효소에 관하여
- 맥아의 효소
맥주의 주된 재료 중 효소반응에 관여하는 것은 맥아와 효모이다. 맥아는 습기가 있는 곡물로서 제어된 조건하에서 발아가 된 형태인데, 발아 과정 중에 많은 효소가 생산되거나 방출된다. 맥아는 보리에 함유되어 있는 전분, 단백질 등의 고분자유기화합물을 효모가 이용할 수 있는 형태로 전환시킬 수 있는 효소를 생산함으로써 맥주의 품질에 절대적 영향을 미치는 중요한 재료라고 할 수 있다.
맥아의 발아 초기에 일부 효소에 의한 가수분해가 일어나는데, phytase에 의한 phytin의 가수분해 결과 생성되는 phosphate와 금속 무기질은 발효 중의 효모의 대사에 중요한 무기질 영양분이 된다.
또한 hemicellulase는 보리 내배유 세포벽의 주된 구성분인 (1→3), (1→4)-β-D-glucan 형태의 hemicellulose를 분해하여, 원래보다 구조가 덜 단단하게 변형된 맥아를 생산하게 하여, 양조시에 비교적 쉽게 이용될 수 있는 형태의 수용성 성분이 용출되도록 한다.
한편 다양한 protease도 생산되어 곡물의 단백질을 분해하는데, hordein같은 불용성 저장단백질은 서서히 거대 수용성 peptide, 작은 peptide, 아미노산으로 전환된다. 거대 peptide는 양조시 단백질의 공급원으로 중요하며, 맥주의 거품 형성에 이용된다. 잘게 분해된 peptide나 아미노산은 발효 동안에 효모의 질소원으로서 중요하다. 발아 동안에 생성된 α-amylase는 전분을 제한적으로 분해하고, β-amylase는 발아 동안에 단백질 가수분해 효소의 작용에 의해 방출되지만 자연 전분 입자에 대해서는 작용하지 않는다.
맥아를 이용한 담금공정에서의 효소 반응을 예로서 Pale 맥아만으로 Pilsner형태의 맥주를 생산하는 경우를 보면, 이 담금 과정에는 세 단계의 온도 조절을 한다. 시작 단계는 단백질 분해과정 (proteolysis)이라고 하는데, 그 이름에서 말하는 것처럼 이 단계의 가장 중요한 기능은 맥아 내에 존재하는 불용성 단백질을 분해하여 다양한 분자량을 가진 peptide와 유리 아미노산으로 수용화시키는 것이다. 이때의 온도는 40℃에서 최고 52℃까지 다양하며, 시간은 15분에서 1시간까지가 소요된다. 이 과정에는 맥아에서 생산된 endopeptidase와 carboxypeptidase가 관여하는데, 효소의 온도 안정성 측면에서는 endopeptidase가 50℃까지 안정한 반면에 carboxypeptidase는 55℃까지 안정하다.
한편 맥아의 aminopeptidase는 열불안정성이어서 맥아즙에서는 활성이 거의 없다. 이들 효소의 수용성 질소 생산물은 맥주거품 형성과 효모성장에 중요하다. 상당량의 수용성 질소 성분은 발아동안에 형성되며, 맥아즙에서의 전체 질소 중의 단지 약 3분의1이 이 단계에서 방출된다. 간혹 담금 공정 중에 β-glucanase나 phytase를 첨가할 때가 있는데, 이들 효소들은 단백질 가수분해 효소보다 더 열에 불안정하므로 이때는 40℃ 정도의 낮은 온도에서 공정을 진행하여야 한다. 20세기 초까지의 보리 품종은 효소 생산 능력을 크게 가지지 못하여 낮은 온도와 긴 담금 공정이 일반적이었으나 현재에는 보리 품종이 개선되어 예전보다 담금 공정이 신속하게 이루어지고 있다.
