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녹말

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목차

1. 개요

녹말은 녹두 가루를 뜻하는 말에서 유래되었으며, 식물에서 얻는 다당류의 일종이다. 아밀로스와 아밀로펙틴으로 구성되며, 식물의 에너지 저장 형태로 사용된다. 녹말은 분자 구조에 따라 아밀로스와 아밀로펙틴으로 나뉘며, 광합성을 통해 생성되고 생합성 및 분해 과정을 거친다.

녹말은 다양한 식물에서 추출되며, 옥수수, 밀, 감자, 고구마 등이 주요 원료이다. 식품, 제지, 섬유, 제약 등 다양한 산업 분야에서 활용되며, 식품 산업에서는 감미료, 증점제, 안정제 등으로 사용된다. 또한 제지 산업에서는 종이의 강도와 인쇄성을 높이는 데 사용되고, 섬유 산업에서는 옷감의 풀 먹임, 날실의 풀 먹임, 섬유 인쇄 증점제로 활용된다.

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녹말 - [화학 물질]에 관한 문서
개요
물과 섞인 옥수수 전분
물과 섞인 옥수수 전분
라틴어amylum 아밀룸
영어starch 스타치
화학식(C6H10O5)n+(H2O) (물 포함)
몰 질량가변적
외관흰색 분말
밀도가변적
용해도불용성 (호화 참조)
녹는점분해
위험성
자동 발화점410 °C
노출 기준 (PEL)TWA 15 mg/m³ (총량), TWA 5 mg/m³ (호흡성)
열화학
연소열 (높은 발열량)4.1788 kcal/g (17.48 kJ/g)

2. 어원

"녹말(綠末)"이라는 낱말은 원래 녹두가루(녹두에서 얻은 녹말가루)를 뜻하는 말이었으나, 의미가 확장되며 다른 식물에서 얻은 녹말도 아울러 지칭하게 되었다.

영어 "starch"는 "강한(strong), 뻣뻣한(stiff), 강화하다(strengthen), 뻣뻣해지다(stiffen)"라는 의미의 게르만어 어근에서 유래된 단어이다.[85] 현대 독일어 "Stärke(녹말)"와 관련되어 있다.

그리스어 "amylon(ἄμυλον)"도 관련이 있으며, "제분되지 않은"을 의미한다. 이는 생화학에서 녹말과 관련되거나 녹말로부터 유도된 몇 가지 5탄소 화합물(예: 아밀 알코올)에 대한 접두사 "amyl-"로 사용된다.

3. 역사

3만 년 전 유럽에서 부들(땅속줄기)을 맷돌로 갈아 녹말 가루를 얻은 것이 확인되었다.[86] 수수새의 녹말은 10만 년 전에 모잠비크의 Ngalue 동굴의 멧돌에서 발견되었다.[87]

밀에서 순수하게 추출된 녹말 반죽은 고대 이집트에서 파피루스를 접착하는데 사용했을 가능성이 있다.[88] 녹말의 추출은 77~79년 경에 대플리니우스의 《박물지》(Natural History)에서 처음으로 기술되었다.[89] 로마인들은 화장용 크림, 머리에 뿌리는 가루, 소스를 걸쭉하게 만드는 데 녹말을 사용했다. 페르시아인들과 인도인들은 할와와 비슷한 요리를 만들기 위해 녹말을 사용했다. 700년 이후로 중국에서 종이 생산 시 종이의 표면 처리를 위해 쌀 녹말을 사용해 왔다.[90] 8세기 중반, 아랍 세계에서 밀 녹말을 이용한 사이징 처리가 시작되었다.

4. 분자 구조

아밀로스는 완전하게 가지가 없는 구조라고 생각했었지만, 지금은 아밀로스 분자들의 일부에서 몇몇 분지점을 가지고 있는 것으로 파악되고 있다.[107] 아밀로스는 아밀로펙틴보다 훨씬 더 작은 분자이다. 식물에서 녹말 과립의 약 4분의 1은 아밀로스로 구성되어 있는데, 아밀로스의 분자수는 아밀로펙틴의 분자수보다 약 150배가 많다.

전분은 그 구조에 따라 아밀로스와 아밀로펙틴으로 나뉜다. 아밀로스는 직쇄상의 분자로 분자량이 비교적 작고, 아밀로펙틴은 가지가 많은 분자로, 분자량이 비교적 크다. 전분의 직쇄 부분은 글루코스가 α1-4 결합으로 연결된 것이고, 분기는 직쇄 중간에서 글루코스의 α1-6 결합에 의한 것이다. 아밀로스는 거의 분기를 갖지 않지만, 아밀로펙틴은 평균적으로 글루코스 잔기 약 25개에 1개의 비율로 α1-6 결합에 의한 분지 구조를 갖는다(직쇄 부분의 길이는 18~24잔기, 분기 간격은 5~8잔기). 또한 아밀로스 중에는 α1-6 결합을 갖는 것도 소량 존재하며, 중간체라고 불린다. 한편, 동물에서 저장 다당류로 알려진 글리코겐은 아밀로펙틴보다 훨씬 분기가 많아, 3잔기마다 한 번의 분기(직쇄 부분의 길이는 12~18잔기, 분기 끝이 더욱 분기하여 망목 구조를 이룬다)를 이루며, 아밀로스나 아밀로펙틴과는 구별된다. 옥수수 씨앗 등에서도 이 글리코겐의 과립이 존재한다.

