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JKFN Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition



Online ISSN 2288-5978

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Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2022; 51(12): 1289-1295

Published online December 31, 2022 https://doi.org/10.3746/jkfn.2022.51.12.1289

Copyright © The Korean Society of Food Science and Nutrition.

Changes in the Composition of Xanthophyll Isomer and Formation of meso-Zeaxanthin during the Production Process of Lutein Concentrate from Marigold Oleoresin

Yu Jin Lee and In-Hwan Kim

Department of Integrated Biomedical and Life Science, Korea University

Correspondence to:In-Hwan Kim, Department of Integrated Biomedical and Life Science, Korea University, 145, Anam-ro, Seongbuk-gu, Seoul 02841, Korea, E-mail: k610in@korea.ac.kr

Received: September 30, 2022; Revised: October 31, 2022; Accepted: November 8, 2022

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Lutein, t-zeaxanthin, and meso-zeaxanthin are members of the xanthophyll class of carotenoids. These xanthophylls are located mainly in the retinal macular region of the human eye. Currently, the lutein concentrate for the lutein capsule is manufactured from marigold oleoresin through saponification and crystallization. meso-Zeaxanthin is formed from lutein when lutein concentrate is produced from marigold oleoresin by saponification. The aim of this study is to investigate the compositions of lutein, t-zeaxanthin, and meso-zeaxanthin in lutein concentrates prepared from marigold oleoresin under different saponification conditions. Furthermore, compositions of three xanthophyll isomers were analyzed in eight lutein capsules distributed in Korea and overseas. The saponification temperature, amount of potassium hydroxide (KOH), and saponification time were observed to significantly affect the composition of meso-zeaxanthin and lutein in the lutein concentrate. Increments in the saponification temperature, amount of KOH, and saponification time resulted in increased amounts of meso-zeaxanthin and decreased lutein in the lutein concentrate. meso-zeaxanthin was undetected in the lutein concentrate at all trials of 60°C. A maximum amount of meso-zeaxanthin (approximately 75%) was obtained at saponification conditions of 100°C, 80% KOH, and 3 h saponification time.

Keywords: lutein, marigold oleoresin, saponification, meso-zeaxanthin, t-zeaxanthin

루테인(Lutein; 3R,3′R,6′R-β,ε-carotene-3,3′-diol)과 트랜스지아잔틴(t-Zeaxanthin; 3R,3′R-β,β-carotene-3,3′diol)은 카로티노이드(carotenoid) 중 잔토필(xanthophyll)계 지용성 색소로 고등식물에서 주로 발견되며 일반적으로 트랜스지아잔틴보다 루테인이 많이 존재한다. 녹엽 채소, 난황, 옥수수, 감귤, 케일 및 시금치와 같은 식품에 많이 함유되어 있고, 비식품 원료로는 마리골드(marigold)의 꽃에 특히 다량 함유되어 있다(Hojnik 등, 2008; Calvo, 2005). 루테인은 생체 내 다양한 생리활성을 나타내는데, 그 예로 항산화 효과, 항염증 효과 및 항암 효과 등이 있으며 특히 시신경과 관련된 효과로서 노화에 의한 황반변성 예방 효과에 관한 많은 연구결과가 보고되었다(Rock, 1997; Young과 Lowe, 2001; Li와 Lo, 2010). 루테인은 인체 내에서 안구 내 황반을 구성하는 구성성분 중 하나이며, 황반은 시신경이 밀집된 조직이다. 시신경 세포는 한번 손상되면 복구되지 않는 것으로 알려져 있다. 한편 루테인은 인체 내에서는 합성되지 않기 때문에 외부로부터 공급되어야 하는 필수 성분으로 알려져 있다(Arunkumar 등, 2020; Ozawa 등, 2012; Koushan 등, 2013; Stringham과 Stringham, 2016).

루테인은 양쪽 이오논환(Ionon ring)에 지방산이 에스터 결합을 한 에스터 화합물로 주로 존재하며 가장 많이 결합된 지방산은 팔미틴산(palmitic acid)으로 알려져 있다(Piccaglia 등, 1998). 그러나 현재 건강식품 소재로 유통되고 있는 루테인 농축물은 지방산이 결합되어 있지 않은 유리형 루테인이다. 이 유리형 루테인은 주로 마리골드꽃으로부터 유기용매를 이용하여 추출된 올레오레진(oleoresin)을 원료로 알칼리 촉매 하에 검화(saponification)와 결정화 공정을 거쳐 제조된다(Andrewes, 1974). 한편 루테인과 함께 잔토필계 이성체인 트랜스지아잔틴과 메소지아잔틴(meso-zeaxanthin; 3R,3′S-β,β-carotene-3,3′diol)도 눈의 황반에 존재하는 것으로 알려져 있으며, 인체 내에서 메소지아잔틴은 주로 루테인으로부터 이성화 반응(isomerization)을 통해 만들어진다(Bone 등, 1997; Johnson 등, 2005). 이상의 세 가지 잔토필계 이성체들의 구조는 Fig. 1과 같다.

Fig. 1. The chemical structures of lutein, t-zeaxanthin, and meso-zeaxanthin.

현재 건강식품 소재로 유통되는 루테인 농축물 내 메소지아잔틴도 알칼리 촉매를 이용한 검화과정 중 루테인으로부터 만들어지는 것으로 알려져 있다(Khachik, 1995; Vechpanich와 Shotipruk 2010). 그러나 반응조건에 따른 메소지아잔틴 생성량에 관한 연구는 전무한 상태이다.

본 연구에서는 마리골드 올레오레진으로부터 루테인 농축물 제조를 위한 검화과정 중 반응온도, 알칼리양 및 반응시간에 따른 세 가지 잔토필 이성체인 루테인, 트랜스지아잔틴, 메소지아잔틴의 조성 변화를 조사하였다. 한편 현재 국내에서 건강식품으로 유통되는 루테인 캡슐 4종과 해외에서 유통되는 루테인 캡슐 4종에 대하여 세 가지 잔토필 이성체의 조성을 분석하였다.

재료

본 연구에서 사용된 마리골드 올레오레진은 Katra Phytochem(Karnataka, India)으로부터 제공받았다. 루테인, 트랜스지아잔틴, 메소지아잔틴 표준품들은 Sigma Aldrich 사(St. Louis, MO, USA)로부터 구입하였으며, 알칼리촉매로 사용된 수산화칼륨(potassium hydroxide, KOH)은 대정화학(Seoul, Korea)으로부터 구입하였다. 이외 모든 시약은 특급 이상의 등급을 사용하였다.

루테인 농축물 제조

마리골드 올레오레진으로부터 루테인 농축물 제조를 위한 검화과정 중 잔토필 이성체 조성 변화를 조사하기 위하여 반응온도, 수산화칼륨양 및 반응시간의 영향을 조사하였다. 이때 온도는 세 가지 온도(60, 80, 100°C)에서 실시되었고 수산화칼륨양은 올레오레진 사용량에 대한 무게비로 세 가지 첨가량(40%, 60%, 80%)에서 실시되었으며 반응시간은 1시간이었다. 한편 반응시간에 대한 영향을 위해 설정된 반응시간은 0.5, 1, 2, 3시간이었으며, 이때 반응온도는 100°C, 수산화칼륨양은 80%이었다. 이상의 자세한 반응과정은 다음과 같았다.

