올리고당의 기능성

[무정묵향]

올리고당

1. 생화학적 고찰

1. 정  의 : ‘올리고(oligo)’ 라는 말은 희랍어로 ‘적다’라는 의미가 있다. 올리고당은 학술용어로는 단당이 2내지 10개 가량(분자량으로는 300-2,000가량)이 화학 결합한 분자구조를 갖는 당류의 총칭으로, 예로부터 섭취해 온 설탕, 유당, 맥아당 등도 실은 올리고당이다. 그러나 1970년대 접어들면서 설탕의 섭취가 증가하여 비만, 성인병, 충치 등의 문제가 발생하게 되고 이같은 단점을 개선할 목적으로 일본을 중심으로 새로운 기능성 올리고당이 개발되어 왔으며 최근에는 올리고당하면 주로 기능성 올리고당으로 인식되고 있다.

2. 설  명 : 최근에 산업적으로 관심을 끌고 있는 것으로 fructo-oligo당(FOS)과 대두 올리고당이 있다. 이들은 인체나 가축의 소화효소에 의해 분해되지 않고 장내 미생물 특히 유산균이나 Bifidus균에 의해 이용되므로 정장효과가 있는 것으로 보고되고 있다. 탄수화물은 그 구조가 단당류를 기본골격으로 매우 단순하게 형성되어 있어 과거 수 십년간 단지 열량공급원 정도로만 인식되어 왔다. 하지만 예를 들어 두개의 동일한 아미노산이 결합하면 단지 한 개의 이중펩타이드를 구성하는 반면, 두개의 동일한 단당류가 결합하면 11개의 서로 상이한 이당류를 만들 수 있다는 사실에 주의하여야 한다. 또한 올리고당 복합체의 구조로서 사람의 혈액 A, B, O형을 구분할 수 있을 뿐 아니라 K99대장균에 의한 대장균증이 송아지, 어린 양 또는 돼지들에게 감염되지만 사람에게는 영향을 미치지 못한다는 사실을 설명할 수 있다.

3. 급  원 : 몇몇의 천연 식품에 올리고당이 있는 것으로 알려져 있는데, 프락토올리고당은 양파, 마늘, 우엉, 아스파라거스, 치커리뿌리, 뚱딴지 괴경 등에서, 대두올리고당은 대두에서 발견된다. 그러나 식이습관으로 볼 때 천연 식품 형태로 올리고당의 일일 요구량을 섭취하기는 어렵다. 미국의 경우 천연물로 하루에 섭취되는 프락토올리고당의 평균양은 0.8g/kg/60kg정도이므로, 성인, 스트레스가 많은 사람, 건강한 소화기능을 유지하고 싶은 사람들은 추가적인 올리고당의 섭취가 도움이 될 것이다.

4. 종  류 : 올리고당은 천연물로부터 추출, 분리, 정제할 수도 있고 설탕, 유당, 맥아당 등을 원료로 전이효소를 작용시키거나 전분과 같은 다당류에 가수분해 효소를 작용시켜 제조할 수도 있으며 또한 화학반응을 이용하여 제조하기도 한다. 이러한 방법들을 이용하여 많은 종류의 올리고당이 생산되고 있는데 식품소재로 널리 이용되는 올리고당에는 프락토올리고당(1-ketose, nystose, 1^F-fructosyl nystose), 갈락토올리고당(4-β-galactosyl lactose), 이소말토올리고당, 크실로올리고당(xylobiose, xylotriose), 대두올리고당(raffinose, stachyose), 자연적으로는 존재하지 않는 트랜스갈락토실올리고당(isogalactobiose, galactosucrose, lactosucrose) 등이 있다. 프락토올리고당은 설탕을 그리고 갈락토올리고당은 유당을 원료로하여 전이효소를 작용시켜 제조한 것이고 이소말토올리고당은 전분에 가수분해 효소이지만 기질의 농도가 높을 때 당의 전이반응을 촉매하는 알파-글루코시다제를 이용하여 제조한 것이며 대두올리고당은 콩으로부터 추출, 분리, 정제한 것이다.

