Analysis Method of Surfactants for Identification of Residue Dishwashing Detergent

세척제 잔류량 확인을 위한 계면활성제 분석법 확립

Abstract

Surfactants are organic compounds that have both hydrophilic and non-polar parts in one molecule, classified as non-ion, anion, cation, and amphoteric surfactants according to the charge of hydrophilic parts in aqueous state. A trace amounts may remain when vegetables and fruits are washed using type1 detergent (Vegetable and fruit detergent), and there is a possibility of exposure to the human body through ingestion. This study developed the simultaneous analysis method for 5 surfactants with LC-MS/MS for analysis of detergent residues after washing vegetables and fruits with detergent. The mobile phase used distilled water and acetonitrile containing 50 mM ammonium formate and 0.1% formic acid and was analyzed using a gradient method using XBridge BEH C8 column. The accuracy of the established method was 83.9-112.1%, and the precision was less than 20%. The detection limit was 7.0 (SLS) to 29.0 (SLES-N3) ㎍/L, and the correlation coefficient (r²) of calibration line regression was greater than 0.99, it is considered suitable for the analysis of trace amounts of surfactant components remaining in vegetables and fruits.

계면활성제는 하나의 분자에 친수성 작용기와 소수성 부분이 동시에 존재하는 유기화합물로 수용액 상태에서 전하에 따라 비이온, 음이온, 양이온, 양쪽성 계면활성제로 분류된다. 1종 세척제(야채 및 과일 세척제)를 사용하여 야채나 과일을 세척할 때 극미량이 잔류하여 섭취를 통해 인체에 노출될 가능성이 있는 것으로 알려져 있다. 본 연구는 세척제를 사용한 야채, 과일의 세척 후 세척제 잔류량 분석을 위해 LC-MS/MS를 이용한 계면활성제 5종 동시분석법을 확립하였다. 이동상으로는 50 mM 암모늄 포메이트와 0.1% 폼산이 함유된 증류수와 아세토니트릴을 사용하였으며, XBridge BEH C8 컬럼을 이용하여 경사용매조성법으로 분석하였다. 확립된 분석법의 정확도는 83.9~112.1% 이었고, 정밀도는 20% 이하로 정밀한 값을 보였다. 검출한계는 7.0(SLS)~29.0(SLES-N3) ㎍/L이었고, 검량선 회귀식의 상관계수(r²)은 0.99 이상으로 우수한 직선성을 보여주어 야채 및 과일에 잔류하는 미량의 계면활성제 성분의 분석에 적합한 것으로 판단된다.

서론

계면활성제는 하나의 분자에 극성(친수성) 작용기와 소수성 부분이 동시에 존재하는 유기화합물이다.^1,2 계면활성제가 해리되면서 친수성 부분의 전하에 따라 비이온, 음이온, 양이온, 양쪽성 계면활성제로 분류된다.^3,4,5 양이온 계면활성제는 소독제, 방부제, 살균제, 섬유유연제 등에 주로 사용되며, 음이온 계면활성제는 가장 오래되고 일반적인 계면활성제로 세정력이 좋아 가정용 및 산업용 세척제 및 개인위생용품 등에 사용된다.^1,2,6,7 양쪽성 계면활성제는 정전기 방지제, 거품안정제 등에 사용되며, 비이온 계면활성제는 개인위생용품, 세제, 식품 산업 등에 넓은 분야에 사용된다.^1,7,8 전체 계면활성제 생산량은 30~35 만 톤이며, 이 중 음이온 계면활성제(45%), 비이온 계면활성제(36%), 양이온 계면활성제(8%) 순이었다.⁹ 음이온 계면활성제는 세척용 제품에 함유되며, 주로 사용되는 성분은 선형알킬벤젠설포네이트(Linear alkylbenzene sulfonate, LAS), 알파-올레핀설포네이트(Alpha-olefin sulfonate, AOS), 소듐라우레스설페이트(Sodium laureth sulfate, SLES), 소듐라우릴설페이트(Sodium lauryl sulfate, SLS)이다.⁹

