숙성에 따른 식육의 연화

숙성에 따른 식육의 연화

― 그 의의와 메커니즘 ―

熟成に伴う食肉の軟化 ーーその意義とメカニズム一一

홋카이도대학 농학부 다카하시 오쿠이

서론

국민의 식생활이 풍요로워짐에 따라, 식품의 품질 또한 중시되는 경향이 강해지고 있다. 축산 분야에서도 단순한 생산량의 증가보다는 생산물의 품질이 더욱 중요한 요소로 여겨지는 시대가 도래하고 있다. 가축의 주요 생산물인 식육의 품질을 소비자의 관점에서 판단할 때, 기준이 되는 요소로는 연도(軟度), 맛, 색, 향, 다즙성 등을 들 수 있다. 이 가운데서도 연도, 즉 부드러움은 가장 중요한 요소이다.

닭고기의 경우, 어린 브로일러는 지나치게 부드럽고 맛 또한 밋밋하기 때문에, 적당한 질감과 깊은 맛을 지닌 토종닭이 재조명되고 있다. 반면, 소고기 및 돼지고기에 있어서는 부드러움이 필수 조건으로 간주된다.

식육의 연도는 가축의 품종, 연령, 성별, 그리고 부위 등의 생체 시점에서 결정되는 요소와, 도축 이후 숙성을 통해 획득되는 요소로 구성되어 있다. 또한, 식육의 연도는 골격근 섬유의 주체를 이루는 근원섬유와, 생체 내에서 골격근 조직을 지지하는 역할을 담당하는 결합조직의 성상(性狀)에 의해 결정된다.

가축이 성장함에 따라 이러한 구조는 점차 견고해지며, 특히 결합조직은 고령화에 따라 그 견고함이 뚜렷해진다. 예를 들어, 결합조직을 구성하는 콜라겐 미세섬유를 형성하는 콜라겐 분자 사이에 가축의 노화에 따라 피리디놀린이나 하이드록시알돌 히스티딘 등의 안정적인 가교 결합이 형성되면, 결합조직은 더욱 견고해진다. 이로 인해 고령 가축에서 생산된 식육은 질기고 품질이 저하되기 쉽다.

양질의 식육을 얻기 위해서는, 적절히 비육된 적령의 가축을 도축하는 것이 바람직하다. 그리고 도축 후에는 일정 기간의 숙성 과정을 거쳐야 한다. 이 숙성 기간은 가축의 종에 따라 다르며, 5℃로 냉장 저장한 경우 소고기는 10일 이상(브랜드 와규의 경우 4주간 숙성하기도 함), 돼지고기는 5~6일, 닭고기는 반나절 정도가 기준이 된다.

이러한 숙성 기간 동안, 식육은 연화되며 풍미 또한 향상되어 기호성이 개선된다.

이 그래프는 숙성에 따른 소고기의 전단력(즉, 고기의 질긴 정도)의 변화를 나타낸 것입니다.

� 도표 해설:

Y축 (세로):

전단력 값 (g)

→ 고기의 단면을 절단하는 데 필요한 힘을 나타내며, 수치가 높을수록 질기고 낮을수록 부드럽습니다.

X축 (가로):

숙성 기간 (일)

→ 3일, 7일, 14일, 21일, 28일 시점에서 측정

곡선:

→ 숙성 기간이 길어질수록 전단력 값이 점진적으로 낮아짐.

특히 초기 10일 사이에 빠른 감소가 나타나며, 이후 완만한 감소세를 보임.

� 실험 조건 (주석 설명 번역):

그림 1. 숙성에 따른 소고기의 변화

소의 반막치근(半膜脛筋, semitendinosus muscle)을 4℃에 저장하고,
10×10×20mm의 시료를 대상으로 레오미터를 사용하여 전단력을 측정하였다.

� 종합 분석:

초기 3~10일 사이: 근원섬유가 빠르게 약해지며 고기가 눈에 띄게 부드러워짐

14일 이후: 결합조직의 천천히 진행되는 연화 과정이 주요 역할

28일 시점: 약 600g에서 약 300g까지 절반 수준으로 연도 개선

숙성에 따른 연화 메커니즘

소고기의 숙성에 따른 연화 과정을 전단력 측정을 통해 확인한 결과가 [그림 1]에 나타나 있다. 전단력 수치는 28일 숙성 시 도축 직후의 약 60% 수준까지 저하된다.

식육의 연화는 숙성 초기에 급격하게 진행되는 변화와 숙성 후기에 완만하게 진행되는 변화의 두 단계로 구성되어 있음을 알 수 있다.

숙성 10일까지의 급속한 연화는 주로 근원섬유 구조의 약화에 기인하는 것이며, 숙성 14일 이후의 완만한 연화는 주로 결합조직의 약화에 기인한다.

숙성에 따라 육류가 연화되는 현상, 즉 근원섬유와 결합조직이 약해지는 이유는 무엇일까. 치즈를 비롯한 여러 식품의 숙성은 주로 프로테아제의 작용에 의해 일어나므로, 육류의 숙성도 단백질 분해(프로테올리시스)에 의해 근원섬유나 결합조직의 구조가 약해지는 것이라 생각하기 쉽다. 그러나 육류의 경우는 사정이 전혀 다르다.

육류의 숙성은 0℃ 부근의 저온에서 이루어지며, 도살 후의 근육에서는 젖산의 축적으로 인해 pH가 약 5.5까지 낮아진다. 이러한 조건하에서는 리소좀 유래의 카텝신류나 골격근 세포질 내에 존재하는 칼페인과 같은 내인성 프로테아제가 활성화될 가능성은 극히 낮다.

실제로 소고기를 무균 상태로 30일간 냉장 보관한 경우에도, 펩타이드나 아미노산으로 분해되는 단백질은 전체 단백질량의 불과 2.3%에 지나지 않는다. 또, 숙성 중의 근원섬유 주요 구성 단백질은 프로테아제의 작용을 거의 받지 않는 것으로 나타났다.

최근에는 숙성에 따른 육류의 연화 현상을 프로테올리시스로는 설명할 수 없다는 보고도 나오고 있다. 우리 연구팀은 칼슘 이온(Ca²⁺)에 의한 근원섬유 구조의 비효소적 약화가 숙성에 따른 육류 연화의 주된 원인이라는 사실을 규명해가고 있으며, 이를 바탕으로 ‘육류 연화에 관한 칼슘 이온설(Ca²⁺설)’을 제창하고 있다.

