성신여자대학교 바이오식품공학부 식품 분석 및 소재공학 연구실을 소개합니다. 우리 연구실은 장혜원 교수님 지도 아래, 현재 대학원생 및 학부 연구생 5명으로 구성되어 있습니다. 본 연구실은 식품의 향기, 미량 기능성 성분, 위해성분 분석을 위한 친환경 추출방법인 새로운 기술을 확립·적용함으로써 산업환경 안정성 문제 해소 및 분석비용을 절감하고, 최신 분석기술개발에 대한 과학적 증거 제시로 국가적 차원의 관리가 필요한 특성성분 분석기술 규격화 연구를 수행하고 있습니다.

그림 1. 식품분석 및 소재공학 연구실 단체사진. 

1. 연구실 분위기

  저희 식품 분석 및 소재 공학 연구실은 교수님과 학생들 간의 화기애애한 분위기가 실험을 열심히 할 수 있는 원동력입니다. 연구원 구성원들 간의 서로 배려하는 태도로 존중하는 분위기가 형성되어 있습니다. 수평적인 관계에서 학생들간의 활발한 의사소통이 이루어지고 있으며 관련 실험에 대한 지식이 자유롭게 공유되고 있습니다. 이러한 관계 속에서 학생들은 더 적극적으로 실험실 업무 및 연구 활동을 진행하고 있습니다.

2. 특징

저희 식품 분석 및 소재 공학 연구실은 교수님과 상의를 통해 학생이 원하는 연구 주제를 설정하고 관련된 연구를 진행할 수 있습니다. 관련 논문을 찾으며 연구를 위해 필요한 지식을 익히고 궁금증이 생길 때면 구성원들 간의 소통을 통해 해결하면서 연구 활동을 위한 밑거름을 다집니다. 특히 주기적인 랩 미팅을 통해 각자 연구 주제 및 연구 결과를 공유하고 토의를 진행하면서 서로 연구 주제에 대해 이해하는 시간을 갖습니다. 서로 어려움이 생길 때면 도움을 주기 위해 노력하며 실험 활동에 전념할 수 있도록 배려하는 배려심이 우리 연구실의 큰 특징입니다.

3. 연구

  우리 연구실은 식품의 미량 특수성분 분석기술 구축을 기반으로 여러 연구들을 진행하고 있습니다. 연구실의 연구주제를 크게 4가지로 간략하게 소개하고자 합니다.

  첫 번째로 식품의 미량 영양성분 동시 분석법 개발입니다. 특히, 영양강화 식품 내 비타민 D2, D3, K1, K2를 정확하고 편리하게 검출하기 위해 분산 고체상 추출법(Dispersive Solid Phase Extraction. d-SPE)을 이용한 QuEChERS (Quick, Easy, Cheap, Effective, Rugged and Safe) 기술 및 분산 액체-액체 미세추출법 (Dispersive liquid-liquid microextraction, DLLME)과 액체크로마토그래피-질량분석기 (LC-MS/MS)를 이용한 신규 분석법을 국내 최초로 개발하였습니다. 현대사회의 영양섭취 불균형과 인구의 고령화 및 환자의 증가로 영양강화 식품에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 이에 따라 국민들의 식품 선택 시 적절한 정보 제공을 목적으로 식품의 영양표시 제도가 강화되고 있는데, 영양강화 식품들에 대한 국가차원의 체계적인 관리강화를 위해 과학적으로 증명된 분석기술이 필요합니다. 현재 식품의약품안전처 ‘식품공전의 일반시험법’에는 비타민 D(D2, D3)와 비타민 K1의 분석법이 각각 규정되어 있으나, 식품공전의 일반시험법에 비타민 K2 분석법은 규정되어 있지 않으며, 비타민 D와 K의 동시분석법 제공되어 있지 않습니다. 본 연구실에서 개발된 CODEX 가이드라인에 따라 유효성 검증이 완료되었으며, 에멀젼 형태의 영양강화제형 적용 시, 99.45% - 101.95%의 높은 회수율로 분석정확도가 매우 높은 동시분석 기술을 개발하였습니다.

그림 2. QuEChERS-LC-APCI–MS/MS을 이용한 비타민 D2, D3, K1, K2 동시분석법. 

  두 번째로, 식품의 향기성분 분석기술 및 천연향료 개발입니다. 국내자생소재 및 국내 다소비 식품재료의 고유향기 성분을 정량·정성분석 및 생리활성 향기성분과 저장기간 중 변화되는 향기성분 메커니즘 규명을 위한 지표성분 연구를 위해 환경 친화적인 향기추출 분석법 확립에 대한 연구를 진행 중입니다. 국내 향료업체는 합성향료 원료를 수입하여 배합하는 수준에 머물러 있고, 천연향료 연구는 기능성 부분에만 초점을 맞추어 식품에 적용되고 있으며, 향료생산을 위한 key aroma chemical 분석기술 개발 및 식품적용은 전무한 실정입니다. Key aroma chemical 분석을 통한 향미소재 특성 규명 및 천연 향미소재 분리 정제기술 개발이 필요하며, 이 분석기술은 식품가공 산업에 보급되어 글로벌 향료시장으로의 진출을 위한 원천 기술 기반 마련이 필요합니다. 식품의 향기성분 분석기술로, HS-SBSE와 HS-SPME-Arrow 기술이 국내 최초로 적용되었으며, 유용성, 수용성, 분말 등 다양한 제형의 향료 소재의 향기분석이 가능한 기술로, 자생소재 활용도 및 천연향료 시장의 활성화에 기여하고자 합니다.

