식이섬유, 섬유질, 셀룰로스, Cellulose, 장내미생물
식이 섬유, 食餌纖維, dietary fiber, roughage, 식이 섬유소
사람의 체내 소화효소로는 분해되지 않아 소화되지 않는 고분자화합물을 칭하는 말로, 가용성 섬유소와 난용성 섬유소의 두 종류가 있다. 한편 식이 섬유라는 말은 특히 동물이 살아가기 위하여 섭취해야할 섬유질(cellulose fiber)을 가리키는 용도로도 사용된다.
가용성 섬유소
가용성 섬유소(soluble dietary fiber)는 물에 녹거나 팽윤되며, 대장에서 박테리아에 의해 발효되는 섬유소이다.
펙틴(pectin), 검(gum), 뮤실리지(mucilage) 등.
난용성 섬유소
난용성 섬유소(insoluble dietary fiber)는 물에 녹지 않으며, 대장에서 박테리아에 의해 대사되지 않는 섬유소이다.
셀룰로오스(cellulose), 일부 헤미셀룰로오스(hemicellulose), 리그닌(lignin) 등.
식이 섬유소의 기능
위장 포만감 유발
배변량 증가
음식물의 장내 통과 속도 정상화
소장 통과속도를 빠르게 하여 영양소 흡수율 저하(당뇨환자에 권장)
대장의 발효를 위한 영양원(가용성 섬유소)
혈청 콜레스테롤 농도 저하(가용성 섬유소)
대장암 예방 효과
게실염 예방 효과
변을 부드럽게 함
식이 섬유소가 풍부한 식품
콩과식물(강낭콩, 콩, 완두콩, 팥 등)
과일류(레몬껍질, 포도, 배, 사과, 감, 키위, 바나나, 자두, 오렌지, 복숭아, 파인애플 등)
채소류(브로콜리, 당근, 양파, 양상추 등)
뿌리채소 (고구마, 우엉, 무우 등)
해조류(미역, 다시마 등)
버섯류
견과류 (아몬드, 땅콩, 호두 등)
통곡물 또는 전곡(현미, 보리, 귀리, 통밀, 호밀 등)
섬유질(纖維質)
섬유 형태의 물질을 말한다. 셀룰로스
탄수화물의 일종. 식품과 엮일 때는 식이섬유(食餌纖維)나 섬유소(纖維素)라고 부르기도 한다. 채소, 과일, 곡물, 해조류, 버섯, 견과류에 많이 포함되어 있으며, 심지어 식용은 아니지만 종이에도 다량 포함되어 있다. 우리 몸에는 셀룰로스를 분해하는 효소가 없기 때문에 이를 소화 및 흡수할 수는 없지만, 소와 같은 초식 동물은 셀룰로스 분해 효소가 있기 때문에 이를 포도당으로 분해해서 흡수할 수 있다. 정확히는 초식 동물이 스스로 효소를 분비하여 셀룰로스를 소화하는 것은 아니고, 초식 동물의 장내 미생물이 셀룰로스를 분해해서 자기가 쓰면서 내놓은 부산물을 흡수하는 것이다.
일반 대중들은 섬유질의 기능을 변비 해결에 도움을 준다는 정도로만 아는 이들이 많다. 식품의약품안전처에서 인정하는 기능성은 1. 정장 작용(배변 관련) 2. 혈당치 상승 억제 3. 혈중 중성 지질 저하가 있다(난소화성말토덱스트린 기준). 물론 모든 식이섬유에 다 3가지 기능성이 있는 것은 아니다. 기능성 관련 최소 법적 섭취량도 식이섬유 종류별로 다 다르다. 어찌 됐건 꾸준히 적정량을 섭취하면 건강에 좋은 것은 사실이다. 그 외 장내 유익균의 먹이가 되어 장 환경을 개선한다. 포만감을 줘 다이어트에도 꽤 도움이 된다.
일반적으로 포유동물들은 자체적으로 소화할 수가 없다. 소는 위가 여러 개이고 되새김질을 하여 소화하고, 토끼는 소화가 덜 된 부산물인 자신의 대변을 다시 먹어서, 말은 소장이 엄청 길고 거대한 맹장 내부에서 미생물의 도움을 받아서 소화한다. 인간 역시 장내에서 일부 미생물이 분해하는 덕에 약간 흡수한다. 이때 장내 미생물이 이용하여 분해되는 정도는 식이섬유의 종류마다 다르다. 비타민, 무기염류와 달리 식이섬유는 미국 FDA에서 한동안 정의를 내리는 데 애먹었을 정도로 굉장히 광범위한 개념이다.
일반적으로 식이섬유는 알파아밀라아제, 글로코시다아제와 같은 인간의 소화 효소가 분해하지 못하는 3당류 이상의 다당류로 정의된다. 그러나, 미국 FDA는 소화되지 않는 탄수화물과 기능성을 가지는 식이섬유를 별도로 분류했다. 즉, 소화되지 않는다고 모두 식이섬유가 아니라는 말이다. 식이섬유는 그 원료 물질, 분자량, 분자 구조에 따라 매우 다양하며, 실제 한국 식약처의 건강기능식품의 기준 및 규격 고시 전문에서도 식이섬유의 종류별로 별도의 기능성을 인정하고 있고, 심지어 동일 기능성일 경우에도 식이섬유별로 최소 섭취량이 다르다. 식이섬유이면서도 한국 식약처에서 건강기능식품으로 인정이 안 되는 것들도 있으니, 간단하게 정의할 수 있는 것이 아니다. 미국 FDA는 건강에 유익함을 주는 것이 과학적으로 유의미하게 증명된 소화되지 않는 탄수화물을 식이섬유로 정의하고, 이를 공표할 예정이란 말도 있다.
