[식품가공학개론]단백질의 변성

단백질의 변성

단백질 분자는 여러 가지 물리적 또는 화학적 작용에 의하여 공유결합은 그대로 존재하지만 비교적 약한 결합으로 유지되고 있는 고차구조가 변형되기 쉽다. 단백질의 고차구조가 변화하는 현상을 변성이라고 하며 단백질이 가지고 있는 본래의 성질이 크게 변화한다. 변성 단백질은 본래의 천연 단백질로 되돌아갈 수 없는 비가역적인 변성이 대부분이다.

변성단백질의 성질

1) 생물학적 특성 상실

천연 단백질이 변성되면 본래 단백질이 가지고 있는 효소 활성이나 독성, 면역성 등의 생물학적 특성을 상실하게 된다.

 

2) 효소에 의한 단백질 분해

단백질이 열에 의하여 변성되면 응고되어 굳은 것과 같이 보이지만 오히려 소화가 잘 된다. 이것은 구상을 이루고 있던 폴리펩티드사슬이 열에 의하여 풀어져서 효소작용에 의해 분해될 수 있는 반응 장소가 증가하기 때문이다.

 

3) 반응성 증가

단백질이 변성되면 본래의 단백질에서는 보이지 않던 -OH기, -SH기, -COOH기, -NH2기 등과 같은 활성기가 표면에 나타나 반응성이 증가한다.

 

4) 용해도 변화(불용화, 응고 또는 겔화한다)

단백질이 물에 용해되어 있는 경우, 소수성기는 물에서 멀어지고자 구조 내부에 들어가 있지만 단백질이 변성되면 구조가 풀려서 소수성기가 분자 표면에 나타나게 되므로 단백질의 친수성이 감소하고 따라서 용해도가 감소하게 된다. 또한 변성 단백질은 천연 단백질의 형태가 풀려서 증가한 -OH기, -SH기, -COOH기, -NH2기 등의 활성기들이 다시 서로 2차적인 결합을 하여 불용성 단백질을 형성하는 경우가 많다.

 

5) 기타 물리적 및 화학적 성질 변화

구상 단백질이 변성하여 풀린 구조를 취하기 때문에 점도, 확산계수 등이 크게 된다. 또 단백질 분자 내부에 묻혀 있는 여러 아미노산 잔기가 표면에 노출되기 때문에 자외선에 대한 흡광도가 단파장 방향으로 이동하여 증가하기도하고 -SH잔기도 시약과 반응하기 쉽게 된다.

가열에 의한 변성

1) 열변성의 의의

육류, 어패류 및 달걀 등은 60~70℃로 가열하면 응고하는 열응고현상에 의하여 주요 단백질인 알부민과 글로블린이 불용화된다.

 

2) 열변성에 영향을 주는 요인

① 온도

단백질의 열변성 온도는 단백질의 종류와 조건에 따라 다르나 일반적으로 60~70℃부근에서 변성이 일어나며 온도가 높아지면 변성 속도가 매우 빨라진다.

② 수분

단백질의 열변성에는 수분이 큰 영향을 미친다. 단백질에 수분이 많으면 비교적 낮은 온도에서 열변성이 일어나나 수분이 적으면 높은 온도에서 변성이 일어난다.

③ pH

단백질의 열변성은 PH와도 관계가 깊으며 일반적으로 등전점에서 가장 잘 일어난다.

④ 전해질

단백질에 염화물, 황산염, 젖산염 등 소량의 전해질을 가해주면 열변성이 촉진된다. 이 효과는 이온의 전하가 큰 전해질일수록 크다. 예를 들면, 두부 제조시 콩 단백질인 글리시닌은 가열만으로 응고되지 않으나 70℃ 이상에서 염화마그네슘 또는 황산칼슘, 델타-글루코노락톤 등의 간수를 가하면 잘 응고된다.

⑤ 설탕

단백질에 설탕을 넣으면, 설탕이 응고 단백질을 어느 정도 높이므로 응고온도를 높여 단백질의 열 응고를 방해한다.

물리적인 요인에 의한 변성

1) 동결에 의한 변성

식육 ,어육, 채소와 같이 비교적 수분이 많고 부패하기 쉬운 식품의 저장법으로서 가장 중요한 것은 동결 저장이다. 식품을 동결하여 오래 저장하면 단백질은 변성하여 불용성이 된다. 어육에서는 -1~-5℃, 쇠고기에서는 -1.5~-3℃에서 변성이 가장 심하고, -20℃에서는 변성이 최소로 된다고 한다. 따라서 변성을 줄이기 위해서는 변성이 가장 심한 -1~-5℃의 최대빙결정대를 빨리 통과시키는 급속동결이 필요하다.

냉동고기는 동결시 건조에 의한 지질의 산화로 변색을 일으키고 단백질이 변성되는 동결화상이 일어날 수 있다. 이것을 방지하기 위해서 냉동고기 표면에 빙의를 입혀 식품이 직접 공기와 접촉하지 않도록 하여야 한다.

 

2) 건조에 의한 변성

육류를 보통 방법으로 건조하면 외관, 수분량, 경도 , 맛 등이 달라지고 물에 담가 흡수시켜도 건조 전의 생육 상태로 되돌아가지 않는데 이는 주로 단백질의 변성 때문이다.

