Chapter 5

Chapter 5

유단백질 및 효소

지방

단백질 유당

- 정상유 : 3.5% 함량(지방과 비슷)

- 비유기간 중 함량변화 -> 유청단백질의 변화가 심함 - 필수아미노산, 면역단백질, 생리활성물질의 공급원

- 종에 따른 다양한 함량-> 유아의 영양학적, 생리학적 요구반영

1. 서론

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초기 비유기동안 유단백질의 함량변화

총단백질 카제인단백질

유청단백질

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2. 유단백질의 조성 특징

- 우유의 pH를 4.6으로 조정하면-> 총 유단백질의 80% 침전 - 분리순서에 따라 3 group으로 분류

1) 전카제인(Whole casein, 등전점카제인) : 인산화된 단백질의 복합체 - 불용성, 포유류조직이나 혈액에는 없음

- 전체 유단백질의 80% 정도

2) 유청단백질(whey protein) : casein을 제외한 나머지 - 가용성

- 복합단백질과 당단백질의 혼합 3) Proteose peptone

- protein 과 유기질소물의 중간크기

- 가용성, 소량, 유리 아미노산, creatine, nucleotide, urea - 특성에 따라 5개군으로 분류

1) casein 2) globulin 3) albumin

4) proteose-peptone

5) non-proteic nitrogen compound (NPNC)

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☞ 우유단백질의 기타 특성

- 유청단백질 : pH 4.6에서 침전되지 않음

- rennet (chymosine)에 의해 casein 분해 응고 - casein : 인단백질(0.85%)

-> 인: 열안정성, 칼슘침전의 중요한 역할 casein micelle 형성에 중요

- 칼슘 존재하에 casein 응고-> phosphocaseinate 형성 -> 칼슘의 역할 :

- 인산과 함께 여러결합의 복합적 형성 유도 (CCP:colloidal calcium P) - dicarboxylic acid(Glu, Asp) + serinated-P 의 bridge 형성

- casein-COO-Ca-(P)-Ca-OOC-casein - casein은 유선에서만 합성

- micelle 형태로 분산되어 존재 Ser

casein

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3. Casein 과 유청단백질의 분리

- 단백질생화학적 기법을 통해 분리정제

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4. Casein의 분류 및 특징

- whole casein : 인산단백질복합체로서 pH 4.6 에서 침전되는 것-> 등전점 casein - 전기음성도에 따라 α-, β-, k-casein 으로 명명됨

- α-casein 의 경우 2개의 단백질임이 밝혀짐->α_s1-, α_s2- 로 분리 - 유전적변이체가 매우 다양-> 30개 이상

유단백질의 전기음성도 + 전압

1) α-casein

- ca 존재하에 모든 온도에서 침전 -> 인 함량이 높음 - 전기영동도 가장 큼 : acidic aa 함량이 높음

2) β-casein

- 전기영동도 중간

- 상온에서만 ca 존재하에 침전

- Pro 함량이 높음-> 1/6, 분자내 고르게 분포-> 소수성 높음 3) k-casein

- 낮은 영동도

- ca 존재하에 침전 않됨

- 함량 낮지만(15%) casein 안정화에 중요한 역할

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5. Casein의 화학적 특성

- 극성 아미노산의 함량 낮으나 k-casein의 역할로 용해도는 높음(micelle 로 분산) - β-casein : 소수성이 높음, α-casein 친수성이 강함(상대적으로)

- k-casein : C-말단에 당함량이 높아 강한 친수성, N-말단은 소수성-> 양친매성 para-k-casein-Phe(105)--Met(106)-GMP(glycomacropeptide)

(소수성) rennet (친수성) - rennin의 특이적 기질형성 -> 우유응고에 있어 중요한 역할

- 높은 수분결합 능력 : 2.5g water/g protein -> 식품에 응용(소시지, 인스턴트식품 등) - 높은 Pro 함량->α-helix, β-sheet 구조가 적음->가수분해에 민감->영양적으로 중요 - α_s2-casein : Lys 함량 높음