α-글루코스 분자가 직쇄상으로 중합된 부분은 수소 결합에 의해 α-글루코스 잔기 6개로 약 1바퀴의 나선 구조를 이룬다. 또한 나선 구조끼리도 서로 수소 결합을 통해 평행으로 정렬되어 결정 구조를 갖는다. 분자는 이중 나선 상태에서의 결정과 단일 나선 상태에서의 결정을 만들 수 있다. 먼저 이중 나선 상태의 결정에는 서로의 글루코스 잔기 위의 수산기끼리 직접 수소 결합을 형성하는 타입(A형. 옥수수 전분 등의 곡물 유래의 것이 이 형태), 사이에 물 분자 한 층을 끼우는 타입(B형. 감자 등의 뿌리줄기·구근 유래의 것이 이 형), 양자의 혼합된 타입(C형. 뿌리 유래의 것)이 있다. 또한 단일 나선 상태의 결정은 V형이라고 불리며, 천연에서는 전분 과립에 포함된 유지 성분이 아밀로스의 단일 나선 안에 포접된 포접 착체로서 존재하고 있다.

5. 생합성 및 분해

대부분의 녹색 식물은 에너지를 저장하기 위해 녹말을 사용한다. 식물에서 남는 포도당은 녹말 형태로 바뀐다. 국화과 식물(참취속, 데이지, 해바라기 등)은 녹말 대신 프럭탄의 일종인 이눌린으로 에너지를 저장하는데, 밀, 양파, 마늘, 바나나, 아스파라거스에도 이눌린이 있다.[92]

광합성 과정에서 식물은 빛에너지를 이용하여 이산화 탄소로부터 포도당을 만든다. 포도당은 물질대사에 필요한 화학 에너지를 생성하고, 핵산, 지질, 단백질 같은 유기 화합물을 합성하는 데 사용된다. 또한 셀룰로스와 같은 구조 다당류를 만들거나 녹말체에 녹말 과립 형태로 저장된다. 생장기가 끝날 무렵, 나뭇가지의 눈(bud)에 녹말이 축적된다. 열매, 씨, 땅속줄기, 덩이줄기는 다음 생장 시기를 대비해 녹말을 저장한다.

포도당은 물에 잘 녹고 친수성이며, 물과 결합하여 많은 공간을 차지하고 삼투압에 영향을 준다. 반면 녹말은 물에 녹지 않아 삼투압에 영향을 주지 않으며, 훨씬 더 빽빽하게 저장할 수 있다.

녹말의 포도당 분자들은 쉽게 가수분해될 수 있는 α-글리코사이드 결합으로 연결되어 있다. 동물의 저장 다당류인 글리코젠에서도 같은 종류의 결합이 발견된다. 이와 달리 키틴, 셀룰로스, 펩티도글리칸과 같은 구조 다당류들은 β-글리코사이드 결합으로 연결되어 있어 가수분해가 어렵다.[93]

녹말체가 있는 감자 세포


감자의 세포 내 녹말 입자


옥수수 씨앗 배아 단계의 배유 속 녹말


식물은 광합성을 통해 이산화 탄소와 물로부터 포도당을 생성한다. 포도당은 대사에 필요한 화학 에너지를 생성하고, 핵산, 지질, 단백질, 셀룰로스와 같은 유기물 생성에 사용된다. 식물 잎에서 낮 동안 합성된 녹말은 밤에 에너지원으로 사용된다. 불용성이며 고도로 분지된 녹말 사슬은 분해 효소가 접근할 수 있도록 인산화되어야 한다. 알파-글루칸, 워터 다이키네이스(GWD)는 α(1→6) 글리코사이드 결합으로 연결된 사슬에 인접한 포도당 분자의 6번 탄소(C-6)를 인산화시킨다. 포스포글루칸, 워터 다이키네이스(PWD)는 포도당 분자의 3번 탄소(C-3)를 인산화시킨다.[102]

녹말의 분해 산물은 주로 엿당이며,[104] 적은 양의 포도당도 생성된다. 엿당은 엿당 운반체를 통해 색소체로부터 세포질로 운반되며, 돌연변이가 발생하면(MEX1-돌연변이) 색소체에 엿당이 축적된다.[105] 포도당은 색소체의 포도당 운반체(plastidic glucose translocatorp GlcT)를 통해 세포질로 운반된다.[106] 포도당은 수크로스 합성을 위한 전구물질 역할을 한다. 수크로스는 밤에 ATP를 생성하기 위해 미토콘드리아에서 산화적 오탄당 인산 경로에 사용될 수 있다.[103]

식물은 저장 조직(곡물의 배유, 카사바, 감자와 같은 저장 뿌리와 줄기)과 녹색 조직(잎) 두 가지 유형의 조직에서 녹말을 합성한다. 두 가지 유형의 조직 모두에서 녹말은 색소체(아밀로플라스트와 엽록체)에서 합성된다.

