식품의 무기질 분석

제1절 : 시료의 채취 및 조제

1. 시료의 선정

어떤 식품을 분석하려고 할 때에는 그 식품의 전체를 대표하는 것이어야 한다. 이러한 조건을 만족시키기 위해서는 시료의 선정이 매우 중요하므로 시료의 채취, 조제 그리고 보존은 식품에 함유된 무기질 분석 실험을 좌우한다고 볼 수 있다.

특히, 시료의 중량을 계측할 경우에는 가능한 한 오차를 적게 하여야 하며, 분석에 있어서도 균일하게 화학반응을 받도록 일정하게 규정된 방법으로 시료를 처리하여 조제 혼합하여야 한다. 물론 식품의 종류나 특성에 따라 반드시 일정하지는 않지만 언제나 일련의 분석조작이 가능하도록 조제하고, 이 조제된 시료는 분석이 완료될 때까지 가능한 그대로 보존하여 두는 것도 중요한 일이다.

2. 시료의 채취

식품은 토양, 광석, 금속산화물, 요업재료, 화공약품 등과는 달리 유기물로 존재하는 관계로 무기질 성분을 분석하고자 할 때에는 먼저 식품성분 분석표나 문헌을 통해 사전에 무기질함량에 대한 정보를 아는 것이 좋다. 식품속에 함유된 무기질 함량을 정확하게 분석하기 위해서는 시료의 채취가 무엇보다 중요하다. 따라서 식품 시료의 채취는 분석하고자 하는 그 식품의 대표성을 가져야 하므로 다음과 같은 방법으로 채취한다.

첫째, 사과의 시료를 채취하는 경우는 먼저 사과 상자 전체를 대표하는 몇 개의 상자를 골라 낼 필요가 있다. 이 때 몇 개를 골라 내는냐 하는 문제는 사과개개의 조성의 차이가 어느 정도이냐 또는 어느 정도의 분석정도를 요구하는냐의 두가지 면을 고려하면서 통계학적으로 규정할 일이다. 만약 상자로부터 8개의 사과를 선별하고자 한다면, 상자 한쪽 모퉁이에서 8개 전부를 끄집어 낸다는 것은 비합리적이므로 상자의 내용물을 1∼8까지의 여덟 부위로 구분하고 거기서 각각 한 개씩을 임의의 위치로부터 등분으로 나누어 선별한다. 또 이 선택된 8개의 사과 전부를 마쇄해서 사용하는 가장 좋겠으나 보통의 처리량으로는 너무 많기 때문에 개개의 사과에서 일부분씩을 취하는 것이 합리적이다. 즉, 한 개로부터 1/4씩을 취할 경우는 상하가 엇갈리게 축분해서 장소에 의한 편차를 없이 한다.

둘째, 채소의 경우는 형이 길거나 편편한 것, 특히 식물의 뿌리, 엽채류, 해조류 등은 두께에 관계없이 일정 간격으로 평행하게 끊어서 취하는 것도 축분의 한방법이다.

셋째, 곡류, 두류, 종실, 눈깔사탕, 녹차 등의 불균일한 소립자의 혼합물로부터 일부분을 선별할때에는 원뿔 4분법 또는 교번 시약스푼법을 적용한다. 원뿔 4분법은 시료를 원뿔형으로 산적한 다음, 평평하게 하고 이것을 +모양으로 4분한다. 그리고 이를 대각선상의 부분을 취해서 혼합하고, 다시 이와 같은 조작을 2∼3회 계속 반복하여 시료의 양을 축소시킨다. 한편, 교번 시약스푼법은 적당한 크기 용기나 대형 숟가락로서 순차적으로 시료를 취해서 일정 회수의 것만을 모아 혼합하고, 이러한 조작을 반복하는 방법이다. 이리하여 1회 처리하는데 적당한 양을 100∼300 g의 축분 시료를 얻은 다음, 이중에서 다시 일부분을 실제 분석에 이용하기 위해서 전량을 균질화할 필요가 있다.

