마이야르 반응

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1. 개요
2. 역사
- 2.1. 마이야르 반응의 발견
3. 마이야르 반응
4. 빵의 종류
- 4.1. 재료에 따른 분류
- 4.2. 발효 방식에 따른 분류
5. 빵과 관련된 현상
6. 빵 관련 도구 및 과정
- 6.1. 도구
- 6.2. 과정
7. 빵의 활용
참조

1. 개요

마이야르 반응은 아미노산과 당의 반응으로, 가열 시 식품의 색상, 풍미, 향을 변화시키는 화학 반응이다. 1912년 루이 카미유 마이야르가 처음 발표했으며, 존 E. 호지가 반응 메커니즘을 확립했다. 이 반응은 당의 카르보닐기와 아미노산의 아미노기가 반응하여 다양한 중간체를 거쳐 멜라노이딘을 생성하며, 갈색 색소와 특유의 향을 만들어낸다. 마이야르 반응은 구운 고기, 빵, 커피 로스팅 등 다양한 식품 제조 과정에 관여하며, 아크릴아마이드와 같은 유해 물질을 생성할 수도 있다. 또한, 고고학에서 유물 보존, 생체 내 노화 과정에도 영향을 미친다.

2. 역사

마이야르 반응은 빵을 포함한 다양한 음식의 조리 과정에서 나타나는 중요한 화학 반응 중 하나로, 빵의 색, 향, 맛을 결정하는 데 큰 영향을 미친다. 빵의 역사는 인류의 역사와 그 궤를 같이하며, 시대와 지역에 따라 다양한 형태로 발전해 왔으며, 이 과정에서 마이야르 반응은 빵의 풍미를 더하는 핵심적인 역할을 수행해 왔다.

2. 1. 마이야르 반응의 발견

1912년, 루이 카미유 마이야르는 아미노산과 당의 반응을 고온에서 설명하는 논문을 발표했다.^[1] 1953년, 존 E. 호지는 미국 농무부의 화학자로 마이야르 반응의 메커니즘을 확립했다.^[8]^[9]

3. 마이야르 반응

1912년, 루이 카미유 마이야르는 아미노산과 당의 반응을 고온에서 설명하는 논문을 발표했다.^[1] 1953년에는 존 E. 호지가 미국 농무부의 화학자로 마이야르 반응의 메커니즘을 확립했다.^[8]^[9]

마이야르 반응은 음식이 가진 많은 색상과 풍미를 만들어내는 원인이다. 예를 들어 고기를 굽거나 튀길 때 나타나는 갈변 현상, 양파 튀김과 커피 로스팅 시 나타나는 갈변 및 감칠맛 등이 있다. 또한 제빵 식품의 어두운 껍질, 프렌치 프라이와 기타 바삭한 음식의 황갈색, 맥아 위스키와 맥주에서 발견되는 맥아 보리의 갈변, 분유, 연유, 두세 데 레체, 토피, 흑마늘, 초콜릿, 구운 마시멜로, 구운 땅콩의 색상과 맛에도 영향을 준다.

6-Acetyl-2,3,4,5-tetrahydropyridine은 빵, 팝콘, 토르티야 제품과 같은 구운 식품에 존재하는 비스킷 또는 크래커와 같은 풍미를 낸다. 구조적으로 관련된 화합물인 2-아세틸-1-피롤린은 비슷한 냄새를 가지며 가열 없이도 자연적으로 발생한다. 이 화합물은 다양한 종류의 밥과 허브 ''판단''에 특유의 냄새를 부여한다. 두 화합물 모두 리터당 0.06 나노그램 미만의 냄새 탐지 역치를 가진다.^[10]

고기를 굽거나 지질 때 일어나는 갈변 반응은 복잡하며, 주로 마이야르 갈변에 의해 발생하지만 미오글로빈의 테트라피롤 고리 분해 등 다른 화학 반응도 영향을 준다.^[11] 마이야르 반응은 건조 과일과^[12] 샴페인이 병 속에서 숙성될 때에도 발생한다.^[13]

