KR20210013025A - 영양 보충제 - Google Patents

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마르틴 아노프
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라미나리아 그룹 에이비
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Abstract

본 발명은 준-포화량의 칼슘 이온의 알긴산염 하이드로겔로 구성되며, 당, 복합 탄수화물, 전해질, 카페인, 및 아미노산으로부터 선택된 활성 성분을 포함하는 수용액을 포함한 영양 보충제를 제공한다. 영양 보충제는 구강 pH 저하 및 치아 우식의 위험 유발 없이 탄수화물 섭취를 허용하고, 장 흡수 및 탄수화물 산화의 높은 속도를 유지하면서 위장 불편감을 유발하지 않는다.

Description

영양 보충제
본 발명은 영양 보충제의 기술 분야, 특히 스포츠 음료에 관한 것이다.
스포츠, 특히 지구력 스포츠에서 높은 운동능력은 경기 전과 경기 중 뿐만 아니라 훈련 중에 탄수화물 형태의 에너지 섭취를 필요로 한다. 지구력이 요구되는 경기에 참여하는 운동 선수들은 장기간 비교적 높은 운동률을 유지해야 하고, 이로 인해 에너지 소비가 높아진다. 피로감의 시작을 늦추고 장기적인 지구력을 최적화하기 위해, 운동 선수들은 탄수화물의 에너지로 신체에 에너지를 공급하는 것이 권장된다. 탄수화물 섭취는 지구력과 운동능력을 개선시키는 것으로 나타났고, 운동 선수는 지구력이 요구되는 경기 도중 시간당 0.7 g/kg 체중의 속도 (30-60 g/h)로 탄수화물을 소비할 것이 권장된다 [(American College of Sports Medicine. Med Sci Sports Exerc. 2009, 41:709-31)]. 현재 대안적인 권장 사항은 2시간 이상의 강렬한 (초고강도) 지구력이 요구되는 경기를 하는 운동 선수에게 최대 90 g/h의 더욱 더 높은 섭취 속도로 탄수화물을 섭취하는 것을 제안한다 [(Jeukendrup Eur J Sport Sci 2008, 8:77-86)].
육체적 운동은 근육 조직에 저장된 글리코겐으로부터 글루코스의 대사 산화를 포함한다. 강렬한 운동은 이미 1-1.5시간의 운동 후 저장된 글리코겐을 현저히 감소시킨다. 저장된 글리코겐의 양은 제한되지만 운동 직전 및 운동 중의 탄수화물 섭취로 글리코겐의 고갈을 막을 수 있다. 탄수화물이 흡수되고 근육세포 내 ATP 생산에 이용되는 속도는 여러 요인들에 의해 제한된다 [(Rowlands et al. Sports Med (2015) 45:1561-1576)]. 이상적인 탄수화물 보충제는 최대 달성 가능한 수준에 가까운 속도 (약 90 g/h)에서 섭취될 때 빠르고 완전한 탄수화물의 흡수를 제공해야 한다. 첫 번째 섭취 이후 탄수화물 흡수의 시작 및 반복된 섭취 이후 항정 상태에서의 외인성 탄수화물의 산화 속도는 O2/CO2 가스 교환 측정함으로써 및 동위원소 선택적 기술을 사용한 호기된 CO2에서 섭취된 탄수화물을 추적함으로써 알아낼 수 있다.
강렬한 운동 중 대량의 탄수화물 섭취는 높은 지수의 구역질 및 헛배부름(flatulence)과 같은 위장 증상과 연관된다 [(Pfeiffer Med Sci Sports Exerc 2012, 44:344-351)]. 높은 흡수 속도가 요구된다. 소장을 통과하는 동안 완전히 흡수되지 않은 탄수화물은 원치않는 완하제 효과를 가지며, 결장에서 박테리아의 대사를 방해하여 가스 생산을 증가시킬 수 있다.
따라서, 원치않는 위장 증상을 일으키지 않으면서 대량의 탄수화물 섭취를 가능하게 하는 영양 보충제가 또한 요구되고 있다.
치과 병원에 다니는 선별된 샘플의 경우 및 팀의 보다 전형적인 평가 모두에서 엘리트 운동 선수의 구강 건강이 좋지 않다는 것이 발표된 연구의 일관된 결과이다 [(Needleman Br J Sports Med 2015, 49, 3-6; Ashley Br J Sports Med 2015, 49, 14-19)]. 주요 근본 원인 중 하나는 구강 pH를 낮춰 부식 및 치아 우식을 촉진하는 산성 스포츠 음료를 포함한 탄수화물의 빈번한 섭취이다. 스포츠 음료 섭취 빈도 간의 관계는 어린이에게서도 보고되었다 [(Kawashita Community Dent Health 2011, 28, 29-33)].
따라서, 구강 건강에 보다 부담이 적은(challenging) 영양 보충제를 포함하는 탄수화물이 요구되고 있다.
SE 512093은 운동 중 탄수화물의 섭취를 조절하기 위해 사용되는 비-우식성 액체와 함께 캡슐화된 고상(solid) 탄수화물을 포함하는 경구 제형을 개시한다. 필요한 양의 고상 탄수화물 섭취는 지연된, 심지어는 불완전한 흡수를 제공할 수 있고, 원치않는 위장 증상을 유발할 수 있다.
칼슘에 의해 가교 결합된 알긴산염(alginate)은 활성 성분의 방출을 제어하기 위해 건식 제형 및 습식 제형에서 어느 정도의 광범위한 사용을 나타낸다 [(Hjorth Pharmacy 2002 28:6 621-630; Li Nature Reviews Materials 2016, Article number: 16071)].
문헌 [McEntee, Journal of Applied Polymer Science, 107: 2956-2962 (2008)]은 고농도의 알긴산염을 사용함으로써 알긴산칼슘 비드로부터 글루코스의 방출이 지연될 수 있음을 개시하였다. 상기 연구는 비드 내 칼슘 이온의 다양한 포화 농도로 수행된다.
