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달걀 거품: 손목으로 조리하다
- 출처 : 해롤드맥기, 음식과 요리

열에 의한 달걀의 변신이 놀랍다면 젓기에 의해 어떤 일이 벌어지는지 한 번 보라! 보통 물리적 교란은 구조를 무너뜨리고 파괴시킨다. 그러나 달걀을 저으면 구조가 ‘창조’된다. 치밀하고 찐득찐득한 달걀흰자 1개로 시작해 보자. 이것을 거품기로 저으면 몇 분 안에 한 컵 분량은 족히 되는 눈처럼 새하얀 거품을 얻게 되는데, 이 거품은 볼을 뒤집어도 떨어지지 않고 꼭 달라붙어 있을 만큼 응집력이 뛰어난 구조를 가지고 있으며, 또 그런 재료와 섞어서 조리했을 때 그대로 형태를 유지한다. 달걀 거품 덕분에 우리는 공기를 포집하고, 그것을 머랭과 무쓰, 진피즈와 수플레와 사바용의 없어서는 안 될 구성 요소로 삼을 수 있다.
달걀 단백질은 어떻게 거품을 안정시키는가?
물리적 스트레스가 단백질을 결속시킨다 가열된 달걀이나 커스터드가 굳을 때와 마찬가지로 안정된 달걀 거품을 만드는 관건도 물리적 스트레스에 의해 단백질이 풀려 서로 결합하려는 경향이다. 달걀 거품에서는 이것이 기포 벽을 강화시키는 역할을 한다. 말하자면 요리에서의 순간접착제인 셈이다. 휘핑은 단백질에 두 가지 물리적 스트레스를 가한다. 첫째, 거품기로 흰자를 저으면 거품기의 철사들이 유동체 일부를 끌고 가면서 단단하게 접혀 있는 단백질 분자들을 푸는 인장력을 만들어 낸다. 둘째, 물과 공기는 서로 매우 다른 물리적 환경이기 때문에 단순히 흰자 속으로 공기를 끌어들이는 것만으로도 접혀 있는 단백질들을 일그러뜨리는 힘의 불균형을 만들어 낸다. 이렇게 해서 풀린 단백질들(주로 글로불린과 오보트란스페린)은 공기와 물이 만나는 지점에 집결하는 경향이 있다. 이때, 물을 좋아하는 부분들은 액체 속에 잠겨 있고, 물을 기피하는 부분들은 공기 속으로 내밀고 있다. 이렇게 동요되고 응집된 상태에서 단백질들은 서로 쉽게 달라붙는다. 그렇게 해서 연속적인 고형의 단백질 그물조직이 기포 벽 속으로 파고 들어가 물과 공기를 모두 그 자리에 고정시킨다.
영속적인 안정화 날달걀 흰자 거품은 언젠가는 조야해지고 꺼지고 분리된다. 따라서 완성된 요리로 변신할 때 닷 한번 강화되어야 한다. 이 작업은 점도를 높이기 위한 다른 재료들, 예를 들면 밀가루, 옥수수 전분, 초콜릿, 젤라틴 같은 재료들을 첨가하면 쉽게 해결된다. 그러나 머랭이나 밀가루 없는 수플레처럼 비교적 순수한 거품을 사용해야 하는 경우라면 달걀 단백질 자체만으로 해내야 한다. 열의 도움을 받으면 멋지게 해낼 수 있다.
달걀흰자의 주 단백질인 오발부민은 상대적으로 휘핑에 내성이 있으며, 따라서 날달걀의 거품 생성에 별 기여를 하지 못한다. 그러나 오발부민은 열에는 약해서, 열을 받으면 풀려서 응고된다. 그래서 날달걀 거품을 익히면 오발부민이 기포벽에 있는 고형의 단백질 강화제 양을 2배 이상 늘려 준다. 동시에 거품 속의 자유로운 물 분자들 가운데 상당 부분이 증발한다. 이와 같이 열은 쉽게 변하는 준(準)액체인 거품을 영속적인 고형의 거품으로 탈바꿈시킨다.
단백질은 어떻게 거품을 불안정하게 만드는가?
달걀 거품을 만드는 바로 그 힘들이 달걀 거품을 파괴하기도 한다. 종종 거품이 가장 이상적인 질감에 도달하는 바로 그 순간, 거품이 거칠어지고 부피가 줄고 마른 거품과 질질 흘러내리는 액체로 분리되어 버린다. 거품들이 서로 달라붙어 거품을 지탱할 때 서로를 너무 세계 끌어당기는 바람에 중간에 있던 물이 새어나가 버리게 된다. 강화된 그물조직 속에서 풀린 긴 달걀 단백질이 서로 결합하는 데는 몇 가지 상이한 방식이 있다. 음전하를 띤 분자와 양전하를 띤 분자 간의 결합, 물을 좋아하는 부분들 간의 결합, 지방을 좋아하는 부분들 간의 결합, 황 집단들 간의 결합이 그것들이다. 이러한 결합이 과잉 축적되어 단백질들이 너무 세계 뭉쳐지면 단백질 그물조직이 붕괴하기 시작한다. 다행이 이러한 과도한 결합을 차단해 알부민 거품의 붕괴를 방지할 수 있는 몇 가지 간단한 방법이 있다.

