Lipase-catalyzed synthesis of erythorbyl myristate as a novel multi-functional food emulsifier with antioxidative and antibacterial properties

Abstract

Erythorbyl myristate, a promising multi-functional emulsifier with antioxidative and antibacterial properties, was synthesized by enzymatic esterification of erythorbic acid and myristic acid using immobilized lipase (Novozym 435®). Liquid chromatography–electrospray ionization–mass spectrometry and two-dimensional correlation spectrometry, as well as proton nuclear magnetic resonance analyses, identified the structure of the product as 6-O-myristoyl-erythorbic acid. The multi-functionality of erythorbyl myristate was evaluated in terms of its emulsification, antioxidative, and antibacterial properties. The hydrophilic–lipophilic balance (11.5) and n-octanol/water partition coefficient (5.02) were calculated from erythorbyl myristate molecular structure and critical micelle concentration (0.33 mM) was measured using isothermal titration calorimetry; the results indicated that erythorbyl myristate could form an oil-in-water emulsion with high hydrophobicity. Next, the radical scavenging activity of erythorbyl myristate1 was determined using 2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) II (ABTS) and 2,2-diphenyl-1-picryl-hydrazyl-hydrate (DPPH) assays. The radical scavenging activity of erythorbyl myristate, which is derived from erythorbic acid, had a half-maximal effective concentration of 34.43±1.54 and 35.77±0.04 μM according to the ABTS and DPPH assays, respectively. Finally, antibacterial property screening demonstrated that erythorbyl myristate exerted both bacteriostatic and bactericidal activities on Gram-positive foodborne pathogens such as Staphylococcus aureus (minimum inhibitory concentration: 0.50–0.60 mM; minimum bactericidal concentration: 0.60–1.00 mM) and Bacillus cereus (minimum inhibitory concentration: 0.025–0.10 mM; minimum bactericidal concentration: 0.05–0.10 mM). However, erythorbyl myristate was ineffective against Gram-negative foodborne pathogens such as Escherichia coli and Salmonella Typhimurium. Transmission electron microscopy analysis suggested that alteration of membrane permeability was the mechanism for the antibacterial property of erythorbyl myristate. Therefore, erythorbyl myristate has potential as an excellent multi-functional emulsifier with antioxidative and antibacterial properties for use in the food industry.

본 논문에서는 항산화와 항균능을 가진 다기능성 유화제로 이용이 기대되는 에리소르빌 미리스테이트 (erythorbyl myristate)를 고정화 라이페이스를 이용하여 에리소르빈산과 미리스트산 간의 효소적 에스터화 반응을 통해 합성하였다. LC-ESI-MS 와 2D-COSY 1H-NMR 분석을 통해 반응 생성물의 구조가 6-O-myristoyl erythorbic acid임을 확인하였다. 에리소르빌 미리스테이트의 다기능성은 유화능, 항산화능, 항균능에 대하여 평가되었다. 유화능의 경우, 에리소르빌 미 리스테이트의 분자구조로부터 hydrophilic-lipophilic balance (11.5)와 log P (5.02)를 계산하였고 , 등온열량측정기(ITC)를 통해 CMC (0.33 mM)을 측정하였다. 이러한 수치들은 에리소르빌 미리스테이트이 소수성 특성이 높은 수중유적형 에멀젼을 형성할 수 있음을 보여준다. 항산화능의 경우 ABTS assay 와 DPPH assay 를 통해 에리소르빌 미리스테이트의 라디칼 소거능으로써 평가하였다. 에리소르빌 미리스테이트의 라디칼 소거능은 에리소르빈산으로부터 유래하였으며, 에리소르빌 미리스테이트의 반수 최대 유효농도(EC 50)는 ABTS assay에서는 34.43±1.54 μM 그리고 DPPH assay에서는 35 .77±0.04 μM 으로 나타났다. 마지막으로 에리소르빌 미리스테이트의 항균능의 경우, Staphylococcus aureus (최소저해농도: 0.50-0.60 mM, 최소사멸농도: 0.60-1.00 mM)와 Bacillus cereus (최소저해농도: 0.025-0.10 mM , 최소사멸농도: 0.05-0.10 mM)와 같은 그람양성균 식중독균에 대해 정균 효과 및 사멸 효과가 나타났지만 Escherichia coli와 Salmonella Typhimurium와 같은 그람 음성 식중독균에서는 효과가 나타나지 않았다. 투과전자현미경 분석은 에리소 르빌 미리스테이트의 항균능 기작이 균의 세포막의 투과성을 변화시키는 원리에 기반하였음을 제시하였다. 결론적으로 본 연구에서 개발한 에리소르빌 미리스테이트은 항산화능과 항균능을 가지는 다기능성 식품 유화제로서 사용 되어 , 유화 식품의 품질 및 안전성 향상에 도움을 줄 것으로 기대된다.