Food processing method is a critical factor for secondary data evaluation of health benefits of functional food

Abstract

This study aimed to verify whether the method of food processing is a critical factor influencing the outcomes of secondary data evaluation of health benefits of functional foods. To test this hypothesis, randomized controlled trials (RCTs) that evaluated the health benefits of functional foods were categorized by the method of food processing used and the results were compared using meta-analysis techniques. For the comparison of results between different types of food processing methods, the studies evaluating the relationship of garlic intake and cardiovascular risk factors were analyzed. Meanwhile, to determine whether integrated analysis is possible between studies with similar food processing methods, the impact of cinnamon on blood glucose metabolism was evaluated. For conducting the meta-analysis with studies that reported use of garlic, a total of 2,035 articles were extracted from databases such as PubMed, Cochrane, Science Direct, and EMBASE, together with other sources. A total of 51 studies were selected that met the inclusion and exclusion criteria. Various forms of garlic, such as dehydrated garlic powder, aged garlic, garlic oil, raw garlic, and fermented garlic were used in studies. Among these forms of garlic, raw and fermented garlic were excluded due to a shortfall in the number of studies on each cardiovascular risk biomarker. Meta-analysis was performed with 30 studies on dehydrated garlic powder, 11 studies on aged garlic, and 6 studies on garlic oil. The results of the meta-analysis demonstrated that the effect of garlic on each of the biomarkers related to cardiovascular health was different for the different food processing methods. Dehydrated garlic powder intake significantly reduced blood total cholesterol (TC), low density lipoprotein cholesterol (LDL-C), fasting blood glucose (FBG), systolic blood pressure (SBP), and diastolic blood pressure (DBP) by -0.41 mmol/L (95% confidence interval [CI], -0.69, -0.12; p=0.005), -0.21 mmol/L (95% CI, -0.40, -0.03; p=0.024), -0.96 mmol/L (95% CI, -1.91, -0.01; p=0.047), -4.34 mmHg (95% CI, -8.38, -0.29; p=0.036), and -2.36 mmHg (95% CI, -4.56, -0.15; p=0.036), respectively. However, garlic powder supplementation did not change the blood high density lipoprotein cholesterol (HDL-C) concentration (pooled effect size, -0.04 mmol/L; 95% CI, -0.69, -0.12; p=0.057). Consumption of aged garlic extract had no significant effect on the levels of TC (pooled effect size, -0.10 mmol/L; 95% CI, -0.35, 0.15; p=0.431), LDL-C (pooled effect size, 0.04 mmol/L; 95% CI, -0.17, 0.26; p=0.698), HDL-C (pooled effect size, 0.05 mmol/L; 95% CI, -0.03, 0.13; p=0.217), and DBP (pooled effect size, -0.13 mmHg; 95% CI, -2.62, 2.36; p=0.918) with the exception of SBP (pooled effect size, -3.29 mm Hg; 95% CI, -6.43, -0.15; p=0.040). In the group that consumed garlic oil, HDL-C increased by 0.15 mmol/L (95% CI, 0.01, 0.29; p=0.042), while TC was not significantly affected (pooled effect size, -0.16 mmol/L; 95% CI, -0.44, 0.11; p=0.235). The combined effects of all preparations of garlic were mostly consistent with the results of dehydrated