   2. 기능성

1. Bifidobacteria의 증식과 유해균의 감소 : 올리고당의 섭취는 bifidobacteria는 증식시키지만 Clostridium perfringens 등의 유해균은 감소시킨다. 그 예로서 2-10g/day씩 몇 주동안 섭취후에 bifidobacteria는 평균 7.5배 증가하고 Clostridium perfringens는 81%감소된다. Bifidobacteria는 단쇄지방산(주로 초산과 유산을 3:2의 비율로)과 항생물질을 생산하여 외부 병원균의 성장과 유해 균총의 과잉 성장을 억제하는데, 초산과 유산은 Salmonella, E. coli등에 대한 억제 효과가 알려져 있으며, Bifidobacterium bifidum에서 생산되는 항생물질인 bifidin은 Sigella dysenteriae, Salmonella typhosa, Staphylococcus aureus, E. coli등에 효과가 있다. 또한 Bifidobacterium infantis에서 생성되는 고분자 물질은 Shigella frexneri 5503-01, S. faecalis, E. coli등에서 효과가 인정되었다.

   ※ 사람의 대장에는 100여종 이상의 세균이 균총을 형성하면서 서식하고 있으며 그 수는 무려 100조 이상에 이르는데 이는 대변의 3분의 1을 차지할 정도로 많은 양이다. 그런데 이들 중에는 사람에게 유익한 영향을 미치는 균이 있는가 하면 유해한 영향을 미치는 균이 있다. 유해한 균 중에서 우세한 것에는 박테로이드스, 유박테리움, 혐기성연쇄상구균 등을 꼽을 수 있으며 웰시균도 노인에게서 매우 중요한 유해균으로 인식되고 있다. 한편 유익한 균에는 유산간균과 비피더스균 등이 있는데 비피더스균이 주를 이루고 있다. 이들 유익한 균과 유해한 균은 일반적으로 서로 일정한 균형을 취하면서 서식하고 있으나 이 균형이 무너지게 되어 유해균이 우세하게 되면 건강장해가 유발될 수 있다. 예로 노년기에는 비피더스균이 급격히 감소하는 반면 성인의 경우 검출율이 낮았던 웰시균이 현저히 증가하는데 이러한 장내균총의 변화가 노화현상과 밀접한 상관관계를 가지고 있는 것으로 밝혀졌다. 그러므로 장내균총의 균형을 유지하고 나아가서는 유익한 균은 증가시키고 유해한 균은 감소시키는 것이 매우 중요하다고 하겠다. 올리고당은 대장내에서 비피더스균에 의해 선택적으로 이용되어 장내균총내의 비피더스균 점유율을 증가시키고 유해한 균을 억제함으로써 장내 균총 개선 효과 및 변이원성 부패물질의 생성을 억제하는 효과를 나타낸다. 비피더스균에 의한 부패물질의 억제효과는 비피더스균의 증가에 따라 그 대사산물인 유산, 초산의 생성이 증가하고 이에 따라 장내 pH가 저하됨으로써 사람에 유해한 물질을 생성하는 유해균의 증식이 억제되는 것에 기인한 것이다.

2. 유해 대사물과 효소의 감소 : 인간과 in vitro 대변 배양 실험에서 3.0-6.0g/day의 올리고당 섭취가 장내 독성 물질과 유해한 효소를 약 3주 내에 평균 44.6%와 40.9% 감소시켰다.

3. 병원성 및 내인성 설사의 방지 : 올리고당이나 bifidobacteria의 섭취가 병원성과 내인성 설사를 방지하는 것은 dbgiorbs의 감소와 같은 기작에 의해서이다. 설사중인 6세 환자에게 프락토올리고당 8.0g/day 공급시 8일후에 대변조건이 정상화되었으며, 항생제 투여후 발병하는 소아성 설사환자에게 bifidobacteria귬(10 × 1010 B. breve cells/g)을 3.0g/day 섭취시에 3-7일 내에서 증상이 모두 개선되었다. 독일에서는 B. longuum, Lactobacillus gasseri, E. coli를 동결건조한 Omniflora가 위장과 장의 질환에 권해지고 있는 실정이다. 그리고 모유를 먹는 유아가 조제유를 먹는 아이보다 감염에 강하고 건강하다는 사실도 장내세균에서 bifidobacteria가 모유의 경우는 99%, 조제유는 55%인 것에 기인한 것이다.