-> 필수아미노산 공급(식물성단백질에는 낮은 함량) -> casein의 양전하 형성에 중요

- 상대적으로 작은 분자량 : 20~25 kDa

- 전체적으로 표면소수성이 높지만 k-casein의 역할로 micelle 형성 -> 50~500nm 지름(평균 120nm), 높은 수화도

-> 열에 대해 매우 안정 : 140^oC 15-20분 가열 후 응고

α_s1-casein 3차구조

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β-casein 3차구조

k-casein 3차구조

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☞ Micelle 구조

- submicelle이 CCP(교질인산칼슘)으로 서로 연결된 다공성의 공극구조 - 기타 소수성결합, 수소결합도 결합력으로 작용

- k-casein 비율이 높은 submicelle은 표면에 위치

-> 친수성 C-말단이 표면으로부터 돌출->5-10nm두께 형성

-> 음의 낮은 표면전위(-20mV at pH6.7)와 함께 micelle 응집 억제

casein-COO-Ca-(P)-Ca-OOC-casein CCP(Colloidal Calcium Phosphate)

casein-COO-Ca-(P)-Ca-OOC-casein Suggested casein micelle structure

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Suggested casein micelle structure

6. 유청단백질

- 전카제인을 분리한 유청에 포함

-> acid whey(산성유청) : 등전점 casein 제거 후

-> sweet whey(감성유청) : rennet 첨가에 의해 casein 제거 후-> GMP 함유 - 유당과 가용성 염 포함

- 단백질분리법으로 세부 분류 -> β-lactoglobulin

-> α-lactalbumin

-> immunoglobulin (Ig G, A) -> Serum albumin (BSA) -> Proteose-peptone

-> NPN(non-proteic nitrogen)

-> 기타 소량의 생리활성 물질 -> lactoferrin, serotransferrin, enzyme etc.

1) β-lactoglobulin

- whey protein 중 가장 높은 함량, 모유 중에는 없음

- 위장 phosphatase inhibitor-> 유선내 phosphate 대사 조절 - 18kDa monomer -> pH 3~7에서 dimer로 존재

- retinol (vit A)의 운반기능-> 산화로부터 보호 소장까지 전달 ₂₀

Retinol 과 결합된 β-Ig 모식도

2) α-lactalbumin

- 모든 포유류 유즙에 존재 - 유당합성계 조절

-> 유당합성효소(lactose synthetase) : subunit A와 B로 구성

-> subunit A : UDP-galactosyl transferase -> galactose를 여러 공여체에 운반 -> subunit B : α-la 성분 -> subunit A에 결합 glucose-specific activity로 전환

-> complex : Km for glucose ->1000배 정도 감소 -> 유당합성효소의 조절 단백질

UDP-galactose + N-acetylglucosamine glycoprotein : subunit A only

UDP-galactose + glucose lactose : complex

3) 미량 우유단백질 : lipase, protease, phosphatatse, lactoperoxidase etc.

A B A

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유당합성 전과정

7. 유단백질 합성과 분비

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유선세포에서의 단백질의 세포간 이동

유선분비세포의 모식도

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8. 우유의 효소학

- 구성성분으로 고유효소 존재 (60여종)

-> 유선세포막을 통한 혈액 성분 유출 : plasmin, catalase

-> 세포의 구성성분 : 골지체(galactosyl transferase), 세포막(alkaline phophatase) - 미생물유래 효소

- 효소로 인한 바람직한 변화 : 숙성치즈의 향취유발

- 비바람직한 변화 : 우유 산패(이상취, 응고), 유가공품 품질변화 - location : casein micelle, 지방구피막, 백혈구, 유청 분산

- 기술적 중요성

-> 우유품질보존 및 품질저하와 관련

-> sulfhydryl oxidase, SOD vs lipase, protease, phosphatase -> 우유열처리 조건의 지표

-> alkaline phosphatase, γ-glutamyl transpeptidase etc.

