지방 검출 시 수단III 방법을 대체할 수 있는 생활 속 효소를 이용한 지방 검출 방법 개발

2019 대한민국과학교사큰모임 발표자료입니다. 다른 곳에 인용하실 때는 반드시 출처를 밝혀 주시기 바랍니다.

경기 구리고 윤용근

  ‘학교에서 하는 실험 중에 진자 실험은 거의 없다. 우리가 그것을 실험이라고 부르는 것은 우리 모두(교사와 학생)가 습관적으로 그래 왔기 때문이다.’ ‘선생님은 그 날 하기로 되어 있던 실험의 지시 사항을 읽으라고 시켰다. 정말 어리석은 일이다. 해마다 이 선생님은 학생들에게 똑같은 실험을 시킨다. 아니 사람들이 그렇게 많이 반복해서 그 실험을 했다면, 그게 어떻게 여전히 실험인가? 선생님은 결과가 어떻게 될지 알고 있다. 나는 실험이란 어떤 결과가 나오는지 알아보기 위해 새로운 것을 시도하는 것이라고 생각했다. 우리는 전혀 실험을 하고 있지 않았다. 우리는 연극을 하고 있었다.’- Wellington(1998)

1. 실험 수업 개발 동기

   실제로 학교 현장에서 오랫동안 영양소 검출 반응 실험을 지도하면서 수단 III을 이용한 지방 검출 실험은 학생들에게 설명할 때 상당한 어려움을 겪는 실험이다. 수업에서 교사는 ‘미지의 시료에 수단 III 용액을 처리하면 선홍색으로 변한다.’라고 설명을 한다. 반면 학생들은 단순히 실험 보고서에 제시된 순서에 따라 기계적으로 검출 반응을 실시하고 자신이 관찰한 것과는 상관없이 지방이 있는 시험관을 관찰한 결과에 ‘선홍색’이라고 선생님이 설명대로 실험 보고서에 기록한다. 어떻게 하면 이런 모습의 수업을 벗어날 수 있을까? 이번에 소개하는 실험은 경기도 의정부시에 있는 송현고등학교에 근무하는 김정미(생물전공)선생님과 공동으로 개발한 실험이다. 기본적인 접근은 단편적이고 요리책적인 학교 실험 활동을 단순히 결과를 확인하는 실험에서 벗어나 개념 학습을 통해 배운 지식과 실험 수업을 통해 익힌 기초 실험 능력을 바탕으로 일상의 경험과 관련이 있는 상황 속에서 탐구할 수 있는 활동 경험을 제공함으로써 과학에 대한 흥미 유발, 과학적 사고력, 과학적 탐구 능력 향상에 도움을 줄 수 있는 실험 수업을 해보자는 취지에서 개발하였다.

2. 이론적 배경

   1. Design Space 모형 적용한 교수 모델은 디자인 스페이스 (Design space)로 다음과 같은 요소로 구성되어 있다.
      • 경험(experience): 학생들이 앞으로 행할 탐구 활동의 경험
      • 과학 탐구 기술(scientific inquiry skill): 적용 가능한 절차적인 방법 습득
      • 과학적 지식(scientific knowledge): 사실, 원리, 이론, 그리고 법칙
        
        [그림 1] Design Space.
      • 경험, 과학적 탐구 기술, 과학적 지식이 겹쳐지는 영역에서 Design Space가 적용된다.디자인 스페이스(Design space) 모형에 기초하여 2015 개정 교육과정을 분석한 결과는 [그림 2]와 같다.
        

   2. 지방 염색법지방 염색은 염색질과 유사분열을 발견한 독일의 생물학자 플레밍(Walther Flemming, 1889)이 Osmic acid를 이용한 염색법을 발견한 이래로 Daddi(1896)의 SudanⅢ 염색법, Herxheimer(1901)의 Sudan Ⅳ 염색법 등 많은 방법들이 개발되었으며, 굴절률이나 중굴절률을 이용한 물리적 검증법이나 추출법 및 추출물질의 분석법 등도 개발되어 이용되고 있다(오근영, 1988). 하지만 지방의 검출은 염색 시약의 상태, 염색 시간, 시약의 안정성 등에 크게 영향을 받아 쉽지 않다.
      