마리골드 올레오레진 5 g을 250 mL 3구 갈색 둥근 플라스크(amber three neck round flask)에 넣고 알칼리 촉매로 사용한 수산화칼륨(KOH)을 25 mL n-propanol에 녹인 후 첨가하였다. 이때 수산화칼륨은 올레오레진에 대하여 무게비로 첨가하였으며 조사된 수산화칼륨 첨가량은 40%(2 g, KOH), 60%(3 g, KOH), 80%(4 g, KOH)였다. 시료가 함유된 갈색 둥근 플라스크를 냉각관(condenser)에 부착하고 heating mantle을 이용하여 가열하였다. 이때 온도는 온도 조절기와 슬라이닥스를 이용하여 조절하였다. 원하는 온도에 도달하였을 때 magnetic stirrer를 이용하여 400 rpm으로 교반하면서 검화반응을 실시하였다. 검화반응이 끝난 시료는 250 mL 갈색 분액여두(amber separatory funnel)로 옮기고 여기에 50 mL 증류수와 150 mL ethyl acetate를 첨가한 후 격렬히 혼합하고 층 분리가 될 때까지 정치하였다. 층 분리가 끝난 후 물 층인 하층(lower layer)을 제거하고 50 mL 증류수를 분액여두에 가한 후 격렬히 혼합하고 층 분리 후 물 층인 하층을 제거하는 과정을 반복하여 ethyl acetate 층에 잔류한 수산화칼륨을 제거하였다. 이상의 수세 과정은 하층부, 즉 증류수 층의 pH가 중성이 될 때까지 반복하였고 pH 측정은 pH paper를 이용하였다. 수세 과정이 끝난 후 ethyl acetate를 250 mL 갈색 둥근 플라스크에 옮긴 후 50°C에서 rotary evaporator를 이용하여 ethyl acetate를 제거하였다. Ethyl acetate가 제거된 둥근 플라스크에 n-hexane 100 mL를 첨가하고 냉각관을 부착한 후 5분간 가열하였다. 가열이 끝난 시료는 암소에서 2시간 방치한 후 여과를 통하여 n-hexane을 제거하였다. 1차 결정물이 함유된 둥근 플라스크를 40°C 감압 오븐에서 2시간 건조과정을 통하여 잔존 n-hexane을 제거하였다. 이상의 과정을 통하여 불검화물과 검화가 완료되지 않은 올레오레진을 n-hexane을 이용하여 제거하였다. 감압 오븐으로부터 둥근 플라스크를 꺼내어 실온에서 약 20분간 냉각한 후 30 mL 에탄올(99%)을 넣고 실온에서 2시간 동안 600 rpm으로 교반한 후 Büchner funnel을 이용하여 여과하였다. 여과가 끝난 후 여과지에 남아있는 결정물인 루테인 농축물을 40°C 감압 오븐에서 2시간 동안 에탄올을 제거하였다. 에탄올이 제거된 루테인 농축물은 갈색 유리 바이알에 넣고 질소를 충진한 후 냉장 보관하면서 분석에 사용하였다.

총 카로티노이드 함량측정

각각의 반응조건에서 제조된 유리 루테인들을 클로로포름에 녹인 후 총 카로티노이드 함량을 spectrophotometer (UV-900, JASCO, Tokyo, Japan)를 이용하여 454 nm에서 측정하였다. 이때 총 카로티노이드 함량은 카로티노이드 흡광계수(extinguish coefficient, A%cm=2,480)를 이용하여 계산했으며 계산식은 다음과 같다.

Totalcarotenoidcontentg/100g=absorbanceat454nm×dilutionvolumeweightofsampleg×2,480×100

HPLC를 이용한 잔토필 이성체 조성분석

시료 30 mg을 n-hexane과 ethyl acetate(95:5) 혼합용매 100 mL에 녹이고 다시 10배 희석한 후 high performance liquid chromatography(Model PU-2089 Plus, JASCO)를 이용하여 세 가지 잔토필 이성체(루테인, 트랜스지아잔신, 메소지아잔틴)의 조성비를 측정하였다. 분석은 Chiralpak(CHIRALPAK® AD-H, 250 mm×4.6 mm, 5 μm, Daicel Corporation, Tokyo, Japan) 칼럼을 사용하였고 이동상 속도는 1 mL/min이었으며 칼럼온도는 30°C로 유지하였다. 검출기는 Photodiode Array Detector(PDA, MD- 2018 Plus, JASCO)를 사용하였고 454 nm 파장에서 측정하였으며 시료 주입량은 10 μL였다. 세 가지 잔토필 이성체의 위치 확인을 위하여 각각의 표준품 10 mg을 n-hexane과 ethyl acetate(95:5) 혼합용매 100 mL에 녹인 후 다시 10배 희석하여 사용하였다. 이동상은 n-hexane과 2-propanol을 사용했으며 Table 1과 같은 gradient 조건으로 이동상을 조절하였다.

Table 1 . HPLC gradient condition of mobile phases for analysis of composition of xanthophyll isomers (%)

Time (min)Mobile phase A (n-Hexane)Mobile phase B (2-Propanol)
Initial955
50955
555050
635050
65955
75955


통계처리

통계분석은 IBM SPSS 통계프로그램(Statistical Package for Social Science, version 25.0, IBM Corporation, Chicago, IL, USA)을 사용하여 실시하였다. 모든 측정값은 평균±표준편차로 나타내었으며, 측정값의 평균 간 차이는 일원배치 분산분석(one-way ANOVA)과 사후검정으로 Duncan의 다중범위검정(multiple range test)을 이용하여 5% 유의수준에서 분석하였다.

반응조건에 따른 루테인 농축물의 총 카로티노이드 함량

마리골드 올레오레진으로부터 루테인 농축물 제조를 위한 검화과정 중 알칼리 촉매인 수산화칼륨양 및 반응온도에 따른 루테인 농축물의 총 카로티노이드 함량을 조사하여 Table 2와 같은 결과를 얻었다. 촉매로 사용된 수산화칼륨양 및 반응온도에 따른 루테인 농축물의 총 카로티노이드 함량은 최저 84 g/100 g부터 최고 90 g/100 g까지 차이를 나타내기는 하였지만, 통계적으로 유의적인 차이를 보여주지는 않았다. 한편 기존에 상업적으로 유통되는 루테인 농축물의 총 카로티노이드 함량도 80 g/100 g 내외로 본 연구에서 제조된 카로티노이드 함량과 유사하였다(Khachik, 2001). 따라서 1시간의 반응시간에서 서로 다른 반응온도 및 수산화칼륨양에 따라 제조된 루테인 농축물들의 총 카로티노이드 함량은 유의적인 차이를 나타내지 않았다.

