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문제 정의
- 느릅나무 잎 추출물과 표준 물질인 3-O-caffeoylquinic acid (chlorogenic acid)와 5-O-caffeoylquinic acid (neochlorogenic acid)를 상온에 0, 1 3, 6개월 동안 methanol (MeOH, Honeywell, Moris Plains, NJ, USA)에 용해하여 시험 물질의 안정성을 평가하기 위하여 실시하였다. 장기 보존 시험의 조건은 온도 조건 25oC, 상대습도 40% 조건을 동시 처리 진행하였으며, 표준물질의 각 농도를 1000ppm 만들어 원심분리 후 상등액을 취하여 분석용 vial에 담아 UPLC로 분석하였다.
- 대부분 선행연구는 유근피 중심으로 다양한 생리활성과 많은 화합물들을 분리 보고하였지만 느릅나무 잎에 대한 연구는 미흡하게 나타났다. 본 연구는 느릅나무 잎을 보다 적절한 품질 지표로 구성 요소를 제시하고 천연물 소재로써 의약, 건강기능식품, 화장품의 품질 표준화에 도움이 될 수 있는 최적의 분석 조건과 안정성 정보를 제공하며, 확립된 품질 관리 방법을 통해 전략적 생산에 적용될 수 있음을 확인하고자 하였다.
제안 방법
- 1% formic acid가 포함된 증류수(A)와 ACN (B)을 사용하여 수행하였다. UPLC 이동상의 용매 조성은 0.0-1.0min 1% (B), 1.0-3.0min 1-15% (B), 3.0-11.0min 15-40% (B), 11.0-13.0min 40% (B), 13.1-15.0min 40-1% (B) 조건을 이용하였으며, 시료는 2μL (1mg/mL) 주입하여 분석을 실시하였다.
- 가혹 시험의 조건은 온도 70oC 일정하게 유지하여 진행하였고 광 조건은 일반 직사광선이며, 시험은 2019년 12월 8 일 개시하여 2일 간격으로 총 9회 분석하였다.
- Louis, MO, USA), leucine enkephalin (Sigma-Aldrich, USA)를 사용하여 ultraperformance liquid chromatography quadrupole time-of-flight mass spectrometry (UPLC-QTof-MS, Waters, Milford, MA, USA), photodiode array (PDA, Waters, Milford, MA, USA), HPLC (Agilent Technologies, Santa Clara, CA, USA), preparative-HPLC (PLC, Gilson, Middleton, WI, USA) 기기를 이용하여 진행하였다. 구조분석을 위해 Bruker AM400 (lH NMR 400MHz, 13C NMR 100MHz, Billerica, MA, USA)에 methanol-d4 (Cambridge Isotope Laboratories, Andover, MA, USA)를 사용하여 분석하였다.
- 0g을 다목적 분쇄기(DSMP-370, Korea) 를 이용하여 잘게 분쇄하였다. 그 중 100.0mg 잎 시료에 30% ethanol (v/v)을 가하여 25와 50oC에서 1, 3, 5시간 3회 반복추출(SDN-900H, SD Ultrasonic Cleaner, Seoul, Korea, 40kHz, 주기당 15분 추출과 15분 대기로 3주기 반복)한 후 여과하여 얻어진 여액을 감압 농축하여 최적 추출 조건을 확인하였다. 지표 성분 분리를 위해 10kg을 (주)삼우다연 GMP 시설에 의뢰하여 원물 10배의 30% 주정(v/v)으로 50oC에서 3시간 2회 반복 추출한 후 21.
- 느릅나무 잎 지표 물질의 정성분석을 위해 UPLC-QTof-MS와 PDA 분석은 BEH C18 (2.1×100mm, 1.7μm) 칼럼 관과 PDA (photodiode array)와 mass를 장착한 UPLC에 유속 0.4mL/ min, 용매는 0.1% formic acid가 포함된 증류수(A)와 ACN (B)을 사용하여 수행하였다. UPLC 이동상의 용매 조성은 0.
