물성의 원리

식품을 지배하는 네 가지 분자

최낙언 지음

예문당 2018년 12월 19일 출간 국내도서 : 2018년 08월 07일 출간

작품소개

책소개

식품에서 맛보다 중요한 것은 물성이다

식품에서 풍미를 좌우하는 맛과 향기 성분은 ‘극히’ 적은 양에 불과하다. 맛 성분은 1% 이하, 향기 성분은 0.1% 이하다. 결국 식품의 대부분은 탄수화물, 단백질, 지방, 물과 같이 맛도 향도 색도 없는 성분이며, 먹을 때 식감을 주는 성분 즉, 물성이다.
건축물에 비유하면 물성은 건물의 구조와 뼈대이고, 맛과 향은 벽지나 인테리어 정도라고 할 수 있다. 겉보기에는 맛과 향이 화려하지만, 정작 구조가 없다면 벽지를 어디에 바르고 가구를 어디에 둘 것인가? 식품을 개발할 때도 가장 먼저 하는 것이 제품의 뼈대를 설계하는 일이다. 이처럼 물성은 식품의 대부분을 차지하고 맛에서도 중요한 위치를 차지하지만 관심을 가지고 파헤치고 공부하는 사람은 드물다. 식품회사들조차 신제품 개발에 물성보다 맛과 향을 더 중요하게 생각할 정도다.
이 책은 물성의 기본 원리를 탄수화물, 단백질, 지방, 물의 네 가지 분자를 통해 설명한다. 이 네 가지는 식재료의 대부분을 차지하는 분자이자 생명의 대부분을 차지하는 분자들이기에 이들만 제대로 이해하면 식품의 물성뿐 아니라 생명 현상을 이해하는 단초를 마련할 수 있다. 게다가 그렇게 다양하고 복잡해 보이는 식품 현상을 네 가지 분자의 크기, 형태, 움직임만으로 알기 쉽게 설명하고 있다.

목차

prologue _ 식품의 대부분은 물성성분이다

Part 1 - 물성은 공부할수록 쉬워진다
1 맛보다 물성이 중요하다
2 물성은 생각보다 다양하고 재미있다
3 물성은 논리적이라 예측이 가능하다
4 식품과 물성을 이루는 핵심 분자는 네 가지뿐이다

Part 2 - 물성은 분자의 크기, 형태, 움직임에 달려있다
1 물성은 분자의 특성(구조식)을 이해하는 것이다
2 크기: 길이가 공간을 지배한다
3 운동: 분자는 결코 멈추지 않는다
4 형태: 가지가 많으면 뭉치기 힘들다

Part 3 - 지방은 가장 단순명료한 분자이다
1 지방이란 무엇인가?
2 지방의 특성은 지방산이 결정한다
3 생명에서 지방의 역할
Topic 초콜릿의 매력은 무엇일까?
Topic 이소프레노이드, 지방과 콜레스테롤은 무슨 관계일까?

Part 4 - 탄수화물은 포도당의 다양한 형태이다
1 탄수화물이란 무엇인가?
2 탄수화물은 지상에서 가장 풍부한 유기물이다
3 전분은 가장 풍부한 에너지원이다
4 생명에서 탄수화물의 역할
Topic 설탕의 물성을 활용한 과자의 변신(Sugar confectionery)

Part 5 - 단백질은 형태만큼 기능이 다양하다
1 단백질이란 무엇인가?
2 단백질의 인체에서의 역할
3 단백질의 식품에서의 작용
4 단백질의 소재별 특성

Part 6 - 물성의 주인공은 물이다
1 물의 특별함도 분자의 형태에 있다
2 보수력: 수분을 잃으면 생명을 잃는다
3 용해도만 제대로 알아도 식품 현상의 절반은 이해된다
Topic 알코올의 물성: 술의 매력은 무엇일까?