US 2014/0037830은 생체 내(in vivo) 장기간의 시간에 걸쳐 전달되며 운동능력을 향상시키는 것으로서 제안된 영양 조성물을 개시한다.
WO 2017/186940 및 WO 2017/186948은 알긴산염을 포함하며 원치않는 위장 증상을 감소시키는 것을 목표로 하는 영양 보충제를 개시한다. 상기 영양 보충제는 높은 수준의 탄수화물을 포함하므로, 구강 건강에 심각한 문제가 계속된다. 전적으로, 구강 건강에 보다 부담이 적으면서 동시에 육체적 운동 중 원치않는 위장 증상의 유발 없이 높은 탄수화물 산화 속도를 지원하며 대량의 효율적인 탄수화물을 흡수할 수 있도록 하는 영양 보충제를 포함한 탄수화물이 요구되고 있다.
구강 건강에 보다 부담이 적은 영양 보충제를 포함한 탄수화물을 제공하는 것이 하나의 목적이다.
구강 건강에 보다 부담이 적으면서 동시에 육체적 운동 중 원치않는 위장 증상의 유발 없이 높은 탄수화물 산화 속도를 지원하며 대량의 효율적인 탄수화물을 흡수할 수 있도록 하는 영양 보충제를 포함한 탄수화물을 제공하는 것도 또한 목적이다.
또한 본 발명의 목적은 개선된 보관 안정성을 갖는 상기 기재된 영양 보충제를 포함하는 탄수화물을 제공하는 것이다.
수용액 대신에 수성 하이드로겔 형태의 탄수화물을 제공함으로써, 탄수화물에 대한 과도한 치아 노출을 피할수 있다. 다른 한편으로, 하이드로겔로부터 탄수화물의 장 흡수의 속도와 정도는 약화될 것으로 예상할 수 있고, 이는 바람직하지 않을 것이다.
본 발명자들은 놀랍게도 수용액을 포함한 동일한 양의 무(free)-탄수화물을 섭취할 때 pH가 크게 감소하는 것과 비교해 제한된 pH의 감소만을 보이면서, 섭취 시 제한된 양의 탄수화물 수용액만이 구강에서 방출되는, 알긴산염 하이드로겔에서 수용액을 포함한 탄수화물을 캡슐화할 수 있다는 것을 입증하였고, 육체적 운동 중 높은 탄수화물 산화 속도를 지원하며 원치않는 위장 증상의 유발이 없는 대량의 효율적인 탄수화물 흡수를 여전히 유지할 수 있다는 것을 입증하였다.
수성 알긴산 불수용성 하이드로겔에 수성 칼슘 첨가 시, 칼슘에 의한 알긴산의 가교 결합으로 인해 알긴산칼슘이 형성된다. 본 발명자들은 알긴산칼슘 하이드로겔의 특성이 준-포화(sub-saturating)량의 칼슘 첨가에 의해 조절될 수 있음을 발견하였다. 준-포화량의 칼슘 첨가는 알긴산칼슘 및 알긴산의 혼합물을 포함하는 하이드로겔을 생성한다. 알긴산염은 예컨대 알긴산나트륨, 알긴산칼륨, 알긴산암모늄, 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
보다 구체적으로, 알긴산칼슘 하이드로겔 비드는 알긴산 용액의 방울을 칼슘 용액에 첨가함으로써 생성될 수 있다. 알긴산 용액 및 칼슘 용액은 동일한 양의 활성 성분 (예컨대, 당)을 기본적으로 포함한다. 칼슘 용액 표면에 축적되는 것을 막으면서 침강할 수 있도록 하는 약간 높은 알긴산 용액 방울의 밀도를 위해 주요 성분의 작은 농도 차이가 바람직하다. 대안적으로, 제조된 알긴산칼슘 하이드로겔은, 예컨대 혼합물에 첨가된 산의 작용에 의한 것과 같이, 알긴산 용액에서 불용성 칼슘 염을 분산시키고 칼슘을 천천히 방출함으로써 생성될 수 있다. 알긴산염 용액은 예컨대 당과 같은 활성 성분을 포함한다. 하이드로겔의 알긴산염 조성물, 즉 알긴산의 총량 및 알긴산칼슘 대 알긴산의 총량 비율은 원하는 특성을 갖는 하이드로겔을 제공하기 위해 선택된다. 칼슘의 상대적인 양은 알긴산칼슘의 % 칼슘 포화도로 보여지며, 100 % 칼슘 포화도는 알긴산염의 각 만누로네이트(mannuronate)/글루로네이트(guluronate) 잔기당 ½ 칼슘에 해당하고, 알긴산염의 가교 결합 수준을 결정하여 하이드로겔의 특성에 기여한다. 20 % 미만과 같은 낮은 % 칼슘 포화도는 알긴산염 하이드로겔의 가교 결합 수준이 낮아 겔 강도가 낮다. 80 % 이상과 같은 높은 % 칼슘 포화도는 알긴산염 하이드로겔의 가교 결합 수준이 높아 겔 강도가 높다.
낮은 겔 강도는 낮은 기계적 강도 및 탄수화물의 질 낮은 캡슐화와 같은 원치않는 특성을 제공하여, 겔 하이드로겔을 섭취하는 동안 입 안에서 당을 방출한다.
높은 겔 강도는 하이드로겔 내 액체 용액이 불완전하게 포함되고 시간이 지남에 따라 하이드로겔에서부터 액체 용액이 추출되는 것을 의미하는 이장현상(syneresis)과 같은 원치않는 특성을 제공한다. 완전하거나 거의 완전한 칼슘 포화 상태인 알긴산염 하이드로겔은 당이 용해된 물이 새고 있다는 것이 밝혀졌다. 이러한 부정적인 이장현상 효과는 준비된 하이드로겔을 섭취하기 이전에 보관할 때와 같이 시간이 지남에 따라 더욱 분명해진다.
