KR100296738B1 - 키토산올리고당의제조방법 - Google Patents

Abstract

인체에 유용한 식용성 유기산을 이용하여, 인체내 흡수율이 낮은 키토산을 키토산 올리고당으로 가수분해하는 방법을 제공한다.

Description

키토산 올리고당의 제조 방법

본 발명은 식품첨가제 또는 의약품으로 사용되고 있는 키토산 올리고당을, 인체의 신진대사에 필요한 식용성 유기산을 이용하여 인체내에서의 흡수율이 낮은 고분자 키토산으로부터 가수분해를 통해 제조하는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 공정중에 마이크로파(microwave)를 이용하여 가수분해 반응 속도를 증가시키는 방법에 관한 것이기도 하다.

키틴과 키토산의 화학적 명칭은 각각 폴리-β(1,4)-N-아세틸-D-글루코스아민[poly-β(1,4)-N-acetyl-D-glucosamine] 및 폴리-β-D-글루코스아민[poly-β-D-glucos- amine]으로서, 키틴은 다당류내의 한 OH기가 -NHCOCH₃로 치환된 것이고 키토산은 이 키틴에서 탈아세틸화되어 -NH₂로 치환된 화학 물질을 의미한다. 일반적으로, 키틴은 갑각류 동물의 표피에 많이 함유되어 있으나, 일부는 버섯 등의 팡이류 식물이나 보통 식물의 줄기 등에도 약간은 존재하는 것으로 알려져 있다. 그 중에서도 함량이 높고 품질이 우수한 홍게의 껍질이 키틴의 원료 물질로서 가장 많이 사용되고 있다. 홍게의 껍질로부터 추출되는 키틴은 NaOH 등과 같은 강염기의 고농도 용액에서 탈아세틸화 과정을 거쳐 키토산을 생성시키는데, 이렇게 제조된 키토산은 고분자 물질로서 그 분자량이 수십만에 이른다.

고분자 키토산은 지금까지는 중금속으로 오염되어 있는 폐수 처리를 위한 중금속 흡착제로만 널리 사용되어 왔는데, 최근 들어 일본 등의 선진국에서 섬유화 공정 기술을 개발하여 방균 의복이나 탈취 섬유 소재로서의 수요량이 증가되는 일로에 있다. 게다가, 1991년 9월 일본 의학계에서 키토산이 항암 효과가 있다는 임상 실험 결과가 발표된 이후에, 키토산은 식품 및 의약품으로서 매우 큰 관심을 끌게 되었는데, 미국 등에서는 키토산이 체중 조절을 위한 식이 요법 치료제로도 잘 알려져 있다. 이러한 추세에 따라, 국내에서도 많은 중소기업체들이 키토산의 제조 판매에 참여해왔다. 하지만, 고분자 키토산 그 자체로는 인체내에서의 흡수율이 매우 낮아서, 신체 흡수율을 높이기 위해서는 물에 대한 용해성이 큰 올리고당으로 전환시켜야만 한다.

일반적으로, 이러한 키토산 고분자를 가수분해하여 올리고당으로 전환시키는 데에는 두 가지 방법이 주로 사용되고 있는데, 하나는 진한 염산 용액(약 33-37% 정도)에 키토산을 용해시켜 장시간 반응시켜서 가수분해하는 화학적 방법이고, 다른 하나는 수용액이나 저농도의 산 용액 하에서 효소를 사용하여 키토산 고분자를 가수분해시키는 생물학적 방법이다. 이 생물학적 방법에서 산용액으로 초산을 사용하기도 하였지만, 이 경우에 초산은 단지 pH를 일정 수준으로 유지시킴으로써 효소에 의한 가수분해 반응이 가능하게 하는 것일 뿐, 초산만에 의한 가수분해 반응은 알려진 바 없다.

