KR101926180B1 - 지소화성 고분지 알파 리밋 덱스트린 및 그 제조방법 - Google Patents

지소화성 고분지 알파 리밋 덱스트린 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지소화성 고분지 알파 리밋 덱스트린 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 지소화성 고분지 알파 리밋 덱스트린의 제조방법에 따르면, 종래보다 지소화성이 높은 알파 리밋 덱스트린을 제조할 수 있다. 또한, 생산된 지소화성 고분지 알파 리밋 덱스트린은, 포도당 12~17개로 이루어져 있고, 3~4개의 알파-1,4 결합 당 1개의 알파-1,6 결합이 있는 분지구조를 가지는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 지소화성 고분지 알파 리밋 덱스트린은 높은 지소화성을 나타내어, 식후 혈당의 증감을 약화시킬 수 있으며, 저혈당식으로 당뇨환자를 위한 환자식에 적용될 수 있다. 또한, 높은 용해도를 가져 음료로서 제공될 수 있다.

Description

지소화성 고분지 알파 리밋 덱스트린 및 그 제조방법 {Slowly digestible highly branched α-limit dextrin and method for production thereof}
본 발명은 지소화성 고분지 알파 리밋 덱스트린(α-limit dextrin) 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 포도당 12~17개로 이루어져 있고, 3~4개의 알파-1,4 결합 당 1개의 알파-1,6 결합이 있는 분지구조를 가지는 지소화성 고분지 알파 리밋 덱스트린(α-limit dextrin) 및 그 제조방법에 관한 것이다.
전분은 곡류, 서류 등의 식물체에 들어있는 저장 다당류로 인간의 주요 탄수화물 공급원이다. 전분은 영양학적으로 빠르게 소화되는 전분(rapidly digestible starch, RDS), 지소화성 전분(slowly digestible starch, SDS), 난소화성 전분(resistant starch, RS)으로 나누어진다. 지소화성 전분은 소장에서 완전히 소화되지만 소화 속도가 느린 전분이고, 난소화성 전분은 소장에서 소화되지 않고 대장에서 미생물에 의해 발효되는 전분이다.
지소화성 전분과 난소화성 전분의 생리학적 이점에 대해서는 많은 연구가 이루어져 왔는데, 지소화성 전분은 식후 혈당 수치를 천천히 증가시키는 건강적 효과를 발휘하고, 난소화성 전분은 대장암, 고혈당, 고콜레스테롤혈증을 예방하고, 지방의 축적을 방해하는 효과를 발휘한다.
한편, 혈당 수치를 빠르게 증가시키는 식품은 인슐린이 과량 분비되고 반복되면 췌장의 과부하로 인슐린이 분비되어도 그 역할을 제대로 하지 못하는 '인슐린 저항성'을 유발하는데, 혈당 수치를 천천히 증가시키는 지소화성 전분은 비만이나 당뇨병 환자들의 식이에 효과적으로 이용될 수 있다.
한편, 종래에는 효소적 합성에 의해 전분 내의 분지 결합의 증가를 얻기 위하여 글리코겐 분지 효소(glycogen branching enzyme)라는 당전이 효소를 이용해 소장 내에서 전분이 서서히 분해되는 지소화성 효과를 얻고자 하였다 (Enzymatic synthesis and properties of highly branched rice starch amylose and amylopectin cluster, Lee C-K, Le Q-T, Kim Y-H, Shim J-H, Lee S-J, et al. (2007) J Agric Food Chem 56: 126131., Enhancement of swimming endurance in mice by highly branched cyclic dextrin, Takii H, Ishihara K, Kometani T, Okada S, Fushiki T (1999) Biosci Biotechnol Biochem 63: 20452052.). 이 경우에도 알파 아밀레이즈에 의해 직쇄형과 분지형의 올리고당이 생성되지만 혈당의 급격한 증감을 일으키는 직쇄형의 이당류와 삼당류의 말토올리고당이 많이 생성되어 지소화성의 효과는 미미한 것으로 알려져 있다.
이와 같이, 아직까지 높은 지소화성을 나타내는 소재의 개발 및 그 제조방법에 대한 연구가 부족한 실정이다.
대한민국 등록특허 제10-1693477호에는, 비피도박테리움 롱검 서브스피시스 롱검 JCM 1217 (Bifidobacterium longum subsp. longum JCM 1217) (KCTC 3127) 균주 유래의 알파 아밀라아제를 처리하여 가수분해시키는 것을 특징으로 하는 지소화성 전분의 제조방법이 기재되어 있다.
