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문제 정의
- 휘발성 향기성분을 분리하는 방법으로는 연속수증기증류 (simultaneous steam distillation extraction, SDE)법, 용매 추출(solvent extraction, SE)법, headspace법, 고체상미세 추출(solid-phase microextraction, SPME)법 등(11)이 있는데, 비교적 열에 안정한 시료인 경우에는 SDE법이 많이 이용되고 있고, SPME법은 유기용매를 사용하지 않고 적은 양의 시료를 간단하게 전처리할 수 있어 최근에 많이 사용되고 있다(12-15). 본 연구에서는 국내에서 많이 생산되는 사과 중 주생산 품종인 후지사과를 이용하여 천연향료를 개발하기 위한 기초자료로 활용하고자 향기성분의 추출방법으로 많이 사용되는 SDE법, 용매추출법 및 SPME법에 따라 사과의 향기특성을 비교하였다.
- 본 연구에서는 후지사과를 이용하여 천연향료를 개발하기 위한 기초자료로 활용하고자 추출방법에 따른 사과의 향기성분 특성을 비교하였다. SDE, 용매추출 및 SPME법으로 확인된 휘발성 향기성분은 각각 총 66, 32 및 54종이었으며, 주요 휘발성 향기성분으로는 (E,E)-α-farnesene, butanol, hexanol, 2-methyl butanol, hexyl hexanoate, hexyl 2-methyl butanoate, hexyl butanoate 등으로 사과의 특징적인 향기성분을 확인하였다.
제안 방법
- GC injector 의 온도는 250℃로 설정하여 SDE 및 용매추출법으로 추출한 향기성분은 1 μL를 split ratio 1:10으로 주입하였으며, SPME fiber는 3분간 탈착하여 splitless mode로 주입하였다.
- GC/MS에 의해 total ionization chromatogram(TIC)에 분리된 각 peak의 성분 분석은 mass spectrum library (Wiley 275&7N, NBS 75K)와 mass spectral data book의 spectrum과의 일치(17,18), 문헌상의 retention index와의 일치(10,19-21) 및 표준물질의 분석 data를 비교, 확인하였다.
- 용매추출법은 가열하지 않은 상태에서 휘발성 향기성분을 회수할 수 있는 장점이 있으나 지질이나 alcohol을 함유한 식품에 적용할 때는 용매선택에 문제가 발생할 수 있다(11). 본 연구에서는 SDE법과 동일한 용매를 사용하여 시료와 용매를 직접 접촉하게 하여 휘발성 향기성분을 추출하였으며, 추출한 후지사과의 휘발성 향기성분으로 총 32종을 동정하였다. 확인된 화합물은 alcohol류와 ester류가 각 11종, aldehyde류 5종, acid류와 hydrocarbon류가 각 2종, ketone 1종순이었으며, ethanol(3.
- 25 μm film thickness, J&W, Folsom, CA, USA)를 사용하였고, oven의 온도는 40℃에서 3분간 유지한 다음 2℃/min의 속도로 200℃까지 상승시켰으며, carrier gas의 유속은 1 mL/min(He)로 유지하였다. 분리된 화합물의 이온화는 electron impact ionization(EI) 방법으로 행하였으며 ionization voltage와 ion source의 온도는 각각 70 eV와 230℃로 설정하였고, 분석할 분자량의 범위는 40～350(m/z)로 설정하였다. GC injector 의 온도는 250℃로 설정하여 SDE 및 용매추출법으로 추출한 향기성분은 1 μL를 split ratio 1:10으로 주입하였으며, SPME fiber는 3분간 탈착하여 splitless mode로 주입하였다.
- 분쇄된 시료 100 g에 내부표준물질로 n-buylbenzene 1μL를 첨가하고 재증류한 n-pentane과 diethyl ether 혼합용매(1:1, v/v) 100 mL를 사용하여 상온에서 추출하였으며, 추출은 3회 반복하여 수행하였다.
- Louis, MO, USA)를 첨가하여 Schultz 등(16)의 방법에 따라 개량된 연속수증기증류추출장치(Likens & Nickerson type simultaneous steam distillation and extraction apparatus, SDE)에서 재증류한 n-pentane과 diethyl ether 혼합용매(1:1, v/v) 100 mL를 사용하여 상압 하에서 2시간 동안 향기성분을 추출하였다. 이 추출액에 무수 Na2SO4를 가하여 -4℃에서 하룻밤 방치시켜 탈수시키고 유기용매층은 Vigreux column을 사용하여 약 0.5 mL까지 농축 후 GC/MS 분석시료로 사용하였다.