생체 내에서 골격근 세포질(筋柴, myoplasm)의 Ca²⁺ 농도는 근소포체에 의해 엄격하게 조절된다. 골격근이 이완되어 있을 때의 Ca²⁺ 농도는 약 0.1μM이며, 신경 자극이 근소포체에 전달되어 Ca²⁺가 방출되면 농도는 3~5μM까지 상승하고, 이로 인해 근원섬유가 수축한다.

한편, 식육의 숙성 중에는 ATP가 소실되고 pH가 산성화되는 등 비생리적인 환경이 형성되므로, 근소포체막은 생리적 기능을 잃게 된다. 그 결과, 근소포체 내에 축적되어 있던 Ca²⁺가 누출되어, 세포질 내 Ca²⁺ 농도는 최종적으로 0.2mM에 이르게 된다.

이러한 변화는 서서히 일어나며, 예를 들어 돼지고기의 경우에는 도축 후 약 2일이 지나야 0.2mM 수준에 도달한다. 아래에 서술하는 바와 같이, 지금까지 발견된 근원섬유 구조의 약화 형태는 네 가지로 나뉘며, 이들 모두 0.1mM의 Ca²⁺ 존재 하에서 최대한 유도된다는 공통점을 가지고 있다.

해당 그림은 Z선(Z線, Z-line) 의 미세구조에 대한 모델을 나타낸 것으로, Ca²⁺(칼슘이온)에 의한 근원섬유 구조 약화 기전을 설명하기 위한 이미지입니다.

그림 2. Z선의 미세구조에 관한 모델
0.1mM CaCl₂를 포함하는 용액에서 근원섬유를 처리함으로써 비가역적인 변형을 유도한 후에 남아 있는 Z 디스크의 배열을 나타낸 것이다. 식육의 숙성 중에는 이와 동일한 구조 약화가 유도된다.
길이의 단위는 1nm(나노미터)이다.

주요 포인트 해설:

Z선(Z-disk): 근원섬유를 구성하는 단위인 근절(sarcomere)의 양 끝 경계로, 얇은 필라멘트(thin filaments)가 부착되는 지점입니다.

그림에서는 Ca²⁺ 처리 후 구조적 약화가 발생한 Z선의 변화를 세밀하게 도식화하고 있습니다.

식육의 숙성과정에서도 이와 같은 Z선의 변형이 발생하여 근육의 연화(軟化, tenderization) 에 영향을 준다는 것이 이 모델의 핵심입니다.

칼슘 유도 비효소성 연화 기전 요약

✅ 배경

식육(특히 쇠고기)은 도축 후 일정 시간 저온(약 0~5°C) 에 보관하면서 자연 숙성(dry aging or wet aging) 과정을 거칩니다. 이 과정에서 고기는 더 부드러워지고(tender), 풍미(flavor)도 향상됩니다. 과거에는 이 부드러움이 내재 효소(예: 카텝신, 칼파인 등) 의 단백질 분해작용 때문이라고 여겨졌으나, 최근 연구에서는 효소가 아닌 칼슘 이온(Ca²⁺) 에 의해 구조적으로 약해지는 비효소적 연화 기전이 주요 요인이라는 새로운 설명이 제시되었습니다.



� 기전 설명

1. ATP 소진 및 Ca²⁺ 누출

도축 직후, 근육은 ATP를 소모하며 사후강직(rigor mortis) 에 들어갑니다. 이 과정에서 근소포체(Sarcoplasmic Reticulum, SR)의 기능이 저하되어 내부에 저장되어 있던 Ca²⁺(칼슘이온) 이 근섬유 내로 점차 누출됩니다. 도축 후 약 1~2일이 지나면 Ca²⁺ 농도는 최대 0.2mM 수준에 도달합니다.

2. Z선 구조의 약화

Ca²⁺는 근원섬유의 Z-디스크(Z-disk) 부위를 직접적으로 약화시킵니다. Z선은 근절(sarcomere)의 경계이며, 얇은 필라멘트(actin) 가 부착된 구조입니다. Z선이 약화되면 근절의 안정성이 떨어지고, 결과적으로 근육이 쉽게 찢어지고 부드러워짐.

3. 결합조직에 영향 없음

이 기전은 결합조직(콜라겐, 엘라스틴 등) 에는 직접 영향을 주지 않음. 하지만 근섬유의 약화만으로도 상당한 수준의 연화 효과를 나타냄.



� 근육 연화 양상 (이중 단계 모델)

0~10일: 빠른 연화 → 주로 근섬유(Z선 포함)의 구조 약화 10일 이후: 느린 연화 → 결합조직의 변화(효소 작용 가능성 있음)



� 시사점

프로테아제 효소에 의존하지 않고도 연화가 가능하다는 점은, 항균·저온 환경에서도 연화가 가능함을 의미 위생적인 숙성 시스템 구축에 중요한 기반 이 이론은 고령 가축(경산우 등)의 고기 연화 기술, 수출용 위생적 드라이에이징 등에 활용 가능성이 높음.

1. 근원섬유 구조의 약화

1-1. Z선의 약화

근원섬유의 구조 단위인 근절(sarcomere)들을 서로 연결하는 Z선의 구조는, 식육의 숙성 중에 약해지며 쉽게 절단되는 상태가 된다. 단리된 근원섬유를 이용해 단백질분해효소 억제제를 포함한 상태에서 실험한 결과, Z선 약화는 칼슘이온(Ca²⁺) 농도 0.1mM에서 최대값을 보였고, pH는 6.5 부근에서 최소값을 나타내며 역벨(∩자형)의 형태를 가진 pH 의존성을 보였다. 이 결과는 숙성 중인 식육의 비생리적인 조건과 잘 일치하는 것으로 확인되었다.

한편, 토끼에게 인슐린을 투여한 후 도축하고, pH가 5.7에서 7.2 범위인 사후 근육을 준비해 pH와 Z선 약화의 관계를 조사한 결과, 숙성에 따른 Z선 약화는 pH 6.5에서 최소값을 가지는 역벨형의 pH 의존성을 보였으며, 이는 in vitro 조건에서 단리된 근원섬유를 사용한 실험 결과와 일치했다.