본 발명은 식후 혈당의 급격한 증가 (postprandial blood glucose spike)를 억제하고 에너지를 지속적으로 공급할 수 있는 새로운 지소화성 소재와 그 제조방법을 개발하여 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 포도당 12~17개로 이루어져 있고, 3~4개의 알파-1,4 결합 당 1개의 알파-1,6 결합이 있는 분지구조를 가지는 지소화성 고분지 알파 리밋 덱스트린(α-limit dextrin)을 제공한다.
또한, 상기 지소화성 고분지 알파 리밋 덱스트린은, 바람직하게 찰옥수수 전분으로부터 유래한 것이 좋다.
한편, 본 발명은 찰옥수수 전분을 염화나트륨을 포함하는 인산완충용액에 녹인 후, 가열하여 겔화시키는 단계 (A); 상기 겔화된 전분용액에 알파 아밀레이즈를 첨가한 후, 반응시켜 가수분해시키는 단계 (B); 상기 단계 (B) 후, 원심분리한 후 상등액을 회수하는 단계 (C); 및 상기 (C) 후, 크기 배제 크로마토그래피 컬럼을 통해, 포도당 12~17개로 이루어져 있고, 3~4개의 알파-1,4 결합 당 1개의 알파-1,6 결합이 있는 알파 리밋 덱스트린을 회수하는 단계 (D);를 포함하는 것을 특징으로 하는 지소화성 고분지 알파 리밋 덱스트린의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 지소화성 고분지 알파 리밋 덱스트린의 제조방법에 있어서, 상기 인산완충용액은, 바람직하게 pH 6~6.5인 것이 좋다.
또한, 본 발명의 지소화성 고분지 알파 리밋 덱스트린의 제조방법에 있어서, 상기 단계 (B)의 가수분해는, 바람직하게 35~37℃에서 20~30시간 동안 반응시키는 것이 좋다.
또한, 본 발명의 지소화성 고분지 알파 리밋 덱스트린의 제조방법에 있어서, 상기 단계 (B)는, 바람직하게 겔화된 전분용액에 알파 아밀레이즈를 반복적으로 첨가하여 가수분해시키는 것이 좋다.
본 발명의 지소화성 고분지 알파 리밋 덱스트린(α-limit dextrin)은 높은 지소화성을 나타내어, 식후 혈당의 증감을 약화시킬 수 있으며, 저혈당식으로 당뇨환자를 위한 환자식에 적용될 수 있다. 또한, 높은 용해도를 가져 음료로서 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 지소화성 고분지 알파 리밋 덱스트린의 제조방법에 의하면, 지소화성이 현저히 우수한 알파 리밋 덱스트린을 제조할 수 있다.
도 1은 찰옥수수 전분 (Waxy corn starch)이 알파 아밀레이즈(α-amylase)에 의하여 가수분해되어 분리된 시료들의 분자크기를 고성능 크기배제 크로마토그래피 (High performance size exclusion chromatography, HPSEC)를 통하여 피크(peak) 별로 분리한 후, 각각의 분획의 정제를 확인한 그림이다.
도 2는 분획된 각각의 알파 리밋 덱스트린(α-limit dextrin)에 대한 고성능 이온교환 크로마토그래피(High performance anion exchange chromatography, HPAEC) 분석을 통하여 각각의 분지구조의 길이 및 구조적 특징을 분석한 그림이다.
도 3은 각기 다른 분지구조의 알파 리밋 덱스트린이 포유류 유래의 소장 알파 글루코시데이즈(mammalian small intestine mucosal α-glucosidase)에 의해 분지구조 및 분자크기에 따라 각기 다른 분해속도(포도당의 유리 속도)를 갖는 것을 나타낸다.
본 발명은 친환경 소재인 효소를 이용하여 전분 중에서 섭취 후 포도당으로의 전환이 상대적으로 늦어 급격한 혈당의 증감을 억제하며, 지속적인 에너지를 공급할 수 있는 지소화성 탄수화물 소재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 알파 아밀레이즈에 의해 전분이 분해될 때 생산되는 직쇄형의 말토올리고당과 분지화된 알파 리밋 덱스트린 중에서 알파 리밋 덱스트린을 크기 및 분지구조에 따라 각기 다르게 생산하여, 식후 혈당조절에 효과적인 지소화성 탄수화물 소재를 제조하였다.
본 발명의 지소화성 탄수화물 소재에 대해 구체적으로 설명하면, 포도당 12~17개에 3~4개의 알파-1,4 결합 당 1개의 알파-1,6 결합이 있는 분지구조를 가진다. 이러한 지소화성 탄수화물 소재는 높은 지소화성을 가져 식후 혈당의 증감을 약화시킬 수 있으며, 저혈당식으로 당뇨환자를 위한 환자식에 적용될 수 있다. 또한, 높은 용해도를 가져 음료로서 제공될 수 있다.