국내에서 사용되는 가수분해 방법으로는 상기 두 방법이 병행되는 것으로 알려져 있으나, 각각의 업체들이 자기들의 기술을 공개하지 않고 있어 정확한 기술 내용의 파악이 어려운 상황이다. 하지만, 이러한 제조 방법으로부터의 폐수가 환경 오염의 원인이 될 수 있기에, 이러한 국내의 키토산 제조 공업은 환경 유해 산업으로서의 비난의 대상이 될 전망이 크다. 즉, 여러 강산과 강알카리 용액에서의 처리에 의한 폐수의 방류 문제가 매우 심각해지므로, 이에 따라 환경 오염을 방지할 수 있는 키토산의 가수분해 방법이 시급히 요구되고 있다.

또한, 진한 염산을 사용할 경우에는 그 염소 치환기의 잔류 가능성 등과 그에 따른 인체에 대한 유해성이 문제가 될 수 있고, 효소를 이용하는 방법의 경우에는 그 비용이 증가되어 경제성이 저하된다는 단점이 발생한다.

이에 따라, 키토산 올리고당을 제조하는 데 있어, 종래의 인체에 유해한 강산 대신 인체에 유용한 유기산을 사용함으로써 키토산 제조 공정을 청정화함과 동시에 환경오염의 문제를 방지하고, 생성된 키토산 올리고당의 식품 또는 의약품으로서의 안전성을 향상시키고자 하는 데 본 발명의 목적이 있다.

도 1은 젖산, 아스코르브산, 초산 및 염산을 이용하여 키토산의 가수분해 반응을 수행한 후의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸 도면이다.

도 2는 키틴과 키토산의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸 도면이다.

본 발명은 인체에 유용한 유기산 수용액에 고분자 키토산을 용해시켜 키토산-유기산 수용액을 제조함으로써 키토산을 가수분해시키는 것으로 이루어지는데, 상기 유기산 수용액에 대한 고분자 키토산의 용해성을 증가시키며 가수분해 반응의 반응 속도를 증가시킬 수 있도록 가열하며 수행할 수도 있다.

또한, 본 발명의 가수분해 반응에서는, 고분자 키토산을 유기산 수용액에 용해시킨 후에 상압 이상의 가압 상태를 유지함으로써 가수분해의 반응성을 크게 향상시키고 반응 속도를 증가시키는 방법도 포함된다. 이러한 가압 조건일 경우에 필요한 압력은, 반응물의 양과 반응 온도에 따라서 달라지지만, 최적의 압력은 약 2-12 기압으로 나타났다. 반응 시간은 반응물의 양, 반응 온도 및 압력에 따라 다르지만, 1-2 시간 정도내에서도 가수분해 반응이 충분히 진행된다.

추가로 마이크로파를 사용함으로써 가수분해 반응 속도를 크게 증가시키는 방법 또한, 본 발명에 포함된다. 이 때의 마이크로파로는 가정이나 식품업계에서 사용하는 2.45 GHz의 전자파가 사용 가능하며, 이를 이용할 경우 반응 시간이 10 분 이하로 크게 단축된다는 장점을 가지고 있다. 마이크로파 오븐의 크기와 출력은 반응물의 양과 요구되는 가수분해 정도에 따라서 결정될 수 있다.

본 발명의 가수분해 반응에 사용되는 유기산은 고농도로 사용하지 않고도 반응을 진행시킬 수 있으므로 그 비용이 크게 감소될 수 있으며, 가수분해 반응을 종결한 후에 유기산의 추가 제거 공정 없이도 그대로 식품 또는 의약품의 소재로 사용할 수 있으므로, 그 제조 공정을 단순화시킬 수 있다는 장점이 있다. 물론, 경우에 따라서 간단한 방법에 의하여 잔류 유기산을 제거한 후에 사용할 수도 있다.

본 발명에 사용이 가능한 유기산으로는, 각종 천연 음식물에 포함되어 있어 인체에 의해 흡수가 가능하거나, 흡수된 음식물을 인체의 신진대사에 이용하는 과정에서 생성되는, 인체에 유용한 모든 유기산; 예컨대, 주석산(tartaric acid), 피루브산(pyruvic acid), 아스코르브산(ascorbic acid), 구연산(citric acid), 젖산(lactic acid), 프로피온산(propionic acid), 초산 및 그의 배합물 등을 들 수 있다.