4. 변비의 방지 : Bifidobacteria는 단쇄지방산을 생성하여 장의 연동운동을 자극하고, 삼투압에 의해 대변의 수분 함량을 증가시키므로써 변비를 막는다. 사람을 대상으로 한 조사에서 올리고당을 3.0-10.0g/day 섭취시 1주내에 변비가 해소되었으나, 심한 증세에는 효과가 없었다.

5. 난충치성 : 음식물 중에 함유되어 있는 당은 구강 내에 존재하는 구강구균에 의해 glucan으로 변환되며 glucan은 치아에 치석을 형성하고 세균에 의해 유산으로 변환된다. 이때 생성된 유산은 치아의 에나멜층을 침식시켜 충치를 발생시키는데 올리고당은 구강구균에 의해 이용되지 않으므로 충치발생의 원인이 되지 않는다.

6. 간기능 보호 : 올리고당, bifidobacteria의 섭취에 의한 유해 대사 산물의 감소는 간이 해독 기능을 수행하는데 있어서 부담을 줄여 준다. 예를 들면, 3.0g/day의 대두 올리고당을 간 혼수상태 및 변비증상이 있는 간경변환자(non-A, non-B)에게 투여시 두 증상이 5일 후에 개선되었다. 또 문맥 고혈압이 없는 만성간염 또는 간경변환자 12명과 문맥 고혈압이 심한 간경변화자 8명에게 B. bifidum을 고농도로 함유한 우유(Engalan forte)를 80일간 투여시 두 그룹에서 혈청, 소변중의 유독대사물이 정상치로 감소하였고 식욕증진, 몸무게 증가 등 환자들의 일반적인 건강상태도 향상되었다.

7. 혈청 콜레스테롤의 감소 : 올리고당 섭취는 혈청 콜레스테롤을 감소시키는데, 6.0-12.0g/day의 올리고당을 2주-3달 동안 섭취시 총 혈청 콜레스테롤이 20-50dL가지 감소되었으며, 혈청 콜레스테롤의 증가도 억제되었다. 여성의 경우에는 남성과 달리 총 콜레스테롤에 대한 HDL-콜레스테롤의 비가 증가되었다. 혈청콜레스테롤의 감소는 장내균총의 변화에 기인한 것으로 여겨지는데, 사람에 존재하는 Lactobacillus acidophilus의 12개 변종들은 in vitro 조사에서 콜레스테롤을 소화시키는 것으로 알려졌고  L. acidophilus 2056은 소장벽을 통한 콜레스테롤 미셀의 흡수를 억제한다. Bifidobacteria의 나이아신(니코틴산)형성 능력도 또한 이 현상에 기여한다고 생각된다.

8. 혈압의 감소 : 올리고당의 섭취는 혈압을 낮추는데, 프락토올리고당 11.5g/day를 4주 동안 46명의 고지혈증 환자에게 투여시 최소혈압을 6mmHg까지 감소시켰으나 혈당치는 크게 감소하지 않았다. 또 대두올리고당 3.0g/day를 1주 동안 28-48살의 건강한 남자들에게 투여시 평균 최소혈압을 6.3mmHg까지 감소시켰다. 대변에서 전체균증 bifidobacteria가 차지하는 비율은 최소혈압과 역의 관계에 있다.

9. 혈당치 개선작용 : 비의존성 당뇨병 환자의 담낭 수축능에 대한 프락토올리고당의 섭취효과를 조사하기 위해서 13명의 환자에게 10g/day로 4주간 투여시 3/4가 개선 효과를 보였는데 이는 장내 발효에 의해 생성된 프로피온산, 낙산이 장의 연동운동을 항진한 결과로 알려져 있다. 8주 동안 계속 투여시 혈당치는 유의적으로 감소하였으며, 올리고당은 당뇨병 환자를 위한 감미료로서 이용이 가능할 것으로 생각된다.