카라멜화는 마이야르 갈변과는 완전히 다른 과정이지만, 두 과정의 결과는 때때로 육안(및 미각)으로 비슷하게 나타난다. 카라멜화는 마이야르 반응이 일어나는 동일한 식품에서 갈변을 일으킬 수 있지만, 두 과정은 서로 다르다. 둘 다 가열에 의해 촉진되지만, 마이야르 반응은 아미노산을 포함하는 반면, 카라멜화는 특정 당의 열분해이다.^[14]

사일리지를 만들 때 과도한 열은 마이야르 반응을 일으켜 이를 먹는 동물에게 제공되는 에너지와 단백질의 양을 감소시킨다.^[15]

3. 1. 반응 과정

마이야르 반응은 아미노산과 환원당 사이의 복잡한 화학 반응으로, 여러 단계를 거쳐 식품의 갈색 색소와 독특한 풍미를 만들어내는 멜라노이딘을 생성한다.

반응 초기에는 당의 카르보닐기와 아미노산의 아미노기가 반응하여 N-치환 글리코실아민과 물이 생성된다.^[22] 불안정한 글리코실아민은 아마도리 전위를 거쳐 케토사민을 형성한다.

중기 단계에서는 아마도리 전위 생성물이 1,2-에나미놀 또는 2,3-엔지올을 거쳐 분해되며, 이 단계에서 대부분의 반응은 탈수 반응이다.^[22] 2,3-엔지올을 거치는 반응은 주로 볶는 과정에서 일어난다. 이 단계에서는 오손, 3-데옥시 오손, 퓨르푸랄 등 반응성이 높은 케토알데히드와 메틸디케톤 중간체를 거쳐 피루브알데히드가 생성된다.

최종 단계에서는 퓨르푸랄, 피롤-2-알데히드, 3-푸라논, 오손, 3-데옥시오손, 메틸디케톤 중간체(1-데옥시 오손), 아마도리 전위 생성물 등과 같은 반응 중간체나 생성물이 아미노산, 펩타이드, 단백질 등과 중합하여 멜라노이딘을 생성한다.

마이야르 반응은 수많은 소반응으로 이루어져 있으며, 그 전체 과정은 아직 완전히 밝혀지지 않았다.

3. 2. 반응 생성물

멜라노이딘은 항산화 작용, 활성 산소 소거 활성 등 다양한 생리 활성을 갖는 것으로 알려져 있다.^[23]^[24] 예를 들어, 마이야르 반응에 의해 생성된 트립토판·글루코스 반응액의 항산화능은 비타민 E인 α-토코페롤보다 강하고, 합성 항산화제인 BHA, BHT에 필적한다.^[25] 글루코스와 글리신에 의한 아미노 카르보닐 반응으로 생성된 갈변 물질의 착색도가 높을수록 DPPH 라디칼 소거능도 높아지는데, 440 nm에서의 흡광도와 DPPH 라디칼 소거능 사이에는 r=0.993의 매우 높은 정(正)의 상관관계가 있다. 양파를 가열하여 갈변이 진행될수록 DPPH 라디칼 소거능이 상승한다는 보고도 있다.^[26]

된장은 뛰어난 항산화 능력을 가지며, 된장의 라디칼 포착 능력은 대부분 멜라노이딘이 담당하고, 된장의 색조가 짙을수록 그 능력이 높아진다.^[27] 동물 실험에서는 된장 섭취로 폐암, 위암, 유방암, 간암, 대장암의 억제 효과가 인정되었으며, 된장의 숙성도가 높을수록 효과가 높았다.^[28]

마이야르 반응에 수반되어 특유의 향기 성분도 생성된다.^[22] 그 향기는 반응의 근원이 된 아미노산이나 당의 종류, 반응 조건 등에 따라 변화하며, 탄 냄새, 캐러멜 냄새, 견과 냄새, 빵 냄새, 초콜릿 냄새, 때로는 곰팡이 냄새나 제비꽃 냄새 등 다양한 향기를 낸다.

각종 아미노산과 포도당을 갈변 반응시켰을 때의 향기는 다음과 같다.

