대기 중 초미세먼지 (PM_2.5)의 원인으로는 크게 식생연소, 자동차 배출, 중국발 장거리 물질, 2차 성분으로 이루어져 있다 (Oh et al., 2018b, 2017; Park et al., 2016). 최근 연구에 의하면, PM_2.5 내 음식 조리, 특히 고기구이에서 배출되는 미세먼지가 증가하고 있다 (Zhao et al., 2015; Sun et al., 2011; Allan et al., 2010; Schauer et al., 2002). 2014년 미국 내 식당에서 배출되는 초미세먼지 총량은 약 9톤에 달하며, 2023년에는 10톤을 넘어간다는 보고가 있다 (Gysel et al., 2018). 이 같은 이유로 고기구이에서 발생하는 유기성분 분석과 더불어, 관련된 대기 정량적 기여율 분석 및 산화 잠재력과 관련된 독성 연구가 최근 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다 (Li et al., 2014; Mohr et al., 2012; Robinson et al., 2006). 홍콩 음식 연소 성분 중 formaldehyde, acetaldehyde, benzene과 같은 휘발성 유기화합물이 다량 발생하는 것으로 보고되었고 (Huang et al., 2011), 멕시코 음식조리 배출 성분 중 벤젠 화합물을 포함하는 비메탄 휘발성 유기화합물이 다량 발생하며 (Mugica et al., 2001), 미국에서는 formaldehyde, acetaldehyde 등이 고기구이 중 발생하는 것으로 보고되었다. 특히 cholesterol (CAS num-ber: 57-88-5, C₂₇H₄₆O, (3β)-cholest-5-en-3-ol)은 고기구이에서 발생하는 대표적인 유기지표 성분으로 알려져 있다 (McDonald et al., 2003; Schauer et al., 2002; Schauer et al., 1999).

고기구이가 우리나라 주식단 중의 하나임을 고려할 때, 이와 관련된 초미세먼지의 대기 기여율은 무시할 수 없으며, 관련 연구 또한 매우 미비하다. 미국 등에서 연구된 고기구이에 대한 원인분류표는 조리방법 및 고기 종류 및 부위가 상이함을 감안할 때, 대기 중 고기구이에 따른 기여율 계산을 위해, 미국 등에서 발표한 동일 원인분류표 (source profile)를 이용하기에는 한계가 크다. 이에, 고기구이 등에 따른 국내 대기 기여율을 계산하기 위해서, 우리나라 특성에 맞는 cholesterol과 같은 유기지표 성분 분석 및 더 나아가 독성과 관련된 산화 잠재력 분석은 필수 불가결하다.

본 연구에서는 연소 체임버를 이용하여, 부위별 돼지고기, 소고기, 닭고기 및 고등어 등 총 10종의 고기를 전기구이하여 발생된 초미세먼지를 석영여과지를 이용하여 포집하였다. 포집된 여과지는 열광학 탄소분석기를 이용하여 총탄소 (total carbon, TC) 분석 및 Liquid chromatography tandem-mass spectrometry (LC-MSMS)를 이용하여 cholesterol를 분석하였다. 또한, dithiothreitol (DTT) 분석법을 이용한 고기구이 분진 내 산화 잠재력을 분석하였다. 이에, 1) 고기구이 종류에 따른 TC에 대한 cholesterol 비율 및 2) DTT 분석에 따른 산화 스트레스 잠재력과의 상관성 분석을 통해, 고기 종류에 따른 독성 잠재력을 분석함으로써, 인체 유해성과의 관련성을 분석하였다.

서로 다른 3 부위별 돼지고기, 소고기, 닭고기와 오리고기 및 고등어를 무연료 전기 후라이팬에서 열분해하여 발생된 분진을 연소 체임버를 이용하여, 3분 간격 총 9분간 포집하여, 총 33개 시료에 대해 TC 및 cholesterol 분석 결과를 표 4에 요약하였다. 본 연구에서 나타낸 데이터는 모두 최저 저한계 이상 값을 나타냈으며, 재차 및 표준시료에 대해서 5% 이내 정확 정밀도를 나타냈다. 본 연구에서 고기구이 시 발생하는 모든 분진이 체임버 후드로 포집되지 않음을 가정할 때, 부피농도 환산 값을 고기구이 분진 배출 절대량으로 판정할 수 없지만, 같은 조건에서 실험이 진행되었음을 볼 때 상대 농도 값은 의미가 있다.