구리 볼로 황 결합 차단하기 달걀 단백질이나 그 단백질들 간의 화학적 결합에 대해 알기 훨씬 전부터 사람들은 그것을 제어하는 방법을 이미 알고 있었다. 프랑스의 전통 방식에서는 오랫동안 달걀 거품을 만들 때 구리로 만든 도구들을 사용했다. 1771년 프랑스의 《백과사전 Encyoclopedia》에 실린 한 삽화에서 이런 전통적인 방식의 이론 흔적을 찾아 볼 수 있는데, 페이스트리 제조장에서 한 소년이 짚으로 만든 거품기를 가지고 일하는 장면을 그린 그림과 그 그림에 대한 설명에서 “달걀흰자를 젓는 구리 볼”을 확인할 수 있다. 훗날 알게 된 사실에 따르면, 극소수의 다른 금속들과 더불어 구리는 황 집단과 극도로 강하게 결합하는 경향이 있는데, 그 결합이 매우 강해서 황은 다른 어떤 물질과 반응하는 것이 원천 봉쇄된다. 따라서 구리가 달걀 흰자로 만든 거품에 포함되어 있을 때는 가장 강한 단백질 결합을 원천적으로 제거함으로써 단백질들이 너무 세게 서로를 끌어당기지 못하게 해준다. 구리 볼에서 달걀흰자를 젓거나, 또는 유리 볼에 건강 식품점에서 파는 구리 가루를 아주 조금만 첨가하면, 윤기 나는 거품을 유지할 수 있다. 은도금된 불도 똑같은 방식으로 작용한다.
그리고 산 전통적인 구리 볼에는 단점이 있다. 우선 값이 비싸고, 청결을 유지하기가 까다롭다. (구리 오염은 무시해도 된다. 달걀 커플 1컵에 들어가는 구리의 양은 하루 구리 섭취량의 1/10밖에 안 된다.) 다행히 금속을 사용하지 않고 황 집단의 반응을 제어할 수 있는 방법이 있다. 황에 의한 단백질 결합은 두 가지 상이한 단백질 분자의 황-수소(S-H) 집단이 수소 원자를 버리고 황-황(S-S) 결합을 이룰 때 형성된다. 산을 첨가하면 달걀흰자 속에 자유롭게 떠다니는 수소 이온의 수가 증가하게 되는데, 이렇게 되면 S-H기에서 수소 원자가 이탈하는 것이 훨씬 어려워지며, 그리하여 황-황 결합이 느려지게 된다. 적당한 산의 양은 달걀흰자 1개당 주석산염 1/8티스푼(0.5그램) 또는 레몬주스 1/2티스푼(2밀리리터)이며, 젓기 시작할 때 첨가해야 효과가 있다.
달걀 거품의 적들
멋진 거품이 형성되는 것을 훼방하는 세가지 적이 있다. 그것은 달걀노른자, 기름 또는 지방, 그리고 세제다. 요리를 하는 사람은 주의를 기울여서 이 세가지를 반드시 볼에서 배제시켜야 한다. 이것들은 모두 화학적 사촌들로, 똑 같은 방식으로 거품 형성을 방해한다. 거품 구조를 강화시키는 데 아무런 도움을 주지 않으면서 물과 공기의 접촉면을 두고 단백질들과 경쟁하면서 단백질 분자들의 결합을 방해하는 것이다. 이 골칫거리들은 거품 형성을 완전히 불가능하게 만들지는 않지만, 훨씬 더 많은 노동과 시간을 들이게 만들며, 그나마 형성된 거품도 가볍고 안정적이지 못하다. 물론 달걀노른자와 지방을 완성된 거품에 섞을 때는 아무런 문제도 생기지 않는다. 이것은 수플레나 달걀 첨가 반죽 레시피에서 항상 쓰는 방법이다.