3. 시료의 조제

식품 시료의 조제는 채취한 시료를 양적으로 적게 하고 동시에 잘 혼합하며, 고체시료의 경우 분쇄나 마쇄 등을 실시하여 분석실험 조작에 편리하도록 실시하는 것이다. 또한 시료가 전체 시료의 평균조성을 대표하기 때문에 시료가 균질하게 되는 것이 필요조건이 된다. 액상이나 미세 분말상의 시료는 각각 적당하게 혼합하면 균질하게 된다. 그러나 형상, 입도, 경도, 비중 등이 불균일하게 분포되어 있는 고형 시료는 먼저 분쇄나 마쇄할 필요가 있다. 따라서 분쇄, 마쇄의 목표는 시료 중에 존재하는 최대입자가 평균조성에 변화를 주지 않을 정도로 시료의 입자를 미세화하는 데 있다.

분쇄에는 자제의 약절구나 동력식 또는 수동식 분쇄기, ballmill이 사용되며, 경우에 따라서는 가정용의 믹서도 사용된다. 마쇄에는 약절구나 homoginizer, mixer 등이 사용되며, 수분이 많은 야채, 과실, 육류, 어류 등이나 각종 식품과 조리 식품의 대부분을 마쇄하거나 잘게 빻아서 균질화시킬 때 이들을 이용한다.

제2절 : 시험용액의 조제

1. 황산-질산법(1)

이 방법은 Zn, Cd, Cr, Sn, Cu, As 등의 시험에 적합하다. 시료(건조물로서 5∼20 g에 상당하는 양)를 분해플라스크에 취해 증류수 50∼70 mL, 질산 10∼40 mL를 넣고 혼합하여 방치한다. 다음에 조용히 가열하여 격렬한 반응이 그치면 식힌 다음 황산 5∼20 mL를 넣고 다시 조용히 가열한다. 내용물이 암색이 되기 시작하면 질산 2∼3 mL씩을 추가하면서 가열을 계속하여 내용물이 미황색∼무색이 되었들 때 분해가 끝난 것으로 한다. 분해액을 식힌 후 증류수 30∼50 mL, 포화수산암모늄용액 10∼25 mL를 가해서 황산의 횐 연기가 발생할 때가지 가열하고 식힌 다음 증류수로 일정량으로 하여 시험용액으로 한다. 공시험용액에 대해서도 같은 조작을 하여 시험용액을 보정한다.

2. 황산-질산환류법(1)

이 방법은 Hg의 시험에 적합하다. 시료(건조물로서 5∼20 g에 상당하는 양)를 분해플라스크에 취하고 증류수 10 mL 및 질산 20 mL를 넣어 혼합하여 잠시 방치한 다음 황산 20 mL를 천천히 넣는다. 환류냉각기를 연결하여 주의하면서 NO2의 발생이 끝날 때까지 가열한다. 분해액이 담황색으로 투명하게 되지 않을 때에는 식힌 다음 질산 5 mL를 넣어 다시 가열한다. 필요하면 질산 5 mL의 추가를 되풀이 하여 분해액이 담황색으로 투명하게 되고  NO2의 발생이 끝나면 식힌 다음 증류수 50 mL 및 10% 요소용액 10 mL를 넣어서 10분간 끓이고 식혀 과망간산칼륨  1 g을 넣고 10분간 때때로 흔들어 섞는다. 이 조작을 자홍색이 남을 때까지 되풀이 하고 20분간 끓여 자홍색이 없어지면 식힌 다음 과망간산칼륨 1 g을 넣고 다시 20분간 가열한다. 이 때 액의 자홍색이 없어지면 과망간산칼륨의 첨가 및 가열조작을 다시 2회 되풀이 하고 식혀 용액이 무색 투명하게 될 때까지 10% 과산화수소용액을 주의하여 적가한다. 다만 , 비색의 경우에는 과산화수소 대신 20% 염사히드록실아민 용액을 이용한다. 식힌 다음 장치의 내부 및 연결부분을 황산(1→100) 20 mL로 씻고 플라스크에 합쳐 일정량으로 시험용액으로 한다. 지방분이 많은 검체는 헥산 20 mL씩으로 3회 추출하여 수용액을 시험용액으로 한다.

