과제연구계획서 전문

1. 연구 주제(탐구활동ㆍ실험의 주제)

단백질은 등전점이 되면 서로 엉겨 붙는 성질을 가지고 있다. 이 때, 산에 첨가된 이온에 따라 단백질의 굳기와 점성도를 관찰한다.

2. 연구 동기 및 목적

라코타 치즈 만들기(출처: 쿠켄 WHITE　MAGIC-1)

재료: 우유 1000mL, 생크림500mL, 레몬즙 3큰술, 소금 1작은술
만드는 법:

1. 냄비에 우유, 생크림, 레몬즙, 소금을 모두 넣고 잘 섞는다.
2. 중간 불에서 1을 뭉근히 끓여 보글보글 끓어오르면 약한 불에서 10분 이상 끓인다.
3. 2의 우유와 생크림이 응고되면, 체에 면보를 겹쳐 거른다.
4. 3을 면보로 감싸, 무거운 물건으로 눌러 냉장고에서 하루 동안 넣어 냉장보관한 후 완성한다. 집에서 동생과 라코타 치즈를 만드는데, 동생이 갑자기 콜라를 치즈에 넣겠다고 해서 싸웠다. 결국 못 넣을 이유는 없으니까 넣게 해줬는데, 의외로 결과가 잘 나왔다. 또, 소금을 지시량보다 더 많이 넣었더니 딱딱해져서 먹기 힘들었다. 콜라에는 인산이 함유되어 있으니 산과 관련하여 단백질의 응고가 관련이 있나 찾아보았다. 찾아 보니 「단백질 용액의 전기이동현상에서 용질입자 또는 분자의 이동도는 pH와 관계가 있으며, 적당한 pH에서 이동도가 0이 된다. 이때의 pH를 양쪽성 전해질의 등전점이라고 한다. 단백질은 등전점에서 응집작용이나 발포현상을 한다. -두산 백과」라고 나와 있어 무조건 ph가 카제인의 등전점인 ph4.5이하가 되면 응고가 된다는 사실을 알고 실망했지만, 소금은 물에 용해되면 염화이온과 나트륨이온으로 나뉘는데 이 때도 단백질의 형태에 영향을 주니, 이온과 단백질의 응고와 관련되어있을까 하는 생각이 들었다. 마침 학교에서 과제연구를 하니 한번 연구해보고 싶어서 주제로 선정했다.

이 연구를 통해 완전단백질인 카제인을 여러 가지 형태로 가공하여 중환자와 고단백이 필요한 환자에게 적절한 형태로 가공하여 공급 할 수 있다. 또, 냉장/동 시설이 불충분한 지역에도 신선한 단백질의 공급을 낮은 비용으로 할 수 있다. 또, 우유에서 유청, 즉 카제인 단백질을 분리할 때 산(아세트산)을 많이 이용하는데, 이것 말고 다른 산을 이용하여, 동일한 결과 나아가 더 나은 결과를 얻을 수 있는지 알 수 있다.

