Re: 한약, 곡물, 야채의 anti-nutritional factors 박테리아 발효로 줄이기 2024

[문형철]

파이틱산 -->박테리아 발효를 하면 카르복실기 떨어져 나가며  

                    신경전달물질 이노시톨과 인산으로 분해

옥살산 --> 발효과정에서 피타아제에 의해서

                포름산(개미산)과 이산화탄소로 분해

Open AccessEditor’s ChoiceReview

Bacterial Degradation of Antinutrients in Foods: The Genomic Insight

by 

Alexander Arsov

 1

1

Institute of Microbiology, Bulgarian Academy of Sciences, 1113 Sofia, Bulgaria

2

Institute of Chemical Engineering, Bulgarian Academy of Sciences, 1113 Sofia, Bulgaria

3

State Key Laboratory of Food Science and Resources, Jiangnan University, Wuxi 214122, China

*

Author to whom correspondence should be addressed.

Foods 2024, 13(15), 2408; https://doi.org/10.3390/foods13152408

Submission received: 14 June 2024 / Revised: 22 July 2024 / Accepted: 27 July 2024 / Published: 29 July 2024

(This article belongs to the Section Food Microbiology)

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Abstract

Antinutrients, also known as anti-nutritional factors (ANFs), are compounds found in many plant-based foods that can limit the bioavailability of nutrients or can act as precursors to toxic substances. ANFs have controversial effects on human health, depending mainly on their concentration. While the positive effects of these compounds are well documented, the dangers they pose and the approaches to avoid them have not been discussed to the same extent. There is no dispute that many ANFs negatively alter the absorption of vitamins, minerals, and proteins in addition to inhibiting some enzyme activities, thus negatively affecting the bioavailability of nutrients in the human body. This review discusses the chemical properties, plant bioavailability, and deleterious effects of anti-minerals (phytates and oxalates), glycosides (cyanogenic glycosides and saponins), polyphenols (tannins), and proteinaceous ANFs (enzyme inhibitors and lectins). The focus of this study is on the possibility of controlling the amount of ANF in food through fermentation. An overview of the most common biochemical pathways for their microbial reduction is provided, showing the genetic basis of these phenomena, including the active enzymes, the optimal conditions of action, and some data on the regulation of their synthesis.

항영양소(anti-nutrients), 또는 항영양 인자(ANFs)는

많은 식물성 식품에서 발견되는 화합물로,

영양소의 생체 이용률을 제한하거나 독성 물질의 전구체로 작용할 수 있습니다.

ANFs는

농도에 따라 인간 건강에 논란의 여지가 있는 영향을 미칩니다.

이러한 화합물의 긍정적인 효과는 잘 문서화되어 있지만,

그로 인한 위험성과 이를 피하기 위한 접근법에 대해서는

그만큼 논의가 이루어지지 않았습니다.

많은 ANFs가

비타민, 미네랄, 단백질의 흡수를 부정적으로 변화시키고

일부 효소 활동을 억제하여

인간 신체에서의 영양소 생체 이용률에 부정적인 영향을 미친다는 점에는 이견이 없습니다.

이 리뷰에서는

항미네랄(피틴산과 옥살산),

글리코시드(시안화 글리코시드와 사포닌),

폴리페놀(탄닌),

단백질성 ANFs(효소 억제제와 렉틴)의 화학적 특성,

식물 생체 이용률, 그리고 해로운 영향을 논의합니다.

본 연구의 초점은

발효를 통해 식품 내 ANF의 양을 조절할 가능성에 맞춰져 있습니다.

그들의 미생물적 감소를 위한 가장 일반적인 생화학적 경로에 대한 개요를 제공하며,

이러한 현상의 유전적 기초, 활성 효소, 최적 작용 조건, 그리고 합성 조절에 대한 일부 데이터를 보여줍니다.

Keywords: 

antinutrients; phytic acid; oxalates; tannins; saponins; lectins; cyanogenic glycosides; protease inhibitors; fermentation

1. Introduction

Antinutrients or anti-nutritional factors (ANFs) are plant food constituents that can adversely affect the intake or assimilation of essential nutrients or could form toxic compounds during their breakdown [1,2,3]. These ingredients have such a controversial impact on human health that, although some authors suggest potential beneficial effects, others recommend particularly careful consumption of foods containing them, and only after processing [3,4,5,6,7,8]. There are several studies reporting antioxidant, anti-inflammatory, anti-obesity, immunomodulatory, and cardioprotective properties of ANFs [9,10]. Protease inhibitors and saponins, two major classes of ANFs, are strongly associated with anticarcinogenic effects [1,11,12]; however, some synthetic saponins with high activity against tumor cells have shown comparable toxicity to normal cells [13].

Without neglecting the need to gather new scientific data, our current knowledge makes it clear that the positive effects of antinutrients are probable but have yet to be elucidated [11], while their negative ones are beyond a reasonable doubt [14,15,16,17]. In the short term, ANFs can decrease the bioavailability of essential nutrients such as metal ions, amino acids, lipids, and vitamins [2,3]. In the long term, their daily presence in the diet can lead to systemic and severe health issues, including impaired intestinal integrity, kidney stones, low plasma levels of iron and calcium (hyposideremia and hypocalcemia), as well as immunological disorders such as the non-celiac wheat sensitivity (NCWS) that shares the symptoms of celiac disease and irritable bowel syndrome [4,18]. Therefore, the Paracelsus dictum “the dose makes the poison” applies to antinutrients as well as to most plant substances with medicinal properties.

In an effort to reduce ANF in many staple foods, agriculture has sought to select plants with lower antinutrient content and to develop various approaches for microbial fermentation of plant food for this purpose [19]. The fine balance of ANF intake in safe amounts is already controlled by the microbial communities processing sourdough, cassava, sorghum, lentils, legumes, and many pseudocereals. Over the last decade, there has been a plethora of studies that highlight the fermentation by dietary (or probiotic) microorganisms as a major approach to reducing the amounts of phytates, cyanogenic glucosides, and amylase and trypsin inhibitors in fermented foods [10,20,21].

This review aims to summarize the scientific research in the area to date and to describe our current understanding of the genetic and biochemical mechanisms behind microbial reduction in antinutrients in fermented foods. The chemical structure of ANFs, their abundance in certain foods, and their adverse effects on human health are also discussed below.

1. 서론

항영양소(anti-nutritional factors, ANFs)는

식물성 식품 성분으로,

필수 영양소의 섭취나 동화를 부정적으로 영향을 미치거나

분해 과정에서 독성 화합물을 생성할 수 있습니다 [1,2,3].

이러한 성분은

인간 건강에 논란이 많은 영향을 미치며,

일부 저자는 잠재적인 유익한 효과를 제안하지만,

다른 저자들은 처리 후에만 신중히 섭취할 것을 권장합니다 [3,4,5,6,7,8].

여러 연구에서

ANFs의 항산화, 항염증, 항비만, 면역조절, 심장 보호 특성이 보고되었습니다 [9,10].

주요 ANF 계열인 프로테아제 억제제와 사포닌은

항암 효과와 강하게 연관되어 있습니다 [1,11,12].

그러나

높은 종양세포 억제 활성을 가진 합성 사포닌은

정상 세포에 대한 독성과 유사한 독성을 보였습니다 [13].

새로운 과학적 데이터를 수집할 필요성을 간과하지 않으면서도,

현재의 지식은 ANFs의 긍정적인 효과가 가능성이 있지만

아직 명확히 밝혀지지 않았으며 [11],

부정적인 효과는 의심의 여지가 없음을 분명히 합니다 [14,15,16,17].

단기적으로 ANFs는

금속 이온, 아미노산, 지질, 비타민과 같은 필수 영양소의 생체 이용률을 감소시킬 수 있습니다 [2,3].

장기적으로 식단에서 매일 존재할 경우

장 손상, 신장 결석, 철과 칼슘의 혈장 수치 저하(저철혈증 및 저칼슘혈증),

비셀리악 밀 민감성(NCWS)과 같은 면역 장애를 포함한

전신적이고 심각한 건강 문제를 초래할 수 있습니다 [4,18].

따라서

파라켈수스의 "용량이 독을 만든다"라는 격언은 A

NFs 및 약리적 특성을 가진 대부분의 식물 물질에도 적용됩니다.

ANF를 많은 주식 식품에서 줄이기 위해 농업은

항영양소 함량이 낮은 식물을 선별하고

이를 목적으로 식물성 식품의 미생물 발효 접근법을 개발해 왔습니다 [19].

안전한 양의 ANF 섭취 균형은

사워도우, 카사바, 수수, 렌틸콩, 콩류, 그리고

많은 가식곡류를 처리하는 미생물 군집에 의해 이미 조절되고 있습니다.

지난 10년 동안

피틴산, 시안화 글루코시드, 아밀라제 및 트립신 억제제를

발효 식품에서 줄이는 주요 접근법으로

식이(또는 프로바이오틱) 미생물에 의한 발효가 부각되었습니다 [10,20,21].

본 리뷰는 현재까지의 과학적 연구를 요약하고,

발효 식품에서 ANFs의 미생물 감소에 대한

유전적 및 생화학적 메커니즘에 대한 현재의 이해를 설명하는 것을 목표로 합니다.

ANFs의 화학 구조, 특정 식품에서의 풍부함,

그리고 인간 건강에 대한 부정적인 영향도 아래에서 논의됩니다.

2. Classification, Abundance and Adverse Health Effects of Antinutrients

Antinutrients can be classified into two groups based on their sensitivity to heat: heat-stable antinutrients and heat-labile antinutrients [22,23]. The heat-stable antinutrients include phytic acid, tannins, alkaloids, saponins, and non-protein amino acids, while the heat-labile antinutrients include lectins, cyanogenic glycosides, and protease inhibitors [2,3,4]. Another classification (shown in Figure 1) combines chemical structure (proteins, glycosides, phenols) with functional significance (anti-minerals, anti-vitamins, anti-enzymes).

2. 항영양소의 분류, 풍부함 및 건강에 미치는 부정적 영향

항영양소는

열에 대한 민감도에 따라 두 그룹으로 분류될 수 있습니다:

열안정성 항영양소와 열불안정성 항영양소 [22,23].

열안정성 항영양소에는

피틴산, 탄닌, 알칼로이드, 사포닌, 비단백 아미노산이 포함되며,

열불안정성 항영양소에는

렉틴, 시안화 글리코시드, 프로테아제 억제제가 포함됩니다 [2,3,4].

또 다른 분류(도표 1 참조)는 화학 구조(단백질, 글리코시드, 페놀)와 기능적 중요성(항미네랄, 항비타민, 항효소)을 결합합니다.

Figure 1. Classification of antinutrients in foods by their chemical structure and functional significance.

A brief overview of the antinutrient factors (ANFs) discussed below, the foods that contain them in high amounts, and the most common adverse effects on human health are presented in Table 1.

도표 1. 화학 구조와 기능적 중요성에 따른 식품 내 항영양소 분류.

아래에서 논의되는 항영양소 요인(ANFs), 높은 함량이 포함된 식품, 그리고 인간 건강에 가장 흔한 부정적인 영향에 대한 간략한 개요는 표 1에 제시됩니다.

Table 1. Major types of antinutrients.

Table 1. Major types of antinutrients.

AntinutrientSubtypesFoodsChemical NatureMechanism of ActionReference

Proteins
Protease inhibitors	Trypsin inhibitors	Legume seeds	Protein	Inhibit trypsin, chymotrypsin, and protein digestion	[11]
Lectins		Beans, peas, carrots, tomato, potatoes, fruits	Protein	Bind carbohydrates specifically	[2,3]
Phenols
Tannins	Condensed (catechin, epicatechin, etc.)	Tea, cocoa, grapes, apples, apricots, berries, nuts	Polyflavans	Bind proteins by hydrogen bonds and hydrophobic interactions, thus decreasing iron and calcium absorption; anti-trypsin and anti-amylase activities	[2]
	Hydrolysable (tannic acid, etc.)	Walnuts, pomegranates	Esters of carbohydrates with gallic/ellagic acid	Decrease the bioavailability of non-heme iron; form a complex with vitamin B	[4]
Phytoestrogens	Isoflavones (genistein, daidzein, glycitein, biochanin A)	Soy and soy products	Hydroxylated and methylated isoflavone derivatives; structurally similar to 17-β-estradiol	Binds to the estrogen receptor, modulates estrogenic activity	[22]
	Lignans	Flaxseeds, sesame seeds	Diverse derivatives of phenylpropanoid dimers (C18)	Estrogen receptor and MAPK pathway	[2]
	Stilbenes (e.g., resveratrol; gigantol)	Grapes, peanuts rhubarb	Hydroxylated derivatives of stilbene (1,2-diphenyl ethene)	Modulate NF-β-B, MAPK and JAK/STAT pathways involved in inflammation	[3]
	Coumestans	Lima beans, alfalfa	Hydroxylated and methylated coumestan derivatives; structurally similar to 17-β-estradiol	Binds to estrogen receptor, modulates estrogenic activity	[2]
Gossypol		Cotton seeds	Terpenoid aldehyde	Binds the β-amino group of lysine, limiting its bioavailability	[1]
Glycosides
Goitrogens		Brassica vegetables, millet, cassava	Glucosinolates, derivatives of glucose and amino acids; sulfur-containing	Inhibit iodine uptake	[21]
Cyanogenic glycosides		Cassava, cocoyam (leaves, roots), bamboo (stem, sprouts), sorghum, apples (grains and fruits), apricots (kernels)	α-hydroxynitrile (cyanohydrin) glycosylated with glucose or gentiobiose (glu-β(1→6)-glu)	Hydrolyzed by β-glucosidase to α-hydroxynitrile, which is spontaneously decomposed to HCN and aldehyde/ketone	[10]
Saponins	Triterpenoid	Legumes	Triterpenoid aglycone plus mono- or oligosaccharide glycone	Bind to intestinal cells and minimize absorption and utilization of nutrients	[13]
	Steroids	Oats, pepper, asparagus, ginseng	Steroid aglycone plus mono- or oligosaccharide glycone		[13]
Anti-minerals
	Oxalates	Spinach, rhubarb, beet greens, amaranth, taro, swiss chard, sweet potatoes	Salts of the oxalic acid (ethanedioic, H2C2O4)	Relatively insoluble salts with Ca2+, Mg2+, Zn2+, and Fe2+, limiting their bioavailability	[7]
	Phytates	Legumes, cereals, nuts, seeds, pseudocereals	Salts of the phytic acid (myoinositol hexaphosphate)	Insoluble salts with Zn2+, Ca2+, Mn2+, Mg2+, and Fe2+, limiting their bioavailability	[14]
Anti-enzymes
	Solanine	Potatoes, tomatoes, eggplant	Glycoalkaloid, saponin-like	Cholinesterase inhibitor	[1]
	Amylase inhibitors	Wheat, oats, rye	-	Inhibits absorption of dietary starch	[17]
	Arginase inhibitors	Sunflower seeds	-	Inhibits the last step of the urea cycle and the nitrogen cycle	[17]
	Protease inhibitors	Egg white	Ovostatin, ovomucoid, ovoinhibitor, and cystatin	Inhibit digestive enzymes	[17]
Anti-vitamins	Anti-vitamin K Anti-vitamin B7 Anti-vitamin C Anti-vitamin A, E, D Anti-vitamin B1	Alfalfa, grapefruit Eggs Melon, squash, zucchini, cucumber Soybeans Raw fish	Coumarins Avidin Ascorbic acid oxidase Lipoxidase Thiaminase	Inhibitors or structural modifiers of vitamins that interact with enzymes, interfering with their natural functions; or are vitamin-destroying enzymes	[3

2.1. Antinutrients with Protein Structure

ANFs, which are proteins, include

(i) the protease inhibitors, especially of digestive enzymes such as trypsin; and

(ii) lectins, carbohydrate-binding proteins

widely distributed in the legume family and amounting to 2–10% of the total protein in legume seeds [24].

Plant protease inhibitors (PPIs) are widely distributed in the plant kingdom and ubiquitous in the Solanaceae, Fabaceae, Euphorbiaceae, Poaceae, and Cucurbitaceae families [25]. Typical plants rich in PPIs are soybean (G. max), rice (Oryza sativa), sorghum (Sorghum bicolor), wheat (Triticum aestivum), barley (Hordeum vulgare), potato meals (Solanum tuberosum), red gram (Cajanus cajan), chickpea (C. arietinum), lima bean (P. lunatus), cowpeas (Vigna unguiculata), peas (Pisum sativum), and lentils (Lens culinaris) [26,27].

Bowman–Birk and Kunitz-type inhibitors are the best-known PPI families [28]. The first type of PPIs has a molecular weight of 4 to 8 kDa, one or more inhibitory domains, and is highly effective against trypsin, whereas the second type has a molecular weight of 18 to 24 kDa, single or double inhibitory domains, and inhibits both trypsin and chymotrypsin [29,30]. Both PPI types function as competitive inhibitors. Due to their proteolysis regulatory function, many have been found promising agents for obesity, cardiovascular diseases, autoimmune disease treatment, alleviation of inflammatory processes, some types of cancer, and neurodegenerative diseases [31,32]. Despite this fact, PPIs are classified as antinutrients. They bind to the active site of human and animal protein-digesting enzymes, creating a complex with a low dissociation constant that inhibits protease activity [1]. This is followed by the activation of pancreatic trypsin and chymotrypsin secretion, which increases the demand for sulfur-containing amino acids like methionine and cysteine, resulting in nitrogen and sulfur loss [27]. Intake of trypsin/chymotrypsin inhibitors temporarily halts the digestion of food, resulting in poor protein absorption, delayed growth, muscle mass loss, increased bile output, gastric anguish, pancreatic hypertrophy, and hyperplasia [26,31,33].

