Analysis of animal glue by pyrolysis/GC/MS

열분해/GC/MS에 의한 아교의 분석

Abstract

Animal glue is a traditional material that was used widely as an adhesive in cultural artifacts, such as Buddhist paintings, dancheong (traditional multicolored paintwork on wooden buildings), mother-of-pearl inlay, and so on. Spectroscopic methods, such as infrared spectroscopy, have been used for the analysis of animal glue. However, such methods do not yield sufficient information about the constituents of the glue. Because pyrolysis/GC/MS analysis is able to estimate the components of a material through the examination of its pyrolyzed products, it is useful for the analysis of polymeric material. In this study, pyrolysis/GC/MS analysis was used to determine the chemical composition of animal glue. The appropriate conditions for analyzing animal glue were established by examining pyrolysis temperature, quantity of the sample, and the repeatability of the method. Some products of pyrolysis were identified. We also analyzed commercial gelatin and animal glue using the established method and found almost no differences in chromatograms among the samples. The results will be used as supporting data to confirm the use of animal glue in cultural artifacts and to replace traditional animal glue by commercial gelatin.

아교는 불화, 단청, 나전의 접착제 등 문화재에서 접착제로 광범위하게 사용되어 온 전통재료 이다. 아교의 분석과 확인은 주로 IR 등의 분광학적인 방법으로 이루어져 왔으나, 아교의 성분을 확인하 는데 어려움이 있다. 열분해/GC/MS분석은 시료의 열분해 산물을 통해 시료의 성분을 추정할 수 있어 합성수지 등 고분자 재료의 성분을 분석하는데 유용하다. 본 연구에서는 아교의 화학 성분을 파악하기 위한 기초 단계로서 열분해/GC/MS분석을 시도하였다. 열분해 온도, 시료량, 반복성과 같은 분석 조건을 검토하여 적절한 분석이 가능한 조건을 찾았고, 이 조건에서 아교의 열분해 산물을 일부 규명하였다. 또한, 국내외에서 시판되는 젤라틴과 아교의 열분해 분석을 통해 아교와 젤라틴, 아교와 아교 사이에 제품에 따른 열분해 산물 차이가 없음을 확인하였다. 이로부터 문화재에서 아교의 사용 여부를 확인하기 위한 분석법의 제시와 아교를 젤라틴으로 대체하는데 필요한 화학성분상의 기초자료 확보가 가능하였다.

1. 서 론

아교(阿膠)는 동물의 가죽, 힘줄, 창자, 뼈 등을 고아 그 액체를 고형화한 물질로 정의된다.1 예로부터 나무 가구를 접(接)하는 데 쓰는 접착제 또는 약용인 지혈제로 쓰여 왔으며, 1236년(고종 23)경에 간행된 향약구급방에도 동물성 의약으로 나와 있다. 아교라는 명칭은 이것의 주요 산지로 알려졌던 중국 산동성 동아현(東阿縣)의 지명인 아(阿)라는 글자와 접착제를 뜻하는 교(膠)라는 글자가 붙어서 만들어졌다고 알려져있다.2 갖풀은 아교를 지칭하는 순 우리말 용어이다. 아교의 주성분은 젤라틴(gelatin)으로 유기용매에는 녹지 않고 냉수에는 차차 녹아 그 부피가 커지며, 온수에는 아주 잘 녹아서 끈기가 높은 콜로이드로 되고, 2~3% 또는 그 이상의 농도에서는 실내 온도에서 탄성이 있는 고용체가 된다. 젤라틴은 제과 등 음식에 사용하고, 약용, 사진원판의 감광막, 지혈제, 약용캅셀, 보호콜로이드, 회화용 또는 접착제로도 쓰인다. 우리나라에 전래된 아교제조법은 오교법(螯膠法), 녹각교법(鹿角膠法), 우피교법(牛皮膠法) 등이 있다.1 서양에서도 지금으로부터 3000년 이전에 동물접착제(animal glue)를 사용한 흔적이 발견되는 등 동물접착제를 꾸준히 사용해 왔으며, 동물접착제의 물성에 대한 연구 결과도 정리되어 발표되었다.3 화학성분은 불순물이 많은 젤라틴으로 정의할 수 있으며, 대표적인 화학구조는 Fig. 1과 같다.4

Fig. 1.A typical structure of gelatin polypeptide.

