반자동형 극저온 농축장치와 GC-MS를 이용한 마늘의 휘발성 성분 분석

Abstract

냄새의 원인이 되는 휘발성 성분들은 그 종류가 다양하고 최소감지값(TLV, thereshold limit value)이 낮아 극미량에서도 냄새를 유발하기 때문에 명확하게 원인 물질 규명할 수 없는 단점을 가진다. 기기분석에 의한 휘발성 성분의 냄새 평가는 관능검사법으로 해결할 수 없는 과학적인 정보를 제공함에 있어 휘발성 성분에 대한 농도를 측정하고 냄새 특성을 평가하기 위해서 종합적이고 체계적인 분석방법이 필요하다. 휘발성 성분을 농축하여 주입하는 여러 기술들이 있지만, 최근에 대두되어지고 있는 극저온농축주입방법의 경우 극저온에서 농축이 이루어지기 때문에, 상온에서 쉽게 농축하기 힘든 물질들을 농축할 수 있다. 또한 높은 온도로 탈착이 이루어지는 상온농축주입방법에 비해서 낮은 온도에서도 탈착이 이루어지기 때문에 열에 민감한 물질들의 손실을 최소한으로 줄일 수 있는 장점을 가진다. Gas chromatography(GC)를 이용한 분석방법에 있어 사실상 시료의 농축 및 주입방법에 많은 연구가 이루어져야 하는 실정이다. 이에 따라 본 연구에서는 휘발성이 강한 물질의 농축이 용이한 극저온 농축주입장치와 GC-mass selective detector(MSD)를 이용하여 동시다분석의 가능성을 확인할 필요성이 있다. 신뢰할만한 정량분석자료를 생산할 수 있는 반자동형 극저온 농축주입장치의 개발과 이에 대한 적합한 운전조건의 확인이 필요하여, 먼저 극저온농축장치의 탈착 및 농축량에 대한 특성을 조사하였으며, GC-MS에 극저온으로 농축 주입하여 분석할 때 필요한 GC의 조건을 선정하였고, 조건에 따라 알데히드 및 황 화합물 표준가스를 이용하여 재현성 및 검량특성 그리고 검출한계를 일반적인 시료를 분석함으로써 극저온 농축 주입 및 검출과정에 이르기까지 보다 신뢰성 있는 정량 분석을 위한 절차와 방법을 소개하고자 하였다. 1. 200ppb 농도의 aldehydes와 10ppm의 sulphurs를 500mL를 농축하여 Tenax TA, Carbosive, Carbon Nano Tube (CNT) 그리고 Active FE(활성탄)에 각기 흡착하여 150℃에서 탈착하였다. Tenax TA를 기준으로 하여 CNT와 AFE를 비교하였을 경우, CNT의 경우 Tenax TA에 비해 알데히드가 3배에서 크게는 6배까지 차이가 나는 것을 알 수 있었으며, AFE는 약 1.8배에서 2.5배 차이가 나는 것을 알 수 있었다. 황 화합물의 경우 CNT는 Tenax TA에 비해 3배 정도 낮았으며, AFE의 경우 3.9배에서 크게는 8배 정도 차이가 나는 것을 알 수 있었다. 그 결과 일반적으로 60～150℃에서도 탈착이 용이한 glass bead를 농축관의 흡착제로 선정하였다. 2. 상대습도가 높을수록 ice blocking 현상이 빠른 시간에 일어나며, 농축할 수 있는 용량이 지수 함수적으로 감소하는 특성이 나타나는 것을 알 수 있었다. 반자동형 극저온 농축주입장치의 농축특성은 상대습도 80%인 경우 1800mL, 45%인 경우 2500mL 이상으로 농축이 가능한 것을 확인하였다. 3. 농축튜브의 heating rate는 3.38°C/sec 로 나타났으며, hydrogen sulfide의 끓는점 (-60.2°C) 까지 도달하는데 소요되는 시간은 43초 인 것을 확인하였다. 4. 농축관의 사전예열로부터 컬럼으로 탈착가스가 도입되는 시간은 10초～30초가 적합한 것으로 조사되었다. 탈착온도를 60℃, 85℃, 95℃, 105℃, 125℃로 하여 탈착 하였을 경우 85℃에서 peak area가 높았으며, 125℃ 이상의 경우 탈착한 경우 peak area가 감소하였고, 125℃에서는 peak의 쪼개짐 현상을 관찰할 수 있었다. 5. 알데히드와 황 화합물 표준가스를 이용하여 얻어진 결과로 Split ratio는 65, Purge flow는 2 mL/min의 경우, 이산화탄소 및 수분의 영향이 이 비교적 적고, base 라인이 어느 정도 낮으면서 peak들의 분리도가 괜찮은 것으로 생각되어졌다. 6. 1ppm의 알데히드 100mL을 농축 주입한 경우 표준편차의 경우 표준편차는 0.06이하 상대표준편차의 경우 0.76%이하의 값을 보였으며, 2ppm 황 화합물의 경우 표준편차 0.06, 상대표준편차 0.21%로 나타났다. 150ppb 알데히드 70ppb 황 화합물의 혼합 표준가스의 경우 표준편차 0.14이내, 상대표준편차의 경우는 8.12%로 나타났다. TO14의 재현성을 조사한 결과 상대표준편차가 6.5%이내인 것을 확인하였고, TO15의 경우는 3%이내인 것을 확일 할 수 있었다. 7. 500ppb의 알데히드 6종과 황 화합물 3종을 100mL, 200mL, 300mL, 500mL로 농축하여 직진성을 조사한 결과 알데히드 6종과 황 화합물 3종의 경우 각각 R2값이 0.991이상의 값을 나타내어 농축주입 능력이 양호한 것으로 나타내었다. 8. 마늘의 향기성분을 분석한 결과 44개의 물질이 정량되었고, allyl methyl sulfide는 전체 피크 면적의 22.8%로 나타났으며, diallyl disulfide는 21.8%, dimethyl disulfide는 18.6%, diallyl trisulfide는 17.7%, diallyl tetrasulfide는 5.7%로 전체 피크 면적의 86.6%를 함유한 것을 확인할 수 있었다. 또한 최소감지값(TLV) 따라 allyl methyl sulfide, diallyl disulfide, dimethy disulfide, diallyl trisulfide, butanal, acetaldehyde 그리고 dimethyl sulfide로 7가지 향기성분이 마늘의 주요 냄새 원인물질로 규명하였다.

