Separácia enantiomérov fenylalanínu a metionínu metódou HPLC: porovnanie typov stacionárnych fáz

Souhrn

Témou práce je enantioselektívna separácia vybraných aminokyselín metódou vysokoúčinnej kvapalinovej chromatografie. Separácia enantiomérnych foriem bola testovaná pomocou chirálnych stacionárnych fáz na základe β-cyklodextrínu, izopropylkarbamát cyklofruktánu 6 a makrocyklického antibiotika teikoplanínu. Najúčinnejšia enantioseparácia sa dosiahla na teikoplanínovej chirálnej stacionárnej fáze v separačnom systéme s obrátenými fázami. UV spektrofotometrická detekcia pri vlnovej dĺžke 210 nm bola použitá na detekciu aminokyselín. Na hodnotenie vhodnosti HPLC metódy sa použili linearita, medza detekcie, medza stanovenia, presnosť a výťažnosť. Medze stanoviteľnosti pre enantioméry fenylalanínu a metionínu boli 0,3 a 0,2 µg.ml^–1. HPLC metóda s použitím chirálnej stacionárnej fázy na základe teikolanínu bola aplikovaná na analýzu doplnkov výživy.

Kľúčové slová:
separácia enantiomérov • HPLC • fenylalanín • metionín

Úvod

Aminokyseliny predstavujú dôležitú skupinu chirálnych organických zlúčenín. Sú základnými stavebnými jednotkami proteínov a zúčastňujú sa mnohých biologických procesov. Slúžia ako neurotransmitéry a prekurzory pre syntézu hormónov a iných látok, majú funkciu antioxidantov a sú stabilizátormi DNA a RNA¹⁾. V organizmoch sa vyskytujú väčšinou v L-enantiomérnej forme (homochiralita), čo môže byť v dôsledku rozdielnej stability oboch enantiomérov. Prírodný výskyt D-aminokyselín je zriedkavý a môže súvisieť so špecifickými procesmi^{2, 3)}. Enantioméry aminokyselín sa môžu líšiť nielen v ich biologických účinkoch, ale aj ďalšími vlastnosťami, napr. chuťou, rozpustnosťou⁴⁾. Zmena enantiomérneho pomeru je vhodným ukazovateľom spracovania, skladovania, životnosti a kvality, predovšetkým, potravinárskych výrobkov. Separácia enantiomérov aminokyselín má teda nezastupiteľné miesto v biochemickej, farmaceutickej a potravinárskej analýze.

Mnohé látky s výživovým alebo fyziologickým účinkom, vitamíny a minerálne látky dôležité pre správne fungovanie ľudského organizmu chýbajú v prirodzenej, aj keď pestrej strave, a preto je vhodné ich prísun dopĺňať formou výživových doplnkov. Fenylalanín a metionín sú esenciálne aminokyseliny, ktoré si ľudský organizmus nedokáže sám vytvoriť a ich prísun do organizmu sa dodávaná vo forme potravín, príp. iných doplnkov. Fenylalanín je prekurzorom pre tvorbu tyrozínu, katecholamínov (dopamín, adrenalín, noradrenalín) a kožného pigmentu melanínu. Užívanie fenylalanínu má priaznivý vplyv na nervový systém a psychiku, potláča nadmernú chuť k jedlu, povzbudzuje mozgové tkanivo k tvorbe látok endorfínov a enkefalínov v centrálnej nervovej sústave, potláča činnosť enzýmov, ktoré tlmia činnosť endorfínov, čím predlžuje ich pôsobenie, podporuje mentálnu bdelosť a pamäť⁵⁾. Metionín sa v organizme podieľa na rozklade tukov a bráni ich ukladaniu v pečeni a cievach, podporuje funkcie tráviacej sústavy, detoxikuje od škodlivých látok, bráni lámavosti vlasov, je potrebný pri liečbe reumatickej horúčky, syntéze nukleových kyselín, kolagénu a bielkovín. Je zdrojom síry, ktorá deaktivuje voľné radikály. Metionín je účinný antioxidant⁶⁾. Fenylalanín a metionín sú preto jednými z hlavných zložiek mnohých aminokyselinových doplnkov výživy.