아교는 예로부터 접착제, 교착제 등으로 많이 사용되어 왔는데, 현재 중요무형문화재 공예분야 중 갓일, 금박장, 나전장, 단청장, 목조각장, 불화장, 소목장, 소반장, 악기장, 장도장, 화각장, 화혜장 등에서 아교를 사용하고 있다.5

비파괴 분석이 우선하는 문화재 분야 분석에서 아교의 분석은 주로 적외선분광법(IR)에 의해 행해졌다.6,7 이 방법은 아교를 구성하는 젤라틴의 amide 그룹에서 기인하는 1420~1650 cm–1에서의 peak과 3300~3500cm–1에서의 넓은 band를 기반으로 하며, 비파괴적인 방법으로 문화재에 영향을 주지 않으면서 아교의 존재를 추정할 수 있는 방법이다. 하지만, 아교가 다른 물질과 섞여 있을 경우 스펙트럼이 복잡해져 아교의 존재를 확인하기 어려운 단점이 있다. 또한, 현재의 IR기술로 시편 분리 없이 문화재 표면에서 적정한 해상도의 IR 스펙트럼을 얻는 것이 불가능해 시편을 확보하여 IR 스펙트럼을 얻는 것이 현실이다. 한편, 또 다른 비파괴 분석법인 Raman 분광법으로 예술품에 사용된 아교, 어교, 녹말, 밀랍 등의 접착제와 광택제를 구별하려는 연구 결과도 있다.8 이와 함께 단백질체학(proteomics)을 이용하여 아교를 만드는데 사용한 원종(original species)이 소, 토끼, 물고기인지를 확인하려는 연구 결과도 발표된 적이 있다.9 열분해/GC/MS는 고분자 물질을 열분해하여 열분해 산물의 화학성분을 밝히고, 그 결과로부터 원래 고분자 물질을 추정할 수 있기 때문에 불용성 고분자의 성분을 분석하는데 유용한 방법이다. 수 mg 이하의 소량 시료로 분석이 가능하기 때문에 문화재와 예술품의 분석에 도입이 되었는데, 단백질결착제(아교 등), 칠, 동유, 꼭두서니(madder), 사프란(saffron), 쪽(indigo), 밀랍 등을 분석한 예가 있다.10-12

본 연구에서는 문화재 수리·복원에 빈번하게 사용되는 전통 접착제인 아교를 확인하는 방법으로 열분해/GC/MS 분석법을 검토하였다. 아울러, 시판 중인 젤라틴과 아교를 분석하고 이들 제품 간의 크로마토그램을 상호 비교하였다. 이로부터 문화재에서 아교의 존재 여부를 확인하고 문화재 수리·복원 과정에서 아교의 사용 여부를 판단하는 기초자료를 제시하고자 하였다.

 

2. 실 험

2.1. 재료

분석법 검토 실험에 사용한 아교는 소 막대아교(일본)이다. 비교를 위해 분석한 젤라틴은 Sigma제품으로 gel strength가 90-110 g bloom (gelatin from porcine skin, type A), ~175 g bloom (gelatin from porcine skin, type A), 300 g bloom (gelatin from porcine skin, type A)이다. 시판 중인 아교는 일본, 중국에서 제조·판매되고 있는 아교 중 5 종에 대해 분석하였으며, 제품명과 제조회사는 아래 Table 1과 같다. Fig. 2에 소 막대아교와 시판 아교의 사진을 나타냈다.

Table 1.Animal glues analyzed in this study

Fig. 2.Photographs of animal glue. (a) stick glue from cattle, (b) AG1, (c) AG2, (d) AG3, (e) AG4, (f) AG5.

