설탕

설탕 구조

설탕(sucrose)은 많은 식물에서 발견되는 천연 탄수화물이다. 사카로오스(saccharose)라는 말도 일반적으로 당을 일컫는데, 특히 설탕에 붙여지는 이름이다. 설탕 분자는 단당류인 포도당(glucose)과 과당(fructose)이 합쳐진 이당류(disaccharide)의 결합체이고 C₁₂H₂₂O₁₁의 분자식을 갖는다. 설탕은 주로 사탕수수 줄기나 사탕무에서 정제된다. 설탕 정제 과정 중 표백과 결정화 공정을 거치면서 비타민이나 미네랄이 없는 무색, 무취의 단맛을 내는 결정 가루가 생산된다. 설탕은 전 세계적으로 식제품의 첨가제나 식용으로서 중요하게 사용된다. 2013년 기준 전 세계적으로 약 175백만 톤의 설탕이 생산되었다."설탕(sucrose)"이라는 단어는 윌리엄 밀러(William Miller)3)에 의해서 1857년도에 도입되었는데 프랑스어인 sucre("sugar")와 일반적인 화학 접미사 –ose가 결합된 것이다.

설탕은 또 완벽한 에너지원으로서 배터리로 만들기에 최적의 조건을 갖추고 있다.

역사

설탕의 생산에는 오랜 역사가 있다. 일부 학자는 설탕을 결정화하는 방법을 기원후 350년 경 굽타 왕조 시절에 인도 사람이 발견 했다고 주장한다. 또 다른 학자들은 기원전 8세기로 날짜가 기록되어있는 중국 고대 서적을 지목했는데, 사탕수수가 인도에서 유래했다는 사실과 함께 역사적으로 최초로 사탕수수가 기록상으로 언급되어 있다. 이 자료에 따르면 기원전 500년 경, 인도 사람들은 설탕 시럽을 만들기 시작했고 이것을 크고 납작한 그릇에 설탕 결정들을 만들기 위해 식혔는데 이는 저장과 운반을 더 쉽게 만들었다. 인도 언어에서 이러한 결정들은 칸다(khanda)라고 불렸는데 이는 캔디(candy)의 어원이 되었다. 알렉산더 대왕의 군대는 인더스강 유역에서 병력을 더 동쪽으로 이동하지 못하고 대기하고 있었다. 그러면서 그들은 인도 대륙에 있는 사람들이 사탕수수를 재배하고, 그리스어로 사카론(sakcharon)으로 발음되며 지역어로 sākhar라 불리는 그레뉼러(granulate), 소금과 같이생긴 달콤한 분말을 만드는 모습을 보았다. 그들이 돌아오는 여정 중, 몇몇 그리스 병사들은 꿀을 가지고 있는 갈대(honey-bearing reeds) 일부를 챙겨갔다. 이러한 기록이 있은 후 사탕수수는 천년동안 제한적으로 거래되는 작물이 되었다. 설탕은 매우 희귀한 상품이였고, 이들을 거래하던 상업자와 무역업자들이 부자가 될 수 있었다. 재정적 힘이 가장 높았던 베니스는 유럽의 설탕 무역의 중심이 되었다. 아랍은 시칠리아와 스페인에서 설탕을 제조하기 시작했다. 유럽에서 설탕은 십자군 전쟁 직후에 감미료로 꿀과 경쟁하기 시작했다. 스페인 사람들은 사탕수수를 서인도에서 1506년부터 재배하기 시작했다. 포르투갈 사람들은 1532년 브라질에서 최초로 사탕수수를 재배하였다.설탕은 호화스러운 식품이어서 18세기까지 전 세계에서 부유한 사람들만이 가질 수 있었다. 18세기에, 유럽에서 설탕의 수요가 급등하면서 19세기에는 인류 필수품으로 여겨졌다. 차, 케이크, 과자류 및 초콜릿에 설탕을 사용함으로써 설탕 사용량이 증가했다. 공급자들은 단단한 원뿔과 같은 새로운 형태의 설탕을 판매하였기 때문에 소비자 입장에서는 설탕을 닙이나 펜치와 같은 도구를 이용해 조각내어야만 했다. 18세기 이후로 산업혁명과 함께 설탕 생산의 기계화가 진행되었고, 사탕수수 외에도 사탕무와 같은 재료를 이용해 설탕을 추출하기도 하였다.