3. 이론적 배경

단백질

단백질은 아미노산(aminoacid)이라고 하는 비교적 단순한 분자들이 연결되어 만들어진 복잡한 분자로, 대체적으로 분자량이 매우 큰 편이다. 단백질을 이루고 있는 아미노산에는 약 20 종류가 있는데, 이 아미노산들이 화학결합을 통해 서로 연결되어 폴리펩티드(polypeptide)를 만든다. 이때 아미노산들의 결합을 펩티드결합이라 하며, 이러한 펩티드결합이 여러(poly-)개 존재한다는 뜻에서 폴리펩티드라 부른다. 넓은 의미에서 단백질도 폴리펩티드라 할 수 있으며, 일반적으로는 분자량이 비교적 작으면 폴리펩티드라 하고, 분자량이 매우 크면 단백질이라고 한다. 단백질은 생물체의 몸을 구성하는 대표적인 분자이다. 근육을 키우기 위해 근육 운동을 한 후에는 단백질을 충분히 섭취하는 것이 좋은데, 이것은 근육의 주성분이 바로 단백질이기 때문이다. 또 세포 내의 각종 화학반응의 촉매 역할을 담당하는 물질도 단백질이다. 이들을 우리는 효소라고 부르며 현재 2200종 이상의 효소가 알려져 있다. 또 단백질은 면역(免疫)을 담당하는 물질이기도 하다. 단백질은 이처럼 생체를 구성하고 생체내의 반응 및 에너지 대사에 참여하는 매우 중요한 유기물이다. 이 외에 특정한 기능을 가지고 신체 내에서 그 기능이 발현되는 부위에 존재하는가 하면, 알이나 종자 등에 함유되어 있는 단백질과 같이 특별한 기능을 갖지 않는 저장용의 단백질도 존재한다. 단백질의 구조는 아미노산의 사슬 사이의 여러 비공유결합에 의한 소수성결합, 수소결합, 반데르발스 힘, 정전기적 인력, 이황화(-S-S-)결합에 의하여 입체구조를 형성된다. 또한 이러한 구조로 인하여 각각의 단백질은 고유한 기능을 수행할 수 있는 특징을 지니게 된다. 그러나 온도가 높아지면 단백질의 구조를 유지하는 여러 결합들이 깨어지며, 급격한 pH의 변화는 단백질을 구성하고 있는 분자의 이온 구조의 급격한 변화를 초래하여 단백질이 원래 가지고 있던 특성을 잃어버려 원래의 상태로 돌아가지 못하는 비가역적 현상이 발생한다.

카제인

카제인은 우유의 주요단백질로서 일종의 인 단백질이며, αs-, β-, κ-카제인 및 기타 미량의 카제인들로 구성되어 있다. 카제인에 함유되어 있는 질소의 평균함량은 15.67%이므로 카제인(또는 우유단백질)을 정량할 때는 질소량에 6.38의 계수를 곱해서 산출한다.

카제인은 pH 4.6에서 침전하는 성질이 있는 데 이것은 카제인의 평균 등전점(average isoelectric point)이 pH 4.6이기 때문이다. 우유를 산성으로 하면 카제인 복합물의 칼슘과 일부의 인은 가용성이 되어 유청으로 유리되고, 카제인은 염을 함유하지 않은 상태로 침전된다. 산업적으로 제조된 카제인은 식품, 의약, 공업용 접착제, 제지도포, 페인트 등의 원료로 사용되고있다.식품용으로서는 모조유, 커피 크리머, 각종 가공곡류 식품, 소시지, 아이스크림믹스, 카제인플라스틱 토핑 등의 제조에 사용되고 있고, 카제인으로 만든 공업용 접착제는 목공용으로, 카제인플라스틱으로 만든 단추 등은 염색과 광택의 편리성 때문에 이들 용도로 사용되고 있다.식품첨가물로는 카제인(산 casein, rennet casein) 및 sodium caseinate(soda casein)이 있다. 카제인에는 유화작용, 증점작용, 보습작용이 있어, 이러한 기능을 이용하여 식품가공에 사용한다. 주된 용도는 imitation 치즈, 커피 whitener나 분말크림, 육아용 분유, 빵류, 수산가공식품, 육류가공식품, 스파게티, 마요네즈 등이다.

