Authors
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Contents
| Abstract | |
| 1. Introduction | |
| 2. Coffee melanoidin structures | |
| 2.1. The contribution of polysaccharides | |
| 2.2. The contribution of proteins | |
| 2.3. The contribution of chlorogenic acids | |
| 3. Formation mechanisms of coffee melanoidins | |
| 4. Potential health impacts of coffee melanoidins | |
| 4.1. Antioxidant activity | |
| 4.2. Inhibition of matrix metalloproteases | |
| 4.3. Antimicrobial activity | |
| 4.4. Modulation of the bacterial colon population | |
| 4.5. Anticariogenic activity | |
| 4.6. Anti-inflammatory activity | |
| 4.7. Antihypertensive activity | |
| 4.8. Antiglycative activity | |
| 4.9. Other biological activities | |
| 5. Conclusions | |
| References | |
Abstract
| 커피 콩 성분들은 커피 로스팅 과정 중에 구조적 변화를 겪으며, 고분자량의, 질소를 함유하고 갈색을 띠는 화합물인 멜라노이딘을 형성한다. 커피는 인간의 식단에서 멜라노이딘의 주요 공급원 중 하나이므로, 그 건강상의 영향은 큰 관심을 받고 있다. 실제로 항산화, 항균, 항우식, 항염증, 항고혈압, 항당뇨 등 다양한 생물학적 활성이 커피 멜라노이딘에 기인하는 것으로 알려져 있다. 커피 멜라노이딘의 건강상 이점을 이해하려면 화학 구조를 아는 것이 필수적이다. 현재까지 커피 멜라노이딘의 구조적 특성을 규명한 연구에서는 다당류, 단백질, 클로로겐산이 커피 멜라노이딘 형성에 관여하는 것으로 나타났다. 그러나 커피 멜라노이딘의 정확한 구조와 형성 기전은 아직 명확히 밝혀지지 않았다. 본고는 지금까지 얻은 커피 멜라노이딘의 구조, 형성 메커니즘, 그리고 잠재적인 건강 영향에 대한 지식을 체계화하고 중요한 개요를 제공한다. |
1. Introduction
- 커피 생두의 로스팅은 커피 프로세싱 중에서 중요한 단계의 하나이다.
- 배전두와 분쇄커피로부터 뜨거운 온수에 의해 추출되는 커피액의
특징적 아로마, 테이스트, 그리고 색상이 로스팅 프로세스에 의해 상당한 정도까지 정해진다 [1-5]. - 이 프로세스 동안에 콩의 화학적 조성은,
커피 생두에서 식별되는 화합물들 중 일부의 분해 및 변형(degradation and/or transformation)으로 인해
변화된다. - 커피 생두는, 무수물 기준으로, 주로
carbohydrates ------ (59–61%),
lipids ----------------- (10–16%),
proteins ------------- (10%), and
chlorogenic acids -- (7–10%)으로 구성되어져 있으며, - 소량의 minerals ----- (4%),
aliphatic acids ------- (2%),
caffeine --------------- (1–2%),
trigonelline ---------- (1%), and
free amino acids ---- (<1%)을 함유하고 있다. - 로스팅 동안에,
carbohydrates ------ (38–42%),
proteins -------------- (8%),
chlorogenic acids -- (3–4%), and
free amino acids의 감소가 관찰되며, - 반면에
lipids ---------------- (11–17%),
minerals ------------ (5%),
aliphatic acids ----- (3%),
caffeine ------------- (1–2%), and
trigonelline --------- (1%)은 상대적 함유율을 유지한다 [1]. - 또한, 커피 로스팅 동안에 발생하는 변형들의 결과로, ➡ melanoidins가 형성된다 [6].
- 멜라노이딘류는 ➡ Maillard reaction의 최종 산물들이다 [7,9].
- 이 비-효소적 갈변반응(non-enzymatic browning reaction)은
멜라노이딘류라고 하는 다양한 산물들을 형성하는
┌ 환원당들(reducing sugars)과
└ 유리 아미노기를 가진 화합물들 간의 일단의 여러 반응들을 포괄하는데, - 이는
┌ 초기단계 산물(early stage products),
├ 중간단계 산물들(intermediate stage products), 그리고
└ 최종단계 산물들(last stage products)로 분류될 수 있다 [7]. - 멜라노이딘류는 일반적으로
➡ 갈색의 고분자 질소 화합물
(high molecular weight nitrogenous brown colored compounds)로 정의된다 [6,10]. - 빵[11], 몰트[12], 육류[13], 그리고 토마토 소스[14]와 같이
커피 이외의 광범한 제품들에 대한 열처리 동안에 형성되기는 하지만,
그것들의 화학구조들에 관한 이용 가능한 정보는 별로 많지 않다. - 멜라노이딘들은
⇒ 그들 구조의 불확실성으로 인해 직접적으로 분석될 수는 없기 때문에,
⇒ 그들은 보통 100%에서 알려진 화합물들의 총 퍼센트를 뺀 차이에 의해 계량화되어진다.
⇒ 이런 기준을 사용하여 그들은
로스트된 커피 콩의 무수중량의 약 25% 가량(w/w) 차지하는 것으로 주정되었다 [1,15].
- 커피 추출액에서, 멜라노이딘들은
⇒ 차이에 의해 계량화되어
⇒ 무수물의 약 29%(w/w)까지 차지하는 것으로 추정된 바 있다 [15]. - 커피 추출액에서의(그리고 커피 추출액 일부들 fractions에서) 멜라노이딘 함량은 또한,
⇒ 색상 희석 분석(color dilution analysis)을 사용하여
그 추출액의 갈색에 대한 공헌[16,17], 또는
400 nm에 가까운 흡수(absorption) [18-26]
특히 405 nm에서 흡수를 측정함으로써[20-26] 평가된 적이 있었다.
⇒ 커피 추출액의 200~700 nm까지의 흡수 스펙트럼(absorption spectrum)이
2개의 흡수 최대치들을 나타냈는데,
하나는 290nm이고 두번째가 325nm이었다.
⇒ 280nm에서의 흡수 최대치(absorption maximum)는
단백질, 카페인, 클로로제닉산류(chlorogenic acids)와
카페익산(caffeic acid)의 아로마틱 고리들(aromatic rings)의 존재에 의해 설명되어질 수 있다.
⇒ 325nm에서의 흡수 최대치는
클로로제닉산류와 카페익산의 존재에 의해 설명되어질 수 있다 [22]. - 커피 추출액의 멜라노이딘 함량이 405nm에서의 흡수 측정에 의해 평가된 적이 있었는데,
⇒ 이는 이것이 갈색의 강도를 측정하기 위해 종종 선정되는 파장이기 때문이었다. - Bekedam et al. [22]은
⇒ 여러 다른 커피 추출액(brews)(그리고 커피 추출액 분획들)의 405nm에서의 흡수 값들을
비교할 수 있도록 하기 위하여
⇒ 이 파장에서의 absorption (A)를 Kmix 405nm라고 표현하는 것을 제안하였는데,
⇒ 이는 A = Kmix (L g-1 cm-1 ) × concentration (g L-1) × length of light path (cm)로 표현되는
the law of Lambert–Beer 을 사용하여 계산된
구체적인 吸光係數 (extinction coefficient)이다. - 배전도(그리고 그들의 고분자 부분들)가 다른 커피콩들로부터 준비된 커피 추출액들을 비교하였을 때,
⇒ 배전도 증가에 따른 Kmix 405nm value의 증가가 관찰되어,
멜라노이딘 함량과 배전도 간의 직접적인 관계를 제시하였다 [20]. - 커피는 매일 전세계에서 수백만 명의 사람들이 소비하므로, 커피 추출액은 인간의 식이 중에서 멜라노이딘의 주요한 한 원천으로 생각된다 [11].
- 커피 멜라노이딘들에 관한 몇몇 연구들이 적어도 1960년대에 수행된 바 있었다 [27].
이 연구들은 멜라노이딘의 구조적 특징분석에 주로 초점을 두었는데,
더욱 최근에는 인간의 건강에 대한 생리 작용 및 효과들로 확대되어져 왔다. - 本稿에서는
🔹커피 멜라노이딘들의 構造,
🔹그 形成 메커니즘들, 그리고
🔹潛在的 健康 示唆點들에 관해 발표되어져 온 것들에 관하여 핵심적 개요가 제시된다.
2. Coffee melanoidin structures
- 모든 노력들에도 불구하고, 커피 멜라노이딘들의 화학 구조는 대체로 아직 알려지지 않은 채 남아있다.
- 현재 지식에 기초할 때, 커피 멜라노이딘들의 구조 해명은
그들 구조의 심한 복잡성과 다양성 그리고 그로 인한 순수 멜라노이딘 부분들의 분리의 어려움에 의해 방해 받는다. - 커피 멜라노이딘들의 분리와 정제(purification)를 위해 여러 다른 어프로치들이 채택되어져 왔다 [6].