- 느릅나무 잎 추출물과 표준 물질인 3-O-caffeoylquinic acid와 5-O-caffeoylquinic acid의 가혹 시험 조건은 온도와 광에 대하여 16일간 처리하면서 개시일부터 2일 간격으로 methanol에 용해하여 느릅나무 추출물에 포함된 지표 성분 2종을 UPLC로 분석하여 가혹한 조건에서 안정성을 평가하기 위한 실험을 실시하였다. 가혹 시험의 조건은 온도 70oC 일정하게 유지하여 진행하였고 광 조건은 일반 직사광선이며, 시험은 2019년 12월 8 일 개시하여 2일 간격으로 총 9회 분석하였다.
- 검출된 5개의 peak들은 매우 유사한 극성과 형태로 존재하여 상대적으로 산업적 활용성이 뛰어나며 쉽게 구할 수 있는 일반적인 2종의 성분을 선정하였다[20-21]. 느릅나무 잎 추출물에 포함된 지표 성분 2종을 순수 분리하여 NMR을 이용한 구조 동정과 MS, MS2, HRMS 성분 비교를 통해 3-O-caffeoylquinic acid (chlorogenic acid)와 5-O-caffeoylquinic acid (neochlorogenic acid)임을 확인하였다.
- 동결건조(CleanVac 8 Hanil Science Medical, Daejeon, Korea) 한 참느릅나무 잎 100.0g을 다목적 분쇄기(DSMP-370, Korea) 를 이용하여 잘게 분쇄하였다. 그 중 100.
- 기기를 사용하였다. 먼저, 1H-, 13C-NMR에서 수소와 탄소의 개수와 chemical shift 값으로 기본적인 골격을 예상하였고, 2D-NMR (COSY, HMQC, HMBC, DEPT)에서 수소-탄소의 연관관계를 통해 치환기의 정확한 위치와 탄소 차수를 확인하여 물질의 구조를 확인하였고 선행문헌의 화합물과 비교 확인하여 구조를 결정하였다[16].
- 분석 시료의 제조 표준 물질인 3-O-caffeoylquinic acid와 5-Ocaffeoylquinic acid의 각각의 농도를 1000ppm 만들어 원심분리 후 상등액을 취하여 분석용 vial 에 담아 진행하였다. 정량 값은 측정값의 피크면적을 검량선(y=ax+b) 식에 대입한 후 계산식에 의해 산출하였다.
- 생리활성물질의 구조를 동정하기 위하여 NMR, MS, UV 등의 분광학적인 기기를 사용하였다. 먼저, 1H-, 13C-NMR에서 수소와 탄소의 개수와 chemical shift 값으로 기본적인 골격을 예상하였고, 2D-NMR (COSY, HMQC, HMBC, DEPT)에서 수소-탄소의 연관관계를 통해 치환기의 정확한 위치와 탄소 차수를 확인하여 물질의 구조를 확인하였고 선행문헌의 화합물과 비교 확인하여 구조를 결정하였다[16].
- 장기 보존 시험의 조건은 온도 조건 25oC, 상대습도 40% 조건을 동시 처리 진행하였으며, 표준물질의 각 농도를 1000ppm 만들어 원심분리 후 상등액을 취하여 분석용 vial에 담아 UPLC로 분석하였다. 시험은 2019년 12월 8일 개시하여 2020년 1월8일, 3월8일, 6월 8일 까지 0, 1, 3, 6개월 간격으로 총 5회 반복 3회 실시하였다.
- 6oBrix로 농축 하였다. 얻어진 느릅나무 잎 추출물을 한국생명공학연구원 정읍 분원 생물공정지원팀에 동결건조(50L PVTFD 50R, 일신)로 농축 하였다(약 1.72kg, 수율 17.2%). 개방형 칼럼(80×15cm) 분취 방법으로 확보된 느릅나무 잎 유효분획물 2번을 prep-HPLC (PLC, Gilson, Middleton, WI, USA)에 Atlantis T3 OBD (5mm, 250×19mm) 칼럼을 사용하여 (A)는 0.
