한국 및 중국 재배종 미숙과 복분자의 엘라그산 함량의 비교

본 실험에서 사용된 복분자는 전라북도 고창군 일대 5개 농가에서 채취한 것으로 2016년 5월 20일에 채취한 미숙과(열매 전체가 녹색인 상태), 5월 30일에 채취한 중간 성숙과(붉은색과 녹색이 섞여 있는 상태) 및 6월 20일에 채취한 완숙과(진한 암적색으로 성숙된 상태)로 구분하여 채취한 다음 열풍건조기(CF-21WF, Jeiotech, Daejeon, Korea)에서 건조(45℃, 24시간)한 후 밀봉하여 냉장보관하고 연구에 사용하였다. 중국 재배종 건조 미숙과 복분자는 서울 경동약령시장, 대구 약령시장, 제천약령시장에서 각각 5가지씩 총 15가지를 녹색을 띄는 정도를 직접 확인하고 구입하여 사용하였다. 구입한 모든 미숙과 복분자는 유전자 분석을 통해 종을 검증한 후 R. occidentalis와 R. chingii로 확증된 시료를 각각 지역별로 3그룹씩 총 6그룹으로 나누어 본 연구에 사용하였다. 각각의 미숙과 복분자는 여기에 중량 20배에 해당하는 용매(열수와 5%, 30%, 70%의 주정)를 첨가한 후 4시간 동안 초고속 진공저온농축추출기(Cosmos660, Kyungseo machine, Incheon, Korea)를 이용하여 추출하였다. 사용한 발효주정은 95% 알코올 함량의 발효주정으로 ㈜대한주정라이프에서 구입하여 사용하였다. 추출물은 여과하여 대형회전진공농축기(Bühi rotavapor R-220, Gschwader strasse, Flawil, Switzerland)로 55℃, 50 mbar 조건에서 감압농축하고, 각 농축물은 동결건조하여 분말화 하였다. 제조된 분말을 밀봉하여 4℃에서 냉장 보관하여 두고 실험에 사용하였다.

Ellagic acid(Sigma-Aldrich Chemical Co., St. Louis, MO, USA)의 표준원액(stock solution)은 dimethyl sulfoxide (DMSO)에 용해시킨 후 1,000 μg/mL의 농도가 되도록 제조한 다음 이를 50% MeOH로 희석하여 0.5, 1, 5, 10, 및 25 μg/mL 농도가 되도록 제조한 후 0.45 μm PVDF membrane filter(Millipore, Milford, MA, USA)로 여과한 후 사용하였다. Ellagic acid 함량은 표준용액의 크로마토그램에서 얻은 피크의 농도별 면적을 이용하여 작성한 표준검량선으로부터 산출하였다.

미숙과 복분자 추출 분말의 시험용액은 Kim 등(12)이 언급한 방법을 응용하였다. 즉, 시험용액은 동결 건조된 분말 일정량을 정밀히 취한 뒤 50% methanol을 이용해 충분히 용해시킨 후 0.45 μm syringe filter로 여과하여 사용하였다.

미숙과 복분자 추출물의 ellagic acid 분석조건은 Table 1과 같다. HPLC는 1525 Binary pump, column oven 및 2998 photodiode array detector(Waters HPLC system, Millford, MA, USA)를 사용하였고, 데이터 수집 및 처리를 위해 Empower3 software program(Waters Corporation, Milford, MA, USA)을 사용하였다. 분석용 컬럼은 Agilent EclipsXDB-C₁₈ column(4.6×250 mm, 5 μm, Agilent, Santa Clara, CA, USA)을 사용하였으며, 이동상 용매 A는 1% formic acid가 함유된 water를, 용매 B는 100% acetonitrile를 사용하여 0.5 mL/min의 유속으로 각각 분석하였다. UV는 254 nm 파장에서 측정하였고, 시료 주입량은 20 μL로 하였다.

지표성분의 HPLC 분석법 검증은 의약품 등 시험방법 밸리데이션에 대한 가이드라인(13,14)을 근거하여 특이성(specificity), 직선성(linearity), 정확성(accuracy), 정밀성(precision)등을 수행하였으며, 직선성 검증으로부터 얻어진 검량선의 기울기와 표준편차를 이용해 검출한계(LOD) 및 정량한계(LOQ)를 확인하였다. 유효성 검증은 각각의 균질화된 시료(5% 주정추출물)로 실시하였다.

