소(enzyme)는 생물체 내에서 각종 화학반응을 촉매하는 단백질로 생명체를 유지시키는 많은 생화학반응은 대부분 효소에 의해 이루어진다. 효소는 기존 화합합성에 비해 초정밀성, 특이성, 선택성 및 고효율성 특성을 갖고 있으며 효소의 촉매효율성은 비슷한 반응조건에서의 비효소적 화학반응에 비해 무려 1081014배나 높다. 상업적으로 환경 친화적이며 비용 면에서도 저렴하다는 장점이 있습니다.
효소의 산업적 활용효소 시장은 효소가 사용되는 분야에 따라 의료용, 산업용, 특수용으로 나뉜다. 의료용 효소에는 소화효소·소염효소·항종양효소·항균효소 등이 있으며 산업용 효소에는 음료가공용·세제용·바이오에너지용·동물사료용 등이 있다. 특수효소로는 연구용·진단용·특수생물전환용이 있다.
일본에서 효소의 산업 이용은 주로 전통식품 제조에 사용되어 왔다. 가장 대표적인 것은 김치, 된장, 고추장 막걸리와 같은 전통 발효 식품이 효소를 이용하여 만든 음식이며 우리가 즐겨 마시는 식혜 역시 효소의 작용 결과에 따른 산물이다. 식혜의 경우에는 맥아 속에 아밀라아제를 이용해 쌀알을 분해해 단맛을 내고 지방을 분해하는 리파아제, 단백질을 분해하는 프로테이즈가 첨가된 세탁세제로 세탁하기도 한다. 또한 매우 일반적으로 사용되는 고기의 연육작용에도 이 효소가 관여하는데 파인애플이나 키위와 같은 과일과 먹거나 불고기 또는 갈비 양념에 들어가는 배, 보쌈, 삼겹살을 먹을 때 새우젓에 찍어 먹을 경우 모두 프로테즈를 활용한 방법이다.최근에는 의약품 제조, 정밀화 학품 제조, 특수 용도의 식품의약품 및 화학품 제조에 사용되어 그 사용 범위가 확대되고 있다. 제약분야에서 산업용 효소는 고품질의 가성비 좋은 제품을 생산하는 데 사용되며, 식품 및 음료산업에서는 베이커리 제품, 와인 제조, 양조, 과일 주스 및 치즈 제조에 산업용 효소가 사용된다. 또한 개인위생용품에서도 산업용 효소는 치약, 스킨 리페어 크림, 미백제 및 구강 세정제를 제조하는 데 사용되고 있다. 이러한 모든 요소를 고려하면, 세계의 산업 효소 시장은 꽤 성장할 것으로 전망된다. 또, 복수의 지역에 걸쳐서 포장 식품 및 가공 식품에 대한 수요가 증가하고, 바이오 연료에 대한 수요가 증가함으로써, 글로벌 산업 효소 시장의 성장이 가속화하는 것으로 보여진다.세계 효소 시장은 약 120억달러 규모로, 2012~2016년의 연평균 시장 성장률은 5%에 이르고 있다. 2020년부터 2027년까지 7.1%의 연평균 복합성장률(CAGR)로 성장할 것으로 전망된다. 한국 효소시장의 경우 약 1000억원 수준으로 글로벌 시장에 비해서는 큰 규모가 크지 않다. 오히려 업계에서는 시장 규모가 아직 크지 않다는 점이 향후 잠재시장의 성장 여력이 더 많다고 보고 있다.
효소의 정의와 기능효소(enzyme)는 생물체 내에서 활성화에너지를 낮추고 물질대사의 반응속도를 높이는 생체촉매이다. 효소는 주성분이 유기물 단백질이라 유기촉매라고도 한다. 생물체 내에서 일어나는 반응은 각 단계마다 다른 종류의 효소가 관여하므로 효소의 종류는 상당히 많으며 체내에는 3000종 이상의 효소가 있는 것으로 알려져 있다.