단백질 가수분해 과정 후에는 아직 맥아의 전분이 완전한 형태로 남아 있는데, 그 이유는 맥아가 아직 젤라틴화되지 않아 자연적인 형태의 전분이 효소에 의해 쉽게 가수분해되지 않기 때문이다. 당화단계에서 맥아의 전분은 60℃에서 젤라틴화되고, 젤라틴화된 전분은 맥아 내에 존재하는 α-amylase와 β-amylase에 의해 빠르게 분해된다. 당화온도에서 β-amylase는 활성화되어 발효가능한 maltose를 생성하며, α-amylase는 발효가능한 glucose와 maltotriose, 그리고 비발효성의 dextrin을 생성한다. 당화단계는 일반적으로 30분 정도이며, 맥아 전분의 젤라틴화를 위한 60℃ 이상의 온도에서 β-amylase는 매우 불안정하여 65℃에서는 당화하는 동안에 30분 이내에 대부분 불활성화되며, α-amylase 또한 불활성화된다. 당화단계는 젤라틴화를 위한 높은 온도를 필요로 하고 효소활성을 보존하기 위해 낮은 온도를 필요로 하는 절충 단계라고 말할 수 있다. 따라서 맥아 내의 중요한 α-amylase의 활성을 유지하면서 가능한 한 온도를 높이게 되는 절충온도의 선택이 필요하다.
맥아즙 내의 복잡한 인자를 이해하고 효소 반응의 속도를 예측하기 위해서는 맥아 내부에 존재하는 효소, 수용화되는데 필요한 시간, 그리고 기질에 작용할 수 있는 시간을 알아야 한다. 양조업자들의 경험으로는 63℃가 발효성 당을 형성하기에 최적 온도라고 제안하고 있다. 담금 공정의 온도를 조절하여 맥아즙 내의 발효성당의 함량이 맥아 효소를 사용하는 전체 용해된 고형물의 약 50%에서 75% 까지 변화를 줄 수 있다. 이 범위는 알코올 함량을 다르게 포함시킬 수 있다. 대부분의 맥주는 65%에서 70%의 발효성당을 가진 맥아즙으로부터 발효된다. 맥아 내에 미리 형성된 몇몇 당은 맥아즙 내의 발효성당의 함량을 감소시키는 것을 어렵게 한다. 그러므로 매우 낮은 알코올 함량을 가진 맥주를 만든다.
- 효모의 알콜발효관련 효소
효모는 단세포 진핵생물로서 맥아의 효소에 의해 전환된 당을 이용하여 알콜과 탄산가스를 생산한다. 물론 효모는 자신의 생명을 유지시켜 나가기 위하여 에너지를 생산하는 과정이지만 인간은 이를 이용하여 주류를 생산하고 있다.
포도당의 생화학적 대사과정을 보면, 먼저 해당과정(glycolysis)을 거쳐 두 분자의 pyruvate로 전환된 후, 호기적인 상태에서는 TCA회로를 거쳐 탄산가스와 물로 분해되고, 혐기적 조건에서는 젖산발효나 알콜발효를 거친다. 맥주 제조에 이용되는 효모의 경우 pyruvate로부터 에탄올과 탄산가스를 생산하는 알콜발효를 거치는데, 포도당으로부터 알콜을 생산하는 최종단계까지의 반응은 아래와 같다.
C6H12O6 → 2 CH3CH2OH + 2 CO2
포도당이 pyruvate로 전환되는 해당과정에는 10개의 효소가 관여하는데, 이는 hexokinase, phosphoglucomutase, 6-phosphofructokinase, aldolase, triosephospate isomerase, glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase, phosphoglycerate kinase, phosphoglycerate mutase, enolase, pyruvate kinase이다. Pyruvate로부터 알콜이 생산되는데에는 pyruvate decarboxylase가 관여한다. 또한 효모에는 맥주의 향미 성분의 생성에 관여하는 효소도 존재하는데, 여기에는 pyruvate dehydrogenase complex, 다양한 aminotransferase, ester synthetase 등이 관여한다.
