미생물 효소

이전 효소 생산편에 이어서

이번편은 산업적으로 이용되는 미생물 효소와 종류에 관하여 이야기 해보도록 하겠습니다. 

 

◆ 산업적으로 이용되는 미생물 효소

미생물 균체는 동물과 식물 세포의 배양과 비교하여 경제적으로 저렴한 영양배지에서 대량생산이 가능하고 단기간에 배양을 완성할 수 있는 장점이 있습니다.

미생물 균체의 종류에 따라 획득하고자 하는 배양법과 효소의 종류는 산업적으로 가치가 인정되어 현재까지 많은 산업분야에서 활용되고 있습니다.

특히, 오늘날 효소 단백질의 제조와 생산의 대부분이 미생물 균체 활용에 의존하고 있습니다. 

그럼, 현재 공업적으로 제조되는 미생물 효소의 종류에 대해 알아보겠습니다. 

 

1) 아밀라아제

아밀라아제(amylase)는 전분의 α-1,4 글루코시드(glucoside) 결합과 α-1,6글루코시드 결합을 가수분해하는 효소(hydrolase) 입니다.

일반적으로 아밀라아제는 세가지 종류가 있는데, α-아밀라아제(α-amylase), β-아밀라아제(β -amylase), 글루코아밀라아제(gluco-amylase)등으로 세분합니다. 각 효소의 기작은 α-아밀라아제가 α-1,4 글루코시드 결합을, β-아밀라아제는 전분을 비환원성 말단에서부터 맥아당(maltose)단위로 분해하여 α-1,6 글루코시드 결합의 분기점에서 활성이 멈추게 됩니다. 

글루코아밀라아제는 전분의 비환원성 말단부터 포도당(glucose)을 절단하는 당화형 아밀라아제입니다. 

 β-아밀라아제가 절단할 수 없는 α-1,6 글루코시드 결합도 가수분해할 수 있으므로 전분을 100% 포도당으로 분해하기 때문에 포도당 제조에 산업적으로 이용한답니다.

미생물 균체에 따라 곰팡이 아밀라아제의 경우, 누룩곰팡이(Aspergillus oryzae)는 α-아밀라아제를 Rhizopus deldmar와 Aspergillus usami 등은 글루코아밀라아제를 생산합니다. 세균 아밀라아제는 효소 생산에 고초균(Bacillus subtilis), Bacillus mesentericus, Bacillus stearothermophilus 등을 이용한답니다.

 

2) 셀룰라아제

셀룰로오스(cellulose)의 가수분해 반응을 촉매하는 효소인 셀룰라아제(cellulase)는 셀룰로오스의 β-1,4 글루코시드 결합을 가수분해하여 셀로비오스(cellobiose)와 포도당을 생산하는 효소입니다.

균류·세균·고등식물·연체동물 등에 존재합니다. 산업적으로 생산하는 대표적인 균주는 Trichoderma viride와 기계충버섯(Irper lacteus)등 입니다. 식물 세포벽을 가수분해하여 전분 제조, 대두단백질 추출, 한천 제조, 두류와 곡류의 탈피, 소화제, 사료 첨가제등에 이용합니다.

 

3) 전화효소

전화효소(invertase)는 자당(sucrose)을 포도당과 과당으로 가수분해하는 효소로 (β-fructosidase)와  α-글루코시다아제(α-glucosidase)로 구분합니다. 산업적 용도록 생산하는 경우, 효모(Saccharomyces cerevisiae)를 배양하여 균체를 톨루엔, 클로로포름, 초산에틸(ethyl acetate) 등을 이용하여 자기 소화시켜 알루미나 등에 흡착하여 정제하고 50% 알코올로 침전시킨 것을 글리세롤(glycerol)에 용해하여 제품화한다. 전화효소에 의한 가수분해물인 전화당은 용해도가 높아 당의 결정 석출을 방지하고 흡습성에 의해 식품 수분이 유지됩니다. 인공벌꿀, 초콜릿, 양갱, 아이스크림 등 감미료로 이용하게 됩니다. 

 

4) 락타아제

락타아제(lactase)는 락토오스(lactose)를 포도당과 갈락토오스로 가수분해하는 효소인데, 젖당발효성 효모인 Saccharomyces fragilis 등으로 생산하게 됩니다. 아이스크림, 농축유 등 용해도가 낮은 젖당의 결정 석출 방지와 감미 증강 목적에 산업적으로 이용되어 지고 있습니다.

 

5) 포도당이성질화효소

포도당이성질화효소(glucose isomerase)는 포도당을 이성질화하여 과당으로 전환을 유도하는 효소이다. 포도당이성질화효소는 감미도가 낮은 포도당 시럽부터 감미도가 상대적으로 높은 전화당 시럽을 제조하는 방법이 공업화되어 이용되어 지고 있습니다. Streptomyces albus를 밀기울이나 옥수수 침지액(corn steep liquor, CSL) 등의 배지에 배양하여 수득한 후 의약용, 빵제조용, 소스 첨가용, 통조림용, 시럽 등으로 이용합니다. 

