전분

1. 전분

전분(startch)은 대표적인 식물성 저장 탄수화물로 포도당 수백, 수천 개가 중합된 것이며 녹색식물의 잎에서 엽록소로부터 공기 중의 이산화탄소와 흙의 수분을 이용하여 태양에너지를 흡수하는 광합성으로 만들어져 종자나 뿌리 등에서 에너지원으로 저장된다.

 

① 전분의 성질

전분은 맛과 냄새가 없으며 흰색 입자 형태로 물에 녹지 않고 물보다 비중이 커(1.65) 물에서 백색 침전으로 가라앉으며 요오드를 가하면 청색을 띤다. 전분은 물과 함께 가열하면 팽윤 하고, 60~70℃에서 호화되어 투명해지며 점착성을 갖게 된다. 전분은 녹말이라고도 하고 곡류나 감자류 등에 저장되어 있으며, 식물의 종류에 따라 그 모양과 크기가 다르다.

 

② 전분의 분자구조

 전분은 수만은 포도당이 다수 결합된 것이며 분자식은 (C6H10O5)으로 표시된다. 전분은 포도당이 𝛂(알파)-1,4 결합으로 연결된 아밀로오스(amylose)와 아밀로오스 사슬 군데군데에 𝛂-1,6 결합에 의해 가지가 달리는 아밀로펙틴(amylopectin)으로 구성되며 서로 다른 특성을 가진다. 대부분 전분립은 아밀로오스와 아밀로펙틴의 함량 비율이 20:80 정도로 구성되어 있으나 찹쌀, 찰옥수수, 차조 등의 찰전분은 거의 아밀로펙틴만으로 되어 있으며 이와 반대로 아밀로오스의 함량이 많은 것도 있다.

ⓐ 아밀로오스

아밀로오스는 𝛂-포도당이 𝛂-1,4 결합만으로 연결된 긴 사슬모양(straight chain)으로 중합된 것인데, 𝛂-포도당은 대개 6~7 분자마다 한 번씩 감으면서 길게 연결된 나선상 구조(𝛂-helical form)의 모양을 이루고 있다. 아밀로오스 분자는 가지, 즉 곁사슬(side chain)이 없으므로 직선상의 분자(liner morecular)로 나타내고 있다. 아밀로오스는 나선의 내부 공간에는 지방산 분자나 요오드 분자가 들어가서 포접화합물(inclusion compound)을 형성하는 경우가 있다. 이 포접 화합물은 특유한 청색의 요오드 정색 반응을 나타내며 아밀로오스의 사슬 길이가 길수록 색깔은 짙어진다.

ⓑ 아밀로펙틴

𝛂-포도당이 𝛂-1,4 결합으로 연결된 아밀로오스의 사슬 군데군데에 다른 아밀로오스 사슬이 𝛂-1,6 결합에 의해서 가지(branch)를 지닌 구조이며, 포도당 18~27개마다 1개의 가지를 갖게 된다. 전체로는 공 모양의 분자 형태를 이루며, 더운물에는 녹지 않으나 가열하면 호화한다.

아밀로펙틴은 나선상의 형태를 이루고 있지 않으므로 포접 화합물을 형성하지 않으며 요오드와 거의 반응하지 않고 아밀로오스와 달리 정색 반응에 의한 빛깔은 자주색이다. 아밀로펙틴의 전체적인 분자 형태는 나무 모양, 즉 수상의 형태를 가진 메이어(Meyer)의 모델로 나타난다. 아밀로펙틴 분자는 보통 1,000여 개 이상의 포도당 구성단위로 구성되어 있다.

ⓒ 전분의 분해효소

전분을 가수 분해하는 효소는 𝛂-아밀라아제, 𝛃-아밀라아제, 𝛄-아밀라아제가 있다.

► 𝛂-아밀라아제

• 타액(침), 췌장액, 발아 중인 종자들, 미생물 등에 존재한다.

• 전분 분자들의 𝛂-1,4 결합을 무작위로 가수 분해하여 덱스트린을 형성하며, 계속해서 맥아당과 포도당으로 분해한다.

• 아밀로펙틴의 𝛂-1,6 결합에는 작용하지 못하므로, 𝛂-아밀라아제 한계 덱스트린이 생성된다.

• 전분 분자들을 가수 분해하여 용액 상태로 만드므로 액화 효소라고도 한다.

• 전분을 가수 분해하여 물엿 또는 결정 포도당을 만들 때 이용한다.

► 𝛃-아밀라아제

• 감자류, 곡류, 두류, 엿기름, 타액에 존재한다.

• 전분 분자들의 𝛂-1,4 결합을 끝에서부터 맥아당 단위로 순서대로 가수 분해하여 맥아당이 생성된다.

• 아멜로펙틴의𝛂-1,6 결합에는 작용하지 못하므로 𝛃-아밀라아제 한계 덱스트린이 생성된다.

• 전분을 가수 분해하여 단맛이 증가되므로 당화 효소라고도 한다.

► 𝛄-아밀라아제

• 동물의 간 조직과 각종의 미생물에 존재한다.

• 전분 분자들의  𝛂-1,4 결합,  𝛂-1,6 결합,  𝛂-1,3 결합까지도 포도당 단위로 끝에서부터 순서대로 가수 분해하여 직접 포도당을 생성한다.

• 아밀로오스는 100% 분해하고 아밀로펙틴은 80~90% 분해한다.

• 전분을 가수 분해하여 고순도의 결정 포도당을 공업적으로 생산하는데 이용된다.

