1.Subject

β-galactosidase의 활성.

 

2.Object

이온교환 크로마토그래피를 통해 β-galactosidase를 분리하고 protein의 활성을 측정한다.

 

3.Principle

 

◆ 이온교환 크로마토그래피

Ion-exchange chromatography를 통해 β-galactosidase를 분리를 한다. 일반적으로 사용되는 이온교환 수지의 충진제로는 SP Sephadex C-50를 이용하는데 이것은 강한 cation 교환제로 작용한다. 일반적으로 단백질은 구성 아미노산 중에 산성, 염기성 아미노산을 함유하므로 적당한 pH 조건하에서는 양(+)또는 음 (-)의 전하를 가지고 있기 때문에 관에 전해질의 고분자 물질인 SP Sephadex C-50를 충진제로 넣고 각종 단백질의 전하량과 충진제의 이온 상호작용의 차이에 따라 단백질을 분획하였다. Chromatography resin인 세파덱스(Sephadex)에 Sulfopropyl 기를 가지며 구조는 다음과 같다.

 

 

 

 

세파덱스는 단백질 분리에 자주 사용되는 겔로 다당류이고 큰 고분자 사슬에 있는 수산기 때문에, 매우 극성이며 많은 물을 흡수한다. 겔은 그들이 물을 재흡수하여 팽윤하는 능력에 따라서 특성을 나타낸다. 세파덱스 유형의 번호는 물의 재흡수 값에 관계된 것이다. 일반적으로 Sephadex겔은 물에 녹지 않으며 약한 산화제, 환원제, 약한 염기에 대해서 안정한 특징을 가진다.

 

세파덱스 수지(resin)

유기물질의 작은 무정형(비결정성) 입자이다. 복잡한 유기산 및 그 유도체로 이루어진 고체 또는 반고체이다. (위의 그림과 같은 구조로 존재)

Sulfopropyl는 음전하를 가져 양이온을 흡착하는 고분자 담체가 cation exchanger, 양이온을 가져 음이온을 흡착하는 고분자 담체가 anion exchanger로 작용하며 이온교환체를 column을 채우면 서로 반대하전을 가지는 단백질로 이동이 정지되어 결합한다. 단백질의 기질간의 화합정도는 pH와 관을 흐르는 용액의 이온의 강도에 의해 좌우되며, 효과적인 분리를 위하여 이런 조건을 다양하게 조절 한다.

 

양이온 교환기

모체 합성수지(세파덱스)에 R기로 Sulfopropyl 기가 결합되어 있는 고분자 산의 형태이다. 이때 산성기는 물 속에서 이온화하여 옥소늄 이온(HO)를 생성한다.

RAH + HO ⇄ RA + HO

옥소늄 이온이 물 속에 염기 및 중성염의 성분인 양이온과 교환한다.

 

β-galactosidase

β-galactosidase는 유제품에 함유되어 있는 젖당을 가수분해하여 포도당과 갈락토오스를 생산하는 효소이다. 이 효소는 젖당의 소화, 흡수가 어려운 사람에게 적합한 유제품을 제공하며 부가적으로 젖당 함유제품의 감미도와 용해성을 증대시켜주는 특징이 있다. 그러나 β-갈락토오스해리효소의 가수분해 반응은 조건에 따라 매우 다르며, 특히 가수분해 중에 갈락토오스를 전이하여 올리고갈락토오스류 혹은 갈락토오스다당(galatooligosccharide)을 생성하기도 한다.

 

① 효소반응

β-galactosidase에 의한 젖당의 가수분해 및 올리고갈락토오스 생산은 Wallenfels와Makhtra(1960)가 제안한 당전이 반응 메커니즘으로 설명 가능하다. 즉 효소가 갈락토오스를 전이하는 받게 분자가 물이면 가수분해이고 받게 분자가 젖당이면 올리고갈락토오스가 생산되는 반응이다. 이 이론에 따르면 젖당가수분해는 갈락토오스 전이반응의 특별한 경우라 보았다. 이러한 견해에서 본다면 β-galactosidase는 가수분해 효소가 아니라 전이효소로 분리될 수 있다.

 

② 효소의 특성

β-galactosidase의 생화학적 특성은 매우 상이하며 일부 특성은 효소출처에 따라 분류될 수 있다. 가장 큰 분자량을 가지는 것은 대장균에서 유래한 것으로 520,000에서 850,000 Da의 크기를 가진다. 최적 온도는 효소마다 매우 상이하며 최적 13°C에서 최고 60°C 이상까지 사용 가능하다. 많은 경우 온도안정성을 증대시키기 위하여 효소를 고정화하여 사용한다. 일반적으로 곰팡이와 박테리아 유래의 효소가 효모 유래의 것보다 온도 안정성이 우수하다. 생성물저해(product inhibition) 또한 효소출처에 영향을 받는 중요한 생화학적 특성이다. 일반적으로 젖당 가수분해 시에 생성되는 포도당과 갈락토오스는 효소의 활성을 감소시키는 저해제로 작용한다. 포도당은 비경쟁적 저해제로 작용하며 갈락토오스는 경쟁적 저해제로서 작용한다.

