본문내용
1. 효소의 특성
1.1. 효소의 정의
효소는 화학적으로 살펴볼 때 단백질로 구성된 생체 내 촉매이다. 각종 화학반응에서 자신은 변화하지 않지만 반응속도를 크게 증가시키는 특성을 가지고 있다. 즉, 효소는 단백질로 만들어진 생체 내 촉매라고 할 수 있다.
효소는 주로 우리나라의 건강보조식품 품목 중 하나로 분류되며, 식품공전에는 곡류효소식품, 배아효소식품, 과?채류효소식품, 기타 효소식품 등 네 가지 유형이 명시되어 있다. 이는 식용미생물을 배양한 것, 식품에서 효소함유부분을 추출한 것, 또는 이를 주원료로 하여 섭취가 용이하도록 가공한 것을 의미한다. 효소는 신진대사 기능에 관여하여 건강증진 및 유지에 도움을 주는 것으로 알려져 있다.
화학반응에서 일반적으로 촉매는 반응물질 외에 미량 첨가되어 반응속도를 증가시키는 역할을 한다. 생물체 내에서도 이와 유사하게 효소가 화학반응을 촉진시키는 역할을 한다. 효소는 단백질로 이루어져 있어 무기촉매와 달리 온도나 pH 등의 환경요인에 의해 크게 영향을 받는다. 즉, 모든 효소는 특정한 온도와 pH 범위 내에서 가장 활성이 크다.
1.2. 효소의 구조와 특성
효소의 구조와 특성은 다음과 같다.
효소는 단백질로 이루어진 생물학적 촉매로, 화학반응을 가속시키는 역할을 한다. 효소의 주된 구성 성분은 아미노산으로 이루어진 폴리펩타이드 사슬이다. 이 폴리펩타이드 사슬은 특정한 입체구조를 형성하여 효소의 활성 부위(active site)를 만들어낸다. 활성 부위는 효소와 기질(반응물질)이 결합하는 곳으로, 이 부위의 형태와 전하 등의 화학적 특성이 효소의 활성을 결정한다.
효소의 활성 부위는 기질 분자와 공간적, 화학적으로 잘 맞아떨어지는 구조를 가지고 있다. 이러한 기질 특이성으로 인해 효소는 특정 기질에 대해서만 반응을 촉매할 수 있다. 또한 효소의 활성 부위에는 여러 개의 아미노산 잔기가 배열되어 있으며, 이들은 기질과 화학반응을 일으키는 데 필요한 작용기를 제공한다.
효소에는 단백질 부분 외에도 보조인자(cofactor)라 불리는 비단백질 성분이 결합되어 있는 경우가 많다. 보조인자에는 무기 이온(예: Mg2+, Ca2+)과 유기 분자(예: 비타민 B군)가 포함된다. 보조인자는 효소의 활성을 높이거나 안정화시키는 역할을 한다.
효소는 화학반응의 활성화 에너지를 낮추는 방식으로 반응 속도를 높인다. 효소의 활성 부위는 기질 분자를 적절한 방향으로 배향시키고 반응에 필요한 작용기를 제공함으로써 활성화 에너지 장벽을 낮춘다. 이를 통해 효소는 상온, 상압 조건에서도 빠른 반응 속도를 유지할 수 있다.
한편 효소의 구조와 활성은 온도, pH, 이온 농도 등의 환경 요인에 매우 민감하다. 최적의 환경 조건을 벗어나면 효소의 3차원 구조가 변형되어 활성이 감소하거나 소실될 수 있다. 이러한 특성은 효소의 기질 특이성 및 선택성과 더불어 효소를 다양한 산업 분야에 활용할 수 있게 해준다.