이때, 상기 지소화성 탄수화물 소재는, 찰옥수수 전분 유래인 것이 좋다.
본 발명에서는 분지화된 각 알파 리밋 덱스트린에 쥐 소장 유래의 알파 글루코시데이즈 조효소에 의한 포도당 생산율을 통해 지소화성을 평가하였는데, 본 발명의 알파 리밋 덱스트린(분획 21)이 가장 높은 지소화성을 나타냄을 확인하였다.
한편, 본 발명은 찰옥수수 전분을 염화나트륨을 포함하는 인산완충용액에 녹인 후, 가열하여 겔화시키는 단계 (A); 상기 겔화된 전분용액에 알파 아밀레이즈를 첨가한 후, 반응시켜 가수분해시키는 단계 (B); 상기 단계 (B) 후, 원심분리한 후 상등액을 회수하는 단계 (C); 및 상기 (C) 후, 크기 배제 크로마토그래피 컬럼을 통해, 포도당 12~17개로 이루어져 있고, 3~4개의 알파-1,4 결합 당 1개의 알파-1,6 결합이 있는 알파 리밋 덱스트린을 회수하는 단계 (D);를 포함하는 것을 특징으로 하는 지소화성 고분지 알파 리밋 덱스트린의 제조방법을 제공한다.
이때, 상기 인산완충용액은, 바람직하게 pH 6~6.5인 것이 좋다.
또한, 상기 단계 (B)의 가수분해는, 바람직하게 35~37℃에서 20~30시간 동안 반응시켜 가수분해시키는 것이 좋다.
또한, 상기 단계 (B)는, 바람직하게 겔화된 전분용액에 알파 아밀레이즈를 반복적으로 첨가하여 가수분해시키는 것이 좋다. 반응하고 있는 전분을 완전히 가수분해시키기 위함이다.
종래에는 효소적 합성에 의해 전분 내의 분지 결합의 증가를 얻기 위하여 글리코겐 분지 효소(glycogen branching enzyme)라는 당전이 효소를 이용해 소장 내에서 전분이 서서히 분해되는 지소화성 효과를 얻고자 하였으나, 혈당의 급격한 증감을 일으키는 직쇄형의 이당류와 삼당류의 말토올리고당이 많이 생성되어 지소화성의 효과는 미미한 것으로 알려져 있다. 본 발명은 이러한 종래 문제점을 해결하는 것으로, 본 발명에 의하면 지소화성이 현저히 우수한 높은 알파 리밋 덱스트린을 제조할 수 있다.
이하, 본 발명의 내용을 하기 실시예 및 실험예를 통하여 더욱 상세히 설명하고자 한다. 다만, 본 발명의 권리범위가 하기 실시예에만 한정되는 것은 아니고, 그와 등가의 기술적 사상의 변형까지를 포함한다.
[ 실시예 1: 알파 리밋 덱스트린의 각 분획 제조]
본 실시예에서는 찰옥수수 전분으로부터 알파 아밀레이즈 처리를 통하여 알파 리밋 덱스트린을 생산하였다. 그 방법은 아래와 같았다.
① 3%(w/v)의 찰옥수수 전분을 6.7 mM 염화나트륨을 포함하는 100 mM 인산완충용액 (pH 6.9)에 녹여 20분간 끓여 겔화시켰다.
② 겔화된 전분용액을 37℃에서 알파 아밀레이즈와 함께 24시간 동안 반응시켜 가수분해시켰다.
③ 반응하고 있는 전분을 완전히 가수분해시키기 위하여 추가로 동일한 양의 효소를 첨가하여 24시간 동안 반응시켰다.
④ 10000 × g에서 20분 동안 원심분리하여 반응하지 않은 잔기를 제거해낸 후 상등액을 회수하였다.
⑤ 여과된 용액을 크기 배제 크로마토그래피 컬럼을 통해 크기별로 분획하였다.
[ 실험예 1: 알파 리밋 덱스트린의 각 분획에 대한 분자크기 분석 및 당쇄결합의 분지형태 분석]
본 실험예에서는 상기 실시예 1에서 제조된 알파 리밋 덱스트린의 각 분획에 대한 분자크기 분석 및 당쇄결합의 분지형태 분석을 실시하였다.
분석방법은 'B-H,Lee,B.R, Hamaker, Carbohydrate Polymers 157(2017)207-213'에 기재된 방법으로 수행하였다.