생화학적 경로는 효소 글루코스-1-인산 아데닐릴전달효소를 사용하여 글루코스 1-인산을 ADP-글루코스로 변환하는 것을 포함한다. 이 단계에는 ATP 형태의 에너지가 필요하다. 플라스티드에서 이용 가능한 여러 개의 녹말 합성 효소는 α-1,4-글리코사이드 결합을 통해 ADP-글루코스를 성장하는 포도당 잔기 사슬에 추가하여 ADP를 방출한다.

녹말은 식물의 색소체에서 생합성되며, 특히 녹말 합성이 활발하여 녹말을 저장하는 색소체를 아밀로플라스트라고 한다. 세포질에서 색소체로 수송된 글루코스-1-인산, 글루코스-6-인산 및 ADP-글루코스는 색소체 내에서 최종적으로 ADP-글루코스가 되며, ADP-글루코스의 글루코스 잔기는 녹말 합성 효소에 의해 신장 중인 아밀로스 또는 아밀로펙틴의 비환원 말단의 글루코스 잔기의 4번 수산기와 탈수 축합하여 새로운 α-1,4 글루코시드 결합을 형성하여 섭취된다.

전분 수용액에 요오드 용액(요오드 요오드화 칼륨 용액)을 가하면, 전분 분자의 나선 구조 길이에 따라 청색 ~ 적색을 띠는 민감한 화학 반응이 나타난다. 이 반응은 나선 구조 내부에 요오드 분자가 들어가기 때문에 일어난다. 수용액을 가열하면 나선 구조에서 요오드 분자가 떨어져 나가므로 발색이 사라진다.

요오드 전분 반응은 식품 위생 분야에서 전분 오염에 대한 식기 등의 세척 효과 확인 검사에 사용되며,[74] 초등학교와 중학교의 생물(주로 식물) 관련 실험에 많이 사용된다.

직쇄의 길이와 발색의 관계
사슬 길이(포도당 잔기)나선 길이발색
122무색
12〜152갈색
20〜303〜5적색
35〜406〜7자색
459청색


5. 1. 생합성

식물은 포도당 1-인산 아데닐릴트랜스퍼레이스를 사용하여 포도당 1-인산을 ADP-포도당으로 전환시킴으로써 녹말을 생성한다. 이 단계는 ATP 형태의 에너지를 필요로 한다.[94] 그런 다음 녹말 생성효소는 ADP-포도당을 α(1→4) 글리코사이드 결합을 통해 포도당 잔기의 성장하는 사슬에 첨가시켜, ADP를 유리시키고 아밀로스를 생성한다. 녹말이 합성될 때는 아밀로스의 비환원 말단에 ADP-포도당이 사용되는 반면 글리코젠이 합성될 때는 글리코젠의 비환원 말단에 UDP-포도당이 사용된다.[94]

녹말 분지효소(starch branching enzyme)는 아밀로스 사슬들을 α(1→6) 글리코사이드 결합으로 연결시켜 분지된 아밀로펙틴을 생성한다. 녹말 탈분지효소(starch debranching enzyme)인 아이소아밀레이스는 이러한 가지들 중 일부를 제거한다. 이러한 효소들의 몇 가지 동질효소가 존재하며 매우 복잡한 합성 과정을 유도한다.[95]

식물에서의 녹말 합성 외에도 녹말은 효소 칵테일에 의해 매개되는 음식물이 아닌 것으로부터 합성될 수 있다.[98] 이러한 무세포 생물계(cell-free biosystem)에서 β(1→4) 글리코사이드 결합으로 연결된 셀룰로스는 부분적으로 가수분해되어 셀로비오스를 형성한다. 셀로비오스는 셀로비오스 포스포릴레이스에 의해 포도당 1-인산과 포도당으로 분해된다. 다른 효소인 감자의 α-글루칸 포스포릴레이스는 포도당 1-인산으로부터 포도당 단위를 녹말의 비환원 말단으로 첨가시킬 수 있다. 이 과정에서는 인산기가 내부적으로 재활용된다. 다른 생성물인 포도당은 효모에 의해 동화될 수 있다. 이러한 무세포 바이오프로세싱(cell-free bioprocessing)은 값비싼 화학 물질과 에너지의 투입을 필요로 하지 않고, 수용액에서 수행할 수 있으며, 당을 소실하지 않는다.[99][100][101]

5. 2. 분해

식물 잎에서 하루 동안 합성된 녹말은 과립 형태로 저장되며, 밤에는 에너지원으로 사용된다. 불용성이며 가지가 많은 녹말 사슬은 분해 효소가 접근할 수 있도록 인산화되어야 한다. 알파-글루칸, 워터 다이키네이스(GWD)는 α(1→6) 글리코사이드 결합으로 연결된 사슬에 인접한 포도당 분자의 6번 탄소(C-6)를 인산화시킨다.[29] 포스포글루칸, 워터 다이키네이스(PWD)는 포도당 분자의 3번 탄소(C-3)를 인산화시킨다.[29]

베타-아밀레이스(BAM)는 녹말의 비환원 말단에서 포도당 사슬을 공격하여 주 생성물로 말토스를 방출한다.[29] 포도당 사슬이 3개 이하의 분자로 구성된 경우, 베타-아밀레이스는 말토스를 방출할 수 없다. 불균등화 효소-1(DPE1)은 두 개의 말토트라이오스 분자를 결합시켜 포도당 분자를 방출한다.[29] 이제 베타-아밀레이스는 나머지 사슬에서 다른 말토스 분자를 방출할 수 있으며, 이 순환은 녹말이 완전히 분해될 때까지 반복된다. 베타-아밀레이스가 포도당 사슬의 인산화된 분지점에 가까워지면 더 이상 말토스를 방출할 수 없다. 인산화된 사슬을 분해하기 위해서는 아이소아밀레이스(ISA) 효소가 필요하다.[29]

