29.1 비아몰 Introduction


멜라노이딘은 ➡ 질소를 함유하는 갈색 고분자량(HMW) 화합물로, ➡ 정의상 마이야르 반응의 최종 생성물이다 [1–3].
이들은 커피 생두를 로스팅하는 동안 뿐만 아니라,&rArr빵 [4], 고기 [5], 맥아 [6]와 같은 다른 식품의 열 가공 중에도 형성된다.
그러나 로스팅하고 분쇄한 커피콩에서 뜨거운 물을 추출하여 만든 커피 음료는,빵과 함께, 인간의 식단에서 멜라노이딘의 주요 공급원으로 간주된다 [4].
본 장에서는 커피 음료 멜라노이딘에 대해 알려진 다음과 같은 것들에 대한 개요를 제공한다.&nbsp????구조적구성요소,&nbsp????가능한형성경로,&nbsp????생물학적활성,그리고 ????잠재적건강영향과 ????정량화,분리및정제에사용된전략들.


29.2 Strategies for Quantitation, Isolation, and Purification &nbsp&nbsp&nbsp&nbspof Coffee Melanoidins


커피 추출액(coffee brew) 멜라노이딘의 구조를 밝히기 위한 여러 시도에도 불구하고, 멜라노이딘은 많은 부분 알려지지 않았다.
그 이유는 &rArr구조가 극도로 복잡하고 다양하며, &rArr이로 인해 순수한 멜라노이딘 분획을 분리하는 것이 어렵기 때문이다 [2].
멜라노이딘의 구조에 대한 정보가 부족하기 때문에, &rArr멜라노이딘은 일반적으로 100%에서 알려진 화합물의 총 비율을 뺀 차이로 정량화한다.
이러한 방식으로, 멜라노이딘은 &rArr볶은 커피 원두 건조 중량의 최대 약 25%(w/w)를 차지하는 것으로 추정된다 [7,8].
분쇄 및 볶은 커피 원두를 뜨거운 물 추출 방식으로 추출한 커피 브루는 &rArr인간 식단에서 멜라노이딘의 주요 공급원 중 하나이다 [4].
멜라노이딘은 &rArr커피 추출액 건조 중량의 최대 약 29%(w/w)를 차지하는 것으로 추정된다 [8].
커피의 특징적인 갈색 색상에 기여하기 때문에, 커피 추출액(및 커피 추출 분획물)의 멜라노이딘 함량은 &rArr색 희석 분석(color dilution analysis)[9,10]을 사용하거나, &rArr400nm 부근, 특히 405nm에서의 흡광도(absorption)를 측정하여 평가되었다 [11–17].
커피 추출액의 멜라노이딘 함량과 커피 콩의 로스팅 정도 사이에는 직접적인 관계가 있다.&rArr이는405nm에서의비흡광계수(extinctioncoefficient)인Kmix405nm값으로측정할수있다[11].&rArr멜라노이딘갈변지수(melanoidinbrowningindex,MBI)는Kmix405nm값을&nbsp&nbsp미지 물질의 상대적인 양으로 나누어 계산하며, 커피 멜라노이딘 측정을 위해 제안되었다 [18].&rArr순차적한외여과(sequentialultrafiltration)를통해회수된&nbsp&nbsp다양한 분자량(MW)의 인스턴트 커피 분획물을 비교했을 때, &nbsp&nbspMBI와 분자량(MW) 사이에 직접적인 관계가 관찰되었으며, &nbsp&nbsp분자량이 높을수록 존재하는 화합물의 갈색 색상이 더 강하다는 것을 보여주었다 [19].





Figure 29.1은 ➡ 커피 추출액 멜라노이딘의 분리 및 정제(있는 경우)에 사용된 다양한 접근법을 요약한 것이다.
모든 접근법에서 멜라노이딘은 먼저 HMW를 이용하여 분리된다.
가장 일반적으로 커피 추출액의 고분자량 물질(HMWM)은 &rArrmolecular weight cut-off (MWCO)가 2~100 kDa인 膜을 사용하여 &nbsp&nbsp투석(dialysis)[9,20], &nbsp&nbsp정용여과(diafiltration)[11,13,14], 또는 &nbsp&nbsp한외여과(ultrafiltration)[10,19,21–24]를 통해 분리한다.
그러나 전체 커피 원두 멜라노이딘의 59%를 차지하는 것으로 추정되는 HMW 커피 원두 멜라노이딘[14] 외에도, MWCO가 3 kDa인 막을 사용하는 정용여과(diafiltration)에서 얻은 투석액(dialysate)에서 회수된저분자량 및 중분자량 커피 원두 멜라노이딘의 존재도 보고되었다 [11].
커피 멜라노이딘의 최소 분자량에 대한 일반적인 합의가 부재한 것은 &rArr멜라노이딘의 구조에 대한 지식 부족과 구조적 특성 분석에 초점을 맞춘 추가 연구의 필요성을 반영한다.
커피 추출액의 HMWM만 고려하더라도 멜라노이딘 외에도 유리 단백질과 다당류가 존재하므로 이를 분리하기 위한 추가적인 정제 과정(purification procedures)이 필요하다.
지난 10년 동안 다양한 멜라노이딘 집단이 용해도(solubility), 전하(charge), 금속 킬레이트 능력(metal 비아몰 chelating ability), 소수성(hydrophobicity)과같은 다양한 물리화학적 특성을 활용하는 접근법을 통해 정제되었다 [9–11,14,17,24].
다음 절에서 자세히 설명하겠지만, 이러한 정제된 커피 멜라노이딘 분획의 화학적 특성 분석은다당류, 단백질, 클로로겐산이 멜라노이딘 형성에 관여한다는 증거를 점점 더 많이 제공하고 있다 [9–11,14,17].