 

③ 효소의 화학합성

대부분의 β-galactosidase는 기질특이성이 크다. 따라서 반응기내에 젖당 이외에 다른 받게분자(acceptor molecule)를 넣어주게 되면 무작위적인 당 유도체가 형성된다.

 

◆ 단백질 활성검사

단백질 활성검사(enzyme assay)를 하면 단백질의 농도가 현저하게 떨어지기 때문에 단백질을 농축하는 과정이 필요하다.

 

유인법(Affinity adsorption)

묽어진 단백질 용액을 ion exchange column에 흘려주면 단백질이 ion exchange resin에 달라 붙는다. 이것을 소량의 high salt buffer로 용출 시키면 농축된 단백질을 얻을 수 있다. Ion exchange resin 대신 affinity chromatography resin을 사용하면 특정 단백질에 대해서는 효과가 대단히 좋을 수 있다.

 

여과법 (Ultrafiltration)

단백질은 물이나 buffer용 salt보다는 크기 때문에 적당한 크기의 filter를 사용하면 단백질만 남고 물과 buffer는 빠져가게 할 수 있다. 하지만 구멍이 작으면 일반적인 확산으로는 잘 빠져나가지 않는다. 그래서 압력이나 원심력을 이용하여 투석막을 통과하게 만드는 것이다. 이 원리의 실험 장치가 있는데 Ultrafiltration kit (혹은 Stirred cell)로 압력을 견딜 수 있는 조그만 (50, 100, 250 ml)원통형의 cell과 고압 질소를 연결할 수 있는 tube와 연결 joint, 압력을 빼낼 수 있는 stop cock, 그리고 filter를 놓을 수 있는 base등으로 구성되어있다. 4atm의 N2을 사용하는 이유는 강제로 밀어내기 위함이고 공기가 아닌 N2를 쓰는 것은 단백질의 산화를 막기 위해서이다.

또 다른 방법은 원심분리기의 원심력을 이용하는 것인데 이건 좀 소형, 소량의 시료를 빨리 처리할 때 좋다. Filter를 사이에 둔 2 개의 tube의 위쪽에 시료를 넣고 돌리면 원심력에 의해 모두 아랫쪽 tube로 빠져나가게 되는데 단백질은 분자량이 커서 filter에 걸리고 물만 빠집니다. 다 빠진뒤에 아랫 tube를 바꾸고 filter를 거꾸로 달고 다시 돌리면 filter에 걸려있던 단백질들이 새로운 아래 tube로 떨어져 나오게 된다.

 

③ 침전법 (Selective precipitation)

물에 녹아 있는 단백질만을 고체로 침전시키는 방법이다. 그 다음에 원심분리해서 분리하면 된다. 기본적인 원리는 salting out이라고 볼 수 있다.물에 단백질이 녹아 있다는 말은 단백질들이 물 분자와 물리적으로 결합해서 외견상 물과 구별할 수 없는 상태로 존재한다는 말이다. 그래서 사용하는 것이 물과 친화력이 강한 단백질 아닌 다른 물질들을 첨가해주는 겁니다. charge를 많이 가지고 있는 salt들이 적합한데 대표적으로 ammonium sulfate [(NH4)2SO4]이 있다. 이런 salt나 solvent가 물에 녹을 때 열이 발생하기 때문에 salt는 cold chamber에서 천천히 넣어주고 solvent는 미리 차갑게 식혀두었다가 사용해야한다.

 

4.Material

효소분리과정

 DEAE-cellulose (anion exchange) resin

 Open column (1.0 * 30cm)

E. coli (beta-galactosidase gene)

 Buffer - A : 0.2M Tris (pH7.5)

- B : 0.2M Tris (pH7.5)3M NaCl

 

효소활성측정

과정

Z buffer (100ml)

 0.1M Sodium phosphate

 10mM KCl, 1mM MgSO4

 50mM 2-β-mercaptoethanol (pH7.0)

 0.1M PBS buffer

 1M sodium carbonate

 Orthonitrophenyl-β-D-galactropyranoside(ONPG) 2mg/mL

 β-galactosidase

 

실험기구

전자저울, 비커, 플라스크, 마이크로피펫, 시험관, 분광광도계, test tube,

매스실린더, 볼륨매스, vortex mixer, pipet, 흡광도측정기계, cuvett

크로마토그래피 관, 충진제

 

 

5.Method

(1) E.coli (pUC19)배양

① E. coli를 LB 배지, 37℃에 1L를 배양한다.

② 7,000rpm, 4℃에서 원심분리하고, 상등액(배지)은 버리고, 침전물(E.coli)을 취한다.

③ E. coli cell을 다음 용매에 suspension 시켜준다.

④ Sonicator(초음파 분쇄기)로 20min동안 E. coli cell을 lysis시킨다.

 

(2) DEAE-cellulose chromatography

① DEAE-cellulose resin packing

② A (0.2M Tris (pH 7.5)) buffer로 resin을 equilibrium(안정) 시켜준다.

③ B (0.2M Tris 3M NaCl (pH7.5)) buffer로 resin에 붙어 있는 sample을 용출시킨다.

④ 열로 인하여 변성될 수 있으므로 얼음에 넣은 체로 용해시킨다.

⑤ action collector에 모은 시험관은 차례대로 숫자로 표기한다.

⑥ Enzyme assay를 통해 Beta-galactosidase가 분해할 수 있는 기질을 사용하여,

enzyme 존재 여부를 확인한다.

