다당류(多糖類) 즉 폴리삭카라이드류(polysaccharides) 가수분해 될 때 많은 수의 단당류(單糖類)를 형성하는 분자량이 매우 큰 당들이다 - 분자량이 수만 내지는 수백만에 달한다 - 한 종류의 구성단위로서 구성되고 있는 호모폴리삭카라

이드류 즉 단일다당류(homopolysaccharides)와 두 개 이상의 구성단위로서 구성된 헤테로폴리삭카라이 드류 즉 복합다당류(heteropolysaccharides)로 분류된다

- 호모폴리삭카라이드류 즉 단일다당류 전분 셀룰로오즈

- 헤테로폴리삭카라이드류 즉 복합다당류

(heteropolysaccharides)

호모폴리삭카라이드류 즉 단일다당류 구성단위가 포도당(glucose)인 다당류의 경우에는 글루칸류(glucans) 과당(果糖)인 경우에는 프럭탄류(fructans) 만노오스의 경우에는 만난류(mannans) 등으로 불리기도 한다 글루칸류는 α-글루칸류(α-glucans) α-D-포도당(α-D-glucose)이 구성단위 (전분(starch) 글라이코젠(glycogen) 덱스트란(dextran) 등) β-글루칸류(β-glucans) β-D-포도당(β-D-glucose)이 구성단위(섬유소(纖維素) 즉 셀룰로오스(cellulose))

헤테로폴리삭카라이드류 즉 복합다당류 헤미셀룰로오스(hemicelluloses) 펙틴류(pectins) 자연에 존재하는 여러 고무질 물질들(natural gums) 등

전 분 - 식물체의 대표적인 저장 탄수화물 -( 식물체의 대표적인 구조형성 탄수화물(α structural carbohydrate) 셀룰로오스 즉 섬유소(纖維素 cellulose)) 전분은 일반적으로 세포 내의 세포질(細胞質 cytoplasm)에 존재하는 색소체들(色素體 plastids) 속에서 형성되며 그 속에 입자들(granules)의 형태로서 존재한다 비중(比重 specific gravity)은 비교적 크며 대략 155 내지 165 정도라고 한다 물에는 전혀 녹지 않으며 다만 현탁액(懸濁液 suspension)을 만들 뿐이다

전분입자 전분입자들의 가장 특이한 점의 하나는 이 입자를 둘러싸주고 있는 어떤 형태의 막(membrane)도 존재하지 않는다는 점이다 그럼에도 불구하고 전분입자가 일정한 형태를 유지할 수 있는 이유는 그 속의 전분분자들이 상호간에 수소결합(hydrogen bond)을 통해서 강하게 결합하고 있기 때문인 것으로 생각되고 있다

전분입자 내의 층(layer)을 이루고 있는 아밀로오스와 아밀로펙틴 분자들의 미셀(micelle) [그림 6-1]섬유상 영역(micellar regions)과 무정형 영역(amorphous)을 표시하고 있는 전분입자의 미세구조(microstructure)

전분입자들은 충분한 수분을 함유하고 있을 때 현미경 등으로 관찰하면 가끔 전분입자 가운데 있는 핵(核) 또는 입심(粒心)으로 알려진 하일럼(hilum)을 중심으로 뚜렷한 동심원(同心圓)으로 표현할 수 있는 층들(concentric layers)로 구성되고 있음을 볼 수가 있다(그림 6-1과 특히 그림6-2의 (a) 참조) 이 층의 두께는 일반적으로 그 전분을 형성한 식물체의 과거의 신진대사활동의 강약(强弱)과 관련이 있다고 한다 즉 낮 동안의 신진대사 작용(diurnal metabolic activity)이 활발했을 시기의 층은 두꺼우며 약했을 시기의 층은 얇다고 한다 이들은 또한 성장륜(成長輪 growth ring)으로도 불리고 있다(Whistler R L et al 1984 참조)

(a) 감자의 전분입자들(potato starch granules) (b) 쌀의 전분입자들(rice starch granules)의 확대 사진

전분입자들의 형태와 크기는 그 전분입자들의 출처(source)에 따라 두드러지게 다르며 일반적으로 곡류(穀類 cereals)에서 얻은 전분입자들은 그 크기가 2μ내지 10μ(1μ=10-3) 정도이며 한편 감자 고구마 등의 근경류(根莖類 roots and tubers)에서 얻어지는 전분입자들은 5~150μ 정도이다

표 6-1각 곡류(cereals) 또는 근경류(roots and tubers)의 전분입자들(starch granules)의 크기(size) 및 아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin) 함량

출 처(source) 전분입자의 크기

(starch grain size)

아밀로오스 함량

(amylose content)

아밀로펙틴 함량

(amylopectin conte

nt)

메밀(buck wheat)

보리(barley)

수수(sorghum)

옥수수(corn)

밀(wheat)

감자(white potatoes)

칡의 일종(arrowroot)

고구마(sweet potatoes)

타 피 오 카 (tapioca) 즉

카사바전분

찰 옥 수 수(waxy corn)

쌀(rice)

찹쌀(waxy rice)

찰보리(waxy barley)

-

20~50μ

-

4~26

2~38

15~100

7~75

15~55

5~36

-

2~10

-

-

28

27

27

26

25

23

21

20

18

0~6

20

0

3

72

73

73

74

75

77

79

80

82

100~94

80

100

97

전분의 두 형태 아밀로오스와 아밀로펙틴 아밀로오스와 아밀로펙틴은 그 분자구조(molecular structure)가 현저하게 다르며 따라서 그 화학적 물리적 성질도 현저하게 다르다 전분입자들 속의 아밀로오스와 아밀로펙틴의 함량의 비율은 전분입자들의 출처에 따라 다르다

표 6-3대표적인 전분들의 아밀로오스 아밀로펙틴 함량 및 아밀로펙틴 분자 내의 가지와 가지 사이의 평균 거리

전분의 종류

아밀로오스

(amylose)

함량

아밀로펙틴

(amylopectin)

함량

아밀로펙틴 분자 내에서 가

지와 가지 사이의 평균 포

도당

단위(glucose units)의 수

감자 전분(potato starch)

조제 감자 아밀로펙틴(crude potato amylo

pectin)

사고 전분(sago starch)

바나나 전분(banana starch)

고구마 전분(sweet potato starch)

칡 전분(arrowroot starch)

타피오카 전분(tapioca starch)

정제 카사바 전분(pearl manioc starch)

쌀 전분(rice starch)

옥수수 전분(maize starch)

찰옥수수 전분(waxy maize starch)

밀 전분(wheat starch)

18

7

26

21

18

20

17

16

14

23

0

19

82

93

74

79

82

80

83

84

86

77

100

81

23

20

18

21

27

25

20

20

20

19

20

21

표 6-4생 전분(raw starches)의 물리적 화학적인 성질들

전분의 종류

평균입자의

크기

(granule

size)

마이크론 μ

5 전분 용액

에서

gelatinization

이

일어나는 온도

아밀로오스 함량

(amylose

conetent )

아밀로오스 분

자 내의 포도당

(glucose)

단위의 수

degF

감자(potato)

옥수수(corn)

타피오카

아미오카

칡(arrowroot)

밀(wheat)

쌀(rice)

사고(sago)

33

15

20

15

30~45

21

5

31

6391

800

628

739

750

767

811

739

147

176

145

165

167

170

178

165

22

28

18

0~4

20

25

17

27

980

490

980

-

-

540

-

420

찹쌀의 경우와 같은 아밀로오스함량이 없는 곡류의 변종들(amylose-free or waxy mutants)은 전술한 대로 쌀 보리(barley) 옥수수(maize) 수수(sorghum) 그리고 감자(potato) 등에는 널리 분포되고 있으나 유독 밀(wheat)의 경우에만 존재하지 않는다 이들 변종들(mutants 즉 glutinous or way species)의 경우 그 전분이 100가 아밀로펙틴으로 되어 있다

출 처 (source) 아밀로오스

옥수수(maize)

고 아밀로오스 함량 옥수수

고 아밀로오스 함량 옥수수

찰옥수수(waxy maize)

감 자(potato)

타피오카(tapioca)

밀(wheat)

24

59

70

0~3

20

17

25

고 아밀로오스 함량 옥수수(high amylose maize)의 전분에서는 아밀로오스 함량이 50 내지 70가 되어 보통 옥수수의 아밀로오스 함량의 2배 내지 3배나 된다 (표 6-5 참조) 따라서 그 전분의 성질도 교질화(gelatinization)된 후에는 유백색(乳白色 opaque)의 매우 단단한 젤(gel)을 형성하는(Luallen T E 1985 제7장 참고문헌 참조) 등 보통 곡류 전분의 성질과 현저하게 다르다고 한다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분자구조와 성질 아밀로오스 아밀로오스(amylose)는 포도당(α-D-glucose)이 가지 즉 분지(分岐 branching)없이 α-1 4-결합으로 연결된 α-나선형(α-helical form)을 가진 직쇄상(直鎖狀 straight chain)의 중합체로 생각되고 있으며 가지가 달려있지 않는 점을 강조하여 간단히 직선상 분자(linear molecules)로 표현되기도 한다 아밀로오스 분자 내의 α-포도당(α-D-glucose)의 수효는 전분의 종류에 따라 다르다 근래에 와서는 자연전분(native starch) 중의 아밀로오스 분자들의 분자량으로서 016times106에서 265times106 정도의 평균 분자량이 보고되고 있다(대략 106의 차원으로 보고하고 있다)

아밀로오스는 구성단위인 α-포도당의 입체적 구조에 의해서 대개 6개 정도의 α-포도당의 연결체가 한 회전을 하는 정도의 나선상의 형태(α-helical form)를 형성하고 있다(그림 6-3 참조)

나선(helical form)의 내부 공간(cavity)에 가끔 어떤 특정한 화합물들이 들어가서 복합체들(complex compounds)을 형성하는 경우가 있다 특히 아밀로오스 분자가 요오드와 반응하면 요오드분자들이 이 공간에 들어가서 아밀로오스-요오도 복합체들(amylose-iodine complexes)을 형성한다

일부 전분에서는 실제로 소량의 지방산(fatty acids) 같은 지방질 성분들이 공동(空洞 cavity)에 갇혀있어 에텔 등의 유기용매들(organic solvents)에 의해서 잘 추출되지 않는 사실이 알려져 있다 아밀로오스는 요오드와의 정색(呈色)반응에 의해서 짙은 청색을 나타내나 아밀로펙틴(amylopectin)은 요오드와 이상과 같은 복합체를 거의 형성하지 않으며 따라서 그 정색반응은 자색(purple)이다 한편 글라이코젠(glycogen)도 이와 같은 복합체를 전혀 형성하지 않으며 요오드와의 정색반응은 빨간색이 짙은 자색을 나타낸다

표 6-6아밀로오스의 중합도(degree of polymerization)와 요오드(iodine)와의 복합체들의 색깔 사이의 관계(청색값)

아밀로오스의 종류 중합도

최고 흡수 파장

(wavelength of abs

orption maximum

mμ)

흡수 강도

molar extinction c

oefficient

감자(potato)

타피오카(tapioca)

나리꽃의 구근(lily bulb)

옥수수(corn)

합성 아밀로오스아밀로

덱스트린

500

450

310

250

85

44

628

625

622

618

590

580

43000

41600

41400

40400

32900

25400

아밀로오스의 분자량이 클수록 요오드와의 복합체의 색깔은 더 짙은 즉 더 장파장의 청색을 나타내며 그 색깔도 더 강해짐을 알 수 있다

곡류나 서류 등의 전분에서 추출한 아밀로오스 100g은 대략 18~20mg의 요오드를 흡수 즉 요오드와 복합체를 형성하나 후술하는 아밀로펙틴(amylopectin)의 경우 그 흡수량은 05mg 이하인 사실이 알려져 있다 한편 한 전분 중의 아밀로오스의 함량을 측정하기 위해서 100g의 아밀로오스는 19mg의 요오드를 흡수하는 것으로 가정하여 계산하는 경우가 많다 과거에는 한 전분 중의 아밀로오스와 아밀로펙틴의 상대적인 양적 관계를 표시하는 척도(尺度)로 청색값(blue value)이 경험적인 방법(an empirical method)으로 가끔 사용되어 왔다(Kim H S et al 1974 Kim S K et al 1977 Kim S K 1978) 이 청색값 또는 청색도는 기본적으로 위의 청색정색반응(靑色呈色反應)을 이용한 것이다

아밀로펙틴 아밀로펙틴(amylopectin)은 전분의 또 하나의 구성성분이며 대체로 78에서 83 정도이다 한편 찹쌀 찰옥수수의 전분 등에 있어서는 그 함량은 96 내지 100며 또 고 아밀로오스 함량 옥수수(high amylose maize)에 있어서는 그 함량은 25 내지 50이다 아밀로펙틴은 아밀로오스와는 달리 가지(branch)가 많이 달린 분자구조를 갖고 있다 이 아밀로펙틴의 구성단위인 α-포도당(α-D-glucose)의 결합양식은 아밀로오스의 경우와 마찬가지로 주로 α-1 4-결합이나 분자 중의 가지는 α-1 6-결합에 의해서 형성된다(그림 6-5 참조)

[그림 6-5]직선상인 아밀로오스 분자(a linear amylose molecule)와 여러 개의 가지로 분기된 아밀로펙틴 분자(a branched amylopectin molecule) 일부의 그림 아밀로오스 분자의 일부와 아밀로펙틴 분자의 가지가 달린 부분의 일부의 화학구조를 확대하여 표시하였다

그러나 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합 이외의 다른 형태의 결합이 존재할 가능성도 매우 크다 그것은 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합을 가수분해할 수 있는 효소들을 아밀로펙틴에 작용시킬 때 아밀로펙틴의 분자가 완전히 가수분해 되지 않는다는 사실로써 간접적으로 입증된다 하나의 가지 즉 α-1 6-결합에서 또 하나의 가지 즉 α-1 6-결합까지 사이의 포도당의 평균수는 역시 전분의 종류에 따라 다르다 하니맨(Honeyman J 1959)은 그 수를 대체로 18개에서 27개로 보고 있다(표 6-3 참조) 이 수치는 평균 분자수가 8개 내지 16개인 글라이코젠(glycogen)보다는 가지 수가 적다는 것을 의미한다

표 6-7아밀로펙틴(amylopectin) 분자의 외부 및 내부 체인의 길이

아밀로펙틴의 출처

(sources)

평균체인의 길이(averag

e chain length)

β-아밀레이스의

분해 한계

보 리 (barley)

맥 아 (malt)

옥 수 수 (corn)

밀 (wheat)

감 자 (potato)

타 피 오 카

찰 옥 수 수 (waxy

corn)

261)

17~18

25

23

27

23

25

59

44

63

62

59

62

52

1)하나의 가지에서 또 하나의 가지(branch)까지 사이의 포도당 단위수

아밀로펙틴 분자 형태 세 가지의 분자형태가 제안되어 왔었다 1 소위 박편(薄片) 구조로 특징 지워지는 하워트 모형(the Haworth model) 2 소위 화살깃 구조로 특징 지워지는 수타오딘거 모형(the Staudinger model) 3 소위 수상(樹狀) 구조로 특징 지워지는 마이야 모형(the Meyer model) 등이다(그림 6-6 참조)

3가지 모델중에서 마이야 모델 즉 가지가 나뭇가지 모양으로 분기된 수상구조(樹狀構造)를 갖고 있는 것으로 생각하였었다 그러나 근래에 와서 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 성질(partial crystalline properties)이 아밀로펙틴 분자들(amylopectin molecules) 자체의 성질에 기인하는 사실에 주목하여 왔다 (아밀로오스가 결정성의 영역을 그 분자 내에 갖고 있는 것은 사실이나 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 영역의 존재는 아밀로오스가 아니라 주로 아밀로펙틴 분자들의 부분적인 강한 결정성 영역에 기인하는 것으로 알려져 있다 )

결정성(結晶性) 성질은 분자 내의 강하고도 광범위한 규칙적인 배열에 의해서 일어남으로 분자 내의 전혀 규칙성을 찾을 수 없는 마이어 모델(Meyer model)은 아밀로펙틴 분자들의 부분적으로 결정성을 가진 성질을 설명할 수 없는 난점이 있다 근래에 와서는 여러 클러스터 모델들이 제안됨

C사슬 α-1 4-결합만으로 형성 직선상의 부분(a linear part)이 근간(根幹)이 되어 B사슬 α-1 6-결합을 통해서 많은 가지들(branches)이 클러스터들(clusters)을 형성 A사슬 B사슬로 알려진 부분들 중의 많은 사슬(chains)들은 α-1 6-결합으로 연결된 주로 매우 짧은 제3의 층을 형성

그림 6-8] 아밀로펙틴 분자들의 클러스터 모델(房狀模型 cluster model) B사슬 층(가지가 많은 부분)의 하층은 가지들 사이에 뚜렷한 규칙성을 볼 수 없으나 그 상층부분들에서는 가지들 사이의 배열에 규칙성을 볼 수 있다 전분입자들이 나타내는 결정성(crystallinity)은 아밀로오스 분자들의 성질이 아니라 아밀로펙틴 분자들의 일부 내부구조에 의한 것이 확실해지고 있다

아밀로펙틴 평균분자량 107~108 (아밀로오스 분자량 대략 106 정도) 아밀로펙틴 분자 내에는 적어도 10000개 내지는 100000개 이상의 포도당 구성단위가 중합하여 형성된 것으로 추정할 수 있다 요오드와 아밀로펙틴과의 정색반응에 의한 색깔은 자색이며 아밀로오스나 전분의 짙은 청색과는 다르다 아밀로펙틴이 아밀로오스의 경우와 같은 요오드나 지방산들(fatty acid residue)과 복합체들(complex compounds)을 거의 형성하지 않음을 의미한다

[그림 6-9]대표적인 요오도와의 결합곡선들(typical iodine-binding curves)의 한 예 1 아밀로오스(amylose)에 대해서 2 아밀로펙틴(amylopectin)에 대해서 3 전분(starch)에 대해서 점선은 요오도와의 친화력(affinity)을 얻기 위해서 extrapolation하였음을 표시하여 주고 있다

아밀로펙틴은 요오드(iodine I2)와 거의 응하지 않는다 전분과 요오드와의 정색반응(color reaction)은 주로 전분 내의 아밀로오스에 기인된다

표 6-8아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin)의 성질 비교

아밀로오스 아밀로펙틴

(1) 요오드(iodine)와의 반응 짙은 청색 빨간색-자주색

(2) 청색값(Blue Value)1) 135 005

(3) β- 아밀레이스 추출액 (β-amylase

preparation)과의 반응

95 내지 100가 말토오스

로 가수분해

50가 말토오스로 가수분해

(4) 분자량 40000 내지 340002) 40000 내지 60000002)

(5) 비환원성 말단그룹(non-reducing

end group) 사이의 평균 포도당의

수

200 내지 2100 20 내지 25

(6) X-선 분석 고도의 결정성(crystallinity) 무정형(amorphous)

(7) 물에 대한 용해도(solubility) 거의 녹지 않음(sparingly sol

uble)

잘 녹는다(very soluble)

(8) 수용액(aqueous solution) 속에서

의 안정성(stability)

노화된다(retrogrades) 안정하다(stable)

(9) 아 세 틸 화 된 유 도 체 (acetylated

derivatives)의 성질

섬 유 질 (fibrous) 질 긴 필 름

(tough film)을 형성한다

무 정 형 분 말 (amorphous

powder) 부 스 러 지 기 쉬

운 필름을 형성(brittle film)

젤라틴화 즉 교질화 된 전분의 분산액(分散液 dispersion)에서 전분분자들이 부분적으로나마 결정화되는 과정을 노화(老化 retrogradation)라고 부른다 아밀로펙틴은 노화되는 성질을 갖고 있지 않으며 따라서 100 또는 거의 100가 아밀로펙틴으로 형성되고 있는 찹쌀이나 찰옥수수의 전분들은 노화현상을 잘 보여주지 않는다 같은 α-포도당이 구성단위가 되고 있는 글라이코젠(glycogen)의 경우 그 가지는 아밀로펙틴보다 더 많으며 그 분자형태도 구형(球形 a spherical form)을 이루고 있기 때문에 그 분산액은 교질화도 일으키지 않으며 따라서 노화현상도 없는 사실이 잘 알려져 있다

아밀로오스는 교질화((膠質化) 즉 젤라틴화(gelatinization)를 쉽게 일으키나 이것은 아밀로오스의 긴 직선상의 형태(linear molecular shape)에 기인된 듯하다 반면에 아밀로펙틴은 쉽게 젤라틴화 되지 않으며 그 원인도 역시 아밀로펙틴 분자들의 가지가 많은 분자구조에 기인된 듯하다 한편 젤라틴화 된 전분 분산액 더 엄격하게는 분산 시스템 또는 분산체(starch dispersion)에서 아밀로오스는 쉽게 부분적으로나마 결정화되는 경향이 있으나 아밀로펙틴은 분자들이 일단 분산된 후에는 서로 얽혀진 많은 수의 가지 때문에 부분적으로나마 결정화(crystallization)되기에는 너무 힘든 상태가 되는 것으로 믿어지고 있다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분리 1 아밀로오스 복합체 형성에 의한 분리 오래 전부터 알려진 방법으로써 가틴 그루제우스카(Gatin- Gruzewska Z 1908 1911 Radley J A 1954 참조)에 의해서 개발된 방법이 있다 이 방법에서는 3의 전분 용액에 소량의 40탄산 소오다(Na2Co3)용액을 가한 다음에 다시 95의 에탄올(EtOH)용액을 가하여 아밀로펙틴만을 침전시킨 후 이 침전을 씻고 다시 투석(透析 dialysis)으로 무기염 등을 제거하여 정제 아밀로펙틴을 얻는다

숏호(Schoch T J 1942)와 하워트들(Haworth W N et al 1946 Radley J A 1954 참조)은 전분 중의 아밀로오스 성분이 뷰타놀(butanol) 노말-아밀 알콜(n-amyl alcohol) 타이몰(thymol) 지방산들과 결합하여 결정성 복합체(crystalline complex)를 형성하는 성질을 이용하여 묽은 전분의 현탁액에 뷰타놀 등을 가한 후 형성되는 아밀로오스와 이들 알콜들과의 결정성 복합체들을 침전시킨 다음에 남은 아밀로펙틴을 원심분리기로 분리하는 방법을 설명하고 있다

2 전기 영동법에 의한 분리 자메크들(Samec M et al 1926)은 감자 전분의 아밀로오스와 아밀로펙틴을 전기 영동법(electrophoretic method)을 사용하여 분리하는데 성공한 바 있다 특히 감자전분의 경우 여기에 함유된 아밀로펙틴은 그 분자 속에 에스터화 된 인산그룹들(esterified phosphoric acid groups)을 함유하고 있기 때문에 비교적 강한 음전하(nagative charge)를 갖고 있으며 따라서 전분의 현탁액에 전류를 통하면 아밀로펙틴은 쉽게 양극(anode)으로 이동하는 성질이 있으므로 전기 영동법에 의해서 쉽게 분리할 수 있다고 한다 이 방법은 인산(phosphoric acid)이나 지방산(fatty acid)들이 아밀로펙틴과 화학적으로 결합되어 있지 않는 곡류 전분에는 적용할 수 없다

3 열수 추출법전분의 현탁액을 60~100로 가열할 때는 전분입자들(starch granules)은 팽윤(swelling)되면서 분자량이 상대적으로 훨씬 적으며 따라서 운동성(mobility)이 더 큰 아밀로오스 분자들은 팽윤된 전분입자들에서 빠져나가게(leaching)된다 한편 대부분의 아밀로펙틴 분자들은 전분입자 내에서 서로 결합상태 또는 부분적인 결정성을 그대로 유지하면서 남게 된다 수용액에 풀어져 나온 아밀로오스는 이상의 현탁액을 원심분리(centrifuge)한 후 상등액(supernatant)에서 얻을 수가 있다

4 효소 링들(Ling A R et al 1923)은 아밀로오스와 아밀로펙틴에 대한 특정 효소들의 작용의 차이를 이용하고 있다 즉 α- 및 β-아밀레이스들(α- β-amylases)의 혼합물인 다이아스테이스(diastase)는 아밀로펙틴보다 아밀로오스에 더 강하게 작용하므로 전분의 젤(gel) 즉 교질용액에 어떤 조정된 조건 하에서 다이아스테이스를 작용시키면 아밀로펙틴은 거의 영향 받지 않고 아밀로오스만을 말토오스 등으로 가수분해 시켜 제거함으로써 아밀로펙틴을 분리할 수 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

호모폴리삭카라이드류 즉 단일다당류 구성단위가 포도당(glucose)인 다당류의 경우에는 글루칸류(glucans) 과당(果糖)인 경우에는 프럭탄류(fructans) 만노오스의 경우에는 만난류(mannans) 등으로 불리기도 한다 글루칸류는 α-글루칸류(α-glucans) α-D-포도당(α-D-glucose)이 구성단위 (전분(starch) 글라이코젠(glycogen) 덱스트란(dextran) 등) β-글루칸류(β-glucans) β-D-포도당(β-D-glucose)이 구성단위(섬유소(纖維素) 즉 셀룰로오스(cellulose))

헤테로폴리삭카라이드류 즉 복합다당류 헤미셀룰로오스(hemicelluloses) 펙틴류(pectins) 자연에 존재하는 여러 고무질 물질들(natural gums) 등

전 분 - 식물체의 대표적인 저장 탄수화물 -( 식물체의 대표적인 구조형성 탄수화물(α structural carbohydrate) 셀룰로오스 즉 섬유소(纖維素 cellulose)) 전분은 일반적으로 세포 내의 세포질(細胞質 cytoplasm)에 존재하는 색소체들(色素體 plastids) 속에서 형성되며 그 속에 입자들(granules)의 형태로서 존재한다 비중(比重 specific gravity)은 비교적 크며 대략 155 내지 165 정도라고 한다 물에는 전혀 녹지 않으며 다만 현탁액(懸濁液 suspension)을 만들 뿐이다

전분입자 전분입자들의 가장 특이한 점의 하나는 이 입자를 둘러싸주고 있는 어떤 형태의 막(membrane)도 존재하지 않는다는 점이다 그럼에도 불구하고 전분입자가 일정한 형태를 유지할 수 있는 이유는 그 속의 전분분자들이 상호간에 수소결합(hydrogen bond)을 통해서 강하게 결합하고 있기 때문인 것으로 생각되고 있다

전분입자 내의 층(layer)을 이루고 있는 아밀로오스와 아밀로펙틴 분자들의 미셀(micelle) [그림 6-1]섬유상 영역(micellar regions)과 무정형 영역(amorphous)을 표시하고 있는 전분입자의 미세구조(microstructure)

전분입자들은 충분한 수분을 함유하고 있을 때 현미경 등으로 관찰하면 가끔 전분입자 가운데 있는 핵(核) 또는 입심(粒心)으로 알려진 하일럼(hilum)을 중심으로 뚜렷한 동심원(同心圓)으로 표현할 수 있는 층들(concentric layers)로 구성되고 있음을 볼 수가 있다(그림 6-1과 특히 그림6-2의 (a) 참조) 이 층의 두께는 일반적으로 그 전분을 형성한 식물체의 과거의 신진대사활동의 강약(强弱)과 관련이 있다고 한다 즉 낮 동안의 신진대사 작용(diurnal metabolic activity)이 활발했을 시기의 층은 두꺼우며 약했을 시기의 층은 얇다고 한다 이들은 또한 성장륜(成長輪 growth ring)으로도 불리고 있다(Whistler R L et al 1984 참조)

(a) 감자의 전분입자들(potato starch granules) (b) 쌀의 전분입자들(rice starch granules)의 확대 사진

전분입자들의 형태와 크기는 그 전분입자들의 출처(source)에 따라 두드러지게 다르며 일반적으로 곡류(穀類 cereals)에서 얻은 전분입자들은 그 크기가 2μ내지 10μ(1μ=10-3) 정도이며 한편 감자 고구마 등의 근경류(根莖類 roots and tubers)에서 얻어지는 전분입자들은 5~150μ 정도이다

표 6-1각 곡류(cereals) 또는 근경류(roots and tubers)의 전분입자들(starch granules)의 크기(size) 및 아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin) 함량

출 처(source) 전분입자의 크기

(starch grain size)

아밀로오스 함량

(amylose content)

아밀로펙틴 함량

(amylopectin conte

nt)

메밀(buck wheat)

보리(barley)

수수(sorghum)

옥수수(corn)

밀(wheat)

감자(white potatoes)

칡의 일종(arrowroot)

고구마(sweet potatoes)

타 피 오 카 (tapioca) 즉

카사바전분

찰 옥 수 수(waxy corn)

쌀(rice)

찹쌀(waxy rice)

찰보리(waxy barley)

-

20~50μ

-

4~26

2~38

15~100

7~75

15~55

5~36

-

2~10

-

-

28

27

27

26

25

23

21

20

18

0~6

20

0

3

72

73

73

74

75

77

79

80

82

100~94

80

100

97

전분의 두 형태 아밀로오스와 아밀로펙틴 아밀로오스와 아밀로펙틴은 그 분자구조(molecular structure)가 현저하게 다르며 따라서 그 화학적 물리적 성질도 현저하게 다르다 전분입자들 속의 아밀로오스와 아밀로펙틴의 함량의 비율은 전분입자들의 출처에 따라 다르다

표 6-3대표적인 전분들의 아밀로오스 아밀로펙틴 함량 및 아밀로펙틴 분자 내의 가지와 가지 사이의 평균 거리

전분의 종류

아밀로오스

(amylose)

함량

아밀로펙틴

(amylopectin)

함량

아밀로펙틴 분자 내에서 가

지와 가지 사이의 평균 포

도당

단위(glucose units)의 수

감자 전분(potato starch)

조제 감자 아밀로펙틴(crude potato amylo

pectin)

사고 전분(sago starch)

바나나 전분(banana starch)

고구마 전분(sweet potato starch)

칡 전분(arrowroot starch)

타피오카 전분(tapioca starch)

정제 카사바 전분(pearl manioc starch)

쌀 전분(rice starch)

옥수수 전분(maize starch)

찰옥수수 전분(waxy maize starch)

밀 전분(wheat starch)

18

7

26

21

18

20

17

16

14

23

0

19

82

93

74

79

82

80

83

84

86

77

100

81

23

20

18

21

27

25

20

20

20

19

20

21

표 6-4생 전분(raw starches)의 물리적 화학적인 성질들

전분의 종류

평균입자의

크기

(granule

size)

마이크론 μ

5 전분 용액

에서

gelatinization

이

일어나는 온도

아밀로오스 함량

(amylose

conetent )

아밀로오스 분

자 내의 포도당

(glucose)

단위의 수

degF

감자(potato)

옥수수(corn)

타피오카

아미오카

칡(arrowroot)

밀(wheat)

쌀(rice)

사고(sago)

33

15

20

15

30~45

21

5

31

6391

800

628

739

750

767

811

739

147

176

145

165

167

170

178

165

22

28

18

0~4

20

25

17

27

980

490

980

-

-

540

-

420

찹쌀의 경우와 같은 아밀로오스함량이 없는 곡류의 변종들(amylose-free or waxy mutants)은 전술한 대로 쌀 보리(barley) 옥수수(maize) 수수(sorghum) 그리고 감자(potato) 등에는 널리 분포되고 있으나 유독 밀(wheat)의 경우에만 존재하지 않는다 이들 변종들(mutants 즉 glutinous or way species)의 경우 그 전분이 100가 아밀로펙틴으로 되어 있다

출 처 (source) 아밀로오스

옥수수(maize)

고 아밀로오스 함량 옥수수

고 아밀로오스 함량 옥수수

찰옥수수(waxy maize)

감 자(potato)

타피오카(tapioca)

밀(wheat)

24

59

70

0~3

20

17

25

고 아밀로오스 함량 옥수수(high amylose maize)의 전분에서는 아밀로오스 함량이 50 내지 70가 되어 보통 옥수수의 아밀로오스 함량의 2배 내지 3배나 된다 (표 6-5 참조) 따라서 그 전분의 성질도 교질화(gelatinization)된 후에는 유백색(乳白色 opaque)의 매우 단단한 젤(gel)을 형성하는(Luallen T E 1985 제7장 참고문헌 참조) 등 보통 곡류 전분의 성질과 현저하게 다르다고 한다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분자구조와 성질 아밀로오스 아밀로오스(amylose)는 포도당(α-D-glucose)이 가지 즉 분지(分岐 branching)없이 α-1 4-결합으로 연결된 α-나선형(α-helical form)을 가진 직쇄상(直鎖狀 straight chain)의 중합체로 생각되고 있으며 가지가 달려있지 않는 점을 강조하여 간단히 직선상 분자(linear molecules)로 표현되기도 한다 아밀로오스 분자 내의 α-포도당(α-D-glucose)의 수효는 전분의 종류에 따라 다르다 근래에 와서는 자연전분(native starch) 중의 아밀로오스 분자들의 분자량으로서 016times106에서 265times106 정도의 평균 분자량이 보고되고 있다(대략 106의 차원으로 보고하고 있다)

아밀로오스는 구성단위인 α-포도당의 입체적 구조에 의해서 대개 6개 정도의 α-포도당의 연결체가 한 회전을 하는 정도의 나선상의 형태(α-helical form)를 형성하고 있다(그림 6-3 참조)

나선(helical form)의 내부 공간(cavity)에 가끔 어떤 특정한 화합물들이 들어가서 복합체들(complex compounds)을 형성하는 경우가 있다 특히 아밀로오스 분자가 요오드와 반응하면 요오드분자들이 이 공간에 들어가서 아밀로오스-요오도 복합체들(amylose-iodine complexes)을 형성한다

일부 전분에서는 실제로 소량의 지방산(fatty acids) 같은 지방질 성분들이 공동(空洞 cavity)에 갇혀있어 에텔 등의 유기용매들(organic solvents)에 의해서 잘 추출되지 않는 사실이 알려져 있다 아밀로오스는 요오드와의 정색(呈色)반응에 의해서 짙은 청색을 나타내나 아밀로펙틴(amylopectin)은 요오드와 이상과 같은 복합체를 거의 형성하지 않으며 따라서 그 정색반응은 자색(purple)이다 한편 글라이코젠(glycogen)도 이와 같은 복합체를 전혀 형성하지 않으며 요오드와의 정색반응은 빨간색이 짙은 자색을 나타낸다

표 6-6아밀로오스의 중합도(degree of polymerization)와 요오드(iodine)와의 복합체들의 색깔 사이의 관계(청색값)

아밀로오스의 종류 중합도

최고 흡수 파장

(wavelength of abs

orption maximum

mμ)

흡수 강도

molar extinction c

oefficient

감자(potato)

타피오카(tapioca)

나리꽃의 구근(lily bulb)

옥수수(corn)

합성 아밀로오스아밀로

덱스트린

500

450

310

250

85

44

628

625

622

618

590

580

43000

41600

41400

40400

32900

25400

아밀로오스의 분자량이 클수록 요오드와의 복합체의 색깔은 더 짙은 즉 더 장파장의 청색을 나타내며 그 색깔도 더 강해짐을 알 수 있다

곡류나 서류 등의 전분에서 추출한 아밀로오스 100g은 대략 18~20mg의 요오드를 흡수 즉 요오드와 복합체를 형성하나 후술하는 아밀로펙틴(amylopectin)의 경우 그 흡수량은 05mg 이하인 사실이 알려져 있다 한편 한 전분 중의 아밀로오스의 함량을 측정하기 위해서 100g의 아밀로오스는 19mg의 요오드를 흡수하는 것으로 가정하여 계산하는 경우가 많다 과거에는 한 전분 중의 아밀로오스와 아밀로펙틴의 상대적인 양적 관계를 표시하는 척도(尺度)로 청색값(blue value)이 경험적인 방법(an empirical method)으로 가끔 사용되어 왔다(Kim H S et al 1974 Kim S K et al 1977 Kim S K 1978) 이 청색값 또는 청색도는 기본적으로 위의 청색정색반응(靑色呈色反應)을 이용한 것이다

아밀로펙틴 아밀로펙틴(amylopectin)은 전분의 또 하나의 구성성분이며 대체로 78에서 83 정도이다 한편 찹쌀 찰옥수수의 전분 등에 있어서는 그 함량은 96 내지 100며 또 고 아밀로오스 함량 옥수수(high amylose maize)에 있어서는 그 함량은 25 내지 50이다 아밀로펙틴은 아밀로오스와는 달리 가지(branch)가 많이 달린 분자구조를 갖고 있다 이 아밀로펙틴의 구성단위인 α-포도당(α-D-glucose)의 결합양식은 아밀로오스의 경우와 마찬가지로 주로 α-1 4-결합이나 분자 중의 가지는 α-1 6-결합에 의해서 형성된다(그림 6-5 참조)

[그림 6-5]직선상인 아밀로오스 분자(a linear amylose molecule)와 여러 개의 가지로 분기된 아밀로펙틴 분자(a branched amylopectin molecule) 일부의 그림 아밀로오스 분자의 일부와 아밀로펙틴 분자의 가지가 달린 부분의 일부의 화학구조를 확대하여 표시하였다

그러나 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합 이외의 다른 형태의 결합이 존재할 가능성도 매우 크다 그것은 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합을 가수분해할 수 있는 효소들을 아밀로펙틴에 작용시킬 때 아밀로펙틴의 분자가 완전히 가수분해 되지 않는다는 사실로써 간접적으로 입증된다 하나의 가지 즉 α-1 6-결합에서 또 하나의 가지 즉 α-1 6-결합까지 사이의 포도당의 평균수는 역시 전분의 종류에 따라 다르다 하니맨(Honeyman J 1959)은 그 수를 대체로 18개에서 27개로 보고 있다(표 6-3 참조) 이 수치는 평균 분자수가 8개 내지 16개인 글라이코젠(glycogen)보다는 가지 수가 적다는 것을 의미한다

표 6-7아밀로펙틴(amylopectin) 분자의 외부 및 내부 체인의 길이

아밀로펙틴의 출처

(sources)

평균체인의 길이(averag

e chain length)

β-아밀레이스의

분해 한계

보 리 (barley)

맥 아 (malt)

옥 수 수 (corn)

밀 (wheat)

감 자 (potato)

타 피 오 카

찰 옥 수 수 (waxy

corn)

261)

17~18

25

23

27

23

25

59

44

63

62

59

62

52

1)하나의 가지에서 또 하나의 가지(branch)까지 사이의 포도당 단위수

아밀로펙틴 분자 형태 세 가지의 분자형태가 제안되어 왔었다 1 소위 박편(薄片) 구조로 특징 지워지는 하워트 모형(the Haworth model) 2 소위 화살깃 구조로 특징 지워지는 수타오딘거 모형(the Staudinger model) 3 소위 수상(樹狀) 구조로 특징 지워지는 마이야 모형(the Meyer model) 등이다(그림 6-6 참조)

3가지 모델중에서 마이야 모델 즉 가지가 나뭇가지 모양으로 분기된 수상구조(樹狀構造)를 갖고 있는 것으로 생각하였었다 그러나 근래에 와서 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 성질(partial crystalline properties)이 아밀로펙틴 분자들(amylopectin molecules) 자체의 성질에 기인하는 사실에 주목하여 왔다 (아밀로오스가 결정성의 영역을 그 분자 내에 갖고 있는 것은 사실이나 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 영역의 존재는 아밀로오스가 아니라 주로 아밀로펙틴 분자들의 부분적인 강한 결정성 영역에 기인하는 것으로 알려져 있다 )

결정성(結晶性) 성질은 분자 내의 강하고도 광범위한 규칙적인 배열에 의해서 일어남으로 분자 내의 전혀 규칙성을 찾을 수 없는 마이어 모델(Meyer model)은 아밀로펙틴 분자들의 부분적으로 결정성을 가진 성질을 설명할 수 없는 난점이 있다 근래에 와서는 여러 클러스터 모델들이 제안됨

C사슬 α-1 4-결합만으로 형성 직선상의 부분(a linear part)이 근간(根幹)이 되어 B사슬 α-1 6-결합을 통해서 많은 가지들(branches)이 클러스터들(clusters)을 형성 A사슬 B사슬로 알려진 부분들 중의 많은 사슬(chains)들은 α-1 6-결합으로 연결된 주로 매우 짧은 제3의 층을 형성

그림 6-8] 아밀로펙틴 분자들의 클러스터 모델(房狀模型 cluster model) B사슬 층(가지가 많은 부분)의 하층은 가지들 사이에 뚜렷한 규칙성을 볼 수 없으나 그 상층부분들에서는 가지들 사이의 배열에 규칙성을 볼 수 있다 전분입자들이 나타내는 결정성(crystallinity)은 아밀로오스 분자들의 성질이 아니라 아밀로펙틴 분자들의 일부 내부구조에 의한 것이 확실해지고 있다

아밀로펙틴 평균분자량 107~108 (아밀로오스 분자량 대략 106 정도) 아밀로펙틴 분자 내에는 적어도 10000개 내지는 100000개 이상의 포도당 구성단위가 중합하여 형성된 것으로 추정할 수 있다 요오드와 아밀로펙틴과의 정색반응에 의한 색깔은 자색이며 아밀로오스나 전분의 짙은 청색과는 다르다 아밀로펙틴이 아밀로오스의 경우와 같은 요오드나 지방산들(fatty acid residue)과 복합체들(complex compounds)을 거의 형성하지 않음을 의미한다

[그림 6-9]대표적인 요오도와의 결합곡선들(typical iodine-binding curves)의 한 예 1 아밀로오스(amylose)에 대해서 2 아밀로펙틴(amylopectin)에 대해서 3 전분(starch)에 대해서 점선은 요오도와의 친화력(affinity)을 얻기 위해서 extrapolation하였음을 표시하여 주고 있다

아밀로펙틴은 요오드(iodine I2)와 거의 응하지 않는다 전분과 요오드와의 정색반응(color reaction)은 주로 전분 내의 아밀로오스에 기인된다

표 6-8아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin)의 성질 비교

아밀로오스 아밀로펙틴

(1) 요오드(iodine)와의 반응 짙은 청색 빨간색-자주색

(2) 청색값(Blue Value)1) 135 005

(3) β- 아밀레이스 추출액 (β-amylase

preparation)과의 반응

95 내지 100가 말토오스

로 가수분해

50가 말토오스로 가수분해

(4) 분자량 40000 내지 340002) 40000 내지 60000002)

(5) 비환원성 말단그룹(non-reducing

end group) 사이의 평균 포도당의

수

200 내지 2100 20 내지 25

(6) X-선 분석 고도의 결정성(crystallinity) 무정형(amorphous)

(7) 물에 대한 용해도(solubility) 거의 녹지 않음(sparingly sol

uble)

잘 녹는다(very soluble)

(8) 수용액(aqueous solution) 속에서

의 안정성(stability)

노화된다(retrogrades) 안정하다(stable)

(9) 아 세 틸 화 된 유 도 체 (acetylated

derivatives)의 성질

섬 유 질 (fibrous) 질 긴 필 름

(tough film)을 형성한다

무 정 형 분 말 (amorphous

powder) 부 스 러 지 기 쉬

운 필름을 형성(brittle film)

젤라틴화 즉 교질화 된 전분의 분산액(分散液 dispersion)에서 전분분자들이 부분적으로나마 결정화되는 과정을 노화(老化 retrogradation)라고 부른다 아밀로펙틴은 노화되는 성질을 갖고 있지 않으며 따라서 100 또는 거의 100가 아밀로펙틴으로 형성되고 있는 찹쌀이나 찰옥수수의 전분들은 노화현상을 잘 보여주지 않는다 같은 α-포도당이 구성단위가 되고 있는 글라이코젠(glycogen)의 경우 그 가지는 아밀로펙틴보다 더 많으며 그 분자형태도 구형(球形 a spherical form)을 이루고 있기 때문에 그 분산액은 교질화도 일으키지 않으며 따라서 노화현상도 없는 사실이 잘 알려져 있다

아밀로오스는 교질화((膠質化) 즉 젤라틴화(gelatinization)를 쉽게 일으키나 이것은 아밀로오스의 긴 직선상의 형태(linear molecular shape)에 기인된 듯하다 반면에 아밀로펙틴은 쉽게 젤라틴화 되지 않으며 그 원인도 역시 아밀로펙틴 분자들의 가지가 많은 분자구조에 기인된 듯하다 한편 젤라틴화 된 전분 분산액 더 엄격하게는 분산 시스템 또는 분산체(starch dispersion)에서 아밀로오스는 쉽게 부분적으로나마 결정화되는 경향이 있으나 아밀로펙틴은 분자들이 일단 분산된 후에는 서로 얽혀진 많은 수의 가지 때문에 부분적으로나마 결정화(crystallization)되기에는 너무 힘든 상태가 되는 것으로 믿어지고 있다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분리 1 아밀로오스 복합체 형성에 의한 분리 오래 전부터 알려진 방법으로써 가틴 그루제우스카(Gatin- Gruzewska Z 1908 1911 Radley J A 1954 참조)에 의해서 개발된 방법이 있다 이 방법에서는 3의 전분 용액에 소량의 40탄산 소오다(Na2Co3)용액을 가한 다음에 다시 95의 에탄올(EtOH)용액을 가하여 아밀로펙틴만을 침전시킨 후 이 침전을 씻고 다시 투석(透析 dialysis)으로 무기염 등을 제거하여 정제 아밀로펙틴을 얻는다

숏호(Schoch T J 1942)와 하워트들(Haworth W N et al 1946 Radley J A 1954 참조)은 전분 중의 아밀로오스 성분이 뷰타놀(butanol) 노말-아밀 알콜(n-amyl alcohol) 타이몰(thymol) 지방산들과 결합하여 결정성 복합체(crystalline complex)를 형성하는 성질을 이용하여 묽은 전분의 현탁액에 뷰타놀 등을 가한 후 형성되는 아밀로오스와 이들 알콜들과의 결정성 복합체들을 침전시킨 다음에 남은 아밀로펙틴을 원심분리기로 분리하는 방법을 설명하고 있다

2 전기 영동법에 의한 분리 자메크들(Samec M et al 1926)은 감자 전분의 아밀로오스와 아밀로펙틴을 전기 영동법(electrophoretic method)을 사용하여 분리하는데 성공한 바 있다 특히 감자전분의 경우 여기에 함유된 아밀로펙틴은 그 분자 속에 에스터화 된 인산그룹들(esterified phosphoric acid groups)을 함유하고 있기 때문에 비교적 강한 음전하(nagative charge)를 갖고 있으며 따라서 전분의 현탁액에 전류를 통하면 아밀로펙틴은 쉽게 양극(anode)으로 이동하는 성질이 있으므로 전기 영동법에 의해서 쉽게 분리할 수 있다고 한다 이 방법은 인산(phosphoric acid)이나 지방산(fatty acid)들이 아밀로펙틴과 화학적으로 결합되어 있지 않는 곡류 전분에는 적용할 수 없다

3 열수 추출법전분의 현탁액을 60~100로 가열할 때는 전분입자들(starch granules)은 팽윤(swelling)되면서 분자량이 상대적으로 훨씬 적으며 따라서 운동성(mobility)이 더 큰 아밀로오스 분자들은 팽윤된 전분입자들에서 빠져나가게(leaching)된다 한편 대부분의 아밀로펙틴 분자들은 전분입자 내에서 서로 결합상태 또는 부분적인 결정성을 그대로 유지하면서 남게 된다 수용액에 풀어져 나온 아밀로오스는 이상의 현탁액을 원심분리(centrifuge)한 후 상등액(supernatant)에서 얻을 수가 있다

4 효소 링들(Ling A R et al 1923)은 아밀로오스와 아밀로펙틴에 대한 특정 효소들의 작용의 차이를 이용하고 있다 즉 α- 및 β-아밀레이스들(α- β-amylases)의 혼합물인 다이아스테이스(diastase)는 아밀로펙틴보다 아밀로오스에 더 강하게 작용하므로 전분의 젤(gel) 즉 교질용액에 어떤 조정된 조건 하에서 다이아스테이스를 작용시키면 아밀로펙틴은 거의 영향 받지 않고 아밀로오스만을 말토오스 등으로 가수분해 시켜 제거함으로써 아밀로펙틴을 분리할 수 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

헤테로폴리삭카라이드류 즉 복합다당류 헤미셀룰로오스(hemicelluloses) 펙틴류(pectins) 자연에 존재하는 여러 고무질 물질들(natural gums) 등

전 분 - 식물체의 대표적인 저장 탄수화물 -( 식물체의 대표적인 구조형성 탄수화물(α structural carbohydrate) 셀룰로오스 즉 섬유소(纖維素 cellulose)) 전분은 일반적으로 세포 내의 세포질(細胞質 cytoplasm)에 존재하는 색소체들(色素體 plastids) 속에서 형성되며 그 속에 입자들(granules)의 형태로서 존재한다 비중(比重 specific gravity)은 비교적 크며 대략 155 내지 165 정도라고 한다 물에는 전혀 녹지 않으며 다만 현탁액(懸濁液 suspension)을 만들 뿐이다

전분입자 전분입자들의 가장 특이한 점의 하나는 이 입자를 둘러싸주고 있는 어떤 형태의 막(membrane)도 존재하지 않는다는 점이다 그럼에도 불구하고 전분입자가 일정한 형태를 유지할 수 있는 이유는 그 속의 전분분자들이 상호간에 수소결합(hydrogen bond)을 통해서 강하게 결합하고 있기 때문인 것으로 생각되고 있다

전분입자 내의 층(layer)을 이루고 있는 아밀로오스와 아밀로펙틴 분자들의 미셀(micelle) [그림 6-1]섬유상 영역(micellar regions)과 무정형 영역(amorphous)을 표시하고 있는 전분입자의 미세구조(microstructure)

전분입자들은 충분한 수분을 함유하고 있을 때 현미경 등으로 관찰하면 가끔 전분입자 가운데 있는 핵(核) 또는 입심(粒心)으로 알려진 하일럼(hilum)을 중심으로 뚜렷한 동심원(同心圓)으로 표현할 수 있는 층들(concentric layers)로 구성되고 있음을 볼 수가 있다(그림 6-1과 특히 그림6-2의 (a) 참조) 이 층의 두께는 일반적으로 그 전분을 형성한 식물체의 과거의 신진대사활동의 강약(强弱)과 관련이 있다고 한다 즉 낮 동안의 신진대사 작용(diurnal metabolic activity)이 활발했을 시기의 층은 두꺼우며 약했을 시기의 층은 얇다고 한다 이들은 또한 성장륜(成長輪 growth ring)으로도 불리고 있다(Whistler R L et al 1984 참조)

(a) 감자의 전분입자들(potato starch granules) (b) 쌀의 전분입자들(rice starch granules)의 확대 사진

전분입자들의 형태와 크기는 그 전분입자들의 출처(source)에 따라 두드러지게 다르며 일반적으로 곡류(穀類 cereals)에서 얻은 전분입자들은 그 크기가 2μ내지 10μ(1μ=10-3) 정도이며 한편 감자 고구마 등의 근경류(根莖類 roots and tubers)에서 얻어지는 전분입자들은 5~150μ 정도이다

표 6-1각 곡류(cereals) 또는 근경류(roots and tubers)의 전분입자들(starch granules)의 크기(size) 및 아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin) 함량

출 처(source) 전분입자의 크기

(starch grain size)

아밀로오스 함량

(amylose content)

아밀로펙틴 함량

(amylopectin conte

nt)

메밀(buck wheat)

보리(barley)

수수(sorghum)

옥수수(corn)

밀(wheat)

감자(white potatoes)

칡의 일종(arrowroot)

고구마(sweet potatoes)

타 피 오 카 (tapioca) 즉

카사바전분

찰 옥 수 수(waxy corn)

쌀(rice)

찹쌀(waxy rice)

찰보리(waxy barley)

-

20~50μ

-

4~26

2~38

15~100

7~75

15~55

5~36

-

2~10

-

-

28

27

27

26

25

23

21

20

18

0~6

20

0

3

72

73

73

74

75

77

79

80

82

100~94

80

100

97

전분의 두 형태 아밀로오스와 아밀로펙틴 아밀로오스와 아밀로펙틴은 그 분자구조(molecular structure)가 현저하게 다르며 따라서 그 화학적 물리적 성질도 현저하게 다르다 전분입자들 속의 아밀로오스와 아밀로펙틴의 함량의 비율은 전분입자들의 출처에 따라 다르다

표 6-3대표적인 전분들의 아밀로오스 아밀로펙틴 함량 및 아밀로펙틴 분자 내의 가지와 가지 사이의 평균 거리

전분의 종류

아밀로오스

(amylose)

함량

아밀로펙틴

(amylopectin)

함량

아밀로펙틴 분자 내에서 가

지와 가지 사이의 평균 포

도당

단위(glucose units)의 수

감자 전분(potato starch)

조제 감자 아밀로펙틴(crude potato amylo

pectin)

사고 전분(sago starch)

바나나 전분(banana starch)

고구마 전분(sweet potato starch)

칡 전분(arrowroot starch)

타피오카 전분(tapioca starch)

정제 카사바 전분(pearl manioc starch)

쌀 전분(rice starch)

옥수수 전분(maize starch)

찰옥수수 전분(waxy maize starch)

밀 전분(wheat starch)

18

7

26

21

18

20

17

16

14

23

0

19

82

93

74

79

82

80

83

84

86

77

100

81

23

20

18

21

27

25

20

20

20

19

20

21

표 6-4생 전분(raw starches)의 물리적 화학적인 성질들

전분의 종류

평균입자의

크기

(granule

size)

마이크론 μ

5 전분 용액

에서

gelatinization

이

일어나는 온도

아밀로오스 함량

(amylose

conetent )

아밀로오스 분

자 내의 포도당

(glucose)

단위의 수

degF

감자(potato)

옥수수(corn)

타피오카

아미오카

칡(arrowroot)

밀(wheat)

쌀(rice)

사고(sago)

33

15

20

15

30~45

21

5

31

6391

800

628

739

750

767

811

739

147

176

145

165

167

170

178

165

22

28

18

0~4

20

25

17

27

980

490

980

-

-

540

-

420

찹쌀의 경우와 같은 아밀로오스함량이 없는 곡류의 변종들(amylose-free or waxy mutants)은 전술한 대로 쌀 보리(barley) 옥수수(maize) 수수(sorghum) 그리고 감자(potato) 등에는 널리 분포되고 있으나 유독 밀(wheat)의 경우에만 존재하지 않는다 이들 변종들(mutants 즉 glutinous or way species)의 경우 그 전분이 100가 아밀로펙틴으로 되어 있다

출 처 (source) 아밀로오스

옥수수(maize)

고 아밀로오스 함량 옥수수

고 아밀로오스 함량 옥수수

찰옥수수(waxy maize)

감 자(potato)

타피오카(tapioca)

밀(wheat)

24

59

70

0~3

20

17

25

고 아밀로오스 함량 옥수수(high amylose maize)의 전분에서는 아밀로오스 함량이 50 내지 70가 되어 보통 옥수수의 아밀로오스 함량의 2배 내지 3배나 된다 (표 6-5 참조) 따라서 그 전분의 성질도 교질화(gelatinization)된 후에는 유백색(乳白色 opaque)의 매우 단단한 젤(gel)을 형성하는(Luallen T E 1985 제7장 참고문헌 참조) 등 보통 곡류 전분의 성질과 현저하게 다르다고 한다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분자구조와 성질 아밀로오스 아밀로오스(amylose)는 포도당(α-D-glucose)이 가지 즉 분지(分岐 branching)없이 α-1 4-결합으로 연결된 α-나선형(α-helical form)을 가진 직쇄상(直鎖狀 straight chain)의 중합체로 생각되고 있으며 가지가 달려있지 않는 점을 강조하여 간단히 직선상 분자(linear molecules)로 표현되기도 한다 아밀로오스 분자 내의 α-포도당(α-D-glucose)의 수효는 전분의 종류에 따라 다르다 근래에 와서는 자연전분(native starch) 중의 아밀로오스 분자들의 분자량으로서 016times106에서 265times106 정도의 평균 분자량이 보고되고 있다(대략 106의 차원으로 보고하고 있다)

아밀로오스는 구성단위인 α-포도당의 입체적 구조에 의해서 대개 6개 정도의 α-포도당의 연결체가 한 회전을 하는 정도의 나선상의 형태(α-helical form)를 형성하고 있다(그림 6-3 참조)

나선(helical form)의 내부 공간(cavity)에 가끔 어떤 특정한 화합물들이 들어가서 복합체들(complex compounds)을 형성하는 경우가 있다 특히 아밀로오스 분자가 요오드와 반응하면 요오드분자들이 이 공간에 들어가서 아밀로오스-요오도 복합체들(amylose-iodine complexes)을 형성한다

일부 전분에서는 실제로 소량의 지방산(fatty acids) 같은 지방질 성분들이 공동(空洞 cavity)에 갇혀있어 에텔 등의 유기용매들(organic solvents)에 의해서 잘 추출되지 않는 사실이 알려져 있다 아밀로오스는 요오드와의 정색(呈色)반응에 의해서 짙은 청색을 나타내나 아밀로펙틴(amylopectin)은 요오드와 이상과 같은 복합체를 거의 형성하지 않으며 따라서 그 정색반응은 자색(purple)이다 한편 글라이코젠(glycogen)도 이와 같은 복합체를 전혀 형성하지 않으며 요오드와의 정색반응은 빨간색이 짙은 자색을 나타낸다

표 6-6아밀로오스의 중합도(degree of polymerization)와 요오드(iodine)와의 복합체들의 색깔 사이의 관계(청색값)

아밀로오스의 종류 중합도

최고 흡수 파장

(wavelength of abs

orption maximum

mμ)

흡수 강도

molar extinction c

oefficient

감자(potato)

타피오카(tapioca)

나리꽃의 구근(lily bulb)

옥수수(corn)

합성 아밀로오스아밀로

덱스트린

500

450

310

250

85

44

628

625

622

618

590

580

43000

41600

41400

40400

32900

25400

아밀로오스의 분자량이 클수록 요오드와의 복합체의 색깔은 더 짙은 즉 더 장파장의 청색을 나타내며 그 색깔도 더 강해짐을 알 수 있다

곡류나 서류 등의 전분에서 추출한 아밀로오스 100g은 대략 18~20mg의 요오드를 흡수 즉 요오드와 복합체를 형성하나 후술하는 아밀로펙틴(amylopectin)의 경우 그 흡수량은 05mg 이하인 사실이 알려져 있다 한편 한 전분 중의 아밀로오스의 함량을 측정하기 위해서 100g의 아밀로오스는 19mg의 요오드를 흡수하는 것으로 가정하여 계산하는 경우가 많다 과거에는 한 전분 중의 아밀로오스와 아밀로펙틴의 상대적인 양적 관계를 표시하는 척도(尺度)로 청색값(blue value)이 경험적인 방법(an empirical method)으로 가끔 사용되어 왔다(Kim H S et al 1974 Kim S K et al 1977 Kim S K 1978) 이 청색값 또는 청색도는 기본적으로 위의 청색정색반응(靑色呈色反應)을 이용한 것이다

아밀로펙틴 아밀로펙틴(amylopectin)은 전분의 또 하나의 구성성분이며 대체로 78에서 83 정도이다 한편 찹쌀 찰옥수수의 전분 등에 있어서는 그 함량은 96 내지 100며 또 고 아밀로오스 함량 옥수수(high amylose maize)에 있어서는 그 함량은 25 내지 50이다 아밀로펙틴은 아밀로오스와는 달리 가지(branch)가 많이 달린 분자구조를 갖고 있다 이 아밀로펙틴의 구성단위인 α-포도당(α-D-glucose)의 결합양식은 아밀로오스의 경우와 마찬가지로 주로 α-1 4-결합이나 분자 중의 가지는 α-1 6-결합에 의해서 형성된다(그림 6-5 참조)

[그림 6-5]직선상인 아밀로오스 분자(a linear amylose molecule)와 여러 개의 가지로 분기된 아밀로펙틴 분자(a branched amylopectin molecule) 일부의 그림 아밀로오스 분자의 일부와 아밀로펙틴 분자의 가지가 달린 부분의 일부의 화학구조를 확대하여 표시하였다

그러나 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합 이외의 다른 형태의 결합이 존재할 가능성도 매우 크다 그것은 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합을 가수분해할 수 있는 효소들을 아밀로펙틴에 작용시킬 때 아밀로펙틴의 분자가 완전히 가수분해 되지 않는다는 사실로써 간접적으로 입증된다 하나의 가지 즉 α-1 6-결합에서 또 하나의 가지 즉 α-1 6-결합까지 사이의 포도당의 평균수는 역시 전분의 종류에 따라 다르다 하니맨(Honeyman J 1959)은 그 수를 대체로 18개에서 27개로 보고 있다(표 6-3 참조) 이 수치는 평균 분자수가 8개 내지 16개인 글라이코젠(glycogen)보다는 가지 수가 적다는 것을 의미한다

표 6-7아밀로펙틴(amylopectin) 분자의 외부 및 내부 체인의 길이

아밀로펙틴의 출처

(sources)

평균체인의 길이(averag

e chain length)

β-아밀레이스의

분해 한계

보 리 (barley)

맥 아 (malt)

옥 수 수 (corn)

밀 (wheat)

감 자 (potato)

타 피 오 카

찰 옥 수 수 (waxy

corn)

261)

17~18

25

23

27

23

25

59

44

63

62

59

62

52

1)하나의 가지에서 또 하나의 가지(branch)까지 사이의 포도당 단위수

아밀로펙틴 분자 형태 세 가지의 분자형태가 제안되어 왔었다 1 소위 박편(薄片) 구조로 특징 지워지는 하워트 모형(the Haworth model) 2 소위 화살깃 구조로 특징 지워지는 수타오딘거 모형(the Staudinger model) 3 소위 수상(樹狀) 구조로 특징 지워지는 마이야 모형(the Meyer model) 등이다(그림 6-6 참조)

3가지 모델중에서 마이야 모델 즉 가지가 나뭇가지 모양으로 분기된 수상구조(樹狀構造)를 갖고 있는 것으로 생각하였었다 그러나 근래에 와서 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 성질(partial crystalline properties)이 아밀로펙틴 분자들(amylopectin molecules) 자체의 성질에 기인하는 사실에 주목하여 왔다 (아밀로오스가 결정성의 영역을 그 분자 내에 갖고 있는 것은 사실이나 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 영역의 존재는 아밀로오스가 아니라 주로 아밀로펙틴 분자들의 부분적인 강한 결정성 영역에 기인하는 것으로 알려져 있다 )

결정성(結晶性) 성질은 분자 내의 강하고도 광범위한 규칙적인 배열에 의해서 일어남으로 분자 내의 전혀 규칙성을 찾을 수 없는 마이어 모델(Meyer model)은 아밀로펙틴 분자들의 부분적으로 결정성을 가진 성질을 설명할 수 없는 난점이 있다 근래에 와서는 여러 클러스터 모델들이 제안됨

C사슬 α-1 4-결합만으로 형성 직선상의 부분(a linear part)이 근간(根幹)이 되어 B사슬 α-1 6-결합을 통해서 많은 가지들(branches)이 클러스터들(clusters)을 형성 A사슬 B사슬로 알려진 부분들 중의 많은 사슬(chains)들은 α-1 6-결합으로 연결된 주로 매우 짧은 제3의 층을 형성

그림 6-8] 아밀로펙틴 분자들의 클러스터 모델(房狀模型 cluster model) B사슬 층(가지가 많은 부분)의 하층은 가지들 사이에 뚜렷한 규칙성을 볼 수 없으나 그 상층부분들에서는 가지들 사이의 배열에 규칙성을 볼 수 있다 전분입자들이 나타내는 결정성(crystallinity)은 아밀로오스 분자들의 성질이 아니라 아밀로펙틴 분자들의 일부 내부구조에 의한 것이 확실해지고 있다

아밀로펙틴 평균분자량 107~108 (아밀로오스 분자량 대략 106 정도) 아밀로펙틴 분자 내에는 적어도 10000개 내지는 100000개 이상의 포도당 구성단위가 중합하여 형성된 것으로 추정할 수 있다 요오드와 아밀로펙틴과의 정색반응에 의한 색깔은 자색이며 아밀로오스나 전분의 짙은 청색과는 다르다 아밀로펙틴이 아밀로오스의 경우와 같은 요오드나 지방산들(fatty acid residue)과 복합체들(complex compounds)을 거의 형성하지 않음을 의미한다

[그림 6-9]대표적인 요오도와의 결합곡선들(typical iodine-binding curves)의 한 예 1 아밀로오스(amylose)에 대해서 2 아밀로펙틴(amylopectin)에 대해서 3 전분(starch)에 대해서 점선은 요오도와의 친화력(affinity)을 얻기 위해서 extrapolation하였음을 표시하여 주고 있다

아밀로펙틴은 요오드(iodine I2)와 거의 응하지 않는다 전분과 요오드와의 정색반응(color reaction)은 주로 전분 내의 아밀로오스에 기인된다

표 6-8아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin)의 성질 비교

아밀로오스 아밀로펙틴

(1) 요오드(iodine)와의 반응 짙은 청색 빨간색-자주색

(2) 청색값(Blue Value)1) 135 005

(3) β- 아밀레이스 추출액 (β-amylase

preparation)과의 반응

95 내지 100가 말토오스

로 가수분해

50가 말토오스로 가수분해

(4) 분자량 40000 내지 340002) 40000 내지 60000002)

(5) 비환원성 말단그룹(non-reducing

end group) 사이의 평균 포도당의

수

200 내지 2100 20 내지 25

(6) X-선 분석 고도의 결정성(crystallinity) 무정형(amorphous)

(7) 물에 대한 용해도(solubility) 거의 녹지 않음(sparingly sol

uble)

잘 녹는다(very soluble)

(8) 수용액(aqueous solution) 속에서

의 안정성(stability)

노화된다(retrogrades) 안정하다(stable)

(9) 아 세 틸 화 된 유 도 체 (acetylated

derivatives)의 성질

섬 유 질 (fibrous) 질 긴 필 름

(tough film)을 형성한다

무 정 형 분 말 (amorphous

powder) 부 스 러 지 기 쉬

운 필름을 형성(brittle film)

젤라틴화 즉 교질화 된 전분의 분산액(分散液 dispersion)에서 전분분자들이 부분적으로나마 결정화되는 과정을 노화(老化 retrogradation)라고 부른다 아밀로펙틴은 노화되는 성질을 갖고 있지 않으며 따라서 100 또는 거의 100가 아밀로펙틴으로 형성되고 있는 찹쌀이나 찰옥수수의 전분들은 노화현상을 잘 보여주지 않는다 같은 α-포도당이 구성단위가 되고 있는 글라이코젠(glycogen)의 경우 그 가지는 아밀로펙틴보다 더 많으며 그 분자형태도 구형(球形 a spherical form)을 이루고 있기 때문에 그 분산액은 교질화도 일으키지 않으며 따라서 노화현상도 없는 사실이 잘 알려져 있다

아밀로오스는 교질화((膠質化) 즉 젤라틴화(gelatinization)를 쉽게 일으키나 이것은 아밀로오스의 긴 직선상의 형태(linear molecular shape)에 기인된 듯하다 반면에 아밀로펙틴은 쉽게 젤라틴화 되지 않으며 그 원인도 역시 아밀로펙틴 분자들의 가지가 많은 분자구조에 기인된 듯하다 한편 젤라틴화 된 전분 분산액 더 엄격하게는 분산 시스템 또는 분산체(starch dispersion)에서 아밀로오스는 쉽게 부분적으로나마 결정화되는 경향이 있으나 아밀로펙틴은 분자들이 일단 분산된 후에는 서로 얽혀진 많은 수의 가지 때문에 부분적으로나마 결정화(crystallization)되기에는 너무 힘든 상태가 되는 것으로 믿어지고 있다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분리 1 아밀로오스 복합체 형성에 의한 분리 오래 전부터 알려진 방법으로써 가틴 그루제우스카(Gatin- Gruzewska Z 1908 1911 Radley J A 1954 참조)에 의해서 개발된 방법이 있다 이 방법에서는 3의 전분 용액에 소량의 40탄산 소오다(Na2Co3)용액을 가한 다음에 다시 95의 에탄올(EtOH)용액을 가하여 아밀로펙틴만을 침전시킨 후 이 침전을 씻고 다시 투석(透析 dialysis)으로 무기염 등을 제거하여 정제 아밀로펙틴을 얻는다

숏호(Schoch T J 1942)와 하워트들(Haworth W N et al 1946 Radley J A 1954 참조)은 전분 중의 아밀로오스 성분이 뷰타놀(butanol) 노말-아밀 알콜(n-amyl alcohol) 타이몰(thymol) 지방산들과 결합하여 결정성 복합체(crystalline complex)를 형성하는 성질을 이용하여 묽은 전분의 현탁액에 뷰타놀 등을 가한 후 형성되는 아밀로오스와 이들 알콜들과의 결정성 복합체들을 침전시킨 다음에 남은 아밀로펙틴을 원심분리기로 분리하는 방법을 설명하고 있다

2 전기 영동법에 의한 분리 자메크들(Samec M et al 1926)은 감자 전분의 아밀로오스와 아밀로펙틴을 전기 영동법(electrophoretic method)을 사용하여 분리하는데 성공한 바 있다 특히 감자전분의 경우 여기에 함유된 아밀로펙틴은 그 분자 속에 에스터화 된 인산그룹들(esterified phosphoric acid groups)을 함유하고 있기 때문에 비교적 강한 음전하(nagative charge)를 갖고 있으며 따라서 전분의 현탁액에 전류를 통하면 아밀로펙틴은 쉽게 양극(anode)으로 이동하는 성질이 있으므로 전기 영동법에 의해서 쉽게 분리할 수 있다고 한다 이 방법은 인산(phosphoric acid)이나 지방산(fatty acid)들이 아밀로펙틴과 화학적으로 결합되어 있지 않는 곡류 전분에는 적용할 수 없다

3 열수 추출법전분의 현탁액을 60~100로 가열할 때는 전분입자들(starch granules)은 팽윤(swelling)되면서 분자량이 상대적으로 훨씬 적으며 따라서 운동성(mobility)이 더 큰 아밀로오스 분자들은 팽윤된 전분입자들에서 빠져나가게(leaching)된다 한편 대부분의 아밀로펙틴 분자들은 전분입자 내에서 서로 결합상태 또는 부분적인 결정성을 그대로 유지하면서 남게 된다 수용액에 풀어져 나온 아밀로오스는 이상의 현탁액을 원심분리(centrifuge)한 후 상등액(supernatant)에서 얻을 수가 있다