 

3) 표면장력에 의한 변성

단백질이 단일 분자막의 상태로 얇은 막을 형성하게 되면 변성하여 응고한다.예를 들면, 난백을 세게 저어서 거품을 형성시켰을 때 거품의 표면에 얇게 퍼진 오브알부민이 표면장력에 의하여 변성되어 점성을 띠게 된다. 빵을 제조 할 때에도 발효에 의하여 생긴 탄산가스의 기포 표면에 글루텐이 얇게 퍼지면 표면장력에 의하여 변성되어 점탄성이 높아지고 빵이 부풀어 고정된다.

 

4) 광선에 의한 변성

단백질은 광선의 조사에 의해 3차 구조의 결합을 절단시켜 변성을 일으킨다. 단백질은 a-, b-, r- 및 X선 조사에 의하여도 변성되며 특히 자외선을 단백질에 조사하면 상온에서도 변성이 심하다.

 

5) 기타 물리적 요인에 의한 변성

단백질에 5,000~10,000기압의 고압력을 가하거나 빈도가 심한 음파나 초음파를 가해도 변성하여 응고한다. 한변 , 가용성 단백질을 건조 분쇄하면 변성하여 불용성 물질로 되기도 한다.

화학적 요인에 의한 변성

1) 산 알칼리에 의한 변성

단백질 용액에 산 또는 알칼리를 가하면 PH의 변화에 따라서 등전점에 이르러 응고되는 등 변성이 일어난다. 예를 들면, 우유를 젖산발효시켰을 때 응고하는 것은 생성된 젖산에 의하여 PH가 저하되어 카세인의 등전점인 pH4.6에 이르게 되어 변성 침전했기 때문이며 요구르트, 치즈 등을 제조할 때 볼 수 있다.

 

2) 중성염에 의한 변성

단백질 용액에 소량의 중성염을 넣으면 등전점은 변하지 않으나 일반적으로 단백질 분자사이의 인력을 약화시키기 때문에 단백질이 용해되기 쉽다. 그러나 다량의 중성염을 넣으면 물이 염을 녹이는 데 사용되므로 단백질을 녹인은데 부족하게 된다. 따라서 단백질은 침전하게 되는데 이것을 염석이라한다.

중성염으로서는 황산암모늄, 염화나트륨, 황산나트륨, 탄산암모늄 등이 사용되며, 염석된 단백질 중의 무기염은 투석에 의하여 제거된다.

 

3) 염장에 의한 변성

염장법은 예부터 전해오는 식품 저장법의 하나로, 특히 어육의 저장법으로 많이 사용되고 있다. 어육은 염장 중에 단백질이 변성되어 불용성이 된다.

 

4) 염류에 의한 응고

가용성의 2가 또는 3가의 금속 이온은 단백질이 변성되어 응고하는 데 큰 영향을 미친다. 예를 들면 , 두부 제조 시 두유에 칼슘 이온이나 마그네슘염을 넣으면 응고하지만 칼륨등의 1가 이온으로는 응고하지 않는다. 3가의 알류미늄 이온은 단백질을 응고시키는 효과가 더욱 커서 과일의 설탕조림에 명반을 넣으면 알루미늄 이온이 재료 중의 단백질을 응고시켜 조릴 때 형태가 잘 유지된다.

 

5) 알코올, 아세톤에 의한 변성

단백질 수용에 유기용매인 알코올이나 아세톤을 넣으면 단백질이 변성되어 침전한다.

알코올에 의한 침전은 친수성이 강한 알코올의 탈수 작용에 의하여 단백질 분자의 수화가 적어지기 때문인 것으로 생각되며 등전점 부근에서 가장 잘 일어난다.

알코올 첨가에 의하여 우유의 침전 반응 유무를 보는 알코올 테스트는 우유의 신선도 판정에 이용된다. 이것은 우유가 변질되면 산이 증가되므로 등전점 부근의 PH로 되기 때문이다.

 

6) 기타 화학 물질에 의한 변성

수은 , 은 구리 ,철 , 납 등의 중금속은 단백질과 착화합물을 만들어 침전한다. 또한 단백질 용액에 포스포몰리브산, 탄닌산, 피크릭산, 술포살리신산, 트리클로로아세트산 등의 알칼로이드 시약을 넣으면 단백질이 침전된다. 이들은 단백질의 아미노 잔기의 극성기에 결합하기 때문이다.

효소에 의한 변성

응유효소인 레닌은 송아지 제4위에 존재하고 우유의 응고에 관여하는 효소이다. pH4.6에서 우유에 효소 레닌을 작용시키면 우유 단백질의 응고가 일어난다. 이것은 우유 단백질의 약 80%를 차지하는 수용성의 카세인이 효소 레닌에 의하여 파라카세인이 되며 우유 속의 칼슘이온과 결합하여 불용성의 칼슘 파라카세인염을 형성하기 때문이다. 이와 같이 우유 단백질의 변성에 의하여 생긴 응고물을 커드라고 하며 치즈 제조에 이용된다.