단백질(protein)의 어원은 희랍에서 '제1의 뜻'을 의미하는 프로테오스(proteose)에서 유래되었으며 탄수화물, 지방질과 함께 동·식물체의 주성분이며, 생물체의 생명 유지에 가장 중요한 성분이다. 단백질은 생리기능을 영위하는 중요한 역할을 하는 효소, 항체, 유전자 및 어떤 비타민, 호르몬 등의 주요 성분을 이루는 화합물이다. 단백질의 원소 조성은 대체로 탄소 50~55%, 수소 6~8%, 산소 20~24%, 질소 15~18%, 황 1~3%, 기타 원소가 1% 이하로 구성되어 있다. 특히, 질소의 함량은 단백질의 종류에 따라 약간의 차이는 있으나 평균 16%이다. 식품 중의 단백질 양은 단백질을 분해하여 생기는 질소의 양에 6.25~100/16)를 곱하면 조단백질(crude protein)의 함량으로 한다. 일반적으로 질소 함유량은 식물성 단백질에 조금 많고 동물성 단백질에는 적은 편이다. 단백질은 모든 세포를 구성하는 필수적인 요소로 모든 식품에 함유되어 있으나, 특히 동물성 식품에 많이 함유되어 있다. 식품 중의 단백질은 체내에서 가수 분해되어 아미노산으로 흡수되어 체조직 형성에 필요한 단백질로 다시 합성된다. 단백질을 구성하고 있는 기본 단위는 20여 종의 아미노산이다.
1. 아미노산
아미노산(amino acid)은 한 분자 내에 염기성인 아미노기(amino group, -NH2)와 산성인 카르복실기(carboxy group, -COOH)의 두 가지 특징적인 반응기가 포함되어 있는 유기화합물이다. 아미노기가 결합하고 있는 탄소의 위치에 따라 α-아미노산, β-아미노산, γ-아미노산 등으로 불리며, 일반적으로 단백질을 구성하고 있는 아미노산은 대부분이 α-아미노산이다.
1.1 아미노산의 종류
아미노산은 분자 중에 아미노기(-NH2)와 카르복실기(-COOH)를 가지고 있기 때문에 구성하고 있는 아미노기와 카르복실기의 수에 따라 중성 아미노산, 산성 아미노산, 염기성 아미노산으로 분류하고, 측쇄(side chain)인 R의 종류에 따라서 지방족 아미노산, 함황 아미노산, 방향족 아미노산, 환상 아미노산 등으로 분류한다. 순수한 아미노산은 대체로 무색의 결정을 물에는 잘 녹으며, 알코올과 같은 유기용매에는 녹기 어렵다. 그리고 분자량이 적은 저급 아미노산은 단맛이 있고, 고급 아미노산은 쓴맛과 떫은맛을 낸다. 같은 수의 아미노기(-NH2)와 카르복실기(-COOH)를 가지는 것을 중성 아미노산(neutral amino acid)이라 하며, 산성 아미노산은 카르복실기의 수가 아미노기의 수보다 많으며 음전하를 띤다. 염기성 아미노산은 아미노기의 수가 카르복실기의 수보다 많고 양전하를 띤다.
① 필수 아미노산
단백질은 구성하는 아미노산 중에 인체 내에서 거의 합성되지 않고 인체의 단백질 형성에 꼭 필요한 것으로 식품으로부터 섭취하지 않으면 안되는 아미노산을 필수 아미노산(essential amino acid)이라 한다. 따라서 식품 단백질 중의 아미노산 함량은 단백질의 영양적 가치 평가의 기준이 된다. 필수 아미노산에는 발린, 루신, 이소루신, 트레오닌, 메티오닌, 리신, 페닐알라닌, 트립토판, 히스티딘(어린이) 등이 있다.
② 제한 아미노산
단백질의 영양가는 단백질을 구성하고 있는 아미노산 중 필수 아미노산의 종류와 양에 의해 결정된다. 체단백질을 구성하는 데 잇어서 아미노산은 체내 저장 기능이 없으므로 필수 아미노산 중 어느 하나라도 필요할 때 존재하지 않으면 체단백질 합성은 일어나지 않는다. 따라서 필수 아미노산은 골고루 풍부하게 섭취하는 것이 바람직하다. 단백질의 영양가는 함유되어 있는 필수 아미노산 중에서 사람이 필요로 하는 양에 대해서 가장 부족되는 필수 아미노산에 의해 좌우된다. 이와 같은 아미노산을 제한 아미노산(limiting amino acid)이라고 한다. 대개의 경우 리신, 트립토판, 트레오닌, 메티오닌 중에서 제한 아미노산이 되는 경우가 많다.
1.2 아미노산의 성질
① 양성 전해질
아미노산은 한 분자 중에 염기성을 나타내는 아미노기(-NH2)와 산성을 나타내는 카르복실기(-COOH)를 가지고 있기 때문에 용액의 pH에 따라 산으로 또는 염기로 작용한다. 이와 같은 화합물을 양성전해질이라 한다. 전기적으로 양이온과 음이온이 분자 내에 동시에 존재하는 양전하를 갖는 양성 이온(zwitterion)을 형성하는 성질이 있다.
② 등전점
아미노산은 pH에 따라 서로 다른 전하를 띠게 된다. 산성 용액에서는 H+가 존재하므로 양이온(+) 전하를 띠며, 알칼리성 용액에서는 OH-가 존재하므로 음이온(-)의 전하를 띤다. 그러므로 아미노산은 산성 용액에서는 음극(-)으로, 알칼리성 용액에서는 양극(+)으로 이동한다. 어느 일정한 pH의 용액에서는 아미노산 중의 양이온(+)과 음이온(-)의 수가 같아서 아미노산 분자 내의 양전하와 음전하가 상쇄되어 실제 전하가 0이 되므로 어느 전극으로도 이동하지 않는다. 이때 그 용액의 pH값을 등전점(isoelectric point)이라고 한다. 아미노산의 등전점은 아미노산의 염기와 산의 수에 따라 다르다. 등전점에서 아미노산은 불안정하기 때문에 침전되기 쉽고, 용해도, 삼투압, 점도, 표면장력 등은 최소가 되고, 반대로 기포성, 흡착성, 탁도는 최대가 된다.
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