따라서, 본 발명의 한 양태는 알긴산염 하이드로겔로 구성된 영양 보충제를 제공하며, 상기 하이드로겔은;
a) 20 % 내지 80 % 칼슘 포화인, 총 알긴산염 0.1 내지 5 중량%, 및
b) 당, 복합 탄수화물, 전해질, 카페인, 및 아미노산 중 하나 이상의 성분으로부터 선택된 활성 성분 1 내지 75 중량%를 포함하는 수용액
을 포함한다.
하나의 바람직한 구현예에서 알긴산염 하이드로겔은 기본적으로:
a) 20 % 내지 80 % 칼슘 포화인, 총 알긴산염 0.1 내지 5 중량%, 및
b) 당, 복합 탄수화물, 전해질, 카페인, 및 아미노산 중 하나 이상의 성분으로부터 선택된 활성 성분 1 내지 75 중량%를 포함하는 수용액
으로 구성된다.
상기 하이드로겔의 총 알긴산염 함량은 0.1 내지 3 중량%, 0.1 내지 2.0 중량%, 더 바람직하게는 0.2 내지 1.0 중량%, 또는 0.3 내지 0.8 중량%와 같은 0.1 내지 5 중량%일 수 있다. 낮은 알긴산염 함량을 갖는 현재의 하이드로겔에서 당의 방출은 수용액에서와 같이 기본적으로 동일한 확산 속도에 의해 제한된다.
% 칼슘 포화도는 20 % 내지 65 %, 또는 38 % 내지 46 %, 더 바람직하게는 25 % 내지 55 %, 더 바람직하게는 30 % 내지 55 %, 더 바람직하게는 30 % 내지 46 %, 더욱 더 바람직하게는 30 % 내지 38 %와 같이 20 % 내지 80 %일 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 알긴산염 하이드로겔은 알긴산칼슘 및 알긴산염의 혼합물을 포함한다. 알긴산염은 알긴산나트륨, 알긴산칼륨 및 알긴산암모늄 또는 이들의 임의의 혼합물일 수 있다.
알긴산염 하이드로겔의 겔 강도는 총 알긴산염 함량 및 % 칼슘 포화도에 의해 결정된다. 바람직한 겔 강도는 더 높은 % 칼슘 포화도와 함께 더 낮은 총 알긴산염 함량에 의해 얻을 수 있다. 마찬가지로, 바람직한 겔 강도는 더 낮은 % 칼슘 포화도와 함께 더 높은 총 알긴산염 함량으로 얻을 수 있다.
알긴산염 하이드로겔의 겔 강도는 또한 알긴산염의 유형에 따라 결정되며, 고-M-알긴산염/저-G-알긴산염은 동일한 겔 강도를 얻기 위해 더 높은 % 칼슘 포화도를 필요로 한다. 유사하게, 고-G 알긴산염/저-M 알긴산염은 동일한 겔 강도를 얻으며 이장현상을 피하거나 감소시키기 위해 더 낮은 % 칼슘 포화도를 필요로 한다.
따라서, 본 발명의 영양 보충제는:
i) 30 내지 65 % 칼슘 포화와 같은 30 % 내지 80 % 칼슘 포화인, 총 알긴산염 0.1 내지 1 중량%를 포함하는 알긴산염 하이드로겔, 또는
ii) 20 % 내지 55 % 칼슘 포화와 같은 20 % 내지 65 % 칼슘 포화인, 총 알긴산염 0.3 내지 5 중량%를 포함하는 알긴산염 하이드로겔
로 구성될 수 있다.
하이드로겔 용액 내 활성 성분의 함량은 바람직하게는 10 내지 75 중량%이다.
하이드로겔 용액 내 당 함량은 45 내지 70 중량%와 같이 1 내지 75 중량%일 수 있다.
당은 글루코스, 프럭토스, 수크로스, 이소말툴로스로부터 선택될 수 있다.
하이드로겔 용액 내 글루코스의 함량은 0 내지 35 중량%, 15 내지 35 중량%, 바람직하게는 15 내지 32 중량%일 수 있다.
하이드로겔 용액 내 프럭토스의 함량은 0 내지 75 중량%, 바람직하게는 15 내지 50 %, 예컨대 30 내지 50중량%, 또한 바람직하게는 15 내지 30 중량%일 수 있다.
하이드로겔 용액 내 수크로스의 함량은 0 내지 60 중량%, 30 내지 50중량%, 또는 15 내지 30 중량%일 수 있다.
존재할 경우 프럭토스 대 글루코스 비율은 0.3:1 내지 1.2:1, 바람직하게는 0.5:1 내지 1:1와 같은 0.1:1 내지 10:1일 수 있다.
복합 탄수화물은 전분, 말토덱스트린, 및 펙틴으로부터 선택될 수 있다.
하이드로겔 용액 내 복합 탄수화물의 함량은 5 내지 20 중량%와 같이 0.1 내지 50 중량%일 수 있다.
전해질은 나트륨, 칼륨, 마그네슘 및 아연의 클로라이드, 포스페이트, 카보네이트 및 시트레이트 염으로부터 선택될 수 있다.
임의로 하이드로겔은 카페인 및 비타민 C와 같은 비타민을 포함할 수 있다.
임의로 하이드로겔은 레몬 오일과 같은 향료가 제공될 수 있다.
수용액은 유리하게는 하이드로겔에 캡슐화되어 구강 내 섭취 시에 당 또는 복합 탄수화물과 같은 활성 성분의 제한된 방출만을 허용한다.
바람직한 구현예에서 알긴산염 하이드로겔은:
a) 20 % 내지 65 %와 같은 20 % 내지 80 % 칼슘 포화, 더 바람직하게는 38 % 내지 46 %와 같은 30 % 내지 55 %, 더욱 더 바람직하게는 30 % 내지 46 % 칼슘 포화인, 총 알긴산염 0.3 내지 0.8 중량%와 같은 총 알긴산염 0.2 내지 1.0 중량%, 및
b) 36 내지 48 중량% 글루코스, 18 내지 24 중량% 프럭토스, 및 0.1 내지 0.3 중량% 염화나트륨을 포함하는 수용액
을 포함한다.
