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-Allulose is a white powdery crystal with no particular smell, and it crystallizes only in 이1C (1C4(D)) conformati에of β-D-pyranose [3]. Its molecular formula is C6H12O6, its molar mass is 180.165 g/mol, and its CAS number is 551-68-8. D-Allulose is a reducing hexose that can undergo the Maillard reaction. It also has a high melting point (109°C), boiling point (551.7± 50.0°C), is not hygroscopic, and is highly soluble in water. It also has a high sweetness (70% of sucrose sweetness) [4] and a low energy value (0.4 kcal/g) [5].

2. D-allulose의 합성 및 생산 연구 진행

d-알룰로스는 헥소스 계열에 속하는 희귀한 설탕이다.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

The original chemical synthesis method for D-allulose included a ring-closing synthesis method [7], a selective aldol condensation synthesis method [8], etc. Subsequent developments include catalytic hydrogenation, 또한reaction, Ferrier rearrangement, etc. [9]. Fang Zhijie et 알다.[10] first used the reaction of a sugar acid lactone with diiodomethane to obtain 1-deoxyiodo-D-erythro-pentitol, and then carried out a hydrolysis reaction under alkaline conditions to obtain a ketose intermediate. After selective protection and deprotection of the hydroxyl group, D-allulose was synthesized. Wang Chengfu et 알다.[11] used glucose as a raw material, molybdate as a catalyst, and reacted at 80-120°C for 2-5 hours to catalyze the production of D-allulose products with a content of 98.5%-99.5%. Zhu Ji [12] used D-fructose as a raw material and designed a synthesis of β-D-allopyranose derivatives through processes such as the protection and deprotection of the hydroxyl group of sugar compounds with isopropylidene and benzyl groups. The yield of D-allulose prepared using this chemical method is only 9.8% under optimal conditions.

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-allulose is a new functional factor with a high sweetness that has only 10% of the calorie value of sucrose. It does not cause blood glucose to rise and is a good functional sweetener.

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

Matsuo et 알다.[25] found in an animal experiment that the plasma glucose level of rats in the D-allulose supplement group was lower than that in the fructose supplement group. After 8 weeks of feeding, the weight gain in the D-allulose supplement group was significantly lower than that in the fructose supplement group, indicating that supplementing with D-allulose can lower plasma glucose levels and reduce the accumulation of body fat. Hayashi et al. [26] found in a clinical trial that the addition of D-allulose not only reduced postprandial blood glucose levels, but also improved insulin sensitivity and glucose tolerance.

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)

The U.S. Food and Drug Administration (FDA) officially approved D-allulose as generally recognized as safe (GRAS) in 2011. In October 2020, the FDA issued the Industry Guidance: Allulose and Allulose Calories on Nutrition and Supplement Labels, which recommends that manufacturers exclude allulose 에서“total sugars “ and “added sugar“ and also specifies the calorie content of allulose as 0.4 kcal/g. Since then, D-allulose has been considered an ideal sucrose substitute due to its high sweetness, solubility, very low calorie content and low glycemic response. It is widely used in food, pharmaceutical preparations and dietary supplements.

3.2.1 음식

(1) 별초성 식품에 사용한다

D-Allulose can be used as a gelling agent in jelly food. Adding D-allulose to the formula significantly reduces the water activity and moisture content of the jelly, which helps the gel to form. Compared with sucrose, D-allulose can retain more water in the gel network, making the jelly less prone to dehydration during storage and greatly improving its structural properties [29]. In vegetarian convenience foods such as rice flour, D-allulose promotes the melting of the crystalline structure of the rice flour during heating, inhibits recrystallization during storage, has the effect of promoting rice flour pasting and delaying rice flour aging, and can extend the storage time [30]. D-allulose can provide foods with appropriate sweetness, a smooth texture, an ideal mouthfeel and good shelf stability.

