Re: 식물 음식 - anti-nutritional factors를 줄이는 전략... 영향력지수 5점 논문

[문형철]

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• Published: 06 March 2020

Plant food anti-nutritional factors and their reduction strategies: an overview

• Mrinal Samtiya, 
• Rotimi E. Aluko & 
• Tejpal Dhewa 

Food Production, Processing and Nutrition volume 2, Article number: 6 (2020) Cite this article

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Abstract

Legumes and cereals contain high amounts of macronutrients and micronutrients but also anti-nutritional factors. Major anti-nutritional factors, which are found in edible crops include saponins, tannins, phytic acid, gossypol, lectins, protease inhibitors, amylase inhibitor, and goitrogens. Anti-nutritional factors combine with nutrients and act as the major concern because of reduced nutrient bioavailability. Various other factors like trypsin inhibitors and phytates, which are present mainly in legumes and cereals, reduce the digestibility of proteins and mineral absorption. Anti-nutrients are one of the key factors, which reduce the bioavailability of various components of the cereals and legumes. These factors can cause micronutrient malnutrition and mineral deficiencies. There are various traditional methods and technologies, which can be used to reduce the levels of these anti-nutrient factors. Several processing techniques and methods such as fermentation, germination, debranning, autoclaving, soaking etc. are used to reduce the anti-nutrient contents in foods. By using various methods alone or in combinations, it is possible to reduce the level of anti-nutrients in foods. This review is focused on different types of anti-nutrients, and possible processing methods that can be used to reduce the level of these factors in food products.

요약

콩과 식물과 곡물에는

다량 영양소와 미량 영양소가 많이 함유되어 있지만,

영양소 파괴 인자도 많이 함유되어 있습니다.

식용 작물에서 발견되는 주요 영양소 파괴 인자에는

사포닌, 탄닌, 피트산, 고시폴, 렉틴, 프로테아제 억제제, 아밀라제 억제제, 고이트로젠 등이 있습니다.

Major anti-nutritional factors, which are found in edible crops include

saponins, tannins, phytic acid, gossypol, lectins, protease inhibitors, amylase inhibitor, and goitrogens.

1. 사포닌 (Saponins)

• 정의: 스테로이드 또는 트리터페노이드 구조를 가진 비누 같은 성분
• 항영양 작용:
  • 세포막을 파괴하거나 장내 세포막의 투과성 변화를 유도해 영양소 흡수를 저해
  • 단백질과 결합하여 소화를 방해
  • 적혈구 용혈 작용이 있어 고용량 섭취 시 독성 가능성

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✅ 2. 탄닌 (Tannins)

• 정의: 폴리페놀계 화합물로, 떫은맛을 내는 성분
• 항영양 작용:
  • 단백질과 결합하여 단백질 소화를 저해
  • 철분(Fe) 및 아연(Zn)과 불용성 복합체를 형성하여 무기질 흡수 저해
  • 소화효소 억제 작용 (예: 트립신, 아밀라아제 저해)

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✅ 3. 피틴산 (Phytic acid)

• 정의: 곡물, 콩류 등에 존재하는 인산화된 저장형 물질 (IP6)
• 항영양 작용:
  • Fe, Zn, Ca, Mg 등 양이온 무기질과 강하게 결합하여 흡수를 방해
  • 단백질 및 전분 소화효소와도 결합 가능
  • 특히 채식 위주의 식단에서 미량 무기질 결핍을 초래할 수 있음

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✅ 4. 고시폴 (Gossypol)

• 정의: 주로 면실(cottonseed)에 존재하는 폴리페놀계 독성 화합물
• 항영양 작용:
  • 철 결합 능력으로 인해 철분 흡수 저해
  • 단백질, 효소, 세포막과 결합하여 생리 기능을 억제
  • 남성 생식독성(정자 감소), 간 기능 억제 등 독성 작용 가능

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✅ 5. 렉틴 (Lectins)

• 정의: 당단백질 계열로, 세포막의 당과 특이적으로 결합하는 단백질
• 항영양 작용:
  • 장세포 표면의 당과 결합하여 장 점막을 손상시키고 영양소 흡수 억제
  • 소화효소 작용 방해
  • 대량 섭취 시 구토, 설사 등의 장 자극 증상 유발

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✅ 6. 프로테아제 억제제 (Protease inhibitors)

• 정의: 트립신, 키모트립신 등의 소화효소 활성을 억제하는 성분
• 항영양 작용:
  • 단백질 소화를 방해하여 아미노산 흡수 저해
  • 특히 생콩(날콩) 등에 존재하며, 열처리 시 대부분 불활성화 가능
  • 소화불량, 성장 지연 초래 가능성 있음

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✅ 7. 아밀라아제 억제제 (Amylase inhibitors)

• 정의: 전분 분해 효소(α-amylase)의 활성을 억제하는 단백질류
• 항영양 작용:
  • 탄수화물 분해 억제 → 포도당 흡수 저하
  • 혈당 상승 억제 효과도 있으나, 과도하면 에너지 공급 감소
  • 일부 곡물과 콩류에서 발견됨

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✅ 8. 갑상선 억제 물질 (Goitrogens)

• 정의: 요오드(Iodine) 이용을 방해하거나 갑상선 호르몬 합성을 억제하는 물질
• 항영양 작용:
  • 요오드의 흡수 또는 이용을 방해하여 갑상선 기능 저하
  • 갑상선종(goiter, 갑상선 비대) 유발 가능
  • 주로 배추과 채소(브로콜리, 케일 등)에서 발견되며, 조리 시 파괴됨

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📌 요약 정리 표

항영양소주요 작용방해 대상

사포닌	세포막 파괴, 단백질 결합	단백질, 세포막
탄닌	단백질/무기질 결합	단백질, Fe, Zn 등
피틴산	무기질 킬레이션	Ca, Fe, Zn, Mg
고시폴	효소 억제, 독성	철분, 간, 생식계
렉틴	장 점막 손상	전반적 흡수 기능
프로테아제 억제제	소화효소 억제	단백질 소화
아밀라아제 억제제	전분 분해 억제	탄수화물 소화
갑상선 억제제	요오드 대사 저해	갑상선 기능

영양소 파괴 인자는

영양소와 결합하여 영양소의 생체 이용률을 감소시키기 때문에

주요 관심사입니다.

콩과 식물과 곡물에 주로 존재하는

트립신 억제제와 피테이트 같은 다양한 다른 요소들은

단백질의 소화율과 미네랄 흡수를 감소시킵니다.

항영양소는

곡물과 콩과 식물의 다양한 구성 요소들의 생체 이용률을 감소시키는

주요 요인들 중 하나입니다.

이러한 요소들은

미량 영양소 결핍과 미네랄 결핍을 유발할 수 있습니다.

이러한

항영양소 요소들의 수준을 감소시키기 위해 사용할 수 있는

다양한 전통적인 방법과 기술이 있습니다.

발효, 발아, 탈피, 고압 멸균, 담그기 등과 같은

여러 가지 가공 기법과 방법이 식품의 항영양소 함량을 줄이는 데 사용됩니다.

다양한 방법을 단독으로 또는 조합하여 사용함으로써

식품의 항영양소 함량을 줄일 수 있습니다.

이 리뷰는

다양한 유형의 항영양소와 식품의 항영양소 함량을 줄이기 위해 사용할 수 있는

가공 방법에 초점을 맞추고 있습니다.

Graphical abstract

A brief overview of beneficial effects of anti-nutrients and reduction strategy.

Introduction

In Asian countries, cereals and legumes are considered as major staple foods. Cereal grains such as rice, wheat and maize belong to the grass family Graminae and hold valuable place within the staple food crops, because they are consumed throughout the world. Cereal grains provide ample amounts of carbohydrates, proteins, vitamins and most importantly dietary fibers, which are necessary for our daily diet as well as growth and maintenance of the human body (Nadeem et al. 2010). Wheat is one of the key edible food crops, which is consumed by almost one-third of the world’s population. Wheat is the most diverse crop, which is grown throughout the world with approximately 750 million tons produced annually (FAOSTAT 2016). Wheat is mainly considered a high nutritive value cereal crop because of its composition, and contents of macronutrients like proteins, carbohydrates and fats, in addition to minerals such as zinc, phosphorus, iron, calcium, magnesium (FAO 2018a, b). Recently, wheat-based foodstuffs have gained extensive attention in the consumer market and also from the food companies due to their health beneficial components.

One example is the wheat flour-based cookies, which are made by baking into a product with very little moisture content and serve as source of energy for consumers (Adeyeye and Akingbala 2016; Okaka 1997). Maize or corn (Zea mays L.) is the key cereal crop, which is cultivated throughout the world and considered as a vital source of food for humans as well as feed for livestock (Tenaillon and Charcosset 2011; Gwirtz and Garcia-Casal 2014). After wheat and rice consumption levels, corn is considered as the 3rd most important cereal crop worldwide (De Vasconcelos et al. 2013). Corn is consumed in various forms such as snacks, main dishes and children’s foods; it is cultivated in large parts of the world mainly in Asia, Africa and America (Ekpa et al. 2018; Aoudou et al. 2012). Corn contains 65 to 84% starch, 9 to 10% protein, 3 to 5% fat, 3% ash and 2 to 3% fibre (Ihekoronye and Ngoddy 1985). Corn consists of ample amounts of essential minerals and the B vitamins; therefore, when consumed as whole grains, it could deliver sufficient quantity of nutrients (Ranum et al. 2014). Moreover, corn bran is a rich source of dietary fibre that can be applied to human foods, as well as in animal feed formulations (Rose et al. 2010). Corn possesses rich amounts of water and fat-soluble vitamins, which act as precursors for vitamin A (Oboh et al. 2010). In respect of nutritional quality, cereals contain low amounts of proteins but high amounts of carbohydrates.

