토마토는 비타민과 미네랄, 카로틴 및 리코펜이 풍부하 게 함유된 건강식품으로 알려져 있다(Lee et al., 1972). 토 마토에 포함된 lycopene과 β-carotene 등 carotenoids는 전 립선암 억제 효과(Edward, 1999; Edward et al., 2002), 항 산화효과(Frusciante et al., 2007), LDL의 산화억제 효과 (Oshima et al., 1998; Stahl et al., 2001)를 가지며 글루코 알카로이드는 결장암과 간암세포 억제 효과(Lee et al., 2004)가 있음이 밝혀졌다.
토마토는 생육환경 및 숙도에 따라 영양성분 및 생리활성 성분의 종류와 농도가 달라지며 품종간에도 많은 차이가 있 다(Davies & Hobson, 1981; Lenucci et al., 2006). 토마토의 일반성분 및 flavonoid 등 생리활성 성분에 관한 연구(Lee et al., 1972; Choi et al., 2010)와 숙도에 따른 이화학적 변화(Lee & Kim, 1986), 경도 및 무기성분의 변화(Ryu, 1990) 등 일반 토마토의 이화학적 성분에 관한 연구는 폭 넓게 이루어졌다. 또한, 일반 토마토는 세계적으로 생식용 은 물론 음료, 퓨레, 케찹 등 가공품의 원료로 널리 사용 되고 있다.
반면 최근에 소비량이 늘어나고 있는 방울토마토의 이화 학적 성분에 대한 연구는 Betatini 품종뿐만 아니라 전체적 인 방울토마토 품종에 대해 아직 부족한 실정이다. 방울토 마토는 일반 토마토에 비해 당도가 2-3% 가량 높고 유기 산 함량도 많은 채소이다(Lenucci, 2006). 방울토마토의 일 반성분, 비타민 A, 비타민 C, 카로티노이드 등의 함량과 항산화효과(Lenucci, 2006; Raffo et al., 2006), ACE 저해 효과와 lectin의 생화학적 특징에 관한 연구(Na et al., 2007; Roh, 2010)가 소수 존재한다. 일반 토마토에 비해 방울토마토는 가공식품으로의 활용이 활발하지 못하지만 해외에서는 다양한 품종의 방울토마토를 생식용 이외에도 소스, 시럽, 쥬스 등 일부 가공품으로 개발되어 있다(Kim et al., 2012). 반면 우리나라에서는 거의 생식용으로 소비 되고 있는 실정이다.
본 연구는 방울토마토의 이화학적 특성을 알아보기 위해 국내 농가에서 재배되고 있는 방울토마토의 한 품종인 Betatini 품종의 일반성분, 유리아미노산, 아미노산 대사산 물 및 폴리페놀 화합물을 HPLC, LC-MS/MS로 분석, 동정 하여 방울토마토 Betatini 품종의 식품학적 특성을 규명하 였다. 본 연구에서는 방울토마토 Betatini 한 품종에 대해 이화학적 특성을 알아보았으나 향후 다양한 품종의 방울토 마토에 대한 이화학적 특성을 규명함으로써 방울토마토의 식품 원료로서의 가치를 밝히고 활용성을 높이는데 일조할 수 있으리라 생각된다.
재료 및 방법
방울토마토 Betatini 품종은 부여 토마토시험장 (Chungcheongnam-do, Korea) 비닐하우스에서 2012년 1월에 파종하여 5월에 수확된 방울토마토를 사용하였다. 균일한 크기의 방울토마토 20개 개체의 꼭지부분을 제거하 고 과육을 잘게 썰어 액체 질소에 담가 급냉시켜 동결건조 기(PVTFD 10R, Ilsinbiobase Co., Ltd., Dongduchun, Korea) 를 사용하여 건조하였다. 동결건조된 방울토마토를 Wiley mill (Thomas Model 4, Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA)로 곱게 분쇄한 후 20 mesh 체를 통과시켜 분말 시료를 제조하였다. 습기, 빛 등 외부 요인의 영향을 배제 하기 위하여 건조 데시케이터에 시료를 넣고 -25°C에서 보 관하면서 분석에 사용하였다.
수분함량을 정량하기 위해서 과육을 4-5 mm 두께로 썰 어 동결건조 수기에 넣고 무게를 측정하고 동결건조 후 수 기와 함께 105°C dry oven에서 8시간동안 2차 건조하여 항량에 도달하도록 하고 무게를 측정하였다. 건조 전, 후 감량을 측정하여 수분함량을 정량하였다. 조단백질함량은 시료 1.5 g을 채취하여 조단백 분석기(Kieltec 2300 Analyzer, Foss, Hillerød, Denmark)을 사용하여 정량하였다. 기기 공급 자의 manual에 따라 시료 100 g 당 조단백질 함량을 측정 하였다.