Z선의 미세 구조는 Z필라멘트와 비정형물질(무정형물질)로 구성된다는 사실이 알려져 있다. 이 구조를 초박절편으로 전자현미경 관찰한 결과, 0.1mM Ca²⁺에 의해 비정형물질은 용해되어 사라지는 반면, Z필라멘트는 규칙적인 배열을 유지한 채 잔존한다는 것이 확인되었다. 이처럼 Z선 미세구조가 변화하는 과정에서, Z선의 구성 단백질인 α-액티닌(α-actinin)은 그 양에 변화가 없으며, α-액티닌 항체는 잔존하는 Z필라멘트에 결합하는 것으로 나타났다. 이로 인해 기존에는 비정형물질의 구성 성분으로 추정되던 α-액티닌이 사실은 Z필라멘트를 형성하고 있음을 밝힐 수 있었다.

또한, 비정형물질이 사라진 Z선을 알칼리로 처리하면 쉽게 두 조각으로 분리되는 것으로 보아, 비정형물질은 인접한 근절의 Z필라멘트를 서로 접착시켜 Z선 구조를 유지하는 역할을 하는 것으로 생각된다. 이러한 결과를 바탕으로, 도표 2에 나타난 Z선의 미세구조에 대한 모델이 제안되었다. 해당 도식은 중심부 37nm 너비의 Z선을 나타낸 것으로, 비정형물질이 제거된 상태의 Z필라멘트 배열을 보여준다. 이 중 하얀 선 하나는 α-액티닌 한 분자에 해당한다. 생체 내에서는 Z필라멘트 사이의 공간에 비정형물질이 충전되어 좌우의 Z필라멘트를 접착시켜 Z선을 강화하는 역할을 한다. 그러나 숙성 중인 식육에서 0.1mM Ca²⁺에 의해 이 비정형물질이 용해되면 도식에 보이는 상태가 되며, 결과적으로 Z선은 약화된다고 판단된다.

이상의 내용으로부터, 식육의 숙성에 따른 Z선의 약화는 Ca²⁺의 작용에 의해 비효소적인 반응으로 발생함이 명확하게 드러났다. Ca²⁺가 비정형물질을 왜 용해시키는가에 대한 의문을 탐구하는 과정에서, 그 물질이 단백질이 아니라 인지질(지질)이라는 점을 밝혀냈다. 이 인지질은 근원섬유 100g당 약 2g 존재하며, 이는 α-액티닌의 양과 동일하다.

특히 흥미로운 점은, 인지질 중에서도 포스파티딜콜린(레시틴) 에 Ca²⁺가 결합한다는 사실이다. 포스파티딜콜린은 비정형물질을 구성하는 전체 인지질 중 약 60%를 차지하는데, Ca²⁺와 결합함으로써 성질이 변화하여 용해되는 것으로 추정되고 있으며, 현재 이에 대한 연구가 진행 중이다. 만약 이것이 명확히 밝혀지면, Ca²⁺에 의한 Z선 약화 메커니즘은 완전히 해명될 수 있을 것이다.

1-2. 강직 결합의 약화

사후 강직 시기의 근원섬유는 수축하고 ATP가 소실되어 있으므로, 액틴과 미오신 사이에 강직 결합이 형성되어 있다. 그러나 그 이후 숙성 기간 중에 이 강직 결합은 점차 약화되며, 사르코미어(근절)의 길이(Z선과 Z선 사이의 거리)는 회복된다.

도표 3에 나타난 것처럼, 사르코미어의 길이는 도축 직후에는 약 2.3μm였지만, 도체(枝肉) 상태로 저장한 경우에는 사후 강직기에 2.0μm로 줄어든 뒤, 다시 2.3μm로 회복된다. 사후 강직을 거친 후 뼈를 제거하고 고기 덩어리 상태로 저장한 경우에도 같은 변화가 관찰된다. 그러나 도축 직후에 뼈를 제거하면 골격에 의한 제약이 없어지므로 자유롭게 수축하게 되며, 이 경우 사후 강직기의 사르코미어 길이는 1.6μm까지 단축된다. 이후 저장 기간 중에 다시 1.8μm까지 신장된다.

이러한 사르코미어 길이의 변화는 얇은 필라멘트(액틴)와 굵은 필라멘트(미오신)의 이탈량 변화와 잘 일치한다. 사후 강직 시기에는 근원섬유 총 단백질량의 약 5%에 해당하는 필라멘트만이 이탈되지만, 숙성 중에는 이 이탈량이 최대 70%에 달한다.

강직 결합의 약화는 우리가 발견한 근원섬유 단백질인 파라트로포미오신에 의해 일어난다. 형광 항체법을 통해 조사한 결과, 생체 내 근원섬유에서 파라트로포미오신은 A대와 I대의 접합부에 국소화되어 있으며, 이는 액틴과 미오신의 상호작용에는 관여하지 않는다. 그러나 식육의 숙성 중에는 이 단백질이 해당 위치에서 이탈하여, 얇은 필라멘트의 액틴과 결합하게 된다.

이러한 파라트로포미오신의 위치 이동은 소고기에서는 약 10일 이상, 돼지고기에서는 6일, 닭고기에서는 1일 이내에 완료되며, 이는 각각의 육종에서 숙성 기간과 잘 부합한다.

단리한 근원섬유를 사용해 다양한 조건에서 실험한 결과, 파라트로포미오신의 위치 이동은 0.1mM의 칼슘 이온(Ca²⁺)에 의해 비효소적으로 유도된다는 사실이 명확해졌다.

도표 3은 사르코미어(Sarcomere)의 길이 회복과 필라멘트 해리량의 관계를 시각적으로 나타낸 것입니다.

도표 3 해설:

사르코메어 길이의 회복과 필라멘트의 해리량 관계

이 도표는 가축(주로 소)의 근육을 대상으로 숙성 기간 중 **사르코미어 길이(왼쪽 축, μm)**와 **필라멘트 해리율(오른쪽 축, %)**이 시간(일) 경과에 따라 어떻게 변화하는지를 보여준다.