2.1. 단백질 구조를 가진 항영양소

단백질로 이루어진 ANFs에는

(i) 특히 트립신과 같은 소화 효소의 프로테아제 억제제;

(ii) 렉틴, 탄수화물 결합 단백질로 콩과 식물군에 널리 분포하며 콩과 씨앗의 총 단백질의 2~10%를 차지합니다 [24].

(i) the protease inhibitors, especially of digestive enzymes such as trypsin; and

(ii) lectins, carbohydrate-binding proteins

식물 프로테아제 억제제(PPIs)는

식물계에 널리 분포하며

Solanaceae, Fabaceae, Euphorbiaceae, Poaceae, Cucurbitaceae 계열에 흔히 존재합니다 [25].

PPIs가 풍부한 전형적인 식물에는

대두(G. max), 쌀(Oryza sativa), 수수(Sorghum bicolor), 밀(Triticum aestivum), 보리(Hordeum vulgare), 감자 가루(Solanum tuberosum), 붉은 그램(Cajanus cajan), 병아리콩(C. arietinum), 리마 콩(P. lunatus), 카우피스(Vigna unguiculata), 완두(Pisum sativum), 렌틸콩(Lens culinaris) 등이 있습니다 [26,27].

Bowman-Birk 및 Kunitz 유형 억제제가

가장 잘 알려진 PPI 계열입니다 [28].

첫 번째 유형의 PPIs는

분자량 4~8 kDa를 가지며 하나 이상의 억제 도메인과 트립신에 대해 매우 효과적이며,

두 번째 유형은 분자량 18~24 kDa를 가지며 단일 또는 이중 억제 도메인을 가지며

트립신과 키모트립신을 모두 억제합니다 [29,30].

두 PPI 유형은

경쟁 억제제로 기능합니다.

단백질 분해 조절 기능으로 인해 많은 PPIs가

비만, 심혈관 질환, 자가면역 질환 치료, 염증 과정 완화, 일부 암 유형, 신경 퇴행성 질환에

유망한 제제로 밝혀졌습니다 [31,32].

그럼에도 불구하고

PPIs는 항영양소로 분류됩니다.

이는 인간 및 동물 단백질 소화 효소의 활성 부위에 결합하여

분리 상수(dissociation constant)가 낮은 복합체를 형성하여

프로테아제 활성을 억제합니다 [1].

이는 췌장의 트립신 및 키모트립신 분비를 활성화하며,

메티오닌 및 시스테인과 같은 황 함유 아미노산 수요를 증가시켜

질소 및 황 손실을 초래합니다 [27].

트립신/키모트립신 억제제 섭취는

일시적으로 음식 소화를 중단시켜

단백질 흡수 저하, 성장 지연, 근육량 손실, 담즙 출력 증가, 위장 통증, 췌장 비대, 과증식을 초래합니다 [26,31,33].

Lectins are proteins or glycoproteins characterized by their ability to bind carbohydrates, and they can be grouped according to their origin—animal, algal, bacterial, fungal, and plant lectins [34,35]. More than 500 lectin variants have been isolated; they are also known as “hemagglutinins” because of their ability to bind and agglutinate erythrocytes [2,24]. Animal lectins primarily target carbohydrate complex structures; algal lectins bind specifically to glycoproteins; bacterial lectins have an affinity for glycans; fungal lectins are attracted to N-acetyl galactosamine; and plant lectins typically recognize monosaccharides and oligosaccharides [36,37,38,39,40]. Lectins can be classified based on their affinity for specific carbohydrates into five groups: (i) glucose/mannose; (ii) galactose and N-acetyl-D-galactosamine; (iii) N-acetylglucosamine; (iv) L-fucose; and (v) sialic acid. This classification reflects the specific carbohydrate structures that lectins bind to, which is essential for their diverse biological functions and potential therapeutic applications [41]. In plants, they can be found in wheat, nuts, cereals, beans, quinoa, peas, and mainly in leguminous seeds [42]. Since lectins are relatively resistant to the activity of digestive enzymes in the gastrointestinal tract, they can remain intact as they pass through the digestive system. Hence, their presence can be related to diseases such as colitis, Crohn’s disease, Coeliac-Sprue, and IBS [41,43]. On a molecular level, lectins can induce caspase-1 activation and IL-1β secretion via the NLRP3 inflammasome, thus promoting inflammatory disorders. On a subcellular level, lectins are internalized into the endoplasmic reticulum and then trigger Ca2+ release coupled with mitochondrial damage [44]. When the body is exposed to large amounts of lectins, a condition known as leaky gut syndrome occurs, including an increase in intestinal permeability, where the lining of the intestine becomes more porous, allowing substances such as toxins, undigested food particles, and bacteria to leak into the bloodstream. This leakage triggers an immune response and can lead to inflammation throughout the body [45]. Lectins can also mimic the action of insulin on target cells and even trigger the release of insulin by the pancreas. This can potentially disrupt normal insulin signaling and blood sugar regulation [46]. According to Singh et al. [41], lectins are responsible for acne, inflammation, migraines, and joint pains, and have also been implicated in auto-immune diseases [47].

Some lectins, such as ricin and abrin in particular, are very toxic. Food poisoning due to poorly cooked beans rich in lectins is extensively documented in China and the UK [48,49]; their toxicity to numerous insect pests has made them potential insecticides [50]. In recent years, despite concerns about the adverse effects associated with consuming unprocessed foods containing lectins, various studies have highlighted the therapeutic potential of lectins in diagnosing and treating several diseases. Notably, lectins have shown promise in cancer treatment due to their potential antiangiogenic, antimetastatic, and antiproliferative activities [51]. Lectins have also been shown to possess antibacterial, antimicrobial, antiviral, and antifungal properties [52]. The dual nature of lectins, having both potentially harmful and therapeutic benefits, highlights the importance of careful handling and the thorough research needed on the topic to maximize their medical utility while ensuring safety.

렉틴은

탄수화물을 결합할 수 있는 단백질 또는 당단백질로,

기원에 따라 동물, 조류, 박테리아, 곰팡이, 식물 렉틴으로 분류됩니다 [34,35].

500개 이상의 렉틴 변이가 분리되었으며,

적혈구를 결합하고 응집시키는 능력 때문에

"혈전구성물(hemagglutinins)"로도 알려져 있습니다 [2,24].

동물 렉틴은 주로 탄수화물 복합 구조를 표적으로 하며,

조류 렉틴은 특정 당단백질에 결합하고,

박테리아 렉틴은 글리칸에 친화성을 가지며,

곰팡이 렉틴은 N-아세틸 갈락토사민에 끌리고,

식물 렉틴은 일반적으로 단당류 및 올리고당을 인식합니다 [36,37,38,39,40].

렉틴은

특정 탄수화물에 대한 친화도에 따라

다섯 그룹으로 분류됩니다:

(i) 포도당/만노스;

(ii) 갈락토스 및 N-아세틸-D-갈락토사민;

(iii) N-아세틸글루코사민;

(iv) L-푸코스;

(v) 시알산산.

이 분류는

렉틴이 결합하는 특정 탄수화물 구조를 반영하며,

이는 다양한 생물학적 기능과 잠재적 치료 응용에 필수적입니다 [41].

식물에서는

밀, 견과류, 곡물, 콩, 퀴노아, 완두, 주로 콩과 씨앗에서 발견됩니다 [42].

렉틴은

위장관의 소화 효소 활동에 상대적으로 저항성이 있어

소화계를 통과하면서 손상되지 않은 상태로 남을 수 있습니다.

따라서

대장염, 크론병, 셀리악-스프루, IBS와 같은 질환과 관련될 수 있습니다 [41,43].

분자 수준에서 렉틴은

NLRP3 인플라마솜을 통해

카스파제-1 활성화 및 IL-1β 분비를 유도하여 염증성 장애를 촉진할 수 있습니다.

세포 내 수준에서 렉틴은

내포체로 흡수된 후 미토콘드리아 손상과 결합된 Ca2+ 방출을 촉발합니다 [44].

몸이 다량의 렉틴에 노출되면

"누출성 장 증후군(leaky gut syndrome)"이 발생하며,

이는 장 투과성이 증가하여 장 내벽이 더 다공성으로 변하고

독소, 미소화된 음식 입자, 세균이 혈류로 새어 나와 면역 반응을 유발하고

전신 염증을 초래할 수 있습니다 [45].

렉틴은

또한 인슐린의 표적 세포에 대한 작용을 모방하거나

췌장에서 인슐린 방출을 촉발할 수 있습니다.

이는

정상적인 인슐린 신호 전달과 혈당 조절을

방해할 수 있습니다 [46].

Singh 등 [41]에 따르면

렉틴은

여드름, 염증, 편두통, 관절통을 유발하며 자가면역 질환과도 관련이 있습니다 [47].

특히 리신과 아브린과 같은 일부 렉틴은

매우 독성이 강합니다.

렉틴이 풍부한 콩을 제대로 조리하지 않아 발생하는 식중독 사례는

중국과 영국에서 광범위하게 문서화되었습니다 [48,49];

그들의 많은 곤충 해충에 대한 독성으로 인해 잠재적 살충제로 여겨지고 있습니다 [50]. 최근 몇 년간, 렉틴을 포함한 가공되지 않은 식품 섭취와 관련된 부작용에 대한 우려에도 불구하고, 여러 연구에서 렉틴의 치료 잠재력이 여러 질병의 진단 및 치료에 유망함을 강조했습니다.

특히

렉틴은 항혈관신생, 항전이, 항증식 활성으로 인해

암 치료에서 유망성을 보였습니다 [51].

렉틴은

또한 항박테리아, 항미생물, 항바이러스, 항진균 특성을 보유한 것으로 나타났습니다 [52].

렉틴의 이중적 특성, 즉 잠재적인 해로움과 치료적 이점이 있다는 점은

신중한 취급과 의료적 유용성을 극대화하면서 안전성을 보장하기 위한

철저한 연구의 중요성을 부각시킵니다.

2.2. Glycosides

Glycosides include (i) cyanogenic glycosides (e.g., amygdalin, linamarin, dhurrin, prunasin, taxiphyllin), which are α-hydroxynitriles glycosylated with glucose or gentiobiose (disaccharide of two glucose moieties joined with a β(1→6) bond) [53,54]; (ii) goitrogens, present in turnip, cabbage, and sweet potato, a diverse group of about 120 glucosinolates (derivatives of glucose and amino acids); and (iii) saponins, foam-producing glycosides with triterpene or steroid backbone and a wide range of sugars attached to them, widely distributed in the plant kingdom, notably in legumes (triterpenoid version) and oats, pepper, asparagus, and ginseng, among others (steroid version) [55]. In general, glycosides are made up of a carbohydrate moiety (glycone) and a non-carbohydrate moiety (aglycone) linked by an ether bond [56]. Both moieties differ greatly in structure and function. Cyanogenic glycosides have an aglycone of the α-hydroxynitrile type, whereas saponins have an aglycone with a steroid or triterpenoid skeleton [57,58,59,60].

Cassava, a staple food in Africa but also popular in South America and South-East Asia, is the most cyanogenic of all edible plants. All parts (leaves, stem, root) contain appreciable amounts of cyanogenic glycosides, which are also found in cocoyam (leaves, roots), sorghum (fruits, leaves, shoot tips), bamboo (stem, sprouts), apples (seeds and fruits), and apricots (kernels) [61].

2.2. 글리코시드

글리코시드에는

(i) 시안화 글리코시드(예: 아밀로달린, 리나마린, 듀린, 프루나신, 탁시피린)로, 포도당 또는 겐티오비오스(두 포도당 단위가 β(1→6) 결합으로 연결된 이당류)로 글리코실화된 α-하이드록시니트릴입니다 [53,54];

(ii) 고이트로겐, 순무, 양배추, 고구마에 존재하며 약 120종의 글루코시놀레이트(포도당과 아미노산의 유도체)로 구성된 다양한 그룹;

(iii) 사포닌, 거품을 생성하는 글리코시드로, 트리테르펜 또는 스테로이드 골격과 다양한 당이 부착되어 있으며, 식물계, 특히 콩과(트리테르페노이드 버전)와 귀리, 고추, 아스파라거스, 인삼(스테로이드 버전)에서 널리 분포합니다 [55].

일반적으로 글리코시드는

탄수화물 부분(글리콘)과 비탄수화물 부분(아글리콘)이

에테르 결합으로 연결되어 있습니다 [56].

두 부분은

구조와 기능에서 크게 다릅니다.

시안화 글리코시드는 α-하이드록시니트릴 유형의 아글리콘을 가지며,

사포닌은 스테로이드 또는 트리테르페노이드 골격을 가진 아글리콘을 가집니다 [57,58,59,60].

카사바는

아프리카의 주식 식품이지만 남미와 동남아시아에서도 인기 있으며,

모든 식용 식물 중 가장 시안화성이 강합니다.

잎, 줄기, 뿌리 등 모든 부분에 시안화 글리코시드가 상당량 포함되어 있으며,

코코야무(잎, 뿌리), 수수(열매, 잎, 새순 끝), 대나무(줄기, 새싹), 사과(씨와 열매), 살구(씨)에도 존재합니다 [61].

Cyanogenic glycosides are amino acid-derived secondary metabolites present in over 2500 plant species, primarily in the Fabaceae, Rosaceae, Linaceae, Poaceae, and Compositae families [62,63,64]. These chemicals are widely occurring in the edible seeds and fruits of plants, including apples (Malus sylvestris), apricots (Prunus armeniaca), cherries (Prunus avium), peaches (Prunus persica), plums (Prunus domestica), and quinces (Cydonia oblonga) [22,62,64]. They are also abundant in almonds (Amygdalus communis), cashews (Anacardium occidentale), cassava (Manihot esculenta), bamboo shoots (Bambusa vulgaris and Phyllostachys edulis), linseed (Linum usitatissmium), cocoyam (Colocasia esculenta), lima beans (Phaseolus lunatus), chickpeas (Cicer arietinum), sorghum (Sorghum bicolor), and barley (Hordeum vulgare) [22,59,63,65]. Other food products that may include cyanogenic glycosides include flavorings such as almond powder or paste, marzipan, stone fruit (Prunus spp.), and stone fruit-based alcoholic drinks [62]. The number of cyanogenic glycosides produced is determined by the plant’s age, variety, and environmental conditions [56]. When hydrolyzed, these ANF generate hydrogen cyanide HCN, a potent respiratory inhibitor. A single dose of cyanide of about 1–3 mg/kg is lethal for most vertebrates. For instance, cassava is a staple food high enough in cyanogens to be a real health hazard if not properly processed [53]. Cyanide poisoning, whether acute or chronic, is rare due to the convergence of circumstances [56]. But there is some evidence that chronic exposure to dietary cyanide from poorly processed cassava may be a factor in growth retardation in children [66]. Chewing and processing cyanogenic plants disrupt their cell structures, which results in the hydrolysis of cyanogenic glycosides by plant β-glucosidase [67]. This process produces sugars and cyanohydrin, which break down spontaneously into hydrogen cyanide (HCN) and the respective aldehyde or ketone [68]. The release of HCN, also known as a “cyanide bomb”, makes an effective chemical defense against herbivores and pathogens [56,69]. However, it may cause dangerous medical conditions in livestock and humans. Cyanide prevents the human body from using oxygen and speeds up anaerobic metabolism, which causes an overabundance of lactic acid, metabolic acidosis, and ultimately cell death [57,65]. The range of 0.5 to 1.0 mg/L is thought to be the hazardous threshold value for cyanide in blood, as the fatal threshold varies from 2.5 to 3.0 mg/L (around 120 µM) [45]. The range of 500 to 3500 µg/kg of body weight is considered the acute fatal oral dose of cyanide for humans. Ingesting 20 µg/kg CN daily may cause acute symptoms, while 80 µg/kg CN can cause persistent symptoms [59,70]. To prevent human poisoning, the Food and Agriculture Organization (FAO)/World Health Organization (WHO) has established a limit of 10 mg HCN/kg dry weight in edible plants, which must be followed with caution during processing due to the heat sensitivity of cyanogenic glycosides [71].

Goitrogens, present in many plants, including cruciferous vegetables and soy, are known to inhibit iodine utilization and the synthesis of thyroid hormones, thus leading to hypothyroidism and goiter [72]. One study from the Olsztyn province in Poland found a 1.5-fold higher risk of thyroid cancer associated with regular consumption of cruciferous vegetables [73]. Another study concluded that the high preval‎ence of thyroid cancer among Melanesian women in New Caledonia is due to a combination of a high intake of cruciferous vegetables and mild iodine deficiency [74]. However, the data on the whole appears controversial and inconclusive, suggesting the conclusion that in any relatively balanced diet, goitrogens are not likely to cause serious harm [2].

Phytoestrogens have been associated with endocrine disruption and a higher risk of estrogen-sensitive cancers, but also with the alleviation of menopausal symptoms, obesity, and diabetes, among other things [75]. An enormous amount of research has been done on the health effects of phytoestrogens, but the only conclusion to be drawn from it is that much more is necessary. Both beneficial and adverse effects remain poorly understood and highly contentious [76].

시안화 글리코시드는

아미노산 유래 2차 대사 산물로,

Fabaceae, Rosaceae, Linaceae, Poaceae, Compositae 계열을 포함한

2500종 이상의 식물에 주로 존재합니다 [62,63,64].

이 화합물은

사과(Malus sylvestris), 살구(Prunus armeniaca), 체리(Prunus avium), 복숭아(Prunus persica),

자두(Prunus domestica), 모과(Cydonia oblonga)와 같은

식용 씨앗과 열매에 널리 존재합니다 [22,62,64].

아몬드(Amygdalus communis), 캐슈(Anacardium occidentale), 카사바(Manihot esculenta),

대나무 새싹(Bambusa vulgaris 및 Phyllostachys edulis), 아마씨(Linum usitatissmium),

코코야무(Colocasia esculenta), 리마 콩(Phaseolus lunatus), 병아리콩(Cicer arietinum),

수수(Sorghum bicolor), 보리(Hordeum vulgare)에도 풍부합니다 [22,59,63,65].