(1) 고성능 크기배제 크로마토그래피 (High performance size exclusion chromatography, HPSEC) 분석
크로마토그래피 분리를 통해 수집된 시료는 수집관을 통해 분획한 후, 각각의 분획의 정제를 확인하였다. 이에 따른 각각의 분획에 대한 분자량을 표준물질(플루란 표준물질, 직쇄형의 말토올리고당 표준물질)을 통하여 확인한 결과, 도 1에서 확인되는 바와 같이, 38분에 수집된 '분획 21'의 분자크기는 2,187 Da, 41.2분에 수집된 '분획 28'은 1,778 Da, 44.8분에 수집된 '분획 36'은 1,023 Da, 그리고 49.2분에 수집된 '분획 48'은 346 Da로 나타났다. 이를 통해 각각의 분획은 13개(분획 21), 10개(분획 28), 6개(분획 36) 그리고 2개(분획 48)의 포도당 잔기(180 Da)를 갖는 것을 알 수 있었다.
또한, 알파 아밀레이즈(α-Amylase)에 의해 완전히 가수 분해된 반응물을 확인하였을 때, 대략 38분, 42분, 45분을 꼭지점으로 하는 분획(분획 21, 분획 28, 분획 36)을 알파 리밋 덱스트린으로 추정하며, 49분을 꼭지점으로 하는 분획물은 직쇄형의 말토덱스린으로 추정할 수 있었다 (도 1).
도 1은 찰옥수수 전분 (Waxy corn starch)이 알파 아밀레이즈(α-amylase)에 의하여 가수분해되어 분리된 시료들의 분자크기를 고성능 크기배제 크로마토그래피 (High performance size exclusion chromatography, HPSEC)를 통하여 피크(peak) 별로 분리한 후, 각각의 분획의 정제를 확인한 그림이다.
(2) 고성능 이온교환 크로마토그래피(High performance anion exchange chromatography, HPAEC) 분석
HPAEC를 통해 수집된 시료를 확인한 결과, 도 2의 'A'에서 확인되는 바와 같이, 알파 리밋 덱스트린은 대체로 중합도 2~17 범위에서 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 각 분획들의 알파 리밋 덱스트린을 확인한 결과, '분획 21'(도 2의 'B')은 중합도 13~17의 범위에서 알파 리밋 덱스트린이 검출되었으며, '분획 28'(도 2의 'C')은 중합도 9~12의 범위, '분획 36'(도 2의 'D')은 중합도 3~8의 범위에서 알파 리밋 덱스트린이 확인되었고, '분획 48'(도 2의 'E')의 경우 중합도 2, 3만 검출됨을 확인할 수 있었다 (도 2).
도 2는 분획된 각각의 알파 리밋 덱스트린(α-limit dextrin)에 대한 고성능 이온교환 크로마토그래피(High performance anion exchange chromatography, HPAEC) 분석을 통하여 각각의 분지구조의 길이 및 구조적 특징을 분석한 그림이다.
(3) 핵자기공명기법 (Nuclear magnetic resonance, NMR) 분석
각각의 다른 분지구조의 알파 리밋 덱스트린에 포함된 알파-1,4 결합과 알파-1,6 결합의 함량을 핵자기공명기법(Nuclear magnetic resonance, NMR)을 통해 확인하고, 아래 표 1과 같이 각 결합의 상대적인 비율로 나타내었다.
Figure 112017049551411-pat00001
상기 표 1에서 확인되는 바와 같이, 분획 21, 28, 36에서 포도당 분자 4~5개로 구성된 구조에서 매 3~4개의 알파-1,4 결합에 한번 씩 알파-1,6 결합이 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
각 분획별로 확인하였을 때, '분획 21'의 경우 중합도 13~17의 알파 리밋 덱스트린이므로 두 개 이상의 알파-1,6 결합을 갖으며, '분획 28'(중합도 9~12)의 경우 2개, '분획 36'(중합도 4~7)의 경우 1개의 알파-1,6 결합을 갖음을 알 수 있었다. 그러나 '분획 48'의 경우 알파-1,6 결합을 갖지 않는 말토스와 말토트리오스 만으로 구성되어 있음을 알 수 있었다.
또한, 분획별 알파-1,4 결합과 알파-1,6 결합의 비율은 일정하다는 것을 확인할 수 있었다.
[ 실험예 2: 알파 리밋 덱스트린의 각 분획에 대한 알파 글루코시데이즈에 의한 포도당 생성 속도 확인]
본 실험예에서는 상기 실시예 1에서 제조된 알파 리밋 덱스트린의 각 분획(분획 21, 28, 36, 48)에 대한 알파 글루코시데이즈에 의한 포도당 생성 속도를 확인하였다.