garlic powder studies, except for DBP. TC, LDL-C, and SBP were significantly decreased by -0.35 mmol/L (95% CI, -0.58, -0.11, p=0.004), -0.17 (95% CI, -0.32, -0.02 p=0.030), and -3.84 (95% CI, -6.73, -0.94 p=0.009), respectively, while HDL-C was not affected by garlic intake. All preparations of garlic did not change DBP, unlike the results from dehydrated garlic powder. For conducting of meta-analysis on cinnamon, 5,886 articles were identified in databases such as PubMed, Cochrane, Science Direct, EMBASE, Korean studies Information Service system, and reiterative searches. Finally, 12 studies that met the inclusion and exclusion criteria were included. Nine trials for dehydrated cinnamon powder and six trials for water extract were included in this meta-analysis. The two types of cinnamon demonstrated the same results. Dehydrated Cassia cinnamon powder and water extract intake significantly reduced FBG by -1.55 mmol/L (95% CI, -2.45, -0.64; p=0.001) and -0.76 mmol/L (95% CI, -1.09, -0.43; p<0.000), respectively. Moreover, these two preparations of cinnamon did not change the blood hemoglobin A1c (HbA1c) levels. Additionally, area under the curve (AUC) of postprandial blood glucose improved by dehydrated cinnamon powder (pooled effect size, -51.8 mmol/L·min; 95% CI, -85.5, -18.1; p=0.003). The combined effect of dehydrated powder and water extract of cassia cinnamon was consistently maintained showing a significant reduction in FBG by -1.22 mmol/L (95% CI, -1.78, -0.66; p<0.000). Combined preparation was also ineffective in changing HbA1c. The inconsistent result of garlic studies can be explained by the chemically different profiles of each of the garlic preparations caused by different methods of food processing. They may have altered garlic’s bioactivity. The major components of garlic are known as organosulfur compounds, which are easily converted into a diverse range of compounds with different properties depending upon the processing methods. Dehydrated garlic powder included in this meta-analysis was made by simply removing the moisture and standardized with S-allyl-L-cysteine sulfoxide (alliin) or alkyl alkanethiosulfinates (allicin). On the other hand, aged garlic product was standardized with a water-soluble organic sulfur compounds, S-allylcysteines (SAC), which increased with maturation. Alliin and allicin are known to be converted into fat-soluble organic sulfide compounds, allyl sulfide, in oil. Such different component profiles can be expected to affect the bioactivity of garlic, which might be related to cardiovascular health. On the other hand, cinnamon research yielded consistent results between dehydrated powder and water extract. The reason behind this result could be that the component profiles in the two preparations were similar because both the food processing methods had relatively low selectivity for specific components. Considering the data on standardization of cinnamon included in this meta-analysis, major components of cinnamon reported in the phytochemical database and other cinnamon studies, cinnamic acid, cinnamaldehyde, coumarin, procyanidin, and proanthocyanidins were commonly contained in both dehydrated powder and water extract of cinnamon. This is the first study to