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아밀로펙틴

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목차

1. 개요

아밀로펙틴은 식물 녹말의 주요 구성 성분으로, 포도당이 α(1→4) 글리코사이드 결합과 α(1→6) 글리코사이드 결합으로 연결된 분지형 구조를 갖는 다당류이다. 아밀로스는 선형 구조인 반면 아밀로펙틴은 분지 구조를 가지며, 녹말의 70~80%를 차지한다. 아밀로펙틴은 멥쌀, 옥수수, 감자 등 다양한 식물에 함유되어 있으며, 식품의 질감과 특성에 영향을 미친다. 또한, 약물 전달, 조직 공학, 섬유 산업 등 다양한 분야에서 활용되며, 특히 생체 적합성과 생분해성이 뛰어나 바이오 의학 분야에서 주목받고 있다.

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아밀로펙틴 - [화학 물질]에 관한 문서

2. 구조

아밀로펙틴은 α-포도당으로 구성된 다당류로, 식물 내에서 주요 에너지 저장 수단으로 형성된다. 아밀로펙틴은 여러 개의 측쇄와 함께 직선/선형 사슬을 가지며, 이 측쇄는 더 분지될 수 있다. 포도당 단위체는 α(1→4) 글리코사이드 결합으로 선형으로 연결되며, 약 25개 잔기 간격으로 α(1→6) 글리코사이드 결합으로 분지한다. 1956년 Wolform과 Thompson은 아밀로펙틴에서 α(1→3) 결합도 보고했다. 아밀로펙틴은 아밀로스에 비해 더 많은 수의 포도당 단위체(2,000~200,000개)를 포함한다.[8]

아밀로스는 1:1 연결의 단순한 선형 사슬 구조가 특징이다.아밀로펙틴은 분기하는 가지를 갖는 복잡한 구조를 보인다.



전분은 아밀로펙틴의 밀도와 강도 간의 상관관계를 이용하여 조밀하고 강한 벽돌을 형성함으로써 최종 전분 구조의 기초를 이룬다. 전분 내의 아밀로펙틴은 나선형으로 형성되어 육각형 구조를 이루며, 이는 이후 'A'(곡물) 및 'B'(고 아밀로오스, 덩이줄기)형 전분으로 분화된다. 구조적으로 'A'는 더 조밀하고 'B'는 더 느슨하므로 아밀로오스의 농도가 더 높다.[12]

2. 1. 클러스터 모델

아밀로펙틴의 구조는 클러스터 모델로 설명될 수 있다. 이 모델에서 아밀로펙틴은 α-포도당의 'A'와 'B' 나선형 사슬로 나뉜다. 'A' 사슬은 다른 사슬을 운반하지 않아 종착점을 갖는 사슬이고, 'B' 사슬은 다른 사슬을 운반하여 아밀로펙틴 중합체를 영속시키는 사슬이다. 이들 사이의 비율은 일반적으로 0.8~1.4 사이이다.[9][10]

아밀로펙틴의 클러스터 모델


사슬 구조의 형성은 전체 중합체의 강도에 직접적인 영향을 미친다. 사슬이 길수록 아밀로펙틴이 전분의 형태에 미치는 영향이 더 달라진다. 사슬의 팩킹, 블록 간 사슬 길이(IB-CL) 또한 전분 과립의 젤라틴화 온도에 직접적인 양의 영향을 미치는 것으로 연관되어 있다. IB-CL은 'B' 사슬의 길이가 증가함에 따라 증가하며, 이는 개별 'B' 사슬의 길이가 증가함에 따라 다른 사슬과의 연결 사이의 블록도 증가한다는 것을 의미한다. 일반적으로 아밀로펙틴의 결과 분자가 더 조밀하게 팩킹될수록 전분 겔의 전체 강도가 더 높아진다.[11]

3. 성질

아밀로펙틴은 아밀로스와 달리 열수에 녹지 않는다. 아밀레이스에 의해 가수 분해되어 α1→4 결합이 절단된다. 분자량은 15×106부터 40×106 정도(글루코스 잔기로 90,000부터 250,000 정도)로, 아밀로스에 비해 크다. 요오드 전분 반응에서 적자색을 나타낸다.

