본 연구에서는 여러 가지 조리도구를 이용하여 삼겹살을 굽는 동안 발생하는 유해물질의 발생특성을 알아보고자 하였다. 이를 위해, CC, VOC 계열들 중 지정악취물질에 해당하는 16종과 여러 개의 벤젠고리를 가진 PAH를 중심으로 정량분석을 하였다(표 1). 그리고 이들 외에도 참고성분 8종을 추가로 포함하여 측정하였다. CC 계열의 작업용 표준시료를 제조하기 위해, 9종의 성분을 혼합한 원표준시료(TO11/IP-6A Aldehyde/Ketone-DNPH Mix, Supelco, USA)를 Acetonitrile (ACN)에 희석하여 작업을 진행하였다. 작업용 표준시료는 총 4단계의 농도로 희석하였으며, Acetaldehyde (AA)를 기준으로 3.0~72 ng∙μL^-1의 농도로 제조하였다. VOC 계열은 순도 97.0% 이상의 24종 원표준시료 (Sigma-aldrich, USA)를 methanol (99.8%, J.T. Baker, USA)에 희석하는 작업을 진행하였다. 작업용 표준시료는 총 5단계의 농도로 희석하였으며, Benzene (B)을 기준으로 2.91~58.2 ng∙μL^-1의 농도로 최소농도와 최대농도의 차이를 20배 수준으로 제조하였다. PAH 계열은 13종의 성분을 혼합한 원표준시료(EPA 610 Polynuclear Aromatic Hydrocarbons Mixture, Sigma-aldrich, USA)를 methanol (99.8%, J.T. Baker, USA)에 희석하여 활용하였다. 작업용 표준시료는 Benzo[a]pyrene (BAP)성분을 기준으로 2.00~20.0 ng∙μL^-1의 범위에서 총 4단계의 농도로 제조하였다. 각각의 작업용 표준시료를 분석하여, 도출한 검량선(Response factor: RF)을 이용하여 조사대상 성분들을 정량분석하였다. 또한, 정도 관리의 주요 변수 (검출한계 (Method detection limit: MDL))들을 표 1에 제시하였다.

본 연구를 위해 대형상점에서 국내산 삼겹살(돼지고기)를 구매하여 시료의 채취분석을 위한 기본소재로 사용하였다. 삼겹살은 전자저울을 사용하여 약 200 g씩 측정 후, 대략 가로 3 cm, 세로 5 cm로 잘라 구이에 사용하였다. 비교실험을 위해 다음과 같이 세 가지 조리방식을 택하였다. (1) Gas burner-pan (G)은 휴대용 Gas burner에 가정용 pan을 사용하였다. (2) Charcoal-grill (C)은 소형화로에 불을 붙인 숯에 야외에서 자주 사용하는 철재로 만든 Grill을 사용하였다. (3) 마지막으로 전기를 이용하여 조리할 수 있도록 제작한 Electric Pan (E)를 이용하여 실험재료를 조리하였다(그림 1). (1)과 (3)에 비해, (2)의 경우 고기의 육즙이 숯불에 직접 접촉할 수 있으므로, 상대적으로 오염에 노출될 가능성이 가장 크다고 예측할 수 있다. 조리 기구인 Gas burner-pan, Charcoal-grill, Electric Pan으로 채취한 조사대상기체 시료들은 각각 G, C, E로 약식코드로 명명하였다. 시료는 각각의 도구로 삼겹살을 굽기 시작한 시점으로부터 10분 후, 조리기구 상단 30 cm 높이에서 연기시료를 채취하였다. 사용한 고기의 무게 및 시료채취일 등에 대한 자세한 정보를 표 2에 정리하여 제시하였다. 시료채취는 성분에 따라 두 가지 방법으로 진행하였다. 먼저, VOC, CC 계열의 성분을 분석하기 위해 lung sampler를 이용하여 총 10 L Polyester aluminum bag (PEA bag; TOP Trading Eng., Korea)에 유속 5 L∙min^-1으로 10 L의 기체시료를 채취하였다. 동시에 PAH 계열의 성분을 채취하기 위해, 석영솜을 채운 석영튜브 (Quartz tube: QT)에 펌프(MP-∑300, Sibata, JAPAN)를 연결하여, 일정한 유속 (1.5 L∙min^-1)의 음압으로 20분간 총 30 L의 시료를 직접 흡착 채취시켰다. 채취한 시료들은 검출하는 성분에 따라 적절한 전처리 과정을 거친 후 분석하였다.

