KR19980701466A - 팔라티니톨의 제조방법(New Method For Producing Palatinitol) - Google Patents

Abstract

본 발명은 팔라티니톨(palatinitol)의 신규 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 본 발명은 이소말토오스(isomaltose) 즉 α-D-글루코파이라노실-(1→6)-D-글루코오스(α-D-glucopyranosyl-(1→6)-D-glucose)를 원료로 하여 팔라티니톨을 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 제조방법은 사카로오스 이외의 물질을 원료로 이용할 수 있다는 이점을 가진다.

Description

팔라티니톨의 제조방법

팔라티니톨은 현재까지 이소말툴로오스(isomaltulose) 즉 α-D-글루코파이라노실-(1→6)-D-프룩토오스(α-D-glucopyranosyl-(1→6)-D-fructose)를 중성 pH 상태에서 촉매 수소화 반응을 시켜서 제조할 수 있는 저칼로리, 저 카리오제니서티(cariogenicity) 감미료이다.

이소말툴로오스(isomaltulose)는 사카로오스 글리소실 트랜스퍼라아제(saccharose glysosyl transferase)를 사용하여 사카로오스(saccharose) 즉 α-D-글루코파이라노실-(1→2)-β-D-프룩토푸라노사이드(α-D-glucopyranosyl-(1→2)-β-D-fructofuranoside)를 효소 이성화 반응(enzymatic isomerization)을 시켜 얻는다.

따라서, 사카로오스는 α-D-글루코파이라노실-(1→6)-D-솔비톨[α-D-gluco pyranosyl-(1→2)-D-sorbitol; GPS 즉 이소말티톨(isomaltitol)]과 α-D-글루코파이라노실-(1→6)-D-만니톨[α-D-glucopyranosyl-(1→6)-D-mannitol; GPM]이 거의 같은 몰비로 구성된 혼합물인 팔라티니톨을 제조하는데 사용되는 원료 물질이다.

이소말트(isomalt)라고도 불리는 팔라티니톨은 특히 쉬드도이취 주커 AG(Suddeutesche Zucker AG)사에 의하여 팔라티니트(Palatinit)라는 상품명으로 시판되고 있다.

팔라티니톨의 제조방법과 물성 연구에 관계된 여러 문헌들 중에서 대체 감미료라는 논문을 그 예로 들 수 있다 (LYN O'BRIEN NABORS,Alternative Sweeteners, p217∼244,1986).

본 발명자들은 사카로오스 외의 출발물질을 이용하여 팔라티니톨을 제조하는 방법을 개발하여 오던 중, 이소말토오스 즉 α-D-글루코파이라노실-(1→6)-D-글루코오스[α-D-glucopyranosyl-(1→6)-D-glucose]를 출발물질로 이용하여 팔라티니톨을 제조하는 방법을 개발하여 본 발명을 완성하였다.

본 발명은 팔라티니톨(palatinitol)의 신규 제조방법에 관한 것이다.

더욱 상세하게, 본 발명은 이소말토오스(isomaltose) 즉 α-D-글루코파이라노실-(1→6)-D-글루코오스[α-D-glucopyranosyl-(1→6)-D-glucose]를 출발물질로 하여 팔라티니톨을 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따르는 팔라티니톨의 제조방법은 다음과 같은 단계들로 구성된다.

1) α-D-글루코파이라노실-(1→6)-D-만노오스[α-D-glucopyranosyl-(1→6) -D-mannose]와 이소말토오스의 혼합물이 제조될 수 있는 반응조건하에서 이소말토오스를 에피화(epimerization) 시키는 단계(제 1단계);

2) α-D-글루코파이라노실-(1→6)-D-만노오스와 이소말토오스가 대략 같은 몰비로 구성된 혼합물을 얻기 위하여 상기 제 1단계에서 얻은 혼합물에서 이소말토오스를 제거하는 단계(제 2단계) 및

3) 상기 제 2단계에서 얻은 혼합물을 촉매 수소화 반응을 시키는 단계(제 3단계)

팔라티니톨이 사카로오스로부터 제조될 수 있다는 것이 타당하다면, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 글루코오스로부터 얻을 수 있는 즉, 다양한 전분류로부터 얻을 수 있는 이소말토오스를 원료로 하여 팔라티니톨을 제조할 수 있다는 점을 기대할 수는 없었다.

