요리의 화학

1912년 1월의 어느 추운 아침, 파리 콜레주 드 프랑스의 한 실험실에서 의사이자 화학자였던 루이카미유 마야르는 작업대에 앉아 밀봉된 유리관들이 모래 욕조 위에서 데워지는 모습을 지켜보고 있었다. 각 유리관 안에는 포도당과 글리신이라는 아미노산이 든 투명한 용액이 들어 있었다. 열이 서서히 올라가자 용액은 색이 변하기 시작했고, 물처럼 맑던 것이 옅은 꿀빛을 거쳐 호박색으로, 마침내 진한 커피에 가까운 색으로 깊어졌다. 마야르는 보통의 의미에서 무언가를 요리하고 있던 것이 아니었지만, 그럼에도 그는 인류의 식생활에서 가장 중요한 단 하나의 풍미 형성 과정을 축소판으로 막 재현해 낸 참이었다.

몇 주 뒤 그는 자신의 결과를 과학 아카데미로 가져가 Action des acides aminés sur les sucres: formation des mélanoïdines par voie méthodique라는 빽빽한 제목의 논문을 발표했다. 그가 기술한 반응, 즉 열을 받은 당과 단백질이 수수하게 짝을 이루는 이 반응은 지구상 모든 구운 음식, 빵 구운 음식, 튀긴 음식, 시어링한 음식의 지배적인 화학으로 밝혀졌다. 이 글은 간단하지만 놀라울 만큼 깊은 답을 가진 질문을 던진다. 우리가 음식을 요리하고 발효시키고 보존할 때 화학적으로는 실제로 무슨 일이 일어나고 있는가?

당과 단백질이 어떻게 공모하여 풍미를 만드는가

마야르가 발견한 반응은 이제 그의 이름을 따서 불리며, 그것이 무엇인지 정확히 짚어 둘 가치가 있다. 마야르 반응은 아미노산의 질소를 지닌 말단인 자유 아미노기가 포도당이나 과당 같은 환원당의 카르보닐 탄소를 공격할 때 시작된다. 그 첫 만남은 글리코실아민이라 불리는 불안정한 화합물을 만들어 내고, 이것은 곧바로 아마도리 화합물이라 알려진 더 안정한 중간체로 재배열된다. 그때부터 화학은 더 이상 깔끔하지 않게 된다. 아마도리 중간체는 한꺼번에 서로 경쟁하는 여러 경로를 따라 분해되고 탈수되면서, 작은 휘발성 분자들을 한 무리 쏟아내고 마야르가 멜라노이딘이라 부른 갈색의 질소 함유 거대 고분자를 쌓아 올린다.

이것이 마야르 갈변을 단순한 화학 반응식과 구별 짓는 핵심이다. 마야르 갈변은 하나의 단계가 아니라 연쇄 반응이다. 단일한 마야르 생성물이란 없다. 어떤 당인지, 어떤 아미노산인지, 물이 얼마나 있는지, 표면이 얼마나 뜨거워지는지에 따라 이 반응은 수백 가지 서로 다른 휘발성 향기 화합물을 만들어 낸다. 시어링한 고기의 겉면, 토스트한 빵 한 조각, 볶은 커피, 갈변한 양파가 모두 뚜렷이 다른 냄새를 풍기면서도 공통된 감칠맛의 깊이를 나누어 갖는 것은 바로 그 휘발성 물질들 때문이다. 한편 멜라노이딘은 갈색 그 자체이며, 반응이 계속되는 한 끝없이 쌓여 간다.

마야르 반응은 대략 섭씨 140도 위에서 효율적으로 진행되는데, 그래서 이 반응은 음식의 마르고 뜨거운 표면에서만 일어나고 물이 많은 내부에서는 결코 일어나지 않는다. 내부의 온도는 물의 끓는점을 넘어설 수 없기 때문이다. 이것이 또한 찌거나 삶으면 음식이 허옇게 되는 반면 굽거나 튀기면 갈색 겉면이 생기는 이유다. 이 반응에는 열과 환원당과 자유 아미노기가 모두 같은 곳에 있어야 하는데, 오직 마른 표면만이 그 셋을 모두 갖춰 준다.

양파를 캐러멜화하는 것이 스테이크를 갈변시키는 것과 같지 않은 이유

주방에서 일어나는 모든 갈변을 한데 묶어 버리고 싶은 유혹이 들지만, 보통은 진정으로 서로 다른 두 화학이 나란히 진행되고 있으며, 그 둘을 구분할 가치가 있다. 앞서 설명한 마야르 반응은 환원당과 자유 아미노기 둘 다를 필요로 하며, 질소를 함유한 멜라노이딘과 더불어 그 방대한 향기 화합물 도서관을 만들어 낸다. 캐러멜화는 전혀 다른 것이다. 그것은 아미노산이 전혀 관여하지 않는, 당 단독의 열분해와 탈수다.