시안화 글리코시드가 포함될 수 있는 다른 식품에는

아몬드 가루나 페이스트, 마지판, 석과류(Prunus spp.),

석과류 기반 알코올 음료와 같은 향료가 있습니다 [62]. 시

안화 글리코시드의 생성량은

식물의 나이, 품종, 환경 조건에 따라 결정됩니다 [56].

가수분해될 때 이 ANF는 강력한 호흡 억제제인 청산가스(HCN)를 생성합니다. 대부분의 척추동물에게 약 1~3 mg/kg의 단일 청산 용량은 치명적입니다. 예를 들어, 카사바는 적절히 처리되지 않으면 건강에 실질적인 위험을 초래할 정도로 시안화물이 높습니다 [53]. 급성 또는 만성 청산 중독은 상황의 수렴으로 인해 드물지만 [56], 제대로 처리되지 않은 카사바에서 유래한 식이 청산에 대한 만성 노출이 어린이의 성장 지연 요인일 수 있다는 일부 증거가 있습니다 [66]. 시안화 식물의 씹기와 가공은 세포 구조를 파괴하여 식물 β-글루코시다제에 의해 시안화 글리코시드의 가수분해를 초래합니다 [67]. 이 과정은 당과 시안화린을 생성하며, 이는 자발적으로 청산가스(HCN)와 해당 알데히드 또는 케톤으로 분해됩니다 [68]. "청산 폭탄"으로도 알려진 HCN의 방출은 초식동물과 병원체에 대한 효과적인 화학 방어 역할을 합니다 [56,69]. 그러나 가축과 인간에게 위험한 의학적 상태를 유발할 수 있습니다. 청산은 인간 신체가 산소를 사용하지 못하게 하고 혐기성 대사를 가속화하여 젖산 과다, 대사성 산증, 궁극적으로 세포 사멸을 초래합니다 [57,65]. 혈중 청산의 위험 임계값은 0.5~1.0 mg/L로 여겨지며, 치명적 임계값은 2.5~3.0 mg/L(약 120 µM)로 다양합니다 [45]. 체중 500~3500 µg/kg 범위는 인간에 대한 급성 치명적 경구 용량으로 간주됩니다. 하루 20 µg/kg CN 섭취는 급성 증상을 유발할 수 있으며, 80 µg/kg CN은 지속적인 증상을 유발할 수 있습니다 [59,70]. 인간 중독을 방지하기 위해 식량농업기구(FAO)/세계보건기구(WHO)는 식용 식물에서 건조 중량 기준 10 mg HCN/kg의 한계를 설정했으며, 열에 민감한 시안화 글리코시드 때문에 가공 중 주의가 필요합니다 [71].

고이트로겐은

많은 식물,

특히 십자화과 채소와 대두에 존재하며 요오드 이용과 갑상선 호르몬 합성을 억제하여

갑상선기능저하증과 갑상종을 초래합니다 [72].

폴란드 올슈틴 지방의 한 연구에서는 십자화과 채소의 정기적인 섭취가 갑상선암 위험을 1.5배 높였다고 밝혔습니다 [73]. 다른 연구는 뉴칼레도니아 멜라네시안 여성의 갑상선암 높은 유병률이 십자화과 채소의 높은 섭취와 경미한 요오드 결핍의 조합 때문이라고 결론지었습니다 [74]. 그러나 전체 데이터는 논란의 여지가 있고 결론적이지 않아, 비교적 균형 잡힌 식단에서는 고이트로겐이 심각한 피해를 초래할 가능성이 낮다고 제안합니다 [2].

피토에스트로겐은

내분비 교란 및 에스트로겐 민감성 암의 더 높은 위험과 연관되었지만,

갱년기 증상, 비만, 당뇨병 완화 등과도 관련이 있습니다 [75].

피토에스트로겐의 건강 영향에 대해 방대한 연구가 이루어졌지만,

유익하고 부정적인 효과 모두 여전히 잘 이해되지 않고 논쟁의 여지가 큽니다 [76].

Saponins are non-volatile, surface-active secondary metabolites found in over 100 plant species, including two major Magnoliophyta classes: Magnoliopsida and Liliopsida, as well as certain marine sources [77]. Triterpenoid saponins are present mainly in legumes such as alfalfa (Medicago sativa), chickpeas (C. arietinum), broad beans (Vicia faba), soybean (Glycine max), lentils (Lens culinaris), kidney beans (Phaseolus vulgaris), peanuts (Arachis hypogaea), but also in sunflower seeds (Helianthus annuus), ginseng roots (Panax quinquefolius), horse chestnut (Aesculus hippocastanum), tea leaves (Camellia sinensis), licorice roots (Glycyrrhiza glabra), quillaja bark (Quillaja saponaria), spinach leaves (Spinacia oleracea), quinoa seeds (Chenopodium quinoa), and sugar beets (Beta vulgaris) [23,60,61,78]. Steroidal saponins mostly accumulate in crop plants such as yams (Dioscorea spp.), alliums (Allium spp.), asparagus (Asparagus officinalis), fenugreek (Trigonella foenum-graecum), yucca (Yucca spp.), ginseng (P. quinquefolius), aubergine (Solanum melongena), tomato (Solanum lycopersicum), and capsicum peppers (Capsicum annuum) [78,79].

Since both types of saponins contain hydrophilic glycoside moiety and lipophilic aglycon, they are amphiphilic. These compounds are therefore highly valued in the food, cosmetic, and pharmaceutical industries as natural emulsifiers, foaming, stabilizing, and drug delivery agents [60,80,81]. In contrast to cyanogenic glycosides, saponins exhibit advantageous biological activities, including antioxidant, anti-diabetic, anti-inflammatory, hepatoprotective, immunomodulatory, anticancer, and antimicrobial effects [72,82,83,84,85]. They can also prevent cardiovascular issues by lowering blood levels of “bad” cholesterol [61]. In light of their numerous health advantages, the primary factors restricting the nutritional intake of saponins are their extremely bitter taste, irritating effect on the throat, low physiological availability, negative impact on protein, lipid, and mineral absorption in the body, and hemolytic properties [1,61,85]. However, it is worth noting that these effects can greatly vary between saponins depending on the chemical structure of their aglycones and the glucydic composition [86]. Thus, some saponin-rich plant products, such as licorice roots, yucca, and Quillaia extract, have been approved as food additives by the FDA [61,87].

Saponins are popular tumor-suppressing agents, apparently able to induce apoptosis and cell cycle arrest in tumor cells [85]. However, there is some experimental evidence that they also are potent hemolytic agents, promoting apoptosis of human erythrocytes (eryptosis) in addition to their lysis by more conventional ways such as increased Ca2+ influx and ceramide formation [88,89]. There is scant information on the mechanism by which they may limit the bioavailability of nutrients (i.e., act as antinutrients).

사포닌은

100종 이상의 식물,

주요 목련강(Magnoliophyta) 두 계열(Magnoliopsida 및 Liliopsida) 및

일부 해양 공급원에서 발견되는

비휘발성, 표면 활성 2차 대사 산물입니다 [77].

트리테르페노이드 사포닌은

주로 알팔파(Medicago sativa), 병아리콩(C. arietinum), 광콩(Vicia faba), 대두(Glycine max),

렌틸콩(Lens culinaris), 강낭콩(Phaseolus vulgaris), 땅콩(Arachis hypogaea)과 같은

콩과 식물에 존재하며,

해바라기 씨(Helianthus annuus), 인삼 뿌리(Panax quinquefolius),

마로니에(Aesculus hippocastanum), 차 잎(Camellia sinensis),

감초 뿌리(Glycyrrhiza glabra), 퀼라야 나무 껍질(Quillaja saponaria),

시금치 잎(Spinacia oleracea), 퀴노아 씨(Chenopodium quinoa), 사탕무(Beta vulgaris)에도 있습니다 [23,60,61,78].

스테로이드 사포닌은

주로 참마(Dioscorea spp.), 파(Allium spp.), 아스파라거스(Asparagus officinalis),

톡카(Trigonella foenum-graecum), 유카(Yucca spp.), 인삼(P. quinquefolius),

가지(Solanum melongena), 토마토(Solanum lycopersicum), 고추(Capsicum annuum)와 같은

작물 식물에 축적됩니다 [78,79].

두 유형의 사포닌은

친수성 글리코시드 부분과 지질친화성 아글리콘을 포함하므로

양쪽성(Amphiphilic)입니다.

따라서 이 화합물은

식품, 화장품, 제약 산업에서 천연 유화제, 발포제, 안정제, 약물 전달제로

높이 평가됩니다 [60,80,81].

시안화 글리코시드와 달리 사포닌은

항산화, 항당뇨, 항염증, 간 보호, 면역조절, 항암, 항미생물 효과를 포함한

유익한 생물학적 활성을 보입니다 [72,82,83,84,85].

그들은 또한 "나쁜" 콜레스테롤 혈중 수준을 낮추어 심혈관 문제를 예방할 수 있습니다 [61].

다수의 건강 이점에도 불구하고 사포닌의 영양 섭취를 제한하는 주요 요인은

극단적인 쓴 맛, 목의 자극 효과, 낮은 생리적 이용률, 신체의 단백질,

지질, 미네랄 흡수에 대한 부정적인 영향, 용혈성 특성입니다 [1,61,85].

그러나 이러한 효과는

아글리콘의 화학 구조와 글리코시드 조성에 따라 크게 달라질 수 있습니다 [86].

따라서

감초 뿌리, 유카, 퀼라야 추출물과 같은 사포닌이 풍부한 일부 식물 제품은

FDA에서 식품 첨가물로 승인되었습니다 [61,87].

사포닌은 종양 억제제로 인기 있으며,

종양 세포에서 세포 사멸과 세포 주기 정지를 유도할 수 있는 것으로 보입니다 [85].

그러나 실험적 증거에 따르면

사포닌은 또한 강력한 용혈제이며,

인간 적혈구(eryptosis)의 세포 사멸을 촉진하고

더 전통적인 방법(예: 증가된 Ca2+ 유입 및 세라마이드 형성)에 의한 용혈을 촉진할 수 있습니다 [88,89].

사포닌이

영양소의 생체 이용률을 제한하는 메커니즘(즉, 항영양소로 작용)에 대한 정보는

매우 부족합니다.

2.3. Phenols

Phenolic antinutrients in plants are

(i) tannins, stringent polyphenolic compounds usually divided into condensed (also known as catechins, condensed flavonoids) and hydrolyzable (gallo- or ellagitannins, depending on whether gallic or ellagic acid is the base unit) [90];

(ii) phytoestrogens, which may be divided into four classes of phenolic compounds: isoflavones (genistein, daidzein, glycitein, and biochanin A), lignans, stilbenes, and coumestans [91];

(iii) gossypol, a yellowish polyphenolic compound present in all parts of the cotton plant (Gossypium spp.) but especially abundant in cotton seeds (up to 2.4%) [92]. The structural formulae of several tannin and phytoestrogen compounds are shown in Figure 2.

2.3. 페놀

식물의 페놀성 항영양소에는

(i) 탄닌, 엄격한 폴리페놀 화합물로 일반적으로 축합형(카테킨, 축합 플라보노이드로도 알려짐)과

가수분해형(갈로-또는 엘라기탄닌, 갈릭산 또는 엘라그산이 기본 단위인지에 따라 다름)으로 나뉩니다 [90];

(ii) 피토에스트로겐, 이소플라본(제니스테인, 다이제인, 글리시테인, 바이오카닌 A), 리그난, 스틸벤, 쿠메스탄의 네 가지 페놀 화합물 계열로 나뉠 수 있습니다 [91];

(iii) 고스폴, 면화 식물(Gossypium spp.)의 모든 부분, 특히 면씨(최대 2.4%)에 풍부한 황색 폴리페놀 화합물입니다 [92]. 여러 탄닌 및 피토에스트로겐 화합물의 구조식은 도표 2에 표시됩니다.

Figure 2. Chemical structures of phenolic antinutrient compounds in plant food. Examples: (a) Gallotannin; (b) genistein; (c) coumestan; (d) gossypone

.

Tannins are polyphenolic secondary metabolites found in almost every part of higher plants, such as the bark, wood, leaves, fruit, roots, seeds, and plant galls [1,93]. Tannins confer bitterness and astringency of taste that may be considered a sign of high quality in red wines, fruit juices, and beer [94,95]. The increased tannin production is frequently associated with plants’ defense responses against infection, insects, or herbivores [96,97,98].

Recently, plant tannins have attracted attention because of their multifunctional properties beneficial to human health, such as antioxidants [99,100]. However, excessive consumption of large amounts of tannins has been reported to cause side effects or even have a negative health impact [101], which depends on the chemical structure, dosage, and daily intake tolerance [102]. Hydrolyzable tannins (gallotannins and ellagitannins) are easily hydrolyzed by acids, bases, or enzymes into carbohydrate and phenolic acids. Sources rich in hydrolyzable tannins are apricots, peaches, nuts, mangos, cloves, pomegranates, plums, berries, teas, grapes, and guavas [103]. Condensed tannins (proanthocyanidins) are polymer products of flavan-3-ol (catechin, epicatechin), flavan-3,4-diol, or a mixture of these [104]. They are resistant to hydrolysis and are present in commonly consumed food products like legumes, seeds, beans, lentils, peas, millet, sorghum, and fruits (pears, apples, cranberries) (Table 2).

탄닌은

고등 식물의 거의 모든 부분(껍질, 목재, 잎, 열매, 뿌리, 씨앗, 식물 담즙)에 존재하는

폴리페놀 2차 대사 산물입니다 [1,93].

탄닌은

적포도주, 과일 주스, 맥주에서 높은 품질의 표시로 간주될 수 있는

쓴 맛과 떨리는 맛을 부여합니다 [94,95].

증가된 탄닌 생성은

식물의 감염, 곤충, 초식동물에 대한 방어 반응과 자주 연관됩니다 [96,97,98].

최근 식물 탄닌은

항산화제와 같은 인간 건강에 유익한 다기능 특성 때문에 주목받고 있습니다 [99,100].

그러나

과도한 양의 탄닌 섭취는

부작용을 일으키거나

부정적인 건강 영향을 미칠 수 있다고 보고되었습니다 [101],

이는 화학 구조, 용량, 일일 섭취 허용 한도에 따라 다릅니다 [102].

가수분해 탄닌(갈로탄닌 및 엘라기탄닌)은

산, 염기, 효소에 의해 쉽게 가수분해되어

탄수화물과 페놀산으로 나뉩니다.

가수분해 탄닌이 풍부한 공급원은

살구, 복숭아, 견과류, 망고, 정향, 석류, 자두, 베리, 차, 포도, 구아바입니다 [103].

축합 탄닌(프로안토시아니딘)은

플라반-3-올(카테킨, 에피카테킨), 플라반-3,4-디올 또는 이들의 혼합물의 폴리머 제품입니다 [104].

이는 가수분해에 저항성이 있으며

콩류, 씨앗, 콩, 렌틸콩, 완두, 기장, 수수, 과일(배, 사과, 크랜베리)과 같은

일반적으로 소비되는 식품에 존재합니다(표 2).

Table 2. Proanthocyanidins food sources, according to Smeriglio et al. [98].

Tannins reportedly harm iron absorption and iron stores. However, while studies in pig and rat models have shown a significant reduction of hemoglobin levels and hepatic iron, others have failed to do so. Nor have human studies managed to redress the balance [105]. One study conducted with 11 women found that long-term consumption of condensed tannins (up to 1.5 g three times a day for 3 weeks) caused no change in iron bioavailability [106]. A curious study of 55 female students from Indonesia found that 71% of them regularly drank tea, and of these, almost 54% had hemoglobin levels lower than usual. In contrast, nearly 64% of those who did not drink tea had normal hemoglobin levels. The difference is attributed to the high levels of tannins in tea [107]. Cows fed with a diet based on sorghum showed decreased milk production in a dose-dependent manner with the addition of tannic acid up to 320 g/day [108]. A study among 64 stunted and overweight adolescents from Semarang City, Indonesia, found a significant correlation between high intake of tannins and abnormally low serum levels of hemoglobin and transferrin receptors. Interestingly, the correlation was not significant in the case of high phytate intake [109].

탄닌은

철 흡수와 철 저장소를 해친다고 보고되었습니다.

그러나

돼지와 쥐 모델 연구에서는 헤모글로빈 수치와 간 철의 상당한 감소를 보였지만,

다른 연구에서는 그렇지 못했습니다.

인간 연구도 균형을 바로잡지 못했습니다 [105].

11명의 여성으로 실시한 한 연구에서는 장기간 축합 탄닌 섭취(3주 동안 하루에 1.5g, 3회)가

철 생체 이용률에 변화를 일으키지 않았다고 밝혔습니다 [106].

인도네시아 55명 여성 학생에 대한 흥미로운 연구에서는

그들 중 71%가 정기적으로 차를 마셨고,

이들 중 거의 54%가 평소보다 낮은 헤모글로빈 수치를 보였습니다.

반면,

차를 마시지 않는 거의 64%는

정상적인 헤모글로빈 수치를 보였습니다.

차에 포함된 높은 수준의 탄닌이

그 차이의 원인으로 여겨졌습니다 [107].

수수 기반 식이를 먹인 소는 하루 최대 320g의 탄닌산 추가로 용량 의존적 방식으로 젖 생산량이 감소했습니다 [108]. 인도네시아 세마랑 시의 64명의 저신장 및 과체중 청소년을 대상으로 한 연구에서는 높은 탄닌 섭취와 비정상적으로 낮은 혈청 헤모글로빈 및 트랜스페린 수용체 수치 사이에 유의미한 상관관계가 발견되었습니다. 흥미롭게도 높은 피틴산 섭취의 경우에는 상관관계가 유의미하지 않았습니다 [109].

