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2019 May Vol.32 No.3 ISSN 1598-8384

자유기고

홍성욱
장내 유익균 프로바이오틱스 살리는 식단프리바이오틱스

세계김치연구소 미생물기능성연구단
홍성욱 선임연구원 E-mail : swhong@wikim.re.kr

시작말

불규칙하고 자극적인 식습관, 심각한 운동 부족, 스트레스 등 다양한 요인으로 현대인들의 건강과 장 불편 증상을 호소하는 사람들이 늘어나면서 장 관련 건강기능식품에 대한 관심이 증가함에 따라 최근 검색어 순위에 많이 오르면서 각광받고 있는 소재가 바로 ‘프리바이오틱스’이다.이미 잘 알려져 있는 ‘프로바이오틱스’와도 이름이 비슷하여 혼동하기 쉬우나 본 기고에서는 프리바이오틱스와프로바이오틱스의 차이,프리바이오틱스의 특성과 관련 연구에 대해 고찰함으로써 향후 연구에 대한 기초 자료를 제공할 것으로 판단된다.

프리바이오틱스와프로바이오틱스

프리바이오틱스(prebiotics)는 장내 유익한 박테리아의 생장을 돕는 난소화성 성분이며, 프로바이오틱스의 영양원이 되어 장내 환경을 개선하는데 도움을 주는 물질을 말하며, Gibson과 Roberfroid (1995)에 의해서 프리바이오틱스라 명명하게 되었다. 프리바이오틱스는 올리고당과 같이 탄수화물로 이루어져있는 경우가 많고, 식이섬유의 형태도 존재한다. 이후로 다양한 프리바이오틱스의 기능성 연구를 통해 프리바이오틱스가 "숙주 건강과 건강에 유익한 방향으로 작용하는 장내 미생물의 성장과 활성을 선택적으로 자극하는 소재로 다시 정의되었다 (Roberfroid, 2007). 프로바이오틱스(probiotics)는 섭취시 건강상의 이로움을 주는 살아있는 미생물로 정의되어 있으며, Lactobacillus나 Bifidobacterium 유산균이 프로바이오틱스 대부분을 차지하고 있으며 국내 건강기능식품으로 인정되어 있다. 건강기능성 식품산업에서는 건강한 장기능 개선뿐만 아니라, 면역활성이나 피부개선과 같은 다양한 기능성을 보유한 프로바이오틱스(probiotics)와 함께 프리바이오틱스(prebiotics) 소재에 대한 관심과 제품의 수요가 동시에 증가하고 있다. 그리고 프로바이오틱스와 프리바이오틱스를 적절하게 혼합한 형태를 신바이오틱스(synbiotics)라고 한다.

프리바이오틱스, 프로바이오틱스, 신바이오틱스 <프리바이오틱스, 프로바이오틱스, 신바이오틱스>
출처 : www.medicinenet.com/probiotics

프리바이오틱스의 종류

프리바이오틱스는 체내 효소에 의해서 분해가 되지 않기 때문에 흡수되지 않고 장까지 도달하는 올리고당으로서 장내미생물의 먹이원으로 사용되어 장내균총을 개선시키는 것으로 보고되고 있다.프리바이오틱스로 주로 이용되고 있는 올리고당으로는프락토올리고당, 말토올리고당, 이소말토올리고당, 갈락토올리고당, 자일로올리고당, 겐치오올리고당 등 6 종류의 올리고당이 식품공전에 등재되어 있으며,그 외에 락툴로스(식품첨가물), 이눌린(전분류), 유과올리고당인락토수크로스는 기타 가공식품으로 분류되어 유통되고 있다.

