설탕이 만들어지기까지

[한결(예천)]

설탕(Sugar)이 만들어지기 까지

우리가 설탕이라고 부르는 하얀색의 분말 결정체는 Sucrose로 구성되어 있다. 설탕은 상온에서는 고체의 형태로 존재한다. 설탕의 주용도는 음식이나 음료에서 단맛을 내는 것이다. 단맛을 내는 물질을 통칭하여 일반적으로 당류라고 한다. 당류는 Sucrose이외에도 여러 가지가 있는데 모두 비슷한 분자식을 가지고 있다. 그렇지만 화학적 구조가 조금씩 달라 서로다른 특징을 나타낸다. 이외에도 감미료라고 부르는 것도 있다. 같은 단맛을 내는 것이지만 당류와는 확연히 구분되는 물질이다. 예전에 많이 사용되었던 사카린이나 요즈음 소주 등 대부분의 주류와 음료에 많이 사용되는 아스파탐이다. 이 물질은 설탕보다 단맛이 수백배는 더 강하지만 안전성 논란이 제기되고 있어서 거부감이 들기도 한다.

당류에는 단당류와 이당류가 있다. 단당류는 C6H12O6의 조성식을 가지고 있으며 Glucose(포도당), Sucorse(과당), galactose(갈락토스)가 있다. 하지만 단맛은 크게 차이가 나는데, 과장>포도당>갈락토스 순이다. 이당류는 C12H22O11의 조성식을 가지고 있고 Sucrose(설탕), maltose(말토스), lactose(젖당, 유당)가 있다. 이당류는 단당류가 두 개가 합쳐지면서 물분자 하나가 떨어져 나간 구조이다. 단당류와 이당류는 같은 군에서 화학적 조성식은 동일하지만 구조식이 조금식 달라 서로 다른 특징을 나타낸다. 그런 만큼 생물체 내에서의 용도도 크게 차이가 난다.

우리가 매일 같이 먹고 있지만 어떻게 만들어지는지는 잘 모르는 설탕에 대해서 조금 더 깊이 알아보는 것은 어떨까?

<여러 설탕의 종류, 정제 정도에 따라 나누어진다 - 위키피디아에서>

설탕의 원료

사탕무(Sugar beet), 사탕무 일년생의 Amaranthaceae 속의 식물로 뿌리에 설탕을 다량 함유하고 있다. 주로 온대지방에서 재배되는데 적절한 강우가 내리고 토양이 비옥한 곳에서 잘 자란다. 수확은 주로 기계를 이용해서 하는데 윗 부분의 잎은 제거하고 흙을 털어낸다. 가을철 유럽의 농촌을 다니다 보면 아직도 사탕무가 산더미처럼 쌓여 있는 광경을 심심치 않게 볼 수 있다.

수확된 사탕무는 흙을 씻어내고 얇게 썰은 후 즙을 짜서 설탕을 추출한다. 라임수를 사탕무 추출액에 첨가한 후 여러 단계의 정제과정을 거치고, 최종적으로 물을 끓임과 동시에 감압증류기로 증발시켜 시럽을 만든다. 이 시럽에 설탕 결정(crystal)을 첨가하고 식혀서 설탕 분말을 만드는데, 이때 원심분리를 이용하여 불순물을 제거한 후 건조한다. 더 이상의 공정은 필요하지 않다.

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사탕수수(Sugarcane), 다년생 초본류로 Poaceae속의 식물이다. 사탕수수는 주로 열대나 아열대 지방에서 재배되는데, 줄기에는 설탕(Sucrose)가 포함되어 있다. 동남아시아 국가에 가면 길거리에서 이 사탕수수를 잘라서 즙을 내어 파는 가게들을 가끔 볼 수 있다. 더운 나라에서 맛볼 수 있는 천연음료 쯤으로 생각하면 된다.

사탕수수는 영하로 떨어지지 않는 날씨를 가지고 있고, 생육기간 중에 충분한 비가 내려야 재배가 가능하다. 이 작물 역시 기계로도 수확하지만 많은 나라에서는 아직도 손으로 수확한다. 수확된 사탕수수는 바로 가공 공장으로 보내지는데, 여기에서 물로 설탕을 추출하거나 압착하여 즙을 내어 설탕을 추출한다.

<사탕수수, 출처 : 위키피디아>

사탕수수 즙은 라임을 첨가하고 끓여서 효소를 불활성화 시키면서 정제과정을 시작한다. 즙을 끓이고 감압농축하여 물을 제거한다. 그런 후 설탕 결정을 시럽에 첨가하여 설탕 침전물을 만들고 액상과 분리한 후 건조한다. 이 공정에서 당밀(Molasses)이 부산물로 나온다. 사탕수수 즙을 짜고 남은 basasse라고 부르는 섬유질 줄기는 정제공정의 연료로서 사용된다.