첫 번째 경우로, 구조식 내에 프룩토오스 단위(fructose unit)를 포함하는 사카로오스는 효소 이성화반응에 의해 이미 알려진 방식으로, 상응하는 케토오스 즉, 이소말툴로오스로 변형된다. 또한, 이러한 케토오스를 수소화 반응시키면 이에 상응하는 두 가지의 이톨(itols)이 대략 같은 몰비로 생성된다는 사실 역시 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 알 수 있는 사실이다. 따라서, 사카로오스의 구조가 팔라티니톨의 구조와 연관성이 있다는 사실이 예상했던 결과를 얻을 수 있게 한다.

그러나, 본 발명에 따른 팔라티니톨의 제조방법에서는 원료물질의 분자구조가 목적화합물인 팔라티니톨의 분자구조와 연관성이 있어야 한다는 요건을 만족시킬 필요는 없다. 즉, 글루코오스 및 전분과 마찬가지로 이소말토오스는 프룩토오스 단위를 포함하지 않는 구조를 가지고 있으며, 따라서 팔라티니톨의 구조와는 전혀 연관성이 없다.

본 발명의 제조방법은 팔라티니톨을 제조하는데 있어서 글루코오스로부터 즉, 곡물 또는 괴경(tubers)으로부터 제조될 수 있는 여러 다양한 전분류로부터 용이하게 제조될 수 있는 이소말토오스를 원료물질로 이용하기 때문에 사카로오스가 아닌 물질을 원료물질로 선택할 수 있다는 장점이 있다.

글루코오스나 옥수수 시럽(corn syrup)에서 이소말토오스를 제조하는 방법은 이미 발표된 바 있다(프랑스 출원 제 2,515,186호).

말티톨(maltitol) 또는 이소말토트리이톨(isomaltotriitol)이 함께 존재하는 팔라티니톨을 얻는데는 이소말토오스가 다량 함유된 시럽을 원료물질로 사용하는 것이 적합하지만, 본 발명의 제조방법에서는 결정상의 이소말토오스를 사용하는 것이 바람직하다. 말티톨 또는 이소말토트리이톨은 이소말토오스가 다량 함유된 시럽의 주된 불순물인 말토오스(maltose) 또는 이소말토트리오스(isomaltotriose)가 수소화 반응될 때 얻어진다.

본 발명의 제조방법에서, 이소말토오스는 금속염과 아민 화합물을 사용하여 일본 특허출원 제 63-162698호에 기재된 바와 같이 에피화시킬 수 있지만, 일본 특허출원 제 63-96195호에 기재된 방식, 즉 이소말토오스 수용액을 몰리브덴산 무수물(molybdic anhydride) 또는 몰리브덴 염(Ⅵ, hexavalent molybdenum salt) 존재하에 pH 2.5∼4.0, 반응온도 90℃∼140℃의 조건에서 반응을 수행하는 방식으로 에피화 시키는 것이 더욱 바람직하다.

이소말토오스에 대해 약 0.1∼1.5 중량% 정도의 암모늄 몰리브데이트(ammonium molybdate)를 더 사용하는 것이 바람직하다.

더욱 바람직하게는, 이소말토오스가 10∼70% 정도로 함유된 가당 수용액(aqueous sweetened solution)을 이용하여 이소말토오스를 에피화시키는 것이 적절하다.

