기능성 당류의 응용 및 연구 동향
2021-11-02
org.kosen.entty.User@7f6c5b90
정성희(meeess)
1. 차세대 감미료를 향한 움직임
과학의 발전은 삶에 많은 변화를 일으키고 있다. 생활 수준의 향상과 일상의 편리함을 제공해 보다 여유 있는 일상을 만들어 주고 있다. 뿐만 아니라 의료 수준의 발달로 평균 기대 수명이 증가해 이제는 어떻게 건강한 삶을 오래 유지할 것인가에 대한 고민이 생겨나고 있다. 최근 ‘워라밸(Work&Life&Balance의 줄임말)’이라고 하는 신조어까지 생겨났다. 특히 젊은 세대에서 얼마나 자신의 삶을 중요하게 생각하는지를 나타내는 단어이다. 모든 시간과 청춘을 일에만 바치던 이전 세대와는 달리 육체와 정신의 건강, 나 자신의 만족을 위한 삶의 중요성이 젊은 세대를 기점으로 하여 점점 더 높아지고 있는 것이다. 건강한 삶을 위한 움직임은 최근 식품 시장에도 일어나고 있다. 식물성 음식을 판매하는 샐러드 가게가 늘어나고 있고, 육류성 재료를 배제한 비건 베이킹이 유행하고 있으며, 콩으로 만든 파스타가 마트에서 판매되고 있다. 개인에게 주어진 같은 식사 시간에 얼마나 건강하면서 만족스러운 식사를 할 것인가에 대한 관심이 시장에 반영되고 있는 것이다.
모든 음식의 가장 중요한 조미료 중 하나는 당이다. 주변 모든 음식에는 당이 있다. 최근 F&B와 카페 문화의 관심 증가로 제조음료, 제과, 제빵의 수요가 늘어나고 있지만, 이러한 제품에 첨가된 다량의 당에 대한 이슈 또한 함께 떠오르고 있다. 다양한 식품에 첨가되고 있는 설탕, 과당, 액상과당, 꿀, 시럽, 감미료를 첨가당(Added sugar)이라 부른다. 첨가당은 우리의 식생활과는 뗄 수 없는 관계이지만, 대부분 단순당의 형태를 가지는 첨가당은 섭취 시 체내 대사율이 높아 빠르게 혈당을 상승시키며, 과량 섭취 시 비만, 당뇨, 고혈압, 심혈관 질환과 같은 많은 질병을 유발할 수 있다[1]. 이러한 위험성 때문에 설탕이 첨가된 음료의 소비를 줄이고자 설탕이 첨가된 음료에 부담금을 부과하는 ‘설탕세(Sugar tax)’까지 생겨났으며, 실제 다양한 국가에서 이미 시행 중이다. 당은 인체의 주요 에너지원으로, 섭취를 억제해서는 안되지만 많은 음식에 다량 사용됨에 따라 섭취량을 조절할 수 없다는 문제가 있다.
최근 첨가당의 위험성에 대한 대중들의 인식이 높아짐에 따라 단맛은 유지하되 설탕의 부작용은 가지지 않는 다양한 대체 감미료가 연구되고 있으며, 일부는 이미 사용되고 있다. 오래전 출시되어 대중들에게 익숙한 ‘코카콜라 제로’ 외에도, 최근 대체 감미료를 첨가한 다양한 제로 칼로리 음료가 출시되고 있다. 제과업체에서도 당의 함량을 낮춘 저당 또는 무당 스낵의 범위를 넓히고 있으며, 과도하게 당을 사용하는 잼이나 제빵류에서 또한 당의 함량을 줄이거나 대체 감미료를 사용해 맛은 유지하되 성분의 건강함을 지향하는 방향으로 나아가고 있다. 이마트에서는 지난 5월부터 ‘제로 칼로리존’을 별도로 만들기도 하였으며, 자체브랜드의 저당과 무당 제품의 종류를 늘리고 있다. 실제 이마트의 저당과 무당 제품 판매량은 지난해보다 40% 증가하였고, 또 다른 유통 업체인 마켓컬리의 무가당 제품 매출은 올해 62% 증가하였다[2]. 이처럼 당을 줄이고자 하는 노력은 이미 시장으로 확대되고 있으며, 건강한 성분을 가질수록 매출은 더욱 증가하고 있는 추세이다. 이와 같은 당 소비 트렌드에 맞춰 본 보고서에서는 첨가당 대신 현재 널리 이용되고 있는 고부가 가치 기능성 당의 특징과 연구 동향, 현재의 사용 현황을 살펴보고자 한다.
2. 기능성 당류의 개요-기능과 생산방법 및 활용사례
2.1. 알룰로스
알룰로스(Allulose, 또는 사이코스(Psicose))는 과당의 세 번째 탄소가 에피머화된 형태의 단당류로, 설탕의 70%에 달하는 단맛을 가지는 반면 대부분 체내에서 대사되지 않고 배출되어 설탕의 5-10%에 달하는 칼로리인 0.2-0.4 kcal/g을 가진다[3]. 더불어 복부지방 생성 효소의 활성을 억제해 복부 지방을 감소시키고[4], 장내에서 포도당의 흡수를 저해하여 혈당 상승 감소 및 인슐린 감수성 향상으로 비만과 당뇨병 환자를 위한 대체 감미료로써 이용 가능하다[5].
알룰로스는 자연계에 극소량 존재하는 희귀당으로 자연 채취가 어려워 화학적 합성을 이용해 생산되었다[6]. 하지만 화학적 합성 방법은 생산효율이 낮은데 반해 생산 비용은 높아 경제성이 떨어져 산업적으로 적용되기 어려웠다. 1994년 켄 이즈모리가 제안한 이즈모링(Izumoring)을 통해 과당으로부터의 알룰로스를 생산하는 알룰로스 에피머화 효소의 발굴로 최근 과당을 기질로 한 생물학적 전환 방법으로 대량 생산되고 있다[7]. 평균 30%의 전환율을 가지는 알룰로스 에피머화 효소는 다양한 생물의 유래로부터 계속해서 발굴되고 있으며, 효소를 이용한 효소 고정화 시스템 또는 전세포 전환반응 시스템으로 산업적 생산의 효율성을 향상시키기 위한 노력이 계속되고 있다.
