Comprehensive characterization of cholesterol oxidation products formed during thermal processing through targeted quantification and untargeted annotation
본 연구는 콜레스테롤에 대한 재현 가능한 열 산화 모델을 확립하고, 표적 및 비표적 LC-MS/MS 워크플로우를 결합하여 생성된 복잡한 혼합물을 포괄적으로 특성화함으로써, 가열이 표준 분석에서 통상적으로 모니터링되는 제한된 집합을 훨씬 초과하는 다양한 스테롤 유래 화합물을 생성한다는 것을 밝혀냈다.
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콜레스테롤은 인간의 식단에서 친숙한 분자로, 고기, 달걀, 유제품에서 발견되는 왁스 형태의 물질이며 세포벽을 구축하고 호르몬의 구성 성분 역할을 하는 데 도움을 준다. 그러나 이 지질을 포함하는 식품이 조리되거나, 장기간 저장되거나, 빛과 공기에 노출될 때 콜레스테롤은 분해될 수 있다. 산화라고 알려진 이 과정은 원래의 분자를 콜레스테롤 산화 생성물(cholesterol oxidation products)이라 불리는 다양한 새로운 화합물로 변형시킨다. 원래의 콜레스테롤은 생명 유지에 필수적이지만, 이러한 새로운 유도체들은 화학적으로 다르며 염증 및 혈관 손상과 같은 인체에 해로운 영향과 연관되어 있다. 현대의 식단이 강렬한 가열 과정을 거치는 초가공 식품에 점점 더 의존함에 따라, 이러한 조리 과정 중에 콜레스테롤에 정확히 어떤 일이 일어나는지 이해하는 것은 식품 안전과 공중 보건 측면에서 중요한 질문이 되었다.
위스콘신 대학교 매디슨 캠퍼스의 연구팀은 순수 콜레스테롤을 가열할 때 형성되는 화학적 풍경을 지도화하기 위해 연구를 시작했다. 그들은 과학자들이 일반적으로 찾아보는 제한적인 분해 산물 목록을 넘어, 나타나는 새로운 분자들의 전체 범위를 발견하고자 했다. 이를 위해 그들은 순수 콜레스테롤 가루를 용매에 녹인 후 액체를 증발시켜 유리 플라스크 내부에 얇고 균일한 막을 남기는 통제된 실험을 설계했다. 그런 다음 이 막을 145도 섭씨에서 20시간 동안 가열했다. 이 특정 설정은 산업적 식품 가공에서 발견되는 조건을 모방하면서도 반응이 샘플 전체에서 균일하게 일어나도록 하기 위해 선택되었다. 가열 기간이 끝난 후, 물질은 반고체 상태의 호박색 물질로 변했는데, 이는 상당한 화학적 변형이 일어났음을 나타낸다.
연구진은 먼저 지질 하이드로퍼옥사이드(lipid hydroperoxides), 즉 산화 과정 초기에 형성되는 불안정한 중간 화합물을 살펴봄으로써 원래의 지방이 얼마나 분해되기 시작했는지 측정했다. 그들은 가열된 콜레스테롤이 가열되지 않은 대조군 샘플보다 이러한 중간체들을 약 3.5배 더 많이 포함하고 있다는 것을 발견했다. 이는 열이 산화 과정을 성공적으로 유도했음을 확인시켜 주었다. 다음으로, 그들은 매우 정밀한 기기인 질량 분석기를 사용하여 식품 안전 연구에서 흔히 모니터링되는 6가지 특정 잘 알려진 분해 산물을 식별하고 계수했다. 여기에는 7-케토콜레스테롤(7-ketocholesterol)과 다양한 에폭시 및 히드록시 콜레스테롤 등이 포함되었다. 결과는 가열되지 않은 콜레스테롤에는 이러한 생성물이 미량만 포함되어 있었던 반면, 가열된 샘플에는 이들이 풍부하게 들어 있었다. 6가지 알려진 화합물 중에서는 7-케토콜레스테롤이 가장 풍부하여 전체 측정 물질의 약 8.5퍼센트를 차지했으며, 원래의 콜레스테롤은 거의 전체였던 상태에서 약 3분의 1 수준으로 감소했다.
그러나 연구진의 가장 중요한 발견은 단지 6가지 알려진 화합물만을 찾는 것에 그치지 않고, 대신 전체 샘플을 스캔하여 모든 새로운 화학적 신호를 찾아냈을 때 일어났다. 첨단 소프트웨어를 사용하여 감지된 수천 개의 화학적 신호를 정리하고 비교함으로써, 그들은 가열된 콜레스테롤이 기존 생각보다 훨씬 더 복잡하다는 것을 발견했다. 표준 테스트는 단지 몇 가지의 생성물만을 식별했지만, 비표적 스캔(untargeted scan)은 가열되지 않은 대조군에서는 단 32개였던 데 비해 가열된 샘플에서는 921개의 뚜렷한 화학적 특징을 드러냈다. 이러한 대규모의 화학적 다양성 증가는 가열이 콜레스테롤을 통해 방대한 새로운 물질의 혼합물을 생성한다는 것을 시사하며, 이들 중 대부분은 아직 목록화되거나 명명되지 않은 것들이다.
이 팀은 기존 데이터베이스와 이러한 새로운 신호들의 화학적 지문을 비교함으로써, 7α-하이드록시-4-콜레스테-3-엔-3-온(7α-hydroxy-4-cholesten-3-one) 및 콜레스테-4,6-디엔-3-온(cholst-4,6-dien-3-one)과 같이 표준 식품 안전 테스트에는 보통 포함되지 않는 몇 가지 추가적인 콜레스테롤 유도 화합물의 존재를 확인할 수 있었다. 또한 그들은 나머지 미지의 신호들을 구조적 유사성에 따라 가족 단위로 분류했다. 이 가족들은 가열된 샘플에서 밀집되어 나타났으나 가열되지 않은 샘플에서는 거의 존재하지 않았다. 이러한 패턴은 열이 비록 정확한 구조는 정의되지 않았더라도 공통된 기원을 공유하는 광범위한 관련 분자들을 생성했음을 강력하게 시사한다. 연구팀은 또한 가열 중에 나타난 몇몇 비콜레스테롤 오염 물질들을 식별하였으며, 결론의 정확성을 보장하기 위해 이를 실제 산화 생성물과 신중하게 구분하였다.
이 연구는 가열된 콜레스테롤의 화학적 실체가 현재 식품 안전을 모니터링하는 데 사용되는 짧은 화합물 목록보다 훨씬 더 풍부하고 복잡하다는 것을 보여준다. 연구진은 이러한 생성물을 생성하는 신뢰할 수 있는 방법을 성공적으로 확립하고 여러 새로운 후보를 식별했지만, 감지된 많은 분자가 과학 라이브러리에 필요한 참조 표준이 아직 존재하지 않아 확정적인 식별이 어렵다는 점을 언급했다. 이러한 격차는 이 미지의 물질들을 완전히 규명하기 위한 추가 연구의 필요성을 강조한다. 이 연구는 이러한 복잡한 혼합물을 생성하고 분석하는 재현 가능한 방법을 제공함으로써, 이처럼 다양한 산화 생성물이 특히 가공 식품이 높은 식단 맥락에서 인간의 건강에 어떻게 영향을 미칠지에 대한 향후 조사를 위한 새로운 토대를 마련해 준다.
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