두 과정은 온도에서도 차이가 난다. 캐러멜화는 마야르 임계점보다 다소 높은 섭씨 160도쯤에서 시작되며, 그 생성물은 멜라노이딘이 아니라 캐러멜과 푸란이라 불리는 부류의 화합물이다. 양파를 천천히 익혀 짙은 갈색에 단맛이 날 때까지 볶으면, 두 반응이 동시에 일어나는 것을 보게 된다. 양파 속의 당이 캐러멜화되고, 양파의 아미노산이 바로 그 당과 마야르 경로를 통해 반응하는 것이다. 반대로 순수한 식탁용 설탕으로 하드 캔디를 끓이면, 아미노기를 공급할 단백질이 냄비 안에 없으므로 사실상 마야르 화학 없이 캐러멜화만 얻게 된다. 그 차이를 알아보면 캐러멜은 왜 달고 단조로운 맛이 나는 반면 마야르 겉면은 왜 감칠맛이 나고 복잡한 맛이 나는지가 설명된다.

열이 가해지기도 전에 풍미를 만드는 미생물들

음식 화학이 모두 고온에서 일어나는 것은 아니다. 그 상당 부분은 체온 정도나 그 이하에서 살아 있는 미생물에 의해 진행되며, 이를 제대로 처음 이해한 사람은 루이 파스퇴르였다. 1857년의 젖산 발효에 관한 논문과 1860년의 알코올 발효에 관한 논문, 이 토대가 되는 두 편의 논문에서 파스퇴르는 발효가 자발적인 분해가 아니라 살아 있는 미생물의 혐기성 효소 작용임을 확립했다. 효모와 세균은 산소 없이 일하며 당을 산과 알코올과 이산화탄소로 바꾸고, 그렇게 함으로써 우유를 요구르트와 치즈로, 양배추를 사우어크라우트로, 포도즙을 와인으로, 반죽을 빵으로 탈바꿈시킨다.

파스퇴르는 발효를 설명하는 데서 멈추지 않았다. 1864년 그는 저온살균법, 즉 음식을 익히지 않으면서 부패 미생물을 죽이는 짧고 온건한 가열법의 특허를 냈다. 그 구분은 중요하다. 저온살균은 일부러 부드럽게 하는 것으로, 와인을 시게 하거나 우유를 상하게 하는 미생물을 파괴할 만큼은 뜨겁지만 음식의 성질을 바꿀 만큼 뜨겁지는 않다. 발효와 저온살균은 같은 통찰의 양면이다. 음식의 운명은 그 활동을 길들일 수도 멈출 수도 있는 미생물 집단에 의해 좌우된다는 통찰 말이다. 그 통찰은 산업 미생물학의 토대가 되는 화학이 되었고, 파스퇴르가 와인 통에서 연구한 바로 그 효소 작용은 이제 인슐린의 미생물 생산에서부터 식물성 고기의 설계에 이르기까지 현대 생명공학을 움직이고 있다.

빵을 부풀게 하는 단백질 골격

빵은 좀 더 자세히 들여다볼 가치가 있다. 빵은 주방의 그 무엇 못지않게 우아한 단백질 화학에 기대고 있기 때문이다. 밀가루는 대략 절반이 글리아딘이고 절반이 글루테닌인데, 이 둘은 성격이 매우 다른 저장 단백질 계열이다. 글리아딘은 작고 대체로 구형인 단량체로서 신장성, 즉 반죽이 늘어나려는 성질을 부여한다. 글루테닌은 이황화 결합을 통해 사방으로 뻗은 집합체로 교차 결합된 커다란 고분자로서 탄성, 즉 반죽이 다시 튀어 돌아오려는 성질을 부여한다.

마른 밀가루 상태로 그것들만 있을 때는 이 단백질들이 별다른 일을 하지 않는다. 그러나 밀가루에 물을 넣고 반죽하면 글리아딘과 글루테닌이 서로 이어져 글루텐 그물망이라 알려진 연속적인 점탄성 기질을 이룬다. 이 그물망이 빵의 골격이다. 효모가 반죽 속의 당을 발효시키면서 이산화탄소를 내놓으면, 글루텐 그물망은 그 기체를 수많은 작은 주머니 속에 가두고, 각 기포 둘레로 찢어지지 않고 늘어난다. 그것이 반죽을 부풀게 하고, 완성된 빵 덩어리에 열려 있고 탄력 있는 속살을 주는 것이다. 반죽을 너무 적게 하면 그물망이 기체를 붙들기에 너무 약해 빵 덩어리가 빽빽하게 남는다. 빵의 그 폭신한 구조 전체는, 근본적으로 글리아딘의 늘어남과 글루테닌의 튕김 사이의 균형이며, 파스퇴르의 발효하는 미생물에 의해 안에서부터 부풀려진 것이다.