식품의약품안전처의 화장품 위해평가 보고서에 따르면 SLES의 피부 흡수율은 2.35%(기니피그 피부), NOAEL은 100 mg/kr/day(랫드) 이고, SLS의 피부흡수율은 1.2%(사람)이고, NOAEL은 100 mg/kr/day(랫드) 이다.¹⁰ Gil 등, 2012의 연구에서는 중등도 독성(mild toxicity)를 보였다고 발표하였으며, 계면활성제를 8 mL이상 섭취하게 되면 저혈압, 의식소실, 호흡부전, 신장기능손상, 부정맥 등이 나타날 수 있다고 보고했다.¹¹

계면활성제의 성분 분석에는 주로 액체크로마토그래피-증기 광산란 검출기(Liquid chromatography-evaporative light scattering detector, LC-ELSD), 액체크로마토그래피-불꽃이온화검출기(Liquid chromatography-flame ionization detector, LC-FID), 액체크로마토그래피-탠덤질량분석기(Liquid chromatography-tandem mass spectrometry, LC-MS/MS)가 사용되었다. Yang과 Shin, 2015은 흙에서 chlorite, chlorate, cyanuric acid 및 LAS,¹² Motteran 등, 2017은 폐수에서 LAS와 선형알콜에톡시레이트(linear alcohol ethoxylate, LAE),¹³ Wang과 Kasperski, 2018은 물에서 벤잘코늄염화물(Benzalkonium chloride, BKC), 노닐페놀(Nolnylphenol) 및 SLS¹⁴를 LC-MS/MS를 이용하여 분석하였다. Im, 2008 등은 샴푸와 헤어컨디셔너에서 SLES, 코카미도프로필베타인(Cocamidopropyl betain, CAPB), 코코모노에탄올아미드(Cocomonoethanolamide, CME), 알킬트리메칠암모늄클로라이드(Alkyltrimethylammonium chloride, ATAC), 디알킬디메칠암모늄클로라이드(Dialkyldimethylammonium chloride, DDAC)를 LC-ELSD로 분석하였고¹⁵ Sablayrolles 등, 2009은 흙에서 LAS를 LC-FID로 분석하였다.¹⁶ Ferrer과 Furlong, 2001은 물에서 BKC를 LC-MS/MS로 분석하였으며¹⁷ Choi, 2020은 여성청결제에서 SLS, 트리에탄올아민(Triethanolamine, TEA), 데실글루코사이드(Decyl glucoside, APG-C10), 라우릴글루코사이드(Lauryl glucoside, APG-C12), 소듐라우로일글루타메이트(Sodium lauroyl glutamate, SLG), 다이소듐라우레스설포석시네이트(Disodium laureth sulfosuccinate, LES), CAPB, 코카마이드디에탄올아미(Cocamide diethanolamine, CDEA), SLES를 LC-MS/MS로 분석하였다.¹⁸

최근들어 LC-MS/MS를 이용한 분석들이 진행되고 있지만, 분석시료가 샴푸, 여성청결제, 세탁 세제 등으로 1종 세척제에 주로 사용되는 계면활성제 성분과는 차이가 있다. 계면활성제는 세척제의 주성분으로 사용할 수 있으며, 세척제 중에서 1종 세척제로 분류되는 제품은 야채 및 과일의 세척에 사용할 수 있도록 위생용품관리법에 규정되어 있다. 이에 본 연구에서는 야채 및 과일 세척제에 함유되어 있는 주요 계면활성제 성분을 파악하고, 야채 및 과일 세척 후 계면활성제 성분의 잔류 여부를 확인하기 위한 분석법을 확립하고자 한다.

재료 및 방법

분석대상물질 및 시약

국내 판매 중인 1종 세척제(야채 및 과일 세척제)제품 139개의 전성분을 조사하여 계면활성제 성분의 사용빈도를 확인하고, 사용빈도가 높은 성분을 대상물질로 선정하였다(Table 1, Fig. 1).

Table 1. Information of the target substances

*SLES has a similar production process to SLS and is produced by ethoxylation of SLS.

Figure 1. The chemical structures of target compounds.

표준물질은 LAS (TCI., Tokyo, Japan), SLES (BOC sciences, NY, USA), AOS (Avention, Incheon, Korea), SLS (Supelco, Darmstadt, Germary), CAPB (BOC sciences, NY, USA)를 사용하였고, 내부표준물질은 SLS-d25 (TRC, ON, Canada)와 betaine-d3 (TRC, ON, Canada)를 사용하였다. 그 외 실험에 사용된 시약 중 암모늄 포메이트와 폼산은 시그마-알드리치(Darmstadt, Germany)사, 아세토니트릴, 증류수는 Burdick & Jackson (MI, USA)사의 HPLC grade를 사용하였다.