4 효소 링들(Ling A R et al 1923)은 아밀로오스와 아밀로펙틴에 대한 특정 효소들의 작용의 차이를 이용하고 있다 즉 α- 및 β-아밀레이스들(α- β-amylases)의 혼합물인 다이아스테이스(diastase)는 아밀로펙틴보다 아밀로오스에 더 강하게 작용하므로 전분의 젤(gel) 즉 교질용액에 어떤 조정된 조건 하에서 다이아스테이스를 작용시키면 아밀로펙틴은 거의 영향 받지 않고 아밀로오스만을 말토오스 등으로 가수분해 시켜 제거함으로써 아밀로펙틴을 분리할 수 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

전 분 - 식물체의 대표적인 저장 탄수화물 -( 식물체의 대표적인 구조형성 탄수화물(α structural carbohydrate) 셀룰로오스 즉 섬유소(纖維素 cellulose)) 전분은 일반적으로 세포 내의 세포질(細胞質 cytoplasm)에 존재하는 색소체들(色素體 plastids) 속에서 형성되며 그 속에 입자들(granules)의 형태로서 존재한다 비중(比重 specific gravity)은 비교적 크며 대략 155 내지 165 정도라고 한다 물에는 전혀 녹지 않으며 다만 현탁액(懸濁液 suspension)을 만들 뿐이다

전분입자 전분입자들의 가장 특이한 점의 하나는 이 입자를 둘러싸주고 있는 어떤 형태의 막(membrane)도 존재하지 않는다는 점이다 그럼에도 불구하고 전분입자가 일정한 형태를 유지할 수 있는 이유는 그 속의 전분분자들이 상호간에 수소결합(hydrogen bond)을 통해서 강하게 결합하고 있기 때문인 것으로 생각되고 있다

전분입자 내의 층(layer)을 이루고 있는 아밀로오스와 아밀로펙틴 분자들의 미셀(micelle) [그림 6-1]섬유상 영역(micellar regions)과 무정형 영역(amorphous)을 표시하고 있는 전분입자의 미세구조(microstructure)

전분입자들은 충분한 수분을 함유하고 있을 때 현미경 등으로 관찰하면 가끔 전분입자 가운데 있는 핵(核) 또는 입심(粒心)으로 알려진 하일럼(hilum)을 중심으로 뚜렷한 동심원(同心圓)으로 표현할 수 있는 층들(concentric layers)로 구성되고 있음을 볼 수가 있다(그림 6-1과 특히 그림6-2의 (a) 참조) 이 층의 두께는 일반적으로 그 전분을 형성한 식물체의 과거의 신진대사활동의 강약(强弱)과 관련이 있다고 한다 즉 낮 동안의 신진대사 작용(diurnal metabolic activity)이 활발했을 시기의 층은 두꺼우며 약했을 시기의 층은 얇다고 한다 이들은 또한 성장륜(成長輪 growth ring)으로도 불리고 있다(Whistler R L et al 1984 참조)

(a) 감자의 전분입자들(potato starch granules) (b) 쌀의 전분입자들(rice starch granules)의 확대 사진

전분입자들의 형태와 크기는 그 전분입자들의 출처(source)에 따라 두드러지게 다르며 일반적으로 곡류(穀類 cereals)에서 얻은 전분입자들은 그 크기가 2μ내지 10μ(1μ=10-3) 정도이며 한편 감자 고구마 등의 근경류(根莖類 roots and tubers)에서 얻어지는 전분입자들은 5~150μ 정도이다

표 6-1각 곡류(cereals) 또는 근경류(roots and tubers)의 전분입자들(starch granules)의 크기(size) 및 아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin) 함량

출 처(source) 전분입자의 크기

(starch grain size)

아밀로오스 함량

(amylose content)

아밀로펙틴 함량

(amylopectin conte

nt)

메밀(buck wheat)

보리(barley)

수수(sorghum)

옥수수(corn)

밀(wheat)

감자(white potatoes)

칡의 일종(arrowroot)

고구마(sweet potatoes)

타 피 오 카 (tapioca) 즉

카사바전분

찰 옥 수 수(waxy corn)

쌀(rice)

찹쌀(waxy rice)

찰보리(waxy barley)

-

20~50μ

-

4~26

2~38

15~100

7~75

15~55

5~36

-

2~10

-

-

28

27

27

26

25

23

21

20

18

0~6

20

0

3

72

73

73

74

75

77

79

80

82

100~94

80

100

97

전분의 두 형태 아밀로오스와 아밀로펙틴 아밀로오스와 아밀로펙틴은 그 분자구조(molecular structure)가 현저하게 다르며 따라서 그 화학적 물리적 성질도 현저하게 다르다 전분입자들 속의 아밀로오스와 아밀로펙틴의 함량의 비율은 전분입자들의 출처에 따라 다르다

표 6-3대표적인 전분들의 아밀로오스 아밀로펙틴 함량 및 아밀로펙틴 분자 내의 가지와 가지 사이의 평균 거리

전분의 종류

아밀로오스

(amylose)

함량

아밀로펙틴

(amylopectin)

함량

아밀로펙틴 분자 내에서 가

지와 가지 사이의 평균 포

도당

단위(glucose units)의 수

감자 전분(potato starch)

조제 감자 아밀로펙틴(crude potato amylo

pectin)

사고 전분(sago starch)

바나나 전분(banana starch)

고구마 전분(sweet potato starch)

칡 전분(arrowroot starch)

타피오카 전분(tapioca starch)

정제 카사바 전분(pearl manioc starch)

쌀 전분(rice starch)

옥수수 전분(maize starch)

찰옥수수 전분(waxy maize starch)

밀 전분(wheat starch)

18

7

26

21

18

20

17

16

14

23

0

19

82

93

74

79

82

80

83

84

86

77

100

81

23

20

18

21

27

25

20

20

20

19

20

21

표 6-4생 전분(raw starches)의 물리적 화학적인 성질들

전분의 종류

평균입자의

크기

(granule

size)

마이크론 μ

5 전분 용액

에서

gelatinization

이

일어나는 온도

아밀로오스 함량

(amylose

conetent )

아밀로오스 분

자 내의 포도당

(glucose)

단위의 수

degF

감자(potato)

옥수수(corn)

타피오카

아미오카

칡(arrowroot)

밀(wheat)

쌀(rice)

사고(sago)

33

15

20

15

30~45

21

5

31

6391

800

628

739

750

767

811

739

147

176

145

165

167

170

178

165

22

28

18

0~4

20

25

17

27

980

490

980

-

-

540

-

420

찹쌀의 경우와 같은 아밀로오스함량이 없는 곡류의 변종들(amylose-free or waxy mutants)은 전술한 대로 쌀 보리(barley) 옥수수(maize) 수수(sorghum) 그리고 감자(potato) 등에는 널리 분포되고 있으나 유독 밀(wheat)의 경우에만 존재하지 않는다 이들 변종들(mutants 즉 glutinous or way species)의 경우 그 전분이 100가 아밀로펙틴으로 되어 있다

출 처 (source) 아밀로오스

옥수수(maize)

고 아밀로오스 함량 옥수수

고 아밀로오스 함량 옥수수

찰옥수수(waxy maize)

감 자(potato)

타피오카(tapioca)

밀(wheat)

24

59

70

0~3

20

17

25

고 아밀로오스 함량 옥수수(high amylose maize)의 전분에서는 아밀로오스 함량이 50 내지 70가 되어 보통 옥수수의 아밀로오스 함량의 2배 내지 3배나 된다 (표 6-5 참조) 따라서 그 전분의 성질도 교질화(gelatinization)된 후에는 유백색(乳白色 opaque)의 매우 단단한 젤(gel)을 형성하는(Luallen T E 1985 제7장 참고문헌 참조) 등 보통 곡류 전분의 성질과 현저하게 다르다고 한다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분자구조와 성질 아밀로오스 아밀로오스(amylose)는 포도당(α-D-glucose)이 가지 즉 분지(分岐 branching)없이 α-1 4-결합으로 연결된 α-나선형(α-helical form)을 가진 직쇄상(直鎖狀 straight chain)의 중합체로 생각되고 있으며 가지가 달려있지 않는 점을 강조하여 간단히 직선상 분자(linear molecules)로 표현되기도 한다 아밀로오스 분자 내의 α-포도당(α-D-glucose)의 수효는 전분의 종류에 따라 다르다 근래에 와서는 자연전분(native starch) 중의 아밀로오스 분자들의 분자량으로서 016times106에서 265times106 정도의 평균 분자량이 보고되고 있다(대략 106의 차원으로 보고하고 있다)

아밀로오스는 구성단위인 α-포도당의 입체적 구조에 의해서 대개 6개 정도의 α-포도당의 연결체가 한 회전을 하는 정도의 나선상의 형태(α-helical form)를 형성하고 있다(그림 6-3 참조)

나선(helical form)의 내부 공간(cavity)에 가끔 어떤 특정한 화합물들이 들어가서 복합체들(complex compounds)을 형성하는 경우가 있다 특히 아밀로오스 분자가 요오드와 반응하면 요오드분자들이 이 공간에 들어가서 아밀로오스-요오도 복합체들(amylose-iodine complexes)을 형성한다

일부 전분에서는 실제로 소량의 지방산(fatty acids) 같은 지방질 성분들이 공동(空洞 cavity)에 갇혀있어 에텔 등의 유기용매들(organic solvents)에 의해서 잘 추출되지 않는 사실이 알려져 있다 아밀로오스는 요오드와의 정색(呈色)반응에 의해서 짙은 청색을 나타내나 아밀로펙틴(amylopectin)은 요오드와 이상과 같은 복합체를 거의 형성하지 않으며 따라서 그 정색반응은 자색(purple)이다 한편 글라이코젠(glycogen)도 이와 같은 복합체를 전혀 형성하지 않으며 요오드와의 정색반응은 빨간색이 짙은 자색을 나타낸다

표 6-6아밀로오스의 중합도(degree of polymerization)와 요오드(iodine)와의 복합체들의 색깔 사이의 관계(청색값)

아밀로오스의 종류 중합도

최고 흡수 파장

(wavelength of abs

orption maximum

mμ)

흡수 강도

molar extinction c

oefficient

감자(potato)

타피오카(tapioca)

나리꽃의 구근(lily bulb)

옥수수(corn)

합성 아밀로오스아밀로

덱스트린

500

450

310

250

85

44

628

625

622

618

590

580

43000

41600

41400

40400

32900

25400

아밀로오스의 분자량이 클수록 요오드와의 복합체의 색깔은 더 짙은 즉 더 장파장의 청색을 나타내며 그 색깔도 더 강해짐을 알 수 있다

곡류나 서류 등의 전분에서 추출한 아밀로오스 100g은 대략 18~20mg의 요오드를 흡수 즉 요오드와 복합체를 형성하나 후술하는 아밀로펙틴(amylopectin)의 경우 그 흡수량은 05mg 이하인 사실이 알려져 있다 한편 한 전분 중의 아밀로오스의 함량을 측정하기 위해서 100g의 아밀로오스는 19mg의 요오드를 흡수하는 것으로 가정하여 계산하는 경우가 많다 과거에는 한 전분 중의 아밀로오스와 아밀로펙틴의 상대적인 양적 관계를 표시하는 척도(尺度)로 청색값(blue value)이 경험적인 방법(an empirical method)으로 가끔 사용되어 왔다(Kim H S et al 1974 Kim S K et al 1977 Kim S K 1978) 이 청색값 또는 청색도는 기본적으로 위의 청색정색반응(靑色呈色反應)을 이용한 것이다

아밀로펙틴 아밀로펙틴(amylopectin)은 전분의 또 하나의 구성성분이며 대체로 78에서 83 정도이다 한편 찹쌀 찰옥수수의 전분 등에 있어서는 그 함량은 96 내지 100며 또 고 아밀로오스 함량 옥수수(high amylose maize)에 있어서는 그 함량은 25 내지 50이다 아밀로펙틴은 아밀로오스와는 달리 가지(branch)가 많이 달린 분자구조를 갖고 있다 이 아밀로펙틴의 구성단위인 α-포도당(α-D-glucose)의 결합양식은 아밀로오스의 경우와 마찬가지로 주로 α-1 4-결합이나 분자 중의 가지는 α-1 6-결합에 의해서 형성된다(그림 6-5 참조)

[그림 6-5]직선상인 아밀로오스 분자(a linear amylose molecule)와 여러 개의 가지로 분기된 아밀로펙틴 분자(a branched amylopectin molecule) 일부의 그림 아밀로오스 분자의 일부와 아밀로펙틴 분자의 가지가 달린 부분의 일부의 화학구조를 확대하여 표시하였다

그러나 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합 이외의 다른 형태의 결합이 존재할 가능성도 매우 크다 그것은 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합을 가수분해할 수 있는 효소들을 아밀로펙틴에 작용시킬 때 아밀로펙틴의 분자가 완전히 가수분해 되지 않는다는 사실로써 간접적으로 입증된다 하나의 가지 즉 α-1 6-결합에서 또 하나의 가지 즉 α-1 6-결합까지 사이의 포도당의 평균수는 역시 전분의 종류에 따라 다르다 하니맨(Honeyman J 1959)은 그 수를 대체로 18개에서 27개로 보고 있다(표 6-3 참조) 이 수치는 평균 분자수가 8개 내지 16개인 글라이코젠(glycogen)보다는 가지 수가 적다는 것을 의미한다

표 6-7아밀로펙틴(amylopectin) 분자의 외부 및 내부 체인의 길이

아밀로펙틴의 출처

(sources)

평균체인의 길이(averag

e chain length)

β-아밀레이스의

분해 한계

보 리 (barley)

맥 아 (malt)

옥 수 수 (corn)

밀 (wheat)

감 자 (potato)

타 피 오 카

찰 옥 수 수 (waxy

corn)

261)

17~18

25

23

27

23

25

59

44

63

62

59

62

52

1)하나의 가지에서 또 하나의 가지(branch)까지 사이의 포도당 단위수

아밀로펙틴 분자 형태 세 가지의 분자형태가 제안되어 왔었다 1 소위 박편(薄片) 구조로 특징 지워지는 하워트 모형(the Haworth model) 2 소위 화살깃 구조로 특징 지워지는 수타오딘거 모형(the Staudinger model) 3 소위 수상(樹狀) 구조로 특징 지워지는 마이야 모형(the Meyer model) 등이다(그림 6-6 참조)

3가지 모델중에서 마이야 모델 즉 가지가 나뭇가지 모양으로 분기된 수상구조(樹狀構造)를 갖고 있는 것으로 생각하였었다 그러나 근래에 와서 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 성질(partial crystalline properties)이 아밀로펙틴 분자들(amylopectin molecules) 자체의 성질에 기인하는 사실에 주목하여 왔다 (아밀로오스가 결정성의 영역을 그 분자 내에 갖고 있는 것은 사실이나 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 영역의 존재는 아밀로오스가 아니라 주로 아밀로펙틴 분자들의 부분적인 강한 결정성 영역에 기인하는 것으로 알려져 있다 )

결정성(結晶性) 성질은 분자 내의 강하고도 광범위한 규칙적인 배열에 의해서 일어남으로 분자 내의 전혀 규칙성을 찾을 수 없는 마이어 모델(Meyer model)은 아밀로펙틴 분자들의 부분적으로 결정성을 가진 성질을 설명할 수 없는 난점이 있다 근래에 와서는 여러 클러스터 모델들이 제안됨

C사슬 α-1 4-결합만으로 형성 직선상의 부분(a linear part)이 근간(根幹)이 되어 B사슬 α-1 6-결합을 통해서 많은 가지들(branches)이 클러스터들(clusters)을 형성 A사슬 B사슬로 알려진 부분들 중의 많은 사슬(chains)들은 α-1 6-결합으로 연결된 주로 매우 짧은 제3의 층을 형성

그림 6-8] 아밀로펙틴 분자들의 클러스터 모델(房狀模型 cluster model) B사슬 층(가지가 많은 부분)의 하층은 가지들 사이에 뚜렷한 규칙성을 볼 수 없으나 그 상층부분들에서는 가지들 사이의 배열에 규칙성을 볼 수 있다 전분입자들이 나타내는 결정성(crystallinity)은 아밀로오스 분자들의 성질이 아니라 아밀로펙틴 분자들의 일부 내부구조에 의한 것이 확실해지고 있다

아밀로펙틴 평균분자량 107~108 (아밀로오스 분자량 대략 106 정도) 아밀로펙틴 분자 내에는 적어도 10000개 내지는 100000개 이상의 포도당 구성단위가 중합하여 형성된 것으로 추정할 수 있다 요오드와 아밀로펙틴과의 정색반응에 의한 색깔은 자색이며 아밀로오스나 전분의 짙은 청색과는 다르다 아밀로펙틴이 아밀로오스의 경우와 같은 요오드나 지방산들(fatty acid residue)과 복합체들(complex compounds)을 거의 형성하지 않음을 의미한다

[그림 6-9]대표적인 요오도와의 결합곡선들(typical iodine-binding curves)의 한 예 1 아밀로오스(amylose)에 대해서 2 아밀로펙틴(amylopectin)에 대해서 3 전분(starch)에 대해서 점선은 요오도와의 친화력(affinity)을 얻기 위해서 extrapolation하였음을 표시하여 주고 있다

아밀로펙틴은 요오드(iodine I2)와 거의 응하지 않는다 전분과 요오드와의 정색반응(color reaction)은 주로 전분 내의 아밀로오스에 기인된다

표 6-8아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin)의 성질 비교

아밀로오스 아밀로펙틴

(1) 요오드(iodine)와의 반응 짙은 청색 빨간색-자주색

(2) 청색값(Blue Value)1) 135 005

(3) β- 아밀레이스 추출액 (β-amylase

preparation)과의 반응

95 내지 100가 말토오스

로 가수분해

50가 말토오스로 가수분해

(4) 분자량 40000 내지 340002) 40000 내지 60000002)

(5) 비환원성 말단그룹(non-reducing

end group) 사이의 평균 포도당의

수

200 내지 2100 20 내지 25

(6) X-선 분석 고도의 결정성(crystallinity) 무정형(amorphous)

(7) 물에 대한 용해도(solubility) 거의 녹지 않음(sparingly sol

uble)

잘 녹는다(very soluble)

(8) 수용액(aqueous solution) 속에서

의 안정성(stability)

노화된다(retrogrades) 안정하다(stable)

(9) 아 세 틸 화 된 유 도 체 (acetylated

derivatives)의 성질

섬 유 질 (fibrous) 질 긴 필 름

(tough film)을 형성한다

무 정 형 분 말 (amorphous

powder) 부 스 러 지 기 쉬

운 필름을 형성(brittle film)

젤라틴화 즉 교질화 된 전분의 분산액(分散液 dispersion)에서 전분분자들이 부분적으로나마 결정화되는 과정을 노화(老化 retrogradation)라고 부른다 아밀로펙틴은 노화되는 성질을 갖고 있지 않으며 따라서 100 또는 거의 100가 아밀로펙틴으로 형성되고 있는 찹쌀이나 찰옥수수의 전분들은 노화현상을 잘 보여주지 않는다 같은 α-포도당이 구성단위가 되고 있는 글라이코젠(glycogen)의 경우 그 가지는 아밀로펙틴보다 더 많으며 그 분자형태도 구형(球形 a spherical form)을 이루고 있기 때문에 그 분산액은 교질화도 일으키지 않으며 따라서 노화현상도 없는 사실이 잘 알려져 있다

아밀로오스는 교질화((膠質化) 즉 젤라틴화(gelatinization)를 쉽게 일으키나 이것은 아밀로오스의 긴 직선상의 형태(linear molecular shape)에 기인된 듯하다 반면에 아밀로펙틴은 쉽게 젤라틴화 되지 않으며 그 원인도 역시 아밀로펙틴 분자들의 가지가 많은 분자구조에 기인된 듯하다 한편 젤라틴화 된 전분 분산액 더 엄격하게는 분산 시스템 또는 분산체(starch dispersion)에서 아밀로오스는 쉽게 부분적으로나마 결정화되는 경향이 있으나 아밀로펙틴은 분자들이 일단 분산된 후에는 서로 얽혀진 많은 수의 가지 때문에 부분적으로나마 결정화(crystallization)되기에는 너무 힘든 상태가 되는 것으로 믿어지고 있다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분리 1 아밀로오스 복합체 형성에 의한 분리 오래 전부터 알려진 방법으로써 가틴 그루제우스카(Gatin- Gruzewska Z 1908 1911 Radley J A 1954 참조)에 의해서 개발된 방법이 있다 이 방법에서는 3의 전분 용액에 소량의 40탄산 소오다(Na2Co3)용액을 가한 다음에 다시 95의 에탄올(EtOH)용액을 가하여 아밀로펙틴만을 침전시킨 후 이 침전을 씻고 다시 투석(透析 dialysis)으로 무기염 등을 제거하여 정제 아밀로펙틴을 얻는다

숏호(Schoch T J 1942)와 하워트들(Haworth W N et al 1946 Radley J A 1954 참조)은 전분 중의 아밀로오스 성분이 뷰타놀(butanol) 노말-아밀 알콜(n-amyl alcohol) 타이몰(thymol) 지방산들과 결합하여 결정성 복합체(crystalline complex)를 형성하는 성질을 이용하여 묽은 전분의 현탁액에 뷰타놀 등을 가한 후 형성되는 아밀로오스와 이들 알콜들과의 결정성 복합체들을 침전시킨 다음에 남은 아밀로펙틴을 원심분리기로 분리하는 방법을 설명하고 있다

2 전기 영동법에 의한 분리 자메크들(Samec M et al 1926)은 감자 전분의 아밀로오스와 아밀로펙틴을 전기 영동법(electrophoretic method)을 사용하여 분리하는데 성공한 바 있다 특히 감자전분의 경우 여기에 함유된 아밀로펙틴은 그 분자 속에 에스터화 된 인산그룹들(esterified phosphoric acid groups)을 함유하고 있기 때문에 비교적 강한 음전하(nagative charge)를 갖고 있으며 따라서 전분의 현탁액에 전류를 통하면 아밀로펙틴은 쉽게 양극(anode)으로 이동하는 성질이 있으므로 전기 영동법에 의해서 쉽게 분리할 수 있다고 한다 이 방법은 인산(phosphoric acid)이나 지방산(fatty acid)들이 아밀로펙틴과 화학적으로 결합되어 있지 않는 곡류 전분에는 적용할 수 없다

3 열수 추출법전분의 현탁액을 60~100로 가열할 때는 전분입자들(starch granules)은 팽윤(swelling)되면서 분자량이 상대적으로 훨씬 적으며 따라서 운동성(mobility)이 더 큰 아밀로오스 분자들은 팽윤된 전분입자들에서 빠져나가게(leaching)된다 한편 대부분의 아밀로펙틴 분자들은 전분입자 내에서 서로 결합상태 또는 부분적인 결정성을 그대로 유지하면서 남게 된다 수용액에 풀어져 나온 아밀로오스는 이상의 현탁액을 원심분리(centrifuge)한 후 상등액(supernatant)에서 얻을 수가 있다

4 효소 링들(Ling A R et al 1923)은 아밀로오스와 아밀로펙틴에 대한 특정 효소들의 작용의 차이를 이용하고 있다 즉 α- 및 β-아밀레이스들(α- β-amylases)의 혼합물인 다이아스테이스(diastase)는 아밀로펙틴보다 아밀로오스에 더 강하게 작용하므로 전분의 젤(gel) 즉 교질용액에 어떤 조정된 조건 하에서 다이아스테이스를 작용시키면 아밀로펙틴은 거의 영향 받지 않고 아밀로오스만을 말토오스 등으로 가수분해 시켜 제거함으로써 아밀로펙틴을 분리할 수 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

전분입자 전분입자들의 가장 특이한 점의 하나는 이 입자를 둘러싸주고 있는 어떤 형태의 막(membrane)도 존재하지 않는다는 점이다 그럼에도 불구하고 전분입자가 일정한 형태를 유지할 수 있는 이유는 그 속의 전분분자들이 상호간에 수소결합(hydrogen bond)을 통해서 강하게 결합하고 있기 때문인 것으로 생각되고 있다

전분입자 내의 층(layer)을 이루고 있는 아밀로오스와 아밀로펙틴 분자들의 미셀(micelle) [그림 6-1]섬유상 영역(micellar regions)과 무정형 영역(amorphous)을 표시하고 있는 전분입자의 미세구조(microstructure)

전분입자들은 충분한 수분을 함유하고 있을 때 현미경 등으로 관찰하면 가끔 전분입자 가운데 있는 핵(核) 또는 입심(粒心)으로 알려진 하일럼(hilum)을 중심으로 뚜렷한 동심원(同心圓)으로 표현할 수 있는 층들(concentric layers)로 구성되고 있음을 볼 수가 있다(그림 6-1과 특히 그림6-2의 (a) 참조) 이 층의 두께는 일반적으로 그 전분을 형성한 식물체의 과거의 신진대사활동의 강약(强弱)과 관련이 있다고 한다 즉 낮 동안의 신진대사 작용(diurnal metabolic activity)이 활발했을 시기의 층은 두꺼우며 약했을 시기의 층은 얇다고 한다 이들은 또한 성장륜(成長輪 growth ring)으로도 불리고 있다(Whistler R L et al 1984 참조)

(a) 감자의 전분입자들(potato starch granules) (b) 쌀의 전분입자들(rice starch granules)의 확대 사진

전분입자들의 형태와 크기는 그 전분입자들의 출처(source)에 따라 두드러지게 다르며 일반적으로 곡류(穀類 cereals)에서 얻은 전분입자들은 그 크기가 2μ내지 10μ(1μ=10-3) 정도이며 한편 감자 고구마 등의 근경류(根莖類 roots and tubers)에서 얻어지는 전분입자들은 5~150μ 정도이다

표 6-1각 곡류(cereals) 또는 근경류(roots and tubers)의 전분입자들(starch granules)의 크기(size) 및 아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin) 함량

출 처(source) 전분입자의 크기

(starch grain size)

아밀로오스 함량

(amylose content)

아밀로펙틴 함량

(amylopectin conte

nt)

메밀(buck wheat)

보리(barley)

수수(sorghum)

옥수수(corn)

밀(wheat)

감자(white potatoes)

칡의 일종(arrowroot)

고구마(sweet potatoes)

타 피 오 카 (tapioca) 즉

카사바전분

찰 옥 수 수(waxy corn)

쌀(rice)

찹쌀(waxy rice)

찰보리(waxy barley)

-

20~50μ

-

4~26

2~38

15~100

7~75

15~55

5~36

-

2~10

-

-

28

27

27

26

25

23

21

20

18

0~6

20

0

3

72

73

73

74

75

77

79

80

82

100~94

80

100

97

전분의 두 형태 아밀로오스와 아밀로펙틴 아밀로오스와 아밀로펙틴은 그 분자구조(molecular structure)가 현저하게 다르며 따라서 그 화학적 물리적 성질도 현저하게 다르다 전분입자들 속의 아밀로오스와 아밀로펙틴의 함량의 비율은 전분입자들의 출처에 따라 다르다

표 6-3대표적인 전분들의 아밀로오스 아밀로펙틴 함량 및 아밀로펙틴 분자 내의 가지와 가지 사이의 평균 거리

전분의 종류

아밀로오스

(amylose)

함량

아밀로펙틴

(amylopectin)

함량

아밀로펙틴 분자 내에서 가

지와 가지 사이의 평균 포

도당

단위(glucose units)의 수

감자 전분(potato starch)

조제 감자 아밀로펙틴(crude potato amylo

pectin)

사고 전분(sago starch)

바나나 전분(banana starch)

고구마 전분(sweet potato starch)

칡 전분(arrowroot starch)

타피오카 전분(tapioca starch)

정제 카사바 전분(pearl manioc starch)

쌀 전분(rice starch)

옥수수 전분(maize starch)

찰옥수수 전분(waxy maize starch)

밀 전분(wheat starch)

18

7

26

21

18

20

17

16

14

23

0

19

82

93

74

79

82

80

83

84

86

77

100

81

23

20

18

21

27

25

20

20

20

19

20

21

표 6-4생 전분(raw starches)의 물리적 화학적인 성질들

전분의 종류

평균입자의

크기

(granule

size)

마이크론 μ

5 전분 용액

에서

gelatinization

이

일어나는 온도

아밀로오스 함량

(amylose

conetent )

아밀로오스 분

자 내의 포도당

(glucose)

단위의 수

degF

감자(potato)

옥수수(corn)

타피오카

아미오카

칡(arrowroot)

밀(wheat)

쌀(rice)

사고(sago)

33

15

20

15

30~45

21

5

31

6391

800

628

739

750

767

811

739

147

176

145

165

167

170

178

165

22

28

18

0~4

20

25

17

27

980

490

980

-

-

540

-

420

찹쌀의 경우와 같은 아밀로오스함량이 없는 곡류의 변종들(amylose-free or waxy mutants)은 전술한 대로 쌀 보리(barley) 옥수수(maize) 수수(sorghum) 그리고 감자(potato) 등에는 널리 분포되고 있으나 유독 밀(wheat)의 경우에만 존재하지 않는다 이들 변종들(mutants 즉 glutinous or way species)의 경우 그 전분이 100가 아밀로펙틴으로 되어 있다

출 처 (source) 아밀로오스

옥수수(maize)

고 아밀로오스 함량 옥수수

고 아밀로오스 함량 옥수수

찰옥수수(waxy maize)

감 자(potato)

타피오카(tapioca)

밀(wheat)

24

59

70

0~3

20

17

25

고 아밀로오스 함량 옥수수(high amylose maize)의 전분에서는 아밀로오스 함량이 50 내지 70가 되어 보통 옥수수의 아밀로오스 함량의 2배 내지 3배나 된다 (표 6-5 참조) 따라서 그 전분의 성질도 교질화(gelatinization)된 후에는 유백색(乳白色 opaque)의 매우 단단한 젤(gel)을 형성하는(Luallen T E 1985 제7장 참고문헌 참조) 등 보통 곡류 전분의 성질과 현저하게 다르다고 한다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분자구조와 성질 아밀로오스 아밀로오스(amylose)는 포도당(α-D-glucose)이 가지 즉 분지(分岐 branching)없이 α-1 4-결합으로 연결된 α-나선형(α-helical form)을 가진 직쇄상(直鎖狀 straight chain)의 중합체로 생각되고 있으며 가지가 달려있지 않는 점을 강조하여 간단히 직선상 분자(linear molecules)로 표현되기도 한다 아밀로오스 분자 내의 α-포도당(α-D-glucose)의 수효는 전분의 종류에 따라 다르다 근래에 와서는 자연전분(native starch) 중의 아밀로오스 분자들의 분자량으로서 016times106에서 265times106 정도의 평균 분자량이 보고되고 있다(대략 106의 차원으로 보고하고 있다)

아밀로오스는 구성단위인 α-포도당의 입체적 구조에 의해서 대개 6개 정도의 α-포도당의 연결체가 한 회전을 하는 정도의 나선상의 형태(α-helical form)를 형성하고 있다(그림 6-3 참조)

나선(helical form)의 내부 공간(cavity)에 가끔 어떤 특정한 화합물들이 들어가서 복합체들(complex compounds)을 형성하는 경우가 있다 특히 아밀로오스 분자가 요오드와 반응하면 요오드분자들이 이 공간에 들어가서 아밀로오스-요오도 복합체들(amylose-iodine complexes)을 형성한다

일부 전분에서는 실제로 소량의 지방산(fatty acids) 같은 지방질 성분들이 공동(空洞 cavity)에 갇혀있어 에텔 등의 유기용매들(organic solvents)에 의해서 잘 추출되지 않는 사실이 알려져 있다 아밀로오스는 요오드와의 정색(呈色)반응에 의해서 짙은 청색을 나타내나 아밀로펙틴(amylopectin)은 요오드와 이상과 같은 복합체를 거의 형성하지 않으며 따라서 그 정색반응은 자색(purple)이다 한편 글라이코젠(glycogen)도 이와 같은 복합체를 전혀 형성하지 않으며 요오드와의 정색반응은 빨간색이 짙은 자색을 나타낸다

표 6-6아밀로오스의 중합도(degree of polymerization)와 요오드(iodine)와의 복합체들의 색깔 사이의 관계(청색값)

아밀로오스의 종류 중합도

최고 흡수 파장

(wavelength of abs

orption maximum

mμ)

흡수 강도

molar extinction c

oefficient

감자(potato)

타피오카(tapioca)

나리꽃의 구근(lily bulb)

옥수수(corn)

합성 아밀로오스아밀로

덱스트린

500

450

310

250

85

44

628

625

622

618

590

580

43000

41600

41400

40400

32900

25400

아밀로오스의 분자량이 클수록 요오드와의 복합체의 색깔은 더 짙은 즉 더 장파장의 청색을 나타내며 그 색깔도 더 강해짐을 알 수 있다

곡류나 서류 등의 전분에서 추출한 아밀로오스 100g은 대략 18~20mg의 요오드를 흡수 즉 요오드와 복합체를 형성하나 후술하는 아밀로펙틴(amylopectin)의 경우 그 흡수량은 05mg 이하인 사실이 알려져 있다 한편 한 전분 중의 아밀로오스의 함량을 측정하기 위해서 100g의 아밀로오스는 19mg의 요오드를 흡수하는 것으로 가정하여 계산하는 경우가 많다 과거에는 한 전분 중의 아밀로오스와 아밀로펙틴의 상대적인 양적 관계를 표시하는 척도(尺度)로 청색값(blue value)이 경험적인 방법(an empirical method)으로 가끔 사용되어 왔다(Kim H S et al 1974 Kim S K et al 1977 Kim S K 1978) 이 청색값 또는 청색도는 기본적으로 위의 청색정색반응(靑色呈色反應)을 이용한 것이다

아밀로펙틴 아밀로펙틴(amylopectin)은 전분의 또 하나의 구성성분이며 대체로 78에서 83 정도이다 한편 찹쌀 찰옥수수의 전분 등에 있어서는 그 함량은 96 내지 100며 또 고 아밀로오스 함량 옥수수(high amylose maize)에 있어서는 그 함량은 25 내지 50이다 아밀로펙틴은 아밀로오스와는 달리 가지(branch)가 많이 달린 분자구조를 갖고 있다 이 아밀로펙틴의 구성단위인 α-포도당(α-D-glucose)의 결합양식은 아밀로오스의 경우와 마찬가지로 주로 α-1 4-결합이나 분자 중의 가지는 α-1 6-결합에 의해서 형성된다(그림 6-5 참조)

[그림 6-5]직선상인 아밀로오스 분자(a linear amylose molecule)와 여러 개의 가지로 분기된 아밀로펙틴 분자(a branched amylopectin molecule) 일부의 그림 아밀로오스 분자의 일부와 아밀로펙틴 분자의 가지가 달린 부분의 일부의 화학구조를 확대하여 표시하였다

그러나 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합 이외의 다른 형태의 결합이 존재할 가능성도 매우 크다 그것은 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합을 가수분해할 수 있는 효소들을 아밀로펙틴에 작용시킬 때 아밀로펙틴의 분자가 완전히 가수분해 되지 않는다는 사실로써 간접적으로 입증된다 하나의 가지 즉 α-1 6-결합에서 또 하나의 가지 즉 α-1 6-결합까지 사이의 포도당의 평균수는 역시 전분의 종류에 따라 다르다 하니맨(Honeyman J 1959)은 그 수를 대체로 18개에서 27개로 보고 있다(표 6-3 참조) 이 수치는 평균 분자수가 8개 내지 16개인 글라이코젠(glycogen)보다는 가지 수가 적다는 것을 의미한다

표 6-7아밀로펙틴(amylopectin) 분자의 외부 및 내부 체인의 길이

아밀로펙틴의 출처

(sources)

평균체인의 길이(averag

e chain length)

β-아밀레이스의

분해 한계

보 리 (barley)

맥 아 (malt)

옥 수 수 (corn)

밀 (wheat)

감 자 (potato)

타 피 오 카

찰 옥 수 수 (waxy

corn)

261)

17~18

25

23

27

23

25

59

44

63

62

59

62

52

1)하나의 가지에서 또 하나의 가지(branch)까지 사이의 포도당 단위수

아밀로펙틴 분자 형태 세 가지의 분자형태가 제안되어 왔었다 1 소위 박편(薄片) 구조로 특징 지워지는 하워트 모형(the Haworth model) 2 소위 화살깃 구조로 특징 지워지는 수타오딘거 모형(the Staudinger model) 3 소위 수상(樹狀) 구조로 특징 지워지는 마이야 모형(the Meyer model) 등이다(그림 6-6 참조)

3가지 모델중에서 마이야 모델 즉 가지가 나뭇가지 모양으로 분기된 수상구조(樹狀構造)를 갖고 있는 것으로 생각하였었다 그러나 근래에 와서 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 성질(partial crystalline properties)이 아밀로펙틴 분자들(amylopectin molecules) 자체의 성질에 기인하는 사실에 주목하여 왔다 (아밀로오스가 결정성의 영역을 그 분자 내에 갖고 있는 것은 사실이나 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 영역의 존재는 아밀로오스가 아니라 주로 아밀로펙틴 분자들의 부분적인 강한 결정성 영역에 기인하는 것으로 알려져 있다 )

결정성(結晶性) 성질은 분자 내의 강하고도 광범위한 규칙적인 배열에 의해서 일어남으로 분자 내의 전혀 규칙성을 찾을 수 없는 마이어 모델(Meyer model)은 아밀로펙틴 분자들의 부분적으로 결정성을 가진 성질을 설명할 수 없는 난점이 있다 근래에 와서는 여러 클러스터 모델들이 제안됨

C사슬 α-1 4-결합만으로 형성 직선상의 부분(a linear part)이 근간(根幹)이 되어 B사슬 α-1 6-결합을 통해서 많은 가지들(branches)이 클러스터들(clusters)을 형성 A사슬 B사슬로 알려진 부분들 중의 많은 사슬(chains)들은 α-1 6-결합으로 연결된 주로 매우 짧은 제3의 층을 형성

그림 6-8] 아밀로펙틴 분자들의 클러스터 모델(房狀模型 cluster model) B사슬 층(가지가 많은 부분)의 하층은 가지들 사이에 뚜렷한 규칙성을 볼 수 없으나 그 상층부분들에서는 가지들 사이의 배열에 규칙성을 볼 수 있다 전분입자들이 나타내는 결정성(crystallinity)은 아밀로오스 분자들의 성질이 아니라 아밀로펙틴 분자들의 일부 내부구조에 의한 것이 확실해지고 있다

아밀로펙틴 평균분자량 107~108 (아밀로오스 분자량 대략 106 정도) 아밀로펙틴 분자 내에는 적어도 10000개 내지는 100000개 이상의 포도당 구성단위가 중합하여 형성된 것으로 추정할 수 있다 요오드와 아밀로펙틴과의 정색반응에 의한 색깔은 자색이며 아밀로오스나 전분의 짙은 청색과는 다르다 아밀로펙틴이 아밀로오스의 경우와 같은 요오드나 지방산들(fatty acid residue)과 복합체들(complex compounds)을 거의 형성하지 않음을 의미한다

[그림 6-9]대표적인 요오도와의 결합곡선들(typical iodine-binding curves)의 한 예 1 아밀로오스(amylose)에 대해서 2 아밀로펙틴(amylopectin)에 대해서 3 전분(starch)에 대해서 점선은 요오도와의 친화력(affinity)을 얻기 위해서 extrapolation하였음을 표시하여 주고 있다

아밀로펙틴은 요오드(iodine I2)와 거의 응하지 않는다 전분과 요오드와의 정색반응(color reaction)은 주로 전분 내의 아밀로오스에 기인된다

표 6-8아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin)의 성질 비교

아밀로오스 아밀로펙틴

(1) 요오드(iodine)와의 반응 짙은 청색 빨간색-자주색

(2) 청색값(Blue Value)1) 135 005

(3) β- 아밀레이스 추출액 (β-amylase

preparation)과의 반응

95 내지 100가 말토오스

로 가수분해

50가 말토오스로 가수분해

(4) 분자량 40000 내지 340002) 40000 내지 60000002)

(5) 비환원성 말단그룹(non-reducing

end group) 사이의 평균 포도당의

수

200 내지 2100 20 내지 25

(6) X-선 분석 고도의 결정성(crystallinity) 무정형(amorphous)

(7) 물에 대한 용해도(solubility) 거의 녹지 않음(sparingly sol

uble)

잘 녹는다(very soluble)

(8) 수용액(aqueous solution) 속에서

의 안정성(stability)

노화된다(retrogrades) 안정하다(stable)

(9) 아 세 틸 화 된 유 도 체 (acetylated

derivatives)의 성질

섬 유 질 (fibrous) 질 긴 필 름

(tough film)을 형성한다

무 정 형 분 말 (amorphous

powder) 부 스 러 지 기 쉬

운 필름을 형성(brittle film)

젤라틴화 즉 교질화 된 전분의 분산액(分散液 dispersion)에서 전분분자들이 부분적으로나마 결정화되는 과정을 노화(老化 retrogradation)라고 부른다 아밀로펙틴은 노화되는 성질을 갖고 있지 않으며 따라서 100 또는 거의 100가 아밀로펙틴으로 형성되고 있는 찹쌀이나 찰옥수수의 전분들은 노화현상을 잘 보여주지 않는다 같은 α-포도당이 구성단위가 되고 있는 글라이코젠(glycogen)의 경우 그 가지는 아밀로펙틴보다 더 많으며 그 분자형태도 구형(球形 a spherical form)을 이루고 있기 때문에 그 분산액은 교질화도 일으키지 않으며 따라서 노화현상도 없는 사실이 잘 알려져 있다

아밀로오스는 교질화((膠質化) 즉 젤라틴화(gelatinization)를 쉽게 일으키나 이것은 아밀로오스의 긴 직선상의 형태(linear molecular shape)에 기인된 듯하다 반면에 아밀로펙틴은 쉽게 젤라틴화 되지 않으며 그 원인도 역시 아밀로펙틴 분자들의 가지가 많은 분자구조에 기인된 듯하다 한편 젤라틴화 된 전분 분산액 더 엄격하게는 분산 시스템 또는 분산체(starch dispersion)에서 아밀로오스는 쉽게 부분적으로나마 결정화되는 경향이 있으나 아밀로펙틴은 분자들이 일단 분산된 후에는 서로 얽혀진 많은 수의 가지 때문에 부분적으로나마 결정화(crystallization)되기에는 너무 힘든 상태가 되는 것으로 믿어지고 있다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분리 1 아밀로오스 복합체 형성에 의한 분리 오래 전부터 알려진 방법으로써 가틴 그루제우스카(Gatin- Gruzewska Z 1908 1911 Radley J A 1954 참조)에 의해서 개발된 방법이 있다 이 방법에서는 3의 전분 용액에 소량의 40탄산 소오다(Na2Co3)용액을 가한 다음에 다시 95의 에탄올(EtOH)용액을 가하여 아밀로펙틴만을 침전시킨 후 이 침전을 씻고 다시 투석(透析 dialysis)으로 무기염 등을 제거하여 정제 아밀로펙틴을 얻는다

숏호(Schoch T J 1942)와 하워트들(Haworth W N et al 1946 Radley J A 1954 참조)은 전분 중의 아밀로오스 성분이 뷰타놀(butanol) 노말-아밀 알콜(n-amyl alcohol) 타이몰(thymol) 지방산들과 결합하여 결정성 복합체(crystalline complex)를 형성하는 성질을 이용하여 묽은 전분의 현탁액에 뷰타놀 등을 가한 후 형성되는 아밀로오스와 이들 알콜들과의 결정성 복합체들을 침전시킨 다음에 남은 아밀로펙틴을 원심분리기로 분리하는 방법을 설명하고 있다

2 전기 영동법에 의한 분리 자메크들(Samec M et al 1926)은 감자 전분의 아밀로오스와 아밀로펙틴을 전기 영동법(electrophoretic method)을 사용하여 분리하는데 성공한 바 있다 특히 감자전분의 경우 여기에 함유된 아밀로펙틴은 그 분자 속에 에스터화 된 인산그룹들(esterified phosphoric acid groups)을 함유하고 있기 때문에 비교적 강한 음전하(nagative charge)를 갖고 있으며 따라서 전분의 현탁액에 전류를 통하면 아밀로펙틴은 쉽게 양극(anode)으로 이동하는 성질이 있으므로 전기 영동법에 의해서 쉽게 분리할 수 있다고 한다 이 방법은 인산(phosphoric acid)이나 지방산(fatty acid)들이 아밀로펙틴과 화학적으로 결합되어 있지 않는 곡류 전분에는 적용할 수 없다

3 열수 추출법전분의 현탁액을 60~100로 가열할 때는 전분입자들(starch granules)은 팽윤(swelling)되면서 분자량이 상대적으로 훨씬 적으며 따라서 운동성(mobility)이 더 큰 아밀로오스 분자들은 팽윤된 전분입자들에서 빠져나가게(leaching)된다 한편 대부분의 아밀로펙틴 분자들은 전분입자 내에서 서로 결합상태 또는 부분적인 결정성을 그대로 유지하면서 남게 된다 수용액에 풀어져 나온 아밀로오스는 이상의 현탁액을 원심분리(centrifuge)한 후 상등액(supernatant)에서 얻을 수가 있다

4 효소 링들(Ling A R et al 1923)은 아밀로오스와 아밀로펙틴에 대한 특정 효소들의 작용의 차이를 이용하고 있다 즉 α- 및 β-아밀레이스들(α- β-amylases)의 혼합물인 다이아스테이스(diastase)는 아밀로펙틴보다 아밀로오스에 더 강하게 작용하므로 전분의 젤(gel) 즉 교질용액에 어떤 조정된 조건 하에서 다이아스테이스를 작용시키면 아밀로펙틴은 거의 영향 받지 않고 아밀로오스만을 말토오스 등으로 가수분해 시켜 제거함으로써 아밀로펙틴을 분리할 수 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

전분입자 내의 층(layer)을 이루고 있는 아밀로오스와 아밀로펙틴 분자들의 미셀(micelle) [그림 6-1]섬유상 영역(micellar regions)과 무정형 영역(amorphous)을 표시하고 있는 전분입자의 미세구조(microstructure)

전분입자들은 충분한 수분을 함유하고 있을 때 현미경 등으로 관찰하면 가끔 전분입자 가운데 있는 핵(核) 또는 입심(粒心)으로 알려진 하일럼(hilum)을 중심으로 뚜렷한 동심원(同心圓)으로 표현할 수 있는 층들(concentric layers)로 구성되고 있음을 볼 수가 있다(그림 6-1과 특히 그림6-2의 (a) 참조) 이 층의 두께는 일반적으로 그 전분을 형성한 식물체의 과거의 신진대사활동의 강약(强弱)과 관련이 있다고 한다 즉 낮 동안의 신진대사 작용(diurnal metabolic activity)이 활발했을 시기의 층은 두꺼우며 약했을 시기의 층은 얇다고 한다 이들은 또한 성장륜(成長輪 growth ring)으로도 불리고 있다(Whistler R L et al 1984 참조)

(a) 감자의 전분입자들(potato starch granules) (b) 쌀의 전분입자들(rice starch granules)의 확대 사진

전분입자들의 형태와 크기는 그 전분입자들의 출처(source)에 따라 두드러지게 다르며 일반적으로 곡류(穀類 cereals)에서 얻은 전분입자들은 그 크기가 2μ내지 10μ(1μ=10-3) 정도이며 한편 감자 고구마 등의 근경류(根莖類 roots and tubers)에서 얻어지는 전분입자들은 5~150μ 정도이다

표 6-1각 곡류(cereals) 또는 근경류(roots and tubers)의 전분입자들(starch granules)의 크기(size) 및 아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin) 함량

출 처(source) 전분입자의 크기

(starch grain size)

아밀로오스 함량

(amylose content)

아밀로펙틴 함량

(amylopectin conte

nt)

메밀(buck wheat)

보리(barley)

수수(sorghum)

옥수수(corn)

밀(wheat)

감자(white potatoes)

칡의 일종(arrowroot)

고구마(sweet potatoes)

타 피 오 카 (tapioca) 즉

카사바전분

찰 옥 수 수(waxy corn)

쌀(rice)

찹쌀(waxy rice)

찰보리(waxy barley)

-

20~50μ

-

4~26

2~38

15~100

7~75

15~55

5~36

-

2~10

-

-

28

27

27

26

25

23

21

20

18

0~6

20

0

3

72

73

73

74

75

77

79

80

82

100~94

80

100

97

전분의 두 형태 아밀로오스와 아밀로펙틴 아밀로오스와 아밀로펙틴은 그 분자구조(molecular structure)가 현저하게 다르며 따라서 그 화학적 물리적 성질도 현저하게 다르다 전분입자들 속의 아밀로오스와 아밀로펙틴의 함량의 비율은 전분입자들의 출처에 따라 다르다

표 6-3대표적인 전분들의 아밀로오스 아밀로펙틴 함량 및 아밀로펙틴 분자 내의 가지와 가지 사이의 평균 거리

전분의 종류

아밀로오스

(amylose)

함량

아밀로펙틴

(amylopectin)

함량

아밀로펙틴 분자 내에서 가

지와 가지 사이의 평균 포

도당

단위(glucose units)의 수

감자 전분(potato starch)

조제 감자 아밀로펙틴(crude potato amylo

pectin)

사고 전분(sago starch)

바나나 전분(banana starch)

고구마 전분(sweet potato starch)

칡 전분(arrowroot starch)

타피오카 전분(tapioca starch)

정제 카사바 전분(pearl manioc starch)

쌀 전분(rice starch)

옥수수 전분(maize starch)

찰옥수수 전분(waxy maize starch)

밀 전분(wheat starch)

18

7

26

21

18

20

17

16

14

23

0

19

82

93

74

79

82

80

83

84

86

77

100

81

23

20

18

21

27

25

20

20

20

19

20

21

표 6-4생 전분(raw starches)의 물리적 화학적인 성질들

전분의 종류

평균입자의

크기

(granule

size)

마이크론 μ

5 전분 용액

에서

gelatinization

이

일어나는 온도

아밀로오스 함량

(amylose

conetent )

아밀로오스 분

자 내의 포도당

(glucose)

단위의 수

degF

감자(potato)

옥수수(corn)

타피오카

아미오카

칡(arrowroot)

밀(wheat)

쌀(rice)

사고(sago)

33

15

20

15

30~45

21

5

31

6391

800

628

739

750

767

811

739

147

176

145

165

167

170

178

165

22

28

18

0~4

20

25

17

27

980

490

980

-

-

540

-

420

찹쌀의 경우와 같은 아밀로오스함량이 없는 곡류의 변종들(amylose-free or waxy mutants)은 전술한 대로 쌀 보리(barley) 옥수수(maize) 수수(sorghum) 그리고 감자(potato) 등에는 널리 분포되고 있으나 유독 밀(wheat)의 경우에만 존재하지 않는다 이들 변종들(mutants 즉 glutinous or way species)의 경우 그 전분이 100가 아밀로펙틴으로 되어 있다

출 처 (source) 아밀로오스

옥수수(maize)

고 아밀로오스 함량 옥수수

고 아밀로오스 함량 옥수수

찰옥수수(waxy maize)

감 자(potato)

타피오카(tapioca)

밀(wheat)

24

59

70

0~3

20

17

25

고 아밀로오스 함량 옥수수(high amylose maize)의 전분에서는 아밀로오스 함량이 50 내지 70가 되어 보통 옥수수의 아밀로오스 함량의 2배 내지 3배나 된다 (표 6-5 참조) 따라서 그 전분의 성질도 교질화(gelatinization)된 후에는 유백색(乳白色 opaque)의 매우 단단한 젤(gel)을 형성하는(Luallen T E 1985 제7장 참고문헌 참조) 등 보통 곡류 전분의 성질과 현저하게 다르다고 한다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분자구조와 성질 아밀로오스 아밀로오스(amylose)는 포도당(α-D-glucose)이 가지 즉 분지(分岐 branching)없이 α-1 4-결합으로 연결된 α-나선형(α-helical form)을 가진 직쇄상(直鎖狀 straight chain)의 중합체로 생각되고 있으며 가지가 달려있지 않는 점을 강조하여 간단히 직선상 분자(linear molecules)로 표현되기도 한다 아밀로오스 분자 내의 α-포도당(α-D-glucose)의 수효는 전분의 종류에 따라 다르다 근래에 와서는 자연전분(native starch) 중의 아밀로오스 분자들의 분자량으로서 016times106에서 265times106 정도의 평균 분자량이 보고되고 있다(대략 106의 차원으로 보고하고 있다)

아밀로오스는 구성단위인 α-포도당의 입체적 구조에 의해서 대개 6개 정도의 α-포도당의 연결체가 한 회전을 하는 정도의 나선상의 형태(α-helical form)를 형성하고 있다(그림 6-3 참조)

나선(helical form)의 내부 공간(cavity)에 가끔 어떤 특정한 화합물들이 들어가서 복합체들(complex compounds)을 형성하는 경우가 있다 특히 아밀로오스 분자가 요오드와 반응하면 요오드분자들이 이 공간에 들어가서 아밀로오스-요오도 복합체들(amylose-iodine complexes)을 형성한다

일부 전분에서는 실제로 소량의 지방산(fatty acids) 같은 지방질 성분들이 공동(空洞 cavity)에 갇혀있어 에텔 등의 유기용매들(organic solvents)에 의해서 잘 추출되지 않는 사실이 알려져 있다 아밀로오스는 요오드와의 정색(呈色)반응에 의해서 짙은 청색을 나타내나 아밀로펙틴(amylopectin)은 요오드와 이상과 같은 복합체를 거의 형성하지 않으며 따라서 그 정색반응은 자색(purple)이다 한편 글라이코젠(glycogen)도 이와 같은 복합체를 전혀 형성하지 않으며 요오드와의 정색반응은 빨간색이 짙은 자색을 나타낸다

표 6-6아밀로오스의 중합도(degree of polymerization)와 요오드(iodine)와의 복합체들의 색깔 사이의 관계(청색값)

아밀로오스의 종류 중합도

최고 흡수 파장

(wavelength of abs

orption maximum

mμ)

흡수 강도

molar extinction c

oefficient

감자(potato)

타피오카(tapioca)

나리꽃의 구근(lily bulb)

옥수수(corn)

합성 아밀로오스아밀로

덱스트린

500

450

310

250

85

44

628

625

622

618

590

580

43000

41600

41400

40400

32900

25400

아밀로오스의 분자량이 클수록 요오드와의 복합체의 색깔은 더 짙은 즉 더 장파장의 청색을 나타내며 그 색깔도 더 강해짐을 알 수 있다

곡류나 서류 등의 전분에서 추출한 아밀로오스 100g은 대략 18~20mg의 요오드를 흡수 즉 요오드와 복합체를 형성하나 후술하는 아밀로펙틴(amylopectin)의 경우 그 흡수량은 05mg 이하인 사실이 알려져 있다 한편 한 전분 중의 아밀로오스의 함량을 측정하기 위해서 100g의 아밀로오스는 19mg의 요오드를 흡수하는 것으로 가정하여 계산하는 경우가 많다 과거에는 한 전분 중의 아밀로오스와 아밀로펙틴의 상대적인 양적 관계를 표시하는 척도(尺度)로 청색값(blue value)이 경험적인 방법(an empirical method)으로 가끔 사용되어 왔다(Kim H S et al 1974 Kim S K et al 1977 Kim S K 1978) 이 청색값 또는 청색도는 기본적으로 위의 청색정색반응(靑色呈色反應)을 이용한 것이다

아밀로펙틴 아밀로펙틴(amylopectin)은 전분의 또 하나의 구성성분이며 대체로 78에서 83 정도이다 한편 찹쌀 찰옥수수의 전분 등에 있어서는 그 함량은 96 내지 100며 또 고 아밀로오스 함량 옥수수(high amylose maize)에 있어서는 그 함량은 25 내지 50이다 아밀로펙틴은 아밀로오스와는 달리 가지(branch)가 많이 달린 분자구조를 갖고 있다 이 아밀로펙틴의 구성단위인 α-포도당(α-D-glucose)의 결합양식은 아밀로오스의 경우와 마찬가지로 주로 α-1 4-결합이나 분자 중의 가지는 α-1 6-결합에 의해서 형성된다(그림 6-5 참조)

[그림 6-5]직선상인 아밀로오스 분자(a linear amylose molecule)와 여러 개의 가지로 분기된 아밀로펙틴 분자(a branched amylopectin molecule) 일부의 그림 아밀로오스 분자의 일부와 아밀로펙틴 분자의 가지가 달린 부분의 일부의 화학구조를 확대하여 표시하였다

그러나 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합 이외의 다른 형태의 결합이 존재할 가능성도 매우 크다 그것은 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합을 가수분해할 수 있는 효소들을 아밀로펙틴에 작용시킬 때 아밀로펙틴의 분자가 완전히 가수분해 되지 않는다는 사실로써 간접적으로 입증된다 하나의 가지 즉 α-1 6-결합에서 또 하나의 가지 즉 α-1 6-결합까지 사이의 포도당의 평균수는 역시 전분의 종류에 따라 다르다 하니맨(Honeyman J 1959)은 그 수를 대체로 18개에서 27개로 보고 있다(표 6-3 참조) 이 수치는 평균 분자수가 8개 내지 16개인 글라이코젠(glycogen)보다는 가지 수가 적다는 것을 의미한다

표 6-7아밀로펙틴(amylopectin) 분자의 외부 및 내부 체인의 길이

아밀로펙틴의 출처

(sources)

평균체인의 길이(averag

e chain length)

β-아밀레이스의

분해 한계

보 리 (barley)

맥 아 (malt)

옥 수 수 (corn)

밀 (wheat)

감 자 (potato)

타 피 오 카

찰 옥 수 수 (waxy

corn)

261)

17~18

25

23

27

23

25

59

44

63

62

59

62

52

1)하나의 가지에서 또 하나의 가지(branch)까지 사이의 포도당 단위수

아밀로펙틴 분자 형태 세 가지의 분자형태가 제안되어 왔었다 1 소위 박편(薄片) 구조로 특징 지워지는 하워트 모형(the Haworth model) 2 소위 화살깃 구조로 특징 지워지는 수타오딘거 모형(the Staudinger model) 3 소위 수상(樹狀) 구조로 특징 지워지는 마이야 모형(the Meyer model) 등이다(그림 6-6 참조)

3가지 모델중에서 마이야 모델 즉 가지가 나뭇가지 모양으로 분기된 수상구조(樹狀構造)를 갖고 있는 것으로 생각하였었다 그러나 근래에 와서 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 성질(partial crystalline properties)이 아밀로펙틴 분자들(amylopectin molecules) 자체의 성질에 기인하는 사실에 주목하여 왔다 (아밀로오스가 결정성의 영역을 그 분자 내에 갖고 있는 것은 사실이나 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 영역의 존재는 아밀로오스가 아니라 주로 아밀로펙틴 분자들의 부분적인 강한 결정성 영역에 기인하는 것으로 알려져 있다 )

결정성(結晶性) 성질은 분자 내의 강하고도 광범위한 규칙적인 배열에 의해서 일어남으로 분자 내의 전혀 규칙성을 찾을 수 없는 마이어 모델(Meyer model)은 아밀로펙틴 분자들의 부분적으로 결정성을 가진 성질을 설명할 수 없는 난점이 있다 근래에 와서는 여러 클러스터 모델들이 제안됨

C사슬 α-1 4-결합만으로 형성 직선상의 부분(a linear part)이 근간(根幹)이 되어 B사슬 α-1 6-결합을 통해서 많은 가지들(branches)이 클러스터들(clusters)을 형성 A사슬 B사슬로 알려진 부분들 중의 많은 사슬(chains)들은 α-1 6-결합으로 연결된 주로 매우 짧은 제3의 층을 형성

그림 6-8] 아밀로펙틴 분자들의 클러스터 모델(房狀模型 cluster model) B사슬 층(가지가 많은 부분)의 하층은 가지들 사이에 뚜렷한 규칙성을 볼 수 없으나 그 상층부분들에서는 가지들 사이의 배열에 규칙성을 볼 수 있다 전분입자들이 나타내는 결정성(crystallinity)은 아밀로오스 분자들의 성질이 아니라 아밀로펙틴 분자들의 일부 내부구조에 의한 것이 확실해지고 있다

아밀로펙틴 평균분자량 107~108 (아밀로오스 분자량 대략 106 정도) 아밀로펙틴 분자 내에는 적어도 10000개 내지는 100000개 이상의 포도당 구성단위가 중합하여 형성된 것으로 추정할 수 있다 요오드와 아밀로펙틴과의 정색반응에 의한 색깔은 자색이며 아밀로오스나 전분의 짙은 청색과는 다르다 아밀로펙틴이 아밀로오스의 경우와 같은 요오드나 지방산들(fatty acid residue)과 복합체들(complex compounds)을 거의 형성하지 않음을 의미한다

[그림 6-9]대표적인 요오도와의 결합곡선들(typical iodine-binding curves)의 한 예 1 아밀로오스(amylose)에 대해서 2 아밀로펙틴(amylopectin)에 대해서 3 전분(starch)에 대해서 점선은 요오도와의 친화력(affinity)을 얻기 위해서 extrapolation하였음을 표시하여 주고 있다

아밀로펙틴은 요오드(iodine I2)와 거의 응하지 않는다 전분과 요오드와의 정색반응(color reaction)은 주로 전분 내의 아밀로오스에 기인된다

표 6-8아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin)의 성질 비교

아밀로오스 아밀로펙틴

(1) 요오드(iodine)와의 반응 짙은 청색 빨간색-자주색

(2) 청색값(Blue Value)1) 135 005

(3) β- 아밀레이스 추출액 (β-amylase

preparation)과의 반응

95 내지 100가 말토오스

로 가수분해

50가 말토오스로 가수분해

(4) 분자량 40000 내지 340002) 40000 내지 60000002)

(5) 비환원성 말단그룹(non-reducing

end group) 사이의 평균 포도당의

수

200 내지 2100 20 내지 25

(6) X-선 분석 고도의 결정성(crystallinity) 무정형(amorphous)

(7) 물에 대한 용해도(solubility) 거의 녹지 않음(sparingly sol

uble)

잘 녹는다(very soluble)

(8) 수용액(aqueous solution) 속에서

의 안정성(stability)

노화된다(retrogrades) 안정하다(stable)

(9) 아 세 틸 화 된 유 도 체 (acetylated

derivatives)의 성질

섬 유 질 (fibrous) 질 긴 필 름

(tough film)을 형성한다

무 정 형 분 말 (amorphous

powder) 부 스 러 지 기 쉬

운 필름을 형성(brittle film)

젤라틴화 즉 교질화 된 전분의 분산액(分散液 dispersion)에서 전분분자들이 부분적으로나마 결정화되는 과정을 노화(老化 retrogradation)라고 부른다 아밀로펙틴은 노화되는 성질을 갖고 있지 않으며 따라서 100 또는 거의 100가 아밀로펙틴으로 형성되고 있는 찹쌀이나 찰옥수수의 전분들은 노화현상을 잘 보여주지 않는다 같은 α-포도당이 구성단위가 되고 있는 글라이코젠(glycogen)의 경우 그 가지는 아밀로펙틴보다 더 많으며 그 분자형태도 구형(球形 a spherical form)을 이루고 있기 때문에 그 분산액은 교질화도 일으키지 않으며 따라서 노화현상도 없는 사실이 잘 알려져 있다

아밀로오스는 교질화((膠質化) 즉 젤라틴화(gelatinization)를 쉽게 일으키나 이것은 아밀로오스의 긴 직선상의 형태(linear molecular shape)에 기인된 듯하다 반면에 아밀로펙틴은 쉽게 젤라틴화 되지 않으며 그 원인도 역시 아밀로펙틴 분자들의 가지가 많은 분자구조에 기인된 듯하다 한편 젤라틴화 된 전분 분산액 더 엄격하게는 분산 시스템 또는 분산체(starch dispersion)에서 아밀로오스는 쉽게 부분적으로나마 결정화되는 경향이 있으나 아밀로펙틴은 분자들이 일단 분산된 후에는 서로 얽혀진 많은 수의 가지 때문에 부분적으로나마 결정화(crystallization)되기에는 너무 힘든 상태가 되는 것으로 믿어지고 있다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분리 1 아밀로오스 복합체 형성에 의한 분리 오래 전부터 알려진 방법으로써 가틴 그루제우스카(Gatin- Gruzewska Z 1908 1911 Radley J A 1954 참조)에 의해서 개발된 방법이 있다 이 방법에서는 3의 전분 용액에 소량의 40탄산 소오다(Na2Co3)용액을 가한 다음에 다시 95의 에탄올(EtOH)용액을 가하여 아밀로펙틴만을 침전시킨 후 이 침전을 씻고 다시 투석(透析 dialysis)으로 무기염 등을 제거하여 정제 아밀로펙틴을 얻는다

숏호(Schoch T J 1942)와 하워트들(Haworth W N et al 1946 Radley J A 1954 참조)은 전분 중의 아밀로오스 성분이 뷰타놀(butanol) 노말-아밀 알콜(n-amyl alcohol) 타이몰(thymol) 지방산들과 결합하여 결정성 복합체(crystalline complex)를 형성하는 성질을 이용하여 묽은 전분의 현탁액에 뷰타놀 등을 가한 후 형성되는 아밀로오스와 이들 알콜들과의 결정성 복합체들을 침전시킨 다음에 남은 아밀로펙틴을 원심분리기로 분리하는 방법을 설명하고 있다

2 전기 영동법에 의한 분리 자메크들(Samec M et al 1926)은 감자 전분의 아밀로오스와 아밀로펙틴을 전기 영동법(electrophoretic method)을 사용하여 분리하는데 성공한 바 있다 특히 감자전분의 경우 여기에 함유된 아밀로펙틴은 그 분자 속에 에스터화 된 인산그룹들(esterified phosphoric acid groups)을 함유하고 있기 때문에 비교적 강한 음전하(nagative charge)를 갖고 있으며 따라서 전분의 현탁액에 전류를 통하면 아밀로펙틴은 쉽게 양극(anode)으로 이동하는 성질이 있으므로 전기 영동법에 의해서 쉽게 분리할 수 있다고 한다 이 방법은 인산(phosphoric acid)이나 지방산(fatty acid)들이 아밀로펙틴과 화학적으로 결합되어 있지 않는 곡류 전분에는 적용할 수 없다

3 열수 추출법전분의 현탁액을 60~100로 가열할 때는 전분입자들(starch granules)은 팽윤(swelling)되면서 분자량이 상대적으로 훨씬 적으며 따라서 운동성(mobility)이 더 큰 아밀로오스 분자들은 팽윤된 전분입자들에서 빠져나가게(leaching)된다 한편 대부분의 아밀로펙틴 분자들은 전분입자 내에서 서로 결합상태 또는 부분적인 결정성을 그대로 유지하면서 남게 된다 수용액에 풀어져 나온 아밀로오스는 이상의 현탁액을 원심분리(centrifuge)한 후 상등액(supernatant)에서 얻을 수가 있다

4 효소 링들(Ling A R et al 1923)은 아밀로오스와 아밀로펙틴에 대한 특정 효소들의 작용의 차이를 이용하고 있다 즉 α- 및 β-아밀레이스들(α- β-amylases)의 혼합물인 다이아스테이스(diastase)는 아밀로펙틴보다 아밀로오스에 더 강하게 작용하므로 전분의 젤(gel) 즉 교질용액에 어떤 조정된 조건 하에서 다이아스테이스를 작용시키면 아밀로펙틴은 거의 영향 받지 않고 아밀로오스만을 말토오스 등으로 가수분해 시켜 제거함으로써 아밀로펙틴을 분리할 수 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

전분입자들은 충분한 수분을 함유하고 있을 때 현미경 등으로 관찰하면 가끔 전분입자 가운데 있는 핵(核) 또는 입심(粒心)으로 알려진 하일럼(hilum)을 중심으로 뚜렷한 동심원(同心圓)으로 표현할 수 있는 층들(concentric layers)로 구성되고 있음을 볼 수가 있다(그림 6-1과 특히 그림6-2의 (a) 참조) 이 층의 두께는 일반적으로 그 전분을 형성한 식물체의 과거의 신진대사활동의 강약(强弱)과 관련이 있다고 한다 즉 낮 동안의 신진대사 작용(diurnal metabolic activity)이 활발했을 시기의 층은 두꺼우며 약했을 시기의 층은 얇다고 한다 이들은 또한 성장륜(成長輪 growth ring)으로도 불리고 있다(Whistler R L et al 1984 참조)

(a) 감자의 전분입자들(potato starch granules) (b) 쌀의 전분입자들(rice starch granules)의 확대 사진

전분입자들의 형태와 크기는 그 전분입자들의 출처(source)에 따라 두드러지게 다르며 일반적으로 곡류(穀類 cereals)에서 얻은 전분입자들은 그 크기가 2μ내지 10μ(1μ=10-3) 정도이며 한편 감자 고구마 등의 근경류(根莖類 roots and tubers)에서 얻어지는 전분입자들은 5~150μ 정도이다

표 6-1각 곡류(cereals) 또는 근경류(roots and tubers)의 전분입자들(starch granules)의 크기(size) 및 아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin) 함량

출 처(source) 전분입자의 크기

(starch grain size)

아밀로오스 함량

(amylose content)

아밀로펙틴 함량

(amylopectin conte

nt)

메밀(buck wheat)

보리(barley)

수수(sorghum)

옥수수(corn)

밀(wheat)

감자(white potatoes)

칡의 일종(arrowroot)

고구마(sweet potatoes)

타 피 오 카 (tapioca) 즉

카사바전분

찰 옥 수 수(waxy corn)

쌀(rice)

찹쌀(waxy rice)

찰보리(waxy barley)

-

20~50μ

-

4~26

2~38

15~100

7~75

15~55

5~36

-

2~10

-

-

28

27

27

26

25

23

21

20

18

0~6

20

0

3

72

73

73

74

75

77

79

80

82

100~94

80

100

97

전분의 두 형태 아밀로오스와 아밀로펙틴 아밀로오스와 아밀로펙틴은 그 분자구조(molecular structure)가 현저하게 다르며 따라서 그 화학적 물리적 성질도 현저하게 다르다 전분입자들 속의 아밀로오스와 아밀로펙틴의 함량의 비율은 전분입자들의 출처에 따라 다르다