4. 함유

식물에 따라 녹말은 일반적으로 20~25%의 아밀로스와 75~80%의 아밀로펙틴으로 구성된다.[1] 멥쌀에서 유래하는 전분에는 아밀로펙틴이 80% 정도 함유되어 있다.[1] 찹쌀에서 유래하는 전분은 100% 아밀로펙틴이다.[1]

일반적으로 쌀의 전분에 아밀로스를 포함하는 것을 멥쌀, 포함하지 않는 것을 찹쌀이라고 한다.[1]

5. 역사

안토니 판 레이우엔훅


아밀로펙틴의 분류는 1716년 안토니 판 레이우엔훅이 녹말을 처음 관찰하면서 시작되었으며, 그는 녹말을 두 가지 기본적인 구조 성분으로 구분했다.[13][14]

아밀로오스와 아밀로펙틴이라는 용어는 1906년 프랑스 연구원 마퀴니와 루가 녹말에 대한 연구 과정에서 처음 사용되었으며, 이들은 이러한 관련 물질의 혼합과 맥아 추출물에 의한 가변적인 당화에 따라 녹말의 특성이 달라진다고 설명했다.[15][14] 이후 1940년대까지 연구는 분별 침전 또는 효소 분해와 같은 다양한 분리 방법에 집중되었다.[14][16] 이를 통해 Meyer는 아밀로펙틴을 "가지가 있는 분자인 탄수화물로, β-아밀라아제에 의해 잔류 덱스트린 단계까지만 분해된다"고 정의했다.[14][17] Meyer는 또한 아밀로펙틴의 나무와 같은 구조 모델을 제안했다.[16]

현재 받아들여지는 구조 모델은 1972년에 이중 나선 구조의 클러스터 조직을 기반으로 제안되었다.[16]

6. 대사

아밀로펙틴의 생성과 분해는 생물의 대사 과정에 중요하다. 아밀로펙틴은 전분의 두 가지 주요 구성 요소 중 하나이며, 전분은 에너지 저장 분자이다. 이 때문에 대부분의 식물과 시아노박테리아에서 합성되고 분해된다.[19][20]

아밀로펙틴 합성은 ADP-포도당 파이로포스포릴라제(AGPase), 가용성 전분 합성 효소(SS), 전분 분지 효소(BE), 전분 탈분지 효소(DBE)의 네 가지 효소의 공동 작용에 의존한다.[16][19][21] 아밀로펙틴은 α(1→4) 배당체 결합의 연결에 의해 합성된다. 아밀로펙틴의 광범위한 분지(α(1→6) 배당체 결합)는 BE에 의해 시작되며, 이것이 아밀로스와 아밀로펙틴을 구별하는 요인이다. DBE는 또한 이러한 가지의 분포를 조절하기 위해 이 합성 과정에서 필요하다.[19][22]

아밀로펙틴의 분해는 동물과 인간의 전분 분해와 관련하여 연구되었다. 전분은 주로 아밀로펙틴과 아밀로스로 구성되지만, 아밀로펙틴이 더 쉽게 분해되는 것으로 나타났다. 그 이유는 아밀로펙틴이 분지가 많고 이러한 가지가 소화 효소에 더 쉽게 접근할 수 있기 때문일 가능성이 높다.[23]

전분의 분해는 알파, 베타 아밀레이스, 포스포릴라아제, 전분 탈분지 효소(DBE)의 세 가지 효소에 의존한다.[16][19][21]

아밀로펙틴의 합성 및 분해에 관여하는 효소 중에는 동질형이 있어서 단백질 및 다른 효소와의 관계가 다르게 나타나는 경우가 있다. 예를 들어, SS(전분 합성 효소)에는 여러 가지 버전이 있다.[21]

7. 응용

아밀로펙틴은 쌀, 밀, 옥수수, 감자, 카사바와 같은 주요 식품에 함유되어 있으며, 인간 식단에서 가장 흔한 탄수화물 중 하나이다.[25] 식품 산업에서 안정제 및 증점제로 사용되며, 식용 코팅 필름 개발에도 널리 사용된다. 아밀로펙틴 기반 필름은 광학적, 관능적 및 가스 차단 특성이 좋지만, 기계적 특성은 좋지 않아 이를 보완하기 위한 연구가 진행되고 있다.[31]

섬유 산업에서는 직물의 형태를 유지하고 섬유를 강화하는 데 사용되며,[32] 접착제 배합에도 사용된다.[34] 건설 분야에서의 활용에 대한 연구도 진행 중이다.[35]

7. 1. 의학적 응용

아밀로펙틴은 생체 적합성과 생분해성이 뛰어나 생명 의학 분야에서 활용도가 높아지고 있다. 아밀로펙틴은 다당류로서 신체 내 세포 및 분자와 높은 수준의 생체 적합성을 보인다. 또한 1,6-글리코시드 결합의 높은 교차 결합으로 인해 생분해성이 우수하다. 이러한 특성 덕분에 아밀로펙틴은 신체 내에서 쉽게 분해되어 분자량을 감소시키고, 특정 영역을 노출시켜 임상적 요인 및 특정 결합과의 상호작용을 가능하게 한다.[36]

아밀로펙틴은 다양한 물리적, 화학적, 효소적 변형 방법을 통해 그 특성을 개선하고 제어할 수 있어, 다양한 연구 분야에 맞춤형으로 활용될 수 있다.

