GLOBAL IMPACT AND FUTURE DIRECTION

Phytase, a New Life for an “Old” Enzyme

 

 

 

GLOBAL IMPACT AND FUTURE DIRECTION

 

 

 

Past Success, Current Challenges, and Future Direction of Phytase

 

 

단순한 위 식품 생산 종에 의한 분뇨 인 배설을 줄이기 위한 환경적 필요성이 높아지면서 현재의 피타아제 연구 및 적용이 이루어졌습니다.

초기 성공은 통제된 동물 실험과 대규모 공개 생태학 연구를 통해 기록되었습니다.

놀랍게도, 동물 사료의 피타제 보충은 지난 10년 동안 퀘벡(캐나다)의 확산 오염이 지배적인 10개 강 중 8개 강에서 총 인 농도의 감소에 기여하는 것으로 밝혀졌습니다(156).

피타제 시장이 연간 약 3억 5천만 달러에 도달하는 데는 1991년 피타제의 첫 상업적 출시 이후 20년이 걸렸지만, 몇 가지 요인으로 인해 피타제 적용이 훨씬 더 큰 가치로 확대될 가능성이 높습니다.

첫째, 집약적인 축산 분야에서 환경에 대한 인산염 부하를 줄이는 것은 아직 갈 길이 멀다(157).

위에서 언급한 퀘벡 연구에서와 같이, 테스트된 10개 강 중 7개 강은 부영양화로부터 하천을 보호하기 위한 퀘벡 수질 지침보다 최소 2배 더 높은 중앙값 P 농도를 나타냈습니다.

그 결과, 많은 국가와 주에서는 피타아제를 동물 사료에 포함시키는 특별법을 제정했습니다.

둘째, 사료-인 보충제의 두 가지 주요 전통적인 공급원인 일인산칼슘 및 인산이칼슘과 같은 무기 인과 고기 및 뼈 가루의 공급이 제한되거나 금지되고 있습니다.

중국, 인도 및 기타 경제 성장이 강한 국가의 수요 증가, 유가 상승, 동물 생산 시스템의 총 에너지 비용에서 사료가 차지하는 비중이 크기 때문에(158), 무기 인의 보충은 더 비싸지고 지속 가능성이나 비용 효율성이 떨어집니다.

위에서 지적한 바와 같이 인산이칼슘 가격은 2007년 이전 200달러에서 톤당 1,200달러로 인상되었습니다.

더욱이, 현재 속도로 무기 인산염을 사료에 적용하면 향후 50년 동안 재생 불가능한 자원의 고갈이 가속화될 것입니다.

광우병과 같은 질병의 종간 전염 가능성을 방지하기 위해 값싼 사료 인 공급원인 육류 및 골분의 식이 보충제를 유럽에서 금지함으로써 사료-인 공급의 주요 공급원이 차단되었습니다.

셋째, 바이오연료와 다양한 식물의 기타 산업 생산물은 새로운 사료 공급원으로서 대량의 고함량 바이오매스를 제공할 것입니다(159).

실제로 식물 피테이트의 전 세계 생산량은 연간 5,100만 톤 이상으로 추산되며, 이는 2000년 전 세계적으로 비료로 판매된 원소 인의 약 65%를 차지합니다(160).

따라서 미래에 피타아제에 대한 더 큰 수요로 인해 이 효소는 축산에만 적용되는 것보다 더 큰 사회경제적 영향을 미칠 수 있습니다.

 

 

Next-Generation Phytase Tailored for Species and Diets

 

 

1세대 곰팡이 피타아제와 2세대 박테리아 피타아제의 영양가와 환경적 이점은 다양한 종에 대해 잘 확립되어 있지만, 이용 가능한 단일 피타아제는 모든 종에서 최대 효능을 발휘할 수 없습니다.

이는 각 피타아제가 최적의 pH 및 온도, 열, 단백질 분해, 산도 및 금속에 대한 저항성과 같은 고유한 특성을 갖고 있기 때문입니다.

한편, 피타아제의 주요 기능 부위인 위장(107, 110)에서 이러한 매개변수의 조건은 종에 따라 또는 연령에 따라 상당히 다양합니다.

눈에 띄는 예는 육상 동물(37~38C)과 수생 동물(16C) 사이의 체온 차이입니다(19).

이는 가금류나 돼지에 비해 생선 사료에 피타아제 보충량이 3~4배 더 필요하다는 결과입니다.

또 다른 예로서, 산란계 사료에는 종종 칼슘이 4%까지 함유되어 있는데, 이는 육계와 돼지 사료의 칼슘 함량보다 훨씬 높고 피타제 효능에 부정적인 영향을 미칩니다(63).

이용 가능한 단일 피타아제는 모든 종의 소화 시스템 조건에 이상적이거나 호환 가능하지 않기 때문에 피타아제를 성숙하고 경쟁력 있는 상품으로 만들기 위해서는 특정 종이나 동물 유형에 맞는 여러 효소를 개발해야 합니다.

피타아제는 의심할 여지 없이 지난 20년 동안 가장 일관되고 효과적인 사료 효소였지만, 생산 시 프로테아제 및 비전분 다당류 효소와 같은 다른 효소와 피타아제를 식품에 첨가하는 방식이 더욱 보편화되었습니다.

그러나 사료 적용을 위한 피타제의 이전 스크리닝 및 특성화는 배타적이지는 않지만 주로 다양한 동물의 사료에 효소를 포함시키는 것에 기초를 두었습니다.