다른 재료들의 영향
달걀흰자 거품에는 거의 언제나 다른 재료들이 함께 들어가는데, 이것들이 젓는 과정과 완성품의 질감에 영향을 미칠 수 있다.
소금 소금은 젓는 시간을 늘리고, 거품의 안정성을 해친다. 소금 결정들은 양전하를 띤 나트륨 이온과 음전하를 띤 염소 이온으로 분해되는데, 이 이온들이 풀린 단백질 분자들 상의 단백질 간 결합에 사용되는 장소들에 경쟁적으로 결합 함으로서 단백질-단백질 결합의 수를 감소 시키고, 그로 인해 거품 구조의 전반적인 악화를 초래한다. 그러므로 가급적 거품자체에는 소금을 첨가하지 말고 요리의 다른 구성 요소들 – 예를 들면 수플레의 베이스 – 에 첨가하는 것이 좋다.
설탕 설탕은 거품 형성을 도와주기도 하고 방해하기도 한다. 거품을 낼 때 초기에 설탕을 타면 거품 형성이 지체될 뿐 아니라 거품의 최종적인 부피가 줄어들고 질감이 나빠진다. 거품 형성이 지체되는 것은 설탕이 단백질 사슬이 풀리는 과정과 단백질 간 결합을 방해하기 때문이다. 그리고 부피와 질감이 악화되는 것은 설탕 – 달걀 혼합물이 시럽처럼 되어 얇은 기포 벽으로 쉽게 끼어들지 못하기 때문이다. 손으로 흰자를 저을 때 거품 형성이 지체된다는 것은 심각한 문제점이다. 표준적인 부드러운 머랭 수준에 도달하는 데 거의 2배의 노동이 필요하다. 그러나 스탠드 믹서를 이용하면 이 시간을 줄일 수 있다.
설탕의 좋은 점은 그것이 거품의 안정성을 향상시켜 준다는 점이다. 설탕은 액체의 점도를 높이고 응집력을 높여 기포 벽에서 수분이 빠져나가고, 그로 인해 거품의 질감이 나빠지는 것을 크게 늦춰 준다. 오븐 속과 같은 고온에서, 용해된 설탕은 물 분자들을 붙들고 있어서 물 분자들의 증발을 지연시켜 오발부민이 날달걀 거품을 응고시키고 강화시킬 시간을 가질 수 있도록 한다. 건조 설탕은 자체만으로도 미세하지만 고형인 솜사탕 가닥 형태로 되어 거품을 강화하는데 기여한다.
보통 설탕은 거품이 형성되기 시작한 이후에 첨가한다. 이 시점에는 이미 많은 단백질들이 풀린 상태다. 몇 가지 목적을 위해 요리사들은 의도적으로 처음부터 설탕과 흰자를 섞기도 하는데, 그것은 대개 아주 튼튼하고 빽빽한 거품을 얻기 위해서다.
물 실제로 물을 섞는 경우는 거의 없지만, 약간의 물은 거품의 부피와 가벼움을 향상시킨다. 물은 거품의 부피와 가벼움을 향상시킨다. 물은 흰자를 희석시키기 때문에 거품에서 약간의 액체가 유출될 위험성이 크다. 부피 기준으로 물로 40퍼센트 이상 희석시킨 알부민으로는 안정된 거품을 만들 수 없다.




