[식품화학실험]유지의 과산화가

실험 목적

본 실험은 유지의 과산화 물가에 대한 실험이었다. 과산화 물가는 유지 1㎏에 의하여 KI에서 유리되는 요오드 밀리 당량수를 말한다. 먼저 신선유와 산패유를 시료로 취한고 CH3COOH와 CHCl3이 3:2의 비율로 혼합된 용매인 녹인 다음 KI 포화용액 1㎖를 가한고 10분 동안암소에 방치한다 10분이 지난후 물을 가하고 전분시약을 사용해 0.01N-Na2S2O3로 적정을한다. 같은 방법으로 공시험을 한다. 실험결과 산패유의 과산화 물가는 167.4558로 나왔다

 

실험 이론 및 원리

1. 유지의 산패 정도를 측정하는 방법

유지의 산패가 일어나면 산소의 흡수속도가 증가하고 hydroperoxide와 같은 과산화물이 생성되는 동시에, 각종 carbonyl 화합물이 생성되고 그 양도 증가되며, 여러 가지 불쾌한 냄새와 맛도 형성된다. 따라서 유지의 산패는 이러한 변화를 중심으로 관능적 검사 및 이화학적 검사를 통하여 그 정도를 측정할 수 있는 바, 유지의 산패를 측정하는 방법으로는 다음과 같은 것이 있다.

1) 과산화물 값(Peroxide value)의 측정

유지 중에 존재하는 과산화물의 함량을 측정하는 것으로서, 유지의 산패를 검출하거나 유도기간을 측정하는데 이용된다. 과산화물 값은 유지 1 ㎏에 함유된 과산화물의 m㏖e수 또는 meq수로서 표시한다. 

보통 유지를 아세트산 또는 클로포름과 아세트산 혼합액의 용매에 용해시킨 후, 요오드화칼륨(KI)을 용해시켜 형성되는 요오드 이온(I-)을 용해된 유지 중의 과산화물과 반응시켜 요오드(I2)로 산화시킨다. 이 때 생성된 요오드를 Na2S2O3의 표준용액으로 적정하여 그 소비량으로부터 과산화물의 함량을 계산한다.

이 방법의 결점은 유지의 산패가 진행됨에 따라 생성되는 hydroperoxide의 함량은 자동산화의 진행에 따라 일단 최고값에 도달한 후 감소하기 때문에 산패가 발생한 지 오래된 유지는 과산화물 값이 의외로 낮을 때가 있다는 점이다.

일반적으로 식물성 기름은 과산화물 값이 60∼100 meq/㎏에 도달하는데 소요되는 시간을 그 유도기간으로 정하며, 동물성 유지의 경우는 과산화물값이 20∼40 meq/㎏이 되는데 소요되는 시간을 그 유도기간으로 정하고 있다.

 

2) TBA(Thiobabituric acid) 시험

TBA 시험은 유지의 산패가 진행됨에 따라 생성되는 carbonyl 화합물 중 malonaldehyde의 생성에 근거를 둔 것이다. 산패된 유지나 지방질 식품 중의 malonaldehyde는 다음 반응식과 같이 두 분자의 thiobarbituric acid와 한 분자의 malonaldehyde가 반응하여 적자색의 복합체를 형성하고, 이를 538 ㎚에서 흡광도를 측정하여 malonaldehyde의 양을 산출할 수 있다.

 

TBA 시험은 과산화물 값을 측정하는 방법보다 재현성이 낮다고 하나 산화가 진행됨에 따라 그 값은 계속 증가하며, 과산화물 값과 같이 산화가 진행됨에 따라 그 값이 감소되는 일은 없다는 장점이 있다. 그러나 TBA 시험에서 TBA와 복합체를 형성하는 반응 중에서 적자색(532∼538 ㎚)으로 발색되는 외에 황색(450 ㎚)의 최고 흡광대가 나타나는 경우가 있으며, 다른 반응을 동반하는 경우가 있으므로 정확성이 결여될 때가 있다.

