액체도 고체도 아닌 하이드로젤의 성질

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해파리의 몸은 투명하고, 수분이 다량 포함된 물렁물렁한 성분으로 구성되어 있다. 일반인들은 이런 물질을 젤리(jelly), 젤(겔 gel), 젤라틴(gelatin)이라 부르고, 화학에서는 하이드로젤(hydrogel) 또는 칼러전(collagen 콜라겐)이라 칭한다. 육류나 생선, 뼈다귀를 고은 국물이 식으면 표면에 반고체 상태의 하이드로젤(칼러전)이 뜬다. 이런 하이드로젤을 이용하여 얼음사탕, 마시멜로(marshmallow), 젤오 같은 과자(candy), 식품, 의료용 보형물, 음료, 접착제 등을 만들어 여러 가지 용도로 편리하게 이용하고 있다.

 

 

 

젤오(jell-o)라 불리는 말랑말랑하고 달콤한 캔디는 100년도 더 이전에 미국에서 만들어 팔기 시작했다.

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젤라틴(하이드로젤)이란?

육류나 동물의 뼈를 끓이면 단백질 성분이 우러난다. 단백질이란 여러 가지 종류의 아미노산이 길게 결합된 상태의 물질이다. 육류를 물과 함께 가열하면 단백질 분자는 각종 아미노산 분자로 쪼개지고, 이 아미노산 분자들은 서로 길게 결합(펩타이드 결합)하여 젤라틴이 된다.

 

 

 

 

밸린(Val), 글라이신(Gly), 세린(Ser), 앨러닌(Ala) 4종의 아미노산이 결합된 단백질의 구조를 나타낸다. 이들의 결합을 보면, NH2와 COOH가 서로 결합하고 있는데, 이런 결합을 펩타이드 결합이라 한다. 아미노산 2개가 결합했을 때는 디펩타이드, 3개일 때는 트리펩타이드, 4개인 것은 테트라펩타이드, 다수가 길게 이어진 것은 폴리펩타이드(polypeptide)라 한다. (아래 별항 참고)

 

 

 

사진은 투명한 얇은 종이처럼 만든 건조 젤라틴(하이드로젤)이다. 이것을 물에 적시면 수분을 흡수하면서 물렁한 젤리가 된다. 젤라틴은 무색, 무취하지만, 식품으로 가공할 때 과일즙, 색소, 향료, 감미료 등을 넣어 맛나고 보기 좋게 만든다.

 

 

 

식용하는 젤오나 젤리 과자는 대부분이 수분이지만 절대 물이 흘러나오지 않는다. 그 이유는 아미노산 분자들이(청색실 모양) 그물처럼 퍼져 있고, 거기에 물 분자들이 마치 끈끈이에 파리가 붙듯이 결합하고 있기 때문이다. 그래서 그들은 변형되지 않는 고체상이면서 물을 가득 머금을 수 있다. 젤오는 90%가 물이다.

 

 

 

 

체중 60kg인 사람의 몸은 36kg이 물이다. 그런데도 근육에서 물이 흘러나오지 않는 것은 물 분자들이 혈관과 세포 속의 아미노산 폴리머와 결합하여 하이드로젤 상태로 있기 때문이다. 젤오를 가열하면 그때는 결합이 끊어져 액체상테가 된다. 그 이유는 물이 화학적 결합을 한 것이 아니라 물리적으로 붙어 있었기 때문이다.

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하이드로젤의 편리한 용도

하이드로젤은 달콤하고 말랑한 캔디로만 쓰이는 것이 아니다. 우선 의료용으로 가슴을 크게 보이도록 하거나 코를 높이는 보형물로 잘 이용되고 있다.

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피부 이식용 조직배양 배양기로 이용

화상을 입어 피부가 많이 손상된 사람에게는 그 사람의 피부 세포를 시험관 속에서 배양하여, 그것을 손상된 피부 부위에 이식하여 원상태로 고치고 있다. 그런데 피부세포를 시험관에서 배양하면 피부처럼 편편한 모양으로 자라지 않고 덩어리 형태로 자란다. 이런 조직은 피부에 그대로 이식하기 곤란하다. 과학자들은 이식해야 할 피부 모습으로 하이드로젤 형틀(hydrogel framework)을 만들어, 거기서 피부조직을 배양한다. 그러면 편편하고 상처에 딱 맞는 모양의 피부조직을 배양할 수 있다. 오늘날 시험관 속에서 인조고기를 생산할 목적으로 소의 근육 조직을 배양할 때도 이 방법을 이용한다.