CJ제일제당은 2012년 세계최초로 FDA로부터 알룰로스의 GRAS 승인을 받아 상용화를 시작했다. 알룰로스 설탕 및 시럽 제품을 출시하였으며, 알룰로스를 첨가해 칼로리를 줄인 ‘쁘띠첼 워터젤리 제로’ 등 다양한 제품군에 적용하고 있다. 삼양사에서도 뒤를 이어 알룰로스 시럽을 출시하였으며, 롯데칠성음료에서는 지난 1월 알룰로스를 첨가한 ‘칠성사이다 제로’를 출시하여 큰 인기몰이 중이며, 대상, 서울우유 등 많은 식품회사에서 알룰로스를 첨가한 저칼로리 식음료들을 개발해 제품화하고 있다.
2.2. 에리스리톨
에리스리톨(Erythritol)은 4개의 탄소로 이루어진 당 알코올로 설탕의 60-70%에 달하는 단맛을 가지지만, 설탕 칼로리의 5%인 0.2 kcal/g만을 가져 칼로리가 거의 제로에 가깝다[8]. 알룰로스와 같이 섭취한 대부분의 양이 체내 흡수되지 않고 배출되어 혈당을 상승시키지 않고, 당 알코올의 한 종류로써 구강 세균이 사용하지 못해 충치를 유발하지 않는다[9]. 갈변화 반응을 일으키지 않으며, 당 알코올의 특징인 강한 냉각 효과를 나타내어 초콜릿, 껌, 사탕 등의 민트 맛을 내는데 이용되고 있다.
에리스리톨의 생산을 위해 2-부텐-1,4-디올, 타르타르산, 디알데하이드 녹말을 기질로 한 화학적 생산 방법이 개발되었지만, 낮은 생산효율로 인해 산업적 생산까지는 이어지지 못하였다[9]. 2013년부터 다양한 기업체에서 옥수수를 이용한 전기화학적 합성 방법을 통해 에리스리톨을 생산하고 있으며, 생산성이 비교적 높은 것으로 알려져 있다[9]. 자연적으로 몇몇의 효모 유사 균류나 박테리아가 에리스리톨을 삼투물질로써 생산하며, Torula corallina, Candida magnoliae, Ustilaginomycetes와 같은 몇몇 균류에서는 포도당의 40%가 에리스리톨로 전환되는 것으로 알려져 있다[10]. 균류는 포도당을 기질로 하여 오탄당 인산 경로를 통해 에리스로스 4-인산을 생산하고, 두 단계의 효소 반응을 걸쳐 에리스리톨을 생산한다. 최근 Moniliella pollinis, Trichosporonoides megachiliensis, Yarrowia lipolytica와 같은 균류의 에리스리톨 생산 경로를 이용한 생물학적 생산 방법으로 에리스리톨을 대량 생산하는 연구를 진행중이다. Pichia, Zygopichia, Candida, Torulopsis, Trigonopsis, Moniliella tomentosa와 같은 균류는 글리세롤과 리비톨을 부산물로 생산하기 때문에 산업적으로 이용하지 못한다[10].
국내사인 보락, 미국의 카길, 일본의 미쓰비시 화학, 중국의 바오링바오에서 에리스리톨을 산업적으로 생산 중이다[10]. 2018년 무학에서는 기존 제품보다 칼로리를 낮춘 에리스리톨 첨가 소주 ‘좋은데이 1929’를 출시하였으며, 대선에서도 에리스리톨을 첨가한 소주 ‘다이아몬드’를 출시하였다. 수분 보충 음료로써 큰 인기를 몰고 있는 링티의 ‘링티제로’와 제로 칼로리 탄산음료로 마니아층을 보유한 일화의 ‘부르르 제로 사이다’ 또한 에리스리톨을 첨가하여 칼로리를 절감시켰다. 세븐일레븐은 자체상품으로 에리스리톨을 첨가한 저칼로리 아이스크림을 선보이기도 하였으며, 최근 시장이 성장하고 있는 가정 간편식에도 에리스리톨이 저칼로리 감미료로써 이용되고 있다.
2.3. 말티톨
말티톨(Maltitol)은 말토스의 환원된 구조를 가진 당 알코올로, 포도당과 소르비톨이 결합한 이당류이다. 설탕의 75-90%에 달하는 단맛을 가지지만 설탕보다 낮은 2.4 kcal/g의 칼로리를 가진 대체 감미료로, 다른 당 알코올과 같이 낮은 인슐린아믹 지수와 혈당 지수를 나타내며, 충치를 유발하지 않지만 쿨링 효과는 가지지 않는다[11]. 또한 프리바이오틱스로서의 기능을 가지며, 흡습성이 낮아 보관에 용이하고, 과자나 껌의 식감 유지를 위한 코팅제로 이용되고 있다.
말티톨은 자연적으로 맥아나 치커리에 소량 존재하는 것으로 알려져 있다[11]. 상업적으로 옥수수, 밀, 감자와 같은 곡물 전분으로부터 생산된다. 전분의 가수분해로 생산된 말토스 시럽을 환원하여, 최종 50-80%의 함량을 가진 말티톨을 생산한다. 온도나 압력과 같은 말티톨 생산 조건의 변화로 이당류 및 다당류의 함량이 다양화된 말티톨 시럽을 생산할 수 있다.