에피화의 반응조건은 α-D-글루코파이라노실-(1→6)-D-만노오스를 10∼40% 정도 함유하는 이소말토오스와 α-D-글루코파이라노실-(1→6)-D-만노오스의 혼합물을 얻기에 적합하도록 조절되어야 한다 (사용되는 촉매의 양, 에피화 반응시간 및 반응온도). 에피화 반응을 시켜 α-D-글루코파이라노실-(1→6)-D-만노오스가 10% 이하로 함유된 상기의 혼합물을 얻는 반응은 경제적이지 못하며, α-D-글루코파이라노실-(1→6)-D-만노오스의 양이 40% 이상 함유된 혼합물은 극한 반응조건하에서 에피화 반응을 시킬 때 생성되는 불순물을 매우 많이 함유한다.

따라서, α-D-글루코파이라노실-(1→6)-D-만노오스가 20∼35% 정도 함유된 혼합물을 제조할 수 있는 반응조건하에서 에피화시키는 것이 바람직하며, α-D-글루코파이라노실-(1→6)-D-만노오스가 25∼35% 정도 함유된 혼합물이 제조되도록 에피화 반응조건을 조절하는 것이 더욱 바람직하다.

상기의 방법으로 제조된 혼합물은 촉매로 사용된 염을 제거하기 위하여 이온 교환수지를 이용하여 탈염 처리한다.

본 발명의 제조방법에 의하면, 에피화된 혼합물에서 이소말토오스는 여러 가지 방법에 의하여 제거될 수 있다.

예를 들면, 에피화된 혼합물에서 이소말토오스는 아밀글루코시다제(amylglucosidase)의 효소작용에 의하여 두 개의 글루코오스 분자로 가수분해될 수 있다. 글루코오스는 글루코스옥시다제(glucose oxidase)의 효소작용에 의하여 글루콘산(gluconic acid)으로 산화되고 글루콘산은 음이온형 이온 교환 수지에 의해 제거된다. 또한 글루코오스는 효모(yeast) 또는 박테리아(bacteria)에 의해 제거될 수 있다.

그러나, 에피화된 혼합물에서 이소말토오스를 제거할 때 크로마토그래피를 이용하는 것이 바람직하다.

일반적으로 크로마토그래피 단계(chromatographic stage)가 2상 혼합물에서 각각의 성분을 분리하는데 사용될 때, 크로마토그래피는 각각의 성분이 가능한 가장 순수한 상태로 분리될 수 있는 방식으로 즉, 화합물 B가 거의 존재하지 않는 A성분의 분획과 화합물 A가 거의 존재하지 않는 B성분의 분획을 얻기 위한 방식으로 수행된다.

그러나, 이와는 대조적으로 본 발명의 제조방법에 따르면 이소말토오스로부터 에피화된 혼합물의 분리는 이소말토오스와 α-D-글루코파이라노실-(1→6)-D-만노오스가 대략 같은 몰비로 구성되는 분획과 매우 순수한 이소말토오스로 구성된 분획을 얻는 방식으로 수행된다. 여기서 대략 같은 몰비라 함은 두 화합물 전체 질량에 대한 하나의 화합물의 성분의 질량분율이 40∼60%인 경우를 의미하며, 45∼55%인 경우가 더욱 바람직하다.

이러한 진행방식은 혼합물-수소화 단계 후에 얻게 될 이소말티톨과 GPM(팔라티니톨은 이 두 성분이 거의 같은 몰비로 구성된 혼합물이다.)-을 이소말티톨과 GPM의 순수한 분획이 재 혼합될 필요없이 혼합물을 직접 얻는다는 장점이 있다. 보통 85∼95% 함량의 이소말토오스를 포함하고, 그 나머지는 α-D-글루코파이라노실-(1→6)-D-만노오스로 구성되는 이소말토오스 분획은 에피화 단계에서 유용하게 재 사용된다. 이러한 방식은 사용된 이소말토오스에 대해 거의 100%의 수율로 팔라티니톨을 제조할 수 있으므로, 본 발명에 따르는 과정을 수행하는데 바람직한 방법을 구성한다.