또 다른 바람직한 구현예에서 알긴산염 하이드로겔은:
a) 20 % 내지 65 %와 같은 20 % 내지 80 % 칼슘 포화, 더 바람직하게는 38 % 내지 46 %와 같은 30 % 내지 55 %, 더욱 더 바람직하게는 30 % 내지 46 % 칼슘 포화인, 총 알긴산염 0.3 내지 0.8 중량%와 같은 총 알긴산염 0.2 내지 1.0 중량%, 및
b) 36 내지 48 중량% 이소말툴로스, 18 내지 24 중량% 말토덱스트린, 및 0.1 내지 0.3 중량% 염화나트륨을 포함하는 수용액
을 포함한다.
또 다른 바람직한 구현예에서 알긴산염 하이드로겔은:
a) 20 % 내지 65 %와 같은 20 % 내지 80 % 칼슘 포화, 더 바람직하게는 38 % 내지 46 %와 같은 30 % 내지 55 %, 더욱 더 바람직하게는 30 % 내지 46 % 칼슘 포화인, 총 알긴산염 0.3 내지 0.8 중량%와 같은 총 알긴산염 0.2 내지 1.0 중량%, 및
b) 30 내지 50 중량% 글루코스, 15 내지 30 중량% 프럭토스, 0 내지 30 중량% 말토덱스트린, 및 0.1 내지 0.3 중량% 염화나트륨을 포함하는 수용액
을 포함한다.
또 다른 바람직한 구현예에서 알긴산염 하이드로겔은:
a) 20 % 내지 65 %와 같은 20 % 내지 80 % 칼슘 포화, 더 바람직하게는 38 % 내지 46 %와 같은 30 % 내지 55 %, 더욱 더 바람직하게는 30 % 내지 46 % 칼슘 포화인, 총 알긴산염 0.3 내지 0.8 중량%와 같은 총 알긴산염 0.2 내지 1.0 중량%, 및
b) 30 내지 50 중량% 글루코스, 15 내지 30 중량% 프럭토스, 0 내지 30 중량% 수크로스, 0 내지 30 중량% 말토덱스트린, 및 0.1 내지 0.3 중량% 염화나트륨을 포함하는 수용액
을 포함한다.
본 발명에 따른 하이드로겔은 하이드로겔 비드의 형태일 수 있다. 하이드로겔 비드는 3 mm 내지 5 mm의 직경과 같은 1 mm 내지 10 mm의 직경일 수 있다.
대안적으로, 본 발명에 따른 하이드로겔은 시트 또는 블록의 형태로서 제조될 수 있다. 바람직하게는 1회 섭취량(portion) 또는 1회 제공량(serving)으로 바로 섭취할 수 있다. 바람직하게는 하이드로겔은 최종적인 포장 단계에서 직접 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 알긴산염 하이드로겔은:
· 보관시 하이드로겔로부터 탄수화물 용액의 이장현상이 없거나 제한적인 이장현상
· 구강 내 탄수화물의 제한된 방출
· 육체적 운동 중 높은 탄수화물 산화 속도를 지원하며 원치않는 위장 증상을 유발하지 않는 대량의 및 효율적인 탄수화물 흡수
를 제공한다.
본 발명의 또 다른 양태는 스포츠 음료 또는 에너지 음료로서, 바람직하게는는 스포츠 음료로서 본 발명의 영양 보충제의 용도를 제공한다.
따라서, 본 발명은 알긴산염 하이드로겔로 구성된 영양 보충제의 용도를 제공하며, 상기 하이드로겔은:
스포츠 음료 또는 에너지 음료로서
a) 20 % 내지 80 % 칼슘 포화인, 총 알긴산염 0.1 내지 5 중량%, 및
b) 당, 복합 탄수화물, 전해질, 카페인, 및 아미노산 중 하나 이상의 성분으로부터 선택된 활성 성분 1 내지 75 중량%를 포함하는 수용액
을 포함한다.
보다 구체적으로, 본 발명은 운동 전, 운동 중 및/또는 운동 후에 탄수화물 형태의 에너지 공급으로서 영양 보충제의 사용을 제공하여, 용액 내 무-탄수화물의 섭취에 따른 낮은 경구 pH의 우식 효과를 방지한다.
도 1. 40 중량% 글루코스 및 20% 프럭토스의 무(free)-용액 (점선)의 섭취 시 구강 내 pH 감소와 비교한, 40 중량% 글루코스 및 20% 프럭토스의 용액 (실선)을 포함하는 알긴산염 하이드로겔 비드의 섭취 시 치태의 pH 감소. pH 5.5-5.7의 에나멜 임계 수준이 표시되었다.
도 2. 육체적 운동 중 탄수화물 섭취 후 호흡 CO2에서 측정된 13C 동위원소 농축으로부터 계산된 외인성 탄수화물 산화 속도 (실험 A). 사이클리스트 (n=3)는 0분 시점에서 탄수화물 2x36 g을 섭취한 후 20분 간격으로 탄수화물 36 g을 섭취하였다. 0.8:1의 프럭토스 및 글루코스의 혼합물 (60 중량%)이 포함된, 대조군 용액 (좌측) 및 하이드로겔 비드 (우측). 각 곡선은 개별 사이클리스트의 데이터를 나타낸다.
도 3. 육체적 운동 중 탄수화물 섭취 후 호흡 CO2에서 측정된 13C 동위원소 농축으로부터 계산된 외인성 탄수화물 산화 속도 (실험 B). 사이클리스트 (n=3)는 30, 50, 70, 90, 110 및 130분 시점에 탄수화물 31.7 g을 섭취하였다. 0.8:1의 프럭토스 및 말토덱스트린의 혼합물 (60 중량%)이 포함된, 대조군 용액 (좌측) 및 제조된 하이드로겔 (우측). 각 곡선은 개별 사이클리스트의 데이터를 나타낸다.