표준용액 조제

각각 표준물질 1 mg을 정밀히 칭량한 후 증류수 1 mL에 녹여 1,000 mg/L로 제조한 용액을 표준원액으로 하였으며, 표준원액을 증류수로 희석하여 검량곡선 작성용 표준용액을 제조하였다. 검량곡선의 범위는 5~200 μg/L로 작성하였다.

기기분석

계면활성제의 분리 및 검출을 위해 LC-MS/MS를 사용하였으며, LC는 Nexera X2(Shimadzu, Japan)와 MS/MS는 TQ4500(AB Sciex, USA)를 이용하였다. 분석대상물질의 분리에 이용된 컬럼은 XBridge BEH C8 컬럼(4.6 mm × 100 mm, 2.5 µm, Waters)이며, 3 μl를 LC-MS/MS에 주입하며, 경사용매 조성법으로 분석하였다. 이동상 A는 50 mM 암모늄 포메이트와 0.1% 폼산이 함유된 증류수, 이동상 B는 아세토니트릴이었으며, 유량은 400 μl/min으로 하였다(Table 2). 전자분무 이온화(Electrospray ionization, ESI)를 이용한 질량분석기(MS/MS)의 조건은 다음과 같다; 검출기 온도 400 ºC, 커튼가스(Curtain gas) 20 psi, Gas1 40 psi, Gas2 60 psi, 이온소스 에너지(ion spray voltage) -4.5 kV, 이온소스의 충돌에너지(CAD) 8 eV(Table 2). 계면활성제 성분의 정량 및 확인에 이용된 모분자이온(Q1)과 딸분자이온(Q3)에 대한 정보는 Table 3, 각 성분의 질량 스펙트럼은 Fig. 2에 제시하였다.

Table 2. Optimized conditions of LC-MS/MS

Table 3. Mass spectrometry parameters for the surfactant

Figure 2. MS/MS spectrum of surfactant obtained by ESI mode of TQ4500.

분석법 검증

분석법의 검증을 위하여 직선성, 검출한계(limit of detection, LOD), 정량한계(limit of quantitation, LOQ), 정확도(accuracy) 및 정밀도(precision)를 평가하였다. 직선성은 검량선의 회귀식의 결정계수 (Correlation coefficient, r²)으로 평가했으며, LOD와 LOQ는 미국FDA에서 제시한 방법으로 계산하였다.¹⁹

일내 및 일간 정확도와 정밀도 평가를 위한 시료는 20, 50, 200 μg/L의 표준품에 내부표준물질을 첨가하여 각 농도별로 6회, 3일간 반복하여 분석하였다. 정확도는 회수율(recovery, %)을 이용하여 평가하였으며, 정밀도는 6회 및 3일 반복 측정한 분석결과의 상대표준편차(RSD, %)를 이용하였다.

결과 및 고찰

본 연구에서는 LC-MS/MS를 이용하여 LAS, SLES, AOS, SLS 및 CAPB를 동시에 분석할 수 있는 분석법을 확립하였다. LAS는 탄소 사슬의 개수에 따라 LAS-C10, LAS-C11 및 LAS-C12로 구분하였고, LSES는 구조 중간에 존재하는 (OCH₂CH₂)_N의 개수에 따라 N=0에서 N=4으로 구분하였다. 그 결과, 총 8분의 분석 시간 중 LAS-C10(4.11분), LAS-C11(4.48분), LAS-C11(4.89분), SLES-N0(4.04 분), SLES-N1(4.45분), SLES-N2(4.64분), SLES-N3(4.77분), SLES-N4(4.86분), AOS(4.05분), SLS(4.04분), CAPB(3.32분)의 머무름 시간을 가지며, 각 물질의 피크는 Fig. 3에 보여지는 것과 같이 분리되었다.

Figure 3. Chromtogram of surfactants obtained by LC-MS/MS; (A) negative ESI mode (B) positive ESI mode.