표 6-3대표적인 전분들의 아밀로오스 아밀로펙틴 함량 및 아밀로펙틴 분자 내의 가지와 가지 사이의 평균 거리

전분의 종류

아밀로오스

(amylose)

함량

아밀로펙틴

(amylopectin)

함량

아밀로펙틴 분자 내에서 가

지와 가지 사이의 평균 포

도당

단위(glucose units)의 수

감자 전분(potato starch)

조제 감자 아밀로펙틴(crude potato amylo

pectin)

사고 전분(sago starch)

바나나 전분(banana starch)

고구마 전분(sweet potato starch)

칡 전분(arrowroot starch)

타피오카 전분(tapioca starch)

정제 카사바 전분(pearl manioc starch)

쌀 전분(rice starch)

옥수수 전분(maize starch)

찰옥수수 전분(waxy maize starch)

밀 전분(wheat starch)

18

7

26

21

18

20

17

16

14

23

0

19

82

93

74

79

82

80

83

84

86

77

100

81

23

20

18

21

27

25

20

20

20

19

20

21

표 6-4생 전분(raw starches)의 물리적 화학적인 성질들

전분의 종류

평균입자의

크기

(granule

size)

마이크론 μ

5 전분 용액

에서

gelatinization

이

일어나는 온도

아밀로오스 함량

(amylose

conetent )

아밀로오스 분

자 내의 포도당

(glucose)

단위의 수

degF

감자(potato)

옥수수(corn)

타피오카

아미오카

칡(arrowroot)

밀(wheat)

쌀(rice)

사고(sago)

33

15

20

15

30~45

21

5

31

6391

800

628

739

750

767

811

739

147

176

145

165

167

170

178

165

22

28

18

0~4

20

25

17

27

980

490

980

-

-

540

-

420

찹쌀의 경우와 같은 아밀로오스함량이 없는 곡류의 변종들(amylose-free or waxy mutants)은 전술한 대로 쌀 보리(barley) 옥수수(maize) 수수(sorghum) 그리고 감자(potato) 등에는 널리 분포되고 있으나 유독 밀(wheat)의 경우에만 존재하지 않는다 이들 변종들(mutants 즉 glutinous or way species)의 경우 그 전분이 100가 아밀로펙틴으로 되어 있다

출 처 (source) 아밀로오스

옥수수(maize)

고 아밀로오스 함량 옥수수

고 아밀로오스 함량 옥수수

찰옥수수(waxy maize)

감 자(potato)

타피오카(tapioca)

밀(wheat)

24

59

70

0~3

20

17

25

고 아밀로오스 함량 옥수수(high amylose maize)의 전분에서는 아밀로오스 함량이 50 내지 70가 되어 보통 옥수수의 아밀로오스 함량의 2배 내지 3배나 된다 (표 6-5 참조) 따라서 그 전분의 성질도 교질화(gelatinization)된 후에는 유백색(乳白色 opaque)의 매우 단단한 젤(gel)을 형성하는(Luallen T E 1985 제7장 참고문헌 참조) 등 보통 곡류 전분의 성질과 현저하게 다르다고 한다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분자구조와 성질 아밀로오스 아밀로오스(amylose)는 포도당(α-D-glucose)이 가지 즉 분지(分岐 branching)없이 α-1 4-결합으로 연결된 α-나선형(α-helical form)을 가진 직쇄상(直鎖狀 straight chain)의 중합체로 생각되고 있으며 가지가 달려있지 않는 점을 강조하여 간단히 직선상 분자(linear molecules)로 표현되기도 한다 아밀로오스 분자 내의 α-포도당(α-D-glucose)의 수효는 전분의 종류에 따라 다르다 근래에 와서는 자연전분(native starch) 중의 아밀로오스 분자들의 분자량으로서 016times106에서 265times106 정도의 평균 분자량이 보고되고 있다(대략 106의 차원으로 보고하고 있다)

아밀로오스는 구성단위인 α-포도당의 입체적 구조에 의해서 대개 6개 정도의 α-포도당의 연결체가 한 회전을 하는 정도의 나선상의 형태(α-helical form)를 형성하고 있다(그림 6-3 참조)

나선(helical form)의 내부 공간(cavity)에 가끔 어떤 특정한 화합물들이 들어가서 복합체들(complex compounds)을 형성하는 경우가 있다 특히 아밀로오스 분자가 요오드와 반응하면 요오드분자들이 이 공간에 들어가서 아밀로오스-요오도 복합체들(amylose-iodine complexes)을 형성한다

일부 전분에서는 실제로 소량의 지방산(fatty acids) 같은 지방질 성분들이 공동(空洞 cavity)에 갇혀있어 에텔 등의 유기용매들(organic solvents)에 의해서 잘 추출되지 않는 사실이 알려져 있다 아밀로오스는 요오드와의 정색(呈色)반응에 의해서 짙은 청색을 나타내나 아밀로펙틴(amylopectin)은 요오드와 이상과 같은 복합체를 거의 형성하지 않으며 따라서 그 정색반응은 자색(purple)이다 한편 글라이코젠(glycogen)도 이와 같은 복합체를 전혀 형성하지 않으며 요오드와의 정색반응은 빨간색이 짙은 자색을 나타낸다

표 6-6아밀로오스의 중합도(degree of polymerization)와 요오드(iodine)와의 복합체들의 색깔 사이의 관계(청색값)

아밀로오스의 종류 중합도

최고 흡수 파장

(wavelength of abs

orption maximum

mμ)

흡수 강도

molar extinction c

oefficient

감자(potato)

타피오카(tapioca)

나리꽃의 구근(lily bulb)

옥수수(corn)

합성 아밀로오스아밀로

덱스트린

500

450

310

250

85

44

628

625

622

618

590

580

43000

41600

41400

40400

32900

25400

아밀로오스의 분자량이 클수록 요오드와의 복합체의 색깔은 더 짙은 즉 더 장파장의 청색을 나타내며 그 색깔도 더 강해짐을 알 수 있다

곡류나 서류 등의 전분에서 추출한 아밀로오스 100g은 대략 18~20mg의 요오드를 흡수 즉 요오드와 복합체를 형성하나 후술하는 아밀로펙틴(amylopectin)의 경우 그 흡수량은 05mg 이하인 사실이 알려져 있다 한편 한 전분 중의 아밀로오스의 함량을 측정하기 위해서 100g의 아밀로오스는 19mg의 요오드를 흡수하는 것으로 가정하여 계산하는 경우가 많다 과거에는 한 전분 중의 아밀로오스와 아밀로펙틴의 상대적인 양적 관계를 표시하는 척도(尺度)로 청색값(blue value)이 경험적인 방법(an empirical method)으로 가끔 사용되어 왔다(Kim H S et al 1974 Kim S K et al 1977 Kim S K 1978) 이 청색값 또는 청색도는 기본적으로 위의 청색정색반응(靑色呈色反應)을 이용한 것이다

아밀로펙틴 아밀로펙틴(amylopectin)은 전분의 또 하나의 구성성분이며 대체로 78에서 83 정도이다 한편 찹쌀 찰옥수수의 전분 등에 있어서는 그 함량은 96 내지 100며 또 고 아밀로오스 함량 옥수수(high amylose maize)에 있어서는 그 함량은 25 내지 50이다 아밀로펙틴은 아밀로오스와는 달리 가지(branch)가 많이 달린 분자구조를 갖고 있다 이 아밀로펙틴의 구성단위인 α-포도당(α-D-glucose)의 결합양식은 아밀로오스의 경우와 마찬가지로 주로 α-1 4-결합이나 분자 중의 가지는 α-1 6-결합에 의해서 형성된다(그림 6-5 참조)

[그림 6-5]직선상인 아밀로오스 분자(a linear amylose molecule)와 여러 개의 가지로 분기된 아밀로펙틴 분자(a branched amylopectin molecule) 일부의 그림 아밀로오스 분자의 일부와 아밀로펙틴 분자의 가지가 달린 부분의 일부의 화학구조를 확대하여 표시하였다

그러나 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합 이외의 다른 형태의 결합이 존재할 가능성도 매우 크다 그것은 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합을 가수분해할 수 있는 효소들을 아밀로펙틴에 작용시킬 때 아밀로펙틴의 분자가 완전히 가수분해 되지 않는다는 사실로써 간접적으로 입증된다 하나의 가지 즉 α-1 6-결합에서 또 하나의 가지 즉 α-1 6-결합까지 사이의 포도당의 평균수는 역시 전분의 종류에 따라 다르다 하니맨(Honeyman J 1959)은 그 수를 대체로 18개에서 27개로 보고 있다(표 6-3 참조) 이 수치는 평균 분자수가 8개 내지 16개인 글라이코젠(glycogen)보다는 가지 수가 적다는 것을 의미한다

표 6-7아밀로펙틴(amylopectin) 분자의 외부 및 내부 체인의 길이

아밀로펙틴의 출처

(sources)

평균체인의 길이(averag

e chain length)

β-아밀레이스의

분해 한계

보 리 (barley)

맥 아 (malt)

옥 수 수 (corn)

밀 (wheat)

감 자 (potato)

타 피 오 카

찰 옥 수 수 (waxy

corn)

261)

17~18

25

23

27

23

25

59

44

63

62

59

62

52

1)하나의 가지에서 또 하나의 가지(branch)까지 사이의 포도당 단위수

아밀로펙틴 분자 형태 세 가지의 분자형태가 제안되어 왔었다 1 소위 박편(薄片) 구조로 특징 지워지는 하워트 모형(the Haworth model) 2 소위 화살깃 구조로 특징 지워지는 수타오딘거 모형(the Staudinger model) 3 소위 수상(樹狀) 구조로 특징 지워지는 마이야 모형(the Meyer model) 등이다(그림 6-6 참조)

3가지 모델중에서 마이야 모델 즉 가지가 나뭇가지 모양으로 분기된 수상구조(樹狀構造)를 갖고 있는 것으로 생각하였었다 그러나 근래에 와서 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 성질(partial crystalline properties)이 아밀로펙틴 분자들(amylopectin molecules) 자체의 성질에 기인하는 사실에 주목하여 왔다 (아밀로오스가 결정성의 영역을 그 분자 내에 갖고 있는 것은 사실이나 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 영역의 존재는 아밀로오스가 아니라 주로 아밀로펙틴 분자들의 부분적인 강한 결정성 영역에 기인하는 것으로 알려져 있다 )

결정성(結晶性) 성질은 분자 내의 강하고도 광범위한 규칙적인 배열에 의해서 일어남으로 분자 내의 전혀 규칙성을 찾을 수 없는 마이어 모델(Meyer model)은 아밀로펙틴 분자들의 부분적으로 결정성을 가진 성질을 설명할 수 없는 난점이 있다 근래에 와서는 여러 클러스터 모델들이 제안됨

C사슬 α-1 4-결합만으로 형성 직선상의 부분(a linear part)이 근간(根幹)이 되어 B사슬 α-1 6-결합을 통해서 많은 가지들(branches)이 클러스터들(clusters)을 형성 A사슬 B사슬로 알려진 부분들 중의 많은 사슬(chains)들은 α-1 6-결합으로 연결된 주로 매우 짧은 제3의 층을 형성

그림 6-8] 아밀로펙틴 분자들의 클러스터 모델(房狀模型 cluster model) B사슬 층(가지가 많은 부분)의 하층은 가지들 사이에 뚜렷한 규칙성을 볼 수 없으나 그 상층부분들에서는 가지들 사이의 배열에 규칙성을 볼 수 있다 전분입자들이 나타내는 결정성(crystallinity)은 아밀로오스 분자들의 성질이 아니라 아밀로펙틴 분자들의 일부 내부구조에 의한 것이 확실해지고 있다

아밀로펙틴 평균분자량 107~108 (아밀로오스 분자량 대략 106 정도) 아밀로펙틴 분자 내에는 적어도 10000개 내지는 100000개 이상의 포도당 구성단위가 중합하여 형성된 것으로 추정할 수 있다 요오드와 아밀로펙틴과의 정색반응에 의한 색깔은 자색이며 아밀로오스나 전분의 짙은 청색과는 다르다 아밀로펙틴이 아밀로오스의 경우와 같은 요오드나 지방산들(fatty acid residue)과 복합체들(complex compounds)을 거의 형성하지 않음을 의미한다

[그림 6-9]대표적인 요오도와의 결합곡선들(typical iodine-binding curves)의 한 예 1 아밀로오스(amylose)에 대해서 2 아밀로펙틴(amylopectin)에 대해서 3 전분(starch)에 대해서 점선은 요오도와의 친화력(affinity)을 얻기 위해서 extrapolation하였음을 표시하여 주고 있다

아밀로펙틴은 요오드(iodine I2)와 거의 응하지 않는다 전분과 요오드와의 정색반응(color reaction)은 주로 전분 내의 아밀로오스에 기인된다

표 6-8아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin)의 성질 비교

아밀로오스 아밀로펙틴

(1) 요오드(iodine)와의 반응 짙은 청색 빨간색-자주색

(2) 청색값(Blue Value)1) 135 005

(3) β- 아밀레이스 추출액 (β-amylase

preparation)과의 반응

95 내지 100가 말토오스

로 가수분해

50가 말토오스로 가수분해

(4) 분자량 40000 내지 340002) 40000 내지 60000002)

(5) 비환원성 말단그룹(non-reducing

end group) 사이의 평균 포도당의

수

200 내지 2100 20 내지 25

(6) X-선 분석 고도의 결정성(crystallinity) 무정형(amorphous)

(7) 물에 대한 용해도(solubility) 거의 녹지 않음(sparingly sol

uble)

잘 녹는다(very soluble)

(8) 수용액(aqueous solution) 속에서

의 안정성(stability)

노화된다(retrogrades) 안정하다(stable)

(9) 아 세 틸 화 된 유 도 체 (acetylated

derivatives)의 성질

섬 유 질 (fibrous) 질 긴 필 름

(tough film)을 형성한다

무 정 형 분 말 (amorphous

powder) 부 스 러 지 기 쉬

운 필름을 형성(brittle film)

젤라틴화 즉 교질화 된 전분의 분산액(分散液 dispersion)에서 전분분자들이 부분적으로나마 결정화되는 과정을 노화(老化 retrogradation)라고 부른다 아밀로펙틴은 노화되는 성질을 갖고 있지 않으며 따라서 100 또는 거의 100가 아밀로펙틴으로 형성되고 있는 찹쌀이나 찰옥수수의 전분들은 노화현상을 잘 보여주지 않는다 같은 α-포도당이 구성단위가 되고 있는 글라이코젠(glycogen)의 경우 그 가지는 아밀로펙틴보다 더 많으며 그 분자형태도 구형(球形 a spherical form)을 이루고 있기 때문에 그 분산액은 교질화도 일으키지 않으며 따라서 노화현상도 없는 사실이 잘 알려져 있다

아밀로오스는 교질화((膠質化) 즉 젤라틴화(gelatinization)를 쉽게 일으키나 이것은 아밀로오스의 긴 직선상의 형태(linear molecular shape)에 기인된 듯하다 반면에 아밀로펙틴은 쉽게 젤라틴화 되지 않으며 그 원인도 역시 아밀로펙틴 분자들의 가지가 많은 분자구조에 기인된 듯하다 한편 젤라틴화 된 전분 분산액 더 엄격하게는 분산 시스템 또는 분산체(starch dispersion)에서 아밀로오스는 쉽게 부분적으로나마 결정화되는 경향이 있으나 아밀로펙틴은 분자들이 일단 분산된 후에는 서로 얽혀진 많은 수의 가지 때문에 부분적으로나마 결정화(crystallization)되기에는 너무 힘든 상태가 되는 것으로 믿어지고 있다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분리 1 아밀로오스 복합체 형성에 의한 분리 오래 전부터 알려진 방법으로써 가틴 그루제우스카(Gatin- Gruzewska Z 1908 1911 Radley J A 1954 참조)에 의해서 개발된 방법이 있다 이 방법에서는 3의 전분 용액에 소량의 40탄산 소오다(Na2Co3)용액을 가한 다음에 다시 95의 에탄올(EtOH)용액을 가하여 아밀로펙틴만을 침전시킨 후 이 침전을 씻고 다시 투석(透析 dialysis)으로 무기염 등을 제거하여 정제 아밀로펙틴을 얻는다

숏호(Schoch T J 1942)와 하워트들(Haworth W N et al 1946 Radley J A 1954 참조)은 전분 중의 아밀로오스 성분이 뷰타놀(butanol) 노말-아밀 알콜(n-amyl alcohol) 타이몰(thymol) 지방산들과 결합하여 결정성 복합체(crystalline complex)를 형성하는 성질을 이용하여 묽은 전분의 현탁액에 뷰타놀 등을 가한 후 형성되는 아밀로오스와 이들 알콜들과의 결정성 복합체들을 침전시킨 다음에 남은 아밀로펙틴을 원심분리기로 분리하는 방법을 설명하고 있다

2 전기 영동법에 의한 분리 자메크들(Samec M et al 1926)은 감자 전분의 아밀로오스와 아밀로펙틴을 전기 영동법(electrophoretic method)을 사용하여 분리하는데 성공한 바 있다 특히 감자전분의 경우 여기에 함유된 아밀로펙틴은 그 분자 속에 에스터화 된 인산그룹들(esterified phosphoric acid groups)을 함유하고 있기 때문에 비교적 강한 음전하(nagative charge)를 갖고 있으며 따라서 전분의 현탁액에 전류를 통하면 아밀로펙틴은 쉽게 양극(anode)으로 이동하는 성질이 있으므로 전기 영동법에 의해서 쉽게 분리할 수 있다고 한다 이 방법은 인산(phosphoric acid)이나 지방산(fatty acid)들이 아밀로펙틴과 화학적으로 결합되어 있지 않는 곡류 전분에는 적용할 수 없다

3 열수 추출법전분의 현탁액을 60~100로 가열할 때는 전분입자들(starch granules)은 팽윤(swelling)되면서 분자량이 상대적으로 훨씬 적으며 따라서 운동성(mobility)이 더 큰 아밀로오스 분자들은 팽윤된 전분입자들에서 빠져나가게(leaching)된다 한편 대부분의 아밀로펙틴 분자들은 전분입자 내에서 서로 결합상태 또는 부분적인 결정성을 그대로 유지하면서 남게 된다 수용액에 풀어져 나온 아밀로오스는 이상의 현탁액을 원심분리(centrifuge)한 후 상등액(supernatant)에서 얻을 수가 있다

4 효소 링들(Ling A R et al 1923)은 아밀로오스와 아밀로펙틴에 대한 특정 효소들의 작용의 차이를 이용하고 있다 즉 α- 및 β-아밀레이스들(α- β-amylases)의 혼합물인 다이아스테이스(diastase)는 아밀로펙틴보다 아밀로오스에 더 강하게 작용하므로 전분의 젤(gel) 즉 교질용액에 어떤 조정된 조건 하에서 다이아스테이스를 작용시키면 아밀로펙틴은 거의 영향 받지 않고 아밀로오스만을 말토오스 등으로 가수분해 시켜 제거함으로써 아밀로펙틴을 분리할 수 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

(a) 감자의 전분입자들(potato starch granules) (b) 쌀의 전분입자들(rice starch granules)의 확대 사진

전분입자들의 형태와 크기는 그 전분입자들의 출처(source)에 따라 두드러지게 다르며 일반적으로 곡류(穀類 cereals)에서 얻은 전분입자들은 그 크기가 2μ내지 10μ(1μ=10-3) 정도이며 한편 감자 고구마 등의 근경류(根莖類 roots and tubers)에서 얻어지는 전분입자들은 5~150μ 정도이다

표 6-1각 곡류(cereals) 또는 근경류(roots and tubers)의 전분입자들(starch granules)의 크기(size) 및 아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin) 함량

출 처(source) 전분입자의 크기

(starch grain size)

아밀로오스 함량

(amylose content)

아밀로펙틴 함량

(amylopectin conte

nt)

메밀(buck wheat)

보리(barley)

수수(sorghum)

옥수수(corn)

밀(wheat)

감자(white potatoes)

칡의 일종(arrowroot)

고구마(sweet potatoes)

타 피 오 카 (tapioca) 즉

카사바전분

찰 옥 수 수(waxy corn)

쌀(rice)

찹쌀(waxy rice)

찰보리(waxy barley)

-

20~50μ

-

4~26

2~38

15~100

7~75

15~55

5~36

-

2~10

-

-

28

27

27

26

25

23

21

20

18

0~6

20

0

3

72

73

73

74

75

77

79

80

82

100~94

80

100

97

전분의 두 형태 아밀로오스와 아밀로펙틴 아밀로오스와 아밀로펙틴은 그 분자구조(molecular structure)가 현저하게 다르며 따라서 그 화학적 물리적 성질도 현저하게 다르다 전분입자들 속의 아밀로오스와 아밀로펙틴의 함량의 비율은 전분입자들의 출처에 따라 다르다

표 6-3대표적인 전분들의 아밀로오스 아밀로펙틴 함량 및 아밀로펙틴 분자 내의 가지와 가지 사이의 평균 거리

전분의 종류

아밀로오스

(amylose)

함량

아밀로펙틴

(amylopectin)

함량

아밀로펙틴 분자 내에서 가

지와 가지 사이의 평균 포

도당

단위(glucose units)의 수

감자 전분(potato starch)

조제 감자 아밀로펙틴(crude potato amylo

pectin)

사고 전분(sago starch)

바나나 전분(banana starch)

고구마 전분(sweet potato starch)

칡 전분(arrowroot starch)

타피오카 전분(tapioca starch)

정제 카사바 전분(pearl manioc starch)

쌀 전분(rice starch)

옥수수 전분(maize starch)

찰옥수수 전분(waxy maize starch)

밀 전분(wheat starch)

18

7

26

21

18

20

17

16

14

23

0

19

82

93

74

79

82

80

83

84

86

77

100

81

23

20

18

21

27

25

20

20

20

19

20

21

표 6-4생 전분(raw starches)의 물리적 화학적인 성질들

전분의 종류

평균입자의

크기

(granule

size)

마이크론 μ

5 전분 용액

에서

gelatinization

이

일어나는 온도

아밀로오스 함량

(amylose

conetent )

아밀로오스 분

자 내의 포도당

(glucose)

단위의 수

degF

감자(potato)

옥수수(corn)

타피오카

아미오카

칡(arrowroot)

밀(wheat)

쌀(rice)

사고(sago)

33

15

20

15

30~45

21

5

31

6391

800

628

739

750

767

811

739

147

176

145

165

167

170

178

165

22

28

18

0~4

20

25

17

27

980

490

980

-

-

540

-

420

찹쌀의 경우와 같은 아밀로오스함량이 없는 곡류의 변종들(amylose-free or waxy mutants)은 전술한 대로 쌀 보리(barley) 옥수수(maize) 수수(sorghum) 그리고 감자(potato) 등에는 널리 분포되고 있으나 유독 밀(wheat)의 경우에만 존재하지 않는다 이들 변종들(mutants 즉 glutinous or way species)의 경우 그 전분이 100가 아밀로펙틴으로 되어 있다

출 처 (source) 아밀로오스

옥수수(maize)

고 아밀로오스 함량 옥수수

고 아밀로오스 함량 옥수수

찰옥수수(waxy maize)

감 자(potato)

타피오카(tapioca)

밀(wheat)

24

59

70

0~3

20

17

25

고 아밀로오스 함량 옥수수(high amylose maize)의 전분에서는 아밀로오스 함량이 50 내지 70가 되어 보통 옥수수의 아밀로오스 함량의 2배 내지 3배나 된다 (표 6-5 참조) 따라서 그 전분의 성질도 교질화(gelatinization)된 후에는 유백색(乳白色 opaque)의 매우 단단한 젤(gel)을 형성하는(Luallen T E 1985 제7장 참고문헌 참조) 등 보통 곡류 전분의 성질과 현저하게 다르다고 한다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분자구조와 성질 아밀로오스 아밀로오스(amylose)는 포도당(α-D-glucose)이 가지 즉 분지(分岐 branching)없이 α-1 4-결합으로 연결된 α-나선형(α-helical form)을 가진 직쇄상(直鎖狀 straight chain)의 중합체로 생각되고 있으며 가지가 달려있지 않는 점을 강조하여 간단히 직선상 분자(linear molecules)로 표현되기도 한다 아밀로오스 분자 내의 α-포도당(α-D-glucose)의 수효는 전분의 종류에 따라 다르다 근래에 와서는 자연전분(native starch) 중의 아밀로오스 분자들의 분자량으로서 016times106에서 265times106 정도의 평균 분자량이 보고되고 있다(대략 106의 차원으로 보고하고 있다)

아밀로오스는 구성단위인 α-포도당의 입체적 구조에 의해서 대개 6개 정도의 α-포도당의 연결체가 한 회전을 하는 정도의 나선상의 형태(α-helical form)를 형성하고 있다(그림 6-3 참조)

나선(helical form)의 내부 공간(cavity)에 가끔 어떤 특정한 화합물들이 들어가서 복합체들(complex compounds)을 형성하는 경우가 있다 특히 아밀로오스 분자가 요오드와 반응하면 요오드분자들이 이 공간에 들어가서 아밀로오스-요오도 복합체들(amylose-iodine complexes)을 형성한다

일부 전분에서는 실제로 소량의 지방산(fatty acids) 같은 지방질 성분들이 공동(空洞 cavity)에 갇혀있어 에텔 등의 유기용매들(organic solvents)에 의해서 잘 추출되지 않는 사실이 알려져 있다 아밀로오스는 요오드와의 정색(呈色)반응에 의해서 짙은 청색을 나타내나 아밀로펙틴(amylopectin)은 요오드와 이상과 같은 복합체를 거의 형성하지 않으며 따라서 그 정색반응은 자색(purple)이다 한편 글라이코젠(glycogen)도 이와 같은 복합체를 전혀 형성하지 않으며 요오드와의 정색반응은 빨간색이 짙은 자색을 나타낸다

표 6-6아밀로오스의 중합도(degree of polymerization)와 요오드(iodine)와의 복합체들의 색깔 사이의 관계(청색값)

아밀로오스의 종류 중합도

최고 흡수 파장

(wavelength of abs

orption maximum

mμ)

흡수 강도

molar extinction c

oefficient

감자(potato)

타피오카(tapioca)

나리꽃의 구근(lily bulb)

옥수수(corn)

합성 아밀로오스아밀로

덱스트린

500

450

310

250

85

44

628

625

622

618

590

580

43000

41600

41400

40400

32900

25400

아밀로오스의 분자량이 클수록 요오드와의 복합체의 색깔은 더 짙은 즉 더 장파장의 청색을 나타내며 그 색깔도 더 강해짐을 알 수 있다

곡류나 서류 등의 전분에서 추출한 아밀로오스 100g은 대략 18~20mg의 요오드를 흡수 즉 요오드와 복합체를 형성하나 후술하는 아밀로펙틴(amylopectin)의 경우 그 흡수량은 05mg 이하인 사실이 알려져 있다 한편 한 전분 중의 아밀로오스의 함량을 측정하기 위해서 100g의 아밀로오스는 19mg의 요오드를 흡수하는 것으로 가정하여 계산하는 경우가 많다 과거에는 한 전분 중의 아밀로오스와 아밀로펙틴의 상대적인 양적 관계를 표시하는 척도(尺度)로 청색값(blue value)이 경험적인 방법(an empirical method)으로 가끔 사용되어 왔다(Kim H S et al 1974 Kim S K et al 1977 Kim S K 1978) 이 청색값 또는 청색도는 기본적으로 위의 청색정색반응(靑色呈色反應)을 이용한 것이다

아밀로펙틴 아밀로펙틴(amylopectin)은 전분의 또 하나의 구성성분이며 대체로 78에서 83 정도이다 한편 찹쌀 찰옥수수의 전분 등에 있어서는 그 함량은 96 내지 100며 또 고 아밀로오스 함량 옥수수(high amylose maize)에 있어서는 그 함량은 25 내지 50이다 아밀로펙틴은 아밀로오스와는 달리 가지(branch)가 많이 달린 분자구조를 갖고 있다 이 아밀로펙틴의 구성단위인 α-포도당(α-D-glucose)의 결합양식은 아밀로오스의 경우와 마찬가지로 주로 α-1 4-결합이나 분자 중의 가지는 α-1 6-결합에 의해서 형성된다(그림 6-5 참조)

[그림 6-5]직선상인 아밀로오스 분자(a linear amylose molecule)와 여러 개의 가지로 분기된 아밀로펙틴 분자(a branched amylopectin molecule) 일부의 그림 아밀로오스 분자의 일부와 아밀로펙틴 분자의 가지가 달린 부분의 일부의 화학구조를 확대하여 표시하였다

그러나 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합 이외의 다른 형태의 결합이 존재할 가능성도 매우 크다 그것은 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합을 가수분해할 수 있는 효소들을 아밀로펙틴에 작용시킬 때 아밀로펙틴의 분자가 완전히 가수분해 되지 않는다는 사실로써 간접적으로 입증된다 하나의 가지 즉 α-1 6-결합에서 또 하나의 가지 즉 α-1 6-결합까지 사이의 포도당의 평균수는 역시 전분의 종류에 따라 다르다 하니맨(Honeyman J 1959)은 그 수를 대체로 18개에서 27개로 보고 있다(표 6-3 참조) 이 수치는 평균 분자수가 8개 내지 16개인 글라이코젠(glycogen)보다는 가지 수가 적다는 것을 의미한다

표 6-7아밀로펙틴(amylopectin) 분자의 외부 및 내부 체인의 길이

아밀로펙틴의 출처

(sources)

평균체인의 길이(averag

e chain length)

β-아밀레이스의

분해 한계

보 리 (barley)

맥 아 (malt)

옥 수 수 (corn)

밀 (wheat)

감 자 (potato)

타 피 오 카

찰 옥 수 수 (waxy

corn)

261)

17~18

25

23

27

23

25

59

44

63

62

59

62

52

1)하나의 가지에서 또 하나의 가지(branch)까지 사이의 포도당 단위수

아밀로펙틴 분자 형태 세 가지의 분자형태가 제안되어 왔었다 1 소위 박편(薄片) 구조로 특징 지워지는 하워트 모형(the Haworth model) 2 소위 화살깃 구조로 특징 지워지는 수타오딘거 모형(the Staudinger model) 3 소위 수상(樹狀) 구조로 특징 지워지는 마이야 모형(the Meyer model) 등이다(그림 6-6 참조)

3가지 모델중에서 마이야 모델 즉 가지가 나뭇가지 모양으로 분기된 수상구조(樹狀構造)를 갖고 있는 것으로 생각하였었다 그러나 근래에 와서 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 성질(partial crystalline properties)이 아밀로펙틴 분자들(amylopectin molecules) 자체의 성질에 기인하는 사실에 주목하여 왔다 (아밀로오스가 결정성의 영역을 그 분자 내에 갖고 있는 것은 사실이나 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 영역의 존재는 아밀로오스가 아니라 주로 아밀로펙틴 분자들의 부분적인 강한 결정성 영역에 기인하는 것으로 알려져 있다 )

결정성(結晶性) 성질은 분자 내의 강하고도 광범위한 규칙적인 배열에 의해서 일어남으로 분자 내의 전혀 규칙성을 찾을 수 없는 마이어 모델(Meyer model)은 아밀로펙틴 분자들의 부분적으로 결정성을 가진 성질을 설명할 수 없는 난점이 있다 근래에 와서는 여러 클러스터 모델들이 제안됨

C사슬 α-1 4-결합만으로 형성 직선상의 부분(a linear part)이 근간(根幹)이 되어 B사슬 α-1 6-결합을 통해서 많은 가지들(branches)이 클러스터들(clusters)을 형성 A사슬 B사슬로 알려진 부분들 중의 많은 사슬(chains)들은 α-1 6-결합으로 연결된 주로 매우 짧은 제3의 층을 형성

그림 6-8] 아밀로펙틴 분자들의 클러스터 모델(房狀模型 cluster model) B사슬 층(가지가 많은 부분)의 하층은 가지들 사이에 뚜렷한 규칙성을 볼 수 없으나 그 상층부분들에서는 가지들 사이의 배열에 규칙성을 볼 수 있다 전분입자들이 나타내는 결정성(crystallinity)은 아밀로오스 분자들의 성질이 아니라 아밀로펙틴 분자들의 일부 내부구조에 의한 것이 확실해지고 있다

아밀로펙틴 평균분자량 107~108 (아밀로오스 분자량 대략 106 정도) 아밀로펙틴 분자 내에는 적어도 10000개 내지는 100000개 이상의 포도당 구성단위가 중합하여 형성된 것으로 추정할 수 있다 요오드와 아밀로펙틴과의 정색반응에 의한 색깔은 자색이며 아밀로오스나 전분의 짙은 청색과는 다르다 아밀로펙틴이 아밀로오스의 경우와 같은 요오드나 지방산들(fatty acid residue)과 복합체들(complex compounds)을 거의 형성하지 않음을 의미한다

[그림 6-9]대표적인 요오도와의 결합곡선들(typical iodine-binding curves)의 한 예 1 아밀로오스(amylose)에 대해서 2 아밀로펙틴(amylopectin)에 대해서 3 전분(starch)에 대해서 점선은 요오도와의 친화력(affinity)을 얻기 위해서 extrapolation하였음을 표시하여 주고 있다

아밀로펙틴은 요오드(iodine I2)와 거의 응하지 않는다 전분과 요오드와의 정색반응(color reaction)은 주로 전분 내의 아밀로오스에 기인된다

표 6-8아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin)의 성질 비교

아밀로오스 아밀로펙틴

(1) 요오드(iodine)와의 반응 짙은 청색 빨간색-자주색

(2) 청색값(Blue Value)1) 135 005

(3) β- 아밀레이스 추출액 (β-amylase

preparation)과의 반응

95 내지 100가 말토오스

로 가수분해

50가 말토오스로 가수분해

(4) 분자량 40000 내지 340002) 40000 내지 60000002)

(5) 비환원성 말단그룹(non-reducing

end group) 사이의 평균 포도당의

수

200 내지 2100 20 내지 25

(6) X-선 분석 고도의 결정성(crystallinity) 무정형(amorphous)

(7) 물에 대한 용해도(solubility) 거의 녹지 않음(sparingly sol

uble)

잘 녹는다(very soluble)

(8) 수용액(aqueous solution) 속에서

의 안정성(stability)

노화된다(retrogrades) 안정하다(stable)

(9) 아 세 틸 화 된 유 도 체 (acetylated

derivatives)의 성질

섬 유 질 (fibrous) 질 긴 필 름

(tough film)을 형성한다

무 정 형 분 말 (amorphous

powder) 부 스 러 지 기 쉬

운 필름을 형성(brittle film)

젤라틴화 즉 교질화 된 전분의 분산액(分散液 dispersion)에서 전분분자들이 부분적으로나마 결정화되는 과정을 노화(老化 retrogradation)라고 부른다 아밀로펙틴은 노화되는 성질을 갖고 있지 않으며 따라서 100 또는 거의 100가 아밀로펙틴으로 형성되고 있는 찹쌀이나 찰옥수수의 전분들은 노화현상을 잘 보여주지 않는다 같은 α-포도당이 구성단위가 되고 있는 글라이코젠(glycogen)의 경우 그 가지는 아밀로펙틴보다 더 많으며 그 분자형태도 구형(球形 a spherical form)을 이루고 있기 때문에 그 분산액은 교질화도 일으키지 않으며 따라서 노화현상도 없는 사실이 잘 알려져 있다

아밀로오스는 교질화((膠質化) 즉 젤라틴화(gelatinization)를 쉽게 일으키나 이것은 아밀로오스의 긴 직선상의 형태(linear molecular shape)에 기인된 듯하다 반면에 아밀로펙틴은 쉽게 젤라틴화 되지 않으며 그 원인도 역시 아밀로펙틴 분자들의 가지가 많은 분자구조에 기인된 듯하다 한편 젤라틴화 된 전분 분산액 더 엄격하게는 분산 시스템 또는 분산체(starch dispersion)에서 아밀로오스는 쉽게 부분적으로나마 결정화되는 경향이 있으나 아밀로펙틴은 분자들이 일단 분산된 후에는 서로 얽혀진 많은 수의 가지 때문에 부분적으로나마 결정화(crystallization)되기에는 너무 힘든 상태가 되는 것으로 믿어지고 있다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분리 1 아밀로오스 복합체 형성에 의한 분리 오래 전부터 알려진 방법으로써 가틴 그루제우스카(Gatin- Gruzewska Z 1908 1911 Radley J A 1954 참조)에 의해서 개발된 방법이 있다 이 방법에서는 3의 전분 용액에 소량의 40탄산 소오다(Na2Co3)용액을 가한 다음에 다시 95의 에탄올(EtOH)용액을 가하여 아밀로펙틴만을 침전시킨 후 이 침전을 씻고 다시 투석(透析 dialysis)으로 무기염 등을 제거하여 정제 아밀로펙틴을 얻는다

숏호(Schoch T J 1942)와 하워트들(Haworth W N et al 1946 Radley J A 1954 참조)은 전분 중의 아밀로오스 성분이 뷰타놀(butanol) 노말-아밀 알콜(n-amyl alcohol) 타이몰(thymol) 지방산들과 결합하여 결정성 복합체(crystalline complex)를 형성하는 성질을 이용하여 묽은 전분의 현탁액에 뷰타놀 등을 가한 후 형성되는 아밀로오스와 이들 알콜들과의 결정성 복합체들을 침전시킨 다음에 남은 아밀로펙틴을 원심분리기로 분리하는 방법을 설명하고 있다

2 전기 영동법에 의한 분리 자메크들(Samec M et al 1926)은 감자 전분의 아밀로오스와 아밀로펙틴을 전기 영동법(electrophoretic method)을 사용하여 분리하는데 성공한 바 있다 특히 감자전분의 경우 여기에 함유된 아밀로펙틴은 그 분자 속에 에스터화 된 인산그룹들(esterified phosphoric acid groups)을 함유하고 있기 때문에 비교적 강한 음전하(nagative charge)를 갖고 있으며 따라서 전분의 현탁액에 전류를 통하면 아밀로펙틴은 쉽게 양극(anode)으로 이동하는 성질이 있으므로 전기 영동법에 의해서 쉽게 분리할 수 있다고 한다 이 방법은 인산(phosphoric acid)이나 지방산(fatty acid)들이 아밀로펙틴과 화학적으로 결합되어 있지 않는 곡류 전분에는 적용할 수 없다

3 열수 추출법전분의 현탁액을 60~100로 가열할 때는 전분입자들(starch granules)은 팽윤(swelling)되면서 분자량이 상대적으로 훨씬 적으며 따라서 운동성(mobility)이 더 큰 아밀로오스 분자들은 팽윤된 전분입자들에서 빠져나가게(leaching)된다 한편 대부분의 아밀로펙틴 분자들은 전분입자 내에서 서로 결합상태 또는 부분적인 결정성을 그대로 유지하면서 남게 된다 수용액에 풀어져 나온 아밀로오스는 이상의 현탁액을 원심분리(centrifuge)한 후 상등액(supernatant)에서 얻을 수가 있다

4 효소 링들(Ling A R et al 1923)은 아밀로오스와 아밀로펙틴에 대한 특정 효소들의 작용의 차이를 이용하고 있다 즉 α- 및 β-아밀레이스들(α- β-amylases)의 혼합물인 다이아스테이스(diastase)는 아밀로펙틴보다 아밀로오스에 더 강하게 작용하므로 전분의 젤(gel) 즉 교질용액에 어떤 조정된 조건 하에서 다이아스테이스를 작용시키면 아밀로펙틴은 거의 영향 받지 않고 아밀로오스만을 말토오스 등으로 가수분해 시켜 제거함으로써 아밀로펙틴을 분리할 수 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

전분입자들의 형태와 크기는 그 전분입자들의 출처(source)에 따라 두드러지게 다르며 일반적으로 곡류(穀類 cereals)에서 얻은 전분입자들은 그 크기가 2μ내지 10μ(1μ=10-3) 정도이며 한편 감자 고구마 등의 근경류(根莖類 roots and tubers)에서 얻어지는 전분입자들은 5~150μ 정도이다

표 6-1각 곡류(cereals) 또는 근경류(roots and tubers)의 전분입자들(starch granules)의 크기(size) 및 아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin) 함량

출 처(source) 전분입자의 크기

(starch grain size)

아밀로오스 함량

(amylose content)

아밀로펙틴 함량

(amylopectin conte

nt)

메밀(buck wheat)

보리(barley)

수수(sorghum)

옥수수(corn)

밀(wheat)

감자(white potatoes)

칡의 일종(arrowroot)

고구마(sweet potatoes)

타 피 오 카 (tapioca) 즉

카사바전분

찰 옥 수 수(waxy corn)

쌀(rice)

찹쌀(waxy rice)

찰보리(waxy barley)

-

20~50μ

-

4~26

2~38

15~100

7~75

15~55

5~36

-

2~10

-

-

28

27

27

26

25

23

21

20

18

0~6

20

0

3

72

73

73

74

75

77

79

80

82

100~94

80

100

97

전분의 두 형태 아밀로오스와 아밀로펙틴 아밀로오스와 아밀로펙틴은 그 분자구조(molecular structure)가 현저하게 다르며 따라서 그 화학적 물리적 성질도 현저하게 다르다 전분입자들 속의 아밀로오스와 아밀로펙틴의 함량의 비율은 전분입자들의 출처에 따라 다르다

표 6-3대표적인 전분들의 아밀로오스 아밀로펙틴 함량 및 아밀로펙틴 분자 내의 가지와 가지 사이의 평균 거리

전분의 종류

아밀로오스

(amylose)

함량

아밀로펙틴

(amylopectin)

함량

아밀로펙틴 분자 내에서 가

지와 가지 사이의 평균 포

도당

단위(glucose units)의 수

감자 전분(potato starch)

조제 감자 아밀로펙틴(crude potato amylo

pectin)

사고 전분(sago starch)

바나나 전분(banana starch)

고구마 전분(sweet potato starch)

칡 전분(arrowroot starch)

타피오카 전분(tapioca starch)

정제 카사바 전분(pearl manioc starch)

쌀 전분(rice starch)

옥수수 전분(maize starch)

찰옥수수 전분(waxy maize starch)

밀 전분(wheat starch)

18

7

26

21

18

20

17

16

14

23

0

19

82

93

74

79

82

80

83

84

86

77

100

81

23

20

18

21

27

25

20

20

20

19

20

21

표 6-4생 전분(raw starches)의 물리적 화학적인 성질들

전분의 종류

평균입자의

크기

(granule

size)

마이크론 μ

5 전분 용액

에서

gelatinization

이

일어나는 온도

아밀로오스 함량

(amylose

conetent )

아밀로오스 분

자 내의 포도당

(glucose)

단위의 수

degF

감자(potato)

옥수수(corn)

타피오카

아미오카

칡(arrowroot)

밀(wheat)

쌀(rice)

사고(sago)

33

15

20

15

30~45

21

5

31

6391

800

628

739

750

767

811

739

147

176

145

165

167

170

178

165

22

28

18

0~4

20

25

17

27

980

490

980

-

-

540

-

420

찹쌀의 경우와 같은 아밀로오스함량이 없는 곡류의 변종들(amylose-free or waxy mutants)은 전술한 대로 쌀 보리(barley) 옥수수(maize) 수수(sorghum) 그리고 감자(potato) 등에는 널리 분포되고 있으나 유독 밀(wheat)의 경우에만 존재하지 않는다 이들 변종들(mutants 즉 glutinous or way species)의 경우 그 전분이 100가 아밀로펙틴으로 되어 있다

출 처 (source) 아밀로오스

옥수수(maize)

고 아밀로오스 함량 옥수수

고 아밀로오스 함량 옥수수

찰옥수수(waxy maize)

감 자(potato)

타피오카(tapioca)

밀(wheat)

24

59

70

0~3

20

17

25

고 아밀로오스 함량 옥수수(high amylose maize)의 전분에서는 아밀로오스 함량이 50 내지 70가 되어 보통 옥수수의 아밀로오스 함량의 2배 내지 3배나 된다 (표 6-5 참조) 따라서 그 전분의 성질도 교질화(gelatinization)된 후에는 유백색(乳白色 opaque)의 매우 단단한 젤(gel)을 형성하는(Luallen T E 1985 제7장 참고문헌 참조) 등 보통 곡류 전분의 성질과 현저하게 다르다고 한다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분자구조와 성질 아밀로오스 아밀로오스(amylose)는 포도당(α-D-glucose)이 가지 즉 분지(分岐 branching)없이 α-1 4-결합으로 연결된 α-나선형(α-helical form)을 가진 직쇄상(直鎖狀 straight chain)의 중합체로 생각되고 있으며 가지가 달려있지 않는 점을 강조하여 간단히 직선상 분자(linear molecules)로 표현되기도 한다 아밀로오스 분자 내의 α-포도당(α-D-glucose)의 수효는 전분의 종류에 따라 다르다 근래에 와서는 자연전분(native starch) 중의 아밀로오스 분자들의 분자량으로서 016times106에서 265times106 정도의 평균 분자량이 보고되고 있다(대략 106의 차원으로 보고하고 있다)

아밀로오스는 구성단위인 α-포도당의 입체적 구조에 의해서 대개 6개 정도의 α-포도당의 연결체가 한 회전을 하는 정도의 나선상의 형태(α-helical form)를 형성하고 있다(그림 6-3 참조)

나선(helical form)의 내부 공간(cavity)에 가끔 어떤 특정한 화합물들이 들어가서 복합체들(complex compounds)을 형성하는 경우가 있다 특히 아밀로오스 분자가 요오드와 반응하면 요오드분자들이 이 공간에 들어가서 아밀로오스-요오도 복합체들(amylose-iodine complexes)을 형성한다

일부 전분에서는 실제로 소량의 지방산(fatty acids) 같은 지방질 성분들이 공동(空洞 cavity)에 갇혀있어 에텔 등의 유기용매들(organic solvents)에 의해서 잘 추출되지 않는 사실이 알려져 있다 아밀로오스는 요오드와의 정색(呈色)반응에 의해서 짙은 청색을 나타내나 아밀로펙틴(amylopectin)은 요오드와 이상과 같은 복합체를 거의 형성하지 않으며 따라서 그 정색반응은 자색(purple)이다 한편 글라이코젠(glycogen)도 이와 같은 복합체를 전혀 형성하지 않으며 요오드와의 정색반응은 빨간색이 짙은 자색을 나타낸다

표 6-6아밀로오스의 중합도(degree of polymerization)와 요오드(iodine)와의 복합체들의 색깔 사이의 관계(청색값)

아밀로오스의 종류 중합도

최고 흡수 파장

(wavelength of abs

orption maximum

mμ)

흡수 강도

molar extinction c

oefficient

감자(potato)

타피오카(tapioca)

나리꽃의 구근(lily bulb)

옥수수(corn)

합성 아밀로오스아밀로

덱스트린

500

450

310

250

85

44

628

625

622

618

590

580

43000

41600

41400

40400

32900

25400

아밀로오스의 분자량이 클수록 요오드와의 복합체의 색깔은 더 짙은 즉 더 장파장의 청색을 나타내며 그 색깔도 더 강해짐을 알 수 있다

곡류나 서류 등의 전분에서 추출한 아밀로오스 100g은 대략 18~20mg의 요오드를 흡수 즉 요오드와 복합체를 형성하나 후술하는 아밀로펙틴(amylopectin)의 경우 그 흡수량은 05mg 이하인 사실이 알려져 있다 한편 한 전분 중의 아밀로오스의 함량을 측정하기 위해서 100g의 아밀로오스는 19mg의 요오드를 흡수하는 것으로 가정하여 계산하는 경우가 많다 과거에는 한 전분 중의 아밀로오스와 아밀로펙틴의 상대적인 양적 관계를 표시하는 척도(尺度)로 청색값(blue value)이 경험적인 방법(an empirical method)으로 가끔 사용되어 왔다(Kim H S et al 1974 Kim S K et al 1977 Kim S K 1978) 이 청색값 또는 청색도는 기본적으로 위의 청색정색반응(靑色呈色反應)을 이용한 것이다

아밀로펙틴 아밀로펙틴(amylopectin)은 전분의 또 하나의 구성성분이며 대체로 78에서 83 정도이다 한편 찹쌀 찰옥수수의 전분 등에 있어서는 그 함량은 96 내지 100며 또 고 아밀로오스 함량 옥수수(high amylose maize)에 있어서는 그 함량은 25 내지 50이다 아밀로펙틴은 아밀로오스와는 달리 가지(branch)가 많이 달린 분자구조를 갖고 있다 이 아밀로펙틴의 구성단위인 α-포도당(α-D-glucose)의 결합양식은 아밀로오스의 경우와 마찬가지로 주로 α-1 4-결합이나 분자 중의 가지는 α-1 6-결합에 의해서 형성된다(그림 6-5 참조)

[그림 6-5]직선상인 아밀로오스 분자(a linear amylose molecule)와 여러 개의 가지로 분기된 아밀로펙틴 분자(a branched amylopectin molecule) 일부의 그림 아밀로오스 분자의 일부와 아밀로펙틴 분자의 가지가 달린 부분의 일부의 화학구조를 확대하여 표시하였다

그러나 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합 이외의 다른 형태의 결합이 존재할 가능성도 매우 크다 그것은 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합을 가수분해할 수 있는 효소들을 아밀로펙틴에 작용시킬 때 아밀로펙틴의 분자가 완전히 가수분해 되지 않는다는 사실로써 간접적으로 입증된다 하나의 가지 즉 α-1 6-결합에서 또 하나의 가지 즉 α-1 6-결합까지 사이의 포도당의 평균수는 역시 전분의 종류에 따라 다르다 하니맨(Honeyman J 1959)은 그 수를 대체로 18개에서 27개로 보고 있다(표 6-3 참조) 이 수치는 평균 분자수가 8개 내지 16개인 글라이코젠(glycogen)보다는 가지 수가 적다는 것을 의미한다

표 6-7아밀로펙틴(amylopectin) 분자의 외부 및 내부 체인의 길이

아밀로펙틴의 출처

(sources)

평균체인의 길이(averag

e chain length)

β-아밀레이스의

분해 한계

보 리 (barley)

맥 아 (malt)

옥 수 수 (corn)

밀 (wheat)

감 자 (potato)

타 피 오 카

찰 옥 수 수 (waxy

corn)

261)

17~18

25

23

27

23

25

59

44

63

62

59

62

52

1)하나의 가지에서 또 하나의 가지(branch)까지 사이의 포도당 단위수

아밀로펙틴 분자 형태 세 가지의 분자형태가 제안되어 왔었다 1 소위 박편(薄片) 구조로 특징 지워지는 하워트 모형(the Haworth model) 2 소위 화살깃 구조로 특징 지워지는 수타오딘거 모형(the Staudinger model) 3 소위 수상(樹狀) 구조로 특징 지워지는 마이야 모형(the Meyer model) 등이다(그림 6-6 참조)

3가지 모델중에서 마이야 모델 즉 가지가 나뭇가지 모양으로 분기된 수상구조(樹狀構造)를 갖고 있는 것으로 생각하였었다 그러나 근래에 와서 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 성질(partial crystalline properties)이 아밀로펙틴 분자들(amylopectin molecules) 자체의 성질에 기인하는 사실에 주목하여 왔다 (아밀로오스가 결정성의 영역을 그 분자 내에 갖고 있는 것은 사실이나 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 영역의 존재는 아밀로오스가 아니라 주로 아밀로펙틴 분자들의 부분적인 강한 결정성 영역에 기인하는 것으로 알려져 있다 )

결정성(結晶性) 성질은 분자 내의 강하고도 광범위한 규칙적인 배열에 의해서 일어남으로 분자 내의 전혀 규칙성을 찾을 수 없는 마이어 모델(Meyer model)은 아밀로펙틴 분자들의 부분적으로 결정성을 가진 성질을 설명할 수 없는 난점이 있다 근래에 와서는 여러 클러스터 모델들이 제안됨

C사슬 α-1 4-결합만으로 형성 직선상의 부분(a linear part)이 근간(根幹)이 되어 B사슬 α-1 6-결합을 통해서 많은 가지들(branches)이 클러스터들(clusters)을 형성 A사슬 B사슬로 알려진 부분들 중의 많은 사슬(chains)들은 α-1 6-결합으로 연결된 주로 매우 짧은 제3의 층을 형성

그림 6-8] 아밀로펙틴 분자들의 클러스터 모델(房狀模型 cluster model) B사슬 층(가지가 많은 부분)의 하층은 가지들 사이에 뚜렷한 규칙성을 볼 수 없으나 그 상층부분들에서는 가지들 사이의 배열에 규칙성을 볼 수 있다 전분입자들이 나타내는 결정성(crystallinity)은 아밀로오스 분자들의 성질이 아니라 아밀로펙틴 분자들의 일부 내부구조에 의한 것이 확실해지고 있다

아밀로펙틴 평균분자량 107~108 (아밀로오스 분자량 대략 106 정도) 아밀로펙틴 분자 내에는 적어도 10000개 내지는 100000개 이상의 포도당 구성단위가 중합하여 형성된 것으로 추정할 수 있다 요오드와 아밀로펙틴과의 정색반응에 의한 색깔은 자색이며 아밀로오스나 전분의 짙은 청색과는 다르다 아밀로펙틴이 아밀로오스의 경우와 같은 요오드나 지방산들(fatty acid residue)과 복합체들(complex compounds)을 거의 형성하지 않음을 의미한다

[그림 6-9]대표적인 요오도와의 결합곡선들(typical iodine-binding curves)의 한 예 1 아밀로오스(amylose)에 대해서 2 아밀로펙틴(amylopectin)에 대해서 3 전분(starch)에 대해서 점선은 요오도와의 친화력(affinity)을 얻기 위해서 extrapolation하였음을 표시하여 주고 있다

아밀로펙틴은 요오드(iodine I2)와 거의 응하지 않는다 전분과 요오드와의 정색반응(color reaction)은 주로 전분 내의 아밀로오스에 기인된다

표 6-8아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin)의 성질 비교

아밀로오스 아밀로펙틴

(1) 요오드(iodine)와의 반응 짙은 청색 빨간색-자주색

(2) 청색값(Blue Value)1) 135 005

(3) β- 아밀레이스 추출액 (β-amylase

preparation)과의 반응

95 내지 100가 말토오스

로 가수분해

50가 말토오스로 가수분해

(4) 분자량 40000 내지 340002) 40000 내지 60000002)

(5) 비환원성 말단그룹(non-reducing

end group) 사이의 평균 포도당의

수

200 내지 2100 20 내지 25

(6) X-선 분석 고도의 결정성(crystallinity) 무정형(amorphous)

(7) 물에 대한 용해도(solubility) 거의 녹지 않음(sparingly sol

uble)

잘 녹는다(very soluble)

(8) 수용액(aqueous solution) 속에서

의 안정성(stability)

노화된다(retrogrades) 안정하다(stable)

(9) 아 세 틸 화 된 유 도 체 (acetylated

derivatives)의 성질

섬 유 질 (fibrous) 질 긴 필 름

(tough film)을 형성한다

무 정 형 분 말 (amorphous

powder) 부 스 러 지 기 쉬

운 필름을 형성(brittle film)

젤라틴화 즉 교질화 된 전분의 분산액(分散液 dispersion)에서 전분분자들이 부분적으로나마 결정화되는 과정을 노화(老化 retrogradation)라고 부른다 아밀로펙틴은 노화되는 성질을 갖고 있지 않으며 따라서 100 또는 거의 100가 아밀로펙틴으로 형성되고 있는 찹쌀이나 찰옥수수의 전분들은 노화현상을 잘 보여주지 않는다 같은 α-포도당이 구성단위가 되고 있는 글라이코젠(glycogen)의 경우 그 가지는 아밀로펙틴보다 더 많으며 그 분자형태도 구형(球形 a spherical form)을 이루고 있기 때문에 그 분산액은 교질화도 일으키지 않으며 따라서 노화현상도 없는 사실이 잘 알려져 있다

아밀로오스는 교질화((膠質化) 즉 젤라틴화(gelatinization)를 쉽게 일으키나 이것은 아밀로오스의 긴 직선상의 형태(linear molecular shape)에 기인된 듯하다 반면에 아밀로펙틴은 쉽게 젤라틴화 되지 않으며 그 원인도 역시 아밀로펙틴 분자들의 가지가 많은 분자구조에 기인된 듯하다 한편 젤라틴화 된 전분 분산액 더 엄격하게는 분산 시스템 또는 분산체(starch dispersion)에서 아밀로오스는 쉽게 부분적으로나마 결정화되는 경향이 있으나 아밀로펙틴은 분자들이 일단 분산된 후에는 서로 얽혀진 많은 수의 가지 때문에 부분적으로나마 결정화(crystallization)되기에는 너무 힘든 상태가 되는 것으로 믿어지고 있다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분리 1 아밀로오스 복합체 형성에 의한 분리 오래 전부터 알려진 방법으로써 가틴 그루제우스카(Gatin- Gruzewska Z 1908 1911 Radley J A 1954 참조)에 의해서 개발된 방법이 있다 이 방법에서는 3의 전분 용액에 소량의 40탄산 소오다(Na2Co3)용액을 가한 다음에 다시 95의 에탄올(EtOH)용액을 가하여 아밀로펙틴만을 침전시킨 후 이 침전을 씻고 다시 투석(透析 dialysis)으로 무기염 등을 제거하여 정제 아밀로펙틴을 얻는다

숏호(Schoch T J 1942)와 하워트들(Haworth W N et al 1946 Radley J A 1954 참조)은 전분 중의 아밀로오스 성분이 뷰타놀(butanol) 노말-아밀 알콜(n-amyl alcohol) 타이몰(thymol) 지방산들과 결합하여 결정성 복합체(crystalline complex)를 형성하는 성질을 이용하여 묽은 전분의 현탁액에 뷰타놀 등을 가한 후 형성되는 아밀로오스와 이들 알콜들과의 결정성 복합체들을 침전시킨 다음에 남은 아밀로펙틴을 원심분리기로 분리하는 방법을 설명하고 있다

2 전기 영동법에 의한 분리 자메크들(Samec M et al 1926)은 감자 전분의 아밀로오스와 아밀로펙틴을 전기 영동법(electrophoretic method)을 사용하여 분리하는데 성공한 바 있다 특히 감자전분의 경우 여기에 함유된 아밀로펙틴은 그 분자 속에 에스터화 된 인산그룹들(esterified phosphoric acid groups)을 함유하고 있기 때문에 비교적 강한 음전하(nagative charge)를 갖고 있으며 따라서 전분의 현탁액에 전류를 통하면 아밀로펙틴은 쉽게 양극(anode)으로 이동하는 성질이 있으므로 전기 영동법에 의해서 쉽게 분리할 수 있다고 한다 이 방법은 인산(phosphoric acid)이나 지방산(fatty acid)들이 아밀로펙틴과 화학적으로 결합되어 있지 않는 곡류 전분에는 적용할 수 없다

3 열수 추출법전분의 현탁액을 60~100로 가열할 때는 전분입자들(starch granules)은 팽윤(swelling)되면서 분자량이 상대적으로 훨씬 적으며 따라서 운동성(mobility)이 더 큰 아밀로오스 분자들은 팽윤된 전분입자들에서 빠져나가게(leaching)된다 한편 대부분의 아밀로펙틴 분자들은 전분입자 내에서 서로 결합상태 또는 부분적인 결정성을 그대로 유지하면서 남게 된다 수용액에 풀어져 나온 아밀로오스는 이상의 현탁액을 원심분리(centrifuge)한 후 상등액(supernatant)에서 얻을 수가 있다

4 효소 링들(Ling A R et al 1923)은 아밀로오스와 아밀로펙틴에 대한 특정 효소들의 작용의 차이를 이용하고 있다 즉 α- 및 β-아밀레이스들(α- β-amylases)의 혼합물인 다이아스테이스(diastase)는 아밀로펙틴보다 아밀로오스에 더 강하게 작용하므로 전분의 젤(gel) 즉 교질용액에 어떤 조정된 조건 하에서 다이아스테이스를 작용시키면 아밀로펙틴은 거의 영향 받지 않고 아밀로오스만을 말토오스 등으로 가수분해 시켜 제거함으로써 아밀로펙틴을 분리할 수 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

표 6-1각 곡류(cereals) 또는 근경류(roots and tubers)의 전분입자들(starch granules)의 크기(size) 및 아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin) 함량

출 처(source) 전분입자의 크기

(starch grain size)

아밀로오스 함량

(amylose content)

아밀로펙틴 함량

(amylopectin conte

nt)

메밀(buck wheat)

보리(barley)

수수(sorghum)

옥수수(corn)

밀(wheat)

감자(white potatoes)

칡의 일종(arrowroot)

고구마(sweet potatoes)

타 피 오 카 (tapioca) 즉

카사바전분

찰 옥 수 수(waxy corn)

쌀(rice)

찹쌀(waxy rice)

찰보리(waxy barley)

-

20~50μ

-

4~26

2~38

15~100

7~75

15~55

5~36

-

2~10

-

-

28

27

27

26

25

23

21

20

18

0~6

20

0

3

72

73

73

74

75

77

79

80

82

100~94

80

100

97

전분의 두 형태 아밀로오스와 아밀로펙틴 아밀로오스와 아밀로펙틴은 그 분자구조(molecular structure)가 현저하게 다르며 따라서 그 화학적 물리적 성질도 현저하게 다르다 전분입자들 속의 아밀로오스와 아밀로펙틴의 함량의 비율은 전분입자들의 출처에 따라 다르다

표 6-3대표적인 전분들의 아밀로오스 아밀로펙틴 함량 및 아밀로펙틴 분자 내의 가지와 가지 사이의 평균 거리

전분의 종류

아밀로오스

(amylose)

함량

아밀로펙틴

(amylopectin)

함량

아밀로펙틴 분자 내에서 가

지와 가지 사이의 평균 포

도당

단위(glucose units)의 수

감자 전분(potato starch)

조제 감자 아밀로펙틴(crude potato amylo

pectin)

사고 전분(sago starch)

바나나 전분(banana starch)

고구마 전분(sweet potato starch)

칡 전분(arrowroot starch)

타피오카 전분(tapioca starch)

정제 카사바 전분(pearl manioc starch)

쌀 전분(rice starch)

옥수수 전분(maize starch)

찰옥수수 전분(waxy maize starch)

밀 전분(wheat starch)

18

7

26

21

18

20

17

16

14

23

0

19

82

93

74

79

82

80

83

84

86

77

100

81

23

20

18

21

27

25

20

20

20

19

20

21

표 6-4생 전분(raw starches)의 물리적 화학적인 성질들

전분의 종류

평균입자의

크기

(granule

size)

마이크론 μ

5 전분 용액

에서

gelatinization

이

일어나는 온도

아밀로오스 함량

(amylose

conetent )

아밀로오스 분

자 내의 포도당

(glucose)

단위의 수

degF

감자(potato)

옥수수(corn)

타피오카

아미오카

칡(arrowroot)

밀(wheat)

쌀(rice)

사고(sago)

33

15

20

15

30~45

21

5

31

6391

800

628

739

750

767

811

739

147

176

145

165

167

170

178

165

22

28

18

0~4

20

25

17

27

980

490

980

-

-

540

-

420

찹쌀의 경우와 같은 아밀로오스함량이 없는 곡류의 변종들(amylose-free or waxy mutants)은 전술한 대로 쌀 보리(barley) 옥수수(maize) 수수(sorghum) 그리고 감자(potato) 등에는 널리 분포되고 있으나 유독 밀(wheat)의 경우에만 존재하지 않는다 이들 변종들(mutants 즉 glutinous or way species)의 경우 그 전분이 100가 아밀로펙틴으로 되어 있다

출 처 (source) 아밀로오스

옥수수(maize)

고 아밀로오스 함량 옥수수

고 아밀로오스 함량 옥수수

찰옥수수(waxy maize)

감 자(potato)

타피오카(tapioca)

밀(wheat)

24

59

70

0~3

20

17

25

고 아밀로오스 함량 옥수수(high amylose maize)의 전분에서는 아밀로오스 함량이 50 내지 70가 되어 보통 옥수수의 아밀로오스 함량의 2배 내지 3배나 된다 (표 6-5 참조) 따라서 그 전분의 성질도 교질화(gelatinization)된 후에는 유백색(乳白色 opaque)의 매우 단단한 젤(gel)을 형성하는(Luallen T E 1985 제7장 참고문헌 참조) 등 보통 곡류 전분의 성질과 현저하게 다르다고 한다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분자구조와 성질 아밀로오스 아밀로오스(amylose)는 포도당(α-D-glucose)이 가지 즉 분지(分岐 branching)없이 α-1 4-결합으로 연결된 α-나선형(α-helical form)을 가진 직쇄상(直鎖狀 straight chain)의 중합체로 생각되고 있으며 가지가 달려있지 않는 점을 강조하여 간단히 직선상 분자(linear molecules)로 표현되기도 한다 아밀로오스 분자 내의 α-포도당(α-D-glucose)의 수효는 전분의 종류에 따라 다르다 근래에 와서는 자연전분(native starch) 중의 아밀로오스 분자들의 분자량으로서 016times106에서 265times106 정도의 평균 분자량이 보고되고 있다(대략 106의 차원으로 보고하고 있다)

아밀로오스는 구성단위인 α-포도당의 입체적 구조에 의해서 대개 6개 정도의 α-포도당의 연결체가 한 회전을 하는 정도의 나선상의 형태(α-helical form)를 형성하고 있다(그림 6-3 참조)

나선(helical form)의 내부 공간(cavity)에 가끔 어떤 특정한 화합물들이 들어가서 복합체들(complex compounds)을 형성하는 경우가 있다 특히 아밀로오스 분자가 요오드와 반응하면 요오드분자들이 이 공간에 들어가서 아밀로오스-요오도 복합체들(amylose-iodine complexes)을 형성한다

일부 전분에서는 실제로 소량의 지방산(fatty acids) 같은 지방질 성분들이 공동(空洞 cavity)에 갇혀있어 에텔 등의 유기용매들(organic solvents)에 의해서 잘 추출되지 않는 사실이 알려져 있다 아밀로오스는 요오드와의 정색(呈色)반응에 의해서 짙은 청색을 나타내나 아밀로펙틴(amylopectin)은 요오드와 이상과 같은 복합체를 거의 형성하지 않으며 따라서 그 정색반응은 자색(purple)이다 한편 글라이코젠(glycogen)도 이와 같은 복합체를 전혀 형성하지 않으며 요오드와의 정색반응은 빨간색이 짙은 자색을 나타낸다

표 6-6아밀로오스의 중합도(degree of polymerization)와 요오드(iodine)와의 복합체들의 색깔 사이의 관계(청색값)

아밀로오스의 종류 중합도

최고 흡수 파장

(wavelength of abs

orption maximum

mμ)

흡수 강도

molar extinction c

oefficient

감자(potato)

타피오카(tapioca)

나리꽃의 구근(lily bulb)

옥수수(corn)

합성 아밀로오스아밀로

덱스트린

500

450

310

250

85

44

628

625

622

618

590

580

43000

41600

41400

40400

32900

25400

아밀로오스의 분자량이 클수록 요오드와의 복합체의 색깔은 더 짙은 즉 더 장파장의 청색을 나타내며 그 색깔도 더 강해짐을 알 수 있다

곡류나 서류 등의 전분에서 추출한 아밀로오스 100g은 대략 18~20mg의 요오드를 흡수 즉 요오드와 복합체를 형성하나 후술하는 아밀로펙틴(amylopectin)의 경우 그 흡수량은 05mg 이하인 사실이 알려져 있다 한편 한 전분 중의 아밀로오스의 함량을 측정하기 위해서 100g의 아밀로오스는 19mg의 요오드를 흡수하는 것으로 가정하여 계산하는 경우가 많다 과거에는 한 전분 중의 아밀로오스와 아밀로펙틴의 상대적인 양적 관계를 표시하는 척도(尺度)로 청색값(blue value)이 경험적인 방법(an empirical method)으로 가끔 사용되어 왔다(Kim H S et al 1974 Kim S K et al 1977 Kim S K 1978) 이 청색값 또는 청색도는 기본적으로 위의 청색정색반응(靑色呈色反應)을 이용한 것이다

아밀로펙틴 아밀로펙틴(amylopectin)은 전분의 또 하나의 구성성분이며 대체로 78에서 83 정도이다 한편 찹쌀 찰옥수수의 전분 등에 있어서는 그 함량은 96 내지 100며 또 고 아밀로오스 함량 옥수수(high amylose maize)에 있어서는 그 함량은 25 내지 50이다 아밀로펙틴은 아밀로오스와는 달리 가지(branch)가 많이 달린 분자구조를 갖고 있다 이 아밀로펙틴의 구성단위인 α-포도당(α-D-glucose)의 결합양식은 아밀로오스의 경우와 마찬가지로 주로 α-1 4-결합이나 분자 중의 가지는 α-1 6-결합에 의해서 형성된다(그림 6-5 참조)

[그림 6-5]직선상인 아밀로오스 분자(a linear amylose molecule)와 여러 개의 가지로 분기된 아밀로펙틴 분자(a branched amylopectin molecule) 일부의 그림 아밀로오스 분자의 일부와 아밀로펙틴 분자의 가지가 달린 부분의 일부의 화학구조를 확대하여 표시하였다

그러나 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합 이외의 다른 형태의 결합이 존재할 가능성도 매우 크다 그것은 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합을 가수분해할 수 있는 효소들을 아밀로펙틴에 작용시킬 때 아밀로펙틴의 분자가 완전히 가수분해 되지 않는다는 사실로써 간접적으로 입증된다 하나의 가지 즉 α-1 6-결합에서 또 하나의 가지 즉 α-1 6-결합까지 사이의 포도당의 평균수는 역시 전분의 종류에 따라 다르다 하니맨(Honeyman J 1959)은 그 수를 대체로 18개에서 27개로 보고 있다(표 6-3 참조) 이 수치는 평균 분자수가 8개 내지 16개인 글라이코젠(glycogen)보다는 가지 수가 적다는 것을 의미한다

표 6-7아밀로펙틴(amylopectin) 분자의 외부 및 내부 체인의 길이

아밀로펙틴의 출처

(sources)

평균체인의 길이(averag

e chain length)

β-아밀레이스의

분해 한계

보 리 (barley)

맥 아 (malt)

옥 수 수 (corn)