그림 3. HS-SBSE와 HS-SPME-Arrow 기술을 활용한 식품의 향미성분 분석. 

  세 번째로, 식품의 가공과정 중 마일라드 반응에 의해 생성될 수 있는 신종유해물질 분석기술을 개발하였습니다. 국외에서 관심물질 대상이지만, 식품공전에 제시되어 있지 않은 신종유해물질에 대한 첨단 분석법 기반을 마련하였습니다. 특히, 홍삼 가공제품, 식용오일, 장류 식품 등의 제조과정 중 생성될 수 있는 α-다이카보닐 화합물들을 분석하기 위한 DLLME-GC/MS를 활용한 분석방법을 국내 최초로 개발하였고, 참기름과 홍삼 가공제품의 글리옥살, 메틸글리옥살, 다이아세틸의 회수율은 92.4% - 103.9%, intra-day와 inter-day precision의 RSD는 < 5.80% 로 분석정확도가 매우 높게 측정되었습니다. 또한, 홍삼 가공제품(홍삼농축액, 홍삼음료)의 카라멜 색소 지표 성분 선정을 통한 분석 방법으로 DLLME 방법을 이용하여 4-메틸이미다졸(4-methylimidazole, 4-MEI)의 추출과 유도체 변환이 동시에 가능한 방법으로 개발하였습니다. 식품 안전관리의 선진화를 위한 신종 유해물질 분석기술 개발 및 기존 유해물질 분석기술을 보완하여 신속한 분석모니터링이 가능한 분석시스템을 규격화할 수 있도록 연구하고 있습니다.

  네 번째로, 고령자의 3대 섭식장애 저작·섭식·소화장애를 고려한 고령친화식품의 개발연구를 진행하였습니다. 고령친화식품은 생리적 및 신체적 기능의 저하로 인해 개인의 자가 유지 기능이 약화되는 고령자를 고려해 이들의 식사나 소화섭취가 용이하게 할 목적으로 제조, 가공한 모든 종류의 식품입니다. 고령자에게 부족한 고령자용 영양성분 강화제형 개발 및 영양성분 질량분석시스템 구축을 통해 최적의 제형 탐색·제조 조건 도출 및 가공 안정성 평가에 기여하고자 합니다.

그림 4. encapsulation기술을 활용한 고령자 결핍 영양성분 강화식품 개발. 

4. 맺음말

  우리 연구실에서는 최신분석기술 개발을 기반으로, 국외에서는 국가적 관리체계 하에 있는 신규위해물질 관련 글로벌 식품 이슈에 대비한 선제적인 분석 기술을 확립하려고 노력하고 있습니다. 또한, 고감도의 분석기술이 요구되는 식품의 다양한 미량 성분의 최신 분석기술 개발로 친환경 추출기술 확보 및 국산화 시스템 구축을 통한 중소·중견기업들의 애로기술 해결에 기여하고자 합니다. 국내 식품자원에 대한 과학적인 규명을 위하여 끊임없는 연구 및 관심을 통해 국내 농산자원의 고부가가치 제품화를 위한 가공적성 평가, 소재화 탐색 등의 기술개발을 추진하고자 합니다. 지도교수님과 연구실 구성원들이 함께 각자의 자리에서 맡은 일을 책임감 있게 수행하면서 다양한 경험과 식견을 토대로 우리 연구실에서 더 나아가 농생명 관련 산업 발전에 기여할 수 있는 일원이 될 수 있도록 노력하겠습니다.

5. 연구실 대표 논문

1. Nho-Eul Song, Mina K Kim, Kwang-Geun Lee, Hae Won Jang. Analysis of volatile compounds in rooibos tea (Aspalathus linearis) using different extraction methods and their relationship with human sensory perception. Food Research International 2021, 141, 109942.

2. Jae Hoon Lee, Ji-Yoon Cha, Tae-Kyung Kim, Yun-Sang Choi, Hae Won Jang. Effects of a defatting process on the thermal stabilities and volatile compound profiles of proteins isolated from Protaetia brevitarsis larvae. LWT 2021, 151, 112095.

3. Mina K Kim, Yun-Yeol Lee, Kwang-Geun Lee, Hae Won Jang. Instrumental volatile flavor analysis of omija (Schisandra chinesis Baillon) using headspace stir-bar sorptive extraction-gas chromatography-mass spectrometry and its relationship to human sensory perceptions. Food Research International 2019, 120, 650-655.

4. Hae Won Jang, Ja Myung Yu, Mina K. Kim. Aroma analyses of fermented soybean paste (doenjang) using descriptive sensory analysis and μ-chamber/thermal extractor combined with thermal desorber–gas chromatographymass spectrometry. Journal of Sensory Studies 2021, 36, 1-12.

5. Jangho Lee, Yun-Yeol Lee, Tae Gyu Nam and Hae Won Jang. Dispersive liquid–liquid microextraction with in situ derivatization coupled with gas chromatography and mass spectrometry for the determination of 4-methylimidazole in red ginseng products containing caramel colors. Journal of Separation Science 2018, 41, 3415-3423.