Table 2 . Total carotenoid contents1) in lutein concentrates prepared at different temperatures and the amount of potassium hydroxides for 1 h (g/100 g)

Reaction temperatureAmount of KOH2)
40%60%80%
60°C85.1±1.8a84.8±2.9a86.2±0.7a
80°C86.9±1.2a85.6±4.0a90.6±5.9a
100°C84.4±2.4a85.0±2.7a84.0±1.6a

1)Results are the average of triplicate determinations and means within columns followed by the same letter are not significantly different (P>0.05).

2)The percentage based on the weight of marigold oleoresin.



반응조건에 따른 루테인 농축물의 잔토필 이성체 조성 변화

마리골드 올레오레진에 함유된 잔토필류는 루테인과 트랜스지아잔틴으로 구성되어 있으나 대부분 루테인으로 되어있다(Hojnik 등, 2008). 그러나 알칼리 촉매를 이용한 검화과정을 통하여 마리골드 올레오레진으로부터 루테인 농축물을 제조하는 과정에서 메소지아잔틴이 이성화 반응을 통해 루테인으로부터 생성된다(Bernhard와 Giger, 1997). 검화과정 중 세 가지 반응온도(60°C, 80°C, 100°C)와 세 가지 수산화칼륨양(40%, 60%, 80%)에서 루테인 농축물 총 9종을 제조하여 루테인, 트랜스지아잔틴, 메소지아잔틴의 조성을 분석하였다(Table 3). 전반적으로 수산화칼륨 첨가량과 반응온도 모두 메소지아잔틴 생성과 루테인 감소에 큰 영향을 주는 것으로 나타났다. 반응온도 60°C의 경우 모든 처리군에서 메소지아잔틴이 검출되지 않았다. 그러나 80°C에서는 40% 수산화칼륨양을 제외한 60%와 80%에서 메소지아잔틴이 약 1% 정도 생성되었다. 그러나 100°C에서는 세 가지 수산화칼륨양(40%, 60%, 80%) 모두에서 메소지아잔틴이 검출되었으며, 그 생성량도 수산화칼륨양이 증가함에 따라 최소 3.1%에서 최대 23.7%까지 큰 폭으로 증가한 반면, 루테인은 89.7%에서 67.1%로 급속히 감소하는 경향을 보여주었다. 이상의 결과는 알칼리 촉매 하에 마리골드 올레오레진으로부터 루테인 농축물을 제조하는 과정 중 메소지아잔틴이 루테인으로부터 만들어진다는 Ernst(2002)의 보고와도 일치하는 결과를 보여주었다. Fig. 2는 100°C에서 서로 다른 수산화칼륨 첨가량에 따른 루테인 농축물 3종의 HPLC chromatogram으로 수산화칼륨양 40%에서는 트랜스지아잔틴과 루테인 피크만이 확인되었으나, 수산화칼륨량 60%부터 메소지아잔틴 피크가 확인되었고 80%에서는 메소지아잔틴 피크가 루테인 피크 다음으로 커졌다.

Table 3 . Composition1) of lutein, t-zeaxanthin, and meso-zeaxanthin in lutein concentrates prepared at different temperature and the amount of potassium hydroxides for 1 h

Reaction temperatureAmount of KOH2)Xanthophyll isomers (%)
Luteint-Zeaxanthinmeso-Zeaxanthin
40%92.4±0.2a7.6±0.2abND3)
60°C60%92.2±0.1a7.8±0.1bND
80%92.2±0.3a7.8±0.3bND
40%92.3±0.9a7.8±0.9bND
80°C60%91.8±0.7ab7.4±0.4ab0.7±0.0a
80%91.0±0.2ab7.7±0.2ab1.1±0.2a
40%89.7±0.7b7.0±0.7a3.1±0.3a
100°C60%79.6±1.7c8.8±0.5c11.3±1.2b
80%67.1±2.5d9.1±0.2c23.7±2.5c

1)Results are the average of triplicate determinations and means within columns followed by different letters are significantly different (P<0.05).

2)The percentage based on the weight of marigold oleoresin.

3)Not detected.



Fig. 2. HPLC chromatograms of lutein concentrates prepared at 100°C for 1 h with different amounts of potassium hydroxide (A) 40% KOH, (B) 60% KOH, and (C) 80% KOH.

한편 반응시간에 따른 영향을 조사하기 위하여 이성체 조성비의 변화가 가장 큰 반응조건으로 반응온도 100°C와 수산화칼륨양 80%에서 반응시간에 따른 총 카로티노이드 함량과 루테인, 트랜스지아잔틴, 메소지아잔틴의 조성비를 조사하였다(Table 4). 총 카로티노이드 함량의 경우 0.5시간과 1시간에서는 약 85 g/100 g으로 나타났으나 반응시간이 증가함에 따라 3시간까지 감소하는 경향을 보여주었으며, 1시간과 3시간 사이에서 더 크게 감소하여 반응 3시간에서는 72 g/100 g으로 약 10 g/100 g 이상 감소하는 결과를 보여주었다. 잔토필 이성체 조성비에서는 0.5시간의 경우 루테인이 79.2%, 메소지아잔틴이 12.6%였으나, 3시간의 경우 루테인이 19.1%, 메소지아잔틴이 74.8%로 나타나 반응시간이 0.5시간에서 3시간으로 증가함에 따라 루테인의 급속한 감소와 메소지아잔틴의 급속한 증가를 보여주었을 뿐만 아니라 루테인이 감소하는 만큼 메소지아잔틴이 증가하였다. 이상의 결과는 이성화 반응을 통하여 루테인으로부터 메소지아잔틴이 만들어진다는 것을 뒷받침할 수 있었다. Fig. 3은 반응시간에 따른 루테인 농축물 3종의 HPLC chromatogram으로 0.5시간과 1시간에서는 3가지 이성체의 피크 크기가 루테인, 메소지아잔틴, 트랜스지아잔틴 순이었으나, 2시간과 3시간에서는 메소지아잔틴 피크가 가장 컸고 다음으로는 루테인, 트랜스지아잔틴 순이었다.

Table 4 . The total carotenoid content1) and the compositions1) of lutein, t-zeaxanthin, and meso-zeaxanthin in lutein concentrates prepared at 100°C and 80% KOH

Reaction time (h)Total carotenoid content (g/100 g)Xanthophyll isomers (%)
Luteint-Zeaxanthinmeso-Zeaxanthin
0.585.6±1.7a79.2±3.4a8.2±0.3a12.6±3.1a
184.0±1.6ab67.1±2.5a9.1±0.2a23.7±2.5a
276.7±4.5bc28.1±3.3b6.8±0.5b65.1±3.8b
372.3±0.3c19.1±4.9b6.2±0.2b74.8±4.7c

1)Results are the average of triplicate determinations, and means within columns followed by different letters are significantly different (P<0.05).



Fig. 3. HPLC chromatograms of lutein concentrates prepared at 100°C and 80% KOH with different saponification times. (A) 0.5 h, (B) 1 h, (C) 2 h, and (D) 3 h.

