식품영양재단 주최
최근 높아지고 있는 기능성 소재에 대한 관심을 반영하듯 7일 연세대 동문회관에서 열린 ‘2003 올리고당 심포지엄’은 업계 관계자들이 대거 참석해 성황을 이뤘다. 한국식품영양재단이 주최하고 삼양제넥스,현대약품이 후원한 이번 심포지엄에는 김숙희 한국식품영양재단 이사장 및 박관화 서울대 식품공학과 교수 등 국내 석학들과 일본의 히로시 하라 홋카이도대 농업대학원 교수,츠네유키 오쿠 세이볼드대 교수,네덜란드의 로버트 제이 엠 브루머 매스트리트대 교수 등 해외 석학들이 참가,올리고당과 관련한 최근 연구 동향을 소개했다. 특히 로버트 교수는 "올리고당이 발효되면서 생성되는 산성 물질이 대장암을 유발하는 물질을 적절하게 제거해 장 세포가 발암 물질에 노출되는 것을 억제한다"며 "젖당에서 얻어지는 갈락토올리고당과 콩에서 얻어지는 대두올리고당이 장 세포가 암 세포로 전이하는 것을 억제한다"고 밝혀 관심을 끌었다.
■ 비소화성 올리고당과 장 건강<로버트 브루머·매스트리트대 교수>
식이섬유란 식물의 가식부나 당 유사 화합물로부터 만들어져 사람의 작은 창자에서 소화 흡수되지 않는 당을 일컫는다. 이 식이섬유소는 비수용성과 수용성으로 분류되는데 특히 수용성 식이섬유로는 이눌린, 펙틴, 베타 글루칸 및 갈락토만난검을 포함한 여러 종류의 비소화성 올리고당(NDO, Non-digestible oligosaccharides)이 있다. 본 연구에서는 AACC 식이섬유 기술회의에서 제안된 `식이섬유의 정의´에 관련된 기본 요인들이 일반적 지침으로 사용됐다.
대부분의 비수용성 섬유소는 사람의 장내에서 발효가 잘 되지 않는 반면에 수용성 섬유소는 혐기적 장내 미생물에 따라 정도의 차이는 있지만 발효가 이뤄져 장내 주요한 생리학적 효과를 낸다. 수용성 섬유소 특히 NDO의 장내 발효는 변의 양을 늘릴 뿐만 아니라 아세테이트, 부틸산, 프로피온 에스테르 등의 단쇄 지방산과 젖산을 발효 산물로 생성해 장내 산도를 낮춘다. 특히 단쇄 지방산은 숙주의 혈액 속으로 흡수돼 당이나 지방 대사 등에도 총체적인 영향을 끼치며 특히 장 세포가 암화(癌化)하는 것을 억제하는 역할을 한다.
NDO 중에서도 특히 이눌린은 이 같은 생리적인 기능과 함께 중성적인 맛과 질감, 겔 형성 능력 등의 기술적인 기능을 갖추고 있어 최근 유용하게 이용되는 올리고당 중 하나이다. 예를 들면 요구르트 음료에서 질감과 식감의 개선은 물론 장의 미생물 균총의 균형 등에 초점이 맞춰져 건강에 이롭고 맛도 좋은 제품이 탄생한 바 있다.
실제로 네덜란드에서는 이눌린을 포함한 빵의 장 기능 개선 효과가 인정되고 있으며 일본에서도 NDO의 일종인프락토 올리고당을 함유한 음료가 장 기능 개선 및 무기질 흡수 증진 기능으로 특정보건식품(FOSHU)로 인정돼 판매되고 있다.
역시 NDO의 일종인 갈락토 올리고당은 쥐를 이용한 임상 실험을 통해 대장암으로의 전이를 지연시킬 수 있다는 연구가 보고되고 있다. 일부 갈락토 올리고당은 대두에서 발견되기도 하는데 인체 내 이를 분해할 수 있는 효소가 없어 대장까지 무사히 도달할 수 있어 장 기능 개선 소재로 활용도가 높다.