Chromatografické metódy (HPLC, TLC, GC) sú vhodné na separáciu enantiomérov, a teda sa často využívajú na kontrolu procesov výroby, pri štúdiu interakcií optických izomérov s inými chirálnymi alebo nechirálnymi molekulami. Pri priamej HPLC separácii enantiomérov sa využívajú stacionárne fázy obsahujúce rôzne typy chirálnych selektorov. Separácia je založená na tvorbe prechodných diastereoizomérnych komplexov medzi enantiomérmi a stacionárnou fázou. Medzi najčastejšie chirálne selektory patria makrocyklické antibiotiká teikoplanín a teikoplanín aglykón^{7, 8)}, cyklodextríny, kruhové étery, deriváty polysacharidov a proteínov, cyklofruktány^{9, 10)}. Prítomnosť stereogénnych centier a heterogénnosť funkčných skupín v ich molekulách, ako aj zloženie mobilných fáz, má významný vplyv na stereoselektívne interakcie medzi enantiomérom a selektorom, ktoré sú zodpovedné za chirálne rozpoznávanie. Príklad aplikovateľnosti chirálnych stacionárnych fáz (CSF) na báze teikoplanínu a separačných systémov v závislosti od typu separovaných zlúčenín dokumentuje tabuľka 1.

Cieľom práce bolo zvoliť vhodné podmienky (zloženie stacionárnej a mobilnej fázy) separácie enantiomérov vybraných esenciálnych aminokyselín pre ich následné stanovenie vo vzorkách výživových doplnkov metódou vysokoúčinnej kvapalinovej chromatografie.

Pokusná časť

Chemikálie

DL-metionín, DL-fenylalanín, L-metionín a L-fenylalanín (> 98%) boli získané zo Sigma Aldrich. Acetonitril, metanol, (pre gradientovú HPLC), etanol, n-hexán (pre HPLC), kyselina octová (100 %), kyselina trifluoroctová, trietylamín (p.a.) boli získané z Merck. Na prípravu deionizovanej vody bolo použité zariadenie AquaMax ultra 370.

Vzorky výživových doplnkov s obsahom metionínu (vzorka 1) a fenylalanínu (vzorka 2) sa získali z obchodnej siete lekárni.

HPLC podmienky

Kvapalinový chromatograf Agilent Technologies (séria 1100) pozostával z binárneho vysokotlakového čerpadla, dávkovacieho ventilu Rheodyne, termostatu kolóny a spektrofotometrického detektora (chromatogramy boli zaznamenávané pri vlnovej dĺžke 210 nm). Na HPLC separáciu enantiomérov sa použili chirálne stacionárne fázy Chirobiotic T (chirálny selektor teikoplanín), IP-CF6 (chirálny selektor izopropylkarbamát cyklofruktánu 6) a Chiradex (chirálny selektor β-cyklodextrín, β-CD) (4 × 250 mm ID, 5 µm). Mobilné fázy tvorili zmesi: vodný roztok acetonitrilu (pre T a β-CD), n-hexán/etanol/kyselina trifluorooctová (pre IP-CF6 a β-CD) a metanol/acetonitril/kyselina octová/trietylamín (pre β-CD). Prietok mobilnej fázy bol 0,8 ml.min^–1 a dávkovaný objem 20 µl. Separácie sa uskutočnili pri teplote kolóny 0 °C.

Pracovné postupy

Roztoky racemátov aminokyselín a L-enantomérnych foriem boli pripravené rozpustením látky v mobilnej fáze (koncentrácia 1 mg.ml^–1 a následne sa riedili na nižšie koncentrácie podľa potreby).

Vzorky sa spracovali kvapalinovou extrakciou: Obsah piatich kapsúl vzorky sa zhomogenizoval. Presne odvážené množstvo vzorky zodpovedajúce jednej kapsule (okolo 0,4 g vzorky 1; 0,3 g vzorky 2) sa zmiešalo s metanolom (20 ml pre vzorku 1, 100 ml pre vzorku 2), zmes sa miešala 30 min na laboratórnej miešačke pri teplote 23 ºC a centifugovala (5 min, 400 rpm). Extrakt bol prefiltrovaný cez 0,45 µm membránový filter a následne dávkovaný do HPLC. Extrakt vzorky 2 sa pred HPLC analýzou riedili 5-krát mobilnou fázou.

Analytické parametre

Na hodnotenie vhodnosti HPLC metódy sa použili parametre: linearita, medza detekcie, medza stanovenia, presnosť a výťažnosť.

Matricové kalibračné závislosti boli zostrojené v rozsahu koncentrácií 0,3–500 µg.ml^–1 pre enantioméry metionínu a 0,2–500 µg.ml^–1 pre enantioméry fenylalanínu (šesť kalibračných roztokov, 7-krát prípravené). Kalibračné roztoky boli dávkované 3-krát. Parametre kalibračných závislostí, závislosti plochy píku (y) enantioméru of koncentrácie (x, v µg.ml^–1), dosahovali nasledovné hodnoty: y = 106,2x + 7,9 pre L-metionín; y = 112,5x + 6,4 pre D-metionín; y = 754,3x + 7,0 pre L-fenylalanín; y = 734,3x + 7,6 pre D-fenylalanín.

Medza stanovenia (LOQ) a medza detekcie (LOD) boli stanovené ako najnižšie koncentrácie kalibračných roztokov, ktoré je možné danou metódou detegovať (LOD) a stanoviť (LOQ) určené pre pomer odozvy plochy píku a šumu nulovej línie S/N = 3 a 10.