이상의 결과를 종합해보면 알칼리 촉매 하에 루테인 농축물 제조과정에서 반응온도와 수산화칼륨양뿐만 아니라 반응시간도 메소지아잔틴 생성에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다. 결론적으로 반응온도, 수산화칼륨양 및 반응시간의 증가는 메소지아잔틴 증가와 루테인의 감소에 모두 영향을 주었다.

루테인 캡슐의 잔토필 이성체 조성

국내에서 건강식품으로 유통되고 있는 루테인 캡슐 4종과 해외에서 유통되고 있는 루테인 캡슐 4종, 총 8종을 대상으로 세 가지 잔토필 이성체인 루테인, 트랜스지아잔틴, 메소지아잔틴의 조성을 분석하였다(Table 5). 국내에서 유통되고 있는 4종 중 캡슐 A와 캡슐 B는 루테인 조성비가 90% 이상인 반면에 메소지아잔틴의 조성비는 1% 미만으로 나타나 두 캡슐은 매우 유사한 조성비를 나타내었다. 한편 국내에서 유통되는 캡슐 C와 캡슐 D는 루테인과 메소지아잔틴의 조성비가 약 80%와 13%로 두 캡슐 역시 서로 유사한 조성비를 나타내었다. 따라서 캡슐 A와 캡슐 B 그리고 캡슐 C와 캡슐 D는 각각 같은 루테인 농축물을 캡슐 제조에 사용한 것으로 예측된다.

Table 5 . Composition1) of lutein, t-zeaxanthin, and meso-zeaxanthin of the lutein capsules distributed in domestic and overseas

Capsules2)Xanthophyll isomers (%)
Luteint-Zeaxanthinmeso-Zeaxanthin
A91.5±0.18.1±0.10.4±0.0
B91.5±0.08.4±0.00.1±0.1
C79.5±0.36.8±0.013.7±0.2
D81.8±0.25.6±0.112.6±0.1
E86.2±0.05.0±0.28.8±0.2
F71.9±0.47.2±1.021.5±0.3
G52.1±0.46.5±0.541.4±0.2
H3.5±0.26.5±0.190.0±0.1

1)Results are the average of triplicate determinations (mean±SD).

2)A∼D are domestic and E∼H are overseas.



해외에서 유통되고 있는 캡슐 E의 경우에는 루테인과 메소지아잔틴의 조성비가 86.2%와 8.8%로 나타났으나, 캡슐 F의 경우에는 메소지아잔틴 조성비가 21.5%로 다소 높게 나타났다. 캡슐 G의 경우에는 루테인 조성비가 52.1%로 크게 낮은 반면 메소지아잔틴 조성비는 41.5%로 매우 높게 나타났다. 그러나 캡슐 H의 경우는 메소지아잔틴 조성비가 90.0%로 조사된 9개 캡슐 중 메소지아잔틴 조성비가 가장 높게 나타났으나 루테인은 3.5%에 불과하였다. 현재 전 세계적으로 유통되고 있는 루테인 관련 건강식품 제조에 사용되는 루테인 농축물의 대부분은 마리골드 올레오레진을 원료로 알칼리 촉매 하에 검화과정을 통하여 제조된다. 따라서 이상의 결과를 종합적으로 판단해보면 현재 루테인 관련 건강식품에 사용되는 루테인 농축물은 다양한 반응조건에서 만들어진다고 사료된다.

루테인, 트랜스지아잔틴, 메소지아잔틴은 카로티노이드에 속한 잔토필계 이성체들이다. 이 이성체들은 인간 눈의 황반에 존재한다. 현재 루테인 함유 건강식품 제조에 사용되는 루테인 농축물은 마리골드 올레오레진으로부터 알칼리 촉매를 이용한 검화과정을 통해 만들어지며 이 과정에서 메소지아잔틴이 루테인으로부터 만들어진다. 본 연구의 목적은 마리골드 올레오레진으로부터 서로 다른 검화조건에서 만들어진 루테인 농축물의 루테인, 트랜스지아잔틴, 메소지아잔틴의 조성을 조사하는 것이었다. 그리고 국내와 해외에서 유통되는 총 8종의 루테인 캡슐을 대상으로 세 가지 잔토필 이성체의 조성을 분석하였다. 그 결과 검화과정 중 반응온도, 수산화칼륨양 그리고 반응시간의 증가는 메소지아잔틴 조성비를 증가시켰을 뿐만 아니라 루테인 조성비를 감소시켰다. 60°C에서 제조된 모든 루테인 농축물에서는 메소지아잔틴이 검출되지 않았다. 그러나 100°C의 반응온도와 80%의 수산화칼륨양 그리고 3시간의 반응시간으로부터 제조된 루테인 농축물의 메소지아잔틴 조성비는 약 75%로 최대를 나타내었다.

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Article

Article

Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2022; 51(12): 1289-1295

Published online December 31, 2022 https://doi.org/10.3746/jkfn.2022.51.12.1289

Copyright © The Korean Society of Food Science and Nutrition.

마리골드 올레오레진으로부터 루테인 농축물 생산과정 중 메소지아잔틴 생성 및 잔토필 이성체 조성 변화

이유진․김인환

고려대학교 의생명융합과학과

Received: September 30, 2022; Revised: October 31, 2022; Accepted: November 8, 2022

Changes in the Composition of Xanthophyll Isomer and Formation of meso-Zeaxanthin during the Production Process of Lutein Concentrate from Marigold Oleoresin

Yu Jin Lee and In-Hwan Kim

Department of Integrated Biomedical and Life Science, Korea University

Correspondence to:In-Hwan Kim, Department of Integrated Biomedical and Life Science, Korea University, 145, Anam-ro, Seongbuk-gu, Seoul 02841, Korea, E-mail: k610in@korea.ac.kr

Received: September 30, 2022; Revised: October 31, 2022; Accepted: November 8, 2022

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract

Lutein, t-zeaxanthin, and meso-zeaxanthin are members of the xanthophyll class of carotenoids. These xanthophylls are located mainly in the retinal macular region of the human eye. Currently, the lutein concentrate for the lutein capsule is manufactured from marigold oleoresin through saponification and crystallization. meso-Zeaxanthin is formed from lutein when lutein concentrate is produced from marigold oleoresin by saponification. The aim of this study is to investigate the compositions of lutein, t-zeaxanthin, and meso-zeaxanthin in lutein concentrates prepared from marigold oleoresin under different saponification conditions. Furthermore, compositions of three xanthophyll isomers were analyzed in eight lutein capsules distributed in Korea and overseas. The saponification temperature, amount of potassium hydroxide (KOH), and saponification time were observed to significantly affect the composition of meso-zeaxanthin and lutein in the lutein concentrate. Increments in the saponification temperature, amount of KOH, and saponification time resulted in increased amounts of meso-zeaxanthin and decreased lutein in the lutein concentrate. meso-zeaxanthin was undetected in the lutein concentrate at all trials of 60°C. A maximum amount of meso-zeaxanthin (approximately 75%) was obtained at saponification conditions of 100°C, 80% KOH, and 3 h saponification time.