도 4. 상이한 칼슘 함량 및 상이한 이장현상의 정도를 가진 겔 비드의 사진. 60 % 당 (글루코스 및 프럭토스)이 포함된 비드. 비드는 0.50 중량% 알긴산염 (M/G 비율 0.35:0.65)을 포함한 당 용액으로부터 제조되었다.
도 5. 알긴산염 비드의 압축성에 대한 칼슘 포화도의 영향. 60 % 당 (글루코스 및 프럭토스)이 포함된 비드. 비드는 0.50 중량% 알긴산염 (M/G 비율 0.35:0.65)을 포함한 당 용액으로부터 제조되었다.
본 발명은 치아 부식 및 우식의 위험을 증가시킬 수 있는 탄수화물에 대한 경구 노출을 감소시키는 스포츠 음료로 사용되는 영양 보충제를 제공하는 것을 목표로 한다. 확산 속도에 의해 탄수화물의 방출이 제한되는 하이드로겔에 캡슐화된 탄수화물을 제공함으로써, 고농도의 탄수화물에 대한 급성 경구 노출을 감소시킬 수 있다. 하이드로겔이 없는 일반 탄수화물 용액에 비해, 본 발명에 따른 영양 보충제의 사용은 치태에서 박테리아의 활동으로 유발된 낮은 pH에 대한 노출을 감소시키는 것으로 나타났다 (도 1).
탄수화물의 느린 방출은 탄수화물의 장 흡수 속도를 감소시키는 영향을 줄 것으로 예상되었다. 운동 중 탄수화물 흡수 및 대사 산화의 속도는 동위원소 추적 기법을 사용하여 알아내었다. 예상외로, 탄수화물 흡수 및 산화 속도 (13C-농축의 호기 CO2로 측정)는 하이드로겔-형성 첨가제가 없는 탄수화물 용액의 속도와 매우 유사하였다 (도 2 및 도 3). 게다가, 영양 보충제의 위장 내약성이 예상외로 높아 고강도 훈련 (러닝 또는 사이클링) 중에 위장 증상을 방해하지 않고 제품을 섭취할 수 있었다 (표 2).
알긴산염(Alginates)
알긴, 또는 알긴산이라고도 칭해지는 알긴산염은 갈조류의 세포벽에 널리 분포하는 음이온성 다당류이다. 알긴산염 산은 (l-4)-연결된 β-D-만누로네이트 (M)의 호모폴리머 블록과 그의 C-5 에피머 α-L-굴루로네이트 (G) 잔기의 호모폴리머 블록이 서로 다른 순서 또는 블록으로 공유 결합된 선형 코폴리머이다. 모노머들은 연속적인 G-잔기(G-블록), 연속적인 M-잔기(M-블록)의 호모폴리머 블록 또는 M-잔기와 G-잔기가 교대로 된 블록(MG-블록)으로 나타날 수 있다. 고-G 알긴산염/저-M 알긴산염, 및 고-M 알긴산염/저-G- 알긴산염을 포함하는 모든 형태의 알긴산염은 본 발명에 따라 사용될 수 있다. 바람직하게는, 고-G 알긴산염/저-M 알긴산염은 예컨대 겔 비드의 생산을 촉진하는데 사용된다. 이는 60 % 이상의 G-블록 및 40 % 이하의 M-블록과 같이 G-블록의 양이 M-블록의 양보다 많은 것을 의미한다. 카운터 이온은 예컨대 나트륨 (나트륨-알긴산염), 칼륨 (칼륨-알긴산염), 암모늄 (암모늄 알긴산염) 또는 그 밖의 적절한 수용성 양이온 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
알긴산칼슘(Calcium alginate)
알긴산칼슘은 수성 알긴산에 수성 칼슘 클로라이드와 같은 칼슘을 첨가하여 생성될 수 있는 불수용성 젤라틴 물질이다.
% 칼슘 포화도(% Calcium saturation)
본 발명에 사용된 용어 % 칼슘 포화도는 알긴산염의 만누로네이트/글루로네이트 잔기당 칼슘의 양을 나타내기 위해 사용되며, 100 % 칼슘 포화도는 각 만누로네이트/글루로네이트 잔기당 ½ 칼슘에 해당한다.
Figure pct00001
% 칼슘 포화도는 알긴산염의 가교 결합 수준을 결정하여 겔의 특성, 특히 겔 강도에 기여한다.
알긴산염 하이드로겔의 배치(batch)의 칼슘 함량 및 총 알긴산염 함량, 및 이에 따른 % 칼슘 포화도는 다음의 단계를 사용해 결정될 수 있다;
· 알긴산염 하이드로겔의 1부를 무게로 취하고, 50 mM K2EDTA의 19부를 첨가하는 단계 및 혼합물이 균질 용액되도록 밤새 (17시간) 가만히 두는 단계.
· 칼슘 농도의 측정을 위해 원소 분석 (예컨대 ICP-MS에 의함)을 수행하는 단계. 결과물을 몰 농도 (40 g/mol)로 변환하는 단계.
총 알긴산염 함량은 제형에 따라 알긴산염의 양으로부터 계산된다. 알지 못하는 경우, 총 알긴산염 함량은 다음과 같이 다른 성분을 제거한 후 원소 분석에 의해 결정될 수 있는 탄소 함량으로부터 계산될 수 있다:
· 10 kDa 차단 막이 있는 투석 셀에 둔다. 모든 당을 제거하기에 충분한 시간 동안 (24시간) 25 mM KCl의 낮은 흐름으로 세척한다. 탈이온수의 일부로 투석 셀을 헹굼으로써 및 수집된 총 부피를 측정함으로써 모든 투석액을 회수한다.
· 탄소 측정을 위해 원소 분석을 수행한다. 변환 계수 72 g/mol (6개 탄소 원자를 포함하는 만누로네이트/글루로네이트 잔기당 6x12g)을 사용하여 결과물을 단당류 잔기의 몰 농도로 변환한다. 투석 셀 헹굼에 의해 희석 결과를 수정한다.
· 100 x 2Ca/잔기로 % 칼슘 포화도를 계산한다.