2.4. Anti-Minerals: Phytates and Oxalates

Phytates and oxalates are salts of the phytic and oxalic acids, respectively. They are strong chelators of metal cations (Zn2+, Mg2+, Ca2+, and Fe2+), thus prone to limiting their bioavailability [110].

2.4. 항미네랄: 피틴산과 옥살산

피틴산과 옥살산은

각각 피틱산과 옥살산의 염으로,

금속 양이온(Zn2+, Mg2+, Ca2+, Fe2+)의 강력한 킬레이트제로 작용하여

생체 이용률을 제한합니다 [110].

2.4.1. Phytate

Phytate, as a salt complex with myo-inositol, is presented in various plant-based foods, including seeds, grains, nuts, and legumes. Phytic acid is the major phosphorus storage in numerous plants and soil [111]. In general, seeds such as grain legumes, cereals, and oilseeds tend to contain large amounts of phytate, providing phosphorus for germination. Roots, tubers, and fruits typically contain moderate amounts of phytate; the lowest level is in leaves [112]. Phytate is a six-carbon cyclic structure called inositol, with phosphate groups esterified at various positions on the inositol ring (Figure 3). This structure has multiple negatively charged positions, allowing interaction with positively charged ions. Thus, phytates impair negatively the absorption of many metal ions, most notably Zn2+, Fe2+/3+, Ca2+, Mg2+, Mn2+, and Cu2+. As a result, the non-soluble phytate–mineral complexes formed cannot be absorbed by the digestive tract. Furthermore, phytic acid can also chelate with amino group derivatives in proteins, reducing their bioavailability and absorption [113].

2.4.1. 피틴산

피틴산은

마이오-이노시톨과 염 복합체로,

씨앗, 곡물, 견과류, 콩류를 포함한 다양한 식물성 식품에 존재합니다.

피틴산은

많은 식물과 토양에서 주요 인 저장소입니다 [111].

일반적으로 곡물 콩류, 곡물, 기름 씨앗과 같은 씨앗는

많은 피틴산을 포함하여 발아를 위한

인을 제공합니다.

뿌리, 괴경, 과일은 보통 중간 정도의 피틴산을 포함하며,

잎에서는 가장 낮은 수준입니다 [112].

피틴산은 인ositol이라는 6-탄소 고리 구조로,

인ositol 고리에 여러 위치에서 인산기가

에스테르화되어 있습니다(도표 3).

이 구조는 음전하를 띤 여러 위치를 가지며

양전하 이온과 상호작용할 수 있습니다.

따라서

피틴산은 Zn2+, Fe2+/3+, Ca2+, Mg2+, Mn2+, Cu2+와 같은

많은 금속 이온의 흡수를 부정적으로 방해합니다.

결과적으로 형성된 불용성 피틴산-미네랄 복합체는

소화관에 의해 흡수될 수 없습니다.

또한 피틴산은

단백질의 아미노기 유도체와 킬레이트를 형성하여

생체 이용률과 흡수를 감소시킬 수 있습니다 [113].

Figure 3. The structural formula of phytic acid.

Human studies indicate that phytates impair magnesium and iron absorption [114,115]. Consuming 4–9 mg of phytic acid per 100 g of food can lead to a five-fold decrease in human iron absorption. However, the latter study found that iron absorption is additionally inhibited by polyphenolic compounds, like the phytates, in common beans (Phaseolus vulgaris). Dephythinization alone did not increase the iron absorption, but when the polyphenols were removed too, there was a 3.4-fold improvement. This synergistic effect is relatively common and should be considered when studying the combined ANF effects. A diet high in phytates has been linked to nutritional disorders like rickets and osteomalacia (“bone softening”) in both children and adults [116]. Lonnerdal et al. [117] found that the inhibitory effect of phytate on calcium and zinc absorption depends on the degree of phosphorylation of inositol. At higher degrees of phosphorylation, such as inositol with five or six phosphates (InsP5, InsP6), there is a significant inhibition of calcium and zinc absorption. However, at lesser degrees of phosphorylation, no such effect is observed. The number of phosphate groups attached to inositol plays a crucial role in determining the inhibitory effects of phytate on mineral absorption. Processed foods may contain significant amounts of inositol phosphates with fewer than six phosphates. During fermentation, microbial enzymes break down phytate into its lower phosphorylated forms, such as inositol triphosphate or inositol tetraphosphate. This breakdown can occur through other food processing techniques [118]. On the other hand, several recent studies demonstrated strong proof of the anti-cancer activity of phytic acid [119], its potential in the alleviation of diabetes symptoms [120], vascular calcification prevention [121], potential protective effect against neurodegenerative Parkinson’s disease [122], prevention of dental caries and kidney stones, and as a possible antidote to acute lead poisoning [102].

도표 3. 피틴산의 구조식.

인간 연구에 따르면 피틴산은

마그네슘과 철 흡수를 방해합니다 [114,115].

100g의 식품당 4~9mg의 피틴산 섭취는

인간 철 흡수를 5배 감소시킬 수 있습니다.

그러나 후속 연구는 일반 콩(Phaseolus vulgaris)에서 피틴산과 같은 폴리페놀 화합물에 의해 철 흡수가 추가로 억제된다는 점을 발견했습니다. 피틴산 제거만으로는 철 흡수를 증가시키지 않았으나, 폴리페놀도 제거했을 때 3.4배 개선되었습니다. 이 시너지 효과는 비교적 흔하며, 결합된 ANF 효과를 연구할 때 고려해야 합니다.

피틴산이 높은 식단은

어린이와 성인 모두에서 구루병 및 골연화증("뼈 연화")과 같은 영양 장애와 연관되었습니다 [116].

Lonnerdal 등 [117]은 피틴산이 칼슘과 아연 흡수에 대한 억제 효과가 inositol의 인산화 정도에 달려 있음을 발견했습니다. 인ositol에 5개 또는 6개의 인산(InsP5, InsP6)이 있는 높은 인산화 정도에서는 칼슘과 아연 흡수가 크게 억제됩니다. 그러나 인산화 정도가 낮을 때는 그런 효과가 관찰되지 않습니다. inositol에 부착된 인산기의 수는 피틴산이 미네랄 흡수에 미치는 억제 효과를 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 가공 식품은 6개 미만의 인산을 가진 inositol 인산염을 상당량 포함할 수 있습니다. 발효 중 미생물 효소는 피틴산을 inositol 트리인산 또는 inositol 테트라인산과 같은 낮은 인산화 형태로 분해할 수 있으며, 다른 식품 가공 기술에서도 이 분해가 발생할 수 있습니다 [118]. 반면, 최근 연구에서는 피틴산의 항암 활성 [119], 당뇨병 증상 완화 잠재력 [120], 혈관 석회화 방지 [121], 신경퇴행성 파킨슨병에 대한 보호 효과 [122], 치아 우식 및 신장 결석 예방, 급성 납 중독에 대한 가능한 해독제로 강력한 증거를 제시했습니다 [102].

2.4.2. Oxalates

Oxalic acid (ethanedioic acid, C2H2O4) is a compound found in various plant foods, which forms soluble or insoluble salts known as oxalates. Oxalates are commonly found in foods such as cruciferous vegetables, and leafy greens like spinach, kale, broccoli, soybeans, nuts, berries, beans, and certain spices are also known to be rich sources of oxalates. Cooking these foods can help reduce their oxalate content, making the minerals they contain more available for absorption [123].

The oxalate ion is negatively charged, and it can form salts with different positively charged ions, like K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Zn2+, and Fe2+ [124]. The solubility of the different salts varies—for example, sodium and potassium oxalates are soluble, while calcium, magnesium, zinc, and iron salts are less soluble to practically insoluble oxalate compounds. The insoluble calcium oxalate forms indigestible crystals and thus reduces the amount of calcium available for absorption by the body. Over time, high intake of oxalate-rich foods can contribute to the formation of kidney stones, as these crystals can accumulate and potentially cause health issues like a condition known as nephrolithiasis [125,126,127,128]. Oxalate homeostasis is critical for the prevention of kidney failure. Superfluous oxalates, dietary or endogenous, promote chronic kidney disease (CKD) in a more complex and still poorly understood way than the formation of kidney stones. Moreover, elevated plasma or urinary levels of oxalates have been linked with many other pathological conditions besides CKD, among them diabetes, atherosclerosis, obesity, and even neurological disorders [124]. Pairing oxalate-rich foods with calcium-rich foods can help mitigate the effects of oxalates on mineral absorption [129,130]. It has been observed that the risk of kidney stone formation is higher among individuals with lower dietary calcium intake. Adequate calcium intake helps bind dietary oxalate in the gut, reducing oxalate absorption and, consequently, the risk of kidney stone formation [131].

2.4.2. 옥살산

옥살산(에탄다이옥산, C2H2O4)은

다양한 식물성 식품에서 발견되는 화합물로, 용해성 또는 불용성 염인 옥살산염을 형성합니다.

옥살산염은

십자화과 채소, 잎채소(시금치, 케일, 브로콜리), 대두, 견과류, 베리, 콩,

특정 향신료와 같은 식품에서 흔히 발견됩니다.

이러한 식품을 조리하면

옥살산 함량을 줄여 미네랄을 더 흡수 가능하게 만듭니다 [123].

옥살산 이온은 음전하를 띠며

K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Zn2+, Fe2+와 같은 양전하 이온과 염을 형성할 수 있습니다 [124].

다양한 염의 용해도는 다릅니다.

예를 들어, 나트륨과 칼륨 옥살산염은 용해성이 있지만,

칼슘, 마그네슘, 아연, 철 염은 실질적으로 불용성인 옥살산화합물입니다.

불용성 칼슘 옥살산은

소화 불가능한 결정을 형성하여 신체가 흡수할 수 있는 칼슘 양을 줄입니다.

시간이 지나며 옥살산이 풍부한 식품의 높은 섭취는

이러한 결crystal이 축적되어 신장 결석과 같은 건강 문제를 유발할 수 있는

신장 결석증(nephrolithiasis)을 초래할 수 있습니다 [125,126,127,128].

옥살산 항상성은 신부전 예방에 중요합니다. 식이 또는 내인성 과도한 옥살산은 신장 결석 형성보다 더 복잡하고 아직 잘 이해되지 않은 방식으로 만성 신장 질환(CKD)을 촉진합니다. 또한,

혈장 또는 소변 내 옥살산 수치 상승은 CKD 외에도 당뇨병, 동맥경화, 비만, 심지어 신경 질환과 같은 많은 병리학적 상태와 연결되었습니다 [124]. 옥살산이 풍부한 식품을 칼슘이 풍부한 식품과 함께 섭취하면 미네랄 흡수에 대한 옥살산의 영향을 완화할 수 있습니다 [129,130]. 칼슘 섭취가 낮은 개인에서 신장 결석 형성 위험이 더 높다는 것이 관찰되었습니다. 적절한 칼슘 섭취는 장에서 식이 옥살산과 결합하여 옥살산 흡수를 줄이고, 결과적으로 신장 결석 형성 위험을 감소시킵니다 [131].

https://www.mdpi.com/2304-8158/11/18/2876

In contrast to other antinutrients, such as phytates and tannins, which have been studied for their potential health benefits (anticancer properties, improved glucose metabolism, antioxidant effects), oxalates primarily pose a health concern [128]. Oxalate poisoning in domestic animals has a rich history, with ruminants showing greater resistance to high oxalate levels due to oxalate-degrading bacteria in the rumen. Oxalate toxicity levels have been widely estimated in various studies—between 450 mg/100 g and 5 g/100 g food [132,133]; however, the critical levels of soluble oxalates remain a matter of debate, and more long-term studies are needed to establish them [134]. Dysfunctional oxalate metabolism in a mouse model has been described as one of the driving forces, and possible therapeutic targets, of atherosclerosis. Mice with knockout genes for alanine-glyoxylate aminotransferase (AGXT) showed decreased glycine/oxalate ratio and increased atherosclerosis, a striking effect confirmed in human patients. In isolated macrophages, oxalate-induced oxidative stress and mitochondrial dysfunction appear to be contributing factors [135]. However, it is important to note that plant foods that contain oxalates also provide numerous bioactive compounds that offer significant health benefits. Despite the presence of oxalates, the consumption of these nutrient-dense foods is generally encouraged due to their overall health benefits.

A summary of the effects of antinutrients on human health is presented in Table 3.

피틴산과 탄닌과 같은 다른 항영양소와 달리,

항암 특성, 개선된 포도당 대사, 항산화 효과와 같은 잠재적 건강 이점을 연구해 왔지만,

옥살산은 주로 건강 문제를 초래합니다 [128].

가축에서 옥살산 중독은 풍부한 역사를 가지며,

반추동물은 반추 위에 있는 옥살산 분해 박테리아로 인해 높은 옥살산 수준에 더 강한 저항성을 보입니다.

옥살산 독성 수준은

여러 연구에서 450 mg/100g에서 5 g/100g 식품으로 광범위하게 추정되었으나 [132,133],

용해성 옥살산의 임계 수준은 여전히 논란의 여지가 있으며,

이를 확립하기 위해 더 많은 장기 연구가 필요합니다 [134].

마우스 모델에서 기능 불량 옥살산 대사는 동맥경화의 원동력 중 하나로, 그리고 가능한 치료 표적으로 기술되었습니다. 알라닌-글리옥실산 아미노전이효소(AGXT) 유전자 녹아웃 마우스는 글리신/옥살산 비율 감소와 증가된 동맥경화로, 인간 환자에서도 확인된 놀라운 효과를 보였습니다. 분리된 대식세포에서 옥살산 유도 산화 스트레스와 미토콘드리아 기능 장애가 기여 요인으로 보입니다 [135]. 그러나 옥살산을 포함하는 식물성 식품은 또한 상당한 건강 이점을 제공하는 수많은 생리활성 화합물을 제공합니다. 옥살산의 존재에도 불구하고, 이러한 영양 밀도가 높은 식품의 소비는 전반적인 건강 이점으로 인해 일반적으로 권장됩니다.

항영양소가 인간 건강에 미치는 영향 요약은 표 3에 제시됩니다.

Table 3. Experimental evidence on adverse effects of antinutrients.

2.5. Anti-Vitamins and Anti-Enzymes

Anti-vitamins are molecules that inhibit the actions or absorption of vitamins, thus diminishing or abolishing their specific functions. Historically, the first example of an anti-vitamin is phytic acid, which was found to be the antagonist of vitamin D. Then, thiaminases of raw fish, shellfish, Brussel sprouts, and red cabbage have been found to induce irreversible degradation of the target vitamin B1 (thiamine), causing beriberi symptoms [136]. Anti-vitamin B1 was also found in plants such as bracken fern (Pteridium aquilinum), one of the five most vascular plants in the world [137].

Another anti-vitamin example is the anti-pyridoxine factor, which concurs with vitamin B6 (pyridoxine). It is abundant in linseed and comprises amino acid D-proline (that occurs as peptide linatine) combined with glutamic acid. L-amino-D-proline is about 4 times more active than linatine, which is known as a strong antimicrobial agent [137].

Avidin, which hampers biotin absorption, is especially abundant in soybeans (rich in anti-vitamin A, D, and E factors) and eggs white. Avidin is an antinutrient that binds vitamin B12, exhibiting the highest known ligand–protein affinity in nature [138]. The bioavailability of biotin to consumers can be additionally compromised by the tight complex between avidin and its associated vitamin B8 (inositol). Anti-vitamin E, isolated from soya protein, probably acts as tocopherol oxidase [137].

Vitamin K complex is a fat-soluble vitamin comprising of the following substances: phylloquinone (K1-predominant), dihydro phylloquinone (dK), menaquinone (K2), and menadione (K3). The poor gastrointestinal absorption of vitamin K is affected by plant ANF coumarin (a heterocyclic class of organic compounds), a substance found in grapefruits, alfalfa, and capers. Its consumption delays blood clotting if consumed in high doses [139,140].

Anti-enzymes are, for instance, the cholinesterase inhibitor solanine in plants from the genus Solanum (potatoes, tomatoes, eggplant), an arginase inhibitor in sunflower seeds, and amylase inhibitors common wheat, oats, and rye [141,142].

Well-known protease inhibitors in eggs are ovostatin, ovomucoid, ovoinhibitor, and cystatin. They inhibit digestive enzymes, including pepsin, trypsin, and chymotrypsin, and hamper digestion in the human gastrointestinal tract [138]. Molecules such as ovomucoid and cystatin contain multiple disulfide bonds and are resistant to gastric juice and proteases in the digestive system. However, since they are susceptible to thermal denaturation, they can be easily destroyed during cooking.

2.5. 항비타민 및 항효소

항비타민은

비타민의 작용이나 흡수를 억제하여 특정 기능을 감소시키거나 없애는 분자입니다.

역사적으로 최초의 항비타민 사례는

비타민 D의 길항제인 피틴산이었습니다.

그 다음, 생선, 조개, 브뤼셀 콩나물, 적 양배추의 티아미나제가

비타민 B1(티아민)의

비가역적 분해를 유도하여 베리베리(각기병) 증상을 일으켰습니다 [136].

Then, thiaminases of raw fish, shellfish, Brussel sprouts, and red cabbage have been found

to induce irreversible degradation of the target vitamin B1 (thiamine), causing beriberi symptoms

항비타민 B1은

세계에서 가장 다혈질 식물 중 하나인

고사리(Pteridium aquilinum)와 같은 식물에서도 발견되었습니다 [137].

