효소 2008/05/00

개요 정의 효소학 및 효소공학 - 생물이 생산하는 촉매 - 생물이 영위하는 모든 반응에 따른 효소가 있고 이들의 반응을 생존 가능한 온화한 조건하에서 원할하게 행하여 생명의 유지에 이바지 - 효소의 화학적 본체는 단백질이고 polypeptide chain 구성되어 있으며 그 분자량은 만~100만 효소학 및 효소공학 - 효소학: 효소를 대상으로 하여 생물학적, 물리학적, 화학적, 공학적으로 연구하는 학문 - 효소의 반응메카니즘, 효소의 활성, 기질이나 반응의 종류에 대한 식별능력 등 - 효소의 생산, 분리, 정제, 물리적, 화학적 구조의 결정, 의약 및 산업적 이용 - 효소공학은 효소의 산업적 응용을 통해 유용물질의 생산, 에너지 관련물질 생산, 및 분석, 환경보존, 인공장기 등 새로운 의약에 응용할 목적으로 하는 공학

개요 대분류 종류 - 세포외 효소: 혈장, 타액, 췌장, 장액, 임파관 중에 함유되거나 배양액 중에 분비되어 나오는 효소 - 세포내 효소: 분화된 세포는 특이적인 기능에 따라 화학반응을 영위하며 이 화학반응에 관여하는 효소 만을 함유 (세포액, 세포벽, 원형질막, 과립 등에 불용성의 상태로 존재) 종류 - Dehydrogenase: 유기산 대사에 관여하는 산화환원 효소계 (주로 세포내 mitochondria에 존재) - Allosteric 효소: 효소의 구조가 효소 활성에 필수의 성분으로 하는 것. - 보결분자족: 당, 지방질 등 또는 금속이나 트겅의 저분자 화합물을 활성에 필수의 성분으로 하는 효소 - 효소전구물질 (zymogen): polypeptide chain의 가수분해에 의하여 불활성인 전구물질이 활성화 되는 효소

가수분해 효소 - Amylase 개요 Amylase의 자원 - 전분 가수분해 효소로 녹말의 -1,4 결합 또는 -1,6 결합을 가수분해 - 고등식물, 동물, 미생물 (세균, 곰팡이, 효모)에서 발견 - 술, 맥주, 포도당, 물엿 등의 식품제조를 위시하여 직물의 풀빼기에 이르기까지 다양하게 응용 Amylase의 자원 - 녹말은 식물, 동물 등의 저장 에너지원으로 자연계에 다량으로 존재하며 따라서 녹말을 분해하는 amylase도 생물계에 널리 분포 - 맥아에는 amylase가 많아 이 것을 정제한 것을 diastase라 함. - 고구마 및 콩에도 -amylase가 존재하며 동물의 타액, 췌액 등에는 -amylase가 있음. - 동물의 타액, 췌액 등에는 -amylase가 존재

가수분해 효소 - Amylase -amylase - Endo type 효소 (아미노산 chain의 안쪽을 절단하는 효소) - 동물계 (타액, 췌액), 식물계 (맥아, 겨자), 세균, 곰팡이에서 발견 - 녹말의 -1,4-gluciside 사슬을 임의적으로 분해하고 -1,6 결합은 분해하지 않음. - 녹말의 점도를 급속히 저하시키며 반응액의 요오드액 반응은 청-자-적-황으로 변화 - 최종분해생성물은 maltose, dextrin, 소량의 glucose

가수분해 효소 - Amylase -amylase Glucoamylase 기타 - Exo type 효소 (아미노산 chain의 바깥쪽을 절단하는 효소) - 맥아, 발아되지 않은 보리, 고구마 (10%), 콩 (30%), 밀 (8%) 등에 존재 - 녹말의 -1,4-glucoside 사슬의 비환원성 말단에서 순차적으로 분해시켜 -maltose를 유리하며 amylopectin과 glycogen의 -1,6-glucoside 결합에 이르면 분해가 완료 Glucoamylase - 주로 곰팡이에서 분비되며 그 것의 수율은 약 15% 정도 - 녹말의 -1,4-glucoside 사슬의 비환원성 말단에서 순차적으로 glucose 단위로 분해하며 amylopectin과 glycogen의 -1,6-glucoside 결합도 분해 기타 - Isoamylase, debranching amylase, cyclodextrin glycosyltransferase 등