(2) 단백질 식품에 응용

Sun et al. [31] added D-allulose, a rare hexose with no calories, to the ingredients of crème brûlée as a substitute for sucrose to develop a new functional dessert. It was found that crème brûlée with D-allulose added had high antioxidant activity and could be used as a functional dessert that effectively prevents oxidative stress. D-allulose can also be added as a food additive to aerated foods such as cookies and other aerated foods. Research has shown that it can improve the foaming properties of egg white protein and improve the quality of butter cookies [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-Allulose, as an important rare sugar, has already been fully utilized abroad. A large number of animal and human tests have shown that D-allulose is almost not metabolized after passing through the intestines, provides no energy, and can effectively lower postprandial blood glucose, control body weight, and reduce fat accumulation. This proves that D-allulose has broad application prospects in the future as an excellent functional sweetener.

참조:

[1]Eble T E,Hoeksema H,Boyack G A, 외 Psicofuranine.I. 발견, 격리, 그리고 특성 [J.항생제 &화학 요법:Northfield,Ill,1959,9(7):419-420.

[2] 원 총리는 Yuwei다.D-Allulose 3-epimerase 이형발현 및 발효 최적화 [D].우시:장난대학교, 2016.

[3] Fukada K,Ishii T,Tanaka K 등 희귀 단당류의 결정구조, 용해도 및 mutarotation D-psicose [J]입니다.Bulletin of the Chemical Society of Japan, 2010,83(10):1193-1197.

[4] 빙클리 WW.molassess formation 동안 수수 주스 단순당의 운명.IV. D-fructose의 D-psicose[J] 로의 가능성 전환.국제 설탕 저널,1963,65:105-106.

[5]Iida T,Hayashi N,Yamada T 등 d-psicose의 실패 소장에서 흡수되어 에너지와 그 에너지로 대사됩니다 인간에서 낮은 큰 장 발효성 [J].신진대사,

2010년, 59 (2):206-214.

[6]Miller B S,Swain T. 크로마토그래피 분석 (Chromatographic analyses of free amino-acid,organic acid and sugar in wheat plant extracts)한국식농학회지 1960,11(6):344-348.

[7]Andreana P R,McLellan J S,Chen Y C, 외 2,6-디데옥시당을 고리 닫힘 올레피닉 환형 (J)을 통해 합성.유기편지,2002,4(22):3875-3878.

[8] 노스럽 A B, 맥밀런 D W C.의 2단계 합성 선택적 알돌 반응에 의한 탄수화물 [J.과학,2004, 305(5691):1752-1755.

[9]Doner L W. Isomerization of d-fructose by base:Liquid-chromatographic evaluation and the isolation of d-psicose [J].탄수화물 연구,1979,70(2):209-216.

[10] 팽지, 리송, 청지 외.당산 락톤으로부터 시작되는 희귀 헥손당과 헵톤당을 합성하는 방법:CN101817851A[P].2010-09-01다.

[11] 왕충후, 방춘래, 두루이펑 등.알롤로케토당 제조 방법 및 이의 적용:CN104447888A[P].2015-03-25다.

[12] 주지.alloketo 당 및 유도체의 합성 및 연구 [D].대련:대련이공대학교, 2015.

[1 3] 란 것이다 G  선 탠 Q, D, 자 오 J  P, et al.  기능성 i은 희귀당인 d-알룰로오스 (J)의 비용 효율적인 생산을 위한 안정적인 생체 촉매로서 폴리히드록시 알카노에이트 나노비드를 zed.바이오원천기술,2019,289:121673.

[14] Yang J G,Tian C Y,Zhang T, 외, Corynebacterium glutamicum에서 tandem isoenzyme 유전자를 이용한 d-allulose 3-epimerase 제조를 위한 식품급 발현 시스템 개발 및 사탕수수 당밀의 전환에의 응용

d-알룰로스 [J]에게.『 생명공학과 생명공학 』,2019, 116(4):745-756.

[15]Kim H J,Yeom S J,Kim K,et al.의 변이 분석 의 d-psicose 3-epimerase의 활성 부위 잔류 Agrobacterium tumefaciens) [J.생명공학편지,2010, 32(2):261-268.

[16] Choi J G,Ju Y H,Yeom 의 S J,et al. 개선 the  thermostability D-psi co se의 3-epim 소거 from  Agrobacterium tumefaciens에 의해 무작위 및 site-directed mutagenesis다 [J다]2011,77(20):7316-7320 응용 및 환경미생물학.

