킬레이트?
킬레이트라는 말은 정원 한켠에 작은 텃밭을 마침내 마련해 농사 비슷한 걸 시작하면서 이것저것 땅심과 관련된 공부를 하면서 처음으로 읽게 되었고, 이후 몇몇 필수 영양제를 사려고 찾아보다가 체내 흡수율과 관련하여 또 한 번 맞닥뜨린 개념이다. 화학적 개념이 선행해야 제대로 이해할 수 있을 것 같아 그냥 접어두었는데 왠지 좀 제대로 알아놓아야만 할 것 같은 비상한 느낌이 들었었다.
나는 예전부터 우연히 알게 된 방법으로 녹두를 아주아주 간편하게 부지런함이라곤 1도 없이 숙주로 만들어 먹고 있다. 꼭 포스팅을 해 알리고 싶었다. 그리고 그에 앞서 왜 숙주로 발아를 해서 먹으면 좋은지 설명하고 싶었다. 그러려면 항영양소라는 녹두의 어두운 면을 설명해야겠다 하고 생각했는데 바로 여기서 또다시 킬레이트와 직면한다. 마침내 이 녀석을 확실히 짚고 넘어가야 할 이유가 생겼다. 3번이면 운명이다. 뭔가 복잡한 화학의 냄새가 솔솔 풍기지만 무대포로 부딪혀 보기로 했다. 몇 년 만에 화학과의 재회인가! 다시 만나고 싶지 않은 헤어진 애인을 다시 마주해야 하는 그런 기분이다. 흠... 늘 나는 사설이 길다...
"킬레이트화하다"
세상의 모든 유기물들은 탄소와 수소와 더불어 여기에 헤테로 원자들이 결합하면서 무궁무진하게 만들어진다. 산소(O), 질소(N), 황(S), 인(P), 할로겐 (Cl, F,)등을 헤테로 원자1)라고 한다. 이들은 탄소와 수소와 달리 배위결합을 하게 되는데 이 배위결합은 공유결합과 조금 다르다. 공유결합은 원자들이 전자와 전자를 서로 내어 주고받으면서 함께 공유하는 것을 말한다. 하지만 배위결합은 한쪽에서 일방적으로 기부하듯이 비공유전자쌍을 내어 주고 다른 원자, 특히 주로 전자를 잃고 양이온 상태로 헤매고(?) 다니며 주로 존재하는 금속원자와 결합하는 것을 말한다. 필요한 자와 기꺼이 주고자 하는 자의 착한 만남이다. 공유결합과 배위결합은 보통 공존하는 것 같다. 예를 들어 아래 그림2)의 물분자를 보면 수소와 공유결합도 하고 있으나 두 쌍의 비공유전자쌍도 존재한다.
위 그림에서처럼 헤테로 원자들은 두 개의 쌍을 이루는 전자쌍을 갖는데, 이 전자쌍으로 다른 금속이온과 결합하여 만든 결과물을 배위화합물이라고 하며, 이때 이 전자쌍으로 중심의 금속과 결합된 부분을 리간드(ligand)라고 부른다. 즉, 이때 기부하듯 원자를 흔쾌히 내준 원자를 주개원자라고 영어로 donor atom이라고 부른다. 딱 맞는 표현이다 싶다. 보통은 너 하나 내놓고 나하나 내놓고 그걸로 서로 공유하면서 결합하는데, 전자를 잃어 이를 빨리 회복해서 중성의 안정된 상태를 너무나 이루고 싶어 하는 금속양이온들은 이 비공유전자쌍들을 보면 얼마나 반갑겠는가? 그래서 적극적으로 결합한다. 이런 배위결합이 한 군데 아니라 여러 군데에서 일어나면 즉, 리간드가 두 개 이상 일어나 결합이 꽤 강한 상태가 된 것을 킬레이트 되었다고 한다. 리간드가 많을수록 더 강한 결합을 한다. 아래 구체적인 예에서 자주 등장하는 EDTA (Ethylene Diamine Tetra Acetic acid, 에틸렌다이아민테트라아세트산)은 리간드가 4개로 꽤 강한 결합이며 킬레이트계의 대표라고 할 수있다. 아무튼, 킬레이트는 적어도 두 군데 이상에서 유기분자와 결합된 금속이온이라고 할 수 있는 것이다. 각종 문제를 일으키는(?) 금속 양이온들을 미리 찾아서 전자를 기부하고 결합해 원천봉쇄해버리거나 필요에 따라 유해한 금속과 결합시켜 배출시켜 없애는 등 유익하게 활용한다는 것이 킬레이트가 아닌가 싶다.