특이성 검증은 ellagic acid 표준용액과 시료용액을 HPLC로 분석한 후 크로마토그램을 비교하여 ellagic acid peak의 분리도 및 머무름 시간을 확인하였으며 photo diode array(PDA) spectrum을 측정하여 동일한 spectrum을 나타내는지 확인하였다.

직선성, 검출한계 및 정량한계(linearity, LOD and LOQ)는 단계적으로 희석한 ellagic acid 표준용액을 HPLC로 분석하여 3회 반복 측정하였으며 peak 면적비에 대한 농도비의 관계를 나타내는 표준검량선을 작성하였다. 검출한계와 정량한계는 표준용액의 크로마토그램을 이용하여 얻어진 검량선의 기울기와 표준편차에 근거하여 계산하였다.

정확성은 표준용액 5, 10, 및 15 μg/mL를 시료에 첨가하여 회수율로 확인하였다. 각 시험은 3회 반복 HPLC로 분석하여 결과 값이 참값에 근접한지 분석에 의해 회수되는 양을 백분율로 환산하여 확인하였다.

정밀성은 시험용액을 일내분석(intra-day)과 일간분석(inter-day)으로 나누어 진행하였다. Intra-day는 1일 3구간으로 진행하였으며 각 3회씩 반복하여 HPLC로 분석하였고, inter-day는 1일 1구간으로 3일간 진행하였다. 정밀성의 확인을 위한 각 시험은 구간마다 3회 반복하여 분석하여 상대표준편차(relative standard deviation, RSD)로 확인하였다.

복분자의 미숙과 상태의 기초적인 기준 설정을 위해 국내 재배종 미숙과 복분자(unripe Rubus occidentalis, uRo)와 중국 재배종 미숙과 복분자(unripe Rubus chingii, uRc)의 건조 상태 과실의 형태적 특성을 알아본 결과 uRo 과중은 평균 86.33±0.01 mg/개, uRc 과중은 평균 84.53±0.01 mg/개의 범위로 두 종간의 무게는 유의적 차이가 없었다(data not shown). Fig. 1에서 보는 것과 같이 건조된 uRo와 uRc의 형태적인 차이는 구별이 어려울 정도로 유사하였고, 건조과정에서 갈변현상에 의해 연한 갈색을 띄는 것을 볼 수 있었다. 그러나 국내 재배종 복분자가 성숙되기 시작하여 붉은색으로 전환되기 시작하는 시점인 6월 20일에 채취한 복분자는 건조 후 확연하게 미숙과 복분자와 구분이 가능할 정도로 색이 진해져 검붉은 색을 띄었다. 또한 과실의 무게도 126.3±0.04 mg/개로 증가하였고 육안적인 관찰만으로도 과실의 크기가 미숙과 복분자에 비해 더 큰 것을 알 수 있었다. Lee 등(15)의 연구에 따르면 복분자 유사종인 산딸기(Rubus idaeus)의 과중은 700-1,700 mg/개로 본 연구에서 사용한 복분자보다 대체적으로 높은 것을 알 수 있어, 과실의 무게에 따라 유사종인 산딸기와 종의 구별도 가능할 것으로 사료된다. 이러한 결과로 건조된 복분자의 수확시기와 형태적인 특징으로 미숙과의 기준을 설정할 수 있을 것으로 사료된다. 추출용매와 추출온도를 달리한 다양한 조건에서 uRo와 uRc 및 국내 재배종 완숙과 복분자(ripe Rubus occidentalis, Ro)를 추출하여 수득한 추출수율은 Table 1과 같다. 모든 미숙과 복분자의 추출수율은 열수추출에 비하여 5% 주정추출이 유의적으로 높았으나(p<0.001), 주정농도에 따른 일정한 경향은 없었다. uRo와 uRc 간의 추출수율은 모든 추출물에서 유의적 차이가 없이(p>0.05) 비슷한 수준이었다. 그러나 Ro에서는 낮은 추출수율을 보였으나 이는 완숙과 복분자는 수분함량이 많고 과육이 약해 열풍건조 또는 동결건조가 불가능하여 생과 자체에서 추출한 결과로 과실에 함유된 수분에 의해 추출수율이 상대적으로 낮게 측정된 결과이다.