29.3 Structural Component of Coffee Melanoidins

커피의경우,탄수화물과단백질뿐만아니라고전적인Maillardreaction을통해멜라노이딘형성에관여한다. 다음단락에서는커피멜라노이딘의다양한구조적구성요소에대해알려진내용과다양한화학조성을가진멜라노이딘분획을얻을수있는정제방법을요약한다.




다당류(Polysaccharides)–
다당류는생두건조중량의약50%를차지하며,이중&rArr22%는galactomannans이고&rArr14~17%는typeIIarabinogalactans이다[7,25].
로스팅 과정에서 갈락토만난과 아라비노갈락탄은 그 자체로 구조적 변형, 즉 탈중합, 탈분지화, 중합 등을 겪는다 (19장 참조) [26~31].
또한, 이들은 당전이반응(transglycosylation reactions)을 통해 서로 반응하여하이브리드 다당류를 생성한다 [32,33].
갈락토만난과 아라비노갈락탄은 멜라노이딘 형성에도 관여한다 [9,11,14,20].
다양한 다당류 조성을 가진 멜라노이딘 분획을 얻기 위해, 커피 브루의 HMWM을 에탄올 용해도 차이에 따라 분획한다 (Figure 29.1).
Galactomannans에서 가장 풍부한 분획은 에탄올 농도 40~50% (부피 또는 중량 기준)에서 침전되고, arabinogalactans에서 가장 풍부한 분획은 에탄올 농도 75~80%에서 침전된다.
에탄올 농도 75~80%에서 용해성을 유지하는 분획은 탄수화물 함량이 가장 낮다 [9,13,28,29,34].
Arabinogalactans는&rArr아라비노갈락탄단백질(AGP)형태로&rArr커피생두와볶은커피원두,그리고생두및배전커피브루에존재한다[14,35–39].
AGP가 그대로 포함된 멜라노이딘 분획은 &rArrAGP를 선택적으로 침전시키는 시약인 β-glucosyl Yariv (β-글루코실 야리브) 시약을 사용하여 침전시켜&nbsp&nbsp커피 브루의 HMWM로부터 분리했다 [11,14].&rArr생두로부터회수된AGP분획의흰색대신[40],&nbsp&nbsp볶은 커피 원두의 HMWM에 야리브 시약을 첨가하면 갈색 침전물이 생성된다 [14].
Kmix 405nm 값을 기준으로, AGP 분획이 ⇒&nbsp커피 브루의 HMWM에 존재하는 멜라노이딘의 약 절반을 차지하는 것으로 나타났다.
그러나 Yariv 시약으로 침전시켜 얻은 AGP 분획의 갈락토스와 아라비노스 양이 HMWM에서 관찰된 것보다 적었기 때문에, ⇒&nbsp커피 생두 AGP의 일부가 단백질 부분을 잃어 로스팅 중에 변형되었을 수 있다 [14].
Figure29.1에서볼수있듯이,에탄올분별로얻은분획물[9]이나또는커피 추출액에서 직접 분리한 HMWM으로부터,&rArr음이온 교환 크로마토그래피(anion exchange chromatography)를 통해 &nbsp&nbsp음이온성 멜라노이딘 분획물을 분리했다 [14,17].
음이온성(anionic character)은 커피 멜라노이딘의 보편적인 특성이 아닌데, 일부 커피 멜라노이딘은 음이온성을 포함하지 않거나 매우 낮은 함량으로 포함하고 있기 때문이다 [9,14].
또한, 커피 멜라노이딘의 금속 킬레이트 능력(metal chelating capacity)[41,42]으로 인해구리 친화성 크로마토그래피(copper affinity chromatography)를 사용하여음이온성 멜라노이딘 분획물을 추가 분획하면, 음이온성 및 킬레이트성 멜라노이딘 분획물을 분리할 수 있다.
이러한 접근법은 또한 음이온성 멜라노이딘 분획물의 절반이 고정화된 구리 이온에 대한 킬레이트 능력을 가지고 있음을 보여주었다 [9].
또한, 주로 아라비노갈락탄-유래 단편들로 구성된 疏水性(hydrophobic) 멜라노이딘 분획은겔 투과 크로마토그래피(gel permeation chromatography)에 이어 소수성 상호작용 크로마토그래피(hydrophobic interaction chromatography)에 의해HMWM으로부터 분리되었다 (Figure 29.1) [10].&nbsp





