동물성 색소 '미오글로빈'에 대한 모든 것 - 색소 구조와 화학반응, 포피린,

식품의 색소 성분의 급원은 크게 식물과 동물로 나누어집니다. 이번 포스팅에서는 ‘동물성 식품’의 색소, 특히 대표적인 미오글로빈에 대해 더 집중적으로 알아보겠습니다.
미오글로빈은 헤모글로빈과 마찬가지고 보통 헴(heme)로 알려진 철을 함유한 포피린 유도체(iron-contaning porphyrin)와 단백질이 결합하여 형성된 색소이며, 헤모글로빈이 빨간색을 가지고 데보다 미오글로빈은 적자색(purple red)을 가지고 있습니다. 

[미오글로빈의 구조]
미오글로빈은 하나의 복합단백질이며 글로빈(globin)으로 알려진 단백질 부분과 헴으로 알려진 비단백질 부분으로 구성되어 있습니다. 이 글로빈으로 알려진 부분의 분자량은 사람의 경우를 비롯한 포유동물의 경우에는 대체로 17,000으로 추산되고 있으며 생체의 종류에 따라 다르지만 대체로 150여 개의 아미노산이 펩타이드 결합을 통해서 알파-나선형을 유지하며 입체구조를 형성하고 있습니다.

포피린 자체는 피롤(pyrrole) 네 개가 멘틴 기(methine group)를 통해서 결합하여 형성된 구조를 가지고 있습니다. 이 포피린 의 피롤 부분의 외곽에는 다른 기능 기와 치환할 수 있는 각각 한 개의 수소 원자를 가진 8개의 -CH=기가 있어서 치환기의 종류와 그 위치에 따라 포피린 유는 다시 다섯 가지 종류로 분류됩니다. 한편, 포피린 환의 중심부를 향해서 있는 질소 원자들과 결합하는 금속이온의 종류에 따라 분류될 수도 있습니다. 보통 철, 구리, 마그네슘 이온들이 이상 질소원 자들과 공유결합과 배위 결합을 통해서 결합하며, 이 경우 각각 철 포피린 류, 구리 또는 동 포피린 류, 마그네슘 포피린 류 등으로 불립니다. 미오글로빈의 헨 부분, 산화효소 사이로 크롬 a의 비단백질 부분, 클로로 필류는 이상의 금속 포피린부류의 각각의 대표적인 예가 됩니다.

[산화에 의한 변화]
미오글로빈은 분자 상의 산소(molecular oxygen)와 매우 결합하기 쉬우며, 따라서 육류조직 내에 존재하는 미오글로빈은 공기 중에 노출되어 있으면 30분 이내에 분자 상의 산소와 결합하여 선명한 빨간색을 가진 옥시 미오글로빈(oxymyoglobin, MbO2)으로 된다. 이 옥시 미오글로빈은 그 자체로서는 비교적 안정된 색소이나, 계속 천천히 산화되어 궁극적으로는 갈색을 가진 메트 미오글로빈(metmyoglobin)이 됩니다.

실제로 신선한 육류 속에서는 갈색을 가진 메트미오글로빈이 계속 축적되는데, 이 메트 미오글로빈은 육류 속의 미오글로빈, 옥시 미오글로빈(MbO2)들이 자동 산화(autoxidation)되어 나타난 결과입니다. 이 미오글로빈이나 옥시 미오글로빈의 자동 산화의 본질은 프로토 포피린 환의 중심에 있는 철 이온이 제1 철 이온(ferrous ion)에서 제2 철 이온(ferric ion)으로 산화되는 데 있으며, 이때 형성되는 메트 미오글로빈의 색깔은 갈색입니다.

