탄수화물 (carbohydrate) 은탄소 (cabon), 수소 (hydrogen), 산소 (oxygen) 세개의원소로만구성되고있으며, 질소 (nitrogen) 를함유하고있지않은것이그조성상 ( 組成上 ) 가장큰특징중의하나이다. 인류에게가장중요한에너지원이되는곡류 ( 穀類 ), 서류 ( 薯類 ) 와같은식품들중의주성분이다. 각종당류 (sugars), 전분 (starch) 들이외에도식물체의주요구성성분들의하나인셀룰로오스 ( 섬유소, cellulose) 와헤미셀룰로오스 (hemicelluloses) 들, 펙틴 (pectin) 등의조섬유 ( 組纖維 ) 성분들 (crude fibers), 그리고각종가공식품에널리사용되고있는고무질물질들 (gums) 등그종류가다양하다.
일반적으로탄수화물들은단당류와그유도체들 (derivatives) 이여러개결합된형태를갖고있다. 이당과당사이의결합은산, 알칼리효소등의작용에의해서가수분해된다. ( 단당류 ; 구조를파괴시키지않고서는분해될수없는비교적그구조가간단한당류 ) 탄수화물들은단당류의수에따라모노삭카라이드, 즉단당류 ( 單糖類, monosaccharides), 다이삭카라이드, 즉이당류 ( 二糖類, disaccharides), 올리고삭카라이드, 즉과당류 ( 寡糖類, oligosaccharides), 폴리삭카라이드, 즉다당류 ( 多糖類, polysaccharides) 등으로분류하는것이보통이다.
단당류, 즉모노삭카라이드 단당류 (monosaccharide) 란통상적으로사용되는산, 알칼리, 효소등에의한가수분해방법으로는그이상가수분해되지않는간단한구조를가진탄수화물로원칙적으로한개의카아보닐기 (a carbonyl group) 를가진폴리하이드록시알콜류 (polyhhydroxy alcohols) 라고할수있다. 자연식품류에널리분포되고있거나가공식품류에널리사용되고있는중요한단당류는대부분이탄소수가다섯개인펜토오스류 (pentoses) 와여섯개인헥소오스류 (hexoses) 에속한다.
펜토오스류펜토오스들은자연계에그대로도존재하나, 많은경우여러식물체에널리분포되고있는펜토잔류 (pentosans; 펜토즈의중합체 ) 의주요구성단위로서존재한다. 자일로오스자일로오스 (α-d-xylose, C 5 H 10 O 5 ) 는자일란 (C 5 H 8 O 4 ) 129~150 의주요구성단위며, 자일란 (xylan) 은식물체의경엽 ( 莖葉 ), 종엽 ( 種葉 ) 등에분포되고있다. 예로서, 볏짚, 밀짚, 옥수수의속대, 나무, 많은견과 ( 堅果, nuts) 와종자류의껍질등에그함량이크며, 이들을염산 (HCI) 으로가수분해할때얻을수가있다. 나무에서얻어지는당 (wood sugar) 으로도알려진이자일로오스의융점은 144~145 이며, 비교적단맛이강하다 ( 설탕의약 60% 정도 ). 이당은토룰라효모 (Torula yeast) 를제외한대부분의효모들 (yeast) 에의해서발효되지않는다. 사람에게는어떠한생리작용 (physiological action) 도없는것으로알려지고있다.
아라비노오스 아라비노오스 (β-l-arabinose) 도아라반류 (arabans) 나펙틴들 (pectins), 헤미셀룰로오스류 (hemicelluloses) 등의구성성분으로서식물체에존재한다. 융점이 160 이다. 역시단맛이있으나그단맛은설탕보다는못하고갈락토오스 (α-d-galactose) 보다는달다고한다. 효모에의해서발효되지않으며, 사람에게는어떠한생리작용도없는것으로생각되고있다.
라이보오스라이보오스 (D-ribose) 는동식물세포에존재하는핵산 (ribonucleic acid, RNA), 아데노신트리포스페이트 (adenosine triphosphate, ATP) 등의구성성분으로서핵산 (RNA) 을염산으로가수분해하여얻을수있는매우중요한펜토오스이다. 한편, 근래조미료로사용되기시작한핵산조미료 ( 5'-mononucleotides) 의성분이기도하다 ( 제 3 장식품의맛참조 ). 데옥시라이보오스데옥시라이보오스 (D-deoxyribose) 도역시동식물의세포의핵 (nuclears) 에주로존재하는핵산 (deoxynucleic acid, DNA) 의구성성분으로서중요하며, 이핵산을산으로가수분해하여얻을수있다.
유리상태즉비결합형 ( 非結合型 ) 으로있을때는피라노오스형, 한편, 여러화합물의구성단위즉결합형의상태인때는후라노오스형 (furanose form)
헥소오스류단당류중각종식품류에중에널리분포되고있음인체내에서흡수되고신진대사되는동시에맛에도큰영향을준다. 여러식품들의가공또는저장과정에서중요한역할을하는단당류의거의대부분은이헥소오스류 (hexoses) 에속한다. 탄수화물들의주요구성단위이기도하다. 포도당, 포도당 (α-d-glucose 또는 dextrose, C 6 H 12 O 6 ) 은그분자의카아보닐기 (carbonyl group) 가알데하이드기 (aldehyde group) 인헥소오스, 즉알도헥소오스들 (aldohexose) 의하나이며, 과실류에는물론서류 ( 감자류 ), 채소류등에도널리분포되고있으며동물의혈액속에도대략 0.1% 가량존재한다.
D- 포도당 (Ⅱ) 은수용액에서는탄소 5 번 (C 5 ) 의 HO- 그룹이 C 1 과결합, 동시에알데하이드그룹의이중결합이없어지고, C 1 은새로운부제탄소 (a new assymetric carbon) 가되어두개의이성체들 (diastereoisomers) 이형성된다. Haworth structure(Ⅰ) 과 (Ⅲ) 들을표시할때, Haworth structure 에서탄소 1 번의새로형성된 - OH 그룹이그평면아래에위치할때는 α-d- 포도당, 평면의위로위치할때는 β-d- 포도당이된다.