방울토마토 동결건조 시료 50 mg을 취해 삼각플라스크 에 넣고 80%(v/v) 메탄올 25 mL를 가한 후 초음파 수조에 넣어 30°C에서 60분간 추출하였다. 추출액을 Watman No. 2 여과지로 감압 여과한 후 여액을 분리하여 18,000 g에서 10분간 원심분리하였다. 상등액을 회수하여 0.45 μm nylon filter(Millipore, Bedford, USA)를 통과시켜 여과액을 아미 노산 분석과 폴리페놀 화합물의 분석에 사용하였다.
아미노산 및 아미노산 대사산물은 시료 추출액 10 μL를 아미노산 분석기(Hitachi L-8800, Hitachi Co. Ltd., Tokyo, Japan)에 주입하여 분석하였다. 컬럼은 Hitachi custom ionexchange resin 2622(4.6 i.d.×60 mm, particle size = 5 μm), post column reaction을 위해서 lithium citrate buffer와 ninhydrin을 사용하였고 유속은 각각 0.35 mL/min, 0.30 mL/ min이었다. 컬럼 온도는 30-70°C로 단계별로 승온하였고 reaction coil의 온도는 135°C로 유지하였다. 시료는 3회 추출하여 아미노산과 아미노산 유도체를 분석한 후 평균과 표준편차로 나타내었다.
방울토마토의 폴리페놀 화합물은 HPLC(Shimadzu Prominance LC-20A, Shimadzu, Kyoto, Japan)를 사용하여 분석하였다. 시료 추출 여과액 주입량은 20 μL 였으며 컬 럼은 Inertsil ODS-3V(5 μm, 4.6-250 mm) HPLC column (GL Sciences Inc., Tokyo, Japan), 검출기는 SPD-M20A photodiode array(PDA)를 사용하였다. 컬럼 온도는 30°C, 유속은 0.8 mL/min으로 유지하였다. Mobile phase는 acetonitrile과 0.5%(v/v) formic acid를 혼합하여 사용하였 으며 시간별로 acetonitrile의 농도를 5%(0-5 min), 18% (5.1-30 min), 70%(30.1-90 min), 90%(90.1-100 min), 5% (100.1-120 min)로 조절하여 흘려주었다. 폴리페놀 성분의 함량을 정량하기 위해서는 5-caffeoylquinic acid(5-CQA), quercetin-3-rutinoside(Q-3-R), naringenin chalcone(NGC) 표 준물질을 사용하여 검량선을 얻은 후 함량을 정량하였다. 폴리페놀성분의 함량을 정량하기 위한 검량식은 5-CQA은 y = 661.6x + 9170.9(R2 = 0.9937), Q-3-R은 y = 1617x + 7786.6 (R2 =0.9871) 및 NGC은 y = 813.7x + 3653.9(R2 = 0.9999)이었 으며 분석은 3회 실시하여 평균과 표준편차로 각 폴리페놀 화합물의 함량을 산출하였다.
LC 시스템(Agilent Technologies 1200 series, Agilent Technologies, Santa Clara, CA, USA)을 3200Q Trap LCMS/ MS 시스템(Applied Biosystems Inc., Foster City, USA) 에 연결하여 시료의 폴리페놀 화합물을 분리,동정하였다. LC분석을 위한 컬럼, mobile phase 및 농도구배, 유속 등은 상기의 HPLC 분석조건과 같았다. Mass와 tandem mass spectrometry(MS/MS)는 m/z 160-1200 범위에서 negative ion mode로 분석하였으며 collision gas는 헬륨, 이온의 분리 는 2 Da로 하였다. LC-MS/MS 분석 결과를 선행연구 및 표준물질과 비교하여 미지의 peak를 동정하였다.