● 각 기호의 의미:

○(흰 원): 도축 후 즉시 제거하지 않고 도체 상태로 저장한 경우의 사르코미어 길이

●(검은 원): 도축 직후 뼈를 제거하고 육괴 상태로 저장한 경우의 사르코미어 길이

△(흰 삼각형): ● 조건에서의 필라멘트 해리율

×(엑스): 대형 미오그라프(Leaometer)를 이용해 측정한 필라멘트 해리율

● 주요 해석:

도축 후 뼈를 제거하지 않은 상태(○)는 강직기에 사르코미어 길이가 줄어들었다가, 시간이 지남에 따라 다시 원래 길이로 회복된다 (약 2.0μm → 2.3μm).

반면 도축 직후 뼈를 제거한 경우(●), 사르코미어 길이가 더 많이 줄어들며 (1.6μm까지), 이후 점차 1.8μm 수준으로 회복된다. 이 상태에서는 골격의 지지가 없어 자유롭게 수축한 것으로 해석된다.

해리율은 숙성 시간이 지남에 따라 점차 증가하며, 도축 직후 뼈를 제거한 경우(△), 필라멘트 해리가 더 많이 일어난다.

약 6일째에는 필라멘트 해리율이 70%에 육박함을 확인할 수 있으며, 이는 근육 내 단백질 구조(액틴-미오신)의 상당 부분이 분리되었음을 시사한다.

● 결론:

이 도표는 도축 및 숙성 조건에 따라 사르코미어 길이와 단백질 해리량이 어떻게 달라지는지를 명확히 보여준다. 숙성 과정에서 강직 결합의 약화 및 단백질 해리가 어떻게 식감 개선(연화)에 기여하는지를 입증하는 자료이다.

**사르코미어(Sarcomere)**는 근육의 수축과 연화 메커니즘을 이해하는 데 핵심적인 골격근의 기본 단위입니다. 숙성육 연구에서 자주 등장하는 개념



� 사르코미어(Sarcomere)란 무엇인가

사르코미어는 근육을 구성하는 가장 작은 단위의 수축 구조로서, **Z선(Z-line)**과 Z선 사이에 위치한 반복 단위이다. 이 구조는 **굵은 필라멘트(미오신)**와 **가는 필라멘트(액틴)**로 이루어져 있으며, 근수축은 이 필라멘트들이 서로 미끄러지며 움직이는 방식으로 이루어진다.



� 사르코미어의 주요 구성요소

Z선 (Z-line)사르코미어의 양 끝을 형성하며, 가는 필라멘트를 고정시키는 지점이다.
I대 (I-band)가는 필라멘트(액틴)만 존재하는 구역이며, 사르코미어가 수축할 때 좁아진다.
A대 (A-band)굵은 필라멘트(미오신)가 있는 구역이며, 수축 중에도 길이는 변하지 않는다.
H대 (H-zone)A대 중앙의 미오신만 존재하는 부분으로, 수축 시 줄어든다.
M선 (M-line)미오신 필라멘트를 중앙에서 지지하는 구조이다.



� 숙성과 사르코미어의 관계

도축 직후 ATP 고갈 → 강직결합 발생 → 사르코미어 길이 축소 Z선과 Z선 사이가 좁아지며 근육이 뻣뻣해진다 (사후강직). 숙성 중 ATP가 사라진 후 근소포체가 붕괴되고, 내부의 Ca²⁺ 이온이 유출된다.
이 **칼슘 이온(Ca²⁺)**은 근원섬유 구조(특히 Z선과 단백질 결합부)에 비효소적으로 작용해 사르코미어 구조의 일부 약화를 유도한다. Z선 구조가 붕괴되거나 필라멘트 결합이 느슨해지면서, 사르코미어 길이는 원래대로 복원되며 근육의 연화가 진행된다. 필라멘트 해리 숙성 중에는 액틴-미오신 필라멘트 결합이 해리되며, 물리적으로 근섬유가 풀어져 식감이 부드러워진다. 이 과정에서 파라트로포미오신(paratropomyosin) 같은 단백질이 역할을 하며, Ca²⁺와의 상호작용으로 필라멘트 간 결합을 약화시킨다.



� 숙성육의 품질과 사르코미어

사르코미어가 짧을수록 고기는 질기고, 사르코미어가 본래 길이로 회복될수록 고기는 부드러워진다.

이러한 이유로, 도축 직후 **무리한 조기 뼈 제거(early deboning)**는 사르코미어의 수축을 유발하여 연화를 저해할 수 있다. 숙성 과정 중 적절한 시간과 조건을 유지함으로써 사르코미어 길이의 복원과 구조 해리가 일어나 고기의 부드러움이 극대화된다.

파라트로포미오신은 아크틴 위에 있는 미오신 결합 부위에 대해 높은 친화성을 가지고 있으며, 미오신을 제거하기 위해 경직결합이 약화된다고 생각된다. 파라트로포미오신에 의한 경직결합의 약화는, 그림 4에서 나타난 바와 같이, 인위적으로 경직을 유도한 근섬유에 파라트로포미오신을 첨가함으로써 직접적으로 증명할 수 있다. 대조군에서는 경직에 의해 발생한 장력이 3시간 이상 일정한 값을 유지하는 반면, 파라트로포미오신을 첨가하면 10분 후에는 초기값의 65%로 감소한다. 또한, 파라트로포미오신에 의해 장력이 감소된 근섬유에 적절한 하중을 가하면, 사르코미어 길이는 쉽게 늘어난다.

Wierbicki 등은 숙성육의 숙성 중에 아크틴과 미오신 사이에 형성된 경직결합이 약화될 가능성을 처음으로 지적한 바 있다. 그로부터 30여 년이 지나, 파라트로포미오신의 관여를 밝힘으로써 이 문제가 해명되었다고 할 수 있다.

**파라트로포미오신(paratropomyosin)**은 식육(특히 숙성육) 연구에서 중요한 근원섬유 단백질 중 하나입니다. 일반적인 **트로포미오신(tropomyosin)**과는 다르게, 사후경직(死後硬直, rigor mortis) 상태에서 아크틴(actin)과 미오신(myosin) 사이의 결합을 약화시키는 숙성 과정 중 비효소적 작용으로 주목받고 있습니다.