Fig. 1. 
Illustration of gas sampling system from cooking of pork belly meat.

지정악취물질 중 5개의 성분과 그 외 다섯 가지의 참고성분을 포함하는 총 10종의 CC 계열 성분들의 경우, HPLC-UV시스템을 이용하여 분석하였다. 전처리 과정으로 시료들의 DNPH 유도화를 위해 DNPH-Cartridge sampler (TOP Trading, Korea)로 흡수하였다. 이들 시료는 다시 Acetonitrile (99.9%, J.T. Baker, USA)으로 용출 단계를 거쳤다. 시료 흡수 시 불순물의 간섭을 최소화하기 위해, 요오드화 칼륩 (KI)으로 충진한 Ozone scrubber (TOP Trading, Korea)로 여과하였다. HPLC전용 펌프(Spectra System P4000, Thermo Scientific)를 이용하여, 이동상의 압력을 조절하여 노이즈(noise)를 최소화하였다. 이동상 용액은 70% acetonitrile (acetonitrile : water=7 : 3)으로 사용하였으며, ZORBAX Extend-C18 column (4.6×250 mm, 5 μm)에 유량 1.5mL∙min^-1으로 설정하였다. 분석대상 CC성분들은 UV검출기로 유도체의 감응도가 가장 이상적인 360 nm에서 검출하였다.

VOC 계열 중 지정악취물질로 선정한 11가지의 성분과 3개의 참고성분을 포함한 총 14가지 물질을 GC-MS분석 방식에 기반을 두어 정량하였다. 제조한 작업용 표준시료와 또는 조사대상 기체시료는 3단 고체흡착관 (Sorbent tube: ST, Tenax TA+Carbopack B+Carbopack X (in quartz))에 흡착을 유도하였다. 전처리 장비인 저온농축탈착시스템(Thermal desorber (TD), Unity, Markes International, Ltd, UK)과 Gas Chromatography (GC-2010, Shimadzu, Japan) - Mass spectrometer (GC MS-QP2010, Shimadzu, Japan)를 조합하여, ST에 흡착한 시료를 분석하였다. TD기기 내부에 Cold Trap (CT, Carbopack B+Carbopack C) 장치를 -1̊^oC 에서 시료의 저온농축을 유도한 후, 320^oC에서 10분간 열탈착한 다음 GC column으로 이동시켰다. Oven은 초기온도를 40^oC로 4분간 유지하였다가 5^oC∙min^-1으로 220^oC까지 승온 후 다시 3분간 유지하는 분석방식으로, 총 40분으로 분석주기에 맞추어 분석을 진행하였다. CP-Wax column ((1) diameter: 0.25mm, (2) length: 60 m, (3) film thickness: 0.25 μm)을 통해 분리한 시료들은 Q-MS를 통해 최종적으로 검출하였다.

본 연구에서는 13종의 PAH 계열을 선정하여 검량자료를 도출하였다. PAH 성분들은 환경대기 중에 분포하는 양이 매우 적고 고분자성분들은 주로 입자상에 존재한다. 본 연구에서는 VOC 분석에 맞추어 소량의 시료를 채취하는 실험구성조건을 고려하여, 단순히 열탈착분석이 용이한 기체상 PAH의 분석에 주력하였다. PAH 성분들은 대부분 높은 분자량을 가지고 있으며 끓는점도 높으므로 Tenax와 같은 일반적인 흡착제를 사용하여 분석하는 것이 곤란하다.