For example, wheat flour contains 10% protein content but nearly 87% of carbohydates, while Bajra or Pearl Millet (P. glaucum) contains 11 g of protein and approximately 73 g of carbohydrates (Kavitha and Parimalavalli 2014; Malik 2015). In terms of nutritional composition, cereals are rich sources of carbohydrates, vitamins and fibre but they are deficient (limiting) in the amino acid lysine. In contrast, legumes are rich sources of lysine; therefore, cereal flours can be supplemented with legumes to overcome the limiting amino acid problem (Katina et al. 2005; Awolu et al. 2015, 2017). Cereal grains are also considered as rich sources of minerals mainly zinc and iron, in addition to ample amounts of vitamins and calories (Temba et al. 2016). Many cereal bars also come into consideration because some snack bars made from cereals, may be formulated to contain lesser amounts of total calories (Suhem et al. 2015). Cereals, which come under coarse category are also known as ‘nutricereals’ due to their exceptional functional and nutritional properties. Coarse cereals commonly include corn, sorghum, oats, barley, pearl millet and finger millet (Kaur et al. 2014). During growth, plants synthesize various types of phytochemicals or secondary metabolites by using shikimate pathways (Zhang et al. 2015). Along with corn and wheat, rice (Oryza sativa L.) is one of the principal edible cereal crops, which is consumed for human nutrition. After sugarcane (1.9 billion tonnes) and corn (1.0 billion tonnes), rice is the third highest cultivated staple crop worldwide at 741.5 million tonnes (Kennedy and Burlingame 2003; FAOSTAT 2017). In the Asian regular diet, cooked rice is mainly consumed as a whole grain and it adds about 40–80% to the over-all calorie intake (Paramita et al. 2002; Hossain et al. 2009; Singh et al. 2005). In terms of various advantages, rice starch is much better than corn with respect to flavor (bland), colour (white), greater resistance to acid and hypo-allergenic properties (Wani et al. 2012). Pearl millet is considered an edible crop, which shows resistance against drought conditions and also cultivated mainly in sub-saharan Africa and India as an essential food, though India is the main producing country (Wang et al. 2018).

소개

아시아 국가에서는 곡물과 콩류가 주요 주식으로 간주됩니다.

쌀, 밀, 옥수수 같은 곡물은 풀과에 속하는 곡물로서 전 세계적으로 소비되기 때문에 주식 작물 중에서 중요한 위치를 차지합니다. 곡물에는 탄수화물, 단백질, 비타민, 그리고 무엇보다도 우리 몸의 성장과 유지에 필요한 식이섬유가 풍부하게 함유되어 있습니다(Nadeem et al. 2010).

밀은 세계 인구의 거의 1/3이 소비하는 주요 식량 작물 중 하나입니다. 밀은 가장 다양한 작물로, 전 세계에서 재배되고 있으며, 연간 약 7억 5천만 톤이 생산됩니다(FAOSTAT 2016년). 밀은 주로 단백질, 탄수화물, 지방과 같은 다량 영양소와 아연, 인, 철, 칼슘, 마그네슘과 같은 미네랄을 함유하고 있기 때문에 영양가가 높은 곡물로 간주됩니다(FAO 2018a, b). 최근 밀을 원료로 한 식품은 건강에 유익한 성분으로 인해 소비자 시장과 식품 회사들 사이에서 큰 관심을 받고 있습니다. 그 예로, 수분 함량이 매우 적은 제품을 구워 만든 밀가루 기반 쿠키를 들 수 있습니다. 이 쿠키는 소비자에게 에너지원으로 작용합니다(Adeyeye and Akingbala 2016; Okaka 1997).

옥수수(Zea mays L.)는 전 세계적으로 재배되는 주요 곡물 작물이며, 인간에게 필수적인 식량 공급원이자 가축의 사료로 간주됩니다(Tenaillon and Charcosset 2011; Gwirtz and Garcia-Casal 2014). 밀과 쌀의 소비량에 이어 옥수수는 세계에서 세 번째로 중요한 곡물 작물로 간주됩니다(De Vasconcelos et al. 2013). 옥수수는 간식, 메인 요리, 어린이 음식 등 다양한 형태로 소비되며, 주로 아시아, 아프리카, 미국 등 세계 여러 지역에서 재배됩니다(Ekpa et al. 2018; Aoudou et al. 2012). 옥수수에는 전분 65~84%, 단백질 9~10%, 지방 3~5%, 회분 3%, 섬유소 2~3%가 함유되어 있습니다(Ihekoronye and Ngoddy 1985). 옥수수에는 필수 미네랄과 비타민 B가 풍부하게 함유되어 있기 때문에 통곡물로 섭취할 경우 충분한 양의 영양소를 공급할 수 있습니다(Ranum et al. 2014). 또한, 옥수수 겨는 식이섬유가 풍부하여 인간이 섭취하는 식품뿐만 아니라 동물 사료 제조에도 사용될 수 있습니다(Rose et al. 2010). 옥수수에는 비타민 A의 전구물질 역할을 하는 수용성 비타민과 지용성 비타민이 풍부하게 함유되어 있습니다(Oboh et al. 2010). 곡물의 영양적 품질을 고려할 때, 곡물에는 단백질은 적지만 탄수화물은 풍부하게 함유되어 있습니다.

예를 들어, 밀가루는 단백질 함량이 10%에 불과하지만 탄수화물이 거의 87%를 차지하는 반면, 바즈라 또는 진주 수수(P. glaucum)는 단백질 11g과 탄수화물 약 73g을 함유하고 있습니다(Kavitha and Parimalavalli 2014; Malik 2015). 영양 성분 측면에서 곡물은 탄수화물, 비타민, 섬유질이 풍부하지만, 아미노산인 리신이 부족합니다(제한적임).

반면에 콩류는 리신이 풍부하므로, 곡물 가루에 콩류를 첨가하면 아미노산 제한 문제를 극복할 수 있습니다(Katina et al. 2005; Awolu et al. 2015, 2017). 곡물 시리얼은 비타민과 칼로리도 풍부할 뿐 아니라, 아연과 철분을 비롯한 미네랄의 풍부한 공급원으로 간주됩니다(Temba 외. 2016). 곡물로 만든 스낵바의 경우, 총 칼로리 함량이 낮게 조절되어 있는 경우가 많기 때문에, 많은 곡물 바가 고려 대상에 포함됩니다(Suhem 외. 2015). 거친 곡물 카테고리에 속하는 곡물들은 뛰어난 기능성과 영양적 특성 때문에 '영양 곡물'이라고도 불립니다. 거친 곡물에는 일반적으로 옥수수, 수수, 귀리, 보리, 팥, 핑거밀레(Kaur et al. 2014)가 포함됩니다.

성장하는 동안 식물들은 시키메이트 경로(Zhang et al. 2015)를 통해 다양한 종류의 식물 화학 물질 또는 2차 대사 산물을 합성합니다. 옥수수, 밀과 함께 쌀(Oryza sativa L.)은 인간 영양을 위해 소비되는 주요 식용 곡물 작물 중 하나입니다. 사탕수수(19억 톤)와 옥수수(10억 톤)에 이어 쌀은 7억 4,150만 톤으로 전 세계에서 세 번째로 많이 재배되는 주요 작물입니다(Kennedy and Burlingame 2003; FAOSTAT 2017).

아시아인의 규칙적인 식단에서 조리된 쌀은 주로 통곡물로 섭취되며, 전체 칼로리 섭취량의 약 40-80%를 차지합니다(Paramita et al. 2002; Hossain et al. 2009; Singh et al. 2005). 다양한 장점 측면에서, 쌀 전분은 맛(담백함), 색(흰색), 산에 대한 저항성, 저자극성 특성(Wani et al. 2012) 측면에서 옥수수보다 훨씬 낫습니다. 진주 수수는 식용 작물로 간주되며, 가뭄 조건에 대한 저항성을 보여주고, 필수 식품으로 주로 사하라 이남 아프리카와 인도에서 재배되지만, 인도가 주요 생산국입니다(Wang et al. 2018).

In traditional systems, indigenous knowledge plays a key role in disease diagnosis and health care practices, which has encouraged consumption of cereals throughout the world as a main source of nutrients in various diets. In addition, recent trends indicate an increased demand for conventional or major tropical cereals. However, millets have been neglected and are underutilized even though they have tremendous potential as an economic and food crop. Food quality assessment of this type of underutilized crop can lead to increased sustainability or food security while improving the economic condition and human health of rural populations (Gopalan et al. 1989; Ebert 2014). This is because millets can be consumed as flour, breakfast food with milk, rolled into balls or parboiled and are recognized as high energy-containing foods, which can help in combating malnutrition (FAO 2018a, b, 2009). Consumption of whole cereal grains could protect against obesity, cardiovascular diseases, diabetes and other types of chronic health disorders (Oghbaei and Prakash 2016). For example, millets have antioxidative properties due to the presence of phenolic compounds, which have been shown to protect against cardiovascular diseases (Kumari et al. 2019).

Legumes are edible crops that belong to the Leguminosae family and second only to cereals in terms of level of human consumption (Sánchez-Chino et al. 2015; Seigler 2005). Common legumes, which are consumed all over the world include cranberry beans, black beans, Great Northern beans, navy beans, chickpeas, kidney beans, lentils etc. Legume grains contain desirable levels of ingredients that can enhance nutritional quality such as high protein concentration, potassium, fiber, and low glycemic index. Consumption of legume seeds is believed to have a strong impact on blood pressure reduction while conferring antioxidant benefits (Polak et al. 2015; Vaz Patto et al. 2015). Soybean (Glycine max) comes under the leguminous family; it is widely grown in tropical, subtropical and temperate climates, containing a higher amount of protein (36%) than cereals, nearly 30% of carbohydrates and exceptional amounts of minerals, vitamins and dietary fiber. Soybean is one of the most important crops used for producing edible oil because the seed contains about 20% of oil (Edema et al. 2005; Food and Agricultural Organization of the United Nations 2004; Gibson and Benson 2005). Soybean could also be used for making nutritious food products such as cookies, snack foods, bread, soups and pasta due to the rich protein concentration as well as balanced amino acid profile (Edema et al. 2005). Silva et al. (2019) reported that soybean is also used for producing soymilk, which can be consumed as such or used for preparing fermented soymilk, tofu and soy yogurt.

It has been found that significant amounts of sulphur-containing amino acids like methionine and cysteine are present in cereal grains. Methionine and cysteine have many nutraceutical properties that are helpful to prevent health disorders such as lowering the risk of cardiovascular diseases, reduced blood pressure, and decreased incidence of tumor. Leguminous crops mainly provide ample amounts of protein when compared to cereals. In comparison to meat, eggs and poultry, soybean is the only crop, which provides a cheap and high quality protein (Edema et al. 2005; Food and Agricultural Organization of the United Nations 2004). In developing countries, one of the key nutritional problems is protein energy malnutrition (Edema et al. 2005). Soybean has much supreme concentration of protein, fibre, minerals and vitamins; the high concentration of fibre in soybeans may help in reducing the incidence of type-2 diabetes, constipation and hypercholesterolemia (Gibson and Benson 2005; Edema et al. 2005; Food and Agricultural Organization of the United Nations 2004). Peanut or groundnut (Arachis hypogaea L.) also comes under the leguminous family; it is a seed crop, which is cultivated in tropical and subtropical climates. It consumed in different forms including as a component of formulated or processed foods, roasted nut and also for edible oil extraction (Stalker 1997). Groundnut seeds are good sources of several essential minerals such as calcium, phosphorus, magnesium and zinc as well as vitamin B1 (FAO 2002). Groundnut also contains ample amounts of vitamin E (α- tocopherol), which is widely used to prevent oxidative deterioration in lipid-rich foods (de Camargo and Silva et al. (2019). Kersting’s groundnut (Kerstigiella geocarpa Harms) is considered an underutilized legume; it consists of high amounts of essential minerals, protein and amino acids. The crop is grown mainly in Africa and is considered an alternative to high protein foods (Bayorbor et al. 2010).