 

 

하이드로젤로 만드는 컨택트렌즈

인체 안구(眼球)를 둘러싼 각막(角膜)은 항상 수분으로 젖어 있어야 한다. 또 이 각막을 구성하는 세포들은 공기 중으로부터 직접 산소를 공급받고 있다. 그러므로 각막 위에 컨텍트렌즈를 붙이게 되면 산소 공급이 차단된다. 그래서 컨텍트렌즈는 하이드로젤로 만든다. 하이드로젤 렌즈는 물과 결합한 폴리머이기 때문에 정상 눈처럼 산소가 통과할 수 있다.

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수분 대량 흡수재

지금까지 화학자들이 만든 하이드로젤 중에는 3,000배나 많은 물을 머금을 수 있는 것이 있었다. 이런 하이드로젤을 염가로 생산할 수 있다면 아기들 기저귀 재료로 최상일 것이다. 미국 육군에서는 전투 중에 땀이 흘러내려도 그대로 흡수되는 하이드로젤 내의를 개발했다고 한다.

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하이드로젤을 담은 화분

한 실험에서는 하이드로젤 구슬로 화분 토양을 만들었다. 이 토양이 담긴 화분에는 물을 많이 주어도 밑으로 흘러나오지 않는다. 또한 오래도록 물을 주지 않아도 서서히 수분이 확산되어 나오기 때문에 심겨있는 식물은 오래도록 마르지 않는다.

 

 

충격방지재가 되는 하이드로젤

두루마리 형태의 하이드로젤로 싼 계란을 마루에 떨어뜨린다면, 하이드로젤이 쿠션 역할을 하여 계란은 쉽게 깨어지지 않는다. 이것처럼 아이스하키나 경기용 자동차의 드라이버가 착용하는 헬멧 속을 하이드로젤로 채운다면 충격 완화작용을 할 수 있다.

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등뼈와 무릎뼈 사이에는 마찰과 충격을 완화해주는 연골이 있다. 연골이 상처를 입었을 때 인공합성 연골을 하이드로젤로 만드는 연구가 진행되고 있다.

 

 

 

색구슬처럼 예쁘게 만든 물구슬(water beeds, orbeez)이 있다. 이것은 하이드로젤로 만들었기 때문에 잘못하여 삼킨다면 내부에서 수분을 계속 흡수하여 장이 막히도록 할 수 있다.

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아교(阿膠)는 하이드로젤 접착제

선조들은 오래 전부터 동물의 가죽, 뼈 등을 고아 점성이 강한 하이드로젤을 걷어내어 말린 후 그것을 강력한 접착제로 사용해왔다. 아교 또는 아교풀이라 불리는 이것은 현대의 화학기술이 생산하는 인공접착제가 나오기 이전에는 건축, 가구, 무기 제조 등에 사용하는 가장 강력한 풀이었다. 판매하는 아교는 완전히 건조시킨 고형(固形)이지만, 물을 첨가하여 끓이면 점액성 풀이 된다. 아교풀은 식으면 굳어지면서 매우 단단하게 접착하게 된다. 붓글씨에 사용하는 먹은 검댕을 아교로 굳힌 것이다.

 

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한천(寒天, 우무)은 해산물 하이드로젤

실험실에서 미생물이나 조직을 배양할 때 사용하는 배양액은 영양소와 한천(agar)을 섞어 만든 것이다. 한천은 적조류(赤藻類)에 속하는 해초(海草) 종류인 우뭇가사리를 열탕(熱湯)에서 우려내어 만든 하이드로젤 종류이다. 여기에는 아가로스(agarose)와 아가로펙틴(agaropectin)이라는 탄수화물이 녹아 있다.

