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[호기심과학] 생활 속 화학 원리를 발견하다! 달고나 커피에 숨은 과학 <계면활성제 편>

코로나19 예방을 위한 손 씻기에는 반드시 비누 혹은 핸드워시손 세정제 등을 이용해야 한다비누를 포함한 손 세정제는 살균 소독제가 아니다그런데 어떻게 비누가 코로나19 바이러스를 사멸시킬 수 있을까바로 비누가 가장 대표적인 계면활성제이기 때문이다.

우리가 일상적으로 사용하는 치약세숫비누면도크림샴푸주방용 중성세제세탁용 염기성 세제 등에는 모두 공통적으로 계면활성제가 들어있다일반적으로 많은 사람들이 계면활성제라고 하면 세제를 생각하는데계면활성제는 세제뿐 아니라 먹는 음식에도 활용된다오늘은 바이러스를 사멸시키는 비누뿐 아니라최근 인기를 끌고 있는 달코나 커피 속 숨은 계면활성제의 역할을 함께 알아보도록 하자!

 

간단한 실험으로 확인하는 계면활성제의 능력

(극성 물질)과 기름(비극성 물질)처럼 서로 성질이 완전히 달라 섞이지 않은 물질을 같이 섞어두면 경계면이 생기게 된다. ‘계면활성제는 바로 이렇게 서로 다른 성질의 경계면에서 활동할 수 있는 분자를 뜻한다이 계면 활성제라는 말 자체가 계면, surface active 하게 해 준다는 의미이다물하고 기름 사이의 그 경계면을 활성화시켜서 경계를 없애게 해 주는 것이 바로 그 역할그래서 물과 기름을 섞이게 할 수 있다.

간단한 실험이지만 계면활성제의 능력을 확인할 수 있는 실험이 있다물과 기름에 아무것도 넣지 않고 섞어주면 일정 시간이 지나면 다시 분리가 된다하지만 물과 기름에 계면활성제를 넣고 섞어주면 경계면은 순식간에 사라지고물과 기름이 잘 섞이는 상태가 되는 것을 확실하게 눈으로 확인할 수 있다.

[호기심과학] 생활 속 화학 원리를 발견하다! 달고나 커피에 숨은 과학 <계면활성제 편>[호기심과학] 생활 속 화학 원리를 발견하다! 달고나 커피에 숨은 과학 <계면활성제 편>▲물과 기름 사이에 뚜렷한 경계면이 있는 상태에 계면활성제를 투여하고 젓기 시작하면 물과 기름의 경계면이 순식간에
사라지기 시작한다. 계면활성제의 역할로 물과 기름이 잘 섞여 다시 물과 기름으로 완전하게 분리되지 않는다.

 

코로나19 바이러스도 물리칠 수 있는 비누의 능력!

비누는 각종 유지 즉 기름에 수산화나트륨 혹은 수산화칼륨을 첨가하여 만드는 계면활성제이다물과 기름을 잘 섞이게 만드는 계면활성제의 능력은 물과 친한 부분(친수성 머리)과 기름과 친한 부분(소수성 꼬리)을 동시에 가지고 있는 분자 구조에 기인한다완전히 성질이 다른 두 물질인 물과도 친하고 기름과도 친하니 마치 이중 스파이 같은 존재라고 볼 수 있다.

우리 피부는 끊임없이 피지를 분비하고끈끈한 피지에는 먼지와 같은 오염물이 붙어 있게 된다그러니 물만으로는 피지에 엉긴 때를 제거하기 어려운데비누 속 계면활성제 분자의 도움을 받으면 물을 이용해서 피지가 주요 성분인 때를 벗겨낼 수 있다.[호기심과학] 생활 속 화학 원리를 발견하다! 달고나 커피에 숨은 과학 <계면활성제 편>

마찬가지로 비누가 코로나 바이러스를 물리치는 과정은 다음과 같다비누 속 계면활성제 분자의 기름과 친한 소수성 꼬리 부분이 코로나 바이러스의 제일 바깥 부분을 구성하는 지방층에 달라붙어서 지방층의 일부를 녹여 형태를 파괴하면바이러스의 증식이 어려워지게 된다즉 코로나 바이러스를 사멸시킬 수 있는 것이다또한 물과 친한 친수성 머리 덕에 비누를 사용한 후 흐르는 물에 손을 씻을 때 사멸한 바이러스도 물에 씻겨 사라지게 된다.

[호기심과학] 생활 속 화학 원리를 발견하다! 달고나 커피에 숨은 과학 <계면활성제 편>▲때를 둘러싸는 계면활성제 분자-물과 친한 부분(친수성 머리-파란색)과
기름과 친한 부분 (소수성 꼬리- 노란색)을 동시에 가지고 있다.

 

먹을 수 있는 계면활성제도 있다?

비누와 세제뿐만 아니라 음식물 속에 들어가는 계면활성제도 있다고소한 마요네즈는 달걀과 콩기름등의 식용유를 섞어서 제조한다사실 달걀 반기름 반 상태인데 평소에는 그렇게 많은 양의 기름이 포함되어 있다는 사실을 잘 모르고 맛있게 먹는다그런데 마요네즈를 뿌린 샐러드를 다 먹고 마요네즈가 묻은 그릇을 설거지하려고 물에 담가 두면 기름이 둥둥 뜨는 것을 관찰할 수 있다.