There are various kinds of volatile substances that are the very source of odor. Because they are low in threshold limit value(TLV), those substances make odor even when they are infinitesimal in amount, making difficult to find the cause of such odor. Analyzing the odor of volatile substances provide scientific information that cannot be obtained by sensory tests. For the analysis, comprehensive, systematic methods that can measure the concentration and odor qualities of each of the substances are required. There are many technologies of concentrating and injecting volatile substances. Out of the technologies, recently, cryogenic concentration injection is often used. This method allows substances, which are difficult to be concentrated at normal temperature, to be concentrated at extremely low temperature. Unlike normal-temperature concentration injection that allows desorption only at high temperature, cryogenic concentration injection allows desorption even at low temperature, minimizing the loss of substances that are very sensitive to heat. In regard to using gas chromatography(GC) to analyze odor qualities as mentioned above, it is still needed to further research how to concentrate and inject test specimens. Thus the purpose of this study is to determine the possibility of simultaneous, multi-analyses on strongly volatile substances by using cryogenic concentration injection equipment, which can easily concentrate such substances, and gas chromatography-mass detector(MSD). For the purpose, it was first needed for this researcher to develop a semi-automatic cryogenic concentration injection equipment and determine appropriate operation conditions of the system. Then the researcher examined both desorption and concentration characteristics of the equipment, and determined GC conditions required for the concentrated injection of volatile substances to GC MS. Under the conditions, the researcher examined the repeatability, calibration curve characteristics and certificated reporting limits of test specimens by using the standard gas of the mixture of aldehyde and sulfuric compound. Now the researcher provides the procedures and methods of reliable quantitative analyses ranging from cryogenic concentration injection to detection. Total 500 mL of aldehyde and sulfur, respectively 200 and 100 ppbs in concentration, was concentrated and absorbed into Tenax TA, Carbosive Carbon Nano Tube(CNT) and Active FE(activated carbon) and then desorbed at the temperature of 150℃. As results, aldehyde from Tenax TA was about 3 up to 6 times higher in peak area than that from CNT. And aldehyde from Tenax TA was about 1.8 to 2.5 times higher in peak area than AFE. In addition, sulfuric compound from CNT was about 3 times lower in peak area than that from Tenax CNT. And sulfuric compound from AFE was about 3.9 up to 8 times lower in peak area than that from Tenax TA. Based on these results, the researcher chose glass bead, which allows an easy desorption even at 60～150℃, as an absorbent for the concentration tube. (unit : peak area × 10,000) Higher relative humidity brings ice blocking in a shorter time. It also brings decrease in the amount of concentration in an index function form. Meanwhile, it was found that in case of using cryogenic concentration injection equipment, more than 1800 ml concentration at the relative humidity of 80% and more than 2500ml at that of 45% were possible. The heating rate of the concentration tube was found 3.38℃/sec. Time taken to reach the boiling point of hydrogen sulfide(60.2℃) was found 43 sec. It was better to take 10～30 sec from pre-heating the concentration tube to introducing desorbed gases to the column. In case of desorption at 60, 85, 95, 105 and 125℃, peak area was highest at the second temperature, or 85℃. Peak area decreased at the desorption temperature of more than 125℃. Peak splits were observed at the desorption temperature of 125℃. Results from using the standard gas of the mixture of aldehyde and sulfuric compound showed that under the conditions of the split ratio of 65 and Purge Flow 2 mL/min, both peak area and peak height were relatively less influenced by carbon dioxide and moisture and relatively lower in base line and the degree of peak separation was relatively better. When 100mL of 1-ppm aldehyde was concentrated and injected, the standard deviation and relative standard deviation of the mean of peak areas were 0.06 or below and 0.76% or below, respectively. When 2-ppm sulfuric compound was concentrated and injected, the standard deviation and relative standard deviation of the mean of peak areas were 0.06 and 0.21%, respectively. When the standard gas of the mixture of 150-ppb aldehyde and 70-ppb sulfuric compound was used, such standard deviation and relative standard deviation were 0.14 or below and 8.12%, respectively. When the repeatability of TO14 was examined, such relative standard deviation was 6.5% or below and when that of TO15 was done so, 3% or below. Testing the linearities of 6 types of 500-ppb aldehyde and 3 types of 500-ppb sulfuric compound after concentrating the two groups into 100, 200, 300 and 500 ml, respectively, showed that each of the groups was 0.991 or over in R2. This means that both of the groups are high in the extent to which they are concentrated and injected. The researcher could quantify 44 volatile compounds that make the odor of garlic. Out of the 44, five were found occupying 86.6% of total peak area. In more detail, allyl methyl sulfide was found accounting for 22.8% of total peak area, diallyl disulfide, 21.8%, dimethyl disulfide, 18.6%, diallyl trisulfide, 17.7% and diallyl tetrasulfide, 5.7%. When analyzed in accordance with TLVs, in addition, allyl methyl sufide, diallyl disulfide, dimethyl disulfide, diallyl trisulfide, butanal acetaldehyde and dimethyl sulfide were identified as main substances that make the odor of garlic.