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인간 건강에 있어서 비타민 C의 다각적인 역할은 항산화 활성, 항상성 유지, 아미노산 합성, 콜라겐 합성, 골형성, 신경 전달 물질 생성 및 아직 탐구되지 않은 여러 기능을 포함하되 이에 국한되지 않는 여러 생화학적 기능을 침해합니다. 타고난 생합성 경로가 없는 경우, 인간은 최적의 혈청 수준(28 μmol/L)을 유지하기 위해 음식을 통해 비타민 C를 섭취해야 합니다. 그러나 자연적으로 발생하는 상당량의 비타민 C는 인간의 위장관에 도달하기 전에 식품 가공, 저장 및 유통으로 인해 악화되어 질병 퇴치 활동을 제한하거나 완화할 수 있습니다. 문헌에서는 지리적, 경제적, 인구적 변화에 관계없이 전 세계적으로 비타민 C 결핍이 증가하고 있음을 인정합니다. 주로 식단 다양화, 생물 강화, 보충 및 식품 강화 등 비타민 C 결핍을 해결하기 위해 여러 가지 도구가 테스트되었습니다. 이러한 전략은 고유한 장점과 한계를 물려받았습니다. 다행히 나노기술은 환경적 요인에 대해 민감한 화합물을 캡슐화, 보호 및 전달하는 일련의 전달 시스템을 약속합니다. 비타민 C 캡슐화 및 강화를 위한 전달 시스템의 적합성에 대한 명확한 이해가 부족합니다. 결핍의 확산이 증가함에 따라 균일한 분포, 향상된 안정성 및 향상된 생체 이용률을 보장하는 비타민 C 강화 식품을 개발하고 설계하는 것이 시간이 필요합니다. 이 기사는 인간 건강에 있어서 비타민 C의 중요성, 일일 권장 섭취량, 식이 공급원, 비타민 C의 안정성과 분해에 기여하는 요소를 검토하기 위한 것입니다. 또한 비타민 C 결핍을 해결하기 위해 채택된 전략, 비타민 C 캡슐화 및 강화를 위해 채택된 전달 시스템을 검토하는 데 중점을 둡니다.
1. 소개
비타민 C(아스코르브산)는 항산화 활성 및 기타 생물학적 활성에 대해 잘 기록되어 있습니다( 1 ). 인간은 이 필수 영양소를 합성할 수 없으므로 식단을 통해 섭취해야 합니다( 2 , 3 ). 비타민 C 결핍은 인간의 여러 질병( 4 , 5 ), 특히 괴혈병 과 관련이 있으며 , 이는 콜라겐 합성, 아미노산 합성, 혈압 조절, 죽종형성, 항상성 유지, 신경 전달 물질을 포함한 수많은 생화학적 기능의 핵심 역할과 관련이 있습니다. 생산 및 골형성( 5 – 7 ). 비타민으로서의 역할 외에도 아스코르브산은 항암 효과를 포함한 다양한 기능성 식품 기능을 나타내는 것으로 나타났습니다. 지난 수십 년 동안 비타민 C에 관한 출판물의 수가 증가해 왔으며 그 중 다수는 식품 강화에 중점을 두고 있습니다.그림 1). 세계보건기구(WHO)는 식품 강화가 영양 결핍을 해결하는 가장 효과적이고 안전하며 경제적인 방법 중 하나라고 말합니다( 8 ). 그러나 기능성 식품 및 음료에 비타민 C를 포함시키는 것은 화학적 불안정성과 낮은 생체 이용률로 인해 종종 어려운 일입니다( 9 – 12 ).
결과적으로, 많은 연구자들은 이러한 과제를 극복하기 위한 전략 개발에 중점을 두었습니다( 13 – 17 ). 이 검토는 비타민 C의 물리화학적 특성, 생합성, 식품 공급원, 권장 식이 허용량 및 이용 가능한 비타민 C 강화 전략에 대해 논의하는 것으로 시작됩니다. 그런 다음 식품 강화와 관련된 문제와 캡슐화, 보호, 비타민 C의 보호에 있어서 콜로이드 전달 시스템의 중요한 역할에 대해 논의합니다. 비타민 C 전달이 강조됩니다. 이 기사에 제시된 지식은 이 중요한 미량 영양소로 식품과 음료를 강화하기 위한 보다 효과적인 전략의 개발을 촉진할 수 있습니다.
1.1. 역사
비타민 C 결핍과 괴혈병 사이의 연관성은 Ebers Papyrus가 괴혈병의 특징을 정의한 기원전 1700년으로 거슬러 올라갑니다. 또한 그리스의 히포크라테스(기원전 460년), 인도의 수스루트레인(기원전 400년), 중국의 창치(서기 200년)를 포함한 몇몇 고대 학자들의 저서에는 식량 결핍의 역할에 대한 증거가 있습니다. 16세기부터 18세기까지 식이 결핍이 선원들에게 질병을 유발한다는 이해가 커졌습니다( 18 ). 결국 이는 1753년 제임스 린드(James Lind)가 괴혈병 예방에 레몬, 오렌지, 신선한 녹색 채소의 중요성을 강조한 "괴혈병에 관한 논문"이라는 주제에 대한 최초의 과학 출판물로 이어졌습니다( 19 ). 거의 2세기 후, Albert Szent-Gyorgyi는 Biochemical Journal에 "과산화효소 시스템의 기능과 부신 피질의 화학에 대한 관찰"이라는 제목으로 비타민 C("설탕 같은 결정") 추출에 대한 관찰 내용을 발표했습니다. : 새로운 탄수화물 유도체에 대한 설명” ( 20 ). 나중에 WM Haworth는 이러한 설탕과 같은 결정의 구조를 밝히고 이를 헥수론산이라고 명명했습니다. 그런 다음 King과 Waugh( 21 )는 레몬 주스에서 이러한 설탕과 같은 결정을 추출하고 이를 아스코르브산이라고 명명했습니다. 이는 그들의 기사 "비타민 C의 화학적 성질"( 21 )에 설명되어 있습니다. Albert Szent-Gyorgyi는 결국 비타민 C에 대한 연구로 노벨 생리의학상을 받았습니다. ( 22 )
1.2. 분자 및 물리화학적 특성
비타민C는 에네디올 구조를 가진 저분자량 탄수화물입니다.그림 2), 이는 천연 전자 기증자가 됩니다. 또한 에네디올 구조는 pH, 온도, 습도, 염분 및 방사선과 같은 환경 조건의 변화에 노출될 때 화학적 분해에 취약합니다( 23 ). 서로 다른 물리화학적 특성을 지닌 여러 가지 비타민 C 유사체도 합성되었습니다(그림 2). 연구자들은 수용성과 비타민 C 혈청 수치를 높이는 능력에 따라 이러한 비타민 C 유사체를 분류했습니다. 물리화학적 특성에 따라 이러한 유사체는 다음과 같이 분류될 수 있습니다.