음식이 상하는 것을 막는 네 가지 오래된 방법

냉장고가 있기 훨씬 전부터 사람들은 화학을 통해 음식을 먹을 수 있게 보존했고, 그 고전적인 방법들은 각각 뚜렷이 다른 메커니즘으로 작동하는 네 가지 경로로 깔끔하게 정리된다. 첫째는 염장으로, 소금과 아질산염이 음식의 수분 활성도를 낮춰 미생물이 필요로 하는 자유수를 빼앗는 한편, 아질산염은 특히 보툴리누스 중독을 일으키는 세균인 Clostridium botulinum을 억제한다. 둘째는 훈연으로, 나무 연기에 실려 온 페놀 화합물과 알데히드로 음식을 입히는 것이다. 이 분자들은 진짜 항균제이며, 동시에 특유의 훈연 풍미도 더한다. 셋째는 오늘날 가장 익숙한 냉장으로, 아레니우스 법칙에 따라 작동한다. 화학 반응과 효소 반응은 온도가 떨어지면 느려지므로, 음식을 차게 하면 그렇지 않았으면 음식을 상하게 했을 미생물의 대사를 단순히 늦추게 된다.

넷째 경로는 통조림이며, 그것에는 정확한 기원이 있다. 1809년 니콜라 아페르라는 프랑스 제과업자가 공기가 통하지 않게 밀봉한 용기에 음식을 담아 가열하면 오랫동안 보존된다는 것을 알아냈는데, 이 기술은 닫힌 용기 안에서의 열 멸균에 해당한다. 아페르는 누군가 그 이유를 이해하기 수십 년 전에 이 일을 해냈는데, 그것을 설명해 줄 세균 이론은 아직 파스퇴르의 미래에 있었기 때문이다. 그러나 그의 방법은 타당했고, 그것은 산업적 식품 보존의 토대가 되는 기술이 되었다. 염장, 훈연, 냉장, 통조림이라는 이 네 경로가 함께 음식을 안전하게 먹을 수 있도록 유지하는 화학적 지형을 아우른다.

향신료의 톡 쏘는 분자들, 그리고 끈질긴 통설 하나

향신료는, 말 그대로 풍미가 다른 종류의 음식 화학이다. 식물은 톡 쏘는 이차 대사산물로 이루어진 작은 도서관을 만들어 내며, 그 중 다수는 풍미 물질이자 항균 방어 수단을 겸한다. 화학식 C18H27NO3인 캡사이신은 고추의 화끈거리는 화합물인데, 조직을 전혀 손상시키지 않는다. 대신 진짜 열을 감지하는 바로 그 신경 수용체인 TRPV1 수용체에 결합하며, 그래서 매운 고추가 뜨겁게 느껴진다. 후추는 피페린이라는 다른 분자를 통해 자극을 전하고, 마늘은 알리신을 만들어 내는데, 이 화합물은 쪽을 으깨어 효소가 그 기질과 만날 때에만 생성된다. 이 화합물들의 항균적 측면은 우연이 아니다. 그것은 음식을 톡 쏘게 하는 바로 그 분자들이 음식이 상하는 것을 막아 주기도 하는, 향신료를 많이 쓰는 요리가 따뜻한 기후에 몰리는 경향이 있는 이유를 설명하는 데 도움을 준다.

그것은 우리를 어느 주방에서나 가장 끈질긴 주장 가운데 하나로 이끈다. 고기를 시어링하면 육즙을 가둔다는 발상 말이다. 그럴듯한 이야기이고, 그리고 틀렸다. 시어링한 스테이크의 갈색 겉면은 마야르 반응 생성물, 즉 풍미 있는 멜라노이딘과 향기 화합물의 층이지, 어떤 종류의 방수 장벽도 아니다. 세심한 무게 측정 연구들은 시어링한 고기 덩어리가 시어링하지 않은 것과 본질적으로 같은 비율의 수분을 잃는다는 것을 거듭 보여 주었다. 시어링은 할 만한 가치가 있지만, 그것은 풍미와 색을 위해서이지 수분을 위해서가 아니다. 겉면은 화학이고, 가두어진 육즙은 통설이다.

핵심 요약

요리는 응용 화학이며, 그 풍미의 대부분은 1912년 파리에서 루이카미유 마야르가 기술한 단 하나의 연쇄 반응으로 거슬러 올라간다. 그 반응에서는 자유 아미노기가 섭씨 약 140도 위에서 환원당의 카르보닐을 공격하고, 아마도리 중간체를 거쳐 재배열되며, 수백 가지 휘발성 향기 화합물과 갈색 멜라노이딘으로 분해된다. 이것은 캐러멜화, 즉 섭씨 160도 가까이에서 시작되는 아미노산 없는 당 단독의 열분해와는 구별된다. 루이 파스퇴르는 발효를 미생물의 혐기성 효소 작용으로 확립했고(1857년과 1860년), 1864년 온건한 저온살균법의 특허를 냈으며, 한편 빵이 부풀어 오르는 것은 밀의 글리아딘과 글루테닌 단백질이 효모가 만들어 낸 이산화탄소를 가두는 점탄성 글루텐 그물망을 형성하기 때문이다. 염장, 훈연, 냉장, 통조림(마지막 것은 1809년 니콜라 아페르가 창시했다)이라는 네 가지 고전적 보존 경로는 각각 별개의 메커니즘으로 작동하고, 캡사이신 같은 향신료는 TRPV1 같은 수용체를 통해 작용하는 동시에 항균제 역할을 겸하며, 고기를 시어링하면 육즙을 가둔다는 익숙한 믿음은 거듭된 무게 측정 연구의 증거에 비추어 보면 그저 거짓이다.