Dispersive liquid-liquid microextraction과 dispersive solid?liquid extraction을 이용한 식품 중 미량유해물질 분석법 연구

국문 초록 (Abstract)

식품의 제조 및 가공 과정에서는 다양한 유해물질이 생성될 수 있다. 대표적으로 가열 공정에 의해 생성되는 다환방향족탄화수소(polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs)와 발효 공정을 통해 생성되는 바이오제닉아민(biogenic amines, BAs)이 해당된다. 이러한 물질들은 발암성과 같은 부정적인 영향으로 인해 여러 국가에서 다양한 식품군에 대한 기준 및 규격, 최대허용량을 설정하여 규제하고 있으며 관리 대상으로 주목받고 있다. 하지만 현재 식품 공전 시험법에 등재된 벤조피렌 시험법은 2007년도에 확립된 시험법으로 최신 분석기술이 반영되어 있지 않으며 다양한 식품군에 적용하기 어렵다는 한계가 존재한다. 바이오제닉 아민의 경우 공인된 표준 시험법이 부재한 실정이다.


PAHs는 고온, 불완전 연소 시 생성되며 2개 이상의 벤젠고리로 이루어진 화합물이다. 최초로 화학물질과 암의 상관관계에 대해 규명한 물질이며 국제암연구소에서는 이 중 벤조피렌을 1급 발암물질로 지정하였고 benzo(a)anthracene, chrysene, benzo(b)fluoranthene과 함께 PAH4로 불리며 식품 중 최대허용량에 대해 규제하고 있다.


BAs의 경우 주로 동식물과 미생물의 대사과정에서 유리아미노산의 탈탄산반응을 통해 생성된다. 세포 성장 조절, 혈압 조절, 신경 전달 등의 반응에 관여하며 생리적 기능에 필수적이나, 일정 농도 이상에서는 두통, 고혈압, 히스타민 중독 등의 부정적 증상을 보일 가능성이 있다. 이에 따라 다양한 연구에서는 식품 중 BAs의 허용 범위를 제시하고 있으며 식품 위해 요인으로 인식되어 관리의 필요성이 제기된다.


식품 유형이 확대됨에 따라 이러한 미량 유해물질을 보다 효율적이고 친환경적으로 분석할 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다. 본 연구에서는 dispersive solid-liquid extraction (d-SLE)과 dispersive liquid-liquid microextraction (DLLME)을 적용하여 감초 및 apple cider vinegar (ACV)에서 PAH4 및 BAs를 정량할 수 있는 분석법을 개발하고자 하였다.


색소, 지질 등 매트릭스 간섭 물질은 미량으로 존재하는 유해물질의 정량 및 정성에 영향을 미칠 수 있다. 기존 연구에서는 이러한 간섭을 최소화하기 위해 다양한 전처리법을 적용하였으나, 유기용매의 다량 사용과 복잡한 공정과 같은 한계점이 존재하였다. 본 연구에서 이용한 두 분석법은 적은 양의 유기용매로도 높은 정제효율을 확보할 수 있으며, 절차가 간단하여 실험자 간 편차를 최소화할 수 있다는 장점이 있다. 또한 친환경 용매로 여러 분야에서 주목받고 있는 심층공융용매(deep eutectic solvent, DES)를 분석 용매로 적용함으로써 분석법의 친환경성과 타당성을 동시에 확보하고자 하였다.


합성한 소수성 DES (HDES)는 tetrabutylammonium bromide와 α-terpineol을 HBA, HBD로 이용하여 type Ⅲ DES로 제조하였다. 일반적으로 소수성 특성을 가지는 DES는 비이온성 분자들의 조합으로 합성되는 typeⅤ로 제조 가능하지만, 약한 분자 간 상호작용과 조성의 다양성이 제한적이라는 한계가 존재한다. 본 연구에서 이용한 type Ⅲ DES는 이온성 특성을 유지하면서도 소수성 환경을 제공할 수 있어 추출 선택성에 유리할 것으로 판단되었다. 합성한 HDES는 FT-IR 및 COSMO-RS 분석을 통해 분자 구조 및 상호작용과 같은 화학적 특성에 대해 규명하며 BAs 분석에 적합한 용매임을 확인하였다.