10. 항암효과 : 동물실험 결과, bifidobacteria는 항암효과를 가지는 것으로 조사되었는데 그 효과는 procarcinogen의 직접적인 제거나 간접적인 제거 또는 인체 면역능을 증진시킴으로써 가능하다. Procarcinogen의 직접적인 제거의 예로서 bifidobacteria는 니트로소아민의 변이원성을 제거할 수 있다. B. breve는 육류의 훈연에서 발생하는 발암원에 대하여 흡수 특성이 높고, 마우스 실험의 경우는 분비된 발암원과 procacinogenic 효소가 B. breve 4006과 프락토올리고당 투여 후에 감소하였다. 간접적인 경우는 procacinigen의 근원이나 이들의 형성에 관여하는 효소를 bifidobacteria가 제거하는 것이다. 예를 들면, 마우스에 E. coli, Enterococcus faecalis, Clostridium paraputrificum등의 장내세균이 존재시 간암이 많이 발생하나, B. longum이 존재하면 암의 증식이 상당히 억제된다. 인체의 면역 기능을 증진시킨 경우의 예로서, B. infantis의 세포벽에 항암성분이 함유되어 있는데 이 세포벽 분획을 암세포에 투여시 억제 효과를 나타냈으며, IgA항체를 증진시켜 면역기능을 활성화시키는 경우도 있다.

11. 영양소의 생산 및 흡수 : Bifidobacteria는 비타민 B1, B2, B6, B12, 니코틴산, 엽산을 생산하는데 대사물 100ml당 B군 비타민을 120.3μg 까지 합성해서 분비하지만 비타민 K는 생산하지 않는다. 그리고 장에서 흡수되는 아미노산도 합성할 수 있다.
     한편, bifidobacteria에 의한 발효 유제품의 산성화 및 소량의 단백질 가수분해는 유당 과민증을 개선하고 체내에 흡수되는 칼슘양을 증가시키며 소화능을 증진시킨다.

    3. 독성 및 부작용

1. 유효한 올리고당의 일일 섭취량은 순수한 형태로 프락토올리고당은 3.0g, 갈락토올리고당은 2.0-2.5g, 대두올리고당은 2.0g, 크실로올리고당은 0.7g이다.

2. 설사를 유발하지 않는 대두올리고당의 최대 섭취량은 남자의 경우 0.64g/kg, 여자의 경우는 0.96g/kg이고 설사를 유발하는 프락토올리고당의 최소 섭취량은 남자 44g/kg, 여자 49g/g이다.

3. 독성조사에서 갈락토올리고당의 급성독성은 랫트의 경우 LD50>15g/kg이고, 4.0g/kg의 올리고당을 35-180일간 계속 공급한 비급성, 만성독성, 발암성 조사시 2.17g/kg까지 유의적인 부작용은 없었다.  3.0g의 대두올리고당을 함유한 탄산음료수 100ml를 2주 동안 매일 섭취하였을 때 장내가스의 증가나 설사가 일어나지 않은 것으로 보아 올리고당의 섭취로 인한 가스생성에 대해서는 걱정할 필요가 없는 듯하다. 이것은 이 경우 사용된 대두 올리고당의 양이 적고, 가스 생성을 증가시킬 수 있는 탄수화물과 같은 시너지스트가 없기 때문인 것 같다.

   4. 올리고당의 종류

1. 갈락토올리고당 : 당에 알칼리를 작용시켜 얻어지는 것으로, 장 내 비피더스균의 증식을 돕고, 변비와 설사를 고치며, 단백질의 소화흡수를 돕는다. 또, 항암작용도 주목되고 있다.