Keywords: lutein, marigold oleoresin, saponification, meso-zeaxanthin, t-zeaxanthin

서 론

루테인(Lutein; 3R,3′R,6′R-β,ε-carotene-3,3′-diol)과 트랜스지아잔틴(t-Zeaxanthin; 3R,3′R-β,β-carotene-3,3′diol)은 카로티노이드(carotenoid) 중 잔토필(xanthophyll)계 지용성 색소로 고등식물에서 주로 발견되며 일반적으로 트랜스지아잔틴보다 루테인이 많이 존재한다. 녹엽 채소, 난황, 옥수수, 감귤, 케일 및 시금치와 같은 식품에 많이 함유되어 있고, 비식품 원료로는 마리골드(marigold)의 꽃에 특히 다량 함유되어 있다(Hojnik 등, 2008; Calvo, 2005). 루테인은 생체 내 다양한 생리활성을 나타내는데, 그 예로 항산화 효과, 항염증 효과 및 항암 효과 등이 있으며 특히 시신경과 관련된 효과로서 노화에 의한 황반변성 예방 효과에 관한 많은 연구결과가 보고되었다(Rock, 1997; Young과 Lowe, 2001; Li와 Lo, 2010). 루테인은 인체 내에서 안구 내 황반을 구성하는 구성성분 중 하나이며, 황반은 시신경이 밀집된 조직이다. 시신경 세포는 한번 손상되면 복구되지 않는 것으로 알려져 있다. 한편 루테인은 인체 내에서는 합성되지 않기 때문에 외부로부터 공급되어야 하는 필수 성분으로 알려져 있다(Arunkumar 등, 2020; Ozawa 등, 2012; Koushan 등, 2013; Stringham과 Stringham, 2016).

루테인은 양쪽 이오논환(Ionon ring)에 지방산이 에스터 결합을 한 에스터 화합물로 주로 존재하며 가장 많이 결합된 지방산은 팔미틴산(palmitic acid)으로 알려져 있다(Piccaglia 등, 1998). 그러나 현재 건강식품 소재로 유통되고 있는 루테인 농축물은 지방산이 결합되어 있지 않은 유리형 루테인이다. 이 유리형 루테인은 주로 마리골드꽃으로부터 유기용매를 이용하여 추출된 올레오레진(oleoresin)을 원료로 알칼리 촉매 하에 검화(saponification)와 결정화 공정을 거쳐 제조된다(Andrewes, 1974). 한편 루테인과 함께 잔토필계 이성체인 트랜스지아잔틴과 메소지아잔틴(meso-zeaxanthin; 3R,3′S-β,β-carotene-3,3′diol)도 눈의 황반에 존재하는 것으로 알려져 있으며, 인체 내에서 메소지아잔틴은 주로 루테인으로부터 이성화 반응(isomerization)을 통해 만들어진다(Bone 등, 1997; Johnson 등, 2005). 이상의 세 가지 잔토필계 이성체들의 구조는 Fig. 1과 같다.

Fig 1. The chemical structures of lutein, t-zeaxanthin, and meso-zeaxanthin.

현재 건강식품 소재로 유통되는 루테인 농축물 내 메소지아잔틴도 알칼리 촉매를 이용한 검화과정 중 루테인으로부터 만들어지는 것으로 알려져 있다(Khachik, 1995; Vechpanich와 Shotipruk 2010). 그러나 반응조건에 따른 메소지아잔틴 생성량에 관한 연구는 전무한 상태이다.

본 연구에서는 마리골드 올레오레진으로부터 루테인 농축물 제조를 위한 검화과정 중 반응온도, 알칼리양 및 반응시간에 따른 세 가지 잔토필 이성체인 루테인, 트랜스지아잔틴, 메소지아잔틴의 조성 변화를 조사하였다. 한편 현재 국내에서 건강식품으로 유통되는 루테인 캡슐 4종과 해외에서 유통되는 루테인 캡슐 4종에 대하여 세 가지 잔토필 이성체의 조성을 분석하였다.

재료 및 실험방법

재료

본 연구에서 사용된 마리골드 올레오레진은 Katra Phytochem(Karnataka, India)으로부터 제공받았다. 루테인, 트랜스지아잔틴, 메소지아잔틴 표준품들은 Sigma Aldrich 사(St. Louis, MO, USA)로부터 구입하였으며, 알칼리촉매로 사용된 수산화칼륨(potassium hydroxide, KOH)은 대정화학(Seoul, Korea)으로부터 구입하였다. 이외 모든 시약은 특급 이상의 등급을 사용하였다.

루테인 농축물 제조

마리골드 올레오레진으로부터 루테인 농축물 제조를 위한 검화과정 중 잔토필 이성체 조성 변화를 조사하기 위하여 반응온도, 수산화칼륨양 및 반응시간의 영향을 조사하였다. 이때 온도는 세 가지 온도(60, 80, 100°C)에서 실시되었고 수산화칼륨양은 올레오레진 사용량에 대한 무게비로 세 가지 첨가량(40%, 60%, 80%)에서 실시되었으며 반응시간은 1시간이었다. 한편 반응시간에 대한 영향을 위해 설정된 반응시간은 0.5, 1, 2, 3시간이었으며, 이때 반응온도는 100°C, 수산화칼륨양은 80%이었다. 이상의 자세한 반응과정은 다음과 같았다.

마리골드 올레오레진 5 g을 250 mL 3구 갈색 둥근 플라스크(amber three neck round flask)에 넣고 알칼리 촉매로 사용한 수산화칼륨(KOH)을 25 mL n-propanol에 녹인 후 첨가하였다. 이때 수산화칼륨은 올레오레진에 대하여 무게비로 첨가하였으며 조사된 수산화칼륨 첨가량은 40%(2 g, KOH), 60%(3 g, KOH), 80%(4 g, KOH)였다. 시료가 함유된 갈색 둥근 플라스크를 냉각관(condenser)에 부착하고 heating mantle을 이용하여 가열하였다. 이때 온도는 온도 조절기와 슬라이닥스를 이용하여 조절하였다. 원하는 온도에 도달하였을 때 magnetic stirrer를 이용하여 400 rpm으로 교반하면서 검화반응을 실시하였다. 검화반응이 끝난 시료는 250 mL 갈색 분액여두(amber separatory funnel)로 옮기고 여기에 50 mL 증류수와 150 mL ethyl acetate를 첨가한 후 격렬히 혼합하고 층 분리가 될 때까지 정치하였다. 층 분리가 끝난 후 물 층인 하층(lower layer)을 제거하고 50 mL 증류수를 분액여두에 가한 후 격렬히 혼합하고 층 분리 후 물 층인 하층을 제거하는 과정을 반복하여 ethyl acetate 층에 잔류한 수산화칼륨을 제거하였다. 이상의 수세 과정은 하층부, 즉 증류수 층의 pH가 중성이 될 때까지 반복하였고 pH 측정은 pH paper를 이용하였다. 수세 과정이 끝난 후 ethyl acetate를 250 mL 갈색 둥근 플라스크에 옮긴 후 50°C에서 rotary evaporator를 이용하여 ethyl acetate를 제거하였다. Ethyl acetate가 제거된 둥근 플라스크에 n-hexane 100 mL를 첨가하고 냉각관을 부착한 후 5분간 가열하였다. 가열이 끝난 시료는 암소에서 2시간 방치한 후 여과를 통하여 n-hexane을 제거하였다. 1차 결정물이 함유된 둥근 플라스크를 40°C 감압 오븐에서 2시간 건조과정을 통하여 잔존 n-hexane을 제거하였다. 이상의 과정을 통하여 불검화물과 검화가 완료되지 않은 올레오레진을 n-hexane을 이용하여 제거하였다. 감압 오븐으로부터 둥근 플라스크를 꺼내어 실온에서 약 20분간 냉각한 후 30 mL 에탄올(99%)을 넣고 실온에서 2시간 동안 600 rpm으로 교반한 후 Büchner funnel을 이용하여 여과하였다. 여과가 끝난 후 여과지에 남아있는 결정물인 루테인 농축물을 40°C 감압 오븐에서 2시간 동안 에탄올을 제거하였다. 에탄올이 제거된 루테인 농축물은 갈색 유리 바이알에 넣고 질소를 충진한 후 냉장 보관하면서 분석에 사용하였다.