밀 (wheat)

감 자 (potato)

타 피 오 카

찰 옥 수 수 (waxy

corn)

261)

17~18

25

23

27

23

25

59

44

63

62

59

62

52

1)하나의 가지에서 또 하나의 가지(branch)까지 사이의 포도당 단위수

아밀로펙틴 분자 형태 세 가지의 분자형태가 제안되어 왔었다 1 소위 박편(薄片) 구조로 특징 지워지는 하워트 모형(the Haworth model) 2 소위 화살깃 구조로 특징 지워지는 수타오딘거 모형(the Staudinger model) 3 소위 수상(樹狀) 구조로 특징 지워지는 마이야 모형(the Meyer model) 등이다(그림 6-6 참조)

3가지 모델중에서 마이야 모델 즉 가지가 나뭇가지 모양으로 분기된 수상구조(樹狀構造)를 갖고 있는 것으로 생각하였었다 그러나 근래에 와서 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 성질(partial crystalline properties)이 아밀로펙틴 분자들(amylopectin molecules) 자체의 성질에 기인하는 사실에 주목하여 왔다 (아밀로오스가 결정성의 영역을 그 분자 내에 갖고 있는 것은 사실이나 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 영역의 존재는 아밀로오스가 아니라 주로 아밀로펙틴 분자들의 부분적인 강한 결정성 영역에 기인하는 것으로 알려져 있다 )

결정성(結晶性) 성질은 분자 내의 강하고도 광범위한 규칙적인 배열에 의해서 일어남으로 분자 내의 전혀 규칙성을 찾을 수 없는 마이어 모델(Meyer model)은 아밀로펙틴 분자들의 부분적으로 결정성을 가진 성질을 설명할 수 없는 난점이 있다 근래에 와서는 여러 클러스터 모델들이 제안됨

C사슬 α-1 4-결합만으로 형성 직선상의 부분(a linear part)이 근간(根幹)이 되어 B사슬 α-1 6-결합을 통해서 많은 가지들(branches)이 클러스터들(clusters)을 형성 A사슬 B사슬로 알려진 부분들 중의 많은 사슬(chains)들은 α-1 6-결합으로 연결된 주로 매우 짧은 제3의 층을 형성

그림 6-8] 아밀로펙틴 분자들의 클러스터 모델(房狀模型 cluster model) B사슬 층(가지가 많은 부분)의 하층은 가지들 사이에 뚜렷한 규칙성을 볼 수 없으나 그 상층부분들에서는 가지들 사이의 배열에 규칙성을 볼 수 있다 전분입자들이 나타내는 결정성(crystallinity)은 아밀로오스 분자들의 성질이 아니라 아밀로펙틴 분자들의 일부 내부구조에 의한 것이 확실해지고 있다

아밀로펙틴 평균분자량 107~108 (아밀로오스 분자량 대략 106 정도) 아밀로펙틴 분자 내에는 적어도 10000개 내지는 100000개 이상의 포도당 구성단위가 중합하여 형성된 것으로 추정할 수 있다 요오드와 아밀로펙틴과의 정색반응에 의한 색깔은 자색이며 아밀로오스나 전분의 짙은 청색과는 다르다 아밀로펙틴이 아밀로오스의 경우와 같은 요오드나 지방산들(fatty acid residue)과 복합체들(complex compounds)을 거의 형성하지 않음을 의미한다

[그림 6-9]대표적인 요오도와의 결합곡선들(typical iodine-binding curves)의 한 예 1 아밀로오스(amylose)에 대해서 2 아밀로펙틴(amylopectin)에 대해서 3 전분(starch)에 대해서 점선은 요오도와의 친화력(affinity)을 얻기 위해서 extrapolation하였음을 표시하여 주고 있다

아밀로펙틴은 요오드(iodine I2)와 거의 응하지 않는다 전분과 요오드와의 정색반응(color reaction)은 주로 전분 내의 아밀로오스에 기인된다

표 6-8아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin)의 성질 비교

아밀로오스 아밀로펙틴

(1) 요오드(iodine)와의 반응 짙은 청색 빨간색-자주색

(2) 청색값(Blue Value)1) 135 005

(3) β- 아밀레이스 추출액 (β-amylase

preparation)과의 반응

95 내지 100가 말토오스

로 가수분해

50가 말토오스로 가수분해

(4) 분자량 40000 내지 340002) 40000 내지 60000002)

(5) 비환원성 말단그룹(non-reducing

end group) 사이의 평균 포도당의

수

200 내지 2100 20 내지 25

(6) X-선 분석 고도의 결정성(crystallinity) 무정형(amorphous)

(7) 물에 대한 용해도(solubility) 거의 녹지 않음(sparingly sol

uble)

잘 녹는다(very soluble)

(8) 수용액(aqueous solution) 속에서

의 안정성(stability)

노화된다(retrogrades) 안정하다(stable)

(9) 아 세 틸 화 된 유 도 체 (acetylated

derivatives)의 성질

섬 유 질 (fibrous) 질 긴 필 름

(tough film)을 형성한다

무 정 형 분 말 (amorphous

powder) 부 스 러 지 기 쉬

운 필름을 형성(brittle film)

젤라틴화 즉 교질화 된 전분의 분산액(分散液 dispersion)에서 전분분자들이 부분적으로나마 결정화되는 과정을 노화(老化 retrogradation)라고 부른다 아밀로펙틴은 노화되는 성질을 갖고 있지 않으며 따라서 100 또는 거의 100가 아밀로펙틴으로 형성되고 있는 찹쌀이나 찰옥수수의 전분들은 노화현상을 잘 보여주지 않는다 같은 α-포도당이 구성단위가 되고 있는 글라이코젠(glycogen)의 경우 그 가지는 아밀로펙틴보다 더 많으며 그 분자형태도 구형(球形 a spherical form)을 이루고 있기 때문에 그 분산액은 교질화도 일으키지 않으며 따라서 노화현상도 없는 사실이 잘 알려져 있다

아밀로오스는 교질화((膠質化) 즉 젤라틴화(gelatinization)를 쉽게 일으키나 이것은 아밀로오스의 긴 직선상의 형태(linear molecular shape)에 기인된 듯하다 반면에 아밀로펙틴은 쉽게 젤라틴화 되지 않으며 그 원인도 역시 아밀로펙틴 분자들의 가지가 많은 분자구조에 기인된 듯하다 한편 젤라틴화 된 전분 분산액 더 엄격하게는 분산 시스템 또는 분산체(starch dispersion)에서 아밀로오스는 쉽게 부분적으로나마 결정화되는 경향이 있으나 아밀로펙틴은 분자들이 일단 분산된 후에는 서로 얽혀진 많은 수의 가지 때문에 부분적으로나마 결정화(crystallization)되기에는 너무 힘든 상태가 되는 것으로 믿어지고 있다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분리 1 아밀로오스 복합체 형성에 의한 분리 오래 전부터 알려진 방법으로써 가틴 그루제우스카(Gatin- Gruzewska Z 1908 1911 Radley J A 1954 참조)에 의해서 개발된 방법이 있다 이 방법에서는 3의 전분 용액에 소량의 40탄산 소오다(Na2Co3)용액을 가한 다음에 다시 95의 에탄올(EtOH)용액을 가하여 아밀로펙틴만을 침전시킨 후 이 침전을 씻고 다시 투석(透析 dialysis)으로 무기염 등을 제거하여 정제 아밀로펙틴을 얻는다

숏호(Schoch T J 1942)와 하워트들(Haworth W N et al 1946 Radley J A 1954 참조)은 전분 중의 아밀로오스 성분이 뷰타놀(butanol) 노말-아밀 알콜(n-amyl alcohol) 타이몰(thymol) 지방산들과 결합하여 결정성 복합체(crystalline complex)를 형성하는 성질을 이용하여 묽은 전분의 현탁액에 뷰타놀 등을 가한 후 형성되는 아밀로오스와 이들 알콜들과의 결정성 복합체들을 침전시킨 다음에 남은 아밀로펙틴을 원심분리기로 분리하는 방법을 설명하고 있다

2 전기 영동법에 의한 분리 자메크들(Samec M et al 1926)은 감자 전분의 아밀로오스와 아밀로펙틴을 전기 영동법(electrophoretic method)을 사용하여 분리하는데 성공한 바 있다 특히 감자전분의 경우 여기에 함유된 아밀로펙틴은 그 분자 속에 에스터화 된 인산그룹들(esterified phosphoric acid groups)을 함유하고 있기 때문에 비교적 강한 음전하(nagative charge)를 갖고 있으며 따라서 전분의 현탁액에 전류를 통하면 아밀로펙틴은 쉽게 양극(anode)으로 이동하는 성질이 있으므로 전기 영동법에 의해서 쉽게 분리할 수 있다고 한다 이 방법은 인산(phosphoric acid)이나 지방산(fatty acid)들이 아밀로펙틴과 화학적으로 결합되어 있지 않는 곡류 전분에는 적용할 수 없다

3 열수 추출법전분의 현탁액을 60~100로 가열할 때는 전분입자들(starch granules)은 팽윤(swelling)되면서 분자량이 상대적으로 훨씬 적으며 따라서 운동성(mobility)이 더 큰 아밀로오스 분자들은 팽윤된 전분입자들에서 빠져나가게(leaching)된다 한편 대부분의 아밀로펙틴 분자들은 전분입자 내에서 서로 결합상태 또는 부분적인 결정성을 그대로 유지하면서 남게 된다 수용액에 풀어져 나온 아밀로오스는 이상의 현탁액을 원심분리(centrifuge)한 후 상등액(supernatant)에서 얻을 수가 있다

4 효소 링들(Ling A R et al 1923)은 아밀로오스와 아밀로펙틴에 대한 특정 효소들의 작용의 차이를 이용하고 있다 즉 α- 및 β-아밀레이스들(α- β-amylases)의 혼합물인 다이아스테이스(diastase)는 아밀로펙틴보다 아밀로오스에 더 강하게 작용하므로 전분의 젤(gel) 즉 교질용액에 어떤 조정된 조건 하에서 다이아스테이스를 작용시키면 아밀로펙틴은 거의 영향 받지 않고 아밀로오스만을 말토오스 등으로 가수분해 시켜 제거함으로써 아밀로펙틴을 분리할 수 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

전분의 두 형태 아밀로오스와 아밀로펙틴 아밀로오스와 아밀로펙틴은 그 분자구조(molecular structure)가 현저하게 다르며 따라서 그 화학적 물리적 성질도 현저하게 다르다 전분입자들 속의 아밀로오스와 아밀로펙틴의 함량의 비율은 전분입자들의 출처에 따라 다르다

표 6-3대표적인 전분들의 아밀로오스 아밀로펙틴 함량 및 아밀로펙틴 분자 내의 가지와 가지 사이의 평균 거리

전분의 종류

아밀로오스

(amylose)

함량

아밀로펙틴

(amylopectin)

함량

아밀로펙틴 분자 내에서 가

지와 가지 사이의 평균 포

도당

단위(glucose units)의 수

감자 전분(potato starch)

조제 감자 아밀로펙틴(crude potato amylo

pectin)

사고 전분(sago starch)

바나나 전분(banana starch)

고구마 전분(sweet potato starch)

칡 전분(arrowroot starch)

타피오카 전분(tapioca starch)

정제 카사바 전분(pearl manioc starch)

쌀 전분(rice starch)

옥수수 전분(maize starch)

찰옥수수 전분(waxy maize starch)

밀 전분(wheat starch)

18

7

26

21

18

20

17

16

14

23

0

19

82

93

74

79

82

80

83

84

86

77

100

81

23

20

18

21

27

25

20

20

20

19

20

21

표 6-4생 전분(raw starches)의 물리적 화학적인 성질들

전분의 종류

평균입자의

크기

(granule

size)

마이크론 μ

5 전분 용액

에서

gelatinization

이

일어나는 온도

아밀로오스 함량

(amylose

conetent )

아밀로오스 분

자 내의 포도당

(glucose)

단위의 수

degF

감자(potato)

옥수수(corn)

타피오카

아미오카

칡(arrowroot)

밀(wheat)

쌀(rice)

사고(sago)

33

15

20

15

30~45

21

5

31

6391

800

628

739

750

767

811

739

147

176

145

165

167

170

178

165

22

28

18

0~4

20

25

17

27

980

490

980

-

-

540

-

420

찹쌀의 경우와 같은 아밀로오스함량이 없는 곡류의 변종들(amylose-free or waxy mutants)은 전술한 대로 쌀 보리(barley) 옥수수(maize) 수수(sorghum) 그리고 감자(potato) 등에는 널리 분포되고 있으나 유독 밀(wheat)의 경우에만 존재하지 않는다 이들 변종들(mutants 즉 glutinous or way species)의 경우 그 전분이 100가 아밀로펙틴으로 되어 있다

출 처 (source) 아밀로오스

옥수수(maize)

고 아밀로오스 함량 옥수수

고 아밀로오스 함량 옥수수

찰옥수수(waxy maize)

감 자(potato)

타피오카(tapioca)

밀(wheat)

24

59

70

0~3

20

17

25

고 아밀로오스 함량 옥수수(high amylose maize)의 전분에서는 아밀로오스 함량이 50 내지 70가 되어 보통 옥수수의 아밀로오스 함량의 2배 내지 3배나 된다 (표 6-5 참조) 따라서 그 전분의 성질도 교질화(gelatinization)된 후에는 유백색(乳白色 opaque)의 매우 단단한 젤(gel)을 형성하는(Luallen T E 1985 제7장 참고문헌 참조) 등 보통 곡류 전분의 성질과 현저하게 다르다고 한다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분자구조와 성질 아밀로오스 아밀로오스(amylose)는 포도당(α-D-glucose)이 가지 즉 분지(分岐 branching)없이 α-1 4-결합으로 연결된 α-나선형(α-helical form)을 가진 직쇄상(直鎖狀 straight chain)의 중합체로 생각되고 있으며 가지가 달려있지 않는 점을 강조하여 간단히 직선상 분자(linear molecules)로 표현되기도 한다 아밀로오스 분자 내의 α-포도당(α-D-glucose)의 수효는 전분의 종류에 따라 다르다 근래에 와서는 자연전분(native starch) 중의 아밀로오스 분자들의 분자량으로서 016times106에서 265times106 정도의 평균 분자량이 보고되고 있다(대략 106의 차원으로 보고하고 있다)

아밀로오스는 구성단위인 α-포도당의 입체적 구조에 의해서 대개 6개 정도의 α-포도당의 연결체가 한 회전을 하는 정도의 나선상의 형태(α-helical form)를 형성하고 있다(그림 6-3 참조)

나선(helical form)의 내부 공간(cavity)에 가끔 어떤 특정한 화합물들이 들어가서 복합체들(complex compounds)을 형성하는 경우가 있다 특히 아밀로오스 분자가 요오드와 반응하면 요오드분자들이 이 공간에 들어가서 아밀로오스-요오도 복합체들(amylose-iodine complexes)을 형성한다

일부 전분에서는 실제로 소량의 지방산(fatty acids) 같은 지방질 성분들이 공동(空洞 cavity)에 갇혀있어 에텔 등의 유기용매들(organic solvents)에 의해서 잘 추출되지 않는 사실이 알려져 있다 아밀로오스는 요오드와의 정색(呈色)반응에 의해서 짙은 청색을 나타내나 아밀로펙틴(amylopectin)은 요오드와 이상과 같은 복합체를 거의 형성하지 않으며 따라서 그 정색반응은 자색(purple)이다 한편 글라이코젠(glycogen)도 이와 같은 복합체를 전혀 형성하지 않으며 요오드와의 정색반응은 빨간색이 짙은 자색을 나타낸다

표 6-6아밀로오스의 중합도(degree of polymerization)와 요오드(iodine)와의 복합체들의 색깔 사이의 관계(청색값)

아밀로오스의 종류 중합도

최고 흡수 파장

(wavelength of abs

orption maximum

mμ)

흡수 강도

molar extinction c

oefficient

감자(potato)

타피오카(tapioca)

나리꽃의 구근(lily bulb)

옥수수(corn)

합성 아밀로오스아밀로

덱스트린

500

450

310

250

85

44

628

625

622

618

590

580

43000

41600

41400

40400

32900

25400

아밀로오스의 분자량이 클수록 요오드와의 복합체의 색깔은 더 짙은 즉 더 장파장의 청색을 나타내며 그 색깔도 더 강해짐을 알 수 있다

곡류나 서류 등의 전분에서 추출한 아밀로오스 100g은 대략 18~20mg의 요오드를 흡수 즉 요오드와 복합체를 형성하나 후술하는 아밀로펙틴(amylopectin)의 경우 그 흡수량은 05mg 이하인 사실이 알려져 있다 한편 한 전분 중의 아밀로오스의 함량을 측정하기 위해서 100g의 아밀로오스는 19mg의 요오드를 흡수하는 것으로 가정하여 계산하는 경우가 많다 과거에는 한 전분 중의 아밀로오스와 아밀로펙틴의 상대적인 양적 관계를 표시하는 척도(尺度)로 청색값(blue value)이 경험적인 방법(an empirical method)으로 가끔 사용되어 왔다(Kim H S et al 1974 Kim S K et al 1977 Kim S K 1978) 이 청색값 또는 청색도는 기본적으로 위의 청색정색반응(靑色呈色反應)을 이용한 것이다

아밀로펙틴 아밀로펙틴(amylopectin)은 전분의 또 하나의 구성성분이며 대체로 78에서 83 정도이다 한편 찹쌀 찰옥수수의 전분 등에 있어서는 그 함량은 96 내지 100며 또 고 아밀로오스 함량 옥수수(high amylose maize)에 있어서는 그 함량은 25 내지 50이다 아밀로펙틴은 아밀로오스와는 달리 가지(branch)가 많이 달린 분자구조를 갖고 있다 이 아밀로펙틴의 구성단위인 α-포도당(α-D-glucose)의 결합양식은 아밀로오스의 경우와 마찬가지로 주로 α-1 4-결합이나 분자 중의 가지는 α-1 6-결합에 의해서 형성된다(그림 6-5 참조)

[그림 6-5]직선상인 아밀로오스 분자(a linear amylose molecule)와 여러 개의 가지로 분기된 아밀로펙틴 분자(a branched amylopectin molecule) 일부의 그림 아밀로오스 분자의 일부와 아밀로펙틴 분자의 가지가 달린 부분의 일부의 화학구조를 확대하여 표시하였다

그러나 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합 이외의 다른 형태의 결합이 존재할 가능성도 매우 크다 그것은 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합을 가수분해할 수 있는 효소들을 아밀로펙틴에 작용시킬 때 아밀로펙틴의 분자가 완전히 가수분해 되지 않는다는 사실로써 간접적으로 입증된다 하나의 가지 즉 α-1 6-결합에서 또 하나의 가지 즉 α-1 6-결합까지 사이의 포도당의 평균수는 역시 전분의 종류에 따라 다르다 하니맨(Honeyman J 1959)은 그 수를 대체로 18개에서 27개로 보고 있다(표 6-3 참조) 이 수치는 평균 분자수가 8개 내지 16개인 글라이코젠(glycogen)보다는 가지 수가 적다는 것을 의미한다

표 6-7아밀로펙틴(amylopectin) 분자의 외부 및 내부 체인의 길이

아밀로펙틴의 출처

(sources)

평균체인의 길이(averag

e chain length)

β-아밀레이스의

분해 한계

보 리 (barley)

맥 아 (malt)

옥 수 수 (corn)

밀 (wheat)

감 자 (potato)

타 피 오 카

찰 옥 수 수 (waxy

corn)

261)

17~18

25

23

27

23

25

59

44

63

62

59

62

52

1)하나의 가지에서 또 하나의 가지(branch)까지 사이의 포도당 단위수

아밀로펙틴 분자 형태 세 가지의 분자형태가 제안되어 왔었다 1 소위 박편(薄片) 구조로 특징 지워지는 하워트 모형(the Haworth model) 2 소위 화살깃 구조로 특징 지워지는 수타오딘거 모형(the Staudinger model) 3 소위 수상(樹狀) 구조로 특징 지워지는 마이야 모형(the Meyer model) 등이다(그림 6-6 참조)

3가지 모델중에서 마이야 모델 즉 가지가 나뭇가지 모양으로 분기된 수상구조(樹狀構造)를 갖고 있는 것으로 생각하였었다 그러나 근래에 와서 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 성질(partial crystalline properties)이 아밀로펙틴 분자들(amylopectin molecules) 자체의 성질에 기인하는 사실에 주목하여 왔다 (아밀로오스가 결정성의 영역을 그 분자 내에 갖고 있는 것은 사실이나 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 영역의 존재는 아밀로오스가 아니라 주로 아밀로펙틴 분자들의 부분적인 강한 결정성 영역에 기인하는 것으로 알려져 있다 )

결정성(結晶性) 성질은 분자 내의 강하고도 광범위한 규칙적인 배열에 의해서 일어남으로 분자 내의 전혀 규칙성을 찾을 수 없는 마이어 모델(Meyer model)은 아밀로펙틴 분자들의 부분적으로 결정성을 가진 성질을 설명할 수 없는 난점이 있다 근래에 와서는 여러 클러스터 모델들이 제안됨

C사슬 α-1 4-결합만으로 형성 직선상의 부분(a linear part)이 근간(根幹)이 되어 B사슬 α-1 6-결합을 통해서 많은 가지들(branches)이 클러스터들(clusters)을 형성 A사슬 B사슬로 알려진 부분들 중의 많은 사슬(chains)들은 α-1 6-결합으로 연결된 주로 매우 짧은 제3의 층을 형성

그림 6-8] 아밀로펙틴 분자들의 클러스터 모델(房狀模型 cluster model) B사슬 층(가지가 많은 부분)의 하층은 가지들 사이에 뚜렷한 규칙성을 볼 수 없으나 그 상층부분들에서는 가지들 사이의 배열에 규칙성을 볼 수 있다 전분입자들이 나타내는 결정성(crystallinity)은 아밀로오스 분자들의 성질이 아니라 아밀로펙틴 분자들의 일부 내부구조에 의한 것이 확실해지고 있다

아밀로펙틴 평균분자량 107~108 (아밀로오스 분자량 대략 106 정도) 아밀로펙틴 분자 내에는 적어도 10000개 내지는 100000개 이상의 포도당 구성단위가 중합하여 형성된 것으로 추정할 수 있다 요오드와 아밀로펙틴과의 정색반응에 의한 색깔은 자색이며 아밀로오스나 전분의 짙은 청색과는 다르다 아밀로펙틴이 아밀로오스의 경우와 같은 요오드나 지방산들(fatty acid residue)과 복합체들(complex compounds)을 거의 형성하지 않음을 의미한다

[그림 6-9]대표적인 요오도와의 결합곡선들(typical iodine-binding curves)의 한 예 1 아밀로오스(amylose)에 대해서 2 아밀로펙틴(amylopectin)에 대해서 3 전분(starch)에 대해서 점선은 요오도와의 친화력(affinity)을 얻기 위해서 extrapolation하였음을 표시하여 주고 있다

아밀로펙틴은 요오드(iodine I2)와 거의 응하지 않는다 전분과 요오드와의 정색반응(color reaction)은 주로 전분 내의 아밀로오스에 기인된다

표 6-8아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin)의 성질 비교

아밀로오스 아밀로펙틴

(1) 요오드(iodine)와의 반응 짙은 청색 빨간색-자주색

(2) 청색값(Blue Value)1) 135 005

(3) β- 아밀레이스 추출액 (β-amylase

preparation)과의 반응

95 내지 100가 말토오스

로 가수분해

50가 말토오스로 가수분해

(4) 분자량 40000 내지 340002) 40000 내지 60000002)

(5) 비환원성 말단그룹(non-reducing

end group) 사이의 평균 포도당의

수

200 내지 2100 20 내지 25

(6) X-선 분석 고도의 결정성(crystallinity) 무정형(amorphous)

(7) 물에 대한 용해도(solubility) 거의 녹지 않음(sparingly sol

uble)

잘 녹는다(very soluble)

(8) 수용액(aqueous solution) 속에서

의 안정성(stability)

노화된다(retrogrades) 안정하다(stable)

(9) 아 세 틸 화 된 유 도 체 (acetylated

derivatives)의 성질

섬 유 질 (fibrous) 질 긴 필 름

(tough film)을 형성한다

무 정 형 분 말 (amorphous

powder) 부 스 러 지 기 쉬

운 필름을 형성(brittle film)

젤라틴화 즉 교질화 된 전분의 분산액(分散液 dispersion)에서 전분분자들이 부분적으로나마 결정화되는 과정을 노화(老化 retrogradation)라고 부른다 아밀로펙틴은 노화되는 성질을 갖고 있지 않으며 따라서 100 또는 거의 100가 아밀로펙틴으로 형성되고 있는 찹쌀이나 찰옥수수의 전분들은 노화현상을 잘 보여주지 않는다 같은 α-포도당이 구성단위가 되고 있는 글라이코젠(glycogen)의 경우 그 가지는 아밀로펙틴보다 더 많으며 그 분자형태도 구형(球形 a spherical form)을 이루고 있기 때문에 그 분산액은 교질화도 일으키지 않으며 따라서 노화현상도 없는 사실이 잘 알려져 있다

아밀로오스는 교질화((膠質化) 즉 젤라틴화(gelatinization)를 쉽게 일으키나 이것은 아밀로오스의 긴 직선상의 형태(linear molecular shape)에 기인된 듯하다 반면에 아밀로펙틴은 쉽게 젤라틴화 되지 않으며 그 원인도 역시 아밀로펙틴 분자들의 가지가 많은 분자구조에 기인된 듯하다 한편 젤라틴화 된 전분 분산액 더 엄격하게는 분산 시스템 또는 분산체(starch dispersion)에서 아밀로오스는 쉽게 부분적으로나마 결정화되는 경향이 있으나 아밀로펙틴은 분자들이 일단 분산된 후에는 서로 얽혀진 많은 수의 가지 때문에 부분적으로나마 결정화(crystallization)되기에는 너무 힘든 상태가 되는 것으로 믿어지고 있다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분리 1 아밀로오스 복합체 형성에 의한 분리 오래 전부터 알려진 방법으로써 가틴 그루제우스카(Gatin- Gruzewska Z 1908 1911 Radley J A 1954 참조)에 의해서 개발된 방법이 있다 이 방법에서는 3의 전분 용액에 소량의 40탄산 소오다(Na2Co3)용액을 가한 다음에 다시 95의 에탄올(EtOH)용액을 가하여 아밀로펙틴만을 침전시킨 후 이 침전을 씻고 다시 투석(透析 dialysis)으로 무기염 등을 제거하여 정제 아밀로펙틴을 얻는다

숏호(Schoch T J 1942)와 하워트들(Haworth W N et al 1946 Radley J A 1954 참조)은 전분 중의 아밀로오스 성분이 뷰타놀(butanol) 노말-아밀 알콜(n-amyl alcohol) 타이몰(thymol) 지방산들과 결합하여 결정성 복합체(crystalline complex)를 형성하는 성질을 이용하여 묽은 전분의 현탁액에 뷰타놀 등을 가한 후 형성되는 아밀로오스와 이들 알콜들과의 결정성 복합체들을 침전시킨 다음에 남은 아밀로펙틴을 원심분리기로 분리하는 방법을 설명하고 있다

2 전기 영동법에 의한 분리 자메크들(Samec M et al 1926)은 감자 전분의 아밀로오스와 아밀로펙틴을 전기 영동법(electrophoretic method)을 사용하여 분리하는데 성공한 바 있다 특히 감자전분의 경우 여기에 함유된 아밀로펙틴은 그 분자 속에 에스터화 된 인산그룹들(esterified phosphoric acid groups)을 함유하고 있기 때문에 비교적 강한 음전하(nagative charge)를 갖고 있으며 따라서 전분의 현탁액에 전류를 통하면 아밀로펙틴은 쉽게 양극(anode)으로 이동하는 성질이 있으므로 전기 영동법에 의해서 쉽게 분리할 수 있다고 한다 이 방법은 인산(phosphoric acid)이나 지방산(fatty acid)들이 아밀로펙틴과 화학적으로 결합되어 있지 않는 곡류 전분에는 적용할 수 없다

3 열수 추출법전분의 현탁액을 60~100로 가열할 때는 전분입자들(starch granules)은 팽윤(swelling)되면서 분자량이 상대적으로 훨씬 적으며 따라서 운동성(mobility)이 더 큰 아밀로오스 분자들은 팽윤된 전분입자들에서 빠져나가게(leaching)된다 한편 대부분의 아밀로펙틴 분자들은 전분입자 내에서 서로 결합상태 또는 부분적인 결정성을 그대로 유지하면서 남게 된다 수용액에 풀어져 나온 아밀로오스는 이상의 현탁액을 원심분리(centrifuge)한 후 상등액(supernatant)에서 얻을 수가 있다

4 효소 링들(Ling A R et al 1923)은 아밀로오스와 아밀로펙틴에 대한 특정 효소들의 작용의 차이를 이용하고 있다 즉 α- 및 β-아밀레이스들(α- β-amylases)의 혼합물인 다이아스테이스(diastase)는 아밀로펙틴보다 아밀로오스에 더 강하게 작용하므로 전분의 젤(gel) 즉 교질용액에 어떤 조정된 조건 하에서 다이아스테이스를 작용시키면 아밀로펙틴은 거의 영향 받지 않고 아밀로오스만을 말토오스 등으로 가수분해 시켜 제거함으로써 아밀로펙틴을 분리할 수 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

표 6-3대표적인 전분들의 아밀로오스 아밀로펙틴 함량 및 아밀로펙틴 분자 내의 가지와 가지 사이의 평균 거리

전분의 종류

아밀로오스

(amylose)

함량

아밀로펙틴

(amylopectin)

함량

아밀로펙틴 분자 내에서 가

지와 가지 사이의 평균 포

도당

단위(glucose units)의 수

감자 전분(potato starch)

조제 감자 아밀로펙틴(crude potato amylo

pectin)

사고 전분(sago starch)

바나나 전분(banana starch)

고구마 전분(sweet potato starch)

칡 전분(arrowroot starch)

타피오카 전분(tapioca starch)

정제 카사바 전분(pearl manioc starch)

쌀 전분(rice starch)

옥수수 전분(maize starch)

찰옥수수 전분(waxy maize starch)

밀 전분(wheat starch)

18

7

26

21

18

20

17

16

14

23

0

19

82

93

74

79

82

80

83

84

86

77

100

81

23

20

18

21

27

25

20

20

20

19

20

21

표 6-4생 전분(raw starches)의 물리적 화학적인 성질들

전분의 종류

평균입자의

크기

(granule

size)

마이크론 μ

5 전분 용액

에서

gelatinization

이

일어나는 온도

아밀로오스 함량

(amylose

conetent )

아밀로오스 분

자 내의 포도당

(glucose)

단위의 수

degF

감자(potato)

옥수수(corn)

타피오카

아미오카

칡(arrowroot)

밀(wheat)

쌀(rice)

사고(sago)

33

15

20

15

30~45

21

5

31

6391

800

628

739

750

767

811

739

147

176

145

165

167

170

178

165

22

28

18

0~4

20

25

17

27

980

490

980

-

-

540

-

420

찹쌀의 경우와 같은 아밀로오스함량이 없는 곡류의 변종들(amylose-free or waxy mutants)은 전술한 대로 쌀 보리(barley) 옥수수(maize) 수수(sorghum) 그리고 감자(potato) 등에는 널리 분포되고 있으나 유독 밀(wheat)의 경우에만 존재하지 않는다 이들 변종들(mutants 즉 glutinous or way species)의 경우 그 전분이 100가 아밀로펙틴으로 되어 있다

출 처 (source) 아밀로오스

옥수수(maize)

고 아밀로오스 함량 옥수수

고 아밀로오스 함량 옥수수

찰옥수수(waxy maize)

감 자(potato)

타피오카(tapioca)

밀(wheat)

24

59

70

0~3

20

17

25

고 아밀로오스 함량 옥수수(high amylose maize)의 전분에서는 아밀로오스 함량이 50 내지 70가 되어 보통 옥수수의 아밀로오스 함량의 2배 내지 3배나 된다 (표 6-5 참조) 따라서 그 전분의 성질도 교질화(gelatinization)된 후에는 유백색(乳白色 opaque)의 매우 단단한 젤(gel)을 형성하는(Luallen T E 1985 제7장 참고문헌 참조) 등 보통 곡류 전분의 성질과 현저하게 다르다고 한다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분자구조와 성질 아밀로오스 아밀로오스(amylose)는 포도당(α-D-glucose)이 가지 즉 분지(分岐 branching)없이 α-1 4-결합으로 연결된 α-나선형(α-helical form)을 가진 직쇄상(直鎖狀 straight chain)의 중합체로 생각되고 있으며 가지가 달려있지 않는 점을 강조하여 간단히 직선상 분자(linear molecules)로 표현되기도 한다 아밀로오스 분자 내의 α-포도당(α-D-glucose)의 수효는 전분의 종류에 따라 다르다 근래에 와서는 자연전분(native starch) 중의 아밀로오스 분자들의 분자량으로서 016times106에서 265times106 정도의 평균 분자량이 보고되고 있다(대략 106의 차원으로 보고하고 있다)

아밀로오스는 구성단위인 α-포도당의 입체적 구조에 의해서 대개 6개 정도의 α-포도당의 연결체가 한 회전을 하는 정도의 나선상의 형태(α-helical form)를 형성하고 있다(그림 6-3 참조)

나선(helical form)의 내부 공간(cavity)에 가끔 어떤 특정한 화합물들이 들어가서 복합체들(complex compounds)을 형성하는 경우가 있다 특히 아밀로오스 분자가 요오드와 반응하면 요오드분자들이 이 공간에 들어가서 아밀로오스-요오도 복합체들(amylose-iodine complexes)을 형성한다

일부 전분에서는 실제로 소량의 지방산(fatty acids) 같은 지방질 성분들이 공동(空洞 cavity)에 갇혀있어 에텔 등의 유기용매들(organic solvents)에 의해서 잘 추출되지 않는 사실이 알려져 있다 아밀로오스는 요오드와의 정색(呈色)반응에 의해서 짙은 청색을 나타내나 아밀로펙틴(amylopectin)은 요오드와 이상과 같은 복합체를 거의 형성하지 않으며 따라서 그 정색반응은 자색(purple)이다 한편 글라이코젠(glycogen)도 이와 같은 복합체를 전혀 형성하지 않으며 요오드와의 정색반응은 빨간색이 짙은 자색을 나타낸다

표 6-6아밀로오스의 중합도(degree of polymerization)와 요오드(iodine)와의 복합체들의 색깔 사이의 관계(청색값)

아밀로오스의 종류 중합도

최고 흡수 파장

(wavelength of abs

orption maximum

mμ)

흡수 강도

molar extinction c

oefficient

감자(potato)

타피오카(tapioca)

나리꽃의 구근(lily bulb)

옥수수(corn)

합성 아밀로오스아밀로

덱스트린

500

450

310

250

85

44

628

625

622

618

590

580

43000

41600

41400

40400

32900

25400

아밀로오스의 분자량이 클수록 요오드와의 복합체의 색깔은 더 짙은 즉 더 장파장의 청색을 나타내며 그 색깔도 더 강해짐을 알 수 있다

곡류나 서류 등의 전분에서 추출한 아밀로오스 100g은 대략 18~20mg의 요오드를 흡수 즉 요오드와 복합체를 형성하나 후술하는 아밀로펙틴(amylopectin)의 경우 그 흡수량은 05mg 이하인 사실이 알려져 있다 한편 한 전분 중의 아밀로오스의 함량을 측정하기 위해서 100g의 아밀로오스는 19mg의 요오드를 흡수하는 것으로 가정하여 계산하는 경우가 많다 과거에는 한 전분 중의 아밀로오스와 아밀로펙틴의 상대적인 양적 관계를 표시하는 척도(尺度)로 청색값(blue value)이 경험적인 방법(an empirical method)으로 가끔 사용되어 왔다(Kim H S et al 1974 Kim S K et al 1977 Kim S K 1978) 이 청색값 또는 청색도는 기본적으로 위의 청색정색반응(靑色呈色反應)을 이용한 것이다

아밀로펙틴 아밀로펙틴(amylopectin)은 전분의 또 하나의 구성성분이며 대체로 78에서 83 정도이다 한편 찹쌀 찰옥수수의 전분 등에 있어서는 그 함량은 96 내지 100며 또 고 아밀로오스 함량 옥수수(high amylose maize)에 있어서는 그 함량은 25 내지 50이다 아밀로펙틴은 아밀로오스와는 달리 가지(branch)가 많이 달린 분자구조를 갖고 있다 이 아밀로펙틴의 구성단위인 α-포도당(α-D-glucose)의 결합양식은 아밀로오스의 경우와 마찬가지로 주로 α-1 4-결합이나 분자 중의 가지는 α-1 6-결합에 의해서 형성된다(그림 6-5 참조)

[그림 6-5]직선상인 아밀로오스 분자(a linear amylose molecule)와 여러 개의 가지로 분기된 아밀로펙틴 분자(a branched amylopectin molecule) 일부의 그림 아밀로오스 분자의 일부와 아밀로펙틴 분자의 가지가 달린 부분의 일부의 화학구조를 확대하여 표시하였다

그러나 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합 이외의 다른 형태의 결합이 존재할 가능성도 매우 크다 그것은 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합을 가수분해할 수 있는 효소들을 아밀로펙틴에 작용시킬 때 아밀로펙틴의 분자가 완전히 가수분해 되지 않는다는 사실로써 간접적으로 입증된다 하나의 가지 즉 α-1 6-결합에서 또 하나의 가지 즉 α-1 6-결합까지 사이의 포도당의 평균수는 역시 전분의 종류에 따라 다르다 하니맨(Honeyman J 1959)은 그 수를 대체로 18개에서 27개로 보고 있다(표 6-3 참조) 이 수치는 평균 분자수가 8개 내지 16개인 글라이코젠(glycogen)보다는 가지 수가 적다는 것을 의미한다

표 6-7아밀로펙틴(amylopectin) 분자의 외부 및 내부 체인의 길이

아밀로펙틴의 출처

(sources)

평균체인의 길이(averag

e chain length)

β-아밀레이스의

분해 한계

보 리 (barley)

맥 아 (malt)

옥 수 수 (corn)

밀 (wheat)

감 자 (potato)

타 피 오 카

찰 옥 수 수 (waxy

corn)

261)

17~18

25

23

27

23

25

59

44

63

62

59

62

52

1)하나의 가지에서 또 하나의 가지(branch)까지 사이의 포도당 단위수

아밀로펙틴 분자 형태 세 가지의 분자형태가 제안되어 왔었다 1 소위 박편(薄片) 구조로 특징 지워지는 하워트 모형(the Haworth model) 2 소위 화살깃 구조로 특징 지워지는 수타오딘거 모형(the Staudinger model) 3 소위 수상(樹狀) 구조로 특징 지워지는 마이야 모형(the Meyer model) 등이다(그림 6-6 참조)

3가지 모델중에서 마이야 모델 즉 가지가 나뭇가지 모양으로 분기된 수상구조(樹狀構造)를 갖고 있는 것으로 생각하였었다 그러나 근래에 와서 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 성질(partial crystalline properties)이 아밀로펙틴 분자들(amylopectin molecules) 자체의 성질에 기인하는 사실에 주목하여 왔다 (아밀로오스가 결정성의 영역을 그 분자 내에 갖고 있는 것은 사실이나 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 영역의 존재는 아밀로오스가 아니라 주로 아밀로펙틴 분자들의 부분적인 강한 결정성 영역에 기인하는 것으로 알려져 있다 )

결정성(結晶性) 성질은 분자 내의 강하고도 광범위한 규칙적인 배열에 의해서 일어남으로 분자 내의 전혀 규칙성을 찾을 수 없는 마이어 모델(Meyer model)은 아밀로펙틴 분자들의 부분적으로 결정성을 가진 성질을 설명할 수 없는 난점이 있다 근래에 와서는 여러 클러스터 모델들이 제안됨

C사슬 α-1 4-결합만으로 형성 직선상의 부분(a linear part)이 근간(根幹)이 되어 B사슬 α-1 6-결합을 통해서 많은 가지들(branches)이 클러스터들(clusters)을 형성 A사슬 B사슬로 알려진 부분들 중의 많은 사슬(chains)들은 α-1 6-결합으로 연결된 주로 매우 짧은 제3의 층을 형성

그림 6-8] 아밀로펙틴 분자들의 클러스터 모델(房狀模型 cluster model) B사슬 층(가지가 많은 부분)의 하층은 가지들 사이에 뚜렷한 규칙성을 볼 수 없으나 그 상층부분들에서는 가지들 사이의 배열에 규칙성을 볼 수 있다 전분입자들이 나타내는 결정성(crystallinity)은 아밀로오스 분자들의 성질이 아니라 아밀로펙틴 분자들의 일부 내부구조에 의한 것이 확실해지고 있다

아밀로펙틴 평균분자량 107~108 (아밀로오스 분자량 대략 106 정도) 아밀로펙틴 분자 내에는 적어도 10000개 내지는 100000개 이상의 포도당 구성단위가 중합하여 형성된 것으로 추정할 수 있다 요오드와 아밀로펙틴과의 정색반응에 의한 색깔은 자색이며 아밀로오스나 전분의 짙은 청색과는 다르다 아밀로펙틴이 아밀로오스의 경우와 같은 요오드나 지방산들(fatty acid residue)과 복합체들(complex compounds)을 거의 형성하지 않음을 의미한다

[그림 6-9]대표적인 요오도와의 결합곡선들(typical iodine-binding curves)의 한 예 1 아밀로오스(amylose)에 대해서 2 아밀로펙틴(amylopectin)에 대해서 3 전분(starch)에 대해서 점선은 요오도와의 친화력(affinity)을 얻기 위해서 extrapolation하였음을 표시하여 주고 있다

아밀로펙틴은 요오드(iodine I2)와 거의 응하지 않는다 전분과 요오드와의 정색반응(color reaction)은 주로 전분 내의 아밀로오스에 기인된다

표 6-8아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin)의 성질 비교

아밀로오스 아밀로펙틴

(1) 요오드(iodine)와의 반응 짙은 청색 빨간색-자주색

(2) 청색값(Blue Value)1) 135 005

(3) β- 아밀레이스 추출액 (β-amylase

preparation)과의 반응

95 내지 100가 말토오스

로 가수분해

50가 말토오스로 가수분해

(4) 분자량 40000 내지 340002) 40000 내지 60000002)

(5) 비환원성 말단그룹(non-reducing

end group) 사이의 평균 포도당의

수

200 내지 2100 20 내지 25

(6) X-선 분석 고도의 결정성(crystallinity) 무정형(amorphous)

(7) 물에 대한 용해도(solubility) 거의 녹지 않음(sparingly sol

uble)

잘 녹는다(very soluble)

(8) 수용액(aqueous solution) 속에서

의 안정성(stability)

노화된다(retrogrades) 안정하다(stable)

(9) 아 세 틸 화 된 유 도 체 (acetylated

derivatives)의 성질

섬 유 질 (fibrous) 질 긴 필 름

(tough film)을 형성한다

무 정 형 분 말 (amorphous

powder) 부 스 러 지 기 쉬

운 필름을 형성(brittle film)

젤라틴화 즉 교질화 된 전분의 분산액(分散液 dispersion)에서 전분분자들이 부분적으로나마 결정화되는 과정을 노화(老化 retrogradation)라고 부른다 아밀로펙틴은 노화되는 성질을 갖고 있지 않으며 따라서 100 또는 거의 100가 아밀로펙틴으로 형성되고 있는 찹쌀이나 찰옥수수의 전분들은 노화현상을 잘 보여주지 않는다 같은 α-포도당이 구성단위가 되고 있는 글라이코젠(glycogen)의 경우 그 가지는 아밀로펙틴보다 더 많으며 그 분자형태도 구형(球形 a spherical form)을 이루고 있기 때문에 그 분산액은 교질화도 일으키지 않으며 따라서 노화현상도 없는 사실이 잘 알려져 있다

아밀로오스는 교질화((膠質化) 즉 젤라틴화(gelatinization)를 쉽게 일으키나 이것은 아밀로오스의 긴 직선상의 형태(linear molecular shape)에 기인된 듯하다 반면에 아밀로펙틴은 쉽게 젤라틴화 되지 않으며 그 원인도 역시 아밀로펙틴 분자들의 가지가 많은 분자구조에 기인된 듯하다 한편 젤라틴화 된 전분 분산액 더 엄격하게는 분산 시스템 또는 분산체(starch dispersion)에서 아밀로오스는 쉽게 부분적으로나마 결정화되는 경향이 있으나 아밀로펙틴은 분자들이 일단 분산된 후에는 서로 얽혀진 많은 수의 가지 때문에 부분적으로나마 결정화(crystallization)되기에는 너무 힘든 상태가 되는 것으로 믿어지고 있다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분리 1 아밀로오스 복합체 형성에 의한 분리 오래 전부터 알려진 방법으로써 가틴 그루제우스카(Gatin- Gruzewska Z 1908 1911 Radley J A 1954 참조)에 의해서 개발된 방법이 있다 이 방법에서는 3의 전분 용액에 소량의 40탄산 소오다(Na2Co3)용액을 가한 다음에 다시 95의 에탄올(EtOH)용액을 가하여 아밀로펙틴만을 침전시킨 후 이 침전을 씻고 다시 투석(透析 dialysis)으로 무기염 등을 제거하여 정제 아밀로펙틴을 얻는다

숏호(Schoch T J 1942)와 하워트들(Haworth W N et al 1946 Radley J A 1954 참조)은 전분 중의 아밀로오스 성분이 뷰타놀(butanol) 노말-아밀 알콜(n-amyl alcohol) 타이몰(thymol) 지방산들과 결합하여 결정성 복합체(crystalline complex)를 형성하는 성질을 이용하여 묽은 전분의 현탁액에 뷰타놀 등을 가한 후 형성되는 아밀로오스와 이들 알콜들과의 결정성 복합체들을 침전시킨 다음에 남은 아밀로펙틴을 원심분리기로 분리하는 방법을 설명하고 있다

2 전기 영동법에 의한 분리 자메크들(Samec M et al 1926)은 감자 전분의 아밀로오스와 아밀로펙틴을 전기 영동법(electrophoretic method)을 사용하여 분리하는데 성공한 바 있다 특히 감자전분의 경우 여기에 함유된 아밀로펙틴은 그 분자 속에 에스터화 된 인산그룹들(esterified phosphoric acid groups)을 함유하고 있기 때문에 비교적 강한 음전하(nagative charge)를 갖고 있으며 따라서 전분의 현탁액에 전류를 통하면 아밀로펙틴은 쉽게 양극(anode)으로 이동하는 성질이 있으므로 전기 영동법에 의해서 쉽게 분리할 수 있다고 한다 이 방법은 인산(phosphoric acid)이나 지방산(fatty acid)들이 아밀로펙틴과 화학적으로 결합되어 있지 않는 곡류 전분에는 적용할 수 없다

3 열수 추출법전분의 현탁액을 60~100로 가열할 때는 전분입자들(starch granules)은 팽윤(swelling)되면서 분자량이 상대적으로 훨씬 적으며 따라서 운동성(mobility)이 더 큰 아밀로오스 분자들은 팽윤된 전분입자들에서 빠져나가게(leaching)된다 한편 대부분의 아밀로펙틴 분자들은 전분입자 내에서 서로 결합상태 또는 부분적인 결정성을 그대로 유지하면서 남게 된다 수용액에 풀어져 나온 아밀로오스는 이상의 현탁액을 원심분리(centrifuge)한 후 상등액(supernatant)에서 얻을 수가 있다

4 효소 링들(Ling A R et al 1923)은 아밀로오스와 아밀로펙틴에 대한 특정 효소들의 작용의 차이를 이용하고 있다 즉 α- 및 β-아밀레이스들(α- β-amylases)의 혼합물인 다이아스테이스(diastase)는 아밀로펙틴보다 아밀로오스에 더 강하게 작용하므로 전분의 젤(gel) 즉 교질용액에 어떤 조정된 조건 하에서 다이아스테이스를 작용시키면 아밀로펙틴은 거의 영향 받지 않고 아밀로오스만을 말토오스 등으로 가수분해 시켜 제거함으로써 아밀로펙틴을 분리할 수 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

표 6-4생 전분(raw starches)의 물리적 화학적인 성질들

전분의 종류

평균입자의

크기

(granule

size)

마이크론 μ

5 전분 용액

에서

gelatinization

이

일어나는 온도

아밀로오스 함량

(amylose

conetent )

아밀로오스 분

자 내의 포도당

(glucose)

단위의 수

degF

감자(potato)

옥수수(corn)

타피오카

아미오카

칡(arrowroot)

밀(wheat)

쌀(rice)

사고(sago)

33

15

20

15

30~45

21

5

31

6391

800

628

739

750

767

811

739

147

176

145

165

167

170

178

165

22

28

18

0~4

20

25

17

27

980

490

980

-

-

540

-

420

찹쌀의 경우와 같은 아밀로오스함량이 없는 곡류의 변종들(amylose-free or waxy mutants)은 전술한 대로 쌀 보리(barley) 옥수수(maize) 수수(sorghum) 그리고 감자(potato) 등에는 널리 분포되고 있으나 유독 밀(wheat)의 경우에만 존재하지 않는다 이들 변종들(mutants 즉 glutinous or way species)의 경우 그 전분이 100가 아밀로펙틴으로 되어 있다

출 처 (source) 아밀로오스

옥수수(maize)

고 아밀로오스 함량 옥수수

고 아밀로오스 함량 옥수수

찰옥수수(waxy maize)

감 자(potato)

타피오카(tapioca)

밀(wheat)

24

59

70

0~3

20

17

25

고 아밀로오스 함량 옥수수(high amylose maize)의 전분에서는 아밀로오스 함량이 50 내지 70가 되어 보통 옥수수의 아밀로오스 함량의 2배 내지 3배나 된다 (표 6-5 참조) 따라서 그 전분의 성질도 교질화(gelatinization)된 후에는 유백색(乳白色 opaque)의 매우 단단한 젤(gel)을 형성하는(Luallen T E 1985 제7장 참고문헌 참조) 등 보통 곡류 전분의 성질과 현저하게 다르다고 한다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분자구조와 성질 아밀로오스 아밀로오스(amylose)는 포도당(α-D-glucose)이 가지 즉 분지(分岐 branching)없이 α-1 4-결합으로 연결된 α-나선형(α-helical form)을 가진 직쇄상(直鎖狀 straight chain)의 중합체로 생각되고 있으며 가지가 달려있지 않는 점을 강조하여 간단히 직선상 분자(linear molecules)로 표현되기도 한다 아밀로오스 분자 내의 α-포도당(α-D-glucose)의 수효는 전분의 종류에 따라 다르다 근래에 와서는 자연전분(native starch) 중의 아밀로오스 분자들의 분자량으로서 016times106에서 265times106 정도의 평균 분자량이 보고되고 있다(대략 106의 차원으로 보고하고 있다)

아밀로오스는 구성단위인 α-포도당의 입체적 구조에 의해서 대개 6개 정도의 α-포도당의 연결체가 한 회전을 하는 정도의 나선상의 형태(α-helical form)를 형성하고 있다(그림 6-3 참조)

나선(helical form)의 내부 공간(cavity)에 가끔 어떤 특정한 화합물들이 들어가서 복합체들(complex compounds)을 형성하는 경우가 있다 특히 아밀로오스 분자가 요오드와 반응하면 요오드분자들이 이 공간에 들어가서 아밀로오스-요오도 복합체들(amylose-iodine complexes)을 형성한다

일부 전분에서는 실제로 소량의 지방산(fatty acids) 같은 지방질 성분들이 공동(空洞 cavity)에 갇혀있어 에텔 등의 유기용매들(organic solvents)에 의해서 잘 추출되지 않는 사실이 알려져 있다 아밀로오스는 요오드와의 정색(呈色)반응에 의해서 짙은 청색을 나타내나 아밀로펙틴(amylopectin)은 요오드와 이상과 같은 복합체를 거의 형성하지 않으며 따라서 그 정색반응은 자색(purple)이다 한편 글라이코젠(glycogen)도 이와 같은 복합체를 전혀 형성하지 않으며 요오드와의 정색반응은 빨간색이 짙은 자색을 나타낸다

표 6-6아밀로오스의 중합도(degree of polymerization)와 요오드(iodine)와의 복합체들의 색깔 사이의 관계(청색값)

아밀로오스의 종류 중합도

최고 흡수 파장

(wavelength of abs

orption maximum

mμ)

흡수 강도

molar extinction c

oefficient

감자(potato)

타피오카(tapioca)

나리꽃의 구근(lily bulb)

옥수수(corn)

합성 아밀로오스아밀로

덱스트린

500

450

310

250

85

44

628

625

622

618

590

580

43000

41600

41400

40400

32900

25400

아밀로오스의 분자량이 클수록 요오드와의 복합체의 색깔은 더 짙은 즉 더 장파장의 청색을 나타내며 그 색깔도 더 강해짐을 알 수 있다

곡류나 서류 등의 전분에서 추출한 아밀로오스 100g은 대략 18~20mg의 요오드를 흡수 즉 요오드와 복합체를 형성하나 후술하는 아밀로펙틴(amylopectin)의 경우 그 흡수량은 05mg 이하인 사실이 알려져 있다 한편 한 전분 중의 아밀로오스의 함량을 측정하기 위해서 100g의 아밀로오스는 19mg의 요오드를 흡수하는 것으로 가정하여 계산하는 경우가 많다 과거에는 한 전분 중의 아밀로오스와 아밀로펙틴의 상대적인 양적 관계를 표시하는 척도(尺度)로 청색값(blue value)이 경험적인 방법(an empirical method)으로 가끔 사용되어 왔다(Kim H S et al 1974 Kim S K et al 1977 Kim S K 1978) 이 청색값 또는 청색도는 기본적으로 위의 청색정색반응(靑色呈色反應)을 이용한 것이다

아밀로펙틴 아밀로펙틴(amylopectin)은 전분의 또 하나의 구성성분이며 대체로 78에서 83 정도이다 한편 찹쌀 찰옥수수의 전분 등에 있어서는 그 함량은 96 내지 100며 또 고 아밀로오스 함량 옥수수(high amylose maize)에 있어서는 그 함량은 25 내지 50이다 아밀로펙틴은 아밀로오스와는 달리 가지(branch)가 많이 달린 분자구조를 갖고 있다 이 아밀로펙틴의 구성단위인 α-포도당(α-D-glucose)의 결합양식은 아밀로오스의 경우와 마찬가지로 주로 α-1 4-결합이나 분자 중의 가지는 α-1 6-결합에 의해서 형성된다(그림 6-5 참조)

[그림 6-5]직선상인 아밀로오스 분자(a linear amylose molecule)와 여러 개의 가지로 분기된 아밀로펙틴 분자(a branched amylopectin molecule) 일부의 그림 아밀로오스 분자의 일부와 아밀로펙틴 분자의 가지가 달린 부분의 일부의 화학구조를 확대하여 표시하였다

그러나 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합 이외의 다른 형태의 결합이 존재할 가능성도 매우 크다 그것은 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합을 가수분해할 수 있는 효소들을 아밀로펙틴에 작용시킬 때 아밀로펙틴의 분자가 완전히 가수분해 되지 않는다는 사실로써 간접적으로 입증된다 하나의 가지 즉 α-1 6-결합에서 또 하나의 가지 즉 α-1 6-결합까지 사이의 포도당의 평균수는 역시 전분의 종류에 따라 다르다 하니맨(Honeyman J 1959)은 그 수를 대체로 18개에서 27개로 보고 있다(표 6-3 참조) 이 수치는 평균 분자수가 8개 내지 16개인 글라이코젠(glycogen)보다는 가지 수가 적다는 것을 의미한다

표 6-7아밀로펙틴(amylopectin) 분자의 외부 및 내부 체인의 길이

아밀로펙틴의 출처

(sources)

평균체인의 길이(averag

e chain length)

β-아밀레이스의

분해 한계

보 리 (barley)

맥 아 (malt)

옥 수 수 (corn)

밀 (wheat)

감 자 (potato)

타 피 오 카

찰 옥 수 수 (waxy

corn)

261)

17~18

25

23

27

23

25

59

44

63

62

59

62

52

1)하나의 가지에서 또 하나의 가지(branch)까지 사이의 포도당 단위수

아밀로펙틴 분자 형태 세 가지의 분자형태가 제안되어 왔었다 1 소위 박편(薄片) 구조로 특징 지워지는 하워트 모형(the Haworth model) 2 소위 화살깃 구조로 특징 지워지는 수타오딘거 모형(the Staudinger model) 3 소위 수상(樹狀) 구조로 특징 지워지는 마이야 모형(the Meyer model) 등이다(그림 6-6 참조)

3가지 모델중에서 마이야 모델 즉 가지가 나뭇가지 모양으로 분기된 수상구조(樹狀構造)를 갖고 있는 것으로 생각하였었다 그러나 근래에 와서 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 성질(partial crystalline properties)이 아밀로펙틴 분자들(amylopectin molecules) 자체의 성질에 기인하는 사실에 주목하여 왔다 (아밀로오스가 결정성의 영역을 그 분자 내에 갖고 있는 것은 사실이나 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 영역의 존재는 아밀로오스가 아니라 주로 아밀로펙틴 분자들의 부분적인 강한 결정성 영역에 기인하는 것으로 알려져 있다 )

결정성(結晶性) 성질은 분자 내의 강하고도 광범위한 규칙적인 배열에 의해서 일어남으로 분자 내의 전혀 규칙성을 찾을 수 없는 마이어 모델(Meyer model)은 아밀로펙틴 분자들의 부분적으로 결정성을 가진 성질을 설명할 수 없는 난점이 있다 근래에 와서는 여러 클러스터 모델들이 제안됨

C사슬 α-1 4-결합만으로 형성 직선상의 부분(a linear part)이 근간(根幹)이 되어 B사슬 α-1 6-결합을 통해서 많은 가지들(branches)이 클러스터들(clusters)을 형성 A사슬 B사슬로 알려진 부분들 중의 많은 사슬(chains)들은 α-1 6-결합으로 연결된 주로 매우 짧은 제3의 층을 형성

그림 6-8] 아밀로펙틴 분자들의 클러스터 모델(房狀模型 cluster model) B사슬 층(가지가 많은 부분)의 하층은 가지들 사이에 뚜렷한 규칙성을 볼 수 없으나 그 상층부분들에서는 가지들 사이의 배열에 규칙성을 볼 수 있다 전분입자들이 나타내는 결정성(crystallinity)은 아밀로오스 분자들의 성질이 아니라 아밀로펙틴 분자들의 일부 내부구조에 의한 것이 확실해지고 있다

아밀로펙틴 평균분자량 107~108 (아밀로오스 분자량 대략 106 정도) 아밀로펙틴 분자 내에는 적어도 10000개 내지는 100000개 이상의 포도당 구성단위가 중합하여 형성된 것으로 추정할 수 있다 요오드와 아밀로펙틴과의 정색반응에 의한 색깔은 자색이며 아밀로오스나 전분의 짙은 청색과는 다르다 아밀로펙틴이 아밀로오스의 경우와 같은 요오드나 지방산들(fatty acid residue)과 복합체들(complex compounds)을 거의 형성하지 않음을 의미한다

[그림 6-9]대표적인 요오도와의 결합곡선들(typical iodine-binding curves)의 한 예 1 아밀로오스(amylose)에 대해서 2 아밀로펙틴(amylopectin)에 대해서 3 전분(starch)에 대해서 점선은 요오도와의 친화력(affinity)을 얻기 위해서 extrapolation하였음을 표시하여 주고 있다

아밀로펙틴은 요오드(iodine I2)와 거의 응하지 않는다 전분과 요오드와의 정색반응(color reaction)은 주로 전분 내의 아밀로오스에 기인된다

표 6-8아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin)의 성질 비교

아밀로오스 아밀로펙틴

(1) 요오드(iodine)와의 반응 짙은 청색 빨간색-자주색

(2) 청색값(Blue Value)1) 135 005

(3) β- 아밀레이스 추출액 (β-amylase

preparation)과의 반응

95 내지 100가 말토오스

로 가수분해

50가 말토오스로 가수분해

(4) 분자량 40000 내지 340002) 40000 내지 60000002)

(5) 비환원성 말단그룹(non-reducing

end group) 사이의 평균 포도당의

수

200 내지 2100 20 내지 25

(6) X-선 분석 고도의 결정성(crystallinity) 무정형(amorphous)

(7) 물에 대한 용해도(solubility) 거의 녹지 않음(sparingly sol

uble)

잘 녹는다(very soluble)

(8) 수용액(aqueous solution) 속에서

의 안정성(stability)

노화된다(retrogrades) 안정하다(stable)

(9) 아 세 틸 화 된 유 도 체 (acetylated

derivatives)의 성질

섬 유 질 (fibrous) 질 긴 필 름

(tough film)을 형성한다

무 정 형 분 말 (amorphous

powder) 부 스 러 지 기 쉬

운 필름을 형성(brittle film)

젤라틴화 즉 교질화 된 전분의 분산액(分散液 dispersion)에서 전분분자들이 부분적으로나마 결정화되는 과정을 노화(老化 retrogradation)라고 부른다 아밀로펙틴은 노화되는 성질을 갖고 있지 않으며 따라서 100 또는 거의 100가 아밀로펙틴으로 형성되고 있는 찹쌀이나 찰옥수수의 전분들은 노화현상을 잘 보여주지 않는다 같은 α-포도당이 구성단위가 되고 있는 글라이코젠(glycogen)의 경우 그 가지는 아밀로펙틴보다 더 많으며 그 분자형태도 구형(球形 a spherical form)을 이루고 있기 때문에 그 분산액은 교질화도 일으키지 않으며 따라서 노화현상도 없는 사실이 잘 알려져 있다

아밀로오스는 교질화((膠質化) 즉 젤라틴화(gelatinization)를 쉽게 일으키나 이것은 아밀로오스의 긴 직선상의 형태(linear molecular shape)에 기인된 듯하다 반면에 아밀로펙틴은 쉽게 젤라틴화 되지 않으며 그 원인도 역시 아밀로펙틴 분자들의 가지가 많은 분자구조에 기인된 듯하다 한편 젤라틴화 된 전분 분산액 더 엄격하게는 분산 시스템 또는 분산체(starch dispersion)에서 아밀로오스는 쉽게 부분적으로나마 결정화되는 경향이 있으나 아밀로펙틴은 분자들이 일단 분산된 후에는 서로 얽혀진 많은 수의 가지 때문에 부분적으로나마 결정화(crystallization)되기에는 너무 힘든 상태가 되는 것으로 믿어지고 있다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분리 1 아밀로오스 복합체 형성에 의한 분리 오래 전부터 알려진 방법으로써 가틴 그루제우스카(Gatin- Gruzewska Z 1908 1911 Radley J A 1954 참조)에 의해서 개발된 방법이 있다 이 방법에서는 3의 전분 용액에 소량의 40탄산 소오다(Na2Co3)용액을 가한 다음에 다시 95의 에탄올(EtOH)용액을 가하여 아밀로펙틴만을 침전시킨 후 이 침전을 씻고 다시 투석(透析 dialysis)으로 무기염 등을 제거하여 정제 아밀로펙틴을 얻는다

숏호(Schoch T J 1942)와 하워트들(Haworth W N et al 1946 Radley J A 1954 참조)은 전분 중의 아밀로오스 성분이 뷰타놀(butanol) 노말-아밀 알콜(n-amyl alcohol) 타이몰(thymol) 지방산들과 결합하여 결정성 복합체(crystalline complex)를 형성하는 성질을 이용하여 묽은 전분의 현탁액에 뷰타놀 등을 가한 후 형성되는 아밀로오스와 이들 알콜들과의 결정성 복합체들을 침전시킨 다음에 남은 아밀로펙틴을 원심분리기로 분리하는 방법을 설명하고 있다

2 전기 영동법에 의한 분리 자메크들(Samec M et al 1926)은 감자 전분의 아밀로오스와 아밀로펙틴을 전기 영동법(electrophoretic method)을 사용하여 분리하는데 성공한 바 있다 특히 감자전분의 경우 여기에 함유된 아밀로펙틴은 그 분자 속에 에스터화 된 인산그룹들(esterified phosphoric acid groups)을 함유하고 있기 때문에 비교적 강한 음전하(nagative charge)를 갖고 있으며 따라서 전분의 현탁액에 전류를 통하면 아밀로펙틴은 쉽게 양극(anode)으로 이동하는 성질이 있으므로 전기 영동법에 의해서 쉽게 분리할 수 있다고 한다 이 방법은 인산(phosphoric acid)이나 지방산(fatty acid)들이 아밀로펙틴과 화학적으로 결합되어 있지 않는 곡류 전분에는 적용할 수 없다

3 열수 추출법전분의 현탁액을 60~100로 가열할 때는 전분입자들(starch granules)은 팽윤(swelling)되면서 분자량이 상대적으로 훨씬 적으며 따라서 운동성(mobility)이 더 큰 아밀로오스 분자들은 팽윤된 전분입자들에서 빠져나가게(leaching)된다 한편 대부분의 아밀로펙틴 분자들은 전분입자 내에서 서로 결합상태 또는 부분적인 결정성을 그대로 유지하면서 남게 된다 수용액에 풀어져 나온 아밀로오스는 이상의 현탁액을 원심분리(centrifuge)한 후 상등액(supernatant)에서 얻을 수가 있다

4 효소 링들(Ling A R et al 1923)은 아밀로오스와 아밀로펙틴에 대한 특정 효소들의 작용의 차이를 이용하고 있다 즉 α- 및 β-아밀레이스들(α- β-amylases)의 혼합물인 다이아스테이스(diastase)는 아밀로펙틴보다 아밀로오스에 더 강하게 작용하므로 전분의 젤(gel) 즉 교질용액에 어떤 조정된 조건 하에서 다이아스테이스를 작용시키면 아밀로펙틴은 거의 영향 받지 않고 아밀로오스만을 말토오스 등으로 가수분해 시켜 제거함으로써 아밀로펙틴을 분리할 수 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

찹쌀의 경우와 같은 아밀로오스함량이 없는 곡류의 변종들(amylose-free or waxy mutants)은 전술한 대로 쌀 보리(barley) 옥수수(maize) 수수(sorghum) 그리고 감자(potato) 등에는 널리 분포되고 있으나 유독 밀(wheat)의 경우에만 존재하지 않는다 이들 변종들(mutants 즉 glutinous or way species)의 경우 그 전분이 100가 아밀로펙틴으로 되어 있다

출 처 (source) 아밀로오스

옥수수(maize)

고 아밀로오스 함량 옥수수

고 아밀로오스 함량 옥수수

찰옥수수(waxy maize)

감 자(potato)

타피오카(tapioca)

밀(wheat)

24

59

70

0~3

20

17

25

고 아밀로오스 함량 옥수수(high amylose maize)의 전분에서는 아밀로오스 함량이 50 내지 70가 되어 보통 옥수수의 아밀로오스 함량의 2배 내지 3배나 된다 (표 6-5 참조) 따라서 그 전분의 성질도 교질화(gelatinization)된 후에는 유백색(乳白色 opaque)의 매우 단단한 젤(gel)을 형성하는(Luallen T E 1985 제7장 참고문헌 참조) 등 보통 곡류 전분의 성질과 현저하게 다르다고 한다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분자구조와 성질 아밀로오스 아밀로오스(amylose)는 포도당(α-D-glucose)이 가지 즉 분지(分岐 branching)없이 α-1 4-결합으로 연결된 α-나선형(α-helical form)을 가진 직쇄상(直鎖狀 straight chain)의 중합체로 생각되고 있으며 가지가 달려있지 않는 점을 강조하여 간단히 직선상 분자(linear molecules)로 표현되기도 한다 아밀로오스 분자 내의 α-포도당(α-D-glucose)의 수효는 전분의 종류에 따라 다르다 근래에 와서는 자연전분(native starch) 중의 아밀로오스 분자들의 분자량으로서 016times106에서 265times106 정도의 평균 분자량이 보고되고 있다(대략 106의 차원으로 보고하고 있다)

아밀로오스는 구성단위인 α-포도당의 입체적 구조에 의해서 대개 6개 정도의 α-포도당의 연결체가 한 회전을 하는 정도의 나선상의 형태(α-helical form)를 형성하고 있다(그림 6-3 참조)

나선(helical form)의 내부 공간(cavity)에 가끔 어떤 특정한 화합물들이 들어가서 복합체들(complex compounds)을 형성하는 경우가 있다 특히 아밀로오스 분자가 요오드와 반응하면 요오드분자들이 이 공간에 들어가서 아밀로오스-요오도 복합체들(amylose-iodine complexes)을 형성한다

일부 전분에서는 실제로 소량의 지방산(fatty acids) 같은 지방질 성분들이 공동(空洞 cavity)에 갇혀있어 에텔 등의 유기용매들(organic solvents)에 의해서 잘 추출되지 않는 사실이 알려져 있다 아밀로오스는 요오드와의 정색(呈色)반응에 의해서 짙은 청색을 나타내나 아밀로펙틴(amylopectin)은 요오드와 이상과 같은 복합체를 거의 형성하지 않으며 따라서 그 정색반응은 자색(purple)이다 한편 글라이코젠(glycogen)도 이와 같은 복합체를 전혀 형성하지 않으며 요오드와의 정색반응은 빨간색이 짙은 자색을 나타낸다

표 6-6아밀로오스의 중합도(degree of polymerization)와 요오드(iodine)와의 복합체들의 색깔 사이의 관계(청색값)

아밀로오스의 종류 중합도

최고 흡수 파장

(wavelength of abs

orption maximum

mμ)

흡수 강도

molar extinction c

oefficient

감자(potato)

타피오카(tapioca)

나리꽃의 구근(lily bulb)

옥수수(corn)

