알룰로오스 파우더 (Allulose Powder) 란?

지난 몇 년 동안 비만, 당뇨, 고혈압, 고지혈증 등 체중 증가와 관련된 질병의 발병률이 세계적으로 급격히 증가하였는데, 이는 주로 고지방, 고당분 식품의 과다 섭취에 기인한다.이러한 상황에서 맛이 좋은 천연 저칼로리 설탕 대용품의 개발이 큰 화제가 되고 있다.d-알룰로스는 새로운 형태의 저칼로리 기능성 희귀당으로, 프럭토스에서 전환되어 자크로스와 맛과 부피 특성이 비슷하다.그것은 응용 전망이 넓다.이 리뷰는 최근 몇 년 동안 발견 된 알룰로오스의 생화학적 특성, 합성 방법 및 응용 분야를 요약합니다.

1. d-알룰로스의 물리화학적 성질

d-알룰로스는 C-3위치에서 d-프럭토스의 이입체 이성질체이다.국제 순수 및 응용 화학 연맹 (IUPAC)은 이를 D-ribo-2-hexulose 라고 체계적으로 명명한다.D-Allulose는 psicomycin C (psico furanine) 라고도 알려진 항생제 allopurinol에서 처음 분리되었습니다.2014년 일본에서 열린 국제 희귀설탕 회의에서 기존의 d-알룰로스의 명칭을 d-프시코스에서 d-알룰로스로 공식 정정했다 [2].

D-Allulose은 특정 냄새 없이 가루 크리스탈 흰색으로, 그리고 그것은 에서만 crystallizes 1C (1C4 (D))의 검증 β-D-pyranose [3]이다.분자식은 C6H12O6, 몰 질량은 180.165 g/mol, CAS 번호는 551-68-8이다.d-알룰로스는 마이야르 반응을 겪을 수 있는 환원형 헥소스이다.또한 녹는점 (109°C), 끓는점 (551.7± 50.0°C)이 높고 흡습성이 없으며 물에 잘 녹는다.또한 단맛이 높고 (자당 단맛의 70%) [4] 에너지 값이 낮다 (0.4 kcal/g) [5].

2. D-allulose의 합성 및 생산 연구 진행

d-알룰로오스 (d-알룰로오스)는 희귀종이다헥소스급에 속하는 r.자연에서는 극히 드물며, 소수의 식물 (밀, 대황)과 특정 박테리아에서만 발견되었다.동물에게서는 발견되지 않는다 [6].주로 화학합성 및 생물변환에 의해 합성된다.

2.1 화학적 합성

d-알룰로스의 원래 화학 합성법에는 고리닫힘 합성법 [7], 선택적 알돌응축 합성법 [8] 등이 있었다.이후 개발에는 촉매 수소화, 첨가 반응, 페리에 재배열 등이 있다 [9].팽지은 등 [10]은 먼저 당산 락톤과 디요오도메탄을 반응시켜 1-디옥시오도-d-에리스로-펜티톨을 얻은 후 알칼리 조건에서 가수분해 반응을 수행하여 케토스 중간체를 얻었다.히드록시기를 선택적으로 보호하고 탈보호 한 후 d-알룰로오스를 합성하였다.Wang Chengfu et 알다.(11)은 포도당을 원료로, 몰리브데이트 (molybdate)를 촉매로 사용하고, 80-120°C에서 2-5시간 반응시켜 d-알룰로스 생성물을 제조하여 98.5%-99.5%의 함량을 나타내었다.Zhu 지소 연 [12] 합성 원료 로서 D-fructose 및 설계 사용의 β-D-allopyranose 파생상품 같은 과정을 통해 설탕의 보호 및 수산 그룹의 deprotecti에화합물 isopropylidene과 benzyl 그룹이다.이 화학적 방법을 사용하여 제조된 d-알룰로오스의 수율은 최적 조건에서 9.8%에 불과하다.

d-알룰로오스는 화학합성에 의해 제조될 수 있지만, 경제성이 떨어지고, 심각한 환경오염, 화학폐기물의 손쉬운 생산, 무가치한 부산물의 발생 등의 문제점을 가지고 있다.따라서 d-알룰로스의 화학 합성은 산업화되지 않았습니다.