모든 어프로치들에서, 커피 멜라노이딘들은 먼저 그들의 높은 분자량을 이용하여 분리된다. - 커피 추출액의 고분자량 물질(high molecular weight material, HMWM)이
⇒ 2 kDa와 12–14 kDa의 분자량 기준(molecular weight cut-off, MWCO)의
膜을 이용한 透析(dialysis)에 의하여 [각각 28, 16],
⇒ 3 kDa의 MWCO를 가진 有孔纖維(hollow fiber)를 사용하는
透濾法(diafiltration)에 의하여 [20,22,23], 그리고
⇒ 100, 50, 10, 3 kDas의 MWCO를 가진 膜을 이용한
단계적 접선유동 울트라여과법(stepwise tangential flow ultrafiltration)에 의하여 [17]
분리되어진 적이 있다.
⇒ 또한, 그 HMWM (고분자량 물질)은 종종
10 kDa의 MWCO을 가진 膜을 사용하는 울트라 여과에 의해 분리된 바 있다 [29-36]. - 드물게 고분자량 커피 추출액 부분들이
⇒ absorbance at 405 nm를 사용한 용리 프로파일(elution profile)의 모니터링을 하는
gel filtration chromatography에 의 해 분리되기도 한 적이 있다 [21, 26]. - 사용되는 분리 테크닉의 다양성은,
즉 여러 다른 MWCOs를 가진 투석(dialysis), 투여(diafiltration) 그리고 울트라 여과(ultrafiltration)는
여러 학자들이 멜라노이딘류의 최소 분자량에 대한 합의를 설정하지 못했다는 것을 보여준다. - 로스트된 콩들로 마련된 커피 추출액의 HMWM가
⇒ 멜라노이딘들 이외에도 단백질(proteins)과 다당류(polysaccharides)로 구성되어져 있기 때문에 [37-39],
⇒ 추가적인 정제 절차들이 그들의 분리를 위해 필요하다. - 지난 10년 동안, 여러 멜라노이딘 모집단들이 커피 추출액의 HMWM로부터
정제되어진 적이 있다 [16,17,20,23,25]. - 여러 멜라노이딘 모집단들의 정제(purification)는
⇒ 가용성(solubility), 전하(charge), 금속 킬레이팅 활성도(metal chelating ability), 그리고
疏水性(hydrophobicity)과 같은 여러 생화학적 특성들을 밝혀내오도록 하였다.
⇒ 그 HMWM은 에탄올 분별절차(ethanol fractionation procedure)를 사용하여
여러 다당류 조성을 가진 부분들로 분별되어져 왔다. - 갈락토마낸들(galactomannans)에서 가장 풍부한(most enriched) 부분들은
⇒ 40–50%의 에탄올 농도에서 침전하며(precipitate) - 아라비노갈락탄들(arabinogalactans)에 있어서 가장 강화된 부분들은
⇒ 75–80%의 에탄올 농도에서 침전한다(precipitate) (% by volume or weight).
⇒ 에탄올 농도 75–80%에서 가용 상태로 남아 있는 부분들은
가장 낮은 탄수화물 함량을 제시한다 [16, 22, 37-39]. - 커피 멜라노이딘들의 음이온성(anionic nature)에 기초하여,
19가지의 음이온적 멜라노이딘 부분들이
에탄올 분별에 의해서 얻어진 부분들에 대하여 [16],
또는 커피 추출액으로부터 직접적으로 분리되어진 HMWM 에 대하여서 [23, 25],
⇒ 음이온교환 색층분석(anion exchange chromatography)을 수행하여 분리되어져 왔다. - 또한 커피 멜라노이딘류의 금속 킬레이팅 능력(metal chelating capacity) 때문에 [40,41]
⇒ 구리 친화성 크로마토그래피(copper affinity chromatography)에 의해 수행되는
음이온 멜라노이딘 부분들(anionic melanoidin fractions)의 추가적인 분별(fractionation)로
┌→ 음이온 멜라노이딘 부분들과
└→ 킬레이팅 멜라노이딘 부분들의 분리(isolation)가 가능해진다 [16]. - 또한, 어떤 연구들은
⇒ 아라비노갈락탄프로틴 arabinogalactanproteins (AGPs) 형태의 아라비노갈락탄들이
커피 생두 추출액과 배전커피 추출액들(인스턴트 커피를 포함하여)에서 뿐만 아니라
커피 생두와 배전두들에도 존재한다는 것을 보여 왔다 [23, 42-46]. - 온전한 AGPs를 함유하는 멜라노이딘 부분들이
⇒ the AGP-specific b-glucosyl Yariv reagent로의 침전(precipitation)에 의하여
(배전)커피 추출액으로부터 분리된 적이 있다 [20,23]. - 추가적으로, 소수성 멜라노이딘 부분들(hydrophobic melanoidin fractions)이
⇒ Sephadex LH-20에 대한 겔-투과 크로마토그래피(gel permeation chromatography)와
⇒ 그 후에 소수성 상호작용 크로마토그래피(hydrophobic interaction chromatography)에 의하여
⇒ HMWM으로부터 분리되어진 바 있었다 [17]. - 커피 추출액의 HMWM에 존재하는 멜라노이딘들의 생화학적 특성들에 관하여,
위에서 설명된 정제 절차들을 사용하여 지난 10년 동안 새로운 통찰들이 이뤄졌다. - 커피 멜라노이딘들의 부분은 음이온성(anionic character)을 보이는 반면에,
다른 부분들은 보이지 않거나 매우 적은 정도에서 보인다고 현재 알려져 있다 [16,23]. - 이런 이질성은
⇒ 금속 킬레이팅 능력(metal chelating capacity)으로도 연장되는데,
⇒ 음이온성 멜라노이딘 부분들의 약 반 정도는
고정화된 구리 이온들(immobilized copper ions)에 대한 킬레이팅 능력을 가진다 [16].
⇒ 나아가 소수성 특징(hydrophobic character)을 보이는 커피멜라노이딘 부분들이 있다(17). - 탄수화물, 아미노산들, 그리고 페놀 화합물들이
커피 멜라노이딘들의 성분들이라고 제시되어져 왔다 [27,47-49]. - 지난 10년에 걸쳐,
⇒ 당류, 글리코시딕 연결들(glycosidic linkages), 아미노산들, 질소 함유율, 그리고 페놀기 함유율에
대한 분석을 포함하여 다양한 분석들에 의하여
분리되어 정제된 멜라노이딘 부분들의 화학적 특성 파악은
⇒ polysaccharides, proteins, 그리고 chlorogenic acids가
커피 멜라노이딘들의 형성에 관여한다는 증가하는 증거들을 모아오고 있다 [16,17,20,23,25]. - 다음 섹션들은 커피 멜라노이딘들의 구조들에서의
다당류, 단백질, 그리고 클로로제닉산류의 개입에 관하여 알려진 것들을 요약한다.
2.1. The contribution of polysaccharides
- 다당류는 ⇒ 커피 생두에 존재하는 무수물 기준 약 50%를 차지하는 지배적인 탄수화물이다.
- Galactomannans와 type II arabinogalactans이 가장 풍부한 다당류이다 [1,50].
- 커피 생두로부터 온수로 추출된 갈락토마낸은
⇒ a main backbone of β-(1→4)-linked D-mannose residues로 이뤄져 있으며
⇒ 그들 중 어떤 것들은 O-6에서 α-D-galactose 또는 L-arabinose가 대신 들어가 있거나
O-2 및 O-3에서 아세틸기들(acetyl groups)이 치환(대체)되어 있기도 한다. - 아세틸화된 만노오스 잔기들(acetylated mannose residues)에 있어서는,
⇒ 싱글 아세틸화 잔기들(single acetylated residues),
다이-아세틸화 잔기들(di-acetylated residues), 그리고
연속적 아세틸화 잔기들(consecutively acetylated residues)이 있다. - 또한 β-(1→4)-linked D-glucose residues가
⇒ 마낸 백본(mannan backbone)의 구성요소들이다 [51]. - Fig.1a
➡ 열수 추출성 커피 생두 갈락토마낸들(hot water extractable green coffee galactomannans)의
주요한 구조적 특징들을 보여주고 있다.
- 커피 생두로부터 온수 추출된 아라비노갈락탄(arabinogalactans)은
⇒ a main backbone of β-(1→3)-linked D-galactose residues으로 구성되어져 있는데,
⇒ 그들 중 어떤 것들은 O-6에서 β-(1 →6)-linked D-galactose residues의 짧은 사슬들로
치환(대체)되어져 있다.
⇒ 이 짧은 사슬들의 갈락토오스 잔기들(galactose residues)은
α-L-arabinose, α-L-rhamnose, 그리고 β-D-glucuronic acid residues의
다양한 조합들로 치환된다 [43]. - 커피 생두의 거의 모든 아라비노갈락탄들은
⇒ 단백질에 공유결합 되어져 있어(covalently linked),
⇒ arabinogalactan–proteins (AGPs)이라고 부른다 [42]. - Fig. 1b ➡ 커피 생두 온수 추출적 아라비노갈락탄들(the polysaccharide moiety of AGPs)의
주요 구조적 특징들을 보여준다.