아미노산	100℃ 가열 시 냄새	180℃ 가열 시 냄새
발린	호밀 빵 같은 냄새	자극적인 초콜릿 냄새
로이신	달콤한 초콜릿 냄새	치즈를 구운 냄새
이소로이신	곰팡이 냄새	치즈를 구운 냄새
페닐알라닌	제비꽃 냄새	라일락 냄새
메티오닌	감자 냄새	감자 냄새
트레오닌	초콜릿 냄새	탄 냄새
히스티딘	-	옥수수빵 냄새
아스파르트산	사탕 냄새	캐러멜 냄새
글루탐산	초콜릿 냄새	버터볼 냄새
아르기닌	팝콘 냄새	탄 설탕 냄새
라이신	-	빵 냄새
프롤린	단백질 탄 냄새	빵 냄새

3. 3. 아크릴아마이드 생성

아크릴아마이드는 인체 발암 물질일 가능성이 있으며,^[19] 대부분의 식품에 존재하는 환원당과 아미노산(특히 아스파라진) 사이의 마이야르 반응의 부산물로 생성될 수 있다.^[20]^[21]

마이야르 반응 과정에서 아스파라긴과 포도당이 반응하여 극물 취급을 받는 아크릴아마이드가 생성된다. 아크릴아마이드는 신경 독성 및 발암성을 가질 수 있는 것으로 의심되는 화합물이므로, 특히 감자칩 등 고온 가열 식품에서 마이야르 반응에 의해 아크릴아미드가 생성되는 것이 식품 안전상 문제로 제기되고 있다. 아크릴아미드가 사람에게 신경 독성으로 작용하는 것은 확인되었지만, 식품에 포함된 양으로는 이러한 작용이 나타나지 않으며, 발암성에 대해서는 쥐에게 약품으로 직접 아크릴아미드를 투여하여 확인되었지만, 실제로 사람이 식품에 포함된 형태로 섭취했을 때 발암 위험이 높아지는지는 명확하지 않다. 따라서, 통상적인 섭취량에서는 특별히 건강상의 문제를 일으킬 가능성은 낮다고 여겨져 왔다.

2002년 4월, 스웨덴 식품청은 감자칩, 프렌치 프라이, 비스킷 등 탄수화물을 많이 함유한 식품을 고온으로 가열한 식품에 아크릴아미드가 고농도로 함유되어 있다는 보고서를 발표했다. 이는 신경 독성과 발암성을 가질 수 있다는 의혹이 제기되면서 식품 안전성에 대한 우려를 낳았다. 이후 이 보고는 각국의 식품 관련 기관의 추적 실험을 통해 확인되었으며, WHO는 2002년 6월에 전문가 회의를 개최하는 등 대응 조치를 취했다.

2005년 FAO와 WHO로 구성된 합동 위원회는 "식품 중의 아크릴아미드는 건강에 해를 끼칠 수 있으며, 함유량을 줄여야 한다"고 권고했다.

2007년 네덜란드 마스트리흐트 대학교의 야네케 호게르보르스트(Janneke G. Hogervorst) 등은 "아크릴아미드 섭취는 특히 비흡연 여성에게서 자궁내막암과 난소암의 위험을 높인다"는 역학 조사 결과를 발표했다.^[29] 2008년 5월, 같은 대학교 연구팀은 "아크릴아미드의 과다 섭취는 신장암의 위험을 높인다"는 연구를 발표했다.^[30]

안전에 대한 상세한 검토는 현재도 지속되고 있다.

4. 빵의 종류

빵은 사용되는 재료, 발효 방식, 형태 등에 따라 다양하게 분류된다. 재료에 따라서는 갈색빵, 통밀빵, 호밀빵, 흰빵 등으로, 발효 방식에 따라서는 발효빵, 퀵 브레드, 소다빵, 소금팽창빵 등으로 나눌 수 있다.

4. 1. 재료에 따른 분류

기본 재료	팽창제	지방, 식용유

4. 2. 발효 방식에 따른 분류

발효빵은 발효종이나 빵효모를 사용하여 만들고, 납작빵은 발효 과정을 거치지 않는다.