당(sugars)
본 발명에서 사용가능한 당은 글루코스, 프럭토스, 갈락토스와 같은 단당류, 락토스, 말토스, 수크로스, 락툴로스, 트레할로스, 이소말툴로스, 셀로바이오스와 같은 이당류 및 전화당과 같은 이당류의 가수분해 생성물이나, 이에 한정되지 않는다.
복합 탄수화물(complex carbohydrates)
본 발명에서 사용가능한 복합 탄수화물은 아밀로스 및 아밀로펙틴과 같은 전분 성분 및 말토덱스트린 및 글루코스 시럽과 같은 그의 부분적인 가수분해 생성물이나, 이에 한정되지 않는다.
"중량%"는 중량 백분율을 의미하며 질량 백분율이라고도 한다.
실시예
칼슘 포화도 및 겔 특성
61 % 당 (프럭토스 및 글루코스, 0.8:1) 및 0.50 % 알긴산나트륨 (M/G 비율 0.35:0.65), 점도 200-400 mPa.s @ 1%)를 포함하는 용액을 59 % 당 (프럭토스 및 글루코스, 0.8:1) 및 0.30 중량% (27 mmol/kg, 35 mmol/L) CaCl2을 포함한 용기에 교반하는 중에 떨어뜨림으로써 겔 비드를 생성하였다. 1-60분 후 용기로부터 비드를 제거하였다. 칼슘 함량을 다르게 하기 위해 용기에 있는 시간을 달리 하였고, 과량의 Ca-용액을 걸러냈다. 추가적인 검사 또는 사용 전에 비드를 4일간 보관하였다. 더 낮거나 더 높은 칼슘 함량을 가진 비드의 생산을 위해 칼슘 용액에서 비드의 더 짧거나 더 긴 노출을 사용하였다.
전술한 바와 같이, 칼슘 함량을 결정하며, M/G 잔기에 대한 198 MW 및 알긴산염의 건조 손실 10 중량%를 사용하여 칼슘 포화도를 계산하였다. 4일 보관 후 이장현상에 의한 당 용액의 손실은 과량의 액체를 조심스럽게 제거하기 전 및 후에 무게를 측정함으로써 알아내었다. 상이한 칼슘 함량의 겔 비드 사진은 도 4에서 보여진다. 사진에서 칼슘 포화도는 각각 35 % (A), 49 % (B) 및 80 % (C)이다. 겔 비드에서 관찰된 이장현상은 각각 <1 % (A), 12 % (B) 및 32 % (C)이다. 이장현상의 정도는 하이드로겔의 칼슘 포화도가 증가함에 따라 증가하였다.
Texture Analyzer (HDi, Stable Micro Systems, UK)을 사용하여 비드의 기계적인 특성을 측정하였다. 1 cm 직경의 원통형 프로브를 사용하여 0.1 mm/s로 비드를 압축하였다. 40 % 압축에서의 힘을 알아내기 위해 15개의 비드에서 측정을 수행하였다. 결과는 도 5에서 보여지며, 더욱 높은 정도의 칼슘 포화도로 제조된 알긴산염 하이드로겔을 압축하기 위해서는 더욱 큰 힘을 필요로 한다는 것, 즉 더욱 단단해진다는 것을 입증하였다.
결과
칼슘 함량 및 이에 상응하는 칼슘 포화도가 겔 특성에 미치는 영향.
배치(batch) 총 알긴산염 함량* 칼슘 함량 칼슘 포화도 겔 강도/ 특성
170217-NF1/4 0.5 중량% 131 mg/kg 26 % 너무 무른
170217-NF1/6 0.5 중량% 170 mg/kg 34 % 다소 무른
170120-NF1 0.5 중량% 212 mg/kg 42 % 무난한
170222-NF1 0.5 중량% 258 mg/kg 51 % 다소 딱딱한,
약간의 이장현상
* 제형으로부터 계산됨. 중량% 값에 계수 72/198을 곱하여 0.5 중량% 알긴산나트륨의 탄소 함량을 계산할 수 있다.
임상 연구, 낮은 pH에 대한 치아 노출
지원자
스웨덴 예테보리에 있는 치과 연구소 직원들 사이에서 건강한 성인 2명을 모집하였다. 그들은 정상적으로 자극된 타액 분비를 보였고, 활성 우식 병변의 징후가 없으며, 인접면(approximal) 금속 또는 유리 이오노머 충전재가 없었다. 연구는 예테보리에 있는 치과 연구소 우식학과에서 수행되었다.
피험자들은 검사 전날 저녁부터 칫솔질 및 기타 모든 구강 위생 조치를 자제하도록 지시를 받았다. 이 기간 동안 껌 또는 로렌지를 사용해서는 안된다. 그들은 또한 검사 전 마지막 1시간 동안은 식사/음주, 흡연, 코담배 등을 자제해야 한다.
연구 디자인 및 제품
2명의 지원자들은 1) 40 % 칼슘 포화인, 1.0 중량% 총 알긴산염, 및 40 중량% 글루코스 및 20 중량% 프럭토스의 당 용액을 포함하는 알긴산염 비드 및 2) 40 중량% 글루코스 및 20 중량% 프럭토스를 포함하는 당 용액의 섭취 후, 인접면 바이오필름 산생성 능력(acidogenicity)을 평가하기 위해 실험실에 왔다. 각 제품 15 g을 섭취하였다. 피험자들은 3회 섭취량의 제품을 구강에 넣고 적당히 씹으면서 25-30초 안에 삼키도록 지시받았다.
치태-pH 기록
이리듐 미소전극 (Beetrode®, MEPH-1; W.P. Instruments, New Haven, CT, USA)을 사용하여 정제가 놓인 영역에 가까운 두 개의 치간 부위에서 치태 산생성 능력의 측정을 수행하였다. 다공성 유리 기준 전극 (MERE 1; W.P. Instruments)을 갖춘 Orion SA 720 pH/ISE Meter (Orion Research, Boston, MA, USA)에 전극을 연결하였다. 3 M KCl 용액에서 기준 전극과 피험자의 손가락 중 하나 사이에 염 다리가 생성되었다. 정제 사용의 배치(placement) 및 시작 전 (0분)과 후의 5개의 상이한 시점 (2, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 60 및 70분)에 측정을 수행하였다.