- 커피 로스팅 동안에, 아라비노갈락탄(arabinogalactans)과 갈락토마낸(galactomannans)은
몇 가지 구조적 변화들을 겪는다. - 커피 생두 및 배전 커피 추출액들로부터 분리되어진
high molecular weight material (HMWM)에 대한
당 및 메틸화 분석들(sugar and methylation analyses)에 기초하여,
커피 생두의 로스팅은 이런 다당류의
⇒ 탈분지(debranching) 뿐만 아니라
⇒ 중합화 정도의 감소(decrease of the degree of polymerization)를 촉진하는 것으로 알려져 왔다. - 특히, 주로 아라비노갈락탄의 측쇄(곁사슬, side chains)로 존재하는 아라비노오스(arabinose)가
⇒ 로스팅 동안에 분해에 가장 민감한 당이라는 것이 발견되었다 [37–39,52,53]. - 그러나, 커피 갈락토마낸(galactomannans)와 구조적으로 관계된
마노-올리고당과 갈락토마노-올리고당(manno- and galactomanno- oligosaccharides)에 대한
건열처리(dry thermal treatments)는
중합화 반응들(polymerization reactions)의 발생을 보였다 [54].
⇒ 이 발견은 커피 생두의 로스팅은 갈락토마낸의 중합화도 촉진한다는 가설을 설정하였다. - 또한, 배전된 커피 추출액 갈락토마낸들에 관한 한 상세한 연구는 그들의 환원물(reducing end)이
┌ 카라멜화(caramelization),
├ 이성질체화(isomerization),
├ 산화(oxidation),
├ 탈카르복실화(decarboxylation), 그리고
└ 마이야르 반응들(Maillard reactions)의 발생에 의해
달라진다(modified)는 것을 보여주었다 [55].
- 다른 다당류 조성들을 가진 멜라노이딘 모집단들이
커피 추출액의 HMWM으로부터 분리된 바 있다 (isolated) [16,20,23,28]. - Bekedam et al. [22]는
⇒ 에탄올 분별(ethanol fractionation)에 의해서
배전커피 추출액의 HMWM으로부터 얻어진 부분들의 당 조성에 기초하여,
⇒ 커피 멜라노이딘 형성에서의 다당류의 개입, 특히 아라비노갈락탄의 개입을 제시하였다. - 멜라노이딘들내의 공유결합된(covalently linked) 다당류들의 존재는 나중에
⇒ 음이온 교환 색층분석(anion exchange chromatography)에 의해서
⇒ 배전 커피 추출액의 에탄올 부분들로부터 격리되어진 음이온 부분들(anionic fractions) 내에서는
갈락토마낸과 아라비노갈락탄(galactomannans and arabinogalactans)이 관찰되었고
⇒ 이와는 대조적으로 동일한 크로마토그래피 조건들 하에서 커피 생두 추출물의 경우에서는
그 보유가 무시할 정도로 나타나
⇒ Nunes and Coimbra [16]에 의해서 증명되었다. - 아라비노갈락탄(Arabinogalactans)은
⇒ 온전한 AGPs(intact AGPs)의 형태로 커피 멜라노이딘 구조들에 포함되어질 수 있다 [23].
⇒ 이는 배전 커피 추출액의 HMWM에
야리브 시약(the Yariv reagent) (선택적으로 AGPs를 침전시키는 시약)의 추가에 의해서 보여졌었다.
⇒ 커피 생두로부터 앞서 회수된 백색의 AGP fraction 대신에(56), 갈색의 침전물이 얻어졌다.
⇒ Kmix 405nm 값들에 기초할 때,
AGP fraction은 그 커피 추출액의 HMWM에 존재하는 멜라노이딘의 거의 반 정도를 자지한다.
⇒ 그러나, Yariv reagent으로 인한 침전에 의해 얻어진
AGP fraction의 galactose and arabinose의 양은
HMWM에서 얻어진 것보다 더 작았기 때문에,
Bekedam et al. [23]에 의해 제시된 바와 같이
커피 생두 AGPs의 일부가 로스팅 동안에 그들의 protein moiety를 잃어버려 변형된다고 추론될 수 있다. - 커피 멜라노이딘 다당류들에 관해 지금까지 수행되어온 연구들은
⇒ 그것들이 이 고분자 갈색 구조들의 공유 결합된 구성요소들이라는 것을 보여주었다.
⇒ 그러나, 다당류들과 다른 성분들 간의 연결(linkages)의 유형들은 아직 알려지지 않고 있다.
2.2. The contribution of proteins
- 커피 생두의 약 10%(무수물 기준)를 차지하고 있는 단백질(proteins)은
그들의 수용성에 따라 나누어질 수 있다 :
┌ 50%는 수용성 단백질이고
└ 50%는 비수용성 단백질이다 [1]. - 커피 콩은 11S-type storage proteins을 함유하고 있는 것으로 알려져 있는데 [57,58].
이들은 전체 단백질의 거의 45%를 차지한다 [59]. - 로스팅 프로세스는
⇒ 분해로 인한 단백질 변성(protein denaturation with degradation)로 이어지는데,
⇒ 나중에 로스팅 동안 커피 콩에서 식별되는 아미노산들의 총량의 감소로 추론된다. - 커피 생두 단백질을 구성하는 아미노산들 중에서,
⇒ 알기닌(arginine), 시스테인(cysteine), 리신(lysine), 그리고 세린(serine)과 같은 어떤 것들은
⇒ 로스팅 동안에 량에 있어서의 큰 감소를 나타냈다 [1,15,22,60]. - 로스팅에 의한 커피 생두 단백질에서의 변화들에 이어
⇒ 도데실 황산나트륨-폴리아크릴아미드 겔 전기영동법이 이뤄졌었다 [37–39,61].
(sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE))
⇒ 커피 생두 추출액과 배전 커피 추출액으로부터 분리되어진 HMWM의 비환원 조건들 하에서 얻어진
SDS-PAGE patterns는 분명히 또렷하다(구별된다).
⇒ 커피 생두는 58 kDa에서 주요 단백질 결합(a major protein band)을 보인 반면에,
⇒ 배전 커피는 ≤14 kDa의 a defined band와
>200 kDa의 a diffuse band(확산대)를 나타냈는데 [37–39],
아마 멜라노이딘 형성에의 단백질 개입 때문인 것일 수 있다. - 산분해(acid hydrolysis) 후의 아미노산 분석(amino acid analysis)에 의해 계량된
각기 다른 양의 단백질 같은 물질들을 함유하는 커피 추출액의 HMWM으로부터
다른 멜라노이딘 부분들이 분리되어져 나왔다 [16,17,22]. - 그 HMWM의 에탄올 분별(ethanol fractionation)에서 얻어진 다른 멜라노이딘 부분들을 비교해본 결과,
⇒ 높은 에탄올 농도 (75–80%)에 녹아 있는 상태로 남는 부분(fraction)이
가장 높은 단백질 함량을 가진다는 것이 알려졌다.
⇒ 그러나, 아미노산 조성(아미노산의 상대적 존재도(amino acid relative abundances)의 관점에서 볼 때)는
이 모든 멜라노이딘 부분들에게 있어서 비슷하다.
⇒ 알라닌(Alanine), 아스파르트산/아스파라긴(aspartic acid/asparagine),
그루타민산/그루타민(glutamic acid/glutamine), 그리고 글리신(glycine)이
모든 부분들에서 가장 풍부한 아미노산들인 반면에,
⇒ 히스티딘(histidine), 리신(lysine), 메티오닌(methionine), 그리고 티로신(tyrosine)이 가장 적었다.
⇒ 알기닌(Arginine)은 발견되지 않았다 [16,22]. - 이 멜라노이딘 부분들의 아미노산 조성은
⇒ 또한 배전두와 배전커피 추출액의 경우에 비슷하였다 [22]. - 나아가, 다양한 멜라노이딘 플랙션들이
커피 생두와 커피 생두 추출액으로부터 분리해낸 높은 량의 AGPS에서 발견되는 아미노산 [42,43]인
하이드록시프롤린(hydroxyproline)을 함유한다 [16].
⇒ 아라비노스와 갈락토스 잔기들(arabinose and galactose residues)도 함유하고 있는
멜라노이딘 플랙션들 내에서의 하이드록시프롤린의 존재는
앞서 논의된 바와 같이, 커피 멜라노이딘 구조들에서의 AGPs의 존재에 대한 더 이상의 증거이다. - 아미노산들은
⇒ 배전커피 추출액의 HMWM과
에탄올 분별에 의해 HMWM으로부터 얻어지는 멜라노이딘 플랙션들 내에 존재하는
질소의 대다수를 설명한다(차지한다)(>70%).
⇒ 또한 비-아미노산 질소의 량이
가장 높은 에탄올 가용성을 가진 멜라노이딘 플랙션에서 더 높다. - 온전한 아미노산들(intact amino acids)로부터의 질소와
non-protein nitrogen라고 하는 비-아미노산 질소(non-amino acid nitrogen)의 구별은 또한
⇒ 산분해 후 아미노산 분석에 의해 결정된 아미노산/단백질 함량과
총 질소 함량에 기초하여 이뤄졌다 [22].
⇒ 그러나 분해된/변화된 아미노산들(degraded/modified amino acids)은
이런 어푸로치를 사용하여 결정되는
비-단백질 원의 질소(nitrogen of non-proteic origin)를 설명할 수도 있다. - N3 -(fructosyl) lysine (FL, detected as furosine after acid hydrolysis),
N3 -(carboxymethyl) lysine (CML), 그리고
N3 -(carboxyethyl) lysine (CEL)을 포함하여(Fig. 2),
리신(lysine)에서 파생되는 메일라드 반응 산물들이 HMWM과 멜라노이딘 플랙션들에서 식별되었다 [16].