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친수성 아스코르브산: 이 그룹에는 l- 아스코르브산 2-글루코시드, 마그네슘 l- 아스코르브산 6-인산 및 l- 아스코르브산 6-인산이 포함됩니다.
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소수성 아스코르브산: 이 그룹에는 테트라-이소팔미토일 아스코르브산과 l- 아스코르빌 6-팔미테이트가 포함됩니다( 10 ).
비타민 C의 혈청 수준을 높이는 능력에 따라 효능에 따라 두 그룹으로 분류될 수도 있습니다( 10 ).
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강력한 효능 : 이 그룹에는 l- 아스코르베이트 2-포스페이트, 6-브로모-6-데옥시 -l- 아스코르브산, l- 아스코르베이트 2-트리포스페이트 및 아스코르브산 2- O -α-글루코시드가 포함됩니다.
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약한 효능 : 이 그룹에는 l- 아스코르베이트 -O- 메틸 에테르, l- 아스코르빌-2-설페이트 및 l- 아스코르빌 팔미테이트가 포함됩니다.
1.3. 생합성
일부 동물 종과 녹색 식물은 타고난 글루쿠론산 생화학적 경로를 통해 자연적으로 비타민 C를 합성할 수 있습니다( 24 ). 그러나 진화 과정에서 인간은 아스코르브산 생합성 경로 내에서 주요 효소( 1 -gulono-1,4 락톤 산화효소) 를 잃은 것으로 보입니다 ( 25 – 27 ). 결과적으로, 그들은 식단을 통해 이 비타민을 섭취해야 합니다.
식이 비타민 C는 일반적으로 아스코르브산(환원형)과 데히드로아스코르빈산(산화형)의 두 가지 형태로 존재합니다. 처음에 연구자들은 비타민 C가 친수성이 높기 때문에 수동 확산을 통해서만 인체에 흡수된다고 추측했습니다. 그러나 나중에 연구자들은 아스코르브산의 흡수를 담당하는 나트륨 의존성 비타민 C 수송체를 확인했습니다 . ( 28 ) 다른 연구자들은 디하이드로아스코르빈산의 흡수가 주로 포도당 운반체 이소형 GLUT1 및 GLUT3을 통해 이루어졌다는 것을 발견했습니다( 29 ).
연구자들은 또한 식이 공급원의 비타민 C 수준에 따라 흡수 모드의 변화를 관찰했습니다. 예를 들어, 더 높은 농도에서는 비타민 C의 흡수가 주로 수동 확산에 의해 발생하는 반면, 낮은 농도에서는 주로 운반체 매개 능동 수송을 따릅니다( 30 ). 그러나 이러한 전환이 발생하는 정확한 임계값은 여전히 조사 대상입니다. 인간 위장관(GIT) 내에서 비타민 C의 흡수 효율은 용량 의존적입니다. 즉, 낮은 비타민 C 용량(<180mg/일)에서는 최대 80~90%까지 보고되었지만 고용량에서는 최대 80~90%인 것으로 보고되었습니다. 상당히 낮은 것으로 보고되었습니다( 30 ).
2. 식이요법
비타민 C 생합성 경로가 없기 때문에 인간은 최적의 비타민 C 혈청 수준을 유지하기 위해 식이 공급원에 의존합니다. 과일과 채소는 인간의 식단에서 비타민 C의 주요 공급원(약 90%)이며, 나머지는 동물성 공급원입니다( 4 ). 여러 연구에서 다양한 식품 유형의 비타민 C 함량이 보고되었습니다(그림 3) 우유( 31 , 32 ), 사과( 33 ), 바나나( 34 ), 체리( 35 ), 포도( 36 ), 구아바( 37 ), 레몬( 38 ), 멜론( 39 ), 오렌지( 35 ), 복숭아 포함 ( 40 ), 라즈베리( 41 ), 로즈힙( 42 ), 딸기( 43 ), 귤( 44 ), 아스파라거스( 45 ), 브로콜리( 46 ), 양배추( 47 ), 당근( 48 ), 셀러리( 49 ), 콜라드 ( 50 ), 케일 ( 45 ), 양파 ( 51 ), 고추 ( 45 ). 비타민C는 캡슐이나 정제 등 건강보조식품 형태로 섭취할 수도 있습니다.
3. 식품의 안정성
비타민 C는 가공, 보관 및 유통 중에 식품에서 상당한 분해를 겪을 수 있는 화학적 활성 분자입니다. ( 12 ) 이러한 분해는 주로 락톤 고리의 가수분해 개방으로 인해 발생하며 생물학적으로 불활성인 화합물인 2,3-데케토글루콘산( 12 ) 이 형성됩니다 . 이러한 분해 반응은 비타민 C가 산소, 전이 금속, 열 및 알칼리성 조건에 노출될 때 가속화됩니다(1 번 테이블). 예를 들어, 감자, 양배추, 사과를 보관하는 동안 상당한 비율의 비타민 C가 손실되는 것으로 보고되었습니다( 64 ). 손실 정도는 식품 매트릭스 유형과 환경 조건(스트레스)에 따라 다릅니다. 예를 들어, 감자를 끓이면 비타민 C 함량이 40% 손실되는 것으로 보고되었습니다( 2 ). 조리 방법 중 증기는 비타민 C에 가장 해로운 방법인 것 같습니다. 이와 대조적으로 일부 식품 가공 작업에서는 비타민 C의 산화를 촉진할 수 있는 효소(산화효소 등)를 비활성화하여 비타민 C를 안정화합니다( 2 ).