등전점

아미노산·단백질·핵산 등 양쪽성 전해질에서 분자의 전하는 용매의 pH에 의해서 가장 뚜렷하게 변화한다. 따라서 이들 용액의 전기이동현상에서 용질입자 또는 분자의 이동도는 pH와 관계가 있으며, 적당한 pH에서 이동도가 0이 된다. 이때의 pH를 양쪽성 전해질의 등전점이라고 한다. 단백질 수용액에서는 매질의 pH가 일정한 값보다 작아져서 산성이 되면, 보통 아미노기가 보다 많이 수소이온를 얻어 양이온이 된다. 반대로 pH가 일정한 값보다 커져서 알칼리성이 되면 카복시기가 강하게 이온화하여 음이온이 된다. 이 일정한 값, 즉 중간에 전하가 0이 되는 pH가 존재하는데, 이 pH가 등전점이며 단백질에서는 약 4∼6인 값이 된다. 또한 아미노기 외에 히스티딘의 이미다졸릴기, 아르지닌의 구아니지노기 등도 염기성해리를 하고 카복시기 외에 타이로신의 페놀성 하이드록시기, 시스틴의 메르캅토기 등도 산성해리를 한다. 일반적으로 등전점에서는 입자의 응집작용이나 발포현상 등을 볼 수 있는데, 특히 생화학 등에서 중요하게 생각된다. 즉, 원형질은 등전점이 다른 많은 아미노산·단백질로 이루어지기 때문에 전체적으로 전하상태가 복잡해진다.

pH가 생명현상에 큰 영향을 미치는 것은 세포 내 단백질의 전하를 변화시켜 세포의 여러 기능에 변동을 주기 때문이라 생각된다.Na+와의 반응에서는 –COO–Na+를 형성하여 수용액 중에서 이온화 되어 단백질 분자간의 응집이 어려워 부드러운 상태가 유지된다. 또 Na+는 수화성을 높인다. 반대로 Ca++, Mg++, Al+++과의 반응에서는 단백질 표면의 –COOH와 이온결합하여 단백질 입자간의 응집을 촉진한다. 따라서 수화력을 상실하면서 응고되어 단단해진다. 극성(極性, Polarity)이란 화학에서 이중극자 혹은 그 이상의 다중극자를 갖는 분자나 분자단에서 나타나는 전하의 분리를 의미한다. 일반적으로 두 개 이상의 원자로 이루어진 분자의 구조적 비대칭성이나 구성 원자간의 전기 음성도차이에 의하여 전자구름이 한 방향으로 몰려서 생겨나는 이중극자 모멘트로서 표현하기도 한다. 극성은 비교적 고정되어 있으며 정전기적 인력에 의한 이중극자간 상호작용 혹은 수소 결합등을 통해 극성 분자간의 상호작용이 일어난다. 용해도, 녹는점, 끓는점등의 분자의 다양한 물리적 성질을 설명하는데 사용된다. 양전하를 띠는 원자핵이 얼마나 노출되었는지를 지표로 사용하기도 한다.

단백질이 등전점에서 응집되는 이유-극성으로 설명

극성 극성을 표현하기 위해서 분자에서 전기 음성도가 크거나, 구조적으로 전자 구름이 몰려있는 쪽을 Δ 마이너스(−), 그 반대편을 Δ 플러스(+)로 간단하게 표현하기도 한다. 무극성이란 극성이 매우 적거나, 심하게는 없는 것을 말하는 것으로 이러한 무극성 분자는 극성 분자에 비해 일반적으로 분자 간의 인력이 적으며 반데르 발스의 힘이라는 유사 극성으로 결합력을 강화하기도 한다. 분자의 구조가 대칭형인 분자들은 무극성이다. 무극성 분자 역시 무극성 분자끼리의 용해성이 크다. 단백질이 등전점에서 응집되는 이유 단백질이 등전점에 이른다는 것은 이온들이 단백질의 아미노기와 카복시기에 붙는데, 이 전하 차이가 단백질 분자 자체에서 0으로 된다는 것을 말한다. 즉, 전하가 아미노기와 카복시기 중 중 어느 쪽으로도 쏠리지 않고 전하가 고르게 분포되어 무극성이 된다. 무극성 분자들은 무극성 분자끼리의 용해성이 크므로, 극성용매인 물에 녹아있는 등전상태에 이르른 단백질들은 자신들끼리 모여서 뭉치는데, 이를 등전점에서의 응집이라고 한다.