- 위하여 실시하였다. 장기 보존 시험의 조건은 온도 조건 25oC, 상대습도 40% 조건을 동시 처리 진행하였으며, 표준물질의 각 농도를 1000ppm 만들어 원심분리 후 상등액을 취하여 분석용 vial에 담아 UPLC로 분석하였다. 시험은 2019년 12월 8일 개시하여 2020년 1월8일, 3월8일, 6월 8일 까지 0, 1, 3, 6개월 간격으로 총 5회 반복 3회 실시하였다.
- 0mg 잎 시료에 30% ethanol (v/v)을 가하여 25와 50oC에서 1, 3, 5시간 3회 반복추출(SDN-900H, SD Ultrasonic Cleaner, Seoul, Korea, 40kHz, 주기당 15분 추출과 15분 대기로 3주기 반복)한 후 여과하여 얻어진 여액을 감압 농축하여 최적 추출 조건을 확인하였다. 지표 성분 분리를 위해 10kg을 (주)삼우다연 GMP 시설에 의뢰하여 원물 10배의 30% 주정(v/v)으로 50oC에서 3시간 2회 반복 추출한 후 21.6oBrix로 농축 하였다. 얻어진 느릅나무 잎 추출물을 한국생명공학연구원 정읍 분원 생물공정지원팀에 동결건조(50L PVTFD 50R, 일신)로 농축 하였다(약 1.
- 최적의 분석 조건을 확립하기 위해 resolution과 overlapping으로 정확하게 구현하기 위해 ACN 용매를 기본으로 하는 분석조건을 확립하였다. 선행문헌을 통해 다양한 분석 조건을 검토하였지만 목표로 하는 느릅나무 잎에 포함된 지표 성분 2종을 분석하기 위한 최적의 분석 조건은 확인되지 않았다[17-19].
- 검량선은 x축에 반복 수 및 분석 시점을, y축에 피크면적을 적용하여 최소자승법으로 산출 하였다. 평가 항목은 특이성, 직선성, 검출 한계, 정량 한계, 시료 잔류의 5가지 항목으로 평가하였다.
대상 데이터
- Ethanol (EtOH) 용매(SK chemical, KR)는 추출물 제조를 위해 사용하였으며, 타겟 화합물 분석과 분리를 위해 high performance liquid chromatography (HPLC)용 methanol (MeOH, Honeywell, Moris Plains, NJ, USA)과 acetonitrile (ACN, Honeywell, Moris Plains, NJ, USA), tifluoroacetic acid (TFA, Tokyo Chemical Industries, Co., Ltd., Japan), formic acid (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA), leucine enkephalin (Sigma-Aldrich, USA)를 사용하여 ultraperformance liquid chromatography quadrupole time-of-flight mass spectrometry (UPLC-QTof-MS, Waters, Milford, MA, USA), photodiode array (PDA, Waters, Milford, MA, USA), HPLC (Agilent Technologies, Santa Clara, CA, USA), preparative-HPLC (PLC, Gilson, Middleton, WI, USA) 기기를 이용하여 진행하였다. 구조분석을 위해 Bruker AM400 (lH NMR 400MHz, 13C NMR 100MHz, Billerica, MA, USA)에 methanol-d4 (Cambridge Isotope Laboratories, Andover, MA, USA)를 사용하여 분석하였다.