총 카로티노이드 함량측정

각각의 반응조건에서 제조된 유리 루테인들을 클로로포름에 녹인 후 총 카로티노이드 함량을 spectrophotometer (UV-900, JASCO, Tokyo, Japan)를 이용하여 454 nm에서 측정하였다. 이때 총 카로티노이드 함량은 카로티노이드 흡광계수(extinguish coefficient, A%cm=2,480)를 이용하여 계산했으며 계산식은 다음과 같다.

Totalcarotenoidcontentg/100g=absorbanceat454nm×dilutionvolumeweightofsampleg×2,480×100

HPLC를 이용한 잔토필 이성체 조성분석

시료 30 mg을 n-hexane과 ethyl acetate(95:5) 혼합용매 100 mL에 녹이고 다시 10배 희석한 후 high performance liquid chromatography(Model PU-2089 Plus, JASCO)를 이용하여 세 가지 잔토필 이성체(루테인, 트랜스지아잔신, 메소지아잔틴)의 조성비를 측정하였다. 분석은 Chiralpak(CHIRALPAK® AD-H, 250 mm×4.6 mm, 5 μm, Daicel Corporation, Tokyo, Japan) 칼럼을 사용하였고 이동상 속도는 1 mL/min이었으며 칼럼온도는 30°C로 유지하였다. 검출기는 Photodiode Array Detector(PDA, MD- 2018 Plus, JASCO)를 사용하였고 454 nm 파장에서 측정하였으며 시료 주입량은 10 μL였다. 세 가지 잔토필 이성체의 위치 확인을 위하여 각각의 표준품 10 mg을 n-hexane과 ethyl acetate(95:5) 혼합용매 100 mL에 녹인 후 다시 10배 희석하여 사용하였다. 이동상은 n-hexane과 2-propanol을 사용했으며 Table 1과 같은 gradient 조건으로 이동상을 조절하였다.

Table 1 . HPLC gradient condition of mobile phases for analysis of composition of xanthophyll isomers (%).

Time (min)Mobile phase A (n-Hexane)Mobile phase B (2-Propanol)
Initial955
50955
555050
635050
65955
75955


통계처리

통계분석은 IBM SPSS 통계프로그램(Statistical Package for Social Science, version 25.0, IBM Corporation, Chicago, IL, USA)을 사용하여 실시하였다. 모든 측정값은 평균±표준편차로 나타내었으며, 측정값의 평균 간 차이는 일원배치 분산분석(one-way ANOVA)과 사후검정으로 Duncan의 다중범위검정(multiple range test)을 이용하여 5% 유의수준에서 분석하였다.

결과 및 고찰

반응조건에 따른 루테인 농축물의 총 카로티노이드 함량

마리골드 올레오레진으로부터 루테인 농축물 제조를 위한 검화과정 중 알칼리 촉매인 수산화칼륨양 및 반응온도에 따른 루테인 농축물의 총 카로티노이드 함량을 조사하여 Table 2와 같은 결과를 얻었다. 촉매로 사용된 수산화칼륨양 및 반응온도에 따른 루테인 농축물의 총 카로티노이드 함량은 최저 84 g/100 g부터 최고 90 g/100 g까지 차이를 나타내기는 하였지만, 통계적으로 유의적인 차이를 보여주지는 않았다. 한편 기존에 상업적으로 유통되는 루테인 농축물의 총 카로티노이드 함량도 80 g/100 g 내외로 본 연구에서 제조된 카로티노이드 함량과 유사하였다(Khachik, 2001). 따라서 1시간의 반응시간에서 서로 다른 반응온도 및 수산화칼륨양에 따라 제조된 루테인 농축물들의 총 카로티노이드 함량은 유의적인 차이를 나타내지 않았다.

Table 2 . Total carotenoid contents1) in lutein concentrates prepared at different temperatures and the amount of potassium hydroxides for 1 h (g/100 g).

Reaction temperatureAmount of KOH2)
40%60%80%
60°C85.1±1.8a84.8±2.9a86.2±0.7a
80°C86.9±1.2a85.6±4.0a90.6±5.9a
100°C84.4±2.4a85.0±2.7a84.0±1.6a

1)Results are the average of triplicate determinations and means within columns followed by the same letter are not significantly different (P>0.05)..

2)The percentage based on the weight of marigold oleoresin..



반응조건에 따른 루테인 농축물의 잔토필 이성체 조성 변화

마리골드 올레오레진에 함유된 잔토필류는 루테인과 트랜스지아잔틴으로 구성되어 있으나 대부분 루테인으로 되어있다(Hojnik 등, 2008). 그러나 알칼리 촉매를 이용한 검화과정을 통하여 마리골드 올레오레진으로부터 루테인 농축물을 제조하는 과정에서 메소지아잔틴이 이성화 반응을 통해 루테인으로부터 생성된다(Bernhard와 Giger, 1997). 검화과정 중 세 가지 반응온도(60°C, 80°C, 100°C)와 세 가지 수산화칼륨양(40%, 60%, 80%)에서 루테인 농축물 총 9종을 제조하여 루테인, 트랜스지아잔틴, 메소지아잔틴의 조성을 분석하였다(Table 3). 전반적으로 수산화칼륨 첨가량과 반응온도 모두 메소지아잔틴 생성과 루테인 감소에 큰 영향을 주는 것으로 나타났다. 반응온도 60°C의 경우 모든 처리군에서 메소지아잔틴이 검출되지 않았다. 그러나 80°C에서는 40% 수산화칼륨양을 제외한 60%와 80%에서 메소지아잔틴이 약 1% 정도 생성되었다. 그러나 100°C에서는 세 가지 수산화칼륨양(40%, 60%, 80%) 모두에서 메소지아잔틴이 검출되었으며, 그 생성량도 수산화칼륨양이 증가함에 따라 최소 3.1%에서 최대 23.7%까지 큰 폭으로 증가한 반면, 루테인은 89.7%에서 67.1%로 급속히 감소하는 경향을 보여주었다. 이상의 결과는 알칼리 촉매 하에 마리골드 올레오레진으로부터 루테인 농축물을 제조하는 과정 중 메소지아잔틴이 루테인으로부터 만들어진다는 Ernst(2002)의 보고와도 일치하는 결과를 보여주었다. Fig. 2는 100°C에서 서로 다른 수산화칼륨 첨가량에 따른 루테인 농축물 3종의 HPLC chromatogram으로 수산화칼륨양 40%에서는 트랜스지아잔틴과 루테인 피크만이 확인되었으나, 수산화칼륨량 60%부터 메소지아잔틴 피크가 확인되었고 80%에서는 메소지아잔틴 피크가 루테인 피크 다음으로 커졌다.