<올리고당류의 구성당 및 결합형태>
Oligosaccharide Unit sugar Linkage
Fructooligosaccharide Glucose
Fructose
β-2,1
α-1,4
Isomaltooligosaccharide Glucose α-1,6
Galactooligosaccharide Glucose
Galactose
α-1,3 / 1,4 / 1,6
β-1,3 / 1,4 / 1,6
Maltooligosaccharide Glucose α-1,4
Xylooligosaccharide Xylose β-1,4
Gentiooligosaccharide Glucose β-1,6
<올리고당류의 구성당 및 결합상태>

국내외 프리바이오틱스 연구현황

프락토올리고당(Fructo-oligosaccharide, FOS)은 국내 건강기능식품공전에 따르면, 설탕 분자 하나에 과당 분자가 1~3개 결합되어 있는 단쇄프락토올리고당으로 정의되어 있으며, 그 구성성분은 1-케스토스(1-kestose, GF2), 니스토스(nystose, GF3), 1-프락토퓨라노실 니스토스(1-fructo-furanosyl nystose)로 되어 있다.프락토올리고당은 양파, 우엉, 보리, 귀리, 마늘, 바나나, 밀 등 식물계에 널리 존재하며, 상업적 용도로 대량 생산을 위해 자당을 원료로 하여 β-fructo-furanosidase 효소처리에 의해 제조되고 있다.다양한 연구결과를 통해 프락토올리고당은 국내에서 고시형 소재로서 건강기능식품공전에 등재되어 하루 3~8 g/day 섭취시에 장내 유익균 증식, 유해균 억제, 배변활동 개선, 칼슘흡수 촉진 등과 같은 생리활성을 나타내는 것으로 보고되어 있다(건강기능식품 공전, 2018).Bornet 등(2002)의 연구결과에 의하면 프락토올리고당을 섭취하였을 때 대체적으로 대조군에 비해서 분변에서의 비피더스균의 수가 유의적으로 증가하였음이 밝혀졌다.프락토올리고당의프리바이오틱 효과를 통해 장내미생물이 증식하게 되면 이들이 생산하는 단쇄 지방산의 농도가 높아지기 때문에 칼슘이나 마그네슘 등의 무기질의 흡수율이 높아지며, 대퇴골과 경골에서 칼슘의 농도가 높아진다고 보고하였다.

프락토올리고당의 구조 <프락토올리고당의 구조>
출처 : www.intechopen.com/books/food-production-and-industry

말토올리고당(Malto-oligosaccharide)은 전분당의 일종으로 직쇄올리고당이다. 포도당의 중합도가 2,3,4,5인 말토스(G2), maltotriose(G3), maltotetraose(G4), maltopentaose(G5)등으로 구성되어 있으며, 전분 및 덱스트린이 가수분해되어 생성된다. 말토트리오스와 포도당, 말토스의 물성차이는 이들의 중합도의 차이에서 기인한다. 말토트리오스는 포도당, 말토스 등의 저중합도 전분당과 maltodextrin과 같은 고중합도 전분당의 중간물성을 가지고 있다. 즉 포도당, 과당, 말토스등의 저분자당은 감미도, 흡습성이 높고 동결건조온도가 높으며, 가열에 의해 갈변이나 착색되기 용이하다. 그러나 말토트리오스는 감미도, 흡습성이 낮고 동결건조 온도가 높으며, 가열에 의한 착색의 점도가 낮아서 내열성이 양호하다. 이와 같은 특성으로 식품업계에서는 각종 식품의 물성, 품질의 개선, 신제품 개발 등에 이용하고 있다.
이소말토올리고당(Isomalto-oligosaccharide, IMO)은 분지올리고당으로이소말토스, 이소말토트리오스(α-1,6 결합), 파노스(α-1,6-결합과 α-1,4-결합), 니게로스(α-1,3-결합) 등 9종의 올리고당이 존재하며, 청주, 단술, 된장 등 전통발효식품에 함유되어 있으며, 감미뿐만 아니라 감칠맛을 내는 당으로 알려지고 있다(Ko등, 2013). 이소말토올리고당은 전분이나 옥분 또는 쌀을 효소(α-amylase, transglucosidase, glucoamylase, pullulanase)처리하고 정제/농축하여 만들어 지며, 기능성분인 이소말토올리고당(isomaltose, panose, isomaltotriose, isomaltotetraose, isomaltopentaose)의 함량은 40%이상으로 표준화하고 있다. 생리적 기능으로는 장내 유익세균인 Bifidobacterium균수의 선택적 증가 등의 기능성을 가지고 있어 일본 후생성의 특정 보건용식품의 정장작용의 기능성이 인가되어 있다. 가격 면에서 경제적이기 때문에 일본이나 국내에서 전체 올리고당 사용량의 절반을 차지할 정도로 그 사용량이 많다. 당뇨 유발 쥐에게 식이하였을 때 장내유익균 (Bifidobacteria, Lactobacillus)이유의적으로 증가하였고,혈당 수치와 콜레스테롤 수치가 유의적으로 감소하였다고 보고하였다 (Bharti 등 2015).또한 이소말토스, 이소말토트리오스, 파노스 등은 구강 내의 충치원인 미생물이 이용하기 어려우며, 설탕의존성의 비수용성글루칸 합성과 치면에글루칸 부착을 강력히 억제하는 효과가 있어서 난충치성 당으로서의 가능성도 기대된다(Koqa등 1988).