      방법 종류		염색성				용해성(내온)			편광에 의한 중굴절성
      		Sudan Ⅲ Sudan Ⅳ	Oil red O	Sudan black B	Nile Blue	alcohol	chloroform	acetone
      단순 지질	중성지방	적	밝은 적	흑-흑청	적	용해	용해	용해	–
      	Cholesterin․ester	황적	적등	암청	담적	용해* 불용성**	용해	용해* 불용성**	전굴성(침상) 중굴성(+字)
      복합 지질	인지질	담적	적	흑	청	용해	용해	불용성	중굴성(+字)
      	당지질	담적	적	흑		용해	용해	불용성	중굴성(+字)
      유지질	지방산	황적	적등	흑	청	용해	용해	용해	–
      *: Cholesteriner, **: Cholesterin․ester 출처: 오근영(1988), p. 71을 재구성함

   3. 수단 Ⅲ 반응에 대한 이해일반적으로 조직 성분에 녹는 염료를 통상 용해성 염료(Lysochrome)라 부르며, 이들 중 지용성 성질을 갖고 있는 것을 지용성 염료(fat-soluble dye)라 한다. 이 염료들은 자신들의 용매(Alcohol 또는 Propylene glycol)보다 지질에 더 잘 용해되므로 조직 내의 지질만 선택적으로 염색하게 된다(pathopeople 웹 자료). 이러한 성질을 이용하여 생물학 분야에서는 생물의 조직세포 속에 있는 지방 성분을 검출할 때 사용하는 염료로는 수단 Ⅲ, Oil Red O, Sudan IV, Sudan Black B 등이 있다. 이러한 염료 중학교 교육과정에서 영양소 검출 반응에서 오일, 지방, 왁스 등의 비극성 물질을 검출하는데 사용되는 대표적인 염료가 수단 Ⅲ이다.
      

3. 수단 Ⅲ 반응에 대한 설명 분석

   1. 수단 III 반응에 대한 기존의 설명들
      
   2. 수단 III 반응에 대한 교과서의 설명들
      
   3. 제조법에 따른 수단 Ⅲ 반응의 차이
      

4. Design Space 모형을 적용한 실험 수업

   구안중학교에서 배웠던 과학적 탐구기술인 ‘영양소 검출 반응’을 학습자의 경험과 결합시키기 위해 초등학교 6학년 [6과12-01] ‘생물체를 이루고 있는 기본 단위인 세포를 현미경으로 관찰할 수 있다.’와 [12생과Ⅰ01-01] ‘생물의 특성을 이해하고, 생물과 비생물의 차이점을 설명할 수 있다.’(교육부, 2015)에서 제시하고 있는 과학적 지식인 세포설의 도구적 의미를 생성하기 위해 다음과 같은 두 가지 질문을 구성하였다.질문 1. 생물체를 이루고 있는 기본 단위이다. 영양소를 저장하는 것도 세포 내부가 아닐까? 질문 2. 그렇다면 녹말과 지방과 같은 영양소들도 세포 내에 존재하는 것이 아닐까?
   
   이어 소화 효소에 대한 개념적 지식을 적용하고, 리파아제의 작용, 산염기 지시약인 페놀프탈레인, 생활 속 효소 제품을 이용하는 단계로 확장하였다.
   

   1. [활동 A] 영양소 검출(바나나 물관)
      1. 필요한 것들
         • 바나나(조별 1개)
         • 베네틱트 용액, 요오드-요오드화 칼륨용액(I2-KI)용액, 수단Ⅲ 용액 5%, NaOH 수용액, 1% 황산구리(CuSO4) 수용액
         • 현미경, 받침 유리, 덮개 유리, 거름종이, 핀셋, 해부침, 비커
      2. 실험에서 유의할 점 현미경을 이용하여 관찰하기 위해 현미경 표본을 만드는 과정에서 영양소 검출 시약이 손에 묻을 수 있으므로 반드시 실험용 장갑을 끼고 실험할 수 있도록 한다.
      3. 이렇게 하세요
         1. 아래 그림 1과 같이 바나나 껍질을 벗긴 뒤 해부침을 이용하여 물관 조직을 벗겨 낸 뒤, 그림 2와 같이 받침유리에 물관 조직을 붙인다.
            