3. 건식회화법(1)

시료(건조물로서 5∼20 g에 상당하는 양)를 도가니, 백금접시에 취해 건조하여 탄화시킨 다음 450∼550℃에서 회화한다. 회화가 잘 되지 않으면 일단 식혀 질산(1+1) 또는 50% 질산마그네슘 용액 또는 질산 알류미늄 40 g 및 질산 칼륨 20 g을 물 100 mL에 녹인 액 2∼5 mL로 적시고 건조한 다음 회화를 계속한다. 회화가 불충분할때는 위의 조작을 1회 되풀이하고 필요하면 마지막으로 질산(1+1) 2∼5 mL를 가하여 완전하게 회화를 한다. 회화가 끝나면 회분을 물로 적시고 염산  2∼4 mL를 가하여 수욕상 또는 건조장치에서 건조한 다음 염산 1∼2 mL를 가해서 녹이고 불용물이 있으면 석면 또는 유리여과기로 여과한 다음 일정량으로 하여 시험용액으로 한다. 다만, 회화보조제로서 염산, 산화마그네슘, 탄산나트륨 등을 사용해도 좋으나 Sn의 시험에 있어서는 질산염 또는 질산을 사용해서는 아니되며, 그밖의 금속의 경우에도 시험조작에 영향이 없을 때에만 사용하되 공시험용액에 대해서도 같은 조작을 하여 시험용액을 보정한다.

4. Dry ashing(2)

1) 원리 : 회화된 시료를 질산용액으로 재처리한 후 염산용액으로 녹여 각 원소를 ICP-AES로 분석한다.

2) 시약

가. Stock solution: 1000 □/mL; 아래 기술한 바와 같이 무게를 정확히 달아 1 L 정용플라스크에 넣고 증류수(17M□)로 정용한다.

나. Standard solutions: stock solution에서 분석하고자 하는 원소의 용액을 각각 1, 10 mL을 취해 100 mL 정용 플라스크에 넣고 10 mL HCl(1+10)을 넣어 증류수로 표선을 채운다.

3) 전처리: 건조하고 분쇄된 시료를 사기도가니에 정확히 1 g을 달아 넣고 전열기에서 예비 회화시킨후 500℃의 전기회화로에 도가니를 넣고 2시간 동안 회화시킨다. 꺼내어 실온으로 방냉시키고 여기에 증류수 10방울을 가해 태운 시료를 적신 다음 HNO3(1+1) 용액 3-4 mL을 조심스럽게 가하고 100-120℃의 전열기상에서 질산을 증발시킨다. 이것을 다시 전기회화로에 옮겨 500℃에서 1시간 정도 회화시킨다. 도가니를 실온으로 방냉시키고 HCl(1+1) 용액 10 mL를 도가니에 가해 회화된 무기질을 용해시킨다음 50, 100 mL 정용플라스크에 옮기고 증류수로 정용한 후 혼합하고 여과하여 시료용액으로 사용한다.

4) 측정: ICP-AES를 작동시킨 다음 30분간 워밍업시키고 분석한다. 검정곡선을 작성한 다음 시료를 측정하며 재검정은 10개의 시료를 측정한 후 다시 작성한다.

5. Wet digestion(3)

1) 원리

시료를 HNO3/HClO4 혼합용액으로 분해시키고 각 원소를 ICP-AES로 분석한다.

2) 시약

가. Water: 증류수 또는 탈이온수를 전과정에 걸쳐 사용한다.

나. Perchloric acid: 2회 증류한 것을 사용하며 5배 희석하여 사용한다.

다. Standard: 각 원소의 표준용액(1000 □/mL)을 구입하여 사용하거나, 또는 다음과 같이 제조하여 사용한다.

가). Calcium: CaCO3 2.4976 g을 평량하여 1 L 정용플라스크에 넣고 증류수 300 mL을 가해 녹인 다음 HCl 10 mL를 가하고 CO2를 방출시킨후 증류수로 정용시킨다.

나). Copper: 구리가루 1.0 g를 100 mL 비이커에 달아 넣고 여기에 conc. HCl 10 mL와 증류수 5 mL를 가하고 구리가 완전히 녹을 때까지 HNO3를 한방울 한방울 떨어뜨린다. 이것을 연기가 날때까지 끓이고 냉각시킨 다음 1 L 정용플라스크에 넣고 증류수로 정용한다.

