KR20000012173A

KR20000012173A - 저분자다당류및올리고당의제조방법

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Publication number: KR20000012173A
Application number: KR1019990010444A
Authority: KR
Inventors: 김공수; 조석형
Original assignee: 김공수; 조석형
Priority date: 1999-03-26
Filing date: 1999-03-26
Publication date: 2000-03-06

Abstract

본 발명은 저분자 다당류 및 그의 올리고당의 제조방법에 관한 것으로서, 키틴, 키토산을 비롯하여, 셀룰로오스 및 그의 유도체, 녹말 및 그의 유도체, 글리코겐 및 그의 유도체, 헤파린, 히알루론산, 알긴산, 검 및 펙틴과 같은 다당류를 일정 용매에 녹인 다음, 여기에 자외선, 감마선, 전자선 또는 초음파를 조사하여 이를 저분자화 및 올리고당화하는 방법에 관한 것이다.

이와같은 방법으로 다당류를 저분자 및 올리고당화하는 경우 종래와 같이 진한 염산 등에 의한 산분해나 특정 효소처리로 저분자 및 올리고당화하는 것에 비하여 전처리-분해-후처리 공정 등이 필요없어 생산비용을 절감할 수 있으며, 제조된 저분자 다당류 및 올리고당을 식물의 성장촉진제, 토양개량제, 성장조정제, 식품, 화장품, 의약 또는 시약 등의 분야에 광범위하게 이용할 수 있다.

Description

저분자 다당류 및 올리고당의 제조방법{METHOD OF MANUFACTURING POLYSACCHARITES HAVING LOW MOLECULAR WEIGHT AND OLIGOSACCHARITES}

본 발명은 저분자 다당류 및 올리고당의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 식품첨가제, 천연농약, 의약품 등에 광범위하게 사용할 수 있는 키틴, 키토산, 셀룰로오스와 같은 다당류를 저분자 및 올리고당화하는 방법에 관한 것이다.

근년, 저분자 다당과 그의 올리고당은 식품 및 의료분야에서 폭넓은 응용이 기대되고 있을 뿐만 아니라 생명과학 전반에 큰 파급효과를 가져오리라고 생각된다. 특히, 당단백질 및 당지질의 올리고당에 대한 생물학적 기능을 해명하는 것은 새로운 형태의 의약품 개발과 그 응용으로 이어진다.

식물에 있어서도 세포벽에서 분리된 올리고당의 구조와 미생물 감염에 대한 생체방어 활성작용 등이 밝혀져 새로운 식물기능조절 물질군의 발견으로 농업 분야에서의 이용이 기대되고 있다. 또한, 식품, 화장품, 의약, 진단시약 등의 분야에서 광범위하게 이용될 수 있다.

한편, 다당류 중 하나인 키틴은 새우, 게, 오징어 뼈 등 생체내에 단백질과 함께 존재하고 있어서 알카리와 산처리에 의해 제조되며, 키토산은 공업적으로 알카리 처리하여 N-탈아세틸화하여 농업, 식료품, 농약, 기타 공업 제품의 원료로 사용된다. 일반적으로 키토산은 비교적 분자량이 크고 상기와 같은 분야에 이용할 경우 용매에 용해되기 어려운 점 등 여러 가지 제약이 있기 때문에 고분자량의 키토산을 저분자화하거나 올리고당화하게 된다.

특히, 수용성 저분자 키틴, 키토산 및 키틴, 키토산 올리고당은 농업분야에 있어서 식물의 성장촉진제, 토양개량제 및 성장 조절제로 유용하고, 식품, 화장품, 의약, 시약 등의 분야에서 광범위하게 이용되고 있다.

이와같은 수용성 저분자 키틴, 키토산 및 키틴, 키토산 올리고당을 제조하는 방법은 진한 염산 등에 의한 산분해 또는 키틴아제, 키토산아제 등의 효소에 의한 분해방법이 많이 알려져 있다. 그러나, 이러한 방법들은 전처리-분해-후처리 공정이 복잡하고, 생산비용이 많이 드는 등의 결점이 있다.

이를 해결하기 위하여 본 발명자는 키틴이나 키토산을 증류수로 분산시킨 후 무기산이나 유기산으로 용해시키고, 여기에 광, 특히 자외선을 조사하여 저분자 키토산 및 키토산 올리고당을 제조하는 방법을 기 출원한 바 있다(특허출원 제98-32474호, 1998년 8월 11일자 출원).