종류
수용성 식이섬유소, 불용성 식이섬유소 두 종류가 있다. 식이섬유, 수용성 vs 불용성…뭐가 다른데?
불용성 식이섬유소는 물에 녹지 않는 식이섬유라는 뜻이다. 정제된 식품, 즉 설탕, 흰쌀, 흰 밀가루가 아닌, 통곡물이나 채소류의 거친 부분을 생각하면 된다. 리그닌, 키틴, 셀룰로오스, 헤미 셀룰로오스가 있다. 식품으로는 곡류에는 현미, 보리, 팥, 옥수수, 토란, 밀기울 빵, 전밀 빵처럼 거친 것들에, 채소류에 질경이, 상추, 양배추, 나물, 청, 고사리, 양파, 치커리, 우엉, 브로콜리, 표고버섯 등에 많이 있다. 우리가 먹지 않고 버리는 과일 껍질에도 불용성 식이섬유가 많은 편이며, 특히 다시마나 김 등 해조류에 엄청나게 많다.
수용성 식이섬유소는 물에 녹는 식이섬유라는 뜻이다. 난소화성말토덱스트린, 폴리덱스트로스, 이눌린 등이 있다. 수용성 식이섬유는 불용성 식이섬유가 있는 채소나 과일 등에 함께 존재한다. 상술된 것처럼 수용성 식이섬유 종류별로 기능성이 다 다르고, 요즘 시중에서 흔히 찾아볼 수 있는 올리고당에 들어 있다는 식이섬유는 건강기능식품공전에 등재되어 있지 않아서 기능성 표기는 할 수 없다. 이번에 발표 예정인 미국 FDA에서는 올리고당의 식이섬유는 식이섬유의 정의에서 빠질 듯하다. 껌으로 유명한 자일리톨과 같은 당알코올도 따지고 보면 수용성 식이섬유 역할을 한다는 말이 있는데 이는 사실이 아니다. 당알코올류가 칼로리가 적고 세균 이용성이 적다 보니 다소 오해가 있는 듯. 당알코올은 당알코올일 뿐이고 식이섬유와는 다르다. 식이섬유는 일반적으로 식품이나, 식품첨가물로 분류되는 것도 있다. 불용성 식이섬유는 침에 의해 녹지 않으므로(소화 효소가 분해하지 못한다.) 먹을 때 입안에서 꺼칠꺼칠한 느낌을 주고, 일반적으로 식이섬유가 음료에 많이 사용되는 관계로 수용성 식이섬유가 식품 산업에서 가장 많이 사용된다. 한국에서는 Fibersol-2, polydextrose 등이 유명하다.
변비와 식이섬유
변비를 예방하기 위해서는 충분한 식이섬유를 먹어주는 것이 좋다. 변비에 효과 있는 것으로 식이섬유가 대표 이미지를 갖게 된 데에는 다른 영양소와 달리 다량의 식이섬유를 섭취하면 길어도 며칠 내에 바로 효과를 볼 수 있어서 체감 효과가 뛰어나기 때문이다. 단, 원체 섬유질의 정의와 분류가 전문가들도 헷갈릴 만큼 광범위한지라, 효능이나 식품 종류 같은 내용도 기사마다 제각각인 측면은 좀 있으니 고려하자.
섬유질은 한천(우뭇가사리), 미역 같은 해조류나 건조표고 같은 버섯류에 압도적으로 함유량이 많고, 콩이나 배, 고구마, 시금치 같은 과일이나 채소류에도 많이 포함되어 있다. 식이섬유가 많은 음식. 한국인의 섬유질 일일 섭취 권장량은 여자 20g, 남자 25g이다. 하지만 이런 권장 섭취량도 못 먹는 사람들이 상당수이고, 과유불급이라고 과도한 섭취도 몸에 좋진 않은데, 하루 60g 정도의 과다 섬유질 섭취는 장을 막는 등 오히려 건강에 위험할 수 있다고 한다.# 다만 변비에 한정한다면 불용성 식이섬유가 도움이 되지, 해조류 등에 많이 포함된 수용성 식이섬유는 별로 도움이 안 된다는 주장도 있다.
과일류 중 식이섬유가 가장 풍부한 과일은 배다. 커다란 배 한 개에는 무려 9.9 g, 작은 크기의 배에는 5.5 g의 식이섬유가 들어있다. 사과는 100 g당 1.63 g. 그 외 라즈베리(1/4 컵당 4 g), 블랙베리(1/2 컵당 3.8 g), 바나나(중간 크기 3.1 g), 블루베리(1/2 컵당 2 g)도 섬유질 섭취에 좋은 음식이라고 한다.
장내 미생물 증식을 돕거나, 변의 양을 늘리거나, 변의 수분비율을 높이는 등, 식이섬유가 변비 및 장에 영향을 미치는 방식은 여러가지이다.
수용성 식이섬유는 전반적으로 혈당치 상승 억제나 혈중 중성지질 저감의 효과가 있다.
수용성 식이섬유 중 발효성인 것은 장내 유익균의 먹이가 되어 유산균 등이 증식하는 데 도움을 주는 방식으로 장내 환경을 개선하는 효과가 있다. 변비에 식이섬유, 무조건 좋을까? 다이어트에 도움이 된다는 말도 있다.
같은 수용성이어도 Psyllium은 비발효성이고 변의 수분 비율을 높이고, 변의 총량을 늘리고, 장 운동 빈도를 높이는 효과를 보인다.