� 파라트로포미오신의 역할 요약:

기원 :사후 숙성 중 근섬유 단백질에서 유리됨
위치 변화: 생체 내에서는 A대와 I대의 접합부에 존재 → 숙성 중 아크틴과 결합
기능: 미오신과 아크틴의 경직결합을 약화시켜 사르코미어(sarcomere) 길이 회복을 유도
Ca²⁺ 의존성: 약 0.1 mM의 칼슘 이온 존재하에서 비효소적으로 작용
숙성기간과의 관계→ 소고기: 약 10일 / 돼지고기: 약 6일 / 닭고기: 약 1일 이내에 작용 완료



� 실험적 증거:

근섬유에 파라트로포미오신 첨가 실험 경직상태 근섬유에 이 단백질을 첨가하면 10분 내에 근육장력이 약 65% 감소 → 숙성에 따른 연화 효과의 직접적 증거.



� 정리:

파라트로포미오신은 근섬유 내에서 경직결합을 느슨하게 만드는 비효소성 인자로, 사후 숙성 동안 육질을 부드럽게 만드는 주요 단백질이다.

1-3. 코넥틴 필라멘트의 절단

코넥틴은 마루야마(Maruyama) 등에 의해 발견된 탄성 단백질로, 근원섬유 내에서는 필라멘트 형태로 존재하기 때문에 가는 필라멘트와 굵은 필라멘트에 이어지는 제3의 필라멘트라고 불린다. 그림 5에서 볼 수 있듯이, 코넥틴 필라멘트는 굵은 필라멘트와 Z선(좌우 양단)을 연결하고 있으며, 수축과 이완 시에 굵은 필라멘트를 사르코미어 중앙에 유지하는 역할을 한다.

골격근은 용수철과 같은 이상적인 탄성체와 유사한 탄성을 나타내며, 변형이 가해지더라도 외력을 제거하면 원래의 형태로 회복된다. 이러한 성질은 코넥틴에 기인한 것으로 여겨진다. 한편, 사후 시간이 경과한 골격근은 탄성을 잃게 되며, 숙성된 식육에서는 변형을 가한 뒤 외력을 제거해도 원래의 형태로 돌아가지 않게 된다. 이러한 물성의 변화는 코넥틴의 성질 변화에 의한 것으로, 식육의 연화와 밀접하게 관련되어 있다.

코넥틴에는 불용성 α-코넥틴과 가용성 β-코넥틴이라는 두 종류의 형태가 존재하며, 분자량은 각각 약 280만, 210만으로, 다른 단백질과는 비교할 수 없을 정도의 거대 분자이다. 그림 6에서 보이듯이, 식육 숙성에 따른 탄성 저하는 불용성 α-코넥틴 양의 감소에 기인한 것이며, 이는 α-코넥틴이 β-코넥틴으로 변환되기 때문이다.

α-코넥틴에서 β-코넥틴으로의 변환이 왜 일어나는가에 대해서는, 최근 우리 연구를 통해 새로운 사실이 밝혀졌다. 방사성 칼슘(^45Ca)을 이용한 실험에 따르면, α-코넥틴은 칼슘 결합 단백질이며, Ca²⁺이 결합하면 β-코넥틴과 분자량 120만의 서브프래그먼트로 절단된다. 이러한 변화는 0.1mM Ca²⁺ 조건에서 가장 활발하게 일어난다. 또한, 숙성된 식육에서는 α-코넥틴이 모두 사라지고 β-코넥틴과 분자량 120만의 서브프래그먼트로 변환되어 있다.

이러한 결과는, 식육의 숙성에 따라 불용성 α-코넥틴이 절단되는 것이, Ca²⁺ 농도가 0.2mM까지 상승한 근육 내 Ca²⁺의 결합에 의해 일어나는 현상임을 시사한다.

그림 5에 제시된 모식도에서 α-코넥틴은 화살표가 가리키는 부위(Z선으로부터 약 0.3μm 거리)에서 절단되어, β-코넥틴과 분자량 120만의 서브프래그먼트를 생성한다. Ca²⁺의 결합 부위는 아직 명확히 밝혀지지 않았으나, 화살표의 오른쪽, 즉 서브프래그먼트 연결 부위 근방의 β-코넥틴 상에 존재할 것으로 추정된다.

해당 이미지는 근절(Sarcomere) 내 코넥틴 필라멘트의 존재 형식을 설명한 모식도입니다.

그림 5. 사르코미어 내 코넥틴 필라멘트의 존재 형식

Z: Z선
α: α-코넥틴
β: β-코넥틴
S: 분자량 1,200kDa의 서브프래그먼트

Z선과 굵은 필라멘트를 연결하고 있는 코넥틴 필라멘트는, Ca²⁺가 다량으로 결합하게 되면 그림에서 화살표로 표시된 부위에서 절단된다.

이 그림은 Ca²⁺ 농도의 증가가 α-코넥틴의 구조에 변화를 일으켜 β-코넥틴과 S 서브프래그먼트로 분리됨을 나타냅니다. 이는 사후 식육 숙성 중 탄성 감소 및 연화의 분자적 메커니즘 중 하나로, 식육의 물성 변화와 직결됩니다.

코넥틴 필라멘트(Connectin filament 또는 Titin filament)는 근육의 구조와 기능에서 매우 중요한 역할을 하는 거대 탄성 단백질 필라멘트로, 주로 다음과 같은 특징을 가지고 있습니다.



� 1. 정의 및 구조

**코넥틴(Connectin)**은 일본의 Maruyama 박사에 의해 발견된 사르코미어 내 제3의 필라멘트입니다. 분자량이 매우 크며(α-코넥틴: 약 280만 Da), 한 분자당 사르코미어 하나를 가로질러 존재합니다. Z선에서 M선까지 이어지며, 굵은 필라멘트(미오신)를 정중앙에 고정하고, 수축/이완 시의 탄성 복원력을 제공합니다.



� 2. 기능

근육의 탄성 유지 → 근육을 늘리거나 수축시켰다가 외력을 제거하면 원래 형태로 되돌아가게 하는 ‘스프링’ 역할을 합니다. 굵은 필라멘트(미오신)의 중심 정렬 유지 → Z선과 미오신 사이를 물리적으로 연결하여, 수축 시의 구조적 안정성을 유지합니다. 근육 손상 방지 → 과도한 신장 시 에너지 흡수를 통해 근육 섬유의 손상을 완화시킵니다.