 

2. 전분의 변화

 

 

① 호화

전분을 물과 가열하면 60~80℃에서 전분입자가 파괴되어 풀처럼 된다. 전분입자는 분자 상호 간에 강한 결합력에 의하여 규칙적으로 모여진 미셀(micell) 구조로 되어있는데 이를 생전분(𝛃-전분)이라 하며, 미셀 구조가 흐트러진 전분을 호화전분(𝛂-전분)이라 한다. 𝛃-전분에서 𝛂-전분으로 변화하는 것을 교질화, 호화(gelatinization) 또는 𝛂화라 한다.

ⓐ 호화 과정

• 제1단계 수화 현상(hydration) : 전분을 물에 담그면 물분자들은 쉽게 미셀을 형성하고 있는 아밀로오스나 아밀로펙틴 분자들 사이에 스며든다. 전분입자들은 현탁애의 온도가 높아짐에 따라 중량의 20~30%의 물을 흡수하며 가역적이고 건조되면 원상태로 된다.

• 제2단계 팽윤(swelling) : 현탁액의 온도가 상승하면 계속 수분을 흡수하고 팽윤하여 분자들 사이의 간격은 계속 늘어난다. 팽윤 된 전분입자들이 붕괴하기 직전에는 중량의 25배 수분을 흡수하며 비가역적이다.

• 제3단계 교질(colloid) 용액 형성 : 온도가 계속 상승하여 전분이 호화 온도에 도달하면 전분입자들은 붕괴되고 현탁액은 교질 용액으로 변한다. 즉, 전분입자들은 소실되고 아밀로오스와 아밀로펙틴 분자들로 된 교질 용액이 형성된다. 이 교질 용액을 급속히 냉각하면 반고체의 겔이 형성되며 완만하게 냉각하면 전분 분자들은 침전하여 규칙성을 가진 형태를 형성한다. 이때 겔을 가열하면 졸(sol) 상태로 가역적으로 변화한다.

ⓑ 호화에 영향을 미치는 요인

전분에 호화에 영향을 미치는 요인으로는 전분의 종류 · 내부구조와 크기 · 형태, 아밀로오스와 아밀로펙틴의 함량, 수분함량, pH, 온도, 염류 등이 있다.

► 전분의 종류

• 입자의 크기가 작은 전분(쌀, 수수 등)이 입자의 크기가 큰 전분(감자, 고구마 등) 보다 호화 온도가 높다. (쌀 98℃, 감자 70℃)

• 아밀로펙틴의 함량이 높을수록 호화 속도는 빠르다.

► 수분 함량

• 물분자가 전분입자 안으로 흡수되면 전분입자가 팽윤 되므로 수분 함량이 높으면 호화가 촉진된다.

► pH

• 전분 분자들 사이의 수소결합은  산 · 알칼리에 의해서 크게 영향을 받는데, 특히 알칼리성일수록 호화는 촉진되고 노화는 지연된다.

 

► 온도

• 호화 최저 온도는 전분의 종류나 수분의 양에 따라 다르나 약 60℃ 전후이며 온도가 높으면 호화 시간은 단축된다.

► 염류

• 염류는 수소결합에 영향을 주므로 거의 대부분의 염류는 전분의 호화를 촉진시킨다. 그러나 황산염은 호화를 억제시킨다.

 

② 노화

호화된 𝛂-전분을 낮은 온도에서 장시간 방치하면 다시 전분입자가 모여서 규칙성의 미셀 구조로 되돌아가서 다시 𝛃-전분으로 변화하여 결정성을 갖게 된다. 이 과정을 노화(retrogradation) 또는 𝛃화라 한다. 

ⓐ 노화과정

호화 상태에서 불규칙적인 배열을 하고 있던 졸 상태의 전분입자들이 온도가 낮아지면 전분 분자의 운동이 줄어들어 결정화되어 반결 정상태의 침전을 형성하므로 겔상태의 미셀 구조로 다시 되돌아가게 된다.

ⓑ 노화에 영향을 미치는 요인

전분의 노화에 영향을 주는 요인으로는 전분의 종류, 수분함량, pH, 온도, 염류 등이 있다.

► 전분의 종류

• 전분의 종류 · 전분입자의 크기가 작으면 노화되기 쉽다. 예) 쌀, 밀, 옥수수 등의 곡류 전분은 감자, 고구마, 타피오카 등의 근경류 전분보다 노화되기 쉽다.

 

• 아밀로오스는 직선상의 분자로 입체 장애가 없으므로 노화되기 쉽고 아밀로펙틴은 가지 형태의 입체 장애 때문에 노화되기 어렵다. 예) 찹쌀이나 찰옥수수 등의 녹말은 노화되기 어렵다.

► 수분 함량

• 전분의 수분함량이 30~60%에서 노화가 잘 일어난다.

• 수분이 10% 이하이거나 60% 이상이면 노화가 억제된다.

• 자당을 첨가하면 자당이 탈수제로 작용하기 때문에 노화가 억제된다.

► pH

• 일반적으로 산성에서는 노화가 촉진되거나 강산성일 때는 노화가 지연된다.

► 온도

• 0~5℃의 냉장온도에서 𝛂-전분의 교질 구조가 불안정해지기 때문에 노화가 잘 일어난다.

 

• 60℃ 이상이거나 자유수가 얼음이 되는 -2℃ 이하에서는 아밀로오스 분자들의 회합, 침전 등이 억제되므로 노화가 잘 일어나지 않는다.

► 염류

• 황산염을 제외한 무기염류는 노화를 억제한다.