결과
도 1에서 볼 수 있듯, 40 중량% 글루코스 및 20 중량% 프럭토스를 포함한 용액 15 g의 섭취는 pH 5.5-5.7에서의 에나멜 임계 수준을 훨씬 밑도는 구강 내 pH를 급격히 감소시켰다. 반면, 본 발명에 따른 알긴산염 비드 내에 캡슐화된 동일한 양의 40 중량% 글루코스 및 20 중량% 프럭토스 용액의 섭취는 pH 5.5에서의 에나멜 임계 수준에 도달하지 않으면서 단지 pH를 완만하게 감소시켰다.
외인성 탄화수소 흡수 및 산화
연구 디자인
잘 훈련된 사이클리스트들은 옥수수 (옥수수) 또는 사탕 수수에서 유래한 탄수화물을 제외한 식단을 유지하였다. 사이클리스트들은 그들의 최대 산소 섭취량 (VO2max)에 대해 실험하며 이에 상응하는 개별 최대 파워 산출량 (Wmax)을 계산하였다. 하나의 실험 (실험 A)동안, 사이클리스트는 180분 동안 50% Wmax으로 운동하였다. 35% 칼슘 포화도로 상기 실시예에서 기술된 바와 같이 제조된 수성 칼슘-알긴산나트륨 하이드로겔 비드의 형태 또는 수용액의 형태로, 탄수화물 (프럭토스/글루코스 비율 = 0.8) 2x36 g의 볼루스 용량이 제공되며, 0분 시점에 두 용액 모두 60 % 탄수화물 함량이었고, 이어서 실험 내내 20분 마다 탄수화물 36 g이 제공되었다.
또 다른 실험 (실험 B), 사이클리스트는 210분 동안 55 % Wmax으로 운동하였다. 시작 30분 후에 사이클리스트들은 하기와 같이 제조된 수성 칼슘-알긴산나트륨 하이드로겔의 형태 또는 수용액으로서, 탄수화물 (프럭토스 /말토덱스트린 비율 = 0.8) 31.7 g을 포함한 섭취량을 제공받으며, 두 용액 모두 60 % 탄수화물 함량이었다. 탄수화물은 시작 후 최대 130분 까지 20분 간격으로 제공되었다. 150분 이후에는 물만 제공되었다.
제조된 하이드로겔은 프럭토스 및 말토덱스트린 (0.8:1) 및, 칼슘 카보네이트 (분산된 고상 입자) 또는 알긴산나트륨 중 하나, 및 시트르산을 포함하는 두 용액을 혼합함으로써 제조되었다. 60 중량% 탄수화물, 0.40 중량% 알긴산염 (M/G 비율 0.35:0.65), 0.030 중량% CaCO3 및 0.050 중량% 시트르산으로 된 혼합물은 1시간 이내 겔화되며 사용 전 적어도 4일 동안 경화되도록 하였다. 칼슘 포화도는 34 %이다.
탄수화물 (옥수수 유래의 글루코스, 말토덱스트린 및 프럭토스)은 13C 농축에 대해 분석되었다. 각 섭취 전, 교환된 산소 (VO2) 및 이산화탄소 (VCO2)의 부피를 기록하고 (Jaeger Oxycon Pro, Viasys Heathcare, Germany), 12 mL Exetainer 튜브에서 얻은 호흡 샘플을 레이저 적외선 분광법 (Delta Ray, Thermo Scientific, Germany)을 사용하여 13CO2/12CO2 비율 (δ13C)에 대해 분석하였다. VO2, VCO2 및 δ13C 값은 분당 gram 단위의 글루코스로 표현되는 외인성 탄수화물 산화 속도를 계산하는데 사용되었다.
결과
하이드로겔 비드의 형태로 제공된 탄수화물 (글루코스 및 프럭토스)의 흡수 및 산화는 수성 대조군 용액과 비교할 때 매우 유사했으며, 비드로부터의 산화 속도 수준은 대조군으로부터의 산화 속도 수준의 약 90 %이었다 (실험 A, 도 2).
제조된 하이드로겔의 형태로 제공된 탄수화물 (말토덱스트린 및 프럭토스)의 흡수 및 산화는 수성 대조군 용액과 비교할 때 매우 유사했으며, 실험 종료시 겔에 대한 산화 속도 수준이 약간 더 높은 경향을 제외하고는 산화 속도 수준의 차이는 보이지 않았다 (실험 B, 도 3).
위통
방법
24-33세의 지구력 스포츠 운동 선수들은 탄수화물을 포함한 하이드로겔 제품을 훈련 세션 및 경기와 함께 시험하기 위해 자원하였다. 운동 선수들은 낮은 수준의 아마추어 = 1 및 엘리트 = 5를 나타내는 등급을 스스로 매겼다. 그들은 모두 운동 중에 탄수화물 보충제를 사용하여 위통을 경험하였다. 하이드로겔 시제품은 4-mm 비드 형태이며, 글루코스 33 중량%, 프럭토스 27 중량%, 고-G 알긴산염 0.5 중량%의 용액을 포함하였고, 추정된 칼슘 포화도는 35-40 %이었다. 1회 제공량은 하이드로겔 비드 40 g (탄수화물 24 g)을 포함하였다. 운동 선수들은 시간당 1-3회 제공량을 섭취하는 1-4시간의 길고 강도 높은 훈련 세션을 포함하여 정상적인 개인 훈련 프로그램에서 최소 2개월 동안 정기적으로 제품을 사용하였다. 운동 선수들은 경미한 (1)에서 중간의 (통증 또는 구역질의 감각, 2-3), 심각한 (토하거나 배변하려는 충동을 포함해 운동능력에 영향을 끼치는, 4-5)에 이르는 경험된 위 불편감에 대해 점수를 매겼다.