4. 비타민 C의 생체 이용률
비타민의 생물학적 효능은 소비되는 양보다는 신체가 흡수하고 활용하는 양에 따라 달라집니다. 활성 상태로 흡수된 비타민의 비율을 생체 이용률이라고 합니다( 2 ). 비타민 C의 생체 이용률은 섭취량, 식품 매트릭스의 구성 및 구조, 가공, 보관, 유통 과정에서 경험하는 환경 조건, 위장관 통과 등 다양한 요인에 따라 달라집니다.그림 4그리고표 2). 식품 내 비타민 C의 생체 이용률은 복용량이 필수 영양 범위(15~200mg) 내에 있을 때 정제된 형태의 생체 이용률과 동등한 것으로 종종 간주됩니다( 2 ). 그러나 더 많은 양(예: >1000mg)을 섭취하면 50% 이상 감소하는 경향이 있습니다( 2 ). 식품이나 위장관에서 아스코르브산이 디하이드로아스코르빈산으로 전환되면 비타민 C의 생체 활성도 감소할 수 있습니다. 아스코르베이트 2-황산염을 포함하여 비타민 C의 화학적 안정성과 생체 이용률을 향상시키기 위해 다양한 화학적으로 합성된 아스코르브산 유사체가 개발되었습니다. 아스코르베이트 2-모노포스페이트 및 아스코르베이트 2-트리포스페이트( 2 ).
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5. 비타민C 결핍
5.1. 비타민 C 결핍 지표
개인 또는 집단의 비타민 C 상태는 식이 기반 평가 또는 분석 측정을 통해 확립될 수 있습니다. 다이어트 기반 평가는 음식 소비 패턴 및 빈도 분석에 의존합니다. 이 접근 방식에서 피험자는 일반적으로 일일 음식 소비와 관련된 설문지를 작성한 다음 음식 데이터베이스에서 비타민 C 섭취량을 계산할 수 있습니다. 분석 방법은 개인의 혈청 내 비타민 C 수준 측정에 의존하며, 이는 액체 크로마토그래피 및 질량 분석법을 포함한 다양한 분석 방법을 사용하여 달성할 수 있습니다. 혈장/혈청 비타민 C 수치는 비타민 C 상태에 대한 바이오마커로 인식됩니다: <11 μmol/L(부족), ≥11-28 μmol/L(차선), >28 μmol/L(충분)( 4 ).
5.2. 전 세계적으로 비타민 C 결핍
지난 세기 동안 인간의 식단이 개선되었음에도 불구하고 전 세계 일부 인구 집단에서는 여전히 비타민 C 결핍 수준이 높습니다(그림 5) ( 73 – 76 ). 예를 들어, EPIC-Norfolk 조사에서는 상대적으로 큰 표본 크기(참가자 22,400명)를 대상으로 비타민 C 평가를 실시했으며 여성보다 남성에서 비타민 C 결핍이 더 높은 것으로 나타났습니다( 77 , 78 ). 남성과 여성 사이의 비타민 결핍 상태의 차이는 주로 생활 방식(흡연), 비타민 C 보충제 섭취 부족에 의해 결정됩니다. 연구자들은 또한 다양한 인구 집단에 대한 비타민 C 상태의 상당한 차이를 보고했습니다. 예를 들어 스코틀랜드 인구(20%)보다 전체 영국 인구(14%)의 비타민 C 결핍 수준이 더 낮습니다( 79 , 80 ). 유럽과 미국 인구의 비타민 C 상태도 크게 다릅니다( 80 ). 비타민 C 결핍의 유병률은 일부 다른 국가에서 더 두드러집니다. 예를 들어, 에콰도르 퀸토의 여성 인구에서 이 질병의 유병률은 최대 60%로 널리 퍼져 있으며 다른 남미 및 아프리카 인구에서도 유사한 관찰이 이루어졌습니다( 81 – 89 ). 아시아에서는 비타민 C 상태도 국가 간 및 국가 내에서 상당히 다양했습니다. 예를 들어, 중국 인구에 비해 인도 인구에서는 비타민 C 상태가 낮은 것으로 기록되었으며, 이러한 차이는 여성 인구( 90 ~ 92 )에서 더 두드러졌습니다. 인구 집단 간 비타민 C 상태의 이러한 불일치는 주로 이용 가능하고 일반적으로 소비되는 식품 유형의 차이에 기인합니다( 4 ).
5.3. 비타민 C 결핍과 관련된 건강 문제
지리적, 인구통계학적, 식이요법, 사회경제적 환경 및 건강 요인을 포함한 다양한 요인이 비타민 C 요구량과 개인의 상태에 영향을 미칩니다. ( 4 , 93 ) (표 3). 인간 건강에 있어 많은 역할을 하기 때문에; 최적이 아닌 비타민 C 수준은 산화 스트레스, 주요 생화학적 경로의 오작동, 괴혈병과 같은 질병을 유발할 수 있는 주요 생물학적 구성 요소의 합성 억제 등 다양한 바람직하지 않은 건강 영향을 초래합니다. 더욱이, 연구에서는 심장 대사 장애, 당뇨병 및 암 예방에 비타민 C의 중요한 역할이 강조되었습니다. ( 144 , 145 ) 비타민 C는 또한 호르몬 조절, 신경 전달 물질 생산, 면역 기능, 결합 조직 발달 및 기타 여러 중요한 생물학적 기능에 중요한 역할을 합니다( 2 , 6 , 146 , 147 ).
