우유 속 칼슘 정량 분석 실험

   우유의 염류는 주로 인산염(phosphate), 구연산염(citrate), 염화물(chloride), 황산염(sulphate), 탄산염(carbonate) 및 나트륨, 칼륨, 칼슘, 마그네슘의 중탄산염(bicarbonate)들이다. 20여 가지의 다른 미량원소들이 우유에서 발견되는데 여기에는 구리, 철, 아연, 그리고 요오드가 포함되어 있다. 엄밀히 말하자면 우유 단백질도 양이온과 음이온으로 하전 된 그룹을 지니고 있고 이 대(對) 이온(counter-ion)들이 염류를 형성하기 때문에 염류계에 포함되어야 할 것이지만 일반적으로 그렇게 분류되지 않는다. 신선유에서 유산염(lactate)은 존재하진 않지만 저장 중인 우유나 유제품에서 발견될 수 있다. 이들 주요 원소는 크게는 카세인(casein)과 같은 우유 단백질의 구조와 안정화에 영양을 미치고, 작게는 지질의 안정성과 몇 가지 고유한 효소들에 영향을 미치기 때문에 유제품의 영양과 제조, 가공 저장 중 그 중요성을 가진다.

우유 염류 성분 농도(mg/L 우유)
성분	평균 함량	일반적인 범위	극대극소치
나트륨	500	350-600	110-1,150
칼륨	1,450	1,350-1,550	1,150-2,000
칼슘	1,200	1,000-1,400	650-2,650
마그네슘	130	100-150	20-230
인(총 인)	950	750-1,100	470-1,440
인(무기성 인)	750
염화물	1,000	800-1,400	540-2,420
황화물	100
탄산염(CO2로서)	200
구연산염(구연산으로서)	1,750

   우유의 성분 조성은 주로 지방, 단백질 당분, 비타민, 회분 기타 무기성분등으로 구성되어 있다. 우유 중의 단백질은 카세인이 약 80%를 차지하며 수용성인 알부민이나 글로블린은 적게 포함되어 있다. 카세인은 인을 함유하는 단백질로써 칼슘 또는 마그네슘 이온과 결합되어 있다. 카세인 염은 수분 중에 미세한 입자로 콜로이드 상태로 분산되어 있기 때문에 우유에 광선을 쬐면 입자가 난반사를 일으켜 희고 불투명하게 보인다.

   우유 중의 Ca²⁺을 정량하려면 우선 우유 시료 용액에 산을 넣고 방치하여 카세인염이 분해되어 침전되도록 한다. 침전된 카세인을 여과하여 제거하고 시료 용액을 조제한다. 다음 시료 용액에 암모니아, 염화암모늄(pH10) 완충용액을 첨가하여 pH10으로 완충시킨 다음 EDTA표준용액으로 적정한다.

EDTA와 Ca2+의 결합

 

  이와 같이 하면 Ca²⁺를 모두 적정할 수 있다. Ca²⁺의 적정은 따로 취한 시료 용액을 NaOH용액으로 pH를 12~13으로 조절한 다음 EDTA표준 용액으로 적정하면 된다.

pH12~13 에서 Ca2+가 반응한다.

 

  기본 상태에서 EDTA분자는 H⁺이온을 잃고 주위를 둘러싼 Ca²⁺이온과 여러 가지 발(Chelate)을 내어 반응한다. 만일 Na₂(EDTA)의 용액(EDTA의 이중염)이라면, 염기로 만든 다음, 우유와 함께 취급하면 착물화 반응이 이루어진다.

Na2(EDTA)의 분자구조

 

  주목해야 할 것은 Ca²⁺와 EDTA는 1대 1 비율로 반응한다. 우유 속에 다른 이론(예를 들면 Mg²⁺)이 비슷한 반응을 하는 것을 막기 위해서 pH를 상당히 높게 만든다.

 

Formation constans :

Mⁿ⁺ + Y^4- ⇄ MY^n-4

K_f = [MY^n-4] / [Mⁿ⁺][Y^4-]

 

  (13·13.5)Na₂(EDTA)를 넣은 후 공급 한계까지 우유를 계속 첨가한다. Ca²⁺(aq)은 즉시 다중 결합 착물을 형성 한다. 만약 Ca²⁺(aq) 자유 이온의 존재에 따라 색이 변하는 올바른 지시약은 칼세인(Calcein)이다.