Vnútrodňová a medzidňová presnosť metódy boli hodnotené z opakovaných analýz vzoriek (7-krát pripravené) počas 1 dňa a počas 6 dni. Výsledky boli vyjadrené ako percentá relatívnej smerodajnej odchýlky.

Výťažnosť bola stanovená na troch úrovniach koncentrácií (20 mg.g^–1, 143 mg.g^–1 a 357 mg.g^–1 pre D- a L-fenylalanín; 5 mg.g^–1, 10 mg.g^–1 a 25 mg.g^–1 pre D- a L-metionín). Vzorky s prídavkom a bez prídavku boli spracované rovnakým postupom a výťažnosti boli vypočítané ako percentuálny rozdiel medzi plochami píkov.

Výsledky a diskusia

Separácia enantiomérov aminokyselín

Na separáciu enantiomérov vybraných nederivatizovaných aminokyselín sa testovali stacionárne fázy s rôznymi chirálnymi selektormi, na základe cyklodextrínov, makrocyklických antibiotík a cyklofruktánov.

Separácia enantiomérov fenylalanínu a metionínu na β-cyklodextrínovej CSF sa testovala v polárno-organickom, obrátenom a konvenčnom separačnom systéme fáz. Čiastočná separácia enantiomérov metionínu a fenylalanínu (R_ij ~ 1,1) sa dosiahla v konvenčnom separačnom systéme fáz, pri použití mobilnej fázy etanol/n-hexán/kyselina trifluóroctová (25/75/0,2 v/v/v). Účinnosť kolóny však bola nízka a uvedená stacionárna fáza ani v jednom s testovaných separačných usporiadaní nebola vhodná na analýzu výživových doplnkov. Stacionárna fáza s β-cyklodextrínom ako chirálnym selektorom v separačnom systéme s obrátenými fázami je vhodnejšia na separáciu enantiomérov derivatizovaných (dansyl-, dinitrobenzoyl-, dabzyl-deriváty) aminokyselín¹³⁾.

Separácia enantiomérov vybraných nederivatizovaných aminokyselín na CSF na základe izopropylkarbamát cyklofructanu 6 sa testovala v polárno-organickom (zmes metanol/acetonitril/kyselina octová/trietylamín ako mobilná fáza) a konvenčnom (zmes n-hexán/etanol/kyselina trifluóroctová ako mobilná fáza) separačnom systéme fáz. V systéme s polárno-organickým usporiadaním fáz sa so zvyšovaním koncentrácie organického modifikátora, metanolu, v mobilnej fáze od 20 do 85 % znižovali hodnoty retenčných faktorov a rozlíšenia. Separácia enantiomérov metionínu a fenylalanínu sa dosiahla pri elúcií mobilnou fázou metanol/acetonitril/kyselina octová/trietylamín (75/25/0,3/0,2 v/v/v/v). Hodnota rozlišovacieho faktora bola 1,0 pre D- a L-metionín a 0,7 pre D- a L-fenylalanín. Pri priamej enantioseparácií vybraných aminokyselín na izopropylkarbamát cyklofructán 6 CSF v systéme s konvenčným usporiadaním fáz sa zvýšená retencia a selektivita pozorovali, keď mobilná fáza obsahovala menej ako 50% etanolu. Zvyšujúca sa koncentrácia etanolu mala za následok zhoršenie účinnosti enantioseparácie (zníženie hodnôt rozlíšenia enantiomérov). Vhodnou mobilnou fázou na separáciu enantiomérov D,L-metionínu a D,L-fenylalanínu bola zmes n-hexán/etanol/kyselina trifluóroctová (50/50/0,1 v/v/v), pri ktorej hodnoty rozlišovacích faktorov boli 1,1 a 1,2.

Separácia na CSF na báze teikoplanínu bola uskutočnená v separačnom systéme s obrátenými fázami, s mobilnou fázou acetonitril-voda. Testovali sa mobilné fázy, ktorých zloženie sa menilo v rozsahu od 30 do 90 obj. % organického modifikátora, acetonitrilu. Závislosti hodnôt retenčných faktorov D-, L-metionínu a D-, L-fenylalanínu od zloženia mobilnej fázy mali od 30–45 % acetonitrilu klesajúci charakter a od 45–90 % stúpajúci charakter. Hodnoty rozlíšenia enantiomérov metionínu a fenylalanínu v závislosti od zloženia mobilnej fázy mali podobný trend ako hodnoty retenčných faktorov. Z experimentálnych výsledkov vyplynulo, že najvhodnejšou mobilnou fázou na separáciu enentiomérov vybraných aminokyselín bola zmes acetonitril/voda (75/25 v/v). Hodnoty rozlišovacieho faktora boli 1,6 pre D- a L-fenylalanín a 3,0 pre D- a L-metionín.