녹말 분해 생성물은 주로 말토스이며,[30] 소량의 포도당도 생성된다. 이 분자들은 말토스 수송체를 통해, 포도당은 엽록체 포도당 수송체(pGlcT)를 통해 색소체에서 세포질로 수송된다.[31] 이 두 가지 당은 수크로스 합성에 사용된다. 수크로스는 이후 밤에 ATP를 생성하기 위해 미토콘드리아에서 산화적 펜토스 인산 경로에 사용될 수 있다.[29]

6. 물리적, 화학적 성질

식물은 광합성을 통해 이산화 탄소와 물로부터 포도당을 생성한다. 포도당은 대사에 필요한 화학 에너지를 생성하고, 핵산, 지질, 단백질, 셀룰로스와 같은 유기물 생성에 사용된다. 대부분의 녹색 식물은 여분의 포도당을 녹말 형태로 저장하며, 이는 아밀로플라스트라고 하는 반결정 과립에 포장된다.[13] 열매, 씨앗, 뿌리줄기, 덩이줄기는 다음 생육기를 위해 녹말을 저장한다.[14]

포도당은 많은 공간을 차지하고 삼투적으로 활성화되지만, 녹말은 불용성이므로 삼투적으로 비활성이며 훨씬 더 조밀하게 저장할 수 있다. 반결정 과립은 식물 내에서 세포의 요구에 따라 아밀로스와 아밀로펙틴의 동심원 층으로 구성된다.[16]

녹말은 그 구조에 따라 아밀로스와 아밀로펙틴으로 나뉜다. 아밀로스는 α-1,4-배당체 결합으로 연결된 긴 사슬의 포도당 분자로 구성된다. 아밀로펙틴은 α-1,6-배당체 결합으로 연결된 포도당 분자로 구성되어 분지도가 높다. 글리코겐은 아밀로펙틴보다 분기가 더 많다.[17]

α-글루코스 분자가 직쇄상으로 중합된 부분은 수소 결합에 의해 α-글루코스 잔기 6개로 약 1바퀴의 나선 구조를 이룬다. 나선 구조끼리도 서로 수소 결합을 통해 평행으로 정렬되어 결정 구조를 갖는다. 분자는 이중 나선 또는 단일 나선 상태의 결정을 만들 수 있다. 이중 나선 상태의 결정에는 A형(옥수수 전분 등), B형(감자 등), C형(뿌리 유래)이 있다. 단일 나선 상태의 결정은 V형이라고 불린다.

녹말 수용액에 묽은 황산을 첨가하여 가열하면 덱스트린, 말토스를 거쳐 포도당까지 분해된다.

6. 1. 물리적 성질

아밀로스와 아밀로펙틴 모두 흰색의 입자상 분말로, 무미, 무취이다. 아밀로스는 열수에 녹지만, 아밀로펙틴은 녹지 않는다.[107] 녹말은 온도가 올라가면 물에 녹는다. 녹말 과립이 팽창하고 파열되면 반결정성 구조가 사라지고 작은 아밀로스 분자들이 과립으로부터 스며나오기 시작하여 물 분자들을 붙잡아두는 네트워크를 형성하고 혼합물의 점성을 증가시킨다. 이 과정을 녹말의 호화라고 부른다.

식물에서 녹말 분자는 반결정성 과립으로 저장되며, 녹말 과립의 크기는 각각의 식물 종들마다 다르다. 쌀의 녹말 과립은 상대적으로 작은(약 2μm) 반면에 감자 녹말 과립은 상대적으로 크다(100μm 이상).[107]

편광하에서 800배 확대로 본 녹말. 특징적인 십자 모양이 보인다.


광학 현미경으로 관찰한 쌀녹말. 쌀녹말의 특징은 녹말 과립이 각진 윤곽을 가지며, 그 중 일부는 서로 붙어서 더 큰 과립을 형성하는 것이다.

6. 2. 호화와 노화

전분을 물에 현탁하여 가열하면 전분 입자는 물을 흡수하여 팽창하고, 전분 입자가 붕괴되어 겔(gel)상으로 변화하는데, 이러한 현상을 호화라고 한다.[73] 요리 과정에서 녹말은 페이스트가 되어 점성이 더 높아진다.

호화된 전분 용액을 냉각하면 풀액은 차츰 백탁해지고, 물을 유리하여 불용 상태가 된다. 이것을 노화라고 부른다.[73] 전분 풀액의 노화는 물 속에 분산된 전분 분자가 다시 결정화됨으로써 일어난다. 다만, 완전히 원래의 상태로 돌아가는 것은 아니다.[73] 빵과 같이 전분을 원료로 포함하는 식품이 시간이 지나면 딱딱해지는 주요 원인이 바로 노화 현상이다.

