알코올과 관련된 화학 이야기

음주 측정기의 원리는 무엇일까?

  우리가 마신 술에 들어있는 알코올은 위와 장에서 곧바로 흡수된다. 그중 약 10 %는 소화되지 않은 채 호흡, 땀, 소변 등에 섞여서 배설되고, 90 %는 간에서 산화되어서 아세트산으로 바뀌어 인체에 에너지를 공급하고 이산화 탄소가 되어 호흡으로 배출된다. 내신 숨 속에 들어있는 알코올은 장에서 흡수되어 혈액으로 들어갔던 것의 일부분이다. 폐 깊숙이 들이마신 공기는 폐동맥을 지나는 피와 평형을 이루고, 이때 핏속의 알코올의 일부가 공기와 섞여서 체외로 나오는 것이다. 따라서 내쉬는 숨 속에 들어 있는 알코올의 양을 측정하면 혈중 알코올 농도를 추정할 수 있다.

  적황색의 다이크롬산 칼륨을 황산에 녹인 다음 실리카겔이나 규조토에 적셔서 말린 것을 유리관에 의해서 산화되면서 적황색의 다이크롬산 칼륨이 녹색의 황산크로뮴이 된다. 따라서 유리관에 나타나는 녹색의 정도를 측정하는 분광 장치를 붙이면 혈중 알코올 농도를 알아낼 수 있게 된다. 혈중 알코올 농도는 흔히 혈액 100 mL 속에 몇 mg의 알코올이 포함되어 있는가를 퍼센트(%) 단위로 나타낸다.

  혈중 알코올 농도가 0.02 %가 되면 기분이 좋아지고 몸이 따뜻하게 느껴지지만, 0.05 %가 되면 행동이 느려지고 주의력이 떨어지기 시작한다. 0.10 %가 넘으면 균형 감각과 판단 능력이 현저하게 떨어져서 운전이 허용되지 않는 상태가 된다. 0.30 %가 넘으면 의식을 잃을 가능성이 있고, 0.50 %가 되면 사망에 이를 수도 있게 된다.

  예전에는 다이크롬산 칼륨이라는 노란색의 화학 물질이 알코올을 산화시키면서 초록색으로 색깔이 바뀌는 화학 반응을 이용했지만, 사용할 때마다 다이크롬산 칼륨을 바꾸어 주어야하기 때문에 불편하다. 최근에는 금속 촉매를 사용해서 전기화학적인 방법으로 알코올만을 선택적으로 산화시킬 때 흐르는 전류의 양을 측정하거나, 알코올에 의해서 흡수되는 적외선의 양을 측정해서 알코올의 농도를 알아낸다. 고온으로 가열된 반도체 금속 산화물 알맹이의 표면에 알코올이 흡착될 때 흐르는 전류의 변화를 이용하거나, 분리 칼럼을 쓰는 소형 기체 크로마토그래피 방법을 이용하기도 한다.

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포도주의 제법

  과일 쥬스를 발효시켜서 알코올음료를 만드는 반응은 아마도 인류가 이용한 가장 오래된 화학 반응의 하나일 것이다. 오늘날의 포도주 제조 산업은 엄청난 이익을 가져다주는 화학 산업의 하나가 되었다.

  수확한 포도는 먼저 깨끗이 씻은 후에 으깨서 포도 껍질을 제거한 포도액(must)을 만든다. 포도액은 물, 단당류, 녹말, 유기산, 아미노산, 방향족 알코올(페놀류), 금속 이온을 포함한 비타민, 효소, 휘발성 에스터 등이 섞여 있는 복잡한 혼합물이다. 포도액에 들어 있는 화합물의 종류와 상대적인 농도는 포도의 품종과 성장 조건에 따라서 매우 다양하고, 포도주의 맛을 좌우하는 요인이다.

  포도주에 들어 있는 에탄올은 포도액의 단당류가 주로 사카로마이시스 에립소이듀스라는 효모에 의해서 발효되어 만들어진다. 에탄올은 효모나 박테리아가 자신이 필요로 하는 에너지를 얻는 과정에서 만들어지는 부산물에 해당한다. 포도액을 먼저 이산화 황(SO₂)으로 처리해서 여러 종류의 효모나 미생물을 제거한 후에 사카로마이시스 에립소이듀스를 넣어서 발효통에 넣어 밀봉하여 발효시킨다. 산화 반응에 해당하는 발효는 발열 반응이기 때문에 온도를 일정한 범위로 조절해 주어야만 하고, 식초를 만드는 아세토박터가 활성화되지 못하도록 산소가 유입되지 않게 해야 한다. 또한 효모에 의한 발효가 원활하게 진행되도록 하기 위해서 pH를 3.3 정도로 유지시켜 주어야만 한다.

  발효가 충분히 징행되어 알코올의 농도가 7~15 % 정도가 되면, 용액을 따라내서 발효를 멈추도록 하고, 벤토나이트와 같은 화합물을 넣어 부유물을 침전으로 걸러 낸다. 이렇게 만들어진 포도주는 유리병에 담아서 코르크 마개를 막은 후 어둡고 온도가 적당히 조절된 창고에서 숙성시킨다. 숙성 과정에서는 포도주에 남아 있는 화합물들의 산화 등의 복잡한 반응에 의해서 맛과 향기가 더해진다.

  이렇게 만들어진 포도주는 그대로 마시기도 하지만, 증류 공정을 거쳐서 알코올의 농도가 훨씬 높은 코냑과 같은 브랜디로 만들어서 마시기도 하고, 포도주와 브랜디를 적당히 섞어서 일반 포도주보다 알코올 농도가 조금 더 높은 포트, 셰리, 마데라스 등을 만들기도 한다.

  또한 포도주에 5~6기압 정도로 고압의 이산화 탄소(CO₂)를 녹여서 탄산음료와 비슷한 독특한 맛을 더한 샴페인과 같이 거품이 있는 포도주를 만들기도 한다. 고압의 이산화 탄소를 직접 포도주에 녹이기도 하지만, 일반 포도주를 한 번 더 발효시켜서 이때 만들어진 이산화 탄소가 빠져나가지 않도록 하는 방법이 주로 사용된다. 알코올 농도가 낮은 포도주에 추가로 2.5 % 정도의 당류와 함께 효모를 넣어서 10~17 ℃ 정도의 온도를 유지하면서 발효시킨다. 두 번째 발효에서는 특별히 고안된 고압 탱크를 사용하기도 하고, 병 속에서 담은 상태로 발효시키기도 한다.

  포도액을 만들 때 포도 껍질을 제거하지 않고 그대로 발효시키면, 포도 껍질에 묻어 있는 곰팡이 때문에 포도에 포함된 당의 일부만 발효되고 대부분이 남아서 단맛을 가진 단포도주가 된다.