7. 1. 1. 약물 전달

약물 전달은 약물 방출 및 흡수를 위해 미리 결정된 신체 부위에 약물을 전달하는 데 사용되는 기술이다. 투여 경로, 대사, 특정 표적 부위 및 독성과 관련된 원리가 이 분야에서 가장 중요하다. 경구 투여(입을 통해)되는 약물은 일반적으로 약물을 면역 및 생물학적 반응으로부터 보호하기 위해 어떤 구조체에 캡슐화된다. 이러한 구조물은 약물이 작용 부위까지 온전하게 유지되고 특정 지표에 노출되었을 때 정확한 용량으로 방출되도록 하는 것을 목표로 한다. 옥수수 및 감자 전분은 아밀로펙틴을 60-80% 함유하고 있어 종종 이 목적으로 사용된다. 전분은 주로 분말, 과립, 캡슐 및 정제와 같은 고형 제제에 사용된다. 천연 다당류로서 해부학적 구조 및 분자와 호환되는 특성을 가지고 있다. 이는 약물 전달에서 매우 논쟁적인 주제인 부정적인 면역 반응을 방지한다.[37] 전분의 생분해성은 약물이 작용 부위에 도달할 때까지 온전하게 유지하도록 한다. 이를 통해 약물이 소화 기관과 같은 낮은 pH 환경을 피할 수 있다.[38] 또한, 네이티브 전분은 기계적 또는 생화학적 특성을 향상시키기 위해 물리적, 화학적 및 효소적 방식으로 변형될 수 있다. 약물 전달에서 물리적 변형에는 기계적 힘, 열 또는 압력 하에서의 처리가 포함된다. 화학적 변형은 결합의 파괴 또는 추가를 포함할 수 있는 분자 구조를 변경하려고 시도한다. 효소로 전분을 처리하면 물 용해도가 증가할 수 있다.

7. 1. 2. 조직 공학

조직 공학은 손상되거나 감염된 조직 또는 장기를 대체하거나 개선할 수 있는 기능성 구조물을 만드는 것을 목표로 한다. 이러한 구조물 중 다수는 이식 부위 주변에 감염된 조직을 유발하는데, 아밀로펙틴으로 코팅하면 감염 반응을 줄일 수 있다. 아밀로펙틴은 주로 이러한 구조물 주변을 코팅하여 면역 반응을 방지하는 데 사용된다. 아밀로펙틴은 천연 다당류에서 직접 파생되므로 조직 및 세포와 잘 통합된다. 그러나 아밀로펙틴의 기계적 특성은 가교 결합 수준이 높아 최적화되지 않는데, 이는 아밀로펙틴 섬유를 형성하거나 더 단단한 다른 고분자와 나노 복합체를 형성하여 피할 수 있다.[39]

아밀로펙틴 기반 섬유는 주로 천연 또는 변성 전분을 폴리머, 가소제, 가교제 또는 기타 첨가제와 혼합하여 제조된다. 대부분의 아밀로펙틴 기반 섬유는 전기습식 방사로 제조되지만, 이 방법은 아밀로펙틴 함량이 65% 미만인 전분에 적합하며 전분의 아밀로펙틴 함량에 민감한 것으로 나타났다. 전기 방사는 아밀로펙틴이 응고되어 필라멘트를 형성하도록 한다. 섬유상 전분은 더 조밀한 물질을 유도하여 전분의 기계적 특성을 최적화할 수 있다.[39] 생체 재료의 섬유는 뼈 조직 수복 및 재생에 적합한 환경으로 뼈 조직 공학에 사용될 수 있다. 천연 뼈는 살아있는 세포와 생체 활성 분자를 포함하는 광물화된 섬유의 세포외 기질로 구성된 복합 재료이다. 따라서 생체 재료 기반 스캐폴드에서 섬유를 사용하면 뼈의 기능적 성능을 재현할 수 있는 광범위한 기회를 제공한다.[40] 지난 10년 동안, 직조, 편직, 꼬기, 전기 방사 및 직접 인쇄와 같은 섬유 기반 기술이 3D 조직 구조물을 만드는 유망한 플랫폼으로 부상했다.[41]

나노과학과 나노기술은 생물의학적 응용을 위한 다양한 하이브리드 및 복합 재료 개발 기술로 부상하고 있다. 나노물질이 생물학에서 복합재 개발에 사용될 때, 이를 바이오나노복합재라고 부른다. 바이오나노복합재는 정상적인 기능을 수행할 수 있도록 세포, 장기 또는 인체의 일부를 대체, 지지 또는 재생하기 위해 조직 공학에 사용되어 왔다.