그렇다면 이런 결합들은 과연 실생활에서 어떻게 우리를 위해 활용되고 있을까? 생각보다 엄청나게 많았다.
1. 농업 : 작물로 가는 영양분 개선
비료의 3요소 (N-P-K). 이 중 하나인 인산이 토양 내에서 칼슘, 구리, 아연, 망간 등의 미네랄 즉, 금속 양이온과 침전하여 식물이 이용하기 어려운 불용성 형태가 만들어지는데, 이렇게 되면 작물들이 실제로 이 미네랄들을 이용하기 매우 어려워진다고 한다. 따라서 비료를 만들 때, 이들 양이온을 킬레이트 화할 수 있도록 킬레이트 성분을 넣어 인산과의 결합을 사전에 막아버림으로써 식물들이 이 미네랄들을 잘 흡수할 수 있도록 만들어 줄 수 있다.3) 보통 구연산, 풀빅산, 암모니아, EDTA 등의 유기산을 활용하여 킬레이트 해준다.
또한, 지나친 비료 사용으로 토양에 염분이 과다하게 축적되어 새로 뿌린 영양분이 불용성 즉, 물에 녹지 못하는 상태가 되어 뿌리로 흡수되지 못하고 있다면? 이럴 때에도 킬레이트를 이용해 금속 즉, 미네랄을 식물이 실제로 흡수할 수 있는 수용성 형태로 변화시켜 줄 수 있다고 한다. 시중에 이런 원리로 다양한 제품들이 나와 있다.
2. 식용유 산패방지
식용유 안에는 미량의 금속이온이 있어 기름을 산패시키는 촉매 역할을 할 수 있다고 한다. 따라서 EDTA 같은 킬레이트제를 투입 이 금속이온을 둘러쌈으로써 촉매역할을 못하도록 미리 방지할 수 있다고 한다. 4) 식품에 들어간다니.. 좀 놀랍다.
3. 체내 중금속 방출
우리가 피해 가기 힘든 생활 속의 중금속들. 현재 기능의학 병원을 비롯한 많은 병원에서 중금속 검사를 시행하여 배출 및 해독을 해주고 있다. 중금속 중에서도 가장 치명적으로 알려진 수은을 예로 들어보자. 서울대학교병원은 수은중독 치료에 대해 이렇게 말한다. "수은 중독이 확인되면 수은을 몸 밖으로 배출시키는 치료를 한다. 킬레이트 요법은 수은과 결합하는 BAL, 페니실라민(penicillamine), DMPS, DMSA 같은 수은과 결합하는 킬레이트 물질들을 복용하거나 근육주사나 정맥 주사하여 몸 밖으로 배출시킨다."5) 마치 논개가 적장을 안고 물로 떨어지듯이....
