‘정확‧편리‧저렴’ 삼박자 갖춘 1H-NMR 식물성오일 분석법

노호식 수원대학교 화학공학과 교수, 최경오 수원대학교 화학공학과 

식물성오일의 구성 요소 

화장품에는 천연유래의 다양한 오일이 사용되고있는데 천연 유래 오일의 많은 부분을 차지하고 있는 것이 식물 종자에서 얻은 종자유이다. 거의 대부분의 식물 종자에는 다량의 오일이 함유되어 있다. 예를 들어 콩기름, 참기름, 올리브유, 그리고 포도씨유 등이 식물의 종자에서 얻어 식용으로 사용하고 있는 대표적인 기름이다[1]. 화장품에 많이 사용되고 있는 동백오일이나 녹차오일도 종자에서 얻은 종자유이다[2]. 식물의 종자에 많은 양의 오일이 함유되어 있는 이유는 종자가 발아의 과정에서 에너지원으로 사용하기 위해서이다. 이와 같은 종자유의 구성 요소에 대해서 살펴보면 거의 대부분이 트리아실글리세롤^{triacylglycerol}로 이루어져 있다(95~99%). 트리아실글리세롤은 글리세롤^glycerol의 세개의 히드록시기에 세개의 지방산^{fatty acid}이 에 스테르^ester로 결합된 화합물이다. 

식물성오일의 특성 

화장품에 사용하는 종자유를 우리는 두가지 관점에서 바라볼 수 있다. 하나는 생리활성의 관점이다. 종자유가 화장품에 사용되어 피부에 도포되었을 때 다양한 생리활성^{biological activity}을 나타낼 수 있다. 또 하나는 사용감과 관련된 물리적 특성^{physical property} 인데, 생리활성과 물리적 특성 모두 글리세롤에 에스테르 결합으로 연결되어 있는 지방산의 종류에 따라서 나타나는 현상이다. 

지방산의 종류는 크게 네 가지로 구분할 수 있는데 이중 결합의 유무와 갯수가 구분을 결정하는 중요한 요소이다. 이중 결합이 없는 경우를 포화 지방산^saturated이라고 하고 이중결합이 있는 경우를 불포화 지방산^unsaturated이라고 한다. 불포화 지방산은 이중 결합의 개수에 의해서 다시 나누어지는 데 이중결합이 한 개 있는 경우를 올레익^oleic, 두개 있는 경우를 리놀레익^linoleic, 그리고 세 개가 있을 때를 리놀레닉^linolenic이라고 한다[3]. 종자유가 나타내는 생리활성^{biological activity}과 물리적 특성^{physical property}은 트리아실글리세롤TAG을 구성하는 지방산의 네 가지 조성에 의해서 결정된다. 이러한 이유로 지방산의 조성을 분석하는 것은 종자유의 특성을 이해하는 매우 중요한 실험결과이다. 

GCGas Chromatography 분석 : 고전적인 지방산 분석 방법 

종자유의 지방산을 분석하는 방법은 가스크로마토 그래피^{gas chromatography}를 이용하는 것이 보편적이다. 가장 일반적인 분석법은 지방산 메틸 에스테르^FAME의 간접 분석이다[4]. 가스크로마토그래피로 분석하기 위해서는 화합물이 기화되어야 가능한데 트리아실글리세롤은 분자량이 커서 그 상태로는 기화가 될 수 없고, 그래서 두 단계의 화학적 반응을 통해서 지방산 메틸 에스테르로 변형하는 과정이 필요하다. 먼저 가수분해를 진행하여 에스테르 결합을 끊어 글리세롤과 유리 지방산을 얻는다. 얻어진 유리 지방산을 메틸에스테르로 변형하여 분석을 진행한다. 

GC는 트리아실글리세롤의 지방산 조성을 분석하는 효과적인 방법이지만 몇 가지 아래와 같은 단점을 가지고 있다. 가장 큰 단점은 두 단계의 반응을 거쳐 함량을 측정하기 때문에 결과에서 오차의 범위가 커질 가능성 있다. 