이와같은 연구에 이어서 키틴이나 키토산 외의 셀룰로오스, 녹말 등과 같은 다당류를 저분자화하거나 올리고당으로 제조하기 위해 계속적으로 연구노력한 결과, 키틴이나 키토산 외의 다당류 또한 적당한 용매에 일정 농도로 용해한 후, 광이나 초음파를 조사함으로써 저분자 다당 및 그의 올리고당을 제조할 수 있음을 알게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 키토산이나 키틴 뿐만 아니라 셀룰로오스 및 그의 유도체, 녹말 및 그의 유도체, 글리코겐 및 그의 유도체, 알긴산 및 그의 유도체, 헤파린, 히알루론산 등과 같은 다당류를 물, 무기산 또는 유기산에 일정농도로 용해한 후, 여기에 광 또는 초음파를 조사함으로써 저분자 다당류 및 그의 올리고당을 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.

이와같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 저분자 다당류 및 그의 올리고당의 제조방법은 다당류를 일정 농도로 용매에 녹여 다당 용액을 조성하는 단계; 상기 다당 용액에 광 또는 초음파를 조사하여 저분자 다당류 및 올리고당을 제조하는 단계로 이루어진 것을 그 특징으로 한다.

이와같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서 저분자화 할 수 있는 다당류의 구체적인 예로는키틴, 키틴, 키토산을 비롯하여 셀룰로오스 및 그 유도체, 녹말 및 그 유도체, 글리코겐 및 그 유도체, 헤파린, 히알루론산, 알긴산, 검, 펙틴을 들 수 있다. 검으로는 잔탄검 또는 구아 검을 사용할 수 있다.

키틴은 기 언급한 바와 같이 새우, 게, 오징어 뼈 등 생체 내에 단백질과 함께 존재하고 있어서 알카리와 산처리에 의해 제조되며, 키토산은 공업적으로 알카리 처리하여 N-아세틸화하여 농업, 식료품, 농약, 기타 공업제품의 원료로 사용된다.

헤파린은 선형의 음이온 탄수화물로서, 글루코오스아민(GlcN)과 요산(uronic acid)으로 이루어진 다성분 불균일 물질이다. 헤파린은 분자량에 따라 생리활성도가 다르며 고분자량의 헤파린은 혈액응고 억제효과를 나타내는 반면 저분자량의 헤파린은 항-Xa 활성을 낸다고 알려져 있다(Barrowcliffe, T.W. et al, J.Hasmatol, 41, 573(1979)). 또한, 저분자 헤파린은 혈전증의 예방에 그 사용이 증가하고 있다.

한편, 분별하지 않는 고분자량의 헤파린은 혈장에서 혈소판의 응집이나 접착을 일으키는 반면 저분자량의 헤파린은 혈관과의 적합성이 우수하기 때문에 혈장에서 혈소판의 응결이나 접착을 일으키지 않는 것으로 알려져 있다(Muuasaky, S., et al., Chem. Pharm. Bull., 30, 3770(1982)).

헤파린을 저분자화하는 방법으로는 통상 질산용액으로 탈아민화(deamine)하고 말단기를 2,5-언하이드로만노스 또는 2,5-언하이드로만니톨로 환원하는 방법을 사용하여 왔다. 또는 과산화수소 등으로 라디칼 분해하는 방법도 사용된다.

그리고, 셀룰로오스는 지구상에서 가장 대량으로 존재하는 다당류로서, 예로부터 의류, 종이 등에 이용되어져 왔다. 그러나, 셀룰로오스는 분자간 수소결합 때문에 용해성이 문제가 있어서 그 가공법이 매우 협소하였다. 그나마 몇몇 분야에 사용될 수 있었던 것도 특수한 알카리성 수용액에 용해되면서 부터이다. 한편, 카복시메틸셀룰로오스(CMC)와 같은 유도체를 만들어 사용하는 경우에도 회합이나, 겔화되기 쉽다.

따라서, 천연 셀룰로오스를 카르복실메틸화하여 일정 비율의 치환기를 도입하면 용이하게 수용성 유도체를 얻을 수 있고, 이는 식품, 의약, 섬유, 화장품, 종이 등의 분야에 이용되고 있다. 또한, 미결정 셀룰로오스를 산에 의해 가수분해하여 중합도 200 정도로 저분자화합물으로써 의약품의 제형형성조제, 고분자 충진제, 여과조제 등 다양한 범위에 사용하고 있다.

한편, 알긴산은 육지식물인 셀룰로오스에 비할 수 있는 해양식물의 다당류로서 갈조류의 세포막 및 세포막 사이의 물질을 구성하는 것으로서, 그 구성체의 30%를 점하고 있어 해양에서 가장 유용한 자원이다. 알긴산은 현재 식품제조, 의료용 소재, 제지공업, 염색 공업의 분야에서 증점, 안정, 유화 등의 기능성 물질로서 널리 이용되고 있다. 최근에 주목하고 있는 것은 수용성 알긴산으로서, 수용성 알긴산은 항종양성 등 보건, 의료분야에 탁월한 효과를 보이고 있다. 수용성 알긴산은 분자량이 3만 내지 4만의 저분자량을 갖는 물질이다.