⇒ 이 화합물들의 식별은, 비록 매우 낮은 량에서이지만,
커피 로스팅 동안에 변화되는 아미노산들이 멜라노이딘 구조들에도 포함되어져 들어간다는 것을 제시한다.
2.3. The contribution of chlorogenic acids
- 커피 생두의 페놀 화합물들(Phenolic compounds)은 주로 클로로겐산류 chlorogenic acids (CGAs)이다. 이는
┌ 퀴닉산(quinic acid)과
├ 카페익산(caffeic acid),
├ 쿠마르산(p-coumaric acid), 그리고
└ 페롤산(ferulic acids)과 같은 트랜스-시나믹 산(trans-cinnamic acids) 사이에서 형성되는
에스테르군(a family of esters)이다 [1,62,63]. - 커피 생두 내에서 60개 이상의 CGAs가 이미 식별되어졌으며
가장 많은 것은 5-O-caffeoylquinic acid (5-CQA)이다 (Fig. 3) [65,66].
- 커피 생두에서 발견되는 총 클로로겐산 함량은 무수물의 10%까지 차지한다 [1].
- 로스팅 동안에 열수 추출 가능한 클로로겐산들의 양은
⇒ 50% 이상 감소하는데, 로스팅 강도에 따라 다르다 [65]. - Nunes and Coimbra [6]에 의한
커피 로스팅 동안에 CGAs의 열분해(thermal degradation)로 나오는 산물들에 관한 리뷰에서와 같이,
⇒ 그것들은 간단한 페놀들에서부터
고도의 구조적 복잡성을 가진 응축 산물들(condensation products)까지 다양하다. - 간략하게 말해서 커피 로스팅 프로세스는
⇒ 퀴닉산(quinic acid) (non-phenolic moiety)과
다양한 시나믹산(cinnamic acids) (phenolic moieties)을 낳는
CGAs의 가수분해(hydrolysis) 뿐만 아니라
CGAs의 이성질체화(isomerization)도 촉진한다 [63,67,68]. - 5-CQA, caffeic acid, 그리고 ferulic acid에 대한
건열처리(dry thermal treatment)에 관한 모델 연구들은
커피 로스팅 동안에
일단의 단순한 페놀들(simple phenols)을 낳는 퀴닉산과 시나믹산들의
탈카르복실화(decarboxylation)의 발생도 식별되었다고 한다 [69-71]. - 카페익산(caffeic acid)의 경우에, 몇 가지의 응축 산물들도 식별되었다 [71].
- 따라서, 커피 추출액 내에 존재하는 bitter compounds는
⇒ 로스팅 중에 카페익산 부분들(caffeic acid moieties)로부터 발산되는
단순한 페놀 (4-vinylcatechol)의 저중합화(oligomerization)에 의해 생성되는 것으로 보인다 [72].
⇒ 나아가, CGAs는 quinic acid moiety로부터 물 분자를 잃어버리고
분자내 에스테르 결합(intramolecular ester bond)의 형성에 의하여
클로로겐산 락톤(chlorogenic acid lactones)으로 변환된다 (Fig. 4). [66,67,73]
- CGAs를 함유하는 여러 멜라노이딘 플랙션들(또는 파생물들)이
커피 추출액의 HMWM으로부터 분리된 적이 있다 [16,20,25]. - HMWM과 멜라노이딘 플랙션들 내의 CGAs의 존재가
the Folin–Ciocalteu reagent를 사용한 페놀 화합물들의 계량화에 기초하여 제시된 바 있다 [22,23]. - 그러나 이 비색 분석(colorimetric assay)은 페놀 화합물들에 대해 특정적인 것이 아니지만(not specific)
환원 화합물들(reducing compounds)을 측정한다 [74]. - 커피 멜라노이딘 내의 CGAs의 포함은
⇒ 커피 추출액으로부터 분리되어진 HMWM의 열분해(thermal degradation) 후에 [14] 그리고
⇒ 페롤산(ferulic acid)의 열처리(thermal treatment) 후에 [69]
⇒ guaiacol, 4-ethylguaiacol, and 4-vinylguaiacol과 같은 페놀들의 검출에 의해서 제시되기도 하였다.
⇒ 그러나 이 어푸로치는 CGAs와 다른 성분들 간 상호작용의 유형(공유적 또는 비공유적)을 알려주지는 않는다.
⇒ HMWM과 멜라노이딘 플랙션들 내의 공유결합된 CGAs의 존재가
응축된 페놀 구조들을 발생시키는 효율적인 방법으로 알려진 the alkaline fusion method를
사용하여 보여진 바 있다 [16].
⇒ 비공유결합적 CGAs의 부재를 확인하도록 하게 위하여,
비공유결합적 CGAs가 이미 인스턴트 커피로부터 분리되어진 멜라노이딘 플랙션들에서 발생하는 것으로
보여졌기 때문에 [21],
⇒ 알카라인 퓨전(alkaline fusion)을 받아야 하는 플랙션들이
2 M NaCl에의 밤샘 배양(incubation) 후에
고성능의 역상 리퀴드 크로마토그래피(reversed phase high performance liquid chromatography)으로
이미 보내졌다. - HMWM과 melanoidin fractions 모두의 경우에 있어서,
알카라인 퓨전(alkaline fusion) 후에 회복된(회수된)
가장 풍부한 단량체적 페놀화합물들(monomeric phenolic compounds)은
⇒ 디하이드록시벤조익 산(3,4-dihydroxibenzoic acid)이었다.
⇒ 이 화합물은 푸릴산 기준과 카페익산 기준들(ferulic and caffeic acid)의 알카라인 퓨전에 있어서도
역시 가장 풍부했다 [16]. - 징크 침전(zinc precipitation)에 의해 인스턴트 커피로부터 얻어지는 멜라노이딘 플랙션의 알카라인 퓨전은
유사한 단량체적 페놀 화합물들을 제공했다 [41].
⇒ 이 결과에 기초하여,
CGAs 및 그들의 파생물들이 커피 멜라노이딘 구조들에 포함되어져 있다고 말할 수 있다. - 5-CQA, 그리고 카페산, 페룰산, 퀸산(caffeic, ferulic, and quinic acids)의 포함도
커피 추출액으로부터 분리되어진 HMWM과 중간-MWM(IMWM) 모두를 사용하여
두 개의 후속 연구들에서 평가된 바 있다 [20,25].
⇒ 이 연구들은 alkaline saponification 후에 발생된
에스테르 결합된 카페익산, 푸릴산, 그리고 퀴닉산의 존재를 보여주었다.
⇒ 또한, 이 에스테로 결합들은 HMWM과 IMWM 모두에서 분리되어진 멜라노이딘 플랙션들에서
카페익산과 푸릴산보다 더 풍부한 퀴닉산의 존재와 함께 관찰되었다.
⇒ 카페익산 부분(caffeic acid moiety)에 의해
주로 비-에스테르 결합들을 통하여(through mainly non-ester linkages) 포함되어진
한 멜라노이딘 속으로의 온전한 CGAs의 존재는
chlorogenate esterase (EC 3.1.1.42)를 이용한
효소 처리(enzymatic treatment)에 의해 추론되어졌다 [251]. - 다른 연구들에서는,
2차원 핵자기공명 분석(two-dimensional nuclear magnetic resonance (2D NMR) analysis) 결과
⇒ 고분자량 커피 플랙션의 멜라노이딘들로 통합되어진
온전한 카페익산 부분 또는 푸릴산 부분들에 관한 생각을 지지하지 않았다 [17, 28].
⇒ 커피 멜라노이딘들로의 온전한 시나믹산 부분들(intact cinnamic acid moieties)의 통합에 관하여 보고된
다른 결과들은 이 점을 더욱 연구하도록 디자인되는 미래 연구들의 필요성을 지적한다. - CGA 파생물들(derivatives)이 커피 멜라노이딘의 성분이라는 강한 증거가 현재는 있지만,
그들이 멜라노이딘 구조 내에서 어떻게 연결되어져 있는지에 관해서는 아직 알려져 있지 않다. - Nunes and Coimbra (2011)의 연구 [6]
⇒ Nunes and Coimbra [6]는 단백질들이 CGA 파생물들의 가능한 결합 장소일 수 있다고 제시했다.
⇒ 이 가설은 로스팅 동안에 관찰된 커피 생두의 단백질 프로파일들의 변화들이
산화된 CGAs가 모델 시스템 내의 커피 생두 단백질과 반응될 때 관찰된 것과
비슷하다는 것을 보여주는 연구들[61,75]에 기초하여 제안된 것이다. - Bekedam et al. (2011) 의 연구 [25]
⇒ 또한, Bekedam et al. [25]에 의해 제시된 바와 같이,
⇒ 탄수화물, 특히 아라비노스 잔기들(arabinose residues)이
CGA 파생물질들의 가능한 결합 장소(binding site)인 것으로 보인다.
⇒ 이 가설은 아라비노스 잔기들이 로스팅 동안에 분해(degradation)에 매우 취약하다는 것을
보여주는 연구들(46,53)과
당 조각들과 에피카테킨의 반응(reaction of epicatechin with sugar fragments)이
발생하는 것으로 보고된 모의 로스팅 조건들 하에서 전개된 모델 연구[76]에
기초하여 제안되었다.