Fig. 1. Photo of dried black raspberries. A, unripe Rubus occidentalis L.; B, unripe Rubus chingii Hu; C, middle-ripe Rubus occidentalis L..

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미숙과 복분자의 원산지별, 에탄올 농도별 ellagic acid 함량을 Table 2의 조건에서 비교 분석한 결과는 Table 3과 같다. 국내 재배종 미숙과 복분자(uRo)의 5% 주정 추출물이 16.56 mg/g, 중국 재배종 미숙과 복분자(uRc)의 5% 주정 추출물이 17.27 mg/g으로 각각 유의적으로 가장 높은 ellagic acid 함량을 나타내었다. uRo의 경우 고창군의 다른 농가에서 구입한 3가지 복분자의 결과에서 모두 유사한 결과를 볼 수 있었으며, 중국산 uRc의 경우도 유사하게 서로 다른 곳에서 구입한 미숙과 복분자에서 모두 유사한 경향으로 ellagic acid 함량이 검출되었다. 에탄올 농도에 따른 추출물의 ellagic acid 함량은 5% 주정 > 열수 > 70% 주정 > 30% 주정 추출물 순으로 나타났으며, 가장 낮은 30% 주정 추출물은 국내산과 중국산이 각각 9.31 mg/g과 9.01 mg/g으로 열수추출물보다 유의적(p<0.001) 으로 낮은 수준의 ellagic acid 함량이 나타났다. 또한 국내산과 중국산 미숙과 복분자의 ellagic acid 함량은 각 에탄올 농도별로 두 시료 간 함량 차이가 없음을 확인할 수 있었다. 완숙과 복분자 추출물의 ellagic acid 함량은 과실이 숙성되어갈수록 ellagic acid 함량이 감소하였고 에탄올 농도가 높아질수록 유의적으로 ellagic acid 함량이 높아졌으나 ellagic acid 함량 자체가 상대적으로 매우 낮아 추출방법별 비교의 의미는 크지 않다고 사료된다. Choi 등(7)은 고창군에서 재배된 미숙과 복분자 열수 추출물에서 8.50 mg/g, 75% 주정 추출물에서 6.19 mg/g으로 보고하였으며 본 연구결과보다는 약간 낮은 수준으로 이는 채취 일자의 차이 및 추출용매와 추출시간의 차이 때문에 나타난 함량차이 때문인 것으로 사료되며 완숙과 복분자보다 미숙과 상태의 복분자에서 약 7배가 높게 ellagic acid가 검출된 것은 본 연구결과와 유사하다고 볼 수 있다. 그러나 가장 ellagic acid함량이 높은5% 주정추출물은 확인하지 않았기 때문에 본 연구에서는 기능성 성분으로서 ellagic acid가 가장 많이 추출 될 수 있는 5% 주정추출 조건을 확립하였다는데 큰 의미가 있다고 판단되고, 우리의 선행연구에서 5% 주정으로 미숙과 복분자를 추출 하였을 때 가장 생리활성이 높은 결과가 5% 주정추출물에서 기능성 성분인 ellagic acid가 가장 많이 추출되었기 때문이라는 것을 유추할 수 있을 것으로 사료된다. 따라서 미숙과 복분자를 산업적으로 식·의약 소재로 활용할 경우 5% 주정추출 방법이 가장 적절하다고 결정하여 미숙과 복분자 5% 주정추출물의 지표성분으로서 ellagic acid를 설정하기 위해 기존의 ellagic acid의 분석법을 미숙과 복분자의 5% 주정추출물에 적용가능성을 확인하고 재검증하여 그 결과를 표준분석법으로 활용하고자 하였다.