show that methods of food processing is a critical factor of the secondary data evaluation of the relationship between functional foods and their health benefits, by applying a reliable evaluation system used worldwide. Also, the use of a combined analysis of studies conducted with food products that are not processed identically can be suggested, if the chemical profiles of the test materials are scientifically proven to be similar. Based on the above results, methods of food processing should be considered in all procedures of secondary data analysis such as setting the topic, establishing eligibility criteria, extracting data, and interpreting the results. Also, food processing needs to be carefully considered depending on the characteristics of the raw materials and the manufacturing methods. In this study, meta-analyses were applied to statistically and quantitatively compare the results of functionality depending on the food processing methods. These could provide a clear evidence for comparison between studies but could also involve the limitation of some inadequate studies for meta-analysis being excluded from the present analysis. Therefore, a further systematic review including all the studies excluded from this meta-analysis is necessary to confirm the current hypothesis. Additionally, detailed information on food processing and full composition profiles of test foods should be presented in the primary research, in order to not only clearly interpret the results of secondary data evaluation but also to extract accurate information from the primary study data. Other methods of processing reported that do not chemically alter the composition of raw materials (e.g., aqueous alcohol extract, etc.) need to be further analyzed to add the other categories of food processing that are capable of combined analysis in addition to dehydrated powder and water extract. In addition, it is necessary to develop a technique for secondary data evaluation that can comprehensively evaluate the results from the research conducted using the current technique for evaluating whole body response to functional food intake.;본 연구의 목적은 식품의 기능성을 2차 자료 평가 기법(secondary data evaluation)을 적용하여 평가할 때, 제조 공정이 고려되어야 할 핵심 요소임을 입증하고자 하였다. 이를 위해 식품의 기능성을 평가한 무작위배정 대조군 대비 인체적용연구를 선별하여 메타분석 기법으로 기능성을 종합 평가한 결과를 제조공정별로 비교하였다. 제조공정이 매우 상이한 사례의 결과 비교를 위해 마늘이 심혈관계 건강에 미치는 영향과 관련된 자료를 분석하였고, 제조공정이 유사한 연구 간에는 통합 분석이 가능한지 여부를 확인하기 위해 계피가 혈당대사 관련 지표에 미치는 영향을 평가한 자료를 선별하여 분석을 수행하였다. 마늘 연구에 대한 메타 분석을 위해, PubMed, Cochrane, Science Direct와 EMBASE에서 문헌 검색하였으며, 확인된 자료 8,297건 중 선정/제외 기준에 부합되는 51건의 연구를 선별하였다. 마늘은 건조분말, 물추출물, 발효물, 숙성마늘, 오일로 제조되거나 가공하지 않은 원물 그대로 연구에 사용하고 있었다. 이 중, 발효물과 비가공 원물에 대한 연구는 개별 지표별 연구의 수가 부족하여 제외하고, 메타 분석은 건조분말 연구 30건, 숙성마늘 연구 11건, 오일 연구 6건을 포함시켜 진행하였다. 메타 분석을 실시한 결과, 마늘이 각 기능성 지표들에 미치는 영향은 제조 공정별로 매우 다른 것으로 분석되었다. 마늘 건조분말은 총콜레스테롤(전체효과크기 -0.41 mmol/L; 95% CI, -0.69; -0.12, p=0.005), 저밀도 콜레스테롤(전체효과크기 -0.21 mmol/L; 95% CI, -0.40, -0.03; p=0.024)을 대조군 대비 유의하게 개선시켜, 고밀도 콜레스테롤에서는 영향이 없었지만 전반적으로는 혈중 콜레스테롤에 개선 효과가 있는 것으로 평가되었다. 또한, 공복혈당(전체효과크기 -0.96 mmol/L; 95% CI, -1.91, -0.01; p=0.047)과 함께 수축기혈압(전체효과크기, -4.34 mmHg; 95% CI, -8.38, -0.29; p=0.036) 및 이완기혈압(전체효과크기 -2.36 mmHg; 95% CI, -4.56, -0.15; p=0.036)에도 유의한 개선 효과가 있는 것으로 평가되었다. 