 

3) 총 carbonyl 화합물의 측정

유지의 자동산화과정 최종 단계에서 carbonyl 화합물이 생성되는 바, 이의 양을 측정함으로써 산패 정도를 알아내는 방법이다. Carbonyl 화합물은 과산화물 값과 같이 산화 과정이 지속되는 동안에 최고값에 달하였다가 다시 감소되는 일이 없이 계속 증가된다. 그러나 일부의 carbonyl 화합물은 휘발성이 강하기 때문에 생성된 carbonyl 화합물의 일부가 소실될 수 있으므로 주의하여야 한다.

한편, 가장 널리 사용되는 총 carbonyl 화합물의 측정법은 2,4-dinitrophenylhydrazine과 반응시켜 2,4-dinitrophenylhydrazone 유도체를 만들고, 이를 분리한 후 수산화칼륨을 가하여 발색시킨 다음, 430∼460 ㎚에서 흡광도를 측정하여 carbonyl 값(meq/㎏)을 산출하는 것이다.

 

4) Anisidine값의 측정

유지의 산패가 진행되면 aldehyde의 양이 증가한다. 아세트산 존재하에서 p-anisidine은 aldehyde와 반응하여 다음과 같이 황색의 복합체를 형성하는데, 이를 350 ㎚에서 흡광도를 측정하여 그 양을 산출한다. Anisidine 값은 aldehyde 중에서도 주로 2-alkenal과 2,4-alkadienal을 측정하는 것이다. 한편, 산화값(oxidation value) 또는 Totox는 다음과 같이 표시하며, 유지의 산화정도를 평가하는데 널리 이용된다.

Totox (또는 oxidation value) = 2×과산화물 값(POV) + Anisidine 값

 

5) Kreis 시험

유지의 산패 정도를 알아내는 방법 중 가장 오래된 것으로서 산패 발생 여부에 대한 정성시험에만 사용된다. 이 시험은 유지의 산패로 형성된 epihydrin aldehyde(malonaldehyde 이성질체의 일종)와 다른 carbonyl 화합물 중의 일부가 염산 산성하에서 phloroglucinol(1,3,5-trihydroxybenzene)과 붉은 색의 복합체를 형성하는 정색반응을 이용하는 것이다. 그러나 신선한 유지도 어떤 경우에는 Kreis 시약과 반응하여 붉은 색을 나타내는 경우가 있으므로 신뢰도가 높지 못하다는 단점이 있다.

 

6) 자외선 분광광도법(UV spectrophotometry)

유지가 산패되면 지방산 분자의 이중결합이 공액형으로 전환되는 바, 공액형의 지방산 함량을 측정하면 산패의 정도를 결정할 수 있다. 공액 이중결합(conjugated diene)은 230 ㎚에서 공액 삼중결합(conjugated triene)은 268 ㎚에서 흡광도를 각각 측정하여 그 양을 산출한다. 그러나 이것은 산화의 초기단계를 제외하고는 산화의 정도와 잘 일치하지 않는 경향이 있다.

 

7) 크로마토그래피(Chromatography) 방법

GC, HPLC, TLC 등의 크로마토그래피가 유지나 지방질 식품의 산화정도를 측정하는데 이용된다. 즉, 유지의 산패가 진행됨에 따라 생성되는 어떤 분획물을 크로마토그래피에 의하여 분리 정량한다.

 

8) AOM(Active oxygen method) 시험

이것은 유지 산패의 용이성을 단시간에 판단하는 방법으로, 유지를 약 97℃의 물중탕(water bath)중에 유지하면서 2.33 ㎖/sec의 속도로 공기를 불어 넣어 산패를 일으키게 한 다음 POV를 측정하든지, TBA값을 측정하여 유지의 산패유도기간을 측정하는 것이다.

이 방법은 가속된 저장수명시험법(accelerated shelf life test)의 하나이다. 최근에 개발된 새로운 기기인 rancimat는 간편하고 쉽게 유지의 안정도를 측정할 수 있다.

