푸마르산
1. 개요
푸마르산은 다이에스터를 형성하고 이중 결합을 가진 화학 물질로, 말레산의 트랜스 이성질체이다. 푸마르산은 식품 산미료, 의약품, 기타 산업 분야에서 다양하게 활용된다. 식품에서는 산도 조절제 및 보존료로 사용되며, 의약품에서는 건선 및 다발성 경화증 치료에 사용된다. 또한 폴리에스터 수지, 금속 유기 구조체, 사료 첨가제 등으로도 활용된다. 푸마르산은 부분 연소 시 자극적인 말레산 무수물을 생성하며, 고용량 장기 복용 시 콩팥 독성을 일으킬 수 있다.
-
산도 조절제 -
인산
인산은 화학식 H₃PO₄를 가지며, 인광석을 이용한 습식 또는 건식 공정으로 생산되어 비료, 식품 첨가물, 세제, 의약품, 금속 처리 등 다양한 산업 분야에 사용되는 인 화합물이다. -
산도 조절제 -
아디프산
아디프산은 화학식 (CH₂)₄(COOH)₂를 갖는 지방족 디카르복실산의 하나로, 나일론 66 제조의 주요 원료로 사용되며 폴리우레탄 생산, 가소제, 의약품 및 식품 첨가물 등 다양한 용도로 활용되지만, 생산 과정에서 아산화 질소 배출 문제가 발생한다. -
요소 회로 -
요소 (화학)
요소는 화학식 CO(NH₂)₂을 가지는 무색무취의 결정성 화합물로, 포유류와 양서류의 소변에 다량 함유되어 있으며, 비료, 목재 패널 제조, 배기가스 저감, 단백질 연구 등 다양한 분야에 사용되고, 1828년 뵐러에 의해 무기물에서 합성된 최초의 유기 화합물이다. -
요소 회로 -
아스파르트산
아스파르트산은 아스파라거스에서 발견된 아미노산으로, L형은 단백질 생합성에 사용되고 흥분성 신경전달물질로 작용하며, 산업적으로는 생분해성 고분자, 감미료 등으로 활용된다. -
생체분자 -
효소
효소는 생체 내에서 화학 반응을 촉매하는 생체촉매로서, 기질 선택성과 반응 선택성을 가지며 활성이 조절되고, 활성화 에너지를 낮춰 반응 속도를 증가시키며, 산업 분야에서 활용될 뿐만 아니라 인공 효소 개발도 활발히 진행되고 있다. -
생체분자 -
핵산
핵산은 DNA와 RNA를 포함하는 생체 고분자로, 유전 정보 저장 및 단백질 합성에 필수적인 역할을 하며, 뉴클레오타이드의 중합체로 DNA는 이중 나선, RNA는 단일 나선 구조를 가진다.
2. 화학
푸마르산의 화학적 특성은 푸마르산을 구성하는 작용기로부터 예상할 수 있다. 푸마르산은 다이에스터(다이에스테르)를 형성한다.
기하 이성질체(`cis`-`trans` 이성질체)는 말레산이다. 이들은 1887년 독일의 J.A. 비스리체누스에 의해 처음 발견된 기하 이성질체의 쌍이다.
푸마르산과 말레산의 화학적 성질은 다르다. 푸마르산은 가열해도 쉽게 산 무수물을 생성하지 않지만, 연소시키면 부식성 무수말레산이 생성된다. 반면에 말레산은 가열하면 쉽게 무수말레산을 생성한다. 이 성질은 각 무수물의 입체 구조를 고려하면 쉽게 상상할 수 있다(푸마르산의 무수물은 매우 뒤틀린 입체 구조가 된다).
또한 푸마르산은 카르복시기를 여러 개 가지고 있음에도 불구하고, 물에 잘 녹지 않는다. 실제로 푸마르산의 용해도(0.63 g/100 mL-물 (25 ℃))는 크로톤산(`trans`-2-부텐산, 9.4 g/100 mL (25 ℃))보다 낮다. 반면 말레산은 훨씬 높은 용해도(79 g/100 mL-물 (25 ℃))를 가진다. 푸마르산이 물에 녹기 어려운 것은 푸마르산 결정이 카르복시기를 통한 강한 분자간 상호작용을 가지고 있기 때문으로 생각된다.
2.1. 합성
푸마르산은 석신산으로부터 최초로 제조되었다. 전통적인 합성 방법은 바나듐계 촉매의 존재 하에 염소산 나트륨을 사용하여 푸르푸랄(옥수수 가공 과정에서 얻은)을 산화시키는 것이다. 현재 푸마르산의 산업적인 합성은 대부분 pH가 낮은 수용액에서 말레산의 촉매적인 이성질화에 기초한다. 말레산은 벤젠 또는 뷰테인의 촉매 산화에 의해 생산된 말레산 무수물의 가수분해 생성물로 대량 이용이 가능하다.
2.2. 반응
푸마르산은 탄소 원자 간의 이중 결합을 가지고 있어 첨가 반응을 하며, 우수한 친다이엔체이다. 알켄의 이중 결합에서 브롬화 반응을 일으킨다.
푸마르산은 가열해도 쉽게 산 무수물을 생성하지 않지만, 연소시키면 부식성 무수말레산이 생성된다.