 

(3) 활성측정*

① microplate에 Z buffer 100㎕를 넣어 준다.

② Para-β-D-galactropyranoside (pNPG)를 DW에 4㎎/㎖로 만든용액50㎕

를 microplate에 넣어준다.

Ion-exchange (DEAE-cellulose) chromatography를 이용하여 β-galactosidase를 분리한

fraction(시험관)에서 각각 100㎕를 취해 microplate에 넣어 준다.

(정제된 시험관은 4℃에서 보관한다.)

④ 50℃ incubator에 15분 동안 반응시켜준다.

⑤ 반응이 끝나면 2M sodium carbonate 50㎕를 넣어 반응을 멈춘다.

⑥ 분광광도기를 이용하여 흡광도 450nm에서 흡광도를 측정하고 결과를 바탕

으로 스텐다드 곡선을 그린다.

 

6.Reference

단백질실험노트(상), 김승호, 월드사이언스 p.7~24, 135~140

식품분석, 조득문, 효일, p.50-59

탄수화물 효소반응, 이대실, 한림원, p.107-114

분자생물학, 안정선, 월드사이언스, p.719~720

http://biochemistry.yonsei.ac.kr/biochem_molecular/gene_cloning_25.php

http://www.flemingtonlab.com/Protocols/TotalRNAprep.pdf

http://www.takara.co.kr/pds/magazine/pdf/20/h_1.pdf

 

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1.Subject

Isolated soybean protein의 정량

 

2.Object

Isolated soybean의 protein의 양을 정량하여 수율을 구한다.

 

3.Principle

◆ 분리 콩단백 (isolated soybean protein)이란?

탈지대두박으로부터 콩 단백질을 이용한 제품 중 분리 콩단백 (isolated soybean protein)은 농축 콩단백에서 불용성 탄수화물을 제거하게 되면 단백질만이 남게 되는 데 이 제품을 분리 콩단백이라 하고 단백질 함량은 90%정도이다.

 

1) 분리 콩단백

분리 콩단백은 깨끗하고 껍질이 제거된 좋은 품질의 콩으로부터 단백질이 아닌 대부분의 성분을 제거하여 단백질의 함량이 건조량을 기준으로 90%이상(N×6.25)이 되도록 제조한 분말 콩 제품을 말한다. 제품의 품질은 지방질이 전혀 없어야 하며 섬유질의 함량이 극히 적은 것이 특징이다. 분리 콩단백의 pH는 중화 정도에 따라 4.6에서부터 7.0까지의 넓은 범위를 갖고 있다.

 

2) 분리 콩단백의 물리적 기능특성

일반적으로 분리 콩단백은 수분결합능력이 크다. 이는 분리콩단백분이 단백질 결합능력이 높고 쉽게 팽창하기 때문에 분리 콩단백을 식품에 첨가 할 때는 수분흡수의 불균형이 일어나기 쉬우므로 첨가시 수분량의 조절이 필요하다.

 

3) 콩 단백질의 조성

 

 

 

콩의 단백질의 성분 중 총 단백질의 70% 이상을 차지하고 있는 글로불린이며, 글로불린의 구성은 7S와 11S가 대부분을 차지하고 있다. 7S와 11S는 물리적 및 화학적 특성이 다르다. 11S 글로불린은 subunit A5의 존재여부에 따라 A5, A4 types의 2가지 형으로 나눌 수 있다. 7S는 11S에 비하여 함황 아미노산 함량이 4-5배 낮다.

 

◆ 분리 콩단백의 회수

콩 단백질을 회수 시 수율을 높이기 위해서는 등전점에서도 침전되지 않는 저분자 콩단백을 주로 얻는 것이 중요하다. 그 이유는 저분자의 분리 콩단백은 보통 분리 콩단백보다 용해성이 훨씬 더 높으며 향미 물질과 착색 물질이 완전히 제거된 상태로 회수되기 때문이다. 이때 한외 여과에 의한 분리 콩단백은 pH 4.5에서 침전되지 않는 단백질을 전부 회수하므로, 재래식 방법보다 18 ~20%정도 수율을 향상시킬 수 있다.

 

◆ 등전점

 

등전점이란 양쪽성전해질이나 콜로이드입자 등의 전하의 대수 합이 0이 될 때의 상태를 용액의 수소 이온지수 pH로 나타낸 것으로 아미노산의 종류에 따라 달라진다. 보통 단백질의 전하의 대수 합은 전체 아미노산보다는 단백질 표면의 아미노산이 더 중요한 영향을 준다. 콩은 산성 아미노산이 더 많으므로 등전점이 pH 7보다 낮은데 이 등전점에서는 인접한 단백질 분자 간에 전기적 반발작용이 없어 서로 결합하여 용해도가 최저 즉, 침전되는 것이다. 등전점 이하나 이상에서는 전하가 발생하여 분자 간 전기적 반발 작용이 생기므로 용해도가 증가한다.

 

4.Material

탈지대두분, 교반기, 마그네틱바, 소포제, 1N NaOH, 1N HCl, 비커, 호일, 원심 분리기, 원심분리관, 건조기, 스푼, 저울, pH meter, 증류수, 거즈, 마이크로피펫

 

 

5.Method

 

 

 

 

ISP를 만드는 단계는 크게 6단계이다.