이소말토올리고당의 구조 <이소말토올리고당의 구조>
출처 : Ko 등, 2013

갈락토올리고당 (Galacto-oligosaccharides, GOS)은 β-glycosidic 결합을 하고 있는 갈락토스 함유 올리고당으로서 말단에는 glucose가 결합되어 있다 (Bruno-Barcena와 Azcarate-Peril, 2015). 국내 식품공전에서는 유당으로부터 효소반응을 통해 제조되는 갈락토올리고당과 탈지 대두박에서 대두 단백 제조시 생성되는 부산물로부터 추출되는 라피노스와 스타키오스를 갈락토올리고당으로 정의하고 있다. 대두올리고당인 라피노스와 스타키오스는 그 수율이 매우 낮기 때문에 시장 가격에서의 경쟁력이 낮고 유당에서 제조되는 갈락토올리고당은 모유에 함유되어 있는 갈락토실락토스를 함유하고 있기 때문에 모유유래 올리고당과 구조와 장내 미생물에 미치는 영향도 유사하여 유아용 분유에 적용하고 있는 프리바이오틱스 소재로 알려져 있다 (Boehm과 Stahl, 2003). 갈락토실락토스는 fusocyl-lactose, sialyllactose, galactosyllactose 등과 같은 3당류의 단쇄 올리고당을 중심으로 구성되어 있다. 최근에 Hong 등(2015)은 고순도 갈락토올리고당(70%이상)의 경우, 피부 보습과 수분 손실을 개선시키고 주름을 개선한다는 새로운 연구 결과도 보고하였다. 다양한 연구결과를 통해 갈락토올리고당도 국내에서 개별인정형 소재로서 하루 2.1~8.4 g/day 섭취 시에 장내 유익균 (Bifidobacteria, Lactobacillus) 증식, 유해균 억제와 같은 생리활성 효과가 있는 것으로 보고되었다. 갈락토올리고당도 다른 올리고당 같은 매우 우수한 프리바이오틱 효과를 나타내고 있는데, Ito 등(1993)은 35-55세 성인을 대상으로 2.5 g/day의 갈락토올리고당을 3주간 섭취시킨 후, 분변에 함유된 균총을 조사한 결과, 장내 유익균의 수가 유의적으로 증가하였음을 보고하였다. 갈락토올리고당은 적용분야가 유아식으로 형성되어 있는데, Moro 등(2006)은 갈락토올리고당과 프락토올리고당을 함께 섭취한 경우, 면역활성 개선을 통한 아토피 발생이 감소했다고 보고하였다.

