Applications of Advanced Analytical Methods for Food Safety

국문 초록 (Abstract)

최근 들어 세계화(globalization)와 자유 무역 협정(FTA)의 확대로 인하여 다양한 식품들이 보다 자유롭게 국내로 수입되고 있다. 또한, 경제규모의 증가와 웰빙(well-being) 식품에 대한 관심이 증가하면서 식품의 안전을 확보하는 것이 중요한 사회적 문제로 대두되고 있다. 현재, 대부분의 식품 검사는 개별 식품의 기준 및 규격에 따라 이루어지고 있다. 하지만, 유통 및 수입 식품에 대한 다양한 검사에도 불구하고, 멜라민 사고 등 수 많은 식품 사고가 지속적으로 발생하고 있다. 특히 최근에 발생한 멜라민 분유 파동 등을 겪으면서 식품 감시 체계 전반에 대한 고찰이 필요하게 되었다.
현재의 식품 검사 시스템은 일반적으로 이미 알려진 물질 (target analyte)에 대해 초점이 맞춰져 있다. 하지만, 식품에는 식품 고유의 성분과 함께 식품 첨가물, 오염 물질, 의약품 유사물질 등 훨씬 다양한 non-target analyte가 존재한다. 이러한 non-target analyte 중에는 미지의 유해물질이 포함되어 있을 가능성이 매우 높다. 따라서, 기준규격으로 관리되고 있지 않은 미지의 유해물질을 검지할 수 있는 새로운 검사 체계의 구축이 절실하다고 하겠다. 이는 기존의 target analysis와 함께 non-target analysis가 함께 이루어질 때 완성될 수 있을 것이다.
일반적으로 non-target analysis는 non-target 스크리닝과 non-target 프로파일링, 그리고 non-target fingerprinting의 분석기법으로 구분할 수 있으며, 이들 분석기법을 활용함으로써, 식품 중의 유해물질을 검지해 낼 수 있을 것이다. 본 연구에서는 식품의 안전 확보를 위한 다양한 분석적 접근을 시도함으로써 식품의 안전 확보를 위한 기초 자료를 제공하고자 하였다. 죽순 가공품 중 미지물질이 검출되어, NMR과 LC-MS/MS 등을 이용하여 그 구조를 규명하였으며, 수입 와인에 대한 원산지 판별 및 안전 확보를 위하여 headspace GC-MS를 이용하여 휘발성 성분들에 대한 프로파일링 분석을 수행하였다.
또한, 식품 중 한약재로 사용이 되고 있는 당귀의 진위판별을 위하여, GC-MS를 이용한 대사체 분석을 수행하였다. 그 결과 (Z)-ligustilide와 함께 (E)-ligustilide, α-phellandrene 등이 당귀 시료에서 특이적으로 검출되었으며, 이들 성분을 활용하여 당귀와 형태학적으로 유사한 한약재들로부터 당귀를 구별할 수 있는 기초 자료를 제시하였다.
추가적으로 조사식품에 대한 안전 확보를 위하여, 기존의 분석법을 보완할 수 있는 대체 분석법 개발을 수행하였다. 기존의 열발광분석법의 단점을 보완하기 위하여 silicate mineral 대신에 iron-containing mineral을 target으로 하여 분석법을 개선하였으며, 향신료에 대한 적용 결과 기존의 방법과 유사한 결과를 얻을 수 있었다.
이상으로 본 연구에서는 식품의 안전 확보를 위한 다양한 분석적 접근을 시도하였다. 미지물질 규명 연구를 통하여 식품 중 미지의 유해물질을 규명하기 위한 방법론을 제시하였으며, 한약재에 대한 판별이나 조사식품에 대한 검지법의 경우 다양한 시료에 대한 검증이 이루어진다면, 그 활용가치가 매우 높을 것으로 사료된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Food safety is considered as an important issue, because of globalization and increase of free-trade agreements (FTA) with many countries. Currently, most of the food inspections are carried out based on the standard and specification of individual food items. Despite of the intensive inspections, a number of food accidents occur continuously as exemplified by melamine accident. Therefore, it needs to reconsider the current analytical method for food.
Current food analysis methods are focused on selected known compounds, which are defined as target analytes. However, there are much more non-target analytes in food products, including food components, food additives, contaminants, drug analogs, etc. Therefore, to secure food safety, establishment of new food analysis system is needed. It could be achieved by combining target and non-target analysis. In general, the non-target analyses include non-target screening, metabolic profiling, and metabolic fingerprinting. Using these analytical methods, we can identify the potentially hazardous unknown compounds more easily in food.
In this study, several analytical approaches were examined to ensure food safety. In the HPLC-RI analysis for sucralose in bamboo shoots, a putative sucralose was detected. The identity of the unknown compound was revealed by HPLC-PDA, HPLC-ESI/MS/MS and NMR experiments. Finally, the chemical structure of the unknown compound was elucidated as 4-(4-dihydroxymethylphenoxy)benzaldehyde.
Metabolic profiling of imported wines for the identification of potentially unknown hazardous compounds was carried out. Also, metabolic fingerprinting of Angelica sinensis (Danggui) and A. dahurica (Baizhi) samples was carried out to distinguish one from the other. The GC-MS method turned out to be an appropriate method for the discrimination of A. sinensis from A. dahurica.
An alternative thermoluminescence (TL) method for the identification of irradiated foods was examined. TL method is the most widely used method for the identification of irradiated foods. However, in order to use this method, silicate minerals should be isolated from food samples. The process for the isolation of silicate minerals is time consuming and laborious. As alternative approach, we have investigated the applicability of the TL method using iron-containing minerals instead of silicate minerals. As a result, the TL method using iron-containing minerals could be an excellent method for the identification of irradiated foods containing no silicate minerals and/or containing iron-containing minerals.