2.2. 분석 방법

소 막대아교와 시판 아교는 막대 형태나 비교적 큰 알갱이 형태를 하고 있어 시료의 균질성 확보를 위해 10 mg/mL 농도로 수용액을 제조한 후 필요한 양이 되게 분취하여 열분해용 컵에 담아 충분히 건조시킨 후 열분해 분석을 실시하였다. 분취한 양은 열분해 온도 설정과 반복성 시험에 0.38 mg, 시료량 결정에 0.19, 0.38, 0.95, 1.9 mg, 표준크로마토그램 획득에 0.38 mg, 시판제품 비교에 0.2 mg이 되도록 했다. 실험에 사용한 젤라틴은 비교적 작은 알갱이 형태를 하고 있어 따로 용액을 만들지 않고 직접 필요한 양을 취하였는데, gel strength 90-110 g bloom은 0.27 mg, ~175 g bloom은 0.48 mg, 300 g bloom은 0.62 mg을 각각 취하였다.

열분해장비(pyrolyzer)는 Frontier Lab사의 PY-3030D 모델을, 가스크로마토그래프/질량분석기(GC/MS)는 Agilent사의 7890A GC/5975C MSD 모델을 사용하였다. 시료가 담긴 열분해용 컵을 미리 가열되어 있는 열분해장치 속에 투입하여 일정 온도(200~600 ℃)에서 1 분간 열분해하였다. 열분해 산물은 GC/MS를 이용하여 온라인으로 분석하였으며, 분석 조건은 다음과 같다. 분석칼럼은 DB-1HT column (100% dimethylpoly-siloxane 30 m × 0.25 mm id, 0.10 μm film thickness)을 사용하였고, 50 ℃에서 3 분 유지 후 300 ℃까지 10 ℃/분의 속도로 승온한 후 10분간 유지하여 총 38분동안 분석하였다. 이동상 기체는 헬륨(0.5 mL/min.)을 사용하였고 검출은 질량분석기(MSD)를 사용하였으며, 질량분석기 조건은 다음과 같다. MS transfer line temp.(280 ℃), MS ion source temp. (230 ℃), MS quadrupole temp.(150 ℃), mass range (m/z=33~550). 데이터의 획득과 해석은 ChemStation software (Agilent Technologies)를 사용하였으며, 화합물 규명은 Wiley library와의 매칭을 통해 이루어졌다.

 

3. 결과 및 고찰

3.1. 조건 설정

열분해 온도를 설정하기 위한 예비 실험으로 소막대아교에 대해 온도를 점진적으로 올려가면서 열분해 산물의 양을 관찰하였다(Fig. 3(a)). 50 ℃에서 시작하여 20 ℃/min의 승온 속도로 800 ℃까지 온도를 올렸다. Fig. 3(a)에서 볼 수 있는 것처럼 250 ℃에서 열분해가 일어나기 시작하여 350 ℃ 근처와 410 ℃ 근처에서 열분해가 가장 활발하게 일어났다. 열분해온도의 결정은 열분해가 일어나는 온도 이상에서 특성 peak들이 잘 관찰되는 온도로 정하면 된다. 온도가 너무 높을 경우 열분해가 과도하게 일어나 작은 분자들을 생성해 오히려 특정 성분 관찰을 방해할 수 있기 때문이다. 열분해 온도를 200, 300, 400, 500, 600 ℃로 하여 크로마토그램을 얻어 비교한 결과 400 ℃ 이상에서 유사한 크로마토그램 패턴을 보이면서 충분히 큰 peak들이 관찰됨을 알 수 있었다(Fig. 3(b)). 따라서 과도한 열분해를 피하면서 적정한 열분해 산물을 얻을 수 있는 400 ℃를 열분해 온도로 설정하는 것이 적절한 것으로 판단되었다. 시료량에 따른 열분해 산물의 변화를 알기 위해 0.19~1.9 mg 범위에서 시료량을 달리 하여 크로마토그램을 얻었다(Fig. 3(c)). 분석 결과 시료량에 따른 크로마토그램 패턴의 변화가 크지 않은 것으로 보아 분석에 사용된 시료의 양이 분석 결과에 크게 영향을 주지 않을 것으로 판단된다. 이는 실제 문화재 시료를 분석할 때 최소의 양을 취할 수 있는 근거가 된다고 하겠다. 시험에 따른 재현성을 확인하기 위해 아교 시료 0.38 mg씩으로 5 회 반복 분석했을 때 크로마토그램 패턴에 거의 변화가 없었다(Fig. 3(d)). 3.79분, 12.63분, 15.68분, 18.35분, 19.99분, 25.44 분, 27.76 분에서 나타나는 분리가 양호한 7개의 peak를 대상으로 5회 측정 면적의 상대표준편차를 구했을 때, 각각 10.18, 11.78, 11.31, 8.70, 12.81, 6.65%였다. 또한, 7개 peak 면적의 합에 대한 각 peak 면적비의 5회 측정에 따른 상대표준편차는 3.57, 3.12, 3.43, 0.79, 4.11, 5.05%였다. 이러한 반복성 결과로부터 각 시료의 1회 분석 결과를 크로마토그램 사이의 패턴 비교나 주요한 peak 검출 여부 판단에 사용하는 것이 크게 무리가 없을 것으로 보인다.