전분, 글라이코젠 (glycogen), 설탕 ( 자당, sucrose), 설탕이가수분해되어형성된전화당 (invert sugar) 등의주요구성성분이다. 섬유소 (cellulose) 는 β- 포도당 (β-d-glucose) 의중합체이며, 포도당으로된중합체라는뜻에서글루칸 (glucan), β-d- 포도당의중합체라는뜻에서 (β-glucan) 그결합양식까지포함시켜서 β-1, 4- 글루칸 (β-1, 4-glucan) 으로도불려지고있다. 전분을가수분해하여얻은포도당 (α-d-glucose) 의농후용액인물엿또는시럽 (syrup), 결정포도당 (C 6 H 12 O 6, H 2 O), 분말포도당 (C 6 H 12 O 6 ) 등은감미료 (sweetener) 로서조리상또는식품가공상중요하다.
α, β- 형의두이성체 (isomers) 가존재하며보통수용액에서결정시킨포도당은 α- 형 (α-d-glucose) 이다. α- 형과 β- 형의융점은각각 146 와 150 이며, α- 형은 β- 형 (β-d-glucose) 보다단맛이강하다. 열역학적 (thermodynamically) 으로는 α- 형이약간더안정한것으로알려져있다. 비광선도 (specific rotation) 는크게다르며 α- 형은 [α ]=+112.2, β- 형은 [α ]=+18.7 α- 형이나 β- 형의수용액을방치하여두면, α, β- 형사이에가역적인이성화 (reversible isomerization, 즉 mutarotation) 가일어나며, α, β- 형의편형혼합용액 (equilibrium mixture) 을얻는다. 20 에서의이평형용액의비선광도는 [α ]=+52.5
평형혼합용액에서의 α, β- 형의평형은일반적으로온도에의해서크게영향받지않으나, 용액의농도가커지면용액에서의평형이 α- 형쪽으로기울어지는것으로알려져있다. 따라서, 포도당용액은농도가커질수록그상대적감미도 (relative sweetness) 는커지는이치가된다. β- 형의단맛은전에언급한바와같이 α- 형의 2/3 정도로생각되고있다.
지금까지논의해온관점들과는전혀다르나, 일부의나라들, 예로서브라질 (Brazil) 이나미국등에서는비교적쉽게생산되는서류 ( 薯類 ), 사탕수수등의농작물에서얻은전분이나설탕제조시의미회수설탕분에서포도당을만든후알콜발효에의해서대량의에탄올 (ethanol) 을확보하는계획이구상되고있다. 이렇게만든에탄올을화석형연료 (fossyl-type-fuel) 의대표적인석유와소량씩혼용하여연소효율을높이거나, 어떤다른방식을통해서점차적으로석유를대체하여사용할생각을갖고있는듯하다. 즉, 이렇게만든에탄올을휘발유대신에사용할수도있을것이다. 현재로서는아직소규모로실현되고있는듯하다. 휘발유와일정량섞어서사용할경우연소 (combustion) 시의연료의산화 (oxidation) 를촉진하여폐기가스중의각종유독성불완전산화생성물들의생성량을줄여주는매우바람직한효과도있다.
과당, 과당 ( 果糖 ), 즉프럭토오스 (β-d-fructose 또는 levulose) 는그분자속의카아보닐기 (a carbonyl group) 가케토기 (keto group) 인헥소오스, 즉케토헥소오스류 (ketohexose) 의대표적인것. 여러과실또는과즙, 벌꿀 (honey) 등에단량체로존재할뿐만아니라설탕 ( 자당, sucrose), 설탕의가수분해에의해서형성된전화당 (invert sugar) 등의주요구성단위또는주성분이다. 과당은또한후술하는바와같이국화식물의구근 (tubers) 에함유된프럭탄류 (fructans) 로알려진중합체들 (polymers) 의구성단위이기도하다.
α, β- 형의이성체가존재하나, 자연에서결합상태로존재할때는언제나 β- 후라노오스형 (β-d-furanose type, 즉 β- D-fructofuranose) 으로만존재하는것으로생각되고있다. 수용액에서얻어지는과당의결정은주로 β- 피라노오스형 (β-pyranose type, 즉 β-fructopyranose) 이다. 이결정의융점은 104 이며, 그비선광도 (specfic rotation) 는 [α ] =-132.2
α - 형이나 β- 형의수용액을방치하여두면이성화 (mutarotation) 가일어나 α, β- 형의평형혼합용액 (equilibrium mixture) 을얻는다. 20 에서의이평형혼합용액의비선광도는 [α ] =-92.4 α- 형은 β- 형보다덜달며, 그단맛은 β- 형의 1/3 정도이다. 과당의 α, β- 형의평형은온도에의해서크게변동되며, 온도가상승됨에따라평형은 α- 형쪽으로크게기울어진다. 따라서과당용액의상대적감미도 ( 相對的甘味度 ) 는온도의상승과함께급격하게감소한다.
감미료로서널리사용되는포도당이나설탕, 맥아당 (maltose), 젖당 (lactose) 등과같은당류와비교할때몇가지특출한성질을갖고있다. 즉, 과당은 1. 이상의당류중에서단맛이가장강하며, 그단맛은순수하고상쾌하다 ( 제 3 장식품의맛참조 ). 2. 이상의당류중에서가장용해도 (solubility) 가크다 ( 표 5-1 참조 ). 3. 과포화 ( 過飽和, supersaturation) 되기쉽다. 4. 점도 (viscosity) 가포도당이나설탕보다작다. 5. 매우강한흡습조해성 ( 吸濕朝解性, hygroscopic property) 을갖고있다. 등이다.