-> 유방염감염의 지표

-> N-acetyl-β-D-glucosaminidase -> 항균활성

-> lysozyme, LP(lactoperoxidase) -> 효소의 상업적 공급원

1. Protease :plasmin, cathepsin D

1) Plasmin

- 혈전의 용해에 관련

- plasminogen, activator, inhibitor와 복합체계 형성

- plasminogen은 plasmin의 4배 농도로 casein micelle에 함께 연결 -> pH 4.6으로 감소하면 해리됨

- serine proteinase로서 Lys, Arg에 특이성 - β-casein : plasmin에 가장 민감

- k-casein : lys, Arg 잔기 있으나 plasmin에 큰 저항성-> 구조적 이유에 기인 - 우유 내 중요성

-> rennet 응고 시 casein micelle에 함유-> 치즈 내에 농축 -> casein의 1차 단백질가수분해에 plasmin 관여

2) cathepsin : - 열에 불안정

- 많은 연구되어 있지 않음

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Plasmin 활성화 시스템

2. Lipase

- 우유지방의 가수분해에 의한 산패원인 - 세종류의 esterase

-> A 형 : 방향족 ester(phenyl acetate) 특이성 -> B 형 : fatty ester 특이성

-> C 형 : choline ester에 특이성 - A:B:C = 3:10:1

- 실제 우유의 지방분해는 거의 없음

-> 90% 이상의 lipase가 casein micelle에 연결 -> TG 기질이 지방구막으로 보호

-> 교반, 균질, 온도변화 등에 의해 활성 유도 - 우유 중 중요성

-> 치즈숙성의 긍정적 측면, 우유산패의 주원인 3. 인산화효소

- alkaline phosphatase : phosphomonoesterase 활성, 저온살균의 지표에 이용 - acidic phosphatase : 열에 대해 안정, 낮은 최적 pH(4.0)

-> casein 탈인산화 유도 -> 칼슘결합능력 감소

-> k-casein과의 반응성, micelle 형성능력, 열안정성 감소₃₂

4. Lysozyme

- 광범위하게 분포

- muramic acid-N-acetylglucosamine 의 β-1,4 결합 가수분해

-> 세균세포벽의 mucopolysaccharide 파괴 -> 세균파괴(항균제) - 사람, 말에 풍부-> 라이소자임 강화분유 -> 효과는?

5. Sulfhydryl oxidase (SO)

- cysteine, glutathione의 –SH group 산화 2R-SH + O₂  R-S-S-R + H₂O₂

- thiol 산화에 의한 가열취 감소에 이용 (UHT 우유)

6. Xanthine oxidase (XO) - aldehyde, purine의 산화

- 지방구 피막과 결합 -> 4^oC 저장, 70^oC 5분 가열균질 -> 활성 증가 - 산화촉진제 기능 : 자발적 산패 우유에 정상유의 10배 농도 존재 - hypoxanthine + H₂O + O₂ ----> xanthine + H₂O₂

- xanthine + H₂O + O₂ ----> uric acid + H₂O₂ - NO₃^- -> NO₂^- 변환 촉매 : NO₃^- -> NO₂^- + 1/2O₂

-> NO₂^-는 세균의 강력저해물질 (Clostridium)

-> 치즈제조에 이용 -> Clostridium에 의한 후기팽화 방지 XO

XO

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Xanthine oxidase

7. Superoxide dismutase (SOD) - 과산화물 radical 제거

O₂ᆞ + O₂ᆞ + 2H⁺  H₂O₂ + O₂

- 형성된 H₂O₂는 catalase, peroxidase 등에 의해 환원

-> peroxidase의 분해능력: ROOR' + electron donor (2 e^-) + 2H⁺ → ROH + R'OH - O₂ᆞ에 의한 우유조성분의 산화방지

- 우유 내 XO 농도와 비슷 -> XO의 산화촉진제 효과 상쇄 역할 8. Lactoperoxidase (LPO)

- 열안정성이 매우 높음

- peroxidase 활성 : H₂O₂ 를 통한 산화 촉매 (vs Oxidase)

-> reduced acceptor + H₂O₂ -> oxidized acceptor + H₂O - HTST 살균의 지표효소

- 유방염감염에 따라 활성증가-> 유방염감염 지표 - 불포화지방에 대한 산화 유발

- lactenin (세균발육억제물질) 효과-> microbial self-inhibition SCN^- + H₂O₂ OSCN^- + H₂O

미생물에 의해 생성

(Aerobic SOD 활성) 미생물생장 억제 LPO

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