위에서 설명한 효소는 일반적으로 화학반응에서 반응물질 이외의 미량의 촉매는 반응속도를 증가시키는 역할을 하며, 미생물 내에서 일어나는 화학반응은 촉매를 통해 속도가 빨라지고 효소의 촉매작용을 통해 기질이 반응하는 속도를 효소활성이라고 한다. 미생물 분석에서의 효소 촉매작용에는 생체화학물의 합성을 조정할 뿐만 아니라 세포에 에너지를 공급하는 반응, 해독작용 및 발광작용 등이 있다. 단백질로 된 효소는 무기촉매와는 달리 온도나 pH 등 환경요인에 의해 기능이 크게 영향을 받는다. 모든 효소는 특정 온도 범위 내에서 가장 활발하게 작용하지만 대개 온도가 3545도로 활성이 가장 크지만 온도가 그 범위를 넘어서면 오히려 활성이 떨어진다. 그 이유는 미생물 분석 환경에서 온도가 올라가면 일반적으로 화학반응 속도가 높아지면서 효소의 촉매작용도 커지는데 온도가 일정 범위를 넘으면 효소의 단백질 분자 구조가 변형을 일으켜 촉매기능이 떨어지기 때문이다. 또 pH가 일정 범위를 넘어도 기능이 급격히 떨어지지만 미생물의 효소 작용은 특정 구조를 유지하고 있을 때만 나타나며 미생물의 단백질 구조가 그 주변 용액의 pH 변화에 따라 변하기 때문이다.
효소는 미생물의 생체에 의해 생산되는 일종의 촉매로 콜로이드성 유기 촉매로 효소가 관여하는 반응계에서 효소작용을 받는 물질을 기질이라 하며 효소는 이에 대해 특이성을 갖고 있다. 효소의 화학적 본체는 단순 단백질 또는 활성분자가 결합한 복합단백질로 이루어져 있다.
그림1 화학반응의 진행에는 그림1과 같이 효소가 없는 경우는 점선에서 볼 수 있듯이 높은 활성화 에너지를 필요로 한다. 여기에 효소가 첨가되면 실선에서 보듯이 활성화에너지가 낮아진다. 첫째, 효소-기질복합체(Enzyme-Substrate 복합체, ES 복합체)를 형성하여 활성화에너지를 저감하고, 둘째, 효소는 효소가 없을 때 반응에 비해 더 적은 에너지를 필요로 하도록 전이상태를 안정화(ES)시킨다. 마지막으로 효소-생성물 복합체(EP 복합체)는 해리되어 생성물을 방출한다.
효소활성분석▶단백질 분해효소 단백질 분해효소(protease)는 펩타이드 결합의 가수분해작용에 관여하며 단백질을 알부모스 펩타이드 등 폴리펩타이드에까지 분해하는 효소로 동식물의 조직 또는 그 세포에 널리 함유되어 있다. 효소에서 그 기질이 되는 것은 단백질, proteose, peptone, polypeptide 등이며 이것들로부터 amino기(NH2)와 carboxy1기(-COOH)를 유리시킨다.
[단백질 분해효소(protea se)효소활성분석방법] ① 기질단백질 분자내의 peptide 결합이 분해된 결과 생성되는 유리된 amino기나 carboxy1기를 정량하는 방법으로 아미노산의 정량법을 응용하는 등의 방법이 있다.② 기질단백질로부터 생성되는 단백질 분해산물을 정량하는 방법으로 반응액에 trichloro acetic acid (TCA, CCl3COOH)를 첨가하여 미분해의 단백질을 침전시키고 그 여액에 대하여 비교적 용이하게 비색정량할 수 있는 tyrosine 증가율을 측정하는 등의 방법이 있다.③기질 단백질의 분해에 의한 물리적 및 화학적 변화를 측정하는 방법으로 기질의 점도 변화를 측정하는 등의 방법이 있다.
▶ 지방분해효소 지방분해효소(lipase)는 esterase의 일종으로 glycerin과 지방산의 ester인 지방의 가수분해에 관여하는 효소이다. Lipase의 ester 분해작용을 측정하기 위해서는 가수분해로 생성되는 유리된 지방산을 정량하면 된다.