흡착한 시료의 탈착을 쉽게 유도할 수 있게끔 앞서 언급한 QT를 특수 제작하여 시험에 사용하였다. 본 연구에서는 기체상 영역의 PAH를 주 분석대상으로 설정하고, QT에 30 L의 시료를 직접 흡착하였다. 전처리 과정으로 TD장비를 사용하였으며, TOF-dx MS (TOF-MS: Markes International, Ltd., UK)장비를 연동시켜 분석을 진행하였다. TD내부의 ST도 QT와 비슷하게 Quartz wool+Carbopack C로 제작하여 사용하였다. 20^oC에서 ST에 시료를 흡착하였으며, 탈착 시 350^oC로 온도를 10분간 유지하였다. 또한, TS에서 GC로 시료이동을 원활하게 하도록 Flow path line의 온도를 215^oC로 설정하였다. DB-5 column (diameter: 0.25mm, Length: 30 m, film thickness: 0.25 μm)을 통해 시료를 분리하였다. 이를 위해, Oven은 초기에 80^oC로 5분간, 20^oC∙min^-1으로 320^oC까지 승온 후 10분간 총 27분으로 분석 주기를 설정하였다. 분석에 사용한 모든 분석장비의 세부적인 분석방법은 표 3에 제시하였다.

본 연구에서는 조사대상으로 설정한 삼겹살을 구이방식에 따라 조리 시 발생하는 VOC 및 냄새물질들의 배출특성을 파악하고자 하였다. 분석대상 성분에 맞추어 시료채취 방법, 전처리 및 분석장비를 최적의 조건으로 선택하여 정량, 정성분석을 하였다. 최초 조사대상 성분들의 농도는 몰분율(ppb) 단위로 산출하여 비교 분석하였다 (표 4). 성분들은 분석장비에 따라 CC, VOC, PAH 계열로 구분하였으며, 계열별로 유사한 발생특성을 확인할 수 있었다. C시료는 다른 시료에 비해 유해물질들이 전반적으로 높은 수치들이 나타났다. PAH 계열 중 PYR, PHN, FLT 성분이 C시료에서 402, 245, 196 ppb으로 높게 발생하였다. G시료에서 FLT, ANT 성분이 12.3, 11.7 ppb로 다른 성분에 비해 상대적으로 높은 수치로 나타났다. E시료는 연구실의 기기점검 등과 관련한 문제로 PAH 계열의 성분들에 대한 측정을 하지 않았다. PAH 계열은 석탄, 석유 등과 같은 화석연료의 사용 및 쓰레기 등의 불완전 연소로 발생하여, 자연계에 상당량이 존재한다 (Rojo Camargo and Toledo, 2003). 또한, 지방함량이 높은 식품에 많이 존재하며, 일반적으로 지방함량이 낮은 생식품을 굽거나 튀김, 볶음 등의 조리 및 가공을 하였을 때, PAH 계열의 수치가 높아지는 것으로 나타난다(Phillips, 1999). 커피를 볶는 과정에서 20분간 7개의 시간대를 설정 후, PAH 계열의 성분들의 발생특성을 HPLC 방식으로 분석한 결과를 살펴보면, PHN, PYR, BAA, BAP 성분이 각각 8.39~17.37, 3.27 ~53.05, 0.2~12.67, 0.2 μg∙kg^-1으로 나타났다(Houessou et al., 2008). 그리고 참깨를 25분간 볶는 과정 중에서도 BAA, BBF, BAP 성분이 각각 0.91~1.14, 0.15~0.17, 0.10~0.14 μg∙kg^-1 수준으로 발생하는 것으로 나타났다(Seo et al., 2009). 커피와 참깨 같이 볶아주는 음식의 경우, 볶는 시간이 지날수록 PAH 계열의 성분들의 발생량이 증가한다는 것을 알 수 있다. 본 연구에서도 삼겹살을 굽는 과정 중에서 PAH가 나타나는 것으로 확인하였다. C시료에서 높은 수치로 나타나는 요인으로 삼겹살을 고온으로 조리 시 삼겹살에서 나오는 육즙이 석쇠 아래로 떨어져 달구어진 숯불에 직접접촉 시 화학분해로 인해 다량 발생하는 것으로 설명할 수 있다. PAH계열은 발암성과 돌연병이성을 지니고 있으며 인체에 위험한 성분들로 분류하고 있다(Baan et al., 1994).