검량선의 범위는 모든 물질을 동일하게 5~200 μg/L로 하였고, 검량성 회귀식의 결정계수(r²)는 0.99 이상으로 Codex에서 권장하는 r² > 0.95에 적합한 수준을 보였다.²⁰ 각 물질의 회귀식, 결정계수, LOD에 대한 자세한 내용은 Table 4에 제시하였으며, 계면활성제 5종에 대한 검량선은 Fig. 4와 같다. LC-MS/MS를 이용한 계면활성제 성분 분석법의 일내 정확도는 86.6~109.4이었고, 정밀도는 20% 이하로 정밀한 값을 나타내었다(Table 5). 3일간 정확도는 83.9~112.1%이었고, 정밀도는 20% 이하의 값을 얻었다(Table 6). 분석대상물질의 검출한계는 LAS-C10 8.3 μg/L, LAS-C11 10.2 μg/L, LAS-C12 10.2 μg/L, SLES-N0 11.5 μg/L, SLES-N1 11.5 μg/L , SLES-N2 16.4 μg/L, SLES-N3 29.0 μg/L, SLES-N4 29.0 μg/L, AOS 11.7 μg/L, SLS 7.0 μg/L, CAPB 18.8 μg/L이었다(Table 4). 본 연구에서 얻어진 검출한계를 선행되었던 연구들의 검출한계와 비교할 때, 샴푸와 헤어컨디셔너에서 SLES 150 μg/mL, CAPB 10 μg/mL이었고,¹⁵ 흙에서는 LAS 0.05 mg/kg¹², 하수에서는 LAS 75 μg/L¹³ 이었으며 선행연구에서 제시한 검출한계 보다 낮은 수준이었다. 야채 및 과일 세척 후 잔류하는 미량의 계면활성제 성분을 분석하기에 적합한 것으로 판단된다.

Table 4. Calibration range, Linear regression and LOD

Figure 4. Calibration curve of 5 surfactants.

Table 5. Intra-day accuracies and precisions (n=6)

Table 6. Inter-day accuracies and precisions (3 days)

시중에 판매중인 세척제를 혼합하여 혼합시료(pooled sample)를 만들고, 제품 뒷면에 표시된 표준사용량과 동일하게 물 1L에 세척제 2 mL을 넣어 시료를 제조하였다. 제조한 시료 100 μL와 IS 100 μL를 혼합한 후, 0.2 μm 실린지 여과하여 본 연구에서 확립된 LC-MS/MS분석법으로 정량분석한 결과, LAS 합계 1.837 mg/L, SLES 합계 57.57 mg/L, SLS 1.59 mg/L, AOS, 0.027 mg/L, CAPB 0.591 mg/L 의 농도를 얻었다. 하지만 제품 뒷면에 기재된 전성분에는 SLES, AOS, CAPB, LAS, 알킬디메틸아민옥사이드, 알킬폴리글루코시드가 사용된 것으로 확인되었는데, 전성분표시 상 SLS는 없었지만 세척제에서 검출이 되고 있음을 확인할 수 있었다. 이는 SLES-N0가 SLS와 동일한 물질이며, SLS를 에톡실화 시켜 SLES를 생산하는 공정 중에서 잔류할 가능성이 있는 것으로 보인다.

결론

본 연구는 세척제를 이용하여 세척한 과일이나 야채에 잔류하는 계면활성제를 섭취할 우려가 있으므로 세척 후 야채나 과일에 남아 있는 세척제 잔류량을 확인할 수 있는 분석법을 마련하기 위해 진행된 연구이다. 세척제의 주성분인 계면활성제 중에서 많이 사용되는 음이온 및 비이온성분 5종(LAS, SLES, AOS, SLS 및 CAPB)에 대한 최적의 LC-MS/MS 분석 조건을 확립하였다. 확립된 분석법의 검증 결과 우수한 직선성과 미량의 계면활성제에 대하여 화학물질별 정성/정량 분석에 적합한 정확도, 정밀도 및 검출한계를 확인하였다. 시험법 적용성 검토를 위하여 시중에 판매중인 제품 중 계면활성제 함량을 분석한 결과, SLS가 검출되었는데 이는 SLES 성분에 포함된 것으로 보인다. 본 연구에서 확립된 시험법은 추후 야채 및 과일의 세척제 사용 후 잔류할 수 있는 계면활성제의 정량 분석에 활용이 가능할 것이다.