단백질(Proteins) &ndash
단백질은 생두 건조 중량의 약 10%를 차지한다 [7].
로스팅 과정에서 단백질의 상대적인 함량이 감소한다.
특히 아르기닌(arginine), 시스테인(cysteine), 라이신(lysine), 세린(serine)은 가장 큰 감소를 보이는아미노산이다 [7,13,43,44].
로스팅으로인한구조적변형의결과로,생두및배전두커피브루로부터분리한HMWM의비환원조건(non-reducingconditions)에서얻은도데실황산나트륨-폴리아크릴아미드(sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide) 겔 전기영동(gel electrophoresis) 패턴들은 뚜렷하게 구별된다.
커피 생두 브루는 58 kDa에서 주요 단백질 밴드를, 38kDa에서 두 번째 단백질 밴드를 나타내는 반면, 배전 커피 브루는 14k Da 이하의 명확한 밴드와 200 kDa 이상의 분산된 밴드를 나타내는데 [28,29,34], 이는 멜라노이딘 형성에 단백질이 비아몰 관여하기 때문일 가능성이 높다.
단백질-유사 물질(protein-like material)을 다양한 양으로 함유하는 커피 추출액의 HMWM으로부터도다양한 멜라노이딘 분획이 분리되었으며, 이는 산 가수분해(acid hydrolysis) 후 아미노산 분석(amino acid analysis)을 통해 정량화되었다 [9,10,13].
HMWM의 에탄올 분별로 얻은 다양한 멜라노이딘 분획들을 비교했을 때, 단백질 함량이 가장 높은 분획은 높은 에탄올 농도(75~80%)에서도 용해성을 유지하지만, 모든 분획은 아미노산의 상대적 풍부성(relative abundances) 측면에서 유사한 구성을 보인다.
알라닌(Alanine), 아스파르트산/아스파라긴(aspartic acid/asparagine), 글루탐산/글루타민(glutamic acid/glutamine), 글리신(glycine)은가장 풍부한 아미노산이며,
히스티딘(histidine), 라이신(lysine), 메티오닌(methionine), 티로신(tyrosine)은 가장 풍부하지 않다.
아르기닌(Arginine)은 발견되지 않았다 [9,13].
또한, 커피 생두와 커피 생두 추출액으로부터 분리된 AGP에서 다량으로 발견되는 아미노산인히드록시프롤린(hydroxyproline)이 아라비노스(arabinose)와 갈락토스(galactose) 잔류물을 함유하는 멜라노이딘 분획에서 확인되어[35,36], 커피 멜라노이딘 구조에 AGP가 존재함을 뒷받침했다 [9].
손상되지않은아미노산은배전커피브루HMWM과,그리고에탄올분별에의한HMWM으로부터얻은멜라노이딘분획에존재하는질소의대부분을차지하지만,비-단백질질소(non-proteinnitrogen,NPN)라고도하는비아미노산질소(non-aminoacidnitrogen)도존재한다.
에탄올 분별로 얻은 멜라노이딘 분획을 비교하면 그들의 에탄올 용해도(ethanol solubility)가 증가함에 따라 NPN의 양이 증가한다 [13].
HMWM과 멜라노이딘 분획들에서, 리신(lysine)으로부터 유래한 마이야르 반응 산물들인, Nε-(fructosyl)lysine, Nε-(carboxymethyl)lysine, 그리고 Nε-(carboxyethyl) lysine이 식별된 것에서 입증된 바와 같이 [9], 커피 로스팅 중 형성된 화학적으로 변형된 아미노산도 멜라노이딘 구조에 통합되어 NPN 함량에 기여한다.





클로로겐산(Chlorogenicacids) &ndash
클로로겐산(또는 그 파생물들)을 함유한 다양한 멜라노이딘 분획들 또한 커피 브루의 HMWM로부터 분리되었다 [9,11,17].
클로로겐산은 커피 생두 건조 중량의 최대 10%를 차지한다 [7].
구조적으로 클로로겐산은 카페산(caffeic acid), p-쿠마르산(p-coumaric acid), 페룰산(ferulic acid)과 같은 하나 이상의 트랜스-신남산(trans-cinnamic acids)에 에스테르화된 quinic acid (QA) 부분으로 구성된다 [45].
커피 생두에서 가장 풍부한 클로로겐산은 5-O-caffeoylquinic acid (5-CQA, IUPA C 넘버링에 따름)으로 [46], 카페산(CA) 에스테르(a caffeic acid ester)이다 [47,48].
클로로겐산파생체들이커피멜라노이딘의구성요소라는강력한증거가있지만,이들이멜라노이딘구조내에서어떻게연결되어있는지는아직알려져있지않다.
커피 단백질 프로파일의 로스팅-유도 변화가 모델 시스템에서 산화된 클로로겐산이 생두 단백질과 반응했을 때 관찰된 변화와 유사하다는 것을 보여주는 연구[54,55]에 근거하여, 단백질은 클로로겐산 파생체의 가능한 결합 부위로 간주되었다 [1].
또한, 아라비노갈락탄 측쇄의 아라비노스도 클로로겐산 파생체의 가능한 결합 부위로 가정되었다 [17].
이 가설은 아라비노스 잔류물이 로스팅 중 분해되기 매우 쉽다는 것을 보여주는 연구 [31,39]와, 에피카테킨(epicatechin)과 당 단편(sugar fragments)의 반응이 보고된 모의 로스팅 조건에서 개발된 모델 연구를기반으로 제안되었다 [56].
이 가설을 탐구하기 위해, 5-CQA와 아라비노갈락탄 측쇄와 구조적으로 관련된 올리고당인 (α1→5)-l-arabinotriose의 등몰 혼합물(equimolar mixture)을 커피 로스팅 조건을 모방한 건식 열처리에 적용했다.&rArr열처리후,pentose(Pent)residues(1–12)와공유결합된&nbsp&nbsp하나 또는 두 개의 CQA로 구성된 화합물과 당 부분을 갖지만 &nbsp&nbsp5-CQA의 QA 또는 CA 부분으로만 구성된 화합물이 확인되었다.&rArr또한,모델혼합물의열처리과정에서이성질체PentnCQA구조가형성되는것을확인했다.&rArr더나아가,커피샘플에서Pent1-2CQA가확인되었다.
이러한 결과는 로스팅 과정에서 형성되는 다양한 클로로겐산-아라비노스 하이브리드의 존재를 뒷받침하며, 멜라노이딘 구조에서 이들을 식별하는 데 새로운 가능성을 제시한다 [57].