마요네즈는 이른바 유화된 지방 상태인데지방이 작은 알갱이로 나누어져서 달걀 속 단백질과 아주 잘 섞여 있는 상태가 된 것이다이것은 달걀 속에 포함된 ‘레시틴성분이 천연의 계면활성제 역할을 했기 때문이다제품화된 마요네즈는 식품에 첨가할 수 있는 화학적인 계면활성제(유화제)를 더 넣어서냉장고처럼 낮은 온도에 보관하더라도 잘 분리되지 않도록 만든 것이다.

[호기심과학] 생활 속 화학 원리를 발견하다! 달고나 커피에 숨은 과학 <계면활성제 편>▲달걀과 기름을 섞은 마요네즈에는 식품용 계면활성제가 첨가된다.

마요네즈뿐 아니라 아이스크림 등에도 식품용 계면활성제를 첨가하는 경우가 많다아이스크림은 우유와 과일 등 재료가 들어간 상태에서 공기를 불어 넣어 부드럽게 만들기 위해 많이 저어주게 된다그 후에 -20℃ 내외의 냉동실에 보관하니까 낮은 온도에서 다시 분리가 될 수 있는데유지방 성분하고 다른 수용성 성분들이 분리되지 않도록 계면활성제를 추가한다.

 

달고나 커피에도 적용되는 계면활성제의 원리

물로만 손을 씻을 때는 거품이 나지 않는다하지만 비누를 사용하면 풍성한 거품이 나는데거품의 정체는 바로 공기이다원래는 물 분자와 물 분자 사이는 수소결합으로 연결되고서로 당기는 분자 간의 인력이 다른 액체들에 비해 비교적 강하게 작용한다그러면 액체의 표면을 최소화하는 방향으로 즉동그랗게 뭉쳐지는 쪽으로 표면장력이 작용한다풀잎에 이슬이 동글동글 맺히는 것도 그런 이유다그런데 계면활성제를 사용하면 이러한 물 분자끼리 뭉치게 되는 인력을 약하게 하니까물 분자들 사이로 공기가 막 들어가게 된다그러면서 거품이 생성되는 것이다.

[호기심과학] 생활 속 화학 원리를 발견하다! 달고나 커피에 숨은 과학 <계면활성제 편>

최근 집콕이 길어지면서 400번 저어 만드는 달고나 커피나 1000번 저어 만드는 계란 프라이가 유행이다여기에도 바로 비누 거품 생성의 원리가 적용된다.

달고나 커피를 만들기 위해서는 커피와 설탕물을 동량으로 섞어서 400번 이상 저어주게 되는데공기가 들어가게 되면서 거품이 생성되게 된다설탕 속 당분과 커피 속 탄수화물과 단백질지방 등 영양 성분들이 계면활성제 역할을 하기 때문에물 분자가 뭉치는 힘을 줄여서 더욱 많은 공기가 포함될 수 있도록 하는 것이다.

이때 설탕 속 당분의 점성에 의해 끈끈한 점액질 상태가 되기 때문에 마구 부푸는 것이 아니라아주 작은 크기의 미세한 거품을 포함한 쫀쫀한 크림 상태가 되는 것이다이렇게 만든 달고나 크림을 우유 위에 올려서 섞어 마시게 되는데사실은 그렇게 열심히 젓지 않고 그냥 커피와 설탕을 녹이고 우유 타서 먹어도 맛은 동일하다하지만 대뇌에서 느끼게 되는 미각은 여러 다른 조건에 의해서도 많은 영향을 받으므로지극한 정성과 노력이 들어간 상태라 직접 만들어 드신 분들은 모두 달고나 커피가 더 맛있다고 생각하게 되는 것이다.

[호기심과학] 생활 속 화학 원리를 발견하다! 달고나 커피에 숨은 과학 <계면활성제 편>▲달고나 커피 (출처만개의 레시피)

1000번 저어 만드는 달걀 프라이도 아주 폭신하고 부드럽게 만들어지는데역시 마요네즈와 마찬가지로 달걀 속 레시틴 성분이 계면활성제 역할을 한 것이다조금만 저어도 달걀 자체의 점성과 레시틴의 능력으로 거품이 잘 나니까 굳이 1000번까지 젓지 않더라도 부드러운 달걀 프라이를 먹을 수 있다.

우리가 일상에서 활용하는 다양한 제품과 직접 만드는 요리 속에도 과학적 원리가 숨어있다. 원리를 이해하면 과학기술의 산물인 각각의 제품들을 더 잘 활용할 수 있고, 다양한 방식으로 응용도 가능하다.  아는 만큼 보이는 과학 상식! 일상적으로 사용했던 제품이나, 경험했던 다양한 현상들에 대해서도 그 속에 감춰진 과학 원리에 대해 다시 한번 생각해보자!

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