설탕을 사용하지 않고, 잎 자체가 달콤한 - "스위트 티"의 비밀이 밝혀지다

달콤한 홍차라고 하면, 많은 사람들이 설탕을 듬뿍 넣은 아이스티를 떠올릴지도 모른다.

그러나 이번 연구 대상이 된 "스위트 티"는 일반적인 홍차에 설탕을 넣은 음료가 아니다. 중국의 일부 지역에 자생하며, 전통적으로 달콤한 차로 이용되어 온 너도밤나무과 식물인 Lithocarpus litseifolius를 가리킨다.

이 식물의 어린 잎이나 새싹에서 만들어지는 음료는 설탕을 첨가하지 않아도 강한 단맛을 느낄 수 있다. 그 원인은 잎 속에 다량으로 축적되는 "디하이드로칼콘"이라 불리는 식물 성분 때문이다.

그 중에서도 중심이 되는 것은 플로리진과 트릴로바틴이다. 이들은 당과 결합한 플라보노이드 계열의 화합물로, 식물에게는 방어나 환경 적응 등에 관련되어 있다고 생각되는 한편, 인간에게는 강한 단맛을 나타내는 천연 유래 성분으로 주목받고 있다.

그러나 스위트 티가 어떤 화학 반응을 거쳐 이처럼 다량의 단맛 성분을 만드는지는 오랫동안 잘 알려지지 않았다.

저장대학교 차 연구소 등의 연구팀은 이번에 그 복잡한 "식물 내의 감미료 공장"을 유전자와 효소 수준에서 자세히 조사했다.

어린 잎의 건조 중량의 30%가 단맛 관련 성분

스위트 티의 최대 특징은 디하이드로칼콘류의 함유량이 극히 높다는 것이다.

원저 논문에 따르면, 잎에 포함된 플로리진과 트릴로바틴 등의 비율은 건조 중량의 약 21~33%에 달할 수 있다. 즉, 수분을 제외한 어린 잎의 상당 부분이 단맛에 관련된 성분으로 구성되어 있다는 것이다.[1][2]

사과의 잎이나 나무껍질에도 플로리진은 존재하지만, 스위트 티의 함유량은 사과속 식물보다 높다. 이 때문에, 같은 식물은 천연 감미 성분의 공급원으로서뿐만 아니라, 디하이드로칼콘의 생합성을 연구하는 모델 식물로도 적합하다.

최근 식품업계에서는 설탕 사용량을 줄이면서도 맛을 유지하는 기술이 요구되고 있다.

그러나 설탕은 단순히 달게 하는 재료가 아니다. 음료에서는 입안의 감촉이나 향의 느낌에 영향을 미치고, 과자에서는 부피, 굽기 색깔, 보습성, 식감에도 관련된다. 그 때문에 설탕을 다른 감미료로 대체하는 것만으로는 원래의 제품과 같은 맛이나 품질을 재현할 수 없는 경우가 많다.

그럼에도 불구하고, 소량으로 충분한 단맛을 낼 수 있는 식물 성분을 안정적으로 만들 수 있게 되면, 음료, 유제품, 과자, 건강식품 등에서 설탕을 줄이기 위한 새로운 선택지가 될 수 있다.

이번 연구는 그 원료를 대량으로 채취하는 방법이 아니라, 식물이 단맛 성분을 만들기 위해 사용하고 있는 "설계도"를 밝혀낸 점에 큰 의미가 있다.

지금까지 설명할 수 없었던 "이중 결합"의 처리

식물이 디하이드로칼콘을 만들 때는, 여러 원료와 효소가 순서대로 반응한다.

최종적으로 플로리진이나 트릴로바틴을 만들기 위해서는, 먼저 "플로레틴"이라는 기본 골격을 합성해야 한다. 그 과정에서는 출발 물질에 포함된 탄소끼리의 이중 결합을 단일 결합으로 바꾸는 환원 반응이 필요하다.

종래에는, 보조효소 A와 결합한 p-쿠마로일 CoA라는 물질에 대해, 이중 결합 환원 효소가 직접 작용한다는 설명이 유력했다.

그러나 사과 등을 이용한 과거의 실험에서는, 후보로 지목된 효소가 기대대로 작동하지 않는 경우가 보고되었다. 시험관 내에서는 반응이 확인되지 않거나, 다른 생물에 유전자를 도입해도 목적 성분이 충분히 만들어지지 않거나 하는 등, 결과가 일치하지 않았다.