불용성 식이섬유는 물에 녹지 않기 때문에 펄프 그대로 남아 변을 잘 나아가게 만드는데, 먹은 식이섬유가 대장으로 가면 바로 영향을 주기 때문에 채소류를 많이 먹었다면 그 다음 날에 효과를 볼 수 있을 정도로 효과가 빠르다. 이러한 불용성 식이섬유가 많이 포함된 식품에는 고구마, 감자, 현미, 부추, 시금치, 양배추, 옥수수, 브로콜리 등이 있다.
식이섬유는 각기 기능에 차이가 있기 때문에 장 건강을 위해서는 골고루 먹는 것이 좋다.
일반 가정식으로 섭취가 어렵다면 섬유질 보충제나 차전자피 같은 정제된 식이섬유를 먹는 것도 한 방법이 될 수 있다. 꾸준한 섬유질 섭취와 수분 섭취, 규칙적인 식사에도 불구하고 장기간 변이 안 나오는 사람이라면 대장이나 갑상선 이상 같은 병일 수도 있으므로 병원에 가서 정밀 검사를 받고 치료를 받는 것이 좋다.
유의점
식이섬유 관련 건강기능식품을 보면, 물과 함께 충분히 섭취하라는 경고가 있다. 이는 불용성 식이섬유만 해당되는 이야기이다. 불용성 식이섬유는 물을 흡수하는 종류가 있어, 충분한 물을 섭취하지 않으면 도리어 변비 유발의 가능성이 있다. 반면, 수용성 식이섬유는 물에 녹기 때문에 특별한 문제가 생기진 않는다. 그러나 식약처에서 일괄적으로 표시하도록 하고 있는 이유는 일일이 구분하여 소비자에게 설명하는 것이 현실적으로 쉽지 않기 때문으로 보인다. 식이섬유의 정의 자체가 전문가들도 헷갈릴 만큼 광범위하고, 사실 같은 식이섬유로 분류된다고 하더라도 그 맛, 물성, 인체에 미치는 유효성 등이 모두 다른 점을 고려하면 식약처의 입장도 아예 이해하지 못할 건 아니다. 즉, 섬유질은 섭취 방법에 따라 건강에 유익할 수도 유해할 수도 있다.
식이섬유의 적당한 섭취는 창자 활동을 도와주고 소화기 계통 질병이나 변비 등을 예방해 주지만, 상기되어 있듯 불용성 식이섬유의 경우 과섭취는 오히려 독이 될 수 있다. 일단 불용성 식이섬유의 주요 역할 중 하나는 바로 흡착인데, 이것으로 변의 크기를 키워주고 변을 부드럽게 만들어주는 것이다. 또 다른 역할은 장을 자극해 장의 활동을 활발하게 하고 장내 유익균을 증식하여 소화를 도와주는 것이다. 그런데 불용성 식이섬유의 양이 과하게 되면 흡착이 과도해져 인체가 흡수해야 할 각종 필수 무기염류나 불포화지방산 등 영양분들의 흡수 또한 방해하여 되레 불용성 식이섬유에 흡착돼서 배출된다. 따라서 성장기에 불용성 식이섬유의 경우 과도하게 섭취하면 안 좋다. 또 극단적인 예긴 하지만 변비 탈출을 넘어 하루에 몇 번씩 화장실을 갈 수도 있고, 이로 인해 장 트러블이 발생할 수도 있다. 장내 미생물을 과도하게 증식시켜 방귀를 자주 뀌게 될 수도 있다. 따라서 모든 음식은 적당히 그리고 골고루 섭취하는 것이 좋다.
셀룰로스, Cellulose
식물이 외부로부터 자신들을 보호하기 위해 개발한 첫 번째 보루이자 아직까지도 가장 널리 쓰이는 방벽으로서, 탄수화물에서 다당류에 속한다. 종이를 만드는 펄프의 50% 이상을 차지하는 성분이다.
1838년 프랑스 화학자 안셀메 파옌(Anselme Payen, 1795 ~ 1871)이 리그닌이라는 식물을 분해, 연구하는 과정에서 발견했다.
셀룰로스 구조
포도당의 1번 탄소와 4번 탄소의 하이드록시기가 만나 글리코시드 결합을 하는데 이때 탄소에 붙은 하이드록시기가 반대 방향에 있으면 베타 글리코시드 결합을 하여 셀룰로스를 합성한다. 한편 가지가 있는 아밀로스와 달리 가지 없이 길게 이어져 있다. 하이드록시기가 풍부한 덕분에 사슬 간에 강한 수소결합을 하고 있고 통상적으로 비중 대비 강도가 무척 높은 편에 속한다.
생리학적 특성
소위 '섬유질'이라고 불리며 식물 세포벽의 기본 구조 성분이다. 영어 이름도 세포(cell)을 구성하는 당(-ose)이라는 뜻이다. 식물 조직의 대부분을 이루고 있는 물질이며 일부 미세조류나 세균의 경우에도 셀룰로스를 분비한다. 자연에서 얻을 수 있는 유기 화합물 중에서 가장 풍부하게 존재한다. 식물이 포도당을 합성하여 일부는 셀룰로스로서 자신을 조립하는 데 사용하고 일부는 녹말로서 에너지로 보관하는 것이다.
척추동물은 베타 글리코시드 결합을 분해할 효소를 분비하지 않기 때문에 기본적으로는 셀룰로스를 소화할 수 없지만 초식동물들은 풀을 먹고 살아갈 수 있는데 이는 장이 길어서 장 내부에서 미생물의 도움을 받아 소화할 수 있기 때문이다. 초식동물이 소화를 하는 데 시간이 오래 걸리고 되새김질을 하는 이유가 이 때문이다. 달팽이나 일부 무척추동물은 세균의 도움 없이 베타 글리코시드 결합을 분해할 수 있다.