Extraction-Separation-Curd침전-Separation-Neutralizing-Separation

1)*비커에 탈지대두분과 그의 10배만큼의 부피인 10% 에탄올을 넣고 교반기로 섞는다.

2)*1M의 NaOH를 첨가하여 pH meter를 이용하여 pH9 ~ 10 정도로 맞춰준다.

3) 1시간정도 놔두면서 pH 변화를 살핀다.

(탈지대두분의 성분으로 인해 pH가 조금 낮아지므로)

4) 용액을 거즈를 통해서 Filtration을 한다.

5) 걸러진 용액을 10분 동안 원심분리 한다.(약 5000rpm)

6)*상등액을 분리하여 상등액에 1M HCl를 첨가해서 pH를 4.2 ~ 4.6 정도로 맞춰

단백질을 침전시킨다. 교반기를 이용하여 잘 저어주면서 pH변화를 조절한다.

7) 거품이 많이 나면 소포제를 2방울 가량 첨가한다.

8) 걸러진 용액을 10분 동안 원심분리 한 후(약 5000rpm)상등액은 버린다.

9) 1M NaOH를 이용하여 pH 7~8로 중화시켜준다.

10)침전물을 잘 긁어내 알루미늄 호일에 펴서 건조를 시킨다.

 

6.Reference

Experimental Organic Chemistry (p.93~121)

식품분석(이론과 실험), 신광출판사, 신효선, p.72 ~ 76

표준식품분석학, 지구문화사 , 채수규 , p.242 ~ 255

핵심 생화학, Stryer, 범문에듀케이션, p33

식품화학, 김관우, 광문각 p.150~152

가공식품의 이해. 김병기, 신광출판사

식품가공학. 손태화, 형설출판사

http://www.soyworld.org/

http://fa.kfda.go.kr/common/vocabulary_view.jsp?currPage=1&SerialNo=1363

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1.Subject

탈지 대두분 제조 (Defatted soybean powder production)

 

2.Object

대두분에서 지방을 추출하여 단백질만 남긴 탈지 대두분을 만든다.

 

3.Principle

대두단백질

대두(콩)는 다른 식용작물 종자와 비교할 때 약 40%의 단백질을 함유하고 있다. 또한 유지함량이 높고 회분 함량이 높은 특징을 가지고 있다. 따라서 채유를 끝낸 탈지대두박을 물 또는 식염으로 추출하면 약 90%의 단백질을 얻을 수 있다.

대두단백질의 조성은 초원심분리법에 의한 침강계수(sedimentation constant)에서 2S, 7S, 11S, 15S의 4성분으로 구분되며, 추출단백질의 수용액을 pH 4.5~4.8의 산성으로 조절하면 단백질의 약 75%가 등전 침전되며 이것의 주성분은 글로불린이다. 항원․항체 반응에 따른 면역학적 분류에 의하면 글로불린(globulin)은 α-, β-, γ- globulin과 conglobulin의 4성분으로 나눌 수 있다. 산에 침전되지 않는 단백질은 훼이(whey) 단백질이라고 불리며, 2S와 7S 단백질의 주가 된다. 2S 단백질은 트립신 억제제(trypsin inhibitor)의 활성을 가지고 있다. 대두글로불린의 주성분은 glycinine(11S 성분)과 conglycinine(7S 성분)으로서 두 성분의 합은 대두글로불린의 약 70%이며, 두 성분의 비율은 품종에 따라 다소 차이가 존재한다.

 

대두단백질의 종류

대두단백질 제품은 보통 탈지대두 또는 탈지대두를 원료로 하여 가공한 제품을 말하며, 성분에 따라 다음과 같이 나누어 볼 수 있다.

►탈지콩가루(defatted soy flour)

►농축대두단백질(SPC, soy protein concentrate)

분리대두단백질(SPI, soy protein isolate)

섬유상대두단백질(fibrous soy protein)

 

1) 콩가루(soy flour)

콩가루는 탈지한 대두박이나 탈지하지 않은 대두를 미세하게 분쇄하여 분말화한 것으로서 일반적으로 입자의 크기가 100mesh 체를 통과한 것으로 규정하고 있다. 콩가루는 단백질이 많이 함유되어 있지만 글루텐이 함유되어 있지 않다는 점에서 밀가루와 구분되며, 섬유소가 함유되어 있다는 면에서는 탈지분유와 다르다. 콩가루는 전지콩가루, 탈지콩가루, 그리고 레시틴 또는 콩기름을 첨가한 콩가루로 나눌 수 있다.

콩가루의 제조과정 중에 열처리를 하는데, 이 이유는 대두의 비린 냄새를 제거하고, 효소를 불활성화 시키기 위해서이다. 그러므로 끓이거나 증기로 처리한 콩가루는 냄새가 크게 향상될 뿐만 아니라 트립신 저해제가 불활성화 되어 소화율이 향상된다. 그러나 가열처리에 따라 콩가루의 착색과 단백질 용해도가 감소되므로 가열방법과 가열온도, 가열시간은 적절히 조절되어야 한다.