Table 3 . Composition1) of lutein, t-zeaxanthin, and meso-zeaxanthin in lutein concentrates prepared at different temperature and the amount of potassium hydroxides for 1 h.

Reaction temperatureAmount of KOH2)Xanthophyll isomers (%)
Luteint-Zeaxanthinmeso-Zeaxanthin
40%92.4±0.2a7.6±0.2abND3)
60°C60%92.2±0.1a7.8±0.1bND
80%92.2±0.3a7.8±0.3bND
40%92.3±0.9a7.8±0.9bND
80°C60%91.8±0.7ab7.4±0.4ab0.7±0.0a
80%91.0±0.2ab7.7±0.2ab1.1±0.2a
40%89.7±0.7b7.0±0.7a3.1±0.3a
100°C60%79.6±1.7c8.8±0.5c11.3±1.2b
80%67.1±2.5d9.1±0.2c23.7±2.5c

1)Results are the average of triplicate determinations and means within columns followed by different letters are significantly different (P<0.05)..

2)The percentage based on the weight of marigold oleoresin..

3)Not detected..



Fig 2. HPLC chromatograms of lutein concentrates prepared at 100°C for 1 h with different amounts of potassium hydroxide (A) 40% KOH, (B) 60% KOH, and (C) 80% KOH.

한편 반응시간에 따른 영향을 조사하기 위하여 이성체 조성비의 변화가 가장 큰 반응조건으로 반응온도 100°C와 수산화칼륨양 80%에서 반응시간에 따른 총 카로티노이드 함량과 루테인, 트랜스지아잔틴, 메소지아잔틴의 조성비를 조사하였다(Table 4). 총 카로티노이드 함량의 경우 0.5시간과 1시간에서는 약 85 g/100 g으로 나타났으나 반응시간이 증가함에 따라 3시간까지 감소하는 경향을 보여주었으며, 1시간과 3시간 사이에서 더 크게 감소하여 반응 3시간에서는 72 g/100 g으로 약 10 g/100 g 이상 감소하는 결과를 보여주었다. 잔토필 이성체 조성비에서는 0.5시간의 경우 루테인이 79.2%, 메소지아잔틴이 12.6%였으나, 3시간의 경우 루테인이 19.1%, 메소지아잔틴이 74.8%로 나타나 반응시간이 0.5시간에서 3시간으로 증가함에 따라 루테인의 급속한 감소와 메소지아잔틴의 급속한 증가를 보여주었을 뿐만 아니라 루테인이 감소하는 만큼 메소지아잔틴이 증가하였다. 이상의 결과는 이성화 반응을 통하여 루테인으로부터 메소지아잔틴이 만들어진다는 것을 뒷받침할 수 있었다. Fig. 3은 반응시간에 따른 루테인 농축물 3종의 HPLC chromatogram으로 0.5시간과 1시간에서는 3가지 이성체의 피크 크기가 루테인, 메소지아잔틴, 트랜스지아잔틴 순이었으나, 2시간과 3시간에서는 메소지아잔틴 피크가 가장 컸고 다음으로는 루테인, 트랜스지아잔틴 순이었다.

Table 4 . The total carotenoid content1) and the compositions1) of lutein, t-zeaxanthin, and meso-zeaxanthin in lutein concentrates prepared at 100°C and 80% KOH.

Reaction time (h)Total carotenoid content (g/100 g)Xanthophyll isomers (%)
Luteint-Zeaxanthinmeso-Zeaxanthin
0.585.6±1.7a79.2±3.4a8.2±0.3a12.6±3.1a
184.0±1.6ab67.1±2.5a9.1±0.2a23.7±2.5a
276.7±4.5bc28.1±3.3b6.8±0.5b65.1±3.8b
372.3±0.3c19.1±4.9b6.2±0.2b74.8±4.7c

1)Results are the average of triplicate determinations, and means within columns followed by different letters are significantly different (P<0.05)..



Fig 3. HPLC chromatograms of lutein concentrates prepared at 100°C and 80% KOH with different saponification times. (A) 0.5 h, (B) 1 h, (C) 2 h, and (D) 3 h.

이상의 결과를 종합해보면 알칼리 촉매 하에 루테인 농축물 제조과정에서 반응온도와 수산화칼륨양뿐만 아니라 반응시간도 메소지아잔틴 생성에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다. 결론적으로 반응온도, 수산화칼륨양 및 반응시간의 증가는 메소지아잔틴 증가와 루테인의 감소에 모두 영향을 주었다.

루테인 캡슐의 잔토필 이성체 조성

국내에서 건강식품으로 유통되고 있는 루테인 캡슐 4종과 해외에서 유통되고 있는 루테인 캡슐 4종, 총 8종을 대상으로 세 가지 잔토필 이성체인 루테인, 트랜스지아잔틴, 메소지아잔틴의 조성을 분석하였다(Table 5). 국내에서 유통되고 있는 4종 중 캡슐 A와 캡슐 B는 루테인 조성비가 90% 이상인 반면에 메소지아잔틴의 조성비는 1% 미만으로 나타나 두 캡슐은 매우 유사한 조성비를 나타내었다. 한편 국내에서 유통되는 캡슐 C와 캡슐 D는 루테인과 메소지아잔틴의 조성비가 약 80%와 13%로 두 캡슐 역시 서로 유사한 조성비를 나타내었다. 따라서 캡슐 A와 캡슐 B 그리고 캡슐 C와 캡슐 D는 각각 같은 루테인 농축물을 캡슐 제조에 사용한 것으로 예측된다.

Table 5 . Composition1) of lutein, t-zeaxanthin, and meso-zeaxanthin of the lutein capsules distributed in domestic and overseas.

Capsules2)Xanthophyll isomers (%)
Luteint-Zeaxanthinmeso-Zeaxanthin
A91.5±0.18.1±0.10.4±0.0
B91.5±0.08.4±0.00.1±0.1
C79.5±0.36.8±0.013.7±0.2
D81.8±0.25.6±0.112.6±0.1
E86.2±0.05.0±0.28.8±0.2
F71.9±0.47.2±1.021.5±0.3
G52.1±0.46.5±0.541.4±0.2
H3.5±0.26.5±0.190.0±0.1

1)Results are the average of triplicate determinations (mean±SD)..