구성

설탕에서 포도당과 과당은 글루코실기(glucosyl subunit)의 1번 탄소와 프럭토실기(fructosyl unit)의 2번 탄소 사이의 에테르 결합을 통해서 연결되어있다. 이 결합을 글리코시드결합(glycosidic linkage)이라고 부른다. 포도당은 대부분 α 또는 β 피라노스(pyranoses, 피란 고리구조를 가진 단당류) 형태로 존재하는데 이중 하나의 형태만 과당과 연결될 수 있다. 과당은 그 자체가 각각 α 및 β 이성질체를 가지는 푸라노오스(furanose,고리모양의 이성질체 형태의 단당류)의 혼합체로 존재하지만, 하나의 특정한 이성질체 만이 글루코실기에 연결된다.

대부분의 이당류와는 다르게 설탕에서 주목할 만 한 점은 글루코시드결합(glucosidic bond)이 포도당과 과당의 환원 말단사이에 존재한다는 것이다. 이 결합은 다른 단당류의 결합을 제한한다. 설탕은 아노머 하이드록시기(anomeric hydroxyl group)를 포함하지 않기 때문에 비환원당으로 분류된다.

기능, 의의

인간이나 다른 포유동물에서 설탕은 십이지장의 표면 미세 융모의 막에 있는 수크라아제(sucrase)나 이소말타아제 글리코시드 가수분해효소(iso maltase glycoside hydrolase)에 의해서 단당류로 분해된다.

이렇게 만들어진 포도당과 과당 분자는 혈류로 빠르게 흡수된다. 박테리아나 일부 동물들에서는 인버타아제(invertase)에 의해 설탕이 분해되기도 한다. 설탕은 에너지원으로 쓰이는 다량 영양소(macronutrient)의 하나로 인체에 쉽게 흡수되며 혈당량을 높인다. 식물의 경우, 설탕은 잎에서 광합성을 통해 생성된다. 생성된 설탕은 광합성 조직에서 비광합성 조직으로 이동하는 수송 분자로서 기능을 하며 식물에 전체적으로 분포할 수 있는 고정 탄소원으로 사용된다. 설탕은 체관을 통해 이동하여 비광합성 조직에 도달하면 포도당과 과당으로 가수분해되어 에너지로 직접 사용되거나 녹말과 섬유소(cellulose)와 같은 고분자를 합성하는데 사용된다.

설탕 배터리

설탕배터리 원리

설탕은 자연계에 존재하는 가장 완벽한 에너지 저장 매체이다. 때문에 배터리를 생산하는 친환경적인 방법으로 자연의 산물인 설탕을 활용하는 것은 지극히 당연한 일이다. 설탕 배터리는 일종의 효소 연료전지로서, 공기와 연료인 말토덱스트린(maltodextrin)을 결합시켜 전기와 물을 발생시키는 원리로 만들어진다. 말토덱스트린은 탄수화물의 부분적인 가수분해로 만들어지는 다당류이다.

또한 리튬이온 배터리는 값비싼 백금을 촉매로 사용하는 것과 달리 설탕 배터리는 효소를 이용하기 때문에 훨씬 더 경제적이다. 또한 수소 연료전지와 달리 폭발이나 화재의 위험성 등이 없는 것으로 드러났다.

만약 설탕 배터리가 방전되면, 사용자는 마치 프린터에 잉크를 보충하는 것과 같이 배터리에 설탕을 보충하면 된다.

배터리의 연료로 설탕을 사용하는 것이 완전히 새로운 개념은 아니다. 글루코스(Glucose) 형태인 설탕이 모든 생물체가 필요로 하는 에너지를 제공한다는 사실은 이미 오래 전부터 과학자들의 관심의 대상이 되어 왔다. 설탕이 들어 있는 음료수로 작동할 수 있는 연료전지 배터리를 개발하여 화제가 된 적도 있다.

동경과학기술대 연구진은 설탕의 주요 성분인 자당(蔗糖)을 열분해함으로써 얻어진 경질탄소에 열을 가해 검은색의 경질탄소 분말을 만들었는데, 이것을 나트륨이온 배터리에서 양극으로 사용했다.

참고자료

• 〈설탕〉, 《식물학백과》
• 김준래 객원기자, 〈설탕으로 만든 혁신적인 배터리〉, 《사이언스타임즈》, 2014-02-05

같이 보기

• 설탕 배터리
• 소금 배터리
• 나트륨이온 배터리

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