5. 빵과 관련된 현상

6-Acetyl-2,3,4,5-tetrahydropyridine은 빵, 팝콘, 토르티야 등 구운 식품에서 비스킷이나 크래커와 같은 풍미를 낸다. 이와 구조적으로 관련된 화합물인 2-아세틸-1-피롤린은 비슷한 냄새를 가지며 가열 없이도 자연적으로 발생한다. 2-아세틸-1-피롤린은 다양한 종류의 밥과 판단(Pandanus amaryllifolius)에 특유의 냄새를 부여한다. 두 화합물 모두 리터당 0.06 나노그램 미만의 냄새 탐지 역치를 가진다.^[10]

5. 1. 식품

마이야르 반응은 빵뿐만 아니라 구운 고기, 튀긴 양파, 커피, 맥주 등 다양한 식품의 갈변 현상과 풍미 생성에 관여한다.^[1] 구운 고기의 갈변,^[11] 양파 튀김, 커피 로스팅 시 나타나는 갈변 및 감칠맛 등이 그 예이다.^[1] 제빵 식품의 어두운 껍질, 프렌치 프라이의 황갈색, 맥아 위스키와 맥주의 갈변 등에도 마이야르 반응이 기여한다.

6-Acetyl-2,3,4,5-tetrahydropyridine은 빵, 팝콘, 토르티야 등 구운 식품에서 비스킷이나 크래커와 같은 풍미를 낸다. 2-아세틸-1-피롤린은 이와 구조적으로 관련된 화합물로, 비슷한 냄새를 가지며 가열 없이도 자연적으로 발생한다. 2-아세틸-1-피롤린은 다양한 종류의 밥과 허브 ''판단''(''Pandanus amaryllifolius'')에 특유의 냄새를 부여한다. 두 화합물 모두 리터당 0.06 나노그램 미만의 냄새 탐지 역치를 가진다.^[10]

카라멜화는 마이야르 반응과 유사하지만, 당의 열분해 반응이라는 점에서 차이가 있다.^[14]

마이야르 반응은 다음과 같은 현상에 관여한다.

고기를 구울 때 갈변
양파를 볶을 때 갈변
데미글라스 소스(브라운 소스)의 갈변^[31]
커피 원두 로스팅
흑맥주나 초콜릿의 색소 형성
된장, 간장의 색소 형성
술지게미 숙성에 따른 색소 형성
흑마늘

삼온당의 착색은 카라멜 반응이며, 마이야르 반응과 비슷하지만 다른 반응이다. 또한, 탄 것은 마이야르 반응이라기보다는 탄화이다.

5. 2. 고고학

마이야르 반응은 이탄 습지에 시신이 보존될 때 발생한다. 산성 이탄 환경은 피부색을 무두질되거나 갈색으로 변하게 하며, 머리카락을 붉은색 또는 생강색조로 바꿀 수 있다. 이러한 화학적 메커니즘은 음식의 갈변 현상과 동일하지만, 습지 시신에 대한 산성 작용으로 인해 시간이 지남에 따라 천천히 진행된다. 이는 일반적으로 철기 시대 시신에서 발견되며, 1991년 페인터(Painter)에 의해 혐기성, 산성, 차가운(일반적으로 4°C) 스파그눔 산이 다당류에 미치는 상호 작용으로 묘사되었다.

마이야르 반응은 고분변의 보존에도 기여한다.^[16]

5. 3. 생체 내 반응

생체 내에서도 마이야르 반응이 일어나며, 이는 노화 현상과 관련이 있는 것으로 알려져 있다. 당뇨병 환자에게서 보이는 갈색 반점, 백내장, 혈관 조직의 열화 등은 마이야르 반응과 관련이 있을 수 있다.^[32]^[33]^[34]

당뇨병 환자에게서 보이는 갈색 반점 형성에는 생체 내에서 일어나는 마이야르 반응이 관여하는 것으로 보인다. 갈색 반점의 원인이 되는 색소에는 '''AGEs(최종 당화 산물)'''이 포함되어 있는데, 이들은 멜라노이딘의 전구 물질로 추정된다. 또한, 당뇨병 환자에게서 나타나는 백내장이나 혈관 조직의 열화는 포도당의 알데히드기와 결정성 단백질, 엘라스틴, 콜라겐과 같은 장수명 단백질의 아미노기가 중합 반응을 일으켜 단백질이 변성되는 마이야르 반응 때문에 발생한다.