2018년 04월 11일 05:00

농림축산식품부 통계에 따르면 한국인은 2016년 한 해 계란을 일인당 268개나 먹었다고 합니다. 일주일에 평균 다섯 개씩 계란을 먹은 셈입니다. 그만큼 우리의 식탁에서 계란은 없어서는 안 되는 존재입니다.
계란은 맛있기만 한 게 아닙니다. 쓸모도 많습니다. 겨울철 유행하는 독감을 예방하는 백신을 만들 때는 유정란에 독감 바이러스를 주입해 배양합니다. 또 계란 흰자는 접착제로도 쓰입니다. 흰자에 포함된 단백질 성분인 ‘아비딘-비오틴’이 접착제 역할을 합니다. 생체 분자를 검출하는 바이오칩이나 센서에는 계란 흰자로 만든 접착제가 꼭 필요합니다. 계란은 생각보다 훨씬 ‘과학적인’ 재료입니다.

● 흰자의 과학 - 콘크리트만큼 강한 겔

계란 노른자나 흰자만 골라 먹는 분도 계시죠? 노지마타츠야 중국 둥난대 생명과학및의공학부 교수팀은 흰자만 이용해서 콘크리트만큼 강력한 겔 형태의 재료를 만드는 데 성공해 네이처출판그룹(NPG)이 발행하는 국제학술지 ‘NPG 아시아 머티리얼스’ 1월 5일자에 발표했습니다. 연구팀이 계란 흰자로 만든 겔은 얼마나 강력했는지, 지름 9mm의 원통 모양으로 만든 뒤 그 위에 질량이 224kg인 물체를 올려놓아도 으깨지지 않았습니다. 모양만 조금 변하는 수준에 그쳤죠.



조금 더 전문적으로 표현하자면, 이는 1cm2 면적에 질량이 약 352kg인 물체가 누르는 힘을 견딜 수 있는 수준인 34.5MPa(메가파스칼)에 해당하는 강도입니다. 40MPa을 견디는 고강도 콘크리트에 필적하는 수준이죠. 이는 삶은 계란에서 흰자의 강도에 비해 150배나 강력합니다. 삶은 계란인 줄 알고 씹었다가는 이가 부러질 수 있으니 먹는 건 금물!

연구팀은 계란 흰자를 어떻게 이렇게 단단한 재료로 변신시킨 걸까요. 그 ‘레시피’는 이렇습니다. 우선 계란 흰자만 따로 준비합니다. 두 번 정도 체에 거른 뒤 흰자와 동일한 부피의 물을 넣어서 희석시킵니다. 연구팀은 이런 식으로 10kg을 만들었습니다.
그런 뒤 4도에서 한 시간 동안 섞어줍니다. 이어서 원심분리기에 넣고 20분간 돌립니다. 침전물 위에 뜬 물을 걸러내고 다시 40분 동안 원심분리기로 돌립니다. 여기서 생긴 물도 걸러냅니다. 그런 뒤 연구팀이 개발한 ‘특제 계면활성제’를 넣어 줍니다. 그런 다음 다시 원심분리기로 1분간 돌려줍니다. 이렇게 완성된 재료를 70도의 물에서 20분 동안 익힌 뒤 4도의 물에 넣고 식힙니다.
자, 이제 계란 흰자로 만든 겔이 완성됐습니다. 연구팀이 이 겔의 단백질 함량을 분석했더니, 날계란과 크게 다르지 않았습니다. 날계란은 1mL에 100~110mg의 단백질이 들어 있는데, 이 겔에는 124~154mg이 들어 있었습니다. 놀라운 점은, 이 겔 성분의 약 80%가 물이라는 점입니다. 물이 80%인 재료로 이렇게 강도가 높은 재료를 만들 수 있다니 정말 신기합니다.

