냄비에 설탕을 넣고 약한 불에 올려 두면, 하얀 알갱이가 어느 순간 투명하게 녹다가 금빛을 거쳐 짙은 호박색으로 변합니다. 부엌에는 달콤하면서도 살짝 쌉쌀한 향이 퍼지고, 그 시럽을 식히면 사탕이나 푸딩 위의 캐러멜 소스가 됩니다. 단맛만 있던 설탕이 색과 향, 쓴맛까지 지닌 새로운 물질로 바뀐 것인데, 이 변화를 ‘캐러멜화(Caramelization)’라고 부릅니다.

캐러멜화란 쉽게 말해 ‘당을 높은 온도로 가열할 때 당 분자가 분해되고 다시 결합하면서 갈색 물질과 향기 성분이 생기는 반응’을 의미합니다. 구운 양파의 단맛, 크렘 브륄레의 바삭한 윗면, 콜라의 진한 색깔에도 이 반응이 숨어 있습니다.

본 자료에서는 캐러멜화가 일어나는 원리와 온도 조건부터 마이야르 반응과의 차이, 요리와 식품 산업에서의 활용, 그리고 알아 두어야 할 안전 문제까지 차례로 살펴보겠습니다.

단맛이 색과 향으로 바뀌는 열의 화학

캐러멜화는 어떻게 일어날까?

캐러멜화는 효소 없이 열만으로 색이 변하는 비효소적 갈변의 한 종류입니다. 수백 가지 화학 물질이 함께 만들어지는 복잡한 과정이라 지금도 모든 단계가 밝혀지지는 않았지만, 큰 흐름은 정리되어 있습니다.

(1) 분해와 탈수
설탕의 주성분인 자당은 열을 받으면 먼저 포도당과 과당으로 나뉩니다. 이어 당 분자에서 물이 빠져나가고 구조가 바뀌거나 잘게 쪼개지면서 여러 중간 물질이 생깁니다.

(2) 중합과 갈색 물질
쪼개진 조각들은 다시 서로 이어 붙어 큰 분자를 만듭니다. 이때 생기는 캐러멜란, 캐러멜렌, 캐러멜린이라는 세 무리의 고분자가 갈색을 띠게 합니다. 가열이 길어질수록 더 큰 분자가 늘어나 색은 짙어지고 단맛은 줄어듭니다.

(3) 향기 성분
반응 도중에는 버터 같은 향을 내는 다이아세틸(Diacetyl), 견과류나 구운 향을 내는 퓨란류, 달콤한 향의 말톨(Maltol) 같은 휘발성 물질이 함께 나옵니다. 캐러멜 특유의 풍미는 이 성분들이 어우러진 결과입니다.

당마다 다른 온도와 마이야르 반응과의 차이

캐러멜화가 활발해지는 온도는 당의 종류에 따라 다릅니다. 『음식과 요리(On Food and Cooking)』를 쓴 해럴드 맥기(Harold McGee)가 정리한 값은 다음과 같습니다.

• 과당(Fructose): 약 105도에서 반응이 시작되어 가장 먼저 갈색으로 변합니다.
• 포도당(Glucose): 약 150도에서 반응이 활발해집니다.
• 자당(Sucrose): 우리가 흔히 쓰는 설탕으로, 약 170도 부근에서 본격적으로 색이 납니다.
• 맥아당(Maltose): 약 180도로 비교적 높은 온도가 필요합니다.

산도도 속도를 바꿉니다. 중성에 가까운 pH 7 부근에서 가장 느리고, 산성이나 알칼리성 쪽으로 갈수록 빨라집니다. 흑설탕처럼 당밀 같은 불순물이 섞여 있으면 반응이 더 쉽게 일어납니다.

자주 헷갈리는 마이야르 반응(Maillard Reaction)도 비효소적 갈변이지만, 당이 단백질의 아미노산과 만나야 일어납니다. 캐러멜화는 아미노산 없이 당 혼자 열에 분해되는 반응이라는 점이 다릅니다. 고기를 구울 때 생기는 갈색은 주로 마이야르 반응이고, 설탕만 녹인 시럽의 갈색은 캐러멜화입니다.

부엌과 공장에서 쓰이는 캐러멜화

(1) 요리 속 캐러멜화
캐러멜 소스와 사탕, 크렘 캐러멜과 크렘 브륄레가 대표적입니다. 양파를 오래 볶으면 단맛이 진해지고 갈색으로 변하는데, 제대로 볶으려면 30분에서 45분쯤 걸립니다. 양파는 아미노산도 함께 지니고 있어 이때는 마이야르 반응도 일어납니다.

(2) 설탕은 녹지 않는다는 발견
2011년 미국 일리노이 대학교의 셸리 슈미트(Shelly Schmidt) 교수 연구팀은 설탕이 일정한 온도에서 녹는 것이 아니라 분해되며 액체처럼 변한다는 연구 결과를 발표했습니다. 연구진은 이를 ‘겉보기 녹음(Apparent Melting)’이라고 불렀고, 낮은 온도에서도 오래 가열하면 캐러멜화가 일어날 수 있음을 보였습니다.

(3) 식품 색소 캐러멜 색소
식품 공장에서는 당을 산이나 알칼리, 염과 함께 가열해 캐러멜 색소를 만듭니다. 국제적으로는 네 등급으로 나누는데, 1급 일반 캐러멜은 위스키와 과자에, 2급 아황산 캐러멜은 차와 브랜디에, 3급 암모니아 캐러멜은 맥주와 간장에, 4급 아황산 암모니아 캐러멜은 콜라 같은 탄산음료에 주로 쓰입니다.

캐러멜화를 둘러싼 안전 문제

캐러멜화는 오래된 조리법이지만 몇 가지 살펴볼 점도 함께 지니고 있습니다.

(1) 4-MEI 논란
암모니아를 써서 만드는 3급과 4급 캐러멜 색소에서는 4-메틸이미다졸(4-Methylimidazole), 줄여서 4-MEI라는 부산물이 생깁니다. 미국 캘리포니아주는 동물 실험 결과를 근거로 2011년 이 물질을 발암 물질 목록에 올렸고, 미국 식품의약국(FDA)도 함량을 계속 살피고 있습니다. 다만 일상적인 섭취량에서 사람에게 위험하다는 결론이 난 것은 아닙니다.

(2) 지나친 가열
캐러멜화가 너무 진행되면 쓴맛과 탄 냄새가 강해지고, 5-하이드록시메틸푸르푸랄(5-Hydroxymethylfurfural) 같은 물질도 늘어납니다. 그래서 요리할 때는 원하는 색이 나오면 불을 끄고, 식품 회사는 온도와 시간을 정해 품질을 관리합니다.

캐러멜화는 평범한 설탕을 색과 향, 깊은 맛을 지닌 재료로 바꾸는 열의 화학입니다. 당의 종류와 온도, 산도, 가열 시간에 따라 결과가 달라지기 때문에 요리사와 식품 과학자 모두 이 반응을 섬세하게 다룹니다. 원리를 알면 같은 설탕으로도 더 맛있는 결과를 얻을 수 있습니다.

알맞은 불 앞에서 기다릴 줄 아는 일, 그것이 맛있는 캐러멜의 첫걸음입니다.