결과 및 고찰
방울토마토 Betatini 품종의 일반적인 특성은 Table 1에 나타내었다. 외관은 적색을 띄며 길이와 폭이 각각 37.32± 0.67 mm, 30.26±0.80 mm로 타원형을 이루고 있으며 무게 는 19.56±0.83 g이었다. 수분함량과 조단백함량이 각각 89.95±0.45%, 0.91±0.23%로 일반 토마토의 수분함량 및 조단백질 함량과 유사하였다(Lee et al., 1972).
| Color | Length (mm) | Width (mm) | Weight (g) | Moisture (%) | Protein (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| red | 37.32±0.67 | 30.26±0.80 | 19.56±0.83 | 89.95±0.45 | 0.91±0.23 |
방울토마토 Betatini 품종의 유리아미노산을 정량한 결과 는 Table 2와 같았다. 방울토마토 Betatini 품종의 유리아미 노산 중에는 L-글루탐산(L-Glu), L-글루타민(L-Gln), L-아 스파르트산(L-Asp) 등 18종의 아미노산이 함유되어 있었 으며 L-시스테인(L-Cys)과 L-트립토판(L-Try)은 발견되지 않았다. 유리아미노산 중 가장 많이 함유된 것은 L-Glu이 었으며 건조 중량 100 g 당 1,628.17±37.55 mg 함유되어 전체 유리아미노산 중 48%를 차지하였고 L-Gln과 L-Asp 가 전체 아미노산 중 각각 22%, 11% 함유되어 있어 LGlu, L-Gln 및 L-Asp가 전체 아미노산 함량의 81%를 구 성하고 있어 주요 구성 아미노산임을 알 수 있었다. 일반 토마토의 유리아미노산 함량을 분석한 Lee 등(1972)의 연 구에 의하면 L-Glu가 유리아미노산 중 가장 많이 함유되 어 있음이 밝혀졌고 Boggio 등(2000)과 Pratta 등(2004)은 완숙기의 일반 토마토에서 질소대사 관련 효소들의 역가와 완숙과정에서의 L-Glu 축적과의 상관관계를 규명하였다. 또한 Choi 등(2010)은 토마토의 생육단계별 유리아미노산 함량을 정량한 결과 토마토가 완숙기에 접어들면서 L-Glu 함량이 증가하고 유리아미노산 중 가장 많은 양을 차지함 을 보고한 바 있어 방울토마토 Betatini 품종의 유리아미노 산 조성이 일반 토마토의 유리아미노산 조성과 유사한 경 향을 보임을 알 수 있었다. 그 외 L-프롤린(L-Pro), L-페닐 알라닌(L-Phe), L-알라닌(L-Ala) 및 L-세린(L-Ser)이 전체 아미노산 함량 중 각각 3.8%, 3.0%, 2.5% 및 2.0% 함유 된 것으로 나타났으며 기타 아미노산이 소량 포함되어 있 었다.
방울토마토 Betatini 품종은 트립토판을 제외한 히스티딘 (L-His), 이소류신(L-Ile), 류신(L-Leu), 라이신(L-Lys), 메티오 닌(L-Met), 페닐알라닌(L-Phe), 트레오닌(L-Thr), 및 발린(LVal) 등 8개의 필수아미노산을 건조 중량 100 g 당 303.51 mg 함유하고 있어 영양적인 측면에서 좋은 식품소재 임을 알 수 있었다. 그러나 방울토마토 Betatini 품종의 영 양적 가치를 정확히 평가하기 위해서는 유리아미노산 이외 에 방울토마토에 포함된 단백질을 구성하는 아미노산에 대 한 분석이 이루어져야 할 것으로 사료된다.
방울토마토 Betatini 품종의 아미노산 대사물질을 정량한 결과는 Table 3과 같았다. 방울토마토 Betatini 품종에서 4- aminobutyric acid(4-Abu = γ-aminobutyric acid = GABA), carnitine(L-Car), ethanolamine(EtNH2), hydroxylysine(Hyl), N-methyl-histidine(Me-His), o-phosphoethanolamine(o-Pea), phosphoserine(p-Ser) 등 유리아미노산으로부터 유도된 대사 산물이 발견되었다. 유리아미노산 대사물질 중 GABA가 건조 중량 100 g 당 362.70±8.53 mg으로 가장 많이 함유되 어 있었다. GABA는 L-Glu으로부터 합성되며 외부환경 스 트레스에 의해 함량이 증가하는 것으로 알려져 있다(Shelp et al., 1999). GABA는 사람의 신경계, 혈액 등에 소량 함 유되어 있고 대부분은 뇌의 골수에 존재하여 신경전달 물 질을 증가시키고 뇌기능을 촉진(Nicolas & Hilled, 2004; Leventhal et al., 2003) 시킬뿐만 아니라 혈압저하, 이뇨작 용, 항산화효과가 있는 것으로 알려져 있다(Chang et al., 1992; Park et al., 2002).