蔗糖(Sucrose) &ndash
자당은 &rArr커피 생두의 주요 올리고당(oligosaccharide)이지만, &rArr로스팅 과정에서 거의 완전히 분해된다 (19장 참조).
생두에 자당을 첨가하여 만든 변형된 “in bean" 생두 모델을 사용하여커피 멜라노이딘 형성에 자당이 기여하는 것을 확인할 수 있었다.
이는 다당류와 단백질 비아몰 또는 단백질 조각에 부착된 유색 저분자량(LMW) 구조의 형성과 관련이 있는 것으로 추정된다 [18].


29.4 Possible Formation Routes of Coffee Melanoidins


멜라노이딘은 메일라드 반응의 최종 생성물로 정의되지만,(볶은) 커피 브루로부터 분리된 멜라노이딘 모집단의 다양한 화학적 조성은고전적인 마이야르 반응 메커니즘이 커피 멜라노이딘 형성 과정에서 작동하는 유일한 메커니즘이 아님을강력히 시사한다.
프랑스 과학자 루이 카미유 마이야르(Louis Camille Maillard)가 아미노산과 당 사이의 반응에 대해 발표한 지 약 40년 후 [58],마이야르 반응에 대한 최초의 포괄적인 체계가 1953년에 발표되었다 [59].
따라서 이 비효소적 갈변 반응(non-enzymatic browning reaction)은카르보닐 화합물(carbonyl compounds), 특히 환원당(reducing sugars)과,아미노산, 펩티드, 단백질과 같은 유리 아미노기(free amino group)를 가진 화합물 사이의 다양한 반응 네트워크를 포괄하여 다양한 생성물을 형성한다.
이러한 산물들은 초기 단계 생성물, 중간 단계 생성물, 마지막 단계 생성물(멜라노이딘)로 분류할 수 있다.
대부분용액상태에서고전적인마이야르반응메커니즘을고려한모델연구를바탕으로멜라노이딘 형성에 대한 세 가지 가설이 제시되었다 [1,60].
한 가지 가설은 &rArr멜라노이딘이 반응의 진행 단계에서 형성되는 퓨란(furans)과 피롤(pyrroles)과 같은 &nbsp&nbsp저분자량 메일라드 반응 생성물의 중합(polycondensation reactions을 통한)에 의해 형성된다는 것이다 [61–63].
Hoffmann [64–66]은 &rArr멜라노이딘이 리신(lysine), 아르기닌(arginine), 시스테인(cysteine)과 같은 &nbsp&nbsp아미노산의 반응성 측쇄(reactive side chains)를 통해 &nbsp&nbsp저분자량 마이야르 반응 산물이 단백질에 가교 결합(cross-linking)되어 생성된다고 제안했다.
세 번째 가설은 &rArr멜라노이딘 골격(melanoidin skeleton)이 &nbsp&nbsp주로 마이야르 반응 초기 단계에서 생성되어 &nbsp&nbsp알돌 축합 반응(aldol-type condensation)을 통해 중합되는 당 분해 산물로 구성된다는 것이다 [67–69].
특히, 첫 번째 가설은 &rArr커피 브루 HMWM의 열 분해 시 방출되는 휘발성 화합물 분석을 통해 뒷받침되었는데, &rArrfurans (65%)이 주로 존재하고 그 다음으로 카르보닐 화합물(16%)이 존재하는 것으로 나타났다 [50].
또한, 소 혈청 알부민(bovine serum albumin)과 글리콜알데히드(glycolaldehyde) 수용액을95°C로 가열하는 모델 연구에 따르면, &rArrprotein-bound 1,4-bis-(5-amino-5-carboxy-1-pentyl)pyrazinium radical cation (CROSSPY)이 &nbsp&nbsp멜라노이딘 형성의 중간체로 제시되었다.&rArr실제로,이라디칼이커피멜라노이딘형성에관여한다는사실은&nbsp&nbsp로스팅된 커피 원두에서 CROSSPY가 검출됨으로써 뒷받침되었다 [70].&nbsp
커피멜라노이딘생성에고전적인마이야르반응메커니즘외의다른메커니즘이관여한다는사실은&rArr커피 추출액에서 회수된 커피 멜라노이딘 분획물에서 &nbsp&nbsp공유 결합된 클로로겐산(및 그 파생체들)을 확인함으로써 명백하게 입증되었다 (29.3절 참조).&rArr그러나 본절에서 이미 언급했듯이, 클로로겐산은 고전적인 마이야르 반응 메커니즘에서는 고려되지 않는다.
요약하자면,커피멜라노이딘형성에관여하는정확한메커니즘은아직명확하지않다.
이러한 이유로, Figure 29.2에 커피 멜라노이딘 형성에 대한 단순화된 그림을 제시한다.
본장의 이전 섹션에서 설명했듯이, &rArrgalactomannans, &rArrarabinogalactan-proteins, &rArrproteins, &rArrchlorogenic acids, 그리고 &rArrsucrose가커피 멜라노이딘 형성에 관여하는 것으로 알려져 있다.
그러나 멜라노이딘 중량의 최대 90%를 차지할 수 있는 미지의 물질의 특성과 커피 멜라노이딘 형성에 관여하는 여러 화합물 간의 연결 유형 등, 이들의 구조에 대해서는 여전히 몇 가지 의문점이 남아 있다.
따라서 커피 멜라노이딘의 구조적 특성 규명은 여전히 큰 연구 관심 주제인데, 특히 이러한 화합물과 관련된 여러 생물학적 활성이 보고되었기 때문이다.