Amylase의 이용 섬유공업 - 면, 스프, 인견 등을 직조할 때 실에 장력과 마찰에 의한 실의 절단을 방지하기 위해 날실에 풀을 매김. - 풀은 접착제로 사용되며 PVA 또는 녹말이 사용 - 풀을 매긴 다음 이 풀을 원포에서 제거하는 풀빼기에 사용 식품공업 - 효소당화에 의한 포도당 제조: 정제녹말-녹말유-호화-효소액화-효소당화-당화액-여과-농축-탈색-끝내기 농축-결정-건조-제품 - 맥아물엿 제조: 녹말을 액화하고 맥아로 당화 - 식용 dextrin 제조: 점성의 보강, 아이스크림의 보형성 증강, 분말향료, 식육가공, 어육가공, 조마료의 분말화기재, 냉동조리식품 등에 사용 - 주류 양조: 청주 (햇쌀 또는 맵쌀), 위스키 (녹맥아, green malt) 제조 - 제빵에 사용: Amylase의 첨가로 반죽이 부드럽고 신장성이 증가되고 gluten 형성이 촉진되어 가스 보유력이 증가

가수분해 효소 – Cellulase 개요 분류 - 식물의 세포막에 존재하는 당질 (cellulose)의 -1,4-glucoside 결합을 가수분해하여 cellobiose와 glucose로 분해하는 효소 - Cellulose를 묽은 산으로 반응시키면 화원당이 생기나 diastase에 의해서는 전혀 영향을 받지 않음. - 균류, 목재부후균, 식물병원균, 곰팡이, 연체동물, 고등동물 (흰개미)에 존재 분류 - C1 효소: Cellulose에 작용하는 최초의 효소로 불용성의 cellulose 사슬 결정구조를 파괴하고 가수분해 - Cx 효소: C1효소에 의하여 활성화된 cellulose에 작용하여 -1,4 결합을 가수분해하며 고분자의 polymer를 random으로 가수분해하여 주로 cellobiose, cellotriose 등의 과당류를 생성 - -glucosidase는 cellobiose, cellotriose와 같은 단쇄의 과당류를 분해하여 glucose를 생성

가수분해 효소 – Cellulase 자원 - 곰팡이, 세균 등이 주 연구대상 - 곰팡이의 cellulase는 주로 무작위로 cellulose 사슬을 절단하는 endo type - 세균의 cellulase는 말단에서부터 절단하는 exo type - aspergillus niger, trichoderm viride, Fusarium moniliforme등의 효소가 주로 이용 - 목재 부후균의 cellulsae도 많이 연구되고 있으나 배양이 10일 이상 걸리는 결점을 보유

가수분해 효소 – Hemicellulase Hemicellulose의 개요 - Hemicellulose는 식물의 세포벽에 존재하는 다당류의 총칭으로 hexose와 pentose로 구성 - Microfibril 중의 cellulose 분자를 접착하거나 microfibril 사이를 메우면서 교착시켜 세포벽의 구조 유지의 구실을 하는 물질 Hemicellulase의 종류 및 자원 - Xylanase, galactanase, mannanase, arabinanase의 4종으로 구분 - 자원은 거의 미생물에 한정되어 있으며 세균과 곰팡이에 널리 존재 - 공업족으로 사용되는 hemicellulose의제재는 없고 cellulase제나 다른 효소제에 함유된 효소가 이용

가수분해 효소 – Hemicellulase - Xylanase: xylan 결합을 가수분해하는 효소로 해조류나 해중 미생물에 많이 분포 - Galactanase: galactan이나 arabino-galactan을 가수분해하는 효소 - Mannanase: Mannan, galacto-mannan, gluco-mannan을 가수분해하는 효소 - Arabinanase: Arabinan을 가수분해하는 효소