채소는 보호 식품의 중요한 원천이며 건강한 식단의 일부입니다. 채소에는 탄수화물, 당분, 단백질, 비타민 등 인간 성장과 건강에 필수적인 화학 성분이 포함되어 있습니다. 실제로 인도인의 평균 식사의 약 20%를 차지합니다. 그러나 식물에는 비료와 농약으로부터 얻은 독성 물질과 항영양소가 포함되어 있으며, 자연적으로 발생하는 여러 화학 물질도 존재합니다. 이 중 일부 화합물은 2차 대사산물 또는 항영양 인자로 알려져 있으며, 생물학적 활성이 매우 높다는 것이 입증되었습니다. 항영양 인자는 대사 과정을 방해하여 영양소의 성장과 생체 이용률을 부정적으로 영향을 미칩니다. 이에는 사포닌, 알칼로이드, 프로테아제 억제제, 옥살산, 헤마글루티닌(렉틴), 시안화물, 레토겐, 고이트로겐 등이 포함됩니다. 이 목록은 끝이 없으며, 일부 식물 화학물질은 적절한 양으로 섭취될 경우 건강에 해로울 수 있지만, 인간 건강에 명백히 유익한 것으로 밝혀진 경우도 있습니다.

또 다른 항비타민 사례는

비타민 B6(피리독신)와 경쟁하는 항피리독신 인자로,

아마씨에 풍부하며 아미노산 D-프롤린(펩타이드 리나틴으로 발생)과 글루탐산의 조합으로 구성됩니다.

L-아미노-D-프롤린은

리나틴(강력한 항균제)보다 약 4배 더 활성적입니다 [137].

아비딘은

특히 대두(항비타민 A, D, E 인자가 풍부)와 계란 흰자에 풍부하며,

비타민 B12 결합을 통해

자연에서 가장 높은 리간드-단백질 친화도를 보이는 항영양소입니다 [138].

소비자의 비오틴 생체 이용률은

아비딘과 연관된 비타민 B8(이노시톨) 사이의 밀접한 복합체에 의해 추가로 손상될 수 있습니다.

대두 단백질에서 분리된 항비타민 E는

아마도 토코페롤 산화효소로 작용합니다 [137].

비타민 K 복합체는

필로퀴논(K1-우세), 디하이드로 필로퀴논(dK), 메나퀴논(K2), 메나디온(K3)과 같은

지방용해성 비타민으로 구성됩니다.

비타민 K의 불량한 위장 흡수는

식물 ANF 쿠마린(헤테로고리 유기 화합물 계열)의 영향을 받으며,

자몽, 알팔파, 케이퍼에 존재합니다.

높은 용량 섭취 시

혈액 응고를 지연시킵니다 [139,140].

항효소의 예로는

Solanum 속(감자, 토마토, 가지)의 콜린에스테라제 억제제 솔라닌,

해바라기 씨의 아르기나제 억제제,

일반 밀, 귀리, 호밀에 흔한 아밀라제 억제제가 있습니다 [141,142].

계란의 잘 알려진 프로테아제 억제제에는

오보스타틴, 오보무코이드, 오보인히비터, 시스타틴이 있으며,

이는 펩신, 트립신, 키모트립신을 포함한 소화 효소를 억제하고

인간 위장관에서 소화를 방해합니다 [138].

오보무코이드 및 시스타틴과 같은 분자는

다중 이황화 결합을 포함하며

위산과 소화계의 프로테아제에 저항성이 있습니다.

그러나

열 변성에 취약하기 때문에 조리 중 쉽게 파괴될 수 있습니다.

3. Non-Microbial Methods for Antinutrients Detoxification

Traditional ethnic food processing methods and technologies such as soaking, milling, roasting, cooking, and sprouting reduce anti-nutritional components in foods. Milling flour is the oldest method of removing the bran layer from grains, thus reducing the content of phytic acid, lectins, and tannins. Experimental data revealed that the milling and heating process during the preparation of chapati from pearl millet significantly reduced phytic acid and polyphenols and increased the quantity of digestible starch and protein [143]. The study of Udensi et al. [144] indicated that 6 h of soaking reduced phytic acid by 27.9% at room temperature in Mucana flagellipes, and 24 h of soaking reduced it by 36.0%. Wheat and barley require soaking from 12 to 24 h, which activates endogenous or exogenous phytase enzymes that can improve the in vitro solubility of minerals such as zinc and iron by up to 23% [145]. Soaking reduces phytate content more successfully if carried out at 45 °C and 65 °C and for a long time; for example, phytic acid concentration in chickpeas decreased by 47.45 to 55.71% when the soaking time was increased from 2 to 12 h. Moreover, the soaking reduces cooking time, enhances the release of endogenous phytases, and provides essential moisture for germination. On the other hand, conventional heat treatment reduces the phytic acid content by only 5 to 15%. When pressure is involved in the process, as in autoclaving, detoxification is more rapid and decreases much of the ANF content. For instance, autoclaving was applied to diminish the oxalate content in taro leaves (47% reduction) and for soybean trypsin inhibitor activity decrease [23]. Nakitto et al. [146] reported a high reduction in tannin and phytic acid contents in beans, which was greater in steamed beans (31.1 and 46.1%, respectively) as compared to roasted beans (4.25 and 18.42%, respectively).

Several studies have compared soaking and fermentation as ANF detoxification methods. Ndouyang et al. [147] compared soaking (for 72 h) and fermentation (for 48 h, by unspecified microorganisms) of Tacca leontopetaloides tubers. Phytates were reduced by both methods, but only by about 20%. Alkaloids and saponins were significantly reduced by both methods, 43% by soaking and 51 to 77%, respectively, by fermentation. Soluble oxalates were reduced by almost 94% by fermentation yet remained virtually unchanged by soaking. Flavonoids and hydrolyzable tannins increased by fermentation by 52% and 99%, respectively. Comparing both methods to detoxify bamboo shoots, Chongtham et al. [148] showed that cyanides were reduced by fermentation (to 23%) but not by soaking (remaining 43%). Condensed tannins and insoluble oxalates were increased by both methods, but even in this case fermentation seems preferable because of the lesser extent, 59% and 22% against 101% and 352%, respectively [149].

3. 항영양소 해독을 위한 비미생물 방법

침지, 제분, 로스팅, 조리, 발아와 같은 전통적인 민족 음식 가공 방법과 기술은

식품 내 항영양소 성분을 줄입니다.

soaking, milling, roasting, cooking, and sprouting

제분은

곡물에서 쌀겨층을 제거하여

피틴산, 렉틴, 탄닌 함량을 줄이는 가장 오래된 방법입니다.

실험 데이터에 따르면 진주 기장으로 만든 챠파티 준비 중 제분 및 가열 공정에서 피틴산과 폴리페놀 함량이 크게 줄어들고 소화 가능한 전분과 단백질의 양이 증가했습니다 [143].

Udensi 등 [144]의 연구는 Mucana flagellipes에서

실온에서 6시간 동안 침지하면 피틴산이 27.9% 감소하고

24시간 침지하면 36.0% 감소한다고 나타냈습니다.

밀과 보리는 12~24시간 침지가 필요하며,

이는 아연 및 철과 같은 미네랄의 체외 용해성을 최대 23%까지 개선할 수 있는

내인성 또는 외인성 피타제 효소를 활성화합니다 [145].

45°C와 65°C에서 장시간 수행되는 침지는

피틴산 함량을 더 성공적으로 줄입니다.

예를 들어, 병아리콩의 피틴산 농도는 침지 시간이 2시간에서 12시간으로 증가할 때 47.45%에서 55.71%로 감소했습니다. 또한 침지는 조리 시간을 줄이고 내인성 피타제의 방출을 촉진하며 발아를 위한 필수 수분을 제공합니다.

반면, 기존 열처리는 피틴산 함량을 단지 5~15%만 감소시킵니다. 압력이 포함된 공정, 예를 들어 오토클레이브에서는 해독이 더 빠르고 ANF 함량이 크게 감소합니다. 예를 들어, 오토클레이브는 타로 잎의 옥살산 함량(47% 감소) 및 대두 트립신 억제제 활성을 줄이는 데 적용되었습니다 [23]. Nakitto 등 [146]은 찐 콩에서 탄닌과 피틴산 함량의 높은 감소(각각 31.1% 및 46.1%)를 보고했으며, 로스팅 콩(각각 4.25% 및 18.42%)보다 더 큰 효과를 보였습니다.

침지와 발효를 ANF 해독 방법으로 비교한 여러 연구가 있습니다. Ndouyang 등 [147]은 Tacca leontopetaloides tubers에 대한 72시간 침지와 48시간(특정 미생물에 의한) 발효를 비교했습니다.

피틴산은 두 방법 모두로 약 20% 감소했으나,

알칼로이드와 사포닌은 침지(43%)와 발효(51~77%)로 크게 감소했습니다.

용해성 옥살산은 발효로 거의 94% 감소했으나

침지로는 거의 변하지 않았습니다.

플라보노이드와 가수분해 탄닌은 발효로 각각 52%와 99% 증가했습니다. 대나무 새싹 해독을 위해 두 방법을 비교한 Chongtham 등 [148]은 발효로(23%) 시안화물이 감소했으나 침지(43% 잔류)로는 감소하지 않았다고 보였습니다. 축합 탄닌과 불용성 옥살산은 두 방법 모두 증가했으나, 이 경우에도 발효가 더 적은 정도(59% 및 22% 대 101% 및 352%)로 선호되었습니다 [149].

Soaking for 16 h in distilled water and, even more so, cooking for 60 min on a hot plate reduced the levels of tannin, phytate, and oxalate in red, white, and black kidney beans (Phaseolus vulgaris) from Ethiopia. However, there was a correlation with the bioavailability of calcium and iron. Only zinc showed increased levels in all three types of beans, and only after soaking. The cooking decreased or did not change significantly the zinc levels. Similar studies from India, Pakistan, Nigeria, and Kenya produced dissimilar results [150]. One study has revealed lower levels of condensed tannins in spontaneously fermented-dried and blanched-dried African leafy vegetables (ALV) from sub-Saharan Africa compared to cooked samples. The bioavailability of zinc and iron was notably increased by both drying techniques in three out of five ALVs, the exceptions being Ethiopian kale and amaranth [151]. It has to be noted that during soaking diffusion, large amounts of salts also leave the food, while vitamins are degraded during cooking. Compared to these methods, fermentation achieves the same or better levels of detoxification along with the following advantages: the process is performed under mild conditions (without high temperatures or pressure), relatively faster than germination, without loss of vitamins and salts, and with improved taste and nutritional qualities of food. However, recently developed innovative non-microbial approaches to remove ANFs are also promising. Such examples are extrusion [152,153,154], dielectric heating treatments, such as radiofrequency and microwave radiation [153,155], and ultrasound technology, the last able to decrease phytate and tannin content in finger millet by 66.98 and 62.83%, respectively [156]. Cold plasma treatment is particularly promising since it substantially reduces the phytic acid content, and trypsin inhibitor activity [157,158,159]. The last ANF can also be removed by methods for optimized protein extraction [160]. Methods for genetic manipulation of plants aimed at reducing the synthesis of antinutrients are also being developed. Breeding strategies to alter the anti-nutritional components for enhanced bioavailability of nutrients in foods are applied [161]. Selection of low-ANF-producing genotypes of plants, followed by fermentation, is the most applicable [162].

에티오피아의 붉은, 흰색, 검은 강낭콩(Phaseolus vulgaris)을 증류수에서 16시간 침지하고,

뜨거운 판에서 60분 조리하면 탄닌, 피틴산, 옥살산 수준이 감소했습니다.

그러나

칼슘과 철의 생체 이용률과 상관관계가 있었습니다.

침지 후에만 모든 세 유형의 콩에서 아연 수준이 증가했으며,

조리는 아연 수준을 감소시키거나 유의미하게 변화시키지 않았습니다.

인도, 파키스탄, 나이지리아, 케냐에서 유사한 연구는

상이한 결과를 보였습니다 [150].

한 연구는 사하라 이남 아프리카의 자발적으로 발효 건조 및 데친 건조 아프리카 잎채소(ALV)에서 조리 샘플에 비해 축합 탄닌 수준이 낮음을 밝혔습니다. 아연과 철의 생체 이용률은 건조 기술로 5개 ALV 중 3개에서 현저히 증가했으며, 예외는 에티오피아 케일과 아마란스였습니다 [151].

침지 중 확산으로 인해 소금이 대량으로 식품을 떠나고,

조리 중 비타민이 분해된다는 점에 유의해야 합니다.

이러한 방법에 비해

발효는 동일하거나 더 나은 해독 수준을 달성하며

다음과 같은 이점이 있습니다:

고온이나 압력 없이 온화한 조건에서 수행되며,

비타민과 소금 손실 없이 비교적 빠르고 발아보다 빠르며,

식품의 맛과 영양 품질이 개선됩니다. 그

러나 최근 개발된 혁신적인 비미생물적 ANF 제거 접근법도 유망합니다. 대표적인 예로는 압출 [152,153,154], 유전체 가열 처리(라디오주파수 및 마이크로파 복사) [153,155], 초음파 기술(핑거 밀릿에서 피틴산과 탄닌 함량을 각각 66.98% 및 62.83% 감소) [156], 저온 플라즈마 처리가 있습니다. 저온 플라즈마 처리는 피틴산 함량과 트립신 억제제 활성을 상당히 줄이는 데 특히 유망합니다 [157,158,159]. 후자는 최적화된 단백질 추출 방법으로도 제거될 수 있습니다 [160]. 식물의 항영양소 합성을 줄이기 위한 유전자 조작 방법도 개발 중입니다. 식품 내 영양소 생체 이용률을 높이기 위한 항영양소 성분을 변경하는 육종 전략이 적용되고 있습니다 [161]. 저ANF 생성 유형의 식물 선택 후 발효는 가장 적용 가능한 방법입니다 [162].

4. Bacterial Reduction of Antinutrients

Fermentation provides an alternative to the physical method of antinutrient detoxification that is neither more expensive nor more difficult. While fermentation is more time-consuming, it may have the additional benefit of possible probiotic properties of the bacterial strains involved. A number of studies involving lactic acid (LA) fermentation of sauerkraut, pickled cucumbers, or fermented soya products have reported decreased content of oxalates, tannins, and glucosinolates. LA fermentation is the best approach to diminishing the adverse effects of phytate-rich cereals (pearl millet, maize), and pseudocereals [9,20]. In addition, fermented foods often have superior health-promoting effects, for instance, antioxidant potential. The case of each antinutrient must be considered individually within the context of its food source and the fermentation conditions [163]. Examples of ANF degradation during fermentation processes and the reduction levels are presented in Table 4.

4. 항영양소의 박테리아 발효로 감소

발효는

더 비싸거나 어렵지 않은

물리적 항영양소 해독 방법의 대안입니다.

발효는 시간이 더 걸릴 수 있지만,

관련된 박테리아 균주의 가능한 프로바이오틱 특성이라는 추

가 이점이 있을 수 있습니다.

젖산(LA) 발효를 통해

김치, 피클 오이, 발효 대두 제품의 옥살산, 탄닌, 글루코시놀레이트 함량이

감소했다고 보고한 여러 연구가 있습니다.

LA 발효는

피틴산이 풍부한 곡물(진주 기장, 옥수수) 및 가식곡류의 부작용을 줄이는 최적의 접근법입니다 [9,20].

또한 발효 식품은

종종 항산화 잠재력을 포함한 우수한 건강 증진 효과를 가집니다.

각 항영양소의 경우,

식품 출처와 발효 조건을 고려하여 개별적으로 검토해야 합니다 [163].

발효 과정 중 ANF 분해 사례와 감소 수준은 표 4에 제시됩니다.

Table 4. Microbial degradation of antinutrients.

Table 4. Microbial degradation of antinutrients.

ANF *SourceSpecies/StrainInitial ConcentrationMaximum Reduction (%)Fermentation ConditionsReference

Lectins	Lentils	Unspecified starter culture	79 g/L	98%	72–96 h, 42 °C	[163]
Cyanogenic glycosides	Linseed	L. acidophilus MTCC-10307	5.17 mg/g	66%	2 days, 30 °C	[164]
Goitrogens	Raw white cabbage	Leuconostoc mesenteroides, E. faecium	168 μmol/100 g FW *	~90% 100%	5 days, 20 °C 7 days, 20 °C	[165]
Saponins	Quinoa dough	Lp. plantarum 1	272 mg/100 g	64% 71%	3 days, 35 °C 4 days, 35 °C	[166]
Tannins	Goat feces	Klebsiella pneumoniae	64 g/L	68% 98%	24 h, 30 °C 72 h, 30 °C	[167]
Trypsin inhibitors	Soybean	Lev. brevis CICC 6004	6.4 mg/g DW *	57.1%	72 h, pH 5.1, 10% inoculum	[168]
Amylase inhibitors	Pearl millet	Unspecified starter culture	n/a	50.8%	24 h, 30 °C	[169]
Phytates	Tarhana	Fructilactobacillus sanfranciscensis CCM 7699	3.3 g/kg	89%	144 h, pH 4.8–4.2	[170]
Oxalates	Ammonium oxalate	L. acidophilus	10 mM	11.8%	48 h	[171]
	Ammonium oxalate	Streptococcus thermophilus	10 mM	3.5%	48 h	[171]
	Sodium oxalate	Enterococcus faecalis	5 g/L	100%	48 h	[172]

Enzymatic degradation appears to be the major mechanism of microbial reduction of antinutrients. A genomic study of 351 bacterial genomes found that ANF-degrading enzymes are relatively rare. Only 22 Lactobacillus strains contained between 6 and 13 genes for metabolizing ANFs. Five of them could act on six ANFs and 12 on five ANFs. Bacillus strains showed wider distribution but more limited application of ANF-degrading genes: two strains had seven of them, and 31 had six. None of these 33 strains, however, was effective against more than 4 ANFs [5].