 

9) Oven시험

이것은 Schaal oven시험이라고도 부르는데, 제과 및 제빵공업에서 많이 사용하는 방법이다. 유지의 산패를 측정하고자 하는 시료를 접시에 담고 일정한 온도(63℃, 혹은 145℉)로 유지되고 있는 항온조에 넣어서 수시로 관능검사를 통하여 산패의 발생을 검출하든지 혹은 그 유도기간을 추정하는 방법이다. 이 방법은 빵, 케이크, 비스킷과 같이 그 식품을 부수지 않고는 유지를 추출하기 어렵거나, 관능검사 외에는 산패를 측정하기 곤란할 때 사용하는 방법이다.

 

2. 과산화물가

1) 정의

시료 1㎏ 중에 함유하는 과산화물의 mg 당량수

유지가 산화할 경우 처음에는 이중결합 부위에 산소윈자가 부가되어 과산화물(peroxide)을 만듬

과산화물가는 이 부분의 산소의 양을 측정하는 것으로 유지산패의 시작정도를 알 수 있다. 즉, 소정의 방법에 의해 시료에 KI를 가하면 과산화물이 요오드화칼륨(KI)과 반응하여 요오드가 유리되므로 그 요오드의 양을 thio황산나트륨용액으로 적정해서 정량 

 

2) 과산화물가 측정목적

유지의 산화정도 즉, 초기단계의 산패를 나타내므로 이 값이 높을수록 신선하지 못하므로 식품으로 부적당 유지의 산패에서 생기는 hydroperoxide 함량이 자동산화의 진행에 따라 일단 최고치에 달한후 다시 감소하기 때문에 산패가 발생한지 오래된 유지는 과산화물가가 의외로 낮을 때가 있다.

(∵ 시간이 경과하면 과산화물이 aldehyde, ketone, alc. 등으로 분해되므로)

 

3. 자동산화반응의 메카니즘

자동산화과정은 본질적으로 자유라디칼 반응으로 전개되는 바, 다음과 같이 초기반응(initiation reaction), 전파반응(propagation reaction), hydroperoxide 분해과정을 거치는 연쇄반응(chain reaction)을 지나서 종결반응(termination reaction)의 3단계를 거쳐서 일어난다.

1) 개시 단계 : 개시 단계에서는 가열 에너지, 기계적 에너지, 광에너지, 화학 에너지, 금속촉매제 등의 개시제에 의해서 활성화되며 분자내에 공유결합을 이루고 있는 수소가 떼내져(abstracted) 유리 라디칼이 생성되거나 또는 생성된 hydroperoxide로부터 각종 라디칼이 생성되는 단계이다.

 

△ RH ------------------> R•+ H• (유리 라디칼의 생성) RH + 1O2(일중항 산소) ----------> ROOH (hydroperoxide의 생성)

 

촉매(전이금속) ROOH -------------------> RO•+ •OH (alkoxy 라디칼의 생성)

 

촉매(전이금속) ROOH -------------------> ROO• + •H (과산화 라디칼의 생성)

 

2) 전파단계 : 생성된 유리 라디칼은 공기 중의 산소와 결합하여 다음 반응과 같이 과산화 라디칼(peroxy radical)이 되고 이것은 또 다른 유지로부터 수소를 떼네어 hydroperoxide(ROOH)와 유리 라디칼을 생성하며 이러한 반응은 연속적으로 진행된다. Hydroperoxide 로부터 또한 쉽게 유리 라디칼이 생성될 수 있으므로 hydroperoxide 가 생성되는 즉시 산화반응은 기하급수적으로 연속 진행된다.

R• + O2 --> ROO• ROO• + RH ---> ROOH + R•

 

3) 종결 단계 : 이상에서 활성이 매우 큰 각종 라디칼에 의해서 수소를 떼내기 쉬운 지방질이 거의 소진되면 라디칼끼리 결합하여 산소의 양에 따라 중합 화합물이 생성된다.

R• + R• ---> R-R (산소의 양이 적을 때) ROO• + ROO• ---> ROOR + O2 (산소의 양이 많을 때) RO• + RO• ---> ROOR(산소의 양이 많을 때)

 

이 중합 생성물은 유지의 이화학적 성질에 영향을 준다.

