobiliprotein, phycobiliprotein whey protein 및 phycobiliprotein-carrageenan 혼합물의 구조 및 색 안정성에 미치는 영향을 연구하였다.phycocyanin-whey 단백질과 phycocyanin-carrageenan을 고압처리하면 pH 5.0에서 유익한 회합체를 형성하여 이에 따른 phycocyanin 손실을 감소시켰다.이것은 빛 조건에서 phycocyanin의 저장 안정성을 향상시키는 새로운 방법을 제공합니다.

4 애플리케이션

Phycocyanin 분말은 식품, 화장품 및 제약 산업에서 천연 수용성 색소로 널리 사용됩니다.피코시아닌은 식품의 색을 좋게 할 뿐만 아니라 기능성 성분을 증가시킨다.또한 적혈구 군체 형성을 촉진하고 혈액을 보충하며 림프활동을 개선하는 효과가 있다.

4.1 식품에의 응용

피코시아닌 분말은 빛과 열에 불안정하기 때문에 구운 음식에 응용하는 것은 제한적이다.현재, 그 응용은 주로 유제품, 젤리 사탕 및 기타 식품에 집중되어 있다.MG 등 [53]은 요구르트에 phycocyanin을 pH 4.5로 첨가하였다.4 °C에서 phycocyanin의 농도가 증가할수록 요구르트의 점도도 그에 따라 증가하였으며, Streptococcus thermophilus와 Lactobacillus bulgaricus에서 각각 14일째와 21일째에 유의한 감소를 보였다.알기닌은 요구르트의 탈수율을 높이고 요구르트의 식감을 좋게 할 수 있다.DEWI등 [54]은 알기닌 마이크로 캡슐을 이용하여 겔설탕을 제조하였다.코팅재로 Maltodextrin과 sodium alginate를 사용하여 alginin 마이크로캡슐을 제조하였다. 그리고 40 °C의 온도에서 마이크로 캡슐을 0, 1%, 3% 및 5% 첨가하여 겔 설탕에 흔합하였다.미세캡슐을 5% 첨가하였을 경우 밝은 청색을 나타냈으며, 겔당 가공시 미세캡슐의 지속성이 어느 정도 유지되었다.

의료 분야에서의 응용 4.2

알기닌 분말은 생물학적으로 민감하고 생체적합성이 높으며 생체흡수가 잘되고 인체에 대한 독성이 낮다.항산화 제, 신경 보호 제, 췌장 항암제로 사용할 수 있으며 피부 상처 치유를 촉진하기도 합니다.MADHYASTHA등)은 알기닌을 이용하여은 나노입자를 공중합시켜은 나노입자의 독성을 현저히 감소시켰으며, 상처 표면으로 적혈구의 이동을 강화하고, 상처 가장자리에서 세포 스트레스를 감소시켰습니다.MADHYASTHAet알다.[56]고립 된 cyanopeptideβ 2에서 β-chain의 phycocyanin, 할 수 있는 뒤에서 활성 산소 플라 즈 마 철 감소 용량을 강화하고 손상을 억제 하여 DNA산소 종, 그럼으로써 DNA의 온전성을 유지합니다.FERNANDEZ-ROJAS 등 [57]은 수컷 CD-1 생쥐에서 cisplatin (CP)으로 유발된 미토콘드리아 기능 장애에 대한 피코시아닌의 예방 효과를 연구하였다.이 연구는 phy코어리스린은 비정상적인 미토콘드리아 반응을 감소시킬 수 있다.LIAO 등 (58)은 phycocyanin이 in vitro 및 in vivo에서 항췌장암 약물로서 치료 가능성을 연구하였다.이번 연구를 통해 phycocyanin은 세포사멸과 자가세포사멸을 유도하여 항췌장암 활성을 발휘함을 확인함으로써 phycocyanin이 유망한 항췌장암 약물임을 확인하였다.

4.3기타 응용 분야

phy코어린 분말은 높은 형광 양자 수율, 높은 몰 점멸 계수 및 큰 스토크스 이동의 장점을 가지고 있어 현재 사용되고 있는 많은 합성 염료보다 우수합니다.phy강압thrin은 현재 면역글로불린, 단백질 한,항생제 단백질과 결합하여 형광 프로브를 형성한다.정 등 (59)은 정제된 phy코어린 형광 탐촉자를 LED (light emitting diode)-charge coupled device (CCD) 형광밀도막대 정성 검출 시스템과 호환되게 함으로써 비교적 민감한 새로운 형광 검출법을 개발하였다.이 방법은 전통적인 정화 방법의 문제를 해결합니다 LED)-charge coupled device (CCD) 형광밀도 막대 정성 검출 시스템, phycobiliproteins을 검출하는 비교적 민감한 새로운 형광검출법을 개발하였다.이 방법은 전통적인 정화방법이 복잡하고 채취율이 낮고 수량이 부족한 단점을 해결한다.편리한 정량적 정보를 제공할 수 있으며 환경 및 식품 안전 연구에서 신속한 검출에 큰 가능성을 보여줍니다.

5 전망

천연색소로서 phycocyanin 분말은 화장품공업에서 착색제로, 식품에서 첨가제로, 의약에서 항염증제, 항산화제, 항암제, 면역조절제, 형광검출프로브 등으로 사용할수 있다.people&로#39;s의 성질 및 phycocyanin의 기능에 대한 이해가 계속 깊어지고, 그 응용 전망은 점점 더 광범위해지고 있다.그러나 안정성은 그 적용을 제한하는 병목현상이 되었으므로 안정성의 문제를 해결하면 그 적용의 범위와 규모를 크게 제고시킬 수 있을 것이다.현재, pH 조정, 안정제 첨가, 교반제 또는 phycobiliproteins의 봉지 등 다양한 방법으로 phycobiliproteins의 안정성을 향상시킬 수 있지만, phycobiliproteins과 안정제 및 식품기질간의 화학적 상호작용에 대해서는 더 많은 연구가 필요하다.phycobiliproteins의 안정제가 식품의 영양 및 감각적 특성에 영향을 미칠 것인지, 식품 가공 및 생산 조건에서 사용될 수 있을지는 아직 지켜봐야 할 것이다.또한, phycocyanin의 적용 및 촉진 중에 효율적인 추출 및 정제 기술의 문제점을 해결하고, 생물학적 이용성과 생물학적 활성과 효과의 메커니즘을 철저히 탐구해야 한다.phycocyanin에 대한 연구가 지속적으로 심화됨에 따라 phycocyanin의 시장 적용은 더욱 더 넓어질 것으로 생각된다.

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