결과
탄수화물 섭취가 없는 것과 비교할 때, 참가자 중 시제품을 섭취한 후 훈련 중에 위 불편감을 경험한 사람은 없었다. 참가자 및 점수에 대한 자세한 내용은 표 2에서 요약된다.
위통
성별 연령 국적 스포츠 신장 (cm) 무게 (kg) 운동 수준 1 경험된 GI 불편감 수준 2
전통의 탄수화물 제품 하이드로겔 시제품
남성 28 스웨덴 러닝 191 82 4 4 1
여성 23 스웨덴 오리엔티어링 164 57 5 5 1
남성 31 노르웨이 러닝 176 65 4 4 1
남성 24 스웨덴 오리엔티어링 184 72 5 3 1
남성 37 스웨덴 러닝 171 54 4 4 1
여성 32 스웨덴 사이클링 165 55 5 4 1
남성 26 스웨덴 사이클링 177 82 3 3 1
1 운동 수준. 아마추어 = 1, 엘리트 = 5
2 GI 불편감. 경미한 = 1, 중간의 = 2-3, 운동능력에 영향을 끼치는 = 4-5

Claims (31)

  1. 알긴산염 하이드로겔을 포함한 영양 보충제로서, 상기 하이드로겔은
    a) 20 % 내지 80 % 칼슘 포화인, 알긴산염 0.1 내지 5 중량%, 및
    b) 당, 복합 탄수화물, 전해질, 카페인, 및 아미노산 중 하나 이상의 성분으로부터 선택된 활성 성분 1 내지 75 중량%를 포함하는 수용액
    을 포함하는 것인 영양 보충제.
  2. 제1항에 있어서, 알긴산염은 30 % 이상의 칼슘 포화인 것인 영양 보충제.
  3. 제2항에 있어서 알긴산염은 38 % 이상의 칼슘 포화인 것인 영양 보충제.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 알긴산염은 65 % 이하의 칼슘 포화인 것인 영양 보충제.
  5. 제4항에 있어서, 알긴산염은 55 % 이하의 칼슘 포화인 것인 영양 보충제.
  6. 제5항에 있어서, 알긴산염은 50 % 이하의 칼슘 포화인 것인 영양 보충제.
  7. 제6항에 있어서, 알긴산염은 46 % 이하의 칼슘 포화인 것인 영양 보충제.
  8. 제7항에 있어서, 알긴산염은 38 % 이하의 칼슘 포화인 것인 영양 보충제.
  9. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 하이드로겔은 0.2 중량% 이상의 알긴산염을 포함하는 것인 영양 보충제.
  10. 제9항에 있어서, 하이드로겔은 0.3 중량% 이상의 알긴산염을 포함하는 것인 영양 보충제.
  11. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 하이드로겔은 3 중량% 이하의 알긴산염을 포함하는 것인 영양 보충제.
  12. 제11항에 있어서, 하이드로겔은 2.0 중량% 이하의 알긴산염을 포함하는 것인 영양 보충제.
  13. 제12항에 있어서, 하이드로겔은 1.0 중량% 이하의 알긴산염을 포함하는 것인 영양 보충제.
  14. 제13항에 있어서, 하이드로겔은 0.8 중량% 이하의 알긴산염을 포함하는 것인 영양 보충제.
  15. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 용액 내 활성 성분의 함량은 10 중량% 이상인 것인 영양 보충제.
  16. 제 15항에 있어서, 용액 내 당 함량은 10 중량% 이상인 것인 영양 보충제.
  17. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 용액 내 활성 성분의 함량은 15 중량% 이상인 것인 영양 보충제.
  18. 제17항에 있어서, 용액 내 당 함량은 15 중량% 이상인 것인 영양 보충제.
  19. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 용액 내 활성 성분의 함량은 30 중량% 이상인 것인 영양 보충제.
  20. 제19항에 있어서, 용액 내 당 함량은 30 중량% 이상인 것인 영양 보충제.
  21. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 용액 내 활성 성분의 함량은 45 중량% 이상인 것인 영양 보충제.
  22. 제21항에 있어서, 용액 내 당 함량은 45 중량% 이상인 것인 영양 보충제.
  23. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 당은 글루코스, 프럭토스, 수크로스, 및 이소말툴로스로부터 선택되는 것인 영양 보충제.
  24. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 용액 내 복합 탄수화물의 함량은 0.1 내지 50 중량%인 것인 영양 보충제.
  25. 제24항에 있어서, 용액 내 복합 탄수화물의 함량은 5 내지 20 중량%인 것인 영양 보충제.
  26. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 복합 탄수화물은 전분, 말토덱스트린, 및 펙틴으로부터 선택되는 것인 영양 보충제.
  27. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 전해질은 나트륨, 칼륨, 마그네슘 및 아연의 클로라이드, 포스페이트, 카보네이트 및 시트레이트 염으로부터 선택되는 것인 영양 보충제.
  28. 제1항에 있어서, 상기 하이드로겔은
    a) 20 % 내지 80 % 칼슘 포화인, 알긴산염 0.2 내지 1 중량%, 및
    b) 당, 복합 탄수화물, 전해질, 카페인, 및 아미노산 중 하나 이상의 성분으로부터 선택된 활성 성분 10 내지 75 중량%를 포함하는 수용액
    을 포함하는 것인 영양 보충제.
  29. 제28항에 있어서, 상기 하이드로겔은
    a) 20 % 내지 80 % 칼슘 포화인, 알긴산칼슘 0.3 내지 0.8 중량% 및
    b) 30 내지 50중량% 글루코스, 15 내지 30 중량% 프럭토스, 0 내지 30 중량% 수크로스, 0 내지 30 중량% 말토덱스트린을 포함하는 수용액
    을 포함하는 것인 영양 보충제.
  30. 전술한 항들 중 어느 한 항에 따른 영양 보충제의 스포츠 음료 또는 에너지 음료로서의 용도.
  31. 제30항에 있어서, 스포츠 음료로서의 용도.
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