글루코오스아이소머레이스 1950 년대에들어서서헥소오스류 (hexoses) 의이성화 ( 異性化, isomerization) 를가져오는아이소머레이스들 (isomerases) 의많은종류들이발견되었다. - 1957 년에는글루코오스와프럭토오스의이성화를가져오는글루코오스아이소머레이스 (glucose isomerase, E. C. 5. 3. 1. 5) 가발견되었다. - 일반적으로이효소들은맥아당이나기타의과당류 (oligosaccharides) 가존재하여도이에영향받지않고포도당의이성화를진행시키기때문에, 전분을분해하여얻은포도당용액, 즉예로서옥수수시럽 (corn syrup) 등물엿의경우에도과도한정제 ( 精製 ) 는불필요하다.
이눌린 이눌린 (inulin) 은프럭토오스 (α-d-fructose) 로구성되고있는다당류 (polysaccharides), 즉프럭탄류의하나이다. 국화식물의구근 (tubers), 특히뚱단지, 즉돼지감자 (Jerusalem artichoke) 의지하괴경에는이이눌린의함량이크기때문에프럭토오스제조원료로서그사용이시도되어왔다. 이눌린에대해서는제 8 장에서다시설명하기로한다.
실제로공업적으로응용하기위해서는소위효소고정화법 (enzyme immobilization method) 이널리시도되고있다. 고정화방법으로는가열 (heat fixation) 또는무기염처리 (treatment with inorganic salts) 에의해미생물체에고정화하는방법들 (immobilization in microbial cells) 과효소들을함유하고있는균체를일단용해 (lysis) 시킨후유리되어나오는효소들을불용성화하는지지체 ( 支持體, supporters) 들, 예로서각종이온교환수지, 다공질세라믹 (porous ceramic) 등에흡착또는반응시키는방법들 (cell- free or cellular isomerase adsorbed on insoluble matrices) 등이있다
전분분해포도당시럽, 포도당시럽에서이상과같은과정을거쳐서만든과당시럽은세계각국에서널리사용되고있으나, 특히옥수수전분분해포도당시럽, 즉옥수수시럽 (corn syrup) 을원료로만들고프럭토오스옥수수시럽 (high-fructose corn syrup, HFCS) 의소비량은미국의경우, 1978 년에이미 136 만톤 (metric ton) 에달하였다 (Antrim, R. L. et al., 1979). 1967 년에소위 42% HFCS, 즉 HFCS-42 가개발되었으며, 그후 1977 년에 55% HFCS, 즉 HFCS-55 가개발되어식품공업계의감미원료로서결정적인영향을준것으로평가되었으며 (Higley, N. A. and White, J. S., 1991), 최근에는 90% HFCS 가널리사용되고있다.
표 5-2 일부감미료의상대적감미도 (relative sweetness) 당의종류설탕 (sucrose) 포도당 (glucose) 과당 (fructose) 포도당당량 70인옥수수시럽 (70 DE corn syrup) 고분해형옥수수시럽 (high-conversion corn syrup) 정상분해형옥수수시럽 (regular-conversion corn syrup) 맥아당 (maltose) 젖당 (lactose) 90% 고프럭토오스옥수수시럽 (90% HFCS) 55% 고프럭토오스옥수수시럽 (55% HFCS) 42% 고프럭토오스옥수수시럽 (42% HFCS) 전화당 (invert sugar) 소오비톨 (sorbitol) 자일리톨 (xylitol) 상대적감미도 100 70~80 140 70~75 65 50 30~50 20 120~160 100이상 100 100이상 50 100
42% HFCS 는전체당류 (sugar) 중 42% 가과당 ( 果糖, fructose), 52% 가포도당, 나머지 6% 는과당류 ( 寡糖類, oligosaccharides) 와다당류로서, 이시럽의실제농도는보통 71% 정도라고한다. 90% HFCS 의경우전체당류의 90% 가과당, 7% 가포도당, 나머지 3% 가과당류와다당류이며, 이시럽의실제농도는 80% 정도라고한다 (Inglett, G. E. et al,, 1981).
갈락토오스 갈락토오스 (α-d-galactose) 는알도헥소오스포유동물류 ( 哺乳動物, mammals) 의젖에만존재하는젖당 (lactose), 올리고삭카라이드류 (Oligosaccharides) 에속하는멜리비오스 (melibiose), 라피노오스 (raffinose), 그리고다당류 (polysaccharides) 에속하는갈락탄 (galactan), 한천 (agar), 아라비아고무 (gum arabic) 등의구성성분으로자연에널리분포되고있다. 또한동물의뇌, 신경조직내의일부인지방질들 (phospolipids) 의구성성분으로존재하기도하며세레브로오스 (cerebrose, brain sugar) 로불려지기도한다.
만노오스 β-d- 만노오스 (β-d-mannose) 는주로만난 (mannan), 갈락토만난 (galactomannan) 과같은다당류 (polysaccharides) 의구성단위로서존재한다. 다당류인만난류 (mannans) 에서는 β-d- 만노오스 (β-dmannase) 가 β-1,4 결합으로중합하고있다. 만네이스 (β-1,4-mannase) 는만난에무작위 (random) 적으로작용하여만난 (mannan) 을올리고사가라이드류 (oligosaccharides) 로가수분해 β- 만노시데이스 (β-mannosidase) 는이와같이해서형성된올리고삭카라이드류를 β- 만노오스단위로분해
데옥시헥소오스, 즉메틸펜토오스일부당류에있어서는데옥시시라이보오스 (D-2- deoxyribose) 의경우와같이그분자내의탄소원자에달린수산기 (hydroxyl group, -0H) 가수소원자와치환된것이있다. 특히헥소오스의경우, 탄소여섯번째의수산기 (-OH) 가수소원자와치환된것은 6- 데옥시헥소오스 (6- deoxyhexose), 또는 ω- 데옥시헥소오스 (ω-deoxyhexose) 라고불려진다. 한편, 펜토오스의다섯번째탄소에달린수소가메틸기 (methyl group) 로치환된것을메틸펜토오스 (methylpentose) 라고도하며, 펜토오스로분류되는경우도있다.
