따라서, 본 발명에 따른 두 종 이상의 아미노산 동시분석 방법은,
(A) 두 종 이상의 아미노산을 함유하는 시료로부터 아미노산 성분을 분리하여 형광시약으로 유도체화하는 단계;
(B) 고정상으로서 비극성 컬럼을 갖는 액체크로마토그래피(LC)의 컬럼에 상기 유도체화된 시료를 주입하는 단계; 및
(C) 액체크로마토그래피의 이동상으로서 유기용매와 수용액의 혼합용매를 흘려주는 단계를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
분석 대상 시료 중에 포함된 아미노산은 하나 또는 그 이상의 종을 포함할 수 있으며, 이러한 다수 종의 아미노산들은 컬럼 내의 충진제에 대한 친화력의 차이에 의해 컬럼 통과시간을 달리하게 된다. 일반적으로, 아미노산은 염기성을 띠는 아미노기(-NH2)와 산성을 띠는 카르복시기(-COOH) 및 유기 원자단인 R기(또는 곁가지)로 구성된 유기화합물이다. 이 3가지 작용기에 따라 각 아미노산 특유의 구조가 만들어지며, 각각 다른 화학적 특성을 가지게 된다. 화학적 특성에 따라 각 아미노산의 고유한 특징인 극성 상태의 차이가 나타나게 되고, 극성의 차이는 충진 제에 대한 친화력을 결정하는 요소가 되기 때문에 컬럼을 통과하는데 걸리는 시간, 즉 용리 시간(retention time)의 각 아미노산 별로 달리 나타나게 된다.
상기 컬럼을 통과한 아미노산들은 용리 시간에 따라 차례대로 자외부흡광광도계(UV) 상에서 흡광도의 증가인 피크(peak)를 통해 검출된다. 검출된 아미노산들은 표준 물질과의 용리 시간 비교에 의해 성분 확인이 이루어지며(정성 분석), 피크의 높이 또는 면적에 의해 시료 내에 포함된 각 종류별 아미노산의 양이 계산된다(정량 분석).
본 발명에 따라 분석 가능한 아미노산의 종류는, 특별한 제한은 없으나, 히스티딘, 아스파라긴, 세린, 글루타민, 아르기닌, 글리신, 아스파르트산, 글루타민산, 트레오닌, 알라닌, 감마 아미노부티릭산, 데아닌, 프롤린, 시스테인, 리신, 티로신, 메티오닌, 발린, 이소류신, 류신, 페닐알라닌 또는 트립토판으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 또는 두 종류 이상의 아미노산인 것이 바람직하다.
하나의 바람직한 실시예에서, 상기 시료는 다양한 종류의 차(tea) 종류 일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 시료가 녹차, 홍차 또는 커피 일 수 있으며, 이 경우에는 상기 (A) 단계에서 시료로부터 아미노산 성분들을 추출하는 과정에서 물을 추출 용매로 사용할 수 있다.
추출된 아미노산 성분들은 분자 내에 특별한 자외선흡수 기능기가 없고, 형광성 물질이 아니므로 자외부흡광광도계(UV)를 이용한 분석방법은 그대로 적용하기 어렵다는 문제점이 있다. 따라서, 형광시약을 이용하여 유도체화라는 전처리 과정을 거치게 되며, 유도체화 하기 위한 형광시약으로는 Ninhydrin, OPA(ortho- phthaladehyde), PITC(phenylisothocyanate), FMOC(Fluorenylmethoxycarbonyl chloride) 및 AccQ-Tag(6-Aminoquinolyl-N-hydroxysuccinimidyl carbamate) 등이 가능하다. 다만, Ninhydrin와 OPA 방법은 유도체화된 화합물이 불안정하기 때문에 시간이 경과함에 따라 함량이 감소하여 정확한 분석을 저해한다는 단점이 있고, PITC와 FMOC 방법은 불순물이 과량 생성되어 22종 아미노산에 대한 분리도가 낮아질 수 있다는 단점이 있다. 따라서, 바람직하게는 AccQ-Tag(6-Aminoquinolyl-N-hydroxysuccinimidyl carbamate)를 형광시약으로 사용할 수 있다.