따라서 기존 및 새로운 피타아제는 원하는 전반적인 반응을 달성하기 위해 다른 사료 효소와의 시너지 효과 및 호환성을 테스트해야 합니다(15, 161).

열, 산 및 단백질 분해에 대한 피타아제 저항성은 실제적으로 중요하지만, 하부 장 및 대변에 과도하고 잔류하는 보충 피타아제의 가능한 영향을 완전히 무시해서는 안 됩니다.

 

 

 

Novel and Unexpected Functions of Phytase

 

피타아제의 가장 잘 연구된 기능은 피테이트-인 방출 또는 무기 인 대체 등가물입니다(162).

칼슘, 철, 아연 및 기타 금속의 활용에 대한 피타아제의 병행 이점이 종종 나타나는 반면, 아미노산 소화율 또는 에너지 효율성에 대한 영향은 일관되지 않거나 모호합니다(14).

특히, 최근의 동물 실험은 분자, 생화학적, 대사적 영향이나 생체 내 피타아제 조절로 옮겨갔습니다.

Woyengoet al. (163)은 새끼 돼지의 소장에서 Na 의존성 포도당 운반체 1 유전자 발현이 피트산에 의해 감소되었지만 식이성 피타아제에 의해 회복된다는 사실을 발견했습니다.

Józefiaket al. (164)은 다중 탄수화물 분해효소와 피타아제 보충이 전지방 유채가 포함된 사료를 먹인 육계에서 성장 성능과 간 인슐린 수용체 민감성을 향상시킨다는 것을 입증했습니다.

Lei와 동료들은 돼지의 장내 미생물에 대한 보충 피타아제의 효과를 확인했습니다(X.G. Lei, 미공개 데이터).

또한, 근육 단백질 발현(165) 및 피타제 매개 가수분해에 의한 이노시톨 인산염(166)에 의한 신호 전달에 대한 피타제(탈피틴화)의 효과는 잘 설명된 영양 및 환경적 역할을 넘어서 피타제의 새로운 기능을 밝히기 위해 테스트되었습니다.

 

 

 

New Applications of Phytase

 

 

인간 식품에 피타제를 적용하는 것은 동물 사료의 적용을 초과하지는 않더라도 동일할 수 있습니다.

이는 피테이트가 철, 아연, 칼슘을 포함한 필수 미네랄을 킬레이트화하고 전 세계적으로 약 20억~30억 명의 사람들에게 이러한 영양소 결핍을 유발하거나 악화시키기 때문입니다.

실제로 피타제 또는 피타제 생산 박테리아(167)의 효과는 인간 중재 또는 효능 시험(168)에서 설명되었습니다.

향상된 빵철 가용성(169); 유아용 조제분유, 유아용 시리얼 및 보완 식품의 탈피틴화에 사용됩니다(170).

그러나 몇 가지 문제로 인해 인간 영양에서 피타아제의 광범위한 적용이 제한되었습니다.

첫 번째 문제는 재조합 피타아제에 대한 소비자의 인식과 쉽게 이용할 수 있는 천연 피타아제가 부족하다는 것입니다.

두 번째는 이노시톨 폴리포스페이트 키나제 또는 기타 돌연변이의 파괴를 통한 피트산 생합성 손상을 통한 피타제 섭취와 피트산 함량이 낮은 작물의 직접 섭취를 비교하는 것에 대한 논쟁입니다(171).

세 번째 문제는 식품과 위장관에서 피테이트와 다른 형태의 이노시톨 인산염의 항산화 역할을 상실할 경우 발생할 수 있는 잠재적인 건강 위험입니다(172).

인간의 건강과 의학에 피타제를 적용하는 것은 흥미롭고 새로운 길을 제시할 수 있습니다.

Paganoet al. (173)은 어린 돼지의 뼈 발달을 위한 고식이성 피타아제 보충의 비인 관련 이점을 입증했습니다.

돼지는 인간에게 훌륭한 모델이기 때문에 돼지 결과가 인간에게 적용될 수 있는지 테스트하는 것은 흥미로울 것입니다.

예를 들어 피타아제는 골다공증을 치료하거나 예방하기 위해 단독으로 사용하거나 스트론튬과 같은 다른 시약과 함께 사용할 수 있습니다.

최근 인간을 대상으로 한 연구에서는 미용 안면 주름, 양성 본태 안검 연축 및 편측 안면 연축의 치료에서 보툴리눔 독소의 효능을 향상시키는 데 있어 아연 및/또는 피타아제의 잠재적인 역할을 제안했습니다(174).

특정 이노시톨 인산염의 잠재적인 건강 가치가 잘 알려져 있기 때문에 피타제 및 피타제 생산 세포는 이러한 화합물의 대규모 생산을 위한 비용 효과적인 생물 반응기로서 다양한 매트릭스에 고정됩니다(175). 식품 가공(176) 및 바이오 연료 생산(177)에 피타제를 산업적으로 적용할 수 있는 잠재력이 큽니다.

알코올 생산을 개선하기 위해 양조에 피타제를 사용하려는 많은 성공적인 시도가 있습니다(178). 빵 제조 시 교정 시간, 빵 조각의 너비/높이 비율, 특정 부피 및 부스러기 견고성을 개선하기 위한 것(179); 두유의 탈수(180); 및 대두 b-콘글리시닌과 글리시닌의 분리(181).

한편, 적절한 자일라나제와 함께 내열성 피타제는 펄프 및 제지 산업에서 강력한 첨가제로 제안되었습니다(182, 183).