#26. 에스터(Esters) (2)

26편. 에스터(Esters) (2)

지난 편에서는 맥주 속 향기의 정체, 에스터가 어떤 향을 만들어내는지 살펴봤습니다.

이번 편에서는 한 걸음 더 나아가, 그 에스터가 효모 안에서 어떻게 만들어지는지, 즉 향기 분자의 ‘합성 메커니즘’을 이야기해보려 합니다.  

지난 편을 읽지 않으신 분들은 먼저 읽어보시길 추천드립니다.

1. 에스터의 생성 원리

이전 편에서 다룬 것처럼, 맥주 속의 향기 성분인 에스터(ester)는 ‘산(acid)’과 ‘알코올(alcohol)’이 만나 만들어지는 화합물입니다. 그런데 어떤 산과 어떤 알코올이 만나느냐에 따라 만들어지는 향은 전혀 달라질 수 있어요. 예를 들어 바나나 향이 나기도 하고, 사과나 배처럼 느껴지기도 하죠.

[에스터의 기본 구조]

R–COO–R’

단순히 보면 산과 알코올을 섞기만 하면 될 것 같지만, 실제로는 그렇게 간단하지 않습니다. 특히 살아있는 생물체 안에서는 이 반응이 저절로 일어나기 어렵습니다. 왜냐하면 두 물질을 결합시키기 위해서는 에너지가 높고 반응성이 강한 형태로 만들어줄 필요가 있기 때문입니다.

그래서 세포 안에서는 산을 그냥 쓰지 않고, Coenzyme A(CoA) 라는 조효소와 먼저 결합시켜서 Acyl-CoA라는 고에너지 화합물로 바꿔줍니다. 마치 불을 잘 붙이기 위해 기름에 성냥을 켜는 것처럼, 반응을 쉽게 일어나도록 도와주는 ‘점화 장치’ 역할을 하는 셈이죠.

예를 들면 이런 식입니다:

Hexanoic acid (여섯 개 탄소가 있는 지방산) + CoA → Hexanoyl-CoA

1.1. 아실-CoA (Acyl-CoA) 란?

Acyl-CoA는 여러 종류의 지방산이 CoA와 결합한 형태입니다. 여기서 ‘Acyl’이란 R-CO-라는 구조를 가진 탄소사슬 그룹을 말해요. 이 물질은 아주 반응성이 높아서 세포 안에서 다양한 화학 반응에 활용됩니다.

예를 들면:

Acyl-CoA는 산소가 있는 조건(호기성)에서 세포의 미토콘드리아로 들어가 ‘β-산화’라는 과정을 거칩니다. 이 과정을 통해 Acyl-CoA는 두 개의 탄소 단위로 잘리면서 Acetyl-CoA로 바뀌고, 이게 세포의 에너지 생산 과정(TCA 회로)으로 들어가게 됩니다.

다만 한 가지 예외가 있어요. 바로 아세트산(CH₃COOH)입니다. 이건 애초에 탄소가 두 개뿐이기 때문에 굳이 중간단계를 거치지 않고 바로 Acetyl-CoA로 전환될 수 있어요.

  화학 반응식으로 보면:

1.2. 아세틸-CoA (Acetyl-CoA) 란?

Acetyl-CoA는 Acyl-CoA의 일종이지만, 구조가 간단해서 탄소 두 개짜리 Acyl-CoA라고 보시면 됩니다. 하지만 생물체 안에서 너무나 중요한 역할을 하기 때문에 따로 이름이 붙은 거예요.

보통은 포도당이 분해되어 만들어지는 피루브산(pyruvate)이 미토콘드리아 안에서 산소와 만나 Acetyl-CoA로 전환됩니다. 이렇게 만들어진 Acetyl-CoA는 산소가 많을 때는 에너지를 만들고, 산소가 부족할 때는 알코올과 결합해서 향기 나는 에스터를 만들어내는 데 사용됩니다.

2. 아세트산 에스터 (Acetate Esters) 생합성

맥주를 마실 때 느껴지는 바나나, 배, 사과 같은 달콤하고 과일스러운 향기는 어디서 오는 걸까요? 바로 그 주인공이 ‘아세트산 에스터(acetate ester)’입니다.

이 향기 분자는 효모가 발효 과정에서 만들어내는 성분으로, 두 가지 물질이 결합해서 만들어집니다. 바로 Acetyl-CoA와 에탄올 또는 고급 알코올(isoamyl alcohol 등) 입니다.

이 두 가지가 만나면 아래와 같은 반응이 일어납니다:

Acetyl-CoA + 에탄올 또는 고급 알코올 → 아세트산 에스터 + CoA-SH

*참고: 여기서 CoA-SH는 Coenzyme A가 반응 후 떨어져 나온 것으로, 효모 세포 안에서 여러 번 재활용됩니다. 이 반응은 효모 세포질이라는 공간에서 일어나며, 만들어진 에스터는 곧바로 세포 바깥으로 빠져나가 향미를 형성하게 됩니다.

2.1. 아세트산 에스터 합성의 주역, AATase 효소

1960년대부터 과학자들은 효모가 이 향기 분자를 만들기 위해 특정한 효소(Enzyme)를 활용한다는 사실을 알아냈습니다. 그리고 1981년, 이 효소는 정식으로 이름이 붙여졌죠.

바로 AATase (Alcohol Acetyl Transferase)입니다.