돼지고기 중 목살의 TC는 54,917 μg/m³ 및 cholesterol 1,015 μg/m³로 분석되어 다른 돼지고기 부위보다 가장 높은 값을 나타냈으며. 다음으로 삼겹살 및 앞다리살로 나타났다. 전체 돼지고기 TC 및 cholesterol 평균값은 40,226 μg/m³ 및 654 μg/m³로 분석되었다. 앞서 설명한 바와 같이 고기구이 시 유실 분진이 있으므로, 고기별 구이 분진 발생 특성을 분석하고자 cholesterol와 TC의 비율을 계산하였다. 돼지고기의 경우 앞다리살이 가장 작은 비율 값 (0.006)을 나타냈으며, 목살과 삼겹살은 비슷하게 분석되었다. 이는 돼지고기 구이 시 목살 및 삼겹살에서 상대적으로 많은 TC 발생과 함께, 높은 cholesterol이 발생하였다. 소고기의 경우 꽃등심, 부채살, 업진살 중에서 업진살이 가장 높은 TC (62,438 μg/m³) 및 cholesterol (916 μg/m³)으로 분석되었다. 하지만, 부채살의 경우 가장 높은 cholesterol과 TC의 비율 (0.020)을 나타내, 단위 TC 당 높은 cholesterol을 발생하였다. 닭고기는 닭다리 구이에서 가장 높은 TC (19,260 μg/m³), 닭날개 구이에서 가장 높은 cholesterol (388 μg/m³)을 나타냈으며, 특히 전체 고기구이에서 가장 높은 cholesterol과 TC 비율 (0.023)을 나타냈다. 전체 돼지고기, 소고기, 닭고기의 평균 TC 및 cholesterol은 33,460 μg/m³ 및 542 μg/m³, cholesterol와 TC 비율 0.015로 분석되었다. 이는 오리고기의 TC (31,098 μg/m³) 및 cholesterol (504 μg/m³)와 비슷한 값으로 분석되었다. 특이한 점은 고등어 구이의 경우 TC (68,945 μg/m³) 및 cholesterol (1,227 μg/m³)이 고기구이보다 약 2배 이상 높은 값을 나타내었다. 이는 생선 비늘이 상대적으로 열분해가 잘 되어, 다량의 유기 성분이 배출될 가능성이 크다.

좀 더 자세히, 본 연구에서 각 3분 간격 구이 시간별 TC, cholesterol 농도 및 cholesterol과 TC 비율을 그림 5에 나타냈다. 모든 돼지고기 목살, 삼겹살, 앞다리살 구이에서 3분에서 6분 구이 시간 동안 가장 높은 TC (54,467 μg/m³) 및 cholesterol (991 μg/m³)이 분석되었다. 이는 구이 초반, 돼지고기 내 수분 등이 선 증발되고, 이후 고기가 열분해되어 cholesterol을 포함하는 유기 성분이 발생하며, 6분 이후 발생량이 서서히 감소하는 것으로 판단한다. 닭고기, 오리고기 구이에서 3분에서 6분 사이에 가장 높은 TC 및 cholesterol 농도가 나타났다. 하지만, 소고기의 경우 꽃등심, 부채살의 경우 6분에서 9분 구이 시간 동안 가장 높은 TC 및 cholesterol가 분석되었다. 이는 고기를 구성하고 있는 단백질 성분 등의 열분해 특성이 다른 고기류에 비해 느리게 나타남을 알 수 있다.

Fig. 5. 
Results of TC, cholesterol, and ratio of cholesterol concentrations in the sequence sampling time (1=0~3 min, 2=3~6 min, 3=6~9 min) and pairwise scatterplot between cholesterol & TC from the pyrolysis sampling system from meat smoke.

Cholesterol과 TC 평균 비율을 살펴보면, 돼지고기의 경우 3분에서 6분 구이 시간 동안 가장 높은 비율을 나타낸 반면, 소고기의 경우 6분에서 9분 구이 시간에 가장 높은 값 (0.022)을 나타내, 앞서 설명한 느린 열분해에 따른 cholesterol 배출량 특성을 나타냈다. 닭고기의 경우, 소고기와는 반대로 처음 구이 시작에서 3분 동안 가장 높은 비율 (0.016)을 나타내, 다른 고기류에 비해 짧은 열분해 유기성분 발생이 일어남을 알 수 있다. 오리고기 및 고등어의 경우 돼지고기와 동일하게 3분에서 6분 구이 시간 동안 가장 높은 비율을 나타냈다.

전체적인 cholesterol과 TC의 상관관계를 살펴보면, 높은 상관관계 결정계수 (r²=0.90) 기울기 0.017로 나타났다. 본 연구 결과를 바탕으로 다음과 같은 식 (5)를 산출하였다.

위 식 (5)를 통해 TC 내 고기구이에 의해 대기 중 기여량 (TC_{meat cooking})을 계산할 수 있다. TC_{meat cooking} / Cholesterol_{meat cooking}는 본 구이 실험에서 연구 결과의 cholesterol과 TC의 기울기는 0.017의 역수 값인 58.8 이다.

식 (5)로부터 산출된 TC_{meat cooking}와 대기 중 전체 TC_T의 차이로 식 (6)에 나타낸 비고기구이 TC (TC_NMC) 기여량을 최종 산출할 수 있다. 이는, 대기 TC 내, 2차 생성물 및 다른 1차 원인에 대한 정량적 기여량 등을 연구하는 데 매우 유용하다.