전통적인 시스템에서 토착 지식은 질병 진단과 건강 관리 관행에 중요한 역할을 해 왔으며, 이로 인해 전 세계적으로 다양한 식단의 주요 영양 공급원으로 곡물 섭취가 장려되었습니다. 또한 최근 추세에 따르면 전통적인 열대 곡물 또는 주요 열대 곡물에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 그러나 기장은 경제적 작물 및 식량 작물로서 엄청난 잠재력을 가지고 있음에도 불구하고 무시되고 활용도가 낮습니다. 이러한 유형의 활용도가 낮은 작물의 식품 품질 평가는 지속 가능성 또는 식품 안전성을 향상시키는 동시에 농촌 인구의 경제적 조건과 인간 건강을 개선할 수 있습니다(Gopalan et al. 1989; Ebert 2014). 기장은 밀가루, 아침 식사용 우유, 공 모양으로 말거나 반숙으로 조리할 수 있으며, 영양가가 높은 식품으로 인정받고 있기 때문에 영양실조 퇴치에 도움이 될 수 있습니다(FAO 2018a, b, 2009). 곡물 전체를 섭취하면 비만, 심혈관 질환, 당뇨병 및 기타 만성 건강 장애를 예방할 수 있습니다(Oghbaei and Prakash 2016). 예를 들어, 기장은 페놀 화합물의 존재로 인해 항산화 특성을 지니고 있으며, 이는 심혈관 질환을 예방하는 것으로 나타났습니다(Kumari et al. 2019).

콩과 식물은 콩과에 속하는 식용 작물로, 인간이 소비하는 수준에서 곡물에 이어 두 번째로 많이 소비되는 작물입니다(Sánchez-Chino et al. 2015; Seigler 2005). 전 세계적으로 소비되는 일반적인 콩과 식물에는 크랜베리 빈, 검은콩, 그레이트 노던 빈, 네이비 빈, 병아리콩, 강낭콩, 렌틸콩 등이 있습니다. 콩과식물 곡물에는 높은 단백질 농도, 칼륨, 섬유질, 낮은 혈당 지수와 같은 영양적 품질을 향상시킬 수 있는 성분이 적정 수준으로 함유되어 있습니다. 콩과식물 씨앗을 섭취하면 혈압을 낮추는 데 큰 영향을 미칠 수 있으며, 항산화 효과도 얻을 수 있다고 합니다(Polak et al. 2015; Vaz Patto et al. 2015). 콩(Glycine max)은 콩과에 속하며, 열대, 아열대, 온대 기후에서 널리 재배됩니다. 곡물보다 단백질(36%)이 더 많고, 탄수화물이 거의 30%이고, 미네랄, 비타민, 식이섬유가 매우 풍부합니다.

콩은 식용유를 생산하는 데 사용되는 가장 중요한 작물 중 하나입니다.

콩의 씨앗에는 약 20%의 기름이 함유되어 있기 때문입니다(Edema et al. 2005; Food and Agricultural Organization of the United Nations 2004; Gibson and Benson 2005).

콩은 단백질 농도가 높고 아미노산 조성이 균형 잡혀 있기 때문에 쿠키, 스낵, 빵, 수프, 파스타 등 영양가 있는 식품을 만드는 데에도 사용할 수 있습니다(Edema et al. 2005). Silva et al. (2019)은 콩이 두유 생산에도 사용되며, 두유는 그대로 섭취하거나 발효 두유, 두부, 두유 요구르트 등을 만드는 데 사용된다고 보고했습니다.

곡물에는 메티오닌과 시스테인과 같은 다량의 황 함유 아미노산이 함유되어 있는 것으로 밝혀졌습니다. 메티오닌과 시스테인은 심혈관 질환의 위험 감소, 혈압 감소, 종양 발생률 감소 등 건강 장애 예방에 도움이 되는 많은 기능성 영양소를 가지고 있습니다. 콩과 작물은 곡물에 비해 단백질을 풍부하게 공급합니다. 콩은 육류, 달걀, 가금류와 비교할 때 유일하게 저렴하고 고품질의 단백질을 공급하는 작물입니다(Edema et al. 2005; Food and Agricultural Organization of the United Nations 2004). 개발도상국에서 주요 영양 문제 중 하나는 단백질 에너지 영양실조입니다(Edema et al. 2005). 콩은 단백질, 섬유질, 미네랄, 비타민이 매우 풍부합니다. 콩에 함유된 섬유질의 높은 농도는 제2형 당뇨병, 변비, 고콜레스테롤혈증의 발생률을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다(Gibson and Benson 2005; Edema et al. 2005; Food and Agricultural Organization of the United Nations 2004).

땅콩(Arachis hypogaea L.)도 콩과에 속하며, 열대 및 아열대 기후에서 재배되는 종자 작물입니다. 땅콩은 가공 식품의 구성 요소, 구운 견과류, 식용유 추출 등 다양한 형태로 소비됩니다(Stalker 1997). 땅콩 씨앗은 칼슘, 인, 마그네슘, 아연과 같은 여러 가지 필수 미네랄과 비타민 B1의 좋은 공급원입니다(FAO 2002). 땅콩에는 또한 지질이 풍부한 식품의 산화적 변질을 방지하는 데 널리 사용되는 비타민 E(α-토코페롤)가 풍부하게 함유되어 있습니다(de Camargo and Silva et al. (2019). Kersting의 땅콩(Kerstigiella geocarpa Harms)은 활용도가 낮은 콩과 식물로 간주됩니다. 이 땅콩은 필수 미네랄, 단백질, 아미노산이 풍부하게 함유되어 있습니다. 이 작물은 주로 아프리카에서 재배되며 고단백 식품의 대안으로 간주됩니다(Bayorbor et al. 2010).

In rural areas, micronutrient deficiencies such as those involving vitamins and minerals are one of the biggest causes of health-related problems (Black et al. 2013). This is because the presence of micronutrients in bulk amounts is not the only important nutritional factor but also their bioavailability is critical in meeting human nutrient needs. In raw foodstuffs, the lower mineral bioavailability decreases the nutritional value of these foods, which could lead to the development of metabolic health disorders. Thus, the nutritional condition of a population can be improved by enhancing bioavailability of food nutrients (Bouis et al. 2019; Gupta et al. 2015). Unfortunately, millets, though cheap and can be grown easily are reported to have low a nutritional value due to the presence of anti-nutritional factors, which reduce nutrient bioavailability (Sarita and Singh 2016). Legumes also comprise of many natural toxicants or anti-nutrients, which include tannins, metal chelators, protease inhibitors, saponins, cyanogens, phytic acid, isoflavonoids, etc. (Pariza 1996). One of the major anti-nutrients is phytate, which chelates and mainly affects bioavailability of calcium and other micronutrients such as iron, copper and zinc. Some other factors such as polyphenols and oxalates are also considered as anti-nutrients that can limit food mineral bioavailability (Kaushik et al. 2018). However, phytochemicals such as phenolic compounds show antioxidant activity through their potency in scavenging ROS, reducing power and/or metal-chelating activity towards ferric and ferrous ions. While not all polyphenols exhibit chelating properties, phytochemicals like isoflavones, genistein and biochanin A are considered as ideal antioxidants because they possess the quality of reducing agents in addition to metal ion-chelating properties (de Camargo et al. 2019).

Like other grains, several anti-nutritional factors are found in wheat, which may have effect on the digestibility of wheat products and by this means, affect human health (FAO 2018a, b). Anti-nutrients can have significant adverse effects on the nutritional value of foods; therefore, reducing their concentration in foods is a major goal in human nutrition. Subsequently, legumes are commonly eaten as protein sources along with cereals, but in order to eliminate the anti-nutrients, suitable processing of these food substances should be encouraged before their consumption (Reddy and Pierson 1994). Like other legumes, peanuts are also comprised of anti-nutrients, which can impair nutrient bioavailability through formation of indigestible complexes with minerals and proteins (Francis et al. 2002; Lönnerdal 2002). In addition to decreasing nutrient bioavailability, anti-nutrients can become toxic when present beyond a certain amount. Therefore, reduction in the levels of anti-nutritional factors in edible crops is an area of research interest due to the need to prevent toxicity and associated health problems caused by these anti-nutrients (Gemede and Ratta 2014).

The anti-nutritional factors, which reduce the nutritional value of foods can be reduced by the use of traditional food preparation methods such as fermentation, cooking, soaking and puffing. These food processing techniques reduce anti-nutritional factors, increase protein digestibility and improve the biological value of cereal crops (Handa et al. 2017; Jaybhaye and Srivastav 2015). Therefore, the main focus of this review is to discuss various anti-nutrients present in foods and also assess processing methods that can be used to reduce the concentration of anti-nutritional factors such as phytate, saponins, polyphenols and protease inhibitors.

농촌 지역에서는 비타민과 미네랄과 같은 미량 영양소 결핍이 건강 관련 문제의 가장 큰 원인 중 하나입니다(Black et al. 2013). 이는 미량 영양소의 대량 존재가 유일한 중요한 영양 요소는 아니지만, 생체 이용률이 인간의 영양소 요구를 충족시키는 데 중요하기 때문입니다. 생식 식품의 경우, 미네랄의 생체 이용률이 낮으면 이러한 식품의 영양가가 감소하여 대사 건강 장애가 발생할 수 있습니다. 따라서, 식품 영양소의 생체 이용률을 높임으로써 인구의 영양 상태를 개선할 수 있습니다(Bouis et al. 2019; Gupta et al. 2015).

안타깝게도,

기장은 저렴하고 쉽게 재배할 수 있지만,

영양소 생체 이용률을 감소시키는 항영양 인자의 존재로 인해

영양가가 낮다고 보고되고 있습니다(Sarita and Singh 2016).

콩과식물에는 또한 탄닌, 금속 킬레이트제, 프로테아제 억제제, 사포닌, 시아노겐, 피트산, 이소플라보노이드 등을 포함한 많은 천연 독성 물질 또는 항영양소가 포함되어 있습니다(Pariza 1996).

주요 항영양소 중 하나는

피테이트로,

칼슘과 철, 구리, 아연과 같은 기타 미량영양소의 생체이용률을 주로 저해하는 킬레이트제입니다.

폴리페놀과 옥살산염과 같은 다른 요소들도

음식의 미네랄 생체 이용률을 제한할 수 있는 항영양소로 간주됩니다(Kaushik et al. 2018).

그러나

페놀 화합물과 같은 식물성 화학물질은 활성산소를 제거하는 효능, 환원력, 그리고/또는

제2철 및 제1철 이온에 대한 금속 킬레이트 활성을 통해

항산화 작용을 나타냅니다.