Choi 등(2011a)은 일반 토마토에 GABA가 건조물 당 282.9-1,199.0 mg의 함량으로 다량 포함되어 있음을 보고한 바 있는데 본 연구에서 방울토마토 Betatini 품종에도 일반 토마토와 같이 다량의 GABA가 함유되어 있음이 밝혀져 기능성 식품 및 소재로 활용가치가 높음을 알 수 있었다.
방울토마토 Betatini 품종의 폴리페놀 화합물을 HPLC로 분리한 결과는 Fig. 1과 같았다. 분리된 peak의 retention time(Rt), UV/Vis spectrum pattern과 MS에 의한 주이온의 [M-H]-(m/z) 값, MS/MS ion fragment의 m/z 값을 선행 연 구 결과와 일반 토마토 flavonoid의 MS/MS data base (Moco et al., 2006)를 바탕으로 각 폴리페놀 성분을 동정하 여 Table 4에 나타내었다.
Numbers of Peaks are the same as those indicated in Fig. 1.
Peak 1과 2는 MS 값인 [M-H]-(m/z)가 각각 341로 같아 분자량이 동일한 물질로 볼 수 있으며 MS/MS ion fragment pattern이 유사하였다. 특히, MS/MS fragment 중 179, 135는 caffeic acid의 고유한 MS/MS fragment로서 (Moco et al., 2006) peak 1과 2는 caffeic acid의 유도체임 을 알 수 있었다. 그리고 HPLC 분석시 retention time은 peak 1과 2가 서로 달라 이성질체로 추정하였다. Choi 등 (2010), Moco 등(2006)과 Mullen 등(2007)은 식물체로부터 본 연구의 결과와 같은 MS, MS/MS 값을 갖는 물질 2종 을 caffeic acid에 glucose로 추정되는 hexose가 부가된 이 성질체라고 보고한 바 있어 peak 1과 2는 본 연구에서도 hexose의 정확한 종류와 결합 위치는 알 수 없었으나 caffeic acid-hexose isomer I(CH I), caffeic acid-hexose isomer II(CH II)로 부분 동정하였다.
Peak 3과 4는 UV/Vis spectrum의 최대 흡수 파장과 [M-H]-(m/z)이 353, MS/MS fragment가 191로 동일하였고 이는 3-caffeoylquinic acid(3-CQA)나 5-caffeoylquinic acid (5-CQA) 등 caffeoylquinic acid 이성질체의 특징적인 MS, MS/MS 값으로 알려져 있다(Clifford et al., 2003, Clifford et al., 2005). Ana 등(2004)은 burr parsley로부터 peak 3과 동일한 UV/Vis spectrum, MS 및 MS/MS 값을 갖는 폴리 페놀성 물질을 분리하여 3-CQA로 동정한 바 있다. 또한, Choi 등(2010)은 일반 토마토로부터 peak 3, 4와 동일한 UV/Vis spectrum, MS 및 MS/MS 값을 갖는 폴리페놀성 물질을 분리하여 3-CQA, 5-CQA로 동정하였다. 본 연구에 서는 5-CQA 표준물질을 사용하여 UV/Vis spectrum, MS 및 MS/MS 분석을 실시한 결과 peak 4와 일치함을 알 수 있었다. 따라서 peak 3을 3-CQA, peak 4를 5-CQA로 동 정하였다.
Peak 5는 [M-H]-(m/z)이 353, MS/MS fragment가 191를 보여 caffeoylquinic acid임을 알 수 있었는데 MS/MS 값이 273, 204인 fragment를 포함하고 있어 3-CQA나 5-CQA와 는 다른 이성질체로서 caffeoylquinic acid isomer(CQAI)로 부분 동정하였다.