공업적인 규모에서 이러한 크로마토그래피 단계는 설폰화된 가교 폴리스티렌-디비닐벤젠 형(cross-linked sulphonated polystyrene-divinylbenzene type) 양이온 교환 수지가 충전된 칼럼에 에피화된 혼합물을 통과시킴으로써 용이하게 실시된다. 이러한 크로마토그래피 단계에 사용되기에 적절한 양이온 교환 수지는 매우 미세하며 균일한 입도를 갖는 분말이어야 하는데, 150∼400㎛의 정도의 입도를 갖는 분말상의 수지가 유리하며, 이러한 양이온 교환 수지가 사용되기 위해서는 알칼리 이온 또는 알칼리토(alkaline or alkaline-earth form) 금속이온으로 치환된 형태의 것이어야 한다. 이온 교환 수지로 충전된 칼럼에 혼합물을 통과시킨 다음 증류수로 용리시켜 수지로부터 분류시킨다.

이소말토오스와 α-D-글루코파이라노실-(1→6)-D-만노오스가 유사한 분자구조를 가지고, 분자량은 완전히 동일한데도 수지에서의 이동속도는 이소말토오스가 훨씬 더 빠르다는 사실은 주목할만 하다.

이러한 사실에 근거하여, 크로마토그래피하는 혼합물의 성분들이 거의 같은 당량비가 되도록 제조하기 위해서 정확하게 필요한 양만큼의 이소말토오스를 용리주기(elution cycle)의 초기에 수지로부터 충분히 추출해 낼 수 있다.

이러한 크로마토그래피 단계는 단일 칼럼(single column) 또는 병렬식으로 조작하는 다단 칼럼(several column)의 불연속 공정에 의해 수행될 수 있으나, 모의 유동층(simulated fluidized bed) 원리에 의해 작동되는 루프로 연결된 다중 칼럼 장치(multicolumn system)에서 수행되는 것이 유리하다. 이러한 장치는 분리능이 우수하여 물질을 고순도로 분류할 수 있으며, 연속적인 작업이 가능하다는 이점이 있다.

일반적으로, 이온 교환 수지에서 우수한 분리능으로 작업을 수행하기 위해서는 60∼90℃의 반응온도에서 크로마토그래피를 실시하는 것이 바람직하다. 건조체 성분(dry matter content)을 7∼70%, 바람직하기로는 10∼50% 함유하는 에피화된 혼합물을 크로마토그래피하는 것이 적절하다. 상기에 언급한 바와 같이, 용리주기의 초기에 배출된 이소말토오스가 다량 함유된 분획은 에피화 단계에서 유용하게 재 사용된다. 용출주기의 후반에 나타나며 이소말토오스의 잔류물과 α-D-글루코파이라노실-(1→6)-D-만노오스를 대략 화학양론비로 함유하는 흡착된 분획은 경제적인 조건에서 촉매 수소화 반응을 시키기 위하여 건조체 성분이 약 30∼60%가 되도록 농축한다.

수소화 반응은 수소 압력 30∼200 bar, 반응온도 80℃∼150℃, 니켈 또는 루테늄 촉매하 및 거의 중성 pH의 조건에서 이미 알려진 연속식 또는 불연속식 공정에 따라 수행된다. 만일 pH 4 이하인 조건에서 수소화 반응을 시키면, 팔라티니톨을 구성하는 솔비톨과 만니톨이 생성됨과 더불어 이소말토오스는 글루코오스로, α-D-글루코파이라노실-(1→6)-D-만노오스는 글루코오스 및 만노오스로 되는 부분 가수분해 반응이 일어나게 된다. 또한, pH 9 이상인 조건에서 수소화 반응을 시키면 팔라티니톨을 구성하는 두 가지 성분인 GPM와 GPS의 화학양론이 변하게 된다.