summary [물성에 대한 생각들] 정리
[맛에 대한 생각들] 정리

부록 - 어떻게 분자가 세포가 될까?
1 생명은 조직화된 분자의 운동이다
2 물성이 구조를 만들고 구조가 운동을 만든다
3 어떻게 분자가 생명이 될까?

epilogue 섬세하게 다루려면 정확히 알아야 한다
참고문헌

책 속으로

분자요리에서 유명한 ‘수비드(sous vide)’라는 조리법이 있다. 이것은 물성을 과학적으로 다룬 대표적인 예이다. 수비드는 재료를 비닐봉지에 넣고 진공 포장하여 낮고 일정한 온도에서 장시간 요리한다. 이 온도의 설정과 시간 조절에 과학적 원리가 있다. 쇠고기의 근육 단백질 중 미오신은 50℃에서 변성되고, 액틴은 65.5℃에서 변성된다. 대부분의 식중독 균은 55℃에서 죽고, 맛과 향을 더해주는 메일라드 반응(갈변 반응)은 160℃ 이상에서 일어난다. 이러한 과학적 사실에 기초하여 아주 부드러운 스테이크를 만들려면 미오신은 변성되면서 액틴은 변성되지 않는 50~65.5℃ 사이에서 가열하면 된다. 여기에 식중독 균을 고려하면 55℃를 넘겨야 하고, 온도가 높을수록 시간을 줄일 수 있으므로 60~65℃ 사이에서 가열하면 안전하면서 아주 부드럽게 익혀진 스테이크를 만들 수 있다. 재미있는 점은 온도를 61℃로 설정하면 며칠이 지난 후에도 미디엄 레어 상태 그대로 보존된다는 것이다. 시간이 지난다고 점점 더 구워지는 것이 아니라는 이야기다. -p17~18

카멜레온은 주변의 환경에 따라 피부색을 순식간에 바꾸는 것으로 유명하다. 그런 능력이 색소에 의한 것이라면 카멜레온은 순식간에 피부에 색소를 합성하고 또 색을 분해하는 능력을 갖추어야 한다. 하지만 빠른 속도로 색소를 합성하는 것은 가능할지 몰라도 색소의 제거는 불가능하다. 바닥에 물감을 쏟는 것과 그것을 깨끗이 닦아내는 것을 생각해보면 알 것이다.
카멜레온의 빠른 변색의 핵심비결은 바로 구조의 변경에 있다. 카멜레온의 피부에는 빛을 반사하는 층이 2개 있는데, 카멜레온은 피부를 당기거나 느슨하게 하는 방법으로 이 층에 있는 나노결정의 격자구조를 바꿀 수 있다. 격자구조가 변하면 흡수하는 빛의 파장대가 바뀌어 색이 변하게 된다. 카멜레온의 색은 색소 분자의 생합성의 결과물이 아니라 피부운동의 결과인 셈이다. -p46

물은 100℃에서 끓지만 기름은 200℃가 넘어도 끓지 않는다. 물은 0~100℃ 범위에서 액체지만, 기름은 0℃ 이하에서도 액체이고 200℃ 이상에서도 액체를 유지하는 등 물보다 2배는 넓은 온도 범위에서 액체 상태를 유지한다. 고온에서도 액체인 특성을 이용하여 튀김처럼 높은 온도로 가열하는 것이 가능하다. 고온에서 만들어진 고소한 향은 아주 치명적인 유혹이다. 지방 자체는 맛이 없고 느끼하지만 아미노산, 당과 함께 반응하면 너무나 매력적인 향이 만들어진다. 이것을 ‘마이야르 반응’이라고 하는데 당과 시스테인 같은 아미노산에 소기름이 있으면 소고기 향, 돼지기름이 있으면 돼지고기 향, 닭기름이 있으면 닭고기 향이 만들어진다. 그리고 향기 성분은 원래 지방에 잘 녹는 성분이라 가열 중에 생긴 향이 지방에 잘 포집되어 풍부한 향을 즐길 수 있다. 그래서 삼겹살이나 마블링이 좋은 고기가 맛이 있는 것이다. - p98~99

