관련 제품명 : MultiPurpose Sampler

GERSTEL MPS는 다양한 전처리 기능의 모듈을 필요에 따라 선택/구성/사용할 수 있는 다목적 전처리 시스템이다.

그 중 가스 타이트 실린지를 이용하는 Static Headspace(이하 SHS)와 흡착 트랩을 사용하는 Dynamic Headspace(이하 DHS)를 하나의 시스템에서 사용이 가능하여 목적 성분의 농도에 따라 비교 분석이 가능하다.

SHS는 온도프로그래밍이 가능한 CIS(Cooled Injection system, PTV inlet)와 함께 사용하여 비교적 고농도 성분의 분석에 적용하였고, DHS는 휘발 성분을 Tenax를 충진한 흡착튜브에 포집 및 농축하여 주로 미량 분석에 적용하였다.

요약

알코올 음료 중의 향 성분에 대한 프로파일분석을 위해 GC로 직접 시료를 주입하는 분석법이 있으나, 이 경우 상당한 양의 비휘발성 물질을 포함하는 증류주와 과실주는 GC 주입구(inlet)와 컬럼 오염으로부터 발생할 수 있는 문제를 예방하기 위해 시료전처리가 필요하다.

특히 나무통(wooden barrel)에서 장기 숙성된 제품(와인 등)이나 당을 첨가한 제품은 GC로 시료를 주입하기 전 시료 전처리가 중요하다.

본 연구에서는 SHS 및 DHS를 통해 이러한 알코올 음료 중 향성분들에 대한 프로파일분석을 실시한 예를 소개하려고 한다.

또한 SHS 및 DHS와 함께 시료 도입에 사용한 온도프로그램이 가능한 CIS의 solvent vent 모드를 이용하면 휘발성 성분을 분석하는데 간단하게 시료 전처리를 할 수 있고 비휘발성 성분에 의한 주입구의 오염 및 컬럼 오염을 예방할 수 있다.

개요

원료 추출에서부터 발효, 증류, 숙성의 모든 제조 공정에서 생성되는 증류주의 향기 성분은 물과 에탄올 중에 복잡하게 섞여 있다.

숙성 과정 중 나무 리그닌의 분해로부터 생성되는 휘발이 잘 되지 않는 성분들을 제외하고 증류주(distilled spirit) 중에 존재하는 주요한 향 성분들은 기체 크로마토그래피 분석에 적용이 가능하다. 

CIS를 이용한 대용량 주입에서는 낮은 검출한계를 얻기 위해 50~100 μL까지 주입량을 늘릴 수 있지만 라이너가 견딜 수 있는 압력범위 이상으로 시료를 주입하게 되면 과부하가 걸리게 되거나 split vent 라인으로의 시료 손실이 발생할 수 있다.

따라서 대용량 주입을 적용하기 위해서는 정확하게 시료 주입 속도를 조절하는 것과 용매와 목적성분들의 온도차이를 이용하여 목적성분만을 농축시키기 위한 주입구 온도 조절이 가장 중요한 변수로 작용된다. (GERSTEL Calculator는 주입구의 온도와 사용하는 용매를 설정해 주면 주입속도를 계산하여 바로 시료주입이 가능하다.)

그러나 상당한 양의 비휘발성 물질을 포함한 알코올 음료의 경우 시료 자체를 바로 GC로 주입하는 분석방법은 적절하지 않다.

과실주나 기타 알코올 함유 음료는 과량의 당을 포함하고 있고, 매우 오래된 브랜디나 위스키는 고농도의 폴리페놀이 포함되어 있는 경우가 있기 때문이다.

따라서 이러한 시료를 분석할 경우 라이너를 자주 교체하지 않는다면 비휘발성 물질들이 주입구와 컬럼에 축적되어 라이너를 오염시키게 되고 당 성분들이 고온의 주입구에서 변성이 되어 크로마토그램을 더욱 지저분하게 만든다.

이러한 경우 SPME, SBSE(Stir Bar Sorptive Extraction) 및 헤드스페이스, HSSE(HeadSpace Sorptive Extraction) 및 Dynamic 헤드스페이스법 등의 전처리 방법으로 비휘발성 물질에 의한 영향을 최소화할 수 있다.