Porovnanie metód stanovenia aminokyselín

Typy CSF testovaných pre separáciu enantiomérov metionínu a fenylalanínu, typy separačných systémov a chromatografické charakteristiky získané pri najvhodnejších chromatografických podmienkach sú zhrnuté v tabuľke 2. Chromatografické záznamy enantioseparácie D,L-metionínu a D,L-fenylalanínu na testovaných CSF dokumentuje obrázok 1. Z porovnania chromatografických charakteristík vyplýva, že najúčinnejšia enantioseparácia (najvyššie hodnoty rozlíšenia enantiomérov) sa dosiahla na použitím CSF na základe teikoplanínu, kde aj podľa očakávania boli výrazne nižšie medze detekcie v porovnaní s HPLC-UV metódou s CSF na základe izopropylkarbamát cyklofruktánu 6 alebo β-cyklodextrínu (tab. 3). Zvolená HPLC metóda sa vyznačovala aj väčším lineárnym rozsahom.

Analýza doplnkov výživy s obsahom metionínu a fenylalanínu

Na stanovenie enantiomérov vybraných aminokyselín vo vzorkách doplnkov výživy sa použila HPLC metóda s CSF na základe teikoplanínu v separačnom systéme s obrátenými fázami a so spektrofotometrickou detekciou. Na hodnotenie vhodnosti metódy sa použili parametre, linearita, medza detekcie, medza stanovenia, presnosť a výťažnosť. Pre testované analyty bola výťažnosť viac ako 94 % (RSD < 10 %) (tab. 3). Výsledky dokumentujú, že výťažnosť v uvedenom koncentračnom rozsahu nezávisela od koncentrácie analytov.

Výživový doplnok s obsahom D,L-metionínu (vzorka 1) je doporučený užívať na podporu rastu nechtov a vlasov. Výsledky ukázali, že testovaný výživový doplnok, tak ako uvádza výrobca, obsahuje zmes enantiomérov metionínu (obr. 2). Ďalšími zložkami výživového doplnku boli L-cysteín, vitamíny a iné stopové prvky, ktoré pri použitých separačných podmienkach neinterferovali so žiadnou z enantiomérnych foriem metionínu. V jednej kapsule vzorky 1 sa nachádza 47,5 mg L-metionínu a 46,2 mg D-metionínu (RSD 5 %). Doplnok výživy s obsahom fenylalanínu (vzorka 2) je doporučené používať na zlepšenie pamäti a pri mentálnej únave. Kvantitatívnou analýzou sa zistilo, že v jednej kapsule vzorky 2 sa nachádza 178,1 mg L-fenylalanínu a 177,9 mg D-fenylalanínu (RSD 7 %). Testovaná vzorka výživového doplnku obsahuje zmes enantiomérov, čo dokumentuje obrázok 2. Ďalšie zložky výživového doplnku, pri použitých separačných podmienkach, neinterferovali s enantiomérnými formami fenylalanínu.

Záver

Aminokyseliny patria medzi jednu z najdôležitejších skupín biologicky aktívnych látok. HPLC enantioseparácia nederivatizovaných aminokyselín sa dosiahla použitím chirálnej stacionárnej fázy na základe I. teikoplanínu v systéme s obrátenými fázami, II. izopropylkarbamát cyclofructánu 6 v systéme s polárno-organickým usporiadaním fáz a III. izopropylkarbamát cyclofructánu 6 v systéme s konvenčným usporiadaním fáz. HPLC-UV metóda s teikoplanínovou CSF sa využila pri analýze vzoriek výživových prípravkov s obsahom D,L-metionínu a D,L-fenylalanínu.

Poďakovanie

Práca vznikla za podpory grantu APVV-15-0355 Agentúry na podporu výskumu a vývoja Autori ďakujú prof. D.W. Armstrongovi za poskytnutie chirálnych stacionárnych fáz Chirobiotic T a IP-CF6.

Stret záujmov: žiadny.

Došlo: 14. marca 2017 

Prijato: 11. apríla 2017

doc. Ing. Katarína Hroboňová, PhD.

 A. Lomenova

Ústav analytickej chémie Fakulta chemickej a potravinárskej technológie,

Slovenská technická univerzita v Bratislave

Radlinského 9,

812 37 Bratislava,

Slovenská republika

e-mail: katarina.hrobonova@stuba.sk

J. Čižmárik

Katedra farmaceutickej chémie Farmaceutická fakulta,

Univerzita Komenského,

Slovenská republika

J. Lehotay

Katedra chémie,

Fakulta prírodných vied

Univerzita Sv. Cyrila a Metoda v Trnave,

Slovenská republika