22 종의 아미노산 성분들은, 염기성을 띠는 아미노기(-NH2)와 산성을 띠는 카르복시기(-COOH) 및 유기 원자단인 R기(또는 곁가지)로 구성된 유기화합물로서, 유기 원자단인 R기(또는 곁가지)에 의해 극성 차이를 보이게 된다. 그러나, 상기 아미노산들의 대부분이 극성보다는 비극성 성질이 강하기 때문에 고정상으로 비극성 컬럼이 적합하다.
따라서, 상기 (B) 단계에서 사용되는 컬럼은, 바람직하게는, 고정상으로 비극성을 갖는 옥타데실실란(C18), 도데실실란(C12) 또는 옥타실란(C8) 등으로 충진된 역상 비극성 컬럼일 수 있다. 다만, 도데실실란(C12) 또는 옥타실란(C8) 컬럼을 사용할 경우에는, 화학적 성질이 비슷한 성분들끼리 겹쳐져서 분리도가 감소하는 경우가 발생될 수 있기 때문에, 정확한 분석을 위해서는 상대적으로 비극성 성질이 강한 옥타데실실란(C18) 컬럼이 가장 바람직하다. 옥타데실실란(C18) 컬럼은, 컬럼 내부에 비극성인 탄소 18 개 체인이 충진되어 있는 것으로, 극성성분은 비극성의 컬럼 작용기와 결합하지 않기 때문에 빠르게 용출되고 비극성성분은 비극성 작용기와 결합하여 상대적으로 천천히 용출된다.
상기 컬럼의 규격은 통상적으로 사용되는 범위 내에서 가능하다. 그러나, 컬럼의 길이와 내경 및 입자사이즈는 분석시간 및 분리도와 관계가 있는 것이므로, 신속성과 선택성을 고려하여 적절한 범주에서 사용하는 것이 바람직하다. 하나의 예로서, 상기 컬럼의 규격은, 분리 효율을 고려할 때, 컬럼 길이는 8 내지 12 cm, 컬럼 내경은 2.0 내지 2.2 mm, 그리고 컬럼 입자사이즈는 1.5 내지 1.7 ㎛의 범위 내에서 선택할 수 있다. 특히, 옥타테실실란(C18) 컬럼의 경우에는, 컬럼 길이는 10 cm, 컬럼 내경은 2.1 mm, 그리고 컬럼 입자사이즈는 1.7 ㎛가 바람직하다.
상기 (C) 단계에서, 액체크로마토그래피의 이동상으로는 통상적으로 이용되는 에탄올, 메탄올 또는 아세토나이트릴 등과 같은 다양한 종류의 유기용매들이 사용 가능하다. 다만, 상기 유기용매들만을 사용한 경우에는 몇몇 극성도가 비슷한 아미노산 성분들이 분리되지 않는 경우가 발생하였다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서, 하나의 실시예에서, 상기 이동상으로 유기용매에 수용액을 일정비율로 섞은 혼합용매를 사용하였으며, 상기 유기용매는 극성도가 상대적으로 낮은 아세토나이트릴일 수 있다. 또한, 하기 실험예 등을 통해, 아세토나이트릴에 수용액인 물을 여러 비율로 혼합하여 분석조건을 조절했을 때 60% 아세토나이트릴(아세토나이트릴 : 물 = 60 : 40) 혼합용매를 사용한 경우, 22 종의 아미노산 성분들에 대하여 가장 높은 분리도를 나타냄을 알 수 있었다.