- GC/MS에 의해 total ionization chromatogram(TIC)에 분리된 각 peak의 성분 분석은 mass spectrum library (Wiley 275&7N, NBS 75K)와 mass spectral data book의 spectrum과의 일치(17,18), 문헌상의 retention index와의 일치(10,19-21) 및 표준물질의 분석 data를 비교, 확인하였다. 확인된 휘발성 향기성분의 정량은 내부표준물질로 첨가된 n-butylbenzene과 동정된 향기성분의 peak area를 이용하여 시료 1 kg에 함유된 휘발성 향기성분을 상대적으로 정량하였으며, 정량을 위해 사용한 내부표준물질과 동정된 각 화합물의 검출기 내에서의 response factor 등은 고려하지 않았다.
- 후지사과로부터 SDE, 용매추출 및 SPME법으로 추출한 휘발성 향기성분을 GC/MS로 분석하였으며, total ion chromatogram(TIC)은 Fig. 1에 도식하였다. 각 추출방법에 따라 GC/MS 분석에 의하여 동정된 휘발성 향기성분의 조성과 함량은 Table 1에 나타내었고, 동정된 휘발성 향기성분의 관능기에 따른 상대적 비율은 Table 2에 나타내었다.
- 분쇄된 시료 100 g을 취하여 내부표준물질로 n-butylbenzene 1 μL를 첨가한 시료 중 5 g을 headspace용 vial에취하여 50±2℃로 유지한 후 SPME를 수직으로 세워 30분 동안 시료 내의 휘발성 향기성분을 PDMS/DVB fiber(polydimethylsiloxane/divinylbenzene 65 μm, Supelco, USA)에 흡착시켰다. 휘발성 향기성분이 포집된 SPME fiber를 GC injector에 주입하여 3분간 휘발성분을 탈착하여 splitless mode로 분석하였다.
대상 데이터
- 본 실험에서는 2007년 경상북도 청송군에서 생산된 후지 사과를 재료로 하여 이를 증류수로 세척하고 씨를 제거하여 분쇄한 후 -70℃에서 저장하면서 실험에 사용하였다.
- 휘발성 향기성분의 정량분석을 위해 GC/MS는 HP 5973 Mass selective detector(Agilent technologies Inc., Chandler, AZ, USA)가 연결된 HP 6890 Series gas chromatograph를 사용하였다. 휘발성 향기성분의 분리를 위해 column은 DB-WAX(60 m × 0.
이론/모형
- 분쇄된 시료 100 g에 Milli Q water 1 L를 혼합하고 정량 분석을 위해 내부표준물질로 n-butylbenzene 1 μL(851.4 μg, Aldrich, St. Louis, MO, USA)를 첨가하여 Schultz 등(16)의 방법에 따라 개량된 연속수증기증류추출장치(Likens & Nickerson type simultaneous steam distillation and extraction apparatus, SDE)에서 재증류한 n-pentane과 diethyl ether 혼합용매(1:1, v/v) 100 mL를 사용하여 상압 하에서 2시간 동안 향기성분을 추출하였다.
성능/효과
- Alcohol류 중 hexanol(2.85 mg/kg), butanol(2.44 mg/kg) 및 2-methyl butanol(1.91 mg/kg)이 각각 13.1, 11.2 및 8.8% 로 전체 사과 향기성분의 상당부분을 차지하였으며, ethanol, (E)-farnesol, (E)-2-hexen-1-ol 등도 1% 이상 확인되었다. 사과 품종에 따라 차이는 있지만 일반적으로 butanol 과 hexanol이 다량 확인되는 것으로 알려져 있으며(22), butanol은 달콤한 향으로 특징지어지고(7), hexanol은 낮은 향기역가 때문에 가장 잠재적인 alcoholic odorant이지만 apple model mixture에서 사과 향기를 억제하는 부정적인 odor contributor로 나타나 사과의 향기특성에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 보고 있다(23).
- 231 mg/kg이 추출되었으며, 주요 휘발성 향기성분으로 분석된 화합물의 조성은 유사하였다. Butanol, hexanol, 2-methyl butanol 등 alcohol류의 추출은 SDE법(42.22%)이나 용매추출법(72.71%)이 더 적합하였고, hexyl 2-methyl butanoate, hexyl butanoate, butyl butanoate, butyl 2-methylbutanoate, ethyl 2-methylbutanoate 등의 ester류와 같은 사과의 특징적인 향기성분을 확인하기 위해서는 SPME법(49.86%)이 적합할 것으로 사료된다. 결론적으로 SPME법은 향료의 휘발성 향기성분 특성을 파악 하는데 유용한 방법으로 신선한 사과의 향기특성을 살리기 위해서는 SPME법과 동일한 향기조성을 나타낼 수 있는 추출방법이 필요할 것으로 생각된다.