말티톨은 열을 가했을 때 갈변화 반응을 일으키지 않기 때문에 제빵류나 초콜릿의 제조에 적합하다[11]. 지난 9월 롯데제과는 무설탕 제품을 내놓는 ‘ZERO’ 프로젝트를 진행한다고 밝혔으며, 첫 출시 제품으로 설탕 대신 말티톨을 첨가한 ‘쁘띠몽쉘 제로’를 선보였다. 초콜릿 브랜드로 유명한 고디바 또한 말티톨을 첨가한 무설탕 제품을 생산하고 있으며, 국내에서도 말티톨을 첨가한 다양한 저칼로리 초콜릿과 디저트를 출시하고 있다. 설탕 없는 과자 공장 등 다양한 소상공인 베이커리에서는 설탕 대신 말티톨을 첨가한 제빵류를 선보여 맛과 건강 모두를 지킬 수 있는 베이킹 제품을 선보이고 있다.
2.4. 자일로스
헤미셀룰로스인 자일란의 구성요소 자일로스(Xylose)는 나무를 뜻하는 그리스어 ‘Xylon’에서 유래된 이름처럼 나무에서 가장 먼저 분리되는 당이다. 오탄당 형태의 단당류로 설탕의 70%에 달하는 단맛을 가지지만, 2.4 kcal/g로 설탕보다 낮은 칼로리를 가진다[12]. 섭취 시 체내에서 일부 대사되지만 대부분 배출되어 혈당과 인슐린 수치에 영향을 주지 않아 당뇨병 환자를 위한 감미료로써 이용 가능하다. 또한 설탕분해효소인 수크라제의 저해제로 작용하기 때문에 설탕의 분해로 인한 인슐린 수치 상승을 저해해 설탕과 함께 혼합당으로 이용 시에도 큰 이점을 가진다[12].
자일로스는 거의 모든 식물의 구성물질로 사용되어, 포도당 다음으로 자연계에 풍부하게 존재하는 단당류이다. 식물의 분해로 나오는 바이오매스에 가장 높은 비율로 존재하며, 자일란의 추출 후 분해를 통해 자일로스를 대량생산한다.
국내에서는 CJ제일제당 및 삼양사에서 백설탕과 황설탕으로 자일로스 설탕을 출시하여 각종 요리, 절임류, 음료, 제과, 제빵 등에 사용되고 있다. 2011년 출시된 이후부터 선풍적 인기를 끌고 있으며, 특히 올해는 전년대비 185% 증가한 판매량을 보였다[13]. 국내 인스턴트커피 시장의 선두주자인 동서식품은 인스턴트 커피 브랜드인 맥심에 설탕 대신 자일로스를 첨가하고 있으며, 프렌차이즈 카페 이디야 커피는 최근 자일로스 설탕이 첨가된 인스턴트 커피를 출시하였다. 공차에서도 자일로스를 첨가한 스틱형 밀크티를 판매 중이며, 이외에도 다양한 음료 제조업체나 카페에서 요거트, 과일청, 차, 음료 제조 시 설탕 대신 자일로스를 첨가하거나 설탕 사용의 부담을 줄이고자 일정량의 설탕을 자일로스로 대체해 사용하고 있다.
2.5. 나한과
나한과(Monk fruit 또는 luohan guo)는 Siraitia grosvenorii의 학명을 가지는 과일로, 주로 중국 서부와 태국 북부에 자생한다. 중국에서는 300년 전부터 단맛을 내는 감미료 또는 인후염, 기침, 가래를 치료하는 전통 약제로 나한과를 사용해 왔다[14]. 트리터펜 글루코사이드의 일종인 모그로사이드가 단맛의 주성분을 이루며 당도가 설탕의 250배에 달한다. 칼로리, 지방, 탄수가 없으며 섭취 시 혈당을 상승시키지 않고, 슈퍼옥사이드 생성은 막으며 자유 래디컬을 제거해 항산화 효능도 가진다[14]. 사람의 피부에서 미백과 보습효과를 나타내기 때문에 화장품 산업에도 응용되어 나한과를 함유하는 다양한 특허 제품이 개발되고 있다. 중국에서는 1990년대에 식품 감미료로써 나한과의 사용을 승인하였으며, 현재 FDA의 GRAS 인증 또한 승인되었다.
나한과는 껍질과 씨를 제거한 후 압착해 농축물이나 퓨레로 만들어 사용한다. 나한과의 주요한 단맛 물질인 모그로사이드는 용매 추출을 통해 80% 함량의 모그로사이드 가루로 만들어 사용되고 있다. 모그로사이드는 S. grosvenorii의 MVA 대사 경로를 통해 생산된 스쿠알렌으로부터 전환되며, 스쿠알렌에서 여러 단계에 걸쳐 생산된 모그롤을 전구물질로 하여 다양한 형태의 모그로사이드가 만들어진다. 모그로사이드 생산에 관여하는 많은 유전자 중 특히 스쿠알렌 에폭시다아제, 트리터페노이드 합성효소, 에폭시드 가수분해효소, 시토크롬 P450, UDP-글루코실전달효소가 모그로사이드의 합성에 관여되어 있는 것으로 밝혀졌다[15]. MEP 대사경로를 강력하게 발현하도록 재설계한 대장균을 이용해 스쿠알렌으로부터 모그로사이드 생산 효소의 도입으로 모그로사이드 생산 대장균을 구축한 연구가 최근 진행되었으며, 현재 특허 출원 상태이다[16]. 아직 모그로사이드의 산업적 생산에 대한 연구는 거의 진행되지 않았으며, 모그로사이드의 효능이 각광받음에 따라 곧 활발히 연구가 진행될 것으로 생각된다.