� 3. 숙성과 연화 메커니즘에서의 역할

사후(屠殺後) 숙성 중, 코넥틴은 Ca²⁺와 결합하면서 구조 변화가 발생합니다. 특히, α-코넥틴이 β-코넥틴과 1,200kDa 서브프래그먼트로 분해됩니다. 이 현상은 사르코미어의 탄성 저하를 유발하며, 결과적으로 고기가 부드러워지는 주요 요인 중 하나로 작용합니다. **0.1mM 수준의 Ca²⁺**로도 이러한 변화가 유도되며, 이는 사후 숙성 중에 자연적으로 발생할 수 있는 Ca²⁺ 농도와 일치합니다.

이 도표는 숙성 기간에 따른 불용성 α-코넥틴의 감소와 고기 탄성 저하 간의 관계를 나타낸 것입니다.

� 도표 제목

図6 不溶性α-コネクチンの減少と弾性低下の関係
「불용성 α-코넥틴의 감소와 탄성 저하의 관계」

� 축 정보

X축 (가로): 숙성 기간 (日, 일)

Y축 왼쪽 (세로): 불용성 α-코넥틴의 양 (단위 없음)

Y축 오른쪽 (세로): 탄성 (Elasticity, C.O. 단위)

� 데이터 기호 해설

○, ●: 토끼의 흉근(胸最長筋) → ○: 탄성 / ●: α-코넥틴 양

△, ▲: 닭 가슴살 → △: 탄성 / ▲: α-코넥틴 양

� 결과 요약

숙성 시간이 증가할수록: 불용성 α-코넥틴 양이 감소 (●, ▲ 점이 하강) 탄성이 감소 → 고기가 더 부드러워짐 (○, △ 점이 하강)

특히 닭은 숙성 1일 내에 급격한 변화가 있고, 그 이후는 변화가 적음.

토끼는 점진적으로 탄성과 α-코넥틴이 모두 감소.

� 결론 및 해석

α-코넥틴은 고기의 탄성 유지에 핵심적인 역할을 하며,

숙성 과정에서 Ca²⁺와의 결합에 의해 분해

되어

→ 고기의 탄성은 줄어들고

→ 결과적으로

식감이 부드러워짐

숙성 육의 연화 메커니즘에서 α-코넥틴의 분해는 중요한 과학적 근거가 됩니다.

1-4. 네브린 필라멘트의 단편화

네브린은 1977년 Wang과 Williamson에 의해 발견된 근원섬유 구성 단백질로, 분자량은 약 70만이며 코넥틴 다음으로 큰 분자량을 갖는다. 현재까지 분리 및 정제가 불가능하기 때문에 생화학적인 성질은 아직 충분히 밝혀지지 않았다. 그러나 코넥틴과 마찬가지로 네브린 역시 매우 가는 필라멘트 형태로 존재하며, 가는 필라멘트 전체 길이에 걸쳐 평행하게 결합하여, 그 구조를 유지하는 데 기여하는 것으로 생각된다.

식육이 숙성되면 시간이 지남에 따라 네브린 필라멘트의 단편화가 발생하고, 모체 분자인 네브린은 점차 소실된다. 가는 필라멘트의 구조를 유지하는 네브린 필라멘트가 단편화되면 필라멘트가 불안정해지므로, 이러한 변화는 숙성에 따른 식육 연화의 한 요인이 된다고 여겨진다.

도표 7에 나타난 바와 같이, 네브린의 소실 속도는 가축의 종류에 따라 다르며, 소고기에서는 느리지만 닭고기에서는 빠르게 진행되어 각자의 숙성 기간과 잘 대응한다.

분리한 근원섬유를 0.1mM CaCl₂를 포함한 용액으로 처리하면, 숙성 중인 식육과 동일하게 네브린 필라멘트의 단편화가 일어난다. 이 단편화에 의해 생성된 서브프래그먼트는 분자량 20만, 18만, 4만, 3.3만, 2.3만의 다섯 종류이며, 이 중 18만을 제외한 서브프래그먼트는 근원섬유로부터 유리된다.

근원섬유에서 유리된 서브프래그먼트를 이뮤노애피니티 칼럼을 이용해 정제하고 생성량을 측정한 결과, 도표 8과 같이 네브린의 소실 정도와 잘 일치하였다. 전체 네브린 필라멘트의 약 80%는 이러한 유리된 서브프래그먼트로 구성되어 있으며, 나머지 약 20%는 근원섬유에 결합되어 있는 분자량 18만의 서브프래그먼트인 것으로 밝혀졌다.

또한, Ca²⁺ 감수성 형광 시약인 Quin 2를 사용하여 단백질의 칼슘 결합 능력을 조사한 결과, 네브린이 칼슘 결합 단백질이며, 분자량 20만, 4만, 2.3만의 서브프래그먼트가 Ca²⁺ 결합 능력을 갖고 있음이 확인되었다.

따라서 식육의 숙성 중에 근섬유 내 Ca²⁺ 농도가 0.2mM(생체 근육의 이완 시 농도의 약 2,000배)까지 상승하면, 이러한 서브프래그먼트에 Ca²⁺가 다량 결합하게 되어, 네브린 필라멘트의 단편화가 비효소적으로 유도되는 것으로 생각된다. 네브린 필라멘트의 Ca²⁺에 의한 단편화의 pH 의존성과 온도 의존성은 코넥틴 필라멘트의 분해와 완전히 일치하므로, 이 두 종류의 거대 단백질은 Ca²⁺ 결합에 대해 동일한 성질을 가진다는 점이 밝혀졌다.

이 도표는 도표 7: 식육의 숙성 중에 일어나는 네브린의 소실을 나타낸 그래프입니다.

도표 7. 식육의 숙성 중에 일어나는 네브린의 소실

식육을 4°C에서 저장하고, 일정 시간 간격으로 근원섬유를 조제하여 SDS-겔 전기영동을 실시하였다. 전기영동상의 밴드를 통해 네브린의 양을 측정하였고, 도축 직후의 값을 기준으로 하여 백분율로 표시하였다.

□: 닭의 얕은 흉근
○: 돼지의 장흉근
△: 말의 장흉근
▲: 소의 장흉근

해설 요약

숙성 시간(보관 시간)이 길어질수록 네브린의 상대량은 감소한다.

가장 빠르게 네브린이 소실되는 것은 닭고기, 그 다음은 돼지고기와 말고기, 그리고 가장 느리게 소실되는 것은 소고기이다.

