밀은 서구사회 식단에서 중요한 부분을 차지하고 있고, 우리나라도 갓 구운 빵이나 쿠키, 김이 모락모락 나는 파스타, 바삭바삭한 시리얼, 햄버거와 샌드위치 등이 현대인들에게 익숙한 식사로 자리 잡고 있지만, 밀가루의 글루텐 성분이 자가 면역반응을 일으켜 위 장관을 손상시키며 우리 건강에 악영향을 미친다는 주장은 현재 논란의 중심에 서 있다. 

 

 

이번 칼럼에서는 주로 식품과학 및 영양학 학술지를 참고하여 글루텐 단백질의 생화학적, 기능적 성질에 대해 알아보고, 마이크로바이옴이 글루텐 유해성을 해결하는 해법이 될 수 있는지를 찾아보고자 한다. 

 

글루텐(gluten)은 밀의 주된 저장 단백질로 이름에서 알 수 있듯이 마치 접착제(glue)처럼 밀과 그 밖의 다른 곡물을 밀접하게 맞닿게 하여 떨어지지 않도록 하는 역할을 한다. 밀과 비슷한 종류의 단백질로 호밀의 세칼린(secalin), 보리의 호르데인(hordein), 귀리의 아베닌(avenin) 등의 곡류에도 존재하는 불용성 점성단백질인 글루텐은 밀가루에 물을 가해 반죽하면 글루테닌(glutenin)과 글리아딘(gliadin)이 서로 결합하면서 탄력성 있고 쫀득쫀득한 밀가루만의 식감을 즐길 수 있게 해주는 성분이다.

 

끈적끈적한 성분의 글루텐 덕분에 빵이 찰지고 쫄깃한 식감을 낼 수 있지만, 글루텐 불내증이 있는 사람이 섭취했을 때는 잘 분해되지 않기 때문에 장내에 쌓이고 부패되어 내독소들을 발생시켜 소화계, 신경계, 면역계, 피부와 감정까지 나쁜 영향을 주며, 소장에 손상을 입혀 필수 비타민이나 무기질을 흡수하는데 문제가 생겨 나중에 더 큰 질환으로 발전할 수도 있다.

 

글루텐 단백질의 망공(網工, networks)은 구성요소와 크기, 유전자형, 성장조건, 적용기술 등에 따라 그 종류가 다양하다. 이러한 네트워크 구조와 그 사이의 상호작용이 글루텐의 독특한 특징이 된다. 이러한 성질은 빵 및 기타 제빵제품 반죽의 질을 결정하는데 매우 중요한 요소가 된다.

 

글루텐은 열에 안정적이고 물질을 붙이거나 늘리는 성질을 가지고 있으며, 일반적인 가공식품의 식감, 수분 유지력, 맛 등을 향상시키기 위해 첨가제로 사용된다. 글리아딘은 위, 췌장, 장내 단백질 소화 등에 저항성이 강한 단백질 서열(peptide sequences)을 가지고 있다. 이와 같이 글루텐은 가장 복잡한 단백질 네트워크 중 하나이며, 반죽의 점성, 신장성, 탄력성 등의 유동학적 성질을 결정하는데 중요한 역할을 한다.

 

밀가루가 주식인 서구 식단의 하루 평균 글루텐 섭취량은 5-20g으로 추정되며, 글루텐의 섭취가 서구사회에 만연한 심혈관질환, 장질환 등 다양한 질환과 관련이 있을 것으로 추정하고 있다. 글루텐을 함유한 곡물인 밀, 호밀, 보리, 귀리 등은 서구사회에서는 중요한 주식이며, 우리나라도 쌀 소비량은 점차 감소하고 밀가루 소비량은 점차 증가하여 제분협회 통계에 의하면 최근 10년간 국민 1인당 밀가루 평균 소비량이 약 33kg을 소비하고 있으며 그 소비량은 매년 증가추세에 있다.

 

밀은 전 세계적으로 재배되고 있고, 소비를 위하여 거래되는 주요 작물이다. 가장 대표적인 밀의 종인 Triticum aestivum L.은 다른 밀의 종과 유전자형을 표현하는데 종종 사용된다. 밀 알맹이는 8%-15%가 단백질로 구성되어 있으며, 그 중 10%-15%는 알부민과 글로불린이고 85%-90%가 글루텐이다.