3. Formation mechanisms of coffee melanoidins
- 비록 커피 멜라노이딘들의 어떤 구조적 특징들이 이미 개략적으로 밝혀져 왔지만,
그것들의 형성에 관여되는 메커니즘들은 완전히 이해되려면 아직 멀었다. - 모델 연구들(대부분 용액)에 기초하여 멜라노이딘 형성에 관한 3가지 이론들이 설명되어져 오고 있다 [6, 10].
- 한 가지 이론은, 멜라노이딘들은
⇒ 그 반응의 앞선 단계들에서 형성되는 푸란과 피롤(furans and pyrroles)과 같은
저분자량 (LMW) 메일라드 반응 산물들의 중합(polymerization) (via polycondensation reactions)에
의해 형성된다는 것이다 [77-79]. - Hofmann [80–82]은 멜라노이딘은
⇒ 리신(lysine), 알기닌(arginine), 시스테인(cysteine)과 같은
아미노산들의 반응 측쇄들(reactive side chains)을 통하는
LMW Maillard reaction products의 교차결합(cross-linking)으로부터 도출된다고 제시했다. - 세 번째 이론은, 멜라노이딘 골격(skeleton)은
⇒ 주로 메일라드 반응의 초기 단계들에서 형성되어
aldol-type condensation을 통하여
중합되는 당분해산물들(sugar degradation products)로 이뤄져 있다는 것이다 [83–85].
- 커피 추출액으로부터 분리해낸 HMWM의 열분해(thermal degradation)에서 발생된
휘발물질들에 대한 분석 결과,
⇒ 푸란(furans)이 가장 많았고 (65%) 그 다음이
카르보닐 화합물들(carbonyl compounds)이었다 (16%). [14]. - 단백질 결합된 피라지니움 래디컬 양이온이
The protein-bound 1,4-bis-(5-amino-5-carboxy-1-pentyl) pyrazinium radical cation (CROSSPY)
멜라노이딘 형성에 대한 모델 시스템으로 사용된
bovine serum albumin and glycolaldehyde 수용액의 가열 동안에도 형성되고 [87],
커피 로스팅 동안에 형성되는 것으로 밝혀졌다 [86]. - 이 보고들은 멜라노이딘 형성에 대해 제안된 세 가지 이론들이
⇒ 커피 멜라노이딘 형성 동안에 발생할 수 있다는 것을 말해준다. - 또한, the CROSSPY radical의 식별은
⇒ radical mechanisms이 커피 멜라노이딘의 형성에 개입될 수도 있다는 것을 제시한다. - 커피 멜라노이딘들의 형성에 관여되는 정확한 메커니즘들은 아직 불명확하기 때문에,
Fig. 5는 ➡ 커피 멜라노이딘 형성의 간단한 예시이다.
이 그림은 여기서 고찰된 바와 같이 galactomannan polymerization을 포함시키기 위하여
Nunes and Coimbra [6]의 본래 그림을 수정한 것이다. - 요약하면,
┌ polysaccharides,
├ proteins, 그리고
└ chlorogenic acid (phenolic compounds)이 커피 멜라노이딘 형성에 관여되는 것으로 알려져 있다. - 그러나, 멜라노이딘 중량의 90%까지 차지할 수 있는 알려져 있지 않은 물질의 성격과
다당류, 단백질, 그리고 클로로겐산류 간의 연결의 유형들에 관해서는
여전히 몇 가지 의문들이 남아 있다. - 따라서, 커피 멜라노이딘의 구조적 특징 파악은 가까운 미래에 큰 연구 주제로 남아 있다.
4. Potential health impacts of coffee melanoidins
- 커피 추출액은 인간의 음식에서 멜라노이딘류의 주요한 원천 가운데 하나이므로 [11],
커피 멜라노이딘의 생물학적 작용들과 그들의 건강에 관한 의미들은 큰 관심이 되고 있다. - Table 1에서 밝혀진 바와 같이, 여러 생물학적 작용들이 커피 멜라노이딘들에 귀인되어져 왔다.
그러나, 그들의 생리적 관련성은 아직 명확하게 규명되기에는 멀었다.
- 첫째, 커피 멜라노이딘의 생물학적 작용들에 관현 연구들이
종종 커피 추출액에서 후속적 정제화 없이 분리되어진 고분자물질(HMWM)을 멜라노이딘이라고 단순하게 지칭하여
그것을 사용하여 전개되어져 왔다. - HMWM이 앞서 논의한 바와 같이 다른 고문자 화합물들로 이뤄져 있어서, 생물학적 작용의 원인이 되는 유효성분에 관한 확정적 결론을 방해하기 때문에 이 어푸로치는 제한적이다.
- 한편, 앞서 리뷰 된 바에 따르면 (커피와 다른 음식들의)
멜라노이딘의 대사 이전 및 생체내 변화(metabolic transit and biotransformation)에 관해서는 알려진 것이 별로 없다 [88,89]. - 커피와 관련해서는, 커피 추출액으로부터 ultrafiltration (MWCO 10 kDa)에 의하여 분리되어진 HMWM은 위장의 효소 소화(gastrointestinal enzymatic digestion)를 자극하여 생체 내에서 소화되었다.
소화 후에 회수된 저분자량 플랙션이 HMWM의 14%를 나타냈는데,
이는 커피 멜라노이딘이 인간의 위장관 내에서의 소화에 상당히 저항적이라는 것을 말해준다 [31]. - 그러나, 커피 멜라노이딘의 대사이행 및 생체 내 변화(metabolic transit and biotransformation)에 관해서는 그 밖에 알려진 것이 거의 없다. 사실 명쾌하지 않게 남아있는 한 가지 의문은 커피 멜라노이딘에 귀인 되었던 생리 작용들(거의 대부분 생체내 연구들에 기초한 것들)이 인간의 건강에 중요한 영향을 미치는가 하는 것이다.
- 이 의문은 특히 잠재적 건강 효과들이 혈액을 통하여 유기체로의 혈류 또는 그들의 수송에 있어서 멜라노이딘의 존재에 의존하는 작용들에게 있어 특히 관련적인데, 왜냐하면 멜라노이딘은 정의상 고분자 화합물이며 장의 상피 장막(intestinal epithelial barrier)을 통과하는 능력들은 아직 보고된 바 없기 때문이다.
- 다음 섹션들은 커피 멜라노이딘의 생리작용들, 즉 보고된
┌ 항산화능력 및
├ 기질금속단백질 분해효소(基質金屬蛋白質分解酵素, matrix metalloproteases) 억제 능력,
├ 항균작용 (antimicrobial activity) 및
├ 장 박테리아 개체수(bacterial colon population) 조절 능력, 그리고 뿐만 아니라
├ 항우식 능력(anticariogenic activity),
├ 항염증 능력(소염능력) (anti-inflammatory activity),
├ 혈압강하능력(항고혈압, antihypertensive activity), 및
└ 항글리케이티브 작용(항당화, antiglycative activity)에 관해
지금까지 수행된 연구들을 제시하기 위해 작성되었다.
4.1. Antioxidant activity
- 몇몇 연구들이
커피 멜라노이딘(대부분 후속적 정제 없이 커피 추출액으로부터 분리해낸 HMWM를 가리킴)은
생채내 항산화능력(in vitro antioxidant activity)이 있다고 몇 가지 연구들이 보고한 바 있다 [17,21,29–31]. - 커피 추출액의 HMWM을 2M NaCl에 하룻밤 두었다가(incubation)
거기서 생긴 저분자 화합물들을 관찰한 결과
⇒ 나머지 중합적 물질들(고분자물질, polymeric material)의 경우보다
더 높은 항산화작용을 보였다는 관찰에 근거하여,
⇒ 비록 멜라노이딘이 항산화능력을 가지지만,
HMWM의 전반적인 항산화능력에 대한 중요한 공헌은
클로로겐산류와 같은 멜라노이딘 중추(melanoidin skeleton)에
비공유적으로(non-covalently) 결합된 저분자화합물들에 의해 주어진다는 것이 제시되었다 [29–31]. - 멜라노이딘의 항산화능력은
⇒ HMWM으로부터 gel permeation chromatography에 의하여 분리되어져
2D NMR analysis에 의해 특징분석된,
클로로겐산류를 함유하지 않은 멜라노이딘 플랙션들에서
생채내 항산화능력 (in vitro antioxidant activity)을 관찰함으로써 강화되었다 [17]. - 커피 멜라노이딘의 항산화 작용의 메커니즘은 여전히 명확하게 밝혀져 있지 않다.
그러나, 그것은
⇒ 래디컬 제거 능력(radical scavenging activity) 및
메탈 킬레이팅 능력(metal chelating capacity - 금속이온봉쇄력)에
기초한다고 가정되어 왔다 [29, 30]. - 커피 멜라노이딘의 항산화능력은
안정적인 자유라디컬들(free radicals)에 대한 라디컬 제거 능력의 측정에 의해 평가되어 왔다.