[가열 조리 중의 변화]
일반적으로 육류에 존재하는 색소들은 주로 빨간색을 가진 육류색소(red meat pigment)인 옥시 미오글로빈과 미오글로빈(Mb)의 폐로 프로토 포피린(ferroproto porphyrin, Fe2+)이 페리 프로토포피린(ferriproto porphyrin, Fe3+)으로 산화된 갈색의 메트 미오글로빈(metmyoglobin)으로 알려져 있습니다. 따라서 육류를 가열하면 일부 산화되지 않은 미오글로빈은 옥시 미오글로빈을 거쳐서 메트 미오글로빈(Met.Mb)으로, 옥시 미오글로빈은 직접 메트 미오글로빈으로 됩니다. 

가열이 계속됨에 따라 이 메트미오글로빈의 글로빈 부분은 변성을 일으켜 분리되며, 한편 갈색 내지는 회색의 헴 부분(heme part), 즉 페리 프로토 포피린 이 유리됩니다. 이 페리 프로토포피린은 폐로 프로토 포피린 과는 달리 포피린 환의 중심에서 배위 결합을 하는 철 이온이 제1 철 이온(Fe2+)이 아니라 제2 철 이온(Fe3+)이므로 페리 프로토 포피린 전체자 1가의 양이온(univalent cation)의 형태를 가지고 있어서 보통 수산 이온(OH-)과 염의 형태, 즉 [ferriprotoporphyrin + OH-]의 형태로 존재합니다. 이 염(salt)의 형태, 즉 수산화 페리 프로토포피린은 일반적으로 헤마틴(hematin)으로도 알려져 있으며, 그 분자식은 C34H 32F DN4 O4+OH-로 표시될 수 있습니다. 한편 페리 프로토포피린은 NaCl이 존재하는 경우에는 염소이온과 결합하여 염화물(chloride)의 형태로 존재할 수도 있습니다. 이렇게 형성된 염화 페리 프로토포피린은 일반적으로 헴인으로 알려져 있으며, 그 분자식은 C34 H32 FeN4 O 4+Cl-로 표시될 수 있습니다. 한편, 헤마틴의 수산 이온은 쉽게 염소이온과 대체될 수 있으며, 따라서 헤마틴에서 쉽게 헴인이 형성될 수 있습니다. 이 헤마틴이나 헴인은 계속 산화되어 각종의 갈색, 회색, 또는 무색의 산화된 포피린 유도체들(oxidized porphyrin)로 됩니다. 

[가공 과정 중의 변화]
햄, 베이컨, 소시지 등의 절임 육류 가공품에 있어서는 육류를 절임 하는 데 사용되는 염류 용액에 오래 침지 되고 있는 동안에 염류 용액에 형성된 아질산에 의해서 미오글로빈은 선명한 빨간색의 산화질소-미오글로빈이 형성됩니다. 이 산화질소-미오글로빈은 선명한 색깔을 가지고 있을 뿐만 아니라, 열에 대해서도 매우 안전합니다. 

한편, 옥시미오글로빈을 거쳐서 메트 미오글로빈으로 산화된 색소들의 일부도 절임 용액에서 형성된 아질산에 의해서 일단 미오글로빈으로 환원되었다가 다시 빨간색의 산화질소-미오글로빈이 됩니다. 절임 된 육류, 또는 그 가공품에 있어서 주요 색소가 되는 산화질소-미오글로빈은 육류 또는 그 가공품이 가열될 때는 먼저 글로빈 부분이 변성되어 떨어져 나간 후, 헴은 부분적 분홍색을 가진, 열에 대해서 매우 안정된 산화질소-헤모크로모젠이 됩니다. 그러나 조리과정 중 계속 심하게 가열될 때는 이 산화질소-헤모크로모젠도 점차 산화, 분해되어 무색, 갈색, 회색 등의 각종의 포피린류로 됩니다. 절임에 사용되는 질산염에서 생기는 질산이온이 절임 육류 속에 존재하는 비병원성 세균에 의해서 환원되어 아질산 이온을 거쳐서 아질산이 되었다가 절임 육류에 존재하는 여러 환원성 물질들에 의해서 이렇게 형성된 아질산이 다시 환원되어 형성됩니다.