 

2) 전지콩가루(whole soy flour)

전지콩가루는 대두를 6~8조각으로 분쇄한 다음, 분리한 표피를 제거한다. 표피를 제거한 자엽과 배아는 15분간 열처리한 후에 건조하여 미세한 가루로 만든 것을 말한다.

전지콩가루의 입자 크기는 97% 이상이 100mesh 체를 통과해야 하는데, 지방질이 많아 체의 사용이 어려우므로 일반적으로 송풍분리법(air classifier)으로 분리한다.

 

3) 탈지콩가루(defatted soy flour)

탈지대두분의 이용은 오래 전부터 많은 연구 및 사용되어졌는데, 대두단백질 제품을 식품에 이용하게 된 배경은 단백질 자원의 확보를 위한 노력과 더불어 각종 식품 가공제품의 증량제 또는 대체용으로 사용된다. 탈지콩가루는 조쇄하고 박피화된 대두에서 지방을 추출하고 남은 탈지대두박을 3단계에 거쳐 제조한 것이다.

 

►탈취→건조→마쇄

♳탈취과정 : 탈지대두박에 증기를 짧은 시간 통과시켜 불쾌한 냄새를 제거.

♴건조과정 : 단백질이 변성되지 않게 상온에서 건조.

♵마쇄과정 : Hammer mill로 분쇄하여 97% 이상이 100mesh 체를 통과.

위의 3단계 과정 후에 탈지콩가루에 지방 함량이 1% 이하이어야 하며 사용용도에 따라 성분을 첨가한다. (ex: 저지방 콩가루(low-fat soy flour)는 탈지콩가루에 지방을 첨가시켜 지방 함량이 4.5~9%가 되도록 조절)

탈지콩가루의 제조과정 중 단백질의 변성도에 따라 각각 고변성, 중변성, 저변성 콩가루로 구분하기도 하며 물성의 차이에 따라 이용 용도도 달라진다.

만약 단백질의 변성도가 높다라면 가용성 질소가 적어질 뿐만 아니라 유독물질의 불활성화, 영양가의 향상, 밀도의 증가, 조직의 경화와 투명성, 특유한 풍미가 있어서 사료용으로 이용된다. 중변성 탈지콩가루는 고변성 탈지콩가루에 비하여 착색이 덜 되지만 조직이 단단하여 간장이나 된장 제조를 위한 양조용으로 이용된다. 이에 비하여 저변성 탈지콩가루는 두부의 원료, 분리단백질의 제조원료 등 식품가공용으로 이용되고 있다.

산업적인 방법과는 달리 실험실에서는 전지콩가루(whole soy flour)의 지방성분을 유기용매로 제거 후 유기용매인 n-hexane 로 추출하여 탈지콩가루(defatted soy flour)를 만든다.

 

◆ n-hexane

헥세인(Hexane)은 알케인 탄화수소이다. 분자식은 CH3(CH2)4CH3로 표기된다. "hex" 라는 수식어는 탄소가 여섯 개임을 의미한다, "ane" 이라는 것은 각 탄소가 단일결합임을 뜻한다. 핵산 단일결합은 매우 안정적이다. 또한 극성을 띄지 않아서(무극성이어서) 유기용매로 널리 쓰이며 안정적이기 때문에 식품(콩, 옥수수등)으로부터 기름을 추출하기 위한 용매로 사용된다.

 

4.Material

전지대두분, 교반기, 마그네틱바, n-hexane, 비커, 호일, 필터페이퍼

 

5.Method

1) 전지대두분을 준비한 후 무게를 측정한다.

2) n-hexane을 측정한 전지대두분의 무게의 10배를 넣고 1시간정도 교반한다.

3) 교반이 완료되면 침전물이 쌓이고 위쪽 상층액(지질이 용해된 부분)을 버린다.

(침전물은 호일에 모아 건조하고 남아있는 상층액은 filtration 한다.)

4) 필터를 이용하여 상층액에 남아있는 침전물을 거른 후 사용했던 종이필터를 호일에

모아 따로 건조한다.

5) 건조가 완료되면 대두분에 남아있는 단백질의 %수율을 구한다.

 

6.Reference

Experimental Organic Chemistry (p.93~121)

식품분석(이론과 실험), 신광출판사, 신효선, p.72 ~ 76

표준식품분석학, 지구문화사 , 채수규 , p.242 ~ 255

http://www.soyworld.org/

http://fa.kfda.go.kr/common/vocabulary_view.jsp?currPage=1&SerialNo=1363

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1.Subject

Kjeldahl법을 통한 crude protein의 정량

 

2.Object

Kjeldahl법을 통하여 crude protein에 포함된 질소의 양을 통해 단백질의 양을 측정한다.

 

3.Principle

조단백질

단백질은 다른 성분과 달리 평균 16%의 질소를 함유하고 있는 것이 특징이다. 질소는 단백질에서 특유의 성분이지만, 질소를 함유하고 있다고 하여 반드시 단백질이라고는 할 수 없다. 식품 중에는 아미노산, purine 및 pyrimidine 염기의 유도체, amide 화합물, 핵산 화합물, 요소 등의 여러 가지 비단백태의 질소화합물이 함유되어 있으며, 이들은 종류에 따라서 그 조성이 다르다. 일반적으로 총 질소에 6.25를 곱한 것(질소계수 : 100 / 16 = 6.25)이 며 총 단백질 양을 나타내는 것은 아니다. 따라서 이것을 조단백질(crude protein)이라고 한다.