아밀로펙틴 기반 바이오나노복합재는 열가소성 전분보다 생분해성, 높은 기계적 특성, 광학적 투명성, 열적 안정성 및 장벽 특성을 갖는 또 다른 중요한 종류의 바이오나노물질이다.[42] 셀룰로오스 나노결정, 나노-ZnO, 나노클레이, 생분해성 합성 고분자와 같은 다른 나노물질과 함께 전분은 조절된 약물 방출, 조직 공학용 스캐폴드 및 골 재생용 시멘트와 같은 다양한 생물의학적 응용을 위한 바이오나노복합재 제조에 가장 널리 사용되는 재료 중 하나이다.[43] 아밀로펙틴은 일반적으로 탄성 계수와 항복 강도가 높은 합성 고분자와 결합된다. 이를 통해 전분은 뼈, 심장 및 내피 조직에서 흔히 발생하는 더 높은 유체 흐름과 기계적 힘을 견딜 수 있다.[44]

참조

[1] 웹사이트 Amylose, Amylopectin (starch) http://www.gmo-compa[...] GMO Compass 2011-02-07
[2] 논문 Which Starch Fraction is Water-Soluble, Amylose or Amylopectin? 1975-11
[3] 웹사이트 28: Starch Hydrolysis https://bio.libretex[...] 2022-04-29
[4] 논문 Unit and Internal Chain Profile of Millet Amylopectin 2014-01
[5] 논문 Structure-function relationships of starch components 2014-12-05
[6] 논문 Understanding Starch Structure: Recent Progress 2017-07-25
[7] 논문 Analytical, biochemical and physicochemical aspects of starch granule size, with emphasis on small granule starches: A review 2004-04
[8] 서적 Encyclopedia of food and health 2015
[9] 논문 Internal unit chain composition in amylopectins 2008-11-04
[10] 논문 Starch structure and nutritional functionality – Past revelations and future prospects 2022-02-01
[11] 논문 Relationships between amylopectin internal molecular structure and physicochemical properties of starch https://repositorio.[...] 2018-08
[12] 논문 Starch structure and nutritional functionality – Past revelations and future prospects 2022-02
[13] 서적 The Differentiation and Specificity of Starches in Relation to Genera, Species, Etc: Stereochemistry Applied to Protoplasmic Processes and Products, and as a Strictly Scientific Basis for the Classification of Plants and Animals https://books.google[...] Carnegie institution of Washington 1913
[14] 논문 Perspectives on the history of research on starch Part V: On the conceptualization of amylopectin structure 2012-10-13
[15] 논문 Recherches sur l'amidon XVII. L'amidon du riz collant 1941
[16] 논문 On the cluster structure of amylopectin 2022-03
[17] 논문 Amylose and Amylopectin Content of Starches Determined by their Iodine Complex Formation 1 1943-02
[18] 논문 Building block organisation of clusters in amylopectin from different structural types 2012-03-23
[19] 논문 A review of starch, a unique biopolymer – Structure, metabolism and in planta modifications 2022-05
[20] 논문 Towards a Better Understanding of the Metabolic System for Amylopectin Biosynthesis in Plants: Rice Endosperm as a Model Tissue 2002-07-15
[21] 논문 Different isoforms of starch-synthesizing enzymes controlling amylose and amylopectin content in rice (Oryza sativa L.) http://oar.icrisat.o[...] 2012-08-31
[22] 웹사이트 MetaCyc amylopectin https://biocyc.org/c[...] 2022-04-25
[23] 논문 Growth, Feed Utilization and Blood Metabolic Responses to Different Amylose-amylopectin Ratio Fed Diets in Tilapia (''Oreochromis niloticus'') 2013-08
[24] 논문 Engineering Properties of Sweet Potato Starch for Industrial Applications by Biotechnological Techniques including Genome Editing 2021-09-02
[25] 서적 Starch in Food Woodhead Publishing
[26] 논문 Changes of starch during thermal processing of foods: Current status and future directions 2022-01
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[29] 웹사이트 Amylopectin - What is it, Uses, Benefits and Dose - HSN https://www.hsnstore[...] 2022-04-28
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[39] 논문 Polysaccharides as wall material for the encapsulation of essential oils by electrospun technique 2021-08
[40] 논문 The Use of Fibers in Bone Tissue Engineering 2022-02-01
[41] 논문 Fiber-based tissue engineering: Progress, challenges, and opportunities
[42] 서적 Bionanocomposites 2020
[43] 서적 Bionanocomposites in Tissue Engineering and Regenerative Medicine 2021
[44] 논문 Sustainable plant and microbes-mediated preparation of Fe3O4 nanoparticles and industrial application of its chitosan, starch, cellulose, and dextrin-based nanocomposites as catalysts 2021-05


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