자일리톨(Xylitol)의 기능성

[무정묵향]

자일리톨 (Xylitol)

1. 생화학적 고찰

1. 정  의 : 자일리톨은 키실리톨이라 부르기도 하며 키실로오스를 환원하여 얻는 5탄당 알콜로서 흰색의 결정성 분말로 무취이며 물에 잘 녹는다. 자일리톨은 5탄당인 자일로스(xylose)의 수소기가 환원된 형태로 5개의 탄소원자(C)와 5개의 수산기(OH)를 포함하고 있다. 탄소를 5개 가지고 있고 5개의 수산기를 가지고 있으므로 펜티톨(pentitol)로 분류할 수 있다. 우리가 잘 알고 있는 솔비톨(sorbitol)은 6탄당인 글루코스가 환원된 형태로 헥시톨(hexitol)로 분류한다. 이렇게 당류들이 환원된 형태의 물질을 환원당(polyol) 혹은 당알콜(sugar alcohol)이라 하며 설탕을 대체하는 감미료로 식품산업에 많이 쓰이고 있다. 식품산업에 많이쓰이고 있는 환원당으로서는 자일리톨과 솔비톨이외에도 말티톨(maltitol), 락티톨(lactitol), 이소말트(isomalt)등이 있으며 각각 맥아당이라 불리는 말토스(maltose), 유당이라 불리는 락토스(lactose) 그리고 설탕(sucrose)이 환원되어 있는 형태이다. 설탕과 대등한 감미를 가지며 잔미가 없어 감미의 품질이 설탕과 가장 유사하다.

2. 설  명 : 자일리톨은 천연소재 감미료로서 설탕과 비슷한 단맛을 내며 뛰어난 청량감을 주며 채소나 야채 중에 함유되어 있으며 인체 내에서는 포도당 대사의 중간 물질로 생성된다. 상업적으로는 자작나무나 떡갈나무 등에서 얻어지는 자일란(xylan), 헤미셀룰로즈(hemicellulose) 등을 주원료로 하여 생산되고 있으며 그 주산지는 임산 자원이 풍부한 핀란드이다.자일리톨은 대표적인 충치유발균인 뮤탄스균 (S. mutans)의 성장을 억제하고 치아 표면의 세균막인 프라그 (치면세균막) 형성을 감소시키며 프라그 내에서의 산 생성을 감소시킴으로써 충치예방기능을 한다. 또한 혈당치를 상승시키지 않으며, 인슐린 비의존성으로는 당뇨병 질환 예방과 설탕에 비해 칼로리가 낮아 비만에 영향이 적은 것으로 알려져 있다. 자일리톨은 용해열을 흡수한다.  따라서 입안에서 녹을 때 매우 상쾌한 냉각 효과를 준다. 이를 이용한 응용 범위가 설탕 또는 기타 다른 감미료 보다 월등히 넓다. 가장 효과적인 분야는 박하향 관련 제품이다. 요즘에 무설탕 과자나 초콜릿 등의 제조에 사용되는 신규 감미료 중의 하나이며 구강미생물에 의해 발효하지 않기 때문에 치아우식증을 일으키지 않아서 더 인기가 있다. 설탕의 0.9~1.0배 정도의 단맛을 가지며 청량감이 있다. 독성은 거의 없고(포도당과 같은 수준) 과다 섭취할 경우에는 설사를 하는 수가 있으며 1g당 3.57kcal의 열량을 발생한다.

3. 급  원 : 오얏, 딸기 등의 과실이나 양파, 시금치, 양배추 같은 야채중에 많이 함유(100g 당 0.3∼0.5g)되어 있으며, 포유동물의 탄수화물 대사과정 중에 존재(인체 1일당 5∼15g) 한다.

4. 비  고 : 1891년 화학자 Emil Fisher에 의하여 발견되었으며, 독일과 프랑스에서 자일로스 환원으로 화학적으로 합성하였고 다른 당알코올 혼합된 시럽상태이다. 1930년대에는 정제순도가 크게 향상되고 특성이 규명되었다. 1940년대에는 안정한 결정형태로 정제하고 인슐린 비의존성이 규명되었다. 1975년 핀란드 남부 Kotka에서 화학합성법으로 대량생산이 시작되었다. 1976년에는 스위스 회사와 합병하여 Xyrofin사를 설립하여 당뇨병 환자용 식사, 비경구용 영양제, 츄잉껌 등을 생산하였다. 1999년에는 한국 (주)보락에서 미생물 발효법에 의한 대량 생산이 시작되었다.

   2. 기능성 및 특성

1. 충치 억제성 (충치예방효과) : 자일리톨은 세계보건기구 등에서 인정하는 물질로서 현재 비우식성 설탕 대용 감미료로 사용되고 있을 뿐만 아니라, 우식진행 억제제로도 사용되고있다. 충치와 관련한 자일리톨의 기능을 살펴보면 다음과 같다.

