사과는 왜 자른 부분부터 갈색이 되나요?

Question

사과는 껍질째 두면 멀쩡한데 칼로 자르면 단면이 금방 갈색으로 변하는데요. 같은 과육인데 공기에 닿았다는 이유만으로 색이 달라지는 점이 궁금합니다. 사과를 자를 때 세포 안에서 분리돼 있던 어떤 성분들이 만나 갈색 물질을 만드는 반응이 시작되나요?

Answer 1

사과를 자를 때 단면이 갈색으로 변하는 것은 세포 파괴로 인한 효소적 갈변 현상 때문입니다.

평소 사과 세포 안에는 폴리페놀 산홯효소 PPO와 폴리페놀 화합물이 서로 다른 공간에 나뉘어 있습니다.

하지만, 칼로 자르는 순간 세포벽이 무너지면서 이 두 성분이 만나게 되고, 여기에 공기 중의 산소가 유입되면서 화학 반응이 촉발됩니다.

그래서 효소가 산소를 매개로 폴리페놀을 산화시켜 퀴논이라는 중간 물질을 만들고, 이 퀴논들이 서로 결합하면서 갈색을 띠는 멜라닌 계통의 색소를 형성하게 되며 갈색으로 변하는 것입니다.

만일 갈변을 막으려면 비타민 C가 포함된 레몬즙으로 산소를 차단하거나 퀴논을 환원시키면 됩니다.

또 소금물 역시 효소의 활성을 낮추거나 작용을 억제해 갈변을 방지하는 효과가 있습니다.

Answer 2

안녕하세요. 사과를 자른 부분부터 갈색으로 변하는 이유는 사과 세포 안에 분리되어 있던 폴리페놀 성분과 산화 효소가 공기 중 산소와 만나 효소적 갈변 반응을 일으키기 때문입니다. 사과가 온전할 때는 세포막과 세포 내 구조가 이러한 물질들의 접촉을 막아 주지만, 칼로 자르면 세포가 손상되면서 서로 분리되어 있던 성분들이 만나 반응이 시작됩니다. 따라서 사과의 단면이 공기에 노출되는 순간부터 갈색으로 변하기 시작하는 것입니다.

먼저 사과에는 카테킨, 클로로겐산과 같은 폴리페놀 화합물이 들어 있는데요, 이들은 식물이 만들어 내는 천연 물질로 항산화 작용을 비롯한 여러 생리적 기능을 담당합니다. 한편 사과 세포에는 폴리페놀 산화효소라는 효소도 존재합니다. 사과가 손상되지 않은 상태에서는 폴리페놀과 산화효소가 세포 내에서 공간적으로 분리되어 있어 반응이 쉽게 일어나지 않습니다.

하지만 사과를 칼로 자르면 세포막과 세포 내 소기관이 파괴되면서 폴리페놀과 폴리페놀 산화효소가 서로 접촉하게 됩니다. 이때 공기 중의 산소가 반응에 참여하면서 산화효소가 폴리페놀을 산화시킵니다. 그 결과 폴리페놀은 퀴논이라는 물질로 변하게 되며, 퀴논은 반응성이 높은 물질이기 때문에 주변의 다른 퀴논이나 아미노산, 단백질 등과 추가적인 반응을 일으켜 복잡한 갈색 색소를 형성합니다. 이러한 일련의 과정을 효소적 갈변이라고 합니다.

사과를 자른 뒤 시간이 지나면서 갈색이 점점 진해지는 이유는 산화 반응이 계속 진행되면서 퀴논과 그 이후의 반응 생성물이 축적되기 때문입니다. 특히 온도가 높으면 효소의 활성이 증가하여 갈변이 빨라질 수 있습니다. 반대로 냉장 보관하면 효소의 작용이 느려져 갈변 속도를 줄일 수 있고, 또한 산소가 충분히 공급되는 표면에서 반응이 활발하게 일어나기 때문에 사과의 내부보다 공기에 직접 노출된 단면이 먼저 갈색으로 변합니다.

