등전점

왜 배우는가: 등전점은 단백질의 용해도, 응고, 분리 공정을 pH로 조절하는 원리이므로 식품 단백질 가공 문제를 설명하는 기초 개념이다. 치즈 제조와 단백질 분리 공정을 함께 이해해야 용어형 문제와 논술형 문제에 모두 답할 수 있다.

출제 이력: 제119회 1교시 13번, 제113회 1교시 3번, 제99회 3교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

등전점은 단백질 분자의 순전하가 0이 되어 전기적으로 중성이 되는 pH이다.

등전점(pI)은 분자가 가진 양전하와 음전하의 합이 0이 되는 pH 값이다. 답안 첫 줄에는 이 정의를 그대로 쓰고, 단백질의 경우 아미노산 측쇄의 이온화 상태를 근거로 든다. 등전점은 단백질의 전하 상태를 한 값으로 요약하는 지표이므로, 같은 단백질이라도 용액의 pH가 등전점보다 높으면 음전하, 낮으면 양전하를 띤다는 점을 함께 설명해야 정확한 답안이 된다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 등전점: 순전하가 0이 되는 pH이다.
• 양쪽성 전해질: 산과 염기 성질을 함께 가져 pH에 따라 양이온 또는 음이온이 되는 물질이다.
• 순전하: 양전하의 수에서 음전하의 수를 뺀 값이다.
• 쌍성이온: 한 분자 안에 양전하와 음전하가 함께 있어 전체가 중성인 이온 형태이다.
• 등전 침전: 용액의 pH를 등전점으로 맞춰 단백질의 용해도를 최소로 만들어 분리하는 방법이다.
• pKa: 작용기의 절반이 이온화되는 pH로, 이온화 세기를 나타내는 값이다.

2. 개념 풀이

등전점의 정식 정의는 polyprotic acid(다양성자성 산)의 평균 전하가 0이 되는 pH이다. 단백질은 여러 개의 이온화 가능한 작용기를 가진 물질이므로 같은 정의가 그대로 적용된다. 평균 전하가 0이라는 것은 양전하를 띤 형태와 음전하를 띤 형태의 양이 같아진다는 뜻이다.

원리는 작용기의 이온화에 있다. 아미노기(-NH2)는 산성 조건에서 양성자를 받아 -NH3+가 되므로 양전하를 띤다. 반대로 카르복시기(-COOH)는 염기성 조건에서 양성자를 잃어 -COO-가 되므로 음전하를 띤다. 따라서 용액의 pH가 낮아지면 양전하가 늘고, pH가 높아지면 음전하가 늘어난다. 이 두 전하가 상쇄되는 지점이 등전점이다.

등전점에서는 양전하와 음전하의 수가 같아 분자의 순전하가 0이 된다.

양쪽성 전해질인 아미노산은 한 분자 안에 아미노기와 카르복시기를 함께 가지므로, 등전점에서는 쌍성이온 상태로 존재하여 전체가 중성이 된다. 이온화기가 두 개인 아미노산의 등전점은 두 pKa의 평균으로 근사하며, 식으로 쓰면 다음과 같다.

$pI = (pK_1 + pK_2) / 2$

여기서 pK1은 카르복시기의 pKa이고 pK2는 아미노기의 pKa이다. 단백질은 측쇄의 이온화기까지 포함하므로 이 식을 그대로 쓰지 않고, 아미노산 조성을 기준으로 헨더슨-하셀발흐 식을 적용하여 각 이온화기의 해리 정도를 계산한다.

등전점 근처에서는 분자 표면의 전하가 거의 없어 같은 전하끼리 작용하는 정전기적 반발이 줄어든다. 그 결과 분자 사이의 인력, 특히 소수성 상호작용이 우세해져 단백질이 서로 뭉치고 침전한다. 그래서 등전점에서 단백질의 용해도는 최소가 된다. 이 성질은 등전 집속 전기영동에도 이용된다. 젤에 pH 구배를 만들어 두면 단백질은 전기장에서 이동하다가 자신의 등전점과 같은 pH 위치에서 멈추어 분리된다.

3. 등장 배경과 필요성

단백질은 아미노산이 펩타이드 결합으로 이어진 고분자이므로 표면의 전하 분포가 pH에 따라 민감하게 바뀐다. 식품 가공에서 단백질의 용해도, 응고, 침전, 유화, 기포 형성 같은 기능이 pH 조건에 따라 크게 달라지므로, 공정 pH를 정하려면 등전점을 알아야 한다. 등전점은 이러한 기능 변화를 설명하는 기본 개념이다.

등전 침전은 단백질을 분리하거나 응고시키는 데 널리 쓰여 온 방법이다. 우유에서 카세인이 산에 의해 응고되어 치즈가 만들어지는 과정이 대표적이며, 이때 카세인이 가라앉는 현상이 등전 침전에 해당한다. 산응고 치즈는 젖산균이 만든 젖산이나 레몬즙, 식초 같은 산으로 카세인을 응고시킨 치즈이고, 리코타 같은 유청 치즈는 가열 후 젖산이나 구연산을 넣어 단백질을 응고시킨다.

이 원리는 식품 단백질 분리 공정에도 적용된다. 대부분 단백질의 등전점은 pH 4~6 범위에 있으며, 공정에서는 이 범위를 기준으로 산이나 알칼리를 넣어 pH를 조절한다. 다만 염산과 황산 같은 무기산을 침전제로 쓰면 침전 효율은 높지만 비가역적 변성이 일어나는 단점이 있다. 그래서 등전 침전은 목적 단백질을 얻기보다 오염 단백질을 제거하는 데 주로 쓰인다.