산화 과정중에 과산화물값은 최고값에 도달한 후 감소한다. 산패한지 오래된 유지는 과산화물값이 낮게 측정된다. 하지만 산값은 유지중의 유리지방산의 양이므로 유지의 산패정도에 따라 값이 다르게 나타낸다. 따라서 산패된 시간에 관계없이 유지의 산화된 정도에 따라서 값이 측정된다.

 

4. 요오드를 이용한 적정법

유지 중에 존재하는 과산화물의 함량을 측정하는 것으로서, 유지의 산패를 검출하거나 유도기간을 측정하는데 이용된다. 과산화물 값은 유지 1 ㎏에 함유된 과산화물의 m㏖e수 또는 meq수로서 표시한다.

보통 유지를 아세트산 또는 클로포름과 아세트산 혼합액의 용매에 용해시킨 후, 요오드화칼륨(KI)을 용해시켜 형성되는 요오드 이온(I-)을 용해된 유지 중의 과산화물과 반응시켜 요오드(I2)로 산화시킨다. 이 때 생성된 요오드를 Na2S2O3의 표준용액으로 적정하여 그 소비량으로부터 과산화물의 함량을 계산한다.

이 방법의 결점은 유지의 산패가 진행됨에 따라 생성되는 hydroperoxide의 함량은 자동산화의 진행에 따라 일단 최고값에 도달한 후 감소하기 때문에 산패가 발생한 지 오래된 유지는 과산화물 값이 의외로 낮을 때가 있다는 점이다.

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

CH3COOH, CHCl3, KI 포화용액, 증류수, 0.01N-Na2S2O3, starch 지시약

실험 방법

1. 실험 과정

1) 신선유 5g과 산패유 1g을 각각 공전 삼각 플라스크에 취한다.

2) CH3COOH와 CHCl3이 3:2의 비율로 혼합된 용매 25㎖에 시료를 녹인 다음 KI 포화용액 1㎖를 가한 후 10분 동안 암소에 방치한다. 

3) 10분이 지나면 물 75㎖를 가하고 전분시약을 사용하여 0.01N-Na2S2O3로 적정한다.

4) 같은 방법으로 공시험을 한다.

 

실험 결과

1. 결과 data

F: 0.01N-Na2S2O3의 역가          A: 0.01N-Na2S2O3의 농도

 

산패유

시료: 1.0126,  0.01N-Na2S2O3

F: 1.08696,  blank: 0.4

과산화물가 :167.4558

 

토의 사항

1. 실험 고찰

본 결과 산패유의 과산화 물가는 167.4558이 나왔다 과산화 물가가 60이 넘으면 식용유지로는 사용이 불가피 하다. 본 실험에서 산패유의 과산화 물가는 초기 산화가 많이 진행되었기 때문에 식용유지로 과산화 물가가 많이 나와 식용유지로는 사용이 불가능하다.

다른 조의 결과 산가는 0.4~0.5이 나왔고 과산화 물가는 20~167이 나왔고 산가는 1.0이하로 나와 식용유지로 사용이 가능 하지만 과산화 물가는 60이상이 나와 식용유지로 사용할 수 없다는 결론이 나와 이 유지는 초기 산화가 많이 진행되어 식용유지로 사용할 수 없다는 결론이 나왔다.

 

*1000을 곱해준이유

과산화물가의 계산식을 살펴보면 과산화물가는 유지 1㎏에 의하여 KI에서 유리되는 요오드의 밀리 당량수이다. 유지 1g당 Na2S2O3 의 밀리 당량수를 구하는 식이므로 계산식에 1000을 곱해주어 유지 1㎏당의 요오드의 밀리 당량수를 구하게된다

 

참고 문헌

1. 식품분석법, 이영근, 형설출판사, 1998

2. 최신식품화학실험, 남관석, 신광출판사, 2000

3. 식품화학, 윤석권, 수학사, 2004

4. 식품분석, 조득문, 효일문화사, 1998