Cellulase/Hemicellulase의 이용 식물조직 분해 - 단독으로 사용되지 않으며 pectinase 또는 hemicellulase와 함께 사용 - 상업적으로 거의 사용되지 않고 있음. 의약품공업 - 종합소화제로 사용되며 amylase, protease, lipase 등에 첨가하여 효능 향상 - 소화불량, 급성/만성 위장병, 식욕부진, 저효소증, 소화기능 장해, 영양촉진을 위해 사용 기타 - 사료에 첨가 - 폐수처리

Cellulase/Hemicellulase의 이용 식품공업 - 대두와 탈지대두에 이용 - 녹말제조: 박에 작용하여 녹말을 둘러싼 섬유와 세포막이 분해되어 대부분의 녹말을 회수하며 이때 cellulase 중에는 amylase가 함유되면 안됨. - 야채 및 과실에 이용: 조직의 유연화를 위해 사용되며 비타민의 손실, 색깔, 풍미의 변성이 적음. - 다류 조제: 효소처리에 의하여 각 성분의 추출량이 증대되며 특히 단백질양의 증가를 가져옴. - 효소 또는 chlorella 세포막 의 분해: 세포벽을 온화한 조건에서 제거할 수 있으므로 세포중의 영양물의 손실이 적고 고영양식품, 사료로써 이용 - 한천제조: 수율 증대 (젤리 제조에 이용) - 귤내과피의 박피 - 쌀에 이용: 떡이나 인조미 제조에 적용 - 양조: 청주, 간장, 되장제조에 사용

가수분해 효소 – Pectinase 개요 분류와 성질 - Galactouronic acid가 -1,4-glucoside결합을 한 직쇄상의 polygalactruonide이고 그의 carboxyl기의 약 75%가 methylester로 되어 있음. - 사과의 pectin질은 pectic acid 50%, arabinan 20%, galactan 25%로 되어 있으며 70% methanol로 정제하면 불순물이 제거되어 pectin질만 얻음. 분류와 성질 - Pectin은 고등식물, 특히 과실, 야채에 널리 분포 - 식물조직의 것은 냉수에 불용성이고 열수에 가용성의 점질물질인 protopectin으로 존재 - Protopectin을 묽은 산 또는 열수로 추출하면 pectin을 얻음.

가수분해 효소 – Pectinase 종류 - Protopectinase: 불용성의 천연 pectin을 가용화 단계까지 작용하는 효소로 macerating enzyme이라고 불림. - Pectin esterase: Pectin methylester를 가수분해하여 pectic acid로 하는 효소로 고둥식물, 당근, 알파파, 토마토, 오랜지, 담배조직에 널리 존재 - Polygalactouronase: polygalacturonic acid의 -1,4 결합을 분해하는 효소로 액화형의 endo type과 당화형의 exo type이 존재 - Pectate lyase: pectin transliminase라고 하며 가수분해 효소로 분류되지 않으나 기질의 배당체의 당 이외의 성분에 작용하여 그의 C4와 C5에서 수소원자를 소실시켜 glucoside 결합을 분리.

Pectinase의 이용 식물조직의 붕괴 과즙의 청징화 - 과즙 혼탁의 원인은 주로 pectin질에 의하며 pectinase를 작용시키면 혼탁 용해되어 있는 pectin이 분해되어 응집 침강하여 과즙이 청징화 과즙의 착즙 – 백포도 및 투명사과 과즙 제조에 사용 귤 내피의 박피 감귤주스 펄프에서 가용성 고형물의 회수 – 세척수 양의 절감 녹말제조 – 감자는 pectin을 1.5% 함유 야채 단세포 식품의 제조 – 단세포화한 야채류는 baby food, sauce, cream soup의 base로 사용 삼 섬유의 발효 정련 – 섬유속 사이에서 시멘트 구실을 하는 pectin질은 효소로 작용으로 분해

