[위즈덤 아고라 / 우성훈 기자] 보라색 양배추즙에 레몬즙을 넣으면 붉은색에 가까워지고 염기성 물질을 넣으면 파란색이나 초록색으로 변한다. 같은 액체인데 무엇을 섞느냐에 따라 전혀 다른 색을 보여주는 것이다. 얼핏 보면 색소가 다른 물질로 바뀐 것처럼 보이지만 실제로는 색소를 이루는 분자의 구조가 변하면서 나타나는 현상이다. 이렇게 주변의 산성도에 따라 색이 변하는 현상을 할로크로미즘이라고 하며 이를 이용하는 물질을 pH 지시약으로 사용할 수 있다. 우리에게 익숙한 리트머스 종이부터 식물의 천연 색소 그리고 최근 개발되고 있는 식품 포장 센서까지 모두 비슷한 화학 원리를 이용한다.
색이 바뀌는 이유를 이해하려면 먼저 pH가 분자에게 어떤 영향을 주는지 살펴봐야 한다. pH는 용액의 산성이나 염기성 정도를 나타내며 수소 이온과 밀접하게 관련되어 있다. 산성 환경에서는 색소 분자가 수소 이온을 받아들이는 양성자화가 일어날 수 있고 반대로 염기성 환경에서는 가지고 있던 수소 이온을 내놓는 탈양성자화가 일어날 수 있다. 중요한 것은 수소 이온 하나가 붙거나 떨어지는 일이 단순히 원자 하나가 이동하는 것으로 끝나지 않는다는 점이다. 분자 내부에서 전자가 퍼져 있는 방식과 결합 구조까지 달라질 수 있기 때문이다. 특히 색을 나타내는 유기 분자에는 이중결합과 단일결합이 이어진 공액 구조가 존재하는 경우가 많다. 이 구조에서는 전자가 한 결합에만 고정되지 않고 비교적 넓은 영역에 퍼질 수 있다. pH가 변해 분자의 전자 분포가 달라지면 분자가 흡수하는 빛의 에너지와 파장도 함께 달라진다. 우리가 보는 물질의 색은 물질이 흡수하지 않고 반사하거나 통과시킨 빛이기 때문에 흡수하는 파장이 달라지면 눈에 보이는 색도 달라지는 것이다. 결국 pH에 따른 색 변화는 단순한 색소의 변화가 아니라 분자 구조와 전자 상태가 변했다는 사실을 눈으로 확인하는 현상이라고 볼 수 있다.
이 원리를 가장 쉽게 관찰할 수 있는 물질이 안토시아닌이다. 안토시아닌은 적양배추와 블루베리, 포도, 자색고구마 등에서 발견되는 천연 색소다. 안토시아닌은 하나의 고정된 구조로만 존재하지 않고 주변 pH에 따라 서로 다른 형태 사이를 오간다. 강한 산성에서는 플라빌륨 양이온 형태가 많이 존재해 붉은색 계열을 나타낸다. pH가 높아지면 수소 이온을 잃으면서 퀴노이드 구조의 비율이 증가하고 보라색이나 푸른색이 나타날 수 있다. 더 높은 pH에서는 분자 구조가 다시 변하면서 초록색이나 노란색에 가까운 색이 관찰되기도 한다. 적양배추가 여러 pH 범위에서 다양한 색을 보여주는 이유가 바로 이것이다. 실제 연구에서도 적양배추 안토시아닌은 넓은 pH 범위에서 뚜렷한 색 변화를 나타내기 때문에 천연 pH 센서 재료로 주목받고 있다.
여기서 한 가지 중요한 점은 분자가 스스로 주변의 pH를 알아내서 색을 바꾸는 것은 아니라는 것이다. 모든 변화는 화학 평형에 따라 자연스럽게 일어난다. 산성 환경에서는 특정 분자 구조가 더 안정하고 염기성 환경에서는 다른 구조가 더 안정해지기 때문에 용액 속에서 존재하는 분자의 형태 비율이 달라진다. pH가 다시 변하면 조건에 따라 원래 구조가 증가하면서 색도 다시 달라질 수 있다. 그래서 이런 물질은 마치 주변 환경에 반응하는 카멜레온처럼 보인다.