├→ 2,20 -azinobis(3-ethylbenzothiazoline-6- sulfonic acid) radical cation (ABTS’+),
├→ 1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl radical (DPPH’), and
└→ N,N-dymethyl-p-phenylenediamine radical cation (DMPD’+). - 다른 것들 중에는,
지질 과산화(lipid peroxidation)를 방지하는 능력을 테스팅하는 아세이(assays)도
사용된 바 있다 [17, 21, 29-31]. - Borrelli et al. [21]은
⇒ 커피 추출액들로부터 gel filtration chromatography에 의해 분리되어진
⇒ 멜라노이딘들의 ABTS’+와 DMPD’+에 대한 라디컬 제거 능력이 배전도 증가에 따라 감소했지만,
⇒ 리놀렌산 과산화(linoleic acid peroxidation)를 방지하는 능력은
dark-roasted된 샘플에서 더 높았음을 보였다. - 반대로, Delgado-Andrade et al. [30]은
⇒ ABTS’+ assay에 의해 얻어진 결과에 대하여,
인스턴트 커피로부터 ultrafiltration에 의해 얻어진 멜라노이딘들의 항산화능력은
light-roasted 샘플에서 더 낮았음을 보였다. - Coffee brew로부터 분리되어진 멜라노이딘 플랙션들의 대해서는
whole coffee brews의 항산화능력에 대한 로스팅의 효과에 관하여 상이한 결과들도 보고된 바 있었다.
⇒ 예를 들어, Richelle et al. [90]은
커피의 항산화능력이 로스팅과 함께 감소되었음을 보고한 반면
⇒ 다른 연구들에서는 최대의 항산화능력이 medium-roasted coffee의 경우에 관찰되었다 [91, 92].
assays procedures에서의 차이들이 다른 저자들에 의한 상이한 결과들에 기여했을 수도 있다. - 그러나, 상이한 멜라노이딘 모집단들이 상이한 메커니즘들을 통해 항산화능력들을 나타낼 수도 있는데,
앞서 논의된 커피 멜라노이딘 플랙션들의 차이들도 그런 상이한 결과들을 설명하는데 고려되어야 한다. - 멜라노이딘 구조들에 대한 더 나은 지식은 그들의 항산화 특성들에 대한 더 나은 이해에 도움이 될 것이다.
- 사람의 건강에 대한 가능한 시사점들에 관하여,
커피 멜라노이딘의 항산화능력은 산화적 피해에 대한 보호 효과에 관련되어져 왔다. - Ultrafiltration에 의해 분리되어지고
장내 효소의 소화(gastrointestinal enzymatic digestion) 자극에 의해
소화되는 커피 추출액의 HMWM은,
⇒ 세포가 산화적 스트레스(oxidative stress)를 받으면 활동성이 증가하는
항산화 효소들(glutathione peroxidase and glutathione reductase)의 활동성 감소와 같은
산화적 스트레스를 받는 배양된
인간의 헤파토마 HepG2 세포들(cultured human hepatoma HepG2 cells)에
대한 보호 효과를 보였다 [93]. - 또한 stepwise ultrafiltration에 의해 분리되어지고
사람의 대변 박테리아(fecal bacteria)로 24시간 동안 생체내 발효(in vitro fermentation)된
커피 추출액의 고분자량 플랙션들은 항산화능력을 보였고 [94],
⇒ 이는 대장암(colon cancer)의 발전에 연관되는
대장에서의 라디컬 스트레스(radical stress)에 대한
보호에 있어서 커피 멜라노이딘의 가능한 역할을 제시하는 것이다. - 인스턴트 커피로부터의 HMWM도
하이드로과산화물 자유 래디컬(hydroperoxide free radicals)의 형성을 억제할 수 있으며
그리고 터키 육류의 위내 소화(gastric digestion) 시뮬레이션 동안에
2차적 지방산화산물(secondary lipoxidation products)의 형성도 억제할 수 있다 [96]. - 멜라노이딘의 지방산화억제능력은 건강효능에 기여할 수 있는데
그들이 죽상(粥狀) 동맥경화증(atherosclerosis)과 여타 질병들의 발전에 개입되기 때문이다 [97]. - 커피 멜라노이딘에 의한 산화억제(inhibition of lipoxidation)은
쥐 간의 마이크로솜 체계(rat liver microsome system)에서 발생하는 것으로 보고되기도 하였고 [98]
모델 포도당-글리신(glucose–glycine) 멜라노이딘들이 산화적 스트레스를 받은 분리해낸
쥐 간세포(hepatocytes)에서 지방산화로부터의 보호효과를 발휘했다 [99].
4.2. Inhibition of matrix metalloproteases
- Matrix metalloproteases (MMPs) (매트릭스 메탈로프로티아제- 기질 금속단백분해효소)는
종양 성장과 전이(in tumor growth and metastasis)에서 중요한 역할을 하는 것으로 생각되는
endo-peptidases (엔도-펩티다아제)의 부류이다 [100]. - MMP 억제제로서의 커피 멜라노이딘의 잠재적 능력은
⇒ 선정된 사람의 MMPs (MMP-1, MMP-2, and MMP-9)의 인비트로 활성(in vitro activity)을 억제하는
커피 추출액에서 분리해낸 HMWM의 능력에 기초하여 보고된 바 있다 [100].
⇒ 모든 MMPs에 있어서 (and roasting times >10 min),
IC50 values가 0.2에서 1.1 mg mL-1 사이의 범위에 포함되었다. - Green coffee brew로부터의 HMWM은
⇒ 2.5 mg mL-1 까지의 농도에서 어떠한 MMPs에 대해서도 유의한 억제 활성을 보여주지 않았다.
⇒ 또한, 억제적 잠재력은 배전도에 따라 증가했다 [36]. - 인간의 건강에 대한 가능한 효과에 관해서, 커피 멜라노이딘의 억제 능력은
⇒ 대장암에 대한 방어효과(protective effects)를 제공할 수도 있는데,
⇒ MMP-1, MMP-2, MMP-9이 대장암의 전이에 관여하는 것으로 생각되기 때문이다 [101]. - Fogliano and Morales [11]에 의해 추정된 바에 따르면,
⇒ 커피 멜라노이딘 일일 섭취는 보통 소비자와 다량 소비자들의 경우
각각 0.5g에서 2.0g 사이에 이른다.
⇒ 이는 대장은 적어도 최대 2L의 량으로 24시간 동안 그 내용물을 축적한다는 가정[36]에 기초하여
⇒ 대장에서의 커피 멜라노이딘의 농도를 0.25에서 1 mg mL-1로 추정할 수 있게 해준다.
⇒ 이 값들은 (로스트된) 커피 추출액의 HMWM으로 얻어진 IC50 values에 비교할만 한 것이며
⇒ 이는 커피 추출액으로부터 멜라노이딘의 정기적 섭취가
MMP 억제 능력을 가질 수 있고, 결국 대장암에 대한 예방에 개입될 수 있다는 것을 말해준다.
4.3. Antimicrobial activity
- 커피 멜라노이딘 플랙션들(커피 추출액으로부터 ultrafiltration에 의해 분리되어진 HMWM을 가리킴)의
항균 능력(antimicrobial activity)이
⇒ 고-친화도 금속 킬레이팅 화합물(high affinity iron chelating compounds (siderophores))을
만드는 것들을 포함하여
⇒ Gram-positive (Staphylococcus aureus (황색포도상구균) and Bacillus cereus(셀레우스균))와
Gram-negative (Escherichia coli(대장균), Proteus mirabilis,
Pseudomonas aeruginosa(綠膿菌), and Salmonella typhymurium)
박테리아 계열에 대하여 평가되었다 [32, 33].
- antimicrobial activity(항균능력)의 테스트는 [32, 33].
⇒ minimum inhibitory concentration (MIC)로서 이뤄졌는데
⇒ 이 최소억제농도는 어떠한 검출된 세포 성장도 만들어내지 않은
멜라노이딘 플랙션들의 최저 농도로 정의되었다 [32].
⇒ 모든 연구된 계열들의 경우에 있어서 커피 멜라노이딘 플랙션들의 MIC는
2~10 mg mL-1의 범위에 달했다 [32, 33].
⇒ Gram-positive bacteria는
커피 멜라노이딘 플랙션들의 항균능력에 더욱 민감했는데,
Gram-negative bacteria (≥4 mg mL-1)의 경우보다 더 낮은 MIC 값들을 보였다 (2–3 mg mL-1).
⇒ 커피 추출액들은 추출방법에 따라서 2~4 mg mL-1의 추정 멜라노이딘 함유율을 가지므로 [11],
⇒ 모든 커피 추출액들은
이들 Gram-negative bacteria에 대해서, 그리고 가능하게는 일부 Gram-positive 박테리아들에 대해서
쥐에서의 항균활성을 제시한다고 추론될 수 있다. - 한편, (앞서 4.2에서 논의된) moderate and heavy consumers의
대장 내 멜라노이딘 추정 농도 0.25 ~ 1 mg mL-1에 기초하여
⇒ 커피 멜라노이딘의 정기적 섭취(regular intake)는
대장 미생물상(microflora)에 대한 억제 및 조절 효과를 가지지만
미생물 성장을 막지는 않는다고 기대될 수 있다. - 배전도가 다른 인스턴트 커피들을 비교하여,
배전도가 더 높은 커피로부터 나온 HMWM이,
⇒ Geobacillus stearothermophylus에 대해서 측정되었을 때,
더 높은 박테리아 성장 억제 능력(higher inhibitory bacterial growing activity)을
발휘한다는 것이 관찰되었다.