 

Kjeldahl법

Kjeldahl법은 유기질소를 정량하는 가장 흔한 방법으로 중화적정을 이용한 정량법이며 주로단백질, 우유, 곡류, 및 밀가루에 존재하는 질소를 정량하는 방법이다. 이 과정은 직접적이며 특별한 장치가 필요 없고, 수많은 시료의 일상분석에 쉽게 적용된다.

이 방법의 원리는 Kjeldahl장치를 이용하여 조단백질의 총 질소 함량을 측정하여 질소의 %를 단백질로 전환하는 것으로서, 식품 내 모든 질소는 단백질로서 존재한다고 가정하고 식품 단백질 내 질소의 % 함량에 기초한 질소계수(F)를 사용한다.

Kjeldahl법은 분해, 증류, 중화, 적정의 네단계를 거친다.

1) 분해

시료에 진한 황산과 분해 촉진제를 가해 가열하면 식품성분의 분해가 시작되어 유기물의 탈수탄화와 산화환원반응이 일어나 시료 중의 질소는 암모니아로 되고 분해플라스크 중에 잔존하는 진한 황산과 다음과 같이 반응하여 황산암모늄의 형태로 분해액 중에 포집된다.

 

실험과정에서 첨가한 분해촉진제는 진한 황산과 다음과 같은 반응을 한다.

 

그러나 가열, 분해 중에는 제거되고, 본 반응은 반복되어 용액은 더욱 진하게 되며 유기물의 반응은 격렬하다.

 

질소-단백질 환산계수

조단백질은 일정한 비율로 질소를 함유하기 때문에 조단백질의 질소량을 정량하여 여기에 특정한 환산 계수를 곱하여 산출한다. 단백질이 함유하는 질소의 비율은 조단백질의 종류에 따라 다르므로 각각의 특정한 환산 계수가 정해져 있으나 개별 계수를 알 수 없는 조단백질은 모두 6.25의 계수를 쓴다.

 

 

 

4.Material

① 진한 H2SO4 : 시료분해용 (d: 1.83g/ml)

② 혼합촉매 : K2SO4 9g과 CUSO4 . 5H2O 1g 을 유발로 분쇄, 혼합하여 사용한다. 이때 K2SO4 는 황산에 용해하여 그의 비등점을 높여주고 분해를 촉진하는 역할을 한다.

③ 0.1N-H2SO4 용액

④ 0.1N-NAOH 용액

⑤ 중화용 NAOH용액 : 아질산을 함유하지 않은 NAOH 450g을 물 1L에 녹여 냉각 후 폴리에틸렌에 넣어 하룻밤 정도 정치시켜 탄산염을 침전시키고, 상층액만을 사용한다.

⑥ 혼합지시약 : 0.1% methyl red alcohol 용액과 0.1% methylene blue alcohol 용액의 등량 혼합용액으로 pH5에서 적자색, pH 4.5서 무색, pH 5.6에서 녹색을 띤다.

⑦ 비등석 : 경석을 직경 1~3mm 정도로 분쇄시켜 물로 씻고 500℃ 이상의 온도에서 가열하거나 외경 1~1.5MM경도의 유리관을 사용한다.

⑧ 분해장치 : 300~500ml 경질플라스크를 사용한다.

 

 

 

 

 

5.Method

 

1)시료준비

● 시료 0.5g을 유산지에 정량하여 분해플라스크에 넣는다.

● 분해플라스크에 혼합촉매제를 넣는다.

2)분해 및 증류

● 분해플라스크에 H2SO4 15ml을 넣고 kjeldahl장치에서 420℃에서 45분간 분해한다.

 

분해 및 증류과정에서의 Kjeldahl장치 사용법

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

① 삼각플라스크(E)에 0.1N H2SO4 표준용액 20ml + 혼합지시약 4~5방울을 넣는다.

② 증류플라스크(C)에 희석 분해액 (10ml)를 깔대기(F)를 통해서 넣는다.

(증류수로 용기에 묻은 시료액을 씻어 넣음)

③ 수증기 발생플라스크(A)에 물(1/2)을 넣고 항온기로 가열한다.

④ 플라스크(A)에서 수증이가 밀려나오면 깔대기(F)를 통하여 중화용 NaOH용액을 적당량

가하여 증류플라스크(C)의 액이 알칼리가 되도록 한다.

⑤ 증류플라스크(C)에서 발생되는 암모니아는 플라스크(A)에서 나오는 수증기에 밀려서 냉

각관(D)를 통하여 삼각플라스크(E)로 들어가서 황산과 반응하여 (NH4)2SO4를 형성한다.

(약 30~40분간 증류)

⑥ 증류가 끝나면 삼각플라스크(E)를 들어내고 냉각관의 끝부분(G)을 증류수로 잘 씻어

삼각플라스크(E)안에 넣은 후 가열을 멈춘다.

⑦ 마지막으로 세척 과정에서는 삼각플라스크(E)를 들어내고 증류수를 넣은 용기를 놓고,

코크(c)를 열고, 코크(b)를 닫으면 감압에 의하여 용기의 물이 역류되어 증류플라스크(C)

가 세척되며 이때 역류병(B)에 모인 물은 코크(a)를 열어 제거한다.