¹H-NMR을 이용한 신규 분석 방법 

¹H-NMR^{Nuclear magnetic resonance}은 유기 화합물의 구조를 확인할 수 있는 유용한 분석 기기이다. ¹H-NMR의 분석 원리는 핵자기에 영향을 받는 수소^proton의 상태를 구분하여 유기화합물의 구조를 분석한다. 종자유의 트리아실글리세롤의 경우도 수소를 가지고 있는 유기 화합물이므로 ¹H-NMR로 분석이 가능하다. 글리세롤에 연결되어 있는 네 가지 지방산(saturated, oleic, linoleic, linolenic)의 서로 다른 수소의 상태를 분석하여 트리아실글리세롤의 조성을 예측할 수 있다[5]. 

GC를 이용하여 트리아실글리세롤의 지방산을 분석하는 것과 비교하여 ¹H-NMR로 분석하는 방법의 가장 큰 장점은 트리아실글리세롤의 구조를 변형하지 않고 측정할 수 있다는 것이다. 

식물성 오일의 ¹H-NMR 차트 

헤이즐넛hazelnut과 월넛walnut 오일을 ¹H-NMR로 분석하여 얻은 차트를 그림 5에 나타내었다. 차트를 보면 두 오일이 유사한 형태의 패턴을 보임을 확인할 수 있다. 트리아실글리세롤 구조의 천연오일은 모두 유사한 패턴을 나타낸다. 

차트를 분석하여 조성을 확인하기 위해서 우리가 관심을 갖는 피크는 A, B, C, D, 그리고 E이다. 헤이즐넛 오일과 월넛 오일의 차이는 피크 B인데, 월넛 오일에서는 피크 B가 보이지만 헤이즐넛 오일에서는 나타나지 않는다. 그림 5의 차트에 나타난 피크를 지방산의 구조의 작용기와 매칭한 내용을 표 1에 표시하였다[6]. 

오일의 조성 분석 방법 

트리아실글리세롤의 구조에서 함유되어 있는 지방산의 조성은 아래와 같은 계산식을 사용하여 얻을 수 있다. ¹H-NMR 차트에 나타난 피크의 면적비를 사용하여 계산을 진행한다.

계산식을 이용하여 얻은 헤이즐넛 오일과 월넛 오일의 지방산 조성을 표 2에 표시하였다. 그림 5의 차트에서 피크 B가 없는 헤이즐넛 오일은 리놀레닉이 존재하지 않지만, 피크 B가 있는 월넛 오일에는 리놀레닉이 존재한다. 

¹H-NMR을 이용한 신규 분석 방법의 한계점 

오일의 조성을 분석하기 위한 방법으로 ¹H-NMR을 이용하는 것과 GC를 이용하는 것을 비교하여 보면 ¹H-NMR 방법은 트리아실글리세롤의 구조를 변형하지 않고 한 번에 측정할 수 있다는 것이 가장 큰 특징이다. 구조를 변형하지 않고 측정함으로 인하여 편리성^convenient, 낮은 비용^{low cost}, 그 리고 정확성^accuracy이 높다는 장점이 있다. 하지만 ¹H-NMR 방법은 지방산에 존재하는 네 가지 다른 형태의 조성을 쉽게 분석할 수 있다는 장점을 가지고 있지만 GC와는 다르게 지방산의 개별적인 탄소 체인의 길이는 알 수 없다는 단점도 가지고 있다. 화장품에 사용되는 종자 유래의 다양한 오일의 특성을 파악하기 위해서는 두가지 방법(1H-NMR과 GC)을 적절하게 선택하여 현명하게 사용할 필요가 있다. 

REFERENCES

[1]. 1H and 13C NMR of virgin olive oil. An overview, Magnetic Resonance in Chemistry, 35 (1997) S113 – S145. 

[2]. Lipid characteristics of camellia seed oil, Journal of Oleo Science, 68 (2019) 649 – 658. 

[3]. 1H-Nuclear magnetic resonance analysis of the triacylglyceride composition of cold-pressed oil from Camellia japonica, Molecule 17 (2012) 6716 - 6727. 

[4]. Fatty acid composition and antioxidant activity of tea(Camellia sinensis L.) seed oil extracted by optimized supercritical carbon dioxide, Int. J. Mol. Sci. 12 (2011) 7708 – 7719. 

[5]. Monitoring of heat-induced degradation of edible oils by proton NMR, Eur. J. Lipid Sci. Technol., 110 (2008) 52 – 60. 

[6]. Rapid simultaneous determination by proton NMR of unsaturation and composition of acyl groups in vegetable oils, Eur. J. Lipid Sci. Technol., 105 (2003) 688 – 696.