2. 대두올리고당 : 대두에 포함되는 각종 소당류를 총칭한 것으로, 대두 단백질을 이용한 제품을 제조할 때 부산물에서 얻어지므로 대두올리고당이라고 명명되었지만 다른 콩과식물에도 많이 들어 있다. 설탕에 비해 감미도는 약하고, 인간의 소화 효소에서는 분해되기 어렵기 때문에, 칼로리도 설탕의 반정도 밖에 없다. 다른 올리고당보다도 소량으로 비피더스균의 증식 효과를 발휘하고, 반대로 웰슈균과 대장균등의 유해균에는 거의 이용되지 않는다.

3. 이소말토올리고당 : 벌꿀에 포함되는 올리고당의 일종으로, 효모로 발효하지 않기 때문에 비발효성 당이라고도 부른다. 맛술, 간장, 청주 등에 포함되고, 감미의 외에 식품에 풍미를 주거나, 방부성에 의해 보관을 오래하게 해주는 역할을 한다. 감미가 있고 내열성과 내산성이 있으므로, 제과, 제빵, 음료 등에 이용하기 쉬운 것이 특징이다. 비피더스균의 증식을 돕는 한편, 다른 유해균에는 이용되지 않기 때문에,  프락토 올리고당과 같은 효능을 발휘한다.

   (각종 올리고당의 종류 및 기능)

구분	당수	원료	제조법	난소화성	정작작용	충치유발	기타
락튜로스	2	유당	화학변환	O	O
프락토올리고당	3~5	설탕	효소변환	O	O	△	지질대사개선
갈락토올리고당	2~6	유당	효소변환	O	O	△
대두올리고당	3~4	유청	추출.정제	O	O
분지올리고당	2~4	전분	효소변환	O	O	△
자일로올리고당	2~	자일란	효소변환	X	△
lactosucrose	3	설탕.유당	효소변환	O	O
팔라치노스올리고당	4~8	팔라티노스	화학변환	△	O
키토올리고당	2~7	키틴	화학변환	O	O		항균작용
겐치오올리고당	2~	포도당	효소변환	O	O

※ Bifidobacteria

  1900년 유아의 대변에서 처음 발견된 bifidobacteria는 그램 양성의 구부러진 혐기성 간균(Fig. 3)으로서 특이한 당대사 결과 주 대사산물로서 초산과 유산을 생산하는데, 이들은 유아 장내균총의 85-99%를 차지하며 건강한 성인에게서는 3-4번째의 큰 집단으로 10⁹-10¹⁰균/g변 정도로 출현한다. 그러나 연령이 증가함에 따라 bifidobacteria는 감소하는 반면, clostridia가 크게 증가하고, lactobacilli, steptococci, enterbacteriaceae등도 증가한다. 그리고 장의 연동운동의 이상, 암, 수술, 간이나 신장질환, 악성 빈혈 방사선 치료, 스트레스, 노화, 면역계 이상, 항생제 투여 등에 의해 비정상적인 균총, 즉, 소장에서의 세균 증가, enterobacteriaceae와 streptococci등 호기성균의 증가, Clostridium perfringens의 발생, bifidobacteria의 감소 또는 소멸 등의 현상이 나타난다. 이같은 생태적 증거로부터 bifidobacteria는 인간의 건강 유지를 위해 장에 존재하여야 하고 유익한 장내세균인 lactobacilli보다 더 중요하여, 이들의 감소나 소멸은 건강치 못한 상태를 나타낸다고 하겠다.

※ 비피더스 인자

  비피더스 인자는 숙주에 의해 대사되지 않고 대장이나 맹장까지 도달하여 bifidobacteria에 의해 우선적으로 대사되는 탄수화물이나 탄수화물 함유 화합물을 말하여 인체에 유익한 bifidobacteria의 성장을 촉진시킨다.

올리고당은 대표적인 비피더스인자로서 이들의 건강 증진 효능은, 인체에 유익한 bifidobacteria균은 증가시켜 그들의 길항작용에 의해 부패균의 활성과 유해 발효산물의 생성을 줄이는 것에 기인한 것이다. 이같은 올리고당이 bifidobacteria 자체보다 식품 산업에서 중요한 이유는 이 장내세균이 산소, 전단력, 열, 산에 대해 매우 약하므로 이 균체를 식품 형태로 섭취하기 어렵기 때문이다.