2)A∼D are domestic and E∼H are overseas..



해외에서 유통되고 있는 캡슐 E의 경우에는 루테인과 메소지아잔틴의 조성비가 86.2%와 8.8%로 나타났으나, 캡슐 F의 경우에는 메소지아잔틴 조성비가 21.5%로 다소 높게 나타났다. 캡슐 G의 경우에는 루테인 조성비가 52.1%로 크게 낮은 반면 메소지아잔틴 조성비는 41.5%로 매우 높게 나타났다. 그러나 캡슐 H의 경우는 메소지아잔틴 조성비가 90.0%로 조사된 9개 캡슐 중 메소지아잔틴 조성비가 가장 높게 나타났으나 루테인은 3.5%에 불과하였다. 현재 전 세계적으로 유통되고 있는 루테인 관련 건강식품 제조에 사용되는 루테인 농축물의 대부분은 마리골드 올레오레진을 원료로 알칼리 촉매 하에 검화과정을 통하여 제조된다. 따라서 이상의 결과를 종합적으로 판단해보면 현재 루테인 관련 건강식품에 사용되는 루테인 농축물은 다양한 반응조건에서 만들어진다고 사료된다.

요 약

루테인, 트랜스지아잔틴, 메소지아잔틴은 카로티노이드에 속한 잔토필계 이성체들이다. 이 이성체들은 인간 눈의 황반에 존재한다. 현재 루테인 함유 건강식품 제조에 사용되는 루테인 농축물은 마리골드 올레오레진으로부터 알칼리 촉매를 이용한 검화과정을 통해 만들어지며 이 과정에서 메소지아잔틴이 루테인으로부터 만들어진다. 본 연구의 목적은 마리골드 올레오레진으로부터 서로 다른 검화조건에서 만들어진 루테인 농축물의 루테인, 트랜스지아잔틴, 메소지아잔틴의 조성을 조사하는 것이었다. 그리고 국내와 해외에서 유통되는 총 8종의 루테인 캡슐을 대상으로 세 가지 잔토필 이성체의 조성을 분석하였다. 그 결과 검화과정 중 반응온도, 수산화칼륨양 그리고 반응시간의 증가는 메소지아잔틴 조성비를 증가시켰을 뿐만 아니라 루테인 조성비를 감소시켰다. 60°C에서 제조된 모든 루테인 농축물에서는 메소지아잔틴이 검출되지 않았다. 그러나 100°C의 반응온도와 80%의 수산화칼륨양 그리고 3시간의 반응시간으로부터 제조된 루테인 농축물의 메소지아잔틴 조성비는 약 75%로 최대를 나타내었다.

Fig 1.

Fig 1.The chemical structures of lutein, t-zeaxanthin, and meso-zeaxanthin.
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2022; 51: 1289-1295https://doi.org/10.3746/jkfn.2022.51.12.1289

Fig 2.

Fig 2.HPLC chromatograms of lutein concentrates prepared at 100°C for 1 h with different amounts of potassium hydroxide (A) 40% KOH, (B) 60% KOH, and (C) 80% KOH.
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Fig 3.

Fig 3.HPLC chromatograms of lutein concentrates prepared at 100°C and 80% KOH with different saponification times. (A) 0.5 h, (B) 1 h, (C) 2 h, and (D) 3 h.
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2022; 51: 1289-1295https://doi.org/10.3746/jkfn.2022.51.12.1289

Table 1 . HPLC gradient condition of mobile phases for analysis of composition of xanthophyll isomers (%).

Time (min)Mobile phase A (n-Hexane)Mobile phase B (2-Propanol)
Initial955
50955
555050
635050
65955
75955

Table 2 . Total carotenoid contents1) in lutein concentrates prepared at different temperatures and the amount of potassium hydroxides for 1 h (g/100 g).

Reaction temperatureAmount of KOH2)
40%60%80%
60°C85.1±1.8a84.8±2.9a86.2±0.7a
80°C86.9±1.2a85.6±4.0a90.6±5.9a
100°C84.4±2.4a85.0±2.7a84.0±1.6a

1)Results are the average of triplicate determinations and means within columns followed by the same letter are not significantly different (P>0.05)..

2)The percentage based on the weight of marigold oleoresin..


Table 3 . Composition1) of lutein, t-zeaxanthin, and meso-zeaxanthin in lutein concentrates prepared at different temperature and the amount of potassium hydroxides for 1 h.

Reaction temperatureAmount of KOH2)Xanthophyll isomers (%)
Luteint-Zeaxanthinmeso-Zeaxanthin
40%92.4±0.2a7.6±0.2abND3)
60°C60%92.2±0.1a7.8±0.1bND
80%92.2±0.3a7.8±0.3bND
40%92.3±0.9a7.8±0.9bND
80°C60%91.8±0.7ab7.4±0.4ab0.7±0.0a
80%91.0±0.2ab7.7±0.2ab1.1±0.2a
40%89.7±0.7b7.0±0.7a3.1±0.3a
100°C60%79.6±1.7c8.8±0.5c11.3±1.2b
80%67.1±2.5d9.1±0.2c23.7±2.5c

1)Results are the average of triplicate determinations and means within columns followed by different letters are significantly different (P<0.05)..

2)The percentage based on the weight of marigold oleoresin..

3)Not detected..


Table 4 . The total carotenoid content1) and the compositions1) of lutein, t-zeaxanthin, and meso-zeaxanthin in lutein concentrates prepared at 100°C and 80% KOH.

Reaction time (h)Total carotenoid content (g/100 g)Xanthophyll isomers (%)
Luteint-Zeaxanthinmeso-Zeaxanthin
0.585.6±1.7a79.2±3.4a8.2±0.3a12.6±3.1a
184.0±1.6ab67.1±2.5a9.1±0.2a23.7±2.5a
276.7±4.5bc28.1±3.3b6.8±0.5b65.1±3.8b
372.3±0.3c19.1±4.9b6.2±0.2b74.8±4.7c

1)Results are the average of triplicate determinations, and means within columns followed by different letters are significantly different (P<0.05)..


Table 5 . Composition1) of lutein, t-zeaxanthin, and meso-zeaxanthin of the lutein capsules distributed in domestic and overseas.

Capsules2)Xanthophyll isomers (%)
Luteint-Zeaxanthinmeso-Zeaxanthin
A91.5±0.18.1±0.10.4±0.0
B91.5±0.08.4±0.00.1±0.1
C79.5±0.36.8±0.013.7±0.2
D81.8±0.25.6±0.112.6±0.1
E86.2±0.05.0±0.28.8±0.2
F71.9±0.47.2±1.021.5±0.3
G52.1±0.46.5±0.541.4±0.2
H3.5±0.26.5±0.190.0±0.1

1)Results are the average of triplicate determinations (mean±SD)..

2)A∼D are domestic and E∼H are overseas..


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