   1. 다형연쇄구균의 성장을 억제한다.

   2. 치면세균막(프라그)의 형성을 감소시킨다.

   3. 치면세균막의 내부에서 산이 제조되는 현상을 억제한다.

   4. 법랑질에서 광질이 이탈하는 현상을 억제한다.

   5. 이탈된 법랑질이 재 침착될 수 있도록 한다

   6. 충치의 가능성을 원천적으로 봉쇄한다.

2. 인슐린 대사와 무관 : 맛이 좋고 당도가 설탕과 같아 당뇨병 환자의 대용당으로 사용할 수 있다.

3. 영양가 (난 소화성) : FDA에 의하면 설탕은 약 4.0Kcal/g를 얻을 수 있는데 비하여 자일리톨은 이보다 적은 2.4Kcal/g정도를 얻게 되어 설탕보다 낮은 저칼로리 음료로 이용되고 있다.

4. 수분활성도 (Water Activity) : 수분활성도는 식품의 저장성을 간접적으로 표시해주는 지표로서 식품의 수분활성도를 낮추어 주면 그만큼 미생물의 번식이나 성장이 이루어지지 못하여 안전하다고 할 수 있는 데 자일리톨은 넓은 범위의 pH에 장시간 노출하여도 거의 파괴되지 않을 정도로 안정하다.

5. 열에 대한 안전성 : 자일리톨은 열에 대하여 안정하여 120°C에서 9시간 가열하여도 90°C이상 거의 파괴가 일어나지 않는다.

6. 화학적 안전성 : 광학적 비활성 당으로서 산, 알칼리 및 열에 안정하여 200℃이하에서는 카라멜화 반응을 하지 않으며, 특히 갈색화 반응(Maillard reaction)을 일으키지 않는다.

7. 미생물의 생육억제 : 자일리톨이 설탕이나 포도당은 물론 솔비톨과 같은 당알코올을 첨가한 것에 비하여 월등한 효과를 보여 준다.

8. 용해성 : 용해성은 온도와 당알코올에 따라 다르나 일반적으로 자일리톨, 솔비톨 등이 설탕보다 잘 녹는다. 자일리톨의 경우 상당히 잘 녹으며 30°C 이상의 온도에서는 설탕이상으로 용해성이 높다.

9. 흡습성 : 당알코올의 품질을 평가하는 데에서 중요한 요소 중에 하나가 바로 흡습성이다. 자일리톨은 흡습성이 높은 편에 속하여 특수 포장이 필요하다.

10. 점도 : 설탕 및 기타 다른 당알코올과 비교해 자일리톨의 점도는 낮은 편이며 농도에 따라서도 심한 차이를 보여준다.

    3. 독성 및 부작용

    독성은 거의 없고(포도당과 같은 수준) 과다 섭취할 경우에는 설사를 하는 수가 있다.

    4. 자일리톨의 용도

1. 과자류 : 최근 구미 각국에서는 자일리톨을 과자류 시장에서 이용하고 있다. 그 중 에서도 츄잉껌의 이용이 압도적으로 많은데 이것은 씹는 과정을 거쳐 나타난 과학적 효능과 자일리톨의 충치 억제성이 일치하기 때문이다.

2. 의약품 : 최근 구미 여러 나라에서는 의약품에 관해서도 무설탕화하는 방향으로 움직이는 추세이다. 특히 어린이용 의약품에 무설탕 제품을 많이 사용하고 있다.

3. 당뇨병/성인병 환자용 : 당뇨병환자나 성인병환자들은 혈당과 지방을 조절하여 몸무게를 낮추는데 역점을 두는 게 특징인데 자일리톨은 천천히 흡수되며 또 흡수된 것도 일반적으로 인슐린을 필요로 하지 않는 대사 과정을 통하여 설탕보다 적은 에너지로 전환된다. 따라서 체중조절을 하는 사람은 지속적으로 꾸준히 먹는 것이 중요하다.

4. 구강위생(Oral Care)상품 : 유럽에서는 이미 자일리톨이 치약 및 구취청정제에 이용되고 있으며 우리나라에서도 ‘가글린’과 같은 제품에 많이 사용하고 있다. 자일리톨을 이용하는 첫 번째 이유는 충치 억제성이지만 감미도가 높고 또 반응성이 상당히 낮아 안정성을 높일 수 있는 자일리톨의 사용을 용이하게 하고 있다.

5. 트러블(trouble)정 : 트러블정은 입안에 머무르는 시간이 길기 때문에 설탕 등의 당류를 사용한 경우 충치의 원인이 된다. 따라서, 유럽에서는 트러블정의 무설탕화 경향이 다른 형태 보다 급속히 진행되고 있다. 자일리톨은 당알코올이기 때문에 반응성이 낮고, 감미도가 높아 맛이 양호함으로 트러블정에 상당히 적합하고 쓴맛을 약하게 하는 효과를 가지고 있다.