<올리고당 생성효소와 생산미생물>
Prebiotics Enzyme processing Microbial producer
FOS Fructosyltransferase
β-Fructofuranosidase
Levansucrase
Endoinulinase
B. macerans
Z. mobilis
L. reutri
A. niger
A. japonicas
A. foetidus
A. sydowi
A. pullans
C. purpurea
F. oxysporum
P. citrinum
P. frequentans
P. spinulosum
P. rigulosum
P. parasitica
S. brevicaulis
S. cerevisiae
K. marxianus
IMO α-Amylase
β-Amylase
Pullulanse
α-Glucosidase
Transglucosidase Glucoamylase
A. niger
Bacillus sp.
B. subtilis
B. stearothermophilus
T. maritima
A. carbonarious
L. mesenteroides
GOS β-Glactosidase Aspergillus sp.
Bacillus sp.
B. circulans
Kluyveromyces sp.
B. bifidum
Maltooligosaccharide Glucose α-1,4
Xylooligosaccharide Xylose β-1,4
Gentiooligosaccharide Glucose β-1,6
<올리고당 생성효소와 생산미생물>

김치유산균용 프리바이오틱스

김치내 프리바이오틱스 소재인 올리고당 분석을 위해 배추김치를 제조하여 4℃에서 14일동안 발효·숙성한 후, 배추김치내 미생물 생균수를 측정한 결과, 전체 유산균수는 8.21 log CFU/g이었고, 그 중에서 Leuconostoc spp. 와 Lactobacillus spp.의 생균수는 각각 7.91 log CFU/g와 8.18 log CFU/g로 확인하였다. 분리미생물을 16S rRNA gene sequencing을 통해 동정한 결과, Lactobacillus sakei, Leuconostoc mesenteroides, Leuconostoc mesenteroides subsp. dextranicum 등 3종이 확인되었고 김치의 품질특성과 유산균 생균수는 기존 김치발효와 유사하였다. 이때 배추김치내 단당류와 올리고당 종류를 확인하고자 silica gel TLC plate를 사용하여 당류(단당, 이당과 올리고당)를 점적하고 chloroform와 acetic acid 용매로 전개시킨 결과, maltodextrin, glucose, fructose, mannose, arabinose, maltose, sucrose 등이 존재하는 것으로 확인하였다. CarboPac-PA1 컬럼을 이용한 high performance anion exchange chromatography (HPAEC) 시스템을 활용하여 배추김치내 올리고당의 정성분석을 수행한 결과, 말토올리고당인 말토트리오스 (maltotriose, G3)와 이소말토올리고당인 이소말토트리오스 (isomaltotriose) 및 파노스(panose) 등이 확인되었다. 이는 김치제조시 첨가하는 부재료인 찹쌀풀과 채소류 유래 sucrose를 이용한 김치유산균의 발효과정에서 유래하는 것으로 사료되었다. Cho 등(2014)은 김치유산균인 Leuconostoc citreum 균주가 생산하는 dextransucrase 반응을 이용하여 김치발효 과정에서 sucrose (58mM)와 maltose (56mM)를 첨가하였을 때 이소말토올리고당이 생성되었다는 결과와 유사하였고 점도 증가를 억제하여 김치의 기능성과 맛을 향상시킬 수 있다고도 보고하였다.

김치유래 유산균과 올리고당 분석 <김치유래 유산균과 올리고당 분석>
A, 김치유산균 분리; B, 배추김치 TLC 분석; C, 배추김치 HPAEC 분석

맺음말

본 기고문에서는 기존에 알려진 프리바이오틱스의 특성과 김치유래 프리바이오틱스에 대해 고찰해 보았다. 대부분의 장내 유익균인 프로바이오틱스가 이용하는 프리바이오틱스는 식물유래 난소화성 올리고당이며, 장내 유익한 미생물의 영양원으로 건강상의 이로움을 주는 바이오소재이다. 기존 프리바이오틱스에 대한 정의가 단순하며 범위가 제한되어 있다는 점을 고려해 보면, 향후 프리바이오틱스의 다양한 기능적 연구를 통해 프리바이오틱스가 가지고 있는 잠재력을 발굴하고 그 효과를 확장해 나갈 필요가 있다고 판단된다. 또한 프리바이오틱스로 이용할 수 있는 전통 발효식품을 포함하여 다양한 물질(식품)들을 잘 활용하여 미생물의 생육과 생리활성을 향상시키는 소재로의 사용을 증가시키는 연구가 지속적으로 이루어져야 할 것이다.

참고문헌

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