2.2 생물 전환법

화학 합성과 비교하여 d-알룰로오스를 합성하기위한 생물 변환 방법은 강한 반응 특이성과 단일 생성물을뿐만 아니라 분리 및 정제 방법이 간단하고 환경 오염을 덜 유발합니다.생물 변환 방법은 산업 비용을 줄이는 데 도움이될뿐만 아니라 환경 친화적인 생산의 원칙에도 부합합니다.국내외에서 D-allulose의 산업 생산을위한 주요 방법입니다.

2.2.1 균주와 효소

d-알룰로오스의 생물학적 전환을 위해 가장 일반적으로 사용되는 세균은 Bacillus subtilis와 Corynebacterium glutamicum 이며, 둘다 승인된 식품 등급 숙주이다.이 박테리아는 내독소를 생성하지 않으며, 비병원성이며 식품에도 안전합니다.그들은 또한 간단한 배양 조건, 짧은 성장 주기 및 효율적인 표적 분비의 장점을 가지고 있으며 식품 효소 발현에 훌륭한 숙주입니다.

d-알룰로오스의 생물학적 생산을 위한 중요한 생체 촉매는 ketose 3-epimerase 이며, d-과당을 기질로 사용하여 C-3위치에서 가역적인 에피머화 반응을 촉매하여 생성물인 d-알룰로오스를 합성할 수 있다.현재 다양한 미생물에서 17개의 ketose 3-epimerases 가 확인되었으며, 그 중 3개는 D-tagatose 3-epimerases (DTE) 이고, 나머지는 Agrobacterium tumefaciens, Clostridium cellulolyticum H 10), Clostridium sp., Ruminococcus sp., Favonifractor plautii 등에서 확인되었다 [13].2018년에 2018년 Yang JG등 [14]도 Arthrobacter globiformis (세네갈)에서 DPE를 확인하였고 Bacillus glutamicum의 식품급 발현체계에 발현하였다.

현재 생물학적 방법으로 d-알룰로오스의 산업적 생산에 사용되는 효소는 대부분 d-알룰로오스 3-epimerase로 2006년 한국 서울대학교의 오덕근 연구팀에 의해 처음 발견되었다.아그로박테리움 (Agrobacterium tumefaciens ATCC 33970)에서 추출되었으며 학명은 DPE [15]이다.이후, 연구팀은 기질로 과당을 이용하여 E. coli를 이용하여 DPE를 발현시켰으며, 32.9%의 전환율을 달성하였다.그러나이 효소의 반감기가 짧다는 것도 밝혀졌다.2011년 연구팀은 오류가 발생하기 쉬운 PCR 기술을 이용해 반감기를 29.9배 증가시킨 DPE (I33L-S213C)의 이중 돌연변이 균주를 만들었다 [16].

국내외 연구 진행 상황 2.2.2

한국의 CJ 제일제당, 일본의 마쓰타니 화학공업, 테이트&영국의 Lyle PLC는 D-allulose의 3대 대표적인 외국 제조업체이다.세 가지 모두 과당을 기질로 사용하고 재조합 균주를 이용하여 d-알룰로스 3-에피머화 효소를 발현하여 산업적으로 d-알룰로스를 생산한다.d-알룰로오스의 가장 높은 생산율이 보고된 것은 345 g/(L·h) 이며, 이는 Park 등 [17]이 D-fructose를 기질로 사용하여 형질을 전환하기 위한 재조합 돌연변이 대장균 균주에서 DPE를 이질적으로 발현시킨 결과로 33% (w/w)의 전환율을 보였다.그 후, 많은 학자들이 d-알룰로스의 전환율 향상에 대한 심도 있는 연구를 수행하였다.2008년 한국 세종대학교 [18]의 Kim 등은 붕산염이 dia입체 이성화 반응 평형이 d-알룰로스로 점진적으로 이동하도록 촉진할 수 있으며, d-과당에 대한 붕산염의 몰비가 0.6에 도달할 때 최대 전환율이 이루어진다는 것을 발견하였다.2015년 7월, 대한민국 's CJ 제일제당 주식회사는 과당으로부터 d-알룰로스 생성을 촉매하는데 사용될 수 있는 매우 효율적인 d-알룰로스 3-에피머화 효소를 총 전환율이 85%까지 확보하는데 성공했다.