다만, 상기와 같이, 이동상으로 60% 아세토나이트릴 혼합용매를 사용할 경우 에는, 수용성 용매로 물을 사용함에 따라서 몇몇 아미노산 성분들의 피크가 비극성이거나 피크 분리가 관찰될 수 있다. 이러한 문제점들은 0.2% 포믹산(formic acid)를 사용하여 pH를 조절함으로써 해결 가능하며, 이때 염기성인 아미노기(-NH2)와 산성인 카르복시기(-COOH) 등에 대한 적합한 완충용액으로 20 mM 암모늄포메이트(ammonium formate)가 바람직하게 사용될 수 있다.
또 다른 하나의 바람직한 실시예에서, 상기 (C) 단계에서 이동상으로는, 22종 아미노산을 겹치지 않고 선택성 있게 동시에 이동시킬 수 있도록 하기 위하여, 유기용매인 60% 아세토나이트릴(아세토나이트릴 : 물 = 60 : 40) : 20 mM 암모늄포메이트를 시간에 따른 최적의 혼합부피인 0.1 : 99.9 내지 100 : 0로 혼합된 용매를 사용할 수 있다.
상기 60% 아세토나이트릴과 20 mM 암모늄포메이트의 시간에 따른 혼합 부피는 용리 시간에 따라서 적절한 범주 내에서 조절 가능하다. 바람직하게는, 용리 시간에 따른 혼합 부피는, 제 1 단계에서는 0.1 : 99.9 내지 1 : 99이고, 제 2 단계에서는 9.0 : 91 내지 25 : 75이고, 제 3 단계에서는 100 : 0 내지 90 : 10 그리고 제 4 단계에서는 5 : 95 내지 15 : 85일 수 있다. 상기 각 단계별 시간은 특별한 제한 없이 적용 가능하며, 본 발명에 따른 하나의 실시예에서, 전체 용리 시간을 10 분으로 할 경우에, 제 1 단계는 최초 5분, 제 2 단계는 5 분에서 8 분, 제 3 단계는 8 분에서 8.2 분 그리고 제 4 단계는 8.2 분 이후 시간으로 표현될 수 있다. 이러한 용리 시간대별 혼합 부피(60% 아세토나이트릴 : 20 mM 암모늄포메이 트)는 22 종의 아미노산 성분들의 피크들이 겹치지 않고 최적으로 분리될 수 있는 조건을 고정상과 이동상 및 성분들의 극성차이를 고려하여 설정한 것이다.
위와 같은 분석방법을 통하여, 예를 들어, 녹차 중 아미노산의 함량으로 녹차의 품질을 확인할 수 있고, 효소처리 및 건조온도 등 최적 가공조건을 설정 할 수 있으며, 특정 아미노산의 함량으로부터 녹차의 맛을 객관적으로 평가할 수 있다. 또한, 아미노산 성분 중에서 차의 맛을 결정하는 아미노산 성분으로는 데아닌, 글루타민산, 아르기닌, 아스파르트산, 감마 아미노부티릭산 등이 알려져 있으며, 이러한 아미노산 성분들의 함량분석을 통해 차의 풍미를 결정할 수 있는 비율과 함량에 대한 기준을 설정할 수 있다.
이하, 실험예 및 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실험예 및 실시예 등은 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
[실험예 1] 분석을 위한 최적 조건 선정
분석대상 시료 내에 포함된 22 종의 아미노산에 대하여 높은 분리도를 가지고 정확하게 분석하기 위하여, 하기와 같은 실험을 수행하여 최적 조건을 결정하였다.
1-1. 분석방법의 선정
분석대상 시료 중 아미노산 성분을 물로 추출한 후, AccQ-Tag 시약을 이용하여 유도체화 하였다. 그럼 다음, 시료 내에 포함된 아미노산 성분들을 고성능 액 체크로마토그래피(UPLC)에 자외부흡광광도계(UV)를 이용한 방법을 적용하였다.