기타 가수분해 효소 종류 - 용균 (일시적으로 세포벽을 팽창시켰다가 파열되어 세포 내용물이 확산하는 현상) 효소: 미생물의 세포벽을 가수분해 효소군의 총칭으로 세포벽의 용해효소라고도 하며 세균과 진균류 용균효소로 구분 - Dextranase: dextrin의 -1,6-glucoside 결합을 가수분해하는 효소 - Inulinase: inulin (국화과 식물뿌리 또는 괴근에 존재하는 저장 다당류)을 가수분해하여 fructose를 생산하는 효소로 돼지감자, 효모, 곰팡이등에서 생성 - Lactase: 유당 (이당류로 가수분해에 의해 glucose와 galactose를 생성)을 가수분해하는 효소로 식물 (아몬드, 살구, 사과, 미생물에서 생산되며 우유 중에는 유당 합성효소는 존재하나 lactase는 없으며 공업용으로는 효모를 급원으로 이용 - Melibiase: Melibose에 작용하는 효소로 raffinose와 starchyose 등의 -1,6-galactose 결합을 가수분해하는 효소

기타 가수분해 효소 종류 - Naringinase: 여름 밀감의 고미의 본체는 naringin이라는 flavonoid 배당체이며 이 물질은 가수분해에 의하여 naringinase으로 되어 고미가 없어지는데 천연의 여름 밀감이 완숙됨에 따라 고미가 없어지는 것은 과실 중에 존재하는 naringinase에 의하여 naringin으로 분해되기 때문 임. - Hesperidinase: 밀감 통조림의 백탁의 원인인 hesperidin (과육, 특히 미숙한 과피에 주로 함유, 중에 존재하는 flavonoid 배당체로 과육에서 시럽 중으로 침출)을 가수분해하는 효소 - Anthocyanase: Anthocyan (고등식물의 꽃, 과실, 뿌리에 함유된 색소로 적색이나 꽃에서는 선홍색에서 적색을 거쳐 청색으로 되는 색조를 나타내고 자연계에서 가장 선명한 색채를 보유하나 anthocyanin 함유량이 많은 농산물을 통조림하게 되면 통조림 저장 중 관벽의 주석과 반응하여 자색을 띄어 통조림의 가치를 저하)을 가수분해하는 효소

단백질 가수분해 효소 개요 분류 - Protease는 peptide 결합을 가수분해하는 효소 - Peptide 중의 내부의 결합을 분해하는 효소를 endopeptidase라고 하며 말단 peptide 결합을 가수분해하는 효소를 exppeptidase라 함. - Protease는 음식물 소화에 관련된 위의 pepsin이나 췌장에서 분비되는 trypsin, chymotrypsin 등에서 각종 조직이나 세포에서 함유된 다양한 효소가 존재 분류 - 효소반응의 최적 pH: 산성, 약산성, 중성, 염기성 - Endo & exopeptidase - 효소 단백질의 성질: serine, cysteine, 금속 aspartic proteinase 등

단백질 가수분해 효소 자원 Pepsin - 동물: 소화효소, 혈액의 응고와 용해, 혈압조절 물질의 생성과 가수분해 - 식물: 무화과의 수액, papaiya 과실의 papain, 파인애플의 열매에서 bromelain, 멜론과실의 꽃 추출액은 치즈제조에 사용 - 미생물: 세균이나 곰팡이의 proteinase를 사용하여 치즈 제조 Pepsin - 1825년 Schnann에 의하여 처음으로 위벽에서 분리 - 소화액 중에 처음부터 pepsin으로 분리되는 것이 아니고 pepsinogen으로 분비되며 염산의 작용으로 pepsin으로 활성화 - 척추동물의 위액에 존재 - casein, globulin, gluten, collagen, 뿔의 keratin을 가수분해하나 머리털의 keratin은 가수분해 하지 못함.