인간은 섬유질을 일단은 소화한다. 단, 체내에서 소화가 되는 것은 확실하지만 인체의 소화기관이 소화한다고 할 수 없으며 세균이 분해했다고 한들 그 효율이 썩 좋지 않기 때문에 에너지원으로 사용되거나 우리 몸을 이루는 구성성분으로 사용될 가능성을 거의 가지지 않으므로 엄밀히 말하면 소화한다고 하기 어렵다. 초식동물처럼 사람의 장에도 세균이 있는데 이 세균들이 섬유질을 분해해서 영양소를 만들고 세균들이 살아가는 데 필요하다. 그래서 식이섬유를 많이 먹으면 장 건강에 좋다.
용도
셀룰로스는 단지 먹는 데에만 쓰지는 않는다. 주로 면화, 즉 목화에서 추출한 솜에서 자아낸 실로 짠 직물이 바로 면이다. 여러 모로 섬유로서 좋은 성질을 갖는 물질이라서 오래 전부터 옷의 재료로 쓰였고 아마 미래에도 쉽게 대체할 수는 없을 것이다. 아무리 뛰어난 합성 섬유를 만들어도 지금의 면직물과 100% 흡사한 것을 만들 수는 없을 것이다.
다르게 생각하면 지금 입고 있는 면옷은 녹말과 다른 결합일 뿐 같은 물질로 이루어져 있다. 셀룰로스를 가공하면 레이온을 만들 수 있다.
한편, 셀룰로스는 의학적인 시술이나 수술에서도 쓰이기도 한다. 사람의 내부 장기는 셀룰로스에는 거의 거부 반응이 없어 장기 절제 수술을 할 때 지혈이나 기타 여러 목적으로 사용되기도 한다. 대표적으로 기흉 환자에 대한 흉강경 수술이 있는데 폐기포 절제 후 새로운 폐기포가 생성되는 것을 방지하기 위해 셀룰로스를 폐 외벽에 덮어주는 용도로 사용한다.
질산과 반응시켜 수산기를 질산화시켜 화약으로 쓰기도 한다. 면화약(나이트로셀룰로스)이라고 부르는 것인데 유기용제에 녹여서 만든 혼합물은 초기 열가소성 플라스틱으로 각광받았기도 했으니 정말 다재다능한 물질이다.
셀룰로스
화학식이 (C6H10O5)n인 유기화합물로써, 수백에서 수천개의 β(1→4)로 결합된 D-글루코오스 개체들의 선형 사슬로 이루어진 다당류이다.
셀룰로스는 식물의 1차 세포벽의 구조적 성분이고, 해조류와 난균류의 주요 구조적 성분이다. 일부 박테리아종은 셀룰로오스를 분비하여 바이오필름을 형성한다. 셀룰로오스는 지구상에서 가장 일반적인 유기화합물이다. 모든 식물 물질 중 약 33%가 셀룰로오스다 (목화의 셀룰로오스 함량은 90%이고 목재의 셀룰로오스 함량은 40-50%이다).
산업적 이용을 위해, 셀룰로오스는 주로 목재 펄프와 목화에서 얻는다. 이는 주로 종이판이나 종이를 만드는데 사용된다; 일부는 셀로판과 레이온 등 다양한 유도체로 전환된다. 대체 연료원을 찾기 위해 셀룰로오스계 에탄올과 같이 에너지 작물의 셀룰로오스를 바이오연료로 전환하는 시도가 이루어지고 있다.
일부 동물들, 특히 반추동물 및 흰개미는 내장에 살고 있는 공생생물을 이용하여 셀룰로오스를 소화시킬 수 있다. 사람은 셀룰로오스를 소량 소화시킬 수 있지만, 주로 '식이섬유' 또는 '섬유질'로 이용되고(예를 들어 옥수수 껍질) 대변의 친수성 팽화제로 작용한다.
역사
셀룰로스는 1838년 프랑스 화학자 Anselme Payen에 의해 발견되었는데, 그는 셀룰로오스를 식물에서 분리하고 그 화학식을 알아냈다. 1870년 Hyatt Manufacturing Company는 셀룰로오스를 이용해 성공적으로 최초의 열가소성 고분자인 셀룰로이드를 만들었다. Hermann Staudinger는 1920년에 셀룰로오스의 고분자 구조를 측정하였다. Kobayashi와 Shoda는 1992년에 최초로 (생물학적으로 얻은 효소를 이용하지 않고)화학적으로 합성한 화합물을 만들었다.
상업용 제품
셀룰로오스는 종이, 판지, card stock 및 목화, 리넨, 기타 식물섬유로 만든 직물의 주요 성분이다.
셀룰로오스는 셀로판(얇고 투명한 필름)으로 전환될 수 있고, 레이온(20세기초 이래로 유용한 직물용 섬유)으로 전환될 수 있다. 셀로판과 레이온 둘 다 "재생 셀룰로오스 섬유"라고 알려져 있다; 이것들은 셀룰로오스와 화학적 구조가 같으며 주로 viscose 공정에 따른 용해펄프에서 얻을 수 있다. 보다 최근에 나온 친환경적 레이온 제조방법은 Lyocell 공정이다. 셀룰로오스는 질산셀룰로오스(nitrocellulose, cellulose nitrate. 무연화약으로 이용되었으며 1930년대 중반까지 사진 및 영화 필름에 사용된 셀룰로이드의 기본물질)의 원료이다.
셀룰로오스 메틸셀룰로오스와 카복시메틸셀룰로오스과 같이 벽지에 사용되는 수용성 접착제 및 결합제를 만드는 데 이용된다. 미세결정 셀룰로오스(Microcrystalline cellulose)(E460i)와 분말 셀룰로오스 셀룰로오스(E460ii)는 tablets의 inactive fillers 및 가공식품의 thickeners 및 안정제로 사용된다.