6. 시럽(Syrup)용 제품 : 시럽용 형태의 제품은 특히 어린이나 노인 등에 많이 보급되고 있다. 자일리톨은 트러블정의 경우와 같이 반응성이 낮고 감미도가 높으며 맛이 좋은 점에서 시럽상의 의약품에도 적합하다. 또 자일리톨은 기타 당류 및 당알코올류와 비교해서 미생물의 생육을 억제하는 효과가 높다는 점에서도 시럽상의 의약품에 이용하는 이점이 있다.

7. 기타 : 캔디, 김치, 분말건강보조식품, 습윤조절제, 두유, 동물사료, 탄산음료, 과즙음료, 커피, 홍차, 탁상감미료, 향신료 등 다양하게 쓰인다.

   5. 자일리톨의 제조

   1. 현재의 자일리톨 생산방법

1. 식물체의 산 가수분해 : 목재, 볏짚이나 수수속대 등

2. 가수분해물의 정제 : 고순도 자일로스 용액 또는 자일로스 결정화 공정, 다른 고분자당의 분해물들과의 분리와 정제가 어렵다.

3. 자일로스를 자일리톨로 전환하는 수소첨가반응 : 알칼리를 이용한 고온 고압 반응

4. 자일리톨의 결정화 : 이러한 화학적 생산방법은 xylose 또는 xylitol과 반섬유소 부분에서 생기는 다른 가수분해물들과의 분리와 정제가 어렵고 그 수율도 50-60% 정도로 낮다. 또한 알칼리를 이용한 고온 고압의 반응이므로 위험성과 폐기물 문제가 존재하는 단점이 있다. 이러한 단점을 해결하기 위하여 본 실험실에서 세계 최초로 미생물에 의한 xylitol 생산방법을 산업화하였다.

   2. 생물공학법에 의한 xylitol 생산

   생물공학법은 반섬유소 가수분해물을 직접 기질로 사용하는 방법과 반섬유소 가수분해물을 정제하여 xylose를 만들고 정제된 xylose를 사용하는 방법이 있다. 생물공학법에 의한 xylitol 생산으로 지금까지 문헌보고를 보면 최고수준은 수율은 74%로 비교적 높으나 배양시간이 406시간으로 생산성이 낮아 산업화가 되기에는 경제성이 없었다. 그러나, 본인이 이미 개발하여 산업화한 방법은 수율 93%와 배양시간은 48시간으로 화학 합성법보다도 훨씬 경제적이다.

   3. 미생물 발효법의 장점

1. 위험성과 폐기물이 없거나 상대적으로 적어 환경친화적이라고 할 수 있다.

2.  반응 후 이 물질이 적어 자일리톨의 분리 정제 과정이 용이하여 경제적이다.

3. 중금속이 함유될 가능성이 없어 고도의 정제과정 없이도 의약품으로 사용하는데 문제가 없다.

   ※ 자일리톨과 충치예방

   일반적으로 음식에 함유된 탄수화물은 치면세균막(plaque) 내부에서 발효되어 산을 제조하고 제조된 산이 법랑질 표면을 부식시켜 충치(치아우식증)가 되는 것이다. 그러나 자일리톨은 치면세균막 내부에서 발효되지 않기 때문에 산을 제조하지 않는다.

   자일리톨은 타액의 분비를 촉진시킴으로써 다른 발효성 탄수화물이 분해되어 제조된 산을 중화시키는 역할을 하며, 타액에 함유되어 있는 광질이 치아에 침착하는 현상을 촉진한다.

   자일리톨은 5탄당알콜이기 때문에 구강세균에 의하여 분해되지 않아 충치(치아우식증)를 발생시킬 수 없을 뿐만 아니라 자일리톨은 치면세균막의 양을 줄여주고 뮤탄스균(S. mutans)의 숫자도 감소시킨다. 다른 대용 감미료와는 달리 자일리톨만이 이러한 효과를 나타낸다. 수개월 내지 1년 동안 지속적으로 자일리톨을 사용하면 뮤탄스균이 치면세균막으로부터 타액으로 유리된다. 그리고 유리된 뮤탄스균의 수효가 많을지라도 치아표면에 강하게 부착되어 있지 않아서 충치(치아우식증)를 유발시킬 가능성은 감소된다. 자일리톨을 불소와 함께 사용할 경우 충치 예방 효과가 더욱 더 증가하게 된다.

   자일리톨의 충치예방 작용에 관하여 지금까지 많은 연구가 이루어졌을 뿐만 아니라, 현재도 많은 연구가 이루어지고 있으며, 앞으로도 계속 연구되리라고 전망된다.