- 28 mg/kg으로 상당량 확인되어 주요 향기성분으로 나타났다. Hexyl hexanoate, butyl hexanoate도 SDE법이나 용매추출법보다 높게 확인되었으며, butyl butanoate, butyl 2-methylbutanoate, 2-methyl butyl 2-methylbutanoate 등의 butyl ester류가 상당량 확인 되었다. 또한 SDE법과 용매추출법에서 확인되지 않았던 향기성분으로서 파인애플, 배, 합성 사과주스, apple essence 등의 impact compound(16)인 ethyl 2-methylbutanoate도 확인되었다.
- Hydrocarbon류 중 (E,E)-α-farnesene은 SDE법으로 추출한 사과의 휘발성 향기성분의 대부분을 차지한 sesquiterpene으로 39.7%(8.34 mg/kg)로 나타났으며, 그 외에 (Z,E)-α-farnesene, limonene 및 β-myrcene도 미량 확인되었다.
- SDE, 용매추출 및 SPME법에 따라 추출된 후지사과의 휘발성 향기성분을 분석한 결과 각각 총 21.776±1.178, 7.479 ± 1.046 및 11.365 ± 1.231 mg/kg이 추출되었으며, 주요 휘발성 향기성분으로 분석된 화합물의 조성은 유사하였다.
- SDE, 용매추출 및 SPME법으로 확인된 휘발성 향기성분은 각각 총 66, 32 및 54종이었으며, 주요 휘발성 향기성분으로는 (E,E)-α-farnesene, butanol, hexanol, 2-methyl butanol, hexyl hexanoate, hexyl 2-methyl butanoate, hexyl butanoate 등으로 사과의 특징적인 향기성분을 확인하였다.
- SDE, 용매추출 및 SPME법으로 확인된 휘발성 향기성분은 각각 총 66, 32 및 54종이었으며, 주요 휘발성 향기성분으로는 (E,E)-α-farnesene, butanol, hexanol, 2-methyl butanol, hexyl hexanoate, hexyl 2-methyl butanoate, hexyl butanoate 등으로 사과의 특징적인 향기성분을 확인하였다. SDE법과 용매추출법에 의해 추출된 향기성분의 주요 화합물은 alcohol류와 hydrocarbon류로 나타났고, SPME법에 의해 추출된 향기성분의 주요 화합물은 ester류와 hydrocarbon류로 상이하게 나타났다. 각 방법에 따라 추출된 휘발성 향기성분의 함량은 21.
- 또한 전형적인 사과향기 특성을 나타내는 hexyl hexanoate, hexyl 2-methyl butanoate 및 hexyl butanoate도 함량은 낮았으나 SDE법과 동일한 비율로 확인되었다. SDE법에서 확인된 화합물 중 극미량 존재하는 화합물은 용매추출법으로 추출되지 않았으며, ethanol 함량을 제외한 특징적인 사과향기성분의 관능기별 함량비도 유사한 것으로 나타났다. 후지사과로부터 용매추출법에 의해 추출된 향기성분의 함량은 7.
- SDE법으로 추출하여 확인된 후지사과의 휘발성 향기성분은 총 66종이었으며, ester류가 21종으로 다수 확인되었고, alcohol류 16종, aldehyde류 13종, hydrocarbon류와 ketone류 각 4종, acid류 3종 그리고 기타 화합물 5종으로 구성 되었다. 가장 높은 비율을 차지한 화합물은 alcohol류로 42.
- SPME법에 의해 추출된 후지사과의 주요 휘발성 향기성분은 SDE법 및 용매추출법과 마찬가지로 사과껍질에 존재하는 (E,E)-α-farnesene이었으며 4.66 mg/kg이 확인되어 전체의 41.0%를 차지하였다.
- 0%를 차지하였다. SPME법에 의해서 가장 많은 수의 ester류가 확인되었으며, hexyl 2-methyl butanoate와 hexyl butanoate가 각각 2.39 및 1.28 mg/kg으로 상당량 확인되어 주요 향기성분으로 나타났다. Hexyl hexanoate, butyl hexanoate도 SDE법이나 용매추출법보다 높게 확인되었으며, butyl butanoate, butyl 2-methylbutanoate, 2-methyl butyl 2-methylbutanoate 등의 butyl ester류가 상당량 확인 되었다.