실험실에서 셀룰로오스는 박층크로마토그래피(TLC)의 stationary phase로 이용된다. 셀룰로오스 섬유는 liquid filtration에 이용되고, sometimes in combination with diatomaceous earth or other filtration media, to create a filter bed of inert material. 더 나아가 셀룰로오스는 친수성에 고흡수성 스펀지를 만드는 데 이용된다.
재활용 종이로 만든 셀룰로오스 단열재는 환경적으로 선호되는 것이라 건축물 단열재로 많이 이용기 시작하였다. boric acid를 이용한 내연처리를 하면 된다.
구조 및 특성
셀룰로오스는 무미, 무취, 친수성, 물과 대부분의 유기용매에 불용성, 키랄성이고 생분해성이다. 고온에서 진한 산으로 처리하면 화학적으로 분해되여 글루코오스 단위체를 만들 수 있다.
셀룰로오스는 D-글루코오스 단위체에서 유도된 것으로, β(1→4)-글리코시드 결합을 통해 축합된 것이다. 이 결합은 전분, 글리코겐, 기타 탄수화물이 나타내는 α(1→4)-글리코시드 결합과 대조되는 것이다. 셀룰로오스는 직선형 사슬 고분자이다: 전분과는 달리, 나선 또는 측쇄가 발생되지 않으며, 글루코오스들이 적도방향(수평방향)으로 깔려서 뻣뻣한 막대 같은 입체구조를 나타낸다. 한 사슬 안의 글루코오스가 같은 하이드록실기는 다른 사슬 안의 글루코오스의 하이드록실기와 수소결합을 형성하여 사슬이 나란하고도 강하게 결합되며 그 결과 높은 인장강도를 나타내는 마이크로피브릴(microfibril)을 형성한다. 이 인장강도는 세포벽에 중요한 요인으로 작용하며, 이 마이크로피브릴이 탄수화물 매트릭스 안에 망처럼 분포되어 식물세포를 강성하게 만든다.
셀룰로오스 가닥들(Iα 입체구조), 셀룰로오스 분자 내, 분자 간으로 수소결합(점선)을 나타내고 있다.
전분과 달리 셀룰로오스는 훨씬 더 높은 결정성을 나타낸다. 전분이 60-70 °C의 물로 가열되었을 때(요리할 때처럼) 결정형에서 무정형으로 전환되는 반면, 셀룰로오스는 물에서 무정형으로 되기 위해서는 320 °C 및 25 MPa의 압력이 필요하다.
셀룰로오스 몇몇 서로 다른 결정구조가 알려져 있으며, 이는 셀룰로오스 분자 내, 분자 간 수소결합의 위치에 따라 구분을 한다. 천연 셀룰로오스는 셀룰로오스 I이며, Iα 과 Iβ가 있다. 박테리아와 조류(algae)가 만들어낸 셀룰로오스는 Iα로 충만되어 있지만 식물의 셀룰로오스는 주로 Iβ로 이루어져 있다. 재생 셀룰로오스 섬유에 존재하는 셀룰로오스는 셀룰로오스 II 구조를 갖는다. 셀룰로오스 I 에서 셀룰로오스 II 로의 전환은 비가역적이며, 이는 셀룰로오스 I 이 준안정성(metastable)이지만 셀룰로오스 II 는 안정하기 때문이다. 다양한 화학적 처리를 통해 셀룰로오스 III와 셀룰로오스 IV 구조를 만들 수 있다.
셀룰로오스의 주요 성질은 사슬의 길이 또는 중합도에 따르며, 이는 하나의 중합체를 만들기 위해 들어간 글루코오스의 개수를 의미한다. 목재 펄프에서 얻은 셀룰로오스는 전형적으로 300-1700 단위체를 갖는다; 목화(cotton)와 기타 식물 섬유, 또한 박테리아 셀룰로오스류는 800-10,000 단위체를 갖는다. 셀룰로오스의 분해에 따라 얻은 사슬길이가 아주 작은 분자들을 cellodextrin이라고 한다; 이것은 긴 사슬의 셀룰로오스에 비해 물과 유기용매에 녹는 성질을 갖는다.
식물계 셀룰로오스는 보통 헤미셀룰로오스, 리그닌, 펙틴 및 기타 물질 등의 불순물을 갖지만, 미생물 셀룰로오스는 순도가 높고, 함수율이 더 높으며, 사슬 길이가 더 길다.
셀룰로오스는 cupriethylenediamine (CED), cadmiumethylenediamine (Cadoxen), N-methylmorpholine N-oxide (NMMO), lithium chloride/dimethylformamide (LiCl/DMF)에 용해된다. 이는 용해펄프 (dissolving pulp)로부터 재생 셀룰로오스류 (비스코스 또는 셀로판)를 제조할 때 이용되는 것이다.
셀룰로오스의 순도
주어진 셀룰로오스 함유 물질에 대해, 20℃의 17.5% 수산화나트륨 용액에 녹지 않는 탄수화물을 α 셀룰로오스라고 하며 이것이 실제 셀룰로오스이다. 추출물을 산성화 시켰을 때 침전되는 것은 β 셀룰로오스이다. 염기에는 용해되지만 산에는 침전되지 않는 것을 γ 셀룰로오스라고 한다.
셀룰로오스의 순도는 1969년 Updegraff의 방법에 따라 측정될 수 있으며, 여기에서 섬유를 아세트산과 질산에 용해시켜 리그닌, 헤미셀룰로오스를 제거한다. 결과적인 셀룰로오스는 황산을 용매로 하여 anthrone에 용해된다. 최종적으로 색상이 변한 화합물은 635 nm 정도의 파수에서 분광광도법을 이용하여 순도를 측정한다.