일반적으로 아밀로펙틴 함량이 많은 전분 입자에서는 호화 온도가 낮고, 점도(팽윤도), 보수력이 높고, 노화되기 어려운 성질이 있다.[73] 이는 직쇄상의 아밀로스보다 가지가 많은 아밀로펙틴 쪽이 전분 분자 간에 수소 결합이 일어나기 어렵기 때문이라고 생각된다.

같은 전분이라도 기원 식물에 따라 각각 노화가 일어나기 쉬운 정도가 다르다. 예를 들어 타피오카, 칡, 감자 유래의 것에서는 노화가 일어나기 어려움의 순서는 타피오카 > 감자 > 칡이 된다. 아밀로스에서는 타피오카 > 감자 > 칡의 순으로 노화가 일어나기 어렵고, 아밀로펙틴에서는 칡 > 타피오카 > 감자가 된다.

아밀로스의 경우, 무게 평균 중합도가 작은 순서와 일치하며, 중합도가 수천인 고분자 아밀로스에서는 중합도가 큰 분자일수록 노화성이 낮다고 생각된다. 중합도가 높으면 한 분자 내에서 수소 결합을 만들기 쉬워지고, 전분 분자 간의 수소 결합에 의한 규칙적 결정 구조(β형)를 취하기 어렵다고 생각되기 때문이다. 타피오카의 아밀로스 가지가 감자의 것보다 많다는 것도 영향을 주는 것으로 보인다. 아밀로펙틴의 경우, 감자 아밀로펙틴의 평균 사슬 길이가 칡과 타피오카의 것보다 2.8 잔기 길다. 이로 인해 아밀로펙틴은 단순하게 긴 쪽이 수소 결합을 하기 쉬우므로 노화되기 쉽다고 생각된다.

노화를 방지하는 방법으로, 트레할로스나 말토스 등의 당류가 사용되고 있다. 이는 전분 분자와 구조가 비슷한 당류를 사용함으로써 인터칼레이션을 일으키고, 규칙적 결정 구조를 취하기 어렵게 하여 노화를 방지하고 있다고 생각된다.

6. 3. 화학적 성질

아이오딘과 아이오딘화 칼륨을 혼합하여 생성되는 트라이아이오다이드 (I3−) 용액은 녹말 검사에 사용된다. 이 무색 용액은 녹말이 있으면 짙은 파란색으로 변하는데,[70] 이는 생성되는 파란색의 강도가 아밀로스의 양에 따라 달라지기 때문이다. 아밀로스가 거의 또는 전혀 없는 왁스 전분은 빨간색으로 변색된다. 베네딕트 반응과 펠링 반응도 전분의 존재를 확인하는데 사용된다.

아이오딘으로 염색한 밀 전분 과립. 광학 현미경으로 촬영


녹말은 그 구조에 따라 아밀로스와 아밀로펙틴으로 나뉜다. 아밀로스는 직쇄상 분자로 분자량이 비교적 작고, 아밀로펙틴은 가지가 많은 분자로 분자량이 비교적 크다. 아밀로스와 아밀로펙틴은 성질이 다르지만, 전분에는 두 가지 모두 존재한다. 전분의 직쇄 부분은 글루코스가 α1-4 결합으로 연결된 것이고, 분기는 직쇄 중간에서 글루코스의 α1-6 결합으로 이루어진다. 아밀로스는 거의 분기가 없지만, 아밀로펙틴은 평균적으로 글루코스 잔기 약 25개에 1개 비율로 α1-6 결합에 의한 분지 구조를 갖는다. (직쇄 부분의 길이는 18~24잔기, 분기 간격은 5~8잔기) 또한 아밀로스 중에는 α1-6 결합을 갖는 것도 소량 존재하며, 이를 중간체라고 부른다. 한편, 동물에서 저장 다당류로 알려진 글리코겐은 아밀로펙틴보다 훨씬 분기가 많아 3잔기마다 한 번씩 분기한다. (직쇄 부분의 길이는 12~18잔기, 분기 끝이 더욱 분기하여 망목 구조를 이룬다) 이 때문에 글리코겐은 아밀로스나 아밀로펙틴과는 구별된다. 옥수수 씨앗 등에서도 글리코겐 과립이 존재한다.

α-글루코스 분자가 직쇄상으로 중합된 부분은 수소 결합에 의해 α-글루코스 잔기 6개로 약 1바퀴의 나선 구조를 이룬다. 또한 나선 구조끼리도 서로 수소 결합을 통해 평행으로 정렬되어 결정 구조를 갖는다. 분자는 이중 나선 상태의 결정과 단일 나선 상태의 결정을 만들 수 있다. 이중 나선 상태의 결정에는 글루코스 잔기 위의 수산기끼리 직접 수소 결합을 형성하는 타입(A형, 옥수수 전분 등의 곡물 유래), 물 분자 한 층을 사이에 끼우는 타입(B형, 감자 등의 뿌리줄기·구근 유래), 양자가 혼합된 타입(C형, 뿌리 유래)이 있다. 단일 나선 상태의 결정은 V형이라고 불리며, 천연에서는 전분 과립에 포함된 유지 성분이 아밀로스의 단일 나선 안에 포접된 포접 착체로서 존재한다.

녹말 수용액에 묽은 황산을 첨가하여 가열하면 덱스트린, 말토스를 거쳐 포도당까지 분해된다.