4. 연구 재료

Ⅰ 우유

젖소의 젖샘에서 분비되는 특유한 향미와 단맛을 지닌 흰색의 불투명한 액체.
한번 실험할 때 마다 50ml씩 사용한다. 동일회사 동일제품을 원칙으로 하나, 구할 수 없을 시 아무것도 첨가하지 않고 살균처리 한 흰 우유를 사용한다.

Ⅱ 산성용액

화학실에 있는 산성용액을 빌려서 사용할 예정이다. 카제인의 등전점 특성상 이온이 응고 정도에 관여하는 것에 따라 같은 이온이 들어있으면 동일 선상에 두고 용액의 이름을 적어 비교한다. 응고 반응 실험 시에는 1회당 5mL, 굳기 실험 시에는 1회당 10ml 사용한다.

Ⅲ MBL장치

과학 실험을 할 때 수동 장치를 사용하는 대신 컴퓨터를 활용해 수행되는 실험을 통틀어 부르는 말이다. 이 과제연구에서는 단백질 굳기 실험을 수행할 때 수분 제거 후 재 첨가 과정 시 수분이 완전히 제거되었는지 확인하기 위해 사용한다.
그 외의 실험 재료에 비커, 유리막대, 스포이드, 추(10g), 샬레, ph측정기 등이 있다.

5. 연구 과정

실험 1. 단백질 응고 반응 실험

1. 실험 목적 : 단백질에 동일한 양의 산성 용액을 첨가했을 시, 어떤 종류의 산이 응고 반응이 뚜렷한지 알아볼 수 있다.
2. 실험 가설 : ph지수가 낮은 산이 응고 반응이 뚜렷할 것이다.
3. 변인 통제 : 우유의 양, 산성용액의 양
4. 조건 통제 : 산성용액의 종류
5. 실험 준비물 : 여러 종류의 산성용액, 우유, 스포이드, 100ml 비커, 면포, 큰 수조, 유리막대
6. 실험 방법 : 가. 산성용액의 ph를 측정하여 기록한다. 나. 살균처리 된 흰 우유를 100ml 비커에 50ml을 계량하여 담는다. 이 때 비커의 수는 산성용액의 종류의 수와 같다. 다. 산성용액을 각 종류별로 가의 비커에 5ml씩 첨가한다.
   라. 유리막대로 잘 저어준 후 면포로 거르고 꼭 짠다.
   마. 질량을 비교한 뒤 기록한다.

실험 2. 단백질 경도 실험

1. 실험 목적 : 단백질에 동일한 양의 산성 용액을 첨가했을 시, 어떤 종류의 산에 반응하면 경도가 높아지는지 알 수 있다.
2. 실험 가설 : 카복시기에 접근하기 용이한 질량수가 작은 이온을 가진 용액이 경도가 높을 것이다.
3. 변인 통제 : 우유의 양, 산성용액의 양, 첨가하는 물의 양
4. 조건 통제 : 산성용액의 종류
5. 실험 준비물 : 여러 종류의 산성용액, 우유, 스포이드, 100ml 비커, 면포, 큰 수조, 유리막대, MBL장치, 샬레, 10g추
6. 실험 방법 :
   가. 살균처리된 흰 우유를 100ml 비커에 50ml을 계량하여 담는다. 이 때 비커의 수는 산성용액의 종류의 수와 같다.
   나. 산성용액을 가의 비커에 10ml씩 계량하여 첨가한다.
   다. 반응이 충분히 일어나도록 유리막대로 젓는다.
   라. 다의 용액을 면포에 걸러 짜낸다.
   마. 라의 고체를 MBL장치를 통해 수분을 완전히 제거한다.
   바. 마의 고체를 잘게 부숴 10g을 계량하고 물 5g을 첨가해 반죽하고 높이 2cm의 원통 모양으로 만든다.
   사. 바를 샬레위에 놓고 30cm높이에서 10g추를 떨어뜨려 뭉개진 정도를 관찰한 뒤 기록한다.