29.5BiologicalActivitiesandPotentialHealthImpacts&nbsp&nbsp&nbsp&nbspof Coffee Melanoidins


커피 추출액(brew)이 인간 식단에서 멜라노이딘의 주요 공급원 중 하나라는 점을 고려할 때 [4], 비아몰 커피 멜라노이딘의 생물학적 활성과 잠재적 건강 영향은 매우 중요한 관심사이며, 이는 최근 몇 년간 이 주제에 대한 연구 수가 증가하고 있는 것에서도 알 수 있다.
커피 멜라노이딘은 항산화, 항균, 항우식, 항염증, 항고혈압, 항당뇨 등 여러 가지 생물학적 활성을 가지고 있는 것으로 알려져 있지만, 이러한 활성(대부분 시험관 내 연구에 기반)이 인체 건강에 미치는 영향은 아직 명확하지 않다.
커피 멜라노이딘의 생물학적 활성을 보고하는 대부분의 연구는 커피 추출액으로부터 분리한 HMWM을 후속적인 정제(purification) 없이 사용하여 개발되었으며,단순히 멜라노이딘으로 명명되었다.
커피 브루 HMWM은 다당류와 단백질 등 다른 HMW 화합물을 포함하고 있기 때문에, 보고된 생물학적 활성을 담당하는 활성 성분에 대한 명확한 결론을 내릴 수 없다.
반면, 커피 또는 다른 식품에서 유래된 멜라노이딘의 대사 이동(metabolic transit) 및 생체 변형(biotransformation)에 대해서는알려진 바가 거의 없다 [71,72].
이 문제는 특히 혈류 내 멜라노이딘의 존재 또는 혈액을 통한 장기로의 이동에 의존하는잠재적 건강 영향과 관련된 활동과 관련이 있다.
멜라노이딘은 정의상 고분자량 분자(HMW) 화합물이며, 장 상피 장벽을 통과하는 능력은 아직 보고되지 않았기 때문이다.
실제로 커피 멜라노이딘은 인체 위장관에서 소화에 크게 저항하는 것으로 보이며, 이는 체외 위장관 효소 소화 모의 실험 후 커피 추출액 HMWM에서 회수된 저분자량 분자(HMWM의 14%에 불과함)에서 유추할 수 있다 [73,74].&nbsp
이하에서는 커피 멜라노이딘에 기인하는 생물학적 활성에 대해 현재까지 알려진 내용을 간략하게 제시한다.
이용 가능한 데이터에 따라, 커피 추출액에서 추정된 멜라노이딘 농도가 2~4 mg mL−1 [4], 그리고 중간(moderate) 소비자 및 다량(heavy) 소비자의 대장에서 0.25~1 mg mL−1[2]인 것을 바탕으로, 생물학적 관련성에 대한 몇 가지 고려 사항도 제시한다.
대장 내 농도는 중간 및 다량 소비자의 일일 커피 멜라노이딘 섭취량이 0.5~2.0 g이며[4], 대장이 최소 24시간 동안 최대 2L의 용량으로 멜라노이딘을 축적한다는 가정을 고려하여 추정했다 [23].