이러한 NDO의 프리바이오틱(장의 어떤 한 종류 혹은 제한된 박테리아의 성장이나 활동을 선택적으로 자극해 숙주에 유익한 영향을 주는) 특성을 활용하면 일반 대중에게 효과를 주는 것 외에도 특정 집단을 위한 제품을 개발할 수도 있을 것이다. 예컨대 이눌린과 다른 NDO의 변비 개선 효과는 노인을 위한 식품에 이용할 수도 있다.
■ 칼슘 흡수 증진 효과<히로시하라·홋카이도대 교수>
아시아 국가에서는 식사를 통한 칼슘 흡수율이 10∼30%에 불과해 칼슘 부족증의 회복 및 개선을 위해 칼슘 흡수 증진의 필요성이 대두되고 있다. 이런 가운데 최근 비소화성 올리고당(NDO)이 칼슘의 흡수를 증가시킨다는 많은 연구 결과가 보고되고 있다.
일단 칼슘의 체내 흡수 과정을 살펴보면 섭취된 칼슘은 우선 위산에 의해 용해돼 이온화되고 이는 다시 작은창자 윗부분에서 흡수된다. 이 과정에서 칼슘은 불용성의 인산염을 형성하게 되는데 이 기전이 진행되기 전에 칼슘을 빨리 흡수하든가 인산염의 생성이 방지돼야 칼슘의 흡수를 높일 수 있다. 그러나 이는 작은창자에서만 국한된다.
따라서 남은 방법은 인산염으로 결정화된 칼슘염을 산성화된 큰창자에서 재용해하는 것이다. 이 큰창자의 산성화가 장내 미생물에 의한 NDO의 발효에 의존한다.
특히 비피더스균의 성장을 자극하는 것으로 알려진 프락토 올리고당(FOS)은 장의 칼슘 흡수 촉진제로 입증돼 있다. 칼슘 용액에 NDO의 장내 발효 산물인 단쇄 지방산을 유입시켰을 때 칼슘이 흡수돼 사라졌다는 연구 결과나 위를 절제해 심한 칼슘 흡수 장애를 가진 위에 있어 FOS는 칼슘 흡수를 효과적으로 촉진시켰다는 연구 역시 이를 뒷받침한다.
FOS 외에도 수용성 대두 섬유소의 섭취는 위나 난소가 절제된 쥐에서 뼈의 손실을 방지하는 동시에 맹장 발효도 칼슘 흡수에 한몫한 것으로 나타났다.
결론적으로 발효 가능한 식이섬유소를 포함한 올리고당은 기능성 식품 재료로서 골다공증을 예방하고 대장의 용해성 칼슘의 농도를 증가시킴으로써 대장암의 발병을 낮추는 데 적용할 수 있다.
■ NDO 최대 허용 섭취량<츠네유키 오쿠·세이볼드대 교수>
비소화성 올리고당의 지나친 섭취는 작은창자 및 큰창자 내 삽투압을 일으켜 액체를 보유하게 함으로써 사람이나 동물의 설사를 유발시키기도 한다. 그러나 쥐의 경우 설사는 며칠 내에 사라졌는데 이는 올리고당을 섭취하는 동안 이를 유용하게 이용하는 박테리아가 자연적으로 늘어나 올리고당을 빨리 분해했기 때문이다.
섭취량과 증상으로 표시되는 이 같은 올리고당의 내성은 상당한 개인차를 보인다. 실험 재료의 하제로서의 역치를 평가해 보기 위해 건강한 일본 성인을 대상으로 설사를 유발하는 실험 재료의 최소 섭취량을 계산한 결과 올리고당을 포함한 비소화성, 비흡수성당 대용품의 최대 허용 섭취량은 0.3g/kg으로 조사됐다. 이는 체중이 50kg인 사람의 섭취 허용량이 15g이라는 것으로, 비소화성당 대용품 15g까지는 설사를 일으키지 않는다는 의미이다.