단백질은 우리 몸이 물 다음으로 많이 필요로 하는 성분이다. 탄수화물은 글리코겐의 형태로 1% 이하만 존재하고 단백질은 이보다 훨씬 많은 16% 정도를 차지한다. 물론 지방이 16%를 넘는 사람도 많지만 그것은 우리 몸에서 필요한 양이 아니다. 우리 몸이 꼭 필요로 하는 지방은 2% 정도이고, 나머지는 칼로리 과잉으로 비축된 것이다. 우리 몸에 단백질이 가장 많이 필요하고 존재하는 이유는 단백질이 가장 많은 기능을 하기 때문이다.
사실 대부분의 생명 현상은 단백질에 의해 이루어진다. 따라서 단백질의 기능을 파악하는 것보다 생명 현상에서 단백질의 기능이 아닌 것을 파악하는 게 훨씬 빠르다. 생명의 설계도는 DNA에 있고, DNA에는 수많은 유전자가 있고, 유전자가 하는 일은 아미노산을 설계도대로 연결하여 단백질을 만드는 것이다. 우리 몸에는 세포마다 2만 종 이상의 단백질이 있다고 알려져 있다. -p183~184

물의 분자운동을 잘 보여주는

출판사 서평

식품의 대부분은 물성 성분이다
일류 요리사가 정성껏 준비한 맛있는 요리가 우리 눈앞에 있다고 생각해보자. 그런데 만약 이 요리를 믹서에 넣고 한꺼번에 갈아버리면 그 정체 모를 형태의 것을 먹고 싶어 할 사람은 없을 것이다. 단지 물성만 달라진 것뿐인데도 말이다.
이처럼 물성은 맛을 좌우하고 정체성을 좌우한다. 과일, 채소, 고기 등 어떤 식재료라도 일단 믹서에 갈면 제품의 정체성이 사라져버린다. 사과가 사과 모양 그대로일 때는 누구나 쉽게 사과인 줄 알지만, 주스로 갈아버리면 마셔보기 전에는 사과라는 것을 단숨에 알아채기가 어렵다. 그나마 사과는 갈아도 80% 정도의 사람은 알아보지만, 토마토는 50%, 오이나 양배추는 10%도 알아채지 못한다. 이처럼 물성은 맛의 바탕이 되어 맛과 향이 제대로 빛을 발하게 하는 가장 중요한 요소다.
그런데 물성을 과학적으로 이해하려는 노력은 정말 찾아보기 힘들다. 그나마 최근에 시도된 ‘분자요리(molecular gastronomy)’가 과학적 접근의 시작이다. 1992년 프랑스의 화학자 에르베 디스(Herve this)가 창시한 분자요리는 조리할 때 일어나는 변화를 분자 수준에서 탐구한다. 그 결과로 새로운 조리법과 재료의 활용법을 제시하여 요리에 새바람을 불러일으켰다. 그렇지만 이런 새로움이 분자요리의 본질이라고 보기는 어렵다. 그런 기술이 요리에 적용되었다는 것이 새로운 점이지 가공식품에서는 그다지 새로운 기술이 아니다. 액체질소나 드라이아이스로 순식간에 아이스크림 만들기, 단백질 접착제로 트랜스글루타미나제 사용하기, 알긴산나트륨을 이용하여 구슬 모양의 젤리 만들기 등 분자요리 대부분의 기술은 이미 가공식품에서 사용되던 것들이다. 과학이라는 새로운 틀을 통해 음식과 요리를 재해석하고 맛의 본질을 찾으려 한 것이 핵심이고 새로움은 덤인 셈이다.