이러한 갈변을 늦추는 방법도 있습니다. 대표적으로 레몬즙을 뿌리는 방법이 있는데, 레몬에 들어 있는 구연산은 주변의 pH를 낮춰 폴리페놀 산화효소의 활성을 억제합니다. 또한 비타민 C인 아스코르브산은 산화된 퀴논을 다시 환원시켜 갈색 색소가 형성되는 것을 늦추는데요, 사과를 물에 담그거나 밀폐 용기에 보관하여 산소와의 접촉을 줄이는 방법도 효과적입니다. 감사합니다.

Answer 3

안녕하세요, 엄격한비단벌레5님. 이중철 전문가입니다.

우선, 사과를 칼로 자를 때 갈색으로 변하는 현상은 상처로 인해 세포 속에서 따로 격리되어 있던 폴리페놀 화합물과 폴리페놀 산화효소가 공기 중의 산소와 만나 멜라닌 갈색 색소를 합성하는 효소적 갈변 반응 때문이랍니다.

■ 세포 구획화의 파괴와 격리된 성분들의 물리적 접촉

사과가 온전한 상태일 때는 껍질이 외부 산소를 차단할 뿐만 아니라 세포 내부에서도 성분들이 엄격한 구획화를 통해 분리되어 있습니다. 떫은맛과 항산화 작용을 담당하는 카테킨이나 클로로겐산 같은 폴리페놀 화합물은 세포 속 거대한 저장 주머니인 액포 안에 안전하게 보관되어 있는데요. 반면 이 물질들을 산화시키는 촉매 단백질인 폴리페놀 산화효소(PPO)는 색소체나 엽록체 같은 세포질 소기관에 격리되어 있어 평상시에는 서로 결코 마주치지 않습니다.

하지만 칼로 사과를 자르면 단면의 수많은 세포벽과 액포막이 물리적으로 찢어지면서, 갇혀 있던 기질과 효소가 한데 쏟아져 나와 섞이고 대기 중의 산소와 급격하게 맞닿게 됩니다.

■ 산소와 결합한 퀴논의 중합과 멜라닌 갈색 색소 형성

효소와 기질, 그리고 산소가 만나면 연쇄적인 화학 반응이 본격적으로 일어납니다. 폴리페놀 산화효소는 대기 중의 산소를 소비하며 무색의 폴리페놀을 반응성이 매우 높은 퀴논이라는 중간 물질로 빠르게 산화시키는데요. 생성된 퀴논은 분자 구조가 불안정하여 가만히 머물지 못하고 주변의 다른 퀴논 분자나 아미노산, 단백질과 자발적으로 결합하는 중합 반응을 일으킵니다. 이 연쇄 결합의 최종 산물로 흑갈색을 띠는 고분자 물질인 멜라닌 복합 색소가 만들어지며 과육 표면이 짙은 갈색으로 물들게 되는데요. 식물 입장에서는 상처 부위로 침입하려는 곰팡이나 세균 같은 병원균의 증식을 억제하고 수분 손실을 막기 위해 스스로 화학적 방어벽을 세우는 면역 전략이기도 하거든요.

■ 효소 활성 억제를 통한 갈변 방지의 과학적 원리

이러한 효소적 갈변 메커니즘을 역으로 이용하면 사과의 변색을 과학적으로 막아낼 수 있습니다. 레몬즙을 뿌리면 구연산과 비타민 C가 사과 표면의 pH를 효소의 최적 활성 범위 아래로 낮추어 단백질 입체 구조를 변성시키고, 이미 산화된 퀴논을 원래의 폴리페놀로 되돌리는 환원 작용을 펼치는데요. 설탕물이나 소금물에 사과를 담가두는 방법 역시 액체막이 과육 표면을 감싸 산소와의 직접적인 접촉을 원천 차단하고, 소금의 염소 이온이 효소의 활성 부위에 결합해 화학 반응을 방해함으로써 신선하고 밝은 색상을 오래 유지하도록 돕습니다.

정리하자면,

사과 단면이 갈색으로 변하는 것은 칼에 의해 세포벽과 액포막이 파괴되면서 액포 속 폴리페놀과 세포질의 폴리페놀 산화효소가 공기 중 산소와 반응해 퀴논을 거쳐 멜라닌 색소를 합성하는 효소적 갈변 현상이자 식물의 자가 방어 기전이며, 산소 접촉을 차단하거나 산도를 조절해 효소의 활성을 억제함으로써 갈변을 효과적으로 방지할 수 있답니다.

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