더 나아가, 셀룰로오스는 산 불용성 섬유(acid detergent fiber, ADF)와 산 불용성 리그닌(acid detergent lignin, ADL)에 따라 다르게 나타난다.
생합성
관속식물에 속하는 셀룰로오스는 plasma membrane 에서 rosette terminal complexes (RTCs)에 의해 합성된다. RTCs 는 직경이 대략 25 nm인 hexameric protein structures이며 contain the 셀룰로오스 synthase enzymes that synthesise the 개별의 셀룰로오스 사슬들. 각각의 RTC floats in the 세포의 plasma membrane and "spins" a microfibril into 세포벽.
RTCs에는 최소 세 가지 서로 다른 셀룰로오스 synthases가 포함되며, encoded by CesA genes, in an unknown stoichiometry. Separate sets of CesA genes are involved in primary and secondary cell wall biosynthesis.
셀룰로오스 합성에는 chain initiation과 elongation이 필요하며, 이 두 과정은 개별적으로 이루어진다. CesA glucosyltransferase 는 steroid primer, sitosterol-beta-glucoside, and UDP-glucose를 이용하여 셀룰로오스 고분자화를 개시한다. 셀룰로오스 synthase utilizes UDP-D-glucose precursors to elongate the growing 셀룰로오스 chain. A cellulase may function to cleave the primer from the mature chain.
Breakdown (cellulolysis)
Cellulolysis 란 셀룰로오스가 cellodextrins 라고 불리는 작은 다당류나 아예 글루코오스 단위체로 쪼개지는 과정을 말한다; 이는 가수분해 과정이다. 셀룰로오스 분자들이 서로 간에 강하게 붙어 있기 때문에, cellulolysis 는 다른 다당류의 분해에 비하면 상대적으로 어렵다.
대부분의 포유류는 셀룰로오스 같은 섬유를 소화시키는 능력이 제한적이다. Some ruminants like cows and sheep contain certain symbiotic anaerobic bacteria (like Cellulomonas) in the flora of the rumen, 이 박테리아는 cellulases 라고 하는 셀룰로오스 분해 효소를 생성한다; 분해된 산물은 이 박테리아가 번식을 하는데 사용된다. 이 박테리아 덩어리는 후에 그 동물의 digestive system (stomach and small intestine)에 의해 소화가 된다. Similarly, lower termites contain in their hindguts certain flagellate protozoa which produce such enzymes; higher termites contain bacteria for the job. Some termites may also produce cellulase of their own. Fungi, which in nature are responsible for recycling of nutrients, 마찬가지로 셀룰로오스를 분해할 수 있다.
The enzymes utilized to cleave the glycosidic linkage in 셀룰로오스 are glycoside hydrolases including endo-acting cellulases and exo-acting glucosidases. Such enzymes are usually secreted as part of multienzyme complexes that may include dockerins and 셀룰로오스 binding modules.
헤미셀룰로오스
셀룰로오스와 달리 헤미셀룰로오스는 글루코오스 뿐만 아니라 자일로오스, 만노오스, 갈락토오스, 람노오스, 아라비노오스 등 몇 가지 당류로부터 비롯된다. 헤미셀룰로오스는 약 200개의 당 단위체가 짧은 사슬을 이룬다. 게다가, 헤미셀룰로오스는 셀룰로오스와 달리 측쇄가 많이 형성되어 있다.
유도체
셀룰로오스의 수산기(-OH)들은 다양한 시약과 일부 또는 완전히 반응하여 셀룰로오스 에스터와 셀룰로오스 에터 같은 유용한 성질을 갖는 유도체가 될 수 있다. 원리로 보았을 때, 기업사례로 보았을 땐 항상 그렇지는 않지만 셀룰로오스계 고분자는 재생가능한 자원이다.
에스터 유도체:
셀룰로오스 에스터 시약 예시 시약 알킬기(R group)
유기 에스터
유기산
Cellulose acetate
(초산셀룰로오스)
아세트산(초산) 및 무수아세트산(무수초산)
H or -(C=O)CH3
셀룰로오스 트리아세테이트
(삼초산셀룰로오스)
아세트산 및 무수아세트산
-(C=O)CH3
셀룰로오스 propionate
Propanoic acid
H or -(C=O)CH2CH3
Cellulose acetate propionate
아세트산 and propanoic acid
H or -(C=O)CH3 or -(C=O)CH2CH3
Cellulose acetate butyrate
아세트산 and butyric acid
H or -(C=O)CH3 or -(C=O)CH2CH2CH3
무기 에스터
무기산
Cellulose nitrate
(질산셀룰로오스)
질산 or another powerful nitrating agent
초산셀룰로오스와 삼초산셀룰로오스는 용도가 다양한 필름 및 섬유 형성물질이다. 질산셀룰로오스는 최초에 폭발물로 이용되었고 초기의 필름 형성물질로 이용되었다.
에터 유도체:
셀룰로오스 에터 시약 예시 시약 Group R = H or 수용성 활용
Alkyl
Haloalkene
메틸셀룰로오스
Chloromethane
-CH3
냉수에 녹음
에틸셀룰로오스
Chloroethane
-CH2CH3
물에 안 녹음
코팅, 잉크, 결합제 등으로 사용되는 상업용 열가소성 플라스틱
Hydroxyalkyl
Epoxides
하이드록시에틸셀룰로오스
Ethylene oxide
-CH2CH2OH
냉수/온수에 녹음
Gelling and thickening agent
하이드록시프로필셀룰로오스(HPC)
Propylene oxide
-CH2CH(OH)CH3
냉수에 녹음
하이드록시메틸에틸셀룰로오스
Chloromethane and ethylene oxide
-CH3 or -CH2CH2OH
냉수에 녹음
셀룰로오스 필름의 제조
하이드록시프로필메틸셀룰로오스(HPMC)
Chloromethane and propylene oxide
-CH3 or -CH2CH(OH)CH3
냉수에 녹음
E464, 점도 조절제, gelling, foaming and binding agent
Carboxyalkyl
할로겐화 카르복실산
카르복시메틸셀룰로오스(CMC)
Chloroacetic acid
-CH2COOH
냉수/온수에 녹음
주로 나트륨염으로 이용, 즉 sodium carboxymethyl cellulose(NaCMC).