이같은 유기산은 본 발명의 가수분해 공정에서 수용액 상태로 사용될 수 있는데, 이때, 유기산의 농도는 특별히 한정되지 않으며, 바람직하게는 3-8 중량%가 되는데, 유기산 농도가 3 중량% 미만이 되면 상온, 상압 조건 하에서의 키토산의 용해도가 저하되고, 유기산의 농도가 8 중량%를 초과하면 그 농도 증가에 비해 가수분해 반응의 효율성이 크게 증가하지 않는다. 하지만, 유기산 농도가 3 중량% 미만이 되더라도 가열 등에 의해 키토산의 용해를 수행할 수 있으므로, 유기산의 농도가 반드시 이 범위로 한정되는 것은 아니다. 전반적으로, 유기산의 농도가 커질수록 비용이 증가하는 점이 있긴 하지만, 인체에 유용한 유기산의 부대 효과를 기대해볼 수도 있다.

본 발명에 따라, 유기산의 일례로 아스코르브산, 젖산 및 초산에 의해 마이크로파를 가하여 키토산을 가수분해시킨 후에, 생성된 키토산 올리고당을 KBr과 섞어서 팰렛을 만들어 FT-IR을 이용하여 적외선 분광 스펙트럼을 얻어 각각 (a), (b) 및 (c)로 도 1에 나타내었으며, 마찬가지 방법으로 진한 염산에 의해 키토산을 가수분해시킨 후에 동일한 방법으로 FT-IR 스펙트럼을 얻어 (d)로 도 1에 함께 도시하였다. 또한, 또다른 대조군으로서 가수분해 반응전의 고분자 키토산(Aldrich)의 FT-IR 스펙트럼도 (e)로 도 1에 함께 도시하였다. 이 스펙트럼을 통해 각각의 가수분해 반응의 아세틸화 정도를 비교할 수 있다.

도 2에는, 이러한 비교에 참고가 될 수 있도록, 키틴과 키토산의 FT-IR 스펙트럼을 각각 (A)와 (B)로 비교하여 나타내었는데, 이 스펙트럼을 통해 키틴과 키토산이 N-H기와 C=O기의 세기(intensity) 차이의 비교를 통해 확인 가능함을 알 수 있다. 즉, 키토산이 키틴에 비해 N-H기보다 C=O기의 세기가 작으며, 이로써 N-H기에 비해 C=O기의 세기가 작을수록 탈에세틸화가 큰 것임을 알 수 있다.

따라서, 도 1에서, (e)의 키토산 분말에는 아직도 C=O기가 많이 존재하며, 이 C=O기의 세기가 (d)보다 (c)에서 좀더 감소하였으며, (a), (b)에서는 좀더 현저히 감소되었음을 알 수 있다. 이는 진한 염산에 의한 가수분해 반응에서보다 초산, 젖산 및 아스코르브산에 의한 가수분해 반응에서 탈아세틸화 정도가 더욱 크다는 것을 알 수 있는 것이다. 이러한 결과는, 본 발명에 의해 가수분해된 키토산이 탈아세틸화가 크게 진행됨으로써 신체내에서 더욱 유용하게 흡수되어 작용할 수 있음을 의미하는 것이다. 또한, 본 발명의 식용성 유기산이 키틴 고분자에서부터 탈아세틸화 반응에 의한 키토산화 반응과 올리고당화 반응을 동시에 일으킬 수 있다는 가능성을 제시하는 것인데, 이는 즉, 본 발명의 가수분해 반응을 통해 키토산 올리고당의 제조 공정을 좀더 단순화할 수도 있음을 의미하는 것이다.

다음 실시예를 통해 본 발명을 좀더 구체적으로 설명하고자 한다. 하지만, 이들 실시예는 단지 본 발명 범위 중 일부로서, 본 발명을 예시하고자 하는 것일 뿐, 이로써 본 발명을 한정시키고자 하는 것은 아니다.