람노오스 람노오스 (L-rhamnose) 는만노메틸로오스 (Lmannomethylose), 또는 6- 데옥시만노오스 (6-deoxy-Lmannose) 라고도불려지며, 전술한메틸펜토오스의대표적인예이다. 람노오스는식물체에존재하는여러배당체들 (glycosides), 의구성성분으로존재또는각종다당류의구성성분으로존재한다예로서배당체헤스페리딘 (hesperidin) 의당류인루우티노오스의구성단위
휴코오스 휴코오스 (L-fucose) 는 6- 데옥시갈락토오스 (6-deoxy- L-galactose) 라고도하며, 휴코잔류 (fucosans) 의구성단위로서갈조류 (brown algae) 의세포막, 또는트라가칸쓰고무등에존재
당알콜류펜토오스, 헥소오스들의카아보닐기 (carbonyl group) 가알콜기, 즉수산기 (alcoholic group, -OH 기 ) 로치환된폴리하이드록시알콜류 (polyhydroxy alcohols) 는당알콜류 (sugar alcohols) 로불려지고있다. 펜토오스, 헥소오스를화학적으로환원 (reduction) 하여얻을수도있으며, 일부당알콜류는식품성분들로서또는일부식물체에서구성성분들로서존재한다. 일부당알콜들은그강한단맛과섭취후체내에서의특이한작용때문에중요하다.
테트로오스의유도체 여기에속하는당알콜류로서는알도테트로오스 (aldotetrose) 인에리쓰로오스 (erythrose) 의환원체로볼수있는에리쓰리톨 (erythritol) 이있다. 융점은 121.5 이며해조류 (sea weeds), 이끼등의성분으로서존재한다.
근래에와서골격구성탄소원자의수 (the number of skeletal carbon atoms) 가네개에서여섯개까지의당알콜류, 즉에리쓰리톨 (erythritol), 리비톨 (ribitol) 과자일리톨 (xylitol), 소오비톨 (sorbitol) 과만니톨 (mannitol) 등의특이한성질들그리고이성질들을식품성분으로서이용하는연구들이점차활발해지고있다.
펜토오스의유도체 - 라이보오스 (α-d-ribose) 의유도체로볼수있는리비톨 (ribitol) 이있다. 이리비톨의융점은 102 이며, 서양복수초 (Adonis vernalis) 에존재하는사실이알려져있으며아도니톨 (adonitol) 이라고도불려진다. - 자일리톨 (xylitol) 은융점이 93~94 인당알콜로서일부특수한식물에서발견되며, 또한 D- 자일로오스 (D-xylose) 를촉매존재하에수소첨가 (catalytic hydrogenation) 하거나소듐 - 아말감 (sodium-amalgam) 으로환원시켜서얻을수가있다. 그단맛은매우강하며거의설탕과같다고한다. 이자일리톨 (xylitol) 과소오비톨 (sorbitol) 들은그단맛에도불구하고체내에서의흡수, 신진대사가일반당류보다느리고완전하지못하기때문에당뇨병환자들 (diabetics), 또는간질환환자들그리고충치예방을위한감미료로서사용되고있다.
헥소오스의유도체, - 만니톨 (D-mannitol) 은해조류, 특히갈조류 (brown algae), 또는만나나무 (manna ash) 에서얻어지는만나꿀 (manna) 의주요한성분으로존재하며, 공업적으로는포도당을특정촉매하에수소첨가 (hydrogenation) 하여얻는다. 융점은 166, 흡습성은없으며단맛은강하다. - 소오비톨 (D-sorbitol) 은많은과실류나기타의식물체들에서발견되고있다. 특히야생의서양물푸레나무 (mountain ash) 의하나인소오버스 (Sorbus aucuparia) 의열매에는건조중량으로해서 10% 가량함유되어있으며, 홍조류 ( 紅藻類, red seaweed) 의일부 (Bostrychia scorpides) 에는건조중량의대략 14% 가량함유되어있다고한다.
소오비톨은또한포도당의전기분해환원 (electrolysis), 또는촉매하의수소첨가 (catalytic hydrogenation) 에의해서도얻어진다. 융점은 91 이며, 흡습성이있으며비타민 C 합성의원료가되는당알콜이기도하다. 둘시톨 (D-dulcitol) 만나와기타의여러식물류에서얻어지는, 약간단맛을가진갈락토오스의환원체로볼수있는당알콜이다. 융점은 188 이며, 효모에의해서발효되지않는특성을갖고있다.
이노시톨환상 ( 環狀 ) 헥산 (cyclohexane) 의여섯개의구성탄소에각각결합된두개의수소들중의하나가수산기 (HOgroup) 로치환 ( 置換 ) 된것과같은구조를가진, 이노시톨 (inositol, hexahydroxycyclohexane) 은많은식물조직체들이나, 동물근육조직체들에존재하는환상당알콜 (a cyclitol) 이다. 이상의이노시톨류 (inositols) 는여러형태의결합체들로존재하는경우도많으며, 특히마이요이노시톨의경우에는여섯개의 -OH 그룹이모두인산분자들과에스터결합을한, 파이틴산 (phytic acid, inositol hexaphosphate) 또는그염류 (phytins) 의형태로존재하는경우도많다.
이노시톨 (inositol) 의 9 개의기하학적이성체들 파이틴 (phytin) 은일반적으로파이틴산 (phytic acid), 더엄밀하게는 myoinositol hexakis (dihydrogen phosphate) 의이온형태또는염류까지포함한명칭
마이요이노시톨자체는수용성이고, 비환원성인결정화합물이며, 융점은 225 내외, 단맛이있으며산, 알칼리, 열에대해서안정하다. 이마이요이노시톨은효모 (yeasts) 나쥐의성장인자 ( 成長因子, growth factor) 로도또한바이오스 Ⅰ(Bios Ⅰ) 로도알려져있다. 두류, 곡류에비교적많이함유되고있는파이틴산 (phytic acid, 표 5-3 참조 ) 은전술한바와같이메조또는마이요이노시톨의 6- 인산에스터 (myoinositol hexaphosphate) 이며, 한편파이틴 (phytin) 은이상의파이틴산의염류, 대개의경우그칼슘마그네슘또는그혼합염 (mixed salts) 이다.