▶전분분해효소 전분을 완전히 분해하는 효소의 총칭으로 대표적인 것으로는 아밀라아제가 있다. 미생물생체아밀라아제에는 α-아밀라아제, β-아밀라아제, 이소아밀라아제, 글루코아밀라아제, 올리고당생성아밀라아제 등이 함유되어 있으며 가인산분해효소 등도 전분분해작용을 한다. 아밀라아제에 의한 전분을 분해하는 것은 액화, 표정화, 당화의 3단계로 특히 액화, 호저화력이 강한 것을 액화형 아밀라아제(α-amylase)라 하며, 당화력이 강한 것을 당화형 아밀라아제(β-amylase)라 한다.【전분분해효소활성분석 방법] ① 기질의 당도 저하를 측정하는 방법 ② 요오드에 의한 요오드-전분 반응의 정색 변화를 측정하는 방법 ③ Gluco side 결합의 분해에 의해 생기는 액 중 환원력의 증가를 측정하는 방법
▶ 섬유소분해효소 섬유소분해효소는 glucose의 β-1, 4 결합에 의해 축합된 cellulose의 가수분해에 관여하는 효소이다. 미생물 생체 중에서 셀룰로오스의 가수분해를 촉매하는 효소로서 고등식물의 싹, 푸른곰팡이, 누룩균 또는 목재부패균 등의 진균류 및 수많은 토양세균에서 볼 수 있다. 식물조직 붕괴력이 강해 식품가공, 자원개발, 의약품 등에 이용가치가 높은 효소이다.
[섬유소분해효소활성분석법]① 천연섬유소(탈지면 등) 및 여과지를 분해시키는 작용을 측정하는 것으로서 여과지의 붕괴력을 시험하는 방법이 있다.② 변성 섬유소(carboxymethyl cellulase, CMC)를 분해시키는 작용을 측정하는 것으로, 기질이 분해되어 생성되는 환원당을 정량하는 방법이 있다.
▶산화환원효소산화환원반응을 촉매하는 효소, 효소분류상의 주군의 하나로 효소번호 첫자리는 1이며, 생체의 산화환원반응형은 수소원자쌍의 이동(전달), 전자의 이동 또는 산소원자의 부가형이 존재한다. 수소원자 H는 '수소이온(H+)+전자'이므로 전자와 등가일 것으로 생각된다. 환원제로 작용하고, 전자 또는 H를 주어 산화되는 것을 전자공여체, 산화제로 작용하고, 전자 또는 H를 받아들여 환원되는 것을 전자수용체라고 한다. 산화환원효소는 전자공여체 및 수용체 중 한 쪽 또는 양쪽에 대해 특이하며 이에 따라 분류된다. 분자상산소를 수소수용체로 사용할 수 있는지에 따라 산화효소와 탈수소효소로 나뉘는데 산화효소는 분자상산소만을 수소공여체로 하고 탈수소효소는 분자상산소 외에 메틸렌블루와 같은 적당한 산화환원물질도 수소공여체로 할 수 있다. 또한 이들 효소는 대체로 복합단백질로 되어 있으며 촉매작용은 각각의 보결 분자족 또는 조효소의 산화환원을 매개로 이루어진다. 산화환원효소의 종류는 보결분자족 또는 조효소로 분류할 수 있다.
[옥시다아제 활성 분석 방법] ① 산화에 사용되는 산소의 양을 검압계로 측정하는 검압법이 있다.②일정량의 기질에 효소를 일정 조건 하에 작용시켜 잔존하는 기질량을 측정하는 방법이 있다.
한국과학연구원 미생물분석센터는 다양한 연구 분야에서 연구 노하우를 바탕으로 과제 및 분석 연구를 수행하고 있으며, 미생물 분석, 미생물 분리 동정, 장내 세균 분석, 미생물 균체수 측정, 항균능 평가, 효소 활성 분석, 특성 검사 및 유기 무기 원소 분석 등 다양한 분석 연구 경험을 가지고 있으며, 연구 네트워크를 통한 상호 기술 활용도 하고 있다. 분석 목적에 맞는 분석 및 분석 결과 도출을 위해서는 분석 의뢰 전에 상호 충분한 협의를 거쳐 실험 계획을 수립(Design Experiment)하고, 결과 해석까지의 체계적인 시스템을 거쳐 정확한 연구 분석을 위해서는 어떠한 목적을 갖는 어떤 분야의 연구인지 전문가와 충분한 협의가 필요하다.
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