외국에 비해 중국의 D-allulose에 대한 연구는 상대적으로 낙후되어 있다.처음에 장난 대학은 검사를 통해 DTE를 합성할 수 있는 로도코커스 같은 세균을 얻었다.이 효소는 d-과당으로부터 d-알룰로오스의 합성을 촉매하며, 전환율은 최대 6.54% [19]이다.지아민 등 (20)은 C. bolteae DPE를 B. subtilis WB800 competent cell로 전이시켜 식품급 숙주인 Bacillus subtilis에서 DPE의 첫 발현에 성공하고 D-allulose에 대한 발현체계를 넓혔다.이어서 천진공업생명공학연구원은 Clostridium 종으로부터 DPE를 추출하여 Bacillus subtilis에 발현시켜 반응온도 50°C, 기질농도 500 g/L에서 24.83%의 전환율로 D-allulose를 합성하였다 [21].2019년 산시바이오농업연구소는 재조합 내독소 없는 대장균에 DTE-modified functional polyhydroxyalkanoic acid (PHA) 나노바이드를 제조해 활성 DTE의 발현, 정제, 고정화를 한 단계로 효과적으로 결합했다.pH 7.0과 65 °C의 조건에서 고정화 DTE는 649.3 U/g의 효소 활성을 보였으며, 3시간 만에 전환율은 최대 33%까지 도달할 수 있었으며, 또한 안정성이 매우 높아 [13] 비용 효율성이 향상되었다.

3. D-allulose의 기능 및 응용 분야

3.1. d-알룰로스의 기능

3.1.1. 저 칼로리

d-알룰로스는 자당의 칼로리 값의 10% 밖에 되지 않는 높은 단맛을 가진 새로운 기능성 인자입니다.그것은 혈당을 상승시키지 않으며 좋은 기능성 감미료입니다.

3.1.2. 낮은 대사율

인체의 알룰로오스의 신진대사는 기타 희귀당류와 현저한 차이가 있다.Iida 등 [22]은 8명의 피험자가 알룰로오스를 3시간 동안 섭취한 후, 탄수화물 에너지 소비량이 증가하지 않았고, 배뇨율이 70%에 달했다고 밝혔다.이는 d-알룰로오스가 소장에서 체내에 흡수된 후 대사되어 에너지를 생산할 수 없음을 나타낸다.동시에 흡수되지 않은 부분은 대장으로 들어가 장균에 의해 거의 발효되지 않는다.이런 차이가 나는 원인은 여러가지 희귀당의 배합과 형질이 다르기때문에 효소촉매반응속도가 다르기때문이다.

신경 보호 효과 3.1.3

산화 스트레스는 신경 퇴행성 질환 발생의 주요 요인이다.무라타 등 [23]은 d-알룰로오스가 호중구를 자극하여 생성되는 ROS에 강한 억제 효과가 있음을 발견하였다.Takata 등 [24]은 D-allulose 가 6-hydroxydopamine (6-OHDA)으로 유도된 PC12세포 사멸에 현저한 보호 효과가 있음을 in vitro에서 보여주었다.세포 내 감소된 글루타치온의 농도를 상향 조절할 수 있어 신경 퇴행성 질환을 치료할 수 있다.D-allulose는 활성산소를 청소하고 체내에서 활성산소의 합성을 억제하는 기능을 가지고 있으며, 체내에서 신경보호제와 유사한 역할을 한다는 것을 알 수 있다.

3.1.4 저혈 당

마츠오 등 [25]은 동물실험을 통해 d-알룰로스 보충군 쥐의 혈장 포도당 수치가 과당 보충군 쥐보다 낮다는 것을 발견하였다.8주간의 영양 공급 후 d-알룰로스 보충군의 체중 증가는 과당 보충군보다 유의적으로 낮았으며, d-알룰로스를 보충하면 혈장 포도당 수치를 낮추고 체지방 축적을 줄일 수 있음을 알 수 있었다.하야시 등 (Hayashi et 알다.[26])은 임상 실험에서 d-알룰로오스의 첨가는 식후 혈당 수치를 감소시켰을 뿐만 아니라 인슐린 민감성과 내당능을 향상시킨다는 것을 발견했다.

지질 저하 효과 3.1.5

d-알룰로오스가 체지방 축적에 억제 효과가 있다는 것이 수많은 연구에서 밝혀졌습니다.오치아이 등 (Ochiai et 27)은 고당분 식이를 섭취한 쥐에 d-알룰로스의 지질 저하 효과를 연구한 결과 d-알룰로스를 섭취한 후 쥐의 리파아제의 활성은 유의적으로 증가한 반면 혈중 포도당, 렙틴, 아디포넥틴 농도는 유의적으로 감소하였다.Matsuo 등 [28일 동안 D-allulose를 공급한 군은 fructose-fed 군보다 복부지방 조직이 유의하게 적었다.또한 간 지방 생성 효소의 활성이 유의적으로 감소되는 것을 확인하였는데, d-알룰로오스를 보충하여 섭취하면 간 지방 생성 효소의 활성을 억제할 수 있으며 지질 저하 효과가 있음을 알 수 있었다.