밀가루, 특히정제된밀가루에서도대략 56mg% 의파이틴또는파이틴산이, 품질이좋지않은밀가루에는 214mg% 의파이틴또는파이틴산이함유되고있다는보고도있다. 한편, 곡류, 두류등섬유질함량이큰식품중에비교적많이함유되고있는파이틴산이나파이틴은그림 5-3 에서알수있듯이칼슘, 아연 (Zn), 철 (Fe) 등 2 가이온들 (divalent ions) 과매우강하게결합하는성질이있다. 실제로이파이틴또는파이틴산들은인체내에서이상의중요한 2 가이온들, 특히칼슘, 철, 아연등의이온들의생체내에서의이용도 (bioavailability) 를크게억제하여주는사실이알려져영양학적인문제가되고있다.
표 5-3 일부종자들 (seeds) 의파이틴산 (phytic acid) 의함량 종자의종류밀 (wheat) 밀의외피 (wheat bran) 밀의배아 (wheat germ) 옥수수 (corn) 옥수수의외피 (corn bran) 옥수수의배아 (corn germ) 대두 (soybeans) 대두박 (soybean flakes) 대두종피 (soybean hulls) 참깨씨 (dehulled sesame seeds) 땅콩 (peanuts) 말린완두 (dehydrated peas) 리마콩 (lima beans) 보리 (barley) 연맥 (oats) 야생종쌀 (wild rice) 해바라기씨 (sunflower seeds) 파이틴산의함량 (% w/w) 1.1 4.8 3.9 0.9 0 6.4 1.4 1.8 0.1 5.3 1.9 0.9 2.5 1.0 0.8 2.2 1.9
파이틴 (phytin) 들은 ( 그림 5-4 참조 ) 전술한대로많은식물성식품들, 특히곡류나콩류 (legumes) 에널리함유되어있다. 그러나이들식품들이조리, 가공될때는인산기 (phosphoric group) 들의일부가가수분해에의해서떨어져나간다. 또한파이틴가수분해효소파이테이스 (phytase) 에의해서도일어날수있다. 따라서, 원료인날 (raw) 식품들과조리, 가공제품들의각종금속류가인체를비롯한생체내에서의이용도 ( 生體內利用度, bioavailability) 도자연히달라질것으로생각된다.
이당류, 즉다이삭카라이드가수분해될때두개의구성단위로분해되는당류, 즉두개의단당류 (monosaccharides) 를형성하는당류는이당류, 즉다이삭카라이드류 (disaccharides) 로분류된다. 이이당류 ( 二糖類 ) 에는설탕 ( 자당, sucrose), 맥아당, 젖당을비롯하여식품의성분들로서, 또는식품가공상가장중요한몇가지당류가포함되고있다. 설탕, 즉자당설탕, 즉자당 ( 蔗糖, sucrose) 은식물계에널리분포되고있으며, 자연식품류의감미 ( 단맛 ) 의주요성분일뿐만아니라, 옛날부터벌꿀, 물엿등과함께감미료 (sweetening agent) 로서사용되어왔다.
설탕은주로사탕무, 즉첨채 (sugar beet, Beta vulgaris), 또는사탕수수 ( 甘蔗, sugar cane, Saccharum officinarum) 의즙을농축한후그농축용액에서결정화 (crystallization) 된것을정제하여얻는다. 사탕수수에서설탕을만드는방법은전술한대로일찍부터계발되어왔으나, 사탕무에서공업적인규모로설탕을만들기시작한것을 1799 년에독일의아할트 (Achard, F. K.) 가공업화에성공한이후부터이다. 사탕무의설탕함량은오랜시일에걸친품종개량의노력에의해서그함량이증가되어왔으며, 현재는대체로 13~17% 에달하고있다. 한편, 사탕수수의설탕함량은 10 내지 16% 이나, 단위면적에대한수확량은사탕수수가더크므로전체적으로는사탕수수가생산성이더높다.
설탕, 즉자당의구조보통설탕으로알려져있는자당 (sucrose, 즉 α-d-glucopyranosyl-β-dfructofuranoside, 또는 β-d-fructofuranosyl-α-dglucopyranoside) 은다음과같이포도당 (α-d-glucose) 과과당 (β-d-fructose) 이 α, β-1,2- 결합에의해서결합된구조를갖고있는이당류 (disaccharide) 이다. 이와같은사실은 α-d- 글루코오스결합 (α-glucosidic bond) 을가진기질들 (substrates) 만을선택적으로가수분해하는 α-d- 글루코시데이스 (α-d-glucosidase) 에의해서설탕은쉽게가수분해되는반면에, β-d- 프럭토오결합 (β-d-fructosidic bond) 을가진기질들만을선택적으로가수분해하는 β-d- 프럭토시데이스 (β-dfructosidase) 에의해서도쉽게가수분해되는사실로서도쉽게알수있다.
설탕 (sucrose: α-d-glucopyranosyl-β-d-fructofuranoside)
설탕의비환원당으로서의성질설탕 (sucrose) 은삭카로오스 (saccharose) 라고도불려지며융점이과거에는 160 에서 186 의온도로여러연구자들에의해서보고되어왔으나많은학자들은 184~185 로생각하고있다. 산, 알칼리, 효모들 (yeasts) 에서얻어지는효소인버테이스 (invertase) 등에의해서쉽게가수분해되어포도당 (α-d-glucose) 과과당 (β-d-fructose) 의혼합물이된다.
설탕의경우에각각의구성당의특성을나타내는카아보닐기들 (carbonyl groups) 을통해서결합되어있기때문에유리된기능기 ( 機能基, free functional group) 가없다. 따라서, 1. 환원력 (reducing power) 이없으며, 펠링용액 (Fehling solution) 을환원하는성질도없는소위비환원당 ( 非還元糖, non-reducing sugar) 이며, 2. 유리된카아보닐기를분자내에갖고있지않기때문에페닐하이드라진 (phenylhydrazine), 세미카아바자이드 (semicarbazide), 하이드록실아민 (hydroxylamine), 세미카아바죤 (semicarbazone), 옥사임 (oxime) 등의유도체를형성하지않으며, 3. 역시유리된카아보닐기가없기때문에 α, β- 형의이성체 (isomers) 가존재하지않으며, 따라서이성화 ( 異性化, mutarotation) 도되지않는다.