1-2. 최적의
컬럼
선정
22 종의 아미노산들은 염기성을 띠는 아미노기(-NH2)와 산성을 띠는 카르복시기(-COOH) 및 유기 원자단인 R기(또는 곁가지)로 구성된 유기화합물로서, 유기 원자단인 R기(또는 곁가지)에 의해 극성 차이를 보이게 된다. 상기 아미노산들의 대부분이 극성보다는 비극성 성질이 강하기 때문에 고정상으로 비극성 컬럼이 적합한 것으로 판명되었으며, 특히 상대적으로 비극성 성질이 강한 옥타데실실란(C18)으로 충진된 컬럼을 선택하였다. 사용된 컬럼의 규격은, 분리도와 신속성을 고려하였는 바, 컬럼 길이는 10 cm, 컬럼 내경은 2.1 mm, 컬럼 입자사이즈는 1.7 ㎛로 하였다.
1-3. 분리도 향상을 위한
이동상
조건 설정
다양한 유기용매들 중에서 극성도가 가장 낮은 아세토나이트릴에 물을 여러 비율로 혼합하여 분석조건을 조절하여 실험을 실시하였다. 결과적으로, 아세토나이트릴과 물을 60 : 40의 비율로 혼합하여 제조한 혼합용매를 사용한 경우에 가장 높은 분리도를 나타냄을 확인할 수 있었다.
또한, 아세토나이트릴의 수용액 용매로 물을 사용함과 동시에 20 mM 암모늄포메이트(ammonium formate)를 완충용액으로 사용하였고, 0.2% 포믹산(formic acid)를 이용하여 pH를 조절하였다.
22 종의 아미노산 성분들의 피크들이 겹치지 않고 최적으로 분리될 수 있는 조건을 고정상과 이동상 및 성분들의 극성 차이를 고려하여 설정하였으며, 그 결과는 하기 표 1과 같다.
[표 1]
시간(분) |
60% 아세토나이트릴 (%) |
20 mM 암모늄포메이트 (%) |
0 |
0.1 |
99.9 |
0.54 |
0.1 |
99.9 |
5.74 |
9.1 |
90.9 |
7.74 |
21.2 |
78.8 |
8.04 |
100 |
0 |
8.64 |
10 |
90 |
8.73 |
10 |
90 |
1-4. 분석을 위한 최적 조건
상기 1-1 내지 1-3의 조건하에서, 분석대상 시료를 고성능 액체크로마토그래피(UPLC)/자외부흡광광도계(UV)를 이용하여 분석하였다. 시료로부터 분리해 낸 아미도산 성분들을 AccQ-Tag 시약으로 유도체화 한 다음, 액체크로마토그래피에 주입시키고, 고정상으로는 AccQ-Tag Ultra(길이: 10 cm, 내경: 2.1 mm, 입자사이즈: 1.7 ㎛) 컬럼, 이동상으로는 60% 아세토나이트릴과 20 mM 암모늄포메이트를 사용하였다. 이동상의 유속은 0.7 mL/분이고, 시료 주입량은 1 ㎕이며, 자외부흡광광도계 파장은 260 nm에서 분석하였다. 분석시 컬럼의 온도는 60℃로 조절하였다. 이하, 본 발명에 따른 실시예들은 하기 표 2의 조건에서 수행되었다.
[표 2]
컬럼 |
AccQ-Tag Ultra C18 컬럼(2.1 mm x 10 cm, 1.7 ㎛) |
이동상 |
용매 a(60% 아세토나이트릴):용매 b(20 mM 암모늄포매이트) |
이동상조건 |
시간(분) |
a (%) |
b (%) |
0.0 |
0.1 |
99.9 |
0.54 |
0.1 |
99.9 |
5.74 |
9.1 |
90.9 |
7.74 |
21.2 |
78.8 |
8.04 |
100 |
0 |
8.64 |
10 |
90 |
8.73 |
10 |
90 |
유속 |
0.7 mL/min. |
온도 |
60℃ |
주입량 |
1 ㎕ |
검출파장 |
260 nm |
[실험예 2] 22종 아미노산의 동시분석
상기 실험예 1에서 선정한 최적 조건을 이용하여, 시료 내에 존재하는 22종 아미노산 성분들을 동시에 분석하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.