실시예 1

고분자 키토산(미국 Aldrich에서 구매; 분자량 = 310,000-375,000) 2 g을 3 중량% 젖산 수용액 100 mL에 용해시켰다. 충분히 용해된 키토산-젖산 수용액 50 mL를 내직경 6 ㎝, 높이 10 ㎝인, 테프론(Teflon^R)으로 제조된 오토클레이브(autoclave)에 취하고, 미리 준비한 테프론으로 제조된 뚜껑을 이용하여 충분하게 밀봉하였다. 그 후에, 이렇게 조립된 반응기 세트를 마이크로파 오븐에 넣고 비연속식 모드로 8 분간 가열하였다. 가열후 오븐에서 꺼내 3 시간 정도 식힌 후, 뚜껑을 열어서 가수분해된 키토산-젖산 수용액을 유리병에 넣어 보관하였다.

순수한 키토산 올리고당(가수분해된 키토산)을 석출시키기 위하여, 가수분해 반응을 거친 키토산-젖산 수용액 20 mL를 취하여 아세톤 80 mL와 섞은 후에 교반시켰다. 이때, 뿌연색의 고형 성분으로서, 아세톤에 대한 용해성이 작은 키토산 올리고당이 석출되었다. 생성된 고형성분, 즉 키토산 올리고당을 여과한 후에 건조시켰다. 키토산 올리고당의 순도를 높이기 위하여 이와 같은 과정을 여러 차례 반복 시행하였다. 충분히 건조된 키토산 올리고당을 미세한 분말 형태로 연마한 후에 다음의 여러 가지 분석을 수행하였다.

먼저, 이렇게 제조된 키토산 올리고당 분말로 2 중량% 농도의 수용액을 제조함으로써, 본 발명의 제조 방법으로 얻어진 키토산 올리고당이 물에 대한 용해성이 매우 크다는 것을 관찰할 수 있었다. 이 키토산 올리고당의 올리고당화 정도를 파악하기 위하여, 키토산 올리고당 수용액의 점도를 측정하였는데, 20 ℃에서 Brookfield 점도계를 이용하여 측정한 결과 2.5 cP 이하가 나타났다. 이는 시판되고 있는 키토산 올리고당 제품을 이용하여 동일한 농도의 수용액으로 측정한 점도와 유사한 값이다.

상기한 바와 같이 제조된 키토산 올리고당 분말을 KBr과 섞어서 팰렛을 만들어 FT-IR을 이용하여 적외선 분광 스펙트럼을 얻었다. 그 결과는 도 1에 나타내었다.

실시예 2

젖산 대신에 주석산을 이용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 키토산을 가수분해시키고 정제하였다. 얻어진 키토산 올리고당 분말을 2 중량% 수용액으로 만들고, 점도를 측정한 결과 마찬가지로 2 cP 이하였다.

또한, 상기한 바와 같이 가수분해된 키토산 분말로 FT-IR 스펙트럼을 얻은 결과, 실시예 1에서와 마찬가지로 초산이나 염산을 이용하여 가수분해된 키토산에 비해 매우 높은 탈아세틸화 정도를 나타내었다.

실시예 3

상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 키토산-젖산 수용액을 만들어 높이 18 ㎝, 내직경 13 ㎝ 크기의 스테인레스 스틸로 제작된 오토클레이브에 50 mL를 취하였다. 미리 준비된 스테인레스 스틸로 제작된 뚜껑을 이용하여 충분하게 밀봉하고, 이렇게 조립된 반응기 세트를 교반시켜면서 가열하였다. 이때, 반응 온도는 100-150 ℃이고, 이 반응 온도에서 해당 반응 압력은 2-12 기압이었다.

반응 시간이 증가함에 따라 생성되는 수용액의 점도 변화를 관찰하였는데, 각 조건마다 얻어진 키토산-젖산 수용액을 상기 실시예 1에서 사용된 방법으로 처리하여 순수한 가수분해된 키토산 분말을 얻은 후에, 점도의 측정을 위해 2% 수용액으로 제조하였다. 측정 결과, 키토산 수용액의 점도는 처음 반응 15 분 이후부터 크게 감소하기 시작하여 2 시간 반응 후의 점도는 2 cP 이하로 감소되었다.