나한과는 현재 Nectresse®, PureLo®, Purefruit®, Fruit-Sweetness®, Monk Fruit in the Raw®의 이름으로 다양한 브랜드에서 판매 중이다. 특히 중국에서는 오랜 시간 약재로 사용함에 따라 인후통, 기침, 가래 완화를 위한 알약, 건강증진 음료의 주요 성분으로 첨가되어 판매되고 있다[14]. 나한과는 알룰로스의 낮은 당도를 보완하기 위해 함께 사용되기도 한다. 무가당 제품을 제조, 판매하는 무화당에서는 설탕 대신 나한과와 알룰로스를 첨가하여 누구나 안심하고 먹을 수 있는 메뉴를 개발하고 있으며, 대상의 청정원에서는 나한과를 첨가한 저칼로리 아이스크림 ‘스윗데이’를 선보였다. 나한과의 한의학적 효능에 따라 나한과를 주재료로 하여 만든 식혜나 차 제품도 생산되고 있다.
3. 기능성 당류의 미래를 위한 방향
인류는 자연으로부터 채취한 1세대 감미료 설탕에서부터 강력한 당도를 가지는 2세대 감미료, 인공 감미료로 발달시켜 왔다. 이제는 1세대와 2세대 감미료의 단점을 보완한, 다음 세대의 감미료를 맞이하려 한다.
차세대 감미료는 맛의 증진 뿐만 아니라 다양한 생물학적 효능 또한 나타내어 맛과 건강 모두를 챙길 수 있는 고기능성 감미료이다. 1세대 감미료인 설탕을 대체하기 위해 다양한 인공 감미료들이 2세대 당으로써 개발되었다. 이들은 설탕의 단맛보다 최소 200배에서 최대 20,000배까지 강한 당도를 가졌으며, 당뇨병 환자를 위한 감미료로써 사용 가능하였다. 하지만 인공감미료 중 하나인 사카린이 암을 유발한다는 문제로 한때 사용이 금지되면서 인공감미료에 호의적이던 대중들의 인식이 돌아서게 되었다. 이러한 일례를 통해 안전하고 대중적인 차세대 감미료의 세대 교체를 위해 명확한 생리학적 기능 규명 얼마나 중요한 지 알 수 있다. 철저한 연구를 통해 안전성이 보장되지 않는다면 대중들의 인식은 인공감미료의 문제에 멈추어 있게 되어 다음 세대의 당 교체는 이루어질 수 없을 것이다. 현재까지의 기능 연구로 당 알코올이나 알룰로스와 같이 대사되지 않는 대체 감미료의 과다 섭취는 복부 팽창, 불편함, 설사 유발 가능성을 가지는 것으로 알려졌다. 또한 나한과는 호박, 수박, 오이 등이 속하는 박과의 일종으로 알러지 유발 가능성을 가진다. 앞으로의 연구를 통해 이와 같은 명확한 부작용의 규명과 각 감미료의 적정 섭취량 제공으로 자신에게 맞는 대체 감미료를 안전하게 섭취할 수 있도록 해야 한다. 명확한 생리학적 규명은 부족한 정보 제공에 따른 정부의 규제도 완화하여 대체 당류의 시장성을 향상시킬 수 있을 것이다.
기능성 당류는 종류에 따라 당도도 다르지만 음식에서의 작용과 맛도 다르다. 특히 제과류나 제빵류 같은 식품에서의 설탕은 단맛 뿐만 아니라 식감이나 형태에도 기여한다. 기능성 당류의 대체 사용으로 단맛은 유지하면서도 질감 또한 유사하게 유지할 수 있도록 적절한 대체 감미료 사용에 대한 연구가 필요할 것으로 생각된다. 또한 기능성 당류는 설탕의 단맛과 같지 않다. 특히 설탕의 단맛에 익숙하다면 몇몇 대체 감미료의 쓴 끝 맛에 거부감을 느낄 수도 있다. 단맛에 예민함을 느끼는 사람들을 위해 각 대체 감미료의 단맛에 대한 연구와 필요하다면 두 가지 이상의 감미료를 조합한 혼합당의 사용도 고려해야 할 것이다.
현재 판매중인 대체 당류는 설탕보다 고가이다. 설탕의 가격이 매우 저렴한 것도 있지만, 아직 대체 당류의 생산 비용이 높은 탓도 있다. 대체 당류를 더욱 저렴하게 대량 생산하기 위해서는 기존 사용 중인 생산 방법의 향상 또는 새로운 생산 전략의 도입이 필요하다. 공정의 효율성 향상, 저렴한 기질의 사용, 부산물 생산 감소, 생산물의 고순도 분리 및 정제 등 다양한 부분에서의 보완이 필요하며, 생물학적 생산 방법을 이용한다면 공정의 효율성 향상을 위해 고온 공정의 사용, 적절한 pH의 적용, 높은 생산성 및 열안정성의 효소 발굴이 필요할 것이다. 생산 공정의 효율성 향상은 곧 생산 비용의 절감과 판매 가격 하락으로 이어져 더 높은 대중성을 만들어 낼 수 있을 것이다. 많은 사람들에게는 아직 감미료는 ‘저렴한 것’으로 인식되고 있기 때문이다.
생물학적 생산 공정에서 식품 생산 공정의 까다로움을 중시해야 한다. 생물학적 생산 공정에 사용하는 생물 유래의 효소 또는 효소를 도입할 생산 균주의 선택은 매우 중요하다. 효소의 유래는 식품 생산에서의 사용을 고려해 안전성 기준에 적합한 것으로 선별해야 한다. 외래 유전자를 도입한 생산 균주는 LMO로 적용되기 때문에 향후 식품 생산에서의 사용 승인이 매우 어려워 이를 고려한 생산 방법의 선택이 필요하다.
새로운 세대를 맞이하기 위한 고역은 따른다. 하지만 2019년 기준 세계 인구의 33.8%에 달하는 비만율과 9.3%에 달하는 당뇨병 환자를 위하여, 나아가 인류의 다음 세대를 위하여 필수적인 일이다. 활발한 대체 감미료의 기능 연구와 산업적 생산의 효율성 향상으로, 대체 감미료 또는 이를 적용한 식품을 우리의 식탁에서 더욱 많이 만날 수 있기를 바란다.