7. 종류

녹두 녹말

밀 녹말: 원래 중국 요리에서 덤플링이나 만두의 외피를 만드는 데 쓰여 온 밀가루의 일종이다. 이 분말은 베트남 요리에도 쓰이며, ''bột lọc trong'' 이라고 불린다.

감자 녹말: 덩이줄기를 갈아 낸 뒤 펄프로 만든 다음 물로 세척하여 섬유 조직을 제거하여 만든다. 말린 제품은 주로 녹말로 이루어져 있지만 단백질도 일정량 포함하고 있다. 농후제로도 쓰인다. 끓을 때까지 데우면 물 속에 감자 부유물이 붙은 음식은 빠르게 부풀어 오른다. 곡물이나 콩으로 만든 것이 아니므로 곡물이 익지 않은 유월절 기간에 유대인들이 요리를 할 때 밀가루를 대체하는 데 쓰인다.


  • * 추뇨가루는 말린 감자로 만들며, 남아메리카에서 사용된다.


고구마 녹말

옥수수 녹말

칡 녹말

카사바 녹말

쌀 녹말

감자 녹말


8. 산업적 응용

EU의 전분 산업은 2011년에 약 1천 1백만 톤을 생산했으며, 이 중 약 40%는 산업용, 60%는 식품용으로 사용되었고,[65] 식품용의 대부분은 포도당 시럽으로 사용되었다.[33] 2017년 EU 생산량은 1천 1백만 톤이었으며, 이 중 940만 톤이 EU에서 소비되었고, 이 중 54%가 전분 감미료였다.[34]

미국은 2017년에 약 2천 750만 톤의 전분을 생산했으며, 이 중 약 820만 톤은 고과당 시럽, 620만 톤은 포도당 시럽, 250만 톤은 전분 제품이었다. 나머지 전분은 에탄올 생산에 사용되었다(16억 갤런).[35][36]

전분 산업은 습식 분쇄, 세척, 체질 및 건조를 통해 작물에서 전분을 추출하고 정제한다. 오늘날 주요 상업용 정제 전분은 옥수수 전분, 타피오카, 화살뿌리,[37] 밀, 쌀 및 감자 전분이다. 덜 쓰이는 전분 원료로는 고구마, 사고 및 녹두가 있다. 오늘날까지 50종 이상의 식물에서 전분을 추출한다.

조전분은 산업적 규모로 가공되어 말토덱스트린과 포도당 시럽 및 과당 시럽을 만든다. 이러한 대규모 전환은 다양한 효소에 의해 매개되며, 효소는 전분을 다양한 정도로 분해한다. 여기서 분해는 가수분해, 즉 물을 첨가하여 당 하위 단위 사이의 결합을 절단하는 것을 포함한다. 일부 당은 이성질화된다. 이 과정은 액화 및 당화의 두 단계로 일어나는 것으로 설명되어 왔다. 액화는 전분을 덱스트린으로 변환하며, 아밀라아제가 덱스트린을 생산하는 핵심 효소이다. 당화는 덱스트린을 말토오스와 포도당으로 변환한다. 이 두 번째 단계에서는 풀루라나아제 및 기타 아밀라아제를 포함한 다양한 효소가 사용된다.[38]

식물은 세포 내에 전분 입자를 저장하고 있으며, 이를 추출하기 위해서는 기본적으로 식물 세포의 세포벽을 파괴해야 한다. 원료로 하는 식물의 종류나 용도에 따라 단백질 또는 지질의 제거가 필요할 때도 있다.

원료가 되는 식물로는 감자, 밀, 옥수수, 고구마, 쌀, 카사바, 칡, 녹두, 사고 야자, 고사리, 큰연령초 등 다양한 것이 사용되고 있다. 이용되는 식물의 부위는 뿌리, 줄기, 종자 및 과실이다. 뿌리 및 줄기에서 전분 입자를 추출하는 것은 비교적 용이하지만, 종자·과실(특히 종자)에서 추출하는 것은 단백질이나 지질의 분리 조작이 필요한 경우가 많다.

녹말의 산업적 응용은 매우 광범위하며, 다음과 같이 요약할 수 있다.


  • 고분자 특성 이용:
  • 의약품 제조: 형태 안정화를 위한 기재로 사용
  • 섬유: 호화 전분, 가공 전분 이용 (풀)
  • 제지: 가공 전분 이용
  • 접착제: 호화 전분, 가공 전분 이용
  • 발효 원료:
  • 알코올 음료 양조
  • 아미노산이나 다당류 등의 미생물 생산

이용 형태:

  • 전분 그대로 이용
  • 호화・노화시켜 이용
  • 화학적 처리:
  • 가수 분해물 이용: 올리고당, 포도당, 이성화당, 덱스트린, 말토덱스트린, 사이클로덱스트린
  • 가공 전분(화공 전분)
  • 물리적 처리:
  • 습열 처리 전분
  • 고주파 처리 전분
  • 방사선 처리 전분
  • 기타:
  • 마블 프린트(염색): 풀처럼 반죽한 전분 가루에 염료를 섞어 도안을 만들어 섬유에 압착하여 염색. 1930년대에 독일에서 고안되었지만, 2014년 시점에서 이 기법을 사용하고 있는 것은 세계에서 교토의 주식회사 마블 프린트 1개사 뿐이다.[77][78]

8. 1. 식품 산업

녹말을 원료로 하는 감미료들을 총칭하여 녹말당이라고 한다. 녹말은 산, 다양한 효소들 또는 이들의 조합에 의해 보다 간단한 탄수화물로 가수분해될 수 있다. 생성된 단편은 덱스트린으로 알려져 있다. 전환된 정도는 일반적으로 덱스트로스 당량(dextrose equivalent, DE)에 의해 정량화되며, 이는 분해된 녹말에서 글리코사이드 결합의 대략적인 분율이다.[118]

이러한 녹말당은 가장 일반적인 녹말 기초 식품 성분이며, 많은 음료와 식품에서 감미료로 사용된다. 녹말당은 다음을 포함한다.