그러나 하루 2회 이상 따로 당대용품을 섭취하는 등의 몇 개의 요소에 의해 최대 섭취 허용치가 변화하기도 하는 만큼 가공식품에 NDO을 이용하기 위해서는 최대 허용 섭취량을 추정하는 것이 필수적이다.
■ 투여 수준 따른 생리적 효과<김숙희·한국식품영양재단 이사장>
대두 올리고당은 여러 올리고당 중에서도 특히 열과 산에 강하고 식품의 부패 방지 및 보존 효과를 가진 것으로 보고되고 있다. 또한 위산에도 강하며 pH3.5에서는 전혀 변성되지 않아 비피더스균을 증식시키는 새로운 물질로 큰 기대를 받고 있다.
그러나 지금까지의 연구들은 주로 장내균총을 개선하는 것에 초점을 맞춰 진행되고 있으며 연구마다 올리고당의 투여 수준이 일치하지 않아 체내 생리적 기능에 영향을 미칠 수 있는 올리고당의 적정 섭취 수준을 결정하기 위한 연구가 시급한 상황이다. 이에 따라 본 연구에서는 동물 실험을 통해 대두올리고당의 유익한 작용이 최대화될 수 있는 섭취 수준을 탐색해 보고자 했다.
우선 Sprague-Dawley종 수컷 흰 쥐 50마리를 체중에 따라 난괴법(randomized complete block design)으로 군당 10마리씩 5군으로 분류, 대두올리고당 첨가 비율을 달리한 실험 식이를 4주간 투여한 후 각 군의 대장 기능 및 체내 지질 대사에 미치는 영향을 살펴봤다. 식이는 대두올리고당의 비율을 5%, 10%, 15%, 20% 4종류로 구분했다.
그 결과 대두올리고당 섭취군의 최종 체중이 감소했는데 특히 20% 식이 섭취군의 경우 체중 및 체중 증가량이 대조군보다 유의적으로 낮게 나타났다. 식이 효율은 20% 섭취군이 5% 섭취군보다 유의적으로 낮아 올리고당의 섭취 수준이 높아짐에 따라 열량 섭취는 적어지는 것으로 나타났다. 이는 올리고당이 체내에서 g당 약 2kcal로 카제인의 4kcal에 비해 열량을 적게 내기 때문으로 풀이된다.
대두올리고당이 대장 기능에 미치는 영향을 살펴보면 올리고당 섭취군이 대조군에 비해 분변 무게가 높게 나타났으며 분변 g당 수분 함량 역시 섭취군 분변의 수분 함량이 높게 나타났다. 맹장 내용물의 pH는 대조군에 비해 섭취군에서 유의적으로 저하됐으며 특히 20% 섭취군은 대조군, 5%, 10%군에 비해서도 유의적으로 더 낮은 pH 수준을 보인 바 대두 올리고당의 섭취 수준이 높아질수록 장의 환경이 산성화됨을 알 수 있었다.
다음으로 4주간의 실험 기간 후 실험 동물의 혈장 내 총지방, 중성지방, 총콜레스테롤, LD 및 HDL 콜레스테롤 농도를 살펴보았다.
혈장 내 총지질 수준은 대조군에 비해 대두 올리고당 섭취군이 낮은 경향을 보이며 올리고당 섭취 수준이 많을수록 혈장 내 총지질 수준이 낮아 20% 섭취군이 가장 낮았다. 혈장 내 중성지방 농도 역시 대조군에 비해 섭취군이 낮게 나타났다. 총콜레스테롤 및 LDL-콜레스테롤 농도는 20%군을 제외하고는 모두 비슷한 경향을 보였다.
분변 g당 배설된 총지방 함량은 올리고당 섭취군들의 총지방 배설량이 증가하는 경향을 보였으며 5%군의 배설량이 가장 많았다. 분변 내 총콜레스테롤 농도 역시 섭취군이 대조군에 비해 높은 경향을 보였고 특히 20% 섭취군의 경우 유의적으로 많은 콜레스테롤을 변으로 배출시키는 것으로 나타났다. 20%군은 혈장 총콜레스테롤 수준 역시 가장 낮게 나타났는데 이는 변으로의 콜레스테롤 배출량이 많았기 때문인 것으로 사료된다.