식품과 물성을 이루는 핵심 분자는 네 가지뿐이다
생명(식품)의 시작은 물이다. 모든 생명을 구성하는 물질 중 가장 많은 양을 차지하는 것이 물이다. 누구나 알고 있는 것처럼 우리 몸도 65%가 물로 이루어져 있다. 태어날 때는 90% 정도인데 자라면서 줄어들어 그 정도만 남게 된다. 채소는 95%가 물이고, 대부분의 식품도 80% 정도는 물이다.
식물에는 탄수화물이 많다. 광합성은 포도당을 만드는 과정이고, 포도당을 변형하면 과당과 설탕 등 수많은 당류가 만들어지고, 포도당을 길게 이으면 전분이나 셀룰로스 또는 식이섬유가 된다. 식물에서 물과 탄수화물을 합하면 93% 정도이니 식물은 탄수화물을 이해하는 것이라고도 할 수 있다.
동물은 여기에 단백질만 추가로 알면 된다. 지방도 많은 양을 차지하지만, 필수적인 지방의 함량은 고작 2% 정도에 불과하다. 에너지가 남으면 지방으로 비축하기 때문에 지방의 함량이 그보다 많은 것이지 생명에 그렇게 많은 지방이 필요하지는 않다. 나머지 뼈를 구성하는 칼슘과 인산, 모든 미네랄 등을 합해도 5% 미만이고, 뼈를 구성하는 성분을 빼면 고작 2% 미만이다. 어찌되었든 생명은 결국 물, 탄수화물, 단백질, 지방이 대부분이라 이것만 제대로 알면 끝이다. 이것은 식품에서도 마찬가지이다. 결국 식품의 물성을 좌우하는 성분은 물, 탄수화물, 단백질, 지방이며, 이들 자체는 맛과 향이 없지만 물성에 결정적인 영향을 미치며, 이 물성이 맛에 영향을 준다.

생명은 조직화된 분자의 운동이다
가공식품을 만드는 기술은 결국 천연소재를 그대로 다루거나, 탄수화물(밀가루, 전분, 물엿, 당류 등), 지방(버터, 식용유 등), 단백질(우유 단백, 콩 단백 등)을 이용하여 자연의 식품과 유사한 물성을 만드는 기술이기도 하다. 그런데 아직 물성에서는 자연의 기술이 한 수 위다. 지금보다 수준 높은 물성의 기술을 개발하거나, 식재료를 이용하는 기술의 수준을 높이기 위해서는 식재료 자체의 물성이 어떻게 구현된 것인지에 대한 이해가 필요하다.
오징어는 왜 가로로만 잘 찢어질까? 답은 오징어의 움직임에 있다. 오징어는 이동할 때 물을 흡수한 후 몸을 움츠려 물을 내뿜으면서 전진한다. 그러니 몸통에는 몸을 움츠리는 가로 근육만이 주로 발달해있다. 이렇게 알면 오래 기억할 수 있고, 오징어를 어떻게 잘라야 좋을지 금방 떠올릴 수 있다. 오징어 볶음을 만들 때 가로 근육 방향으로 썰지 않고 세로 방향으로 썰면, 써는 과정에서는 힘이 더 들지만 오징어 볶음 만든 후에는 돌돌 말리게 된다.
이처럼 식재료를 효과적으로 활용하려면 식재료의 특성을 알아야 하는데, 그 많은 종류의 식재료를 모두 알기는 쉽지 않다. 그래서 물성의 원리가 필요한 것이다. 모든 식품 현상은 분자 현상이고, 분자는 크기와 형태를 갖고 각자에 어울리는 움직임이 있다. 그런 사실을 바탕으로 식품의 대부분을 차지하고 물성을 지배하는 4가지 분자인 탄수화물, 단백질, 지방 그리고 물의 전체적인 특징, 식재료의 상황에 따른 특성을 이해하면 이해의 속도는 빨라지고 헷갈림은 적어진다. 원리를 통해 무엇이 평균적이고 보편적인 현상인지를 알면 그것에서 벗어나 보이는 현상에 대한 이해도 선명해진다. 사실 물성의 원리는 단순하고 예외도 없다.