이번 연구팀은 "환원 반응이 일어나는 단계 자체가 다른 것이 아닐까"라고 생각했다.

조사 결과, 이중 결합의 환원은 종래 상정되었던 CoA 결합형 물질이 아니라, 중간에 만들어지는 알데히드형 물질에 대해 일어나고 있는 것으로 나타났다.

먼저, LlCCR로 명명된 효소가 p-쿠마로일 CoA를 p-쿠마르알데히드로 변환한다. 다음으로 LlDBR1이라는 효소가 알데히드 상태가 된 분자의 이중 결합을 환원하여, 디하이드로-p-쿠마르알데히드를 만든다.

이 발견으로 인해, 과거의 연구에서 일부 효소가 CoA 결합형 물질에 반응하지 않았던 이유를 설명할 가능성이 생겼다.

말하자면, 연구자들은 지금까지 "다른 공정에 있는 작업자"에게 일을 시키려고 했던 것이다. 실제로 LlDBR1이 담당하는 것은, 그 하나 후의 알데히드 공정이었다.

24개의 후보 유전자를 하나씩 검증

연구팀은 스위트 티의 유전자 발현 정보에서, 단맛 성분의 합성에 관련될 가능성이 있는 24개의 유전자를 선별했다.

대상에는, 신나모일 CoA 환원 효소, 이중 결합 환원 효소, 알데히드 탈수소 효소, 4-쿠마로일 CoA 리가제, 칼콘 합성 효소, 당 전이 효소 등이 포함된다.

연구에서는, 후보 유전자를 대장균 등에서 발현시켜 효소를 만들고, 어떤 물질에 반응하는지를 시험관 내에서 확인했다. 단순히 유전자의 존재를 조사한 것뿐만 아니라, 반응 속도와 기질의 선택성도 검증하고 있다.

더 나아가, 특정 유전자의 기능을 일시적으로 억제하는 안티센스 올리고데옥시리보뉴클레오타이드를 식물에 주어, 잎에 포함된 디하이드로칼콘 양이 어떻게 변하는지도 조사했다.

LlCCR, LlDBR1, LlALDH1, Ll4CL2 등의 유전자를 억제하면, 목표로 하는 단맛 성분의 양이 감소했다. 또한, 트릴로바틴을 만드는 LlP4′GT나, 플로리진을 만드는 LlP2′GT1을 억제한 경우에도, 각각의 성분량이 감소했다.

시험관 내의 효소 실험과, 살아있는 식물에서의 유전자 억제 실험 모두가 같은 방향을 나타낸 것으로, 각 효소가 실제 식물 내에서도 생합성에 관여하고 있을 가능성이 강하게 뒷받침되었다.

하나가 아니었던 플로레틴으로의 길

이번에 연구팀이 제시한 또 하나의 중요한 발견은, 단맛 성분의 기본 골격인 플로레틴에 이르는 경로가 하나가 아니었다는 것이다.

공통의 중간체인 디하이드로-p-쿠마르알데히드에서, 적어도 두 가지 경로로 플로레틴을 만들 수 있음이 나타났다.

첫 번째 경로에서는, LlALDH1이 알데히드를 산으로 변환하고, Ll4CL2가 다시 CoA를 부가한다. 그 후, 칼콘 합성 효소 LlCHS1이 반응하여 플로레틴을 만든다.

두 번째 경로에서는, LlCCR이 통상과는 반대 방향의 반응에도 관여하여, 중간체에서 플로레틴 합성에 필요한 물질을 공급한다. 거기에 LlCHS1이 작용하여 플로레틴이 만들어진다.

하나의 목적지로 가는 도로가 두 개 준비되어 있는 구조이다.

한쪽 경로에서 원료나 효소가 부족해도, 다른 쪽을 이용할 수 있으면 생산을 계속할 수 있다. 식물에게는 성장 상황이나 환경 조건에 따라 대사의 흐름을 조정할 수 있게 된다.

식품 산업의 관점에서는, 두 가지 경로 중 생산 효율이 높은 쪽을 선택할 가능성이 있다. 효모나 대장균 등에 유전자를 삽입하여, 발효 탱크 내에서 플로레틴이나 트릴로바틴을 생산하는 경우에도, 숙주가 되는 미생물에 적합한 경로를 설계할 수 있을지도 모른다.

나무를 단단하게 하는 효소가, 단맛 성분에도 관여

특히 흥미로운 것은, LlCCR의 다기능성이다.