[17] 박 C S, 박 C S, 신 K C, 외 생산을 알다. 전체 재조합 세포에 의한 d-fructose 로부터 d-psicose 3-epimerase의 높은 발현을 Agrobacterium tumefaciens [J].한국생물공학회 학술발표논문집 2016년,121(2):186-190.

[18]Kim N H,Kim H J,Kang D I,et al.은에 의한 효소촉매 에피메라화를 위한 d-fructose의 d-psicose 로의 전환 전환 addition  붕산 염의 [J]다.적용 및 환경미생물학,2008,74(10):3008-3013.

[19] 장롱타오, 무완맹, 장보 등.클로스트리디아를 D-allulose [J] 로의 생물형질전환을 위한 스크리닝.식품발효산업, 2008, 34(9):40-43.

[20] Jia Min. Clostridium bolteae [D] 로부터 D-allulose 3-epimerase의 단백질 공학 및 식품 grade 발현.우시:장난 대학교.

[21] 바이웨이.d-과당을 원료로 사용하여 d-알를로스의 생산 및 새로운 이성질체 효소 [J].중국생명공학학회지 2012, 28(4):457-465.

[22]Iida T,Hayashi N,Yamada T 등 d-psicose의 실패 소장에서 흡수되어 에너지와 그 에너지로 대사됩니다 인간에서 낮은 큰 장 발효성 [J].신진대사, 2010,59(2):206-214.

[23] 무라타 A, 세키야 K, 와타나베 Y 등 신종 억제제 d-allose 가 반응성 산소종의 생성에 미치는 영향 neutrophils [J]에서.한국생물공학회 학술발표논문집 2003,96(1):89-91.

[24]Takata M K,Yamaguchi F,Nakanose K 등 rat pheochromocytoma (PC12) 세포에서 6-hydroxydopamine으로 유도된 세포사멸에 대한 D-Psicose의 신경 보호 효과 [J]다.한국생명공학회지,2005,100(5):511-516.

[25]Matsuo T,Izumori K. 식이성 D-psicose 가 주행성에 미치는 영향 쥐의 혈장 포도당과 인슐린 농도의 변화 [J]다.「 생명공학,Biotechnology,and Biochemistry 」,2006, 70(9):2081-2085.

[26] 하야시 N, 이이다 T,야마다 T, et al.  연구 on  d-psicosein 경계성 당뇨병의 식후 혈당 억제 효과와 정상인 피험자에 의한 장기 섭취의 안전성 [J.「 생명공학,Biotechnology,and Biochemistry 」,2010,74(3):510-519.

[27]Ochiai M,Onishi K,Yamada T,et al. D-Psicose는 고자당 식이를 섭취한 쥐에서 에너지 지출을 증가시키고 체지방 축적을 감소시킨다 [J].한국식품영양과학회지 2014,65(2):245-250.

[28] 가 쓴 T, 바바 Y, Hashiguchi M, et al.  식이성 D-fructose의 C-3에피머인 D-psicose는 쥐에서 간 지방 생성 효소의 활성을 억제한다 [J].Asia Pacific Journal of Clinical Nutrition,2001,10(3):233-237.

[29]Ilhan E,Pocan P,Ogawa M,et al.의 전분 기반 합성 겔 매트릭스에서'd-allulose'의 역할 (J.탄수화물    고분자,2020,228:115373.

[30]Ikeda S,Furuta C,Fujita Y, 외, D-psicose 가 쌀가루의 gelatinization 및 retrogradation에 미치는 영향 (J.전분-starke,2014,66(9-10):773-779.

[31] 태양이 X, 하야카와 S,Ogawa M, 등의 항산화 rare hexose, d-psicose [J]를 함유한 커스터드 푸딩 디저트의 특성 (properties of custard pudding dessert containing rare hexose, d-psicose [J])식품관리학,2007,18(3):220-227.

[32] Sun Y X,Hayakawa S,Ogawa M,et al. influenza of rare sugar,d-psicose,on the physicochemical and functional properties of egg albumen containing air ated food system (J.한국농식품화학학회지,2008,56 (12):4789-4796.