단백질 가수분해 효소 Trypsin Chymotrypsin - 췌장 중에 함유된 단백질을 분해하는 효소 - peptide, amide, ester류의 ㅣ-arginine 또는 L-lysine의 carboxyl기 쪽에서 가수분해 하여 혈액응고, 혈압강화, 항염증에 작용 Chymotrypsin - 췌장에서 산출되는 단백질 분해효소 - chymo의 의미는 우유의 응고 작용을 의미 - peptide, amide, ester의 phenylalanine, tyrosin등의 benzene 핵을 갖는 아미노산의 인접 pepetide 결합을 특이적으로 절단 - 혈압강화, 혈액응고 시간 단축, 항염증 작용을 하며 국부자국 반응이 어의 없어 현재 주사용으로 실용화

기타 단백질 가수분해 효소 기타 - Cathespin: 동물의 조직세포 (비장과 심장) 내에 존재하는 단백질 분해효소 - Rennet: 어린 포유동물의 위액에 존재하는 효소로 사람이나 개에는 존재하지 않음. - Pancreatin: 췌장 중에 존재하는 효소의 혼합물로 단백질, 녹말, 지방질 가수분해효소가 혼합하여 존재 - Papain: papaya의 성숙하지 않은 과실에 상처를 내어 유출되는 즙액을 그릇에 모아 교반하면서 응고시키고 이것을 분말로 하여 저장 또는 즙액을 일광하에서 박층으로 건조시킨 것으로 단백질의 –SH- 분해효소 임. - 식물성 기원: Bromelain, Ficin, - 곰팡이 기원: 간장, 된장의 양조에 사용; Aspergillus, Penicillium 등 - 세균 기원: bacillus 등 - 효모와 곰팡이 - 기타: Collagenase, Elastase, Keratinase, Carboxypeptidase, Aminopeptidase 등

단백질 가수분해 효소의 이용 단백질의 분해 식품공업 - 정미강화: 아미노산계 조미료, 간장, 된장, 치즈 - 가용화: 조미료 전처리, 음료 - 물성개량: 점도저하, 고기 연화 - 유지의 분리: 폐액의 처리 및 세정 식품공업 - 조미료의 제조 - 치즈제조 및 숙성촉진 - 간장, 된장, 생선간장 - 식용육의 연화 - 주류의 혼탁방지: 청주, 맥주, - 밀가루 단백질의 개량: 빵반죽 개량 및 제과에 이용

단백질 가수분해 효소의 이용 수산가공 피혁유제 및 효소세제 - 간에서 비타민 추출 - Fish soluble (생선류에서 얻어진 신선한 액상물을 농축한 것)의제조 - Peptone (동물의 단백질을 가수분해할때 생기는 변성 단백질)의 제조 피혁유제 및 효소세제 - 탈모 및 탈회에 사용 - 효소세제는 미생물이 생산하는 alkaline protease를 주성분으로 한 효소제를 배합한 세제

지방질 가수분해 효소 - Lipase 작용과 분포 이용 - Triglyceride에 작용하여 glycerin과 지방산으로 가수분해하는 효소 - 역으로 합성작용도 촉매하는 효소 - 동물 (췌장, 지방질 조직, 혈액, 젓 등), 식물 (지방질 함량이 많은 피마자 종자, 소맥배아, 쌀겨), 미생물 (곰팡이, 효모, 세균 등) 이용 - 식품공업: 유지분해, 유제품의 향미 증강, 알콜음료 및 된장에 응용, Katsuobushi 제조, 치즈 및 밀크초콜렛에 이용 - 의약품: 종합 소화제 - 공업용: 세제, 피혁의 유제 - 향미효소: 효소가 작용하여 휘발성 향미물질을 생성

기타 효소 기타 가수분해효소 - Nuclease: 여러 종류의 RNA, DNA에 작용하여 그의 phosphodiester 결합을 가수분해하는 효소 - Phosphatase: 알코올과 아민의 phosphomonoester를 가수분해하여 무기인산을 유리하는 효소 - Urease: 요소에 작용하여 암모니아와 이산화탄소로 분리하는 효소 - Tannase: 식물에 함유된 polyphenol 화합물의 일종을 가수분해하는 효소