         2. 베네딕트, 요오드, 뷰렛, 수단 III 용액을 몇 방울씩 떨어뜨리고 5분 정도 기다린다.
            
         3. 덮개 유리를 덮은 후, 현미경으로 관찰한다.
            
         4. 영양소 검출 반응에 의해 반응이 나타난 곳을 관찰하여 그린다.
   2. [활동 B] 생활 속 효소 이용하기
      1. 필요한 것들 소화제 3종, 세탁세제 2종, 막자, 막자사발, 약수저, 코니컬튜브(15ml, 30ml), 원심분리기, 1회용 스포이트, 가용성 녹말, 페놀프탈레인, 5% NaOH 수용액, 아이오딘-아이오딘화 칼륨 용액, 온장고, 12홀 홈판, 500ml 비커, 핫플레이트, 1000ml 삼각플라스크, 랩, 1회용 반찬컵, 아가로즈 분말, 핀셋(정밀작업용), 거름종이, 펀치
      2. 이렇게 하세요
         1. 세 종류의 소화제와 두 종류의 세탁세제를 준비한다.
         2. 소화제 3종을 막자사발을 이용하여 분쇄한 후 코니컬 튜브(15ml)에 담는다.
            
         3. 분쇄된 소화제가 든 코니컬튜브에 각각 10ml의 증류수를 넣고, 흔들어서 잘 섞이도록 한다.
            
         4. 코니컬튜브를 원심분리기에 넣고 원심분리(7000rpm?, 2분)한 후, 상등액(소화제 수용액)만을 다른 코니컬튜브에 옮겨 담아 소화제 용액을 만든다.
            
         5. 1% 녹말 수용액과 우유 각 1ml를 12홀 홈판에 넣는다.
         6. 홈판의 해당 홈에 소화제 B, F, H 용액과 세탁세제 1, 2의 용액을 각각 1ml 넣고 2분간 실온에 방치한다.
            
         7. 홈판의 녹말 부분에는 아이오딘-아이오딘화 칼륨 용액 3방울을, 우유 부분에는 페놀프탈레인, 5% NaOH 수용액 혼합액(1:1) 3방울을 넣습니다.
      3. 이런 방법도 있어요!!!
         1. 녹말 수용액과 우유, 아가로즈 분말을 이용하여 1회용 반찬 용기(유산지 또는 은박지)에 녹말-아가로즈 겔, 우유-아가로즈 겔을 만든다.
         2. 홈판에 B, F H 소화제 용액을 담은 뒤, 펀치로 뚫은 거름종이를 소화제 용액에 담가 둔다.
            
         3. 바닥에 놓인 종이에 B, F H 소화제 놓을 부분을 표시한 후, a)에서 만든 겔을 놓고 b)에서 만든 B, F H 소화제 용액이 묻은 거름종이를 올려놓는다.
         4. c 의 겔을 온장고에 5~10분 간 넣어두었다가 꺼낸 뒤, 올려둔 거름종이를 핀셋으로 떼어낸다.
            
         5. 녹말-아가로즈 겔에는 아이오딘-아이오딘화 칼륨 수용액 3방울을, 우유-아가로즈 겔에는 페톨프탈레인용액과 5% NaOH 수용액 혼합액 3방울을 넣고 변화를 관찰한다.
      4. 알아두면 좋아요.
         1. 동절기에는 50℃의 핫플레이트 위에 두거나 온장고 안에 2분 간 넣습니다.
         2. 우유에 포함된 지방이 소화효소(라이페이스)에 의해 분해되면 지방산이 생성되면서 pH가 감소하게 됩니다.
         3. 페놀프탈레인은 산성 또는중성 용액에서는 무색이지만, pH8 이상의 염기성 용액에서는 붉은색을 띱니다.

[참고문헌]

• 박영신, 2006, 교실에서의 실질적 과학 탐구를 위한 과학적 논증 기회에 대한 이론적 고찰, Jour. Korean Earth Science Society, v. 27, no. 4, pp. 401−415.
• 오근영, 1988, 지방 염색법에 대한 고찰, 대한임상병리사회지, 제20권 제1호, pp. 66~72.
• Wellington, J. J. Practical Work in School Science: WhichWay Now; Wellington, J. J., Ed.; Routledge: New York, 1998; pp. 14～15.