이는 축종에 따라 네브린 필라멘트의 분해 속도, 즉 숙성에 따른 구조 변화의 속도 차이가 존재함을 나타낸다.

결과적으로, 닭고기는 숙성이 빨리 진행되고, 소고기는 느리게 진행된다는 것을 시사한다.

네브린 (Nebulin)

네브린은 1977년 Wang과 Williamson에 의해 발견된 근원섬유(sarcomere) 의 구성 단백질로, 분자량이 약 70만에 달하는 매우 큰 단백질이다. 단독으로 분리·정제하는 것은 현재까지 불가능하며, 생화학적 특성에 대해서는 알려진 바가 많지 않다. 그러나 필라멘트(섬유) 형태로 존재하며, 가느다란 필라멘트(주로 액틴) 전체 길이에 평행하게 결합하여 그 구조적 안정성 유지에 기여하는 것으로 알려져 있다.

숙성과 네브린의 변화

숙성 과정 중에는 시간이 경과함에 따라 네브린 필라멘트의 단편화(fragmentation) 가 일어나며, 원래의 네브린 단백질은 점차 소실된다. 이 단편화는 가는 필라멘트 구조를 불안정하게 만들고, 결과적으로 숙성에 따른 식육의 연화(軟化) 를 유도하는 중요한 기전 중 하나로 작용한다.

축종에 따른 차이

숙성에 따른 네브린의 소실 속도는 축종에 따라 다르다. 도축 직후의 100%를 기준으로 비교했을 때:

닭고기는 매우 빠르게 소실되며, 돼지고기와 말고기는 중간 속도, 소고기는 가장 늦게 소실된다.

이는 각각의 고기에 요구되는 숙성 기간과도 일치하며, 닭고기는 짧은 숙성으로도 충분히 연화되는 반면, 소고기는 긴 숙성 기간이 필요함을 뒷받침한다.

단편화 기전

네브린의 단편화는 Ca²⁺(칼슘 이온) 의 비효소적 작용에 의해 유도된다. 실험 결과, 0.1mM CaCl₂ 조건에서 네브린이 다음과 같은 다섯 종류의 서브프래그먼트(분자량 20만, 18만, 4만, 3.3만, 2.3만) 로 분해되며, 이 중 대부분은 근원섬유에서 이탈한다. 특히, 이 중 18만을 제외한 나머지는 액틴 섬유에서 떨어져 나가며, 총 네브린의 약 80%가 이탈된 상태로 존재하게 된다.

이들 조각 중 일부는 Ca²⁺에 결합 능력이 있으며, 식육 내 Ca²⁺ 농도가 도축 후 약 0.2mM 까지 증가함에 따라 네브린 단편화가 유도되는 것으로 밝혀졌다.

그림 8. 네브린의 감소량과 서브프래그먼트 생성량의 관계

이 도표는 단리된 근원섬유를 0.1mM CaCl₂를 포함한 용액으로 처리했을 때, 시간에 따라 나타나는 네브린의 감소와 근원섬유로부터 유리된 서브프래그먼트의 생성량을 나타낸 것이다.

●: 근원섬유 내 네브린의 잔존량

○: 근원섬유에서 유리된

네브린 유래 서브프래그먼트의 양

(모두 전체 단백질 대비 백분율로 표시됨)

주요 해석:

Ca²⁺ 처리 초기(1~3일)에 네브린은 급격히 감소하고, 동시에 서브프래그먼트가 빠르게 생성된다.

3일 이후, 네브린의 양은 거의 0에 가까워지며, 서브프래그먼트 생성량은 포화상태에 도달하여 일정하게 유지된다.

이는 Ca²⁺ 농도 0.1mM 조건에서 네브린이 비효소적으로 분해되어 서브프래그먼트로 전환된다는 것을 실험적으로 보여준다.

1・5. 정리

숙성에 따라 식육이 연화되는 원인에 대해서는, 오랜 식육 이용 역사를 지닌 유럽과 미국을 중심으로 오래전부터 높은 관심이 쏠렸으며, 방대한 양의 연구가 수행되어 왔다. 나는 이 문제가 Ca²⁺의 비효소적 작용에 기초하여 근본적으로 해결될 수 있다고 생각한다.

Ca²⁺는 숙성 중의 식육이 놓이는 비생리적인 조건 하에서, 근원섬유를 구성하는 특정 단백질이나 인지질에 결합함으로써 그것들의 용해성을 증가시키거나, 분해 및 단편화를 유도함으로써 근원섬유 구조의 취약화를 초래하며, 이는 곧 식육의 연화로 이어진다.

2. 결합조직의 취약화

식육이 되는 가축의 골격근은, 그림 9에 나타난 바와 같이 다수의 근섬유와 그 사이에 존재하는 비교적 적은 양의 결합조직, 지방조직, 혈관 및 신경으로 구성되어 있다. 개별 근섬유는 ‘근내막’이라는 결합조직에 의해 둘러싸여 있으며, 50~150개의 근섬유가 모여 제1차 근섬유 다발을 형성하고, 이 제1차 다발이 수십 개 모여 제2차 근섬유 다발을 이룬다. 각 근섬유 다발의 주위에는 ‘근주막’이라는 결합조직이 존재하며, 가축을 비육하면 이 부위에도 지방조직이 형성되어 ‘마블링(霜降り肉)’이 나타난다.

근섬유 다발의 집합체인 골격근의 외층을 덮고 있는 결합조직은 ‘근상막’이라 하며, 이는 골격근 사이의 격벽을 이루거나, 튼튼한 근막을 형성한다. 골격근 조직의 양끝에서는 모든 결합조직이 모여 힘줄에 이어지며, 골막에 밀착되어 있다.

식육의 경우, 근상막이나 근막은 흔히 '힘줄(スジ)'로 제거되므로, 식육의 연도(연함)에 관여하는 것은 주로 근내막과 근주막이다. 이들은 콜라겐 분자가 다수 집합하여 형성된 콜라겐 섬유와, 그 사이를 메우는 무정형 기질(프로테오글리칸이나 무코다당류 등)로 구성되어 있다.

식육의 숙성 중 콜라겐 분자가 변화할 가능성에 대한 기대 아래 많은 연구가 이루어졌으나, 콜라겐의 분자 수준에서의 변화는 발생하지 않는 것으로 알려져 있다. 즉, 콜라겐의 용해성이나 가열 용해성은 숙성 기간 동안 변화하지 않으며, 이는 노화에 따라 형성된 콜라겐의 분자 간 가교가 매우 안정함을 나타낸다.