- 맥아의 효소
맥주의 주된 재료 중 효소반응에 관여하는 것은 맥아와 효모이다. 맥아는 습기가 있는 곡물로서 제어된 조건하에서 발아가 된 형태인데, 발아 과정 중에 많은 효소가 생산되거나 방출된다. 맥아는 보리에 함유되어 있는 전분, 단백질 등의 고분자유기화합물을 효모가 이용할 수 있는 형태로 전환시킬 수 있는 효소를 생산함으로써 맥주의 품질에 절대적 영향을 미치는 중요한 재료라고 할 수 있다.
맥아의 발아 초기에 일부 효소에 의한 가수분해가 일어나는데, phytase에 의한 phytin의 가수분해 결과 생성되는 phosphate와 금속 무기질은 발효 중의 효모의 대사에 중요한 무기질 영양분이 된다.
또한 hemicellulase는 보리 내배유 세포벽의 주된 구성분인 (1→3), (1→4)-β-D-glucan 형태의 hemicellulose를 분해하여, 원래보다 구조가 덜 단단하게 변형된 맥아를 생산하게 하여, 양조시에 비교적 쉽게 이용될 수 있는 형태의 수용성 성분이 용출되도록 한다.
한편 다양한 protease도 생산되어 곡물의 단백질을 분해하는데, hordein같은 불용성 저장단백질은 서서히 거대 수용성 peptide, 작은 peptide, 아미노산으로 전환된다. 거대 peptide는 양조시 단백질의 공급원으로 중요하며, 맥주의 거품 형성에 이용된다. 잘게 분해된 peptide나 아미노산은 발효 동안에 효모의 질소원으로서 중요하다. 발아 동안에 생성된 α-amylase는 전분을 제한적으로 분해하고, β-amylase는 발아 동안에 단백질 가수분해 효소의 작용에 의해 방출되지만 자연 전분 입자에 대해서는 작용하지 않는다.
맥아를 이용한 담금공정에서의 효소 반응을 예로서 Pale 맥아만으로 Pilsner형태의 맥주를 생산하는 경우를 보면, 이 담금 과정에는 세 단계의 온도 조절을 한다. 시작 단계는 단백질 분해과정 (proteolysis)이라고 하는데, 그 이름에서 말하는 것처럼 이 단계의 가장 중요한 기능은 맥아 내에 존재하는 불용성 단백질을 분해하여 다양한 분자량을 가진 peptide와 유리 아미노산으로 수용화시키는 것이다. 이때의 온도는 40℃에서 최고 52℃까지 다양하며, 시간은 15분에서 1시간까지가 소요된다. 이 과정에는 맥아에서 생산된 endopeptidase와 carboxypeptidase가 관여하는데, 효소의 온도 안정성 측면에서는 endopeptidase가 50℃까지 안정한 반면에 carboxypeptidase는 55℃까지 안정하다.
한편 맥아의 aminopeptidase는 열불안정성이어서 맥아즙에서는 활성이 거의 없다. 이들 효소의 수용성 질소 생산물은 맥주거품 형성과 효모성장에 중요하다. 상당량의 수용성 질소 성분은 발아동안에 형성되며, 맥아즙에서의 전체 질소 중의 단지 약 3분의1이 이 단계에서 방출된다. 간혹 담금 공정 중에 β-glucanase나 phytase를 첨가할 때가 있는데, 이들 효소들은 단백질 가수분해 효소보다 더 열에 불안정하므로 이때는 40℃ 정도의 낮은 온도에서 공정을 진행하여야 한다. 20세기 초까지의 보리 품종은 효소 생산 능력을 크게 가지지 못하여 낮은 온도와 긴 담금 공정이 일반적이었으나 현재에는 보리 품종이 개선되어 예전보다 담금 공정이 신속하게 이루어지고 있다.
