사이클로덱스트린 카르복실산염은 광범위한 적용 조건에서 니신의 안정성과 활성을 향상시킵니다.

npj Science of Food 7권, 기사 번호: 20(2023) 이 기사 인용

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니신은 그람 양성균에 대해 우수한 항균 활성을 나타내는 천연 박테리오신입니다. 이는 산성 조건에서 용해도, 안정성 및 활성이 우수하지만 용액 pH가 6.0을 초과하면 용해도, 안정성 및 활성이 낮아져 항균제로서 니신의 산업적 적용 범위가 심각하게 제한됩니다. 이 연구에서 우리는 단점을 극복하기 위해 사이클로덱스트린 카르복실레이트, 숙신산-β-사이클로덱스트린(SACD)과 니신을 복합화할 가능성을 조사했습니다. 니신과 SACD 사이에 강한 수소 결합이 나타나 니신-SACD 복합체의 형성을 촉진했습니다. 이들 복합체는 중성 및 알칼리성 조건에서 우수한 용해도를 나타냈고, 고증기 멸균 처리 중 높은 pH 값에서 유지된 후에도 우수한 안정성을 나타냈습니다. 또한, 니신-SACD 복합체는 모델 그람 양성 박테리아(S. aureus)에 대해 상당히 향상된 항균 활성을 나타냈습니다. 이 연구는 복합화가 중성 및 알칼리성 상황에서 니신의 효능을 향상시킬 수 있으며, 이는 식품, 의료 및 기타 산업에서 니신의 적용 범위를 크게 넓힐 수 있음을 보여줍니다.

니신은 34개의 아미노산 잔기로 구성된 작은 펩타이드로 Lactococcus lactis 아종 균주에 의해 생성되며 식품 방부제로 승인된 유일한 박테리오신입니다1. 일반적으로 안전하다고 인정(GRAS)되어 식품, 의약, 농업 산업에서 널리 사용됩니다. Nisin은 그람 양성균에 대해 광범위한 항균 활성을 나타냅니다. 박테리아의 세포막에 흡착되어 이를 파괴하고, 내부 세포 물질을 방출시켜 세포 사멸을 촉진시키는 것으로 알려져 있습니다2,3. 산성 조건(pH < 6.0)에서 니신은 열처리 후 활성이 약간 손실되면서 바람직한 용해도와 안정성을 나타냅니다4,5. 그러나 니신의 구조는 알칼리성 조건에서 분자간 친핵성 첨가 반응으로 인해 변화하여 수용성, 열 안정성 및 항균 활성이 저하됩니다6,7. 따라서 천연 항균제로서 니신의 산업적 적용은 현재 산성 조건으로 제한됩니다.

세포내액, 세포외액, 장액8을 포함하여 대부분의 생리학적 체액의 pH는 6.0~8.5 범위입니다. 따라서 니신의 산업적 응용을 확장하기 위해 생리적 상황에서 용해도, 안정성 및 항균 활성을 유지하기 위한 전략을 식별하는 데 노력을 기울였습니다. 유기산은 수소 결합을 통해 수용액에서 니신과 결합할 수 있으며, 이는 니신의 성능을 증가시킬 수 있습니다. 예를 들어, Adhikari et al. 도 7은 니신-유기산 복합체가 순수한 니신보다 pH 8.0에서 훨씬 더 높은 항균 활성을 가짐을 보여주었다. 니신과 EDTA의 조합을 사용하면 니신9의 항균 활성이 증가하는 것으로 나타났습니다. 이는 박테리아 세포벽의 투과성을 증가시키는 킬레이트제의 능력에 기인합니다. 그러나 니신의 안정성에는 뚜렷한 개선이 없었습니다. 니신의 안정성을 향상시키려는 다른 노력은 일반적으로 키토산, 셀룰로오스, 펙틴과 같은 생체 고분자로 제조된 나노 전달 시스템에 의존합니다3,10,11. 그러나 이러한 전달 시스템을 구축하는 것은 종종 복잡하고 비용이 많이 들고 확장이 어려워 산업 적용이 제한됩니다. 결과적으로 실제 산업 요구 사항을 충족할 수 있는 간단하고 저렴한 방법을 개발하는 것이 유리할 것입니다.

사이클로덱스트린(CD)은 다양한 수의 α-D-글루코피라노스 단위로 구성된 고리형 올리고당으로, 효소 가수분해에 의해 전분에서 생성되며 세계 대부분의 지역에서 식품 및 건강 제품에 활용하도록 승인되었습니다12. CD의 순환 특성으로 인해 소수성 코어와 친수성 외부를 갖는 분자가 생성되어 비극성 게스트 분자 또는 부분을 통합하는 호스트 분자로 적합합니다. CD에 생리활성 화합물을 캡슐화하면 수분산성이 향상되고 열, 빛 및 산소에 대한 저항성이 향상되며 제어 방출이 가능해집니다14,15. 이전에 연구자들은 β-CD 내에 니신을 캡슐화하면 조리된 돼지고기를 보존하는 동안 항균 활성이 향상되었음을 보여줬는데, 이는 니신의 미세 환경을 변화시키는 니신-CD 복합체의 형성에 기인합니다. 그러나 니신의 용해도, 안정성 및 항균 활성을 동시에 향상시킬 수 있는 대체 형태의 CD가 여전히 필요합니다.