모든 폴리페놀이 킬레이트 특성을 나타내는 것은 아니지만,

이소플라본, 제니스테인, 바이오카닌 A와 같은 식물성 화학물질은

금속 이온 킬레이트 특성 외에도 환원제의 특성을 가지고 있기 때문에

이상적인 항산화제로 간주됩니다(de Camargo et al. 2019).

다른 곡물과 마찬가지로 밀에도 영양가를 떨어뜨리는 여러 가지 요인이 존재하는데, 이로 인해 밀 제품의 소화율에 영향을 미치고, 그 결과 인간의 건강에 영향을 미칠 수 있습니다(FAO 2018a, b). 항영양소는 식품의 영양적 가치에 상당한 악영향을 미칠 수 있으므로, 식품 내 항영양소의 농도를 줄이는 것이 인간 영양의 주요 목표입니다. 따라서 콩과식물은 일반적으로 곡물과 함께 단백질 공급원으로 섭취되지만, 항영양소를 제거하기 위해서는 이러한 식품 물질을 섭취하기 전에 적절한 가공을 권장해야 합니다(Reddy and Pierson 1994). 다른 콩과 식물과 마찬가지로 땅콩도 항영양소 성분을 함유하고 있습니다.

항영양소 성분은

미네랄과 단백질과 소화되지 않는 복합체를 형성함으로써

영양소의 생체 이용률을 떨어뜨릴 수 있습니다(Francis et al. 2002; Lönnerdal 2002).

항영양소는

영양소의 생체 이용률을 떨어뜨릴 뿐 아니라

일정량 이상 존재할 경우 독성을 나타낼 수 있습니다.

따라서

식용 작물의 항영양소 수준을 낮추는 것은

이러한 항영양소로 인한 독성과 관련 건강 문제를 예방해야 하는 필요성 때문에

연구의 관심 분야입니다(Gemede and Ratta 2014).

발효, 조리, 담그기, 찌기 등 전통적인 조리 방법을 사용하면

식품의 영양가를 떨어뜨리는

항영양 인자를 줄일 수 있습니다.

이러한 식품 가공 기술은

항영양 인자를 줄이고,

단백질 소화율을 높이며,

곡물 작물의 생물학적 가치를 향상시킵니다(Handa et al. 2017; Jaybhaye and Srivastav 2015).

따라서

이 리뷰의 주요 초점은 식품에 존재하는 다양한 항영양소에 대해 논의하고,

피테이트, 사포닌, 폴리페놀, 프로테아제 억제제와 같은

항영양 인자의 농도를 줄이기 위해 사용할 수 있는

가공 방법을 평가하는 것입니다.

Anti-nutrient factors

Several types of anti-nutritional factors with toxic potential have been measured in foods and shown to be heat-stable or heat-labile. These factors include saponins, tannins, phytic acid, gossypol, lectins, protease inhibitors, amylase inhibitors, antivitamin factors, metal binding ingredients, goitrogens, etc. Nutrition-related problems and harmful effects to human health are raised by these factors, which are present in the seeds of cereals and legumes. Figure 1 shows a brief overview of the adverse effects of key anti-nutrients that are present in foods.

항영양 인자

독성 잠재력을 가진 여러 종류의 항영양 인자가 식품에서 측정되었으며,

열에 안정적이거나 열에 불안정한 것으로 나타났습니다.

이러한 영양소에는

사포닌, 탄닌, 피트산, 고시폴, 렉틴,

프로테아제 억제제, 아밀라제 억제제, 항비타민 인자, 금속 결합 성분, 고이트로젠 등이 포함됩니다.

곡물과 콩류의 씨앗에 존재하는 이러한 영양소들은

영양 관련 문제와 인체 건강에 해로운 영향을 미칩니다.

그림 1은 식품에 존재하는 주요 항영양소의 부작용에 대한 간략한 개요를 보여줍니다.

Fig. 1

A brief overview of the adverse effects of key anti-nutrients (Schlemmer et al. 2009; Wilson et al. 1981; Gemede and Ratta 2014; Jansman et al. 1998; Muramoto 2017)

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Saponins

Saponins are commonly considered as non-volatile, surface active secondary metabolites, which are broadly dispersed in nature but found principally in plants. Saponins are steroids or triterpenes and contain a sugar moiety in their structure. They are naturally produced as foam-producing triterpene or glycosides by many plant species, including groundnut, lupin, oil seeds, etc. (Kiranmayi 2014). Triterpenoid saponins are usually found in most cultivated crops such as legumes (e.g. soybean, peanuts, chickpeas, broad beans, and lentils), sunflower seeds, spinach leaves, tea leaves, quinoa seeds, sugar beet and allium species. In contrast, steroid saponins are generally present in food plants such as oats, yucca, tomato seeds, fenugreek seeds, asparagus, aubergine, and yam (Fenwick et al. 1991; Moses et al. 2014). Saponins are plant-derived secondary compounds, which are found in more than 100 families of wild and cultivated plants that belong to the Magnoliophyta division. Magnoliophyta can be divided into two key classes: Liliopsida and Magnoliopsida, which contain majority of species that produce saponins (Vincken et al. 2007). Saponins have a property of being able to interact with the cholesterol group of erythrocyte membranes, which leads to hemolysis (Fleck et al. 2019). Previous studies have reported that saponins also showed inhibitory activities of digestive enzymes such as amylase, glucosidase, trypsin, chymotrypsin and lipase, which can cause indigestion-related health disorders (Ali et al. 2006; Birari and Bhutani 2007; Ercan and El 2016; Lee et al. 2015; Liener 2003). Glucosidases are carbohydrate-hydrolyzing enzymes, which are mainly involved in the breakdown of glycosidic bonds in complex sugars. α-Glucosidase is one of the important glucosidases, which is present in the brush border of the small intestine. α-Glucosidase facilitates glucose absorption by breaking the glycosidic bonds in disaccharides and starch to produce the simpler and more absorbable monosaccharides (Kumar et al. 2011). Saponins are not readily hydrolyzed by the human digestive enzymes, therefore gastrointestinal digestion can be severely impaired (Amin et al. 2011). Previous studies have demonstrated that animal metabolism and health could be affected by saponins in different ways. The effects include bloating in ruminants, reduced nutrient absorption, decreased liver cholesterol and overall growth rate, and reduced intestinal absorption of many nutrients through binding of saponins to the small intestine cells (Addisu and Assefa 2016; Kregiel et al. 2017). It should be noted that the low levels of saponins in legumes may not be injurious to health but could become toxic when consumed at higher concentrations in the diet (Jansman et al. 1998). For example, sheep were died when fed saponin levels ≥ 150 mg/kg body weight (Williams 1978). Saponins are also considered as factors that reduce absorption of vitamins. It has been suggested that saponins can form complexes with various sterols that have similar structures as fat-soluble vitamins, which would interfere with sterol activity and absorption (Cheeke 1971). A previous study by Jenkins and Atwal (1994) reported that a diet prepared by using Gypsophila and Quillaja, which contained triterpenoid saponins, reduced the absorption of vitamins A and E when fed to chicks.

사포닌

사포닌은

일반적으로 비휘발성, 표면 활성 이차 대사 산물로 간주되며,

자연에 널리 분포되어 있지만 주로 식물에서 발견됩니다.

사포닌은

스테로이드 또는 트리테르펜이며,

그 구조에 당 성분을 포함하고 있습니다.

땅콩, 루핀, 오일 시드 등을 포함한 많은 식물 종에서

거품 생성 트리테르펜 또는 배당체로 자연적으로 생성됩니다(Kiranmayi 2014).

트리테르페노이드 사포닌은

콩류(예: 콩, 땅콩, 병아리콩, 잠두, 렌즈콩), 해바라기 씨, 시금치 잎, 차잎, 퀴노아 씨, 사탕무, 부추과 식물 등

대부분의 재배 작물에서 발견됩니다.

반면에

스테로이드 사포닌은

일반적으로 귀리, 유카, 토마토 씨앗, 호로파 씨앗, 아스파라거스, 가지, 참마와 같은

식용 식물에서 발견됩니다(Fenwick et al. 1991; Moses et al. 2014).

사포닌은 식물에서 유래된 2차 화합물로,

목본식물문에 속하는 100여 종의 야생 및 재배 식물에서 발견됩니다.

목본식물은 두 가지 주요 분류군으로 나눌 수 있습니다:

백합목과 목본목으로,

이 두 분류군에는 사포닌을 생산하는 대부분의 종이 포함되어 있습니다(Vincken et al. 2007).

사포닌은

적혈구막의 콜레스테롤 그룹과 상호작용할 수 있는 성질을 가지고 있으며,

이로 인해 용혈이 일어납니다(Fleck et al. 2019).

이전 연구에 따르면

사포닌은 소화 불량과 관련된 건강 장애를 유발할 수 있는

아밀라아제, 글루코시다아제, 트립신, 키모트립신, 리파아제와 같은

소화 효소의 억제 작용을 나타낸다고 합니다

(Ali et al. 2006; Birari and Bhutani 2007; Ercan and El 2016; Lee et al. 2015; Liener 2003).

글루코시다아제는

탄수화물을 분해하는 효소로서,

주로 복합당에 존재하는 글리코시드 결합의 분해에 관여합니다.

α-글루코시다아제는

소장의 점막에 존재하는 중요한 글루코시다아제 중 하나입니다.

α-글루코시다아제는

이당류와 전분에서 글리코시드 결합을 끊어

더 간단하고 흡수하기 쉬운 단당류를 생성함으로써

포도당 흡수를 촉진합니다(Kumar et al. 2011).

사포닌은

인간의 소화 효소에 의해 쉽게 가수분해되지 않으므로,

위장 소화 기능이 심각하게 손상될 수 있습니다(Amin et al. 2011).

이전 연구에 따르면 사포닌은 동물들의 신진대사 및 건강에 다양한 방식으로 영향을 미칠 수 있는 것으로 나타났습니다. 그 영향에는 반추동물의 복부팽만, 영양소 흡수 감소, 간 콜레스테롤 수치 및 전반적인 성장률 감소, 그리고 소장 세포에 사포닌이 결합하여 많은 영양소의 장내 흡수 감소 등이 포함됩니다(Addisu and Assefa 2016; Kregiel et al. 2017).

콩과식물에 함유된 사포닌의 낮은 농도는 건강에 해롭지 않을 수 있지만,

식이요법에서 더 높은 농도로 섭취할 경우 독성이 있을 수 있다는 점에 유의해야 합니다(Jansman et al. 1998).

예를 들어,

사포닌의 섭취량이 체중 1kg당 150mg 이상일 때

양이 죽는다는 연구 결과가 있습니다(Williams 1978).

사포닌은 또한

비타민 흡수를 감소시키는 요인으로 간주됩니다.