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5.4. 권장 식단 수당
비타민 C의 일일 요구량은 개인의 성별, 연령, 건강 상태 및 생활 방식에 따라 다소 다릅니다(표 4). 그러나 의학 연구소에서는 권장 식이 허용량(RDA)으로 75mg/일(여성) 및 90mg/일(성인 남성)을 권장합니다( 146 , 148 – 152 ). RDA는 건강을 유지하기 위해 매일 섭취해야 하는 비타민 C의 양입니다. [식이 참고 섭취량: 티아민 R 및 콜린( 153 ); IOM 및 FNB( 128 , 154 )]. 의학 연구소(Institute of Medicine)에서는 일반 인구의 습관적 흡연자에게 추가로 비타민 C 35mg을 섭취할 것을 권장합니다( 2 , 155 ).
5.5. 비타민 C 섭취량과 현재 공급량
식품 소비 패턴은 지리, 인구통계, 사회경제적 지위, 식이 선호도에 따라 다릅니다. 연구자들은 식단에서 비타민 C의 상당 부분이 과일 주스, 야채, 전체 과일 및 말린 과일에서 나온다고 보고했습니다.그림 6) 그리고 비타민 C 소비는 1999년에서 2018년 사이에 감소했습니다( 148 ). 많은 인구 집단에서 현재 비타민 C 공급량은 RDA를 충족하기에 충분하지만 일부 인구 집단에서는 그렇지 않습니다. 결과적으로, 이들 집단의 잠재적인 비타민 C 결핍을 해결하기 위한 전략을 개발해야 합니다.
6. 비타민 C 결핍을 해결하기 위해 채택된 전략
일반적으로 비타민 결핍을 해결하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. (i) 식이 요법; (ii) 생물강화; (iii) 식품 강화; (iv) 식이보충제( 15 – 17 ). 이 섹션에서는 이러한 접근법 중 몇 가지를 비타민 C와 관련하여 논의합니다.
6.1. 다이어트
다이어트 기반 접근 방식에는 레몬, 오렌지, 키위, 기타 과일 및 야채와 같은 비타민 C가 풍부한 식품을 식단에 추가하는 것이 포함됩니다. ( 156 – 158 ) 그러나 이 전략은 이러한 품목의 경제성과 가용성뿐만 아니라 대상 인구의 일반적인 식습관 패턴에 따라 달라집니다( 10 , 15 , 17 ). 생체 이용률이 높은 비타민 C가 풍부한 식품을 포함시키는 것이 이 접근법의 성공에 매우 중요합니다( 10 ). 비타민 C 결핍과 관련된 건강 문제와 저렴한 비타민 C가 풍부한 식품의 공급원에 대해 대상 인구를 교육하는 것도 중요합니다.
6.2. 완보
식이 보충제는 또한 사람들이 건강 문제를 예방하기 위해 식단에 충분한 수준의 비타민과 미네랄을 섭취하도록 하는 성공적인 수단입니다. ( 159 , 160 ) 보충제는 일반적으로 비타민 C를 단독으로 함유하거나 다른 영양소와 함께 함유한 캡슐, 정제 또는 분말 형태로 제공됩니다. ( 161 ) 이러한 제제는 사람들이 RDA를 충족하는 데 도움이 되는 비타민 C 또는 유사체 수준을 포함하도록 설계되었습니다. 보관 중과 섭취 후에도 비타민이 안정적으로 유지되도록 주의 깊게 제조해야 합니다. 보충의 주요 한계는 많은 사람들에게 저렴하지 않거나 바람직하지 않다는 것입니다.
6.3. 생물강화
생물 강화 접근법은 선택적 육종, 작물 관리 및/또는 유전 공학 접근법을 사용하여 농업 주요 작물의 미량 영양소 수준을 높이는 데 의존합니다. 연구자들은 이미 딸기, 토마토, 감자를 포함한 다양한 종류의 과일과 채소의 비타민 C 수치를 높이기 위해 이러한 접근법을 사용해 왔습니다.표 5). 예를 들어, 연구자들은 형질전환 토마토에서 GDP-1-갈락토스 포스포릴라제(GGPor VTC2) 유전자를 과발현하여 비타민 C 함량을 3~6배 강화했습니다( 163 ). 마찬가지로 옥수수에 유전자를 삽입하여 비타민 C 함량을 상당히 높였습니다( 165 ). 또 다른 연구에서는 딸기에서 GDP-1-갈락토스 포스포릴라제 유전자의 과발현이 2배 증가하여 비타민 C 수준이 증가했다고 보고했습니다. ( 163 )
6.4. 식품 강화
식품 강화는 특정 인구의 영양 요구 사항을 충족하는 효과적이고 안전하며 저렴한 접근 방식입니다. ( 170 ) 비타민 강화의 효능은 기존 식품 공급 네트워크에 통합될 수 있을 때 향상됩니다( 15 , 17 ). 그러나 비타민 C 강화를 위해서는 적절한 식품 유형을 선택하는 것이 중요합니다. 비타민 C 요구 사항과 대상 집단의 상태에 대한 지식이 필요합니다. 소비되는 음식과 음료의 가장 일반적인 유형과 양을 확립하려면 이 집단의 식습관 패턴에 대한 정보도 필요합니다. 비타민C와 그 유사체의 안정성, 용해도, 상호작용 특성 등 물리화학적 특성에 대한 이해도 필요합니다. 그런 다음 관능 특성이나 경제성에 부정적인 영향을 주지 않으면서 비타민 C를 안정적이고 생체 이용 가능한 형태로 이러한 제품에 통합하는 효과적인 방법이 필요합니다( 171 , 172 ). 비타민 C는 수용액이나 식품 매트릭스에 간단히 용해될 수 있는 수용성 분자입니다. 그러나 다른 구성 요소와 물리적으로 상호 작용하거나 화학적으로 분해되어 효능이 감소하거나 식품 품질 속성이 저하될 수 있습니다. 따라서 강화 작업은 신중하게 수행되어야 합니다.
다양한 식품 매트릭스에 이미 비타민 C가 강화되어 있지만 보관, 가공, 유통 과정에서 상당한 손실이 발생할 수 있습니다.표 1,,6).6). 이러한 손실 정도는 식품 매트릭스 효과와 식품이 노출되는 환경 조건에 따라 달라집니다( 189 ~ 207 ). 예를 들어, 열처리 및 미량 금속은 비타민 C( 40 , 46 , 104 , 106 )의 급속한 분해를 촉진하여 잠재적으로 유익한 건강 효과를 감소시킬 수 있습니다. 이러한 문제는 적절한 캡슐화 기술을 사용하여 극복할 수 있는 경우가 많습니다(그림 7및 보충 표 S1 ).