 

 

글루텐은 서로 비슷하지만 뚜렷하게 구별되는 수백 종의 단백질이 복잡하게 결합된 복합체이다. 단백질 함량과 글루텐 단백질의 구성 및 분포는 밀의 종에 따라 다양하다. 일반적으로 글리아딘과 글루테닌 단백질은 프롤라민(prolamin)으로 물에 용해되지 않는 불용성 단백질이지만 수용성 에탄올로는 추출할 수 있으며, 38%의 글루타민(glutamine)과 20%의 프롤린(proline) 잔류물이 많은 것이 특징이다.

 

글루텐 단백질은 유황 함량과 분자량 등에 따라 분류하며, 그 다음으로는 이들의 기본구조에 따라 알파, 베타, 감마, 오메가(α, β, γ, ω) 글리아딘으로 분류할 수 있다. 개별 글루텐 단백질은 강력한 공유 및 비 공유 결합에 의해 유지되는데, 이것은 글루텐 단백질의 구조와 상호작용하여 글루텐의 독특한 특징을 결정한다.

 

밀가루를 물과 혼합하여 반죽하면 글리아딘과 글루테닌이 서로 결합하여 글루텐을 형성하는데, 이 2개의 단백질은 밀가루 종류에 따라 점유하는 비율이 다르다. 이러한 특성은 밀가루만의 독특한 성질로서, 제빵에 사용하는 강력분에는 11-13%의 단백질이 함유되어 있는데 그중 글리아딘이 65%, 글루테닌이 35%이고, 케이크용 박력분에는 7-10%의 단백질이 함유되어 있는데 그중 글리아딘이 75%, 글루테닌이 25%이다. 이것은 빵의 부피를 결정하고, 반죽의 골격형성과 발효 중 생성되는 가스를 보유하는 기능을 갖게 된다.

 

글루텐은 글루테닌과 글리아딘의 화학적 복합체로 높은 대립 형질 다형성이 구조적인 특징이며, 물 분자와 결합한 형태로 망상구조를 형성한다. 잘 늘어나고 끈적끈적하기 때문에 쫄깃한 면을 만들 수 있고, 효모가 만든 탄산가스를 가두어 빵을 부풀게도 해준다. 글루테닌의 끝에는 황 함유 아미노산이 있어서 다른 글루테닌의 황 분자와 결합하여 강한 다이설파이드결합을 형성하고 코일처럼 꼬여 있어 탄성을 가진다.

 

반면에 글리아딘은 치밀한 구조로 접혀있고, 다른 단백질과 약하게 결합하여 가소성(plasticity)을 형성한다. 반죽하면 글루테닌은 길게 성장하고 틈에 글리아딘이 끼면서 탄력 있고 유연한 구조를 형성한다. 밀가루에 물을 가하여 반죽하면 수분이 밀가루 속으로 침투하여 단백질과 전분의 표면에 흡착되고 반죽을 계속하면 질겨지기 시작하는데, 이는 글루텐이 형성되고 있기 때문이다.

 

즉, 글루테닌과 글리아딘의 결합으로 물과 결합되면, 단백질의 길이가 점점 길어지고 탄성을 생기게 하는 성질이 만들어지는 것이다. 그러므로 글루텐이 생성되도록 반죽을 하는 것은 점착성을 늘려 원하는 식감을 주기 위해서이다. 반죽의 탄성과 점도는 맛을 좌우하는 중요한 요소이기 때문이다.

 

따라서 글루텐을 형성하는 망(網, matrix)과 그 기능은 제면, 제과, 제빵 제품들의 반죽 품질을 결정하는 중요한 요소가 된다. 글루텐은 열에 안정적이고 물질을 붙이거나 늘리는 성질을 가지고 있으며, 보통 가공식품의 식감, 수분 유지력, 맛 등을 향상시키기 위해 첨가제로 많이 사용되며, 거의 대부분의 가공육, 가공 해산물, 냉동식품, 채식주의자를 위한 육류 대용품 등의 음식도 글루텐을 함유하고 있다.

 

또한 사탕, 아이스크림, 버터, 양념, 드레싱 등에는 유화제나 응고 겔화제(gelling agents)로, 약품이나 과자류에는 필러 또는 코팅제로도 사용된다. 이와 같이 글루텐은 베이커리 제품의 구조적 안정성을 높이고, 저단백 밀가루를 보강하기 위해 밀에서 필수 밀 글루텐을 분리하여 사용하거나, 특정 용도에 맞게 분리 밀 단백질로 변형하는 경우가 점차 증가하고 있다.