4. 의료: 혈액 항응고제
시험관 내 및 생체 내에서 혈전 형성을 예방하기 위해 항응고제를 쓰게 되는데 혈액 내 칼슘은 혈액 응고에 관여한다. 따라서 EDTA는 혈액으로부터 칼슘을 제거하거나 또는 킬레이트 화함으로써 응고를 방지한다. 혈액 항응고제로서의 EDTA의 장점은 혈액세포를 왜곡하지 않아 혈액 테스트용으로 가장 적합하다는 점이라고 한다. 참조 문건 : 진단 목적을 위한 체외 항응고제로서 에틸렌디아민 테트라아세트산(EDTA)의 역할6)
5. 가정: 세탁에 용이한 수질로 개선
우리가 사용하는 생활수는 금속 즉, 칼슘(Ca2+)와 마그네슘(Mg2+)의 포함 정도에 따라 센물(경수, hard water)와 단물(연수, softe water)로 분류된다. 센물에 많은 이 두 금속은 비누나 세제를 만나게 되면 칼슘염, 마그네슘염이 되어 거품이 잘 일지 않게 만들고, 따라서 세탁이 잘 안 됨은 물론 세제도 더 많이 필요하게 되어 바람직하지 않다. 심지어 옷이 상할 수도 있다고 한다. 다행히 지하수로 빨래를 해 본 적이 없어 잘은 모르지만, 별로 즐거운 세탁은 아닐 것 같다. 이런 경우 금속과 결합이 아주 잘되는 EDTA와 같은 킬레이트제를 세제를 만들 때 투여함으로써 칼슘이나 마그네슘이 더 이상 이온의 속성을 띠지 않도록 가둬버리는 방법을 쓴다. 그러면 칼슘은 비활성화되어 그 물은 단물처럼 변하게 되고 더 효율적으로 세탁을 할 수 있게 된다.7) 비누도 마찬가지다.
6. 펄프 및 제지 과정에서 표백제 효율 증가
원목을 가공하여 제지를 만드는 과정에서 표백은 반드시 필요하며 이를 위해 과산화수소를 이용한다. 하얀 종이를 만드는 것이다. 그러나 펄프 내에 존재하는 망간(Mn2+), 구리(Cu2+),철(Fe2+)과 같은 전이금속이 과산화수소와 같은 산소계 표백제들을 촉매적으로 분해시켜 버려 표백을 어렵게 한다. 이를 해결하기 위해 EDTA나 DTPA와 같은 킬레이트제를 활용하여 전이 금속을 제거함으로써 표백효율성을 증진시킨다고 한다.8)
7. 영양제 흡수율 증가
철분 마그네슘 등 미네랄은 무기질로서 우리 체내에 흡수가 용이하지 않다고 한다. 그래서 보통 아미노산이나 유기산 등에 미리 킬레이트 화하여 흡수율을 높인다. 아미노산에 결합시켜 아미노산처럼 우리 몸에 자연스럽게 흡수되게 만드는 것이다.
닭들을 대상으로 무기미량 미네랄을 고급 킬레이트 기술 기반 보충제로 대체하는 것이 닭들의 성장, 미네랄 소화율, 골품질 및 항산화 상태에 어떠한 영향을 미치는지 확인하고자 설계된 한 연구에서는 킬레이트 된 미네랄이 아주 긍정적인 효과가 있는 것으로 보고되었다.9) 영양제를 먹는다는 것이 과연 실제로 얼마나 우리 몸안으로 흡수되어 활용되는지가 관건이란 것을 생각해 보면 의미 있는 연구라고 생각한다. "I am what I eat"가 아니라 "I am what my body absorbs."가 맞는 말 아닐까?
이외에도 화장품, 방부제, MRI 스캔 시 조영제10) 등, 알게 모르게 다양하게 우리 생활 깊숙이 들어와 있는 킬레이트. 언제나 그러하듯 우리의 생활을 더욱 편리하고 윤택하게 모든 것들은 그에 상응하는 대가를 달고 있다. 우리가 그것을 인식을 하든 못하든 늘 그러해왔다. 킬레이트를 찾아보면서 많은 자료에서 킬레이트의 한계와 단점을 극복해야 한다는 지적과 연구들을 보았다. 특히 환경문제와 관련된 이슈는 내 관심을 끌었다. 조금씩 또 더 알아가고 싶은 영역이다.
자, 이제 그럼 다시 돌아가 본론으로 숙주를 이야기해 보자.