- Peak들은 [M-H]-의 negative 모드에서 이온 형태로 m/z (mass-to-charge ratio)의 353 (MS2 191), 353 (MS2 191), 609 (MS2 301), 463 (MS2 301), 593 (MS2 285) 값을 얻었고 선행문헌, PubChem, ChemSpider 등의 정보를 비교하여 예상 화합물들로 확인하였다. 검출된 5개의 peak들은 매우 유사한 극성과 형태로 존재하여 상대적으로 산업적 활용성이 뛰어나며 쉽게 구할 수 있는 일반적인 2종의 성분을 선정하였다[20-21]. 느릅나무 잎 추출물에 포함된 지표 성분 2종을 순수 분리하여 NMR을 이용한 구조 동정과 MS, MS2, HRMS 성분 비교를 통해 3-O-caffeoylquinic acid (chlorogenic acid)와 5-O-caffeoylquinic acid (neochlorogenic acid)임을 확인하였다.
- 본 연구에 사용된 참느릅나무 잎 10kg을 합천생약가공 영농조합법인에서 수집한 시료를 구매하여 한국생명공학연구원 해외 생물 소재센터 백진협 박사(International Biological Material Research Center, Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology, Daejeon, Korea)의 분류 동정을 거쳐 선별하였고 선정된 증거 표본은 한국생명공학연구원 해외생물 소재 센터표본실에 보관하였다(KRIB 0085027).
이론/모형
- 정량 값은 측정값의 피크면적을 검량선(y=ax+b) 식에 대입한 후 계산식에 의해 산출하였다. 검량선은 x축에 반복 수 및 분석 시점을, y축에 피크면적을 적용하여 최소자승법으로 산출 하였다. 평가 항목은 특이성, 직선성, 검출 한계, 정량 한계, 시료 잔류의 5가지 항목으로 평가하였다.
성능/효과
- 25, 40%의 상대습도 조건에서 0, 1, 3, 6개월마다 분석을 진행하였고 느릅나무 잎 추출물에 포함된 3-O-caffeoylquinic acid와 5-O-caffeoylquinic acid 지표 물질의 함량은 반복 수의 평균으로 계산하였을 때 감소하지 않고 유지되었고 표준 물질인 두 성분 모두 3개월까지 각각 1.5, 0.2% 감소로 큰 변화를 보이지 않았지만 마지막 6개월에 5.9, 18.0%가 감소하여 감소폭이 커지는 경향을 나타내었다(Fig. 2).
- 느릅나무 잎 추출물의 장기 보존 안정성 시험 및 가혹 조건 실험의 결과에 따르면 느릅나무 잎 추출물의 3-O-caffeoylquinic acid, 5-Ocaffeoylquinic acid는 직사광선이 닿지 않는 상온조건에서는 3 개월까지 일정한 함량을 유지할 수 있는 것으로 확인되었다. 3 개월 이후에는 지표 성분이 비교적 큰 폭으로 감소하나, 그 감소 폭이 일반적 함량 기준인 80-120% 이내이므로 직사광선이 닿지 않는 상온조건에서는 6개월까지 80% 이상의 함량으로 보관이 가능할 것으로 확인 되었다. 특히, 잎 추출물은 고온이나 직사광선에 노출되는 경우 급격한 감소세를 보이며, 단기간에 함량 기준에 미달하게 되므로 함유량을 안정적으로 유지하기 위해서는 고온과 직사광선에 노출되는 환경은 피해야 할 것으로 사료 된다.
- 결론적으로 느릅나무 잎의 지표성분으로 선정된 3-O-caffeoylquinic acid (chlorogenic acid)와 5-O-caffeoylquinic acid (neochlorogenic acid)는 추출물에 함유된 성분으로 확인되었고, 유효성이 검정된 UPLC-PDA 크로마토그램을 통해 장기 보존과 가혹 조건 안정성 평가결과, 느릅나무 잎 추출물은 다양한 성분들이 혼합된 상태이지만 단일성분보다 안정성이 취약하여 장기 보존과 가혹 조건에서 급격히 감소하는 경향이 나타났다. 이전의 유사한 결과에 따르면 caffeoylquinic acids는 온도, 광, 용매 등의 다양한 조건에서 구조적 차이에 따라 안정성에 차이가 있음을 보였고 이는 분해 또는 cis로 입체 이성질체화 등으로 변화되어 안정성이 떨어지는 경향을 나타내었다[22-24].