Fig. 3.Pyrolysis/GC/MS chromatograms of animal glue sample(stick glue from cattle), (a) evolved gas analysis with increasing temperature, (b) chromatograms according to pyrolysis temperature, (c) chromatograms according to sample quantity, (d) repeatability.

이상의 결과를 종합하여 설정된 분석조건은 다음과 같다.

열분해 온도(시간) : 400 ℃ (1분) GC/MS 이동상 : helium(유속 0.5 mL/min.) GC 오븐온도 : 50 ℃(3 분)→승온(10 ℃/분)→300℃(10분), 총 분석시간 38 분

3.2. 열분해산물 규명

위에서 설정된 조건에서 얻은 아교(소 막대아교)의 열분해/GC/MS 크로마토그램을 Fig. 4에 나타냈고, 라이브러리 매칭 결과를 통해 규명된 열분해 산물을 Table 2에 나타냈다.

Fig. 4.Pyrolysis/GC/MS chromatogram of animal glue sample (stick glue from cattle). (a) full chromatogram (b) 1st half of the chromatogram (c) 2nd half of the chromatogram.

Table 2.*Cannot be identified or has a low quality of library matching (quality < 80)

주요 검출 성분은 1H-pyrrole(3), pyrrole-2-carboxamide(14), ethyl pentyl disulfide(17), hexahydro-pyrrolo[1,2-a]pyrazine-1,4-dione(21), 3,9-diazatricyclo[7.3.0.0(3,7)] dodecan-2,8-dione(24), 3-benzyl-6-isobutyl-2,5-dioxo-piperazine(32) 등 pyrrole, pyrazine, piperazine류가 주로 검출됨을 알 수 있다. 이 외에도 라이브러리 매칭은 되지 않았으나 다량으로 검출된 성분들이 있다(27, 31). 이러한 열분해 산물이 생성될 수 있음을 젤라틴의 화학구조로부터 설명하면 다음과 같다. 젤라틴은 18개의 아미노산으로 구성되어 있으며, 젤라틴을 가수분해했을 때 glycine (21.4%), proline (12.4%), hydroxyproline (11.9%), glutamic acid (10.0%), alanine (8.9%), arginine (7.8%), aspartic acid (6.0%), serine (3.6%) 등이 주요한 아미노산으로 나타난다.13 따라서, pyrrole은 젤라틴을 구성하는 아미노산의 하나인 proline에서 비롯되었고, 1H-pyrrole-2-carboxamide는 proline과 또 다른 아미노산과의 peptide 결합이 형성된 곳에서 비롯되었으며, pyrrolo[1,2-a]pyrazine은 proline과 proline에 이웃한 질소를 포함한 탄소사슬이 cyclization을 해서 나타난 것으로 보인다. 또한 piperazine은 polypeptide의 주사슬에서 질소 2 개, 탄소 4 개가 cyclization을 했을 때 나타날 수 있는 화합물이다. 한편, 소량 검출되고 있는 disulfide는 cysteine에 있는 thiol의 산화에 의해 생성되어 단백질에 존재하는 disulfide 결합에서 기인한 것으로 보인다. 한편, 다른 peak들도 라이브러리 매칭 결과가 낮아 화합물 규명이 어렵긴 하지만 m/z값이 나타나 있으므로 아교를 확인하는데 보조적인 자료로 활용될 수 있다.