 

 

blank test 란 시료이외의 물질(시약, 황산, 증류수 등)에 질소가 존재할 수 있기 때문에

오차를 줄이기 위해서 실시하는 실험이다.

(Kjeldahl장치 사용 시 처음에는 blank test를(증류 플라스크에 물을 넣고 실험)을 한 후

두 번째 본 실험(증류 플라스크에 분해액을 넣음)을 하는 두 번의 조작을 거친다.)

 

3)중화

● 혼합지시약(Methyl Red+Bromocresol Green)과 4%H3BO3이 들어있는 붕산용액(붉은색)

을 20ml 삼각 플라스크에 측정하여 넣는다.

● 식힌 플라스크를 Hood에서 꺼낸 후 붕산용액을 kjeldahl증류 및 중화장치에 연결한다.

이때 kjeldahl 증류 및 중화장치의 한쪽에는 35%의 NaOH를 다른 한쪽에는 증류수를 장

치하여 증류 및 중화 과정을 통해 시료가 초록색으로 변하는 것을 확인한다.

 

 

 

4)적정

● 증류&중화과정이 끝난 삼각플라스크에 포집된 NH4H2BO3를 0.1N HCl를 이용하여 적정

하여 붉은색으로 변함 여부를 확인한다.(시료적정량)

● kjeldahl 증류&중화장치를 이용해 분해플라스크를 세척한다.

● 최종의 결과값을 계산 수식에 넣어 조단백질의 양을 구한다.

 

6. RESULT

ISP를 시료로 하여 시료의 채취량을 0.5g 으로 하고 혼합촉매 10g, 진한 H2SO4 20ml를 가하여 분해 한뒤 분해액을 200ml로 희석하여 20mL 채취한 뒤 증류과정을 시행하였다. 0.1N - H2SO4표준용액의 수기 채취량은 20ml이고 0.1N - NAOH 표준용액의 역가는 1.032 이였다. 여기서 0.1N - NAOH 용액의 적정소비량은 공시험때 18.9mL였고 본시험때 14ml였다. 그리고 콩단백의의 질소 - 단백질 환산 계수는 6.25이다. 이것으로 ISP의 조단백량을 계산하면 다음과 같다.

 

 

7. DISCUSSION & CONCLUSION

비공개 ^^

 

8.Reference

식품분석(이론과 실험), 신광출판사, 신효선, p.72 ~ 76

표준식품분석학, 지구문화사, 채수규 , p.242 ~ 255

최신분석화학, 자유아카데미, Daniel C. Harris (계산 수식 참고)

http://www.dslab.co.kr/src/main/indexpage.php(켈달장치의 구조 그림)

NK Chem 일반화학, megaMD, 남궁원, p.249

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1.Subject

DNS method에 의한 Reducing Sugar Determination

2.Object

환원당(reducing sugar)의 성질을 이용하여 디나이트로살리실산(3,5-dinitrosalicylic acid, DNS)이 환원되어 생성된 3-amino-5-nitrosalicylic acid의 흡광도를 측정하여 설탕의 당을 정량한다.

3.Principle

 

환원당 (reducing sugar) Aldose의 카르보닐 산소가 여러 물질을 환원시킬 수 있다(즉, 1개 이상의 전자를 물질에 제공한다.)는 사실을 잘 알려져 있다. Ketose 역시 물질들을 환원시킬 수 있지만 aldose 만큼 쉽게 일어나지는 않는다. 이러한 현상은 aldose와 ketose의 고리구조가 대부분 저절로 열려져 환원과정에 참여하는 카르보닐기가 노출되어 당이 직선 사슬구조를 이루기 때문에 일어난다. 2가 구리()를 1가 구리()로 환원시킬 수 있는 당을 환원당이라 한다. Surcrose(설탕)와 같은 비환원당은 를 로 환원시킬 수 없다. Benedict 실험은 당의 환원성을 동정하는 데 쓰여질 수 있다. 예를들어, 당을 구리-구연산 용액(를 포함하는 Benedict 시약)속에서 가열시켜 만약 환원당이 존재하면 를 로 환원시켜 붉은 벽돌색의 침전물을 형성한다.

 

비색법 (colorimetry)