2-1. 분석기기(
UPLC
-
UV
)
본 발명에 따른 실험예 및 실시예에서는, 액체크로마토그래피는 워터스(Waters)사의 UPLC을 사용하였으며, 여기에 자외부흡광광도계(UV)가 연결된 시스템을 사용하였다. 컬럼은 워터스(Waters)사의 AccQ-Tag 컬럼(2.1 mm x 10 cm)을 연결하여 사용하였고, 데이터 처리는 워터스사의 Empower II 프로그램을 사용하였다.
또한, 22종 아미노산의 표준품으로부터 얻어진 액체크로마토그램을 도 1에 나타내었다. 도 1을 참조하면, 아미노산의 용출 순서는 His-Asn-Ser-Gln-Arg-Gly-Asp-Glu-Thr-Ala-GABA-The-Pro-Cys-Lys-Tyr-Met-Val-Lle-Leu-Phe-Trp의 순임을 확인할 수 있다.
2-2. 표준품
6종 자외선차단 성분 동시분석에 사용되는 표준품은 하기 표 3과 같다.
[표 3]
성분명 |
INCI |
약어 |
제조사 |
Lot No. |
히스티딘 |
Hisdidine |
His |
Sigma |
70K0075 |
아스파라긴 |
Asparagine |
Asp |
10K5406 |
세린 |
Serin |
Ser |
20K0412 |
글루타민 |
Glutamine |
Gln |
50K0237 |
아르기닌 |
Argine |
Arg |
35K1821 |
글리신 |
Glycine |
Gly |
128H1419 |
아스파르트산 |
Aspartic acid |
Asn |
80K1052 |
글루타민산 |
Glutamic acid |
Glu |
30K0436 |
트레오닌 |
Threonine |
Thr |
20K0338 |
알라닌 |
Alanine |
Ala |
27H0548 |
감마 아미노부티릭산 |
Gamma-Aminoburytic acid |
GABA |
045K00721 |
데아닌 |
Theanine |
The |
태양화학 |
- |
프롤린 |
Proline |
Pro |
Sigma |
80K0621 |
시스테인 |
Cysteine |
Cys |
70K0351 |
리신 |
Lysine |
Lys |
80K0617 |
티로신 |
Tyrosine |
Tyr |
99H0113 |
메티오닌 |
Methionine |
Met |
20K0340 |
발린 |
Valine |
Val |
30K0332 |
이소류신 |
Isoleucine |
lle |
59H07111 |
류신 |
Leucine |
Leu |
39F0706 |
페닐알라닌 |
Phenylalanine |
Phe |
60K0873 |
트립토판 |
Tryptophane |
Trp |
10K0893 |
[실시예 1] 녹차 중 22 종 아미노산의 동시분석
시중에서 상용화되고 있는 일본산 녹차(A)와 국내산 녹차(B)를 대상으로 본 발명에 따른 아미노산 동시분석 실험을 실시하였다. 먼저, 각각의 시료들(A, B)을 약 1 g씩 취하고, 이들을 각각 60℃ 물로 30분 동안 초음파를 이용하여 아미노산 성분을 추출하고 잘 분산시켰다. 그럼 다음, 0.2 ㎛ PVDF 멤브레인 필터로 여과하고, AccQ-Tag 시약으로 유도체화하였다. 유도체화 된 시료 용액들 각각 1 ㎕씩을 고성능 액체크로마토그래피/자외부흡광광도계에 주입하고 분석하였다.
분석 결과로 나온 크로마토그램들은 각각 하기 도 2a(일본산 녹차, A)와 도 2b(국내산 녹차, B)에 도시하였으며, 농도 측정 결과는 하기 표 4에 나타내었다.