특이성 시험을 통해 ellagic acid 표준용액과 시험용액의 크로마토그램을 비교하여 다른 물질과의 간섭 없이 표준물질의 peak가 분리되는지 확인하였다. 표준용액과 원산지별 미숙과 복분자 5% 주정 추출물을 비교한 결과, 약 16.5분대에서 ellagic acid peak가 동일하게 검출됨을 확인하였고, 시험용액에서 다른 peak와 간섭 없이 완전히 분리됨을 확인할 수 있었다. 또한 표준용액과 시료용액의 PDA spectrum 도 동일한 패턴을 나타내어 본 시험법의 특이성을 확인할 수 있었다(Fig. 2).

Fig. 2. HPLC chromatogram and PDA spectrum of (A) Blank, (B) ellagic acid standard, (C) 5-uRo extract, and (D) 5-uRc extract at 254 nm by a photodiode array detector.

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표준품 ellagic acid를 0.5, 1, 5, 10, 및 25 μg/mL의 농도로 단계적으로 희석한 뒤 HPLC로 분석하여 표준검량선을 작성하였다(Fig. 3). 검량선의 결정계수(R²)는 0.9999으로 높은 직선성을 보였으며, 검출한계는 0.25 μg/mL, 정량한계는 0.77 μg/mL이었다. 이 결과는 시료에 적용할 경우 검출한계는 0.25 μg/mL 수준으로 검출이 가능하고, 정량한계는 0.77 μg/mL 수준까지 정량할 수 있는 최저 농도를 의미한다.

Fig. 3. Calibration curve of ellagic acid standard.

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지표성분의 농도별 시험용액을 국내산과 중국산 미숙과 복분자 5% 주정추출물로 각각 나누어 조제하여 HPLC 분석에 의해 회수되는 양을 확인하였다. Table 4에 나타난 바와 같이 ellagic acid의 회수율은 국내산은 97.54-101.01%, 중국산은 98.16-99.25% 범위의 회수율을 보였다. Kim 등(12)은 ellagic acid 분석방법 검증에서 89.17-97.92%의 회수율을 보였으며, Chae 등(8)은 89.08-100.22%의 회수율을 얻어 본 연구결과와 유사한 결과를 보였다.

분산정도를 나타내는 정밀성은 균일한 하나의 시료로부터 여러 번 반복 채취하여 정해진 조건에 따라 측정하였을때 각각의 측정값들 사이의 근접성을 의미하며, Table 4와 같이 intra-day와 inter-day로 나누어 상대표준편차(RSD)를 측정하였다. Intra-day 분석에서의 정밀도는 국내산과 중국산 미숙과 복분자 5% 주정추출물이 각각 0.54-1.30%와 0.48-2.21%이었으며, inter-day분석에서의 정밀도는 국내산과 중국산 미숙과 복분자 5% 주정추출물이 각각 2.23-3.15%와 1.57-2.79%이었다.

이상의 분석결과, 국내에서 유통되고 산업적으로 식·의약 소재로 가장 많이 사용되고 있는 두 가지 종의 미숙과 복분자 추출물을 기능성 원료로 활용하기 위한 표준화된 ellagic acid 분석법의 유효성을 검증하였고, 유효성 검증 및 HPLC 분석을 통해 5% 주정추출물이 가장 높은 ellagic acid의 함량을 보이는 추출방법을 규명하였다, 비록 미숙과 복분자에 함유되어 있는 다른 성분들도 같은 경향으로 5% 주정추출물에서 많이 추출되는지에 대한 추가 연구는 필요할 것으로 판단되나 본 연구결과로 국내 재배종인 uRo와 중국 재배종인 uRc 미숙과 복분자의 ellagic acid 함량 차이가 거의 없어 ellagic acid를 지표성분으로 설정한 경우에 두 종을 혼용하여 사용할 수 있는 근거를 확인한 것에 의미가 있다고 사료된다. 또한 향 후 미숙과 복분자에서만 검출될 수 있는 특징적인 성분을 발굴하는 연구도 추가적으로 필요할 것이며, 이는 ellagic acid를 함유하고 있는 산딸기 및 석류와 같은 다양한 식품소재와 혼합원료로 식품을 개발 시 미숙과 복분자의 정확한 함유량을 결정 및 검출할 수 있는 새로운 지표성분 발굴 연구도 필요할 것으로 사료된다.