또한, 이상과 같이 얻어진 가수분해된 키토산 분말로부터 상기 실시예 1에서와 같은 방법으로 FT-IR 스펙트럼을 얻은 결과, 마찬가지로 초산이나 염산을 이용하여 가수분해된 키토산에 비해 매우 높은 탈아세틸화 정도를 나타내었다.

실시예 4

젖산 대신에 구연산을 이용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 키토산을 가수분해시키고 정제하였다. 얻어진 키토산 올리고당 분말을 2 중량% 수용액으로 만들고, 점도를 측정한 결과 20-80 cP로 나왔다. 이로써, 구연산도 키토산 고분자의 가수분해 반응에 큰 효과가 있음을 알 수 있다.

하지만, 상기한 바와 같이 가수분해된 후 정제 과정을 거쳐서 얻어진 순수한 키토산 분말의 FT-IR 스펙트럼을 얻은 결과, 상기 실시예 1과 2에서 보여진 정도의 탈아세틸화 반응 정도의 증가는 관찰되지 않았다.

실시예 5

상기 실시예 4에서와 동일한 방법으로 키토산-구연산 수용액을 만들어 실시예 3에서 기술된 동일한 오토클레이브 및 반응 조건에서 가수분해 반응을 시행하였다. 120 및 150 ℃의 반응에서는 약 1 시간의 반응후 용액의 점도가 2 cP 이하로 감소하므로 매우 작은 올리고당으로 가수분해되었음을 알 수 있었다.

하지만, 이상과 같이 가수분해후 재결정을 거쳐 정제된 키토산을 FT-IR로 측정한 결과, 상기 실시예 4에서와 마찬가지로 탈아세틸화 정도는 증가하지 않았다.

실시예 6

구연산 대신 프로피온산을 이용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 키토산을 가수분해시키고 정제하였다. 얻어진 키토산 올리고당 분말을 2 중량% 수용액으로 만들어, 점도를 측정한 결과 20-65 cP로 나왔다. 그러므로, 프로피온산도 키토산 고분자의 가수분해 반응에 큰 효과가 있음을 알 수 있다.

하지만, 상기한 바와 같이 가수분해된 후 정제 과정을 거쳐서 얻어진 순수한 키토산 분말의 FT-IR 스펙트럼을 측정한 결과, 상기 실시예 4와 마찬가지로 키토산의 탈아세틸화 반응 정도의 증가는 관찰되지 않았다.

실시예 7

상기 실시예 6에서와 동일한 방법으로 키토산-프로피온산 수용액을 만들어, 상기 실시예 3에서 기술된 동일한 오토클레이브 및 반응 조건에서 가수분해 반응을 시행하였다. 120 ℃의 반응에서는 2 시간이 경과한 후에 용액의 점도가 2 cP 정도로 감소하였으며 150 ℃의 반응에서는 15 분간의 반응후 용액의 점도가 1.3 cP로 감소함으로써, 프로피온산에 의하여 키토산 고분자가 매우 작은 올리고당으로 가수분해되었음을 알 수 있었다.

또한, 이상과 같이 가수분해후 재결정을 거쳐 정제된 키토산을 FT-IR로 측정한 결과, 상기 실시예 4의 경우와 마찬가지로 탈아세틸화 정도는 증가하지 않았다.

실시예 8

프로피온산 대신에 피루브산을 이용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 키토산을 가수분해시키고 정제하였다. 얻어진 키토산 올리고당 분말을 2 중량% 수용액으로 만들고, 점도를 측정한 결과 15-70 cP로 나왔다. 그러므로, 피루브산도 키토산 고분자의 가수분해 반응에 큰 효과가 있음을 알 수 있다.

또한, 상기한 바와 같이 가수분해된 후 정제 과정을 거쳐서 얻어진 순수한 키토산 분말의 FT-IR 스펙트럼을 얻은 결과, 상기 실시예 6과 마찬가지로 키토산의 탈아세틸화 반응 정도의 증가는 관찰되지 않았다.