자연에는 쓸데없이 존재하는 것도 없다. 동물과 달리 평생 한자리에서 떠나지 못하는 제약 속에서 멀리멀리 대를 끊지안혹 대대손손 종족을 번식시키려면 그 씨앗을 강인하게 만들 필요가 있었을 것이고, 동물의 입에 혹여 먹히더라도 뱉어 내버리게 만들거나, 그마저 실패하면 대변으로 그대로 나올 수 있게 만들 장치, 이를테면 소화효소억제제(Enzyme inhibitor)도 필요했으리라. 그래서 식물들은 나름의 보호책으로 독성을 만들어 동물들을 견제해 왔으리라. 또한, 싹을 틔워 자손을 성공적으로 번식하려면 충분한 영양소를 씨앗에 미리 꽁꽁 저장해 놓고 아낌없는 지원을 하고 싶었으리라. 예전에 어떤 친구가 그랬다. 이 작은 씨앗하나에서 그 커다란 식물이 자라난다. 경이롭지 않느냐고. 물론 성장과정에서 끊임없이 영양을 받아먹고 쑥쑥 자라긴 하지만, 그 작은 씨앗에 들어있는 폭발적인 에너지는 정말 상상이 가지 않을 만큼 큰 것이리라. 뿐이랴 혹 흙속에서 곰팡이나 박테리아한테 감염되더라도 상하지 않게 항산화의 힘과 방부제 효과도 있으면 금상첨화였겠지.
콩과식물과 도정하지 않고 먹는 곡류, 그리고 각종 씨앗 및 너트류 등에는 피트산(phytic acid, IP6)이 있다. 이들은 씨앗 발아에 중요한 인을 피트산의 형태로 그 안에 저장한다. 피트산은 이노시톨(myo-inositol)에 6개의 인산염(hexaphosphate)이 붙어있는 형태이다. 사실 이노시톨에 대해서는 다시 한번 포스팅을 하고 싶을 만큼 우리에게 이로운 좋은 물질이다. 아무튼, 체내에 피트산이 들어오면, 피트산에서 인산염을 가수분해해 줄 효소(phytase)가 필요한데 위가 하나인 인간은 이 효소를 만들 박테리아가 없거나 아주 부족하다고 한다. 즉 체내에 흡수가 거의 되지 않는다고 한다. 그렇다면 단지 이 때문에 피트산이 영양계의 문제아로 취급되는가? 더 큰 이유가 있다. 그건 바로 위에서 본 킬레이트와 미네랄 흡수와 관련 있는데, 피트산이 철, 칼슘, 마그네슘, 아연 등의 금속이온을 강력하게 킬레이트 하여 불용성염화시켜 이들이 위장관을 통과하기 힘들게 만든다는 점이다. 이런 이유로 피트산도 항영양소(ant-inutrient)라고 분류된 것이다. 그야말로 자기가 가진 영양소는 어차피 흡수도 안되고, 거기다 꼭 필요한 주변의 미네랄도 덩달아 흡수 안되게 차단시켜 버렸으니 "안티"라고 낙인찍힌 것이다. 이런 킬레이트는 바람직하지 않은 현상임에 틀림없다. 하지만 철의 경우 종자 단계에서 철이 촉매가 되어 일어날 수 있는 산화작용을 킬레이트함으로써 억제해 씨앗을 지키는 순기능11)도 있다는 주장도 있다.
그럼 여기서, 나는 엄청난 고민에 빠진다. 현미, 가공 안 한 곡류(카무트, 스펠트, 귀리 등), 참깨, 호박씨, 아마씨, 햄프씨, 브라질너트, 호두.... 등이 우리 식구의 주식 중 큰 부분을 차지한다.
일단, 공정함과 평형을 유지하기 위해, 피트산의 유익한 점도 조사해 보자. 다행히도 어마어마하게 많은 연구결과 발표 물들을 찾을 수 있었다. 피트산의 항산화효과, 면역체계 강화, 항암효과12)를 비롯하여 , 요로결석과 관련하여 피트산이 칼슘염의 결정화를 억제하여 위험을 낮추므로 피트산이 풍부한 식품섭취를 제안한 연구결과도 있다13) 그 외, 올해 초 발표된, 피트산염 섭취, 건강 및 질병: “음식이 약이 되고 약이 음식이 되게 하십시오” 14) 에서는 피트산이 혈관석회화, 요로결석증, 골다공증, 인지 기능 및 퇴행성신경질환, 암종양 형성 억제, 2형 당뇨병, 심혈관계 건강 전반에 걸쳐 긍정적인 효과를 보이는 것을 자세히 설명하고 있다. 이쯤 되면, 피트산의 장단점을 저울질해 충분히 선택이 가능할 것 같다.
