냄비에 달걀을 넣고 몇 분만 끓이면 투명하던 흰자가 하얗고 단단하게 굳습니다. 생선회에 레몬즙을 뿌려 두면 살이 뽀얗게 변하고, 흰자를 오래 휘저으면 거품이 하얀 머랭으로 부풀어 오릅니다. 불을 쓰기도 하고 쓰지 않기도 하지만, 세 장면 뒤에는 같은 일이 숨어 있습니다. 음식 속 단백질의 모양이 흐트러지는 현상, 그것이 바로 ‘단백질 변성(Protein Denaturation)’입니다.

단백질 변성이란 쉽게 말해 ‘아미노산 사슬이 정교하게 접혀 만든 입체 구조가 열, 산, 물리적 힘 같은 자극으로 풀어지거나 흐트러지는 현상’을 의미합니다. 사슬을 이루는 아미노산의 순서는 그대로 남지만, 모양이 바뀌면서 단백질의 성질과 쓰임새가 크게 달라집니다.

본 자료에서는 단백질이 어떤 모양으로 접혀 있는지부터 변성을 일으키는 여러 힘, 달걀 한 알로 보는 온도별 변화, 그리고 변성이 영양에 주는 영향까지 차례로 살펴보겠습니다.

부엌에서 매일 일어나는 단백질 변성

접힌 사슬이 풀리는 순간

단백질은 수십에서 수백 개의 아미노산이 줄줄이 이어진 긴 사슬입니다. 이 사슬은 아무렇게나 늘어져 있지 않고, 정해진 모양으로 촘촘하게 접혀 있습니다. 흔히 그 구조를 네 단계로 나누어 설명합니다.

(1) 1차 구조
아미노산이 어떤 순서로 이어져 있는지를 말합니다. 아미노산끼리는 펩타이드 결합이라는 단단한 결합으로 묶여 있습니다.

(2) 2차 구조
사슬의 일부가 나선이나 병풍처럼 접힌 모양입니다. 사슬 사이의 수소 결합이 이 모양을 붙잡아 둡니다.

(3) 3차·4차 구조
접힌 사슬 전체가 공처럼 뭉친 입체 모양이고, 여러 사슬이 모여 하나의 덩어리를 이루기도 합니다.

변성은 주로 2차 구조부터 그 위의 구조가 무너지는 일입니다. 펩타이드 결합은 끊어지지 않으므로 1차 구조는 그대로 남습니다. 그래서 변성된 단백질도 같은 아미노산을 품고 있지만, 물에 녹던 단백질이 엉겨 붙거나 효소가 제 기능을 잃는 등 성질은 전혀 다른 물질처럼 바뀝니다.

변성을 부르는 여러 가지 힘

단백질의 접힌 모양은 비교적 약한 결합들이 붙잡고 있어, 생각보다 여러 자극에 쉽게 흐트러집니다. 부엌에서 자주 만나는 경우는 다음과 같습니다.

• 열(Heat): 온도가 오르면 분자가 크게 흔들리며 약한 결합이 끊어집니다. 고기를 굽고 달걀을 삶는 일이 모두 여기에 속합니다.
• 산(Acid): 산이 단백질의 전하를 바꾸어 구조를 흐트러뜨립니다. 생선을 라임즙에 재워 익히는 세비체나, 젖산이 우유 단백질을 엉기게 하는 요구르트가 대표적입니다.
• 물리적 힘(Mechanical Force): 흰자를 세게 휘저으면 공기와 맞닿은 단백질이 펼쳐지며 얇은 막을 만듭니다. 이 막이 공기 방울을 감싸 머랭이 됩니다.
• 염과 응고제(Salt and Coagulant): 데운 콩물에 간수를 넣으면 콩 단백질이 엉겨 두부가 됩니다.

고기를 구울 때도 같은 일이 일어납니다. 열을 받은 근육 단백질은 변성되며 오그라들고, 섬유 사이에 머금고 있던 물기를 짜냅니다. 너무 오래 익힌 고기가 퍽퍽하고 질겨지는 까닭이 여기에 있습니다. 그래서 두꺼운 고기는 겉을 먼저 굽고 속은 낮은 온도로 천천히 익혀, 단백질이 지나치게 오그라들기 전에 불을 끄는 방법을 많이 씁니다.

같은 단백질이라도 어떤 자극을 받느냐에 따라 촉촉한 젤, 부드러운 거품, 단단한 덩어리처럼 전혀 다른 질감이 만들어집니다.

달걀 한 알로 보는 온도의 마법

달걀은 단백질 변성을 관찰하기에 가장 좋은 재료입니다. 흰자에는 수십 가지 단백질이 들어 있는데, 저마다 변성되는 온도가 조금씩 다르기 때문입니다.

온도에 따라 달라지는 흰자와 노른자

흰자 단백질 가운데 오보트랜스페린은 약 61도에서 먼저 변성되어, 65도쯤이면 흰자가 연하고 뿌옇게 굳기 시작합니다. 노른자는 65도 무렵부터 걸쭉해지다가 70도 안팎에서 굳습니다. 흰자의 절반 이상을 차지하는 오브알부민은 80도가 넘어야 굳기 시작합니다. 그래서 달걀을 65도 안팎의 물에 오래 담가 두면 흰자는 여리고 노른자는 촉촉한 온천 달걀이 만들어집니다.

반대로 끓는 물에 너무 오래 삶으면 거의 모든 단백질이 엉기며 물기를 밀어내 흰자가 고무처럼 질겨집니다. 같은 달걀이라도 몇 도, 몇 분의 차이가 식감을 완전히 바꾸는 셈입니다. 수비드처럼 온도를 정확히 맞추는 조리법이 인기를 끄는 이유도 여기에 있습니다. 달걀찜을 센 불에 찌면 구멍이 숭숭 뚫리고 약한 불에 찌면 매끈해지는 것 역시, 단백질이 굳는 속도를 불 세기로 조절한 결과입니다.

변성은 영양을 망칠까

단백질이 변성된다고 하면 영양이 파괴된다고 오해하기 쉽지만, 대개는 그 반대입니다. 아미노산은 그대로 남아 있고, 단단히 접힌 구조가 풀리면서 소화 효소가 사슬에 더 쉽게 닿기 때문입니다. 실제로 익힌 달걀의 단백질이 날달걀보다 훨씬 잘 흡수된다는 연구 결과가 있습니다. 날흰자 속 아비딘이라는 단백질은 비오틴과 단단히 붙어 흡수를 방해하는데, 익히면 변성되어 이 작용도 약해집니다.

변성이 늘 되돌릴 수 없는 것은 아닙니다. 1961년 무렵 크리스천 안핀슨(Christian Anfinsen)은 리보핵산 분해효소를 요소 용액 속에서 풀어 놓은 뒤 그 물질을 걷어 내자 단백질이 스스로 원래 모양으로 다시 접히는 것을 보여 주었고, 이 연구로 1972년 노벨 화학상을 받았습니다. 접히는 방법에 관한 정보가 아미노산의 순서 안에 이미 담겨 있다는 사실을 밝힌 것입니다. 다만 삶은 달걀처럼 풀린 사슬끼리 서로 엉겨 붙은 경우에는 날달걀로 돌아갈 수 없습니다.

단백질의 모양이 바뀌는 순간을 알고 불과 시간을 다루는 일, 그것이 맛있는 요리 과학의 첫걸음입니다.