사포닌은 지용성 비타민과 유사한 구조를 가진 다양한 스테롤과 복합체를 형성할 수 있으며, 이로 인해 스테롤의 활동과 흡수를 방해할 수 있다는 주장이 제기되었습니다(Cheeke 1971). Jenkins와 Atwal(1994)의 이전 연구에 따르면, 트리테르페노이드 사포닌을 함유한 안개꽃과 키야자를 사용하여 준비한 식단은 병아리에 비타민 A와 E의 흡수를 감소시켰습니다.

Phytates

Phytates or phytic acids occur naturally in the plant kingdom. Phytate is generally known as myo-inositol-1,2,3,4,5,6-hexakis dihydrogen phosphate, which is present in foods at various levels ranging from 0.1 to 6.0% (Gupta et al. 2015). Phytic acid is a secondary compound, which concentrates naturally in plant seeds, mainly in legumes, peanuts, cereals, and oilseeds and generally found in all plant-based foods (Lolas 1976; Garcı́a-Estepa et al. 1999). In several cases, phytates contain about 50 to 80% of the total phosphorous in seeds (Lott et al. 2000; Raboy 2000). Because plant-based foods contain more amount of phytic acids than animal-based foods, the vegetarian diets culture in developing countries contribute to high ingestion levels (Kwun and Kwon 2000; Amirabdollahian and Ash 2010). According to a previous report, phytic acid hinders the activity of enzymes, which are necessary for protein degradation in the small intestine and stomach (Kies et al. 2006). Generally, phytic acids affect the bioavailability of minerals and has a strong effect on infants, pregnant and lactating women when large portions of cereal-based foods are consumed (Chan et al. 2007; Al Hasan et al. 2016). During germination of seeds, some native enzymes are activated, which degrade the phytic acid (Kaukovirta-Norja et al. 2004; Larsson and Sandberg 1992). In wheat and rice, which are generally recognized as monocotyledon crops, phytates are present in the bran or aleurone layer and can be easily separated during milling. On the other hand, in diacotyledons such as legumes, oilseeds and nuts, phytates are found in close association with proteins, which reduces ease of separation by a simple processing method like milling (Sinha and Khare 2017). Phytic acid is generally a negatively-charged structure, which generally binds with positively-charged metal ions such as zinc, iron, magnesium and calcium to make complexes and reduce the bioavailability of these ions through lower absorption rates. Mainly due to this chelating property, phytic acid is considered as a most effective anti-nutrient in foods, and a cause of mineral ions deficiencies in animal and human nutrition (Grases et al. 2017; Bora 2014).

피테이트

피테이트 또는 피트산은 식물계에서 자연적으로 발생합니다.

피테이트는

일반적으로 myo-inositol-1,2,3,4,5,6-hexakis dihydrogen phosphate로 알려져 있으며,

식품에 0.1~6.0%의 다양한 수준으로 존재합니다(Gupta et al. 2015).

피트산은 식

물 종자, 주로 콩과 식물, 땅콩, 곡물, 유지 종자에 자연적으로 농축되는 2차 화합물이며,

일반적으로 모든 식물성 식품에서 발견됩니다(Lolas 1976; García-Estepa et al. 1999).

여러 사례에서,

피테이트는 씨앗에 함유된 전체 인의 약 50~80%를 차지합니다(Lott et al. 2000; Raboy 2000).

식물성 식품은 동물성 식품보다 피트산이 더 많이 함유되어 있기 때문에,

개발도상국의 채식 문화는 높은 섭취 수준에 기여합니다(Kwun and Kwon 2000; Amirabdollahian and Ash 2010).

이전의 보고에 따르면,

피트산은 소장과 위장에서

단백질 분해에 필요한 효소의 활동을 방해합니다(Kies et al. 2006).

일반적으로,

피트산은 미네랄의 생체 이용률에 영향을 미치며,

곡물 기반 식품을 다량 섭취할 경우 유아, 임산부, 수유부에게 강한 영향을 미칩니다(Chan et al. 2007; Al Hasan et al. 2016).

씨앗이 발아하는 동안,

일부 천연 효소가 활성화되어 피트산(Kaukovirta-Norja et al. 2004; Larsson and Sandberg 1992)을

분해합니다.

일반적으로 외떡잎식물로 알려진 밀과 쌀의 경우,

피테이트는

밀기울이나 배젖층에 존재하며,

제분 과정에서 쉽게 분리될 수 있습니다.

반면에

콩과 식물, 유지 종자, 견과류와 같은 쌍떡잎 식물에서는

피테이트가 단백질과 밀접하게 결합되어 있어

분쇄와 같은 간단한 처리 방법으로 쉽게 분리할 수 없습니다(Sinha and Khare 2017).

피트산은

일반적으로 음전하를 띠는 구조로,

일반적으로 아연, 철, 마그네슘, 칼슘과 같은 양전하를 띤 금속 이온과 결합하여 복합체를 형성하고,

낮은 흡수율을 통해 이러한 이온의 생체 이용률을 감소시킵니다.

주로 이 킬레이트화 특성 때문에 피트산은

식품에서 가장 효과적인 항영양소로 간주되며,

동물과 인간의 영양에서 미네랄 이온 결핍의 원인으로 간주됩니다(Grases et al. 2017; Bora 2014).

Tannins

Tannins are phenolic compounds, which consist of molecular weights greater than 500 Da. One of the properties of these compounds is that they can precipitate proteins. Tannins are secondary compounds, which are formed in plant leaves, fruits and bark (Timotheo and Lauer 2018). Tannins usually affect protein digestibility and lead to reduction of essential amino acids by forming reversible and irreversible tannin-protein complexes between the hydroxyl group of tannins and the carbonyl group of proteins (Lampart-Szczapa et al. 2003; Raes et al. 2014). Proteins, which generally form complexes with tannins are relatively large and hydrophobic in nature, in addition to an open and flexible structure that is enriched with proline (Frutos et al. 2004). Tannins are largely concentrated in beverages, pomegranate, berry fruits and cocoa bean, although they are also found in cereals such as sorghum and barley (Serrano et al. 2009; Morzelle et al. 2019). In nature, there are two types of tannin groups: hydrolyzable (e.g. gallotannins and ellagitannins) and condensed (e.g. proanthocyanidins). Peanut and millets also contain proanthocyanidins (condensed tannins) in ample amounts (de Camargo and da Silva Lima 2019; Chandrasekara and Shahidi 2011). In ruminants, hydrolysable type of tannins are readily broken down during the digestion process. The breakdown products constitute a large amount of compounds, which can be toxic (Kumar 1992). Leguminous forage and some seeds generally contain mostly condensed tannins. Previous studies showed that goats are resistant to these tannins while cattle and sheep are sensitive (Smeriglio et al. 2017; Bhattarai et al. 2016; D’Mello 2000). Tannins accumulate mainly in the bran section of the legumes. When ingested, tannins form complexes with proteins, which cause inactivation of many digestive enzymes and decrease protein digestibility (Joye 2019).

탄닌

탄닌은

분자량이 500Da 이상인 페놀 화합물입니다.

이 화합물의 특성 중 하나는

단백질을 침전시킬 수 있다는 것입니다.

탄닌은

식물 잎, 과일, 나무 껍질에서 형성되는 이차 화합물입니다(Timotheo and Lauer 2018).

탄닌은 일반적으로

단백질 소화율에 영향을 미치고

탄닌의 수산기와 단백질의 카르보닐기 사이에 가역적 또는 비가역적 탄닌-단백질 복합체를 형성하여

필수 아미노산을 감소시킵니다(Lampart-Szczapa et al. 2003; Raes et al. 2014).

단백질은

일반적으로 탄닌과 복합체를 형성하며,

비교적 크고 친수성이며,

프롤린이 풍부한 개방적이고 유연한 구조를 가지고 있습니다(Frutos et al. 2004).

탄닌은

주로 음료, 석류, 베리류 과일, 코코아 콩에 많이 함유되어 있지만,

수수나 보리와 같은 곡물에도 함유되어 있습니다(Serrano et al. 2009; Morzelle et al. 2019).

자연계에는 가수분해 가능한 타닌(갈로타닌과 엘라기타닌 등)과 응축된 타닌(프로안토시아니딘 등)의 두 가지 타닌 그룹이 있습니다.

땅콩과 기장에도 프로안토시아니딘(응축된 탄닌)이 풍부하게 함유되어 있습니다(de Camargo and da Silva Lima 2019; Chandrasekara and Shahidi 2011).

반추 동물에서는 소화 과정에서 가수분해 가능한 유형의 탄닌이 쉽게 분해됩니다.

분해 산물은 독성을 나타낼 수 있는 많은 양의 화합물을 구성합니다(Kumar 1992).

콩과 식물 사료와 일부 씨앗에는 대부분 응축된 타닌이 함유되어 있습니다.

이전 연구에 따르면 염소는 이러한 타닌에 내성이 있는 반면, 소와 양은 민감한 것으로 나타났습니다(Smeriglio et al. 2017; Bhattarai et al. 2016; D'Mello 2000).

타닌은 주로 콩과 식물의 겨 부분에 축적됩니다.

탄닌을 섭취하면 탄닌이 단백질과 복합체를 형성하여 많은 소화 효소의 비활성화를 유발하고 단백질 소화율을 감소시킵니다(Joye 2019).