- 느릅나무 잎 추출물을 온도 70의 조건에서 2일 간격으로 16일 동안 총 8회의 분석을 실시하였으며, 분석결과 느릅나무 잎 추출물에 포함된 3-O-caffeoylquinic acid는 60.2% 감소하였고, 5-O-caffeoylquinic acid는 51.3% 감소하였다. 표준 물질인 3-Ocaffeoylquinic acid는 7.
- 느릅나무 잎 추출물을 직사광선에 노출시킨 후 2일 간격으로 16일 동안 총 8회의 분석을 실시하였으며 분석결과 느릅나무잎 추출물에 포함된 3-O-caffeoylquinic acid는 37.6% 감소하였고, 5-O-caffeoylquinic acid는 29.1% 감소하였다. 표준 물질인 3-O-caffeoylquinic acid는 4.
- 느릅나무 잎 추출물 보다 표준물질의 감소 폭이 상대적으로 적게 나타났다. 느릅나무 잎 추출물의 장기 보존 안정성 시험 및 가혹 조건 실험의 결과에 따르면 느릅나무 잎 추출물의 3-O-caffeoylquinic acid, 5-Ocaffeoylquinic acid는 직사광선이 닿지 않는 상온조건에서는 3 개월까지 일정한 함량을 유지할 수 있는 것으로 확인되었다. 3 개월 이후에는 지표 성분이 비교적 큰 폭으로 감소하나, 그 감소 폭이 일반적 함량 기준인 80-120% 이내이므로 직사광선이 닿지 않는 상온조건에서는 6개월까지 80% 이상의 함량으로 보관이 가능할 것으로 확인 되었다.
- 선행문헌을 통해 다양한 분석 조건을 검토하였지만 목표로 하는 느릅나무 잎에 포함된 지표 성분 2종을 분석하기 위한 최적의 분석 조건은 확인되지 않았다[17-19]. 따라서 반복적인 분석 조건 개발 및 검정을 통해 확립된 분석 조건에서 크게 5개의 peak를 검출할 수 있는 조건을 확인하였다 (Fig. 1). Peak들은 [M-H]-의 negative 모드에서 이온 형태로 m/z (mass-to-charge ratio)의 353 (MS2 191), 353 (MS2 191), 609 (MS2 301), 463 (MS2 301), 593 (MS2 285) 값을 얻었고 선행문헌, PubChem, ChemSpider 등의 정보를 비교하여 예상 화합물들로 확인하였다.
- 이전의 유사한 결과에 따르면 caffeoylquinic acids는 온도, 광, 용매 등의 다양한 조건에서 구조적 차이에 따라 안정성에 차이가 있음을 보였고 이는 분해 또는 cis로 입체 이성질체화 등으로 변화되어 안정성이 떨어지는 경향을 나타내었다[22-24]. 또한 2종의 지표 성분의 안정성을 비교할 경우 상대적으로 3-O-caffeoylquinic acid 가 보다 뛰어난 것으로 확인되었고 이러한 결과는 느릅나무 잎 추출물의 장기 보존과 가혹 조건 안정성 평가에서 5-Ocaffeoylquinic acid 보다 3-O-caffeoylquinic acid 가 손실이 적은 것으로 나타났기 때문이다. 따라서 느릅나무 잎 추출물 상업적 활용성을 높이기 위해서는 3-O-caffeoylquinic acid의 함량을 높이는 재배법과 수확 시기 등을 고민해볼 필요가 있다.
- 특이성은 blank 시료를 측정하여 시험 물질의 retention time과 동일한 위치에서 간섭 피크의 유무를 확인하였으며 간섭 피크가 없음을 확인하였다. 직선성은 표준 용액 5-50μg/mL의 농도를 각 1회 측정하여, 표준 용액의 농도와 피크 면적의 결정 계수를 산출하였고 판정기준은 결정 계수 r2이 0.
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