 

 

 

건조시킨 아가로스(아가)는 흰색 가루이지만, 물을 첨가하여 끓이면 투명한 액체 상태로 용해되고, 이를 냉각시키면 반고체상의 젤이 된다. 아가에 영양소를 첨가하고, 적당량의 물을 넣어 끓이면 미생물이나 세포를 배양할 수 있는 배양액이 된다. 아가는 아가로스 분자(위)가 줄줄이 이어진 폴리머이다.

 

 

 

배양액을 접시에 담은 것을 배지(培地)라 한다. 사진은 페트리디시(petridish) 배지에 미생물을 배양한 모습이다.

 

 

 

우무(우무묵)라 불리는 투명한 젤 상태의 식품은 한천 속의 아가로스 성분으로 만든 것이다. 위에서 소화가 잘 안 되어 영양가가 거의 없는 식품이다. 양갱은 한천을 첨가하여 반고체 상태로 만든 식품이다.

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토토리물, 메밀묵, 쌀풀은 전분의 하이드로젤

식물의 저장기관인 열매나 뿌리에 축적된 전분(澱粉)을 영어로는 starch 또는 amylum이라 한다. 전분은 아밀로스(20-25%)와 아밀로펙틴(75-80%)이라는 성분으로 구성되어 있다. 아밀로스는 포도당 분자가 줄지어 결합된 폴리머를 이루고 있기 때문에 반 고체상태의 묵이나 풀이 될 수 있다.

 

 

 

 

아밀로스는 포도당 분자가 일렬로 길게 연결되어 있는 전분 종류이다. 열을 가하면 물 분자와 결합하여 젤 상태가 된다. 이런 변화를 '풀이 된다'는 뜻으로 호화(糊化 gelatinization)라 한다.

 

 

 

 

두부는 하이드로젤이 아니다. 액체상이던 계란을 삶으면 굳어진다. 이것은 단백질이 열을 받으면 응고해버리는 성질 때문이다. 하이드로젤처럼 보이지만 두부는 콩의 단백질이 굳어진 것이다. 응고해버린 단백질은 본래의 상태로 돌아가지 않는다.

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하이드로젤은 물 분자와 잘 결합하여 반 고체 상태가 되지만, 물에 쉽게 녹지는 않는다. 하이드로젤은 우무, 묵, 전분풀처럼 자연적인 것도 있지만, 인공적으로 만든 다양한 하이드로젤이 의학과 공학, 심지어 약효가 오래 가는 농약 제조에까지 이용될 전망이다. - YS

 

 

** 별항 **

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단백질(protein)과 아미노산(amino acid)은 어떻게 다른가?

단백질은 3대 영양소 중에 몸과 근육을 만드는 중요 성분의 하나이지만, 화학에서는 엄청나게 복잡한 유기물 분자이다. 단백질은 아미노산이라 부르는 작은 분자들이 줄지어 결합해 있다.

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아미노산(amino acid 애미노 애시드)이라는 말은 아미노와 산(酸acid)이 결합해 있다는 뜻이다. 즉 아미노(NH2)와 산성을 가진 COOH가 결합한 분자이다. NH2를 아미노기(amino group)라 부르는 것은 이것이 NH3(ammonia)로부터 생겨나기 때문이다.

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COOH를 카복실기(carboxyl group)라 칭하는 것은 carbon(탄소 C)과 OH(수산기 水酸基hydroxyl group 하이드록실기)가 결합한 분자의 그룹을 의미한다. 화학에서 기(基 group)라 부르는 분자들은 다른 분자(또는 원자)와 결합할 때 마치 1개의 분자처럼 행동하는 것들이다.

 

 

 

 

단백질은 아미노산들이 길게 결합한 것이다. 위의 화학구조식은 2종의 아미노산이 결합한 모습을 나타낸다. 이 결합 때 COOH와 NH2가 서로 이어지면서 H2O 1분자가 떨어져 나간다. 화학에서 NH2와 COOH가 서로 연결되는 것을 펨타이드 결합(peptide bond)이라 하고, 다수가 펩타이드 결합한 것은 폴리펩타이드(polypeptide)라 한다. peptide는 소화한다는 뜻을 가진 고대 그리스어이다.

 

 

 

 

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