 

6) 단백질분해효소

단백질분해효소(protease)는 단백질을 가수분해하는 효소로 단백질 분자 내부에서 활성이 일어나는 펩티드내부가수분해효소(endopeptidase)와 유리의 α-아미노(α-amino) 혹은  α- 카르복실기(α-carboxyl)의 펩티드 결합에 작동하여 말단의 펩티드를 가수분해하는 펩티드말단가수분해효소(exopeptidase)로 구분하게 됩니다. 펩티드말단가수분해효소는 유리 카르복실기에 근접한 텝티드쇄를 절단하는 카복시펩티데이스(carboxy peptidase)와 유리 아미노기에 근접한 펩티드쇄를 절단하는 아미노펩티데이스(amino peptidase)로 세분하게 됩니다. 최적 pH에 의해 각각 산성, 중성, 알카리성 단백질분해효소로 구분하고 미생물 균주에 따라 곰팡이, 세균, 방선균 단백질분해효소 등으로 분류가 됩니다. 

곰팡이 단백질분해효소를 생산하는 균주에는 누룩곰팡이(Aspergillus oryzae), 검정곰팡이(Aspergillus niger), Aspergillus saitoi, Aspergillus awamori 등이 있습니다. 누룩곰팡이의 경우, 배지의 조성에 따라 산성, 중성, 알칼리성의 단백질분해효소를 생성하는데, 탄소 대 질소의 비율인 C/N비가 크면 산성 단백질분해효소를, 낮으면 중성과 알칼리성 단백질분해효소를 생산하는 특징이 있습니다.

세균 단백질분해효소 생산 균주는 고초균(Bacillus subtilis), Bacillus amyloliquefaciens, Closrtidium acetobutilycum 59A 균주가 사용됩니다. 고초균이 생산하는 단백질분해효소를 특히 서브틸리신(subtilisin)이라고 합니다.

고초균은 주로 중성 및 알칼리성 단백질분해효소를 생산하고 있으며, 이밖에도 방선균 단백질 분해효소가 많은 종류의 방선균에서 생산이 가능합니다. 

예를 들면, 의 단백질분해효소가 있습니다. 미생물에 의해 얻어진 단백질분해효소는 소화제, 소염제, 피혁공업, 제빵, 맥주나 청주의 혼탁 제거, 식육연화, 합성주 향미액, 세제, 화장품 등 다양한 용도로 활용이 됩니다. 

 

7) 미생물 응유효소

치즈 제조에 사용되는 젖을 소화시키는 효소 복합체인 응유효소(rennet)는 송아지의 제4위에서 얻어지는데 효소원이 제한되어 있어 값이 비싸고 양도 충분하지 못하여 최근 값싼 미생물성 응유효소를 개발하여 사용하고 있습니다. Mucorpusillus Lindt 가 생산하는 효소가 단백질 분해력에 비해 응유력이 훨씬 강한 것이 발견되었습니다. Pseudomonas fluoresens, Serratia marcescens, 고초균(Bacillus subtilis) 등도 응유효소를 생성합니다.  

 

8) 나리진 가수분해효소(naringinase)

귤 종류는 과즙음료의 제조와 마멀레이드(marmalade)에 이용하는데 쓴맛이 있는 것이 결점이었습니다. 쓴맛의 주성분은 나리진(naringine)인데 이것을 쓴맛이 없는 람노스(rhamnose)와 나린제닌 글루코시드(naringenin glucoside)로 가수분해하는 것이 있습니다. 

 

9) 헤스페리디나아제

헤스페리디나아제(hesperidinase)는 귤 종류나 덜 익은 과실의 과피에 있으며 모세혈관의 저항을 높여 비타민 P로서 의약품 제조에 이용됩니다. 하지만 과즙이나 통조림으로 만들 때 백탁의 원인이 되어 상품의 가치를 떨어뜨리기도 합니다. 

검정곰팡이(Asp. niger)가 생산하는 헤스페리디나아제에 의해서 람노스와 용해도가 높은 헤스페리닌-7-글루코시드(hesperidin-7-glucosode)가 생성되므로 백탁을 방지하는 데 이용하게 됩니다. 

 

10) 펙티나아제

펙틴(pectin)은 고등 식물의 과실에 널리 분포하고 천연 펙틴은 불용성의 프로토펙틴(protopectin) 으로서 존재하는데 묽은 산 또는 열수(熱水)로 추출한 것입니다. 과즙 음료 및 포도주 등에 불용성 침전을 형성하여 제품의 질을 떨어뜨리므로 보통  펙티나아제(pectinase)는 이들 펙틴을 가용성으로 만들어 과즙과 포도주 등의 청징에 이용하게 됩니다. 

 

11) 아스파라기나아제

백혈병이나 임파암 등의 세포 증식에는 L- 아스파라기나아제(L-asparaginase)가 필수적이기 때문에 L-아스파라진

(L-asparagine)을 분해하여 아스파트산(asparticacid)으로 분해하는 L-아스파라기나아제의 개발이 활발히 진행되고 있습니다. 현재 대장균 등에 의해 일부 생산되어지고 있습니다. 

 

12) 페니실리나아제

페니실리나아제(penicillinase)는 식품산업에서 페니실린(penicillin)처리 후 우유에 잔류하는 페니실린에 의하여 치즈 제조공정에서 젖산균 등의 생육이 저해되어 치즈를 만들지 못하는 경우에 활용 됩니다. Bacillus cereus혹은 고초균(B. subtilis)등을 페니실린 첨가 조건에서 배양 시 페니실리나아제 생산이 유도되기 때문에 이때 균체를 분리하고 유기용매로 침전시켜 정제할 수 있습니다. 

 

이번 포스팅은 산업적으로 이용되는 미생물 효소 단백질의 종류와 응용 분야에 대해 알아보았습니다. 

다양한 효소들이 많은 식품 군에 쓰이고 있으며, 더 나아가 많은 분야인 의약, 화장품에 활용 되어지고 있습니다.