3.3. 시판 젤라틴 분석

아교의 주성분인 젤라틴은 현재 젤라틴이라는 품명으로 시약 또는 상품으로 시판되고 있다. 시판되는 젤라틴은 기술의 발전에 따라 아교가 더욱 정제된 것으로 볼 수 있다. 따라서, 접착제나 교착제 용도로 전통적인 제조가 매우 번잡한 아교 대신 젤라틴을 사용하는 것에 대한 논의가 필요하다. 이에 대한 기초 자료로서 아교와 젤라틴의 성분, 분자량, 접착력에 대한 연구가 필요하며, 일부 교착제로서의 특성에 대한 연구 결과가 발표되기도 하였다.14 여기서는 아교와 젤라틴의 성분을 비교하기 위해 아교와 시판 젤라틴의 열분해/GC/MS 분석을 실시하였고, 그 결과를 Fig. 5에 나타냈다.

Fig. 5.Pyrolysis/GC/MS chromatograms of animal glue and gelatin. (a) animal glue, (b) gelatin 90-110 g bloom, (c) gelatin ~175 g bloom, (d) gelatin 300 g bloom.

크로마토그램에서 보는 것처럼 gelatin 300 g bloom에서 6.5 분대에 peak가 나타나는 것을 제외하면 젤라틴의 점도에 따른 크로마토그램 차이는 없다. 또한, 이들 3 종의 젤라틴과 시험에 사용한 아교의 크로마토그램도 매우 유사하다. 이는 젤라틴과 아교의 성분이 매우 유사함을 의미하며, 아교를 시판 젤라틴으로 대체할 수 있는 성분상의 근거가 될 수 있다고 하겠다.

3.4. 시판 아교 분석

Fig. 6에 시판되고 있는 아교 5 종의 크로마토그램을 나타냈다. 5 개 아교의 크로마토그램패턴이 서로 매우 유사하고 앞에서 본 젤라틴의 크로마토그램과도 유사한 것으로 보아 시판 아교를 구성하는 주성분이 젤라틴임을 알 수 있다. 아교의 주성분이 젤라틴이므로 열분해/GC/MS 분석 결과가 제품에 크게 영향을 받지 않을 것으로 보인다. 따라서 열분해/GC/MS분석이 문화재 등의 시료에서 아교의 존재 여부를 화학성분으로 확인하는 하나의 방법이 될 수 있음을 알 수 있다. 다만, 문화재 수리와 같이 아교를 사용한 후 시간이 얼마 경과하지 않은 경우에 이 방법으로 아교의 존재 여부 확인이 가능하겠지만, 출토 유물이나 오래된 전세품처럼 아교 사용 후 오랜 시간이 지난 경우에는 아교의 풍화에 따른 열분해 산물 변화를 고려하여 분석해야 할 것이다.

Fig. 6.Pyrolysis/GC/MS chromatograms of commercial animal glue, (a) AG1, (b) AG2, (c) AG3, (d) AG4, (e) AG5.

 

4. 결 론

문화재에서 아교를 확인하기 위한 방법으로 열분해/GC/MS방법을 검토하였다. 분석방법을 검토한 결과 열분해 온도 400 ℃에서 적정한 열분해가 가능함을 알 수 있었으며, 주요 열분해 산물은 pyrrole, pyrrole-2-carboxamide, pyrrolopyrazine, dioxopiperazine 등이었다. 젤라틴과 시판 아교의 열분해크로마토그램은 큰 차이가 없었으며, 시판 아교 간에도 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 이는 아교의 주성분이 젤라틴인 것을 말해 주며 향후 노동집약적인 아교 생산을 공업용 젤라틴 생산으로 대체할 수 있는 화학적 근거가 된다고 할 수 있다. 또한, 시판 아교의 성분에 큰 차이가 없다는 결과로부터 문화재 수리·복원 시 아교 사용 여부를 시판 아교에 공통되는 특성 peak을 가지고 판단할 수 있는 가능성을 확인하였다.