목차 (Table of Contents)

• Chapter I. Non-target Analysis and Unknown Compound Identification in Food = 1
• 1. Introduction = 2
• 1.1. Inspection of Food Products = 2
• 1.2. Target and Non-target Analysis = 5
• 1.3. Non-target Analysis of Wines by Headspace GC-MS = 9
• 1.4. Unknown Compound Identification in Bamboo Shoots = 10
• 2. Materials and Methods = 14
• 2.1. Materials and Sample Preparation = 14
• 2.2. Preparation of Standard Solutions = 16
• 2.3. Headspace GC-MS Analysis of Wines = 16
• 2.4. HPLC-RI Analysis = 18
• 2.5. HPLC-PDA Analysis = 18
• 2.6. HPLC-ESI/MS/MS Analysis = 18
• 2.7. NMR Spectroscopy = 19
• 3. Results and Discussion = 20
• 3.1. Non-target Analysis of Wines = 20
• 3.2. Unknown Compound Identification in Bamboo Shoots = 28
• 3.2.1. Content of the Unknown Compound in Bamboo Shoots = 33
• 3.2.2. Structure Elucidation of the Unknown Compound in Bamboo Shoots = 33
• 4. Conclusions = 41
• Chapter II. Analytical Comparison of Angelica sinensis radix and A. dahurica radix by Gas Chromatography Coupled with Mass Spectrometry = 42
• 1. Introduction = 43
• 2. Materials and Methods = 47
• 2.1. Materials and Sample Preparation = 47
• 2.2. GC-MS Analysis = 47
• 2.3. Statistical Analysis = 47
• 3. Results and Discussion = 49
• 3.1. Sample Extraction = 49
• 3.2. Spectral Analysis = 49
• 3.3. Statistical Analysis = 59
• 4. Conclusions = 62
• Chapter III. A Preliminary Approach to Identify Irradiated Foods by Thermoluminescence Measurements = 63
• 1. Introduction = 64
• 2. Materials and Methods = 68
• 2.1. Samples and Irradiation = 68
• 2.2. Isolation of Silicate Minerals = 68
• 2.3. Isolation of Iron-containing Minerals = 69
• 2.4. Thermoluminescence Measurements = 69
• 3. Results and Discussion = 71
• 3.1. Identification of Irradiated Dried Spices = 71
• 3.2. TL Characteristics of Iron-containing Minerals = 74
• 4. Conclusions = 77
• References = 78
• 국문초록 = 94