설탕의전화와전화당설탕은전술한대로묽은산, 알칼리, 또는효소인버테이스 (invertase) 의작용에의해서포도당과과당으로가수분해된다. 이때설탕의선광성 ( 旋光性 ) 은우선성에서좌선성으로반전 ( 反轉, invert) 되기때문에이설탕의가수분해과정을전화 ( 轉化, inversion) 라고하며, 이렇게형성된포도당과과당의혼합물은전화당 ( 轉化糖, invert sugar) 이라고한다. 설탕포도당과당 (+66.5 ) (+52.5 ) (-92.0 ) 다른한종류의설탕가수분해효소들중에서가장오래전부터알려져왔으며, 널리식품산업계, 특히양조업계서사용된효소로서는보리엿기름 ( 麥芽, malt) 에존재하는종전에말테이스 (maltase) 등의이름으로알려져온 α-d- 글루코시데이스 (α-d-glucosidase, E. C. 3.2.1.20) 가있다.
전화당설탕의산, 알칼리, 효소들의가수분해에의해서형성된포도당과과당의혼합물을전화당 (invert sugar) 이라고부르는사실에대해서는이미언급한바있다. 설탕의가수분해는비교적쉽게이루어지므로식품에원래존재하거나첨가하여주었던설탕성분은가열조리, 가공등의과정에의해서그일부가전화당으로분해되어존재할것으로생각된다. 전화당의물리적, 화학적성질은물론설탕과다르며 ( 예, 설탕은비환원당이며, 전화당은환원당의혼합물이다 ), 또그단맛도다르다.
일반적으로순수한설탕보다는그중의일부가가수분해되어전화당으로존재할때, 전체의용해도는순수한설탕만의용해도보다크다. 예로서, 0 에서는설탕의최대용해도 (maximum solubility), 즉용액내의설탕의최대 % 함량은 64% 이며, 한편설탕중의 58% 가전화된당의혼합용액에서의그혼합물의최고용해도는 73% 가된다. 한편, 40 에서설탕의용해도는상당량의유기산을함유하고있으므로과실과설탕을함께장기간가열하여만든식품, 예로서잼 (jam) 등에있어서는그중의일부설탕은언제나전화당으로되어있다고생각해야할것이다.
이와같은식품에서설탕의일부가전화 (inversion) 된다는사실은어떤면에서는유익하다. 즉, 보통잼이나이와유사한식품에서는최하 65%, 최고 70%, 보통 67.5% 의설탕이함유되고있으나 (Desrosier, N. W., 1970), 이와같은잼의저장온도가 0 가될경우에는그속의설탕이전혀전화되어있지않다면, 0 에서의설탕의최고용해도, 즉용액내의설탕의최고 % 함량은 64% 이므로이속의설탕이과포화 (supersaturation) 상태에있는잼이며, 따라서일부의과잉상태의설탕이결정화되어석출 ( 析出 ) 될수가있다. 이와같은설탕의석출이바람직하지않음은물론이다. 그러나, 그중의설탕의 58% 가전화되어있다면, 이설탕과전화당의혼합물의 0 에서의최고 % 함량은 73% 이므로설탕은석출되지않는다.
설탕, 전화당, 일부가전화당이된혼합당의여러온도에서의용해도.
일부대표적인당의용해도와상대적감미도, 즉단맛의비교식품중에널리존재하며, 또조리또는가공등에널리사용되고있는당류로서는설탕, 맥아당, 젖당, 포도당, 과당등이있으며, 이당류의실온 (room temperature) 부근에서의용해도는전술한표 5-1( 본문 p351) 과같다. 즉, 용해도의크기는과당 설탕 포도당 맥아당 젖당의순서이며, 이순서는감미도, 즉단맛크기의순서와일치된다
표 5-4 여러가지당류의설탕 (sucrose=100) 을기준으로할때의상대적감미도 연구자들당의이름 Biester, A. M., Eood, W and Whalin, C. S(192 5) Sale, J. W. and Skinner, W. W.(19 22) Paul, T.(1921 ) 과당 (fructose) 설탕 (sucrose) 173.3 150 103 포도당 (glucose 100.0 100 100 ) 74.3 50 52 맥아당 (maltose) 32.5 60 - 젖당 (lactose) 16.0-28 전화당 (invert su - 85 - gar)
설탕의가열에의한변화, 캬라멜화 보통시중에서판매되고있는설탕의순도 (purity) 는 94.5% 에서 99.94%, 대체로 160~186 에서녹기시작한다. 계속온도를높이면서가열하면용융된액체상설탕에서는캬라멜화 (caramelization) 가일어나며, 200 이상의온도까지계속가열하면탈수반응 (dehydration reaction) 에의해서탄화 (carbonization) 가일어난다. 여기서다루고있는캬라멜화는당류의용융후의화학적변화들을주로다루고있으며, 제 11 장에서는당류의수용액의여러온도, 여러 ph 등에서의화학적변화들과, 그갈색화의반응기구, 가공식품들을포함한각종식품류의품질에대한영향, 인체에대한영향, 그억제방법들을다루고있다는점이다.
샬렌버어거들 (Shallenberger, R. S. and Birch, G. G., 1975; Shallenberger, R. S., 1993 참조 ) 에의하면설탕의결정 (crystalline sucrose) 을 200 에서계속유지할때는설탕의캬라멜화반응 (caramelization) 은네단계를거쳐서진행되며, 이와동일한변화는결정포도당이나과당 (crystalline glucose or fructose) 의경우에도일어난다고한다. 즉, 1. 아이소삭크로산형성단계이첫단계는대략 30 분정도 (200 에서 ) 지속되는거품의발생 (forming) 을동반하는흡열과정 ( 吸熱過程, endothermic process) 으로서설탕 1 분자에서물 1 분자가제거된구조를가진아이소삭크로산류 (isosacchrosans) 가형성되는단계로생각되고있다. 이아이소삭크로산은단맛은없으며, 약간의쓴맛을갖고있다고한다.