<당밀(Molasses), 출처 : 위키피디아>

여기까지 공정거치면 무스코바도(muscavado)라고 부르는 갈색의 끈적한 원당이 만들어진다. 물론 이 원당을 그대로 사용해도 되지만 사탕무와는 달리 정제 과정을 더 거치는 게 일반적이다. 이 공정에서는 이산화황(sulphur dioxide)이나 탄산화 공정이 무스코바도의 갈색을 탈색시켜 백설탕으로 만드는데 사용된다. 이 과정을 어느 단계까지 적용했느냐에 따라 흑설탕, 갈설탕, 백설탕 등이 만들어진다.

사탕수수 설탕의 정제

원당은 끈적한 갈색점질이 비교적 순순한 설탕의 입자에 코팅되어 있는 형상을 하고 있는데 그냥 먹을 수 있지만 화학적인 공정을 거켜서 하얀 백설탕을 만들게된다. 일부 사람들은 이런 화학공정을 거치지 않은 사탕무 설탕을 선호하거나, 아니면 무스코바도 그 자체를 먹거나 요리에 사용하기도 한다. 한 때는 유기농 무스코바도가 많은 사람들의 관심을 끈적도 있었는데 다음의 처리 공정을 보면 그런 사람들이 덜 유별나 보일지도 모르겠다. 

요즈음은 새롭게 무스코바도가 각광을 받고 있다고 한다. 건강기능성과 관련된 이유가 가장 크고 또 비정제 설탕이 가지는 특유의 향과 맛을 좋아하는 사람들이 늘고 있기 때문이다.

<하와이에 있는 설탕 정제 공장의 전경, 출처 : 위키피디아>

원당을 이용해 우리가 슈퍼에서 보는 하얀색 백설탕을 만드는 과정을 설탕의 정제라고 한다. 이 설탕의 정제가 이루어지는 곳을 설탕 리파이너리(Sugar Refinery)라고 한다. 정유공장과 비슷한 느낌이 들게 한다. 사탕수수 공장에서 만들어진 원당에는 설탕의 색깔을 띄게 하는 당밀을 비롯하여 여러 가지 불순물들이 포함되어 있다. 이 불순물들은 색뿐만 아니라 씁쓸한 맛도 가지고 있다. 그래서 일반적으로 설탕은 정제공정을 거쳐 흰설탕으로 만드는데, 이 공정을 거치면 원당은 99% 순도의 Sucrose, 설탕이 된다. 이 과정은 좋은 순도의 설탕을 얻을 수는 있지만 사탕수수에 들어 있던 많은 영양분과 향을  모두 제거해버리는 것은 어쩔 수 없는 손실이다.

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<토론토에 있는 설탕 정제공장에 쌓여 있는 설탕 더미,  출처 : 위키피디아>

설탕의 정제는 크게 4단계로 나누어진다. 첫 번째가 친화(Affination), 두 번째는 정제(Purification), 세 번째는 결정화, 마지막으로 건조 및 보관 공정이다.

친화공정에서는 비중이 큰 시럽을 원당에 첨가하여 표면에 막을 형성하고 있는 당밀과 섞이게 만든 후 원심분리로 설탕 결정을 분리한다. 이 과정을 거치면 비교적 깨끗한 설탕 결정 알갱이만을 분리할 수 있다. 이 과정을 거친 설탕에 인산과 염화칼슘을 첨가하여 다시 용해시킨다. 이 때 첨가된 두 화학물질은 결합하면서 인산칼슘이 되어 침전물을 형성한다. 이 과정에서 인산칼슘은 불순물을 끌어들인 후 엉겨서 용액의 상등부로 뜨게 된다. 이 상등부를 제거하면 순수한 결정의 설탕을 얻을 수 있다. 이렇게 얻어진 설탕 시럽을 다시 재결정화 과정을 거치고, 마지막으로 로타리 건조기를 거치면서 우리가 보는 작은 입자의 백설탕이 된다.

각 당류의 특징

<단당류>

Glucose(포도당), 과일이나 식물체의 즙에서 많이 발견되는 물질로 광합성의 1차 산물이다. 우리가 섭취한 대부분의 탄수화물은 소화과정에서 포도당으로 전환된 후 혈액을 따라 세포로 전달되어 에너지원으로 사용된다. 그러므로 효소를 이용해서 전분을 분해하여 포도당을 제조할 수 있다. 이렇게 제조된 포도당 시럽은 액체의 형태인데 식료품 산업에서 광법위하게 사용된다.

Fructose(과당), 과당은 과일에서 주로 존재하며 일부 뿌리채소나 사탕수수, 벌꿀에서 발견된다. 당류 중에서는 가장 강한 단맛을 가지고 있다. 이 과당은 포도당과 함께 설탕(Sucrose)의 구성 요소이다. 단맛을 높이기 위해 과당을 다량 함유한 제품을 만드는데, 이는 주로 옥수수 전분을 가수 분해하여 콘 시럽을 만들고 효소를 이용하여 포도당을 과당으로 전환을 시킨다. 그래서 시럽이 같은 양의 설탕에 비해 단맛이 더 강하다.

Galactose(갈락토스), 갈락토스는 자연계 중에는 일반적으로 존재하지 않지만, 포도당과 결합하여 이당류인 젖당을 만든다. 포도당 보다 단맛이 훨씬 떨어진다. 그렇지만 갈락토스는 생물학적으로 중요한 역할을 하는데, 적혈구의 표면에서 혈액형을 결정하는데 항체의 구성 성분이다. 