CC 계열은 다른 성분들에 비해 높은 농도의 분포를 차지하고 있다. FA (G: 53.1, C: 516 ppb), AA (G: 72.9, C: 210, E: 16.3 ppb), AL (G: 19.4, C: 140 ppb) 성분들이 각각의 시료에서 높은 수치로 나타났다. 환경대기 중의 CC는 일반적으로 FA와 AA 성분이 가장 고농도로 분포하는 것으로 알려졌다 (Muller, 1997; Williams et al., 1996). 그리고 이들 성분이 실내에 존재할 경우, ppb 단위의 낮은 농도에도 건강에 해로운 영향을 미칠 수도 있다 (Horvath et al., 1988). 본 연구와 유사하게 DNPH 유도체 및 HPLC 장비를 이용하여 5종의 멸치액젓을 분석한 선행연구결과를 보면, 이런 음식류에도 FA, AA, AT 성분들이 적정 수준 존재하는 것을 알 수 있다(Chang and Rhee, 1985). 이들의 연구에 의하면, 상기 성분들이 각각 0.49~6.04, 3.07~6.93, 1.29~35.4 μg∙L^-1 수준으로 검출되었다. 따라서 주위환경에서 쉽게 발생하는 CC 계열의 성분들을 식물을 이용하여 제거하는 방법에 대한 연구가 필요한 상태이다(Kil et al., 2008).

VOC 계열의 성분들은 C시료의 B(543 ppb), T (94.8 ppb), S (28.5 ppb)를 제외하고 전반적으로 낮은 수치로 나타났다. 청국장을 끓이면서 발생하는 VOC 계열의 성분을 GC-MS 장비를 이용하여 분석한 사례를 살펴보면, B, T, IVA 성분이 각각 0.94, 13.1, 166 ppb로 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 음식에서도 일부 해로운 VOC 계열의 성분들이 과다하게 발생 가능하다. 따라서 구이방식과 같은 음식 조리 시 인체에 피해를 최소화하기 위해 적절한 환기를 하는 부분에 대해 주의할 필요가 있다(Ahn et al., 2013). 본 실험의 분석결과는 그림 2에 직접 비교할 수 있다.

Fig. 2. 
Concentration of target compounds determined from gas samples collected during cooking of pork belly meat: comparison between different cooking methods (G, C, and E).

본 연구에서는 조사대상시료를 GC/MS시스템을 이용하여 작업용 표준시료를 확보하기가 어려운 성분들을 Non-target 성분들로 분류하였다. 이들의 경우, ECN (Effective Carbon Number) 이론 (Szulejko et al., 2013)을 적용하여 농도를 정량적으로 추정하였다. Target 성분을 정량 시 사용하였던 작업용 표준시료에 대한 감응계수를 ECN 방식을 이용하여 미지시료에 대한 감응계수를 산출하였다 (Kim and Kim, 2013). 산출한 감응계수를 바탕으로 계산한 몰분율(ppb) 농도의 수치를 산출하였다(표 4). Kim et al. (2013)의 참고논문에서 ECN 방식을 체계적으로 사용한 내용을 확인할 수 있다.

Non-target 성분은 G와 C시료에서만 산출하여 비교해 보았다. E시료는 구이 시 Electric Pan에는 전기온도 센스에 의해 일정한 온도를 유지하므로 조리재료들이 타는 것을 방지하는 점에 특화하였다. 또한, 조리 시 발생하는 Non-target 성분이 거의 나타나지 않을 것으로 파악하여 산출하지 않았다. 결과치는 Target 성분과 비슷한 경향성을 보였다. G와 C시료는 거의 2~3배 이상의 차이가 나는 수치로 나타났다. C시료에서 ethanoic acid (768 ppb), 2-propenal (366 ppb), 1-hexene (214 ppb) 성분이 대표적으로 가장 높은 농도를 기록하였다. 구이방식에 따라 성분의 농도차이가 나타나는 것을 확인할 수 있다.