⇒ 모든 인스턴트 커피들의 경우에, 2 M NaCl 속에서 incubation 후에
HMWM으로부터 발생된 비공유적으로 결합된 화합물들이
나머지 HMWM의 경우보다 더 낮은 항균능력(lower antibacterial activity)을 발휘한다는 것이
관찰되었다 [102]. - 다른 연구에서는, 커피 추출액으로부터 sequential ultrafiltration steps에 의해 분리되어진
저분자량 또는 중분자량 화합물들의
Escherichia coli(대장균)에 대한 항균능력(antibacterial activity)이
⇒ 첫 ultrafiltration에서 분리된 HMWM(멜라노이딘으로 칭해지는 것)의 경우보다
더 낮은 항균능력을 발휘한다는 것이 나타났다 [32].
- 비록 카페인, 로스팅 과정에서 형성된 α-dicarbonyl 화합물들과 같은 다른 화합물들이
⇒ Salmonella enterica (살모넬라균)와 Staphylococcus aureus (황색포도상균)와 같은
특정 박테리아 계열들에 대한 항균능력들에 크게 기여한다고 제시되어왔지만,
⇒ 커피 멜라노이딘에 대해 보고된 항균능력은
whole coffee brews의 항균능력을 보여주는 다른 연구들과 비슷하다 [103-106]. - Sugar-amino acid model systems in solution을 사용하여 얻어진
Maillard reaction products도 항균능력을 가지는 것으로 지적되었다 [107-109].
⇒ Bacillus subtilis (고초균), Escherichia coli (대장균), 그리고 Staphylococcus aureus를 가지고
테스트되었을 때,
고분자량 메일라드 반응 산물들이 저분자량 산물들보다 더욱 억제적이었다 [107].
- 커피 멜라노이딘의 항균력(antimicrobial capacity)은
그들의 메탈 킬레이팅 특성들에 기인되어져 왔다 [32, 33]. - 특히, 커피 멜라노이딘의 항균능력(antibacterial activity)의 3가지 다른 메커니즘들이
Rufián-Henares and de la Cueva [33]에 의해 제시되었다 ;
(1) 저 농도에서 멜라노이딘들은
그 배양 매개체(culture medium)로부터 금속 킬레이션(iron chelation)에 의해 매개된
세균발육저지력(bacteriostatic activity)을 발휘할 수 있다.
(2) 철 획득(iron acquisition)을 위해 사이드로포어들(siderophores)을 만들어낼 수 있는
박테리아 계열들에서는, 멜라노이딘들이 siderophore-Fe3+ complex를
킬레이트(chelate)할 수도 있을 것인데,
이는 그런 병원성 세균(pathogenic bacteria)의 병독성(virulence)을 감소시킬 수 있다.
(3) 커피 멜라노이딘은 세균 외막(outer membrane)으로부터
Mg2+ cations (마그네슘 양이온들)을 제거함으로써
세포막의 붕괴를 촉진하고 세포내 분자들의 발산을 가능케 하여,
고농도에서 살균 능력(bactericide activity)을 발휘할 수도 있다. - Gram-negative and Gram-positive bacteria의 구별되는 민감성에 관련된 메커니즘들은
Gram-positive microorganisms에서의 외막의 부재가
그들을 항균 물질들에 더 취약하게 만든다는 가정 이외에는 아직 알려진 것이 없다 [33]. - 이스트 또는 곰팡이에서의 멜라노이딘들의 항균능력에 관해서는 보고된 연구들이 없다.
4.4. Modulation of the bacterial colon population
- 커피 추출액 고분자량 플랙션들 (>100, 50–100, 10–50, and 3–10 kDa)을
사람의 대변 세균(fecal bacteria)으로 생체내 발효시킨 결과,
⇒ 그 용액들의 405 nm에서 흡광의 감소(decrease of the absorbance)가 나타나
⇒ 멜라노이딘들이 사람의 장내 세균(gut bacteria)에 의해 분해되거나 변화된다는 것을 보였다.
⇒ 모든 커피 플랙션들에서, Bacteroides-Prevotella의 증가가 관찰되었는데 [94]
⇒ 이는 선행연구[28]에서 2D NMR에 의해서 특징분석된 에탄올 가용성 고분자량 플랙션들로 관찰된 바와 같았다.
⇒ 이 연구들에서 멜라노이딘들이 아마 다당류와 함께 혼합체에서 존재했기 때문에,
이 효과가 멜라노이딘에만 기인될 수 있는 것인지 여부가 밝혀질 수 없다.
⇒ 그러나, 포도당과 아미노산 또는 단백질의 혼합체로부터 마련된 모델 멜라노이딘은
사람의 장 세균의 성장에 영향을 미치는 것으로 보여졌고,
그들의 세포 수들은 박테리아에 따라서, 그리고 열처리 또는 incubation 시간에 따라서
증가되거나 감소되었다 [110,111]. - 커피 멜라노이딘 플랙션들이 세균의 장내 세포수(population)을 조절하는 능력은
⇒ 인스턴트 커피의 보통 수준의 소비가 대변에서 발견되는
Bacteroides-Prevotella bacteria 수의 증가를 만든다는 것을 보여주는 인간 지원자 연구와 일치적이다 [112].
⇒ 그러나, 이 생체내 연구(in vivo syudy)에서,
주요한 박테리아 증가는 probiotic effects로 알려진 Bifi- dobacterium spp.의 경우에 관찰되었다 [113, 114].
⇒ 이 in vivo 연구에 의해 관찰되어진 커피 소비자들에 의한
박테리아의 장내 개체수(colon population)의 선택적 조절(selective modulation)은
4.3에서 논의된 일일 커피 섭취 추정량과 일관되며,
이는 멀지는 않지만 그들의 MIC 보다는 낮지 않은 농도들로 장에서의 멜라노이딘들을 제공하며
가장 덜 민감한 것의 성장을 촉진한다.
4.5. Anticariogenic activity
- 스트렙토코쿠스 뮤탄스(Streptococcus mutans)는
사람의 蟲齒(dental caries)의 발달에 개입하는 것으로 알려진 박테리아 종이다.
그것의 齲蝕性 잠재력(cariogenic potential)은
齒面에 들러붙어 세균막(biofilm)을 형성하는 능력에 부분적으로 관계된다 [116]. - 커피 멜라노이딘의 잠재적 抗齲蝕 能力은
⇒ 커피 추출액으로부터 분리되어진 HMWM과 그리고
그 HMWM으로부터 도출된 갈색의 멜라노이딘 플랙션들이
스트렙토코쿠스 무탄스의 자당-의존적(S. mutans sucrose-dependent)인
saliva-coated hydroxyapatite beads (타액-도말된 수산화인회석 비즈)로의
부착(adhesion)과 분리(detachment)에 영향을 미치고
microliter plates 상에 세균막 형성(biofilm formation)을 억제하는 능력에 기초하여 보고되었다. - 6mg mL-1의 농도에서 HMWM의 존재는
⇒ 그 비즈에 대한 S. mutans 부착을 91%에서 억제하였고 세균막 생성을 피했다.
⇒ 2시간 incubation 후에 그 비즈로부터의 그 박테리아의 분리는
통제된 경우들(7%)보다 HMWM의 경우에 3배 더 높았다 (23%).
⇒ 이런 결과들과 멜라노이딘 플랙션들로부터 얻어진 것들에 기초하여
커피 멜라노이딘은 항우식 능력을 발휘할 수도 있다고 제시되었다 [117]. - 이 가설은 또한
⇒ S. mutans의 부착 특성들에 대한 커피 추출액의 항부착 효과가
⇒ 천연적으로 발생하는 분자들과 로스팅으로 만들어진 분자들 모두 때문이라는 것을 보여주는
선행 연구에 의해 지지되었다 [118]. - 또한, 커피 추출액 내의 멜라노이딘 추정 농도에 기초하여(2–4 mg mL-1) [11],
커피의 제공은 충치 보호를 촉진한다고 기대되어진다.
4.6. Anti-inflammatory activity
- 몇몇 염증지표들(inflammatory markers)이
⇒ 3개월 동안 고-지방 먹이를 받은 쥐들과
두 번째 달의 시작부터 다른 음료들을 섭취한 쥐들로부터의 간 샘플들에서 측정되었다.
⇒ 디카페인 커피 또는 멜라노이딘(디카페인 커피로부터 분리되어진 HMWM)을 마신 쥐들은
물을 마신 통제 쥐들(control rats)에 비해
tumor necrosis factor a (TNF-a) 및 interferon-g (IFN-g)와 같은
염증성 사이토카인(proinflammatory cytokines)의 농도들이 감소되었고
interleukin-4 (IL-4)와 같은 항염증성 사이토카인들(antiinflammatory cytokines)의 증가를 보였다. - 이 연구에서 얻어진 이 결과들과 다른 결과들은
⇒ 커피 멜라노이딘이 抗炎症 能力, 특히 肝에서의 抗炎症 能力을 발휘할 수 있을 것이라고 제시했다. - 사람의 건강에 대한 가능한 함의들과 관련해서는,
커피 멜라노이딘의 抗炎症 能力이
⇒ 肝 疾患들의 진행, 즉 다시 말해 라디칼 산소 종들(radical oxygen species)과
몇 가지 면역조절인자(immunomodulatory factor)가
肝 損傷(liver injury)에 공헌하는 만성적 염증상태(chronic inflammation state)인
비알콜성 지방간염(nonalcoholic steatohepatitis)의 진행에 대항하는데
중요한 역할을 할 수 있을 것이라는 것이 제시되었다 [119].