푸마르산의 두 카복실기가 에스터가 된 푸마르산 디에스터(DRF)는 고분자 재료([모노머])로도 이용된다. 과거에는 푸마르산 에스터가 입체 장애 때문에 라디칼 단독 중합성을 갖지 않고, 공중합성만을 갖는다고 생각되었다. 그러나 1980년대 오사카 시립 대학 연구에 의해, 푸마르산 디이소프로필(DiPF), 푸마르산 디-tert-부틸(DtBF), 푸마르산 디시클로헥실(DCHF)처럼 부피가 큰 에스터를 갖는 경우에는 높은 단독 중합성을 나타내는 것이 발견되었다. 이는 에스터기의 부피 때문에 성장 라디칼 간의 2분자 정지 반응이 억제되어, 중합이 느리게 진행되기 때문이다.
3. 생화학
푸마르산은 짚신나물, 그물버섯과 버섯류, 지의류, 아이슬란드 이끼 등에서 발견된다.
푸마르산은 시트르산 회로(TCA 회로)의 중간생성물로, 석신산 탈수소효소에 의해 석신산이 산화되어 생성된다. 이후 푸마레이스에 의해 말산으로 전환된다.
사람의 피부는 햇빛에 노출되면 자연적으로 푸마르산을 생성한다.
또한 푸마르산은 요소 회로의 생성물이기도 한데, 따라서 푸마르산은 시트르산 회로와 요소 회로를 연결하는 역할을 한다.
4. 이용
푸마르산은 1946년부터 식품 산미료로 사용되어 왔다. 유럽 연합, 미국, 오스트레일리아, 뉴질랜드에서 식품 첨가물로 사용하도록 승인되었다. 식품 첨가물로서 푸마르산은 산도 조절제로 사용되며, E 번호는 E297이다. 일반적으로 푸마르산은 순도 관련 요구 사항이 있는 음료 및 베이킹파우더에 사용된다. 토르티야를 만들 때 식품 보존료로 사용되고, 발효시 산으로 사용된다. 말산을 사용하는 것처럼 신맛을 증가시키기 위해 타타르산 및 시트르산의 대체제로 사용되며 푸마르산 1g 당 약 1.5g의 시트르산의 비율로 사용된다. 푸마르산은 "소금 및 식초" 맛 감자칩과 같은 일부 인공 식초 맛의 구성 요소일 뿐만 아니라 스토브톱 푸딩 믹스의 응고제로도 사용된다.
독일, 오스트리아, 베네룩스 3국에서는 푸마르산 에스테르를 건선 치료제로 사용한다. 푸마르산 에스테르는 특정 효과가 있는 것으로 보이지만, 건선 치료에 대한 더 나은 증거를 제공하기 위해 추가적인 연구가 필요하다.
바이오젠은 푸마르산 디메틸을 다발성 경화증 치료제로 개발했다. 재발 완화형 다발성 경화증 환자를 대상으로 한 임상 3상 시험에서 푸마르산 디메틸(BG-12, 바이오젠)은 재발 및 장애 진행을 유의하게 감소시켰다. 이 약물은 Nrf2 항산화 반응 경로를 활성화시킨다.
Fumaria officinalis라는 허브를 이용한 목욕법은 건선 치료의 보조 요법으로 사용될 수 있다. (일반의 또는 피부과 전문의와 상담 후)
푸마르산은 폴리에스터 수지 및 다수산 알코올 제조, 염료의 매염제로 사용된다. 21세기 초반부터 푸마르산으로 제조한 금속 유기 구조체는 다른 금속 유기 구조체보다 독성이 낮고 흡착력이 뛰어나며 기계적인 특성이 우수해서 상용화된 최초의 금속 유기 구조체를 합성하는데 사용되었다.
푸마르산을 사료에 첨가하면 양은 소화 과정에서 최대 70% 적은 메탄을 생성한다.
4.1. 식품
푸마르산은 1946년부터 식품 산미료로 사용되어 왔다. 유럽 연합, 미국, 오스트레일리아, 뉴질랜드에서 식품 첨가물로 사용하도록 승인되었다. 식품 첨가물로서 푸마르산은 산도 조절제로 사용되며, E 번호는 E297이다. 일반적으로 푸마르산은 순도 관련 요구 사항이 있는 음료 및 베이킹파우더에 사용된다. 푸마르산은 토르티야를 만들 때 식품 보존료로 사용되고, 발효시 산으로 사용된다. 말산을 사용하는 것처럼 신맛을 증가시키기 위해 타타르산 및 시트르산의 대체제로 사용되며 푸마르산 1g 당 약 1.5g의 시트르산의 비율로 사용된다. 푸마르산은 "소금 및 식초" 맛 감자칩과 같은 일부 인공 식초 맛의 구성 요소일 뿐만 아니라 스토브톱 푸딩 믹스의 응고제로도 사용된다.
4.2. 의약품
독일, 오스트리아, 베네룩스 3국에서는 푸마르산 에스테르를 건선 치료제로 사용한다. 푸마르산 에스테르는 특정 효과가 있는 것으로 보이지만, 건선 치료에 대한 더 나은 증거를 제공하기 위해 추가적인 연구가 필요하다.
바이오젠은 푸마르산 디메틸을 다발성 경화증 치료제로 개발했다. 재발 완화형 다발성 경화증 환자를 대상으로 한 임상 3상 시험에서 푸마르산 디메틸(BG-12, 바이오젠)은 재발 및 장애 진행을 유의하게 감소시켰다. 이 약물은 Nrf2 항산화 반응 경로를 활성화시킨다.
Fumaria officinalis라는 허브를 이용한 목욕법은 건선 치료의 보조 요법으로 사용될 수 있다. (일반의 또는 피부과 전문의와 상담 후)