Some of the most common ANF-degrading enzymes are hydrolases and include tannase and phytase. Tannase hydrolyzes ester and depside bonds in tannins, which leads to gallic/ellagic acid and glucose. Gallic acid can be further metabolized to pyrogallol by gallate decarboxylase in Lp. plantarum. Phytase splits phytates into inorganic phosphates and lower esters of myoinositol, or even free myoinositol in some cases. This is usually accompanied by increased levels of minerals, especially Ca2+ and Mg2+. Oxalates are something of an exception. They are decarboxylated to CO2 and formate, which can be used as a source of carbon and energy by some lactobacilli such as Lp. plantarum and L. acidophilus [173]. The most important bacterial hydrolases regarding antinutrients are β-glucosidases. A large class of diverse enzymes common in lactic acid bacteria and bifidobacteria, β-glucosidases can utilize a vast variety of substrates with downstream effects that may or may not be desirable. When they split the sugar side chains of saponins, β-glucosidases have a beneficial effect, lowering the solubility of saponins and reducing their harmful effects. But when they hydrolyze cyanogenic glycosides, β-glucosidases promote the generation of cyanide, an inhibitor of the cytochrome C oxidase (Complex IV) from the mitochondrial respiratory chains [53,173].

표 4. 미생물에 의한 항영양소 분해.

효소적 분해는

미생물에 의한 항영양소 감소의 주요 메커니즘으로 보입니다.

351개 박테리아 게놈에 대한 게놈 연구에서는

ANF 분해 효소가 비교적 드물다고 밝혔습니다.

단 22개의 락토바실러스 균주가

ANF를 대사하는 6~13개의 유전자를 포함했으며,

그 중 5개는 6개 ANF, 12개는 5개 ANF에 작용할 수 있었습니다.

바실러스 균주는 더 넓은 분포를 보였지만 ANF 분해 유전자의 적용 범위는 제한적이었습니다: 2개 균주가 7개를, 31개가 6개를 가졌습니다. 그러나 이 33개 균주 중 어느 것도 4개 이상의 ANF에 효과적이지는 않았습니다 [5].

가장 흔한 ANF 분해 효소에는

탄나제와 피타제와 같은 가수분해 효소가 포함됩니다.

탄나제는

탄닌의 에스테르 및 데프사이드 결합을 가수분해하여

갈릭/엘라그산과 포도당을 생성합니다.

갈릭산은 L

p. plantarum의 갈레이트 데카르복실라제에 의해 피로갈롤로 추가 대사될 수 있습니다.

피타제는

피틴산을 무기 인산염과 마이오이노시톨의 낮은 에스테르로 분해하거나,

경우에 따라 자유 마이오이노시톨로 분해합니다.

이는 일반적으로 Ca2+ 및 Mg2+와 같은 미네랄 수준의 증가를 동반합니다.

옥살산은

예외적인 경우입니다.

이는 일부 락토바실리(예: Lp. plantarum 및 L. acidophilus)에서

탄소 및 에너지 원으로 사용될 수 있는

CO2와 포메이트로 데카르복실화됩니다 [173].

항영양소와 관련된 가장 중요한 박테리아 가수분해 효소는

β-글루코시다제입니다.

젖산균 및 비피도박테리아에서 흔한 다양한 효소 계열인 β-글루코시다제는

다양한 기질을 활용하며 하류 효과가 바람직할 수도, 그렇지 않을 수도 있습니다.

사포닌의 당 측쇄를 분해할 때 β-글루코시다제는 유익한 효과를 가지며,

사포닌의 용해도를 낮추고 해로운 영향을 줄입니다.

그러나 시안화 글리코시드를 가수분해할 때는

β-글루코시다제가 시아나이드 생성을 촉진하여

미토콘드리아 호흡 사슬의 사이토크롬 C 옥시다제(복합체 IV) 억제제 역할을 합니다 [53,173].

4.1. Microbial Degradation of Lectins

Lectins are highly unstable under high temperatures. A study of black turtle beans found non-detectable levels of hemagglutinating activity after 20 min at 80 °C, and that with the very respectable 1.64 × 106 HU/mg to begin with [174]. Thermal instability might be an explanation for why relatively little work has been done on bacterial degradation of lectins, and why some of it is in domestic animals. It has been known for decades that lectins are bound and degraded in vitro by rumen liquor to various degrees, but the exact mechanisms remain elusive [175,176,177,178]. Unspecified starter culture achieved a 98% reduction in the lectin content in Lens culinaris (79 g/L) within 96 h. The natural microbiota of lentils, in this case var. Magda 20 from Albacete (Spain), is presumably responsible for that effect and therefore worth future study [179]. Solid-phase fermentation of soybean meal by strains of Aspergillus spp. and Bacillus spp. resulted in a significant reduction in lectin levels and increased organic acid production, especially lactic acid.

4.1. 렉틴의 미생물 분해

렉틴은

높은 온도에서 매우 불안정합니다.

블랙 터틀 콩에 대한 연구에서는

80°C에서 20분 후에 혈전구성 활성이 검출되지 않았으며,

초기 농도는 매우 높은 1.64 × 106 HU/mg였습니다 [174].

열 불안정성이 렉틴의 박테리아 분해에 대한 상대적으로 적은 연구와 일부가 가축에 초점을 맞춘 이유를 설명할 수 있습니다. 수십 년 동안 렉틴이 반추 위 액에서 다양한 정도로 결합 및 분해된다는 것이 알려져 있었지만, 정확한 메커니즘은 여전히 불분명합니다 [175,176,177,178].

불특정 스타터 배양은 96시간 내에 Lens culinaris(79 g/L)의 렉틴 함량을 98% 감소시켰습니다. 이 경우 알바세테(스페인) 출신 Magda 20 품종 렌틸콩의 자연 미생물군이 그 효과를 담당하며, 따라서 미래 연구 가치가 있습니다 [179].

Aspergillus spp. 및 Bacillus spp. 균주에 의한 대두 가루의 고체 발효는

렉틴 수준의 유의미한 감소와

특히 젖산을 포함한 유기산 생성 증가를 초래했습니다.

4.2. Microbial Degradation of Cyanogenic Glycosides

Cyanogenic glycosides have a complex fate in the intestinal environment or during fermentation. Generally, they are hydrolyzed by bacterial β-glucosidases to cyanohydrins (hydroxynitriles) and glucose, or gentiobiose. Hydroxynitrile lyase catalyzes further conversion to HCN and the respective aldehyde or ketone, but cyanohydrins are unstable and often degrade spontaneously under physiological conditions (pH > 5, t > 35 °C).

The rate of cyanide production depends on several factors, among them the nature of the sugar moiety. Glycosides that contain gentiobiose undergo a two-stage hydrolysis until the respective cyanohydrine is formed (Figure 4).

4.2. 시안화 글리코시드의 미생물 분해

시안화 글리코시드는

장 환경 또는 발효 중 복잡한 운명을 가집니다.

일반적으로

박테리아 β-글루코시다제에 의해 시안화린(하이드록시니트릴)과 포도당, 또는

겐티오비오스로 가수분해됩니다.

하이드록시니트릴 리아제는 추가로 HCN과 해당 알데히드 또는 케톤으로의 전환을 촉매하지만,

시안화린은 불안정하여 생리적 조건( pH > 5, t > 35°C)에서 자발적으로 분해됩니다.

시아나이드 생성 속도는 당 부분의 특성에 따라 여러 요인에 달려 있습니다.

겐티오비오스를 포함하는 글리코시드는 해

당 시안화린이 형성될 때까지 두 단계 가수분해를 거칩니다(도표 4).

Figure 4. Two-stage hydrolysis of gentiobiose containing cyanogenic glycosides. Structural formulae were provided by the public domain https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/ (accessed on 6 May 2024).

Cyanohydrins differ in their speed of spontaneous

degradation. Hydrolysis of prunasin, for instance, results in much more rapid cyanide production than the hydrolysis of linamarin [53,180,181]. There are several ways to dispose of the cyanide that results from the hydrolysis of cyanogenic glycosides. Possibly the most widespread is to convert it to the much less toxic thiocyanate. The enzyme rhodanese (EC 2.8.1.1, thiosulfate: CN sulfurtransferase) is mainly responsible for this. Enterococcus faecium and E. gallinarum isolated from rumen showed high rhodanese activity, ranging between 4.42 and 25.49 mg hydrogen CN equivalent/L, but they were the exception rather than the rule. Only 6 from a total of 44 strains isolated from the rumen of domestic buffalo, dairy cattle, and beef cattle showed rhodanese activity [182]. Rhodanese is by no means the only microbial way of dealing with cyanide; there are plenty of others, but they are more relevant to the bioremediation of industrial wastes than to food fermentation [101].

도표 4. 겐티오비오스를 포함한 시안화 글리코시드의 두 단계 가수분해. 구조식은 공개 도메인 https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/ (2024년 5월 6일 접속)에서 제공됨.

시안화린은 자발적 분해 속도에서 차이가 있습니다. 예를 들어, 프루나신의 가수분해는 리나마린의 가수분해보다 훨씬 빠른 시아나이드 생성을 초래합니다 [53,180,181]. 시안화 글리코시드 가수분해에서 생성된 시아나이드를 처리하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 아마도 가장 널리 퍼진 방법은 훨씬 덜 독성인 티오시아네이트로 전환하는 것입니다. 효소 로다네제(EC 2.8.1.1, 티오황산: CN 설퍼트랜스퍼라제)가 주로 이를 담당합니다. 반추 위에서 분리된 Enterococcus faecium 및 E. gallinarum은 4.42~25.49 mg 수소 CN 등가/L 범위의 높은 로다네제 활성을 보였으나, 이는 예외적인 경우였습니다. 국내 버팔로, 유제품 소, 육우의 반추 위에서 분리된 총 44개 균주 중 단 6개만 로다네제 활성을 보였습니다 [182]. 로다네제는 유일한 미생물적 시아나이드 처리 방법이 아니며, 다른 방법은 산업 폐기물 생물 정화보다 식품 발효에 더 관련이 있습니다 [101].

A recent study of Lactobacillus genomes revealed that both homofermentative and heterofermentative species have a large genetic potential for the synthesis of β-glucosidases. According to Dymarska et al. [183], the genomes of Lp. plantarum, Lacticaseibacillus paracasei, L. crispatus, and Companilactobacillus paralimentarius encoded for 8 to 22 enzymes, predominantly phospho-β-glucosidases, with predicted activity on β-glucosides [183]. Both species, Levilactobacillus hammesii and Furfurilactobacillus milii, were reported to encode for three β-glucosidases, while Furfurilactobacillus rossiae contains a gene for one. Cultivation experiments with amygdalin, esculin, salicin, quercetin, genistein, and ginsenosides prove that the genetic profile of the strains matches the acting on hydrolysis of β-glucoside enzymes.

B. subtilis KM05 with a considerable ability to utilize cyanogenic substrates in cassava flour led to the isolation of the enzyme linamarase, a β-glucosidase of 53 kDa with considerable ability (9.6 U/mL) to degrade linamarin, which accounts for 80% of the cyanide content in cassava. Limanarase may prove a useful additive during the processing of fresh cassava roots, which includes a long process of washing and milling during which most of the HCN is removed anyway [184]. Purified limanarase cannot be utilized in fermented foods. The Bacillus strain from which it was isolated is another matter, but it must be investigated what mechanisms (if any) of cyanide disposal are available in the said strain. Bifidobacterium, a genus of high importance in both human gut microbiota and food fermentation, has shown a remarkable ability to utilize plant glycosides, including cyanogenic ones. An ambitious study of 115 strains from eight different species showed widespread β-glucosidase activity. Amygdalin, the most common cyanogenic glycoside in almonds, was the preferred substrate: 54% of the strains were able to use it as a sole carbon source. Strains of Lp. plantarum and Lp. paraplantarum degraded amygdalin, as reported by Menon et al. [185], and Lei et al. [186]. L. acidophilus MTCC-10307 achieved 66% cyanide reduction (from 5.17 mg/g initial concentration) in a fermented beverage prepared from linseed (Linum usitatissimum). The reduction was obtained after only two days of fermentation and, while comparable to other LAB isolates, was markedly superior to a couple of Saccharomyces spp., which managed only 30%. Interestingly, roasting linseed led to an insignificant reduction in the cyanide content—a mere 8% [186]. Cyanide reduction from 72.72 to 5.18 mg/kg (83%) in “mchuchume”, a fermented cassava beverage from Tanzania, was achieved with L. delbrueckii at 30 °C, although it took nearly 72 h to reach the maximum effect [187].

락토바실러스 게놈에 대한 최근 연구는

호모발효성 및 헤테로발효성 종 모두가

β-글루코시다제 합성에 대한 큰 유전 잠재력을 가지고 있음을 밝혔습니다.

Dymarska 등 [183]에 따르면

Lp. plantarum, Lacticaseibacillus paracasei, L. crispatus, Companilactobacillus paralimentarius의 게놈은

주로 포스포-β-글루코시다제를 포함하여 8~22개의 효소를 암호화했으며,

β-글루코사이드에 대한 예측된 활성을 보였습니다 [183].

Levilactobacillus hammesii 및 Furfurilactobacillus milii는

각각 3개의 β-글루코시다제를 암호화하는 것으로 보고되었으며,

Furfurilactobacillus rossiae는 1개의 유전자를 포함합니다.

아밀로달린, 에스퀴린, 살리신, 퀘르세틴, 제니스테인, 진세노사이드와의 배양 실험은

균주의 유전 프로필이 β-글루코사이드 효소 가수분해와 일치함을 입증했습니다.

카사바 가루에서 시안화 기질을 상당히 활용할 수 있는 B. subtilis KM05는 리나마라제라는 β-글루코시다제(53 kDa)를 분리했으며, 이는 카사바의 시안화물 함량의 80%를 차지하는 리나마린을 9.6 U/mL로 상당히 분해할 수 있었습니다. 리마나라제는 신선한 카사바 뿌리 가공(대부분 HCN이 제거되는 긴 세척 및 제분 과정 포함) 중 유용한 첨가제로 증명될 수 있습니다 [184]. 정제된 리마나라제는 발효 식품에 활용될 수 없지만, 이를 분리한 바실러스 균주는 다른 문제로, 해당 균주에서 이용 가능한 시아나이드 처리 메커니즘(있는 경우)이 조사되어야 합니다. 인간 장 미생물군 및 식품 발효에서 높은 중요성을 지닌 비피도박테리움 속은 식물 글리코시드, 특히 시안화 글리코시드를 활용할 수 있는 놀라운 능력을 보였습니다. 8개 다른 종에서 유래한 115개 균주의 야심 찬 연구는 광범위한 β-글루코시다제 활성을 보였습니다. 아몬드에서 가장 흔한 시안화 글리코시드인 아밀로달린은 선호 기질이었으며, 54%의 균주가 이를 유일한 탄소원으로 사용할 수 있었습니다.

Lp. plantarum 및 Lp. paraplantarum 균주는

Menon 등 [185] 및 Lei 등 [186]에 의해 아밀로달린을 분해한 것으로 보고되었습니다.

L. acidophilus MTCC-10307은

아마씨(Linum usitatissimum)에서 준비된 발효 음료에서

2일 발효 후 66% 시아나이드 감소(초기 농도 5.17 mg/g)를 달성했으며,

이는 다른 LAB 분리균과 비교할 만했으나,

Saccharomyces spp.는 단지 30%만 감소시켰습니다.

흥미롭게도 아마씨 로스팅은

시아나이드 함량을 불과 8%만 감소시켰습니다 [186].

탄자니아 발효 카사바 음료 "mchuchume"에서 L. delbrueckii는

30°C에서 72시간이 지나야 최대 효과(72.72에서 5.18 mg/kg로 83% 감소)를

달성했습니다 [187].

4.3. Microbial Degradation of Saponins

Successful degradation of saponins has been achieved by several bacterial strains. B. megaterium O1, isolated from soapnut (Sapindus saponaria), proved capable of surviving on saponin extract from Quillaja saponaria as a sole carbon source. While the strain is not a contender in food fermentations, its genome has been sequenced and published and may yield novel insights into the mechanisms of saponin degradation [188]. Likewise, Bif. longum KACC 91563, a member of the human gut microbiota, has proved a good model organism for studying enzymatic activity. BIBG3, a putative GH3 β-glucosidase from Bif. Longum, was cloned and studied on functional and structural levels. It was found that the enzyme was highly efficient in hydrolyzing the saponins furostanol and ginsenoide Rb1, removing a glucose moiety that is bound in a deep pocket of three unique loops. At least two amino acids (R484 and H642) were found to be critical for the enzymatic activity [189].

Lp. plantarum 1 in quinoa dough, inoculated with 9 × 108 CFU/mL at pH 3.73, achieved a 71% decrease in the saponin content after 4 days of fermentation (80.2 mg/100 g vs. initial concentration of 272.3 mg/100 g). The total sugar content more than quadrupled for the same time (614.9 mg/g vs. 153 mg/g initial concentration), partly due to the amylolytic activity that degrades starches in the food matrix, but also partly due to the desaponification process, during which sugar moieties are released from the aglycone part of saponins. In other words, saponin degradation improves the nutritional value of the final product, in this dehydrated base for quinoa soup [190]. A combination of Str. thermophilus 14085 and Bif. infantis 14603 in fermented soymilk for 24 h at 37 °C achieved a reduction in saponins between 32% and 47%, depending on what was used to obtain the extracts from soymilk, 80% methanol, 50% acetone, or water [191]. A starter culture for hemp (Cannabis sativa L.) sourdough containing Lp. plantarum, Pediococcus acidilactici, and Leuc. mesenteroides also decreased the saponin levels during fermentation [192].

4.3. 사포닌의 미생물 분해

여러 박테리아 균주가

사포닌을 성공적으로 분해했습니다.

Sapindus saponaria에서 분리된 B. megaterium O1은

Quillaja saponaria의 사포닌 추출물을 유일한 탄소원으로 생존할 수 있는 것으로 입증되었습니다.