합성 아밀로오스아밀로

덱스트린

500

450

310

250

85

44

628

625

622

618

590

580

43000

41600

41400

40400

32900

25400

아밀로오스의 분자량이 클수록 요오드와의 복합체의 색깔은 더 짙은 즉 더 장파장의 청색을 나타내며 그 색깔도 더 강해짐을 알 수 있다

곡류나 서류 등의 전분에서 추출한 아밀로오스 100g은 대략 18~20mg의 요오드를 흡수 즉 요오드와 복합체를 형성하나 후술하는 아밀로펙틴(amylopectin)의 경우 그 흡수량은 05mg 이하인 사실이 알려져 있다 한편 한 전분 중의 아밀로오스의 함량을 측정하기 위해서 100g의 아밀로오스는 19mg의 요오드를 흡수하는 것으로 가정하여 계산하는 경우가 많다 과거에는 한 전분 중의 아밀로오스와 아밀로펙틴의 상대적인 양적 관계를 표시하는 척도(尺度)로 청색값(blue value)이 경험적인 방법(an empirical method)으로 가끔 사용되어 왔다(Kim H S et al 1974 Kim S K et al 1977 Kim S K 1978) 이 청색값 또는 청색도는 기본적으로 위의 청색정색반응(靑色呈色反應)을 이용한 것이다

아밀로펙틴 아밀로펙틴(amylopectin)은 전분의 또 하나의 구성성분이며 대체로 78에서 83 정도이다 한편 찹쌀 찰옥수수의 전분 등에 있어서는 그 함량은 96 내지 100며 또 고 아밀로오스 함량 옥수수(high amylose maize)에 있어서는 그 함량은 25 내지 50이다 아밀로펙틴은 아밀로오스와는 달리 가지(branch)가 많이 달린 분자구조를 갖고 있다 이 아밀로펙틴의 구성단위인 α-포도당(α-D-glucose)의 결합양식은 아밀로오스의 경우와 마찬가지로 주로 α-1 4-결합이나 분자 중의 가지는 α-1 6-결합에 의해서 형성된다(그림 6-5 참조)

[그림 6-5]직선상인 아밀로오스 분자(a linear amylose molecule)와 여러 개의 가지로 분기된 아밀로펙틴 분자(a branched amylopectin molecule) 일부의 그림 아밀로오스 분자의 일부와 아밀로펙틴 분자의 가지가 달린 부분의 일부의 화학구조를 확대하여 표시하였다

그러나 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합 이외의 다른 형태의 결합이 존재할 가능성도 매우 크다 그것은 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합을 가수분해할 수 있는 효소들을 아밀로펙틴에 작용시킬 때 아밀로펙틴의 분자가 완전히 가수분해 되지 않는다는 사실로써 간접적으로 입증된다 하나의 가지 즉 α-1 6-결합에서 또 하나의 가지 즉 α-1 6-결합까지 사이의 포도당의 평균수는 역시 전분의 종류에 따라 다르다 하니맨(Honeyman J 1959)은 그 수를 대체로 18개에서 27개로 보고 있다(표 6-3 참조) 이 수치는 평균 분자수가 8개 내지 16개인 글라이코젠(glycogen)보다는 가지 수가 적다는 것을 의미한다

표 6-7아밀로펙틴(amylopectin) 분자의 외부 및 내부 체인의 길이

아밀로펙틴의 출처

(sources)

평균체인의 길이(averag

e chain length)

β-아밀레이스의

분해 한계

보 리 (barley)

맥 아 (malt)

옥 수 수 (corn)

밀 (wheat)

감 자 (potato)

타 피 오 카

찰 옥 수 수 (waxy

corn)

261)

17~18

25

23

27

23

25

59

44

63

62

59

62

52

1)하나의 가지에서 또 하나의 가지(branch)까지 사이의 포도당 단위수

아밀로펙틴 분자 형태 세 가지의 분자형태가 제안되어 왔었다 1 소위 박편(薄片) 구조로 특징 지워지는 하워트 모형(the Haworth model) 2 소위 화살깃 구조로 특징 지워지는 수타오딘거 모형(the Staudinger model) 3 소위 수상(樹狀) 구조로 특징 지워지는 마이야 모형(the Meyer model) 등이다(그림 6-6 참조)

3가지 모델중에서 마이야 모델 즉 가지가 나뭇가지 모양으로 분기된 수상구조(樹狀構造)를 갖고 있는 것으로 생각하였었다 그러나 근래에 와서 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 성질(partial crystalline properties)이 아밀로펙틴 분자들(amylopectin molecules) 자체의 성질에 기인하는 사실에 주목하여 왔다 (아밀로오스가 결정성의 영역을 그 분자 내에 갖고 있는 것은 사실이나 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 영역의 존재는 아밀로오스가 아니라 주로 아밀로펙틴 분자들의 부분적인 강한 결정성 영역에 기인하는 것으로 알려져 있다 )

결정성(結晶性) 성질은 분자 내의 강하고도 광범위한 규칙적인 배열에 의해서 일어남으로 분자 내의 전혀 규칙성을 찾을 수 없는 마이어 모델(Meyer model)은 아밀로펙틴 분자들의 부분적으로 결정성을 가진 성질을 설명할 수 없는 난점이 있다 근래에 와서는 여러 클러스터 모델들이 제안됨

C사슬 α-1 4-결합만으로 형성 직선상의 부분(a linear part)이 근간(根幹)이 되어 B사슬 α-1 6-결합을 통해서 많은 가지들(branches)이 클러스터들(clusters)을 형성 A사슬 B사슬로 알려진 부분들 중의 많은 사슬(chains)들은 α-1 6-결합으로 연결된 주로 매우 짧은 제3의 층을 형성

그림 6-8] 아밀로펙틴 분자들의 클러스터 모델(房狀模型 cluster model) B사슬 층(가지가 많은 부분)의 하층은 가지들 사이에 뚜렷한 규칙성을 볼 수 없으나 그 상층부분들에서는 가지들 사이의 배열에 규칙성을 볼 수 있다 전분입자들이 나타내는 결정성(crystallinity)은 아밀로오스 분자들의 성질이 아니라 아밀로펙틴 분자들의 일부 내부구조에 의한 것이 확실해지고 있다

아밀로펙틴 평균분자량 107~108 (아밀로오스 분자량 대략 106 정도) 아밀로펙틴 분자 내에는 적어도 10000개 내지는 100000개 이상의 포도당 구성단위가 중합하여 형성된 것으로 추정할 수 있다 요오드와 아밀로펙틴과의 정색반응에 의한 색깔은 자색이며 아밀로오스나 전분의 짙은 청색과는 다르다 아밀로펙틴이 아밀로오스의 경우와 같은 요오드나 지방산들(fatty acid residue)과 복합체들(complex compounds)을 거의 형성하지 않음을 의미한다

[그림 6-9]대표적인 요오도와의 결합곡선들(typical iodine-binding curves)의 한 예 1 아밀로오스(amylose)에 대해서 2 아밀로펙틴(amylopectin)에 대해서 3 전분(starch)에 대해서 점선은 요오도와의 친화력(affinity)을 얻기 위해서 extrapolation하였음을 표시하여 주고 있다

아밀로펙틴은 요오드(iodine I2)와 거의 응하지 않는다 전분과 요오드와의 정색반응(color reaction)은 주로 전분 내의 아밀로오스에 기인된다

표 6-8아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin)의 성질 비교

아밀로오스 아밀로펙틴

(1) 요오드(iodine)와의 반응 짙은 청색 빨간색-자주색

(2) 청색값(Blue Value)1) 135 005

(3) β- 아밀레이스 추출액 (β-amylase

preparation)과의 반응

95 내지 100가 말토오스

로 가수분해

50가 말토오스로 가수분해

(4) 분자량 40000 내지 340002) 40000 내지 60000002)

(5) 비환원성 말단그룹(non-reducing

end group) 사이의 평균 포도당의

수

200 내지 2100 20 내지 25

(6) X-선 분석 고도의 결정성(crystallinity) 무정형(amorphous)

(7) 물에 대한 용해도(solubility) 거의 녹지 않음(sparingly sol

uble)

잘 녹는다(very soluble)

(8) 수용액(aqueous solution) 속에서

의 안정성(stability)

노화된다(retrogrades) 안정하다(stable)

(9) 아 세 틸 화 된 유 도 체 (acetylated

derivatives)의 성질

섬 유 질 (fibrous) 질 긴 필 름

(tough film)을 형성한다

무 정 형 분 말 (amorphous

powder) 부 스 러 지 기 쉬

운 필름을 형성(brittle film)

젤라틴화 즉 교질화 된 전분의 분산액(分散液 dispersion)에서 전분분자들이 부분적으로나마 결정화되는 과정을 노화(老化 retrogradation)라고 부른다 아밀로펙틴은 노화되는 성질을 갖고 있지 않으며 따라서 100 또는 거의 100가 아밀로펙틴으로 형성되고 있는 찹쌀이나 찰옥수수의 전분들은 노화현상을 잘 보여주지 않는다 같은 α-포도당이 구성단위가 되고 있는 글라이코젠(glycogen)의 경우 그 가지는 아밀로펙틴보다 더 많으며 그 분자형태도 구형(球形 a spherical form)을 이루고 있기 때문에 그 분산액은 교질화도 일으키지 않으며 따라서 노화현상도 없는 사실이 잘 알려져 있다

아밀로오스는 교질화((膠質化) 즉 젤라틴화(gelatinization)를 쉽게 일으키나 이것은 아밀로오스의 긴 직선상의 형태(linear molecular shape)에 기인된 듯하다 반면에 아밀로펙틴은 쉽게 젤라틴화 되지 않으며 그 원인도 역시 아밀로펙틴 분자들의 가지가 많은 분자구조에 기인된 듯하다 한편 젤라틴화 된 전분 분산액 더 엄격하게는 분산 시스템 또는 분산체(starch dispersion)에서 아밀로오스는 쉽게 부분적으로나마 결정화되는 경향이 있으나 아밀로펙틴은 분자들이 일단 분산된 후에는 서로 얽혀진 많은 수의 가지 때문에 부분적으로나마 결정화(crystallization)되기에는 너무 힘든 상태가 되는 것으로 믿어지고 있다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분리 1 아밀로오스 복합체 형성에 의한 분리 오래 전부터 알려진 방법으로써 가틴 그루제우스카(Gatin- Gruzewska Z 1908 1911 Radley J A 1954 참조)에 의해서 개발된 방법이 있다 이 방법에서는 3의 전분 용액에 소량의 40탄산 소오다(Na2Co3)용액을 가한 다음에 다시 95의 에탄올(EtOH)용액을 가하여 아밀로펙틴만을 침전시킨 후 이 침전을 씻고 다시 투석(透析 dialysis)으로 무기염 등을 제거하여 정제 아밀로펙틴을 얻는다

숏호(Schoch T J 1942)와 하워트들(Haworth W N et al 1946 Radley J A 1954 참조)은 전분 중의 아밀로오스 성분이 뷰타놀(butanol) 노말-아밀 알콜(n-amyl alcohol) 타이몰(thymol) 지방산들과 결합하여 결정성 복합체(crystalline complex)를 형성하는 성질을 이용하여 묽은 전분의 현탁액에 뷰타놀 등을 가한 후 형성되는 아밀로오스와 이들 알콜들과의 결정성 복합체들을 침전시킨 다음에 남은 아밀로펙틴을 원심분리기로 분리하는 방법을 설명하고 있다

2 전기 영동법에 의한 분리 자메크들(Samec M et al 1926)은 감자 전분의 아밀로오스와 아밀로펙틴을 전기 영동법(electrophoretic method)을 사용하여 분리하는데 성공한 바 있다 특히 감자전분의 경우 여기에 함유된 아밀로펙틴은 그 분자 속에 에스터화 된 인산그룹들(esterified phosphoric acid groups)을 함유하고 있기 때문에 비교적 강한 음전하(nagative charge)를 갖고 있으며 따라서 전분의 현탁액에 전류를 통하면 아밀로펙틴은 쉽게 양극(anode)으로 이동하는 성질이 있으므로 전기 영동법에 의해서 쉽게 분리할 수 있다고 한다 이 방법은 인산(phosphoric acid)이나 지방산(fatty acid)들이 아밀로펙틴과 화학적으로 결합되어 있지 않는 곡류 전분에는 적용할 수 없다

3 열수 추출법전분의 현탁액을 60~100로 가열할 때는 전분입자들(starch granules)은 팽윤(swelling)되면서 분자량이 상대적으로 훨씬 적으며 따라서 운동성(mobility)이 더 큰 아밀로오스 분자들은 팽윤된 전분입자들에서 빠져나가게(leaching)된다 한편 대부분의 아밀로펙틴 분자들은 전분입자 내에서 서로 결합상태 또는 부분적인 결정성을 그대로 유지하면서 남게 된다 수용액에 풀어져 나온 아밀로오스는 이상의 현탁액을 원심분리(centrifuge)한 후 상등액(supernatant)에서 얻을 수가 있다

4 효소 링들(Ling A R et al 1923)은 아밀로오스와 아밀로펙틴에 대한 특정 효소들의 작용의 차이를 이용하고 있다 즉 α- 및 β-아밀레이스들(α- β-amylases)의 혼합물인 다이아스테이스(diastase)는 아밀로펙틴보다 아밀로오스에 더 강하게 작용하므로 전분의 젤(gel) 즉 교질용액에 어떤 조정된 조건 하에서 다이아스테이스를 작용시키면 아밀로펙틴은 거의 영향 받지 않고 아밀로오스만을 말토오스 등으로 가수분해 시켜 제거함으로써 아밀로펙틴을 분리할 수 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

출 처 (source) 아밀로오스

옥수수(maize)

고 아밀로오스 함량 옥수수

고 아밀로오스 함량 옥수수

찰옥수수(waxy maize)

감 자(potato)

타피오카(tapioca)

밀(wheat)

24

59

70

0~3

20

17

25

고 아밀로오스 함량 옥수수(high amylose maize)의 전분에서는 아밀로오스 함량이 50 내지 70가 되어 보통 옥수수의 아밀로오스 함량의 2배 내지 3배나 된다 (표 6-5 참조) 따라서 그 전분의 성질도 교질화(gelatinization)된 후에는 유백색(乳白色 opaque)의 매우 단단한 젤(gel)을 형성하는(Luallen T E 1985 제7장 참고문헌 참조) 등 보통 곡류 전분의 성질과 현저하게 다르다고 한다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분자구조와 성질 아밀로오스 아밀로오스(amylose)는 포도당(α-D-glucose)이 가지 즉 분지(分岐 branching)없이 α-1 4-결합으로 연결된 α-나선형(α-helical form)을 가진 직쇄상(直鎖狀 straight chain)의 중합체로 생각되고 있으며 가지가 달려있지 않는 점을 강조하여 간단히 직선상 분자(linear molecules)로 표현되기도 한다 아밀로오스 분자 내의 α-포도당(α-D-glucose)의 수효는 전분의 종류에 따라 다르다 근래에 와서는 자연전분(native starch) 중의 아밀로오스 분자들의 분자량으로서 016times106에서 265times106 정도의 평균 분자량이 보고되고 있다(대략 106의 차원으로 보고하고 있다)

아밀로오스는 구성단위인 α-포도당의 입체적 구조에 의해서 대개 6개 정도의 α-포도당의 연결체가 한 회전을 하는 정도의 나선상의 형태(α-helical form)를 형성하고 있다(그림 6-3 참조)

나선(helical form)의 내부 공간(cavity)에 가끔 어떤 특정한 화합물들이 들어가서 복합체들(complex compounds)을 형성하는 경우가 있다 특히 아밀로오스 분자가 요오드와 반응하면 요오드분자들이 이 공간에 들어가서 아밀로오스-요오도 복합체들(amylose-iodine complexes)을 형성한다

일부 전분에서는 실제로 소량의 지방산(fatty acids) 같은 지방질 성분들이 공동(空洞 cavity)에 갇혀있어 에텔 등의 유기용매들(organic solvents)에 의해서 잘 추출되지 않는 사실이 알려져 있다 아밀로오스는 요오드와의 정색(呈色)반응에 의해서 짙은 청색을 나타내나 아밀로펙틴(amylopectin)은 요오드와 이상과 같은 복합체를 거의 형성하지 않으며 따라서 그 정색반응은 자색(purple)이다 한편 글라이코젠(glycogen)도 이와 같은 복합체를 전혀 형성하지 않으며 요오드와의 정색반응은 빨간색이 짙은 자색을 나타낸다

표 6-6아밀로오스의 중합도(degree of polymerization)와 요오드(iodine)와의 복합체들의 색깔 사이의 관계(청색값)

아밀로오스의 종류 중합도

최고 흡수 파장

(wavelength of abs

orption maximum

mμ)

흡수 강도

molar extinction c

oefficient

감자(potato)

타피오카(tapioca)

나리꽃의 구근(lily bulb)

옥수수(corn)

합성 아밀로오스아밀로

덱스트린

500

450

310

250

85

44

628

625

622

618

590

580

43000

41600

41400

40400

32900

25400

아밀로오스의 분자량이 클수록 요오드와의 복합체의 색깔은 더 짙은 즉 더 장파장의 청색을 나타내며 그 색깔도 더 강해짐을 알 수 있다

곡류나 서류 등의 전분에서 추출한 아밀로오스 100g은 대략 18~20mg의 요오드를 흡수 즉 요오드와 복합체를 형성하나 후술하는 아밀로펙틴(amylopectin)의 경우 그 흡수량은 05mg 이하인 사실이 알려져 있다 한편 한 전분 중의 아밀로오스의 함량을 측정하기 위해서 100g의 아밀로오스는 19mg의 요오드를 흡수하는 것으로 가정하여 계산하는 경우가 많다 과거에는 한 전분 중의 아밀로오스와 아밀로펙틴의 상대적인 양적 관계를 표시하는 척도(尺度)로 청색값(blue value)이 경험적인 방법(an empirical method)으로 가끔 사용되어 왔다(Kim H S et al 1974 Kim S K et al 1977 Kim S K 1978) 이 청색값 또는 청색도는 기본적으로 위의 청색정색반응(靑色呈色反應)을 이용한 것이다

아밀로펙틴 아밀로펙틴(amylopectin)은 전분의 또 하나의 구성성분이며 대체로 78에서 83 정도이다 한편 찹쌀 찰옥수수의 전분 등에 있어서는 그 함량은 96 내지 100며 또 고 아밀로오스 함량 옥수수(high amylose maize)에 있어서는 그 함량은 25 내지 50이다 아밀로펙틴은 아밀로오스와는 달리 가지(branch)가 많이 달린 분자구조를 갖고 있다 이 아밀로펙틴의 구성단위인 α-포도당(α-D-glucose)의 결합양식은 아밀로오스의 경우와 마찬가지로 주로 α-1 4-결합이나 분자 중의 가지는 α-1 6-결합에 의해서 형성된다(그림 6-5 참조)

[그림 6-5]직선상인 아밀로오스 분자(a linear amylose molecule)와 여러 개의 가지로 분기된 아밀로펙틴 분자(a branched amylopectin molecule) 일부의 그림 아밀로오스 분자의 일부와 아밀로펙틴 분자의 가지가 달린 부분의 일부의 화학구조를 확대하여 표시하였다

그러나 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합 이외의 다른 형태의 결합이 존재할 가능성도 매우 크다 그것은 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합을 가수분해할 수 있는 효소들을 아밀로펙틴에 작용시킬 때 아밀로펙틴의 분자가 완전히 가수분해 되지 않는다는 사실로써 간접적으로 입증된다 하나의 가지 즉 α-1 6-결합에서 또 하나의 가지 즉 α-1 6-결합까지 사이의 포도당의 평균수는 역시 전분의 종류에 따라 다르다 하니맨(Honeyman J 1959)은 그 수를 대체로 18개에서 27개로 보고 있다(표 6-3 참조) 이 수치는 평균 분자수가 8개 내지 16개인 글라이코젠(glycogen)보다는 가지 수가 적다는 것을 의미한다

표 6-7아밀로펙틴(amylopectin) 분자의 외부 및 내부 체인의 길이

아밀로펙틴의 출처

(sources)

평균체인의 길이(averag

e chain length)

β-아밀레이스의

분해 한계

보 리 (barley)

맥 아 (malt)

옥 수 수 (corn)

밀 (wheat)

감 자 (potato)

타 피 오 카

찰 옥 수 수 (waxy

corn)

261)

17~18

25

23

27

23

25

59

44

63

62

59

62

52

1)하나의 가지에서 또 하나의 가지(branch)까지 사이의 포도당 단위수

아밀로펙틴 분자 형태 세 가지의 분자형태가 제안되어 왔었다 1 소위 박편(薄片) 구조로 특징 지워지는 하워트 모형(the Haworth model) 2 소위 화살깃 구조로 특징 지워지는 수타오딘거 모형(the Staudinger model) 3 소위 수상(樹狀) 구조로 특징 지워지는 마이야 모형(the Meyer model) 등이다(그림 6-6 참조)

3가지 모델중에서 마이야 모델 즉 가지가 나뭇가지 모양으로 분기된 수상구조(樹狀構造)를 갖고 있는 것으로 생각하였었다 그러나 근래에 와서 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 성질(partial crystalline properties)이 아밀로펙틴 분자들(amylopectin molecules) 자체의 성질에 기인하는 사실에 주목하여 왔다 (아밀로오스가 결정성의 영역을 그 분자 내에 갖고 있는 것은 사실이나 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 영역의 존재는 아밀로오스가 아니라 주로 아밀로펙틴 분자들의 부분적인 강한 결정성 영역에 기인하는 것으로 알려져 있다 )

결정성(結晶性) 성질은 분자 내의 강하고도 광범위한 규칙적인 배열에 의해서 일어남으로 분자 내의 전혀 규칙성을 찾을 수 없는 마이어 모델(Meyer model)은 아밀로펙틴 분자들의 부분적으로 결정성을 가진 성질을 설명할 수 없는 난점이 있다 근래에 와서는 여러 클러스터 모델들이 제안됨

C사슬 α-1 4-결합만으로 형성 직선상의 부분(a linear part)이 근간(根幹)이 되어 B사슬 α-1 6-결합을 통해서 많은 가지들(branches)이 클러스터들(clusters)을 형성 A사슬 B사슬로 알려진 부분들 중의 많은 사슬(chains)들은 α-1 6-결합으로 연결된 주로 매우 짧은 제3의 층을 형성

그림 6-8] 아밀로펙틴 분자들의 클러스터 모델(房狀模型 cluster model) B사슬 층(가지가 많은 부분)의 하층은 가지들 사이에 뚜렷한 규칙성을 볼 수 없으나 그 상층부분들에서는 가지들 사이의 배열에 규칙성을 볼 수 있다 전분입자들이 나타내는 결정성(crystallinity)은 아밀로오스 분자들의 성질이 아니라 아밀로펙틴 분자들의 일부 내부구조에 의한 것이 확실해지고 있다

아밀로펙틴 평균분자량 107~108 (아밀로오스 분자량 대략 106 정도) 아밀로펙틴 분자 내에는 적어도 10000개 내지는 100000개 이상의 포도당 구성단위가 중합하여 형성된 것으로 추정할 수 있다 요오드와 아밀로펙틴과의 정색반응에 의한 색깔은 자색이며 아밀로오스나 전분의 짙은 청색과는 다르다 아밀로펙틴이 아밀로오스의 경우와 같은 요오드나 지방산들(fatty acid residue)과 복합체들(complex compounds)을 거의 형성하지 않음을 의미한다

[그림 6-9]대표적인 요오도와의 결합곡선들(typical iodine-binding curves)의 한 예 1 아밀로오스(amylose)에 대해서 2 아밀로펙틴(amylopectin)에 대해서 3 전분(starch)에 대해서 점선은 요오도와의 친화력(affinity)을 얻기 위해서 extrapolation하였음을 표시하여 주고 있다

아밀로펙틴은 요오드(iodine I2)와 거의 응하지 않는다 전분과 요오드와의 정색반응(color reaction)은 주로 전분 내의 아밀로오스에 기인된다

표 6-8아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin)의 성질 비교

아밀로오스 아밀로펙틴

(1) 요오드(iodine)와의 반응 짙은 청색 빨간색-자주색

(2) 청색값(Blue Value)1) 135 005

(3) β- 아밀레이스 추출액 (β-amylase

preparation)과의 반응

95 내지 100가 말토오스

로 가수분해

50가 말토오스로 가수분해

(4) 분자량 40000 내지 340002) 40000 내지 60000002)

(5) 비환원성 말단그룹(non-reducing

end group) 사이의 평균 포도당의

수

200 내지 2100 20 내지 25

(6) X-선 분석 고도의 결정성(crystallinity) 무정형(amorphous)

(7) 물에 대한 용해도(solubility) 거의 녹지 않음(sparingly sol

uble)

잘 녹는다(very soluble)

(8) 수용액(aqueous solution) 속에서

의 안정성(stability)

노화된다(retrogrades) 안정하다(stable)

(9) 아 세 틸 화 된 유 도 체 (acetylated

derivatives)의 성질

섬 유 질 (fibrous) 질 긴 필 름

(tough film)을 형성한다

무 정 형 분 말 (amorphous

powder) 부 스 러 지 기 쉬

운 필름을 형성(brittle film)

젤라틴화 즉 교질화 된 전분의 분산액(分散液 dispersion)에서 전분분자들이 부분적으로나마 결정화되는 과정을 노화(老化 retrogradation)라고 부른다 아밀로펙틴은 노화되는 성질을 갖고 있지 않으며 따라서 100 또는 거의 100가 아밀로펙틴으로 형성되고 있는 찹쌀이나 찰옥수수의 전분들은 노화현상을 잘 보여주지 않는다 같은 α-포도당이 구성단위가 되고 있는 글라이코젠(glycogen)의 경우 그 가지는 아밀로펙틴보다 더 많으며 그 분자형태도 구형(球形 a spherical form)을 이루고 있기 때문에 그 분산액은 교질화도 일으키지 않으며 따라서 노화현상도 없는 사실이 잘 알려져 있다

아밀로오스는 교질화((膠質化) 즉 젤라틴화(gelatinization)를 쉽게 일으키나 이것은 아밀로오스의 긴 직선상의 형태(linear molecular shape)에 기인된 듯하다 반면에 아밀로펙틴은 쉽게 젤라틴화 되지 않으며 그 원인도 역시 아밀로펙틴 분자들의 가지가 많은 분자구조에 기인된 듯하다 한편 젤라틴화 된 전분 분산액 더 엄격하게는 분산 시스템 또는 분산체(starch dispersion)에서 아밀로오스는 쉽게 부분적으로나마 결정화되는 경향이 있으나 아밀로펙틴은 분자들이 일단 분산된 후에는 서로 얽혀진 많은 수의 가지 때문에 부분적으로나마 결정화(crystallization)되기에는 너무 힘든 상태가 되는 것으로 믿어지고 있다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분리 1 아밀로오스 복합체 형성에 의한 분리 오래 전부터 알려진 방법으로써 가틴 그루제우스카(Gatin- Gruzewska Z 1908 1911 Radley J A 1954 참조)에 의해서 개발된 방법이 있다 이 방법에서는 3의 전분 용액에 소량의 40탄산 소오다(Na2Co3)용액을 가한 다음에 다시 95의 에탄올(EtOH)용액을 가하여 아밀로펙틴만을 침전시킨 후 이 침전을 씻고 다시 투석(透析 dialysis)으로 무기염 등을 제거하여 정제 아밀로펙틴을 얻는다

숏호(Schoch T J 1942)와 하워트들(Haworth W N et al 1946 Radley J A 1954 참조)은 전분 중의 아밀로오스 성분이 뷰타놀(butanol) 노말-아밀 알콜(n-amyl alcohol) 타이몰(thymol) 지방산들과 결합하여 결정성 복합체(crystalline complex)를 형성하는 성질을 이용하여 묽은 전분의 현탁액에 뷰타놀 등을 가한 후 형성되는 아밀로오스와 이들 알콜들과의 결정성 복합체들을 침전시킨 다음에 남은 아밀로펙틴을 원심분리기로 분리하는 방법을 설명하고 있다

2 전기 영동법에 의한 분리 자메크들(Samec M et al 1926)은 감자 전분의 아밀로오스와 아밀로펙틴을 전기 영동법(electrophoretic method)을 사용하여 분리하는데 성공한 바 있다 특히 감자전분의 경우 여기에 함유된 아밀로펙틴은 그 분자 속에 에스터화 된 인산그룹들(esterified phosphoric acid groups)을 함유하고 있기 때문에 비교적 강한 음전하(nagative charge)를 갖고 있으며 따라서 전분의 현탁액에 전류를 통하면 아밀로펙틴은 쉽게 양극(anode)으로 이동하는 성질이 있으므로 전기 영동법에 의해서 쉽게 분리할 수 있다고 한다 이 방법은 인산(phosphoric acid)이나 지방산(fatty acid)들이 아밀로펙틴과 화학적으로 결합되어 있지 않는 곡류 전분에는 적용할 수 없다

3 열수 추출법전분의 현탁액을 60~100로 가열할 때는 전분입자들(starch granules)은 팽윤(swelling)되면서 분자량이 상대적으로 훨씬 적으며 따라서 운동성(mobility)이 더 큰 아밀로오스 분자들은 팽윤된 전분입자들에서 빠져나가게(leaching)된다 한편 대부분의 아밀로펙틴 분자들은 전분입자 내에서 서로 결합상태 또는 부분적인 결정성을 그대로 유지하면서 남게 된다 수용액에 풀어져 나온 아밀로오스는 이상의 현탁액을 원심분리(centrifuge)한 후 상등액(supernatant)에서 얻을 수가 있다

4 효소 링들(Ling A R et al 1923)은 아밀로오스와 아밀로펙틴에 대한 특정 효소들의 작용의 차이를 이용하고 있다 즉 α- 및 β-아밀레이스들(α- β-amylases)의 혼합물인 다이아스테이스(diastase)는 아밀로펙틴보다 아밀로오스에 더 강하게 작용하므로 전분의 젤(gel) 즉 교질용액에 어떤 조정된 조건 하에서 다이아스테이스를 작용시키면 아밀로펙틴은 거의 영향 받지 않고 아밀로오스만을 말토오스 등으로 가수분해 시켜 제거함으로써 아밀로펙틴을 분리할 수 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분자구조와 성질 아밀로오스 아밀로오스(amylose)는 포도당(α-D-glucose)이 가지 즉 분지(分岐 branching)없이 α-1 4-결합으로 연결된 α-나선형(α-helical form)을 가진 직쇄상(直鎖狀 straight chain)의 중합체로 생각되고 있으며 가지가 달려있지 않는 점을 강조하여 간단히 직선상 분자(linear molecules)로 표현되기도 한다 아밀로오스 분자 내의 α-포도당(α-D-glucose)의 수효는 전분의 종류에 따라 다르다 근래에 와서는 자연전분(native starch) 중의 아밀로오스 분자들의 분자량으로서 016times106에서 265times106 정도의 평균 분자량이 보고되고 있다(대략 106의 차원으로 보고하고 있다)

아밀로오스는 구성단위인 α-포도당의 입체적 구조에 의해서 대개 6개 정도의 α-포도당의 연결체가 한 회전을 하는 정도의 나선상의 형태(α-helical form)를 형성하고 있다(그림 6-3 참조)

나선(helical form)의 내부 공간(cavity)에 가끔 어떤 특정한 화합물들이 들어가서 복합체들(complex compounds)을 형성하는 경우가 있다 특히 아밀로오스 분자가 요오드와 반응하면 요오드분자들이 이 공간에 들어가서 아밀로오스-요오도 복합체들(amylose-iodine complexes)을 형성한다

일부 전분에서는 실제로 소량의 지방산(fatty acids) 같은 지방질 성분들이 공동(空洞 cavity)에 갇혀있어 에텔 등의 유기용매들(organic solvents)에 의해서 잘 추출되지 않는 사실이 알려져 있다 아밀로오스는 요오드와의 정색(呈色)반응에 의해서 짙은 청색을 나타내나 아밀로펙틴(amylopectin)은 요오드와 이상과 같은 복합체를 거의 형성하지 않으며 따라서 그 정색반응은 자색(purple)이다 한편 글라이코젠(glycogen)도 이와 같은 복합체를 전혀 형성하지 않으며 요오드와의 정색반응은 빨간색이 짙은 자색을 나타낸다

표 6-6아밀로오스의 중합도(degree of polymerization)와 요오드(iodine)와의 복합체들의 색깔 사이의 관계(청색값)

아밀로오스의 종류 중합도

최고 흡수 파장

(wavelength of abs

orption maximum

mμ)

흡수 강도

molar extinction c

oefficient

감자(potato)

타피오카(tapioca)

나리꽃의 구근(lily bulb)

옥수수(corn)

합성 아밀로오스아밀로

덱스트린

500

450

310

250

85

44

628

625

622

618

590

580

43000

41600

41400

40400

32900

25400

아밀로오스의 분자량이 클수록 요오드와의 복합체의 색깔은 더 짙은 즉 더 장파장의 청색을 나타내며 그 색깔도 더 강해짐을 알 수 있다

곡류나 서류 등의 전분에서 추출한 아밀로오스 100g은 대략 18~20mg의 요오드를 흡수 즉 요오드와 복합체를 형성하나 후술하는 아밀로펙틴(amylopectin)의 경우 그 흡수량은 05mg 이하인 사실이 알려져 있다 한편 한 전분 중의 아밀로오스의 함량을 측정하기 위해서 100g의 아밀로오스는 19mg의 요오드를 흡수하는 것으로 가정하여 계산하는 경우가 많다 과거에는 한 전분 중의 아밀로오스와 아밀로펙틴의 상대적인 양적 관계를 표시하는 척도(尺度)로 청색값(blue value)이 경험적인 방법(an empirical method)으로 가끔 사용되어 왔다(Kim H S et al 1974 Kim S K et al 1977 Kim S K 1978) 이 청색값 또는 청색도는 기본적으로 위의 청색정색반응(靑色呈色反應)을 이용한 것이다

아밀로펙틴 아밀로펙틴(amylopectin)은 전분의 또 하나의 구성성분이며 대체로 78에서 83 정도이다 한편 찹쌀 찰옥수수의 전분 등에 있어서는 그 함량은 96 내지 100며 또 고 아밀로오스 함량 옥수수(high amylose maize)에 있어서는 그 함량은 25 내지 50이다 아밀로펙틴은 아밀로오스와는 달리 가지(branch)가 많이 달린 분자구조를 갖고 있다 이 아밀로펙틴의 구성단위인 α-포도당(α-D-glucose)의 결합양식은 아밀로오스의 경우와 마찬가지로 주로 α-1 4-결합이나 분자 중의 가지는 α-1 6-결합에 의해서 형성된다(그림 6-5 참조)

[그림 6-5]직선상인 아밀로오스 분자(a linear amylose molecule)와 여러 개의 가지로 분기된 아밀로펙틴 분자(a branched amylopectin molecule) 일부의 그림 아밀로오스 분자의 일부와 아밀로펙틴 분자의 가지가 달린 부분의 일부의 화학구조를 확대하여 표시하였다

그러나 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합 이외의 다른 형태의 결합이 존재할 가능성도 매우 크다 그것은 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합을 가수분해할 수 있는 효소들을 아밀로펙틴에 작용시킬 때 아밀로펙틴의 분자가 완전히 가수분해 되지 않는다는 사실로써 간접적으로 입증된다 하나의 가지 즉 α-1 6-결합에서 또 하나의 가지 즉 α-1 6-결합까지 사이의 포도당의 평균수는 역시 전분의 종류에 따라 다르다 하니맨(Honeyman J 1959)은 그 수를 대체로 18개에서 27개로 보고 있다(표 6-3 참조) 이 수치는 평균 분자수가 8개 내지 16개인 글라이코젠(glycogen)보다는 가지 수가 적다는 것을 의미한다

표 6-7아밀로펙틴(amylopectin) 분자의 외부 및 내부 체인의 길이

아밀로펙틴의 출처

(sources)

평균체인의 길이(averag

e chain length)

β-아밀레이스의

분해 한계

보 리 (barley)

맥 아 (malt)

옥 수 수 (corn)

밀 (wheat)

감 자 (potato)

타 피 오 카

찰 옥 수 수 (waxy

corn)

261)

17~18

25

23

27

23

25

59

44

63

62

59

62

52

1)하나의 가지에서 또 하나의 가지(branch)까지 사이의 포도당 단위수

아밀로펙틴 분자 형태 세 가지의 분자형태가 제안되어 왔었다 1 소위 박편(薄片) 구조로 특징 지워지는 하워트 모형(the Haworth model) 2 소위 화살깃 구조로 특징 지워지는 수타오딘거 모형(the Staudinger model) 3 소위 수상(樹狀) 구조로 특징 지워지는 마이야 모형(the Meyer model) 등이다(그림 6-6 참조)

3가지 모델중에서 마이야 모델 즉 가지가 나뭇가지 모양으로 분기된 수상구조(樹狀構造)를 갖고 있는 것으로 생각하였었다 그러나 근래에 와서 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 성질(partial crystalline properties)이 아밀로펙틴 분자들(amylopectin molecules) 자체의 성질에 기인하는 사실에 주목하여 왔다 (아밀로오스가 결정성의 영역을 그 분자 내에 갖고 있는 것은 사실이나 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 영역의 존재는 아밀로오스가 아니라 주로 아밀로펙틴 분자들의 부분적인 강한 결정성 영역에 기인하는 것으로 알려져 있다 )

결정성(結晶性) 성질은 분자 내의 강하고도 광범위한 규칙적인 배열에 의해서 일어남으로 분자 내의 전혀 규칙성을 찾을 수 없는 마이어 모델(Meyer model)은 아밀로펙틴 분자들의 부분적으로 결정성을 가진 성질을 설명할 수 없는 난점이 있다 근래에 와서는 여러 클러스터 모델들이 제안됨

C사슬 α-1 4-결합만으로 형성 직선상의 부분(a linear part)이 근간(根幹)이 되어 B사슬 α-1 6-결합을 통해서 많은 가지들(branches)이 클러스터들(clusters)을 형성 A사슬 B사슬로 알려진 부분들 중의 많은 사슬(chains)들은 α-1 6-결합으로 연결된 주로 매우 짧은 제3의 층을 형성

그림 6-8] 아밀로펙틴 분자들의 클러스터 모델(房狀模型 cluster model) B사슬 층(가지가 많은 부분)의 하층은 가지들 사이에 뚜렷한 규칙성을 볼 수 없으나 그 상층부분들에서는 가지들 사이의 배열에 규칙성을 볼 수 있다 전분입자들이 나타내는 결정성(crystallinity)은 아밀로오스 분자들의 성질이 아니라 아밀로펙틴 분자들의 일부 내부구조에 의한 것이 확실해지고 있다

아밀로펙틴 평균분자량 107~108 (아밀로오스 분자량 대략 106 정도) 아밀로펙틴 분자 내에는 적어도 10000개 내지는 100000개 이상의 포도당 구성단위가 중합하여 형성된 것으로 추정할 수 있다 요오드와 아밀로펙틴과의 정색반응에 의한 색깔은 자색이며 아밀로오스나 전분의 짙은 청색과는 다르다 아밀로펙틴이 아밀로오스의 경우와 같은 요오드나 지방산들(fatty acid residue)과 복합체들(complex compounds)을 거의 형성하지 않음을 의미한다

[그림 6-9]대표적인 요오도와의 결합곡선들(typical iodine-binding curves)의 한 예 1 아밀로오스(amylose)에 대해서 2 아밀로펙틴(amylopectin)에 대해서 3 전분(starch)에 대해서 점선은 요오도와의 친화력(affinity)을 얻기 위해서 extrapolation하였음을 표시하여 주고 있다

아밀로펙틴은 요오드(iodine I2)와 거의 응하지 않는다 전분과 요오드와의 정색반응(color reaction)은 주로 전분 내의 아밀로오스에 기인된다

표 6-8아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin)의 성질 비교

아밀로오스 아밀로펙틴

(1) 요오드(iodine)와의 반응 짙은 청색 빨간색-자주색

(2) 청색값(Blue Value)1) 135 005

(3) β- 아밀레이스 추출액 (β-amylase

preparation)과의 반응

95 내지 100가 말토오스

로 가수분해

50가 말토오스로 가수분해

(4) 분자량 40000 내지 340002) 40000 내지 60000002)

(5) 비환원성 말단그룹(non-reducing

end group) 사이의 평균 포도당의

수

200 내지 2100 20 내지 25

(6) X-선 분석 고도의 결정성(crystallinity) 무정형(amorphous)

(7) 물에 대한 용해도(solubility) 거의 녹지 않음(sparingly sol

uble)

잘 녹는다(very soluble)

(8) 수용액(aqueous solution) 속에서

의 안정성(stability)

노화된다(retrogrades) 안정하다(stable)

(9) 아 세 틸 화 된 유 도 체 (acetylated

derivatives)의 성질

섬 유 질 (fibrous) 질 긴 필 름

(tough film)을 형성한다

무 정 형 분 말 (amorphous

powder) 부 스 러 지 기 쉬

운 필름을 형성(brittle film)

젤라틴화 즉 교질화 된 전분의 분산액(分散液 dispersion)에서 전분분자들이 부분적으로나마 결정화되는 과정을 노화(老化 retrogradation)라고 부른다 아밀로펙틴은 노화되는 성질을 갖고 있지 않으며 따라서 100 또는 거의 100가 아밀로펙틴으로 형성되고 있는 찹쌀이나 찰옥수수의 전분들은 노화현상을 잘 보여주지 않는다 같은 α-포도당이 구성단위가 되고 있는 글라이코젠(glycogen)의 경우 그 가지는 아밀로펙틴보다 더 많으며 그 분자형태도 구형(球形 a spherical form)을 이루고 있기 때문에 그 분산액은 교질화도 일으키지 않으며 따라서 노화현상도 없는 사실이 잘 알려져 있다

아밀로오스는 교질화((膠質化) 즉 젤라틴화(gelatinization)를 쉽게 일으키나 이것은 아밀로오스의 긴 직선상의 형태(linear molecular shape)에 기인된 듯하다 반면에 아밀로펙틴은 쉽게 젤라틴화 되지 않으며 그 원인도 역시 아밀로펙틴 분자들의 가지가 많은 분자구조에 기인된 듯하다 한편 젤라틴화 된 전분 분산액 더 엄격하게는 분산 시스템 또는 분산체(starch dispersion)에서 아밀로오스는 쉽게 부분적으로나마 결정화되는 경향이 있으나 아밀로펙틴은 분자들이 일단 분산된 후에는 서로 얽혀진 많은 수의 가지 때문에 부분적으로나마 결정화(crystallization)되기에는 너무 힘든 상태가 되는 것으로 믿어지고 있다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분리 1 아밀로오스 복합체 형성에 의한 분리 오래 전부터 알려진 방법으로써 가틴 그루제우스카(Gatin- Gruzewska Z 1908 1911 Radley J A 1954 참조)에 의해서 개발된 방법이 있다 이 방법에서는 3의 전분 용액에 소량의 40탄산 소오다(Na2Co3)용액을 가한 다음에 다시 95의 에탄올(EtOH)용액을 가하여 아밀로펙틴만을 침전시킨 후 이 침전을 씻고 다시 투석(透析 dialysis)으로 무기염 등을 제거하여 정제 아밀로펙틴을 얻는다

숏호(Schoch T J 1942)와 하워트들(Haworth W N et al 1946 Radley J A 1954 참조)은 전분 중의 아밀로오스 성분이 뷰타놀(butanol) 노말-아밀 알콜(n-amyl alcohol) 타이몰(thymol) 지방산들과 결합하여 결정성 복합체(crystalline complex)를 형성하는 성질을 이용하여 묽은 전분의 현탁액에 뷰타놀 등을 가한 후 형성되는 아밀로오스와 이들 알콜들과의 결정성 복합체들을 침전시킨 다음에 남은 아밀로펙틴을 원심분리기로 분리하는 방법을 설명하고 있다

2 전기 영동법에 의한 분리 자메크들(Samec M et al 1926)은 감자 전분의 아밀로오스와 아밀로펙틴을 전기 영동법(electrophoretic method)을 사용하여 분리하는데 성공한 바 있다 특히 감자전분의 경우 여기에 함유된 아밀로펙틴은 그 분자 속에 에스터화 된 인산그룹들(esterified phosphoric acid groups)을 함유하고 있기 때문에 비교적 강한 음전하(nagative charge)를 갖고 있으며 따라서 전분의 현탁액에 전류를 통하면 아밀로펙틴은 쉽게 양극(anode)으로 이동하는 성질이 있으므로 전기 영동법에 의해서 쉽게 분리할 수 있다고 한다 이 방법은 인산(phosphoric acid)이나 지방산(fatty acid)들이 아밀로펙틴과 화학적으로 결합되어 있지 않는 곡류 전분에는 적용할 수 없다

3 열수 추출법전분의 현탁액을 60~100로 가열할 때는 전분입자들(starch granules)은 팽윤(swelling)되면서 분자량이 상대적으로 훨씬 적으며 따라서 운동성(mobility)이 더 큰 아밀로오스 분자들은 팽윤된 전분입자들에서 빠져나가게(leaching)된다 한편 대부분의 아밀로펙틴 분자들은 전분입자 내에서 서로 결합상태 또는 부분적인 결정성을 그대로 유지하면서 남게 된다 수용액에 풀어져 나온 아밀로오스는 이상의 현탁액을 원심분리(centrifuge)한 후 상등액(supernatant)에서 얻을 수가 있다

4 효소 링들(Ling A R et al 1923)은 아밀로오스와 아밀로펙틴에 대한 특정 효소들의 작용의 차이를 이용하고 있다 즉 α- 및 β-아밀레이스들(α- β-amylases)의 혼합물인 다이아스테이스(diastase)는 아밀로펙틴보다 아밀로오스에 더 강하게 작용하므로 전분의 젤(gel) 즉 교질용액에 어떤 조정된 조건 하에서 다이아스테이스를 작용시키면 아밀로펙틴은 거의 영향 받지 않고 아밀로오스만을 말토오스 등으로 가수분해 시켜 제거함으로써 아밀로펙틴을 분리할 수 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

아밀로오스는 구성단위인 α-포도당의 입체적 구조에 의해서 대개 6개 정도의 α-포도당의 연결체가 한 회전을 하는 정도의 나선상의 형태(α-helical form)를 형성하고 있다(그림 6-3 참조)

나선(helical form)의 내부 공간(cavity)에 가끔 어떤 특정한 화합물들이 들어가서 복합체들(complex compounds)을 형성하는 경우가 있다 특히 아밀로오스 분자가 요오드와 반응하면 요오드분자들이 이 공간에 들어가서 아밀로오스-요오도 복합체들(amylose-iodine complexes)을 형성한다

일부 전분에서는 실제로 소량의 지방산(fatty acids) 같은 지방질 성분들이 공동(空洞 cavity)에 갇혀있어 에텔 등의 유기용매들(organic solvents)에 의해서 잘 추출되지 않는 사실이 알려져 있다 아밀로오스는 요오드와의 정색(呈色)반응에 의해서 짙은 청색을 나타내나 아밀로펙틴(amylopectin)은 요오드와 이상과 같은 복합체를 거의 형성하지 않으며 따라서 그 정색반응은 자색(purple)이다 한편 글라이코젠(glycogen)도 이와 같은 복합체를 전혀 형성하지 않으며 요오드와의 정색반응은 빨간색이 짙은 자색을 나타낸다

표 6-6아밀로오스의 중합도(degree of polymerization)와 요오드(iodine)와의 복합체들의 색깔 사이의 관계(청색값)

아밀로오스의 종류 중합도

최고 흡수 파장

(wavelength of abs

orption maximum

mμ)

흡수 강도

molar extinction c

oefficient

감자(potato)

타피오카(tapioca)

나리꽃의 구근(lily bulb)

옥수수(corn)

합성 아밀로오스아밀로

덱스트린

500

450

310

250

85

44

628

625

622

618

590

580

43000

41600

41400

40400

32900

25400

아밀로오스의 분자량이 클수록 요오드와의 복합체의 색깔은 더 짙은 즉 더 장파장의 청색을 나타내며 그 색깔도 더 강해짐을 알 수 있다

곡류나 서류 등의 전분에서 추출한 아밀로오스 100g은 대략 18~20mg의 요오드를 흡수 즉 요오드와 복합체를 형성하나 후술하는 아밀로펙틴(amylopectin)의 경우 그 흡수량은 05mg 이하인 사실이 알려져 있다 한편 한 전분 중의 아밀로오스의 함량을 측정하기 위해서 100g의 아밀로오스는 19mg의 요오드를 흡수하는 것으로 가정하여 계산하는 경우가 많다 과거에는 한 전분 중의 아밀로오스와 아밀로펙틴의 상대적인 양적 관계를 표시하는 척도(尺度)로 청색값(blue value)이 경험적인 방법(an empirical method)으로 가끔 사용되어 왔다(Kim H S et al 1974 Kim S K et al 1977 Kim S K 1978) 이 청색값 또는 청색도는 기본적으로 위의 청색정색반응(靑色呈色反應)을 이용한 것이다

아밀로펙틴 아밀로펙틴(amylopectin)은 전분의 또 하나의 구성성분이며 대체로 78에서 83 정도이다 한편 찹쌀 찰옥수수의 전분 등에 있어서는 그 함량은 96 내지 100며 또 고 아밀로오스 함량 옥수수(high amylose maize)에 있어서는 그 함량은 25 내지 50이다 아밀로펙틴은 아밀로오스와는 달리 가지(branch)가 많이 달린 분자구조를 갖고 있다 이 아밀로펙틴의 구성단위인 α-포도당(α-D-glucose)의 결합양식은 아밀로오스의 경우와 마찬가지로 주로 α-1 4-결합이나 분자 중의 가지는 α-1 6-결합에 의해서 형성된다(그림 6-5 참조)

[그림 6-5]직선상인 아밀로오스 분자(a linear amylose molecule)와 여러 개의 가지로 분기된 아밀로펙틴 분자(a branched amylopectin molecule) 일부의 그림 아밀로오스 분자의 일부와 아밀로펙틴 분자의 가지가 달린 부분의 일부의 화학구조를 확대하여 표시하였다

그러나 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합 이외의 다른 형태의 결합이 존재할 가능성도 매우 크다 그것은 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합을 가수분해할 수 있는 효소들을 아밀로펙틴에 작용시킬 때 아밀로펙틴의 분자가 완전히 가수분해 되지 않는다는 사실로써 간접적으로 입증된다 하나의 가지 즉 α-1 6-결합에서 또 하나의 가지 즉 α-1 6-결합까지 사이의 포도당의 평균수는 역시 전분의 종류에 따라 다르다 하니맨(Honeyman J 1959)은 그 수를 대체로 18개에서 27개로 보고 있다(표 6-3 참조) 이 수치는 평균 분자수가 8개 내지 16개인 글라이코젠(glycogen)보다는 가지 수가 적다는 것을 의미한다

표 6-7아밀로펙틴(amylopectin) 분자의 외부 및 내부 체인의 길이

아밀로펙틴의 출처

(sources)

평균체인의 길이(averag

e chain length)

β-아밀레이스의

분해 한계

보 리 (barley)

맥 아 (malt)

옥 수 수 (corn)

밀 (wheat)

감 자 (potato)

타 피 오 카

찰 옥 수 수 (waxy

corn)

261)

17~18

25

23

27

23

25

59

44

63

62

59

62

52

1)하나의 가지에서 또 하나의 가지(branch)까지 사이의 포도당 단위수

아밀로펙틴 분자 형태 세 가지의 분자형태가 제안되어 왔었다 1 소위 박편(薄片) 구조로 특징 지워지는 하워트 모형(the Haworth model) 2 소위 화살깃 구조로 특징 지워지는 수타오딘거 모형(the Staudinger model) 3 소위 수상(樹狀) 구조로 특징 지워지는 마이야 모형(the Meyer model) 등이다(그림 6-6 참조)

3가지 모델중에서 마이야 모델 즉 가지가 나뭇가지 모양으로 분기된 수상구조(樹狀構造)를 갖고 있는 것으로 생각하였었다 그러나 근래에 와서 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 성질(partial crystalline properties)이 아밀로펙틴 분자들(amylopectin molecules) 자체의 성질에 기인하는 사실에 주목하여 왔다 (아밀로오스가 결정성의 영역을 그 분자 내에 갖고 있는 것은 사실이나 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 영역의 존재는 아밀로오스가 아니라 주로 아밀로펙틴 분자들의 부분적인 강한 결정성 영역에 기인하는 것으로 알려져 있다 )

결정성(結晶性) 성질은 분자 내의 강하고도 광범위한 규칙적인 배열에 의해서 일어남으로 분자 내의 전혀 규칙성을 찾을 수 없는 마이어 모델(Meyer model)은 아밀로펙틴 분자들의 부분적으로 결정성을 가진 성질을 설명할 수 없는 난점이 있다 근래에 와서는 여러 클러스터 모델들이 제안됨

C사슬 α-1 4-결합만으로 형성 직선상의 부분(a linear part)이 근간(根幹)이 되어 B사슬 α-1 6-결합을 통해서 많은 가지들(branches)이 클러스터들(clusters)을 형성 A사슬 B사슬로 알려진 부분들 중의 많은 사슬(chains)들은 α-1 6-결합으로 연결된 주로 매우 짧은 제3의 층을 형성

그림 6-8] 아밀로펙틴 분자들의 클러스터 모델(房狀模型 cluster model) B사슬 층(가지가 많은 부분)의 하층은 가지들 사이에 뚜렷한 규칙성을 볼 수 없으나 그 상층부분들에서는 가지들 사이의 배열에 규칙성을 볼 수 있다 전분입자들이 나타내는 결정성(crystallinity)은 아밀로오스 분자들의 성질이 아니라 아밀로펙틴 분자들의 일부 내부구조에 의한 것이 확실해지고 있다

아밀로펙틴 평균분자량 107~108 (아밀로오스 분자량 대략 106 정도) 아밀로펙틴 분자 내에는 적어도 10000개 내지는 100000개 이상의 포도당 구성단위가 중합하여 형성된 것으로 추정할 수 있다 요오드와 아밀로펙틴과의 정색반응에 의한 색깔은 자색이며 아밀로오스나 전분의 짙은 청색과는 다르다 아밀로펙틴이 아밀로오스의 경우와 같은 요오드나 지방산들(fatty acid residue)과 복합체들(complex compounds)을 거의 형성하지 않음을 의미한다

[그림 6-9]대표적인 요오도와의 결합곡선들(typical iodine-binding curves)의 한 예 1 아밀로오스(amylose)에 대해서 2 아밀로펙틴(amylopectin)에 대해서 3 전분(starch)에 대해서 점선은 요오도와의 친화력(affinity)을 얻기 위해서 extrapolation하였음을 표시하여 주고 있다

아밀로펙틴은 요오드(iodine I2)와 거의 응하지 않는다 전분과 요오드와의 정색반응(color reaction)은 주로 전분 내의 아밀로오스에 기인된다

표 6-8아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin)의 성질 비교

아밀로오스 아밀로펙틴

(1) 요오드(iodine)와의 반응 짙은 청색 빨간색-자주색

(2) 청색값(Blue Value)1) 135 005

(3) β- 아밀레이스 추출액 (β-amylase

preparation)과의 반응

95 내지 100가 말토오스

로 가수분해

50가 말토오스로 가수분해

(4) 분자량 40000 내지 340002) 40000 내지 60000002)

(5) 비환원성 말단그룹(non-reducing

end group) 사이의 평균 포도당의

수

200 내지 2100 20 내지 25

(6) X-선 분석 고도의 결정성(crystallinity) 무정형(amorphous)

(7) 물에 대한 용해도(solubility) 거의 녹지 않음(sparingly sol

uble)

잘 녹는다(very soluble)

(8) 수용액(aqueous solution) 속에서

의 안정성(stability)

노화된다(retrogrades) 안정하다(stable)

(9) 아 세 틸 화 된 유 도 체 (acetylated

derivatives)의 성질

섬 유 질 (fibrous) 질 긴 필 름

(tough film)을 형성한다

무 정 형 분 말 (amorphous

powder) 부 스 러 지 기 쉬

운 필름을 형성(brittle film)

젤라틴화 즉 교질화 된 전분의 분산액(分散液 dispersion)에서 전분분자들이 부분적으로나마 결정화되는 과정을 노화(老化 retrogradation)라고 부른다 아밀로펙틴은 노화되는 성질을 갖고 있지 않으며 따라서 100 또는 거의 100가 아밀로펙틴으로 형성되고 있는 찹쌀이나 찰옥수수의 전분들은 노화현상을 잘 보여주지 않는다 같은 α-포도당이 구성단위가 되고 있는 글라이코젠(glycogen)의 경우 그 가지는 아밀로펙틴보다 더 많으며 그 분자형태도 구형(球形 a spherical form)을 이루고 있기 때문에 그 분산액은 교질화도 일으키지 않으며 따라서 노화현상도 없는 사실이 잘 알려져 있다

아밀로오스는 교질화((膠質化) 즉 젤라틴화(gelatinization)를 쉽게 일으키나 이것은 아밀로오스의 긴 직선상의 형태(linear molecular shape)에 기인된 듯하다 반면에 아밀로펙틴은 쉽게 젤라틴화 되지 않으며 그 원인도 역시 아밀로펙틴 분자들의 가지가 많은 분자구조에 기인된 듯하다 한편 젤라틴화 된 전분 분산액 더 엄격하게는 분산 시스템 또는 분산체(starch dispersion)에서 아밀로오스는 쉽게 부분적으로나마 결정화되는 경향이 있으나 아밀로펙틴은 분자들이 일단 분산된 후에는 서로 얽혀진 많은 수의 가지 때문에 부분적으로나마 결정화(crystallization)되기에는 너무 힘든 상태가 되는 것으로 믿어지고 있다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분리 1 아밀로오스 복합체 형성에 의한 분리 오래 전부터 알려진 방법으로써 가틴 그루제우스카(Gatin- Gruzewska Z 1908 1911 Radley J A 1954 참조)에 의해서 개발된 방법이 있다 이 방법에서는 3의 전분 용액에 소량의 40탄산 소오다(Na2Co3)용액을 가한 다음에 다시 95의 에탄올(EtOH)용액을 가하여 아밀로펙틴만을 침전시킨 후 이 침전을 씻고 다시 투석(透析 dialysis)으로 무기염 등을 제거하여 정제 아밀로펙틴을 얻는다

숏호(Schoch T J 1942)와 하워트들(Haworth W N et al 1946 Radley J A 1954 참조)은 전분 중의 아밀로오스 성분이 뷰타놀(butanol) 노말-아밀 알콜(n-amyl alcohol) 타이몰(thymol) 지방산들과 결합하여 결정성 복합체(crystalline complex)를 형성하는 성질을 이용하여 묽은 전분의 현탁액에 뷰타놀 등을 가한 후 형성되는 아밀로오스와 이들 알콜들과의 결정성 복합체들을 침전시킨 다음에 남은 아밀로펙틴을 원심분리기로 분리하는 방법을 설명하고 있다

2 전기 영동법에 의한 분리 자메크들(Samec M et al 1926)은 감자 전분의 아밀로오스와 아밀로펙틴을 전기 영동법(electrophoretic method)을 사용하여 분리하는데 성공한 바 있다 특히 감자전분의 경우 여기에 함유된 아밀로펙틴은 그 분자 속에 에스터화 된 인산그룹들(esterified phosphoric acid groups)을 함유하고 있기 때문에 비교적 강한 음전하(nagative charge)를 갖고 있으며 따라서 전분의 현탁액에 전류를 통하면 아밀로펙틴은 쉽게 양극(anode)으로 이동하는 성질이 있으므로 전기 영동법에 의해서 쉽게 분리할 수 있다고 한다 이 방법은 인산(phosphoric acid)이나 지방산(fatty acid)들이 아밀로펙틴과 화학적으로 결합되어 있지 않는 곡류 전분에는 적용할 수 없다

3 열수 추출법전분의 현탁액을 60~100로 가열할 때는 전분입자들(starch granules)은 팽윤(swelling)되면서 분자량이 상대적으로 훨씬 적으며 따라서 운동성(mobility)이 더 큰 아밀로오스 분자들은 팽윤된 전분입자들에서 빠져나가게(leaching)된다 한편 대부분의 아밀로펙틴 분자들은 전분입자 내에서 서로 결합상태 또는 부분적인 결정성을 그대로 유지하면서 남게 된다 수용액에 풀어져 나온 아밀로오스는 이상의 현탁액을 원심분리(centrifuge)한 후 상등액(supernatant)에서 얻을 수가 있다

4 효소 링들(Ling A R et al 1923)은 아밀로오스와 아밀로펙틴에 대한 특정 효소들의 작용의 차이를 이용하고 있다 즉 α- 및 β-아밀레이스들(α- β-amylases)의 혼합물인 다이아스테이스(diastase)는 아밀로펙틴보다 아밀로오스에 더 강하게 작용하므로 전분의 젤(gel) 즉 교질용액에 어떤 조정된 조건 하에서 다이아스테이스를 작용시키면 아밀로펙틴은 거의 영향 받지 않고 아밀로오스만을 말토오스 등으로 가수분해 시켜 제거함으로써 아밀로펙틴을 분리할 수 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

나선(helical form)의 내부 공간(cavity)에 가끔 어떤 특정한 화합물들이 들어가서 복합체들(complex compounds)을 형성하는 경우가 있다 특히 아밀로오스 분자가 요오드와 반응하면 요오드분자들이 이 공간에 들어가서 아밀로오스-요오도 복합체들(amylose-iodine complexes)을 형성한다

일부 전분에서는 실제로 소량의 지방산(fatty acids) 같은 지방질 성분들이 공동(空洞 cavity)에 갇혀있어 에텔 등의 유기용매들(organic solvents)에 의해서 잘 추출되지 않는 사실이 알려져 있다 아밀로오스는 요오드와의 정색(呈色)반응에 의해서 짙은 청색을 나타내나 아밀로펙틴(amylopectin)은 요오드와 이상과 같은 복합체를 거의 형성하지 않으며 따라서 그 정색반응은 자색(purple)이다 한편 글라이코젠(glycogen)도 이와 같은 복합체를 전혀 형성하지 않으며 요오드와의 정색반응은 빨간색이 짙은 자색을 나타낸다

표 6-6아밀로오스의 중합도(degree of polymerization)와 요오드(iodine)와의 복합체들의 색깔 사이의 관계(청색값)

아밀로오스의 종류 중합도

최고 흡수 파장

(wavelength of abs

orption maximum

mμ)

흡수 강도

molar extinction c

oefficient

감자(potato)

타피오카(tapioca)

나리꽃의 구근(lily bulb)

옥수수(corn)

합성 아밀로오스아밀로

덱스트린

500

450

310

250

85

44

628

625

622

618

590

580

43000

41600

41400

40400

32900

25400

아밀로오스의 분자량이 클수록 요오드와의 복합체의 색깔은 더 짙은 즉 더 장파장의 청색을 나타내며 그 색깔도 더 강해짐을 알 수 있다

곡류나 서류 등의 전분에서 추출한 아밀로오스 100g은 대략 18~20mg의 요오드를 흡수 즉 요오드와 복합체를 형성하나 후술하는 아밀로펙틴(amylopectin)의 경우 그 흡수량은 05mg 이하인 사실이 알려져 있다 한편 한 전분 중의 아밀로오스의 함량을 측정하기 위해서 100g의 아밀로오스는 19mg의 요오드를 흡수하는 것으로 가정하여 계산하는 경우가 많다 과거에는 한 전분 중의 아밀로오스와 아밀로펙틴의 상대적인 양적 관계를 표시하는 척도(尺度)로 청색값(blue value)이 경험적인 방법(an empirical method)으로 가끔 사용되어 왔다(Kim H S et al 1974 Kim S K et al 1977 Kim S K 1978) 이 청색값 또는 청색도는 기본적으로 위의 청색정색반응(靑色呈色反應)을 이용한 것이다

아밀로펙틴 아밀로펙틴(amylopectin)은 전분의 또 하나의 구성성분이며 대체로 78에서 83 정도이다 한편 찹쌀 찰옥수수의 전분 등에 있어서는 그 함량은 96 내지 100며 또 고 아밀로오스 함량 옥수수(high amylose maize)에 있어서는 그 함량은 25 내지 50이다 아밀로펙틴은 아밀로오스와는 달리 가지(branch)가 많이 달린 분자구조를 갖고 있다 이 아밀로펙틴의 구성단위인 α-포도당(α-D-glucose)의 결합양식은 아밀로오스의 경우와 마찬가지로 주로 α-1 4-결합이나 분자 중의 가지는 α-1 6-결합에 의해서 형성된다(그림 6-5 참조)

[그림 6-5]직선상인 아밀로오스 분자(a linear amylose molecule)와 여러 개의 가지로 분기된 아밀로펙틴 분자(a branched amylopectin molecule) 일부의 그림 아밀로오스 분자의 일부와 아밀로펙틴 분자의 가지가 달린 부분의 일부의 화학구조를 확대하여 표시하였다

그러나 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합 이외의 다른 형태의 결합이 존재할 가능성도 매우 크다 그것은 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합을 가수분해할 수 있는 효소들을 아밀로펙틴에 작용시킬 때 아밀로펙틴의 분자가 완전히 가수분해 되지 않는다는 사실로써 간접적으로 입증된다 하나의 가지 즉 α-1 6-결합에서 또 하나의 가지 즉 α-1 6-결합까지 사이의 포도당의 평균수는 역시 전분의 종류에 따라 다르다 하니맨(Honeyman J 1959)은 그 수를 대체로 18개에서 27개로 보고 있다(표 6-3 참조) 이 수치는 평균 분자수가 8개 내지 16개인 글라이코젠(glycogen)보다는 가지 수가 적다는 것을 의미한다

표 6-7아밀로펙틴(amylopectin) 분자의 외부 및 내부 체인의 길이

아밀로펙틴의 출처

(sources)

평균체인의 길이(averag

e chain length)

β-아밀레이스의

분해 한계

보 리 (barley)

맥 아 (malt)

옥 수 수 (corn)

밀 (wheat)

감 자 (potato)

타 피 오 카

찰 옥 수 수 (waxy

corn)

261)

17~18

25

23

27

23

25

59

44

63

62

59

62

52

1)하나의 가지에서 또 하나의 가지(branch)까지 사이의 포도당 단위수

아밀로펙틴 분자 형태 세 가지의 분자형태가 제안되어 왔었다 1 소위 박편(薄片) 구조로 특징 지워지는 하워트 모형(the Haworth model) 2 소위 화살깃 구조로 특징 지워지는 수타오딘거 모형(the Staudinger model) 3 소위 수상(樹狀) 구조로 특징 지워지는 마이야 모형(the Meyer model) 등이다(그림 6-6 참조)

3가지 모델중에서 마이야 모델 즉 가지가 나뭇가지 모양으로 분기된 수상구조(樹狀構造)를 갖고 있는 것으로 생각하였었다 그러나 근래에 와서 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 성질(partial crystalline properties)이 아밀로펙틴 분자들(amylopectin molecules) 자체의 성질에 기인하는 사실에 주목하여 왔다 (아밀로오스가 결정성의 영역을 그 분자 내에 갖고 있는 것은 사실이나 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 영역의 존재는 아밀로오스가 아니라 주로 아밀로펙틴 분자들의 부분적인 강한 결정성 영역에 기인하는 것으로 알려져 있다 )

결정성(結晶性) 성질은 분자 내의 강하고도 광범위한 규칙적인 배열에 의해서 일어남으로 분자 내의 전혀 규칙성을 찾을 수 없는 마이어 모델(Meyer model)은 아밀로펙틴 분자들의 부분적으로 결정성을 가진 성질을 설명할 수 없는 난점이 있다 근래에 와서는 여러 클러스터 모델들이 제안됨

C사슬 α-1 4-결합만으로 형성 직선상의 부분(a linear part)이 근간(根幹)이 되어 B사슬 α-1 6-결합을 통해서 많은 가지들(branches)이 클러스터들(clusters)을 형성 A사슬 B사슬로 알려진 부분들 중의 많은 사슬(chains)들은 α-1 6-결합으로 연결된 주로 매우 짧은 제3의 층을 형성

그림 6-8] 아밀로펙틴 분자들의 클러스터 모델(房狀模型 cluster model) B사슬 층(가지가 많은 부분)의 하층은 가지들 사이에 뚜렷한 규칙성을 볼 수 없으나 그 상층부분들에서는 가지들 사이의 배열에 규칙성을 볼 수 있다 전분입자들이 나타내는 결정성(crystallinity)은 아밀로오스 분자들의 성질이 아니라 아밀로펙틴 분자들의 일부 내부구조에 의한 것이 확실해지고 있다

아밀로펙틴 평균분자량 107~108 (아밀로오스 분자량 대략 106 정도) 아밀로펙틴 분자 내에는 적어도 10000개 내지는 100000개 이상의 포도당 구성단위가 중합하여 형성된 것으로 추정할 수 있다 요오드와 아밀로펙틴과의 정색반응에 의한 색깔은 자색이며 아밀로오스나 전분의 짙은 청색과는 다르다 아밀로펙틴이 아밀로오스의 경우와 같은 요오드나 지방산들(fatty acid residue)과 복합체들(complex compounds)을 거의 형성하지 않음을 의미한다

[그림 6-9]대표적인 요오도와의 결합곡선들(typical iodine-binding curves)의 한 예 1 아밀로오스(amylose)에 대해서 2 아밀로펙틴(amylopectin)에 대해서 3 전분(starch)에 대해서 점선은 요오도와의 친화력(affinity)을 얻기 위해서 extrapolation하였음을 표시하여 주고 있다

아밀로펙틴은 요오드(iodine I2)와 거의 응하지 않는다 전분과 요오드와의 정색반응(color reaction)은 주로 전분 내의 아밀로오스에 기인된다

표 6-8아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin)의 성질 비교

아밀로오스 아밀로펙틴

(1) 요오드(iodine)와의 반응 짙은 청색 빨간색-자주색

(2) 청색값(Blue Value)1) 135 005

(3) β- 아밀레이스 추출액 (β-amylase

preparation)과의 반응

95 내지 100가 말토오스

로 가수분해

50가 말토오스로 가수분해

(4) 분자량 40000 내지 340002) 40000 내지 60000002)

(5) 비환원성 말단그룹(non-reducing

end group) 사이의 평균 포도당의

수

200 내지 2100 20 내지 25

(6) X-선 분석 고도의 결정성(crystallinity) 무정형(amorphous)

(7) 물에 대한 용해도(solubility) 거의 녹지 않음(sparingly sol

uble)

잘 녹는다(very soluble)

(8) 수용액(aqueous solution) 속에서

의 안정성(stability)

노화된다(retrogrades) 안정하다(stable)

(9) 아 세 틸 화 된 유 도 체 (acetylated

derivatives)의 성질

섬 유 질 (fibrous) 질 긴 필 름

(tough film)을 형성한다

무 정 형 분 말 (amorphous

powder) 부 스 러 지 기 쉬

운 필름을 형성(brittle film)