Antioxidantactivity(항산화활성)–
여러연구에따르면커피멜라노이딘은시험관내항산화활성을나타낸다[10,12,21,73,75].
그러나 이러한 연구 중 다수는 커피 추출액에서 분리한 HMWM을 정제 과정 없이 사용하여 개발되었다.
반면, HMWM을 2 M NaCl 용액에서 하룻밤 동안 배양하는 동안 방출된 저분자량 분자(LMW) 화합물은잔류 고분자 물질보다 높은 항산화 활성을 보였다.
이는 클로로겐산과 같이 멜라노이딘 골격에 비공유적으로 연결된 저분자량 화합물들이HMWM의 전반적인 항산화 활성에 중요한 기여를 한다는 것을 시사한다 [21,73,75].
커피브루멜라노이딘의항산화활성에대한배전도(degreeofroast)의영향과관련하여다른 결과들이 제시되었다 [12,21].
항산화 활성 테스팅을 위해 사용된 다양한 분석 절차가 보고된 결과의 차이에 기여할 수 있다.
멜라노이딘 모집단이 다양하기 때문에, 커피 브루 멜라노이딘을 분리하기 위해 사용된 다양한 절차 또한 결과의 차이에 기여할 수 있다.
다양한 멜라노이딘 모집단은 서로 다른 메커니즘을 통해 항산화 능력을 나타낼 수 있다.
이러한 메커니즘은 아직 완전히 밝혀지지 않았지만, 커피 멜라노이딘의 항산화 활성은자유 라디칼 종(free radical species)을 제거(scavenge)하는 능력 비아몰 및 금속킬레이트 능력(metal chelating capacity)과 관련이 있는 것으로 알려져 있다 [21,75].
인체 건강에 미치는 영향 측면에서 커피 멜라노이딘의 항산화 활성은지질 과산화(lipid peroxidation)를 예방하여산화적 손상으로부터의 보호에 중요할 수 있으며 [76,77],노화 관련 질환, 특히 신경 퇴행성 질환(neurodegenerative diseases) 및 심혈관 질환(cardiovascular diseases) 예방에 기여할 수 있다 [78].&nbsp





항균 활성(Antimicrobial activity) &ndash
커피 멜라노이딘(한외여과법(ultrafiltration)으로 분리한 커피 브루 HMWM)의 항균 활성을황색포도상구균(Staphylococcus aureus)과 같은 그람-양성 균주와 대장균(Escherichia coli)과 같은 그람-음성 균주에 대해 평가했다.
연구 대상 모든 균주에서, 세포 증식이 검출되지 않는 멜라노이딘 분획의 최저 농도로 정의되는최소 억제 농도(minimum inhibitory concentration, MIC)는 2~10 mg mL−1 범위였다 [79,80].
그람-양성 균은 커피 멜라노이딘 분획의 항균 활성에 더 민감하여그람-음성 균(≥4 mg mL−1)보다 낮은 MIC 값(2~3 mg mL−1)을 보였다.
이러한 MIC 값과 커피 추출액에서 추정된 멜라노이딘 농도 2~4 mg mL−1을 고려할 때 [4], 모든 커피 추출액은 구강 내 그람-양성 균에 대해 항균 활성을 나타내며, 일부 그람-음성 균에도 항균 활성을 나타낼 수 있다고 추론할 수 있다.
반면, 중간 소비자 및 다량 소비자의 대장에서 추정된 멜라노이딘 농도 0.25~1 mg mL−1을 바탕으로 [2],커피 멜라노이딘을 규칙적으로 섭취하면 대장 微生物叢에 대한 억제/조절 효과가 있지만, 예상대로 미생물 증식을 막지는 못할 것으로 예상할 수 있다.
배전도에 따른 효과와 관련하여, 배전도가 높을수록 세균 증식 억제 활성이 더 높다.
또한, 2 M NaCl에서 배양 후 HMWM에서 방출된 비공유 결합 화합물은 나머지 HMWM보다 항균 활성이 낮다 [81].&nbsp
커피 멜라노이딘의 항균력(antimicrobial capacity)은금속 킬레이트(metal chelating) 특성과 관련이 있는 것으로 알려져 있다 [79,80].
또한, 커피 멜라노이딘의 항균 활성에 대해 세 가지 다른 메커니즘이 제안되었다.
따라서, 멜라노이딘은 배양 배지(culture medium)로부터 철을 킬레이트(iron chelation)하여저농도에서 정균 활성(bacteriostatic activity)을 나타낼 수 있다.
철분 획득(iron acquisition)을 위해 시데로포어(siderophores, 담철세포, 철포식세포)를 생성할 수 있는 세균 균주의 경우, 멜라노이딘은 siderophore-Fe3+ complex를 킬레이트하여 이러한 병원성 세균의 독성을 감소시킬 수 있다.
마지막으로, 커피 멜라노이딘은 고농도에서도 세포막에서 Mg2+ 양이온을 제거하여 세포막 파괴를 촉진하고 세포 내 분자의 방출을 허용함으로써 살균 활성을 나타낼 수 있다.
그람-음성 균과 그람-양성 균의 뚜렷한 민감도와 관련하여, 그람-양성균에는 외막(outer membrane)이 없기 때문에 커피 멜라노이딘의 항균 활성에 더 취약한 것으로 추정된다 [79].
커피 멜라노이딘은 위 내강에서 타액의 아질산염(nitrite) 및 티오시아네이트(thiocyanate)와 반응하여 산화질소(nitric oxide, NO)를 생성할 수 있다.
위에서 NO가 생성되면 미생물 증식을 억제하고 점막 흐름, 점막 형성 및 위 운동성을 조절하는 데 기여할 수 있다 [82].