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7. 캡슐화 기술 및 전달 시스템
캡슐화 기술은 강화 식품에서 비타민의 매트릭스 호환성, 안정성 및 생체 이용률을 개선하는 데 사용되고 있습니다. ( 15 , 17 , 171 ) 이러한 다양한 기술을 사용할 수 있습니다 [표 7그리고그림 8; ( 9 , 11 , 245 , 246 ). 그러나 현재 모든 식품에 적용할 수 있는 보편적인 캡슐화 기술은 개발되지 않았다. 대신 일반적으로 식품 매트릭스 효과와 식품이 평생 동안 경험하게 될 가공, 보관 및 유통 조건의 특성을 고려하여 특정 용도에 맞게 설계해야 합니다. 또한, 다양한 비타민 C 캡슐화 기술의 성능에 대한 지식은 여전히 제한적입니다. 편의상 이러한 목적으로 개발된 가장 일반적인 캡슐화 기술 중 일부는 이를 제조하는 데 사용되는 주요 성분에 따라 폴리머, 지질 및 양친매성 시스템의 세 그룹으로 분류됩니다( 보충 표 S1 ). 그럼에도 불구하고 이러한 캡슐화 기술 중 일부는 이러한 성분 중 두 가지 이상을 함께 결합합니다.
7.1. 폴리머 기반 전달 시스템
연구자들은 비타민 C 캡슐화와 호환되는 폴리머 기반 전달 시스템을 제작하기 위해 천연 또는 합성 폴리머의 비계 능력을 활용했습니다. 이러한 종류의 전달 시스템에는 나노섬유, 포접 복합체, 캡슐 및 입자가 포함됩니다(표 8). 이러한 전달 시스템은 단순 혼합, 정전기 복합화, 역용매 침전, 주입-겔화, 분무 건조, 동결 건조, 저온 설정, 이온 겔화 및 전기방사를 포함한 다양한 성분 및 제조 방법을 사용하여 조립할 수 있습니다. 이에 대해서는 다른 곳에서 자세히 설명합니다. ( 279 – 282 ).
7.1.1. 마이크로섬유/나노섬유
마이크로섬유 또는 나노섬유는 하나 이상의 천연 또는 합성 중합체를 사용하여 제조될 수 있다( 283 , 284 ). 일반적으로 마이크로섬유는 수백 나노미터 이상의 직경을 갖는 반면, 나노섬유는 이 값보다 낮은 직경을 가지지만 명확한 구분은 없습니다. 원심 방사 및 전기 방사를 포함한 다양한 제조 기술이 고분자 섬유를 만드는 데 사용되었으며 후자는 캡슐화 응용 분야에서 가장 많이 연구되었습니다( 285 – 291 ). 전기방사 섬유의 기능적 특성은 구성, 치수, 표면 특성을 변화시켜 제어할 수 있으며, 이는 캡슐화된 비타민의 분산성, 안정성 및 방출 거동을 제어하는 데 유용합니다. ( 292 – 296 ) 비타민 C 캡슐화를 위한 고분자 섬유의 사용은 아직 초기 단계에 있으며 이 분야에 대한 발표된 연구는 거의 없습니다. 한 그룹은 화장품, 개인 관리 제품 및 국소 약물 전달 분야에 적합한 비타민 C가 함유된 폴리비닐 알코올/β-사이클로덱스트린 나노섬유를 개발했습니다( 297 ). 전기방사로 생산된 어유/젤라틴 나노섬유는 비타민 C를 캡슐화하는 데에도 사용되었습니다( 298 ).
7.1.2. 분자 포접 복합체
일반적으로, 고분자 분자 포접 복합체는 고분자와 게스트 분자를 결합할 수 있는 다른 호스트 분자로부터 생성됩니다. 사이클로덱스트린은 생리활성 화합물을 캡슐화하는 데 가장 널리 사용되는 물질입니다. 이들은 α(1,4)-연결된 포도당 사슬에 의한 나선 형성으로 인해 게스트 분자를 수용할 수 있는 공동을 가지고 있습니다( 299 ). 비타민 C는 이 공동( 300 ) 에 포함될 수 있다 . 분자 내포 복합체는 용매 증발, 등전위 침전, 혼합, 동결 건조 등 다양한 방법을 사용하여 제조할 수 있습니다( 301 ~ 306 ). 다양한 접근법(공침, 반죽 및 동결 건조)을 사용하여 제형화된 비타민 C가 로드된 β-사이클로덱스트린 분자 포접 복합체의 구조적 및 물리화학적 특성이 특성화되었습니다( 263 ). 다른 연구자들은 또한 β-사이클로덱스트린이 비타민 C를 캡슐화하는 데 사용될 수 있다고 보고했습니다 . ( 264 )
7.1.3. 고분자 캡슐 및 입자
폴리머 캡슐은 유체 코어를 둘러싸는 폴리머 껍질로 구성되는 반면 폴리머 입자 전체는 폴리머 네트워크로 구성됩니다. 명확성을 위해, 달리 명시하지 않는 한 이들은 둘 다 중합체 입자로 지칭될 것입니다. 중합체 입자는 합성 및/또는 천연 중합체로부터 조립될 수 있다. 식품 산업에서는 일반적으로 단백질과 다당류가 이러한 목적으로 사용됩니다. 일반적으로 마이크로캡슐/미세입자는 수백 나노미터 이상의 직경을 갖는 반면, 나노캡슐/나노입자는 더 작은 크기를 갖습니다. 폴리머 입자는 주입-겔화, 코아세르베이션, 분무 건조, 동결 건조, 용매 치환, 템플릿화 및 성형( 307 ~ 312 )을 포함한 다양한 방법으로 형성될 수 있습니다. 몇몇 연구에서는 비타민 C 캡슐화를 위한 고분자 입자의 잠재력이 입증되었습니다. 예를 들어, 비타민 C는 안정성을 향상시키고 방출을 제어하기 위해 코아세르베이션 방법을 사용하여 제조된 젤라틴 기반 미세입자에 캡슐화되었습니다( 226 ). 마찬가지로, 카제인 가수분해물/대두 단백질/펙틴 입자는 비타민 C 안정성을 향상시키는 데 사용되었습니다. ( 265 ) 또한, 비타민 C와 퀘르세틴의 공동 캡슐화를 위해 코아세르베이션을 사용하여 고분자 미세입자를 제조했습니다( 262 ). 일부 연구자들은 고분자 미세입자에서 비타민 C 방출에 대한 다양한 제조 방법의 효과를 조사했습니다( 236 ). 젤라틴-카제인 미세입자에서 비타민 C의 보유 및 방출 거동도 연구되었습니다( 239 ). 연구에 따르면 비타민 C는 시뮬레이션된 위장 조건에서 젤라틴-펙틴 미세 입자에서 방출되는 것으로 나타났습니다. ( 267 ) 알지네이트 기반 미세입자는 30일 동안 보관하는 동안 비타민 C를 유지하는 것으로 나타났습니다( 269 ). 일부 연구자들은 캡슐화된 비타민 C를 식품에 도입하는 것의 영향을 조사했습니다. 예를 들어 비타민 C가 함유된 미립자는 베이커리 제품에 통합되었습니다( 215 ). 이 경우 캡슐화는 비타민의 안정성을 증가시키는 것으로 나타났습니다.