실시예 9

상기 실시예 8에서와 동일한 방법으로 키토산-피루브산 수용액을 만들어 상기 실시예 3에서 기술된 동일한 오토클레이브 및 반응 조건 하에서 가수분해 반응을 수행하였다. 120 ℃의 반응에서는 1 시간이 경과한 후에 용액의 점도가 1.9 cP로 감소하므로서 프로피온산에 의하여 키토산 고분자가 매우 작은 올리고당으로 가수분해되었음을 알 수 있었다.

또한, 이상과 같이 가수분해후 재결정을 거쳐 정제된 키토산을 FT-IR로 측정한 결과, 실시예 4의 경우와 유사하게 탈아세틸화 정도는 증가하지 않았다.

실시예 10

젖산 대신에 아스코르브산을 이용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 마이크로파를 이용하여 키토산을 가수분해시키고 용액의 점도를 측정하였다. 그결과, 용액의 점도가 20,000 cP 이상에서, 7 분 동안의 마이크로파 반응후 11-20 cP 정도로 감소됨으로써, 아스코르브산도 키토산 고분자의 가수분해 반응에 큰 효과가 있음을 알 수 있다.

또한, 이상과 같이 가수분해후 재결정을 거쳐 정제된 키토산을 FT-IR로 측정한 결과, 실시예 1의 젖산의 경우와 마찬가지로 아스코르브산도 키토산의 탈아세틸화 정도의 증가에 효과가 있음을 관찰하였다. 그 결과는 도 1에 나타내었다.

그러나, 본 실시예에서 아스코르브산 자체도 반응에 의하여 투명한 색에서 노란색으로 변화되는 것이 관찰되어, 아스코르브산이 100 ℃ 정도의 높은 온도에서의 가수분해 반응에는 적합하지 못하다고 여겨진다. 하지만, 반응이 높은 온도에서 진행되는 것이 아니라면 가수분해제로서 충분히 사용될 수 있을 것이다.

실시예 11

젖산 대신에 초산을 이용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 키토산을 가수분해하고 정제하였다. 얻어진 키토산 올리고당 분말을 2 중량% 수용액으로 만들고 점도를 측정한 결과 5.5 cP 이하였다. 이로써, 본 발명에 의해 초산도 키토산의 가수분해에 큰 효과가 있음을 알 수 있다.

또한, 상기한 바와 같이 가수분해된 키토산 분말로 FT-IR 스펙트럼을 얻었으며, 그 결과를 도 1에 나타내었다.

상기한 바와 같이, 인체에 유용한 유기산을 이용함으로써 키토산을 가수분해하여 키토산 올리고당을 제조하는 본 발명의 제조 방법은, 생성된 키토산 올리고당을 직접 식품 또는 의약품의 재료로 사용할 수 있고, 더불어, 이러한 유기산의 인체에 대한 유용한 효과를 부대 효과를 이용할 수도 있는 장점을 갖고, 이러한 처리 공정이 환경에 무해하므로 그 산업상 이용 가능성이 매우 크다고 할 것이다.

즉, 인류가 추구하는 생활이 오염이 없는 쾌적한 환경 속에서 건강하게 사는 것임을 전제로 할 때, 환경친화성 기술을 바탕으로 한, 본 발명의 제조 방법에 의한 키토산의 무공해 생산 기술이야말로 매우 바람직하다고 사료된다.

Claims (5)

1. 식용성 유기산 수용액에 고분자 키토산을 용해시켜 가수분해하는 것으로 이루어진, 키토산 올리고당의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 식용성 유기산이 주석산, 피루브산, 아스코르브산, 구연산, 젖산, 프로피온산, 초산 및 그의 배합물로 이루어진 군 중에서 선택된 것인 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 유기산 수용액의 농도가 3-8 중량%인 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 가수분해 반응을 오토클레이브내에서 수행하는 방법.
5. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가수분해 반응을 마이크로파를 가하여 수행하는 방법.