카르복시메틸셀룰로오스 나트륨은 가교결합되어 croscarmellose sodium이 될 수 있으며 제약용 붕해제를 만드는 데 이용된다.
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셀룰로오스의 sources
셀룰로오스는 식물에서 마이크로피브릴(직경 2-20 nm에 길이 100-40,000 nm)의 형태로 발견된다. 세포벽 내에서 구조적으로 튼튼한 골격을 형성한다.
구조단위
셀룰로오스 is a 선형고분자 of β-(1→4)-D-glucopyranose units in 4C1 conformation. The fully equatorial conformation of β-linked glucopyranose residues stabilizes the 의자구조 (chair structure), flexibility가 최소화된다 (예를 들어, relative to the slightly more flexible α-linked glucopyranose residues in amylose). 셀룰로오스 preparations may contain trace amounts (~0.3%) of arabinoxylans.
분자구조
셀룰로오스는 불용성 분자 consisting of between 2000 - 14000 residues with some preparations being somewhat shorter. It forms crystals (셀룰로오스 Iα) where intra-molecular (O3-H→O5' and O6→H-O2') and intra-strand (O6-H→O3') 수소결합 holds the network flat allowing the more 소수성 ribbon faces to stack. 각각의 residue is oriented 180° to the next with the chain synthesized two residues at a time. Although individual strand of 셀룰로오스 are intrinsically no less hydrophilic, or no more hydrophobic, than 다른 일부 가용성 다당류 (such as amylose) this tendency to form crystals utilizing extensive hydrophobic interactions [1645] 더 나아가 분자내 및 분자간 수소결합은 보통의 수용액에 완전히 불용성을 갖게 만든다 (비록 더욱 exotic한 용매에는 녹지만 말이다 such as N-methylmorpholine-N-oxide 수용액 (NMNO, ~0.8 mol water/mol, then up to 30% by wt 셀룰로오스 at 100°C [1060]), CdO/ethylenediamine (cadoxen), LiCl/N,N'-dimethylacetamide 또는 near-초임계수 [1070]). 물 분자가 천연 셀룰로오스 결정의 형성을 촉진하는 것으로 여겨진다 by helping to align the chains through hydrogen-bonded bridging.
셀룰로오스의 분자내, 분자간 수소결합
셀룰로오스 preparation의 일부분 즉 결정영역들 사이에는 무정형이 존재한다. 전체적인 구조는 of aggregated particles with extensive pores capable of holding relatively large amounts of water by capillarity.
천연의 결정은 metastable 셀룰로오스 I 로부터 만들어지는데 모든 셀룰로오스 strands가 평행하고 시트간의 수소결합이 존재하지 않는다. 이 셀룰로오스 I (즉, 천연 셀룰로오스)에는 셀룰로오스 Iα (triclinic) 와 셀룰로오스 Iβ (monoclinic) 라는 두 상 (phase)이 함께 존재하는데 그 기원에 따라서 다양한 비율로 들어있다; Iα 은 algae와 bacteria에서 더 많이 발견되는 반면 Iβ 는 고등식물의 major form이다.
셀룰로오스 Iβ에 확연하게 나타나는 별개의 층
셀룰로오스 Iα와 셀룰로오스 Iβ 의 fibre repeat distance는 동일하지만 (1.043 nm for the repeat dimer interior to the crystal, 1.029 nm on the surface [721]) 한 시트와 맞닿은 시트 간의 displacements에는 차이가 있다. 셀룰로오스 Iα 에서 맞닿은 두 시트는 (consisting of identical chains with two alternating glucose conformers) 같은 방향을 향하되 규칙적인 형태로 떨어져 있는 반면에 셀룰로오스 Iβ 의 두 시트는 (consisting of two conformationally distinct alternating sheets, (as shown right where the 2-OH and 6-OH groups both change orientations so altering the hydrogen bonding pattern) each made up of crystallographically identical glucose conformers) 비틀어져 있다 [559]. It has been found that 셀룰로오스 (Iβ) significantly alters the water structuring at its surface out to about 10 Å, which may affect its enzymatic digestion [905].
microfibril formation의 과정에서 bending이 가하면 셀룰로오스 Iα 와 셀룰로오스 Iβ 간에 서로 전환될 수 있고 [418] annealing을 하면 셀룰로오스 Iα 이 셀룰로오스 Iβ 로 바뀔 수 있다.
만약 셀룰로오스가 재결정화될 수 있다면 (예를 들어, 염기 또는 CS2를 이용해서) 셀룰로오스 I은 열역학적으로 더 안정적인 셀룰로오스 II 구조로 결정구조를 바꿀 수 있다 with an antiparallel arrangement of the strands and some 시트 간의 수소결합. 셀룰로오스 II contains two different types of anhydroglucose (A and B) with different backbone structures; the chains consisting of -A-A- 또는 -B-B- repeat units [627]. 셀룰로오스 III 는 셀룰로오스를 암모니아에 머서화 (mercerize) 하면 생기는데 셀룰로오스 II 와 비슷한 구조이지만 셀룰로오스 Iα 와 셀룰로오스 Iβ 처럼 사슬들이 평행하다 [753].