여러 종류의 식품 등급 폴리머 입자가 요약되어 있습니다.표 8. 키토산은 음이온성 비타민 C와 결합할 수 있는 양이온성 다당류이기 때문에 이러한 시스템을 조립하는 데 자주 사용됩니다. 예를 들어, 비타민C-키토산 나노입자는 비타민의 생체 이용률을 향상시키는 것으로 나타났습니다( 276 ). 또 다른 연구에서 연구자들은 열 처리에 대한 비타민 C 안정성을 향상시키기 위해 이온 겔화 방법을 사용하여 비타민 C가 로드된 나노입자를 개발했습니다. ( 271 ) 키토산 기반 나노입자에 비타민 C를 캡슐화하면 보관 중 안정성이 향상되고( 273 ) 위액 조건에서 비타민 C의 방출이 연장되는 것으로 나타났습니다( 275 ). 비타민 C는 또한 전분 유래 나노입자에 캡슐화되어 안정성과 생체 이용률을 향상시켰습니다. ( 277 ) 일반적으로 비타민 C의 보유, 방출 및 안정성을 제어하려면 중합체 입자의 조성, 치수, 구조, 표면 특성 및 기공 크기를 조작해야 합니다.
7.2. 양친매성 전달 시스템
양친매성 기반 전달 시스템은 일반적으로 인지질 및 계면활성제와 같은 양친매성 성분으로 조립됩니다. 이러한 양친매성 물질은 소수성 효과로 인해 미셀, 마이크로에멀젼 또는 리포솜과 같은 콜로이드 구조로 조립되는 경향이 있습니다.
7.2.1. 리포솜
리포솜은 일반적으로 하나 이상의 동심 껍질로 구성된 인지질 이중층으로 구성됩니다. 결과적으로 이들은 친수성 도메인(극성 머리 그룹 및 내부 코어)과 친유성 도메인(비극성 꼬리 그룹)을 모두 갖습니다. 리포솜을 제조하기 위해 다양한 준비 방법이 개발되었습니다( 313 – 317 ). 수백 나노미터 미만의 직경을 갖는 리포솜을 종종 나노리포솜이라고 합니다. 여러 연구에 따르면 비타민 C는 리포솜에 캡슐화될 수 있습니다. ( 231 , 233 ) 예를 들어, 연구자들은 포스파티딜콜린, 토코페롤 및 콜레스테롤로 조립된 리포솜에 비타민 C를 캡슐화하면 안정성을 향상시킬 수 있음을 보여주었습니다( 231 ). 마찬가지로, 대두 포스파티딜콜린으로 조립된 리포솜에 비타민 C를 첨가하면 산화에 대한 저항성과 소화 중 조기 방출에 대한 저항성이 향상되는 것으로 나타났습니다. ( 247 ) 비타민 C는 리포솜에 비타민 A 및 메티오닌과 함께 캡슐화되어 있습니다. ( 248 ) 비타민 C는 필름 수화-초음파 처리 기술을 사용하여 제작된 리포솜에 적재되어 안정성이 향상되었습니다( 252 ). 일부 연구자들은 비타민 C가 함유된 리포솜이 유제품에 포함될 수 있다고 보고했습니다. ( 233 )
7.2.2. 미셀과 마이크로에멀젼
기존의 미셀과 수중유 마이크로에멀젼은 계면활성제로 조립된 작은 콜로이드 입자로 구성되며, 비극성 꼬리가 내부이고 극성 머리가 주변 물에 노출됩니다( 318 ~ 320 ). 반대로, 역미셀과 유중수(W/O) 마이크로에멀젼에서는 극성 머리가 내부에 있고 비극성 꼬리가 주변 기름에 노출됩니다. 이러한 종류의 회합 콜로이드는 특정 구성 및 환경 조건에서 열역학적으로 안정한 시스템입니다( 321 ). 결과적으로, 이들은 단순히 서로 다른 구성요소를 함께 혼합하여 형성될 수 있습니다. 이러한 시스템의 입자 크기는 일반적으로 매우 작습니다(<50nm). 이는 광학적으로 투명하고 중력 분리에 대한 저항력이 매우 높다는 것을 의미합니다( 322 ). 용매 증발 및 자연 유화를 포함하여 회합 콜로이드 내에 생리활성 물질을 캡슐화하는 다양한 제조 방법이 있습니다( 319 , 322 – 327 ). 친수성 특성으로 인해 비타민 C를 미셀 및 수중유(O/W) 마이크로에멀젼으로 캡슐화하고 유지하는 것은 종종 어렵습니다. 그러나 연속상이 오일인 경우 역미셀이나 W/O 마이크로에멀젼의 내부 물 영역 내에 갇힐 수 있습니다. 비타민 C 캡슐화 및 전달을 위한 결합 콜로이드의 사용에 대한 연구는 지금까지 소수에 불과합니다. 예를 들어, 비타민 C는 변형된 포스포릴콜린으로 조립된 미셀에 로드되어 항종양 약물 전달 시스템으로 사용됩니다( 254 ). 연구자들은 카르복시메틸 셀룰로오스, 올레산, Tween 20 및 프로필렌 글리콜로 마이크로에멀젼을 제조했으며 다양한 보관 온도(4°, 25° 및 40°C)에서 매우 안정적인 것으로 관찰했습니다( 258 ). 연구자들은 또한 비타민 C가 함유된 마이크로에멀젼에 대한 계면활성제/보조 계면활성제 및 친수성-친유성 균형의 영향을 조사했습니다( 261 ). 일반적으로 이러한 종류의 전달 시스템은 비타민 C를 오일상 내에 포획해야 하는 응용 분야에 가장 유용할 수 있으며, 역미셀 또는 W/O 마이크로에멀젼을 사용할 수 있습니다.