탄수화물을 섭취하면 소장에서 포도당으로 분해되어 다량의 포도당이 체내에 흡수된다. 체내 포도당은 에너지원으로 중요하지만, 고농도의 포도당은 알데히드기의 반응성이 높아 생체 내 단백질과 반응하여 유해한 작용을 일으킨다. 따라서 인슐린 분비를 통해 체내 혈당 농도가 항상 일정 범위로 유지된다. 그러나 인슐린에 의한 혈당 조절 기능이 망가지면 고혈당으로 인해 생체 조직과 마이야르 반응이 일어나 당뇨병성 신경병증, 당뇨병성 망막증, 당뇨병성 신증과 같은 미세 혈관 장애, 즉 당뇨병 합병증이 발생한다.

항노화 의학의 발달로 체내에서 일어나는 마이야르 반응이 노화를 촉진하는 '몸의 당화' 현상임이 밝혀졌다.

노화와 깊이 관련된 콜라겐의 당화 반응은 피부 탄력을 떨어뜨리고 뼈의 질(골 강도)을 저하시킨다. 또한, 당화된 노폐물이 축적되면 백내장이나 동맥경화(고혈압)가 진행되는 등 노화의 뚜렷한 특징들이 나타난다. 알츠하이머병이 뇌내 아미노산의 당화 현상이라는 설도 존재한다. 몸의 당화는 당뇨병 합병증 및 대사 증후군과도 깊은 관련이 있다.

항당화 케어는 노화 방지 및 건강 유지에 중요한 역할을 할 수 있다. 섭취 칼로리를 적절히 조절하고, 급격하게 혈당을 올리지 않는 GI (글리세믹 지수)를 고려한 식생활을 통해 항당화 케어가 가능하다. 예를 들어 채소를 먼저 먹으면 혈당의 급격한 상승을 억제하여 몸의 당화를 막을 수 있다. 약모밀차, 차즈기 잎차 등 건강차는 콜라겐 당화를 억제하는 효과가 뛰어나다. 로만 카모마일, 서양 산사나무, 벚나무 등도 항당화 작용을 하는 식품으로 알려져 있다.^[32]^[33]^[34]

6. 빵 관련 도구 및 과정

빵 관련 과정에는 자기소화, 굽기, 발효, 비엔나 과정 등이 있다. 마이야르 반응은 빵을 만드는 과정 중 하나이다.^[1]

6. 1. 도구

6. 2. 과정

마이야르 반응은 아미노산과 환원당 사이의 화학 반응으로, 음식에 독특한 풍미를 부여한다. 빵을 구울 때 표면이 갈색으로 변하는 현상이 바로 마이야르 반응의 대표적인 예시이다.

7. 빵의 활용

참조

_[1] 논문 Action des acides amines sur les sucres; formation de melanoidines par voie méthodique https://babel.hathit[...] 1912
_[2] 서적 Advances in Food Research Academic Press 1986
_[3] 웹사이트 Why So Many Recipes Call for a 350-Degree Oven https://www.tastingt[...] 2017-09-29
_[4] 웹사이트 Here's How to Sear a Steak to Perfection https://homecookworl[...] 2021-09-06
_[5] 논문 Analysis of acrylamide, a carcinogen formed in heated foodstuffs 2002
_[6] 논문 Food Processing and Maillard Reaction Products: Effect on Human Health and Nutrition. 2015
_[7] 논문 Maillard Reactions: Nonenzymatic Browning in Food Systems with Special Reference to the Development of Flavor https://www.scienced[...] Academic Press 1986-05-19
_[8] 논문 Dehydrated Foods, Chemistry of Browning Reactions in Model Systems 1953
_[9] 논문 The Maillard Reaction Turns 100 http://cen.acs.org/a[...] 2012-10-01
_[10] 논문 An expeditious, high-yielding construction of the food aroma compounds 6-acetyl-1,2,3,4-tetrahydropyridine and 2-acetyl-1-pyrroline 2005
_[11] 서적 On Food and Cooking: The Science and Lore of the Kitchen Scribner 2004
_[12] 논문 Dried-Fruit Storage: An Analysis of Package Headspace Atmosphere Changes 2019-02-04
_[13] 서적 Champagne: The Essential Guide to the Wines, Producers, and Terroirs of the Iconic Region Ten Speed Press 2017
_[14] 뉴스 The Maillard reaction: What it is and why it matters https://www.washingt[...] 2020-01-31
_[15] 웹사이트 Grass Silage Stability and Maillard Silage https://www.fcgagric[...] 2017-05-02
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_[32] 웹사이트 抗糖化って知っていますか https://web.archive.[...]
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