Enzyme inhibitors

Proteinases are enzymes, which have diverse roles in improving nutritional and functional properties of various protein molecules (Salas et al. 2018). Various proteolytic actions are performed by proteases inhibitors (PIs) such as signal initiation, transmission and cellular apoptosis, inflammatory response, blood coagulation and several pathways of hormone processing (Gomes et al. 2011). Cereal seeds mainly contain plant serpins, one of the largest protease inhibitor family, which are also known as “suicide inhibitors” having molecular weight of 39 to 43 kDa and also found in several other species in the plant kingdom (Habib and Fazili 2007; Haq et al. 2005). Serpins are the effective inhibitors, which generally inhibit trypsin and chymotrypsin activities by acting upon the overlapping reactive sites of the enzymes (Dahl et al. 1996). Protease inhibitors are natural plant inhibitors, which have become an important research area due to their effective way of limiting enzyme activity by forming protein–protein interactions. They inhibit the enzyme activity through the catalytic mode by blocking the active site of the enzymes. The N- or C-terminus and the exposed loop of protease inhibitors are frequently considered important structural features for the inhibition of enzyme activity (Otlewski et al. 2005). Ragi contains bifunctional inhibitor, which inactivates the protein and starch-degrading enzymes by making trimetric complex interactions with trypsin and α-amylase, respectively (Shivaraj and Pattabiraman 1981). Legumes contain high amounts of protease inhibitors, α-amylase inhibitors and lectins, which could lead to low minerals bioavailability as well as reduced nutrients absorption and digestibility (Bajpai et al. 2005; Yasmin et al. 2008). Compared to legumes, cereals contains much lower amounts of these digestion inhibitors, especially those that act against proteases and amylases (Nikmaram et al. 2017). Within the gastrointestinal (GI) tract of animals, proteolytic enzyme activity could be severely inhibited by protease inhibitors present in diets (Nørgaard et al. 2019). The Kunitz trypsin inhibitor and Bowman-Birk inhibitor are two kinds of protease inhibitors, which are commonly found in soybean but are not readily inactivated by heat treatment due to the presence of disulfide bridges (Liu 1997; Van Der Ven et al. 2005). There are several enzyme inhibitors that are present in plant-derived foods but those that affect trypsin and α-amylase activities are the two key types, which are found in almost all cereals and legume-based foods. α-amylase mainly regulates the breakdown of carbohydrates such as polysaccharides into oligosaccharides. Therefore, enzyme inhibitors that specifically inhibit α-amylase activity will increase carbohydrate absorption time by delaying carbohydrate digestion. Due to the increased carbohydrate digestion time, glucose absorption rate is decreased and this affects the normal postprandial plasma glucose level (Bhutkar and Bhise 2012). Various previous studies have shown that seeds, which are rich in trypsin inhibitors may increase the satietogenic hormone i.e. cholecystokinin (CCK) and cause reduction in food intake and body weight (Serquiz et al. 2016; Chen et al. 2012; Ribeiro et al. 2015). Occurrence of trypsin inhibitors in human diets can lead to decreased growth rate by reducing protein digestion and availability of amino acids in addition to causing pancreatic hyperplasia (Adeyemo and Onilude 2013). However, several studies have reported that enzyme inhibition (e.g. alpha-amylase, alpha-glucosidase, lipase) may also provide health benefits related to the prevention of type 2 diabetes and obesity as discussed by Li and Tsao (2019).

효소 억제제

프로테아제는

다양한 단백질 분자의 영양적, 기능적 특성을 개선하는 데

다양한 역할을 하는 효소입니다(Salas et al. 2018).

프로테아제 억제제(PI)는

신호 전달, 전달, 세포 사멸, 염증 반응, 혈액 응고, 호르몬 처리의 여러 경로 등

다양한 단백질 분해 작용을 수행합니다(Gomes et al. 2011).

곡물 씨앗에는

주로 식물 세르핀이 함유되어 있는데,

이 세르핀은 분자량이 39~43kDa이고 “

자살 억제제”로도 알려진 가장 큰 프로테아제 억제제 계열의 하나이며,

식물계에 속하는 여러 다른 종에서도 발견됩니다(Habib and Fazili 2007; Haq et al. 2005).

세린 프로테아제 억제제(serpins)는 모든 생명체에서 발견되며 여러 생리학적 과정에서 필수적인 역할을 합니다. 슈퍼패밀리의 다양성으로 인해 계통 발생 분석은 어려우며, 원핵 세르핀은 예상치 못하게 높은 상동성으로 인해 수평 유전자 전달을 통해 진핵생물로부터 획득된 것으로 추측되어 왔습니다. 여기에서는 다양한 세르핀의 구조적 정렬을 활용하여 모든 생명체의 세르핀을 포괄하는 포괄적인 6,000개 서열의 계통 발생을 생성했습니다. 우리는 고도로 보존된 세르핀의 중심 “허브” 외에도, 슈퍼패밀리가 많은 새로운 기능적 클라드로 광범위하게 다양화되었다는 것을 보여줍니다. 우리의 분석에 따르면, 허브 단백질은 수평 유전자 전달이라는 대안적 가설보다는 수렴적 진화로 인해 고대적이고 유사하다는 것을 알 수 있습니다. 이 연구는 세르핀의 진화에 대한 오랜 의문을 명확히 하고 세르핀 생물학 분야의 연구에 새로운 방향을 제시합니다.

세르핀은

효소의 중복 반응 부위에 작용하여

트립신과 키모트립신의 활성을 억제하는 효과적인 억제제입니다(Dahl et al. 1996).

프로테아제 억제제는

단백질-단백질 상호작용을 형성하여 효소 활성을 효과적으로 제한하는 방식으로 인해

중요한 연구 분야가 된 천연 식물 억제제입니다.

이들은 효소의 활성 부위를 차단하여

촉매 작용을 통해 효소 활성을 억제합니다.

N- 또는 C-말단 및 노출된 루프는 효소 활성을 억제하는 중요한 구조적 특징으로 간주됩니다(Otlewski et al. 2005). 라기에는 트립신과 α-아밀라아제와 각각 삼차 복합 상호작용을 만들어 단백질과 전분 분해 효소를 비활성화시키는 이중 기능 억제제를 포함하고 있습니다(Shivaraj and Pattabiraman 1981). 콩과식물에는 다량의 프로테아제 억제제, α-아밀라제 억제제, 렉틴이 함유되어 있어, 미네랄 생체 이용률을 낮추고 영양소 흡수 및 소화율을 감소시킬 수 있습니다(Bajpai et al. 2005; Yasmin et al. 2008). 콩과 식물과 비교했을 때, 곡물에는 이러한 소화 억제제가 훨씬 적게 함유되어 있는데, 특히 프로테아제와 아밀라아제에 작용하는 소화 억제제가 더 적게 함유되어 있습니다(Nikmaram 외. 2017). 동물의 위장(GI) 기관 내에서, 프로테아제 억제제는 식단에 존재하는 프로테아제 억제제에 의해 심각한 억제 작용을 받을 수 있습니다(Nørgaard 외. 2019). Kunitz trypsin inhibitor와 Bowman-Birk inhibitor는 두 종류의 프로테아제 억제제로, 대두에서 흔히 발견되지만, 이황화 결합의 존재로 인해 열처리에 의해 쉽게 비활성화되지 않습니다(Liu 1997; Van Der Ven et al. 2005). 식물성 식품에는 여러 가지 효소 억제제가 존재하지만, 트립신과 α-아밀라아제 활성에 영향을 미치는 두 가지 주요 유형의 효소 억제제가 거의 모든 곡물과 콩류 식품에 존재합니다. α-아밀라아제는 주로 다당류와 같은 탄수화물을 올리고당으로 분해하는 과정을 조절합니다. 따라서 α-아밀라아제 활성을 억제하는 효소 억제제는 탄수화물 소화를 지연시켜 탄수화물 흡수 시간을 증가시킵니다. 탄수화물 소화 시간이 길어짐에 따라 포도당 흡수율이 감소하고, 이는 식후 혈장 포도당 수치에 영향을 미칩니다(Bhutkar and Bhise 2012). 여러 연구에 따르면 트립신 억제제가 풍부한 씨앗은 포만감을 유발하는 호르몬인 콜레시스토키닌(CCK)을 증가시키고 음식 섭취량과 체중을 감소시키는 것으로 나타났습니다(Serquiz et al. 2016; Chen et al. 2012; Ribeiro et al. 2015). 인간의 식단에서 트립신 억제제가 발생하면 췌장 비대증을 유발할 뿐 아니라 단백질 소화와 아미노산 가용성을 감소시켜 성장률을 감소시킬 수 있습니다(Adeyemo and Onilude 2013). 그러나 여러 연구에 따르면 효소 억제(예: 알파-아밀라제, 알파-글루코시다아제, 리파제)가 제2형 당뇨병과 비만 예방과 관련된 건강상의 이점을 제공할 수 있다고 Li와 Tsao(2019)가 논의한 바 있습니다.

Lectins and haemagglutinins

Lectins and hemagglutinins are a form of sugar-binding proteins, which easily attach to red blood cells to cause agglutination. These anti-nutrients are mainly found in foods, which are consumed in raw forms (Hamid et al. 2013). Cereals and legumes generally contain lectins, which are glycoproteins. In addition, transport and hydrolytic functions of the enterocyte would be impaired by consumption of foods that contain lectins (Krupa 2008). Phytohemagglutinin is a tetrameric glycoprotein with a molecular mass of 120 kDa, which is found in kidney beans and also consists of two diverse subunits (Lajolo and Genovese 2002). In rats, kidney bean phytohemagglutinin appears to upregulate the function and metabolism of the whole gastrointestinal tract, which includes growth of the small intestine, increased length of the tissue and number of intestinal crypt cells (Bardocz et al. 1995). In another study, phytohemagglutinins enhanced growth of the rat pancreas by increasing CCK hormone release; however, an independent mechanism was responsible for intestinal growth (Herzig et al. 1997). Purified lectins from beans or soybeans impaired rat growth, induced enlargement of the small intestine, caused damage to the epithelium of the small intestine, and stimulated hypertrophy and hyperplasia of the pancreas. Lectins impair nutrient absorption by binding to intestinal epithelial cells, and also cause damages in the intestinal tract, which allow bacterial population to come into contact with the blood stream (Muramoto 2017).

렉틴과 헤마글루티닌

렉틴과 헤마글루티닌은 당 결합 단백질의 일종으로, 적혈구에 쉽게 부착되어 응집을 일으킵니다. 이러한 항영양소는 주로 날 것으로 섭취하는 식품에 함유되어 있습니다(Hamid et al. 2013). 곡물과 콩류에는 일반적으로 당단백질인 렉틴이 함유되어 있습니다. 또한, 장내 세균의 수송 및 가수분해 기능은 렉틴이 함유된 식품을 섭취하면 손상될 수 있습니다(Krupa 2008). 피토헤마글루티닌은 분자량이 120kDa인 4량체 당단백질로, 강낭콩에 함유되어 있으며 두 개의 서로 다른 서브유닛으로 구성되어 있습니다(Lajolo and Genovese 2002). 쥐의 경우, 강낭콩 식물성 헤마글루티닌은 소장의 성장, 조직의 길이 증가, 장 크립트 세포 수 증가를 포함하는 전체 위장관의 기능과 신진대사를 상향 조절하는 것으로 보입니다(Bardocz et al. 1995). 또 다른 연구에서, 피토헤마글루티닌은 CCK 호르몬 분비를 증가시켜 쥐의 췌장 성장을 촉진하는 것으로 나타났습니다. 그러나, 장의 성장에는 독립적인 메커니즘이 관여하는 것으로 밝혀졌습니다(Herzig et al. 1997). 콩이나 대두에서 추출한 정제된 렉틴은 쥐의 성장을 방해하고, 소장의 비대를 유발하며, 소장의 상피를 손상시키고, 췌장의 비대 및 증식을 촉진합니다. 렉틴은 장 상피세포에 결합하여 영양소 흡수를 방해하고, 장에 손상을 입혀 박테리아 집단이 혈류와 접촉할 수 있도록 합니다(Muramoto 2017).