2. 캬라멜란형성단계이둘째단계는거품의재발생 ( r e - f o r m i n g ) 을동반하는흡열과정으로서설탕 2 분자에서물 4 분자가탈수하여형성되는갈색색소캬라멜란류 (caramelans) 가형성된다고한다. 이캬라멜란은물, 에탄올에잘녹으며, 쓴맛을갖고있다. 3. 캬라멜렌형성단계이셋째단계도역시거품의재발생을동반하는흡열과정으로서, 캬라멜란은대략 3 분자의설탕분자들에서 8 분자의물분자들이탈수된것과같은분자구성을하고있으며, 물에만녹는갈색색소이다. 4. 휴민형성단계가열이계속될때는가열된물질들의탄화 ( 炭化, carbonization) 가계속되어, 색깔은갈색에서점차짙어져, 결국흑갈색의불용성 (insoluble) 고분자화합물들인캬라멜린류 (caramelins), 즉휴민류 (humins) 가형성된다. 이흑갈색의고분자화합물들의분자량이나구조에대해서는아직확실히알려져있지않으나, 일부연구자들은이들화합물들의한분자식으로 C 125 H1 88 O 80 ( 분자량 2968) 을제시하고있다.
설탕자체뿐만아니라그용액을그대로또는산, 알칼리, 특히알칼리존재하에서강하게가열할때는용융된액상설탕또는설탕용액의색깔은갈색 (brown color) 으로변하여, 쓴맛 (bitter taste) 과코를찌르는매운냄새 (acrid, pungent smell) 를갖게된다. 이상의변화도보통설탕의캬라멜화로알려져있다. 설탕의캬라멜화에서얻어진물질은캬라멜 (caramel) 로알려져있으며, 그짙은갈색때문에간장과같은갈색, 또는크림색 (cream color) 을가진식품들에대한착색제 (coloring material) 로서널리사용되어왔다. 미국식품및의약품관리국 (Food and Drug Administration, U.S.A) 에서는이캬라멜을 당의부분적인분해로얻어지는갈색또는크림색의착색제 라고정의하고있다. 이것은설탕을냄비에넣고소량의물과캬라멜화를촉진시키기위해서소량의중조 (sodium bicarbonate, NaHCO 3 ) 와같은알칼리염을가하여가열함으로써얻어진다.
맥아당, 즉말토오스맥아당, 즉말토오스 (maltose) 는전분의구성단위이기도하며, 따라서전분분해당, 즉물엿 ( 예옥수수시럽, corn syrup) 또는일반자연식품이나가공식품류등에도널리함유되고있으나, 엿기름 (malt) 이나기타발아중의곡류 (germinating cereals) 에도그함량이비교적많다. 맥아당의구조이맥아당은 α- 포도당 (α-d-glucose) 과 α- 또는 β-d- 포도당 (β-d-glucose) 두분자가 α-1,4- 결합 (α-1,4-glucosidic linkage) 을통해서결합된이당류 (disaccharides) 의하나로 β- 형과 α- 형의두형태로존재한다. 환원당으로효모에의해서발효되며공업적으로는전분을가수분해하여얻는다.
젖당, 즉락토오스젖당, 즉락토오스 (α-d-lactose, 4-O-β-D-galactopyranosyl-α-Dglucopyranoside) 는오직포유동물 (mammals) 의젖에만존재하며, 식물계에는존재하지않는다. 따라서, 유당 ( 乳糖, milk sugar) 으로도불려진다. 모유에는대체로 6.7%, 우유에는 4.5% 가량함유되어있는것으로믿어지고있다. 공업적으로는치즈 (cheese) 제조에사용하다남은여액 (fitrate), 즉유장 ( 乳漿, whey) 에서결정 ( 結晶 ) 으로얻어진다. 젖당은보통효모들 ( 酵母, yeasts) 에의해서발효되지않는다.
젠티오비오스젠티오비오스 (β-d-gentiobiose, 6-O-β-glucopyranosyl-β-Dglucopyranoside) 는삼당류인젠티아노오스 (gentianose), 또는배당체 (glycosides) 의하나인아미그달린 (amygdalin) 의구성단위이기도하기때문에아미그달로오스 (amygdalose) 라고불려지기도한다. 전분의가수분해과정에서맥아당 (maltose) 과함께소량이형성되기도한다. 이는전분이가수분해되어포도당이되는과정에서, 포도당의농도가커짐에따라부반응들 (side reactions) 의하나로서포도당에서역생성 ( 逆生成 ) 되는것으로알려져있다.
젠티오비오스의유도체 : 아미그달린 산 (acid) 등으로가수분해할때당류 (sugars) 와당이아닌성분을형성하는물질들을배당체 ( 配糖體, glycosides) 라고하며, 당이아닌성분은아글리콘 (aglycone) 이라고한다. 고편도또는복숭아, 살구등의쓴맛성분인아미그달린 (amygdalin) 은 β-d- 젠티오비오스 (β-d-gentiobiose) 와만델로나이트릴 (L-mandelonitrile) 로구성된배당체 - 복숭아, 살구등의씨에도존재하는사실이알려져있다. - 아미그달린은효소에의해젠티오비오스와만델로나이트릴로분해되어독성성분인시안산을유리하게된다.
아미그달린은효소자이메이스의작용에의해서포도당과만델로나이트릴글루코사이드 (L-mandelonitrile glucoside), 즉프루나신 (prunasin) 으로분해된다. 프루나신은효소에멀신 (emulsin) 에의해서다시포도당과만델로나이트릴 (Lmandelonitrile) 로가수분해된다. 아미그달린에멀신을직접작용시켰을때는젠티오비오스와만델로나이트릴형성.