1.3. 효소의 반응 메커니즘
효소의 반응 메커니즘은 다음과 같다"
효소와 기질은 마치 열쇠와 자물쇠의 관계와 같다. 효소의 표면 구조와 기질의 형태가 일치할 때 효소-기질 복합체를 형성할 수 있다. 일반 화학 반응에서는 반응물 A를 생성물 C로 변화시키기 위해서는 먼저 높은 에너지 상태인 활성화 화합물 B로 만들어야 한다. 하지만 효소가 존재하는 경우에는 효소-기질 복합체가 만들어지고, 이 복합체가 활성화 화합물 B'로 되어 생성물 C를 형성하게 된다. 따라서 효소 반응은 일반 화학 반응보다 훨씬 적은 에너지로 진행할 수 있다"
효소 반응의 메커니즘은 다음과 같다. 먼저 효소와 기질이 결합하여 효소-기질 복합체를 형성한다. 이때 효소의 활성 부위와 기질의 구조가 잘 맞아야 한다. 그 다음으로 효소-기질 복합체가 활성화 상태인 B'로 전환된다. 마지막으로 생성물 C가 형성되면서 효소는 원래의 상태로 되돌아온다. 이처럼 효소는 반응 속도를 크게 증가시킬 수 있는데, 이는 활성화 에너지를 낮추어 주기 때문이다"
1.4. 효소 활성에 영향을 미치는 요인
효소 활성에 영향을 미치는 요인은 다음과 같다.
첫째, 온도이다. 화학 반응의 속도는 일반적으로 온도의 상승에 따라 증대하며, 효소 반응도 이에 예외가 아니다. 그러나 온도가 어느 정도 이상으로 상승하면 단백질의 열에 의한 변성이 일어나 반응 속도가 감소한다. 이러한 온도 상승에 의한 반응 속도의 증대와 변성에 의한 감소의 두 가지 요인의 상호 관계에서 최대 반응 속도를 나타내는 온도가 있는데, 이를 최적 온도라고 한다. 대부분의 효소는 30~40℃의 온도 범위에서 최적 활성을 가지며 45~50℃에서는 열에 의한 불활성화가 신속히 일어난다. 효소의 열변성은 식품 공업에서 많이 이용되는데, 식품 중의 효소는 보통 식품원료를 70℃ 또는 그 이상에서 수 분간 가열함으로써 불활성화된다.
둘째, pH이다. 효소 작용은 반응이 일어나고 있는 용액의 pH에 의하여 크게 영향을 받는다. 효소의 본체가 단백질이기 때문에 강산이나 강알칼리에 의하여 단백질이 변성되면 불활성화된다. 그러나 활성을 나타내는 범위의 pH에 있어서도 단백질 표면의 아미노기나 카르복실기 등의 이온화 상태가 pH에 따라 변화하므로, pH에 따라 효소 표면의 구조가 변화하여 기질과 가장 결합하기 쉬운 상태로 되어 최대의 반응 속도를 나타낸다. 이때의 pH를 최적 pH라고 한다. 대부분의 효소는 pH 4.5~8.0의 범위에서 최적 활성을 나타내지만, 예외적으로 pepsin은 pH 1.8, arginase는 pH 10.0이 최적 조건이다.
셋째, 효소 농도이다. 효소 반응에서 온도와 pH가 일정할 때 효소 농도에 따른 효소 활성의 변화를 보면, 초기에는 효소 농도와 반응 속도가 비례하지만, 일정 농도 이상에서는 기질 농도가 제한 요인이 되어 더 이상 반응 속도가 증가하지 않는다.
넷째, 기질 농도이다. 효소 농도가 일정할 때 기질 농도가 낮은 초기 단계에서는 기질 농도와 반응 속도가 비례하지만, 일정 농도 이상에서는 효소의 활성 부위가 기질로 포화되어 더 이상 반응 속도가 증가하지 않는다.
다섯째, 활성제와 저해제이다. 효소의 촉매 작용을 증대시키는 물질을 활성제라 하고, 이를 첨가하면 효소 활성이 증가한다. 반대로 효소 활성을 억제하는 물질을 저해제라 하며, 이를 첨가하면 효소 활성이 감소한다.
이와 같이 효소 활성은 온도, pH, 효소 농도, 기질 농도, 활성제와 저해제 등 다양한 요인에 의해 영향을 받는다.
2. 식품산업에서의 효소 활용
2.1. 전분 가공에서의 효소 이용
전분 가공 공업은 미국에서 1842년에 최초로 본격적인 생산체계를 갖추게 되었고, 1866년에 옥수수 전분으로부터 포도당을 처음으로 생산하게 되었다. 오늘날의 전분 가공 공업은 옥수수를 가공하는 산업이라고 할 정도로 옥수수가 가장 많이 사용되고 있다. 그 이유는 값싼 옥수수 원료의 안정된 공급에 기인하는 바가 크지만, 옥수수로부터 전분을 효율적으로 추출할 수 있는 가공기술의 발전과 포도당을 생산하는 효소류의 개발 ...