과학의 발전은 삶에 많은 변화를 일으키고 있다. 생활 수준의 향상과 일상의 편리함을 제공해 보다 여유 있는 일상을 만들어 주고 있다. 뿐만 아니라 의료 수준의 발달로 평균 기대 수명이 증가해 이제는 어떻게 건강한 삶을 오래 유지할 것인가에 대한 고민이 생겨나고 있다. 최근 ‘워라밸(Work&Life&Balance의 줄임말)’이라고 하는 신조어까지 생겨났다. 특히 젊은 세대에서 얼마나 자신의 삶을 중요하게 생각하는지를 나타내는 단어이다. 모든 시간과 청춘을 일에만 바치던 이전 세대와는 달리 육체와 정신의 건강, 나 자신의 만족을 위한 삶의 중요성이 젊은 세대를 기점으로 하여 점점 더 높아지고 있는 것이다. 건강한 삶을 위한 움직임은 최근 식품 시장에도 일어나고 있다. 식물성 음식을 판매하는 샐러드 가게가 늘어나고 있고, 육류성 재료를 배제한 비건 베이킹이 유행하고 있으며, 콩으로 만든 파스타가 마트에서 판매되고 있다. 개인에게 주어진 같은 식사 시간에 얼마나 건강하면서 만족스러운 식사를 할 것인가에 대한 관심이 시장에 반영되고 있는 것이다.
모든 음식의 가장 중요한 조미료 중 하나는 당이다. 주변 모든 음식에는 당이 있다. 최근 F&B와 카페 문화의 관심 증가로 제조음료, 제과, 제빵의 수요가 늘어나고 있지만, 이러한 제품에 첨가된 다량의 당에 대한 이슈 또한 함께 떠오르고 있다. 다양한 식품에 첨가되고 있는 설탕, 과당, 액상과당, 꿀, 시럽, 감미료를 첨가당(Added sugar)이라 부른다. 첨가당은 우리의 식생활과는 뗄 수 없는 관계이지만, 대부분 단순당의 형태를 가지는 첨가당은 섭취 시 체내 대사율이 높아 빠르게 혈당을 상승시키며, 과량 섭취 시 비만, 당뇨, 고혈압, 심혈관 질환과 같은 많은 질병을 유발할 수 있다[1]. 이러한 위험성 때문에 설탕이 첨가된 음료의 소비를 줄이고자 설탕이 첨가된 음료에 부담금을 부과하는 ‘설탕세(Sugar tax)’까지 생겨났으며, 실제 다양한 국가에서 이미 시행 중이다. 당은 인체의 주요 에너지원으로, 섭취를 억제해서는 안되지만 많은 음식에 다량 사용됨에 따라 섭취량을 조절할 수 없다는 문제가 있다.
최근 첨가당의 위험성에 대한 대중들의 인식이 높아짐에 따라 단맛은 유지하되 설탕의 부작용은 가지지 않는 다양한 대체 감미료가 연구되고 있으며, 일부는 이미 사용되고 있다. 오래전 출시되어 대중들에게 익숙한 ‘코카콜라 제로’ 외에도, 최근 대체 감미료를 첨가한 다양한 제로 칼로리 음료가 출시되고 있다. 제과업체에서도 당의 함량을 낮춘 저당 또는 무당 스낵의 범위를 넓히고 있으며, 과도하게 당을 사용하는 잼이나 제빵류에서 또한 당의 함량을 줄이거나 대체 감미료를 사용해 맛은 유지하되 성분의 건강함을 지향하는 방향으로 나아가고 있다. 이마트에서는 지난 5월부터 ‘제로 칼로리존’을 별도로 만들기도 하였으며, 자체브랜드의 저당과 무당 제품의 종류를 늘리고 있다. 실제 이마트의 저당과 무당 제품 판매량은 지난해보다 40% 증가하였고, 또 다른 유통 업체인 마켓컬리의 무가당 제품 매출은 올해 62% 증가하였다[2]. 이처럼 당을 줄이고자 하는 노력은 이미 시장으로 확대되고 있으며, 건강한 성분을 가질수록 매출은 더욱 증가하고 있는 추세이다. 이와 같은 당 소비 트렌드에 맞춰 본 보고서에서는 첨가당 대신 현재 널리 이용되고 있는 고부가 가치 기능성 당의 특징과 연구 동향, 현재의 사용 현황을 살펴보고자 한다.
2. 기능성 당류의 개요-기능과 생산방법 및 활용사례
2.1. 알룰로스
알룰로스(Allulose, 또는 사이코스(Psicose))는 과당의 세 번째 탄소가 에피머화된 형태의 단당류로, 설탕의 70%에 달하는 단맛을 가지는 반면 대부분 체내에서 대사되지 않고 배출되어 설탕의 5-10%에 달하는 칼로리인 0.2-0.4 kcal/g을 가진다[3]. 더불어 복부지방 생성 효소의 활성을 억제해 복부 지방을 감소시키고[4], 장내에서 포도당의 흡수를 저해하여 혈당 상승 감소 및 인슐린 감수성 향상으로 비만과 당뇨병 환자를 위한 대체 감미료로써 이용 가능하다[5].
알룰로스는 자연계에 극소량 존재하는 희귀당으로 자연 채취가 어려워 화학적 합성을 이용해 생산되었다[6]. 하지만 화학적 합성 방법은 생산효율이 낮은데 반해 생산 비용은 높아 경제성이 떨어져 산업적으로 적용되기 어려웠다. 1994년 켄 이즈모리가 제안한 이즈모링(Izumoring)을 통해 과당으로부터의 알룰로스를 생산하는 알룰로스 에피머화 효소의 발굴로 최근 과당을 기질로 한 생물학적 전환 방법으로 대량 생산되고 있다[7]. 평균 30%의 전환율을 가지는 알룰로스 에피머화 효소는 다양한 생물의 유래로부터 계속해서 발굴되고 있으며, 효소를 이용한 효소 고정화 시스템 또는 전세포 전환반응 시스템으로 산업적 생산의 효율성을 향상시키기 위한 노력이 계속되고 있다.