6. 예상되는 연구 결과

실험 1. 단백질 응고 반응 실험

단백질이 응고되는 이유가 단백질 용액의 수소이온이 단백질의 아미노기와 카복시기에 달라붙어 극성인 단백질을 무극성으로 만들어 응고시키는 것이니 pH 측정의 기본이 용액 속에 들어있는 수소이온의 농도. 일반적으로 용액 1L에 들어있는 수소이온의 그램이온, 즉 몰 농도로 표시하는 거니까, ph농도가 높은 염산 같은 무기산, 즉 수소이온을 많이 내보내는 산성용액에서 활발하게 응고가 진행될 것이라고 예상한다. 하지만 물에 희석될수록 ph농도는 낮아지므로, 농도를 어느 정도 맞추어야 한다고 생각된다. 예를 들어 0.1M 이하의 염산 수용액과 5%정도의 질산 수용액을 비교해서는 안된다는 이야기다. 그리고 일단, 산성용액 5ml에 들어있던 수소이온이 다 단백질에 달라붙고 나면 더 이상의 응고는 없을 것으로 예상된다. 다만, 면포에 응고된 단백질이 어느 정도 모일 수 있을 런지는 아직 미지수 이다. 이런 경우는 가응한 촘촘한 면포를 사용하여, 실험물의 유실을 막을 수 있도록 해야겠다.

실험 2. 단백질 경도 실험

단백질인 카제인은 ph가 등전점인 ph4.5아래로 내려가면 응고되기 시작하나, 산성용액에 무슨 이온이 들어있느냐에 따라 그 성질과 굳기가 달라진다. 따라서 조금 더 가벼운 이온이 들어있는쪽이 더 응고가 조밀하게 되리라고 예상된다. 또 이 경우에는 실험1과 같이 ph농도는 그다지 큰 영향을 미치지 않을 것으로 예상된다. 이 경우 굳기는 H+가 아닌 그 외의 이온이 결정하기 때문이다. 만일 실험2에서 뚜렷한 결과가 보이지 않을 경우, 아세트산 수용액에 황산구리나 염화나트륨 같은 여러 가지 이온물질을 녹여 관찰하는 실험을 실행할 예정이다. 이 실험의 경우에는 염화 이온은 염화나트륨뿐만 아니라 염화구리 같은 다른 이온 물질실험도 관찰해야할 것으로 보인다. 각종 이온결합화합물은 화학실에 문의해볼 예정이다.

7. 연구결과의 이용

이 연구를 통해 생물체 내의 구성 성분, 세포 안의 각종 화학반응의 촉매 역할(효소), 항체를 형성하여 면역을 담당하는 등 여러가지 형태로 중요한 역할을 수행하는 완전단백질인 카제인을 여러 가지 형태로 가공하여 중환자와 고단백이 필요한 환자에게 적절한 형태로 가공하여 공급 할 수 있다. 또, 냉장/동 시설이 불충분한 지역에도 신선한 단백질을 낮은 비용으로 할 수 있다. 그리고, 우유에서 유청, 즉 카제인 단백질을 분리할 때 산(아세트산)을 많이 이용하는데, 이것 말고 다른 산을 이용하여, 동일한 결과 나아가 더 나은 결과를 얻을 수 있는지 알 수 있다. 또, 특정 산을 첨가한 단백질이 영양 상태와 성장 상태에 어떤 영향을 미치는 지 알 수 있다.

8. 참고문헌

1. 조민형 전공가정, 2013.
2. 단백질 [protein, 蛋白質] (두산백과)
3. 등전점 [isoelectric point, 等電點] (두산백과)
4. MBL장치 [Microcomputer-based Laboratory] (브리태니커)
5. 임정애 전공가정-식생활, 2013.
6. 하이탑 고등학교 과학, 2011.

참고사이트

1. http://navercast.naver.com/magazine_contents.nhn?rid=1350&contents_id=57292&hash=sec1#sec1