이상에서 보듯이 대두 올리고당의 투여 수준에 따른 생리적 효과에 따른 동물 실험 결과 올리고당의 투여 수준이 높아짐에 따라 대장 기능 및 장내 균총 개선 효과가 분명하게 나타났으며 체내 지질 대사에도 유익한 작용을 하는 것으로 나타났다. 그러나 유의적인 차이를 내는 올리고당의 투여 수준이 실험 내용에 따라 다르게 나타나는 경향이 있는 만큼 적정 섭취 수준에 대한 보다 정밀한 연구와 이에 대한 인체 연구도 함께 요구된다.
■ 탄수화물 소재의 효소적 합성<박관화·서울대 교수>
최근 발달한 탄수화물의 구조 분석 방법과 특이성이 뛰어난 당전이 탄수화물 효소의 발굴로 탄수화물 신소재의 개발이 매우 빠른 속도로 발전하고 있다.
기능성 탄수화물의 소재는 혈중 콜레스테롤 감소, 성인병 예방 효과, 비피더스 증식 인자, 저칼로리 및 충치 예방 등의 다양한 생리 활성을 가지고 있으며 이를 식품으로 이용할 경우 기능성 식품을 통한 질병 예방은 물론 치료의 범위까지 영역을 넓혀가고 있는 실정이다. 일본에서는 이미 특정 보건용 식품으로 지정돼 소비자에게 폭 넓게 인식돼 있고, 점차 적용 분야가 일반 식품으로까지 확대되는 추세다.
기능성 탄수화물 중 하나인 올리고당은 다시 직쇄 올리고당, 분지 올리고당으로 나뉘고 이 분지 올리고당은 다시 이소말토 올리고당, 프락토 올리고당, 스쿠로스 유도체, 갈락토 올리고당 및 분지 사이클로덱스트린으로 나뉘는데 여기서는 이소말토 올리고당과 스쿠로스 유도체 생산을 알아보겠다.
이소말토 올리고당은 산업적으로 전분 액화 용액에 β-아밀라제와 transglucosidase를 이용, 장시간 반응시켜 제조한다. 새로운 제조 방법으로는 maltogenic amylase와 α-glucanotransferase(α-GTase)를 이용하는 것이다. 각 효소를 이용, 파일롯 플랜트 수준에서 액화 옥수수 전분으로부터 기존 방법으로 처리했을 때보다 α-GTase와 maltogenic amylase를 동시에 처리하고 반응 조건을 최적화함으로써 올리고당 함량을 68%의 수율로 증가시킬 수 있었다. 이렇게 제조된 이소말토 올리고당은 분자량이 크며 생리 활성이 더욱 우수한 것으로 보고돼고 있다.
스쿠로스 유도체의 일종인 Maltosyl sucrose는 스쿠로스에 Bacillus stearothermophilus maltogenic amyalse(BSMA)를 작용시켜 생산되는데 이 당 전이 화합물은 100℃ 이상의 고온에서 안정되며 설탕보다 충치 예방 효과가 크다. maltotriose와 ascorbic acid를 기질로 해 BSMA를 작용시키면 글루코스 혹은 말토스가 전이된 당 전이 아스코르빈산을 제조할 수 있다. 이 성분은 Cu2+ 이온 존재하에서도 안정해 장시간 산화 방지 효과를 보인다.
여러 효소를 이용해 스쿠로스로부터 유도체를 합성할 수 있는데 합성된 제품은 여러 생리 활성을 보이며 장내 미생물에 분해되지 않아 저칼로리 식품, 비환원성 당, 비피더스균의 증식 인자로 이용될 수 있다. 예를 들어 스쿠로스와 전분 원료에 CGTase 효소를 이용, Erlose를 생산할 수 있으며 마찬가지 방식으로 스쿠로스와 Xylose에 Fructofuranosidase를 가해 xylofructoside를 만들어낸다. 스쿠로스에 fructofuranosidase를 활용하면 이눌린 등을 생산할 수 있다.