젤라틴화 즉 교질화 된 전분의 분산액(分散液 dispersion)에서 전분분자들이 부분적으로나마 결정화되는 과정을 노화(老化 retrogradation)라고 부른다 아밀로펙틴은 노화되는 성질을 갖고 있지 않으며 따라서 100 또는 거의 100가 아밀로펙틴으로 형성되고 있는 찹쌀이나 찰옥수수의 전분들은 노화현상을 잘 보여주지 않는다 같은 α-포도당이 구성단위가 되고 있는 글라이코젠(glycogen)의 경우 그 가지는 아밀로펙틴보다 더 많으며 그 분자형태도 구형(球形 a spherical form)을 이루고 있기 때문에 그 분산액은 교질화도 일으키지 않으며 따라서 노화현상도 없는 사실이 잘 알려져 있다

아밀로오스는 교질화((膠質化) 즉 젤라틴화(gelatinization)를 쉽게 일으키나 이것은 아밀로오스의 긴 직선상의 형태(linear molecular shape)에 기인된 듯하다 반면에 아밀로펙틴은 쉽게 젤라틴화 되지 않으며 그 원인도 역시 아밀로펙틴 분자들의 가지가 많은 분자구조에 기인된 듯하다 한편 젤라틴화 된 전분 분산액 더 엄격하게는 분산 시스템 또는 분산체(starch dispersion)에서 아밀로오스는 쉽게 부분적으로나마 결정화되는 경향이 있으나 아밀로펙틴은 분자들이 일단 분산된 후에는 서로 얽혀진 많은 수의 가지 때문에 부분적으로나마 결정화(crystallization)되기에는 너무 힘든 상태가 되는 것으로 믿어지고 있다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분리 1 아밀로오스 복합체 형성에 의한 분리 오래 전부터 알려진 방법으로써 가틴 그루제우스카(Gatin- Gruzewska Z 1908 1911 Radley J A 1954 참조)에 의해서 개발된 방법이 있다 이 방법에서는 3의 전분 용액에 소량의 40탄산 소오다(Na2Co3)용액을 가한 다음에 다시 95의 에탄올(EtOH)용액을 가하여 아밀로펙틴만을 침전시킨 후 이 침전을 씻고 다시 투석(透析 dialysis)으로 무기염 등을 제거하여 정제 아밀로펙틴을 얻는다

숏호(Schoch T J 1942)와 하워트들(Haworth W N et al 1946 Radley J A 1954 참조)은 전분 중의 아밀로오스 성분이 뷰타놀(butanol) 노말-아밀 알콜(n-amyl alcohol) 타이몰(thymol) 지방산들과 결합하여 결정성 복합체(crystalline complex)를 형성하는 성질을 이용하여 묽은 전분의 현탁액에 뷰타놀 등을 가한 후 형성되는 아밀로오스와 이들 알콜들과의 결정성 복합체들을 침전시킨 다음에 남은 아밀로펙틴을 원심분리기로 분리하는 방법을 설명하고 있다

2 전기 영동법에 의한 분리 자메크들(Samec M et al 1926)은 감자 전분의 아밀로오스와 아밀로펙틴을 전기 영동법(electrophoretic method)을 사용하여 분리하는데 성공한 바 있다 특히 감자전분의 경우 여기에 함유된 아밀로펙틴은 그 분자 속에 에스터화 된 인산그룹들(esterified phosphoric acid groups)을 함유하고 있기 때문에 비교적 강한 음전하(nagative charge)를 갖고 있으며 따라서 전분의 현탁액에 전류를 통하면 아밀로펙틴은 쉽게 양극(anode)으로 이동하는 성질이 있으므로 전기 영동법에 의해서 쉽게 분리할 수 있다고 한다 이 방법은 인산(phosphoric acid)이나 지방산(fatty acid)들이 아밀로펙틴과 화학적으로 결합되어 있지 않는 곡류 전분에는 적용할 수 없다

3 열수 추출법전분의 현탁액을 60~100로 가열할 때는 전분입자들(starch granules)은 팽윤(swelling)되면서 분자량이 상대적으로 훨씬 적으며 따라서 운동성(mobility)이 더 큰 아밀로오스 분자들은 팽윤된 전분입자들에서 빠져나가게(leaching)된다 한편 대부분의 아밀로펙틴 분자들은 전분입자 내에서 서로 결합상태 또는 부분적인 결정성을 그대로 유지하면서 남게 된다 수용액에 풀어져 나온 아밀로오스는 이상의 현탁액을 원심분리(centrifuge)한 후 상등액(supernatant)에서 얻을 수가 있다

4 효소 링들(Ling A R et al 1923)은 아밀로오스와 아밀로펙틴에 대한 특정 효소들의 작용의 차이를 이용하고 있다 즉 α- 및 β-아밀레이스들(α- β-amylases)의 혼합물인 다이아스테이스(diastase)는 아밀로펙틴보다 아밀로오스에 더 강하게 작용하므로 전분의 젤(gel) 즉 교질용액에 어떤 조정된 조건 하에서 다이아스테이스를 작용시키면 아밀로펙틴은 거의 영향 받지 않고 아밀로오스만을 말토오스 등으로 가수분해 시켜 제거함으로써 아밀로펙틴을 분리할 수 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

일부 전분에서는 실제로 소량의 지방산(fatty acids) 같은 지방질 성분들이 공동(空洞 cavity)에 갇혀있어 에텔 등의 유기용매들(organic solvents)에 의해서 잘 추출되지 않는 사실이 알려져 있다 아밀로오스는 요오드와의 정색(呈色)반응에 의해서 짙은 청색을 나타내나 아밀로펙틴(amylopectin)은 요오드와 이상과 같은 복합체를 거의 형성하지 않으며 따라서 그 정색반응은 자색(purple)이다 한편 글라이코젠(glycogen)도 이와 같은 복합체를 전혀 형성하지 않으며 요오드와의 정색반응은 빨간색이 짙은 자색을 나타낸다

표 6-6아밀로오스의 중합도(degree of polymerization)와 요오드(iodine)와의 복합체들의 색깔 사이의 관계(청색값)

아밀로오스의 종류 중합도

최고 흡수 파장

(wavelength of abs

orption maximum

mμ)

흡수 강도

molar extinction c

oefficient

감자(potato)

타피오카(tapioca)

나리꽃의 구근(lily bulb)

옥수수(corn)

합성 아밀로오스아밀로

덱스트린

500

450

310

250

85

44

628

625

622

618

590

580

43000

41600

41400

40400

32900

25400

아밀로오스의 분자량이 클수록 요오드와의 복합체의 색깔은 더 짙은 즉 더 장파장의 청색을 나타내며 그 색깔도 더 강해짐을 알 수 있다

곡류나 서류 등의 전분에서 추출한 아밀로오스 100g은 대략 18~20mg의 요오드를 흡수 즉 요오드와 복합체를 형성하나 후술하는 아밀로펙틴(amylopectin)의 경우 그 흡수량은 05mg 이하인 사실이 알려져 있다 한편 한 전분 중의 아밀로오스의 함량을 측정하기 위해서 100g의 아밀로오스는 19mg의 요오드를 흡수하는 것으로 가정하여 계산하는 경우가 많다 과거에는 한 전분 중의 아밀로오스와 아밀로펙틴의 상대적인 양적 관계를 표시하는 척도(尺度)로 청색값(blue value)이 경험적인 방법(an empirical method)으로 가끔 사용되어 왔다(Kim H S et al 1974 Kim S K et al 1977 Kim S K 1978) 이 청색값 또는 청색도는 기본적으로 위의 청색정색반응(靑色呈色反應)을 이용한 것이다

아밀로펙틴 아밀로펙틴(amylopectin)은 전분의 또 하나의 구성성분이며 대체로 78에서 83 정도이다 한편 찹쌀 찰옥수수의 전분 등에 있어서는 그 함량은 96 내지 100며 또 고 아밀로오스 함량 옥수수(high amylose maize)에 있어서는 그 함량은 25 내지 50이다 아밀로펙틴은 아밀로오스와는 달리 가지(branch)가 많이 달린 분자구조를 갖고 있다 이 아밀로펙틴의 구성단위인 α-포도당(α-D-glucose)의 결합양식은 아밀로오스의 경우와 마찬가지로 주로 α-1 4-결합이나 분자 중의 가지는 α-1 6-결합에 의해서 형성된다(그림 6-5 참조)

[그림 6-5]직선상인 아밀로오스 분자(a linear amylose molecule)와 여러 개의 가지로 분기된 아밀로펙틴 분자(a branched amylopectin molecule) 일부의 그림 아밀로오스 분자의 일부와 아밀로펙틴 분자의 가지가 달린 부분의 일부의 화학구조를 확대하여 표시하였다

그러나 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합 이외의 다른 형태의 결합이 존재할 가능성도 매우 크다 그것은 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합을 가수분해할 수 있는 효소들을 아밀로펙틴에 작용시킬 때 아밀로펙틴의 분자가 완전히 가수분해 되지 않는다는 사실로써 간접적으로 입증된다 하나의 가지 즉 α-1 6-결합에서 또 하나의 가지 즉 α-1 6-결합까지 사이의 포도당의 평균수는 역시 전분의 종류에 따라 다르다 하니맨(Honeyman J 1959)은 그 수를 대체로 18개에서 27개로 보고 있다(표 6-3 참조) 이 수치는 평균 분자수가 8개 내지 16개인 글라이코젠(glycogen)보다는 가지 수가 적다는 것을 의미한다

표 6-7아밀로펙틴(amylopectin) 분자의 외부 및 내부 체인의 길이

아밀로펙틴의 출처

(sources)

평균체인의 길이(averag

e chain length)

β-아밀레이스의

분해 한계

보 리 (barley)

맥 아 (malt)

옥 수 수 (corn)

밀 (wheat)

감 자 (potato)

타 피 오 카

찰 옥 수 수 (waxy

corn)

261)

17~18

25

23

27

23

25

59

44

63

62

59

62

52

1)하나의 가지에서 또 하나의 가지(branch)까지 사이의 포도당 단위수

아밀로펙틴 분자 형태 세 가지의 분자형태가 제안되어 왔었다 1 소위 박편(薄片) 구조로 특징 지워지는 하워트 모형(the Haworth model) 2 소위 화살깃 구조로 특징 지워지는 수타오딘거 모형(the Staudinger model) 3 소위 수상(樹狀) 구조로 특징 지워지는 마이야 모형(the Meyer model) 등이다(그림 6-6 참조)

3가지 모델중에서 마이야 모델 즉 가지가 나뭇가지 모양으로 분기된 수상구조(樹狀構造)를 갖고 있는 것으로 생각하였었다 그러나 근래에 와서 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 성질(partial crystalline properties)이 아밀로펙틴 분자들(amylopectin molecules) 자체의 성질에 기인하는 사실에 주목하여 왔다 (아밀로오스가 결정성의 영역을 그 분자 내에 갖고 있는 것은 사실이나 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 영역의 존재는 아밀로오스가 아니라 주로 아밀로펙틴 분자들의 부분적인 강한 결정성 영역에 기인하는 것으로 알려져 있다 )

결정성(結晶性) 성질은 분자 내의 강하고도 광범위한 규칙적인 배열에 의해서 일어남으로 분자 내의 전혀 규칙성을 찾을 수 없는 마이어 모델(Meyer model)은 아밀로펙틴 분자들의 부분적으로 결정성을 가진 성질을 설명할 수 없는 난점이 있다 근래에 와서는 여러 클러스터 모델들이 제안됨

C사슬 α-1 4-결합만으로 형성 직선상의 부분(a linear part)이 근간(根幹)이 되어 B사슬 α-1 6-결합을 통해서 많은 가지들(branches)이 클러스터들(clusters)을 형성 A사슬 B사슬로 알려진 부분들 중의 많은 사슬(chains)들은 α-1 6-결합으로 연결된 주로 매우 짧은 제3의 층을 형성

그림 6-8] 아밀로펙틴 분자들의 클러스터 모델(房狀模型 cluster model) B사슬 층(가지가 많은 부분)의 하층은 가지들 사이에 뚜렷한 규칙성을 볼 수 없으나 그 상층부분들에서는 가지들 사이의 배열에 규칙성을 볼 수 있다 전분입자들이 나타내는 결정성(crystallinity)은 아밀로오스 분자들의 성질이 아니라 아밀로펙틴 분자들의 일부 내부구조에 의한 것이 확실해지고 있다

아밀로펙틴 평균분자량 107~108 (아밀로오스 분자량 대략 106 정도) 아밀로펙틴 분자 내에는 적어도 10000개 내지는 100000개 이상의 포도당 구성단위가 중합하여 형성된 것으로 추정할 수 있다 요오드와 아밀로펙틴과의 정색반응에 의한 색깔은 자색이며 아밀로오스나 전분의 짙은 청색과는 다르다 아밀로펙틴이 아밀로오스의 경우와 같은 요오드나 지방산들(fatty acid residue)과 복합체들(complex compounds)을 거의 형성하지 않음을 의미한다

[그림 6-9]대표적인 요오도와의 결합곡선들(typical iodine-binding curves)의 한 예 1 아밀로오스(amylose)에 대해서 2 아밀로펙틴(amylopectin)에 대해서 3 전분(starch)에 대해서 점선은 요오도와의 친화력(affinity)을 얻기 위해서 extrapolation하였음을 표시하여 주고 있다

아밀로펙틴은 요오드(iodine I2)와 거의 응하지 않는다 전분과 요오드와의 정색반응(color reaction)은 주로 전분 내의 아밀로오스에 기인된다

표 6-8아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin)의 성질 비교

아밀로오스 아밀로펙틴

(1) 요오드(iodine)와의 반응 짙은 청색 빨간색-자주색

(2) 청색값(Blue Value)1) 135 005

(3) β- 아밀레이스 추출액 (β-amylase

preparation)과의 반응

95 내지 100가 말토오스

로 가수분해

50가 말토오스로 가수분해

(4) 분자량 40000 내지 340002) 40000 내지 60000002)

(5) 비환원성 말단그룹(non-reducing

end group) 사이의 평균 포도당의

수

200 내지 2100 20 내지 25

(6) X-선 분석 고도의 결정성(crystallinity) 무정형(amorphous)

(7) 물에 대한 용해도(solubility) 거의 녹지 않음(sparingly sol

uble)

잘 녹는다(very soluble)

(8) 수용액(aqueous solution) 속에서

의 안정성(stability)

노화된다(retrogrades) 안정하다(stable)

(9) 아 세 틸 화 된 유 도 체 (acetylated

derivatives)의 성질

섬 유 질 (fibrous) 질 긴 필 름

(tough film)을 형성한다

무 정 형 분 말 (amorphous

powder) 부 스 러 지 기 쉬

운 필름을 형성(brittle film)

젤라틴화 즉 교질화 된 전분의 분산액(分散液 dispersion)에서 전분분자들이 부분적으로나마 결정화되는 과정을 노화(老化 retrogradation)라고 부른다 아밀로펙틴은 노화되는 성질을 갖고 있지 않으며 따라서 100 또는 거의 100가 아밀로펙틴으로 형성되고 있는 찹쌀이나 찰옥수수의 전분들은 노화현상을 잘 보여주지 않는다 같은 α-포도당이 구성단위가 되고 있는 글라이코젠(glycogen)의 경우 그 가지는 아밀로펙틴보다 더 많으며 그 분자형태도 구형(球形 a spherical form)을 이루고 있기 때문에 그 분산액은 교질화도 일으키지 않으며 따라서 노화현상도 없는 사실이 잘 알려져 있다

아밀로오스는 교질화((膠質化) 즉 젤라틴화(gelatinization)를 쉽게 일으키나 이것은 아밀로오스의 긴 직선상의 형태(linear molecular shape)에 기인된 듯하다 반면에 아밀로펙틴은 쉽게 젤라틴화 되지 않으며 그 원인도 역시 아밀로펙틴 분자들의 가지가 많은 분자구조에 기인된 듯하다 한편 젤라틴화 된 전분 분산액 더 엄격하게는 분산 시스템 또는 분산체(starch dispersion)에서 아밀로오스는 쉽게 부분적으로나마 결정화되는 경향이 있으나 아밀로펙틴은 분자들이 일단 분산된 후에는 서로 얽혀진 많은 수의 가지 때문에 부분적으로나마 결정화(crystallization)되기에는 너무 힘든 상태가 되는 것으로 믿어지고 있다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분리 1 아밀로오스 복합체 형성에 의한 분리 오래 전부터 알려진 방법으로써 가틴 그루제우스카(Gatin- Gruzewska Z 1908 1911 Radley J A 1954 참조)에 의해서 개발된 방법이 있다 이 방법에서는 3의 전분 용액에 소량의 40탄산 소오다(Na2Co3)용액을 가한 다음에 다시 95의 에탄올(EtOH)용액을 가하여 아밀로펙틴만을 침전시킨 후 이 침전을 씻고 다시 투석(透析 dialysis)으로 무기염 등을 제거하여 정제 아밀로펙틴을 얻는다

숏호(Schoch T J 1942)와 하워트들(Haworth W N et al 1946 Radley J A 1954 참조)은 전분 중의 아밀로오스 성분이 뷰타놀(butanol) 노말-아밀 알콜(n-amyl alcohol) 타이몰(thymol) 지방산들과 결합하여 결정성 복합체(crystalline complex)를 형성하는 성질을 이용하여 묽은 전분의 현탁액에 뷰타놀 등을 가한 후 형성되는 아밀로오스와 이들 알콜들과의 결정성 복합체들을 침전시킨 다음에 남은 아밀로펙틴을 원심분리기로 분리하는 방법을 설명하고 있다

2 전기 영동법에 의한 분리 자메크들(Samec M et al 1926)은 감자 전분의 아밀로오스와 아밀로펙틴을 전기 영동법(electrophoretic method)을 사용하여 분리하는데 성공한 바 있다 특히 감자전분의 경우 여기에 함유된 아밀로펙틴은 그 분자 속에 에스터화 된 인산그룹들(esterified phosphoric acid groups)을 함유하고 있기 때문에 비교적 강한 음전하(nagative charge)를 갖고 있으며 따라서 전분의 현탁액에 전류를 통하면 아밀로펙틴은 쉽게 양극(anode)으로 이동하는 성질이 있으므로 전기 영동법에 의해서 쉽게 분리할 수 있다고 한다 이 방법은 인산(phosphoric acid)이나 지방산(fatty acid)들이 아밀로펙틴과 화학적으로 결합되어 있지 않는 곡류 전분에는 적용할 수 없다

3 열수 추출법전분의 현탁액을 60~100로 가열할 때는 전분입자들(starch granules)은 팽윤(swelling)되면서 분자량이 상대적으로 훨씬 적으며 따라서 운동성(mobility)이 더 큰 아밀로오스 분자들은 팽윤된 전분입자들에서 빠져나가게(leaching)된다 한편 대부분의 아밀로펙틴 분자들은 전분입자 내에서 서로 결합상태 또는 부분적인 결정성을 그대로 유지하면서 남게 된다 수용액에 풀어져 나온 아밀로오스는 이상의 현탁액을 원심분리(centrifuge)한 후 상등액(supernatant)에서 얻을 수가 있다

4 효소 링들(Ling A R et al 1923)은 아밀로오스와 아밀로펙틴에 대한 특정 효소들의 작용의 차이를 이용하고 있다 즉 α- 및 β-아밀레이스들(α- β-amylases)의 혼합물인 다이아스테이스(diastase)는 아밀로펙틴보다 아밀로오스에 더 강하게 작용하므로 전분의 젤(gel) 즉 교질용액에 어떤 조정된 조건 하에서 다이아스테이스를 작용시키면 아밀로펙틴은 거의 영향 받지 않고 아밀로오스만을 말토오스 등으로 가수분해 시켜 제거함으로써 아밀로펙틴을 분리할 수 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

표 6-6아밀로오스의 중합도(degree of polymerization)와 요오드(iodine)와의 복합체들의 색깔 사이의 관계(청색값)

아밀로오스의 종류 중합도

최고 흡수 파장

(wavelength of abs

orption maximum

mμ)

흡수 강도

molar extinction c

oefficient

감자(potato)

타피오카(tapioca)

나리꽃의 구근(lily bulb)

옥수수(corn)

합성 아밀로오스아밀로

덱스트린

500

450

310

250

85

44

628

625

622

618

590

580

43000

41600

41400

40400

32900

25400

아밀로오스의 분자량이 클수록 요오드와의 복합체의 색깔은 더 짙은 즉 더 장파장의 청색을 나타내며 그 색깔도 더 강해짐을 알 수 있다

곡류나 서류 등의 전분에서 추출한 아밀로오스 100g은 대략 18~20mg의 요오드를 흡수 즉 요오드와 복합체를 형성하나 후술하는 아밀로펙틴(amylopectin)의 경우 그 흡수량은 05mg 이하인 사실이 알려져 있다 한편 한 전분 중의 아밀로오스의 함량을 측정하기 위해서 100g의 아밀로오스는 19mg의 요오드를 흡수하는 것으로 가정하여 계산하는 경우가 많다 과거에는 한 전분 중의 아밀로오스와 아밀로펙틴의 상대적인 양적 관계를 표시하는 척도(尺度)로 청색값(blue value)이 경험적인 방법(an empirical method)으로 가끔 사용되어 왔다(Kim H S et al 1974 Kim S K et al 1977 Kim S K 1978) 이 청색값 또는 청색도는 기본적으로 위의 청색정색반응(靑色呈色反應)을 이용한 것이다

아밀로펙틴 아밀로펙틴(amylopectin)은 전분의 또 하나의 구성성분이며 대체로 78에서 83 정도이다 한편 찹쌀 찰옥수수의 전분 등에 있어서는 그 함량은 96 내지 100며 또 고 아밀로오스 함량 옥수수(high amylose maize)에 있어서는 그 함량은 25 내지 50이다 아밀로펙틴은 아밀로오스와는 달리 가지(branch)가 많이 달린 분자구조를 갖고 있다 이 아밀로펙틴의 구성단위인 α-포도당(α-D-glucose)의 결합양식은 아밀로오스의 경우와 마찬가지로 주로 α-1 4-결합이나 분자 중의 가지는 α-1 6-결합에 의해서 형성된다(그림 6-5 참조)

[그림 6-5]직선상인 아밀로오스 분자(a linear amylose molecule)와 여러 개의 가지로 분기된 아밀로펙틴 분자(a branched amylopectin molecule) 일부의 그림 아밀로오스 분자의 일부와 아밀로펙틴 분자의 가지가 달린 부분의 일부의 화학구조를 확대하여 표시하였다

그러나 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합 이외의 다른 형태의 결합이 존재할 가능성도 매우 크다 그것은 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합을 가수분해할 수 있는 효소들을 아밀로펙틴에 작용시킬 때 아밀로펙틴의 분자가 완전히 가수분해 되지 않는다는 사실로써 간접적으로 입증된다 하나의 가지 즉 α-1 6-결합에서 또 하나의 가지 즉 α-1 6-결합까지 사이의 포도당의 평균수는 역시 전분의 종류에 따라 다르다 하니맨(Honeyman J 1959)은 그 수를 대체로 18개에서 27개로 보고 있다(표 6-3 참조) 이 수치는 평균 분자수가 8개 내지 16개인 글라이코젠(glycogen)보다는 가지 수가 적다는 것을 의미한다

표 6-7아밀로펙틴(amylopectin) 분자의 외부 및 내부 체인의 길이

아밀로펙틴의 출처

(sources)

평균체인의 길이(averag

e chain length)

β-아밀레이스의

분해 한계

보 리 (barley)

맥 아 (malt)

옥 수 수 (corn)

밀 (wheat)

감 자 (potato)

타 피 오 카

찰 옥 수 수 (waxy

corn)

261)

17~18

25

23

27

23

25

59

44

63

62

59

62

52

1)하나의 가지에서 또 하나의 가지(branch)까지 사이의 포도당 단위수

아밀로펙틴 분자 형태 세 가지의 분자형태가 제안되어 왔었다 1 소위 박편(薄片) 구조로 특징 지워지는 하워트 모형(the Haworth model) 2 소위 화살깃 구조로 특징 지워지는 수타오딘거 모형(the Staudinger model) 3 소위 수상(樹狀) 구조로 특징 지워지는 마이야 모형(the Meyer model) 등이다(그림 6-6 참조)

3가지 모델중에서 마이야 모델 즉 가지가 나뭇가지 모양으로 분기된 수상구조(樹狀構造)를 갖고 있는 것으로 생각하였었다 그러나 근래에 와서 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 성질(partial crystalline properties)이 아밀로펙틴 분자들(amylopectin molecules) 자체의 성질에 기인하는 사실에 주목하여 왔다 (아밀로오스가 결정성의 영역을 그 분자 내에 갖고 있는 것은 사실이나 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 영역의 존재는 아밀로오스가 아니라 주로 아밀로펙틴 분자들의 부분적인 강한 결정성 영역에 기인하는 것으로 알려져 있다 )

결정성(結晶性) 성질은 분자 내의 강하고도 광범위한 규칙적인 배열에 의해서 일어남으로 분자 내의 전혀 규칙성을 찾을 수 없는 마이어 모델(Meyer model)은 아밀로펙틴 분자들의 부분적으로 결정성을 가진 성질을 설명할 수 없는 난점이 있다 근래에 와서는 여러 클러스터 모델들이 제안됨

C사슬 α-1 4-결합만으로 형성 직선상의 부분(a linear part)이 근간(根幹)이 되어 B사슬 α-1 6-결합을 통해서 많은 가지들(branches)이 클러스터들(clusters)을 형성 A사슬 B사슬로 알려진 부분들 중의 많은 사슬(chains)들은 α-1 6-결합으로 연결된 주로 매우 짧은 제3의 층을 형성

그림 6-8] 아밀로펙틴 분자들의 클러스터 모델(房狀模型 cluster model) B사슬 층(가지가 많은 부분)의 하층은 가지들 사이에 뚜렷한 규칙성을 볼 수 없으나 그 상층부분들에서는 가지들 사이의 배열에 규칙성을 볼 수 있다 전분입자들이 나타내는 결정성(crystallinity)은 아밀로오스 분자들의 성질이 아니라 아밀로펙틴 분자들의 일부 내부구조에 의한 것이 확실해지고 있다

아밀로펙틴 평균분자량 107~108 (아밀로오스 분자량 대략 106 정도) 아밀로펙틴 분자 내에는 적어도 10000개 내지는 100000개 이상의 포도당 구성단위가 중합하여 형성된 것으로 추정할 수 있다 요오드와 아밀로펙틴과의 정색반응에 의한 색깔은 자색이며 아밀로오스나 전분의 짙은 청색과는 다르다 아밀로펙틴이 아밀로오스의 경우와 같은 요오드나 지방산들(fatty acid residue)과 복합체들(complex compounds)을 거의 형성하지 않음을 의미한다

[그림 6-9]대표적인 요오도와의 결합곡선들(typical iodine-binding curves)의 한 예 1 아밀로오스(amylose)에 대해서 2 아밀로펙틴(amylopectin)에 대해서 3 전분(starch)에 대해서 점선은 요오도와의 친화력(affinity)을 얻기 위해서 extrapolation하였음을 표시하여 주고 있다

아밀로펙틴은 요오드(iodine I2)와 거의 응하지 않는다 전분과 요오드와의 정색반응(color reaction)은 주로 전분 내의 아밀로오스에 기인된다

표 6-8아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin)의 성질 비교

아밀로오스 아밀로펙틴

(1) 요오드(iodine)와의 반응 짙은 청색 빨간색-자주색

(2) 청색값(Blue Value)1) 135 005

(3) β- 아밀레이스 추출액 (β-amylase

preparation)과의 반응

95 내지 100가 말토오스

로 가수분해

50가 말토오스로 가수분해

(4) 분자량 40000 내지 340002) 40000 내지 60000002)

(5) 비환원성 말단그룹(non-reducing

end group) 사이의 평균 포도당의

수

200 내지 2100 20 내지 25

(6) X-선 분석 고도의 결정성(crystallinity) 무정형(amorphous)

(7) 물에 대한 용해도(solubility) 거의 녹지 않음(sparingly sol

uble)

잘 녹는다(very soluble)

(8) 수용액(aqueous solution) 속에서

의 안정성(stability)

노화된다(retrogrades) 안정하다(stable)

(9) 아 세 틸 화 된 유 도 체 (acetylated

derivatives)의 성질

섬 유 질 (fibrous) 질 긴 필 름

(tough film)을 형성한다

무 정 형 분 말 (amorphous

powder) 부 스 러 지 기 쉬

운 필름을 형성(brittle film)

젤라틴화 즉 교질화 된 전분의 분산액(分散液 dispersion)에서 전분분자들이 부분적으로나마 결정화되는 과정을 노화(老化 retrogradation)라고 부른다 아밀로펙틴은 노화되는 성질을 갖고 있지 않으며 따라서 100 또는 거의 100가 아밀로펙틴으로 형성되고 있는 찹쌀이나 찰옥수수의 전분들은 노화현상을 잘 보여주지 않는다 같은 α-포도당이 구성단위가 되고 있는 글라이코젠(glycogen)의 경우 그 가지는 아밀로펙틴보다 더 많으며 그 분자형태도 구형(球形 a spherical form)을 이루고 있기 때문에 그 분산액은 교질화도 일으키지 않으며 따라서 노화현상도 없는 사실이 잘 알려져 있다

아밀로오스는 교질화((膠質化) 즉 젤라틴화(gelatinization)를 쉽게 일으키나 이것은 아밀로오스의 긴 직선상의 형태(linear molecular shape)에 기인된 듯하다 반면에 아밀로펙틴은 쉽게 젤라틴화 되지 않으며 그 원인도 역시 아밀로펙틴 분자들의 가지가 많은 분자구조에 기인된 듯하다 한편 젤라틴화 된 전분 분산액 더 엄격하게는 분산 시스템 또는 분산체(starch dispersion)에서 아밀로오스는 쉽게 부분적으로나마 결정화되는 경향이 있으나 아밀로펙틴은 분자들이 일단 분산된 후에는 서로 얽혀진 많은 수의 가지 때문에 부분적으로나마 결정화(crystallization)되기에는 너무 힘든 상태가 되는 것으로 믿어지고 있다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분리 1 아밀로오스 복합체 형성에 의한 분리 오래 전부터 알려진 방법으로써 가틴 그루제우스카(Gatin- Gruzewska Z 1908 1911 Radley J A 1954 참조)에 의해서 개발된 방법이 있다 이 방법에서는 3의 전분 용액에 소량의 40탄산 소오다(Na2Co3)용액을 가한 다음에 다시 95의 에탄올(EtOH)용액을 가하여 아밀로펙틴만을 침전시킨 후 이 침전을 씻고 다시 투석(透析 dialysis)으로 무기염 등을 제거하여 정제 아밀로펙틴을 얻는다

숏호(Schoch T J 1942)와 하워트들(Haworth W N et al 1946 Radley J A 1954 참조)은 전분 중의 아밀로오스 성분이 뷰타놀(butanol) 노말-아밀 알콜(n-amyl alcohol) 타이몰(thymol) 지방산들과 결합하여 결정성 복합체(crystalline complex)를 형성하는 성질을 이용하여 묽은 전분의 현탁액에 뷰타놀 등을 가한 후 형성되는 아밀로오스와 이들 알콜들과의 결정성 복합체들을 침전시킨 다음에 남은 아밀로펙틴을 원심분리기로 분리하는 방법을 설명하고 있다

2 전기 영동법에 의한 분리 자메크들(Samec M et al 1926)은 감자 전분의 아밀로오스와 아밀로펙틴을 전기 영동법(electrophoretic method)을 사용하여 분리하는데 성공한 바 있다 특히 감자전분의 경우 여기에 함유된 아밀로펙틴은 그 분자 속에 에스터화 된 인산그룹들(esterified phosphoric acid groups)을 함유하고 있기 때문에 비교적 강한 음전하(nagative charge)를 갖고 있으며 따라서 전분의 현탁액에 전류를 통하면 아밀로펙틴은 쉽게 양극(anode)으로 이동하는 성질이 있으므로 전기 영동법에 의해서 쉽게 분리할 수 있다고 한다 이 방법은 인산(phosphoric acid)이나 지방산(fatty acid)들이 아밀로펙틴과 화학적으로 결합되어 있지 않는 곡류 전분에는 적용할 수 없다

3 열수 추출법전분의 현탁액을 60~100로 가열할 때는 전분입자들(starch granules)은 팽윤(swelling)되면서 분자량이 상대적으로 훨씬 적으며 따라서 운동성(mobility)이 더 큰 아밀로오스 분자들은 팽윤된 전분입자들에서 빠져나가게(leaching)된다 한편 대부분의 아밀로펙틴 분자들은 전분입자 내에서 서로 결합상태 또는 부분적인 결정성을 그대로 유지하면서 남게 된다 수용액에 풀어져 나온 아밀로오스는 이상의 현탁액을 원심분리(centrifuge)한 후 상등액(supernatant)에서 얻을 수가 있다

4 효소 링들(Ling A R et al 1923)은 아밀로오스와 아밀로펙틴에 대한 특정 효소들의 작용의 차이를 이용하고 있다 즉 α- 및 β-아밀레이스들(α- β-amylases)의 혼합물인 다이아스테이스(diastase)는 아밀로펙틴보다 아밀로오스에 더 강하게 작용하므로 전분의 젤(gel) 즉 교질용액에 어떤 조정된 조건 하에서 다이아스테이스를 작용시키면 아밀로펙틴은 거의 영향 받지 않고 아밀로오스만을 말토오스 등으로 가수분해 시켜 제거함으로써 아밀로펙틴을 분리할 수 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

곡류나 서류 등의 전분에서 추출한 아밀로오스 100g은 대략 18~20mg의 요오드를 흡수 즉 요오드와 복합체를 형성하나 후술하는 아밀로펙틴(amylopectin)의 경우 그 흡수량은 05mg 이하인 사실이 알려져 있다 한편 한 전분 중의 아밀로오스의 함량을 측정하기 위해서 100g의 아밀로오스는 19mg의 요오드를 흡수하는 것으로 가정하여 계산하는 경우가 많다 과거에는 한 전분 중의 아밀로오스와 아밀로펙틴의 상대적인 양적 관계를 표시하는 척도(尺度)로 청색값(blue value)이 경험적인 방법(an empirical method)으로 가끔 사용되어 왔다(Kim H S et al 1974 Kim S K et al 1977 Kim S K 1978) 이 청색값 또는 청색도는 기본적으로 위의 청색정색반응(靑色呈色反應)을 이용한 것이다

아밀로펙틴 아밀로펙틴(amylopectin)은 전분의 또 하나의 구성성분이며 대체로 78에서 83 정도이다 한편 찹쌀 찰옥수수의 전분 등에 있어서는 그 함량은 96 내지 100며 또 고 아밀로오스 함량 옥수수(high amylose maize)에 있어서는 그 함량은 25 내지 50이다 아밀로펙틴은 아밀로오스와는 달리 가지(branch)가 많이 달린 분자구조를 갖고 있다 이 아밀로펙틴의 구성단위인 α-포도당(α-D-glucose)의 결합양식은 아밀로오스의 경우와 마찬가지로 주로 α-1 4-결합이나 분자 중의 가지는 α-1 6-결합에 의해서 형성된다(그림 6-5 참조)

[그림 6-5]직선상인 아밀로오스 분자(a linear amylose molecule)와 여러 개의 가지로 분기된 아밀로펙틴 분자(a branched amylopectin molecule) 일부의 그림 아밀로오스 분자의 일부와 아밀로펙틴 분자의 가지가 달린 부분의 일부의 화학구조를 확대하여 표시하였다

그러나 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합 이외의 다른 형태의 결합이 존재할 가능성도 매우 크다 그것은 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합을 가수분해할 수 있는 효소들을 아밀로펙틴에 작용시킬 때 아밀로펙틴의 분자가 완전히 가수분해 되지 않는다는 사실로써 간접적으로 입증된다 하나의 가지 즉 α-1 6-결합에서 또 하나의 가지 즉 α-1 6-결합까지 사이의 포도당의 평균수는 역시 전분의 종류에 따라 다르다 하니맨(Honeyman J 1959)은 그 수를 대체로 18개에서 27개로 보고 있다(표 6-3 참조) 이 수치는 평균 분자수가 8개 내지 16개인 글라이코젠(glycogen)보다는 가지 수가 적다는 것을 의미한다

표 6-7아밀로펙틴(amylopectin) 분자의 외부 및 내부 체인의 길이

아밀로펙틴의 출처

(sources)

평균체인의 길이(averag

e chain length)

β-아밀레이스의

분해 한계

보 리 (barley)

맥 아 (malt)

옥 수 수 (corn)

밀 (wheat)

감 자 (potato)

타 피 오 카

찰 옥 수 수 (waxy

corn)

261)

17~18

25

23

27

23

25

59

44

63

62

59

62

52

1)하나의 가지에서 또 하나의 가지(branch)까지 사이의 포도당 단위수

아밀로펙틴 분자 형태 세 가지의 분자형태가 제안되어 왔었다 1 소위 박편(薄片) 구조로 특징 지워지는 하워트 모형(the Haworth model) 2 소위 화살깃 구조로 특징 지워지는 수타오딘거 모형(the Staudinger model) 3 소위 수상(樹狀) 구조로 특징 지워지는 마이야 모형(the Meyer model) 등이다(그림 6-6 참조)

3가지 모델중에서 마이야 모델 즉 가지가 나뭇가지 모양으로 분기된 수상구조(樹狀構造)를 갖고 있는 것으로 생각하였었다 그러나 근래에 와서 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 성질(partial crystalline properties)이 아밀로펙틴 분자들(amylopectin molecules) 자체의 성질에 기인하는 사실에 주목하여 왔다 (아밀로오스가 결정성의 영역을 그 분자 내에 갖고 있는 것은 사실이나 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 영역의 존재는 아밀로오스가 아니라 주로 아밀로펙틴 분자들의 부분적인 강한 결정성 영역에 기인하는 것으로 알려져 있다 )

결정성(結晶性) 성질은 분자 내의 강하고도 광범위한 규칙적인 배열에 의해서 일어남으로 분자 내의 전혀 규칙성을 찾을 수 없는 마이어 모델(Meyer model)은 아밀로펙틴 분자들의 부분적으로 결정성을 가진 성질을 설명할 수 없는 난점이 있다 근래에 와서는 여러 클러스터 모델들이 제안됨

C사슬 α-1 4-결합만으로 형성 직선상의 부분(a linear part)이 근간(根幹)이 되어 B사슬 α-1 6-결합을 통해서 많은 가지들(branches)이 클러스터들(clusters)을 형성 A사슬 B사슬로 알려진 부분들 중의 많은 사슬(chains)들은 α-1 6-결합으로 연결된 주로 매우 짧은 제3의 층을 형성

그림 6-8] 아밀로펙틴 분자들의 클러스터 모델(房狀模型 cluster model) B사슬 층(가지가 많은 부분)의 하층은 가지들 사이에 뚜렷한 규칙성을 볼 수 없으나 그 상층부분들에서는 가지들 사이의 배열에 규칙성을 볼 수 있다 전분입자들이 나타내는 결정성(crystallinity)은 아밀로오스 분자들의 성질이 아니라 아밀로펙틴 분자들의 일부 내부구조에 의한 것이 확실해지고 있다

아밀로펙틴 평균분자량 107~108 (아밀로오스 분자량 대략 106 정도) 아밀로펙틴 분자 내에는 적어도 10000개 내지는 100000개 이상의 포도당 구성단위가 중합하여 형성된 것으로 추정할 수 있다 요오드와 아밀로펙틴과의 정색반응에 의한 색깔은 자색이며 아밀로오스나 전분의 짙은 청색과는 다르다 아밀로펙틴이 아밀로오스의 경우와 같은 요오드나 지방산들(fatty acid residue)과 복합체들(complex compounds)을 거의 형성하지 않음을 의미한다

[그림 6-9]대표적인 요오도와의 결합곡선들(typical iodine-binding curves)의 한 예 1 아밀로오스(amylose)에 대해서 2 아밀로펙틴(amylopectin)에 대해서 3 전분(starch)에 대해서 점선은 요오도와의 친화력(affinity)을 얻기 위해서 extrapolation하였음을 표시하여 주고 있다

아밀로펙틴은 요오드(iodine I2)와 거의 응하지 않는다 전분과 요오드와의 정색반응(color reaction)은 주로 전분 내의 아밀로오스에 기인된다

표 6-8아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin)의 성질 비교

아밀로오스 아밀로펙틴

(1) 요오드(iodine)와의 반응 짙은 청색 빨간색-자주색

(2) 청색값(Blue Value)1) 135 005

(3) β- 아밀레이스 추출액 (β-amylase

preparation)과의 반응

95 내지 100가 말토오스

로 가수분해

50가 말토오스로 가수분해

(4) 분자량 40000 내지 340002) 40000 내지 60000002)

(5) 비환원성 말단그룹(non-reducing

end group) 사이의 평균 포도당의

수

200 내지 2100 20 내지 25

(6) X-선 분석 고도의 결정성(crystallinity) 무정형(amorphous)

(7) 물에 대한 용해도(solubility) 거의 녹지 않음(sparingly sol

uble)

잘 녹는다(very soluble)

(8) 수용액(aqueous solution) 속에서

의 안정성(stability)

노화된다(retrogrades) 안정하다(stable)

(9) 아 세 틸 화 된 유 도 체 (acetylated

derivatives)의 성질

섬 유 질 (fibrous) 질 긴 필 름

(tough film)을 형성한다

무 정 형 분 말 (amorphous

powder) 부 스 러 지 기 쉬

운 필름을 형성(brittle film)

젤라틴화 즉 교질화 된 전분의 분산액(分散液 dispersion)에서 전분분자들이 부분적으로나마 결정화되는 과정을 노화(老化 retrogradation)라고 부른다 아밀로펙틴은 노화되는 성질을 갖고 있지 않으며 따라서 100 또는 거의 100가 아밀로펙틴으로 형성되고 있는 찹쌀이나 찰옥수수의 전분들은 노화현상을 잘 보여주지 않는다 같은 α-포도당이 구성단위가 되고 있는 글라이코젠(glycogen)의 경우 그 가지는 아밀로펙틴보다 더 많으며 그 분자형태도 구형(球形 a spherical form)을 이루고 있기 때문에 그 분산액은 교질화도 일으키지 않으며 따라서 노화현상도 없는 사실이 잘 알려져 있다

아밀로오스는 교질화((膠質化) 즉 젤라틴화(gelatinization)를 쉽게 일으키나 이것은 아밀로오스의 긴 직선상의 형태(linear molecular shape)에 기인된 듯하다 반면에 아밀로펙틴은 쉽게 젤라틴화 되지 않으며 그 원인도 역시 아밀로펙틴 분자들의 가지가 많은 분자구조에 기인된 듯하다 한편 젤라틴화 된 전분 분산액 더 엄격하게는 분산 시스템 또는 분산체(starch dispersion)에서 아밀로오스는 쉽게 부분적으로나마 결정화되는 경향이 있으나 아밀로펙틴은 분자들이 일단 분산된 후에는 서로 얽혀진 많은 수의 가지 때문에 부분적으로나마 결정화(crystallization)되기에는 너무 힘든 상태가 되는 것으로 믿어지고 있다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분리 1 아밀로오스 복합체 형성에 의한 분리 오래 전부터 알려진 방법으로써 가틴 그루제우스카(Gatin- Gruzewska Z 1908 1911 Radley J A 1954 참조)에 의해서 개발된 방법이 있다 이 방법에서는 3의 전분 용액에 소량의 40탄산 소오다(Na2Co3)용액을 가한 다음에 다시 95의 에탄올(EtOH)용액을 가하여 아밀로펙틴만을 침전시킨 후 이 침전을 씻고 다시 투석(透析 dialysis)으로 무기염 등을 제거하여 정제 아밀로펙틴을 얻는다

숏호(Schoch T J 1942)와 하워트들(Haworth W N et al 1946 Radley J A 1954 참조)은 전분 중의 아밀로오스 성분이 뷰타놀(butanol) 노말-아밀 알콜(n-amyl alcohol) 타이몰(thymol) 지방산들과 결합하여 결정성 복합체(crystalline complex)를 형성하는 성질을 이용하여 묽은 전분의 현탁액에 뷰타놀 등을 가한 후 형성되는 아밀로오스와 이들 알콜들과의 결정성 복합체들을 침전시킨 다음에 남은 아밀로펙틴을 원심분리기로 분리하는 방법을 설명하고 있다

2 전기 영동법에 의한 분리 자메크들(Samec M et al 1926)은 감자 전분의 아밀로오스와 아밀로펙틴을 전기 영동법(electrophoretic method)을 사용하여 분리하는데 성공한 바 있다 특히 감자전분의 경우 여기에 함유된 아밀로펙틴은 그 분자 속에 에스터화 된 인산그룹들(esterified phosphoric acid groups)을 함유하고 있기 때문에 비교적 강한 음전하(nagative charge)를 갖고 있으며 따라서 전분의 현탁액에 전류를 통하면 아밀로펙틴은 쉽게 양극(anode)으로 이동하는 성질이 있으므로 전기 영동법에 의해서 쉽게 분리할 수 있다고 한다 이 방법은 인산(phosphoric acid)이나 지방산(fatty acid)들이 아밀로펙틴과 화학적으로 결합되어 있지 않는 곡류 전분에는 적용할 수 없다

3 열수 추출법전분의 현탁액을 60~100로 가열할 때는 전분입자들(starch granules)은 팽윤(swelling)되면서 분자량이 상대적으로 훨씬 적으며 따라서 운동성(mobility)이 더 큰 아밀로오스 분자들은 팽윤된 전분입자들에서 빠져나가게(leaching)된다 한편 대부분의 아밀로펙틴 분자들은 전분입자 내에서 서로 결합상태 또는 부분적인 결정성을 그대로 유지하면서 남게 된다 수용액에 풀어져 나온 아밀로오스는 이상의 현탁액을 원심분리(centrifuge)한 후 상등액(supernatant)에서 얻을 수가 있다

4 효소 링들(Ling A R et al 1923)은 아밀로오스와 아밀로펙틴에 대한 특정 효소들의 작용의 차이를 이용하고 있다 즉 α- 및 β-아밀레이스들(α- β-amylases)의 혼합물인 다이아스테이스(diastase)는 아밀로펙틴보다 아밀로오스에 더 강하게 작용하므로 전분의 젤(gel) 즉 교질용액에 어떤 조정된 조건 하에서 다이아스테이스를 작용시키면 아밀로펙틴은 거의 영향 받지 않고 아밀로오스만을 말토오스 등으로 가수분해 시켜 제거함으로써 아밀로펙틴을 분리할 수 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

아밀로펙틴 아밀로펙틴(amylopectin)은 전분의 또 하나의 구성성분이며 대체로 78에서 83 정도이다 한편 찹쌀 찰옥수수의 전분 등에 있어서는 그 함량은 96 내지 100며 또 고 아밀로오스 함량 옥수수(high amylose maize)에 있어서는 그 함량은 25 내지 50이다 아밀로펙틴은 아밀로오스와는 달리 가지(branch)가 많이 달린 분자구조를 갖고 있다 이 아밀로펙틴의 구성단위인 α-포도당(α-D-glucose)의 결합양식은 아밀로오스의 경우와 마찬가지로 주로 α-1 4-결합이나 분자 중의 가지는 α-1 6-결합에 의해서 형성된다(그림 6-5 참조)

[그림 6-5]직선상인 아밀로오스 분자(a linear amylose molecule)와 여러 개의 가지로 분기된 아밀로펙틴 분자(a branched amylopectin molecule) 일부의 그림 아밀로오스 분자의 일부와 아밀로펙틴 분자의 가지가 달린 부분의 일부의 화학구조를 확대하여 표시하였다

그러나 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합 이외의 다른 형태의 결합이 존재할 가능성도 매우 크다 그것은 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합을 가수분해할 수 있는 효소들을 아밀로펙틴에 작용시킬 때 아밀로펙틴의 분자가 완전히 가수분해 되지 않는다는 사실로써 간접적으로 입증된다 하나의 가지 즉 α-1 6-결합에서 또 하나의 가지 즉 α-1 6-결합까지 사이의 포도당의 평균수는 역시 전분의 종류에 따라 다르다 하니맨(Honeyman J 1959)은 그 수를 대체로 18개에서 27개로 보고 있다(표 6-3 참조) 이 수치는 평균 분자수가 8개 내지 16개인 글라이코젠(glycogen)보다는 가지 수가 적다는 것을 의미한다

표 6-7아밀로펙틴(amylopectin) 분자의 외부 및 내부 체인의 길이

아밀로펙틴의 출처

(sources)

평균체인의 길이(averag

e chain length)

β-아밀레이스의

분해 한계

보 리 (barley)

맥 아 (malt)

옥 수 수 (corn)

밀 (wheat)

감 자 (potato)

타 피 오 카

찰 옥 수 수 (waxy

corn)

261)

17~18

25

23

27

23

25

59

44

63

62

59

62

52

1)하나의 가지에서 또 하나의 가지(branch)까지 사이의 포도당 단위수

아밀로펙틴 분자 형태 세 가지의 분자형태가 제안되어 왔었다 1 소위 박편(薄片) 구조로 특징 지워지는 하워트 모형(the Haworth model) 2 소위 화살깃 구조로 특징 지워지는 수타오딘거 모형(the Staudinger model) 3 소위 수상(樹狀) 구조로 특징 지워지는 마이야 모형(the Meyer model) 등이다(그림 6-6 참조)

3가지 모델중에서 마이야 모델 즉 가지가 나뭇가지 모양으로 분기된 수상구조(樹狀構造)를 갖고 있는 것으로 생각하였었다 그러나 근래에 와서 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 성질(partial crystalline properties)이 아밀로펙틴 분자들(amylopectin molecules) 자체의 성질에 기인하는 사실에 주목하여 왔다 (아밀로오스가 결정성의 영역을 그 분자 내에 갖고 있는 것은 사실이나 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 영역의 존재는 아밀로오스가 아니라 주로 아밀로펙틴 분자들의 부분적인 강한 결정성 영역에 기인하는 것으로 알려져 있다 )

결정성(結晶性) 성질은 분자 내의 강하고도 광범위한 규칙적인 배열에 의해서 일어남으로 분자 내의 전혀 규칙성을 찾을 수 없는 마이어 모델(Meyer model)은 아밀로펙틴 분자들의 부분적으로 결정성을 가진 성질을 설명할 수 없는 난점이 있다 근래에 와서는 여러 클러스터 모델들이 제안됨

C사슬 α-1 4-결합만으로 형성 직선상의 부분(a linear part)이 근간(根幹)이 되어 B사슬 α-1 6-결합을 통해서 많은 가지들(branches)이 클러스터들(clusters)을 형성 A사슬 B사슬로 알려진 부분들 중의 많은 사슬(chains)들은 α-1 6-결합으로 연결된 주로 매우 짧은 제3의 층을 형성

그림 6-8] 아밀로펙틴 분자들의 클러스터 모델(房狀模型 cluster model) B사슬 층(가지가 많은 부분)의 하층은 가지들 사이에 뚜렷한 규칙성을 볼 수 없으나 그 상층부분들에서는 가지들 사이의 배열에 규칙성을 볼 수 있다 전분입자들이 나타내는 결정성(crystallinity)은 아밀로오스 분자들의 성질이 아니라 아밀로펙틴 분자들의 일부 내부구조에 의한 것이 확실해지고 있다

아밀로펙틴 평균분자량 107~108 (아밀로오스 분자량 대략 106 정도) 아밀로펙틴 분자 내에는 적어도 10000개 내지는 100000개 이상의 포도당 구성단위가 중합하여 형성된 것으로 추정할 수 있다 요오드와 아밀로펙틴과의 정색반응에 의한 색깔은 자색이며 아밀로오스나 전분의 짙은 청색과는 다르다 아밀로펙틴이 아밀로오스의 경우와 같은 요오드나 지방산들(fatty acid residue)과 복합체들(complex compounds)을 거의 형성하지 않음을 의미한다

[그림 6-9]대표적인 요오도와의 결합곡선들(typical iodine-binding curves)의 한 예 1 아밀로오스(amylose)에 대해서 2 아밀로펙틴(amylopectin)에 대해서 3 전분(starch)에 대해서 점선은 요오도와의 친화력(affinity)을 얻기 위해서 extrapolation하였음을 표시하여 주고 있다

아밀로펙틴은 요오드(iodine I2)와 거의 응하지 않는다 전분과 요오드와의 정색반응(color reaction)은 주로 전분 내의 아밀로오스에 기인된다

표 6-8아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin)의 성질 비교

아밀로오스 아밀로펙틴

(1) 요오드(iodine)와의 반응 짙은 청색 빨간색-자주색

(2) 청색값(Blue Value)1) 135 005

(3) β- 아밀레이스 추출액 (β-amylase

preparation)과의 반응

95 내지 100가 말토오스

로 가수분해

50가 말토오스로 가수분해

(4) 분자량 40000 내지 340002) 40000 내지 60000002)

(5) 비환원성 말단그룹(non-reducing

end group) 사이의 평균 포도당의

수

200 내지 2100 20 내지 25

(6) X-선 분석 고도의 결정성(crystallinity) 무정형(amorphous)

(7) 물에 대한 용해도(solubility) 거의 녹지 않음(sparingly sol

uble)

잘 녹는다(very soluble)

(8) 수용액(aqueous solution) 속에서

의 안정성(stability)

노화된다(retrogrades) 안정하다(stable)

(9) 아 세 틸 화 된 유 도 체 (acetylated

derivatives)의 성질

섬 유 질 (fibrous) 질 긴 필 름

(tough film)을 형성한다

무 정 형 분 말 (amorphous

powder) 부 스 러 지 기 쉬

운 필름을 형성(brittle film)

젤라틴화 즉 교질화 된 전분의 분산액(分散液 dispersion)에서 전분분자들이 부분적으로나마 결정화되는 과정을 노화(老化 retrogradation)라고 부른다 아밀로펙틴은 노화되는 성질을 갖고 있지 않으며 따라서 100 또는 거의 100가 아밀로펙틴으로 형성되고 있는 찹쌀이나 찰옥수수의 전분들은 노화현상을 잘 보여주지 않는다 같은 α-포도당이 구성단위가 되고 있는 글라이코젠(glycogen)의 경우 그 가지는 아밀로펙틴보다 더 많으며 그 분자형태도 구형(球形 a spherical form)을 이루고 있기 때문에 그 분산액은 교질화도 일으키지 않으며 따라서 노화현상도 없는 사실이 잘 알려져 있다

아밀로오스는 교질화((膠質化) 즉 젤라틴화(gelatinization)를 쉽게 일으키나 이것은 아밀로오스의 긴 직선상의 형태(linear molecular shape)에 기인된 듯하다 반면에 아밀로펙틴은 쉽게 젤라틴화 되지 않으며 그 원인도 역시 아밀로펙틴 분자들의 가지가 많은 분자구조에 기인된 듯하다 한편 젤라틴화 된 전분 분산액 더 엄격하게는 분산 시스템 또는 분산체(starch dispersion)에서 아밀로오스는 쉽게 부분적으로나마 결정화되는 경향이 있으나 아밀로펙틴은 분자들이 일단 분산된 후에는 서로 얽혀진 많은 수의 가지 때문에 부분적으로나마 결정화(crystallization)되기에는 너무 힘든 상태가 되는 것으로 믿어지고 있다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분리 1 아밀로오스 복합체 형성에 의한 분리 오래 전부터 알려진 방법으로써 가틴 그루제우스카(Gatin- Gruzewska Z 1908 1911 Radley J A 1954 참조)에 의해서 개발된 방법이 있다 이 방법에서는 3의 전분 용액에 소량의 40탄산 소오다(Na2Co3)용액을 가한 다음에 다시 95의 에탄올(EtOH)용액을 가하여 아밀로펙틴만을 침전시킨 후 이 침전을 씻고 다시 투석(透析 dialysis)으로 무기염 등을 제거하여 정제 아밀로펙틴을 얻는다

숏호(Schoch T J 1942)와 하워트들(Haworth W N et al 1946 Radley J A 1954 참조)은 전분 중의 아밀로오스 성분이 뷰타놀(butanol) 노말-아밀 알콜(n-amyl alcohol) 타이몰(thymol) 지방산들과 결합하여 결정성 복합체(crystalline complex)를 형성하는 성질을 이용하여 묽은 전분의 현탁액에 뷰타놀 등을 가한 후 형성되는 아밀로오스와 이들 알콜들과의 결정성 복합체들을 침전시킨 다음에 남은 아밀로펙틴을 원심분리기로 분리하는 방법을 설명하고 있다

2 전기 영동법에 의한 분리 자메크들(Samec M et al 1926)은 감자 전분의 아밀로오스와 아밀로펙틴을 전기 영동법(electrophoretic method)을 사용하여 분리하는데 성공한 바 있다 특히 감자전분의 경우 여기에 함유된 아밀로펙틴은 그 분자 속에 에스터화 된 인산그룹들(esterified phosphoric acid groups)을 함유하고 있기 때문에 비교적 강한 음전하(nagative charge)를 갖고 있으며 따라서 전분의 현탁액에 전류를 통하면 아밀로펙틴은 쉽게 양극(anode)으로 이동하는 성질이 있으므로 전기 영동법에 의해서 쉽게 분리할 수 있다고 한다 이 방법은 인산(phosphoric acid)이나 지방산(fatty acid)들이 아밀로펙틴과 화학적으로 결합되어 있지 않는 곡류 전분에는 적용할 수 없다

3 열수 추출법전분의 현탁액을 60~100로 가열할 때는 전분입자들(starch granules)은 팽윤(swelling)되면서 분자량이 상대적으로 훨씬 적으며 따라서 운동성(mobility)이 더 큰 아밀로오스 분자들은 팽윤된 전분입자들에서 빠져나가게(leaching)된다 한편 대부분의 아밀로펙틴 분자들은 전분입자 내에서 서로 결합상태 또는 부분적인 결정성을 그대로 유지하면서 남게 된다 수용액에 풀어져 나온 아밀로오스는 이상의 현탁액을 원심분리(centrifuge)한 후 상등액(supernatant)에서 얻을 수가 있다

4 효소 링들(Ling A R et al 1923)은 아밀로오스와 아밀로펙틴에 대한 특정 효소들의 작용의 차이를 이용하고 있다 즉 α- 및 β-아밀레이스들(α- β-amylases)의 혼합물인 다이아스테이스(diastase)는 아밀로펙틴보다 아밀로오스에 더 강하게 작용하므로 전분의 젤(gel) 즉 교질용액에 어떤 조정된 조건 하에서 다이아스테이스를 작용시키면 아밀로펙틴은 거의 영향 받지 않고 아밀로오스만을 말토오스 등으로 가수분해 시켜 제거함으로써 아밀로펙틴을 분리할 수 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

[그림 6-5]직선상인 아밀로오스 분자(a linear amylose molecule)와 여러 개의 가지로 분기된 아밀로펙틴 분자(a branched amylopectin molecule) 일부의 그림 아밀로오스 분자의 일부와 아밀로펙틴 분자의 가지가 달린 부분의 일부의 화학구조를 확대하여 표시하였다

그러나 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합 이외의 다른 형태의 결합이 존재할 가능성도 매우 크다 그것은 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합을 가수분해할 수 있는 효소들을 아밀로펙틴에 작용시킬 때 아밀로펙틴의 분자가 완전히 가수분해 되지 않는다는 사실로써 간접적으로 입증된다 하나의 가지 즉 α-1 6-결합에서 또 하나의 가지 즉 α-1 6-결합까지 사이의 포도당의 평균수는 역시 전분의 종류에 따라 다르다 하니맨(Honeyman J 1959)은 그 수를 대체로 18개에서 27개로 보고 있다(표 6-3 참조) 이 수치는 평균 분자수가 8개 내지 16개인 글라이코젠(glycogen)보다는 가지 수가 적다는 것을 의미한다

표 6-7아밀로펙틴(amylopectin) 분자의 외부 및 내부 체인의 길이

아밀로펙틴의 출처

(sources)

평균체인의 길이(averag

e chain length)

β-아밀레이스의

분해 한계

보 리 (barley)

맥 아 (malt)

옥 수 수 (corn)

밀 (wheat)

감 자 (potato)

타 피 오 카

찰 옥 수 수 (waxy

corn)

261)

17~18

25

23

27

23

25

59

44

63

62

59

62

52

1)하나의 가지에서 또 하나의 가지(branch)까지 사이의 포도당 단위수

아밀로펙틴 분자 형태 세 가지의 분자형태가 제안되어 왔었다 1 소위 박편(薄片) 구조로 특징 지워지는 하워트 모형(the Haworth model) 2 소위 화살깃 구조로 특징 지워지는 수타오딘거 모형(the Staudinger model) 3 소위 수상(樹狀) 구조로 특징 지워지는 마이야 모형(the Meyer model) 등이다(그림 6-6 참조)

3가지 모델중에서 마이야 모델 즉 가지가 나뭇가지 모양으로 분기된 수상구조(樹狀構造)를 갖고 있는 것으로 생각하였었다 그러나 근래에 와서 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 성질(partial crystalline properties)이 아밀로펙틴 분자들(amylopectin molecules) 자체의 성질에 기인하는 사실에 주목하여 왔다 (아밀로오스가 결정성의 영역을 그 분자 내에 갖고 있는 것은 사실이나 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 영역의 존재는 아밀로오스가 아니라 주로 아밀로펙틴 분자들의 부분적인 강한 결정성 영역에 기인하는 것으로 알려져 있다 )

결정성(結晶性) 성질은 분자 내의 강하고도 광범위한 규칙적인 배열에 의해서 일어남으로 분자 내의 전혀 규칙성을 찾을 수 없는 마이어 모델(Meyer model)은 아밀로펙틴 분자들의 부분적으로 결정성을 가진 성질을 설명할 수 없는 난점이 있다 근래에 와서는 여러 클러스터 모델들이 제안됨

C사슬 α-1 4-결합만으로 형성 직선상의 부분(a linear part)이 근간(根幹)이 되어 B사슬 α-1 6-결합을 통해서 많은 가지들(branches)이 클러스터들(clusters)을 형성 A사슬 B사슬로 알려진 부분들 중의 많은 사슬(chains)들은 α-1 6-결합으로 연결된 주로 매우 짧은 제3의 층을 형성

그림 6-8] 아밀로펙틴 분자들의 클러스터 모델(房狀模型 cluster model) B사슬 층(가지가 많은 부분)의 하층은 가지들 사이에 뚜렷한 규칙성을 볼 수 없으나 그 상층부분들에서는 가지들 사이의 배열에 규칙성을 볼 수 있다 전분입자들이 나타내는 결정성(crystallinity)은 아밀로오스 분자들의 성질이 아니라 아밀로펙틴 분자들의 일부 내부구조에 의한 것이 확실해지고 있다

아밀로펙틴 평균분자량 107~108 (아밀로오스 분자량 대략 106 정도) 아밀로펙틴 분자 내에는 적어도 10000개 내지는 100000개 이상의 포도당 구성단위가 중합하여 형성된 것으로 추정할 수 있다 요오드와 아밀로펙틴과의 정색반응에 의한 색깔은 자색이며 아밀로오스나 전분의 짙은 청색과는 다르다 아밀로펙틴이 아밀로오스의 경우와 같은 요오드나 지방산들(fatty acid residue)과 복합체들(complex compounds)을 거의 형성하지 않음을 의미한다

[그림 6-9]대표적인 요오도와의 결합곡선들(typical iodine-binding curves)의 한 예 1 아밀로오스(amylose)에 대해서 2 아밀로펙틴(amylopectin)에 대해서 3 전분(starch)에 대해서 점선은 요오도와의 친화력(affinity)을 얻기 위해서 extrapolation하였음을 표시하여 주고 있다

아밀로펙틴은 요오드(iodine I2)와 거의 응하지 않는다 전분과 요오드와의 정색반응(color reaction)은 주로 전분 내의 아밀로오스에 기인된다

표 6-8아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin)의 성질 비교

아밀로오스 아밀로펙틴

(1) 요오드(iodine)와의 반응 짙은 청색 빨간색-자주색

(2) 청색값(Blue Value)1) 135 005

(3) β- 아밀레이스 추출액 (β-amylase

preparation)과의 반응

95 내지 100가 말토오스

로 가수분해

50가 말토오스로 가수분해

(4) 분자량 40000 내지 340002) 40000 내지 60000002)

(5) 비환원성 말단그룹(non-reducing

end group) 사이의 평균 포도당의

수

200 내지 2100 20 내지 25

(6) X-선 분석 고도의 결정성(crystallinity) 무정형(amorphous)

(7) 물에 대한 용해도(solubility) 거의 녹지 않음(sparingly sol

uble)

잘 녹는다(very soluble)

(8) 수용액(aqueous solution) 속에서

의 안정성(stability)

노화된다(retrogrades) 안정하다(stable)

(9) 아 세 틸 화 된 유 도 체 (acetylated

derivatives)의 성질

섬 유 질 (fibrous) 질 긴 필 름

(tough film)을 형성한다

무 정 형 분 말 (amorphous

powder) 부 스 러 지 기 쉬

운 필름을 형성(brittle film)

젤라틴화 즉 교질화 된 전분의 분산액(分散液 dispersion)에서 전분분자들이 부분적으로나마 결정화되는 과정을 노화(老化 retrogradation)라고 부른다 아밀로펙틴은 노화되는 성질을 갖고 있지 않으며 따라서 100 또는 거의 100가 아밀로펙틴으로 형성되고 있는 찹쌀이나 찰옥수수의 전분들은 노화현상을 잘 보여주지 않는다 같은 α-포도당이 구성단위가 되고 있는 글라이코젠(glycogen)의 경우 그 가지는 아밀로펙틴보다 더 많으며 그 분자형태도 구형(球形 a spherical form)을 이루고 있기 때문에 그 분산액은 교질화도 일으키지 않으며 따라서 노화현상도 없는 사실이 잘 알려져 있다

아밀로오스는 교질화((膠質化) 즉 젤라틴화(gelatinization)를 쉽게 일으키나 이것은 아밀로오스의 긴 직선상의 형태(linear molecular shape)에 기인된 듯하다 반면에 아밀로펙틴은 쉽게 젤라틴화 되지 않으며 그 원인도 역시 아밀로펙틴 분자들의 가지가 많은 분자구조에 기인된 듯하다 한편 젤라틴화 된 전분 분산액 더 엄격하게는 분산 시스템 또는 분산체(starch dispersion)에서 아밀로오스는 쉽게 부분적으로나마 결정화되는 경향이 있으나 아밀로펙틴은 분자들이 일단 분산된 후에는 서로 얽혀진 많은 수의 가지 때문에 부분적으로나마 결정화(crystallization)되기에는 너무 힘든 상태가 되는 것으로 믿어지고 있다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분리 1 아밀로오스 복합체 형성에 의한 분리 오래 전부터 알려진 방법으로써 가틴 그루제우스카(Gatin- Gruzewska Z 1908 1911 Radley J A 1954 참조)에 의해서 개발된 방법이 있다 이 방법에서는 3의 전분 용액에 소량의 40탄산 소오다(Na2Co3)용액을 가한 다음에 다시 95의 에탄올(EtOH)용액을 가하여 아밀로펙틴만을 침전시킨 후 이 침전을 씻고 다시 투석(透析 dialysis)으로 무기염 등을 제거하여 정제 아밀로펙틴을 얻는다

숏호(Schoch T J 1942)와 하워트들(Haworth W N et al 1946 Radley J A 1954 참조)은 전분 중의 아밀로오스 성분이 뷰타놀(butanol) 노말-아밀 알콜(n-amyl alcohol) 타이몰(thymol) 지방산들과 결합하여 결정성 복합체(crystalline complex)를 형성하는 성질을 이용하여 묽은 전분의 현탁액에 뷰타놀 등을 가한 후 형성되는 아밀로오스와 이들 알콜들과의 결정성 복합체들을 침전시킨 다음에 남은 아밀로펙틴을 원심분리기로 분리하는 방법을 설명하고 있다

2 전기 영동법에 의한 분리 자메크들(Samec M et al 1926)은 감자 전분의 아밀로오스와 아밀로펙틴을 전기 영동법(electrophoretic method)을 사용하여 분리하는데 성공한 바 있다 특히 감자전분의 경우 여기에 함유된 아밀로펙틴은 그 분자 속에 에스터화 된 인산그룹들(esterified phosphoric acid groups)을 함유하고 있기 때문에 비교적 강한 음전하(nagative charge)를 갖고 있으며 따라서 전분의 현탁액에 전류를 통하면 아밀로펙틴은 쉽게 양극(anode)으로 이동하는 성질이 있으므로 전기 영동법에 의해서 쉽게 분리할 수 있다고 한다 이 방법은 인산(phosphoric acid)이나 지방산(fatty acid)들이 아밀로펙틴과 화학적으로 결합되어 있지 않는 곡류 전분에는 적용할 수 없다

3 열수 추출법전분의 현탁액을 60~100로 가열할 때는 전분입자들(starch granules)은 팽윤(swelling)되면서 분자량이 상대적으로 훨씬 적으며 따라서 운동성(mobility)이 더 큰 아밀로오스 분자들은 팽윤된 전분입자들에서 빠져나가게(leaching)된다 한편 대부분의 아밀로펙틴 분자들은 전분입자 내에서 서로 결합상태 또는 부분적인 결정성을 그대로 유지하면서 남게 된다 수용액에 풀어져 나온 아밀로오스는 이상의 현탁액을 원심분리(centrifuge)한 후 상등액(supernatant)에서 얻을 수가 있다

4 효소 링들(Ling A R et al 1923)은 아밀로오스와 아밀로펙틴에 대한 특정 효소들의 작용의 차이를 이용하고 있다 즉 α- 및 β-아밀레이스들(α- β-amylases)의 혼합물인 다이아스테이스(diastase)는 아밀로펙틴보다 아밀로오스에 더 강하게 작용하므로 전분의 젤(gel) 즉 교질용액에 어떤 조정된 조건 하에서 다이아스테이스를 작용시키면 아밀로펙틴은 거의 영향 받지 않고 아밀로오스만을 말토오스 등으로 가수분해 시켜 제거함으로써 아밀로펙틴을 분리할 수 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