抗齲蝕 作用(Anticariogenic activity) –
또한 항균작용과 관련하여, 커피 멜라노이딘의 잠재적인 抗齲蝕 作用은 커피 추출액에서 분리된 HMWM과 HMWM에서 회수된 멜라노이딘 분획이 타액으로 코팅된 수산화인회석 비아몰 비드(saliva-coated hydroxyapatite beads)에 대한 Streptococcus mutans의 수크로오스-의존적 부착 및 분리에 영향을 미치고마이크로리터 플레이트(microliter plates)에서 바이오필름 형성을 억제하는 능력을 기반으로 보고되었다.
6 mg mL−1의 농도에서 Streptococcus mutans가 비드에 부착하는 것을91% 억제하고 바이오필름 생성을 없앴다 [83].
커피 추출액의 추정 멜라노이딘 농도(2~4 mg mL−1)를 고려할 때 [4], 커피 추출액이 齒牙 齲蝕 豫防에 도움이 될 것으로 예상할 수 있다.
커피 멜라노이딘의 抗齲蝕 作用은 또한 Streptococcus mutans의 접착 특성에 대한 커피 음료의 항접착 효과(antiadhesive effect)에 의해 입증된다 [84].





腸內 細菌個體數 調節(Modulation of the bacterial colon population) –
커피 추출액 HMW 분획(>100, 50–100, 10–50 및 3–10 kDa)을 인간 분변 세균으로 시험관 발효한 후, 405 nm에서 흡광도가 감소한 것으로 유추할 수 있듯이, 멜라노이딘은 인간 장에서 분해/변형된다.
모든 커피 분획에서 Bacteroides-Prevotella (가균체-프레보텔라)의 증가도 관찰되었다 [85].
이 결과는 &rArr인스턴트 커피를 적당히 섭취하면 &nbsp&nbsp분변에서 검출되는 Bacteroides-Prevotella 세균 수가 증가한다는 것을 보여주는&nbsp&nbsp인간 자원자 연구와 일치한다 [86].&rArr이생체내연구에서주요박테리아증가는&nbsp&nbsp프로바이오틱 효과(their probiotic effects)로 알려진 &nbsp&nbsp비피도박테리움 속(Bifidobacterium spp.)에서 관찰되었다 [87,88].
그러나 멜라노이딘은 프리바이오틱(prebiotic) 특성을 가진 것으로 알려진 다당류와 혼합되어 존재하기 때문에,이러한 효과가 멜라노이딘에만 기인하는지 여부는 공개할 수 없다.
그럼에도 불구하고, 커피 멜라노이딘이 대장 내 박테리아 개체 수를 조절하는 능력은 모델 멜라노이딘 용액을 통해 입증되었다 [89,90].&nbsp





기질 금속단백분해효소 억제 (Inhibition of matrix metalloproteases) –
종양 성장 및 전이와 관련된 엔도펩티다아제(endo-peptidases)인 기질 금속단백분해효소(matrix metalloproteases, MMP)의 억제제로서 커피 멜라노이딘의 잠재적 활성[91]은 (볶은) 커피 브루에서 분리한 HMWM이 대장암 발병에 관여하는 것으로 여겨지는특정 인간 MMP, 특히 MMP-1, MMP-2, MMP-9의 시험관 내 활성을 저해하는 능력을 기반으로 보고되었다 [92].
모든 MMPs(및 roasting times >10분)에 대해 50% 억제 농도(IC50) 값, 즉 50% 억제를 낳는 농도는 0.2~1.1 mg mL−1 범위였지만, 커피 생두 추출액에서 분리한 HMWM은 최대 2.5 mg mL−1 농도에서 어떤 MMP에 대해서도 유의미한 억제 활성을 보이지 않았다 [23].
볶은 커피 브루에서 얻은 IC50 값은 중간 및 다량 소비자들의 대장에서 추정되는 멜라노이딘 농도(0.25–1 mg mL−1)와 비슷한데, 이는 커피 멜라노이딘의 MMP 억제 활동이 대장암에 대한 보호 효과를 제공할 수 있음을 시사한다.