식이섬유는 어떻게 ‘장 건강’에 이로움을 줄까?
식이섬유가 장내미생물 생태계 균형에 도움
식이섬유가 건강에 좋다는 건 널리 알려져 있다. 물론 지나치게 많이 먹으면 다른 부작용을 낳지만, 인스턴트 음식과 고단백 식단에서 빠지기 쉬운 섬유소는 심장병이나 당뇨병 위험을 줄여주고 비만 예방에도 효과가 있는 것으로 알려져 널리 권장된다.
하지만 우리 몸에는 식물의 섬유소 성분을 소화할 수 있게 분해해주는 효소가 따로 없다. 정작 식이섬유를 먹이로 삼는 이는 장내에 살고 있는 미생물들이다. 장내미생물들은 소화 효소를 분비해 식이섬유를 분해하고서 거기에서 먹이를 섭취한다. 이처럼 우리 몸이 직접 분해해 소화하지도 못하는데 식이섬유는 어떻게 장 건강에 이로움을 줄까?
최근 식이섬유와 장내미생물, 그리고 장 건강 사이의 상호작용을 이해하는 데 단서를 될 만한 동물실험 결과가 나왔다. 식이섬유 자체는 우리 몸에 직접 이로움을 주진 못하지만 장 건강에 이로운 미생물들의 먹이가 되어 장내 미생물 생태계의 균형을 이루는 데 중요한 구실을 하는 것으로 나타났다.
미국 조지아주립대학 연구진(Andrew Gerwitz)과 스웨덴 예테보리대학 연구진(Fredrik Backhed)은 각자 수행한 동물실험에서 쥐를 대상으로 섬유소 음식이 장내미생물 생태계에 끼치는 효과를 관찰하고 분석한 결과를 생물학술지 <셀 숙주 & 미생물(Cell Host and Microbe)>에 각각 논문으로 발표했다.
미국 일간 <뉴욕타임스>의 보도를 보면, 미국 연구진의 실험에선 섬유소가 적고 지방이 많은 음식을 실험동물에 계속 먹이고서 실험동물의 분변에 담긴 장내미생물의 전체 디엔에이(DNA)를 분석해보니 고지방 식단의 경우에 장내미생물 수가 크게 줄어든 것으로 나타났다. 스웨덴 연구진의 실험에선 미생물 종의 다양성도 크게 줄어든 것으로 보고됐다. 흔한 미생물은 줄고 대신에 드물던 미생물이 번성했다.
장내미생물 군집 구성이 달라지면서 장 건강도 영향을 받았다. <뉴욕타임스>가 보도에서 전한 그 과정을 보면, 식이섬유를 적게 섭취하면 식이섬유를 먹고 사는 장내미생물 종들이 먼저 줄어든다. 이어 연쇄적으로 이 미생물들이 식이섬유를 분해해 섭취하고 남긴 식이섬유 찌꺼기를 먹고 사는 다른 미생물 종들도 함께 줄어든다. 게다가 식이섬유 찌꺼기는 장내에서 생기는 갖가지 변화 상황들에 반응해 장 건강을 유지하는 기능을 하는 장내 세포들에게 에너지를 주는 먹잇감이기도 하다. 그래서 식이섬유가 분해된 뒤 남는 찌꺼기 성분들이 줄어들면 장 세포의 성장과 활동도 위축된다.
연구진은 특히 장 내벽을 보호하는 점액층의 변화에 주목했다. 장 세포들이 위축되면 점액 분비도 줄어들면 장 내벽을 보호하는 점액층은 얇아지게 마련이다. 장내미생물이 장 내벽 쪽으로 파고들기 좋은 환경이 되고, 이런 상황에서 장 내벽 세포들은 미생물의 침투를 막기 위해 민감하게 면역체계를 가동한다. 이때에 염증이 생긴다.
이 때문에 고지방 식단이 장내에 만성염증을 일으킬 수도 있음을 연구진은 실험을 통해 보여주었다.
식이섬유 적은 고지방 식단을 실험동물 쥐에게 계속 먹이자, 며칠 뒤에 쥐의 장내에 만성염증이 나타났으며 몇 주 뒤엔 고혈당 수치도 나타났다고 연구진은 보고했다. 거꾸로 식이섬유 많은 음식은 장내미생물 생태계의 균형이나 장 내벽의 점액층을 개선하는 데 효과를 내는 것으로 나타났다고 연구진은 보고했다. 스웨덴 연구진은 논문에서 “고지방 식단이 장내미생물을 대량으로 줄여 그 결과로 장 세포가 증식하지 않고 (미생물의) 장 내벽 침투가 생겨나 가벼운 염증(LGI)과 대사증후군을 일으킨다”면서 “(식이섬유 성분인) 이눌린으로 고지방 식단을 보충하자 장 세포 증식과 항균 유전자 발현 등이 회복되었다”고 보고했다.
이런 연구결과는 특정한 조건들이 설계된 실험실 환경에서 실험동물을 대상으로 이뤄진 것이어서 인체에 그대로 적용할 수 없지만, 사람 몸이 분해해 소화하지 못하는 식이섬유가 장내미생물 생태계와 상호작용하면서 장 건강에도 영향을 끼칠 수 있음을 보여주는 것이어서 눈길을 끈다. 식이섬유와 장내미생물, 그리고 장 세포들 간에 상호작용이 존재한다는 것이다. 연구진은 <뉴욕타임스>의 뉴스 보도에서 “연구결과는 우리 모두가 알지만 행하지 못하는 진부한 결론을 제시해준다”면서 “녹색 야체를 더 많이 먹고 튀김이나 설탕을 덜 먹으면 장기적으로 건강이 더 좋아질 수 있으리라는 것”이라고 말했다.