Peak 8과 9의 UV/Vis spectrum이 peak 3과 4와 유사하 였고 MS/MS 값이 354로 peak 3, 4의 MS 값(353)과 유사 하여 caffeoylquinic acid를 포함한 화합물이며 각각의 MS 값이 515, 677로서 분자량이 다른 물질로 추정하였다. Moco 등(2006)과 Choi 등(2011a)은 일반 토마토로부터 UV/Vis spectrum, MS 및 MS/MS 값이 peak 8, 9와 일치 하는 물질을 발견하여 각각 di-caffeoylquinic acid(di-CQA) 와 tri-caffeoylquinic acid(tri-CQA)라 동정한 바 있다. 따라 서 peak 8을 di-CQA, peak 9를 tri-CQA로 부분 동정하였 다. Peak 6과 7은 거의 동일한 UV/Vis spectrum을 보였고 MS/MS 값이 300으로 flavonoid 중 quercetin과 일치하여 (Fabrea et al., 2001) quercetin 유도체임을 알 수 있었다. Moco et al.(2006)은 본 연구의 peak 6과 같은 MS, MS/ MS값과 일치하는 물질을 분리하여 quercetin-hexosedeoxyhexose- pentose(quercetin trisaccharide, QTS)로 동정하 였다. 또한, Choi 등(2011b)은 대추로부터 peak 7과 UV/ Vis spectrum, MS, MS/MS값이 일치하는 물질을 분리하여 quercetin-3-rutinoside(Q-3-R)임을 밝혔고 본 연구에서는 Q- 3-R 표준물질을 사용하여 확인한 결과 UV/Vis spectrum, MS 및 MS/MS 값이 peak 7과 일치함을 확인하였다. 따라 서 peak 6은 QTS, peak 7은 Q-3-R로 동정하였다. Peak 10은 Moco 등(2006)이 보고한 naringenin chalcone(NGC) 의 UV/Vis spectrum, MS 및 MS/MS 값과 거의 일치하였 고 NGC 표준물질을 사용하여 확인한 결과 peak 10의 UV/Vis spectrum, MS 및 MS/MS 값과 일치하여 NGC로 동정할 수 있었다.
방울토마토 Betatini 품종에 함유된 폴리페놀 화합물의 함 량은 Table 5에 나타내었다. CHI(peak 1), CHII(peak 2), 3- CQA(peak 3), 5-CQA(peak 4), CQAI(peak 5) di-CQA(peak 8) 및 tri-CQA(peak 9)의 함량은 5-CQA 표준물질을 대표물 질로 사용하여 정량하였고 QTS(peak 6), Q-3-R(peak 7)의 정량을 위해서는 Q-3-R 표준물질을 사용하였으며 NGC(peak 10)은 NGC 표준물질을 사용하여 정량하였다.
방울토마토 Betatini 품종에는 NGC이 건조 중량 100 g 당 92.1±0.1mg으로 다량 함유되어 있었다. NGC은 histamine 방 출을 억제하여 알러지 억제효능(Yamamoto et al., 2004; Iwamura et al., 2010)을 보이며 염증억제 효과(Hirai et al., 2007), 2형 당뇨나 비만억제 효과(Horiba et al., 2010) 등이 알려진 생리활성 물질이다. 또한 항산화효과(Metodiewa et al., 1997), 혈액응집억제(Navarro-Núñez et al., 2008), 천식 억제작용(Jung et al., 2007) 등 기능성이 잘 알려진 Q-3-R 이 31.4±0.1 mg으로 다량 함유되어 있음을 알 수 있었다. 그리고 일반토마토에 다량 존재한다고 알려진(Choi et al., 2011a) 5-CQA도 방울토마토 Betatini 품종에 42.1±0.4 mg으 로 다량 함유되어 있음이 밝혀졌다. 따라서 방울토마토 Betatini 품종은 영양적으로뿐만 아니라 기능성 식품 소재로 활용 가치가 매우 높음을 알 수 있었다.
요 약
본 연구에서는 방울토마토의 영양학적 가치와 활용성을 알아보기 위해 국내에서 재배된 방울토마토 Betatini 품종 의 유리아미노산과 아미노산 유도체의 구성 및 함량, 폴리 페놀 화합물의 구성 및 함량 등 이화학적 특성을 알아보았 다. 유리아미노산 함량을 조사한 결과 18종의 아미노산이 고루 함유되어 있었고 L-Glu는 전체 아미노산 중 48%로 유리아미노산 중 가장 많은 양을 차지하였다. 또한, 필수아 미노산 중 트립토판을 제외한 히스티딘, 이소류신, 류신, 라이신, 메티오닌, 페닐알라닌, 트레오닌 및 발린 등 필수 아미노산이 고루 함유되어 있어 영양적으로 좋은 식품 소 재라 할 수 있다. 또한, 아미노산의 대사산물 중 신경전달 물질 증가, 혈압저하, 항산화효과 등 생리활성이 잘 알려진 GABA가 다량 발견되었다. 그리고 방울토마토 Betatini 품 종의 폴리페놀 화합물을 분석한 결과 알러지 억제효능, 염 증억제효과, 2형 당뇨 및 비만억제 효과가 알려져 주목 받 고 있는 NGC, 항산화효과, 혈액응집억제 등 기능성을 갖 는 Q-3-R이 다량 함유된 것으로 밝혀졌다. 이와 같은 결과 를 통해 방울토마토 Betatini 품종은 영양적으로뿐만 아니 라 기능성 식품 소재로 활용 가치가 매우 높음을 알 수 있었다.