抗高血壓 活性(Antihypertensive activity) –
다른 효소 시스템의 조절과 관련하여, 커피 멜라노이딘[23,93]과, 그리고 모델 시스템에서 얻은 마이야르 반응 화합물들[94]이 안지오텐신-I 전환 효소(angiotensin-I converting enzyme, ACE)를 억제할 수 있다는 보고가 있다.
ACE는 혈압을 조절하는 레닌-안지오텐신 시스템(renin-angiotensin system)의 핵심 요소이므로, ACE 억제제는 고혈압 치료에 중요하다 [95].
멜라노이딘의 잠재적인 ACE 억제 활성에 대한 작용 기전은 아직 명확하지 않지만, 다양한 기전이 제시되었다 [93,94].
ACE는 아연-의존 효소이므로 [95], 멜라노이딘의 억제 활성은 금속 킬레이트 특성에서 비롯될 수 있다.
또한, 멜라노이딘은 비아몰 ACE non-competitive inhibitors (비경쟁적 억제제)로 작용하여, 활성 중심 이외의 영역에서 효소에 결합하여 효소를 변형시키고 기질과의 결합을 방해할 수 있다 [96].
2 mg mL−1 농도의 인스턴트 커피 HMWM은 시험관 내 ACE 활성을 37–45% 억제했다 [93].
이 결과는 시험관 내 ACE 활성을 50% 억제하려면, 1.5 mg mL−1보다 높은 농도의 커피 브루 HMWM이 필요하다는 것을 보여주는 다른 연구와 일치한다 [23].
하루 0.5~2.0 g의 커피 멜라노이딘 추정 섭취량[4]과 혈중 흡수, 체류 및 희석을 바탕으로, 커피 섭취로 인한 멜라노이딘의 양은 ACE 억제에 영향을 미치는데 필요한 농도에 도달하지 못할 것으로추정할 수 있다.





抗炎症 活性(Anti-inflammatory activity) –
3개월 동안 고지방 식이를 섭취하고 2개월차부터 디카페인 커피 또는 멜라노이딘(디카페인 커피에서 분리된 HMWM)을 섭취한 쥐의 肝 샘플을물을 마시는 대조군 쥐의 샘플과 비교하여 분석한 결과, 종양괴사인자(tumor necrosis factor) α(TNF-α) 및 interferon-γ(IFN-γ)와 같은 염증성 사이토카인(proinflammatory cytokines) 농도가 감소하고, interleukin-4 (IL-4)와 같은 항염증성 사이토카인(anti-inflammatory cytokines)은 증가하는 것으로 나타났다.
이는 커피 멜라노이딘이 특히 肝에서 항염증 활성을 나타낼 수 있음을 시사한다.
따라서 같은 연구에서 커피 멜라노이딘의 항염증 활성이 비알코올성 지방간염(non-alcoholic steatohepatitis)과 같은 간 질환의 진행을 막는 데 역할을 할 수 있다고보고되었다 [97].
이 연구와 일치하게, 쥐를 대상으로 실시한 다른 연구에서도 커피 브루의 항염 작용(anti-inflammatory action)이 보고되었다 [98,99].&nbsp





抗糖化 活性(Antiglycative activity) –
커피 멜라노이딘의 잠재적인 抗糖化 活性(antiglycative activity)은 커피 추출액 HMWM이 포도당(glucose)을 이용한 소(牛) 혈청 알부민 (bovine serum albumin)의 시험관 내 당화를 억제하는 능력을 바탕으로 보고되었다.
274 μg mL−1의 HMWM 농도는 당화의 50%를 억제할 수 있었다 (IC50) [22].
흡수되어 혈액에 존재하는 멜라노이딘의 비율은 정의되어 있지 않지만, 커피 멜라노이딘의 하루 섭취량 추정치를 바탕으로 [4],혈중 멜라노이딘 농도는 커피 추출액의 가능한 항당화 활성에 대한 유효 용량 범위 내에 있을 것으로 추정할 수 있다.
당화 최종산물은 당뇨병 합병증(diabetes complications)의 중요한 매개체로 간주되므로, 당화 억제제는 예방 또는 치료적 잠재력으로 인해 큰 관심을 받고 있다 [100].



상기하위섹션들에서보고된내용을요약하여,
Table29.1은➡ 커피멜라노이딘과관련된생물학적활성들을보여주며,➡ 커피브루의추정멜라노이딘농도와일일섭취량을고려한생물학적관련성을나타낸다. a커피브루내추정멜라노이딘농도와일일섭취량을고려할때,생물학적관련성이있다(V),없다(X);&nbsp다른 커피 성분들의 공헌에 의해 영향 받는 경우 (—).




29.6 Conclusions


커피 생두로스팅과정에서갈락토만난,아라비노갈락탄,수크로오스,단백질,클로로겐산이반응하여질소를함유한다양한종류의HMW갈색화합물(멜라노이딘)을생성한다.
멜라노이딘의 정확한 구조와 생성 기전은 아직 밝혀지지 않았지만, 잠재적인 건강상의 이점을 가진 여러 생물학적 활성과 관련이 있는 것으로 알려져 있다.
그러나 커피 멜라노이딘의 생물학적 활성에 대해서는 더 많은 연구가 필요하다.
앞서 언급했듯이, 현재까지 수행된 대부분의 연구는 커피 브루에서 분리한 HMWM을 정제 과정 없이 사용하여 수행되었기 때문에 생물학적 활성을 담당하는 활성 성분에 대한 명확한 결론을 내리기 어렵다.
또한, 커피 멜라노이딘의 대사 및 생물학적 변형, 그리고 다양한 커피 멜라노이딘의 구조와 생물학적 활성 간의 관계를 이해하기 위한 향후 연구가 필요하다.


References