[표 4]
아미노산 성분 |
아미노산 농도(㎍/g) |
일본산 녹차(A) |
국내산 녹차(B) |
Ser |
180.445 |
193.477 |
Gln |
887.379 |
929.707 |
Arg |
1437.371 |
383.359 |
Asp |
501.791 |
626.579 |
Glu |
699.927 |
935.125 |
Thr |
75.219 |
78.023 |
Ala |
81.663 |
84.87 |
GABA |
397.023 |
521.467 |
The |
5071.293 |
4351.018 |
Lys |
41.332 |
44.547 |
Tyr |
70.420 |
81.686 |
Met |
75.074 |
105.734 |
Val |
71.956 |
103.283 |
Leu |
- |
42.916 |
Phe |
- |
102.025 |
Trp |
- |
80.252 |
분석된 아미노산 성분들을 정량하기 위한 검량곡선은 0.5∼18 ㎍/㎖의 범위에서 작성되었으며, 22 종 모두 R=0.99이상의 양호한 직선성을 나타내었음을 도 3a(일본산 녹차, A)와 도 3b(국내산 녹차, B)를 통해 확인할 수 있다. 또한, 분석결과 녹차 중에 존재하는 22종 아미노산의 검출한계는 약 0.1 ㎍/g이었다.
한편, 시료 중의 함량분석 결과를 확인하기 위하여, 22종 아미노산 중에서 함량을 알고 있는 감마 아미노부티릭산과 데아닌 성분을 녹차 추출물에 일정량의 표준품을 첨가하여 분석함으로써 회수율을 구하였다. 하기 표 5에는 녹차 중의 감마 아미노부티릭산과 데아닌 성분의 초기농도, 첨가된 표준품의 농도 및 회수율 결과가 나타나 있다.
[표 5]
화합물 |
초기농도 (㎍/㎖) |
첨가한양 (㎍/㎖) |
측정된 양 (㎍/㎖) |
회수율(%) |
감마 아미노부티릭산 |
397.0 |
100.8 |
497.5 |
99.8 |
50.4 |
446.8 |
99.9 |
25.2 |
423.0 |
100.2 |
데아닌 |
5071.3 |
512 |
5587.9 |
100.1 |
256 |
5326.3 |
100.0 |
128 |
5197.3 |
100.0 |
상기 표 5를 통해서, 감마 아미노부티릭산과 데아닌의 경우에는 ±0.2%의 오차 범위 내에서 전량 회수되고 있음을 확인할 수 있다.
[실시예 2] 홍차 중에서 22종 아미노산의 동시분석
시중에서 상용화되고 있는 홍차를 대상으로 각 시료들(홍차 C, D)을 약 1 g씩 취하여 60℃ 물로 30 분 동안 초음파로 추출하여 잘 분산시켰다. 그런 다음, 0.2 ㎛ PVDF 멤브레인 필터로 여과하여 AccQ-Tag 시약으로 유도체화한 후, 각각의 시료용액 1 ㎕씩(C, D)을 고성능 액체크로마토그래피/자외부흡광광도계에 주입하고 분석하였다. 상기 분석결과로 나온 크로마토그램을 도 4a(홍차 C)와 4b(홍차 D)에 각각 도시하였으며, 농도 측정 결과는 하기 표 6에 나타내었다.
[표 6]
아미노산 성분 |
아미노산 농도(㎍/g) |
홍차 C |
홍차 D |
His |
1.267 |
1.134 |
Asn |
1.773 |
1.608 |
Ser |
4.805 |
4.416 |
Gln |
40.830 |
37.200 |
Arg |
56.284 |
51.675 |
Gly |
0.266 |
0.257 |
Asp |
18.278 |
16.455 |
Glu |
24.048 |
21.875 |
Thr |
2.307 |
2.097 |
Ala |
2.602 |
2.351 |
GABA |
12.916 |
11.235 |
The |
199.342 |
181.991 |
Pro |
0.908 |
0.865 |
Cys |
0.643 |
0.590 |
Lys |
2.571 |
2.364 |
Tyr |
1.242 |
1.159 |
Met |
3.302 |
2.935 |
Val |
2.218 |
1.893 |
Ile |
0.423 |
0.383 |
Leu |
0.522 |
0.496 |
Phe |
0.858 |
0.793 |
Trp |
1.385 |
1.276 |