시료 속의 구하려는 성분 자체나, 시료에 어떤 시약 용액을 넣을 때에 백색광의 일부분을 흡수하여 나타내는 색깔의 짙기를 표준물질의 세기와 비교, 측정하여 성분의 함령을 결정하는 분석법이 비색법이다. 고체나 기체의 발색을 이용할 수도 있으나, 보통 용액의 발색을 이용할 때가 가장 많다. 곧 시료를 용액으로 만들어 분리, 농축 또는 방해하는 물질을 제거하고, 적당한 시약을 넣어 발색반응으로 나타내는 색깔의 짙기를 비교·측정하는 조작을 포함하게 된다. 옛날의 분석은 가시광선에만 한정되었으나, 측정기기가 발달함에 따라 가시광선보다 파장이 긴 쪽이나 짧은 범위까지의 전자복사선을 써서 시료 속의 이온 또는 분자에 의한 선택적인 빛의 흡수의 세기를 측정함으로써 시료의 성분농도를 알게 되었다. 이러한 방법을 통틀어 흡수광도법이라고 하며, 작은 입자가 분산되어 있는 서스펜션의 흐림도를 투과광의 세기로서 측정하는 방법은 비탁법이라고 한다. 백색광을 그대로 쓰지 않고, 광원으로부터 나온 복사선을 필터와 같은 분광기로 어떤 특정한 좁은 파장 범위의 빛으로 분광하여 측정용액에 통과시킬 때 투과하여 나오는 복사선의 세기를 측정하는 방법은 비색법이며, 필터 대신에 프리즘이나 회절발과 같은 단색화 장치를 써서 매우 좁은 파장범위의 단색광을 측정용액에 통과시킬 때는 특히 분광광도법이라 한다. 흡수광도법의 장점은 예민한 발색반응에 의하여 미량의 성분을 간편 신속하게 정량할 수 있는 점이다. 곧 무게분석법이나 부피분석법에서는 0.1% 이하의 성분이 포함되어 있을 때에는 분석의 오차가 매우 커지나, 흡수광도 분석법은 % 범위의 미량성분의 정량에 적당하며, 조건만 잘 조절 선정하면 상대오차 1% 정도 이하에서도 분석할 수 있다.

 

환원당의 적정에 의한 정량법

 

 

 

 

이 방법은 자유 카보닐 그룹이 존재하는 환원당이라 불리우는 물질을 이용한다. 이것은 예를들면 과당에 포도당과 케톤기가 들어있는 것처럼 알데하이드 작용기의 산화를 포함합니다. 동시에, 3.5-dinitrosalicylic acid은 산성 조건 하에서 3-amino-5-nitrosalicylic acid으로 환원된다. ► aldehyed group →(산화) carboxyl group ► 3.5-dinitrosalicylic acid →(환원) 3-amino-5-nitrosalicylic acid 용해된 산소는 그 자체가 색깔 반응을 하는데 충분하지 않은 포도당 산화에 의해서 방해받을 수 있기 때문에 아황산염은 용해된 산소를 흡수하는 시약에 추가된다. 위의 반응은 1몰의 설탕은 1몰의 3.5-dinitrosalicylic acid와 반응할 것임을 보여준다.

◆ DNS(dinitrosalicylic acid) 시약의 제조 일반적으로 방향족 화합물에 질산이 작용하여 니트로기를 도입하는 반응을 질화(Nitration)라고 하며 생성물을 나이트로 화합물이라고 한다. 벤젠족에 있어서 선입기가 등의 양성기 일 때는 니트로기가 주로 메타자리에 들고, 등의 음성기일 때는 주로 오쏘 및 파라 자리에 들어간다. 살리실산을 dinitration 하면 3,5-dinitrosalicylic acid이 생성된다.

4.Material

maltose(환원당,1mg/ml)

Sample – Fructose(미지농도 - 제조 후 10배, 100배 희석)

– 설탕(미지농도) : 측정

3,5-DNS : 0.1g, Na-K Tartrate(Rochelle salt) : 30g, NaOH 0.1g, d.w: 100ml

저울, 메스실린더, 부피플라스크, 얼음, test tube, 교반기,

분광광도계(Spectrophotometer), 피펫

5.Method

(1) Test tube 10개를 준비 후, maltose를 농도 별로 7개 tube에 넣고(표준용액),

Sample 3개를 각각 3개의 tube에 넣는다. 그 후 DNS 2ml를 tube에 넣는다.

(2) 반응 10분(under heat)

(3) 온도를 낮추어 반응을 정지시키기 위해 15분간 Icing.

(4) UV abs 측정(550nm)

(5) Calibration Curve를 구한 후 sample의 정량범위를 확인한다.

 

 

 

7. DISCUSSION & CONCLUSION

[데이터 분석]

DNS method는 Lowry method과 마찬가지로 흡광도 측정을 통하여 물질을 정량하는 실험이다. 단지 측정하는 물질이 단백질에서 당으로 바뀐 정도의 차이가 있다. 우리가 이번실험에서 측정하여 정량하고자 했던 당은 환원당으로써 환원말단을 가진다. 실험에 대조군으로는 설탕을 사용하였는데 이것은 환원 말단을 가지지 않는 물질이다.

실험과정은 maltose를 이용하여 표준곡선을 그린 후, 각각의 sample의 흡광도를 비교하여

Sample의 미지농도를 측정하는 것이다.

각각의 Sample의 농도는 다음과 같다. 1823.53 ㎍/ml(10배 희석), 176.47 ㎍/ml(100배 희석) 측정 결과 희석도는 약 1:10의 비율을 띠므로 sample의 희석은 비교적 잘 이루어졌다. 단, Standard Curve의 곡선이 고르지 못하지만, R2의 값이 0.872934을 나타낸 것으로 보아신뢰성 있는 그래프라고 생각된다.

 

디스커션은 되도록비공개로 ^^

 

8.Reference

생화학, LARRY G.SCHEVE, 유한문화사, p.157대학 분석 화학, 이흥락, 학문사, p.431~432염료화학, 김공주, 대광서림, p.42~43생화학 요론, 김창한, 유한문화사, p.26

http://blog.naver.com/istyle333?Redirect=Log&logNo=60095902755

http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=ahreum319&logNo=50024773268

http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=kjh880129&logNo=20067006702

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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