이 성질은 실험실에서 산과 염기를 구별하는 데서 끝나지 않는다. 최근 특히 활발하게 연구되는 분야는 스마트 식품 포장이다. 고기나 생선이 상하기 시작하면 미생물의 활동으로 휘발성 아민 같은 물질이 생성되고 포장 내부의 화학적 환경과 pH가 변할 수 있다. 연구자들은 안토시아닌을 투명한 고분자 필름에 넣어 이러한 변화를 눈으로 확인할 수 있는 포장재를 개발하고 있다. 음식이 신선할 때는 필름이 원래 색을 유지하다가 부패가 진행되면서 주변 pH가 달라지면 필름의 색도 함께 변하는 방식이다. 따라서 포장지를 열거나 별도의 전자 장치를 사용하지 않고도 음식의 상태 변화를 확인할 가능성이 생긴다. 2024년 발표된 연구 리뷰에서는 안토시아닌뿐 아니라 커큐민과 알리자린 같은 천연 색소를 pH 반응성 고분자와 결합하는 연구들이 정리되었으며 이러한 재료가 식품 신선도 감지 등 다양한 센서에 활용될 가능성이 분석되었다.
하지만 실제 제품을 만들려면 단순히 색이 잘 변한다는 것만으로는 부족하다. 천연 안토시아닌은 빛과 산소, 온도와 습도의 영향을 받기 때문에 시간이 지나면서 색이 변하거나 약해질 수 있다. 그러면 음식이 상하지 않았는데도 센서의 색이 변하는 문제가 생길 수 있다. 그래서 최근 연구의 중요한 목표 중 하나는 색 변화의 민감도뿐 아니라 안정성을 높이는 것이다. 2024년 Comprehensive reviews in food science and food safety에 발표된 연구에서는 천연 pH 지시 필름의 안정성을 높이는 여러 방법을 분석했다. 색소를 작은 구조 안에 보호하는 캡슐화, 다른 색소와의 혼합, 금속 이온과의 결합, 보호층을 추가하는 방법 등이 연구되고 있다. 같은 해 green analytical chemistry에 발표된 리뷰에서도 안토시아닌을 친환경 고체형 색 센서로 활용하는 연구들이 정리되었다. 즉 연구의 관심은 이제 ‘색이 변하는가’라는 질문에서 ‘얼마나 정확하고 오래 사용할 수 있는가’라는 질문으로 이동하고 있는 것이다.
최근에는 이 기술이 더 실제적인 형태로 발전하고 있다. 2026년에 발표된 연구에서는 안토시아닌과 산화아연 나노입자를 함께 포함한 포장재를 제작해 생선의 품질 변화를 감지하는 방법을 연구했다. 연구에서 사용된 안토시아닌 추출물은 pH 3에서는 붉은색을 보였지만 pH가 높아지면서 보라색을 거쳐 연한 초록색과 노란색 계열로 변화했다. 연구진은 이러한 변화가 플라빌륨 양이온과 퀴노이드 염기 그리고 칼콘 형태 사이의 구조 변화와 관련된다고 설명했다. 식품이 부패하면서 발생하는 화학적 변화가 색소 분자의 구조를 바꾸고 그 결과가 사람이 볼 수 있는 색으로 나타나는 것이다. 분자 수준의 변화가 별도의 복잡한 기계 없이 하나의 시각적 신호가 된다는 점에서 pH 반응성 물질의 장점이 잘 드러난다.
카멜레온 물질에서 가장 재미있는 부분은 색 자체보다 그 뒤에서 일어나는 변화다. 붉은색이 파란색으로 바뀌는 몇 초 동안 분자는 수소 이온을 주고받고 전자 분포를 바꾸며 새로운 구조 사이에서 평형을 이루고 있다. 우리가 눈으로 보는 색은 그 복잡한 분자 변화를 알아볼 수 있는 신호에 가깝다. 그래서 적양배추즙처럼 평범해 보이는 물질도 자세히 들여다보면 산과 염기, 분자 구조, 전자의 움직임 그리고 빛의 흡수까지 여러 화학 개념이 한꺼번에 연결되어 있다.
[위즈덤 네이처]생화학은 세포 속에서 일어나는 화학 반응과 생명 현상을 탐구하는 학문입니다. 우리가 먹는 음식이 에너지로 전환되거나, DNA 속 정보가 단백질로 만들어지는 과정, 효소가 반응 속도를 바꾸는 원리까지 모두 생화학의 영역에 속하기 때문에 생명 현상과 밀접한 관련이 있습니다. 이번 칼럼에서는 단백질의 접힘, ATP의 역할, 효소 촉매 작용, 유전자 발현, 혈당 조절, 세포막 신호전달 같은 주제를 다룰 예정입니다. 일상에서 접할 수 있는 사례와 연결해 생화학의 개념을 위즈덤 아고라 우성훈 기자의 ‘위즈덤 네이처’에서 만나 보세요.