SPME법은 다양한 고정상의 fiber를 이용하여 선택성있게 추출 할 수 있으나 추출할 수 있는 고정상의 양이 매우 적다(0.5 ㎕).

또한 SBSE와 HSSE는 SPME보다 많은 양의 고정상(24~126 ㎕)을 사용할 수 있지만 비극성의 PDMS 고정상만 사용할 수 있는 것이 한계로 작용한다.

헤드스페이스법을 이용한 분석에서는 실제 관능 특성에 가까운 상태로 향성분을 분석할 수 있다는 점이 장점으로 작용한다.

실험조건

SHS는 GERSTEL MPS2와 CIS4를 함께 사용하였고, DHS는 DHS 옵션을 MPS2에 장착하여 TDU, CIS4와 함께 사용하였다.

물 시료나 물을 많이 포함한 시료에서는 바이얼 내의 헤드스페이스 부분에 있는 수분이 함께 주입구와 컬럼으로 주입되면서 분석의 정확성을 방해하게 된다.

하지만 수분에 강한 Tenax TA가 충진된 CIS 라이너를 사용하면 컬럼에 도입되는 수분의 양을 제거하는 것이 가능하다.

GERSTEL DHS는 바이얼에 시료를 넣고 온도를 가하면 휘발된 성분들이 바이얼의 헤드스페이스 부분에 모이게 되고 이 휘발된 성분들을 비활성 가스로 퍼징시켜 흡착제가 충진되어 있는 트랩으로 불어넣어 흡착을 하게 된다.

또한 건조한 비활성 가스를 흡착트랩에 불어넣는 Dry purge 기능을 사용하면 휘발성분들과 함께 흡착된 수분들을 제거하는 것이 가능하다.

이러한 과정의 샘플링 후 흡착트랩은 자동으로 흡착될 성분을 가열 탈착하기 위한 TDU로 삽입되고 가열 탈착된 화합물은 CIS4에 의해 냉각응축된다.

용매 등을 제거하는 경우, TDU의 solvent vent 모드를 이용하여 CIS4 주입구로 화합물들이 주입되기 전 용매를 제거하는 것이 가능하다.

<그림 2>는 DHS에서 흡착트랩을 이용한 흡착과 탈착 과정을 나타내었다.

결과 및 고찰

<그림 3>은 SHS와 CIS를 이용하여 농축과정을 거쳐 분석한 일반적인 크로마토그램이다.

Fusel 알코올, 그 이외의 알코올류와 dodecanoic acid ethyl ester가 가장 높게 나타나고 있다.

또한 가장 흥미로운 점은 알데히드류, 에스테르류, 아세탈류가 크로마토그램 앞부분에 좋은 분리능을 가지고 나온다는 것도 특징적이다.

특히 중요한 것은 좋은 향을 내는 fruit ester로 불리는 짧은 사슬 지방산인 에틸에스테르 성분들이 나타나는 것이다.

또한 톡 쏘는 듯한 향이 나는 알데히드와 좋은 향의 아세탈 등 다양한 알코올류들이 검출되었다.

<그림 4>는 동일한 시료인 숙성된 위스키를 DHS를 이용하여 분석한 크로마토그램이다.

C5까지의 (3-Methyl-a-butanol) 화합물은 TDU에서 부분적으로 vent 되었고, 그 이후에는 많은 화합물들이 검출되었다.

또한 매우 흥미로운 straight & branched 사슬 에스테르 화합물 뿐만 아니라 몇몇 acid 화합물들도 발견되었다.

Nonanal과 Decanal은 맥주, 와인, 꼬냑에서 발견되어져 왔고, 향료 및 향수 산업에서 흔하게 사용되고있다.

이 두 가지 전처리 방법과 주입모드를 사용하여 모두 재현성있는 결과를 나타내었고, 내부표준 물질을 필요로 하지 않았다.

결론

SHS 및 DHS와 CIS를 함께 사용하여 휘발된 성분들을 농축과정을 거쳐 알코올 음료 중 미량의 향 성분까지도 프로파일 분석을 할 수 있고 시료 전처리에서부터 주입, 분석까지 모두 자동화하는 것이 가능하다.