피트산이 가져다줄 수 있는 많은 이익과 더불어 문제가 되는 미네랄 흡수방해 역시 많은 연구가 되고 있다. 피트산을 분해하거나 또는 6개의 인산염(IP6)를 더 쪼개어 인산염 중간체(IP(3)-IP(5))를 생성시킬 수 있는 인간의 장내에 존재하는 비피더스 박테리아들을 검출해 내는 연구들이 다수 발표되었으며 15), 16) , 이는 건강하고 균형 있는 장 내환경을 유지한다면 피트산의 분해효소 피타제의 활동을 충분히 기대해 볼 수도 있다는 반가운 소식이라 할 수 있다.
많은 공부를 하게 되었다. 그렇다면 다시 원점으로 돌아가보자. 피트산을 다량으로 섭취하고 있는 나는 무엇을 할 수 있을까? 이 부분 또한 수많은 연구가 진행되어 왔다. 간단히 정리해 보자면,
1. 물에 담그자. 따뜻한 물에 식초나 구연산 같은 산을 첨가하면 더욱 좋다.
2. 발아를 시키자.
3. 발효를 하자.
글이 너무 길어졌다. 숨을 좀 고르고, 이 부분은 천천히 다시 꼼꼼한 조사와 더불어 포스팅해 보자.
다음 글로 이어 애초에 정말 하고 싶었던 숙주 기르기를 이야기해 보겠다.
아.... 숙주나물 기르기가 이렇게 긴 얘기가 될 줄은...
참조 원문
1) 배진영 교수님 유튜브 강의: 유기화학 7강. 배위결합: 유기물과 메탈이온 간의 결합. 전자를 주기만 하는 혜자 결합.
2) 이미지 출처 : 공유결합, https://simple.wikipedia.org/wiki/Covalent_bond
3) Chelation in Agriculture Fertilizers: What to Know: https://andersonsplantnutrient.com/agriculture/market-feed/4911
4) 박인규 일반화학 킬레이트제 https://www.youtube.com/watch?v=zMPu5p19klc&t=579s
5) 서울대학교병원 의학정보 http://www.snuh.org/health/nMedInfo/nView.do?category=DIS&medid=AA000674
6) The role of ethylenediamine tetraacetic acid (EDTA) as in vitro anticoagulant for diagnostic purposes https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17484616/
7) Safe House Cleaning: What is Chelation? https://www.safehouseholdcleaning.com/what-are-chelating-agents/
8) 사탕수수 부산물 펄프의 DEDP 표백 시 킬레이트 전처리가 표백 효율에 미치는 영향 https://www.ktappi.kr/articles/xml/280L/
9) Effect of advanced chelate technology based trace minerals on growth performance, mineral digestibility, tibia characteristics, and antioxidant status in broiler chickens https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7596981/
10) Current Clinical Issues: Deposition of Gadolinium Chelates https://www.intechopen.com/chapters/71099
11) 피트산의 항산화 기능 https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/089158499090146A?via%3Dihub
12) 식이 IP6 및 이노시톨을 통한 암 예방 https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17044765/
Evaluating chelating agents and their effects on cellulosic pulps during P-stage bleaching.
https://link.springer.com/article/10.1007/s10570-023-05110-1
13) 신장 결석증 및 영양 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1586208/
14) Phytate Intake, Health and Disease: “Let Thy Food Be Thy Medicine and Medicine Be Thy Food” https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC9855079/
15) Bifidobacterium infantis ATCC 15697에 의한 미오이노시톨 헥사키스포스페이트 분해 https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17462768/
16) 인간 장에서 분리된 Bifidobacterium pseudocatenulatum ATCC27919와 그 프로바이오틱스 잠재력에 의한 Phytate 분해 https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0168160509003614?via%3Dihub