일반적으로, 수소화 반응은 베트란드 법(Bertrand method)으로 측정하였을 때 감소되는 당(sugars)의 양이 약 1% 이하가 될때까지, 바람직하기로는 약 0.5% 이하가 될 때까지 반응을 시키는 것이 적절하다.

수소화 단계를 통하여 얻어진 시럽(syrups)은 촉매를 제거하기 위하여 필터하여 정제하고 이온 교환 수지를 이용하여 탈염 처리한다.

상기의 수소화 및 정제 과정을 통하여 얻은 시럽은, 농축 및 결정화시킨 후 무수 이소말티톨과 GPM 이수화물이 대략 같은 몰비로 구성된 결정 혼합물인 팔라티니톨의 상업용 분말을 제조하기 위하여 건조된다.

이하 실시예에 의해 본 발명을 설명하고자 한다. 실시예는 본 발명을 예시하는 것일뿐 본 발명이 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

(제 1단계):

결정화된 이소말토오스 4 g과 암모늄몰리브데이트 16 mg[(NH₄)₆Mo₇O₂₄, 0.4%(이소말토오스에 대한 중량분율)]을 증류수 36 g에 넣은 후 염산으로 용액의 pH를 3.5로 조절하였다.

다음 이 용액을 130℃로 15 분간 가열한 후 냉각시켰다. 다음 저항률이 2×10⁶Ωcm 이상인 에피화된 혼합물이 얻어지는 강한 양이온 및 음이온 교환 수지의 혼합층에 냉각된 용액을 통과시켜 탈염 처리를 하였다.

HPLC 크로마토그래피를 이용하여 에피화된 혼합물을 분석한 결과 35%의 α-D-글루코파이라노실-(1→6)-D-만노오스가 35%, 이소말토오스가 65% 존재함을 알 수 있었다. 또한, 글루코오스와 만노오스도 미량 존재한다는 것이 관찰되었다.

(제 2단계):

퓨로라이트사(PUROLITE)에 의해 상품명 'PCR 532'로 시판되는 수지 340 ㎤를 85℃로 항온 조절되는 높이 2 m, 내경 15 mm의 이중 자켓 유리 컬럼에 주입하였다. 주입되는 수지는 다음과 같은 특성을 갖는다.

골격: 설폰화된 가교 폴리스티렌-디비닐벤젠,

가교도: 5%,

입도: 180∼280 ㎛,

사용 이온형태: Ca⁺⁺.

다음 건조체가 10 %인 에피화된 혼합물 2.5 ㎤을 칼럼 상부에 주입하고 증류수를 이용하여 약 210 ㎤/시간의 유속으로 용리되도록 수지를 통과시켰다.

140 ㎤의 증류수가 용리된 후 27 ㎤의 이소말토오스 분획이 모이기 시작했다.

가스 크로마토그래피를 이용하여 분석한 결과, 이러한 이소말토오스 분획은 89%의 이소말토오스와 11%의 α-D-글루코파이라노실-(1→6)-D-만노오스를 함유하였다.

상기의 이소말토오스 분획이 용리되자 마자 뒤에 이소말토오스가 제거된 혼합물로 구성된 64㎤의 분획이 모여졌는데, 그 분획은 가스 크로마토그래피의 분석 결과 47%의 이소말토오스, 52%의 α-D-글루코파이라노실-(1→6)-D-만노오스였으며, 또한미량의 글루코오스와 만노오스 역시 검출되었다. 평균 함유량이 90%인 이소말토오스 분획과 α-D-글루코파이라노실-(1→6)-D-만노오스와 이소말토오스가 거의 같은 분율로 혼합된 혼합물 분획을 제조하기 위하여 상기 과정을 15회 수행하였다.

이소말토오스가 다량 함유된 배제 크로마토그래피 분획은 건조체 성분이 10%가 될 때까지 진공하에서 농축시켰다.