 
콘크리트 강도의 계란 흰자 만드는 ‘레시피’ - 자료: NPG 아시아 머티리얼스

그 비결은 연구팀의 ‘마법의 소스’인 계면활성제에 있습니다. 계면활성제의 재료를 다양한 조합비로 만들어 넣고 완성된 겔의 강도를 실험한 결과, 최고 강도가 삶은 계란 흰자의 150배로 측정됐습니다. 아쉽게도 이 계면활성제를 만든 ‘레시피’는 논문에 공개되지 않았습니다. 연구팀이 자체 개발한 것으로, 이온성 계면활성제라고만 기록돼 있습니다.
이온성 계면활성제는 양이온성과 음이온성으로 나뉩니다. 계면활성제에서 물에 친한 친수성 부위가 물에서 분리됐을 때 양전하를 띠면 양이온성, 음전하를 띠면 음이온성이라고 합니다. 이기훈 서울대 농업생명 과학대 교수는 연구팀이 개발한 계면활성제에 소수성과 친수성 성분이 동시에 들어 있다는 점에 주목했습니다. 이 교수는 “이런 경우 일반적으로 분자들이 스스로 결합하는 자기조립이 진행된다”며 “계면활성제가 단백질이 특수한 구조를 가질 수 있도록 돕는 역할을 했을 것”이라고 말했습니다.
실제로 연구팀은 ‘콘크리트 계란’의 강도를 분자구조로 설명하고 있습니다. 엘라스틴, 케라틴, 콜라겐, 거미줄 단백질 등은 분자 구조가 섬유 형태여서 얽히고 설켜서 강한 구조를 만듭니다. 하지만 흰자를 구성하는 단백질은 구형에 가까워서 이런 효과를 얻기 힘들죠. 또 열에 의한 변성과 변성된 단백질이 불규칙하게 뭉치면서 전반적으로 단백질이 균일한 구조를 갖지 못합니다. 삶은 계란의 흰자가 쉽게 으깨지는 이유도 이 때문입니다.
연구팀은 이온성 계면활성제가 계란 단백질이 일정한 간격으로 질서정연하게 응집하도록 만들어 재료의 강도가 급격히 증가했다고 설명합니다. 분석 결과 삶은 계란의 흰자에는 공유결합이 없지만, 이 겔을 구성하는 분자들은 비공유결합은 물론 공유결합도 이루고 있었습니다.
공유결합은 분자를 구성하는 원자들이 전자를 공유하는 결합 방식으로, 비공유결합에 비해 결합력이 훨씬 강합니다. 연구팀은 논문에서 “공유결합과 비공유결합이 시너지를 내면서 강한 기계적인 강도를 갖게 됐다”고 설명했습니다. 이 교수는 “단백질 사이의 거리가 짧아지면서 기존에 없던 분자 간 상호작용이 생긴 것 같다”고 말했습니다.

● 노른자의 과학  - 점성 1000배 ‘마요네즈 효과’