7.3. 지질 기반 전달 시스템
이 전달 시스템 그룹에는 에멀젼, 고체 지질 나노입자 및 나노 구조 지질 담체를 포함하여 주로 식용 지방 및 오일로 조립된 콜로이드 분산액이 포함됩니다.표 8).
7.3.1. 에멀젼
에멀젼은 기름-물 경계면과 관련된 양의 자유 에너지로 인해 열역학적으로 불안정한 콜로이드 분산액입니다. 수백 나노미터 미만의 액적을 갖는 에멀젼을 종종 나노에멀젼이라고 합니다. 기계적 접근법(예: 미세유동화, 균질화 및 초음파 처리 방법)과 물리화학적 접근법(예: 상 반전 및 자발적 유화 방법)을 포함하여 에멀젼을 형성하기 위해 다양한 제조 방법이 개발되었습니다( 328 – 330 ). 에멀젼은 유상이 액적을 구성하는지 아니면 주변 매체를 구성하는지에 따라 수중유 또는 유중수 유형으로 분류될 수 있습니다. O/W 에멀젼은 비타민 C를 캡슐화하는 데 거의 사용되지 않습니다. 왜냐하면 비타민 C는 친수성이어서 기름 방울 내부가 아닌 외부 수성 상에 용해되는 경향이 있기 때문입니다. 연구자들은 W/O/W 다중 에멀젼의 내부 수성상 내에 비타민 C를 캡슐화했지만 시간 경과에 따른 유지력이나 안정성은 측정하지 않았습니다. ( 331 ) 또 다른 연구에서 동일한 저자는 비타민 C가 이러한 에멀젼에서 빠르게 방출된다는 사실을 보여 주었는데, 이는 비타민 C가 오일에 어느 정도 용해도를 갖고 있어 W/O 방울에서 주변 물로 확산될 수 있다는 사실에 기인할 수 있습니다 . ). 따라서 에멀젼은 비타민 C 캡슐화에 제한적으로 적용되는 것으로 보입니다.
7.3.2. 고체 지질 나노입자 및 나노구조 지질 담체
이러한 유형의 콜로이드 전달 시스템은 에멀젼과 비슷하지만 지질 방울이 완전히 또는 부분적으로 결정질입니다. 일반적으로 수중유 에멀젼은 지방상의 녹는점보다 높은 온도에서 형성된 후 시스템을 냉각하여 결정화를 촉진하고 고체 지질 나노입자(SLN) 또는 나노구조 지질 담체(NLC)를 형성합니다( 332 – 335 ). SLN에서 지질상은 완전히 결정질인 반면, NLC에서는 부분적으로만 결정질입니다. 이러한 종류의 전달 시스템을 사용하는 이점은 지질상의 고체 특성으로 인해 분자 확산 과정이 느려져 캡슐화된 물질의 유지 및 안정성이 향상될 수 있다는 것입니다. SLN과 NLC는 일반적으로 친유성 생리 활성 물질을 캡슐화하는 데 사용되지만 일부 연구자들은 비타민 C에 대한 적용을 조사했습니다. 예를 들어 비타민 C가 포함된 SLN은 고온 균질화 방법을 사용하여 준비되었습니다( 255 ). 또 다른 연구에서는 56일 동안 보관한 후 비타민 C가 SLN에 비교적 높은 수준(>75%)으로 유지되었다고 보고했습니다( 257 ). 고압 균질화는 비타민 C가 탑재된 NLC를 생산하는 데 사용되었으며, 이는 비타민 방출을 연장하는 것으로 나타났습니다( 256 ). 그럼에도 불구하고 이 분야에 대해서는 추가 연구가 필요하다. 에멀젼과 마찬가지로 SLN 및 NLC 입자의 소수성 내부에 친수성 비타민 C 분자를 가두어 유지하는 것이 어려울 수 있습니다.
8. 위장관 내 비타민 C 함유 전달 시스템의 운명
영양소의 생체 이용률을 높이고/하거나 위장관에서 방출 및 흡수되는 영역을 제어할 수 있는 식품 등급 전달 시스템을 설계하는 것이 중요한 경우가 많습니다( 9 , 13 – 17 , 67 ). 이는 종종 포함된 콜로이드 입자의 조성, 크기, 구조, 물리적 상태, 응집 상태 및 계면 특성을 제어함으로써 달성될 수 있습니다. 전달 시스템을 사용한 비타민 C 강화에 관한 대부분의 연구는 형태학적 특성, 안정성 향상 정도, 방출 동역학, 식품 매트릭스와의 호환성, 식품 매트릭스의 안정성 및 식품 특성에 대한 영향과 같은 측면에 중점을 두었습니다( 9 ). 일부 연구에서는 캡슐화된 비타민 C의 생체 접근성( 체외 모델) 또는 생체 이용률( 생체 내 모델) 도 조사했습니다.