그러나 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합 이외의 다른 형태의 결합이 존재할 가능성도 매우 크다 그것은 α-1 4-결합이나 α-1 6-결합을 가수분해할 수 있는 효소들을 아밀로펙틴에 작용시킬 때 아밀로펙틴의 분자가 완전히 가수분해 되지 않는다는 사실로써 간접적으로 입증된다 하나의 가지 즉 α-1 6-결합에서 또 하나의 가지 즉 α-1 6-결합까지 사이의 포도당의 평균수는 역시 전분의 종류에 따라 다르다 하니맨(Honeyman J 1959)은 그 수를 대체로 18개에서 27개로 보고 있다(표 6-3 참조) 이 수치는 평균 분자수가 8개 내지 16개인 글라이코젠(glycogen)보다는 가지 수가 적다는 것을 의미한다

표 6-7아밀로펙틴(amylopectin) 분자의 외부 및 내부 체인의 길이

아밀로펙틴의 출처

(sources)

평균체인의 길이(averag

e chain length)

β-아밀레이스의

분해 한계

보 리 (barley)

맥 아 (malt)

옥 수 수 (corn)

밀 (wheat)

감 자 (potato)

타 피 오 카

찰 옥 수 수 (waxy

corn)

261)

17~18

25

23

27

23

25

59

44

63

62

59

62

52

1)하나의 가지에서 또 하나의 가지(branch)까지 사이의 포도당 단위수

아밀로펙틴 분자 형태 세 가지의 분자형태가 제안되어 왔었다 1 소위 박편(薄片) 구조로 특징 지워지는 하워트 모형(the Haworth model) 2 소위 화살깃 구조로 특징 지워지는 수타오딘거 모형(the Staudinger model) 3 소위 수상(樹狀) 구조로 특징 지워지는 마이야 모형(the Meyer model) 등이다(그림 6-6 참조)

3가지 모델중에서 마이야 모델 즉 가지가 나뭇가지 모양으로 분기된 수상구조(樹狀構造)를 갖고 있는 것으로 생각하였었다 그러나 근래에 와서 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 성질(partial crystalline properties)이 아밀로펙틴 분자들(amylopectin molecules) 자체의 성질에 기인하는 사실에 주목하여 왔다 (아밀로오스가 결정성의 영역을 그 분자 내에 갖고 있는 것은 사실이나 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 영역의 존재는 아밀로오스가 아니라 주로 아밀로펙틴 분자들의 부분적인 강한 결정성 영역에 기인하는 것으로 알려져 있다 )

결정성(結晶性) 성질은 분자 내의 강하고도 광범위한 규칙적인 배열에 의해서 일어남으로 분자 내의 전혀 규칙성을 찾을 수 없는 마이어 모델(Meyer model)은 아밀로펙틴 분자들의 부분적으로 결정성을 가진 성질을 설명할 수 없는 난점이 있다 근래에 와서는 여러 클러스터 모델들이 제안됨

C사슬 α-1 4-결합만으로 형성 직선상의 부분(a linear part)이 근간(根幹)이 되어 B사슬 α-1 6-결합을 통해서 많은 가지들(branches)이 클러스터들(clusters)을 형성 A사슬 B사슬로 알려진 부분들 중의 많은 사슬(chains)들은 α-1 6-결합으로 연결된 주로 매우 짧은 제3의 층을 형성

그림 6-8] 아밀로펙틴 분자들의 클러스터 모델(房狀模型 cluster model) B사슬 층(가지가 많은 부분)의 하층은 가지들 사이에 뚜렷한 규칙성을 볼 수 없으나 그 상층부분들에서는 가지들 사이의 배열에 규칙성을 볼 수 있다 전분입자들이 나타내는 결정성(crystallinity)은 아밀로오스 분자들의 성질이 아니라 아밀로펙틴 분자들의 일부 내부구조에 의한 것이 확실해지고 있다

아밀로펙틴 평균분자량 107~108 (아밀로오스 분자량 대략 106 정도) 아밀로펙틴 분자 내에는 적어도 10000개 내지는 100000개 이상의 포도당 구성단위가 중합하여 형성된 것으로 추정할 수 있다 요오드와 아밀로펙틴과의 정색반응에 의한 색깔은 자색이며 아밀로오스나 전분의 짙은 청색과는 다르다 아밀로펙틴이 아밀로오스의 경우와 같은 요오드나 지방산들(fatty acid residue)과 복합체들(complex compounds)을 거의 형성하지 않음을 의미한다

[그림 6-9]대표적인 요오도와의 결합곡선들(typical iodine-binding curves)의 한 예 1 아밀로오스(amylose)에 대해서 2 아밀로펙틴(amylopectin)에 대해서 3 전분(starch)에 대해서 점선은 요오도와의 친화력(affinity)을 얻기 위해서 extrapolation하였음을 표시하여 주고 있다

아밀로펙틴은 요오드(iodine I2)와 거의 응하지 않는다 전분과 요오드와의 정색반응(color reaction)은 주로 전분 내의 아밀로오스에 기인된다

표 6-8아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin)의 성질 비교

아밀로오스 아밀로펙틴

(1) 요오드(iodine)와의 반응 짙은 청색 빨간색-자주색

(2) 청색값(Blue Value)1) 135 005

(3) β- 아밀레이스 추출액 (β-amylase

preparation)과의 반응

95 내지 100가 말토오스

로 가수분해

50가 말토오스로 가수분해

(4) 분자량 40000 내지 340002) 40000 내지 60000002)

(5) 비환원성 말단그룹(non-reducing

end group) 사이의 평균 포도당의

수

200 내지 2100 20 내지 25

(6) X-선 분석 고도의 결정성(crystallinity) 무정형(amorphous)

(7) 물에 대한 용해도(solubility) 거의 녹지 않음(sparingly sol

uble)

잘 녹는다(very soluble)

(8) 수용액(aqueous solution) 속에서

의 안정성(stability)

노화된다(retrogrades) 안정하다(stable)

(9) 아 세 틸 화 된 유 도 체 (acetylated

derivatives)의 성질

섬 유 질 (fibrous) 질 긴 필 름

(tough film)을 형성한다

무 정 형 분 말 (amorphous

powder) 부 스 러 지 기 쉬

운 필름을 형성(brittle film)

젤라틴화 즉 교질화 된 전분의 분산액(分散液 dispersion)에서 전분분자들이 부분적으로나마 결정화되는 과정을 노화(老化 retrogradation)라고 부른다 아밀로펙틴은 노화되는 성질을 갖고 있지 않으며 따라서 100 또는 거의 100가 아밀로펙틴으로 형성되고 있는 찹쌀이나 찰옥수수의 전분들은 노화현상을 잘 보여주지 않는다 같은 α-포도당이 구성단위가 되고 있는 글라이코젠(glycogen)의 경우 그 가지는 아밀로펙틴보다 더 많으며 그 분자형태도 구형(球形 a spherical form)을 이루고 있기 때문에 그 분산액은 교질화도 일으키지 않으며 따라서 노화현상도 없는 사실이 잘 알려져 있다

아밀로오스는 교질화((膠質化) 즉 젤라틴화(gelatinization)를 쉽게 일으키나 이것은 아밀로오스의 긴 직선상의 형태(linear molecular shape)에 기인된 듯하다 반면에 아밀로펙틴은 쉽게 젤라틴화 되지 않으며 그 원인도 역시 아밀로펙틴 분자들의 가지가 많은 분자구조에 기인된 듯하다 한편 젤라틴화 된 전분 분산액 더 엄격하게는 분산 시스템 또는 분산체(starch dispersion)에서 아밀로오스는 쉽게 부분적으로나마 결정화되는 경향이 있으나 아밀로펙틴은 분자들이 일단 분산된 후에는 서로 얽혀진 많은 수의 가지 때문에 부분적으로나마 결정화(crystallization)되기에는 너무 힘든 상태가 되는 것으로 믿어지고 있다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분리 1 아밀로오스 복합체 형성에 의한 분리 오래 전부터 알려진 방법으로써 가틴 그루제우스카(Gatin- Gruzewska Z 1908 1911 Radley J A 1954 참조)에 의해서 개발된 방법이 있다 이 방법에서는 3의 전분 용액에 소량의 40탄산 소오다(Na2Co3)용액을 가한 다음에 다시 95의 에탄올(EtOH)용액을 가하여 아밀로펙틴만을 침전시킨 후 이 침전을 씻고 다시 투석(透析 dialysis)으로 무기염 등을 제거하여 정제 아밀로펙틴을 얻는다

숏호(Schoch T J 1942)와 하워트들(Haworth W N et al 1946 Radley J A 1954 참조)은 전분 중의 아밀로오스 성분이 뷰타놀(butanol) 노말-아밀 알콜(n-amyl alcohol) 타이몰(thymol) 지방산들과 결합하여 결정성 복합체(crystalline complex)를 형성하는 성질을 이용하여 묽은 전분의 현탁액에 뷰타놀 등을 가한 후 형성되는 아밀로오스와 이들 알콜들과의 결정성 복합체들을 침전시킨 다음에 남은 아밀로펙틴을 원심분리기로 분리하는 방법을 설명하고 있다

2 전기 영동법에 의한 분리 자메크들(Samec M et al 1926)은 감자 전분의 아밀로오스와 아밀로펙틴을 전기 영동법(electrophoretic method)을 사용하여 분리하는데 성공한 바 있다 특히 감자전분의 경우 여기에 함유된 아밀로펙틴은 그 분자 속에 에스터화 된 인산그룹들(esterified phosphoric acid groups)을 함유하고 있기 때문에 비교적 강한 음전하(nagative charge)를 갖고 있으며 따라서 전분의 현탁액에 전류를 통하면 아밀로펙틴은 쉽게 양극(anode)으로 이동하는 성질이 있으므로 전기 영동법에 의해서 쉽게 분리할 수 있다고 한다 이 방법은 인산(phosphoric acid)이나 지방산(fatty acid)들이 아밀로펙틴과 화학적으로 결합되어 있지 않는 곡류 전분에는 적용할 수 없다

3 열수 추출법전분의 현탁액을 60~100로 가열할 때는 전분입자들(starch granules)은 팽윤(swelling)되면서 분자량이 상대적으로 훨씬 적으며 따라서 운동성(mobility)이 더 큰 아밀로오스 분자들은 팽윤된 전분입자들에서 빠져나가게(leaching)된다 한편 대부분의 아밀로펙틴 분자들은 전분입자 내에서 서로 결합상태 또는 부분적인 결정성을 그대로 유지하면서 남게 된다 수용액에 풀어져 나온 아밀로오스는 이상의 현탁액을 원심분리(centrifuge)한 후 상등액(supernatant)에서 얻을 수가 있다

4 효소 링들(Ling A R et al 1923)은 아밀로오스와 아밀로펙틴에 대한 특정 효소들의 작용의 차이를 이용하고 있다 즉 α- 및 β-아밀레이스들(α- β-amylases)의 혼합물인 다이아스테이스(diastase)는 아밀로펙틴보다 아밀로오스에 더 강하게 작용하므로 전분의 젤(gel) 즉 교질용액에 어떤 조정된 조건 하에서 다이아스테이스를 작용시키면 아밀로펙틴은 거의 영향 받지 않고 아밀로오스만을 말토오스 등으로 가수분해 시켜 제거함으로써 아밀로펙틴을 분리할 수 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

표 6-7아밀로펙틴(amylopectin) 분자의 외부 및 내부 체인의 길이

아밀로펙틴의 출처

(sources)

평균체인의 길이(averag

e chain length)

β-아밀레이스의

분해 한계

보 리 (barley)

맥 아 (malt)

옥 수 수 (corn)

밀 (wheat)

감 자 (potato)

타 피 오 카

찰 옥 수 수 (waxy

corn)

261)

17~18

25

23

27

23

25

59

44

63

62

59

62

52

1)하나의 가지에서 또 하나의 가지(branch)까지 사이의 포도당 단위수

아밀로펙틴 분자 형태 세 가지의 분자형태가 제안되어 왔었다 1 소위 박편(薄片) 구조로 특징 지워지는 하워트 모형(the Haworth model) 2 소위 화살깃 구조로 특징 지워지는 수타오딘거 모형(the Staudinger model) 3 소위 수상(樹狀) 구조로 특징 지워지는 마이야 모형(the Meyer model) 등이다(그림 6-6 참조)

3가지 모델중에서 마이야 모델 즉 가지가 나뭇가지 모양으로 분기된 수상구조(樹狀構造)를 갖고 있는 것으로 생각하였었다 그러나 근래에 와서 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 성질(partial crystalline properties)이 아밀로펙틴 분자들(amylopectin molecules) 자체의 성질에 기인하는 사실에 주목하여 왔다 (아밀로오스가 결정성의 영역을 그 분자 내에 갖고 있는 것은 사실이나 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 영역의 존재는 아밀로오스가 아니라 주로 아밀로펙틴 분자들의 부분적인 강한 결정성 영역에 기인하는 것으로 알려져 있다 )

결정성(結晶性) 성질은 분자 내의 강하고도 광범위한 규칙적인 배열에 의해서 일어남으로 분자 내의 전혀 규칙성을 찾을 수 없는 마이어 모델(Meyer model)은 아밀로펙틴 분자들의 부분적으로 결정성을 가진 성질을 설명할 수 없는 난점이 있다 근래에 와서는 여러 클러스터 모델들이 제안됨

C사슬 α-1 4-결합만으로 형성 직선상의 부분(a linear part)이 근간(根幹)이 되어 B사슬 α-1 6-결합을 통해서 많은 가지들(branches)이 클러스터들(clusters)을 형성 A사슬 B사슬로 알려진 부분들 중의 많은 사슬(chains)들은 α-1 6-결합으로 연결된 주로 매우 짧은 제3의 층을 형성

그림 6-8] 아밀로펙틴 분자들의 클러스터 모델(房狀模型 cluster model) B사슬 층(가지가 많은 부분)의 하층은 가지들 사이에 뚜렷한 규칙성을 볼 수 없으나 그 상층부분들에서는 가지들 사이의 배열에 규칙성을 볼 수 있다 전분입자들이 나타내는 결정성(crystallinity)은 아밀로오스 분자들의 성질이 아니라 아밀로펙틴 분자들의 일부 내부구조에 의한 것이 확실해지고 있다

아밀로펙틴 평균분자량 107~108 (아밀로오스 분자량 대략 106 정도) 아밀로펙틴 분자 내에는 적어도 10000개 내지는 100000개 이상의 포도당 구성단위가 중합하여 형성된 것으로 추정할 수 있다 요오드와 아밀로펙틴과의 정색반응에 의한 색깔은 자색이며 아밀로오스나 전분의 짙은 청색과는 다르다 아밀로펙틴이 아밀로오스의 경우와 같은 요오드나 지방산들(fatty acid residue)과 복합체들(complex compounds)을 거의 형성하지 않음을 의미한다

[그림 6-9]대표적인 요오도와의 결합곡선들(typical iodine-binding curves)의 한 예 1 아밀로오스(amylose)에 대해서 2 아밀로펙틴(amylopectin)에 대해서 3 전분(starch)에 대해서 점선은 요오도와의 친화력(affinity)을 얻기 위해서 extrapolation하였음을 표시하여 주고 있다

아밀로펙틴은 요오드(iodine I2)와 거의 응하지 않는다 전분과 요오드와의 정색반응(color reaction)은 주로 전분 내의 아밀로오스에 기인된다

표 6-8아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin)의 성질 비교

아밀로오스 아밀로펙틴

(1) 요오드(iodine)와의 반응 짙은 청색 빨간색-자주색

(2) 청색값(Blue Value)1) 135 005

(3) β- 아밀레이스 추출액 (β-amylase

preparation)과의 반응

95 내지 100가 말토오스

로 가수분해

50가 말토오스로 가수분해

(4) 분자량 40000 내지 340002) 40000 내지 60000002)

(5) 비환원성 말단그룹(non-reducing

end group) 사이의 평균 포도당의

수

200 내지 2100 20 내지 25

(6) X-선 분석 고도의 결정성(crystallinity) 무정형(amorphous)

(7) 물에 대한 용해도(solubility) 거의 녹지 않음(sparingly sol

uble)

잘 녹는다(very soluble)

(8) 수용액(aqueous solution) 속에서

의 안정성(stability)

노화된다(retrogrades) 안정하다(stable)

(9) 아 세 틸 화 된 유 도 체 (acetylated

derivatives)의 성질

섬 유 질 (fibrous) 질 긴 필 름

(tough film)을 형성한다

무 정 형 분 말 (amorphous

powder) 부 스 러 지 기 쉬

운 필름을 형성(brittle film)

젤라틴화 즉 교질화 된 전분의 분산액(分散液 dispersion)에서 전분분자들이 부분적으로나마 결정화되는 과정을 노화(老化 retrogradation)라고 부른다 아밀로펙틴은 노화되는 성질을 갖고 있지 않으며 따라서 100 또는 거의 100가 아밀로펙틴으로 형성되고 있는 찹쌀이나 찰옥수수의 전분들은 노화현상을 잘 보여주지 않는다 같은 α-포도당이 구성단위가 되고 있는 글라이코젠(glycogen)의 경우 그 가지는 아밀로펙틴보다 더 많으며 그 분자형태도 구형(球形 a spherical form)을 이루고 있기 때문에 그 분산액은 교질화도 일으키지 않으며 따라서 노화현상도 없는 사실이 잘 알려져 있다

아밀로오스는 교질화((膠質化) 즉 젤라틴화(gelatinization)를 쉽게 일으키나 이것은 아밀로오스의 긴 직선상의 형태(linear molecular shape)에 기인된 듯하다 반면에 아밀로펙틴은 쉽게 젤라틴화 되지 않으며 그 원인도 역시 아밀로펙틴 분자들의 가지가 많은 분자구조에 기인된 듯하다 한편 젤라틴화 된 전분 분산액 더 엄격하게는 분산 시스템 또는 분산체(starch dispersion)에서 아밀로오스는 쉽게 부분적으로나마 결정화되는 경향이 있으나 아밀로펙틴은 분자들이 일단 분산된 후에는 서로 얽혀진 많은 수의 가지 때문에 부분적으로나마 결정화(crystallization)되기에는 너무 힘든 상태가 되는 것으로 믿어지고 있다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분리 1 아밀로오스 복합체 형성에 의한 분리 오래 전부터 알려진 방법으로써 가틴 그루제우스카(Gatin- Gruzewska Z 1908 1911 Radley J A 1954 참조)에 의해서 개발된 방법이 있다 이 방법에서는 3의 전분 용액에 소량의 40탄산 소오다(Na2Co3)용액을 가한 다음에 다시 95의 에탄올(EtOH)용액을 가하여 아밀로펙틴만을 침전시킨 후 이 침전을 씻고 다시 투석(透析 dialysis)으로 무기염 등을 제거하여 정제 아밀로펙틴을 얻는다

숏호(Schoch T J 1942)와 하워트들(Haworth W N et al 1946 Radley J A 1954 참조)은 전분 중의 아밀로오스 성분이 뷰타놀(butanol) 노말-아밀 알콜(n-amyl alcohol) 타이몰(thymol) 지방산들과 결합하여 결정성 복합체(crystalline complex)를 형성하는 성질을 이용하여 묽은 전분의 현탁액에 뷰타놀 등을 가한 후 형성되는 아밀로오스와 이들 알콜들과의 결정성 복합체들을 침전시킨 다음에 남은 아밀로펙틴을 원심분리기로 분리하는 방법을 설명하고 있다

2 전기 영동법에 의한 분리 자메크들(Samec M et al 1926)은 감자 전분의 아밀로오스와 아밀로펙틴을 전기 영동법(electrophoretic method)을 사용하여 분리하는데 성공한 바 있다 특히 감자전분의 경우 여기에 함유된 아밀로펙틴은 그 분자 속에 에스터화 된 인산그룹들(esterified phosphoric acid groups)을 함유하고 있기 때문에 비교적 강한 음전하(nagative charge)를 갖고 있으며 따라서 전분의 현탁액에 전류를 통하면 아밀로펙틴은 쉽게 양극(anode)으로 이동하는 성질이 있으므로 전기 영동법에 의해서 쉽게 분리할 수 있다고 한다 이 방법은 인산(phosphoric acid)이나 지방산(fatty acid)들이 아밀로펙틴과 화학적으로 결합되어 있지 않는 곡류 전분에는 적용할 수 없다

3 열수 추출법전분의 현탁액을 60~100로 가열할 때는 전분입자들(starch granules)은 팽윤(swelling)되면서 분자량이 상대적으로 훨씬 적으며 따라서 운동성(mobility)이 더 큰 아밀로오스 분자들은 팽윤된 전분입자들에서 빠져나가게(leaching)된다 한편 대부분의 아밀로펙틴 분자들은 전분입자 내에서 서로 결합상태 또는 부분적인 결정성을 그대로 유지하면서 남게 된다 수용액에 풀어져 나온 아밀로오스는 이상의 현탁액을 원심분리(centrifuge)한 후 상등액(supernatant)에서 얻을 수가 있다

4 효소 링들(Ling A R et al 1923)은 아밀로오스와 아밀로펙틴에 대한 특정 효소들의 작용의 차이를 이용하고 있다 즉 α- 및 β-아밀레이스들(α- β-amylases)의 혼합물인 다이아스테이스(diastase)는 아밀로펙틴보다 아밀로오스에 더 강하게 작용하므로 전분의 젤(gel) 즉 교질용액에 어떤 조정된 조건 하에서 다이아스테이스를 작용시키면 아밀로펙틴은 거의 영향 받지 않고 아밀로오스만을 말토오스 등으로 가수분해 시켜 제거함으로써 아밀로펙틴을 분리할 수 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

아밀로펙틴 분자 형태 세 가지의 분자형태가 제안되어 왔었다 1 소위 박편(薄片) 구조로 특징 지워지는 하워트 모형(the Haworth model) 2 소위 화살깃 구조로 특징 지워지는 수타오딘거 모형(the Staudinger model) 3 소위 수상(樹狀) 구조로 특징 지워지는 마이야 모형(the Meyer model) 등이다(그림 6-6 참조)

3가지 모델중에서 마이야 모델 즉 가지가 나뭇가지 모양으로 분기된 수상구조(樹狀構造)를 갖고 있는 것으로 생각하였었다 그러나 근래에 와서 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 성질(partial crystalline properties)이 아밀로펙틴 분자들(amylopectin molecules) 자체의 성질에 기인하는 사실에 주목하여 왔다 (아밀로오스가 결정성의 영역을 그 분자 내에 갖고 있는 것은 사실이나 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 영역의 존재는 아밀로오스가 아니라 주로 아밀로펙틴 분자들의 부분적인 강한 결정성 영역에 기인하는 것으로 알려져 있다 )

결정성(結晶性) 성질은 분자 내의 강하고도 광범위한 규칙적인 배열에 의해서 일어남으로 분자 내의 전혀 규칙성을 찾을 수 없는 마이어 모델(Meyer model)은 아밀로펙틴 분자들의 부분적으로 결정성을 가진 성질을 설명할 수 없는 난점이 있다 근래에 와서는 여러 클러스터 모델들이 제안됨

C사슬 α-1 4-결합만으로 형성 직선상의 부분(a linear part)이 근간(根幹)이 되어 B사슬 α-1 6-결합을 통해서 많은 가지들(branches)이 클러스터들(clusters)을 형성 A사슬 B사슬로 알려진 부분들 중의 많은 사슬(chains)들은 α-1 6-결합으로 연결된 주로 매우 짧은 제3의 층을 형성

그림 6-8] 아밀로펙틴 분자들의 클러스터 모델(房狀模型 cluster model) B사슬 층(가지가 많은 부분)의 하층은 가지들 사이에 뚜렷한 규칙성을 볼 수 없으나 그 상층부분들에서는 가지들 사이의 배열에 규칙성을 볼 수 있다 전분입자들이 나타내는 결정성(crystallinity)은 아밀로오스 분자들의 성질이 아니라 아밀로펙틴 분자들의 일부 내부구조에 의한 것이 확실해지고 있다

아밀로펙틴 평균분자량 107~108 (아밀로오스 분자량 대략 106 정도) 아밀로펙틴 분자 내에는 적어도 10000개 내지는 100000개 이상의 포도당 구성단위가 중합하여 형성된 것으로 추정할 수 있다 요오드와 아밀로펙틴과의 정색반응에 의한 색깔은 자색이며 아밀로오스나 전분의 짙은 청색과는 다르다 아밀로펙틴이 아밀로오스의 경우와 같은 요오드나 지방산들(fatty acid residue)과 복합체들(complex compounds)을 거의 형성하지 않음을 의미한다

[그림 6-9]대표적인 요오도와의 결합곡선들(typical iodine-binding curves)의 한 예 1 아밀로오스(amylose)에 대해서 2 아밀로펙틴(amylopectin)에 대해서 3 전분(starch)에 대해서 점선은 요오도와의 친화력(affinity)을 얻기 위해서 extrapolation하였음을 표시하여 주고 있다

아밀로펙틴은 요오드(iodine I2)와 거의 응하지 않는다 전분과 요오드와의 정색반응(color reaction)은 주로 전분 내의 아밀로오스에 기인된다

표 6-8아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin)의 성질 비교

아밀로오스 아밀로펙틴

(1) 요오드(iodine)와의 반응 짙은 청색 빨간색-자주색

(2) 청색값(Blue Value)1) 135 005

(3) β- 아밀레이스 추출액 (β-amylase

preparation)과의 반응

95 내지 100가 말토오스

로 가수분해

50가 말토오스로 가수분해

(4) 분자량 40000 내지 340002) 40000 내지 60000002)

(5) 비환원성 말단그룹(non-reducing

end group) 사이의 평균 포도당의

수

200 내지 2100 20 내지 25

(6) X-선 분석 고도의 결정성(crystallinity) 무정형(amorphous)

(7) 물에 대한 용해도(solubility) 거의 녹지 않음(sparingly sol

uble)

잘 녹는다(very soluble)

(8) 수용액(aqueous solution) 속에서

의 안정성(stability)

노화된다(retrogrades) 안정하다(stable)

(9) 아 세 틸 화 된 유 도 체 (acetylated

derivatives)의 성질

섬 유 질 (fibrous) 질 긴 필 름

(tough film)을 형성한다

무 정 형 분 말 (amorphous

powder) 부 스 러 지 기 쉬

운 필름을 형성(brittle film)

젤라틴화 즉 교질화 된 전분의 분산액(分散液 dispersion)에서 전분분자들이 부분적으로나마 결정화되는 과정을 노화(老化 retrogradation)라고 부른다 아밀로펙틴은 노화되는 성질을 갖고 있지 않으며 따라서 100 또는 거의 100가 아밀로펙틴으로 형성되고 있는 찹쌀이나 찰옥수수의 전분들은 노화현상을 잘 보여주지 않는다 같은 α-포도당이 구성단위가 되고 있는 글라이코젠(glycogen)의 경우 그 가지는 아밀로펙틴보다 더 많으며 그 분자형태도 구형(球形 a spherical form)을 이루고 있기 때문에 그 분산액은 교질화도 일으키지 않으며 따라서 노화현상도 없는 사실이 잘 알려져 있다

아밀로오스는 교질화((膠質化) 즉 젤라틴화(gelatinization)를 쉽게 일으키나 이것은 아밀로오스의 긴 직선상의 형태(linear molecular shape)에 기인된 듯하다 반면에 아밀로펙틴은 쉽게 젤라틴화 되지 않으며 그 원인도 역시 아밀로펙틴 분자들의 가지가 많은 분자구조에 기인된 듯하다 한편 젤라틴화 된 전분 분산액 더 엄격하게는 분산 시스템 또는 분산체(starch dispersion)에서 아밀로오스는 쉽게 부분적으로나마 결정화되는 경향이 있으나 아밀로펙틴은 분자들이 일단 분산된 후에는 서로 얽혀진 많은 수의 가지 때문에 부분적으로나마 결정화(crystallization)되기에는 너무 힘든 상태가 되는 것으로 믿어지고 있다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분리 1 아밀로오스 복합체 형성에 의한 분리 오래 전부터 알려진 방법으로써 가틴 그루제우스카(Gatin- Gruzewska Z 1908 1911 Radley J A 1954 참조)에 의해서 개발된 방법이 있다 이 방법에서는 3의 전분 용액에 소량의 40탄산 소오다(Na2Co3)용액을 가한 다음에 다시 95의 에탄올(EtOH)용액을 가하여 아밀로펙틴만을 침전시킨 후 이 침전을 씻고 다시 투석(透析 dialysis)으로 무기염 등을 제거하여 정제 아밀로펙틴을 얻는다

숏호(Schoch T J 1942)와 하워트들(Haworth W N et al 1946 Radley J A 1954 참조)은 전분 중의 아밀로오스 성분이 뷰타놀(butanol) 노말-아밀 알콜(n-amyl alcohol) 타이몰(thymol) 지방산들과 결합하여 결정성 복합체(crystalline complex)를 형성하는 성질을 이용하여 묽은 전분의 현탁액에 뷰타놀 등을 가한 후 형성되는 아밀로오스와 이들 알콜들과의 결정성 복합체들을 침전시킨 다음에 남은 아밀로펙틴을 원심분리기로 분리하는 방법을 설명하고 있다

2 전기 영동법에 의한 분리 자메크들(Samec M et al 1926)은 감자 전분의 아밀로오스와 아밀로펙틴을 전기 영동법(electrophoretic method)을 사용하여 분리하는데 성공한 바 있다 특히 감자전분의 경우 여기에 함유된 아밀로펙틴은 그 분자 속에 에스터화 된 인산그룹들(esterified phosphoric acid groups)을 함유하고 있기 때문에 비교적 강한 음전하(nagative charge)를 갖고 있으며 따라서 전분의 현탁액에 전류를 통하면 아밀로펙틴은 쉽게 양극(anode)으로 이동하는 성질이 있으므로 전기 영동법에 의해서 쉽게 분리할 수 있다고 한다 이 방법은 인산(phosphoric acid)이나 지방산(fatty acid)들이 아밀로펙틴과 화학적으로 결합되어 있지 않는 곡류 전분에는 적용할 수 없다

3 열수 추출법전분의 현탁액을 60~100로 가열할 때는 전분입자들(starch granules)은 팽윤(swelling)되면서 분자량이 상대적으로 훨씬 적으며 따라서 운동성(mobility)이 더 큰 아밀로오스 분자들은 팽윤된 전분입자들에서 빠져나가게(leaching)된다 한편 대부분의 아밀로펙틴 분자들은 전분입자 내에서 서로 결합상태 또는 부분적인 결정성을 그대로 유지하면서 남게 된다 수용액에 풀어져 나온 아밀로오스는 이상의 현탁액을 원심분리(centrifuge)한 후 상등액(supernatant)에서 얻을 수가 있다

4 효소 링들(Ling A R et al 1923)은 아밀로오스와 아밀로펙틴에 대한 특정 효소들의 작용의 차이를 이용하고 있다 즉 α- 및 β-아밀레이스들(α- β-amylases)의 혼합물인 다이아스테이스(diastase)는 아밀로펙틴보다 아밀로오스에 더 강하게 작용하므로 전분의 젤(gel) 즉 교질용액에 어떤 조정된 조건 하에서 다이아스테이스를 작용시키면 아밀로펙틴은 거의 영향 받지 않고 아밀로오스만을 말토오스 등으로 가수분해 시켜 제거함으로써 아밀로펙틴을 분리할 수 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

3가지 모델중에서 마이야 모델 즉 가지가 나뭇가지 모양으로 분기된 수상구조(樹狀構造)를 갖고 있는 것으로 생각하였었다 그러나 근래에 와서 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 성질(partial crystalline properties)이 아밀로펙틴 분자들(amylopectin molecules) 자체의 성질에 기인하는 사실에 주목하여 왔다 (아밀로오스가 결정성의 영역을 그 분자 내에 갖고 있는 것은 사실이나 전분입자들(starch granules)의 부분적인 결정성 영역의 존재는 아밀로오스가 아니라 주로 아밀로펙틴 분자들의 부분적인 강한 결정성 영역에 기인하는 것으로 알려져 있다 )

결정성(結晶性) 성질은 분자 내의 강하고도 광범위한 규칙적인 배열에 의해서 일어남으로 분자 내의 전혀 규칙성을 찾을 수 없는 마이어 모델(Meyer model)은 아밀로펙틴 분자들의 부분적으로 결정성을 가진 성질을 설명할 수 없는 난점이 있다 근래에 와서는 여러 클러스터 모델들이 제안됨

C사슬 α-1 4-결합만으로 형성 직선상의 부분(a linear part)이 근간(根幹)이 되어 B사슬 α-1 6-결합을 통해서 많은 가지들(branches)이 클러스터들(clusters)을 형성 A사슬 B사슬로 알려진 부분들 중의 많은 사슬(chains)들은 α-1 6-결합으로 연결된 주로 매우 짧은 제3의 층을 형성

그림 6-8] 아밀로펙틴 분자들의 클러스터 모델(房狀模型 cluster model) B사슬 층(가지가 많은 부분)의 하층은 가지들 사이에 뚜렷한 규칙성을 볼 수 없으나 그 상층부분들에서는 가지들 사이의 배열에 규칙성을 볼 수 있다 전분입자들이 나타내는 결정성(crystallinity)은 아밀로오스 분자들의 성질이 아니라 아밀로펙틴 분자들의 일부 내부구조에 의한 것이 확실해지고 있다

아밀로펙틴 평균분자량 107~108 (아밀로오스 분자량 대략 106 정도) 아밀로펙틴 분자 내에는 적어도 10000개 내지는 100000개 이상의 포도당 구성단위가 중합하여 형성된 것으로 추정할 수 있다 요오드와 아밀로펙틴과의 정색반응에 의한 색깔은 자색이며 아밀로오스나 전분의 짙은 청색과는 다르다 아밀로펙틴이 아밀로오스의 경우와 같은 요오드나 지방산들(fatty acid residue)과 복합체들(complex compounds)을 거의 형성하지 않음을 의미한다

[그림 6-9]대표적인 요오도와의 결합곡선들(typical iodine-binding curves)의 한 예 1 아밀로오스(amylose)에 대해서 2 아밀로펙틴(amylopectin)에 대해서 3 전분(starch)에 대해서 점선은 요오도와의 친화력(affinity)을 얻기 위해서 extrapolation하였음을 표시하여 주고 있다

아밀로펙틴은 요오드(iodine I2)와 거의 응하지 않는다 전분과 요오드와의 정색반응(color reaction)은 주로 전분 내의 아밀로오스에 기인된다

표 6-8아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin)의 성질 비교

아밀로오스 아밀로펙틴

(1) 요오드(iodine)와의 반응 짙은 청색 빨간색-자주색

(2) 청색값(Blue Value)1) 135 005

(3) β- 아밀레이스 추출액 (β-amylase

preparation)과의 반응

95 내지 100가 말토오스

로 가수분해

50가 말토오스로 가수분해

(4) 분자량 40000 내지 340002) 40000 내지 60000002)

(5) 비환원성 말단그룹(non-reducing

end group) 사이의 평균 포도당의

수

200 내지 2100 20 내지 25

(6) X-선 분석 고도의 결정성(crystallinity) 무정형(amorphous)

(7) 물에 대한 용해도(solubility) 거의 녹지 않음(sparingly sol

uble)

잘 녹는다(very soluble)

(8) 수용액(aqueous solution) 속에서

의 안정성(stability)

노화된다(retrogrades) 안정하다(stable)

(9) 아 세 틸 화 된 유 도 체 (acetylated

derivatives)의 성질

섬 유 질 (fibrous) 질 긴 필 름

(tough film)을 형성한다

무 정 형 분 말 (amorphous

powder) 부 스 러 지 기 쉬

운 필름을 형성(brittle film)

젤라틴화 즉 교질화 된 전분의 분산액(分散液 dispersion)에서 전분분자들이 부분적으로나마 결정화되는 과정을 노화(老化 retrogradation)라고 부른다 아밀로펙틴은 노화되는 성질을 갖고 있지 않으며 따라서 100 또는 거의 100가 아밀로펙틴으로 형성되고 있는 찹쌀이나 찰옥수수의 전분들은 노화현상을 잘 보여주지 않는다 같은 α-포도당이 구성단위가 되고 있는 글라이코젠(glycogen)의 경우 그 가지는 아밀로펙틴보다 더 많으며 그 분자형태도 구형(球形 a spherical form)을 이루고 있기 때문에 그 분산액은 교질화도 일으키지 않으며 따라서 노화현상도 없는 사실이 잘 알려져 있다

아밀로오스는 교질화((膠質化) 즉 젤라틴화(gelatinization)를 쉽게 일으키나 이것은 아밀로오스의 긴 직선상의 형태(linear molecular shape)에 기인된 듯하다 반면에 아밀로펙틴은 쉽게 젤라틴화 되지 않으며 그 원인도 역시 아밀로펙틴 분자들의 가지가 많은 분자구조에 기인된 듯하다 한편 젤라틴화 된 전분 분산액 더 엄격하게는 분산 시스템 또는 분산체(starch dispersion)에서 아밀로오스는 쉽게 부분적으로나마 결정화되는 경향이 있으나 아밀로펙틴은 분자들이 일단 분산된 후에는 서로 얽혀진 많은 수의 가지 때문에 부분적으로나마 결정화(crystallization)되기에는 너무 힘든 상태가 되는 것으로 믿어지고 있다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분리 1 아밀로오스 복합체 형성에 의한 분리 오래 전부터 알려진 방법으로써 가틴 그루제우스카(Gatin- Gruzewska Z 1908 1911 Radley J A 1954 참조)에 의해서 개발된 방법이 있다 이 방법에서는 3의 전분 용액에 소량의 40탄산 소오다(Na2Co3)용액을 가한 다음에 다시 95의 에탄올(EtOH)용액을 가하여 아밀로펙틴만을 침전시킨 후 이 침전을 씻고 다시 투석(透析 dialysis)으로 무기염 등을 제거하여 정제 아밀로펙틴을 얻는다

숏호(Schoch T J 1942)와 하워트들(Haworth W N et al 1946 Radley J A 1954 참조)은 전분 중의 아밀로오스 성분이 뷰타놀(butanol) 노말-아밀 알콜(n-amyl alcohol) 타이몰(thymol) 지방산들과 결합하여 결정성 복합체(crystalline complex)를 형성하는 성질을 이용하여 묽은 전분의 현탁액에 뷰타놀 등을 가한 후 형성되는 아밀로오스와 이들 알콜들과의 결정성 복합체들을 침전시킨 다음에 남은 아밀로펙틴을 원심분리기로 분리하는 방법을 설명하고 있다

2 전기 영동법에 의한 분리 자메크들(Samec M et al 1926)은 감자 전분의 아밀로오스와 아밀로펙틴을 전기 영동법(electrophoretic method)을 사용하여 분리하는데 성공한 바 있다 특히 감자전분의 경우 여기에 함유된 아밀로펙틴은 그 분자 속에 에스터화 된 인산그룹들(esterified phosphoric acid groups)을 함유하고 있기 때문에 비교적 강한 음전하(nagative charge)를 갖고 있으며 따라서 전분의 현탁액에 전류를 통하면 아밀로펙틴은 쉽게 양극(anode)으로 이동하는 성질이 있으므로 전기 영동법에 의해서 쉽게 분리할 수 있다고 한다 이 방법은 인산(phosphoric acid)이나 지방산(fatty acid)들이 아밀로펙틴과 화학적으로 결합되어 있지 않는 곡류 전분에는 적용할 수 없다

3 열수 추출법전분의 현탁액을 60~100로 가열할 때는 전분입자들(starch granules)은 팽윤(swelling)되면서 분자량이 상대적으로 훨씬 적으며 따라서 운동성(mobility)이 더 큰 아밀로오스 분자들은 팽윤된 전분입자들에서 빠져나가게(leaching)된다 한편 대부분의 아밀로펙틴 분자들은 전분입자 내에서 서로 결합상태 또는 부분적인 결정성을 그대로 유지하면서 남게 된다 수용액에 풀어져 나온 아밀로오스는 이상의 현탁액을 원심분리(centrifuge)한 후 상등액(supernatant)에서 얻을 수가 있다

4 효소 링들(Ling A R et al 1923)은 아밀로오스와 아밀로펙틴에 대한 특정 효소들의 작용의 차이를 이용하고 있다 즉 α- 및 β-아밀레이스들(α- β-amylases)의 혼합물인 다이아스테이스(diastase)는 아밀로펙틴보다 아밀로오스에 더 강하게 작용하므로 전분의 젤(gel) 즉 교질용액에 어떤 조정된 조건 하에서 다이아스테이스를 작용시키면 아밀로펙틴은 거의 영향 받지 않고 아밀로오스만을 말토오스 등으로 가수분해 시켜 제거함으로써 아밀로펙틴을 분리할 수 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

결정성(結晶性) 성질은 분자 내의 강하고도 광범위한 규칙적인 배열에 의해서 일어남으로 분자 내의 전혀 규칙성을 찾을 수 없는 마이어 모델(Meyer model)은 아밀로펙틴 분자들의 부분적으로 결정성을 가진 성질을 설명할 수 없는 난점이 있다 근래에 와서는 여러 클러스터 모델들이 제안됨

C사슬 α-1 4-결합만으로 형성 직선상의 부분(a linear part)이 근간(根幹)이 되어 B사슬 α-1 6-결합을 통해서 많은 가지들(branches)이 클러스터들(clusters)을 형성 A사슬 B사슬로 알려진 부분들 중의 많은 사슬(chains)들은 α-1 6-결합으로 연결된 주로 매우 짧은 제3의 층을 형성

그림 6-8] 아밀로펙틴 분자들의 클러스터 모델(房狀模型 cluster model) B사슬 층(가지가 많은 부분)의 하층은 가지들 사이에 뚜렷한 규칙성을 볼 수 없으나 그 상층부분들에서는 가지들 사이의 배열에 규칙성을 볼 수 있다 전분입자들이 나타내는 결정성(crystallinity)은 아밀로오스 분자들의 성질이 아니라 아밀로펙틴 분자들의 일부 내부구조에 의한 것이 확실해지고 있다

아밀로펙틴 평균분자량 107~108 (아밀로오스 분자량 대략 106 정도) 아밀로펙틴 분자 내에는 적어도 10000개 내지는 100000개 이상의 포도당 구성단위가 중합하여 형성된 것으로 추정할 수 있다 요오드와 아밀로펙틴과의 정색반응에 의한 색깔은 자색이며 아밀로오스나 전분의 짙은 청색과는 다르다 아밀로펙틴이 아밀로오스의 경우와 같은 요오드나 지방산들(fatty acid residue)과 복합체들(complex compounds)을 거의 형성하지 않음을 의미한다

[그림 6-9]대표적인 요오도와의 결합곡선들(typical iodine-binding curves)의 한 예 1 아밀로오스(amylose)에 대해서 2 아밀로펙틴(amylopectin)에 대해서 3 전분(starch)에 대해서 점선은 요오도와의 친화력(affinity)을 얻기 위해서 extrapolation하였음을 표시하여 주고 있다

아밀로펙틴은 요오드(iodine I2)와 거의 응하지 않는다 전분과 요오드와의 정색반응(color reaction)은 주로 전분 내의 아밀로오스에 기인된다

표 6-8아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin)의 성질 비교

아밀로오스 아밀로펙틴

(1) 요오드(iodine)와의 반응 짙은 청색 빨간색-자주색

(2) 청색값(Blue Value)1) 135 005

(3) β- 아밀레이스 추출액 (β-amylase

preparation)과의 반응

95 내지 100가 말토오스

로 가수분해

50가 말토오스로 가수분해

(4) 분자량 40000 내지 340002) 40000 내지 60000002)

(5) 비환원성 말단그룹(non-reducing

end group) 사이의 평균 포도당의

수

200 내지 2100 20 내지 25

(6) X-선 분석 고도의 결정성(crystallinity) 무정형(amorphous)

(7) 물에 대한 용해도(solubility) 거의 녹지 않음(sparingly sol

uble)

잘 녹는다(very soluble)

(8) 수용액(aqueous solution) 속에서

의 안정성(stability)

노화된다(retrogrades) 안정하다(stable)

(9) 아 세 틸 화 된 유 도 체 (acetylated

derivatives)의 성질

섬 유 질 (fibrous) 질 긴 필 름

(tough film)을 형성한다

무 정 형 분 말 (amorphous

powder) 부 스 러 지 기 쉬

운 필름을 형성(brittle film)

젤라틴화 즉 교질화 된 전분의 분산액(分散液 dispersion)에서 전분분자들이 부분적으로나마 결정화되는 과정을 노화(老化 retrogradation)라고 부른다 아밀로펙틴은 노화되는 성질을 갖고 있지 않으며 따라서 100 또는 거의 100가 아밀로펙틴으로 형성되고 있는 찹쌀이나 찰옥수수의 전분들은 노화현상을 잘 보여주지 않는다 같은 α-포도당이 구성단위가 되고 있는 글라이코젠(glycogen)의 경우 그 가지는 아밀로펙틴보다 더 많으며 그 분자형태도 구형(球形 a spherical form)을 이루고 있기 때문에 그 분산액은 교질화도 일으키지 않으며 따라서 노화현상도 없는 사실이 잘 알려져 있다

아밀로오스는 교질화((膠質化) 즉 젤라틴화(gelatinization)를 쉽게 일으키나 이것은 아밀로오스의 긴 직선상의 형태(linear molecular shape)에 기인된 듯하다 반면에 아밀로펙틴은 쉽게 젤라틴화 되지 않으며 그 원인도 역시 아밀로펙틴 분자들의 가지가 많은 분자구조에 기인된 듯하다 한편 젤라틴화 된 전분 분산액 더 엄격하게는 분산 시스템 또는 분산체(starch dispersion)에서 아밀로오스는 쉽게 부분적으로나마 결정화되는 경향이 있으나 아밀로펙틴은 분자들이 일단 분산된 후에는 서로 얽혀진 많은 수의 가지 때문에 부분적으로나마 결정화(crystallization)되기에는 너무 힘든 상태가 되는 것으로 믿어지고 있다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분리 1 아밀로오스 복합체 형성에 의한 분리 오래 전부터 알려진 방법으로써 가틴 그루제우스카(Gatin- Gruzewska Z 1908 1911 Radley J A 1954 참조)에 의해서 개발된 방법이 있다 이 방법에서는 3의 전분 용액에 소량의 40탄산 소오다(Na2Co3)용액을 가한 다음에 다시 95의 에탄올(EtOH)용액을 가하여 아밀로펙틴만을 침전시킨 후 이 침전을 씻고 다시 투석(透析 dialysis)으로 무기염 등을 제거하여 정제 아밀로펙틴을 얻는다

숏호(Schoch T J 1942)와 하워트들(Haworth W N et al 1946 Radley J A 1954 참조)은 전분 중의 아밀로오스 성분이 뷰타놀(butanol) 노말-아밀 알콜(n-amyl alcohol) 타이몰(thymol) 지방산들과 결합하여 결정성 복합체(crystalline complex)를 형성하는 성질을 이용하여 묽은 전분의 현탁액에 뷰타놀 등을 가한 후 형성되는 아밀로오스와 이들 알콜들과의 결정성 복합체들을 침전시킨 다음에 남은 아밀로펙틴을 원심분리기로 분리하는 방법을 설명하고 있다

2 전기 영동법에 의한 분리 자메크들(Samec M et al 1926)은 감자 전분의 아밀로오스와 아밀로펙틴을 전기 영동법(electrophoretic method)을 사용하여 분리하는데 성공한 바 있다 특히 감자전분의 경우 여기에 함유된 아밀로펙틴은 그 분자 속에 에스터화 된 인산그룹들(esterified phosphoric acid groups)을 함유하고 있기 때문에 비교적 강한 음전하(nagative charge)를 갖고 있으며 따라서 전분의 현탁액에 전류를 통하면 아밀로펙틴은 쉽게 양극(anode)으로 이동하는 성질이 있으므로 전기 영동법에 의해서 쉽게 분리할 수 있다고 한다 이 방법은 인산(phosphoric acid)이나 지방산(fatty acid)들이 아밀로펙틴과 화학적으로 결합되어 있지 않는 곡류 전분에는 적용할 수 없다

3 열수 추출법전분의 현탁액을 60~100로 가열할 때는 전분입자들(starch granules)은 팽윤(swelling)되면서 분자량이 상대적으로 훨씬 적으며 따라서 운동성(mobility)이 더 큰 아밀로오스 분자들은 팽윤된 전분입자들에서 빠져나가게(leaching)된다 한편 대부분의 아밀로펙틴 분자들은 전분입자 내에서 서로 결합상태 또는 부분적인 결정성을 그대로 유지하면서 남게 된다 수용액에 풀어져 나온 아밀로오스는 이상의 현탁액을 원심분리(centrifuge)한 후 상등액(supernatant)에서 얻을 수가 있다

4 효소 링들(Ling A R et al 1923)은 아밀로오스와 아밀로펙틴에 대한 특정 효소들의 작용의 차이를 이용하고 있다 즉 α- 및 β-아밀레이스들(α- β-amylases)의 혼합물인 다이아스테이스(diastase)는 아밀로펙틴보다 아밀로오스에 더 강하게 작용하므로 전분의 젤(gel) 즉 교질용액에 어떤 조정된 조건 하에서 다이아스테이스를 작용시키면 아밀로펙틴은 거의 영향 받지 않고 아밀로오스만을 말토오스 등으로 가수분해 시켜 제거함으로써 아밀로펙틴을 분리할 수 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

C사슬 α-1 4-결합만으로 형성 직선상의 부분(a linear part)이 근간(根幹)이 되어 B사슬 α-1 6-결합을 통해서 많은 가지들(branches)이 클러스터들(clusters)을 형성 A사슬 B사슬로 알려진 부분들 중의 많은 사슬(chains)들은 α-1 6-결합으로 연결된 주로 매우 짧은 제3의 층을 형성

그림 6-8] 아밀로펙틴 분자들의 클러스터 모델(房狀模型 cluster model) B사슬 층(가지가 많은 부분)의 하층은 가지들 사이에 뚜렷한 규칙성을 볼 수 없으나 그 상층부분들에서는 가지들 사이의 배열에 규칙성을 볼 수 있다 전분입자들이 나타내는 결정성(crystallinity)은 아밀로오스 분자들의 성질이 아니라 아밀로펙틴 분자들의 일부 내부구조에 의한 것이 확실해지고 있다

아밀로펙틴 평균분자량 107~108 (아밀로오스 분자량 대략 106 정도) 아밀로펙틴 분자 내에는 적어도 10000개 내지는 100000개 이상의 포도당 구성단위가 중합하여 형성된 것으로 추정할 수 있다 요오드와 아밀로펙틴과의 정색반응에 의한 색깔은 자색이며 아밀로오스나 전분의 짙은 청색과는 다르다 아밀로펙틴이 아밀로오스의 경우와 같은 요오드나 지방산들(fatty acid residue)과 복합체들(complex compounds)을 거의 형성하지 않음을 의미한다

[그림 6-9]대표적인 요오도와의 결합곡선들(typical iodine-binding curves)의 한 예 1 아밀로오스(amylose)에 대해서 2 아밀로펙틴(amylopectin)에 대해서 3 전분(starch)에 대해서 점선은 요오도와의 친화력(affinity)을 얻기 위해서 extrapolation하였음을 표시하여 주고 있다

아밀로펙틴은 요오드(iodine I2)와 거의 응하지 않는다 전분과 요오드와의 정색반응(color reaction)은 주로 전분 내의 아밀로오스에 기인된다

표 6-8아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin)의 성질 비교

아밀로오스 아밀로펙틴

(1) 요오드(iodine)와의 반응 짙은 청색 빨간색-자주색

(2) 청색값(Blue Value)1) 135 005

(3) β- 아밀레이스 추출액 (β-amylase

preparation)과의 반응

95 내지 100가 말토오스

로 가수분해

50가 말토오스로 가수분해

(4) 분자량 40000 내지 340002) 40000 내지 60000002)

(5) 비환원성 말단그룹(non-reducing

end group) 사이의 평균 포도당의

수

200 내지 2100 20 내지 25

(6) X-선 분석 고도의 결정성(crystallinity) 무정형(amorphous)

(7) 물에 대한 용해도(solubility) 거의 녹지 않음(sparingly sol

uble)

잘 녹는다(very soluble)

(8) 수용액(aqueous solution) 속에서

의 안정성(stability)

노화된다(retrogrades) 안정하다(stable)

(9) 아 세 틸 화 된 유 도 체 (acetylated

derivatives)의 성질

섬 유 질 (fibrous) 질 긴 필 름

(tough film)을 형성한다

무 정 형 분 말 (amorphous

powder) 부 스 러 지 기 쉬

운 필름을 형성(brittle film)

젤라틴화 즉 교질화 된 전분의 분산액(分散液 dispersion)에서 전분분자들이 부분적으로나마 결정화되는 과정을 노화(老化 retrogradation)라고 부른다 아밀로펙틴은 노화되는 성질을 갖고 있지 않으며 따라서 100 또는 거의 100가 아밀로펙틴으로 형성되고 있는 찹쌀이나 찰옥수수의 전분들은 노화현상을 잘 보여주지 않는다 같은 α-포도당이 구성단위가 되고 있는 글라이코젠(glycogen)의 경우 그 가지는 아밀로펙틴보다 더 많으며 그 분자형태도 구형(球形 a spherical form)을 이루고 있기 때문에 그 분산액은 교질화도 일으키지 않으며 따라서 노화현상도 없는 사실이 잘 알려져 있다

아밀로오스는 교질화((膠質化) 즉 젤라틴화(gelatinization)를 쉽게 일으키나 이것은 아밀로오스의 긴 직선상의 형태(linear molecular shape)에 기인된 듯하다 반면에 아밀로펙틴은 쉽게 젤라틴화 되지 않으며 그 원인도 역시 아밀로펙틴 분자들의 가지가 많은 분자구조에 기인된 듯하다 한편 젤라틴화 된 전분 분산액 더 엄격하게는 분산 시스템 또는 분산체(starch dispersion)에서 아밀로오스는 쉽게 부분적으로나마 결정화되는 경향이 있으나 아밀로펙틴은 분자들이 일단 분산된 후에는 서로 얽혀진 많은 수의 가지 때문에 부분적으로나마 결정화(crystallization)되기에는 너무 힘든 상태가 되는 것으로 믿어지고 있다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분리 1 아밀로오스 복합체 형성에 의한 분리 오래 전부터 알려진 방법으로써 가틴 그루제우스카(Gatin- Gruzewska Z 1908 1911 Radley J A 1954 참조)에 의해서 개발된 방법이 있다 이 방법에서는 3의 전분 용액에 소량의 40탄산 소오다(Na2Co3)용액을 가한 다음에 다시 95의 에탄올(EtOH)용액을 가하여 아밀로펙틴만을 침전시킨 후 이 침전을 씻고 다시 투석(透析 dialysis)으로 무기염 등을 제거하여 정제 아밀로펙틴을 얻는다

숏호(Schoch T J 1942)와 하워트들(Haworth W N et al 1946 Radley J A 1954 참조)은 전분 중의 아밀로오스 성분이 뷰타놀(butanol) 노말-아밀 알콜(n-amyl alcohol) 타이몰(thymol) 지방산들과 결합하여 결정성 복합체(crystalline complex)를 형성하는 성질을 이용하여 묽은 전분의 현탁액에 뷰타놀 등을 가한 후 형성되는 아밀로오스와 이들 알콜들과의 결정성 복합체들을 침전시킨 다음에 남은 아밀로펙틴을 원심분리기로 분리하는 방법을 설명하고 있다

2 전기 영동법에 의한 분리 자메크들(Samec M et al 1926)은 감자 전분의 아밀로오스와 아밀로펙틴을 전기 영동법(electrophoretic method)을 사용하여 분리하는데 성공한 바 있다 특히 감자전분의 경우 여기에 함유된 아밀로펙틴은 그 분자 속에 에스터화 된 인산그룹들(esterified phosphoric acid groups)을 함유하고 있기 때문에 비교적 강한 음전하(nagative charge)를 갖고 있으며 따라서 전분의 현탁액에 전류를 통하면 아밀로펙틴은 쉽게 양극(anode)으로 이동하는 성질이 있으므로 전기 영동법에 의해서 쉽게 분리할 수 있다고 한다 이 방법은 인산(phosphoric acid)이나 지방산(fatty acid)들이 아밀로펙틴과 화학적으로 결합되어 있지 않는 곡류 전분에는 적용할 수 없다

3 열수 추출법전분의 현탁액을 60~100로 가열할 때는 전분입자들(starch granules)은 팽윤(swelling)되면서 분자량이 상대적으로 훨씬 적으며 따라서 운동성(mobility)이 더 큰 아밀로오스 분자들은 팽윤된 전분입자들에서 빠져나가게(leaching)된다 한편 대부분의 아밀로펙틴 분자들은 전분입자 내에서 서로 결합상태 또는 부분적인 결정성을 그대로 유지하면서 남게 된다 수용액에 풀어져 나온 아밀로오스는 이상의 현탁액을 원심분리(centrifuge)한 후 상등액(supernatant)에서 얻을 수가 있다

4 효소 링들(Ling A R et al 1923)은 아밀로오스와 아밀로펙틴에 대한 특정 효소들의 작용의 차이를 이용하고 있다 즉 α- 및 β-아밀레이스들(α- β-amylases)의 혼합물인 다이아스테이스(diastase)는 아밀로펙틴보다 아밀로오스에 더 강하게 작용하므로 전분의 젤(gel) 즉 교질용액에 어떤 조정된 조건 하에서 다이아스테이스를 작용시키면 아밀로펙틴은 거의 영향 받지 않고 아밀로오스만을 말토오스 등으로 가수분해 시켜 제거함으로써 아밀로펙틴을 분리할 수 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

아밀로펙틴 평균분자량 107~108 (아밀로오스 분자량 대략 106 정도) 아밀로펙틴 분자 내에는 적어도 10000개 내지는 100000개 이상의 포도당 구성단위가 중합하여 형성된 것으로 추정할 수 있다 요오드와 아밀로펙틴과의 정색반응에 의한 색깔은 자색이며 아밀로오스나 전분의 짙은 청색과는 다르다 아밀로펙틴이 아밀로오스의 경우와 같은 요오드나 지방산들(fatty acid residue)과 복합체들(complex compounds)을 거의 형성하지 않음을 의미한다

[그림 6-9]대표적인 요오도와의 결합곡선들(typical iodine-binding curves)의 한 예 1 아밀로오스(amylose)에 대해서 2 아밀로펙틴(amylopectin)에 대해서 3 전분(starch)에 대해서 점선은 요오도와의 친화력(affinity)을 얻기 위해서 extrapolation하였음을 표시하여 주고 있다

아밀로펙틴은 요오드(iodine I2)와 거의 응하지 않는다 전분과 요오드와의 정색반응(color reaction)은 주로 전분 내의 아밀로오스에 기인된다

표 6-8아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin)의 성질 비교

아밀로오스 아밀로펙틴

(1) 요오드(iodine)와의 반응 짙은 청색 빨간색-자주색

(2) 청색값(Blue Value)1) 135 005

(3) β- 아밀레이스 추출액 (β-amylase

preparation)과의 반응

95 내지 100가 말토오스

로 가수분해

50가 말토오스로 가수분해

(4) 분자량 40000 내지 340002) 40000 내지 60000002)

(5) 비환원성 말단그룹(non-reducing

end group) 사이의 평균 포도당의

수

200 내지 2100 20 내지 25

(6) X-선 분석 고도의 결정성(crystallinity) 무정형(amorphous)

(7) 물에 대한 용해도(solubility) 거의 녹지 않음(sparingly sol

uble)

잘 녹는다(very soluble)

(8) 수용액(aqueous solution) 속에서

의 안정성(stability)

노화된다(retrogrades) 안정하다(stable)

(9) 아 세 틸 화 된 유 도 체 (acetylated

derivatives)의 성질

섬 유 질 (fibrous) 질 긴 필 름

(tough film)을 형성한다

무 정 형 분 말 (amorphous

powder) 부 스 러 지 기 쉬

운 필름을 형성(brittle film)

젤라틴화 즉 교질화 된 전분의 분산액(分散液 dispersion)에서 전분분자들이 부분적으로나마 결정화되는 과정을 노화(老化 retrogradation)라고 부른다 아밀로펙틴은 노화되는 성질을 갖고 있지 않으며 따라서 100 또는 거의 100가 아밀로펙틴으로 형성되고 있는 찹쌀이나 찰옥수수의 전분들은 노화현상을 잘 보여주지 않는다 같은 α-포도당이 구성단위가 되고 있는 글라이코젠(glycogen)의 경우 그 가지는 아밀로펙틴보다 더 많으며 그 분자형태도 구형(球形 a spherical form)을 이루고 있기 때문에 그 분산액은 교질화도 일으키지 않으며 따라서 노화현상도 없는 사실이 잘 알려져 있다

아밀로오스는 교질화((膠質化) 즉 젤라틴화(gelatinization)를 쉽게 일으키나 이것은 아밀로오스의 긴 직선상의 형태(linear molecular shape)에 기인된 듯하다 반면에 아밀로펙틴은 쉽게 젤라틴화 되지 않으며 그 원인도 역시 아밀로펙틴 분자들의 가지가 많은 분자구조에 기인된 듯하다 한편 젤라틴화 된 전분 분산액 더 엄격하게는 분산 시스템 또는 분산체(starch dispersion)에서 아밀로오스는 쉽게 부분적으로나마 결정화되는 경향이 있으나 아밀로펙틴은 분자들이 일단 분산된 후에는 서로 얽혀진 많은 수의 가지 때문에 부분적으로나마 결정화(crystallization)되기에는 너무 힘든 상태가 되는 것으로 믿어지고 있다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분리 1 아밀로오스 복합체 형성에 의한 분리 오래 전부터 알려진 방법으로써 가틴 그루제우스카(Gatin- Gruzewska Z 1908 1911 Radley J A 1954 참조)에 의해서 개발된 방법이 있다 이 방법에서는 3의 전분 용액에 소량의 40탄산 소오다(Na2Co3)용액을 가한 다음에 다시 95의 에탄올(EtOH)용액을 가하여 아밀로펙틴만을 침전시킨 후 이 침전을 씻고 다시 투석(透析 dialysis)으로 무기염 등을 제거하여 정제 아밀로펙틴을 얻는다

숏호(Schoch T J 1942)와 하워트들(Haworth W N et al 1946 Radley J A 1954 참조)은 전분 중의 아밀로오스 성분이 뷰타놀(butanol) 노말-아밀 알콜(n-amyl alcohol) 타이몰(thymol) 지방산들과 결합하여 결정성 복합체(crystalline complex)를 형성하는 성질을 이용하여 묽은 전분의 현탁액에 뷰타놀 등을 가한 후 형성되는 아밀로오스와 이들 알콜들과의 결정성 복합체들을 침전시킨 다음에 남은 아밀로펙틴을 원심분리기로 분리하는 방법을 설명하고 있다

2 전기 영동법에 의한 분리 자메크들(Samec M et al 1926)은 감자 전분의 아밀로오스와 아밀로펙틴을 전기 영동법(electrophoretic method)을 사용하여 분리하는데 성공한 바 있다 특히 감자전분의 경우 여기에 함유된 아밀로펙틴은 그 분자 속에 에스터화 된 인산그룹들(esterified phosphoric acid groups)을 함유하고 있기 때문에 비교적 강한 음전하(nagative charge)를 갖고 있으며 따라서 전분의 현탁액에 전류를 통하면 아밀로펙틴은 쉽게 양극(anode)으로 이동하는 성질이 있으므로 전기 영동법에 의해서 쉽게 분리할 수 있다고 한다 이 방법은 인산(phosphoric acid)이나 지방산(fatty acid)들이 아밀로펙틴과 화학적으로 결합되어 있지 않는 곡류 전분에는 적용할 수 없다

3 열수 추출법전분의 현탁액을 60~100로 가열할 때는 전분입자들(starch granules)은 팽윤(swelling)되면서 분자량이 상대적으로 훨씬 적으며 따라서 운동성(mobility)이 더 큰 아밀로오스 분자들은 팽윤된 전분입자들에서 빠져나가게(leaching)된다 한편 대부분의 아밀로펙틴 분자들은 전분입자 내에서 서로 결합상태 또는 부분적인 결정성을 그대로 유지하면서 남게 된다 수용액에 풀어져 나온 아밀로오스는 이상의 현탁액을 원심분리(centrifuge)한 후 상등액(supernatant)에서 얻을 수가 있다

4 효소 링들(Ling A R et al 1923)은 아밀로오스와 아밀로펙틴에 대한 특정 효소들의 작용의 차이를 이용하고 있다 즉 α- 및 β-아밀레이스들(α- β-amylases)의 혼합물인 다이아스테이스(diastase)는 아밀로펙틴보다 아밀로오스에 더 강하게 작용하므로 전분의 젤(gel) 즉 교질용액에 어떤 조정된 조건 하에서 다이아스테이스를 작용시키면 아밀로펙틴은 거의 영향 받지 않고 아밀로오스만을 말토오스 등으로 가수분해 시켜 제거함으로써 아밀로펙틴을 분리할 수 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

[그림 6-9]대표적인 요오도와의 결합곡선들(typical iodine-binding curves)의 한 예 1 아밀로오스(amylose)에 대해서 2 아밀로펙틴(amylopectin)에 대해서 3 전분(starch)에 대해서 점선은 요오도와의 친화력(affinity)을 얻기 위해서 extrapolation하였음을 표시하여 주고 있다

아밀로펙틴은 요오드(iodine I2)와 거의 응하지 않는다 전분과 요오드와의 정색반응(color reaction)은 주로 전분 내의 아밀로오스에 기인된다

표 6-8아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin)의 성질 비교

아밀로오스 아밀로펙틴

(1) 요오드(iodine)와의 반응 짙은 청색 빨간색-자주색

(2) 청색값(Blue Value)1) 135 005

(3) β- 아밀레이스 추출액 (β-amylase

preparation)과의 반응

95 내지 100가 말토오스

로 가수분해

50가 말토오스로 가수분해

(4) 분자량 40000 내지 340002) 40000 내지 60000002)

(5) 비환원성 말단그룹(non-reducing

end group) 사이의 평균 포도당의

수

200 내지 2100 20 내지 25

(6) X-선 분석 고도의 결정성(crystallinity) 무정형(amorphous)

(7) 물에 대한 용해도(solubility) 거의 녹지 않음(sparingly sol

uble)

잘 녹는다(very soluble)

(8) 수용액(aqueous solution) 속에서

의 안정성(stability)

노화된다(retrogrades) 안정하다(stable)

(9) 아 세 틸 화 된 유 도 체 (acetylated

derivatives)의 성질

섬 유 질 (fibrous) 질 긴 필 름

(tough film)을 형성한다

무 정 형 분 말 (amorphous

powder) 부 스 러 지 기 쉬

운 필름을 형성(brittle film)

젤라틴화 즉 교질화 된 전분의 분산액(分散液 dispersion)에서 전분분자들이 부분적으로나마 결정화되는 과정을 노화(老化 retrogradation)라고 부른다 아밀로펙틴은 노화되는 성질을 갖고 있지 않으며 따라서 100 또는 거의 100가 아밀로펙틴으로 형성되고 있는 찹쌀이나 찰옥수수의 전분들은 노화현상을 잘 보여주지 않는다 같은 α-포도당이 구성단위가 되고 있는 글라이코젠(glycogen)의 경우 그 가지는 아밀로펙틴보다 더 많으며 그 분자형태도 구형(球形 a spherical form)을 이루고 있기 때문에 그 분산액은 교질화도 일으키지 않으며 따라서 노화현상도 없는 사실이 잘 알려져 있다

아밀로오스는 교질화((膠質化) 즉 젤라틴화(gelatinization)를 쉽게 일으키나 이것은 아밀로오스의 긴 직선상의 형태(linear molecular shape)에 기인된 듯하다 반면에 아밀로펙틴은 쉽게 젤라틴화 되지 않으며 그 원인도 역시 아밀로펙틴 분자들의 가지가 많은 분자구조에 기인된 듯하다 한편 젤라틴화 된 전분 분산액 더 엄격하게는 분산 시스템 또는 분산체(starch dispersion)에서 아밀로오스는 쉽게 부분적으로나마 결정화되는 경향이 있으나 아밀로펙틴은 분자들이 일단 분산된 후에는 서로 얽혀진 많은 수의 가지 때문에 부분적으로나마 결정화(crystallization)되기에는 너무 힘든 상태가 되는 것으로 믿어지고 있다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분리 1 아밀로오스 복합체 형성에 의한 분리 오래 전부터 알려진 방법으로써 가틴 그루제우스카(Gatin- Gruzewska Z 1908 1911 Radley J A 1954 참조)에 의해서 개발된 방법이 있다 이 방법에서는 3의 전분 용액에 소량의 40탄산 소오다(Na2Co3)용액을 가한 다음에 다시 95의 에탄올(EtOH)용액을 가하여 아밀로펙틴만을 침전시킨 후 이 침전을 씻고 다시 투석(透析 dialysis)으로 무기염 등을 제거하여 정제 아밀로펙틴을 얻는다

숏호(Schoch T J 1942)와 하워트들(Haworth W N et al 1946 Radley J A 1954 참조)은 전분 중의 아밀로오스 성분이 뷰타놀(butanol) 노말-아밀 알콜(n-amyl alcohol) 타이몰(thymol) 지방산들과 결합하여 결정성 복합체(crystalline complex)를 형성하는 성질을 이용하여 묽은 전분의 현탁액에 뷰타놀 등을 가한 후 형성되는 아밀로오스와 이들 알콜들과의 결정성 복합체들을 침전시킨 다음에 남은 아밀로펙틴을 원심분리기로 분리하는 방법을 설명하고 있다

2 전기 영동법에 의한 분리 자메크들(Samec M et al 1926)은 감자 전분의 아밀로오스와 아밀로펙틴을 전기 영동법(electrophoretic method)을 사용하여 분리하는데 성공한 바 있다 특히 감자전분의 경우 여기에 함유된 아밀로펙틴은 그 분자 속에 에스터화 된 인산그룹들(esterified phosphoric acid groups)을 함유하고 있기 때문에 비교적 강한 음전하(nagative charge)를 갖고 있으며 따라서 전분의 현탁액에 전류를 통하면 아밀로펙틴은 쉽게 양극(anode)으로 이동하는 성질이 있으므로 전기 영동법에 의해서 쉽게 분리할 수 있다고 한다 이 방법은 인산(phosphoric acid)이나 지방산(fatty acid)들이 아밀로펙틴과 화학적으로 결합되어 있지 않는 곡류 전분에는 적용할 수 없다