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마요네즈를 ㄹ만들 때 계란 노른자가 핵심적인 역할을 한다. 바로 계면활성제 역할. - GIB 제공
계란 흰자가 대단해 보이지 않나요? 그런데 노른자도 흰자만큼이나 특별한 능력을 가진 물질입니다. 바로 마요네즈를 만든다는 점인데요. 물과 기름에 섞여 들어가 엄청난 점성을 생성하는 이유가 오랫동안 과학자들 사이에서 명확히 설명하기 어려운 현상으로 남아 있었습니다.
마요네즈의 재료는 계란 노른자와 물, 기름, 식초 등 입니다. 각자 크고 작은 점성을 가진 재료들이지만, 이들이 섞인 마요네즈만큼 큰 점성을 가진 건 아니죠. 점성이 작은 재료를 여럿 섞어서 점성이 약 1000배나 큰 마요네즈가 만들어진다는 건 신기한 일입니다. 여기에는 계란 노른자가 핵심적인 역할을 합니다. 노른자가 계면활성제로 작용하기 때문이죠.
알베르트 아인슈타인도 이 현상에 관심을 갖고 연구를 했습니다. 특수상대성이론을 발표한 이듬해인 1906년, 용액의 점성에 관해 설명하는 논문을 발표했죠. 논문에서 아인슈타인은 용액에 입자를 넣으면 점성이 선형적으로 증가하는데, 입자의 부피비가 용액의 5%를 차지할 때까지는 기울기가 2분의 5를 유지하면서 증가한다고 설명했습니다. 이는 실제와도 잘 맞아 떨어지는 결과였죠.
하지만 입자의 부피비가 5%를 넘어서면 아인슈타인의 예측과 달리 점성이 더 빠르게 증가합니다. 그래서 그간 많은 연구자들은 아인슈타인이 만든 수식이 높은 농도에서도 적용되도록 수정해 왔습니다.
문제는 입자들이 용액 속에 빽빽하게 들어차는 시점이 되면 점성을 정의하기가 어려워진다는 점입니다. 입자들 사이의 거리가 가까워지면서 그들 사이의 상호작용도 점성에 영향을 미치게 되기 때문이죠. 마요네즈가 바로 이런 상태입니다. 용액 속 기름방울들이 마치 만원버스 속에 탄 사람들처럼 움직이기 어렵게 된겁니다.
클라스 와인 영국 글래스고대 물리학과 교수는 ‘물리화학레터스’ 2017년 12월 8일자에 발표한 논문에서 노른자가 점성을 폭증시키는 현상을 설명하면서 ‘마요네즈 효과’라는 이름을 붙였습니다. 유리의 상태 변화를 설명하는 수학 모델을 도입해서 점성을 설명한 점이 참신합니다.
이 모델을 도입한 이유는 유리를 점성이 극단적으로 높은 액체로 볼 수 있기 때문입니다. 최시영 KAIST 생명화학공학과 교수는 “내부 구조가 무질서한 액체를 급속히 굳히면 구조가 질서정연한 고체가 되는 게 아니라 질서가 없으면서도 분자들이 움직이기 어려운 혼잡 상태가 된다”며 “유리가 이런 상태”라고 설명했습니다.

점성 1000배 높여 주는 ‘마요네즈 효과’ - 클라스 와인 교수가 설명한 혼합 용액의 점성이 급증하는 이유. 물 속에 이온을 넣으면 이온 주위에 물 분자가 얇은 수막을 형성한다. 이온의 농도가 높아져 임계점을 넘으면 수막을 포함한 이온들 사이의 반발력이 강해져서 정체 상태가 된다. - 과학동아 4월호 제공

와인 교수는 계란 노른자처럼 이온을 포함한 물질이 물과 섞이면서 농도가 높아질 때 이런 현상이 나타날 수 있다고 설명합니다. 극성을 띤 물 분자는 이온 주위에 막을 형성하는데, 분자의 밀도가 높아지면서 막을 포함한 분자 사이의 간격이 점차 줄어듭니다.
결국 수막에 둘러싸인 이온들 사이의 반발력이 점차 커지다가 마치 교통체증이 발생한 것처럼 움직이기가 어려운 정체 현상이 발생한다는 겁니다. 와인 교수는 이를 수학적으로 표현하는 모델을 만들고, 실제 실험 데이터와 비교했습니다. 그 결과 수식이 실제 현상을 잘 설명하는 것으로 확인됐습니다.
와인 교수는 “여러 성분이 섞인 액체를 분리하거나 결정의 핵이 형성되는 과정 등 상변화 현상을 물리적으로 조작하는 데 마요네즈 효과를 적용할 수 있을 것”이라고 말했습니다.