본 연구에서는 개발된 분석법의 주요 조건을 최적화하여 각 식품군에서의 유해물질 검출에 가장 효율적인 조건을 설정하였으며, 밸리데이션을 통해 각 항목에 대한 국제적 기준에 따라 분석법의 신뢰성 및 유효성을 검증하고자 하였다. 마지막으로 최적화된 시험법을 실제 시중 유통 중인 다양한 시료에 적용하여 유해물질 함량을 모니터링함으로써 식품 안전성 평가에 기여하고자 하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aimed to develop analytical methods for detecting trace hazardous compounds generated during food processing. The research focused specifically on polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) formed during heating process and biogenic amines (BAs) produced during fermentation. To achieve efficient extraction and purification, both d-SLE and DLLME approaches were applied, with deep eutectic solvents (DESs) synthesized as alternatives to conventional organic solvents for the DLLME method. The structural and physicochemical properties of the DESs were examined using FT-IR analysis and COSMO-RS predictions to confirm their suitability for extracting target analytes. The optimized and validated methods demonstrated high reliability and efficiency, and their application to commercial food samples provided practical insight into PAH and BA contamination in real products. Overall, the findings indicate that the proposed d-SLE and DES-DLLME methods can be applied to various food matrices and offer an effective strategy for the qualitative and quantitative determination of processing-related hazardous substances.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 부 Dispersive solid-liquid extraction을 이용한 감초 뿌리 (Glycyrrhiza uralensis Fisch.)에서의 polycyclic aromatic hydrocarbons 검출법 개발 연구 1
• 제 1 장 서 론 1
• 제 2 장 재료 및 방법 4
• 제 1 절 시약 및 실험 재료 4
• 제 2 절 실험방법 4
• 제 1 항 감초 뿌리에서의 PAH4 추출 5
• 제 2 항 D-SLE를 통한 PAH4 추출 6
• 제 3 항 PAH4의 정성 및 정량 분석 7
• 제 4 항 시험법 밸리데이션 및 matrix-effect 평가 8
• 제 3 장 결과 및 고찰 10
• 제 1 절 감초뿌리의 PAH4 분석 10
• 제 2 절 시험법 최적화 12
• 제 1 항 추출 용매 최적화 12
• 제 2 항 정제 과정 최적화 13
• 제 3 절 시험법 밸리데이션 결과 17
• 제 1 항 밸리데이션 기준 17
• 제 2 항 선형성 17
• 제 3 항 검출한계 및 정량한계 18
• 제 4 항 정확성 및 정밀성 18
• 제 5 항 Matrix-effect 19
• 제 4 절 시중 감초 뿌리의 PAH4 분석 21
• 제 5 절 시험법 비교 23
• 제 4 장 결 론 25
• 제 2 부 Deep eutectic solvent (DES)와 dispersive liquid-liquid microextraction을 이용한 사과 사이다 식초에서의 친환경 biogenic amines (BAs) 검출법 개발 연구 26
• 제 1 장 서 론 26
• 제 2 장 재료 및 방법 30
• 제 1 절 시약 및 실험 재료 30
• 제 2 절 실험방법 31
• 제 1 항 BAs 추출을 위한 HDES 제조 31
• 제 2 항 DES의 fourier transform infrared spectroscopy 31
• 제 3 항 COSMO-RS를 통한 HDES의 시뮬레이션 32
• 제 4 항 ACV에서의 BAs 유도체화 33
• 제 5 항 HDES를 활용한 DLLME 이용 BAs 추출 33
• 제 6 항 BAs의 정성 및 정량 분석 34
• 제 7 항 시험법 밸리데이션 및 matrix-effect 35
• 제 8 항 통계 처리 36
• 제 3 장 결과 및 고찰 37
• 제 1 절 BAs 추출 용매로의 HDES 추출 효율 37
• 제 1 항 HDES 최적화 37
• 제 2 항 HDES의 화학적 특성 분석 40
• 제 2 절 시험법 최적화 44
• 제 1 항 추출 용매 최적화 44
• 제 2 항 분산 용매 최적화 46
• 제 3 항 유도체화 조건 최적화 49
• 제 3 절 시험법 밸리데이션 51
• 제 1 항 선형성 51
• 제 2 항 검출한계 및 정량한계 51
• 제 3 항 정확성 및 정밀성 52
• 제 4 항 Matrix-effect 52
• 제 4 절 시중 ACV의 BAs 분석 55
• 제 4 장 결 론 57
• 참고문헌 58
• Abstract 72