다). Iron: 철가루 1.0 g를 100 mL 비이커에 달아 넣고 여기에 5M HCl 20 mL를 가해 녹이고 증류수을 가해 1 L로 정용한다.

라). Potassium: KCl 1.9067 g를 비이커에 달아 넣고 증류수에 녹인 다음 1 L로 정용한다.

마). Magnesium: Mg 1.0 g을 비이커에 달고 1M HCl 50 mL를 가하여 녹인후 증류수를 가해 1 L로 정용한다.

바). Manganese: 망간 1.0 g을 비이커에 달고 HCl 10 mL와 HNO3 1 mL를 각각 가하여 녹이고 증류수를 가해 1 L로 정용한다.

사). Sodium: NaCl 2.5421 g을 비이커에 달고 증류수를 가해 1 L로 정용한다.

아). Phosphorus: (NH4)2HPO4 4.263 g을 비이커에 달고 증류수로 녹이고 1 L로 정용한다.

차). Zinc: 아연가루 1.0 g을 비이커에 달고 HCl 10 mL를 가해 녹이고 증류수로 1 L로 정용한다.

3) Calibration standard 작성: 모든 표준용액과 분해된 시료의 희석시 20% HClO4 용액을 사용한다.

4). 초자기구: 모든 초자기구는 10% HNO3 용액에 하룻밤 담근 다음 수돗물로 세척하고 증류수로 헹군다.

마. 전처리: 시료 2-5 g(액체인 경우 약 10 mL)을 100 mL Kjeldahl 플라스크(또는 비이커)에 넣고 HNO3-HClO4 (2+1) 혼합산 30 mL를 가한 후 비등석 3-4개를 넣는다. 공시험은 시료와 동일한 방법으로 2개를 준비한다. 분해는 낮은 온도에서 천천히 시작하며, 끓기 시작하면 갈색의 NO2 연기가 발생하며 계속해서 질산과  수분이 제거될 때까지 조심스럽게 가열한다. 다음, 연기가 사라지고 과염소산의 영향으로 거품이 생성되는 데 이때 시료가 너무 탄화되지 않도록 주의하여야 하며 그러기 위해서는 플라스크를 가열, 냉각, 가열, 냉각 조작을 반복한다(왜냐하면 시료가 탄화되면 폭발위험성이 있기 때문). 시료가 완전 분해되면 약 2분간 더 가열하여 분해를 완전히 종료한다. 분해된 시료는 50 mL 정용 플라스크로 옮기고 증류수로 표선까지 채운 후 혼합하여 여과한 다음 분석시료로 사용한다. ICP-AES를 30분간 작동시킨 후 앞서 만들어진 표준용액을 이용, 검정곡선을 작성한 다음 분해된 시료를 각 파장에 맞춰 원하는 원소를 분석한다.

사. 계산

C = A × (50 mL/B)

여기서 A = ICP-AES에서 측정한 원소의 농도(□/mL)

B = 시료의 무게(g)  또는 양(mL)

C = 시료의 원소 농도(□/g 또는 □/g)

제3절 : 전처리 및 분석

1. 시료

1) 대상품목 : 쌀

2) 시약 및 가구

ICP-AES, hot plate, 도가니, 회화로, HNO3(1:1), HCl(1:1), 증류수, 비이커, 여과지, 피펫, 깔때기, 50 mL 정용플라스크, 시험관, 표준용액(Ca, Fe) 등

3) 시료의 처리 및 분해(Dry ashing법(2))

	시료 1∼3g을 도가니에 취함
				열판 위에서 예열처리
	500℃에서 2시간 회화후 실온까지 냉각
				증류수 10방울 떨어뜨림
				3 mL 희질산 용액
	열판에서 건조 (질산 휘발, 완전 건고)
	500℃에서 1시간 회화 후 냉각
				10 mL 희염산
	재를 완전하게 녹임
				증류수를 이용
	50 mL정용플라스크에 정용
	여과
	ICP-AES로 분석

참고문헌

1. 한국식품공업협회 : 식품공전, 문영사, 598-600(2001)

2. JAOAC 68, 499(1985)

3. JAOAC 67, 985(1984)