CJ제일제당은 2012년 세계최초로 FDA로부터 알룰로스의 GRAS 승인을 받아 상용화를 시작했다. 알룰로스 설탕 및 시럽 제품을 출시하였으며, 알룰로스를 첨가해 칼로리를 줄인 ‘쁘띠첼 워터젤리 제로’ 등 다양한 제품군에 적용하고 있다. 삼양사에서도 뒤를 이어 알룰로스 시럽을 출시하였으며, 롯데칠성음료에서는 지난 1월 알룰로스를 첨가한 ‘칠성사이다 제로’를 출시하여 큰 인기몰이 중이며, 대상, 서울우유 등 많은 식품회사에서 알룰로스를 첨가한 저칼로리 식음료들을 개발해 제품화하고 있다.
2.2. 에리스리톨
에리스리톨(Erythritol)은 4개의 탄소로 이루어진 당 알코올로 설탕의 60-70%에 달하는 단맛을 가지지만, 설탕 칼로리의 5%인 0.2 kcal/g만을 가져 칼로리가 거의 제로에 가깝다[8]. 알룰로스와 같이 섭취한 대부분의 양이 체내 흡수되지 않고 배출되어 혈당을 상승시키지 않고, 당 알코올의 한 종류로써 구강 세균이 사용하지 못해 충치를 유발하지 않는다[9]. 갈변화 반응을 일으키지 않으며, 당 알코올의 특징인 강한 냉각 효과를 나타내어 초콜릿, 껌, 사탕 등의 민트 맛을 내는데 이용되고 있다.
에리스리톨의 생산을 위해 2-부텐-1,4-디올, 타르타르산, 디알데하이드 녹말을 기질로 한 화학적 생산 방법이 개발되었지만, 낮은 생산효율로 인해 산업적 생산까지는 이어지지 못하였다[9]. 2013년부터 다양한 기업체에서 옥수수를 이용한 전기화학적 합성 방법을 통해 에리스리톨을 생산하고 있으며, 생산성이 비교적 높은 것으로 알려져 있다[9]. 자연적으로 몇몇의 효모 유사 균류나 박테리아가 에리스리톨을 삼투물질로써 생산하며, Torula corallina, Candida magnoliae, Ustilaginomycetes와 같은 몇몇 균류에서는 포도당의 40%가 에리스리톨로 전환되는 것으로 알려져 있다[10]. 균류는 포도당을 기질로 하여 오탄당 인산 경로를 통해 에리스로스 4-인산을 생산하고, 두 단계의 효소 반응을 걸쳐 에리스리톨을 생산한다. 최근 Moniliella pollinis, Trichosporonoides megachiliensis, Yarrowia lipolytica와 같은 균류의 에리스리톨 생산 경로를 이용한 생물학적 생산 방법으로 에리스리톨을 대량 생산하는 연구를 진행중이다. Pichia, Zygopichia, Candida, Torulopsis, Trigonopsis, Moniliella tomentosa와 같은 균류는 글리세롤과 리비톨을 부산물로 생산하기 때문에 산업적으로 이용하지 못한다[10].
국내사인 보락, 미국의 카길, 일본의 미쓰비시 화학, 중국의 바오링바오에서 에리스리톨을 산업적으로 생산 중이다[10]. 2018년 무학에서는 기존 제품보다 칼로리를 낮춘 에리스리톨 첨가 소주 ‘좋은데이 1929’를 출시하였으며, 대선에서도 에리스리톨을 첨가한 소주 ‘다이아몬드’를 출시하였다. 수분 보충 음료로써 큰 인기를 몰고 있는 링티의 ‘링티제로’와 제로 칼로리 탄산음료로 마니아층을 보유한 일화의 ‘부르르 제로 사이다’ 또한 에리스리톨을 첨가하여 칼로리를 절감시켰다. 세븐일레븐은 자체상품으로 에리스리톨을 첨가한 저칼로리 아이스크림을 선보이기도 하였으며, 최근 시장이 성장하고 있는 가정 간편식에도 에리스리톨이 저칼로리 감미료로써 이용되고 있다.
2.3. 말티톨
말티톨(Maltitol)은 말토스의 환원된 구조를 가진 당 알코올로, 포도당과 소르비톨이 결합한 이당류이다. 설탕의 75-90%에 달하는 단맛을 가지지만 설탕보다 낮은 2.4 kcal/g의 칼로리를 가진 대체 감미료로, 다른 당 알코올과 같이 낮은 인슐린아믹 지수와 혈당 지수를 나타내며, 충치를 유발하지 않지만 쿨링 효과는 가지지 않는다[11]. 또한 프리바이오틱스로서의 기능을 가지며, 흡습성이 낮아 보관에 용이하고, 과자나 껌의 식감 유지를 위한 코팅제로 이용되고 있다.
말티톨은 자연적으로 맥아나 치커리에 소량 존재하는 것으로 알려져 있다[11]. 상업적으로 옥수수, 밀, 감자와 같은 곡물 전분으로부터 생산된다. 전분의 가수분해로 생산된 말토스 시럽을 환원하여, 최종 50-80%의 함량을 가진 말티톨을 생산한다. 온도나 압력과 같은 말티톨 생산 조건의 변화로 이당류 및 다당류의 함량이 다양화된 말티톨 시럽을 생산할 수 있다.
