[생화학실험]생체막 지방질 분석 - 유지의 산가 1부

실험 목적

산패된 정도가 다른 두 가지 유지에 대하여 산가 측정을 하고 산값을 계산할 수 있다.

 

실험 이론 및 원리

1. 생체막(세포막)

세포의 겉 표면은 유연하면서도 견고한 세포막으로 둘러싸여 있으며, 이는 물리적인 손상으로부터 세포를 보호하는 한편 세포 형태유지에도 관여한다. 견고하고 단단한 식물세포의 세포벽이나 동물세포의 표피세포가 물리적인 충격을 견뎌내며 세포를 보호하는 것과는 다르게, 동물세포의 원형질막의 유연함을 바탕으로 물리적인 충격을 완화하는 형태로 세포를 보호한다. 이와 같은 완충작용은 인지질 이중층으로 구성된 세포막의 구조를 기반으로 가능한 것이다.

친수성인 부분과 소수성인 부분으로 이루어지며, 이러한 인지질들이 같은 부분끼리 결합하여 인지질 2중층을 이룬다. 이와 같은 구조로 인하여 막의 투과성을 조절할 뿐 아니라 여러 가지 막 분자들이 막 사이에 고정될 수 있게 한다. 막과 그 사이 고정되어 있는 분자들은 글루코스와 같은 당류나 무기이온들의 출입을 조절하며, 아미노산과 같이 극성을 띠는 분자들의 막 통과를 막는 역할을 한다. 따라서 인지질로 이루어진 세포막은 지질이중층이 갖는 유연함으로 인하여 물리적인 충격을 보호하고, 인지질이 갖는 극성으로 막의 투과성을 조절한다고 볼 수 있다.

 

2. 지방질

지질은 물에 쉽게 녹지 않으며 유기용매에 녹는 유기화합물로서 트리글리세라이드(triglyceride, triacylglycerol), 인지질(phospholipid), 스테롤(sterol), 스핑고지질(sphingo-lipid), 당지질(glycolipid), 왁스(wax)등을 포함한다. 지질은 대표적인 에너지 영양소로서 1g 섭취로 9㎉를 얻을 수 있으며 생체 내에서 생체구성성분 및 조절인자등의 다양한 필수적인 기능들을 수행한다. 그 외에도 지방은 음식의 맛과 향미를 북돋우며 만복감을 주고 지용성 비타민의 흡수를 촉진한다.

 

3. 지방질의 분류

지방질은 그 구조가 매우 복잡한 여러 종류의 물질들을 포함하기 때문에 그 구조와 성질에 따라 분류하는 것이 일반적이다. 따라서 분류하는 기준에 따라 지방질은 여러 가지로 나눌 수 있다.

1) 비누화에 의한 분류

지방질은 알칼리에 의해서 가수분해되는 지방질, 즉 비누화가 될 수 있는 지방질과, 알칼리에 의해서 가수분해되지 않는 지방질, 즉 비누화가 될 수 없는 지방질로 분류할 수 있다. 전자에는 보통의 유지, 왁스류, 인지방질 등이 포함되고, 후자에는 sterol류, squalene 등의 탄화수소와 지용성 비타민류를 포함한 일부의 탄화수소류, carotene을 비롯한 일부의 지용성 색소가 포함된다.

2) 구조에 의한 분류

① 단순지방질: 지방질 중에서 지방산과 알코올만으로 이루어지는 에스테르형 지방질. 유지와 왁스가 해당된다.

② 복합 지방질: 단순지방질 또는 지방산과 인산, 질소, 당 등 지방질이 아닌 성분과 결합한 화합물로서 인 지방질, 당지방질 등이 있다.

③ 유도지방질: 유도지방질은 단순지방질 또는 복합지방질이 가수분해되어 형성된 성분으로, 지방산들, 고급 알코올류, sterol류, squalene과 carotene 등의 각종 탄화수소, 비타민 D, E, K 등이 여기에 속한다.