크로마토그래피 분획의 측정된 건조 성분에 대하여 약 0.4%의 암모늄몰리브데이트를 첨가한 뒤 반응물을 상기 단계 1에서 언급한 바와 같이 에피화 반응을 시켰다. 이 반응을 통하여 35%의 α-D-글루코파이라노실-(1→6)-D-만노오스를 얻었다.

이소말토오스와 α-D-글루코파이라노실-(1→6)-D-만노오스가 거의 같은 양으로 존재하는 흡착 크로마토그래피 분획(adsorbed chromatographic fraction)은 수소화 반응을 시키기 위하여 건조체 성분이 40%가 되도록 농축하였다.

또한 에피화 단계로 재생되는 이소말토오스 분획을 포함하지 않는 이러한 분획은 분별 크로마토그래피를 실시한 결과 건조체 성분이 64%로 나타났다.

(제 3단계):

상기 제 2단계에서 얻은 흡착 분획을 당(sugar)과 라니 니켈(Raney nickel)이 각각 5 중량%로 함유된 수소화 반응 용기에 도입하였다.

다음 수소화 반응이 지속되는 동안 반응 용기의 수소 압력이 50 bar로 유지되도록 조절한 뒤, 반응물이 125℃가 되도록 가열하였다. 반응물은 수소화 반응이 지속되는 동안 중탄산나트륨 용액을 이용하여 pH 8.0이 유지되도록 하였다. 8시간 동안 수소화 반응을 시킨 뒤 반응물에서 감소된 당의 양을 베트란드 법으로 측정하여 감소되는 당의 양이 0.1% 이하가 되었을 때 반응을 중지시켰다.

수소화 반응이 끝난 반응물은 필터하여 촉매를 제거하였고, 얻어진 시럽은 상기 제 1단계에서와 같이 이온 교환 수지의 혼합층에 통과시켜 탈염 처리하였다. 상기의 방법에 의하여 무색 투명한 시럽을 얻었고, 이 시럽을 가스 크로마토그래피를 이용하여 분석하였다 (이소말티톨: 49.1%, GPM: 49.4%).

이 시럽을 두 성분의 결정상을 얻기 위하여 농축한 후 5.1%의 습기를 제거하는 백색의 비흡습성 분말인 팔라티니톨을 얻기 위하여 건조하였다.

Claims (5)

1) α-D-글루코파이라노실-(1→6)-D-만노오스와 이소말토오스의 혼합물이 제조되는 조건에서 이소말토오스를 에피화 시키는 단계(제 1단계);

2) 이소말토오스와 α-D-글루코파이라노실-(1→6)-D-만노오스가 대략 같은 몰비로 구성되는 혼합물을 얻기 위해 상기 제 1단계에서 얻은 에피화된 혼합물에서 이소말토오스를 제거하는 단계(제 2단계);

3) 상기 제 2단계에서 얻은 혼합물을 수소화시키는 단계(제 3단계)를 포함하는 것을 특징으로 하는 팔라티니톨의 제조방법.

제 1항에 있어서, 에피화 반응은 몰리브덴 염(Ⅵ, hexavalent molybdenum salt)의 존재하에서 반응을 시키는 것을 특징으로 하는 팔라티니톨의 제조방법.

제 1항 또는 제 2항의 어느 한 항에 있어서, 에피화된 혼합물에서 이소말토오스를 제거하는 것은 알칼리 또는 알칼리토금속 형태(alkaline or alkaline-earth form)의 양이온 교환 수지를 사용한 이온 교환 크로마토그래피에서 실시하는 것을 특징으로 하는 팔라티니톨의 제조방법.

제 3항에 있어서, 양이온 수지는 칼슘 형태의 양이온 수지인 것을 특징으로 하는 팔라티니톨의 제조방법.

제 3항 또는 제 4항의 어느 한 항에 있어서, 크로마토그래피 단계에서 배제되는(먼저 용리되는) 이소말토오스 분획은 에피화 단계에서 재사용되는 것을 특징으로 하는 팔라티니톨의 제조방법.