  • 말토덱스트린: 약간 가수분해된(DE: 10~20) 녹말 제품으로 블랜드-테이스팅 필러 및 증점안정제로 사용된다.
  • 다양한 포도당 시럽(DE: 30~70): 여러 종류의 가공 식품에서 감미료 및 증점안정제로 사용되는 점성이 있는 용액이다. 미국에서는 옥수수 시럽이라고도 불린다.
  • 덱스트로스(DE: 100): 녹말의 완전한 가수분해에 의해 제조된 상업적인 포도당이다.
  • 고과당 옥수수 시럽: 포도당의 상당 부분이 과당으로 전환될 때까지 포도당 이성질화효소로 덱스트로스 용액을 처리하여 만들어진다. 미국에서 설탕 가격은 다른 나라들보다 2~3배 높다.[119] 고과당 옥수수 시럽은 상당히 저렴하며 가공식품과 음료에 사용되는 주된 감미료이다.[120] 또한 과당은 미생물학적인 안정성이 더 뛰어나다. 고과당 옥수수 시럽(HFCS)의 한 종류인 HFCS-55는 더 많은 과당으로 만들어지기 때문에 수크로스보다 더 단맛이 나는 반면 HFCS-42의 단맛은 수크로스와 비슷하다.[121]
  • 말티톨, 에리트리톨, 소르비톨, 만니톨 및 수소화된 녹말 가수분해물과 같은 당알코올: 환원당에 의해 만들어진 감미료이다.


화공 녹말은 고열, 고전단, 낮은 pH, 동결/해동 및 냉각과 같은 가공 또는 저장 과정 중에 빈번하게 발생하는 조건 하에서 녹말이 적절하게 기능할 수 있도록 화학적으로 변형된 녹말이다.

화공 녹말들은 식품 첨가물에 대한 국제 식품 규격 위원회에 따라 E 코드화된다(INS).[122]

INS 번호이름
1400덱스트린
1401산 처리 녹말
1402알칼리 처리 녹말
1403표백 녹말
1404산화 녹말
1405효소 처리 녹말
1410인산 일녹말
1412인산 이녹말
1413인산화 인산 이녹말
1414아세틸 인산 이녹말
1420아세트산 녹말
1422아세틸 아디핀산 이녹말
1440하이드록시프로필 녹말
1442하이드록시프로필 인산 이녹말
1443하이드록시프로필 글리세롤 이녹말
1450옥테닐 석신산 나트륨 녹말
1451아세틸 산화 녹말



INS 1400, 1401, 1402, 1403 및 1405는 E 번호가 없는 EU의 식품 성분들이다. 기술적 응용을 위한 전형적인 변성 녹말은 양이온성 녹말, 하이드록시에틸 녹말 및 카복시메틸화된 녹말이다.

식품 가공을 위한 첨가제로서 녹말은 푸딩, 커스터드, 수프, 소스, 그레이비, 파이, 샐러드 드레싱과 같은 음식에서 증점안정제 및 안정제로 일반적으로 사용되며, 국수 및 파스타를 만드는 데 사용된다. 증점안정제, 증량제, 유화안정제 등의 기능을 하며 가공육의 탁월한 결합제이다.

젤리빈이나 와인검과 같은 껌 과자는 전통적인 의미에서 틀을 사용하여 제조되지 않는다. 쟁반에는 녹말이 채워지고, 수평을 유지한다. 그런 다음 주형을 녹말 속으로 압착하여 1,000개 정도의 젤리빈 모양의 찍은 자국을 남긴다. 그리고 젤리 믹스를 찍은 자국에 부어 놓고, 스토브 위에 놓는다. 이 방법은 제조되어야 하는 틀의 수를 크게 감소시킨다.

8. 2. 제지 산업

제지는 전 세계에서 녹말을 비식품적으로 활용하는 가장 큰 분야이며, 매년 수백만 톤의 녹말을 소비한다.[127] 예를 들어, 일반 복사 용지 한 장에는 최대 8%의 녹말이 들어갈 수 있다. 제지 공정에는 화학적으로 변형된 녹말과 변형되지 않은 녹말이 모두 사용된다. 제지 공정의 습식 부분(일반적으로 습윤 말단이라고 불림)에서 사용되는 녹말은 양이온성으로, 녹말 중합체에 양이온이 결합되어 있다. 이러한 녹말 유도체는 음이온성 또는 음전하를 띤 종이 섬유/셀룰로스 및 무기 필러와 결합한다. 양이온성 녹말은 다른 보존제 및 내부 사이즈제와 함께 종이 웹에 필요한 습윤 강도 특성을 부여하고, 최종 종이 시트에 건조 강도를 제공하는 데 도움을 준다.