말티톨은 열을 가했을 때 갈변화 반응을 일으키지 않기 때문에 제빵류나 초콜릿의 제조에 적합하다[11]. 지난 9월 롯데제과는 무설탕 제품을 내놓는 ‘ZERO’ 프로젝트를 진행한다고 밝혔으며, 첫 출시 제품으로 설탕 대신 말티톨을 첨가한 ‘쁘띠몽쉘 제로’를 선보였다. 초콜릿 브랜드로 유명한 고디바 또한 말티톨을 첨가한 무설탕 제품을 생산하고 있으며, 국내에서도 말티톨을 첨가한 다양한 저칼로리 초콜릿과 디저트를 출시하고 있다. 설탕 없는 과자 공장 등 다양한 소상공인 베이커리에서는 설탕 대신 말티톨을 첨가한 제빵류를 선보여 맛과 건강 모두를 지킬 수 있는 베이킹 제품을 선보이고 있다.
2.4. 자일로스
헤미셀룰로스인 자일란의 구성요소 자일로스(Xylose)는 나무를 뜻하는 그리스어 ‘Xylon’에서 유래된 이름처럼 나무에서 가장 먼저 분리되는 당이다. 오탄당 형태의 단당류로 설탕의 70%에 달하는 단맛을 가지지만, 2.4 kcal/g로 설탕보다 낮은 칼로리를 가진다[12]. 섭취 시 체내에서 일부 대사되지만 대부분 배출되어 혈당과 인슐린 수치에 영향을 주지 않아 당뇨병 환자를 위한 감미료로써 이용 가능하다. 또한 설탕분해효소인 수크라제의 저해제로 작용하기 때문에 설탕의 분해로 인한 인슐린 수치 상승을 저해해 설탕과 함께 혼합당으로 이용 시에도 큰 이점을 가진다[12].
자일로스는 거의 모든 식물의 구성물질로 사용되어, 포도당 다음으로 자연계에 풍부하게 존재하는 단당류이다. 식물의 분해로 나오는 바이오매스에 가장 높은 비율로 존재하며, 자일란의 추출 후 분해를 통해 자일로스를 대량생산한다.
국내에서는 CJ제일제당 및 삼양사에서 백설탕과 황설탕으로 자일로스 설탕을 출시하여 각종 요리, 절임류, 음료, 제과, 제빵 등에 사용되고 있다. 2011년 출시된 이후부터 선풍적 인기를 끌고 있으며, 특히 올해는 전년대비 185% 증가한 판매량을 보였다[13]. 국내 인스턴트커피 시장의 선두주자인 동서식품은 인스턴트 커피 브랜드인 맥심에 설탕 대신 자일로스를 첨가하고 있으며, 프렌차이즈 카페 이디야 커피는 최근 자일로스 설탕이 첨가된 인스턴트 커피를 출시하였다. 공차에서도 자일로스를 첨가한 스틱형 밀크티를 판매 중이며, 이외에도 다양한 음료 제조업체나 카페에서 요거트, 과일청, 차, 음료 제조 시 설탕 대신 자일로스를 첨가하거나 설탕 사용의 부담을 줄이고자 일정량의 설탕을 자일로스로 대체해 사용하고 있다.
2.5. 나한과
나한과(Monk fruit 또는 luohan guo)는 Siraitia grosvenorii의 학명을 가지는 과일로, 주로 중국 서부와 태국 북부에 자생한다. 중국에서는 300년 전부터 단맛을 내는 감미료 또는 인후염, 기침, 가래를 치료하는 전통 약제로 나한과를 사용해 왔다[14]. 트리터펜 글루코사이드의 일종인 모그로사이드가 단맛의 주성분을 이루며 당도가 설탕의 250배에 달한다. 칼로리, 지방, 탄수가 없으며 섭취 시 혈당을 상승시키지 않고, 슈퍼옥사이드 생성은 막으며 자유 래디컬을 제거해 항산화 효능도 가진다[14]. 사람의 피부에서 미백과 보습효과를 나타내기 때문에 화장품 산업에도 응용되어 나한과를 함유하는 다양한 특허 제품이 개발되고 있다. 중국에서는 1990년대에 식품 감미료로써 나한과의 사용을 승인하였으며, 현재 FDA의 GRAS 인증 또한 승인되었다.
나한과는 껍질과 씨를 제거한 후 압착해 농축물이나 퓨레로 만들어 사용한다. 나한과의 주요한 단맛 물질인 모그로사이드는 용매 추출을 통해 80% 함량의 모그로사이드 가루로 만들어 사용되고 있다. 모그로사이드는 S. grosvenorii의 MVA 대사 경로를 통해 생산된 스쿠알렌으로부터 전환되며, 스쿠알렌에서 여러 단계에 걸쳐 생산된 모그롤을 전구물질로 하여 다양한 형태의 모그로사이드가 만들어진다. 모그로사이드 생산에 관여하는 많은 유전자 중 특히 스쿠알렌 에폭시다아제, 트리터페노이드 합성효소, 에폭시드 가수분해효소, 시토크롬 P450, UDP-글루코실전달효소가 모그로사이드의 합성에 관여되어 있는 것으로 밝혀졌다[15]. MEP 대사경로를 강력하게 발현하도록 재설계한 대장균을 이용해 스쿠알렌으로부터 모그로사이드 생산 효소의 도입으로 모그로사이드 생산 대장균을 구축한 연구가 최근 진행되었으며, 현재 특허 출원 상태이다[16]. 아직 모그로사이드의 산업적 생산에 대한 연구는 거의 진행되지 않았으며, 모그로사이드의 효능이 각광받음에 따라 곧 활발히 연구가 진행될 것으로 생각된다.