고기구이 분진의 산화 잠채력을 DTT 실험을 통해 분석한 DTT-OP 결과를 표 5에 나타냈다. 본 DTT 분석에서 바탕 시료를 측정 값에서 식 (2)를 통해서 보정했으며, 바탕 값보다 낮은 값은, 본 결과에서 모두 제외하였다. DTT-OP는 크게 포집 부피로 정규화한 값 (volume normalized DTT-OP_V (nmol/min/m³))과 분석 TC로 정규화한 값 (TC mass normalized DTT-OP_T (nmol/min/μgTC))으로 계산하였다.

그 결과, 돼지고기 DTT-OP_T는 앞다리살의 경우 단위 TC 배출량에서 가장 높은 값 (0.0059)을 나타냈다. 이는 다른 목살 (0.0015) 및 삼겹살 (0.0023) 구이에서 보다 높은 산화 잠재력을 지닌 성분이 앞다리살 구이 분진 내 존재할 가능성이 크며, 이에 따른 인체 유해성도 상대적으로 높게 나타날 수 있다. 소고기의 경우 업진살에서 가장 높은 DTT-OP_T (0.0052)가 분석되었으며, 꽃등심보다 1.5배, 부채살보다 2.3배 높게 나타났다. 닭고기의 경우 닭가슴살의 DTT-OP_T가 0.0237로 닭날개 구이보다 약 10배 이상 매우 높게 나타났다. 오리 구이 DTT-OP_T의 경우 0.0033으로 나타났으며, 고등어 DTT-OP_T는 0.0025로 돼지고기, 소고기, 닭고기 전체 평균 값보다 낮게 나타났다. 이는 발생 TC가 다른 고기구이 분진보다는 높게 나타났지만, 분진 내 산화 잠재력을 지닌 성분은 상대적으로 적게 존재함을 의미하며, 이에 따른 인체 유해성도 낮게 평가될 수 있다. 본 연구 결과로 최근 이슈화가 된, 국내 고등어구이 미세먼지 발생량에 따른 유해성 평가의 재고가 반드시 필요하다고 판단한다.

마지막으로, 본 연구에서 각 3분 간격 구이 시간별 DTT-OP_v 및 DTT-OP_T를 그림 6에 나타냈다. 돼지고기 (목살, 삼겹살, 앞다리살) 모든 구이에서 6분에서 9분 구이 시간 동안 가장 높은 DTT-OP_T (0.0053)가 나타났다. 이는 앞서 설명한 처음 구이 시 돼지고기 내 수분 등 선 증발, 이후 cholesterol을 포함하는 유기 성분이 발생하며, 6분 이후 BC 및 활성산소를 포함하는 불완전 연소 성분 등에 의한 산화 잠재력 증가에 따른 결과라 판단한다. 이는 닭가슴살 구이의 경우 같은 경향으로 분명하게 나타났다. 소고기의 경우 돼지고기와는 다르게 처음 시작에서 3분까지, 6분에서 9분 사이에 높은 DTT-OP_T가 나타났다. 위 고기구이의 배출 성분 특성과 DTT-OP_T의 특이한 점은 TC와 cholesterol의 비율이 낮을수록 높은 DTT-OP_T가 분석되었다. 이를 그림 6 (c)에 DTT-OP_T와 cholesterol/TC의 상관관계를 나타냈다. 이는 TC로 정규화한 성분 중, cholesterol이 상대적으로 많이 존재하면, 활성산소를 포함하는 산화 잠재력이 상대적으로 낮으며, 반대로 cholesterol이 상대적으로 적게 존재하면, 높은 DTT-OP_T가 분석되어 산화 잠재력이 상대적으로 크게 나타났다. 이는, 고기구이 시간별 열분해에 따른 연소 성분이 다르게 나타나며, 산화 잠재력과 깊은 관련성이 있음을 의미한다.

Fig. 6. 
Results of DTT-OP in the sequence sampling time (1=0~3 min, 2=3~6 min, 3=6~9 min) and pairwise scatterplot between DTT-OP and TC from the pyrolysis sampling system from meat smoke.

연소 체임버를 이용하여, 부위별 소고기, 돼지고기, 닭고기 및 고등어 등 10종의 고기를 열분해 발생 분진을 TC, cholesterol, 그리고 DTT 분석법을 이용하여 산화 잠재력을 통해, 고기구이 종류에 따른 TC에 대한 cholesterol 비율 및 독성 잠재력을 분석하였다. 그 결과, 전체적인 cholesterol과 TC의 높은 상관관계 결정계수 (r²=0.90)와 함께 기울기 0.017로부터 비고기구이 TC (TC_NMC) 기여량을 최종 산출할 수 있다. 또한, 닭가슴살의 DTT-OP_T 가 0.0237로 매우 높게 나타났으며, 고등어 DTT-OP_T는 0.0025로 돼지고기, 소고기, 닭고기 전체 평균값보다 낮게 나타났다. 마지막으로, TC 내 cholesterol의 비율이 낮을수록 높은 DTT-OP_T가 분석되어, 고기구이 시간별 열분해에 따른 불완전 연소 성분이 산화 잠재력과 관련성이 있다.