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1. 엽록소 추출 및 분석
1.1. 엽록소의 종류
엽록소의 종류는 다음과 같다.
엽록소는 식물의 잎에 함유된 녹색 색소로, 식물의 광합성에 핵심적인 역할을 한다. 엽록소에는 크게 엽록소 a, 엽록소 b, 엽록소 c1, 엽록소 c2, 엽록소 d와 같은 다양한 종류가 존재한다. 이들은 모두 chlorin 구조의 tetrapyrrole 화합물로, 중심에 마그네슘 이온을 가지고 있다는 공통점이 있다.
엽록소 a는 모든 광합성 생물체에 존재하는 가장 대표적인 엽록소이다. 엽록소 b는 육상 식물과 녹조류, 유글레나 등에 주로 존재한다. 한편 일부 조류에서는 엽록소 c나 엽록소 d와 같은 다른 종류의 엽록소도 발견된다. 고등 식물의 경우 엽록소 a와 엽록소 b가 약 3:1의 비율로 존재한다.
이처럼 엽록소에는 다양한 종류가 있으며, 이는 각 엽록소가 가진 구조적 차이에 기인한다. 이러한 엽록소의 종류와 특성은 식물의 광합성 과정에서 중요한 역할을 담당하고 있다.
1.2. 종이크로마토그래피의 원리
종이크로마토그래피의 원리는 다음과 같다"
크로마토그래피(Chromatography)는 혼합물을 분리하는 실험기법 중의 하나이다. 혼합물을 구성하는 유사한 성분을 분리해낼 수 있는 분리 방법이다. 시료는 이동상에 의해서 이동을 하는데, 이러한 이동상은 관 속 또는 고체 판 위에 고정된 용해되지 않는 정지상을 통하여 지나간다. 시료 성분 중에서도 정지상과 인력이 강한 성분은 이동상의 흐름에 따라서 천천히 움직이는 반면 정지상과 인력이 약한 성분은 빠르게 이동한다. 이렇게 이동 속도가 차이나기 때문에 시료 성분들은 정성적, 정량적인 분석이 가능한 불연속적인 띠로 분리된다.
이 중에서도 종이크로마토그래피는 평면 크로마토그래피의 일종으로, 종이를 이용한 크로마토그래피 방식을 의미한다. 시료를 점으로 찍은 종이를, 용매를 얕게 채운 용기에 담그고, 밀봉된 형태이다. 용매가 종이를 타고 올라가서 시료와 만나면 시료는 용매를 타고 올라간다. 종이는 cellulose로 이루어져 있으므로 극성을 띤다. 따라서 무극성인 용질이 종이를 타고 더 잘 올라갈 수 있다. 극성을 많이 띠는 물질은 cellulose와 더 잘 결합할 수 있으므로, 잘 올라가지 못한다.
종이크로마토그래피의 종류로는 용매의 위치에 따라 Descending(내림차순), Ascending(오름차순), Ascending-descending(혼합형)이 있고, 원형 종이를 이용하는 방식과 사각형 종이를 이용하는 방식이 있다. 그중에서도 2차원 크로마토그래피란, 사각형 종이를 이용하며, 용매 2개를 사용하고, 그 사이에 종이를 90° 회전시키는 방식이다. 이는 아미노산과 같이 유사한 극성을 가진 화합물의 복잡한 혼합물을 분리하는 데 유용하다.
1.3. 엽록소 a와 엽록소 b
엽록소 a와 엽록소 b는 식물에서 핵심적인 광합성 색소로, 각각 고유한 역할과 특성을 지니고 있다.
엽록소 a는 모든 광합성 생물에 존재하는 대표적인 엽록소이다. 엽록소 a의 분자량은 893.51g/mol이며, 구조적으로 chlorin 고리의 중심에 마그네슘 이온을 가지고 있다. 엽록소 a는 광합성 반응 중심에서 빛 에너지를 직접 흡수하여 화학 에너지로 전환하는 역할을 한다. 따라서 광합성의 핵심 분자라고 할 수 있다.
한편, 엽록소 b는 육상 식물과 녹조류, 유글레나 등에서 발견되는 엽록소이다. 엽록소 b의 분자량은 907.47g/mol로 엽록소 a보다 약간 크다. 엽록소 b는 엽록소 a의 구조에서 메틸기가 포르밀기로 치환된 형태이다. 이로 인해 엽록소 b는 엽록소 a에 비해 약간 더 극성을 띠게 된다. 엽록소 b는 광계 II에 존재하며, 빛 에너지를 흡수하여 엽록소 a로 전달하는 역할을 한다.
일반적으로 고등 식물에서는 엽록소 a와 엽록소 b가 약 3:1의 비율로 존재한다. 이처럼 엽록소 a와 엽록소 b는 광합성 과정에서 상호보완적인 역할을 하며, 식물 체내에서 균형을 이루며 공존한다.
1.4. 카로티노이드계 색소
카로티노이드계 색소는 광합성을 하는 모든 생물에 존재하며, 엽록소와 함께 식물의 색을 결정한다. 이들은 빛에너지를 흡수하여 광합성을 돕고, 자외선의 유해한 작용을 막는 역할을 한다.
카로티노이드계 색소에는 두 가지 주요 종류가 있는데, 산소를 함유하고 있는 잔토필(xanthophyll)과 산소를 함유하지 않는 카로틴(carotenoid)이다. 잔토필은 하이드록시기, 카보닐기 또는 에폭시드 등의 형태로 산소를 가지고 있어 카로틴보다 극성이 크다. 분자량은 잔토필이 약 568.9g/mol, 카로틴이 약 536.87g/mol이다.
대표적인 잔토필로는 루테인(lutein)이 있으며, 카로틴에는 알파카로틴, 베타카로틴, 라이코펜 등이 있다. 이들 카로티노이드계 색소는 식물의 초록색을 마스킹하여 노란색, 오렌지색, 빨간색 등 다양한 색상을 나타내는데 기여한다.
또한 카로티노이드계 색소는 엽록소와 함께 광합성에 관여하여 태양광 에너지를 흡수하고 이를 화학에너지로 전환하는데 핵심적인 역할을 한다. 이 과정에서 발생할 수 있는 활성산소의 생성을 억제하여 광산화 스트레스로부터 식물을 보호하는 중요한 기능을 수행한다.
종합하면, 카로티노이드계 색소는 식물의 색깔과 광합성 과정에 필수적인 역할을 하는 중요한 천연 색소라 할 수 있다.
1.5. 실험 재료와 방법
실험 재료와 방법은 다음과 같다.
시약으로는 엽록소 추출액, 디에틸에테르(C2H5OC2H5), 에탄올(C2H5OH), 황산(H2SO4)을 사용하였다. 실험 기구로는 100ml 비커, 가열기, 핸드폰 불빛, 시험관, 시험관대, 스포이드를 활용하였다.
우선 엽록소 추출액(에탄올 용매를 사용하여 미리 추출)을 스포이드를 이용하여 3ml씩 1개의 시험관 A와 비커 B, C에 각각 넣었다. 그 후 시험관 A는 그대로 두고, 비커 B, C를 핫플레이트로 가열하여 에탄올을 증발시켰다. 가열된 비커 B, C를 차가운 물에 식힌 뒤, 비커 B에는 디에틸에테르 3ml, C에는 물을 3ml 넣어 녹여냈다. 녹여낸 용액들을 각각의 시험관에 옮긴 뒤, 색을 비교하여 기록하였다.
또한 앞선 실험의 A, B 시험관에 광원(핸드폰불빛)을 이용하여...