나한과는 현재 Nectresse®, PureLo®, Purefruit®, Fruit-Sweetness®, Monk Fruit in the Raw®의 이름으로 다양한 브랜드에서 판매 중이다. 특히 중국에서는 오랜 시간 약재로 사용함에 따라 인후통, 기침, 가래 완화를 위한 알약, 건강증진 음료의 주요 성분으로 첨가되어 판매되고 있다[14]. 나한과는 알룰로스의 낮은 당도를 보완하기 위해 함께 사용되기도 한다. 무가당 제품을 제조, 판매하는 무화당에서는 설탕 대신 나한과와 알룰로스를 첨가하여 누구나 안심하고 먹을 수 있는 메뉴를 개발하고 있으며, 대상의 청정원에서는 나한과를 첨가한 저칼로리 아이스크림 ‘스윗데이’를 선보였다. 나한과의 한의학적 효능에 따라 나한과를 주재료로 하여 만든 식혜나 차 제품도 생산되고 있다.
3. 기능성 당류의 미래를 위한 방향
인류는 자연으로부터 채취한 1세대 감미료 설탕에서부터 강력한 당도를 가지는 2세대 감미료, 인공 감미료로 발달시켜 왔다. 이제는 1세대와 2세대 감미료의 단점을 보완한, 다음 세대의 감미료를 맞이하려 한다.
차세대 감미료는 맛의 증진 뿐만 아니라 다양한 생물학적 효능 또한 나타내어 맛과 건강 모두를 챙길 수 있는 고기능성 감미료이다. 1세대 감미료인 설탕을 대체하기 위해 다양한 인공 감미료들이 2세대 당으로써 개발되었다. 이들은 설탕의 단맛보다 최소 200배에서 최대 20,000배까지 강한 당도를 가졌으며, 당뇨병 환자를 위한 감미료로써 사용 가능하였다. 하지만 인공감미료 중 하나인 사카린이 암을 유발한다는 문제로 한때 사용이 금지되면서 인공감미료에 호의적이던 대중들의 인식이 돌아서게 되었다. 이러한 일례를 통해 안전하고 대중적인 차세대 감미료의 세대 교체를 위해 명확한 생리학적 기능 규명 얼마나 중요한 지 알 수 있다. 철저한 연구를 통해 안전성이 보장되지 않는다면 대중들의 인식은 인공감미료의 문제에 멈추어 있게 되어 다음 세대의 당 교체는 이루어질 수 없을 것이다. 현재까지의 기능 연구로 당 알코올이나 알룰로스와 같이 대사되지 않는 대체 감미료의 과다 섭취는 복부 팽창, 불편함, 설사 유발 가능성을 가지는 것으로 알려졌다. 또한 나한과는 호박, 수박, 오이 등이 속하는 박과의 일종으로 알러지 유발 가능성을 가진다. 앞으로의 연구를 통해 이와 같은 명확한 부작용의 규명과 각 감미료의 적정 섭취량 제공으로 자신에게 맞는 대체 감미료를 안전하게 섭취할 수 있도록 해야 한다. 명확한 생리학적 규명은 부족한 정보 제공에 따른 정부의 규제도 완화하여 대체 당류의 시장성을 향상시킬 수 있을 것이다.
기능성 당류는 종류에 따라 당도도 다르지만 음식에서의 작용과 맛도 다르다. 특히 제과류나 제빵류 같은 식품에서의 설탕은 단맛 뿐만 아니라 식감이나 형태에도 기여한다. 기능성 당류의 대체 사용으로 단맛은 유지하면서도 질감 또한 유사하게 유지할 수 있도록 적절한 대체 감미료 사용에 대한 연구가 필요할 것으로 생각된다. 또한 기능성 당류는 설탕의 단맛과 같지 않다. 특히 설탕의 단맛에 익숙하다면 몇몇 대체 감미료의 쓴 끝 맛에 거부감을 느낄 수도 있다. 단맛에 예민함을 느끼는 사람들을 위해 각 대체 감미료의 단맛에 대한 연구와 필요하다면 두 가지 이상의 감미료를 조합한 혼합당의 사용도 고려해야 할 것이다.
현재 판매중인 대체 당류는 설탕보다 고가이다. 설탕의 가격이 매우 저렴한 것도 있지만, 아직 대체 당류의 생산 비용이 높은 탓도 있다. 대체 당류를 더욱 저렴하게 대량 생산하기 위해서는 기존 사용 중인 생산 방법의 향상 또는 새로운 생산 전략의 도입이 필요하다. 공정의 효율성 향상, 저렴한 기질의 사용, 부산물 생산 감소, 생산물의 고순도 분리 및 정제 등 다양한 부분에서의 보완이 필요하며, 생물학적 생산 방법을 이용한다면 공정의 효율성 향상을 위해 고온 공정의 사용, 적절한 pH의 적용, 높은 생산성 및 열안정성의 효소 발굴이 필요할 것이다. 생산 공정의 효율성 향상은 곧 생산 비용의 절감과 판매 가격 하락으로 이어져 더 높은 대중성을 만들어 낼 수 있을 것이다. 많은 사람들에게는 아직 감미료는 ‘저렴한 것’으로 인식되고 있기 때문이다.
생물학적 생산 공정에서 식품 생산 공정의 까다로움을 중시해야 한다. 생물학적 생산 공정에 사용하는 생물 유래의 효소 또는 효소를 도입할 생산 균주의 선택은 매우 중요하다. 효소의 유래는 식품 생산에서의 사용을 고려해 안전성 기준에 적합한 것으로 선별해야 한다. 외래 유전자를 도입한 생산 균주는 LMO로 적용되기 때문에 향후 식품 생산에서의 사용 승인이 매우 어려워 이를 고려한 생산 방법의 선택이 필요하다.
새로운 세대를 맞이하기 위한 고역은 따른다. 하지만 2019년 기준 세계 인구의 33.8%에 달하는 비만율과 9.3%에 달하는 당뇨병 환자를 위하여, 나아가 인류의 다음 세대를 위하여 필수적인 일이다. 활발한 대체 감미료의 기능 연구와 산업적 생산의 효율성 향상으로, 대체 감미료 또는 이를 적용한 식품을 우리의 식탁에서 더욱 많이 만날 수 있기를 바란다.