'마이야르 반응'에 영향을 미치는 9가지 요인 - 비효소적 갈변 반응

 

마이야르 반응 메커니즘을 세세하게 모두 파헤쳐보았습니다! 그렇다면 마이야르 반응에 영향을 주는 요인은 무엇일까요? 이번 포스팅에서는 마이야르 반응에 영향을 주는 9가지 요인들에 대해 소개합니다.

1. 온도
마이야르 반응은 다른 여러 화학반응에 비하여 온도의 영향을 크게 받습니다. 즉 온도가 높아질수록 반응 속도는 급속도로 증가합니다. 글루코스-글리신(glucose-glycine) 반응계에서 100℃에 2시간 가열한 결과 나타난 갈변 정도는 56.5℃ 이에서 250시간 가열한 후에 도달되는 갈변 정도와 거의 같았습니다.

2. pH
모형 식품계에서 pH가 낮은(4~7) 경우에는 아마 도리 전위 반응 생성물로부터 주로 퍼퓨 릴이 형성되고, 중성이나 알칼리성일 때에는 리더 톤 류나 분열 생성물들이 형성됩니다. 그러나 실제 식품계에서는 pH의 영향이 뚜렷이 구분되지는 않고 이 반응들이 모두 일어나며 pH에 따라 반응 생성물의 비율이 달라집니다. 이때 퍼퓨 릴을 형성하는 경로의 갈변 정도는 리더 톤 류 를 형성하는 경로보다 낮으므로, pH를 낮추면 멜라노이딘 색소의 형성 속도를 줄일 수 있습니다.

3. 수분
D-자일로스(D-xylose)와 글리신은 1:5의 몰 비율로 혼합하여 질소 가스 하에서 반응시키는 경우, 무수 상태에서는 갈변이 일어나지 않으나 수분이 약 30% 일 때에 최대가 되었으며, 90% 정도에서는 상당히 일어나기 어렵게 되었습니다. 또 글루코스와 글리신의 건조 혼합물을 50℃에 보관할 경우에도 역시 갈변이 일어나지 않습니다. 알파-N-acetyl-L-lysine과 글루코스를 1:1.5의 몰 비율로 반응시킨 경우는 수분이 18%에서 최대의 갈변 반응을 나타내었습니다. 이상의 결과로 보아 갈변의 최적 수분함량은 반응 조건에 따라 다른 것으로 볼 수 있습니다.

4. 산소
마이야르 반응에 있어서 산소는 영향을 크게 미치지 않는 경우가 많지만, 경우에 따라서는 산소가 반응을 촉진하기도 하고 또는 억제하기도 하기 때문이 분명하지 않습니다. 일반적으로 갈변 반응의 과정에서 생성하는 리더가 톤 유는 공기 중의 산소에 의해 산화되기 때문에 엄밀히 말해서 산소가 갈변에 관여하지 않을 리가 없지만 촉진하는가 억제하는가는 조건에 따라 다르고, 또한 그 영향력도 온도, pH 등에 비해 적습니다.

5. 광선
광선은 경우에 따라서는 갈변을 촉진하지만 존재 하에서 갈색 색소에 광선을 조사하면 퇴색하기도 합니다. 일반적으로 가시광선보다는 자외선 쪽이 영향력이 큰 것으로 생각됩니다. 감마-선과 같은 방사선의 경우는 더욱 영향이 커 갈변 반응을 촉진합니다. 물론 이의 경우에는 라디칼(radical) 반응이 일어나기 때문에 보통의 갈변 반응 메커니즘과는 약간 다른 형태의 메커니즘도 생각할 수 있습니다.

6. 당의 종류
마이야르 반응에 있어서 당의 성질에 따라 반응성이 다릅니다. 당의 반응성은 그의 구조적 안정성이나 용액 중에 존재하는 대환 된 사슬 구조(open-chain structure)의 양과 관계가 있습니다. 펜 토스(pentose)는 헥 소스보다, 헥소 스는 환원성 2 당류보다 각각 반응성이 큽니다. 펜 토스는 일반적으로 대환 된 사슬구조의 존재 비율이 높기 때문에 반응성이 크고, 비 환원성 2 당류는 가수분해가 일어난 후에 반응합니다. 알도 헥 소스류의 반응성이 순서는 마노스(mannose), 갈락토스, 글루코스 순서입니다. 

7. 아미노산의 종류
마이야르 반응의 속도에 미치는 아미노산의 종류의 영향은 아직 확실하지 않으나 알파-아미노산 계열에서는 글리신이 가장 반응성이 크며, 사슬이 길고 복잡한 치환기를 가질수록 갈변 속도가 감소한다고 합니다. 오메가-아미노산 계열에서는 사슬의 길이가 증가함에 따라 갈변 속도가 증가한다고 합니다. 오니틴(orvithine)의 갈변 속도는 라이신(lysine) 보다 훨씬 빠르다. 반응 물질이 단백질일 때는 분자 내의 특정 부위가 다른 부위보다 빠르게 반응하기도 합니다. 단백질 분자에는 특히 라이신의 시그마-아미노기가 알도스나 케토스와 반응하기 쉽다. 일반적으로 아미노산의 아미노기가 카 복실기보다 멀리 떨어져 있을수록 당류의 카 복실 기와 반응하기 쉽습니다. 또한 아미노산들보다는 카 복실기가 없는 아미노 화합물의 반응성이 더 크다고 합니다. 

8. 반응 물질의 농도
마이야르 반응에 의하여 형성되는 갈색 색소의 양은 온도가 일정할 때 다음 식으로 표시될 수 있습니다.

Y = K [S][A]^2 [T]^2
K: 속도 상수
[S]: 환원당과 농도
[A]: 유리 아미노기를 가진 질소화합물의 농도
T: 경과 시간

즉 갈색 색소의 양 Y는 환원당의 농도 [S]에 비례하고 유리 아미노기를 가진 질소화합물의 농도 [A]와 경과 시간 [T]의 제곱에 각각 비례한다고 합니다.

9. 화학적 저해 물질
마이야르 반응에 의한 갈변을 억제하는 저해 물질에는 아황산염 및 황산염, 싸이 올(thiol), 칼슘염 등이 있습니다. 실제로 마이야르 반응에 의한 갈변은 아황산염에 의하여 정지 또는 저해되므로 갈변 방지제로 많이 사용됩니다. 아황산염에 의하여 갈변에 저해되는 것은 마이야르 반응의 초기 단계에서 카보닐 화합물, 아미노 화합물과 결합하는 것을 아황산염이 방해하기 때문입니다. 즉 당의 알데하이드는 상온에서 SO2와 반응하여 하이드로 설폰산(hydrosulfonic acid)을 쉽게 형성하여 반응성이 강한 카보닐 기를 보호하게 되며 아미노기와의 축합물 형성을 억제합니다. 프럭토스는 아미노산 또는 아황산염과 축합이 일어나지 않습니다. 그것은 변선광 되는 동안에 프럭토스가 정상적인 형태를 유지하고 있지 않기 때문입니다. 
또한 글루코스-글리신 혼합 용액에 2-mercaptoetyanol 혹은 meraptoacetic acid를 첨가하면 갈변이 저해됩니다. 그러나 싸이 올 화합물은 식품에 여러 가지 좋지 않은 성질을 부여하기 때문에 식품에의 사용을 제한하고 있습니다. 한편, 염화칼슘은 갈변의 저해 물질로 알려져 있습니다. 그것은 칼슘이 아미노산과 흡착에 의해 결합하기 때문으로 생각됩니다.