⇒ 이 연구와 일치하여, 쥐에서 시행된 다른 연구들도
커피 추출액의 抗炎症 作用(antiinflammatory action)을 제시했다 [120, 121].
4.7. Antihypertensive activity
- 인스턴트 커피들로부터 ultrafiltration에 의해 분리되어진
HMWM의 잠재적 抗高血壓 能力(antihypertensive activity)이
안지오텐신-I 전환효소(angiotensin-I converting enzyme (ACE)(고혈압 촉진효소) 억제 능력을
모니터링 함으로써 in vitro하게 평가되었다 [34]. - ACE (EC 3.4.15.1)는
decapeptide angiotensin I (데카펩티드 안지오텐신 I)의 C-terminal로부터
다이펩티드(dipeptide)의 분리(cleavage)를 촉매하여
강력한 혈관수축제(승압제)인 안지오텐신 II (vasopressor angiotensin II)를 형성하는
순환효소(circulating enzyme)이다. - 그것은 또한 2개의 C-terminal dipeptides의 순차적 제거(sequential removal)에 의해
혈관확장제 브래디키닌(vasodilator bradykinin)을 비활성화한다(inactivates). - ACE는
혈압을 조절하는 레닌-안지오텐신 시스템(renin-angiotensin system)의 핵심 요소이며
ACE inhibitors(억제제)는 고혈압(hypertension) 치료에서 중요하다 [122]. - 인스턴트 커피들에서 분리되어진 HMWM은
⇒ ACE-inhibitory activity (억제능력)을 보였는데
(37–45% of ACE inhibition at a concentration of 2 mg mL-1),
⇒ 이 능력은 멜라노이딘에서 기인하는 것이다.
⇒ 2 M NaCl에 HMWM을 하룻밤 재운 후(incubation) 회복된 고분자량 플랙션은
저분자량 플랙션 보다 훨씬 더 높은 ACE-억제 능력을 보였다 (53-59% vs 12-20%). - 또한, HMWM 프랙션들(멜라노이딘을 함유한)의 ACE-억제능력은
⇒ 배전도에 따라 증가한다는 것이 관찰되었다 [34]. - 이 연구와 일치적으로, 다른 한 연구는
⇒ 커피 추출액에서 분리되어진 HMWM이
in vitro ACE activity를 50% 만큼 억제하는 데는
1.5 mg mL-1 보다 더 높은 농도들이 필요하다는 것을 보였다 [36].
- 멜라노이딘의 항고혈압 능력은
⇒ 몇 가지 glucose-amino acid model system in solution으로부터 얻어진
메일라드 반응 산물들의 항고혈압 능력에 관한 연구에 기초하여 제시된 바도 있다 [108]. - 1일 0.5~2.0g의 커피 멜라노이딘 추정 섭취량 [11]과
그들의 혈액 속에서의 흡수, 유지, 희석에 기초하여,
커피로부터의 멜라노이딘 섭취 량은 ACE 억제에 대한 효과를 가지는데 필요한 농도에 도달하기엔 멀다고
추정될 수 있다. - 멜라노이딘의 잠재적 ACE-inhibitory activity의 작용 메커니즘은 알려져있지 않지만,
Rufian-Henares and Morales에 의해 앞서 설명된 바와 같이 다른 메커니즘들이 제시되어진 바 있다 [34,108]. - ACE는 징크-의존적 효소(a zinc-dependent enzyme)이기 때문에 [122],
멜라노이딘의 억제 능력은 그들의 메탈 킬레이팅(metal chelating) 특성들로부터 올 수 있다. - 한편, 멜라노이딘은
ACE non-competitive inhibitor (ACE 비경합적 억제제)로서 작용할 수 있는데
active-center 이외의 장소에서 그 효소에 결합하여
그 효소를 변형시키고(deform), 그리고 그 基質(substrate)에의 결합을 방해한다 [123].
4.8. Antiglycative activity
- 최종당화산물들 Advanced glycation end products (AGEs)은
당뇨합병증들(diabetes complications)의 중요한 매개자들로 생각된다. - 따라서, 당화반응(glycation reactions)의 억제제들은
예방 및 치료 잠재력들(preventive or therapeutic potential) 때문에 큰 관심을 끌고 있다 [124]. - 커피 멜라노이딘의 잠재적 항당화 능력(antiglycative activity)은
⇒ 소혈청 알부민(bovine serum albumin)과 포도당(glucose)의
생체내 당화(in vitro glyaction)의 50%를 억제할 수 있는
커피 추출액으로부터 분리되어진 HMWM의 능력에 기초하여 보고되었다.
⇒ 당화의 50%(IC50)를 억제할 수 있는 HMWM의 농도는 274 μg mL-1 이었다.
⇒ 그러나, HMWM이 존재하는경우 당화 동안의 아마도리 산물들(Amadori products)의 축적이 관찰되었고,
이는 그 항당화 작용이 그 반응의 아마도리 이후 단계(post-Amadori phase)에서
다른 무엇보다 중요하다(paramount)는 것을 제시하는 것이다.
⇒ HMWM은 저분자량 플랙션((IC50 of 60 μg mL-1)에 비해 더 낮은 항당화능력을 보였다 [35]. - 1일당 0.5~2.0 g의 커피 멜라노이딘 추정섭취량에 기초할 때 [11],
비록 흡수되어 혈액 속에 존재하는 멜라노이딘들의 비율에 의존적이기는 하지만,
혈중 멜라노이딘의 농도는 커피 추출액의 가능한 항당화 능력에
효과적인 유효 분량(effective dose)의 범위에 있다고 추정될 수 있다.
4.9. Other biological activities
- 인스턴트 커피로부터 분리해낸 메탄올-불용적 플랙션들(멜라노이딘으로 귀속되는 것)의
질산(nitrous acid)과 티오시안산염(thiocyanate)과의 반응이
커피 멜라노이딘, 타액, 그리고 위액(gastric juice)의 혼합물을 자극하는 산성 조건들 하에서 연구되었다.
⇒ 얻어진 결과에 기초하여, 커피 멜라노이딘은
위 내강(gastric lumen) 속에서
타액 아질산염(salivary nitrite)과 티오시안산염(thiocyanate)과 반응하여
산화질소 (nitric oxide, NO)를 만들어낼 수도 있을 것이라고 제시되었다.
⇒ 또한, 그 반응 메커니즘은
멜라노이딘의 o-diphenol groups (o-디페놀기들)을 포함한다고도 제시되었다 [125].
⇒ 가능한 생리적 효과들과 관련하여,
위장에서의 NO의 형성은
┌ 미생물 성장의 억제뿐만 아니라
└ 점막의 흐름(mucosal flow), 점막의 형성(mucosal formation)과
위의 운동(gastric mobility)에 대한 조절에 기여할 수도 있을 것이다 [125]. - glucose–glycine mixture (125℃에서 2시간 동안 dry-heated-건열된 것)로부터 마련된
모델 멜라노이딘(>12 kDa)은
사람의 백혈구 배양(lymphocytes cultures)에서 그리 대단하지는 않지만
유의한 유전자 독성효과(genotoxic effects)를 나타냈다 [125]
⇒ 그러나 우리가 알기로는, 사람의 백혈구에서의 커피 멜라노이딘의 유전자독성 효과를 보고하는 연구는 아직 없다.
⇒ 이는 미래 주의를 기울일 만한 측면이다.
5. Conclusions
- 아직 확인되지 않은 몇 가지 의문들이 있으므로, 커피 멜라노이딘의 구조, 그 형성의 메커니즘, 그리고 잠재적 건강효과를 더욱 잘 이해하기 위해 추가적인 연구들이 필요하다.
- 잠재적 건강효과에 관하여, 지금까지 행해져 온 커피 멜라노이딘의 생리적 능력들에 과한 대부분의 연구들은 커피 추출액에서 분리된 고분자량 물질을 후속적인 정제(purification) 없이 전개되었다. 그러나 (그들의 구조적 특징들을 고려할 때) 커피 추출액에 다른 멜라노이딘 군들도 존재한다고 알려져 있다.
- 따라서, 다른 멜라노이딘 군들의 화학 구조와 그들의 생리적 능력들 간의 관계를 이해하는데 추가적인 연구가 필요하다.
- 또한 in vitro 연구들에 기초한 커피 멜라노이딘에 기인된 생리적 능력들이 in vivo 연구들에서도 관찰되는지 여부를 확인하는 것도 중요하다.
- 멜라노이딘과 기타 성분들 때문에 커피 추출액에 의해 제공되는 항산화 능력 이외에도, 지금까지 발표된 연구들은 정기적인 커피 섭취 동안에 소화되는 멜라노이딘의 량이 매트릭스 메탈로프로테아제(matrix metalloproteases)의 억제에 의해
🔹대장암(colon cancer)으로부터 보호를 제공할 것이며,
🔹이는 대장 내에서의 선택적 박테리아 성장(selective bacterial growth)을 촉진하고, 그리고
🔹항염증 효과와 항당화 효과(anti-inflammatory and antiglycative effects)를 발휘할 것이라고 제시하고 있다.
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