AATase는 이름 그대로 알코올과 아세틸-CoA를 연결해주는 역할을 합니다. 이 효소 덕분에 복잡한 화학 반응이 세포 안에서 아주 빠르게 일어나며, 효모는 다양한 향기 성분을 만들어낼 수 있게 되는 거예요.

2.2. atf 유전자와 향기 조절 

이 효소를 만들어내는 데 관여하는 유전자들은 다음과 같습니다:

연구에 따르면, atf1 유전자를 과발현(overexpression) 시킨 효모는 isoamyl acetate는 180배, ethyl acetate는 30배 더 많이 생성했습니다. 게다가 최근에는 atf 유전자의 활성을 높이는 데 그치지 않고, 알코올 생산을 억제하면서 에스터만 늘리는 효모도 개발되었습니다. 같은 원료를 가지고도 훨씬 더 풍부한 향을 낼 수 있게 된 것이죠.

반대로, atf1과 atf2 유전자를 둘 다 제거하면 어떤 일이 일어날까요? 

바나나 향의 핵심 성분인 isoamyl acetate는 거의 생성되지 않습니다. 다만 ethyl acetate 처럼 분자가 작은 에스터는 절반 정도 줄어드는 데 그쳤습니다. 이 결과는 아직 밝혀지지 않은 다른 에스터 생성 효소가 존재할 수도 있음을 시사합니다.

3. 중쇄 지방산 에틸 에스터 (Ethyl esters of MCFA) 생합성 

맥주 속에는 바나나 향만 있는 것이 아닙니다. 사과, 파인애플, 복숭아 같은 열대 과일 향도 숨어 있습니다. 이런 향은 주로 에틸 에스터(Ethyl esters)라는 분자가 만들어내요.

이 성분들은 ‘중쇄 지방산(MCFA)’과 에탄올이 만나 만들어지는데, 농도가 매우 낮기 때문에 그동안은 비교적 연구가 적게 이루어졌습니다. 하지만 농도는 낮아도 사람이 향을 인식할 수 있는 문턱값(역치)이 낮아서, 아주 소량만 있어도 충분히 향을 느낄 수 있답니다.

Acyl-CoA(중쇄 지방산-CoA) + 에탄올 → 에틸 에스터 + CoA-SH

이 반응도 역시 CoA-SH를 떨어뜨리고 에틸 에스터를 생성합니다.

3.1. 에틸 에스터 합성의 주역, AEATase 효소

2006년, 벨기에의 Saerens 박사 연구팀이 한 가지 중요한 발견을 합니다. 효모(Saccharomyces cerevisiae)가 에탄올과 지방산(CoA 형태)을 연결해서 에틸 에스터를 만들고, 이 반응을 촉매하는 효소가 따로 존재한다는 것이죠.

이 효소는 AEATase(Acyl-CoA:Ethanol O-acyl Transferase)라고 불리며, 그 유전자는 eeb1과 eht1 이 담당합니다.

3.2. eeb1, eht1 유전자와 향기 조절 

연구 결과, eeb1과 eht1이라는 두 유전자는 에틸 에스터 생성에 있어 서로 다른 역할을 하는 것으로 확인되었습니다.

실제로 eeb1 유전자를 제거했을 때, 주요 에틸 에스터의 생성량은 아래와 같이 크게 감소했습니다:

하지만 두 유전자를 제거해도 에틸 에스터가 완전히 사라지지는 않았습니다. 이는 현재까지 밝혀지지 않은 다른 에스터 합성 효소가 존재할 가능성을 보여줍니다.

그리고 또 하나 흥미로운 사실이 있습니다.

eeb1 이나 eht1 에서 만들어진 단백질이 에스터를 만들기도 하지만, 만들어진 에스터를 되돌려 분해하는 기능도 함께 가지고 있다는 것입니다. 즉, 이 유전자들을 무조건 많이 발현시킨다고 해서, 또는 외부에서 원료를 넣어준다고 해서 항상 향기가 많이 생기는 것은 아닙니다. 향기 성분의 생성과 분해는 복잡하게 연결되어 있기 때문에, 이를 조절할 땐 세심한 균형이 필요하다는 점을 시사합니다.

에스터는 단순한 향기 분자가 아닙니다. 효모와 발효 환경이 만들어내는 정교한 상호작용의 결과물, 그 자체가 작은 과학이자 예술이죠.

이번 편에서는 에스터가 효모 안에서 어떻게 만들어지는지를 중심으로 살펴보았다면, 다음 뉴스레터에서는 효모의 특성과 발효 조건이 에스터 생성에 어떤 영향을 미치는지 함께 알아보려 합니다.

읽어주셔서 감사합니다.

Written by. SB

참고 문헌.

1. He, Y., Dong, J., Yin, H., Zhao, Y., Chen, R., Wan, X., Chen, P., Hou, X., Liu, J., & Chen, L. (2014). Wort composition and its impact on the flavour‐active higher alcohol and ester formation of beer – A review. Journal of the Institute of Brewing, 120(3), 157–163

2. Pires, E. J., Teixeira, J. A., Brányik, T., & Vicente, A. A. (2014). Yeast: the soul of beer’s aroma—a review of flavour-active esters and higher alcohols produced by the brewing yeast. Applied Microbiology and Biotechnology, 98(5), 1937–1949. 

3. Stewart, G. G. (2017). Brewing and distilling yeasts. Cham, Switzerland: Springer.