그러나 도축 직후의 소 골격근은 매우 단단하여 쉽게 찢어지지 않지만, 숙성된 쇠고기는 쉽게 찢어지게 되며, 또한 쇠고기를 가열했을 때 발생하는 등척성 장력이 숙성에 따라 감소하는 점 등은, 근내막 및 근주막이 숙성에 따라 취약해지고 있음을 시사한다.

최근, 우리는 이러한 결합조직이 숙성에 따라 크게 변화한다는 사실을 발견하였다. Ohtani 등이 개발한 세포소화·주사전자현미경법을 응용하여, 근내막 및 근주막의 구조 변화를 조사하였다. 이 방법에서는 시료를 10% NaOH 용액으로 7일간 처리함으로써 근섬유를 완전히 제거하고, 근내막 및 근주막만을 관찰할 수 있다.

도축 직후의 소 반건양근에서는, 근내막이 다수의 콜라겐 미세섬유가 평행하게 배열되어 서로 밀착함으로써 막상 구조를 형성하고 있다(그림 10a). 도축 후 4℃에서 저장한 경우, 10일 경과 시점까지는 근내막이나 근주막의 구조에 거의 변화가 관찰되지 않는다. 그러나 도축 후 21일간 숙성하면, 근내막을 구성하고 있던 콜라겐 미세섬유들이 흩어지듯 풀어지며, 막상 구조는 원형을 유지하지 못하게 된다(그림 10b). 단, 콜라겐 미세섬유 자체는 변화하지 않는다. 근주막에서도 이와 유사한 변화가 발생한다.

이러한 변화는 서서히 진행되지만, 쇠고기의 숙성 중에 근내막 및 근주막의 구조가 점차 취약해진다는 점을 명확히 보여준다. 따라서, 결합조직에 기인하는 식육의 연화는 콜라겐 미세섬유 간의 결합력이 약화되기 때문에 일어난다고 생각된다. 콜라겐 미세섬유끼리 접착하고 있는 물질에 대해서는 아직 명확하지 않지만, 무정형 기질 내에 존재하는 프로테오글리칸이나 당단백질일 것으로 추정하고 있다.

� [그림 9] 골격근 조직

(R. 클루스티치 저, 『입체조직학도감』에서 인용·가필)

✅ 근육 구성 요소

근섬유 (筋線維): 골격근의 기본 단위이며, 실제로 수축 운동을 하는 세포.

제1차 근섬유 다발 (第一次筋線維束): 여러 개의 근섬유가 모여 형성된 소규모 다발.

제2차 근섬유 다발 (第二次筋線維束): 여러 제1차 다발이 모여 큰 단위를 이룸.

근내막 (筋内膜): 각 근섬유를 둘러싸는 얇은 결합조직.

근주막 (筋周膜): 근섬유 다발(제1차 다발)을 둘러싸는 중간층 결합조직.

근상막 (筋上膜): 전체 근육을 감싸는 외층의 질긴 결합조직.

근막 (筋膜): 근상막을 포함하여 주변 근육끼리 연결하거나 분리하는 결합조직.

건 (腱): 근육과 뼈를 연결하는 조직으로, 모든 결합조직이 종단부에서 하나로 모여 형성됨.

신경 (神経) 및 혈관 (血管): 각각 운동 지배 및 영양 공급을 담당.

� 요약

이 그림은 근섬유 단위부터 전체 근육 구조까지의 계층적 구조를 보여주며,

근내막·근주막·근상막이라는 3중의 결합조직이 연화 및 숙성에 어떤 영향을 주는지 설명하는 자료의 기반이 됩니다.

또한, 도축 후 연화되는 부위는 근내막과 근주막에 해당합니다. 근상막과 근막은 가공 시 제거되므로 숙성 관련 논의에서는 제외됩니다.

그림 10. 소고기의 숙성에 따른 근내막 구조 변화

도축 직후의 반막정근에서는 근내막이 다수의 콜라겐 세사(細絲)로 구성되어 있으며, 이 세사들은 서로 평행하게 배열되고 밀착하여 막상(膜狀)의 구조를 형성하고 있다〔그림 10-a〕. 그러나 도축 후 4℃에서 21일간 숙성한 반막정근에서는, 근내막을 구성하던 콜라겐 세사가 느슨하게 풀어지며, 막상 구조는 원형을 유지하지 못하고 붕괴된 상태로 관찰된다〔그림 10-b〕. 이때 콜라겐 세사 자체에는 변화가 없으나, 세사 간의 접착력이 약화되었음이 확인된다. 근주막에서도 이와 유사한 구조 변화가 발생한다.

이러한 관찰 결과는, 소고기의 숙성 과정에서 근내막 및 근주막의 구조가 점진적으로 약화됨을 명확히 보여주는 것이다. 따라서, 결합조직에 기인한 육질의 연화는 콜라겐 세사 간 접착력의 약화에 기인한다고 해석된다. 현재 콜라겐 세사 간의 접착을 담당하는 물질은 명확히 규명되지 않았으나, 무정형 기질 내에 존재하는 프로테오글리칸이나 당단백질일 가능성이 높은 것으로 추정된다.

맺음말

숙성에 따른 식육의 연화(軟化) 메커니즘을 전면적으로 해명하기 위해서는, 근원섬유의 다양한 구조에 대한 취약화 및 콜라겐 세섬유의 접착 물질에 대한 약화 현상을 자세히 탐구함과 동시에, 이러한 각각의 요인이 식육의 연화에 기여하는 정도를 명확히 규명하는 것이 필요하다.

이러한 지견(知見)을 바탕으로, 숙성에 따른 식육 연화에 관한 이론이 확립되고, 그것이 기술과 연계되어 식육의 효율적 활용에 기여하게 되기를 기대하는 바이다.

이 글을 마치며, 본 연구에 협력해 준 여러 연구자들에게 깊은 감사의 뜻을 전하며, 아울러 본 연구에 대해 문부성 과학연구비 보조금(일반연구 A)과 연구 지원금을 제공해 준 이토기념재단, 아지노모토 식품개발연구소, 그리고 메이지유업 주식회사 중앙연구소에 깊은 감사를 표하는 바이다.

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