Strategies used to reduce food levels of anti-nutrients

Previous studies have shown that anti-nutrients cause adverse effects on diet value by reducing nutritional significance of foods. Prasad et al. (1963) reported that Egyptian boys were found deficient with zinc minerals, especially those that consumed bread and beans consistently. It is now very well accepted that phytate present in foods is one of the key concerns for the zinc deficiency. Jenkins and Atwal (1994) reported that dietary saponins reduced the growth and feed proficiency in chicks, while the absorption of vitamins A and E as well as lipids was also negatively impacted. A previous study by Lee et al. (1993) concluded that the metabolism of calcium, zinc and phosphorous was adversely affected when phytate was given to female rats. Besides their property of reduction of various minerals and nutrients, these anti-nutrients could cause toxicity when present in higher amounts in the diet. Due to these reasons, reduction in the anti-nutritional content of foods is of great interest. Different traditional methods and technological processing ways such as soaking, milling, debranning, roasting, cooking, germination and fermentation have been used for reducing these anti-nutritional components in foods. Here we describe various processing methods, which are used to decrease the concentration of phytate, tannin, saponins, etc. in foods (Table 1).

Table 1 Anti-nutrients and their concentrations in different food sources

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Milling

Milling is the most traditional method to separate the bran layer from the grains. It is a process by which grains are ground into flour. The milling technique removes anti-nutrients (e.g. phytic acid, lectins, tannins), which are present in the bran of grains, but this technique has a main disadvantage that it also removes important minerals (Gupta et al. 2015). For example, research on millet milling reported that the chemical composition of pearl millets was changed due to milling process. On the other hand, no much change was observed in pearl millet flour when processed through baking. However, milling and heating process during making of chapatti reduced the phytic acid and polyphenol contents in addition to significant improvements in starch and protein digestion (Chowdhury and Punia 1997). In another research, two varieties of pearl millets were used for eval‎uating their nutrients, anti-nutrients, and mineral bioavailability after milling them into whole flour, bran rich segment and semi-refined flour. The results of nutrient composition showed that no difference was found in semi-refined flour and whole flour except fat content, which was 1.3%. However, the contents of phytate and oxalate were found to be low in semi-refined flour when compared with whole flour, due to removal of the bran fraction (Suma and Urooj 2014).

Soaking

Soaking is an attractive method for removing anti-nutrient content of foods because it also reduces cooking time. Soaking also enhances release of enzymes (e.g. endogenous phytases), which are present in plant foods like almonds and other nuts and grains. Soaking generally provides essential moist conditions in nuts, grains and other edible seeds, which are required for their germination and associated reductions in level of enzyme inhibitors as well as other anti-nutrients to enhance digestibility and nutritional value (Kumari 2018). Soaking is also commonly required for fermentation, which can also be used to reduce the level of various anti-nutrients in foods (Gupta et al. 2015). Many of the anti-nutrients are water soluble in nature, which enhance their removal from foods through leaching. Soaking generally increases the hydration level of legumes and cereals, which make them soft and also activate an endogenous enzyme like phytase to enhance ease of further processing such as cooking or heating. A previous study stated that 6 h soaking reduced 27.9% and 24 h of soaking reduced 36.0% of phytic acid at room temperature in Mucana flagellipes (Udensi et al. 2008). Due to soaking, activity of phytase increased, which reduced the phytate component present in the grains. As a result of soaking and fermentation, phytochemicals are reduced due to leaching of water-soluble vitamins and minerals in grains and legumes (Ogbonna et al. 2012; Kruger et al. 2014). However, soaking commonly reduces the content of anti-nutrient phytochemicals like phytate, tannins, etc. Therefore, due to these benefits, it was recommended that wheat and barley should be consumed after soaking for a period of time (Gupta et al. 2015), especially 12 to 24 h (Ertas and Turker 2014); Mahgoub and Elhag 1998; Onwuka 2006). For example, during soaking, endogenous or exogenous phytase enzymes could enhance the in vitro solubility of minerals such as zinc and iron by 2 to 23% (Vashishth et al. 2017). A previous research carried out by Greiner and Konietzny (2006) showed that soaking reduced phytate content significantly at 45 °C and 65 °C. Soaking of grains and beans was found much effective to enhance the minerals concentration and protein availability, accompanied by reductions in phytic acid level (Coulibaly et al. 2011). Another study reported that phytic acid concentration in chickpea was deceased by 47.45 to 55.71% when the soaking time was increased from 2 to 12 h (Ertaş and Türker 2014).

Autoclave and cooking

Autoclave is an application, which is generally used for heat treatments. When this application is used on cereals and other plant-based foods, it activates the phytase enzyme as well as increases acidity (Ertop and Bektaş 2018). Most of the foods showed health benefits when consumed after autoclaving. For example, boiling of food grains reduced anti-nutrients content, which improved their nutritional value (Rehman and Shah 2005). Soaking and cooking also greatly decreased the phytic content in legume grains (Vadivel and Biesalski 2012). Food legumes are generally cooked by boiling or by using a pressure cooker prior to consumption. Previous studies also reported that boiling or cooking highly improved the nutritional value of foods by reducing their anti-nutritional (e.g. tannins and trypsin inhibitors) contents (Patterson et al. 2017). Another study by Vadivel and Biesalski (2012) reported that phytic acid concentration drastically decreased in legume grains when they were treated with cooking and soaking. A previous study by Vidal-Valverde et al. (1994) showed much reduced amounts of phytic acid in lentils when the seeds were treated with soaking followed by cooking application for a short period. Another research by Mustafa and Adem (2014) reported that whole wheat bread, which was treated through autoclave and microwave application showed reduced level of phytic acid, but the level of total free (unbound) mineral content was increased. This is because phytic acid possess mineral-chelating property; therefore, reduction in phytates lowers the level of bound minerals while enhancing free mineral contents. Another study also reported that the nutritional quality of legumes was much improved after cooking due to reductions in the contents of lectins and saponins (Maphosa and Jideani 2017). In another study, it was reported that anti-nutrients of black grams and mung beans were reduced by pressure-cooking when compared to normal cooking treatment (Kataria et al. 1989). A study by Shah (2001) observed that pressure-cooking reduced the tannins content, which led to improved black gram protein digestibility. Savage and Mårtensson (2010) also reported that oxalate content of taro leaves was reduced by 47% when boiled in water for 40 min, even though there was no significant reduction observed in oxalate content after baking for 40 min at 180 °C. Roasting method also decreased the trypsin inhibitor activity significantly in soybean meal (Vagadia et al. 2017). Another study observed that several anti-nutritional factors were reduced significantly after autoclaving, soaking and cooking of legumes (Torres et al. 2016). Most of the previous studies concluded that autoclaving is the best method to reduce levels of several anti-nutritional compounds when compared to other processing methods (Shimelis and Rakshit 2007; Vadivel et al. 2008; Doss et al. 2011).

Germination

Germination is also considered as a highly suitable method for reducing the anti-nutrient components of plant-based foods (Nkhata et al. 2018). Germination of seeds generally activates the enzyme phytase, which degrades phytate and leads to decreased phytic acid concentration in the samples. Germination commonly changes the nutritional level, biochemical property and physical features of the foods. For reduction of cereals anti-nutritional content, this method is most frequently used (Laxmi et al. 2015; Oghbaei and Prakash 2016; Onyango et al. 2013). Germinated cereals showed enhanced activity of phytase-degrading enzyme while in non-germinated cereals the endogenous activity of phytase enzyme was observed in diminished amounts (Vashishth et al. 2017). After malting of millet samples for 72 h and 96 h, it was found that phytic acid content was reduced 23.95 and 45.3%, respectively (Makokha et al. 2002; Coulibaly et al. 2011). In a previous work by Azeke et al. (2011), it was observed that phytate content of cereal grains samples was reduced significantly when estimated after 10 days of germination. Another study conducted by Zhang et al. (2015) reported that anti-nutrient factors including total phenolic, flavonoid and tannin contents were increased in germinated buckwheat samples. Latest studies reported that germination also changes the isoflavone profile of soybean due to activation of β-glucosidases; this is important in enhancing nutritional value because isoflavones exhibit chelating properties (Yoshiara et al. 2018; de Camargo et al. 2019). Reduction of anti-nutrients like tannin and phytic acid in germinated cereals increase the bioavailability of several minerals, which led to increased nutritional value of the food products (Ogbonna et al. 2012; Oghbaei and Prakash 2016). Another latest study by Singh et al. (2017) reported that when millets were processed by germination, maximum reductions in polyphenol contents (up to 75%) were found when compared to soaking, microwave treatment and fermentation.

Fermentation

Fermentation may be a useful strategy for reducing bacterial contamination of foods. For treating diarrhea in young children, fermented millet products are recommended as probiotics (Manisseri and Gudipati 2012; Nduti et al. 2016). Fermentation is a metabolic process in which sugars are oxidized to produce energy; it also improves the absorption of minerals from the plant-based foods. Fermentation is one of the processing methods, which is used in Africa to made cereals crops edible and also increase the nutritional quality as well as safety aspects of these foods, because cereals are not easily consumed in natural/raw forms (Galati et al. 2014). In cereals, phytic acid normally forms complexes with the metal cations including iron, zinc, calcium and proteins. These complexes are generally degraded by enzymes, which require an optimum pH maintained by fermentation. Thus, this kind of degradation decreases the phytic acid content and liberates soluble iron, zinc and calcium, which enhance the nutritional level of food grains (Gibson et al. 2010). Fermentation of cereals by lactic acid bacteria (LAB) has been reported to increase free amino acids and their derivatives by proteolysis and by metabolic synthesis. Fermentation has been shown to improve the nutritional value of grains by increasing the content of essential amino acids such as lysine, methionine and tryptophan (Mohapatra et al. 2019).