 

칼세인의 분자구조 

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🧪 실험 기구 및 시약

 

Na₂(EDTA) 수용액(Ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt solution), CaCl(Calcium chloride), 칼세인 지시약(Calcein solution), 3종류의 신선한 우유, 8 M KOH(Potassium hydroxide solution), 뷰렛, 스탠드, 뷰렛 홀더, 눈금 피펫(5 mL, 10 mL)

 

1. Na₂(EDTA)용액의 표준화

 

EDTA 색변화 전

① 약 5 g의 Na₂(EDTA)∙H₂O와 1 g의 NaOH을 500 ml의 물에 녹여서 EDTA 용액을 만든다.

② Ca²⁺ 표준 용액을 제조한다.

- 고순도의 CaCl₂을 이용하여 1 M, 0.1 M, 0.01 M 농도의 용액을 만들고, 이 표준 용액을 이용하여 EDTA을 적정하여 정확한 농도를 계산한다.

③ 뷰렛에 Ca²⁺ 표준 용액을 채운다.

④ 피펫으로 5 ml의 EDTA 용액과 50 ml의 이온화되지 않은 물을 첨가하고, 1.0 ml의 8 M KOH(aq)(pH를 13~13.5까지 올리기 위하여) 삼각플라스크에 첨가한다.

⑤ 칼세인 지시약 용액 3방울을 첨가한다. (용액은 분홍색이다.)

⑥ Ca²⁺용액으로부터 이 용액을 적정한다.

⑦ 뷰렛으로부터 Ca²⁺ 용액을 이 용액의 색이 분홍색으로부터 지속적인 녹색으로 될 때까지 첨가한다.

⑧ 뷰렛의 눈금을 기록한다. (뷰렛 눈금을 0.01 ml까지 읽는다.)

⑨ 표준화는 최소한 3번의 측정을 반복한다.

 

우유 색변화 전

2. 신선한 우유 속 칼슘 측정

 

① 3종류의 신선한 우유를 눈금 피펫으로 분취한다.

② 시료 2.5 mL를 250 mL 플라스크에 넣고 증류수 15 mL로 희석시킨다.

③ 1.0 mL 8 M KOH를 플라스크에 추가한 뒤 3방울의 칼세인 지시약을 넣는다.(녹색, pH 10~13.5)

④ 시료 용액을 표준화한 Na₂EDTA로 적정한다.(분홍색)

⑤ 각 시료에 전 과정을 세 번 반복한다.

 

 

 

 

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🧪 실험 결과

 

1. Na₂(EDTA)용액의 표준화

	1 M CaCl2 (mL)	0.1 M CaCl2 (mL)	0.01 M CaCl2 (mL)
1회	0.5	1.5	16.0
2회	1.3	2.0	14.7
3회	0.9	1.9	18.5
평균	0.9	1.8	16.4

✔ Na₂(EDTA) 몰농도

 

M_CaCl2 ⨉ V_CaCl2 = M_EDTA ⨉ V_EDTA

 

1 M ⨉ 0.9 mL = M_EDTA ⨉ 5 mL

0.1 M ⨉ 1.8 mL = M_EDTA ⨉ 5 mL

0.01 M ⨉ 16.4 mL = M_EDTA ⨉ 5 mL

 

M_EDTA 평균값 = 0.08 M

 

2. 신선한 우유 속 칼슘 측정

	A 우유	B 우유	C 우유
제품명/제조사	맛○○ / ○○유업	고칼슘 ○○ / ○○식품	○○우유 / ○○우유
100 mL 당 Ca2+ 함유량(mg)	113	142	100

※ DATA

EDTA 적정량	A 우유 (mL)	B 우유 (mL)	C 우유 (mL)
1회	1.2	2.1	0.7
2회	1.7	1.9	0.5
3회	1.3	1.7	0.9
평균	1.4	1.9	0.7

 

✔ A 우유

M_A × V_A = M_EDTA × V_EDTA

M_A × 2.5 mL = 0.08 M_EDTA × 1.4 mL

M_A = 0.0448 M

Ca²⁺ = 0.0448 mol/L × 40 g/mol_Ca = 1.792 g/L = 179.2 mg/100 mL

 

✔ B 우유

M_B × V_B = M_EDTA × V_EDTA

M_B × 2.5 mL = 0.08 M_EDTA × 1.9 mL

M_B = 0.0608 M

Ca²⁺ = 0.0608 mol/L × 40 g/mol_Ca = 2.432 g/L = 243.2 mg/100 mL(뭐지?)

 

✔ C 우유

M_C × V_C = M_EDTA × V_EDTA

M_C × 2.5 mL = 0.08 M_EDTA × 0.7 mL

M_C = 0.0224 M

Ca²⁺ = 0.0224 mol/L × 40 g/mol_Ca = 0.896 g/L = 89.6 mg/100 mL