단백질 가수분해 과정 후에는 아직 맥아의 전분이 완전한 형태로 남아 있는데, 그 이유는 맥아가 아직 젤라틴화되지 않아 자연적인 형태의 전분이 효소에 의해 쉽게 가수분해되지 않기 때문이다. 당화단계에서 맥아의 전분은 60℃에서 젤라틴화되고, 젤라틴화된 전분은 맥아 내에 존재하는 α-amylase와 β-amylase에 의해 빠르게 분해된다. 당화온도에서 β-amylase는 활성화되어 발효가능한 maltose를 생성하며, α-amylase는 발효가능한 glucose와 maltotriose, 그리고 비발효성의 dextrin을 생성한다. 당화단계는 일반적으로 30분 정도이며, 맥아 전분의 젤라틴화를 위한 60℃ 이상의 온도에서 β-amylase는 매우 불안정하여 65℃에서는 당화하는 동안에 30분 이내에 대부분 불활성화되며, α-amylase 또한 불활성화된다. 당화단계는 젤라틴화를 위한 높은 온도를 필요로 하고 효소활성을 보존하기 위해 낮은 온도를 필요로 하는 절충 단계라고 말할 수 있다. 따라서 맥아 내의 중요한 α-amylase의 활성을 유지하면서 가능한 한 온도를 높이게 되는 절충온도의 선택이 필요하다.
맥아즙 내의 복잡한 인자를 이해하고 효소 반응의 속도를 예측하기 위해서는 맥아 내부에 존재하는 효소, 수용화되는데 필요한 시간, 그리고 기질에 작용할 수 있는 시간을 알아야 한다. 양조업자들의 경험으로는 63℃가 발효성 당을 형성하기에 최적 온도라고 제안하고 있다. 담금 공정의 온도를 조절하여 맥아즙 내의 발효성당의 함량이 맥아 효소를 사용하는 전체 용해된 고형물의 약 50%에서 75% 까지 변화를 줄 수 있다. 이 범위는 알코올 함량을 다르게 포함시킬 수 있다. 대부분의 맥주는 65%에서 70%의 발효성당을 가진 맥아즙으로부터 발효된다. 맥아 내에 미리 형성된 몇몇 당은 맥아즙 내의 발효성당의 함량을 감소시키는 것을 어렵게 한다. 그러므로 매우 낮은 알코올 함량을 가진 맥주를 만든다.
- 효모의 알콜발효관련 효소
효모는 단세포 진핵생물로서 맥아의 효소에 의해 전환된 당을 이용하여 알콜과 탄산가스를 생산한다. 물론 효모는 자신의 생명을 유지시켜 나가기 위하여 에너지를 생산하는 과정이지만 인간은 이를 이용하여 주류를 생산하고 있다.
포도당의 생화학적 대사과정을 보면, 먼저 해당과정(glycolysis)을 거쳐 두 분자의 pyruvate로 전환된 후, 호기적인 상태에서는 TCA회로를 거쳐 탄산가스와 물로 분해되고, 혐기적 조건에서는 젖산발효나 알콜발효를 거친다. 맥주 제조에 이용되는 효모의 경우 pyruvate로부터 에탄올과 탄산가스를 생산하는 알콜발효를 거치는데, 포도당으로부터 알콜을 생산하는 최종단계까지의 반응은 아래와 같다.
C6H12O6 → 2 CH3CH2OH + 2 CO2
포도당이 pyruvate로 전환되는 해당과정에는 10개의 효소가 관여하는데, 이는 hexokinase, phosphoglucomutase, 6-phosphofructokinase, aldolase, triosephospate isomerase, glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase, phosphoglycerate kinase, phosphoglycerate mutase, enolase, pyruvate kinase이다. Pyruvate로부터 알콜이 생산되는데에는 pyruvate decarboxylase가 관여한다. 또한 효모에는 맥주의 향미 성분의 생성에 관여하는 효소도 존재하는데, 여기에는 pyruvate dehydrogenase complex, 다양한 aminotransferase, ester synthetase 등이 관여한다.
다음검색