Previous reports observed that several anti-nutrients including protease inhibitors, phytic acids and tannins were reduced due to millet grain fermentation for 12 and 24 h (Coulibaly et al. 2011). Fermentation is such an important process, which significantly lowers the content of anti-nutrients such as phytic acid, tannins, and polyphenols of cereals (Simwaka et al. 2017). Fermentation also provides optimum pH conditions for enzymatic degradation of phytate, which is present in cereals in the form of complexes with polyvalent cations such as iron, zinc, calcium, magnesium and proteins. Such a reduction in phytate may increase the amount of soluble iron, zinc, calcium several folds (Gupta et al. 2015). Tannin levels may be reduced as a result of lactic acid fermentation, leading to increased absorption of iron, except in some high tannin cereals, where little or no improvement in iron availability has been reported (Ray and Didier 2014). Reduction in polyphenols may be because of the presence of phenolic oxidase during germination (Tian et al. 2019; Tajoddin et al. 2014). In most of the cereals, Lactobacillus spp. plays a major role in fermentation (Bhatia 2016). Lactobacillus spp. and Streptococcus spp. are not very suitable bacteria for rice fermentation because they lack amylase, which is necessary for starch saccharification (Ray et al. 2016). In cases when cereal grains are used as natural medium for lactic acid fermentation, amylase needs to be added before or during fermentation or amylolytic bifido bacteria need to be used because these bacteria contain enough amylase, which is necessary for saccharification of the grain starch (Kim et al. 2000). A study reported that when germinated millets sprouts were fermented at 30 °C with mixtures of probiotics culture consisting of Saccharomyces diasticus, Saccharomyces cerevisiae, Lactobacillus brevis and Lactobacillus fermentum for 72 h, approx. 88.3% reduction of phytic acid content was observed (Khetrapal and Chauhan 1990). Another study by Ragon et al. (2008) concluded that phytic acid (IP6) was reduced into lower forms, such as IP5, IP4, IP3, IP2, IP1 and myo-inositol by the action of microbial enzymes when rice flour was subjected to natural fermentation. In a latest study, maize flour was fermented with a consortium of lactic acid bacteria by standard method with 12 h intervals to check the effect of fermentation on anti-nutritional factors (Ogodo et al. 2019). The results showed that with increasing fermentation period, significant (p < 0.05) reductions in anti-nutrients, including tannin, polyphenol, phytate and trypsin inhibitor activity were observed in the fermented maize. Results concluded that the anti-nutritional contents were reduced more in LAB-Consortium fermentation compared to spontaneous fermentation (Ogodo et al. 2019). Research was also conducted by Etsuyankpa et al. (2015) to eval‎uate the effect of microbial fermentation on anti-nutritional composition of local cassava products. Results of the study emphasized that fermentation by microorganisms significantly decreased (P < 0.05) the level of cyanide, tannins, phytate, oxalate and saponins by 86, 73, 72, 61, and 92%, respectively in the cassava products. A study by Samia et al. (2005) reported that fermentation and germination could enhance the nutritional level of cereals and legumes by altering the chemical composition and reduce the level of anti-nutritional factors.

발효

발효는 식품의 세균 오염을 줄이는 데 유용한 전략이 될 수 있습니다. 어린 아이들의 설사 치료에 발효 기장 제품을 프로바이오틱스로 권장합니다(Manisseri and Gudipati 2012; Nduti et al. 2016).

발효는 당이 산화되어 에너지를 생성하는 대사 과정입니다. 또한 식물성 식품에서 미네랄의 흡수를 향상시킵니다. 발효는 곡물 작물을 식용으로 만들고 영양적 품질과 안전성을 높이기 위해 아프리카에서 사용되는 가공 방법 중 하나입니다. 곡물은 자연 상태나 날 것으로 섭취하기 쉽지 않기 때문입니다(Galati et al. 2014).

곡물에서 피틴산은 일반적으로 철, 아연, 칼슘, 단백질 등의 금속 양이온과 복합체를 형성합니다. 이러한 복합체는 일반적으로 효소에 의해 분해되는데, 발효를 통해 최적의 pH를 유지해야 합니다. 따라서, 이런 종류의 분해는 피트산 함량을 감소시키고 녹는 철, 아연, 칼슘을 방출하여 곡물의 영양 수준을 향상시킵니다(Gibson et al. 2010).

젖산균(LAB)에 의한 곡물의 발효는 단백질 분해와 대사 합성을 통해 유리 아미노산과 그 유도체를 증가시키는 것으로 보고되었습니다. 발효는 라이신, 메티오닌, 트립토판과 같은 필수 아미노산의 함량을 증가시켜 곡물의 영양가를 향상시키는 것으로 나타났습니다(Mohapatra et al. 2019).

이전 연구에 따르면, 기장 곡물을 12시간과 24시간 동안 발효시키면 프로테아제 억제제, 피트산, 탄닌을 포함한 여러 가지 항영양소가 감소하는 것으로 나타났습니다(Coulibaly et al. 2011). 발효는 곡물의 피트산, 탄닌, 폴리페놀과 같은 항영양소의 함량을 현저하게 감소시키는 중요한 과정입니다(Simwaka et al. 2017). 발효는 또한 철, 아연, 칼슘, 마그네슘, 단백질과 같은 다원성 양이온과 복합체를 이루는 형태로 곡물에 존재하는 피테이트의 효소 분해를 위한 최적의 pH 조건을 제공합니다. 이러한 피테이트의 감소는 용해성 철, 아연, 칼슘의 양을 몇 배로 증가시킬 수 있습니다(Gupta et al. 2015).

타닌 수치는 젖산 발효의 결과로 감소될 수 있으며, 이로 인해 철분 흡수가 증가합니다. 다만, 철분 이용 가능성의 개선이 거의 또는 전혀 보고되지 않은 일부 고타닌 곡물의 경우는 예외입니다(Ray and Didier 2014).

폴리페놀의 감소는 발아 과정에서 페놀산화효소의 존재 때문일 수 있습니다(Tian et al. 2019; Tajoddin et al. 2014). 대부분의 곡물에서 락토바실러스 종은 발효에 중요한 역할을 합니다(Bhatia 2016). 락토바실러스 종과 스트렙토코커스 종은 전분 당화에 필요한 아밀라아제가 부족하기 때문에 쌀 발효에 적합한 박테리아가 아닙니다(Ray et al. 2016). 곡물 곡물을 천연 발효 배지로 사용하는 경우, 발효 전이나 발효 중에 아밀라아제를 첨가하거나 아밀라아제를 함유하고 있는 비피더스균을 사용해야 합니다. 이 박테리아는 곡물 전분의 당화 작용에 필요한 충분한 아밀라아제를 함유하고 있기 때문입니다(Kim et al. 2000). 한 연구에 따르면 발아한 기장 새싹을 Saccharomyces diasticus, Saccharomyces cerevisiae, Lactobacillus brevis, Lactobacillus fermentum으로 구성된 프로바이오틱스 배양 혼합물과 함께 30°C에서 72시간 동안 발효시키면 피트산 함량이 약 88.3% 감소하는 것으로 나타났습니다(Khetrapal and Chauhan 1990).

Ragon 외의 연구(2008년)에 따르면, 쌀가루를 자연 발효시키면 미생물 효소의 작용으로 피트산(IP6)이 IP5, IP4, IP3, IP2, IP1, 미오이노시톨 등의 낮은 형태로 감소한다고 합니다. 최근 연구에서 옥수수 가루를 유산균의 조합으로 표준 방법에 따라 12시간 간격으로 발효시켜 발효가 항영양 인자에 미치는 영향을 확인했습니다(Ogodo et al. 2019). 그 결과 발효 기간이 길어질수록 발효된 옥수수에서 탄닌, 폴리페놀, 피테이트, 트립신 억제제 활성을 포함한 항영양소가 현저하게 감소하는 것으로 나타났습니다(p < 0.05). 연구 결과, 자연 발효에 비해 LAB-Consortium 발효에서 항영양소 함량이 더 많이 감소하는 것으로 나타났습니다(Ogodo et al. 2019). Etsuyankpa et al.도 이와 관련된 연구를 수행했습니다. (2015년) 지역 카사바 제품의 항영양 성분에 미생물 발효가 미치는 영향을 평가하기 위해 수행되었습니다. 연구 결과에 따르면 미생물에 의한 발효는 카사바 제품에서 시안화물, 탄닌, 피테이트, 옥살산염, 사포닌의 수준을 각각 86%, 73%, 72%, 61%, 92%까지 현저하게 감소시켰습니다. Samia 외. (2005)의 연구에 따르면 발효와 발아는 곡물과 콩류의 화학 성분을 변화시켜 영양 수준을 향상시키고 항영양 인자의 수준을 감소시킬 수 있다고 합니다.

Conclusions

This review provides essential information on the anti-nutritional components of cereal and legume seeds. The most common anti-nutrients present in plant materials include saponins, tannins, phytate, polyphenolic compounds, and protease inhibitors. These components interfere with the nutritional value of foods by reducing mineral absorption, protein digestibility and causing toxicity and health disorders when present in high concentrations. Nowadays, several strategies are used to overcome the effects of these food anti-nutrients, which include processing treatments such as milling, soaking, germination, autoclave and microwave treatment and fermentation. Various previous studies confirmed that fermentation is one of the best methods to reduce the anti-nutritional factors in foods when compared to all other methods. However, germination followed by fermentation also showed good results for reducing the level of anti-nutrients in foods. Microbial fermentation activates many endogenous enzymes like phytase, which generally degrades phytate in the food; phytate is one of the largest anti-nutrients, which is present in food crops. Previous works have established that anti-nutrients have close negative relationship with the micronutrient bioavailability because higher contents of anti-nutrients reduce availability or absorption of minerals and could lead to nutrients deficiency or malnutrition. Therefore, quality of food crops like cereals and grains can be improved by subjecting them to various processing methods, especially germination and fermentation.

결론
이 리뷰는 곡물과 콩과식물 씨앗의 항영양 성분에 대한 중요한 정보를 제공합니다. 식물 재료에 존재하는 가장 일반적인 항영양 성분에는 사포닌, 탄닌, 피테이트, 폴리페놀 화합물, 프로테아제 억제제가 포함됩니다. 이러한 성분들은 미네랄 흡수, 단백질 소화율을 감소시키고, 고농도로 존재할 때 독성과 건강 장애를 유발함으로써 식품의 영양가를 방해합니다. 요즘에는 이러한 식품 항영양소의 영향을 극복하기 위해 여러 가지 전략이 사용되고 있는데, 여기에는 분쇄, 침지, 발아, 고압 멸균 및 전자레인지 처리, 발효 등의 가공 처리가 포함됩니다. 여러 연구에서 발효가 다른 모든 방법과 비교했을 때 식품의 항영양 인자를 줄이는 가장 좋은 방법 중 하나라는 사실이 확인되었습니다. 그러나 발아 후 발효를 거치면 식품의 항영양 인자 수준을 줄이는 데에도 좋은 결과를 보였습니다. 

미생물 발효는 일반적으로 식품에 존재하는 가장 큰 항영양 인자 중 하나인 피테이트를 분해하는 피타제 같은 많은 내인성 효소를 활성화시킵니다. 이전 연구에 따르면 항영양소는 미량영양소의 생체이용률과 밀접한 부정적 관계가 있는 것으로 밝혀졌습니다. 항영양소의 함량이 높을수록 미네랄의 이용률이나 흡수율이 감소하고, 영양 결핍이나 영양실조로 이어질 수 있기 때문입니다. 따라서 곡물과 같은 식용 작물의 품질을 향상시키기 위해서는 다양한 가공 방법, 특히 발아와 발효를 통해 가공하는 것이 좋습니다.

Availability of data and materials

The datasets used and/or analyzed during the current study are available from the corresponding author on request.

Abbreviations

CVD:

Cardiovascular disease

GI:

Gastrointestinal

IP:

Inositol polyphosphate

LAB:

Lactic acid bacteria

References

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