- SPME법으로 추출한 후지사과의 휘발성 향기성분으로 총 54종이 동정되었으며 ester류가 46종으로 전체의 49.9% 를 차지하여 주요 휘발성 향기성분으로 확인되었다. 그 외에 alcohol류 8종(6.
- SDE법으로 추출하여 확인된 후지사과의 휘발성 향기성분은 총 66종이었으며, ester류가 21종으로 다수 확인되었고, alcohol류 16종, aldehyde류 13종, hydrocarbon류와 ketone류 각 4종, acid류 3종 그리고 기타 화합물 5종으로 구성 되었다. 가장 높은 비율을 차지한 화합물은 alcohol류로 42.2%이었으며, hydrocarbon류와 ester류가 각각 40.3 및 11.0%로 사과 향기성분을 구성하는 대부분의 화합물이 alcohol류와 hydrocarbon류로 나타났다.
- SDE법과 용매추출법에 의해 추출된 향기성분의 주요 화합물은 alcohol류와 hydrocarbon류로 나타났고, SPME법에 의해 추출된 향기성분의 주요 화합물은 ester류와 hydrocarbon류로 상이하게 나타났다. 각 방법에 따라 추출된 휘발성 향기성분의 함량은 21.78, 7.48 및 11.67 mg/kg으로 SDE법에 의해 가장 많은 향기성분이 추출되었으나 신선한 사과의 향기특성을 살리기 위해서는 SPME방법과 동일한 향기조성을 나타낼 수 있는 추출방법이 필요할 것으로 생각된다.
- 63 mg/kg)로 낮은 함량을 나타내었다. 그 외에 SDE법으로 추출한 휘발성 향기성분의 특성과 유사하게 butanol 9.6%, 2-methyl butanol 4.7%, hexanol 3.7% 순으로 확인되어 SDE법과 동일하게 alcohol류와 hydrocarbon류가 주요 관능기로 나타났다. 또한 전형적인 사과향기 특성을 나타내는 hexyl hexanoate, hexyl 2-methyl butanoate 및 hexyl butanoate도 함량은 낮았으나 SDE법과 동일한 비율로 확인되었다.
- Hexyl hexanoate, butyl hexanoate도 SDE법이나 용매추출법보다 높게 확인되었으며, butyl butanoate, butyl 2-methylbutanoate, 2-methyl butyl 2-methylbutanoate 등의 butyl ester류가 상당량 확인 되었다. 또한 SDE법과 용매추출법에서 확인되지 않았던 향기성분으로서 파인애플, 배, 합성 사과주스, apple essence 등의 impact compound(16)인 ethyl 2-methylbutanoate도 확인되었다. 이러한 ester류는 과일에서 방출되는 휘발성 향기성분의 분석에서 특징적으로 대표되는 화합물들로 다양한 품종에서 ester류는 활성탄에 의해 탈착된 경우 78～92%를 차지하고, 상층부에서는 81～96%를 나타내었으나 동일 시료의 증류물에서는 11～33%밖에 되지 않는다고 하였다 (7).
- 7% 순으로 확인되어 SDE법과 동일하게 alcohol류와 hydrocarbon류가 주요 관능기로 나타났다. 또한 전형적인 사과향기 특성을 나타내는 hexyl hexanoate, hexyl 2-methyl butanoate 및 hexyl butanoate도 함량은 낮았으나 SDE법과 동일한 비율로 확인되었다. SDE법에서 확인된 화합물 중 극미량 존재하는 화합물은 용매추출법으로 추출되지 않았으며, ethanol 함량을 제외한 특징적인 사과향기성분의 관능기별 함량비도 유사한 것으로 나타났다.
- 이러한 ester류는 과일에서 방출되는 휘발성 향기성분의 분석에서 특징적으로 대표되는 화합물들로 다양한 품종에서 ester류는 활성탄에 의해 탈착된 경우 78～92%를 차지하고, 상층부에서는 81～96%를 나타내었으나 동일 시료의 증류물에서는 11～33%밖에 되지 않는다고 하였다 (7). 본 연구결과에서도 SDE법 및 용매추출법에서 10% 내외를 차지하던 ester류가 SPME법을 사용하여 headspace의 향기성분을 분석하였을 때 50%를 나타내는 것으로 확인되었다. SPME법에서 다수 확인된 짧은 사슬의 ester류가 SDE법에서 확인되지 않은 이유는 전처리과정에서 ester류의 가수분해가 발생하였을 것으로 생각되며, 일부 연구자들 또한 효소적 가수분해가 발생될 수 있기 때문에 ester류의 함량이 낮을 수 있다고 제안하여(7) 본 연구결과를 뒷받침하고 있는 것으로 생각된다.