만델로나이트릴은벤즈알데하이드시아노하이드린 (benzaldehyde cyanohydrin) 이라고도불려지며, 벤즈알데하이드와시안산 (cyanic acid, HCN) 이결합하여형성된것이다. 따라서가수분해될때는시안산을유리 ( 游離 ) 하게된다. 만델로나이트릴의독성은실험쥐에대해서피하주사 ( 皮下注射 ) 의경우치사량 (lethal dose) 이 6mg/kg 정도로알려져있다. 고편도의경우, 그속에함유된아미그달린에의한시안산의함량이비교적큰것으로 (HCN, 250mg/100g 정도 ) 알려져있다 ( 제 17 장식품속의독성물질들중시안배당체 p.1055 참조 ).
아이소말토오스아이소말토오스는아밀로펙틴 ( a m y l o p e c t i n ), 글라이코젠 (glycogen), 덱스트란 (dextrans) 등에구성단위 (a structural unit) 로서함유된사실이알려져있다. 비결합상태로는자연에존재하지않는다고한다. 말토오스 (α-d-maltose) 의위치이성체젠티오비오스의경우와마찬가지로전분의가수분해로얻어진물엿 (syrup) 등에서가수분해과정의부산물 (by-products) 또는역생성물의하나로서도존재한다. 즉, 전분의최종가수분해생성물인포도당농축용액에서소량역생성되기도한다.
멜리비오스멜리비오스주로트리삭카라이드 ( t r i s a c c h a r i d e ) 인라피노오스 (raffinose) 의구성단위로서자연에존재한다.
트레할로오스트레할로오스는두분자의 α- 포도당이 α-1,1- 결합으로연결되어있기때문에, 즉서로의기능기 (functional group) 를통해서연결되어있기때문에환원성 ( 還元性 ) 은없다. 이트레할로오스는주로효모, 곰팡이 (fungi), 버섯류 (mushrooms) 등에단량체로널리존재하기때문에버섯에서얻은당 (mushroom sugar) 이라고도불려진다.
셀로비오스셀로비오스는자연에유리상태로존재하는일은없으며, 셀룰로오스, 즉섬유소 (cellulose) 등의구성단위
과당류, 즉올리고삭카라이드류일반적으로 3 개이상 5,6 개의단당류, 즉모노삭카라이드들 (monosaccharides) 로구성된당류를과당류 ( 寡糖類 ), 즉올리고삭카라이드류 (oligosaccharides) 라고부른다. 그러나가수분해되었을때형성되는단당류의수에대해서어떤엄밀한제한이있는것은아니다. 자연에존재하는, 특히식품류중에분포되어있는올리고삭카라이드류의수효는많지도않으며, 그구성단위가되는단당류의종류도주로 D- 포도당, D- 갈락토오스, D- 과당의세종류이며, 대표적인과당류로서는다음과같은것이있다. 젠티아노오스젠티오비오스 (gentiobiose) 의포도당기 (α-d-glucoseresidue) 의 1 번탄소에과당 (β-d-fructose) 이 α, β-1,2- 결합 (α, β-1,2-glycosidic linkage) 으로결합한구조를가지고있다 ( 그림 5-6 참조 ). 비환원성당젠티오비오스는전술한대로쓴맛을가진이당류이다.
인버테이스 (yeast invertase), 삭카레이스 (saccharase), 슈크레이스 (sucrase) 등은젠티아노오스를가수분해하여젠티오비오스 (αgentibiose) 와 β- 프럭토오스 ( 果糖, β-fructose) 를형성한다. 젠티오비오스 젠티아노오스 β- 프럭토오스.
라피노오스라피노오스 (raffinose) 는각종식물의종자들, 뿌리와지하줄기들 (underground stems) 에광범위하게분포되어있으며, 특히콩과식물의종자들 (seeds of legumes) 의경우그함량이높다.
예로서대두의경우, 5~7% 의당류를함유하고있으나, 이중보통설탕이 4.0~3.5%, 라피노오스 0.4~1.0%, 후술하는스타키오스가 1.2~2.5%, 그리고 0.1% 내외의환원당등으로구성되어있다. 라피노오스의구조는설탕의포도당기 (glucose residue) 의 6 번의탄소에갈락토오스 (α-d-galactose) 가 α-1,6- 결합으로결합된구조를갖고있으며환원성이없다. 즉효모인버테이스 (yeast invertase) 와같은 β- 프럭토시데이스 (βfructosidase) 에의해서가수분해되어멜리비오스 (melibiosde) 와과당으로된다. 효모에의한라피노오스의가수분해과정은그림 5-8 과같다.
라피노오스의구조와효모에의한가수분해생성물들 ; 위그림의상단에표시한삼당류 ( 三糖類 ) 가바로라피노오스이다.
스타키오스스타키오스 (stachyose) 의출처도전술한대로라피노오스의경우와유사하며특히면실 (cotton seeds) 과대두 (soybean) 등의콩과식물종자들에그함량이비교적많다. 라피노오스 (raffinose) 의유도체 ; 라피노오스의갈락토오스 (galactose residue) 의 6 번탄소에또하나의갈락토오스 (α-d-galactose) 가 α-1,6- 결합 (α-1,6-glycosidic linkage) 을통해서결합한구조를갖고있다. 비환원성당
이스타키오스는전술한바있는라피노오스와함께대두와같은두류에상당량함유되어있으며, 인체내에서는이들과당류는잘소화, 흡수되지않는반면에장내 ( 腸內 ) 특히, 대장 (colon) 내에기생하고있는대장균들 ( 예로서 Clostridium perfringens) 에의해서발효되어가스가발생하는사실이오래전부터알려져왔다. 즉, 이와같은대장내에서의일부대장균들은라피노오스, 스타키오스등을발효하여장내가스의형성 (gas production) 과장에가스가참 (flatulence), 복통 (cramping pains), 복명 (borborygmus) 등을가져오는사실들이널리알려져왔다. 따라서대두를비롯한두류를이용한가공식품들을제조하기앞서이상의과당류를제거하는방법을개발하는데많은관심이모아지고있다.