3) 원료와 성질에 의한 분류

천연에 존재하는 유지는 그 원료의 종류에 따라 식품성과 동물성으로 크게 나눌 수 있으며, 그 성질에 따라 다음과 같이 나눌 수 있다. 일반적으로 상온에서 액체인 것을 기름이라 하고, 고체인 것을 지방이라 한다.

 

4. 유리지방산

지방산은 대부분이 지방질성분으로서 ester형으로 존재하지만 그 중에는 유리 상태로 존재하는 것도 있다. 식품에 있어서는 유지를 구성하는 glyceride의 지방산이 가수분해되어 생기는 것을 말한다. 유지를 수분 존재 하에 가열하면 가수분해를 일으켜 유리지방산이 유리된다. Hydroperoxide가 분해하여 생기는 카보닐류는 산소 존재 하에서 지방산으로 변화한다.

유리지방산의 양은 추출유지의 산가(AV)를 측정함으로써 알 수 있다. AV란 시료 1g중에 함유되고 있는 유리지방산을 중화하는 데 요하는 수산화칼륨의 ㎎수를 말한다. 일반적으로 추출유지를 에탄올: 에틸에테르 혼합액에 용해하여 phenolphthalein을 지시약으로 1/10N 수산화칼륨-에탄올 표준액으로 적정한다.

AV에서 유리지방산의 백분율을 구하기 위해서는 그 유리지방산의 평균 분자량을 알고 있지 않으면 안 되지만 일반적으로 oleic acid, 야자유, 팜핵유로서는 lauric acid, 팜기름으로서는 palmitic acid로 가정하여 산출한다.

유리지방산%＝AV×계수

 

5. 유지

천연의 동식물계에 널리 존재하고 단백질 및 탄수화물과 함께 생물체의 주요 성분을 이루는 것으로, 지방산과 글리세롤과의 트리글리세릴에스테르, 즉 트리글리세리드를 주성분으로 하는 것이다. 천연 유지는 그 출처에 따라 식물 유지와 동물 유지로 분류된다. 또 상온에서의 상태가 액체인 것을 지방유(또는 지유), 고체인 것을 지방(또는 고체 지방, 고체지)이라고 부른다.

 

6. 유지의 산화속도에 영향을 미치는 인자

각종 지방산의 혼합물을 함유하고 있는 식용유지는 산화에 대한 감수성이 현저히 다르며, 식품은 지방질의 산화속도에 영향을 주는 수많은 비지방질 성분을 함유하고 있다. 따라서 식용유지나 지방질 식품 중 유지의 산화는 상호 복잡하게 진행되고, 유지의 각 자동산화단계에서 산화동력학(oxidation kinetics)에 대하여 정확하게 분석하기는 불가능하다.

일반적으로 유지의 산화를 촉진시키는 기능을 가진 물질을 산화촉진제(prooxidants)라 하는데, 금속, 금속염, 유기금속화합물, 광선, 온도, 수분, lipoxygenase와 같은 산화효소, hemoglobin과 같은 생체촉매 등이 이에 속한다. 이에 대하여 유지의 산화속도를 억제해 주는 물질을 산화방지제 또는 항산화제(antioxidants)라고 한다.

1) 지방산 조성

유지를 구성하는 지방산 조성이 유지의 산화속도, 특히 이중결합의 수, 위치․기하 이성질체가 유지의 산화속도에 영향을 미친다.

2) 온도

온도가 높아짐에 따라 반응속도가 커지는 것은 화학반응의 일반적인 원칙이며, 유지 및 지방산의 산화도 온도의 영향을 크게 받는다.

3) 산소의 농도

만일 산소의 공급이 무제한이면 유지의 속도는 산소압과 관계가 없다. 그러나 매우 낮은 산소압에서의 산화속도는 산소압에 거의 비례한다. 유지의 산화속도에 대한 산소압의 영향은 온도 및 표면적과 같은 다른 여러 가지 요인들에 의하여 영향을 받는다.