그러나, 숙성 마늘은 수축기혈압을 -3.29 mmHg(95% CI, -6.43, -0.15) 수준으로 유의하게 개선시켰으나(p=0.040), 이외 혈중 총콜레스테롤 수준 및 이완기혈압에는 영향이 없었고, 마늘 오일의 경우 총콜레스테롤 수준에 개선 효과 없이 고밀도 콜레스테롤에만 개선 효과(전체효과크기, 0.15 mmol/L; 95% CI, 0.01, 0.29; p=0.042)를 보였다. 모든 제조공정에 대한 연구를 통합 분석한 결과, 대부분의 결과가 마늘 건조 분말과 동일하게 도출되었다. 총콜레스테롤, 저밀도 콜레스테롤, 수축기 혈압이 유의하게 감소하였고, 고밀도 콜레스테롤 수준에는 영향이 없었다. 다만, 이완기 혈압은 마늘 건조 분말 결과와는 달리 유의한 개선 효과가 관찰되지 않았다. 계피 연구는 PubMed, Cochrane, Science Direct, EMBASE와 KISS에서 문헌검색하였으며, 확인된 자료 5,886건 중 선정/제외 기준에 부합되는 12건의 연구를 선별하였다. 계피 연구에 대한 메타 분석은 건조분말 연구 9건, 물추출물 연구 6건에 대해 수행되었다. 연구 결과, 건조분말은 공복 혈당을 대조군 대비 -1.74 mmol/L (95% CI, -2.96, -0.51; p=0.005) 수준으로 유의하게 개선시켰으나 당화혈색소는 유의한 개선 효과가 관찰되지 않았다 (전체효과크기, -0.05%; 95% CI, -0.50, 0.40; p=0.837). 또한, 물출출물 연구결과도 건조분말의 결과와 동일하게 도출되어 공복혈당을 대조군 대비 -0.76 mmol/L L (95% CI, -1.09, -0.43; p<0.000) 수준으로 유의하게 개선시켰고, 당화혈색소는 -0.48% 의 효과 크기 보였으나(95% CI, -1.07, 0.12; p=0.119) 통계적으로 유의한 효과차이를 나타내지는 못하였다. 이를 통합하여 메타 분석을 수행한 결과, 공복 혈당이 출판 편향 없이 -1.22 mmol/L (95% CI, -1.78, -0.66; p<0.000) 수준으로 유의하게 개선되었고, 당화혈색소에는 유의적 변화가 없었다 (전체효과크기, -0.26 mmol/L; 95% CI, -0.62, 0.10; p=0.158). 마늘 연구에서 제조 공정별로 결과가 상이하게 도출된 것은, 최종 시험식품에 함유된 성분 프로파일이 공정별로 매우 상이하였기 때문으로 사료된다. 마늘은 알린 (S-allyl-L-cysteine sulfoxide, alliin) 등 비교적 불안정한 성분인 유기 황화합물(organosulfur compounds)이 다량 함유되어 있으며, 이는 공정에 따라 성질이 다른 매우 다양한 성분으로 전환되는 것으로 보고되고 있다. 즉, 마늘 원물 또는 건조분말의 성분들은 숙성 과정을 거치면 수용성 유기 황화합물로, 오일 제조 과정 후에는 지용성 유기 황화합물로 전환된다. 본 메타 분석에 사용된 마늘제품들도, 마늘 건조 분말은 마늘 원물에서 단순히 수분만을 제거한 것으로 알린과 알리신 (alkyl alkanethiosulfinates, allicin)으로 표준화하고 있었고, 숙성마늘은 수용성 성분인 S-알리시스테인 (S-allylcysteines, SAC)으로, 마늘 오일은 지용성 성분인 황화알릴(allyl sulfide)류로 표준화되어 있었다. 이와 같이 상이한 성분 프로파일에 의해 마늘이 심혈관계 건강 관련 기능성 평가 결과가 상이하게 도출된 것으로 예측할 수 있겠다. 반면 계피 연구는 연구에 사용된 계피의 공정이 동일하지 않음에도 불구하고 동일한 결과가 도출되었다. 이는 두 가지 제조 공정 모두 특정 성분에 대한 선택성이 비교적 낮기 때문에 공정간 함유 성분의 프로파일에 큰 차이가 없었을 가능성을 고려해 볼 수 있겠다. 메타분석에 포함된 연구의 표준화 정보, 피토케미컬(phytochemical)에 대한 데이터베이스에서 제시한 계피의 주요 성분 정보 및 기타 계피와 관련된 다른 연구들에서 보고한 정보들을 종합해보면, 계피 건조분말과 물추출물에는 공통적으로 신남산(cinnamic acid), 신남알데히드(cinnamaldehyde), 쿠마린(coumarin), 프로시아니딘(procyanidin) 또는 프로안토시아니딘(proanthocyanidins)이 공통적으로 함유된 것으로 판단할 수 있겠다. 즉, 제조 공정간 유사한 성분 프로파일이 계피가 일관된 효과를 발현하는데 영향을 준 것이라 예측할 수 있다. 본 연구는 전 세계적으로 사용되고 있는 신뢰도 높은 평가 시스템을 활용하여, 2차 자료 평가 기법으로 식품의 기능성을 종합 평가할 때 제조 공정은 반드시 고려해야 할 중요한 요소임을 입증한 최초의 연구로서 매우 의미가 있다 하겠다. 또한, 성분간의 프로파일이 유사한 것이 과학적으로 입증될 경우 유사한 공정에 대한 연구는 통합적으로 분석할 수 있는 가능성을 제시할 수 있었다. 이러한 결과는 기능성 식품 관련 학계, 산업계, 정부 등에서 2차 자료 분석에 의한 기능성 평가를 수행하는데 있어 주제 설정, 자료 선정 기준 확립, 자료 추출 및 결과 해석 시 제조 공정 관련하여 고려할 사항에 대한 근거로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 다만, 본 연구에서는 제조 공정에 따른 기능성 평가 결과를 통계적으로, 양적으로 명확히 비교하기 위해 메타 분석 기법을 적용하였으나, 향후에는 본 메타 분석에서 제외된 연구를 모두 포함시켜 시스템리뷰로 기능성을 평가한 결과에서도 본 연구의 결과가 일관되게 유지되는지 추가 검증할 필요가 있겠다. 또한, 2차 자료 평가 시 제조 공정을 고려할 때는 원재료 및 적용되는 제조 공정의 특성에 따라 연구 계획이 수립되어야 할 것이다. 이밖에, 2차 자료 분석 결과뿐만 아니라 1차 연구 자료의 결과를 명확히 해석하기 위해서는 향후 1차 연구에서부터 사용된 시험식품의 상세한 제조 공정 및 성분 프로파일에 대한 충분한 정보가 필요할 것으로 보인다. 그리고, 통합 분석이 가능한 제조 공정의 예로 건조분말과 물추출물의 사례만 제시하였으나, 원재료의 성분 구성을 화학적으로 변화시키지 않는 것으로 보고된 다양한 제조공정 (예: 수용성 알코올 추출물 등)을 추가 검토하여 그 범주를 확대할 수 있는지 검증하는 것도 연구의 수가 충분히 확보되지 않은 초기 연구 단계의 기능성 식품에 대한 기능성 평가 시 유용한 의미 있는 연구로 생각된다. 이 밖에, 식품의 섭취가 인체 전반의 반응에 미치는 영향을 평가하는 최신의 연구 기법으로 수행된 연구 결과들을 통합 평가할 수 있는 2차 자료 평가 기법을 개발하는 것도 향후 기능성 식품 분야에서 필요한 연구 분야인 것으로 제안할 수 있겠다.