실험방법은 'B-H,Lee,B.R, Hamaker, Carbohydrate Polymers 157(2017)207-213'에 기재된 방법으로 수행하였다.
각 분획은 쥐 소장 유래의 알파 글루코시데이즈(mammalian small intestine mucosal α-glucosidase) 조효소를 통해서 포도당으로 가수분해시켰다. 알파 리밋 덱스트린의 알파-1,6 분지점이 많을수록 알파 아밀레이즈의 분해 작용이 어려워 분자크기가 커지며, 이는 포도당 생성 속도가 느려지는 효과가 있다.
도 3에서 확인되는 바와 같이, 직쇄형의 말토올리고당 (분획 48)은 분획들 중 가장 빠르게 포도당으로 분해되며, 빠른시간 안에 전부 가수분해됨을 확인할 수 있었다. 직쇄형의 말토올리고당(말토스, 말토트리오스)으로 구성된 '분획 48'이 분획들 중 가장 빠르게 분해되는 것을 확인할 수 있으며, 한 개의 알파-1,6 결합을 갖는 작은 분자의 '분획 36'의 말토올리고당의 경우 직쇄형의 말토올리고당을 갖는 '분획 48'보다는 느리지만 비교적 빠른 속도로 분해되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 알파-1,6 결합을 2개 또는 그 이상을 갖는 큰 분자의 말토올리고당을 갖는 '분획 21'과 '분획 28'의 경우 매우 큰 수준으로 분해속도가 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 그중 2개 이상의 알파-1,6 결합을 갖는 '분획 21'의 말토올리고당의 분해가 가장 천천히 일어남을 확인할 수 있었다 (도 3).
이를 통해 각 알파-1,6 결합 간의 길이가 짧고, 2개 이상의 알파-1,6 결합을 갖는 말토올리고당은 매우 느린 분해속도를 갖는다는 것을 확인할 수 있으며, 이를 지소화성 또는 난소화성의 덱스트린으로서 제안할 수 있음을 확인하였다. 또한 이러한 분지화된 알파 리밋 덱스트린의 양이 증가할수록 쥐에서의 식후 혈당의 변화가 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
도 3은 각기 다른 분지구조의 알파 리밋 덱스트린이 포유류 유래의 소장 알파 글루코시데이즈(mammalian small intestine mucosal α-glucosidase)에 의해 분지구조 및 분자크기에 따라 각기 다른 분해속도(포도당의 유리 속도)를 갖는 것을 나타낸다.

Claims (6)

  1. 포도당 13~17개로 이루어져 있고, 3~4개의 알파-1,4 결합 당 1개의 알파-1,6 결합이 있는 분지구조를 가지며, 알파-1,4 결합 함량은 77.4%이며, 알파-1,6 결합 함량은 22.6%인 것을 특징으로 하는 지소화성 고분지 알파 리밋 덱스트린(α-limit dextrin).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지소화성 고분지 알파 리밋 덱스트린은,
    찰옥수수 전분으로부터 유래한 것을 특징으로 하는 지소화성 고분지 알파 리밋 덱스트린(α-limit dextrin).
  3. 찰옥수수 전분을 염화나트륨을 포함하는 pH 6~6.5의 인산완충용액에 녹인 후, 가열하여 겔화하는 단계 (A);
    상기 겔화된 전분용액에 알파 아밀레이즈를 첨가한 후, 35~37℃에서 20~30시간 동안 반응시켜 가수분해시키는 단계 (B);
    상기 단계 (B) 후, 원심분리한 후 상등액을 회수하는 단계 (C); 및
    상기 단계 (C) 후, 크기 배제 크로마토그래피 컬럼을 통해, 포도당 13~17개로 이루어져 있고, 3~4개의 알파-1,4 결합 당 1개의 알파-1,6 결합이 있는 분지구조를 가지며, 알파-1,4 결합 함량은 77.4%이며, 알파-1,6 결합 함량은 22.6%인 알파 리밋 덱스트린을 회수하는 단계 (D);를 포함하는 것을 특징으로 하는 지소화성 고분지 알파 리밋 덱스트린(α-limit dextrin)의 제조방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제3항에 있어서,
    상기 단계 (B)는,
    겔화된 전분용액에 알파 아밀레이즈를 반복적으로 첨가하여 가수분해시키는 것을 특징으로 하는 지소화성 고분지 알파 리밋 덱스트린(α-limit dextrin)의 제조방법.
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