3.2 응용 분야 (Application fields)

미국 식품의약국 (FDA)은 2011년 d-알룰로스를 일반적으로 안전하다고 인정되는 GRAS (generally recognized as safe)로 공식 승인했다.2020년 10월 FDA는 산업 지침을 발표했다:Allulose와Allulose영양과 보충제 라벨의 칼로리, 이것은 제조업자들이 알룰로스를"총 당"과"추가된 당"에서 제외할 것을 권고하고 또한 알룰로스의 칼로리를 0.4 kcal/g으로 명시한다.그 이후로 d-알룰로스는 높은 단맛, 용해도, 매우 낮은 칼로리 함량 및 낮은 혈당 반응으로 인해 이상적인 자당 대용품으로 간주되어왔다.그것은 식품, 의약품 준비 및 건강 보조제에 널리 사용됩니다.

3.2.1 음식

(1) 별초성 식품에 사용한다

d-알룰로스는 젤리 음식에서 겔링제로 사용할 수 있습니다.포뮬러에 d-알룰로오스를 첨가하면 젤리의 수분 활성도와 수분 함량이 현저히 감소해 젤리의 형성을 돕는다.d-알룰로스는 자크로스와 비교하여 젤 네트워크에 더 많은 물을 보유할 수 있어 젤리가 저장 중에 탈수되기 쉽고 구조적 특성을 크게 향상시킨다 [29].쌀가루와 같은 채식 편의 식품에서 d-알룰로오스는 가열 중 쌀가루의 결정 구조의 용융을 촉진하고 저장 중 재결정을 억제하며 쌀가루 페이스트를 촉진하고 쌀가루 노화를 지연시키는 효과가 있으며 [30] 저장 시간을 연장할 수 있다.d-알룰로스는 적절한 단맛, 부드러운 질감, 이상적인 식감 및 좋은 선반 안정성을 갖춘 식품을 제공 할 수 있습니다.

(2) 단백질 식품에 응용

Sun 등 [31]은 크렘 브륄레 재료에 자크로스를 대체해 새로운 기능성 디저트를 개발하기 위해 칼로리가 없는 희귀한 헥소스 (hexose)인 d-알룰로오스 (D-allulose)를 첨가했다.D-allulose 가 첨가된 크렘 브륄레는 항산화 활성이 높아 산화적 스트레스를 효과적으로 예방하는 기능성 디저트로 활용될 수 있음을 알 수 있었다.d-알룰로스는 또한 쿠키 및 기타 통기된 식품 등의 통기된 식품에 식품 첨가물로 첨가될 수 있습니다.연구에 따르면 달걀 흰자 단백질의 거품 특성을 개선하고 버터 쿠키의 품질을 향상시킬 수 있다고 한다 [32].

3.2.2의료분야

반응성 산소종은 노화, 암, 심혈관 질환, 당뇨병 등 다양한 질병을 유발할 수 있다는 것은 잘 알려져 있다.연구에 따르면 D-allulose를 식품에 첨가하면 식품의 겔화 거동이 개선될뿐만 아니라 좋은 맛과 높은 항산화 물질, 즉 Maillard 반응 생성물 (MRPs)이 생성됩니다.MRPs는 일반적으로 강한 자유 라디칼 소거 활성과 환원력을 나타내며, 특별한 영양을 필요로 하는 사람들을 위한 제형 식품에서 화학적, 생물학적 특성이 우수한 기능성 성분으로 사용될 수 있다.

4 요약

d-알룰로스는 중요한 희귀 설탕으로서 가지고 있습니다

해외에서는 이미 충분히 활용되었다.많은 동물 및 인체 실험 결과 d-알룰로스는 장을 통과한 후 대사되지 않고 에너지를 공급하지 않으며 식후 혈당을 효과적으로 낮추고 체중을 조절하며 지방 축적을 줄일 수 있는 것으로 나타났다.이는 d-알룰로스가 우수한 기능성 감미료로서 향후 광범위한 응용 가능성을 가지고 있음을 증명합니다.

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