물성을 이해하는 것이 생명을 이해하는 것이다
식품에 대해서는 항상 오해도 많고 편견도 많다. 그런데 만물은 원자로 되어 있고, 무생물인 원자와 생명인 세포 사이에는 오로지 분자만 있다. 분자는 어떠한 의도나 의지도 없이, 단지 각각의 분자가 가지고 있는 크기와 형태의 특성에 따라 잠시도 쉬지 않고 맹렬히 움직일 뿐이다. 그게 분해이자 합성이고, 용해도이자 결정화이고, 부드러움이자 단단함이고, 흐름성이자 응고성이다. 그런 물성의 하모니가 결국 생명현상의 기본이다.
그동안 식품과 생명의 대부분을 이루는 물, 탄수화물, 단백질, 지방 자체에 대한 이해는 없이 무작정 단편적인 실험으로 해석하여 효능과 위험을 과장해왔다. 물론 생명현상은 복잡하고, 사소한 분자가 어떤 시스템의 신호물질이 되어 결정적인 차이를 내는 경우도 있다. 하지만 그것은 식품이 하는 일이 아니다. 생명이 부여한 약속에 의해 일어나는 현상이다. 그리고 그런 현상에도 그 분자 자체가 큰지 작은지 물에 녹는지 지방에 녹는지와 같은 물리적인 실체가 생각보다 중요하다. 그래서 물성의 현상을 다루면서 생명현상의 공통성을 조금씩은 다루었다. 자연에는 경계가 없고, 그래서 지식은 생각보다 연결되어 있다.
자연의 모든 현상은 같은 법칙의 지배를 받는다. 알긴산이 칼슘을 만나면 굳는 현상은 하나의 정자가 난자와 만나는 순간, 난자가 굳어서 더 이상 다른 정자가 뚫고 들어오지 못하게 하는 것과 같은 현상이다. 물성 현상을 통해 식품을 이해하고 생명현상의 본질에 대해 이해할 수 있었으면 한다. 생명의 바탕은 분자 현상이고, 분자에는 의도나 의지가 없다. 단지 크기, 형태, 움직임만 있다. 그들이 어떻게 움직이고 통제되는지를 이해하는 것이 생명현상 이해의 시작이다.

작가정보

저자(글) 최낙언

저자 최낙언
서울대학교와 대학원에서 식품공학을 전공하고, 1988년 12월 해태제과에 입사하여 기초연구팀과 아이스크림 개발팀에서 근무했다. 2000년부터 서울향료에서 소재 및 향료의 응용기술에 관하여 연구했으며, 2013년부터 ㈜시아스에서 식품관련 저술활동을 했다. 현재는 ㈜편한식품정보의 대표로 재직 중이다.
2009년, 첨가물과 가공식품에 대한 세간의 불량지식을 사실인 양 다룬 TV 프로그램에 충격을 받고는 올바른 답변을 찾기 위해 ‘www.seehint.com’을 만들어 여러 자료를 모으기 시작했다. 저자의 주 관심사는 ‘새로운 지식의 시각화 도구’를 만드는 것이다. 식품을 공부하던 중 자연과학 공부에 매료되었고, 이미 밝혀진 다른 분야의 지식을 그대로 연결하고 활용만 해도 식품의 많은 문제가 해결된다는 것을 알게 된 후, 2016년에 ㈜편한식품정보를 설립하여 지식을 구조화하고 시각화하여 동시에 전체와 디테일을 모두 확인할 수 있는 수단을 개발 중에 있다.
저서로는 『GMO 논란의 암호를 풀다』, 『식품에 대한 합리적인 생각법』, 『불량지식이 내 몸을 망친다』, 『Flavor, 맛이란 무엇인가』, 『진짜 식품첨가물 이야기』, 『감칠맛과 MSG 이야기』, 『감각 착각 환각』, 『맛 이야기』 등이 있으며, 현재 예문당 ‘맛’ 시리즈 『맛의 원리』, 『물성의 원리』에 이은 『물성의 기술』과 『글루탐산 이야기』를 준비 중이다.