이 균주는 식품 발효에서 경쟁자가 아니지만,

그 게놈은 시퀀싱 및 출판되었으며

사포닌 분해 메커니즘에 대한 새로운 통찰을 제공할 수 있습니다 [188].

마찬가지로 인간 장 미생물군의 일원인 Bif. longum KACC 91563는

효소 활성을 연구하기 위한 좋은 모델 유기체로 입증되었습니다.

Bif. longum의 가정적 GH3 β-글루코시다제 BIBG3는

기능적 및 구조적 수준에서 복제 및 연구되었으며,

푸로스탄올 및 진세노이드 Rb1 사포닌을 가수분해하는 데 매우 효율적인 것으로 밝혀졌으며,

이는 세 개의 독특한 루프가 있는 깊은 포켓에 결합된 포도당 부분을 제거했습니다.

최소한 두 개의 아미노산(R484 및 H642)이

효소 활성에 중요하다는 것이 밝혀졌습니다 [189].

pH 3.73에서 9 × 108 CFU/mL로 퀴노아 반죽에 접종된 Lp. plantarum 1은 4일 발효 후 사포닌 함량이 71% 감소(272.3 mg/100g 초기 농도에서 80.2 mg/100g로)했습니다. 동일한 시간 동안 총 당 함량은 4배 이상 증가(153 mg/g 초기 농도에서 614.9 mg/g)했으며, 이는 식품 매트릭스에서 전분을 분해하는 아밀라아제 활성뿐만 아니라 사포닌의 아글리콘 부분에서 당 부분이 방출되는 디사포니피케이션 과정 때문이었습니다.

즉, 사포닌 분해는

최종 제품(이 경우 탈수된 퀴노아 수프 베이스)의 영양 가치를 개선합니다 [190].

Str. thermophilus 14085 및 Bif. infantis 14603의 조합은 37°C에서 24시간 발효된 두유에서 사포닌을 32%에서 47% 감소시켰으며, 이는 추출물(80% 메탄올, 50% 아세톤 또는 물)에 따라 달라졌습니다 [191]. Lp. plantarum, Pediococcus acidilactici, Leuc. mesenteroides를 포함한 대마(Cannabis sativa L.) 사워도우 스타터 배양도 발효 중 사포닌 수준을 감소시켰습니다 [192].

Saponins in ginseng (Panax spp.), usually called ginsenosides, have received much attention because of their medicinal properties. Lp. plantarum CRNB22, among the 6 out of 28 strains with β-glucosidase activity isolated from Korean kimchi, showed a strong ability to hydrolyze saponin Rb1, one of the most common ginsenosides (together with Rb2, Rc, Re, and Rg1) in ginseng. Further study is needed to characterize better the hydrolysis products of Rg1, but the strain looks like a promising additive to functional foods rich in ginsenosides [193]. The same may be said of Lentilactobacillus buchneri URN103L, which demonstrated higher extracellular β-glucosidase activity than any strain on record, including the ability to hydrolyze Rb1. Whether the hydrolysis products, here designed Rd and Rg3, have increased beneficial effects, and just what these effects might be, remains a promising target for future research [194]. Pfam et al. [5] suggest that β-glucuronidase is the enzyme that breaks the β(1→4) glycosidic bond between the aglycone and sugar residues of tetrose in tea seed saponins. Such endo-β-glucuronidase activity has been demonstrated for L. crustorum capable of reducing the hemolytic activity of tea seed saponins in vitro [195]. A search for β-glucuronidase genes in bacterial genomes revealed that they were present in strains of Lactobacillus species, but not in Pediococcus and B. subtilis genomes. Among 151 genomes, 31 genomes of Lactobacillus species contain at least one gene encoding β-glucuronidase. Notably, L. hammesii DSM 16381, L. parabrevis LMG 11984, and L. secaliphilus strain DSM 17896 contained four genes encoding putative β-glucuronidase (NCBI Genbank accession numbers NZ_AZFS01000047, NZ_JQCI01000099, and NZ_JQBW01000005, respectively). These findings indicate that the best genetic profile suggesting a reduction in the hemolytic activity of saponins possesses the probiotics of the genus Lactobacillus [5]. Root microbiome has also been demonstrated to possess a remarkable ability to degrade saponins (>80%) [194]. Unfortunately, methanogenic archaea are quite inapplicable in food fermentations.

인삼(Panax spp.)의 사포닌(보통 진세노사이드라고 함)은

의학적 특성 때문에 많은 주목을 받았습니다.

한국 김치에서 분리된 28개 균주 중 β-글루코시다제 활성을 보인 6개 균주 중

Lp. plantarum CRNB22는 인삼에서 가장 흔한 진세노사이드 중 하나인

Rb1을 강력하게 가수분해할 수 있는 것으로 나타났습니다.

Rg1의 가수분해 산물을 더 잘 특성화하려면 추가 연구가 필요하지만,

이 균주는 진세노사이드가 풍부한 기능성 식품에 유망한 첨가제로 보입니다 [193].

Lentilactobacillus buchneri URN103L도

기록상 어떤 균주보다 높은 세포외 β-글루코시다제 활성을 보였으며,

Rb1을 가수분해할 수 있는 능력을 포함했습니다.

여기서 가수분해 산물(Rd 및 Rg3)이 유익한 효과를 증가시켰는지,

그리고 그 효과가 무엇인지에 대한 미래 연구의 유망한 목표입니다 [194].

Pfam 등 [5]은 β-글루쿠로니다제가 차 씨 사포닌의 테트로스에서 아글리콘과 당 잔기 사이의 β(1→4) 글리코시드 결합을 끊는 효소라고 제안했습니다. 이러한 엔도-β-글루쿠로니다제 활성은 차 씨 사포닌의 용혈 활성을 시험관 내에서 감소시킬 수 있는 L. crustorum에서 입증되었습니다 [195]. 박테리아 게놈에서 β-글루쿠로니다제 유전자를 검색한 결과, Pediococcus 및 B. subtilis 게놈에서는 나타나지 않았으나 락토바실러스 종의 151개 게놈 중 31개 게놈이 최소한 하나의 β-글쿠로니다제 유전자를 포함했습니다. 특히 L. hammesii DSM 16381, L. parabrevis LMG 11984, L. secaliphilus DSM 17896 균주는 각각 네 개의 가정적 β-글쿠로니다제 유전자를 포함했습니다(NCBI Genbank 등록 번호 NZ_AZFS01000047, NZ_JQCI01000099, NZ_JQBW01000005). 이는 사포닌의 용혈 활성 감소를 제안하는 최고의 유전 프로필이 락토바실러스 속의 프로바이오틱을 소유함을 나타냅니다 [5]. 뿌리 미생물군도 사포닌을 >80% 분해할 수 있는 놀라운 능력을 보였습니다 [194]. 불행히도 메탄 생성 고세균은 식품 발효에 거의 적용할 수 없습니다.

4.4. Microbial Degradation of Tannins

Tannases (tannin acyl hydrolases, E.C. 3.1.1.20) are common in bacteria, yeast, and fungi, varied in sequence and structure but sharing the common pentapeptide Gly-X-Ser-X-Gly typical for serine hydrolases [195]. Tannases have been studied extensively in terms of their hydrolytic activity and industrial potential, but relatively little is known about them on genetic and molecular levels. One classification divides them into two subtypes depending on sequence similarity and the presence (subtype B) or absence (subtype A) of an Asp residue (Asp-419) in the catalytic triad [196] (Figure 5).

4.4. 탄닌의 미생물 분해

탄나제(탄닌 아실 가수분해효소, E.C. 3.1.1.20)는

박테리아, 효모, 곰팡이에서 흔하며,

서열과 구조는 다양하지만 세린 가수분해효소에

전형적인 펜타펩타이드 Gly-X-Ser-X-Gly를 공유합니다 [195].

탄나제는 가수분해 활성과 산업적 잠재력 측면에서 광범위하게 연구되었지만,

유전적 및 분자 수준에서는 상대적으로 적게 알려져 있습니다.

하나의 분류는 서열 유사도와 촉매 삼중체에 Asp 잔류(Asp-419)의 유무(서브타입 B) 또는 부재(서브타입 A)에 따라 두 가지 서브타입으로 나눕니다 [196](도표 5).

Figure 5. Protein sequences alignment of tannase of Lp. plantarum (KRL35904) and Lp. pentosus (QAB08722) using the free software GeneDoc v2.7 [197]. Identical residues are shown in black; the non-identical—are in grey and white; dashes indicate gaps introduced to maximize similarities; the asterisk means consecutive counting of ten amino acids. The Serine residue participating in the conserved amino acid motif Gly-X-Ser-X-Gly), and Asp and His of the active center triad are shown in red boxes; the putative signal peptide of Lp. plantarum tannase is green-dashed underlined.

도표 5. Lp. plantarum (KRL35904) 및 Lp. pentosus (QAB08722)의 탄나제 단백질 서열 정렬, 무료 소프트웨어 GeneDoc v2.7을 사용 [197]. 동일 잔기는 검은색으로 표시; 비동일 잔기는 회색 및 흰색; 유사성을 극대화하기 위해 도입된 틈은 대시로 표시; 별표는 10개 아미노산의 연속 카운팅을 의미. 보존된 아미노산 모티프(Gly-X-Ser-X-Gly)에 참여하는 세린 잔기와 활성 중심 삼중체의 Asp 및 His는 빨간색 상자에 표시; Lp. plantarum 탄나제의 가정적 신호 펩타드는 녹색 점선으로 밑줄.

Structural studies of novel tannases TanALb and TanBFnn, isolated from Lachnospiraceae bacterium in the ruminant gastrointestinal tract [198] and Fusobacterium nucleatum [199], respectively, have revealed the existence of a flap domain critical for substrate recognition and specificity. Since F. nucleatum is associated with the pathogenesis of colorectal cancer (CRC), inhibition of TanBFnn, accompanied by increased levels of gallotannins, may decrease the survival of F. nucleatum and possibly even the risk of CRC. TanALb was able to hydrolyze tannic acid and, to a lesser extent, four esters of gallic acid with alcohols of various lengths (methyl, ethyl, propyl, and even the C12 lauryl) [200].

Application of tannases in functional foods has lagged behind their structural studies, although the crystal structure of Lp. plantarum tannase was solved a decade ago [201]. The genome of Lp. plantarum encodes three tannases: a widely spread intracellular tannase (TanB), a strain-specific intracellular broad esterase, and an extracellular tannase (TanA), the latter only described in the strain ATCC 14917. Extracellular tannases in bacteria are quite rare; therefore, the genetic techniques for their detection are preferred. Among 115 screened LAB strains (77 of them, Lp. plantarum), Pulido-Mateos et al. (2022) found eight tannin-transforming Lp. plantarum strains, which contain the tanA gene, and six of them presented TanA activity [202].

반추 동물 위장관의 Lachnospiraceae 박테리아에서 분리된 TanALb 및 Fusobacterium nucleatum에서 분리된 TanBFnn의 구조 연구는 기질 인식 및 특이성에 중요한 플랩 도메인의 존재를 밝혔습니다 [198,199]. F. nucleatum은 결장암(CRC)의 병인과 연관되어 있으므로, TanBFnn 억제와 갈로탄닌 수준 증가가 F. nucleatum 생존 및 CRC 위험을 줄일 수 있습니다. TanALb는 탄닌산을 가수분해할 수 있었고, 다양한 길이의 알코올(메틸, 에틸, 프로필, 심지어 C12 라우릴)과 결합된 4개의 갈릭산 에스테르에 대해서는 덜 효과적이었습니다 [200].

기능성 식품에 탄나제 적용은 구조 연구에 비해 뒤처져 있지만, Lp. plantarum 탄나제의 결정 구조는 10년 전에 해결되었습니다 [201]. Lp. plantarum 게놈은 널리 퍼진 세포 내 탄나제(TanB), 균주 특이적 세포 내 광범위 에스테라제, 그리고 ATCC 14917 균주에서만 기술된 세포 외 탄나제(TanA) 세 가지를 암호화합니다. 박테리아에서 세포 외 탄나제는 매우 드물기 때문에 이를 탐지하기 위한 유전 기술이 선호됩니다. Pulido-Mateos 등(2022)은 115개 LAB 균주(그 중 77개가 Lp. plantarum)를 선별하여 tanA 유전자를 포함한 8개의 탄닌 변환 Lp. plantarum 균주를 발견했으며, 그 중 6개는 TanA 활성을 보였습니다 [202].

From 117 Bacillus strains isolated from Miang, a fermented tea from Northern Thailand, 95 (81% of all) proved to be tannin-tolerant, but only in 21 of them (22% of the tannin-tolerant) was extracellular tannase activity detected. More than half of the strains were identified as B. tequilensis (11), but there were also B. siamensis (3), B. megaterium (3), B. aryabhattai (3), and B. toyonensis (1). All strains showed resistance to 0.3% bile salt, tolerance to highly acidic conditions (pH 3), and sensitivity to antibiotics. B. tequilensis K19.3, B. tequilensis K34.2, and B. siamensis K19.1 were deemed as particularly promising probiotics [203].

Among 155 analyzed genomes of Lactobacillaceae representatives, 17 genomes harbor a gene encoding for tannase; the genome of Lp. plantarum ATCC 14917 bears two [5]. An examination of the genome of a Lp. pentosus strain IG1, isolated from Spanish-style green olive fermentation, revealed the presence of several potential phenolic compound-degrading genes as deduced by their DNA and protein sequence homology [185]. Later, Carrasco et al. [204], after gene expression‎ assay, showed that genes potentially coding tannase, gallate decarboxylase, and p-coumaric acid decarboxylase significantly increased their expression‎ upon exposure to phenolic compounds.

Kanpiengjai et al. [205] characterized a new alkaline and thermostable tannase of Lp. pentosus strain BA-7. In Figure 5, the deduced amino acid sequence of the enzyme is compared to that of Lp. plantarum. The alignment shows the presence of all conserved regions in the enzymes, but also the possible presence of a signal peptide in Lp. plantarum tannase (a lipoprotein signal peptide with a cleavage site between positions 22 and 23).

북태국에서 발효차 미앙(Miang)에서 분리된 117개 바실러스(Bacillus) 균주 중 95개(전체의 81%)가 탄닌 내성을 보였으나, 그중 단 21개(내성 균주의 22%)에서만 세포 외 탄나제(tannase) 활성이 검출되었습니다. 균주의 절반 이상(11개)이 B. tequilensis로 식별되었으며, B. siamensis(3개), B. megaterium(3개), B. aryabhattai(3개), B. toyonensis(1개)도 포함됩니다. 모든 균주는 0.3% 담즙염에 저항성을 보였고, 고도로 산성 조건(pH 3)에 내성을 가지며 항생제에 민감했습니다. B. tequilensis K19.3, K34.2, 및 B. siamensis K19.1은 특히 유망한 프로바이오틱으로 간주되었습니다 [203].

분석된 155개 Lactobacillaceae 대표 게놈 중 17개 게놈이 탄나제 코딩 유전자를 보유하고 있으며, Lp. plantarum ATCC 14917 게놈은 두 개를 포함합니다 [5]. 스페인식 녹색 올리브 발효에서 분리된 Lp. pentosus 균주 IG1의 게놈 분석은 DNA 및 단백질 서열 유사성을 통해 페놀 화합물 분해 유전자의 존재를 보여주었습니다 [185]. 이후 Carrasco 등 [204]은 유전자 발현 실험을 통해 탄나제, 갈레이트 데카르복실라제, p-쿠마르산 데카르복실라제 코딩 유전자가 페놀 화합물 노출 시 발현이 유의미하게 증가함을 확인했습니다.

Kanpiengjai 등 [205]은 Lp. pentosus 균주 BA-7에서 새로운 알칼리성 및 열안정성 탄나제를 특성화했습니다. 그림 5에서 이 효소의 추정 아미노산 서열은 Lp. plantarum의 것과 비교되었으며, 모든 보존 영역의 존재와 Lp. plantarum 탄나제에서 신호 펩타이드(22번과 23번 위치 사이 절단 부위를 가진 리포단백 신호 펩타이드)의 가능성이 확인되었습니다.

4.5. Microbial Inactivation of Trypsin Inhibitors

Inactivation strategies for trypsin inhibitors range from traditional methods like heating, soaking, and germination to techniques like gamma and infrared radiation, high hydrostatic pressure, ultrasound, and ultrafiltration. Fermentation acquits itself with distinction in this select company. Its only notable drawback is that it is time-consuming. But compared to the rest, it is energy-saving, simple to perform, and, most important of all, benign towards vitamins, amino acids, and minerals [206,207,208].

Solid-state fermentation of soybean meal with Lactobacillus brevis CICC 6004 achieved 57.1% degradation of trypsin inhibitors at an initial concentration of 6.4 mg/g dry weight within 72 h [209]. Amylase inhibitors were reduced by 50.8% after 24 h fermentation of pearl millet, a staple food in the arid parts of Africa and Asia, during preparation of the fermented lohoh bread [209].

Fermentation of maize flour with Lp. plantarum for 48 h produced higher protein content and improved protein digestibility in vitro compared to Saccharomyces cerevisiae. Co-culture yielded the highest reduction in phytates (66%), tannins (75%), and trypsin inhibitors (64%) [210]. The amount of ATI (α-amylase/trypsin inhibitors), pernicious substances involved in the pathology of celiac disease and non-celiac sensitivity, was considerably reduced (>70%) in sourdough fermented with Fructilactobacillus sanfranciscensis DSM20451T at pH 4.0. The result was comparable to wheat sourdough fermented with a multi-species culture, but superior fermentation with yeast and even baking (58–64% ATI reduction) [17].