CCR이라 불리는 효소는 보통, 식물의 세포벽을 강화하는 리그닌의 합성에 관여한다. 리그닌은 식물의 줄기나 줄기를 단단하게 하고, 물을 운반하는 조직을 지탱하는 중요한 성분이다.

그러나 스위트 티에서는, LlCCR이 리그닌 합성뿐만 아니라, 단맛 성분인 디하이드로칼콘의 생산에도 관여하고 있었다.

식물이 가진 탄소 자원은 무한하지 않다. 같은 출발 물질을, 몸을 강하게 하는 리그닌으로 돌릴 것인지, 아니면 디하이드로칼콘으로 돌릴 것인지를 선택할 필요가 있다.

LlCCR은 그 분기점 부근에서 대사물의 흐름을 조절하는 "스위치" 같은 역할을 하는 것으로 생각된다.

어리고 부드러운 잎에서는, 아직 대량의 리그닌을 만들 필요가 없는 한편, 곤충이나 자외선 등으로부터 몸을 지키기 위한 이차 대사물이 필요하다. 디하이드로칼콘이 식물 내에서 정확히 어떤 방어 기능을 가지는지는 앞으로의 과제이지만, 어린 잎에 단맛 성분이 집중되는 것은 식물의 성장 전략과 관련이 있을 가능성이 있다.

왜 어린 잎일수록 달콤한가

연구에서는, 어린 잎에 디하이드로칼콘이 대량으로 축적되는 이유도 조사되었다.

하나는, LlCCR이 출발 물질을 효율적으로 처리할 수 있기 때문이다. 또 하나는, 합성 경로의 하류에 있는 당 전이 효소가, 어린 잎에서 강하게 발현되고 있다는 것이다.

플로레틴에 당을 부가하는 위치에 따라, 완성되는 성분이 달라진다.

LlP4′GT가 작용하면 주로 트릴로바틴이 만들어지고, LlP2′GT1이 작용하면 주로 플로리진이 만들어진다. 이러한 당 전이 효소가 활발히 작용하기 때문에, 만들어진 플로레틴이 차례로 안정된 배당체로 변환되어, 잎 속에 축적된다.

당을 부가하는 반응은, 식물에게 단순한 마무리 작업이 아니다. 물에 녹기 쉬움, 세포 내 이동, 독성, 저장의 용이성 등을 변화시키는 중요한 공정이다.

즉, 스위트 티는 단맛 분자를 만드는 능력뿐만 아니라, 그것을 안정된 형태로 가공하여 저장하는 능력에도 뛰어나다.

설탕의 약 300배라는 단맛은 사실인가

최근 발표된 중국의 기능성 스위트 티에 관한 총설에서는, 트릴로바틴이나 플로리진 등의 디하이드로칼콘 계열 성분에 대해, 자당의 약 300배의 단맛을 가진다는 문헌 정보가 소개되고 있다.[3]

다만, "300배 달다"는 숫자는 단순히, 설탕의 300분의 1을 넣으면 같은 제품이 된다는 의미는 아니다.

고감미도 감미료는, 단맛을 느끼기 시작하는 시간이나, 단맛이 입에 남는 길이가 설탕과 다르다. 플로리진이나 관련 성분에는, 단맛의 시작이 느리고, 후반에 청량감을 동반한 여운이 나타난다는 보고도 있다.

또한, 식품에 포함된 카테킨 등의 쓴맛 성분과의 조합에 따라, 단맛의 느낌이 약해질 가능성도 제시되고 있다. 한편, 소량의 설탕과 조합했을 경우에는, 단맛이 상승적으로 강해질 가능성이 있다.

이 때문에, 실제 제품 개발에서는, 한 종류의 단맛 성분으로 모든 설탕을 대체하는 것이 아니라, 소량의 설탕이나 다른 감미료, 향, 산미 등을 조합하는 방법이 현실적일 것이다.

중요한 것은, 단맛의 강도만이 아니다. 입에 넣은 순간의 단맛, 삼킨 후의 여운, 쓴맛이나 떫은맛, 향과의 조화까지 포함한 "단맛의 시간 설계"가 필요하다.

미생물이 천연 감미 성분을 만드는 시대에

생합성 경로가 밝혀지면, 식물에서 성분을 추출하는 것 외의 생산 방법을 검토할 수 있다.

예를 들어, 효모나 대장균에