캡슐화된 비타민 C가 장세포에 의해 흡수될 수 있는 활성 형태로 위장관 내에서 방출되는 것이 중요합니다. 비타민 C의 친수성 특성은 일반적으로 위장액에 용해도가 높아 생체 접근성이 높다는 것을 의미합니다. ( 67 ) 그러나 위장 환경 내에서 화학적으로 분해될 수 있으며, 이는 잘 설계된 전달 시스템을 사용하여 억제할 수 있습니다. 그럼에도 불구하고, 다양한 식품 매트릭스에서 비타민 C의 생체 이용률을 향상시키기 위해 다양한 종류의 전달 시스템의 효능을 체계적으로 비교할 필요가 여전히 있습니다. 인간의 위장관에서 비타민 C가 로딩된 전달 시스템의 운명에 대한 개략도는 다음과 같습니다.그림 8: (i) 전달 시스템은 초기에 생물학적 효과를 가질 만큼 충분히 높은 농도의 비타민을 함유해야 합니다. (ii) 전달 시스템은 입과 위에서 비타민을 유지하고 보호해야 하며; (iii) 전달 시스템은 일반적으로 흡수가 일어나는 소장에서 비타민을 방출해야 합니다. (iv) 전달 시스템은 비타민을 보호하고 소장에서의 흡수를 촉진하도록 설계될 수 있습니다. (v) 전달 시스템 자체는 식품에 적용하기에 안전해야 합니다. 분명히 이 분야에 대해서는 추가 연구가 필요합니다.
9. 비타민 C 전달 시스템의 안전 준수 및 위험
모든 비타민 C 전달 시스템은 인간이 섭취하기에 안전하고 예상치 못한 건강에 부정적인 영향을 미치지 않는 것이 중요합니다. ( 336 , 337 ) 합성 고분자 또는 계면활성제는 건강에 바람직하지 않은 영향을 미칠 수 있으므로 천연 대체품이 더 나을 수 있습니다( 338 ). 마찬가지로 건강 위험을 줄이기 위해 전달 시스템 생산 중에 유기 용제, 알코올 또는 합성 화학 물질의 사용을 피하거나 판매 전에 완전히 제거해야 합니다( 338 ). 일반적으로 인간 건강에 대한 단기 및 장기 영향의 영향을 평가해야 합니다( 338 ). 미국 식품의약국(FDA)은 식품에 나노입자를 포함시키는 것에 관한 지침을 발표했습니다( 339 ). 유럽연합의 유럽식품안전청(EFSA)은 식품 전달 시스템으로 나노물질의 활용에 관한 규정을 개발했습니다( 340 ). 식품에 적용되는 나노물질의 위해성 평가를 수행하는 방법이 제시되어 있다( 341 ).
10. 결론
많은 국가에서 일반 인구는 식단에 비타민 C를 충분히 섭취하기 위해 충분한 과일과 채소를 섭취합니다. 그러나 괴혈병과 같은 쇠약해지는 질병으로 이어지는 비타민 C 결핍으로 고통받는 일부 인구가 있습니다. 더욱이, 비타민 C는 특히 항산화 활성으로 인해 다양한 건강상의 유익한 효과를 나타낼 수 있는 기능성 식품 성분으로 작용할 수 있습니다. 많은 식품 및 음료에서 비타민 C의 생물학적 활성은 화학적으로 분해되는 경향으로 인해 제한됩니다. 결과적으로, 캡슐화 기술을 사용하여 이 생리활성 물질의 화학적 안정성과 생체 이용률을 향상시키는 데 관심이 있습니다. 소수성 비타민(비타민 A, D, E 등)을 캡슐화, 보호 및 방출하기 위해 콜로이드 전달 시스템을 사용하는 방법에 대한 많은 연구가 있었지만 친수성 비타민(비타민 C 등)에 적용하는 경우는 훨씬 적습니다. 이러한 목적으로 사용할 수 있는 다양한 콜로이드 전달 시스템이 있는 것으로 보이며, 특히 입자 내부에 친수성 도메인이 있는 시스템(예: 폴리머 입자, W/O/W 에멀젼 및 리포솜)이 있지만 이를 확립하려면 추가 작업이 필요합니다. 상대적인 장점과 한계. 더욱이, 상업적 용도로 충분히 많은 양을 저렴하게 생산할 수 있는지, 실제 상황에서 충분히 견고하고 효과적인지 여부를 확인하기 위한 연구가 필요합니다.
저자 기여
VM: 개념화, 방법론, 집필 – 원본 초안, 집필 – 검토 및 편집, 데이터 큐레이션. AS: 방법론, 집필 – 검토 및 편집, 집필 – 원본 초안 및 개념화. DM: 프로젝트 관리, 감독, 시각화, 작성 – 검토 및 편집. RS: 데이터 큐레이션, 형식 분석 및 시각화. KB: 조사, 데이터 큐레이션, 방법론 및 공식 분석. TR: 방법론, 공식 분석 및 리소스. JL: 자금 확보, 자원, 검증 및 검토. ES: 자금 확보, 자원 및 검증. 모든 저자는 기사에 기여했으며 제출된 버전을 승인했습니다.
자금 조달
이 연구는 교육부(2014R1A6A1031189)의 지원을 받는 한국연구재단(NRF)과 한국 정부(MSIT)의 지원을 받는 NRF 보조금(지원 번호 2021R1A2C1008368)을 통해 우선 연구 센터 프로그램의 지원을 받았습니다.
이해 상충
VM은 PerkinElmer 회사에 고용되었습니다.
나머지 저자들은 잠재적인 이해 상충으로 해석될 수 있는 상업적 또는 재정적 관계 없이 연구가 수행되었음을 선언합니다.
출판사 메모
이 기사에 표현된 모든 주장은 전적으로 저자의 주장이며 소속 기관이나 출판사, 편집자 및 리뷰어의 주장을 반드시 대표하는 것은 아닙니다. 이 기사에서 평가할 수 있는 모든 제품이나 제조업체가 주장할 수 있는 주장은 게시자가 보증하거나 보증하지 않습니다.
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