4.5. 트립신 억제제의 미생물 비활성화

트립신 억제제 비활성화 전략은

가열, 침지, 발아와 같은 전통적인 방법에서

감마 및 적외선 방사선, 고정수압, 초음파, 한외여과와 같은 기술에 이르기까지 다양합니다.

발효는

이 선택된 방법들 중 두드러지게 효과적입니다.

유일한 단점은 시간이 많이 걸린다는 점이지만,

다른 방법에 비해 에너지 절약적이고 수행이 간단하며,

무엇보다 비타민, 아미노산, 미네랄에 무해하다는 점에서 유리합니다 [206,207,208].

Lactobacillus brevis CICC 6004를 이용한 대두박의 고체 발효는

초기 농도 6.4 mg/g 건조 중량에서 72시간 내에

트립신 억제제를 57.1% 분해했습니다 [209].

아프리카와 아시아 건조 지역의 주식인 진주 기장 발효 로호(lohoh) 빵 준비 중

24시간 발효로 아밀라제 억제제가 50.8% 감소했습니다 [209].

Lp. plantarum으로 48시간 발효한 옥수수 가루는

Saccharomyces cerevisiae에 비해 단백질 함량이 높아지고

체외 단백질 소화율이 개선되었습니다.

혼합 배양은

피틴산(66%), 탄닌(75%), 트립신 억제제(64%)를 가장 많이 감소시켰습니다 [210].

셀리악병 및 비셀리악 민감성 병리와 관련된 유해 물질인

ATI(α-아밀라제/트립신 억제제)는

pH 4.0에서 Fructilactobacillus sanfranciscensis DSM20451T로 발효된 사워도우에서

70% 이상 감소했습니다.

이는 다종 배양으로 발효된 밀 사워도우와 비슷했으나,

효모 및 베이킹(58~64% ATI 감소)보다 우수했습니다 [17].

4.6. Microbial Degradation of Phytates

Phytases belong to the group of phosphoric monoester hydrolases (EC 3.1.3.) and can be classified according to the number of phosphate groups released from the phytic acid: 3-phytase (EC 3.1.3.8), 4/6-phytase (EC 3.1.3.26), and 5-phytase (3.1.3.72). Alternative classification according to the structure of the catalytic domain divides phytases into cysteine phosphatases, histidine acid phosphatases, purple acid phosphatases, and β-propeller alkaline phytases (BPPs). The BPPs are typical for bacteria. The phylogenetic relatedness and similarity of phytases (with EC 3.1.3.8) of some microbial species (for which amino acid sequence data are available) are compared in Figure 6.

4.6. 피틴산의 미생물 분해

피타제(phytaes)는

인산 모노에스테르 가수분해효소(EC 3.1.3.) 그룹에 속하며,

피틴산에서 방출되는 인산기의 수에 따라 3-피타제(EC 3.1.3.8), 4/6-피타제(EC 3.1.3.26), 5-피타제(3.1.3.72)로 분류됩니다. 촉

매 도메인 구조에 따른 대체 분류는 시스테인 포스파타제, 히스티딘 산 포스파타제, 퍼플 산 포스파타제, β-프로펠러 알칼리성 피타제(BPPs)로 나뉩니다. BPPs는 박테리아에서 일반적입니다. 그림 6은 아미노산 서열 데이터가 있는 일부 미생물 종의 피타제(EC 3.1.3.8)의 계통학적 관련성과 유사성을 비교한 것입니다.

Figure 6. Amino acid alignments of microbial phytases: bootstrapped phylogenetic tree of phytase enzymes based on amino acid sequence comparison. Branches’ distances were computed using the maximum composite likelihood method; evolutionary analyses were conducted in the MEGA11 program [211].

Phytases of Lp. plantarum and Lev. brevis appear to be very similar to those of the B. subtilis group, e.g., B. velezensis and B. amyloliquefaciens. The amino acid sequences of the enzymes of Paenibacillus and Pseudomonas are quite phylogenetically distant from those of lactobacilli. Interestingly, Acinetobacter johnsonii phytase shows great similarity to fungal phytases (Figure 7).

그림 6. 미생물 피타제의 아미노산 정렬: 아미노산 서열 비교에 기반한 부트스트랩 계통 발생 나무. 분기 거리는 최대 복합 가능성 방법을 사용하여 계산되었으며, 진화 분석은 MEGA11 프로그램에서 수행됨 [211].

Lp. plantarum 및 Lev. brevis의 피타제는 B. subtilis 그룹(예: B. velezensis, B. amyloliquefaciens)의 것과 매우 유사합니다. Paenibacillus 및 Pseudomonas의 효소 아미노산 서열은 유산균의 것과 계통학적으로 멀리 떨어져 있습니다. 흥미롭게도 Acinetobacter johnsonii 피타제는 곰팡이 피타제와 큰 유사성을 보입니다(그림 7).

Figure 7. Demonstration of the conservative regions in microbial phytases, determined by protein sequence alignment using the free software GeneDoc [197]. The active center residues are shown in black; the semi-identical amino acid residues are in grey, the non-identical are white; dashes indicate gaps introduced to maximize similarities; the asterisk means consecutive counting of ten amino acids. In the comparison, the protein sequences with the following NCBI GenBank accession numbers were used: AVV65758.1 (Lev. brevis); AVV65757.1 (Lp. plantarum); CP103783.1 (B. subtilis 168); WP_325085020.1 (B. amyloliquefaciens); WP_130570879 (B. velezensis); CP024795.1 (Paenibacillus polymyxa); WP_348624070 (P. peoriae); WP_348943522.1 (Acinetobacter johnsonii); WP_348739472 (Pseudomonas rhodesiae); CAK38611.1 (Aspergillus niger).

Phytate-degrading bacteria have been used to improve cereal products obtained via dough fermentation. Of 150 LAB tested, Enterococcus faecium A86 (0.74 U/mL) and Lp. plantarum H5 (0.71 U/mL) showed the highest phytase activity [209]. Fructilactobacillus sanfranciscensis CCM 7699 and Lp. plantarum CCM 7039 after achieving 89% and 80% reduction in phytate content in tarhana (a mixture of wheat flour and yogurt) after 144 h of fermentation and initial amounts of 3.3–3.4 g/kg [182]. Lentilactobacillus buchneri MF58 decreased the phytate content by 59% during the fermentation of injera, a soft Ethiopian pancake prepared from tef flour [210].

The pan-genome analysis of Pham et al. [5], including 155 genomes of the Lactobacillaceae family, showed that 119 of the genomes contained at least one gene encoding for phytate degradation. However, 27 genomes bore two genes; four genomes harbored four or five genes. The highest number of genes involved in phytate metabolism, six and seven, contain Lentilactobacillus diolivorans DSM 14421, Lp. pentosus DSM 20314, Lp. rhamnosus DSM 20021, L. aquaticus DSM 21051, L. sucicola DSM 21376, L. uvarum DSM 19971, L. ginsenosidimutans strain EMML 3041, and Furfurilactobacillus rossiae DSM 15814.

그림 7. 미생물 피타제의 보존 영역, GeneDoc 무료 소프트웨어를 사용한 단백질 서열 정렬로 결정됨 [197]. 활성 중심 잔기는 검은색, 반 동일 아미노산 잔기는 회색, 비동일 잔기는 흰색으로 표시; 유사성을 극대화하기 위해 도입된 틈은 대시로 표시; 별표는 10개 아미노산의 연속 카운팅을 의미. 비교에 사용된 NCBI GenBank 접근 번호: AVV65758.1 (Lev. brevis), AVV65757.1 (Lp. plantarum), CP103783.1 (B. subtilis 168), WP_325085020.1 (B. amyloliquefaciens), WP_130570879 (B. velezensis), CP024795.1 (Paenibacillus polymyxa), WP_348624070 (P. peoriae), WP_348943522.1 (Acinetobacter johnsonii), WP_348739472 (Pseudomonas rhodesiae), CAK38611.1 (Aspergillus niger).

피틴산 분해 박테리아는

반죽 발효를 통해 얻은 곡물 제품을 개선하는 데 사용되었습니다.

150개 LAB 중 Enterococcus faecium A86(0.74 U/mL)과 Lp. plantarum H5(0.71 U/mL)가

가장 높은 피타제 활성을 보였습니다 [209].

Fructilactobacillus sanfranciscensis CCM 7699와 Lp. plantarum CCM 7039는

144시간 발효 후 타하나(밀가루와 요거트 혼합물)에서

피틴산 함량을 각각 89%와 80% 감소시켰으며,

초기 함량은 3.3~3.4 g/kg였습니다 [182].

Lentilactobacillus buchneri MF58은

테프 가루로 만든 에티오피아 부드러운 팬케이크 인제라 발효 중

피틴산 함량을 59% 감소시켰습니다 [210].

Pham 등 [5]의 판-게놈 분석(155개 Lactobacillaceae 가족 게놈 포함)은 119개 게놈이 최소한 하나의 피틴산 분해 유전자를 포함했음을 보여주었으며, 27개는 두 개, 네 개는 네 또는 다섯 개의 유전자를 보유했습니다. 피틴산 대사와 관련된 유전자는 최대 6개와 7개로, Lentilactobacillus diolivorans DSM 14421, Lp. pentosus DSM 20314, Lp. rhamnosus DSM 20021, L. aquaticus DSM 21051, L. sucicola DSM 21376, L. uvarum DSM 19971, L. ginsenosidimutans EMML 3041, Furfurilactobacillus rossiae DSM 15814에 포함됩니다.

4.7. Microbial Degradation of Oxalates

Humans lack an endogenous oxalate-degrading pathway and must rely on the gut microbiota or probiotic strains in functional foods. Two key enzymes, oxalyl-CoA decarboxylase (OXC) and formyl-CoA transferase (FCR), mediate oxalate degradation to carbon dioxide and formate.

Oxalobacter formigenes, found in the digestive systems of humans and other vertebrates, considerably degrade oxalate, but its application in probiotics designed to prevent kidney failure is problematic. Common probiotic bacteria like Bifidobacterium and Lactobacillus spp. also degrade oxalates [212,213]. One multi-omics study (>3000 samples from >1000 subjects) shows that human microbiota uses mostly the type II pathway of oxalate degradation, which involves the two-stage process with OXC, FCR, and CoA-intermediates (Figure 8). Less common is the type I pathway in which oxalate is simultaneously converted into two molecules of CO2 by oxalate oxidase (EC 1.2.3.4), or one molecule of formate and one molecule of CO2 by oxalate decarboxylase (EC 4.1.1.2) [212].

4.7. 옥살산의 미생물 분해

인간은 내인성 옥살산 분해 경로가 없으므로

장내 미생물군 또는 기능성 식품의 프로바이오틱 균주에 의존해야 합니다.

옥살릴-CoA 데카르복실라제(OXC)와 포밀-CoA 전이효소(FCR)라는

두 가지 주요 효소가

옥살산을 이산화탄소와 포메이트로 분해합니다.

Oxalobacter formigenes는

인간 및 기타 척추동물의 소화계에서 옥살산을 상당히 분해하지만,

신부전 예방을 위한 프로바이오틱으로의 적용에는 문제가 있습니다.

Bifidobacterium 및 Lactobacillus spp.와 같은

일반적인 프로바이오틱 박테리아도 옥살산을 분해합니다 [212,213].

다중 오믹스 연구(>3000 샘플, >1000 피험자)에서 인간 미생물군은

주로 OXC, FCR, CoA 중간체를 포함하는 2단계 과정인

타입 II 옥살산 분해 경로를 사용한다고 나타났습니다(그림 8).

덜 일반적인 타입 I 경로는 옥살산 옥시다제(EC 1.2.3.4)에 의해 동시에 두 분자의 CO2로,

또는 옥살산 데카르복실라제(EC 4.1.1.2)에 의해

포메이트와 CO2 한 분자로 변환됩니다 [212].

Figure 8. Major pathways of microbial oxalate degradation, according to Kamarad et al. [212], and Azcarate-Peril et al. [213]. Enzymes: 1, oxalate decarboxylase EC 4.1.1.2; 2, oxalate oxidase EC 1.2.3.4; 3, formyl-CoA transferase (FCR), EC 2.8.3.16; 4, oxalyl-CoA decarboxylase (OXC), EC 2.8.3.2.

Much about the oxalate-degrading genes and their regulation remains obscure. Bioinformatic analysis of 1396 putative OXC sequences from the UniProt database and 380 human microbiome datasets revealed that OXC may be grouped in seven clusters exhibiting some genetic level variance. OXC and FCR are usually organized in an operon, for example in Streptomyces and Lactobacillus, but not, curiously, in Oxalobacter formigenes. In E. coli, Bifidobacteria, and L. acidophilus, the oxc gene is combined with genes encoding cadmium/manganese ATPase transporters [213].

Strong oxalate-degrading ability is not especially common among probiotic bacteria [214]. Of 251 LAB isolates obtained from human feces and south Indian fermented food, only 17 proved able to degrade oxalates significantly (40–63%) [215]. Only nine of them exhibited considerable tolerance to pH 3.0 and 0.3% bile, and of these only three, Limosilactobacillus fermentum strains TY5 and AB1, and L. salivarius AB11, seem safe enough to be suggested as possible probiotic candidates for alleviating, or even preventing, hyperoxaluria [216].

그림 8. 주요 미생물 옥살산 분해 경로, Kamarad 등 [212] 및 Azcarate-Peril 등 [213]에 따르면. 효소: 1, 옥살산 데카르복실라제 EC 4.1.1.2; 2, 옥살산 옥시다제 EC 1.2.3.4; 3, 포밀-CoA 전이효소(FCR), EC 2.8.3.16; 4, 옥살릴-CoA 데카르복실라제(OXC), EC 2.8.3.2.

옥살산 분해 유전자 및 그 조절에 대한 많은 부분이 아직 불분명합니다. UniProt 데이터베이스의 1396개 추정 OXC 서열과 380개 인간 미생물군 데이터셋의 생물정보학 분석에 따르면 OXC는 유전적 수준에서 변이를 보이는 7개 클러스터로 그룹화될 수 있습니다. OXC와 FCR은 보통 오페론으로 구성되며, 예를 들어 Streptomyces와 Lactobacillus에서 그렇지만, 흥미롭게도 Oxalobacter formigenes에서는 그렇지 않습니다. E. coli, Bifidobacteria, L. acidophilus에서는 oxc 유전자가 카드뮴/망간 ATPase 전이체 코딩 유전자와 결합됩니다 [213].

강력한 옥살산 분해 능력은

프로바이오틱 박테리아에서 특히 흔하지 않습니다 [214].

인간 분변 및 남인도 발효 식품에서 얻은 251개 LAB 분리균 중

단 17개만이 옥살산을 유의미하게(40~63%) 분해할 수 있었습니다 [215].

그중 9개는 pH 3.0과 0.3% 담즙에 상당한 내성을 보였으며,

그중 Limosilactobacillus fermentum TY5, AB1, 및 L. salivarius AB11의 세 균주만이

고옥살산뇨증 완화 또는 예방을 위한 가능한 프로바이오틱 후보로 안전하다고 판단되었습니다 [216].

5. Conclusions

A wide range of adverse effects of antinutrients on human health have been extensively documented in recent decades. Conversely, and controversially, some authors have extolled the putative beneficial effects of antinutrients while excluding almost completely their dangerous qualities. Microbial fermentation is a more economical, effective, and versatile approach for ANF reduction in foods, compared to other traditional methods such as soaking or cooking. In the last decade, genetic foundations and biochemical mechanisms of microbial reduction of ANFs in fermented foods attracted much attention. Recent genomics studies showed that the lactic acid bacteria of different genera have the genetic prerequisites to detoxify foods from different antinutrients. Among them, the species Lp. plantarum appears as it contains a vast genetic pool for glycoside hydrolase enzymes, including β-glucosidase, tannase, and β-glucuronidase, as well as for a set of enzymes involved in phytate degradation. It turns out that it is advisable to add the ability to degrade antinutrients to the required properties of a certain probiotic.

5. 결론

최근 수십 년간 항영양소가

인간 건강에 미치는 다양한 부작용이 광범위하게 문서화되었습니다.

반대로, 일부 저자는

항영양소의 잠정적인 유익한 효과를 찬양하면서

그 위험성을 거의 배제했습니다.

침지나 조리와 같은 다른 전통적인 방법에 비해 미생물 발효는

식품의 ANF 감소에 있어 더 경제적이고 효과적이며 다목적적인 접근법입니다.

지난 10년 동안

발효 식품에서 ANF의 미생물 감소에 대한

유전적 기초와 생화학적 메커니즘이 많은 주목을 받았습니다.

최근 게놈 연구는

다양한 속의 유산균이 서로 다른 항영양소로부터 식품을 해독할 수 있는

유전적 전제 조건을 가지고 있음을 보여주었습니다.

그중 Lp. plantarum은

β-글루코시다제, 탄나제, β-글루쿠로니다제와 같은

글리코시드 가수분해효소 및 피틴산 분해 효소 세트에 대한 광범위한 유전 풀을 포함하는 것으로 나타났습니다.

특정 프로바이오틱의 요구 특성에 항영양소 분해 능력을 추가하는 것이

바람직하다는 결론이 도출됩니다.

Author Contributions

Conceptualization, P.P. and K.P.; writing—original draft preparation, A.A., L.T., D.B. and N.A.; writing—review and editing, W.Z., W.M., K.P. and A.A.; project administration, K.P.; funding acquisition, P.P. All authors have read and agreed to the published version of the manuscript.

Funding

This work was funded by the National Science Program “Security and Defense”, approved by the Council of Ministers of the Republic of Bulgaria, the decision No. 731/21.10.2021.

Institutional Review Board Statement

Not applicable.

Informed Consent Statement

Not applicable.

Data Availability Statement

No new data were created or analyzed in this study. Data sharing is not applicable to this article.

Conflicts of Interest

The authors declare no conflicts of interest.

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