4) 표면적

유지의 산화속도는 공기에 폭로된 유지의 표면적에 비례하여 증가한다. 그러나 표면적과 부피의 비가 증가함에 따라 산소의 분압이 감소하므로, 유지의 산화속도에 대한 감소효과가 적어진다.

5) 수분

일반적으로 유지 중 적은 양의 수분은 자유래디칼의 공급원으로써, 자동산화과정의 초기반응을 촉진시켜 주는 산화촉진제로 작용하는 것으로 알려져 있다.

 

7. 산도[산가](Acid Value)

유지 시료 1g에 들어 있는 유지지방산을 중화하는데 필요한 수산화칼륨의 ㎎수이다. 이 값은 지방산에 존재하는 유리지방산의 양을 측정함과 동시에 품질의 척도가 된다. 그 이유는 유지는 저장, 산패 등의 원인으로 가수분해를 일으켜 유리지방산을 생성하기 때문이다.

RCOOH + KOH → RCOOK + H2O

1) 산가 계산식

V1 : 본시험의 0.1N-KOH용액의 적정소비량(㎖)

V0 : 공시험의 0.1N-KOH용액의 적정소비량(㎖)

F : 0.1N-KOH용액의 역가 S : 시료채취량(g)

한편 유지 중의 유리지방산의 함량을 %로 표시하는 경우도 있다. 이 경우 유리지방산을 올레산으로 보고 환산하면 다음과 같다.

① 시료가 진하게 착색된 경우는 alkali 6 B, 또는 thymolphthalein을 사용하는 것이 좋다.

② 용매인 ether·ethanol 혼합액을 사용직전에 phenolphthalein을 지시약으로 하여 0.1N-KOH·ethanol용액으로 중화한 경우는 공시험을 하지 않아도 된다.

 

8. 산패(변패)

기름의 열화현상이며, 이것은 공기 속의 산소 · 빛 · 열 · 세균 · 효소 · 습기 등의 작용에 의하여 유지가 화학변화를 일으킴으로써 생기는 현상으로, 화학변화 양식에 따라 다음과 같이 나눌 수 있다.

1) 가수분해형: 가수분해에 의하여 생기는 유리지방산이 산패 냄새의 주원인이 되는 것이다. 버터 등 분자량이 작은 유지에서 잘 일어난다.

2) 케톤형: 미생물에 의하여 불포화결합이 산화 분해되어 알데하이드나 케톤이 생기고, 이것이 산패 냄새의 주원인이 되는 것이다. 올레산이 많은 기름에서 잘 일어난다.

3) 산화형: 공기 속의 산소에 의하여 자동적으로 산화되는 것이다. 불포화인 기름일수록 산화를 잘 일으키며, 빛 · 열 · 금속 등이 이것을 촉진시킨다.

산패는 식품 등에 대한 영향이 크며, 특히 유지를 많이 함유하는 식품은 이것 때문에 맛을 잃고, 비타민 · 아미노산 등의 영양소도 파괴되며, 심할 때는 독성을 가진다. 산패를 방지하기 위해서는 항산화제(산화방지제)를 가하여 차고 어두운 곳에 저장해야 한다.

 

실험 기구 및 시약

1. 실험 기구

비커, 피펫, 뷰렛

 

2. 실험 시약

식용유, 에탄올, 에테르, 페놀프탈레인, KOH

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 비교적 신선한 식용유 2.5g과 산패된 식용유 2.5g을 달아서 에탄올과 에테르를 혼합한 용액 20㎖가 든 2개의 비커에 녹인다.

2) 두 비커에 페놀프탈레인 용액을 1㎖씩 가한다. (5～6방울)

3) 두 용액 모두 0.1N KOH로 적정한다.

4) 적정 후 산패도(산가)를 계산해 비교해본다.

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