- 사과에서 확인되는 직쇄 혹은 가지달린 aldehyde류는 일반적으로 상응하는 alcohol과 함께 확인된다(22). 본 연구에 서도 hexanal과 (E)-2-hexenal이 각각 1.6 및 1.0%로 aldehyde류 중 많은 부분을 차지하였으며, 그 함량은 각각 0.35 및 0.28 mg/kg으로 미량이지만 향기역가는 각각 15, 17 mL/L로 상당히 낮아 후지사과에서 청사과향, 과일향을 나타내는데 기여하고 있는 것으로 생각된다. 후지 사과에서 확인된 C6 화합물들은 “풀내음(green note)”으로 대표되며 사과 분쇄 시 세포벽 파괴로 인하여 linoleic 또는 linolenic acid가 유리되어 lipoxygenase와 hydroperoxide lyase에 의해 분해 생성되는 화합물이다(30).
- 확인된 화합물은 alcohol류와 ester류가 각 11종, aldehyde류 5종, acid류와 hydrocarbon류가 각 2종, ketone 1종순이었으며, ethanol(3.96 mg/kg)이 52.9%로 alcohol류의 대부분을 차지하였고, SDE법에 의해 추출된 향기성분 중 가장 많은 부분을 차지하였던 (E,E)-α-farnesene은 21.8%(1.63 mg/kg)로 낮은 함량을 나타내었다.
- 후지사과로부터 SDE법으로 추출된 휘발성 향기성분의 함량은 21.78 mg/kg이었으며, 주요 향기성분은 (E,E)-α-farnesene, butanol, hexanol, 2-methyl butanol, hexyl hexanoate, hexyl 2-methyl butanoate, butyl hexanoate 등으로 확인되었다.
- SDE법에서 확인된 화합물 중 극미량 존재하는 화합물은 용매추출법으로 추출되지 않았으며, ethanol 함량을 제외한 특징적인 사과향기성분의 관능기별 함량비도 유사한 것으로 나타났다. 후지사과로부터 용매추출법에 의해 추출된 향기성분의 함량은 7.48 mg/kg으로 SDE법보다 추출효율이 낮은 것으로 나타났으며, 이는 여과과정에서의 손실에 기인하는 것으로 생각된다. 용매추출법에 의한 향기화합물의 회수는 사용되는 용매, 추출기술 그리고 추출시간 및 온도에 따라 다르게 나타날 수 있기 때문에(11) 추출과정에 세심한 주의를 기울여야 할 것으로 사료된다.
후속연구
- 86%)이 적합할 것으로 사료된다. 결론적으로 SPME법은 향료의 휘발성 향기성분 특성을 파악 하는데 유용한 방법으로 신선한 사과의 향기특성을 살리기 위해서는 SPME법과 동일한 향기조성을 나타낼 수 있는 추출방법이 필요할 것으로 생각된다.
- 그럼에도 불구하고, 소수의 연구만이 “odor active compound”를 확인하기 위해 시도되었으며 (8,9), 국내에서는 Lee 등(10)이 품종별 사과의 휘발성 향기 성분에 대하여 보고하였고, 그 외에 비교할 만한 자료가 부족한 실정으로 국산 자원에 대한 휘발성 향기성분 분석 결과를 확보할 필요성이 있다. 또한 휘발성 향기성분을 분리하는 방법에 따라 향기특성이 다를 수 있기 때문에 사과의 향기특성을 살릴 수 있는 방법을 모색하기 위해서 추출방법에 따른 사과의 휘발성 향기성분을 분석하여 기초자료를 확보하여야 할 것으로 생각된다.
- 더욱이 FTA 체결 등 농산물 수입 개방 정책에 의해 국내 대부분 과실이 외국산 과실에 대한 경쟁력이 저하되고, 주로 생과용으로 이용되고 있기 때문에 과실을 이용한 고부가가치 제품을 개발하여 국산화할 필요성이 있다. 특히 여러 가지 과실류 중 우리나라에서 많이 생산되는 사과는 다른 과실에 비해 비교적 저장성이 우수하나 수확 후 저장온도, 습도 등의 영향을 받아 상품성이 떨어지게 되므로(4), 저장 사과를 이용한 향료 개발을 통해 고부가가치를 창출할 수 있을 것으로 생각된다.
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