<이당류>

Sucrose(설탕), 설탕은 일반적으로 사탕수수 줄기와 사탕무우의 뿌리에서 발견된다. 설탕이 존재하는 곳에서는 포도당과 과당도 함께 존재하는데 이 조성 비율에 따라서 채소의 맛이 조금씩 달라진다. 설탕은 포도당과 과당이 1:1로 결합하여 만들어진 화합물이다. 우리는 설탕을 먹으면 수크라제라는 일련의 효소에 의해서 다시 원래의 단당류로 분해된다.

<설탕, Sucrose, 오른쪽의 포도당과 왼쪽의 과당이 결합한 구조>

maltose(말토스), 말토스는 일부 곡물이 발아할 때 생성된다. 특히 보리가 발아하면 맥아라고 부르는데 이 과정에서 malt(당의 이름)로 전환된다. 이 몰트는 추가적인 발효를 거켜 위스키가 되기도 하고 맥주가 되기도 한다. 말토스는 포도당 2 분자가 결합하여 만들어진다. 그러므로 포도당과 과당이 결합한 설탕 보다는 단맛이 떨어진다. 말토스 역시 말타제라는 일련의 효소에 의해서 다시 두분자의 포도당으로 분해되어 흡수된다.

lactose(젖당, 유당), 락토스는 우유에 들어있다. 락토스는 포도당과 갈락토스가 결합한 것이다. 락타제(Lactase)에 의해 다시 원래의 단당류로 분해된 후 흡수된다. 아기들이나 어린이들은 이 젖당을 분해할 수 있는 효소가 있지만 어른이 되면서 이 효소가 사라지면 더 이상 젖당을 소화할 수 없게 된다.

설탕이 되고자 하는 콘 시럽

얼마 전에는 콘 시럽을 콘 슈가로 개명하려던 미국의 옥수수정제협회의 노력이 FDA에 의해서 수포로 돌아갔다는 뉴스가 있었다. 콘 시럽, 즉 과당 함량이 높은 감미료에 대한 소비자들의 인식이 나빠지자 업계에서 시럽이라는 용어 대신 설탕(Sugar)라는 용어를 사용하고자 했기 때문이다. “FDA는 설탕이란 단단하게 건조된 투명한 고체 가루를 말하므로 시럽은 설탕이 아니라고 판시했다.”

옥수수정제협회에서는 옥수수 시럽도 설탕의 한 형태라는 캠페인을 대대적으로 벌여오다가 설탕협회로부터 잘 못된 캠페인이라며 제소를 당하기도 했다.

옥수수 시럽은 1970년대 말에 처음 등장했는데 액상으로 잘 녹아서 씨리얼, 소다수를 비롯한 가공식품과 음료에 폭넓게 사용되었다. 그러나 이 제품은 과당과 전분이 반반정도 섞여있는 것으로 알려져 있다. 엄밀히 말하면 FDA의 설명처럼 설탕과는 구성 성분에서 아주 큰 차이가 있다고 할 수 있다.

콘 시럽이 설탕보다 더 해롭다는 주장이 제기 되고 있지만 미국 의학협회는 그것을 입증할만한 증거는 아직 부족하다고 말한다. 과학적으로 증거가 부족하다는 말은 어느 정도 개연성은 가지고 있다는 말과 같은 뜻이니 소비자들이 이 부분은 판단할 문제이다. 그렇지만 두 가지 물질 중 어느것이 더 해롭냐는 논쟁보다는 어느 것이든 당류를 너무 많이 섭취하는게 더 문제라고 할 수 있다.

참고 : 미 '설탕전쟁' 새 국면…FDA, 콘 시럽 '설탕'으로 개명 금지(Newsis, 2012-05-31), 위키피디아 Sugar, Sugar refinery

[쌈짱]

많은 도움되는 자료네요...궁금한게요 그럼 원당을 녹여서 사양하면 그게 더 좋은거 아닌가요? 설탕은 이당류이니 원당이면 화학적 처리 전 단계이니 그럼 정리채밀 할 필요도 없구요...제 논리가 맞나 모르겠네요..

[한결(예천)]

원당이라고 해도 정제 분류를 안했을 뿐입니다. 추출과정에서 열을 과하여 벌써 복합당이 되었으며
저는 원당이라는 것을 꿀벌의 먹이로 주어보았습니다. 꿀벌이 소화를 못시키고 탈분이 심합니다.

[쌈짱]

유기농원당이라고 해도 이미 끓이는 과정에서 이당류가 섞여있다는 거군요...코멘트해주셔서 감사합니다

[꿀먹은 곰순이]

설탕자료 잘 봣습니다
감사합니다

[순평 김영대(천안)]

좋은자료 감사합니다

[김순기]

한결(예천)님! 좋은 자료 감사 합니다.
항상 건강하시고 평 안 하세요

[파초오토바이센타]

걈사

[포근한사랑/박윤하(동두천 52)]

감사합니다