8. 3. 섬유 산업

의류용 또는 세탁용 녹말은 식물성 녹말을 물에 섞어서 만든 액체로 옷의 세탁에 사용된다.[67] 16세기와 17세기에 유럽에서 목 부위를 둘러싸는 고급 리넨의 러프와 넓은 칼라를 빳빳하게 만들기 위해 사용되었다. 19세기와 20세기 초에는 깨끗한 옷을 다림질 할 때 녹말을 발라서 남성용 셔츠의 칼라와 소매, 여성용 페티코트의 주름을 빳빳하게 만드는 것이 유행이었다. 녹말은 옷에 매끄럽고 빳빳한 가장자리를 주었고, 사람의 목과 손목의 먼지와 땀이 옷의 섬유보다는 녹말에 달라붙는 실용적인 목적도 있었다. 먼지는 녹말과 함께 씻겨 나갔고 세탁 후에 녹말은 다시 발라졌다. 오늘날 녹말은 가정에서 사용하기 위해 에어로졸 스프레이로 판매된다.

날실 섬유 사이징제는 직조 시 실의 끊어짐을 줄이는 데 사용된다. 녹말은 주로 면 기반 실을 풀 먹이는 데 사용된다. 변성 녹말은 또한 섬유 인쇄 증점제로 사용된다.

8. 4. 의약 산업

제약 산업에서 녹말은 부형제, 정제 붕괴제, 결합제로 사용된다.[69] 셀룰로오스로 만든 합성 아밀로스는 중합도를 잘 제어할 수 있어, 잠재적인 약물 전달 담체로 사용될 수 있다.[69]

8. 5. 기타 산업

녹말 접착제


녹말은 건설 산업에서 석고 벽판 제조 과정에 사용된다. 화학적으로 변형되거나 변형되지 않은 녹말은 주로 석고를 함유하는 스투코(stucco)에 첨가된다. 상단과 하단의 두꺼운 종이 시트가 배합에 적용되고, 이 과정은 열을 가하고 경화되어 최종적으로 단단한 벽판을 형성한다. 녹말은 경화된 석고 암석과 종이 덮개 간의 접착제 역할을 하며, 보드에 강성을 제공한다.

녹말은 책 제본, 벽지 풀, 종이 봉투 생산, 튜브 권취, 고무 처리된 종이, 봉투 접착제, 학교 풀 및 병 라벨링을 위한 다양한 '''접착제''' 또는 풀[128] 제조에 사용된다. 덱스트린과 같은 녹말 유도체는 일부 화학 물질을 첨가하여 종이 작업용 단단한 풀을 형성하도록 변형할 수 있다. 이러한 형태 중 일부는 붕사 또는 탄산나트륨을 사용하며, 50°C에서 70°C에서 녹말 용액과 혼합하여 매우 좋은 접착제를 만든다. 규산나트륨을 첨가하여 이러한 배합을 강화할 수 있다.

골판지 접착제는 세계적으로 식품 외 녹말의 가장 큰 응용 분야이다. 녹말 풀은 대부분 변성되지 않은 천연 녹말을 기반으로 하며, 붕사 및 가성 소다와 같은 첨가제가 포함된다.

녹말 유래 섬유 화학 물질인 날실 섬유 날실 사이징제는 직조 시 실의 끊어짐을 줄이는 데 사용된다. 녹말은 주로 면 기반 실을 풀 먹이는 데 사용된다. 변성 녹말은 또한 섬유 인쇄 증점제로 사용된다.

석유 탐사에서 녹말은 시추 유체의 점도를 조절하는 데 사용되며, 이는 드릴 헤드를 윤활하고 석유 추출 시 분쇄 잔류물을 부유시키는 데 사용된다.

녹말은 또한 일부 포장 완충재와 일부 천장재 타일을 만드는 데 사용된다.

인쇄 산업에서 식품 등급 녹말[129]은 인쇄된 종이 시트를 분리하여 젖은 잉크가 이전되는 것을 방지하는 데 사용되는 오프셋 방지 분말 제조에 사용된다.

바디 파우더의 경우, 가루 옥수수 녹말은 활석 파우더의 대체재로 사용되며, 다른 건강 및 미용 제품에서도 유사하게 사용된다.

녹말은 생분해성인 다양한 생체 플라스틱, 합성 폴리머를 생산하는 데 사용된다. 한 예는 녹말에서 얻은 포도당을 기반으로 하는 폴리젖산이다.

녹말에서 얻은 포도당은 소위 습식 제분 공정을 사용하여 바이오 연료 옥수수 에탄올로 더 발효될 수 있다. 오늘날 대부분의 바이오 에탄올 생산 공장에서는 건식 제분 공정을 사용하여 옥수수 또는 기타 원료를 에탄올로 직접 발효시킨다.[130]

수소 생산은 효소를 사용하여 녹말로부터 유래된 포도당을 원료로 사용할 수 있다.[131]

9. 안전성 문제

2013년 중화민국(대만)에서 무수 말레산을 포함한 녹말이 유통된 것이 발각되어 독성 때문에 회수되었다. 무수 말레산은 식감 향상을 위해 첨가되었지만, 인체에 유해하며 원래는 공업용으로만 제한되어 있다.[79]

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