3 열수 추출법전분의 현탁액을 60~100로 가열할 때는 전분입자들(starch granules)은 팽윤(swelling)되면서 분자량이 상대적으로 훨씬 적으며 따라서 운동성(mobility)이 더 큰 아밀로오스 분자들은 팽윤된 전분입자들에서 빠져나가게(leaching)된다 한편 대부분의 아밀로펙틴 분자들은 전분입자 내에서 서로 결합상태 또는 부분적인 결정성을 그대로 유지하면서 남게 된다 수용액에 풀어져 나온 아밀로오스는 이상의 현탁액을 원심분리(centrifuge)한 후 상등액(supernatant)에서 얻을 수가 있다

4 효소 링들(Ling A R et al 1923)은 아밀로오스와 아밀로펙틴에 대한 특정 효소들의 작용의 차이를 이용하고 있다 즉 α- 및 β-아밀레이스들(α- β-amylases)의 혼합물인 다이아스테이스(diastase)는 아밀로펙틴보다 아밀로오스에 더 강하게 작용하므로 전분의 젤(gel) 즉 교질용액에 어떤 조정된 조건 하에서 다이아스테이스를 작용시키면 아밀로펙틴은 거의 영향 받지 않고 아밀로오스만을 말토오스 등으로 가수분해 시켜 제거함으로써 아밀로펙틴을 분리할 수 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

표 6-8아밀로오스(amylose) 아밀로펙틴(amylopectin)의 성질 비교

아밀로오스 아밀로펙틴

(1) 요오드(iodine)와의 반응 짙은 청색 빨간색-자주색

(2) 청색값(Blue Value)1) 135 005

(3) β- 아밀레이스 추출액 (β-amylase

preparation)과의 반응

95 내지 100가 말토오스

로 가수분해

50가 말토오스로 가수분해

(4) 분자량 40000 내지 340002) 40000 내지 60000002)

(5) 비환원성 말단그룹(non-reducing

end group) 사이의 평균 포도당의

수

200 내지 2100 20 내지 25

(6) X-선 분석 고도의 결정성(crystallinity) 무정형(amorphous)

(7) 물에 대한 용해도(solubility) 거의 녹지 않음(sparingly sol

uble)

잘 녹는다(very soluble)

(8) 수용액(aqueous solution) 속에서

의 안정성(stability)

노화된다(retrogrades) 안정하다(stable)

(9) 아 세 틸 화 된 유 도 체 (acetylated

derivatives)의 성질

섬 유 질 (fibrous) 질 긴 필 름

(tough film)을 형성한다

무 정 형 분 말 (amorphous

powder) 부 스 러 지 기 쉬

운 필름을 형성(brittle film)

젤라틴화 즉 교질화 된 전분의 분산액(分散液 dispersion)에서 전분분자들이 부분적으로나마 결정화되는 과정을 노화(老化 retrogradation)라고 부른다 아밀로펙틴은 노화되는 성질을 갖고 있지 않으며 따라서 100 또는 거의 100가 아밀로펙틴으로 형성되고 있는 찹쌀이나 찰옥수수의 전분들은 노화현상을 잘 보여주지 않는다 같은 α-포도당이 구성단위가 되고 있는 글라이코젠(glycogen)의 경우 그 가지는 아밀로펙틴보다 더 많으며 그 분자형태도 구형(球形 a spherical form)을 이루고 있기 때문에 그 분산액은 교질화도 일으키지 않으며 따라서 노화현상도 없는 사실이 잘 알려져 있다

아밀로오스는 교질화((膠質化) 즉 젤라틴화(gelatinization)를 쉽게 일으키나 이것은 아밀로오스의 긴 직선상의 형태(linear molecular shape)에 기인된 듯하다 반면에 아밀로펙틴은 쉽게 젤라틴화 되지 않으며 그 원인도 역시 아밀로펙틴 분자들의 가지가 많은 분자구조에 기인된 듯하다 한편 젤라틴화 된 전분 분산액 더 엄격하게는 분산 시스템 또는 분산체(starch dispersion)에서 아밀로오스는 쉽게 부분적으로나마 결정화되는 경향이 있으나 아밀로펙틴은 분자들이 일단 분산된 후에는 서로 얽혀진 많은 수의 가지 때문에 부분적으로나마 결정화(crystallization)되기에는 너무 힘든 상태가 되는 것으로 믿어지고 있다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분리 1 아밀로오스 복합체 형성에 의한 분리 오래 전부터 알려진 방법으로써 가틴 그루제우스카(Gatin- Gruzewska Z 1908 1911 Radley J A 1954 참조)에 의해서 개발된 방법이 있다 이 방법에서는 3의 전분 용액에 소량의 40탄산 소오다(Na2Co3)용액을 가한 다음에 다시 95의 에탄올(EtOH)용액을 가하여 아밀로펙틴만을 침전시킨 후 이 침전을 씻고 다시 투석(透析 dialysis)으로 무기염 등을 제거하여 정제 아밀로펙틴을 얻는다

숏호(Schoch T J 1942)와 하워트들(Haworth W N et al 1946 Radley J A 1954 참조)은 전분 중의 아밀로오스 성분이 뷰타놀(butanol) 노말-아밀 알콜(n-amyl alcohol) 타이몰(thymol) 지방산들과 결합하여 결정성 복합체(crystalline complex)를 형성하는 성질을 이용하여 묽은 전분의 현탁액에 뷰타놀 등을 가한 후 형성되는 아밀로오스와 이들 알콜들과의 결정성 복합체들을 침전시킨 다음에 남은 아밀로펙틴을 원심분리기로 분리하는 방법을 설명하고 있다

2 전기 영동법에 의한 분리 자메크들(Samec M et al 1926)은 감자 전분의 아밀로오스와 아밀로펙틴을 전기 영동법(electrophoretic method)을 사용하여 분리하는데 성공한 바 있다 특히 감자전분의 경우 여기에 함유된 아밀로펙틴은 그 분자 속에 에스터화 된 인산그룹들(esterified phosphoric acid groups)을 함유하고 있기 때문에 비교적 강한 음전하(nagative charge)를 갖고 있으며 따라서 전분의 현탁액에 전류를 통하면 아밀로펙틴은 쉽게 양극(anode)으로 이동하는 성질이 있으므로 전기 영동법에 의해서 쉽게 분리할 수 있다고 한다 이 방법은 인산(phosphoric acid)이나 지방산(fatty acid)들이 아밀로펙틴과 화학적으로 결합되어 있지 않는 곡류 전분에는 적용할 수 없다

3 열수 추출법전분의 현탁액을 60~100로 가열할 때는 전분입자들(starch granules)은 팽윤(swelling)되면서 분자량이 상대적으로 훨씬 적으며 따라서 운동성(mobility)이 더 큰 아밀로오스 분자들은 팽윤된 전분입자들에서 빠져나가게(leaching)된다 한편 대부분의 아밀로펙틴 분자들은 전분입자 내에서 서로 결합상태 또는 부분적인 결정성을 그대로 유지하면서 남게 된다 수용액에 풀어져 나온 아밀로오스는 이상의 현탁액을 원심분리(centrifuge)한 후 상등액(supernatant)에서 얻을 수가 있다

4 효소 링들(Ling A R et al 1923)은 아밀로오스와 아밀로펙틴에 대한 특정 효소들의 작용의 차이를 이용하고 있다 즉 α- 및 β-아밀레이스들(α- β-amylases)의 혼합물인 다이아스테이스(diastase)는 아밀로펙틴보다 아밀로오스에 더 강하게 작용하므로 전분의 젤(gel) 즉 교질용액에 어떤 조정된 조건 하에서 다이아스테이스를 작용시키면 아밀로펙틴은 거의 영향 받지 않고 아밀로오스만을 말토오스 등으로 가수분해 시켜 제거함으로써 아밀로펙틴을 분리할 수 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

젤라틴화 즉 교질화 된 전분의 분산액(分散液 dispersion)에서 전분분자들이 부분적으로나마 결정화되는 과정을 노화(老化 retrogradation)라고 부른다 아밀로펙틴은 노화되는 성질을 갖고 있지 않으며 따라서 100 또는 거의 100가 아밀로펙틴으로 형성되고 있는 찹쌀이나 찰옥수수의 전분들은 노화현상을 잘 보여주지 않는다 같은 α-포도당이 구성단위가 되고 있는 글라이코젠(glycogen)의 경우 그 가지는 아밀로펙틴보다 더 많으며 그 분자형태도 구형(球形 a spherical form)을 이루고 있기 때문에 그 분산액은 교질화도 일으키지 않으며 따라서 노화현상도 없는 사실이 잘 알려져 있다

아밀로오스는 교질화((膠質化) 즉 젤라틴화(gelatinization)를 쉽게 일으키나 이것은 아밀로오스의 긴 직선상의 형태(linear molecular shape)에 기인된 듯하다 반면에 아밀로펙틴은 쉽게 젤라틴화 되지 않으며 그 원인도 역시 아밀로펙틴 분자들의 가지가 많은 분자구조에 기인된 듯하다 한편 젤라틴화 된 전분 분산액 더 엄격하게는 분산 시스템 또는 분산체(starch dispersion)에서 아밀로오스는 쉽게 부분적으로나마 결정화되는 경향이 있으나 아밀로펙틴은 분자들이 일단 분산된 후에는 서로 얽혀진 많은 수의 가지 때문에 부분적으로나마 결정화(crystallization)되기에는 너무 힘든 상태가 되는 것으로 믿어지고 있다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분리 1 아밀로오스 복합체 형성에 의한 분리 오래 전부터 알려진 방법으로써 가틴 그루제우스카(Gatin- Gruzewska Z 1908 1911 Radley J A 1954 참조)에 의해서 개발된 방법이 있다 이 방법에서는 3의 전분 용액에 소량의 40탄산 소오다(Na2Co3)용액을 가한 다음에 다시 95의 에탄올(EtOH)용액을 가하여 아밀로펙틴만을 침전시킨 후 이 침전을 씻고 다시 투석(透析 dialysis)으로 무기염 등을 제거하여 정제 아밀로펙틴을 얻는다

숏호(Schoch T J 1942)와 하워트들(Haworth W N et al 1946 Radley J A 1954 참조)은 전분 중의 아밀로오스 성분이 뷰타놀(butanol) 노말-아밀 알콜(n-amyl alcohol) 타이몰(thymol) 지방산들과 결합하여 결정성 복합체(crystalline complex)를 형성하는 성질을 이용하여 묽은 전분의 현탁액에 뷰타놀 등을 가한 후 형성되는 아밀로오스와 이들 알콜들과의 결정성 복합체들을 침전시킨 다음에 남은 아밀로펙틴을 원심분리기로 분리하는 방법을 설명하고 있다

2 전기 영동법에 의한 분리 자메크들(Samec M et al 1926)은 감자 전분의 아밀로오스와 아밀로펙틴을 전기 영동법(electrophoretic method)을 사용하여 분리하는데 성공한 바 있다 특히 감자전분의 경우 여기에 함유된 아밀로펙틴은 그 분자 속에 에스터화 된 인산그룹들(esterified phosphoric acid groups)을 함유하고 있기 때문에 비교적 강한 음전하(nagative charge)를 갖고 있으며 따라서 전분의 현탁액에 전류를 통하면 아밀로펙틴은 쉽게 양극(anode)으로 이동하는 성질이 있으므로 전기 영동법에 의해서 쉽게 분리할 수 있다고 한다 이 방법은 인산(phosphoric acid)이나 지방산(fatty acid)들이 아밀로펙틴과 화학적으로 결합되어 있지 않는 곡류 전분에는 적용할 수 없다

3 열수 추출법전분의 현탁액을 60~100로 가열할 때는 전분입자들(starch granules)은 팽윤(swelling)되면서 분자량이 상대적으로 훨씬 적으며 따라서 운동성(mobility)이 더 큰 아밀로오스 분자들은 팽윤된 전분입자들에서 빠져나가게(leaching)된다 한편 대부분의 아밀로펙틴 분자들은 전분입자 내에서 서로 결합상태 또는 부분적인 결정성을 그대로 유지하면서 남게 된다 수용액에 풀어져 나온 아밀로오스는 이상의 현탁액을 원심분리(centrifuge)한 후 상등액(supernatant)에서 얻을 수가 있다

4 효소 링들(Ling A R et al 1923)은 아밀로오스와 아밀로펙틴에 대한 특정 효소들의 작용의 차이를 이용하고 있다 즉 α- 및 β-아밀레이스들(α- β-amylases)의 혼합물인 다이아스테이스(diastase)는 아밀로펙틴보다 아밀로오스에 더 강하게 작용하므로 전분의 젤(gel) 즉 교질용액에 어떤 조정된 조건 하에서 다이아스테이스를 작용시키면 아밀로펙틴은 거의 영향 받지 않고 아밀로오스만을 말토오스 등으로 가수분해 시켜 제거함으로써 아밀로펙틴을 분리할 수 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

아밀로오스는 교질화((膠質化) 즉 젤라틴화(gelatinization)를 쉽게 일으키나 이것은 아밀로오스의 긴 직선상의 형태(linear molecular shape)에 기인된 듯하다 반면에 아밀로펙틴은 쉽게 젤라틴화 되지 않으며 그 원인도 역시 아밀로펙틴 분자들의 가지가 많은 분자구조에 기인된 듯하다 한편 젤라틴화 된 전분 분산액 더 엄격하게는 분산 시스템 또는 분산체(starch dispersion)에서 아밀로오스는 쉽게 부분적으로나마 결정화되는 경향이 있으나 아밀로펙틴은 분자들이 일단 분산된 후에는 서로 얽혀진 많은 수의 가지 때문에 부분적으로나마 결정화(crystallization)되기에는 너무 힘든 상태가 되는 것으로 믿어지고 있다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분리 1 아밀로오스 복합체 형성에 의한 분리 오래 전부터 알려진 방법으로써 가틴 그루제우스카(Gatin- Gruzewska Z 1908 1911 Radley J A 1954 참조)에 의해서 개발된 방법이 있다 이 방법에서는 3의 전분 용액에 소량의 40탄산 소오다(Na2Co3)용액을 가한 다음에 다시 95의 에탄올(EtOH)용액을 가하여 아밀로펙틴만을 침전시킨 후 이 침전을 씻고 다시 투석(透析 dialysis)으로 무기염 등을 제거하여 정제 아밀로펙틴을 얻는다

숏호(Schoch T J 1942)와 하워트들(Haworth W N et al 1946 Radley J A 1954 참조)은 전분 중의 아밀로오스 성분이 뷰타놀(butanol) 노말-아밀 알콜(n-amyl alcohol) 타이몰(thymol) 지방산들과 결합하여 결정성 복합체(crystalline complex)를 형성하는 성질을 이용하여 묽은 전분의 현탁액에 뷰타놀 등을 가한 후 형성되는 아밀로오스와 이들 알콜들과의 결정성 복합체들을 침전시킨 다음에 남은 아밀로펙틴을 원심분리기로 분리하는 방법을 설명하고 있다

2 전기 영동법에 의한 분리 자메크들(Samec M et al 1926)은 감자 전분의 아밀로오스와 아밀로펙틴을 전기 영동법(electrophoretic method)을 사용하여 분리하는데 성공한 바 있다 특히 감자전분의 경우 여기에 함유된 아밀로펙틴은 그 분자 속에 에스터화 된 인산그룹들(esterified phosphoric acid groups)을 함유하고 있기 때문에 비교적 강한 음전하(nagative charge)를 갖고 있으며 따라서 전분의 현탁액에 전류를 통하면 아밀로펙틴은 쉽게 양극(anode)으로 이동하는 성질이 있으므로 전기 영동법에 의해서 쉽게 분리할 수 있다고 한다 이 방법은 인산(phosphoric acid)이나 지방산(fatty acid)들이 아밀로펙틴과 화학적으로 결합되어 있지 않는 곡류 전분에는 적용할 수 없다

3 열수 추출법전분의 현탁액을 60~100로 가열할 때는 전분입자들(starch granules)은 팽윤(swelling)되면서 분자량이 상대적으로 훨씬 적으며 따라서 운동성(mobility)이 더 큰 아밀로오스 분자들은 팽윤된 전분입자들에서 빠져나가게(leaching)된다 한편 대부분의 아밀로펙틴 분자들은 전분입자 내에서 서로 결합상태 또는 부분적인 결정성을 그대로 유지하면서 남게 된다 수용액에 풀어져 나온 아밀로오스는 이상의 현탁액을 원심분리(centrifuge)한 후 상등액(supernatant)에서 얻을 수가 있다

4 효소 링들(Ling A R et al 1923)은 아밀로오스와 아밀로펙틴에 대한 특정 효소들의 작용의 차이를 이용하고 있다 즉 α- 및 β-아밀레이스들(α- β-amylases)의 혼합물인 다이아스테이스(diastase)는 아밀로펙틴보다 아밀로오스에 더 강하게 작용하므로 전분의 젤(gel) 즉 교질용액에 어떤 조정된 조건 하에서 다이아스테이스를 작용시키면 아밀로펙틴은 거의 영향 받지 않고 아밀로오스만을 말토오스 등으로 가수분해 시켜 제거함으로써 아밀로펙틴을 분리할 수 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

아밀로오스와 아밀로펙틴의 분리 1 아밀로오스 복합체 형성에 의한 분리 오래 전부터 알려진 방법으로써 가틴 그루제우스카(Gatin- Gruzewska Z 1908 1911 Radley J A 1954 참조)에 의해서 개발된 방법이 있다 이 방법에서는 3의 전분 용액에 소량의 40탄산 소오다(Na2Co3)용액을 가한 다음에 다시 95의 에탄올(EtOH)용액을 가하여 아밀로펙틴만을 침전시킨 후 이 침전을 씻고 다시 투석(透析 dialysis)으로 무기염 등을 제거하여 정제 아밀로펙틴을 얻는다

숏호(Schoch T J 1942)와 하워트들(Haworth W N et al 1946 Radley J A 1954 참조)은 전분 중의 아밀로오스 성분이 뷰타놀(butanol) 노말-아밀 알콜(n-amyl alcohol) 타이몰(thymol) 지방산들과 결합하여 결정성 복합체(crystalline complex)를 형성하는 성질을 이용하여 묽은 전분의 현탁액에 뷰타놀 등을 가한 후 형성되는 아밀로오스와 이들 알콜들과의 결정성 복합체들을 침전시킨 다음에 남은 아밀로펙틴을 원심분리기로 분리하는 방법을 설명하고 있다

2 전기 영동법에 의한 분리 자메크들(Samec M et al 1926)은 감자 전분의 아밀로오스와 아밀로펙틴을 전기 영동법(electrophoretic method)을 사용하여 분리하는데 성공한 바 있다 특히 감자전분의 경우 여기에 함유된 아밀로펙틴은 그 분자 속에 에스터화 된 인산그룹들(esterified phosphoric acid groups)을 함유하고 있기 때문에 비교적 강한 음전하(nagative charge)를 갖고 있으며 따라서 전분의 현탁액에 전류를 통하면 아밀로펙틴은 쉽게 양극(anode)으로 이동하는 성질이 있으므로 전기 영동법에 의해서 쉽게 분리할 수 있다고 한다 이 방법은 인산(phosphoric acid)이나 지방산(fatty acid)들이 아밀로펙틴과 화학적으로 결합되어 있지 않는 곡류 전분에는 적용할 수 없다

3 열수 추출법전분의 현탁액을 60~100로 가열할 때는 전분입자들(starch granules)은 팽윤(swelling)되면서 분자량이 상대적으로 훨씬 적으며 따라서 운동성(mobility)이 더 큰 아밀로오스 분자들은 팽윤된 전분입자들에서 빠져나가게(leaching)된다 한편 대부분의 아밀로펙틴 분자들은 전분입자 내에서 서로 결합상태 또는 부분적인 결정성을 그대로 유지하면서 남게 된다 수용액에 풀어져 나온 아밀로오스는 이상의 현탁액을 원심분리(centrifuge)한 후 상등액(supernatant)에서 얻을 수가 있다

4 효소 링들(Ling A R et al 1923)은 아밀로오스와 아밀로펙틴에 대한 특정 효소들의 작용의 차이를 이용하고 있다 즉 α- 및 β-아밀레이스들(α- β-amylases)의 혼합물인 다이아스테이스(diastase)는 아밀로펙틴보다 아밀로오스에 더 강하게 작용하므로 전분의 젤(gel) 즉 교질용액에 어떤 조정된 조건 하에서 다이아스테이스를 작용시키면 아밀로펙틴은 거의 영향 받지 않고 아밀로오스만을 말토오스 등으로 가수분해 시켜 제거함으로써 아밀로펙틴을 분리할 수 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

숏호(Schoch T J 1942)와 하워트들(Haworth W N et al 1946 Radley J A 1954 참조)은 전분 중의 아밀로오스 성분이 뷰타놀(butanol) 노말-아밀 알콜(n-amyl alcohol) 타이몰(thymol) 지방산들과 결합하여 결정성 복합체(crystalline complex)를 형성하는 성질을 이용하여 묽은 전분의 현탁액에 뷰타놀 등을 가한 후 형성되는 아밀로오스와 이들 알콜들과의 결정성 복합체들을 침전시킨 다음에 남은 아밀로펙틴을 원심분리기로 분리하는 방법을 설명하고 있다

2 전기 영동법에 의한 분리 자메크들(Samec M et al 1926)은 감자 전분의 아밀로오스와 아밀로펙틴을 전기 영동법(electrophoretic method)을 사용하여 분리하는데 성공한 바 있다 특히 감자전분의 경우 여기에 함유된 아밀로펙틴은 그 분자 속에 에스터화 된 인산그룹들(esterified phosphoric acid groups)을 함유하고 있기 때문에 비교적 강한 음전하(nagative charge)를 갖고 있으며 따라서 전분의 현탁액에 전류를 통하면 아밀로펙틴은 쉽게 양극(anode)으로 이동하는 성질이 있으므로 전기 영동법에 의해서 쉽게 분리할 수 있다고 한다 이 방법은 인산(phosphoric acid)이나 지방산(fatty acid)들이 아밀로펙틴과 화학적으로 결합되어 있지 않는 곡류 전분에는 적용할 수 없다

3 열수 추출법전분의 현탁액을 60~100로 가열할 때는 전분입자들(starch granules)은 팽윤(swelling)되면서 분자량이 상대적으로 훨씬 적으며 따라서 운동성(mobility)이 더 큰 아밀로오스 분자들은 팽윤된 전분입자들에서 빠져나가게(leaching)된다 한편 대부분의 아밀로펙틴 분자들은 전분입자 내에서 서로 결합상태 또는 부분적인 결정성을 그대로 유지하면서 남게 된다 수용액에 풀어져 나온 아밀로오스는 이상의 현탁액을 원심분리(centrifuge)한 후 상등액(supernatant)에서 얻을 수가 있다

4 효소 링들(Ling A R et al 1923)은 아밀로오스와 아밀로펙틴에 대한 특정 효소들의 작용의 차이를 이용하고 있다 즉 α- 및 β-아밀레이스들(α- β-amylases)의 혼합물인 다이아스테이스(diastase)는 아밀로펙틴보다 아밀로오스에 더 강하게 작용하므로 전분의 젤(gel) 즉 교질용액에 어떤 조정된 조건 하에서 다이아스테이스를 작용시키면 아밀로펙틴은 거의 영향 받지 않고 아밀로오스만을 말토오스 등으로 가수분해 시켜 제거함으로써 아밀로펙틴을 분리할 수 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

2 전기 영동법에 의한 분리 자메크들(Samec M et al 1926)은 감자 전분의 아밀로오스와 아밀로펙틴을 전기 영동법(electrophoretic method)을 사용하여 분리하는데 성공한 바 있다 특히 감자전분의 경우 여기에 함유된 아밀로펙틴은 그 분자 속에 에스터화 된 인산그룹들(esterified phosphoric acid groups)을 함유하고 있기 때문에 비교적 강한 음전하(nagative charge)를 갖고 있으며 따라서 전분의 현탁액에 전류를 통하면 아밀로펙틴은 쉽게 양극(anode)으로 이동하는 성질이 있으므로 전기 영동법에 의해서 쉽게 분리할 수 있다고 한다 이 방법은 인산(phosphoric acid)이나 지방산(fatty acid)들이 아밀로펙틴과 화학적으로 결합되어 있지 않는 곡류 전분에는 적용할 수 없다

3 열수 추출법전분의 현탁액을 60~100로 가열할 때는 전분입자들(starch granules)은 팽윤(swelling)되면서 분자량이 상대적으로 훨씬 적으며 따라서 운동성(mobility)이 더 큰 아밀로오스 분자들은 팽윤된 전분입자들에서 빠져나가게(leaching)된다 한편 대부분의 아밀로펙틴 분자들은 전분입자 내에서 서로 결합상태 또는 부분적인 결정성을 그대로 유지하면서 남게 된다 수용액에 풀어져 나온 아밀로오스는 이상의 현탁액을 원심분리(centrifuge)한 후 상등액(supernatant)에서 얻을 수가 있다

4 효소 링들(Ling A R et al 1923)은 아밀로오스와 아밀로펙틴에 대한 특정 효소들의 작용의 차이를 이용하고 있다 즉 α- 및 β-아밀레이스들(α- β-amylases)의 혼합물인 다이아스테이스(diastase)는 아밀로펙틴보다 아밀로오스에 더 강하게 작용하므로 전분의 젤(gel) 즉 교질용액에 어떤 조정된 조건 하에서 다이아스테이스를 작용시키면 아밀로펙틴은 거의 영향 받지 않고 아밀로오스만을 말토오스 등으로 가수분해 시켜 제거함으로써 아밀로펙틴을 분리할 수 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

3 열수 추출법전분의 현탁액을 60~100로 가열할 때는 전분입자들(starch granules)은 팽윤(swelling)되면서 분자량이 상대적으로 훨씬 적으며 따라서 운동성(mobility)이 더 큰 아밀로오스 분자들은 팽윤된 전분입자들에서 빠져나가게(leaching)된다 한편 대부분의 아밀로펙틴 분자들은 전분입자 내에서 서로 결합상태 또는 부분적인 결정성을 그대로 유지하면서 남게 된다 수용액에 풀어져 나온 아밀로오스는 이상의 현탁액을 원심분리(centrifuge)한 후 상등액(supernatant)에서 얻을 수가 있다

4 효소 링들(Ling A R et al 1923)은 아밀로오스와 아밀로펙틴에 대한 특정 효소들의 작용의 차이를 이용하고 있다 즉 α- 및 β-아밀레이스들(α- β-amylases)의 혼합물인 다이아스테이스(diastase)는 아밀로펙틴보다 아밀로오스에 더 강하게 작용하므로 전분의 젤(gel) 즉 교질용액에 어떤 조정된 조건 하에서 다이아스테이스를 작용시키면 아밀로펙틴은 거의 영향 받지 않고 아밀로오스만을 말토오스 등으로 가수분해 시켜 제거함으로써 아밀로펙틴을 분리할 수 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

4 효소 링들(Ling A R et al 1923)은 아밀로오스와 아밀로펙틴에 대한 특정 효소들의 작용의 차이를 이용하고 있다 즉 α- 및 β-아밀레이스들(α- β-amylases)의 혼합물인 다이아스테이스(diastase)는 아밀로펙틴보다 아밀로오스에 더 강하게 작용하므로 전분의 젤(gel) 즉 교질용액에 어떤 조정된 조건 하에서 다이아스테이스를 작용시키면 아밀로펙틴은 거의 영향 받지 않고 아밀로오스만을 말토오스 등으로 가수분해 시켜 제거함으로써 아밀로펙틴을 분리할 수 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

전분의 분해효소들 α-아밀레이스 특히 발아(發芽 sprouting) 중인 여러 곡류 종자들(germinating seeds)에 많이 함유되고 있다 정상적인 곡류 낟알의 경우 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아할 시기에는 그 활력이 발아 전에 비해서 1000배 이상으로 급증한다 그 외에도 췌장액(pancreatic juice)이나 침 즉 타액(saliva) 그리고 일부 세균들(Bacillus subtilis Bacillus stearothermophillus) 곰팡이들(Aspergillus oryzae) 등에 존재한다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

α-D-포도당의 α-14-결합을 무작위적(at random)으로 가수분해하는 효소들 아밀로오스(amylose)에 작용하면 첫단계로 아밀로오스 분자들의 α-14-결합을 분자 외부쪽 즉 바깥쪽이나 분자의 내부쪽(in an ldquoendordquo fashion) 등을 가리지 않고 무작위적으로(at random) 가수분해하여(그림 6-10 참조) 포도당 6 7 8개 정도로 구성된 덱스트린류(dextrins)를 형성한다 darr 덱스트린류는 계속 효소의 작용을 받아서 곧 말토트리오스(maltotriose) 말토테트라오스(maltoteratose) maltopentaose 등의 과당류로 분해된다 darr 과당류는 계속 이 효소의 작용을 받아 서서히 포도당과 맥아당으로 분해된다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

[그림 6-10]아밀레이스(amylase)의 작용을 보여주는 그림 a α-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 무질서하게 분해(random degradation)되어 덱스트린을 형성 b α-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 무질서하게 분해되어 덱스트린을 형성 c β-아밀레이스에 의해서 아밀로오스가 비환원성인 끝(non-reducing end)에서 단계적(stepwise)으로 분해하여 맥아당을 형성 d β-아밀레이스에 의해서 아밀로펙틴이 비환원성인 끝에서 단계적으로 분해하여 맥아당을 형성

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

한편 아밀로펙틴에 작용하는 경우에도 α-16-결합을 포함하는 이상과 같은 과당류 즉 올리고삭카라이드들(maltotriose maltotetraose maltopentaose)과 맥아당이 형성되나 α-16-결합을 비롯하여 α-14-결합이 아닌 모든 형태의 결합은 가수분해 되지 않을뿐더러 그 α-14-결합에 대한 가수분해작용도 α-16-결합과 기타의 비(非) α-14-결합들이 존재하는 근처에서 멈추게 된다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

최종적으로는 α-16-결합을 가지고 있는 구성단위인 α-D-포도당 4개 이상 10개 정도로 구성된 저분자량 덱스트린들(low molecular-weight dextrins) 이 형성된다 이들은 보통 α-아밀레이스 한계 덱스트린류(α-amylase limit dextrins)로 알려져 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

α-아밀레이스는 간단히 말해서 전분의 α-14-결합을 무작위적으로(at random) 가수분해해서 포도당 맥아당 과당류(寡糖類) 저분자량 덱스트린 등을 형성하며 따라서 불투명했던 전분 현탁액(starch dispersion)은 급속도로 맑은 용액으로 된다 그러므로 이 α-아밀레이스는 액화효소(液化酵素 liquefying enzyme) 또는 덱스트린화 아밀레이스(dextrogenic amylase)라고도 불려지고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

α-아밀레이스에 의한 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 전분의 요오드와 정색반응(color reaction)을 일으키는 성질은 점차 소실되며 한편 점도(viscosity)의 급속한 감소와 환원력(reducing power)의 증가를 가져온다 한편 α-아밀레이스를 각종 밀 또는 기타 곡류들의 가공식품들에 직접 첨가하여 줌으로써 반죽(dough)의 가스 생산(gas production)을 증가시키며 또한 빵껍질(bread crust)의 색깔을 개선시킬 수 있는 사실이 널리 알려져 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

α-아밀레이스의 성질은 그 출처에 따라 그 성질이 다소 다르다고 한다(species specific) 그 분자량은 대체로 50000 내지 60000이며 그 최적(optimum) pH는 47에서 69 사이로 보고되고 있다 지금까지 조사된 α-아밀레이스들(α-amylase)은 모두 칼슘(calcium)을 그 구성 금속으로 갖고 있는 금속 효소들(calcium-metallo enzymes)로 알려지고 있으며 한편 이 효소분자들 내에 있는 칼슘이온은 pH 온도 단백질 가수분해에 대한 효소들의 내성(耐性 resistanse)을 강화시켜주고 있다고 한다 - 대부분의 α-아밀레이스들은 칼슘이온(Ca++ion) 첨가에 의해서 열에 대한 안정성이 증진되며 일부 α-아밀레이스들은 염소이온(Cl-ion)에 의해서 활성화된다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

실제 식품산업에 이용되는 α-아밀레이스의 여러 성질들 중 그 안전성(safety) 다음으로 중요한 성질은 일반적으로 그 내열성(耐熱性 thermostability)인 것 같다 예로서 여러 경로를 통해서 얻은 α-아밀레이스를 사용하여 전분을 가수분해하여 당화(糖化 saccharification)할 때 구체적인 예로서 물엿 즉 시럽(syrup)을 만드는 경우에는 적어도 그 전분의 젤화 온도(gelation temperature)에서도 그 활성을 유지할 수 있어야 하며 따라서 α-아밀레이스의 내열성(heat stability)을 증가시켜주는 방법 또는 내열성을 가진 α-아밀레이스를 개발하는 일 등은 매우 중요하다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

표 6-9여러 출처(sources)에서 얻은 α-아밀레이스(α-amylase)의 성질들

α-아밀레이스의 출처

내열성 (heat resistanc

e)

15분 가열 온도

pH에 대한 안정성

(30에서 24시간)

최적작용

pH

Ca++에 의한 보호

작용의 유 무

Cl-에 의한 한

활성화

bacteria(액화형)

(당화형)

Prime (내열형)

Asp oryzae

Asp niger

Rhizopus

Asp niger(내열형)

Endomycopsis

Oospora

pancreatic juice

saliva

malt

숙주

65

55

75

55

55

50

55

35

50

50

80

70

90

70

70

60

70

50

70

70

48~106

40~78

47~95

47~95

54~70

18~65

60~75

60~103

48~11

48~11

48~80

50~83

54~62

48~52

49~52

49~52

36

40

54

56

99

69

53

54

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

β-아밀레이스 β-아밀레이스(β-amylase amylo-14-maltosidase 1-4-α-D-glucan-maltohydrolase EC 3212)는 고구마와 같은 서류 곡류 두류 또는 엿기름(malt) 침 즉 타액(salvia) 등에 널리 포함되어 있다 - 전분 중의 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들을 외부에서부터 즉 바깥쪽에서부터(in an ldquoexordquo fashion) 맥아당의 단위로 차례로 가수분해하여 결과적으로 전분 현탁액을 당용액(糖溶液)으로 바꿔놓기 때문에 당화효소(糖化酵素 saccharifying enzyme)로도 알려져 있다 - 분자량은 대체로 150000 내외 최적 pH는 40에서 60 사이로 보고되고 있다 β-아밀레이스의 경우에도 α-아밀레이스의 경우와 마찬가지로 실제 식품가공에 응용될 때는 내열성이 안전성 다음으로 중요한 요인(factor)이 된다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

표 6-10 β-아밀레이스(β-amylase)의 성질

β-아밀레이스의 출처

(sources) Rhizopus delemar Asp niger

최적작용 pH

pH에 대한 안정성(30에

서 24시간)

내열성(pH 55에서 15분간)

가열온도

등전점 (isoelectric point)

pH

45

35~80

50deg~55deg

74

38

22~75

50deg~70deg

65

내열성을 표시한 수치 중 왼쪽은 100의 활력(activity)이 남는 온도며 오른쪽은 100의 활력이 상실되는 온도이다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

β-아밀레이스는 α-14-결합에만 작용하며 β-결합(β-linkages)은 물론 α-16-결합이나 α-13-결합에도 작용하지 않으며 또한 α-14-결합을 가진 포도당기(α-D-glucose residues)의 경우라도 인산 에스터(phosphate ester)로 존재하거나 또는 기타의 정상적인 포도당이 아닌 형태로 존재하는 경우(그림 6-12 참조)에는 가수분해 되지 않는다

OH기가 산화된 구성단위들 또는 인산 에스터(phosphate ester)로 변형된 구성단위들

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

가지가 없는 구조(linear structure)를 가진 아밀로오스의 경우에는 순서대로 계속 가수분해 될 것이며 가수분해 되어 형성되는 당은 전술한 대로 주로 맥아당이나 말토트리오스(maltotriose)도 함께 형성되는 사실이 알려져 있다 이 말토트리오스는 시간의 경과와 함께 계속 가수분해 되어 결국에는 맥아당과 포도당으로 된다 그러나 아밀로오스의 가수분해는 실제로는 70~90 정도만 진행된다 이는 아밀로오스 분자 중의 결합에 비정상적인 결합이 가끔 존재하기 때문인 것으로 생각된다 비정상적인 결합으로서는 α-16-결합 α-13-결합 β-결합 등을 들을 수 있으며 또한 포도당의 각종 에스터형들이 구성단위에 섞여 들어간 경우도 생각할 수 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

아밀로펙틴(amylopectin)의 경우에는 그 분자 내에 존재하는 α-14-결합 이외의 결합들 인산 에스터의 존재 등에 의해서 가수분해는 전체 분자의 55 내지 60 정도까지 진행되며 그 나머지는 가수분해 되지 않는다 이 가수분해 되지 않는 부분은 가지(branching)가 많은 부분으로서 보통 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)이라고 불려지고 있다(그림 6-13 참조)

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

[그림 6-13]아밀로펙틴에 작용하는 β-아밀레이스 실선은 가수분해 되는 곳 점선 내는 고분자 β-아밀레이스 한계 덱스트린(high-molecular weight β-amylase limit dextrin)

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

곡류 속의 α β-아밀레이스들과 빵제품들의 품질

곡류 낟알에서 평상시에도 β-아밀레이스의 활력은 지속되는 반면에 α-아밀레이스의 활력은 거의 없으나 발아 직전에는 α-아밀레이스의 활력이 갑자기 평상시의 1000배 이상으로 증가한다고 한다 곡류 낟알의 평상시의 자기보호라는 관점과 발아 시에는 급격한 성장(rapid growth)과 일시에 여러 기능들(functions)의 수행을 위해서 많은 에너지가 필요하게 되는 점에 비추어 볼 때 흥미롭고 중요한 사실로 생각된다 β-아밀레이스 분자의 바깥부분에서 순서대로 전분분자를 가수분해(밀의 낟알 속의 전분입자들(starch granules)에 직접 작용하지 않음) α-아밀레이스 바깥에서 뿐 아니라 내부에 대해서도 무차별로 작용 전분입자들을 서서히 가수분해하여 발아시에 필요한 포도당 제공

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

곡류 특히 밀을 너무 일찍 수확할 때는 α-아밀레이스의 활력이 거의 없기 때문에 제빵 전의 발효과정(leavening processes) 등이 원활하게 이루어질 수 없다 따라서 곡류의 수확기를 적절하게 선택하는 것이 중요하나 α-아밀레이스의 활력이 너무 미약한 밀가루의 경우에는 실제 제빵과정(baking processes)에서 그 활력을 크게 잃게 되므로 효모에서 추출한 α-아밀레이스 제품 등 효소제품을 미리 첨가하여 보강(補强)할 필요가 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

일반적으로 밀가루 제분과정에서 일부 손상된 전분입자들을 일부러 만들어 주는 일은 다음의 효모들에 의한 효과적인 발효를 위해서 필수적인 조건으로 생각되고 있다 - 제분과정(milling processes)에서 그 일부가 파괴 손상된 전분입자들에 먼저 α-아밀레이스가 작용하고 다시 여기에 β-아밀레이스가 작용하여 제빵(baking processes)에 앞서 효모에 의한 발효과정(leavening processes)에서 효모에 발효될 수 있는 당류를 제공하여 준다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

밀가루 속의 α- 및 β-아밀레이스의 작용들은 빵을 굽는 과정(baking processes)에서도 전분입자들의 젤라틴화에 따라 계속된다 이 경우 β-아밀레이스의 작용은 빵을 굽는 온도의 상승에 따라 먼저 불활성화(inactivation)되나 α-아밀레이스의 작용이 너무 강할 때는 빵의 중심부에서 계속 효소작용을 유지하여 빵 내부에 덱스트린류를 형성하여 빵 구조의 연화(softening)와 빵조직이 과도하게 끈끈해지는(sticky crumb) 결과를 가져와서 만들어진 빵(특히 식빵의 경우)을 자동재단기로 재단하기 어렵게 만드는 경우도 있다고 한다(Robinson D S 1987) α β-아밀레이스들 특히 α-아밀레이스의 활력 즉 작용의 조절은 빵제품들의 품질에 직접 영향을 주기 때문에 매우 중요하며 밀가루를 숙성(aging)시키거나 품질 개량제를 사용해서 미리 조절해 준다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

다이아스테이스 식품 가공공장이나 의약품 공장 등에서 널리 사용되고 있는 엿기름(malt)에서 추출하여 만든 효소제품인 다이아스테이스(diastase)는 보통 α-아밀레이스와 β-아밀레이스를 다 같이 함유하고 있다 글루코아밀레이스 글루코아밀레이스(glucoamylase 즉 14-α-D-glucan-glucohydrolase EC 3213)는 아스퍼어질러스 나이저(Aspergilus niger)와 같은 아스퍼어질러스 그룹 또는 라이죠퍼스 그룹(Rhizopus group)에 속하는 곰팡이들 일부 효모들(예 Saccharomyces diastatistics) 일부 세균들(예 Clostridium acetobutylicum)이나 동물조직 특히 간조직(liver tissue) 등에 널리 분포되고 있는 효소로서 아밀로글루코시데이스(amyloglucosidase)라고도 불려져 왔다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

글루코아밀레이스는 전분에 작용하여 아밀로오스와 아밀로펙틴의 α-14-결합 α-16-결합 또는 α-13-결합 등을 전분분자의 바깥에서부터 순서대로(in an exo-fashion exo-enzyme) 가수분해하여 직접 포도당(α-D-glucose)을 생산한다 이 효소는 또한 각종 고분자량 덱스트린류 말토올리고 삭카라이드류(maltooligosaccharides) 매아당(maltose) 아이소말토오스(isomaltose) 등에도 작용하여 포도당으로 가수분해하는 사실이 알려져 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

이 글루코아밀레이스는 근래에 와서 전분에서 고순도(高純度)의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)의 공업적 생산에 사용되고 있는 매우 중요한 효소이다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

아밀로-16-D-글루코시데이스 아밀로-16-D-글루코시데이스(amylo-16-D-glucosidase EC 32133)는 식물체 효모 동물조직 등에 존재하며 아밀로펙틴과 글라이코젠(glycogen)의 α-16-결합을 선택적으로 가수분해한다 (아이소아밀레이스류 불려짐) 아밀로펙틴은 보통 자색(purple)의 요오드 정색반응(iodine color reaction)을 나타내나 이 효소를 작용시키면 곧 그 색깔반응은 자색에서 청색으로 변화한다 이 사실은 이 효소에 의해서 아밀로펙틴의 α-16-결합이 가수분해 되어 비록 분자량은 적을지 모르나 그 분해물질들의 구조가 아밀로오스(amylose)와 비슷한 α-나선상의 구조(α-helical structure)를 갖게 되고 가지들(α-16-결합들)의 제거로 요오드와의 반응이 더 쉽게 되기 때문인 것으로 생각되고 있다 이 효소는 또한 β-아밀레이스 한계 덱스트린류(β-amylase limit dextrins)에도 작용하는 것으로 알려져 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

풀룰라네이스(pullulanase EC 32141) 풀룰란들 α-D-글루칸(α-D-glucan)의 하나다 (α-14결합 α-16-결합 포함) 풀룰란들은 세균(Aerobacter aerogenes)에서 얻어지는 효소 즉 풀룰라네이스(pullulanase)에 의해서 그 α-16-결합이 가수분해 되는 사실이 알려진 후 이 풀룰라네이스류에 속하는 효소들도 아밀로펙틴의 α-16-결합을 가수분해하는 사실이 알려져 왔다 풀룰라네이스류는 아이소아밀레이스류와 함께 아밀로펙틴들의 가지 즉 α-16-결합을 제거(가수분해)해주기 때문에 가지를 제거하는 효소들(debranching enzymes)로도 불려지고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

14-α-D-글루칸 브랜칭 글라이코실트란스퍼레이스 Q-enzyme로도 알려져 있다 이 효소는 α-14-결합으로 된 포도당의 중합체 즉 α-D-14-글루칸류(α-D-14-glucans)에 작용하여 α-16-결합을 형성시키는 효소이며 간단하게는 14-α-글루칸 브랜칭 효소(14-α-glucan branching enzyme)로도 불려진다 α-14-글루칸류에 가지를 만들어 주거나 그 수효를 증가시키는 효소들(branching enzymes)이라고 말할 수 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

[그림 6-14]가지 형성(branching) 및 가지 제거(debranching) 효소들의 작용을 표시한 도표

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

밧실러스 마세란스 아밀레이스 세균 밧실러스 마세란스(Bacillus macerans)에서 얻어지는 한 효소 즉 밧실러스 마세란스 아밀레이스(bacillus macerans amylase BMA)는 전분을 분해하여 일종의 환상 올리고삭카라이드류(cyclic oligosaccharides) 즉 사이클로덱스트린류(cyclodex-trins) 또는 사이클로아밀로오스류(cycloamyloses)인 샬딘저 덱스트린류(the Schardinger dextrins)를 생성하는 사실이 오래 전부터 알려져 왔다 근래에 와서는 일반적으로 사이클로덱스트린 글루카노트란스퍼레이스(cyclodextrin glucanotransferase EC 2 4 1 19)로 널리 불려지고 있다 - 이때 형성되는 αβγ-사이클로덱스트린류(αβγ-cyclodextrins)의 구성단위 즉 포도당(α-D-glucose)의 수효는 각각 6개 7개 8개로 알려져 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

αβγ-사이클로덱스트린들은 그 분자구조들(molecular structures)의 중심에 양쪽 끝이 열려진 공동(空洞 open-ended cavities)으로 된 원주형의 형태(cyrindrical form)를 갖고 있다 - 원주형의 분자들의 내경(內徑 inside diameter)과 외경(outside diameter)은 구성 α-D-포도당의 수가 클수록 점차 커지는 반면에 그 길이 또는 높이는 서로 크게 차이가 없는 것으로 알려져 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

[그림 6-15]αβγ-사이클로덱스트린들 중 가장 널리 알려진 β-사이클로덱스트린의 일반적인 분자의 치수(dimension) (왼쪽)와 원주형의 앞부분의 단면도(오른쪽) 분자의 외경은 153Aring 내경은 78Aring 길이 또는 높이는 78Aring 그 형태는 원주형(뒷부분의 치수들이 다소 작다)이고 내부에 공동(cavity)이 있다 내부는 강한 소수성(hydrophobicity)을 나타내며 외부 쪽으로는 강한 친수성(hydrophilicity) 을 나타낸다 따라서 공동내부는 전체적으로 강한 소수성을 갖고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

사이클로덱스트린들의 현탁액(dispersion systems)에 강한 소수성을 가진 그 부분의 치수들이 사이클로덱스트린들의 분자구조의 내부공동(internal cavities)들에 수용될 수 있는 경우에는 이와 같은 화합물들의 소수성부분들은 사이클로덱스트린들의 내부공동에서 상호 소수결합을 통해서 결합되어 비교적 안정된 포접화합물들(包接化合物類 inclusion compounds) 또는 간단하게 복합체들(complexes)을 형성한다 포접화합물의 형태로 존재하는 동안 사이클로덱스트린의 공동 내에서 그 수성결합을 유지하고 있는 화합물들의 소수성부분들은 산소나 기타 화학적 효소적 작용들에서 보호되어 있어서 그 부분의 안정성은 크게 보호가 된다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

따라서 αβγ-사이클로덱스트린들(αβγ-cyclodextrins αβγ-CDs)의 특이한 성질을 이용하여 휘발성 향기성분들의 유지와 보호 산화되기 쉬운 부분을 가진 화합물들 예로서 각종의 지방질 화합물들의 산화방지를 위해서 또는 이와 반대로 바람직하지 않은 냄새를 갖고 있는 성분들이나 독성 또는 기타의 바람직하지 않은 성질을 가진 성분들의 흡수 제거 등을 위한 연구들이 오래 전부터 시도되어 왔으며 많은 성과를 거두어 왔다 한편 이상과 같은 목적을 위한 αβγ-사이클로덱스트린을 사용한 포접화합물 제조법 또는 제조기술은 미세캡슐화(microencapsulation)로 널리 알려져 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스 말토오스-올리고삭카라이드 드란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)는 말토오스 즉 맥아당에 작용한다 그 농도가 희박할 때는 맥아당을 가수분해하여 두 개의 포도당을 형성하나 맥아당의 농도가 커지면 맥아당이 포도당으로 가수분해할 때의 에너지 즉 가수분해 에너지를 이용하여 아이소말토오스(isomaltose) 트리삭카라이드(trisaccharide)인 판노오스(panose) 등을 역생성(逆生成)한다(그림 6-16 참조)

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

[그림 6-16]말토오스-올리고삭카라이드 트란스글루코시데이스(maltose-oligosaccharide transglucosidase)의 작용의 예

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

전분을 가수분해하여 포도당 특히 고순도의 결정 포도당(high purity crystalline glucose)을 만들기 위해서 사용하는 효소 추출액 또는 효소제품에 이상과 같은 효소들이 함께 존재할 때는 위에서 설명한 바와 같은 역반응이 일어날 수 있다 특히 전분의 가수분해가 진행됨에 따라 포도당과 맥아당의 농도는 급격히 증가되므로 이 효소에 의한 아이소말토오스(isomaltose) 판노오스(panose) 등의 역생성은 활발하여지며 따라서 이와 같은 역생성물들이 존재하지 않으며 포도당 당량(Dextrose Equivalent D E)이 큰 즉 포도당 농도가 큰 전분 가수분해 생성물을 얻기가 어려워진다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

그러므로 효소 당화법에 의해서 포도당을 생산하고자 할 때는 첫째로 이와 같은 효소를 생산하지 않는 미생물들에서 필요한 효소들을 추출 정제할 필요가 있다 한편 이 효소는 역생성물을 형성하되 젠티오비오스(gentiobiose)와 같은 쓴맛을 가진 당류는 역생성하지 않으므로 단맛 자체에는 크게 영향을 주지 않는다고 한다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

전분의 가수분해 생성물들 즉 덱스트린류 전분은 산 알칼리 효소 등에 의해서 쉽게 가수분해 된다 그러나 식품과 관련해서 실제적으로 중요한 가수분해 양식은 산에 의한 가수분해와 효소에 의한 가수분해이다 전분을 가수분해하면 그 가수분해 정도에 따라 여러 중합도(重合度 degree of polymerization DP)를 가진 가수분해 생성물들(hydrolysis products)이 형성된다 가수분해가 심하지 않은 따라서 자연에서 얻어지는 전분(native starch)의 구조가 일부 수정된 전분 유도체(澱粉 誘導體)로 볼 수 있는 일부 고분자 가수분해 생성물들과 가수분해 최종 생성물인 포도당 그리고 이당류에 속하는 맥아당을 제외한 모든 가수분해 생성물들을 총칭하여 덱스트린류(dextrins)라고 한다 이 덱스트린들은 주로 그 크기 즉 분자량이나 중합도에 따라 다음과 같이 세분된다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

수용성 전분 수용성 전분(soluble starch)은 물에 더 쉽게 퍼질 수 있게 크게 가수분해 된 전분(modified starch)으로서 취급된다 이 수용성 전분은 자연에서 얻어지는 전분(native starch)을 온화한 가수분해 조건(mild hydrolysis conditions)하에서 가볍게 가수분해한 것이다 이 수용성 전분은 전분을 수일 동안 실온에서 무기산(mineral acids)에 침지(浸漬)하여 얻을 수도 있다 자연 전분이 찬물이나 뜨거운 물에 잘 분산(disperse)되지 않는 데 반하여 이 수용성 전분은 찬물에는 분산되지 않으나 뜨거운 물에는 잘 분산되어 투명한 콜로이드 용액을 만든다 - 수용성 전분의 요오드와의 정색반응(iodine color reaction)은 자연 전분의 경우와 마찬가지로 청색이다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

에리쓰로덱스트린 에리쓰로덱스트린류(erythrodextrins) 또는 아밀로덱스트린류(amy-lodextrins Radley J A 1954)들은 수용성 전분의 경우보다 가수분해가 더 진행된 가수분해 생성물로서 찬물에도 잘 분산 즉 녹는다 보통 1 내지 3의 맥아당을 함유하고 있으며 따라서 환원성을 갖고 있다 요오드와의 정색반응은 그 이름(erythro = red)에서 짐작되듯이 빨간색이다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

아크로모덱스트린 아크로모덱스트린류(achromodextrins)는 위에서 언급한 에리트로덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들로서 환원성을 갖고 있다 그 이름(achromo = colorless)에서 알 수 있듯이 요오드와의 정색반응을 일으키지 않는다 말토덱스트린 말토덱스트린(maltodextrins)은 아크로모덱스트린보다 가수분해가 더 진행된 덱스트린들이며 맥아당 포도당으로 가수분해 되기 직전의 덱스트린들로 볼 수 있다 한편 이상의 덱스트린들의 성질들을 서로 비교하여 보면 표 6-11과 같다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

표 6-11덱스트린(dextrin)의 종류와 그 성질들

덱스트린의 종류

요오드 반응

(iodine rea

ction)

[α]20D 환원력

(reducing power)

침전시키는데

필요한 알콜

의 종류

아밀로덱스트린

(amylodextrin)

에 리 트 로 덱 스 트 린

(erythrodextrin)

아크로모덱스트린

(achromodextrin)

말토덱스트린

(maltodextrin)

청색(blue)

적 갈 색 (re

d brown)

무색(color

less)

무색(color

less)

190~195

deg

194~196

deg

192deg

181~182

deg

(maltose = 100)

06~2

3~8

10

26~43

40 알콜

65 알콜

70에 녹

음

70에 녹

음

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

1 전분의 당화와 전분당 가수분해도(degree of hydolysis)가 낮은 물엿 즉 시럽(syrup)에서부터 순수한 결정 포도당(crystalline glucose)에 이르는 전분의 가수분해에 의해서 얻어진 감미료들은 흔히 전분당(澱粉糖)으로 알려져 있다 이와 같은 감미료들을 얻기 위한 목적으로 전분을 가수분해하는 과정을 특히 당화(糖化 saccharification)라고 부른다 전분당으로서 대표적인 것은 각종 곡류 전분에서 만들어진 물엿 즉 시럽(syrup)들과 결정 포도당 등이 있다 1

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

한편 전분의 가수분해도는 보통 포도당 당량(Dextrose Equivalent DE)으로 표시되며 이 포도당 당량은 다음과 같은 식으로 표시된다

포도당당량 = 포도당으로 표시된 전분가수분해물중의 환원당

전체고형물 x 100

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

전분당의 분류 전분당은 그 가수분해도 즉 포도당 당량(DE)과 형태에 의해서 결정 포도당 분말 포도당 고형 포도당 액상 포도당 물엿 등으로 분류되며 그 감미도(relative sweetness) 점도(viscosity) 흡습성(hygrocopic property) 등의 성질은 각각 다르다 이상의 여러 전분당들의 성질의 차이를 보면 표 6-12와 같다 전분의 당화법 전분당(starch sugar)은 전술한 바와 같이 전분을 산(酸)이나 당화 효소(糖化 酵素)들을 사용하여 당화(saccharify)하여 얻는다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

표 6-12전분당의 분류와 그 성질

명 칭

포도당 당

량

(Dextrose

Equivalent

)

감미도

(sweetne

ss)

당의 결정성

(crystallizab

ility)

점도(viscos

ity)

흡수성

(hygroscop

ic)

평균분자량

결정 포도당

분말 포도당

고형 포도당

액성 포도당

물 엿

분말상 물엿

99~100

92~96

80~85

55~80

35~50

20~40

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

크다

uarr

uarr

uarr

uarr

작다

작다

darr

darr

darr

darr

크다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

산 당화법전분당 예로서 물엿을 만들기 위해서 전분을 당화할 때 가장 적당한 pH는 18 내지 20 사이며 이와 같은 pH는 아무 산을 사용하여도 얻어질 수는 있으나 보통 염산 황산 수산(oxalic acid) 등이 사용되고 있다 염산(HCl 최종 pH 18~23 사용농도 01~03)은 가장 값싼 산의 하나이며 따라서 널리 사용되고 있으나 가수분해가 끝난 후 알칼리 예로서 탄산 소오다(Na2CO3)로 중화할 때는 염류(salts) 이 경우에는 짠맛을 가진 소금(NaCl)이 형성되며 이 소금을 제거하는데 힘드는 결점이 있다 2HCl + Na2CO3 rarr 2NaCl + H2O + CO2 uarr

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

한편 황산(H2SO4)을 사용하는 경우에는 가수분해 후 사용된 황산을 중화할 때 황산염이 형성되나 이 황산염들은 일반적으로 용해도가 크고 또 쓴맛을 갖고 있어서 제품의 맛이나 투명도(透明度)에 영향을 주는 결점이 있다 Na2CO3 + H2SO4 rarr Na2SO4 + H2O + CO2 uarr BaCO3 + H2SO4 rarr BaSO4 + H2O + CO2 uarr 수산화 바륨(barium hydroxide) 또는 탄산바륨(BaCO3)을 사용하면 중화할 때 용해도가 작은 황산바륨(BaSO4)이 형성되어 제거하기 쉬우나 가격이 비싼 관계로 잘 사용되고 있지 않다 H2C2O4 + CaCO3 rarr CaC2O4 + H2O + CO2 uarr

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

수산(蓚酸 oxalic acid 사용농도 02~05)은 전분의 당화에 사용되는 산 중에서는 가장 값비싼 것의 하나이나 중화할 때 탄산칼슘(calcium carbonate)을 사용할 때는 형성되는 염(salt) 즉 수산화 칼슘의 침전은 그 입자들이 커서 여과 제거하기가 쉬우며 또한 이온교환수지(ion exchange resins) 등으로 최종적으로 정제한 후의 전분 가수분해물의 색깔이나 투명도가 좋은 이점이 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

효소 당화법 전분의 당화는 보통 전분 분해효소 즉 당화 효소를 사용해도 이루어질 수 있다 원래 옛날부터 전분으로 물엿 또는 엿을 만들 때는 α- 및 β-아밀레이스들을 풍부하게 함유하고 있는 엿기름(malt 주로 麥芽)을 사용하여 전분을 당화하였다 이렇게 만든 엿은 맥아당과 덱스트린류가 주성분이 되고 있다 포도당 당량이 큰 전분당은 위에서 말한 바와 같은 방법으로는 만들 수 없으며 전분이나 각종 덱스트린류 또는 맥아당을 포도당으로 직접 그리고 완전히 가수분해하는 글루코아밀레이스(glucoamylase)를 생산하는 균들 예로서 미리 선정된 특정 아스퍼어질러스 나이저(Aspergillus niger)균의 배양액 그 효소 추출액 그보다는 그 추출액에서 정제한 글루코아밀레이스의 효소 정제품과 α-아밀레이스를 함께 사용하여 비로소 얻을 수가 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

효소 당화법은 산 당화법처럼 당화가 끝난 후에 중화시킬 필요는 없으며 따라서 중화시킬 때 형성되는 염류를 제거할 필요도 없는 장점들을 갖고 있다 실제의 곡류 전분의 효소에 의한 당화법은 맥아 침출액(浸出液) 내지는 추출액(malt extract)과 곰팡이 효모 또는 세균들의 배양기 침출액 또는 추출액을 단독 또는 함께 사용하는 경우가 많다 한편 원료에 사용되는 곡류 전분 자체가 순수하지 않을 뿐더러 만일 당화에 사용한 침출액 또는 추출액에 α-β-아밀레이스들이나 글루코아밀레이스 등 이외의 효소들이 함께 함유되고 있는 경우에는 당화과정에서 형성되는 물질들은 포도당 맥아당 각종 덱스트린류 이외 여러 종류의 예상하지 않았던 당류가 함께 형성되어 형성된 전분당의 목적이나 그 품질에 해로운 영향을 줄 수도 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

[그림 6-17]보리를 보리엿기름과 A niger 및 A oryzae가 가진 효소들로서 가수분해할 때 형성되는 당 들(sugars)의 크로마토그램(chromatograms)

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

물엿 즉 시럽의 성질과 식품 중에서의 효과 옥수수 전분(corn starch)에서 만든 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 정제(精製)한 옥수수 전분을 묽은 산(acids)이나 효소로 당화하여 만든다 물엿 즉 옥수수 시럽(corn syrup)은 가수분해의 정도에 따라 보통 크게 3~4 종류로 분류되고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

포도당 당량(Dextrose Equivalent 즉 DE)이 30 내지 37인 저분해형 시럽(low conversion type) DE가 38에서 49인 정상분해형 시럽(regular conversion type) DE가 50 내지 57인 중간분해형 시럽(intermediate conversion type) DE가 58 이상인 고분해형 시럽(high conversion type) 등으로 분류하고 있다 근래에 와서 이 옥수수 시럽(corn syrup)은 그 포도당 당량 즉 DE가 20 이상에서 38 정도까지인 제1형(Type Ⅰ) DE가 38에서 55까지인 제2형(Type Ⅱ) DE가 55 이상에서 73까지인 제3형(Type Ⅲ) DE가 73 이상인 제4형(Type Ⅳ) 등으로도 분류되어 사용되기도 한다 이 이외에도 DE가 20 이하인 말토덱스트린(maltodextrin) 입상(granular) 결정상(crystalline) 분말상(powder)의 옥수수 시럽 결정수를 함유하고 있는 함수 결정 포도당(glucose monohydrate 당함량 905) 무수결정 포도당(無水結晶 anhydrous glucose 당함량 987 수분 03) 등이 사용되고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

보통 사용되는 시럽 즉 물엿은 DE의 범위가 28 내지 62 정도며 이와 같은 범위의 DE를 가진 물엿은 캔디 과자류 제조에 감미료로서 또는 식품의 점도(viscosity)를 증가시킬 목적(thickening agent)으로 사용되고 있다 가정용이거나 산업용이거나 간에 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 물엿의 종류는 DE가 42 정도의 옥수수 시럽(corn syrup)으로 알려져 있는데 그 이유로서 이 DE 42의 옥수수 시럽은 전술한 대로 설탕의 60의 단맛을 갖고 있는 사실 외에도 윗슬러들(Whistler R L and BeMiller J N 1997)은 이 종류의 옥수수 시럽들의 구성성분들이 다양하고 복잡해서 쉽게 결정화(crystallization)가 일어나지 않는 안정성이 있으며 또한 시판되어 유통과정에 있을 때 이 시럽들의 삼투압이 보통 미생물들의 성장을 억제할 만큼 높아서 부패를 일으키는 가능성이 매우 적은 장점들을 들고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

이상의 물엿들을 여러 식품가공 과정에 널리 사용하는 데 있어서의 첫 번째의 목적은 물론 그 단맛에 있다 두 번째의 목적은 이 물엿의 고체 성분들(solid components)의 함량 그 중에서도 특히 덱스트린류의 함량이 크기 때문에 점도(viscosity)가 매우 크며 이를 첨가한 식품의 조직(texture)이나 액체 식품의 경우 그 조밀도(consistency)를 크게 증가시켜 준다는 점이다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

세 번째의 목적은 이미 언급한 바 있듯이 설탕을 원료로 만든 각종 설탕제품들에서 설탕(sucrose)의 결정화(結晶化)에 의한 결정의 석출(析出)을 억제하는 데 있다고 볼 수 있다 즉 물엿에 함유된 포도당 맥아당 덱스트린들은 설탕을 주성분으로 하는 과자들과 함께 사용될 때는 설탕의 결정화 과정에서 큰 결정들(large crystals)의 형성을 억제하여 준다 예로서 캬라멜(caramels)과 같은 당과(糖菓 sugar products)에서는 설탕의 결정화에 의한 모래알과 같은 감촉(grainy feeling)의 발생을 억제하여 주며 특히 아이스크림에 사용될 때는 거친 얼음 결정체들(coarse ice crystals)의 형성을 효과적으로 막아준다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

물엿을 여러 식품가공 과정에 사용하는 데 있어서 네 번째의 목적은 이 물엿이 설탕을 원료로 하는 당과류의 굳기에 미치는 영향에 있다 즉 캔디류(candies) 캬라멜류(caramels) 등의 최종 굳기는 일차적으로는 설탕용액 즉 주원료의 용액을 어느 정도까지 끊이느냐에 따라서 결정된다 예로서 113 내지는 115에서 끓고 있는 설탕용액을 냉각하였을 때는 이 설탕용액은 실온까지 냉각되어도 일정한 형태를 유지하지 못하나 만일 이 용액을 149 내지는 150까지 끊였을 때는 그 설탕용액은 냉각되면 굳어서 매우 딱딱한 덩어리를 만든다 설탕과자류의 원료가 되는 설탕용액을 가열할 때 물엿을 혼합하여 주면 순수한 설탕용액의 경우보다 냉각된 후의 굳기가 더 크며 이와 같은 물엿의 성질은 그 속에 함유된 덱스트린류(dextrins)에 의한다는 사실이 밝혀져 있다(Lowe B 1955) 예로서 덱스트린을 설탕용액에 첨가하는 경우에는 순수한 설탕보다 더 낮은 온도에서 가열하는 경우에도 냉각된 후에는 더 단단한 굳기를 가진 제품을 얻을 수가 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

이 이외에도 이상의 물엿들은 이 물엿들이 사용되는 식품들의 빙점을 강하(freezing point depression)시켜주고 흡습성(hygroscopic properties)을 증대시키며 영양가가 있는 고체성분들(nutritive solids)을 공급하여 주는 등의 이점들도 있다 또한 식품성분들의 산화 파괴를 억제하여 주는 효과가 있는 사실도 알려져 있다 따라서 물엿은 그 단맛 점도 결정화를 억제하는 작용 이외에도 이상과 같은 유익한 여러 성질들을 갖고 있기 때문에 그 단맛이 제품의 단맛에 크게 공헌할 이유가 별로 없는 설탕을 주원료로 하는 캔디류 캬라멜류 등의 설탕과자류 제조공업에도 널리 사용되고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

캔디류(candies) 특히 각종의 과실들의 맛을 그 특색으로 하고 있는 캔디류(fruit candies)를 제조할 때는 그 특징 있는 신맛을 부여하기 위해 여러 종류의 유기산들을 원료에 첨가해야함으로 이들 첨가된 유기산들의 당과류에 미치는 영향들도 매우 중요하다 이상의 캔디류 제조 시 그 주원료인 설탕이 수분과 고온에서 산이 존재할 때는 설탕의 가수분해(sucrose inversion)는 가속될 것으로 생각된다 설탕의 가수분해에 의해서 형성된 프럭토오스(α-D-fructose)는 캔디류의 흡수성(hygroscopicity)을 증가시키며 설탕의 가수분해 생성물들은 캔디류의 형을 뜰 때(during molding) 그 냉각속도를 느리게 하고 최종생성물들의 경도(hardness)를 저하시킨다 한편 옥수수 시럽을 함께 사용할 때는 순수한 설탕원료 캔디류와 달리 가열과정에서의 산들과의 상호작용들이 대폭 다양화되어 결과적으로는 산의 전체적인 영향들을 완화하는 경향이 있다(Shin

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

각종 물엿의 조성 옥수수 물엿(corn syrup)의 경우 그 가수분해 정도가 큰 것 즉 포도당 당량(dextrose Equivalent DE)이 큰 물엿 종류(즉 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ) 의 포도당의 함량은 30 내지 33이며 맥아당의 함량은 23 내지 28로서 이 두 당류의 함량의 합계는 55 내지는 61에 달한다 따라서 그 단맛은 강하나 덱스트린 함량은 10 내지 19로서 시럽의 점도(viscosity)는 낮다 이와 같은 시럽들은 전술한 대로 주로 감미료(sweetening agents)로 사용된다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

한편 가수분해도가 낮은 즉 포도당 당량(DE)이 낮은 시럽종류(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서는 포도당과 맥아당 함량은 각각 18 및 17로서 단맛은 약하나 덱스트린류의 함량은 30에 달하며 따라서 점도(viscosity)는 매우 크다 이와 같은 시럽에서는 단맛 이외에 점도를 증가시키거나(thickening agent) 그 속의 덱스트린 함량을 이용할 수 있는 식품에 사용된다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

이상과 같은 물엿은 거의 모든 곡류 전분 또는 서류 전분들을 당화하여 얻을 수 있으며 실제로 널리 사용되고 있다 예로서 표 6-15는 쌀 찹쌀 고구마 조 수수 등에서 얻은 물엿들의 성분표이다 한편 도정과정에서 형성된 쇄미(碎米) 즉 부스러기 쌀의 전분을 당화하여 만든 물엿에 있어서는 그 속에 포도당과 맥아당의 함량은 61에 달하며 덱스트린류의 함량도 18나 된다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

표 6-13옥수수 시럽(corn syrup)의 대략의 성분

종 류(types)

regular

43degBaumeacute

(약 80)

42 DE

medium

43degBaumeacute

52 DE

high conversion

(dual acid enzym

e)

43degBaumeacute

63 DE

high conversio

n

(straight acid)

43degBaumeacute

60 DE

수 분

전고체성분(total solids)

포 도 당

맥 아 당

고급당류(포도당 맥아당이외의

당류)

덱스트린

회분(ash)

pH

점도(viscosity Poises)

197

803

180

170

160

300

03

47~5

0

160

190

810

260

210

110

230

03

47~5

0

104

185

815

305

280

130

100

03

47~50

60

185

815

330

230

65

190

03

47~50

70

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다

표 6-14일부 옥수수 시럽(corn syrup) 즉 물엿(전분당)들의 당 조성

당 조성()

산당화 물

엿

30 DE

산당화 물

엿

60 DE

산액화-효소당화

물엿

63 DE

효소액화-효소당화

물엿1)

43 DE

포도당(glucose)

맥아당(maltose)

말토트리오스(maltotriose)

말 토 테 트 라 오 스

(maltotraose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose)

말 토 펜 타 오 스

(maltopentaose) 및

덱스트린류(dextrins)

104

93

86

82

72

561

362

195

132

87

63

161

388

281

137

41

45

108

20

541

223

05

-

211

고 맥아당 시럽(high-maltose syrup)은 흡습성(吸濕性) 점도(粘度)는 크되 감미도는 낮은 특성을 갖고 있으며 이와 같은 특성 때문에 근래 그 사용량이 늘고 있다