이와같은 저분자 다당류 및 올리고당을 제조하는 방법으로는 현재까지는 진한 염산 등에 의한 산분해 또는 효소에 의한 분해방법이 많이 알려져 있다. 그러나, 이러한 방법은 전처리-분해-후처리 과정이 복잡하고 생산비용이 비싼 단점이 있다.

본 발명에서는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 상기와 같은 다당류를 일정농도로 용매에 녹이고 이 용액에 광 또는 초음파를 조사하여 단순한 방법으로 저분자화 및 올리고당화하도록 한다.

기 출원에서, 키틴이나 키토산 또한 저분자화 및 올리고당화하는 방법에 있어서, 키틴이나 키토산으로는 새우껍질이나 게껍질 등을 염산으로 처리하여 얻은 키틴을 탈아세틸화하여 얻은 α-키토산, 또는 갑오징어 뼈 등을 가성소다로 처리하여 제조한 β-키토산을 사용한다. 바람직하게는, 본 발명에서 사용되는 키토산은 0∼100%의 탈아세틸화도, 200∼30,000 정도의 중합도를 나타낸다. 이와는 달리, 키토산은 시판 중에 있는 제품을 사용해도 무방하다.

본 발명에서 키토산을 용해시키는 데 사용되는 무기산은 황산, 염산, 인산, 질산 등을 들 수 있고, 그 중에서도 염산이 바람직하다. 그리고, 유기산은 초산, 주석산, 살리실산, 시트르산, 하이드록시초산, 링고산, 프로피온산, 포름산, 젖산, 글리세린산, 아스코르브산, 크엔산, 술퍼아민산, 벤조산, 소르빈산, 글루탈산 및 글루탐산 등을 들 수 있고, 이중에서 초산, 살리실산, 벤조산, 소르빈산이 바람직하다. 또한, 키토산을 용해시키는 데 사용되는 산의 농도는 키토산의 아민기에 대하여 0.5∼10배 몰을 사용할 수 있고, 그 중 클루코오스 아민 단위 몰에 대하여 동일 몰을 사용하는 것이 바람직하다.

제조시 사용되는 키토산 용액의 농도로는 0.5∼10중량%가 바람직하며, 10중량%를 초과하여 사용하더라도 무방하다.

한편, 제조시 질소가스, 탄산가스, 헬륨가스, 아르곤가스 등의 불활성기체 분위기에서 실시할 수 있으나, 불활성 기체 분위기에서 실시하지 않아도 무방하다. 다만, 키토산을 용해하는 산이나 자외선을 조사할 때의 온도에 따라서 불활성 기체 분위기에서 실시할 수 있으나, 불활성 기체 분위기에서 실시하지 않아도 무방하다. 다만, 키토산을 용해하는 산이나 자외선을 조사할 때의 온도에 따라서 불활성 기체를 사용함으로써 제조물품의 변색 등을 방지할 수 있다.

다당류의 저분자화 및 올리고당화 하는 데 있어서, 다당류를 용매에 용해시키는 경우 다당류의 종류에 따라 용해시키는 용매가 달라질 수 있다.

구체적으로는, 수용성 다당류인 경우는 용매로서 상기와 같은 유기산이나 무기산을 사용하지 않고 증류수를 사용할 수 있다.

셀룰로오스와 그 유도체를 용해시키는 데 바람직한 용매로는 벤질트리메틸암모늄, N-메틸몰피린-N-옥시드, 디메틸설폭사이드(DMSO), SO₂-아민, N₂O₄-DMSO, 파라포름알데히드-DMSO, 증류수 등을 사용할 수 있다.

키틴의 경우에는 LiCl-DMSO, 디메틸아세트아미드, N-메틸피롤리돈, 헥사플루오로-2-프로판올, 헥사플루오로아세톤, 트리클로로초산-디클로로에탄 등을 사용하며, 수용화할 수 있는 유도체의 경우는 증류수를 사용한다.

알긴산의 경우에는 증류수와 알카리 수용액을 사용할 수 있다.

헤파린의 경우에는 증류수 또는 포름산을 사용한다.

상기와 같이 키토산을 비롯한 다당류를 일정 용매에 녹여 다당 용액을 제조한 다음, 여기에 광 또는 초음파를 조사하여 저분자 키토산 및 그의 올리고당을 제조하도록 하는 바, 제조시 사용되는 광은 감마선, 자외선, 전자선 등을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 자외선이다.

광의 조사는 자외선의 경우 190∼340nm의 것을 사용하는 것이 바람직하고, 감마선의 경우 50∼580Kev인 것이 바람직하며, 전자선으로는 10Kev∼1Mev인 것을 사용하여 수행하는 것이 바람직하다. 그리고, 광의 조사온도는 4∼80℃이며, 실온에서 수행하는 것이 바람직하다.

광 조사 시간은 광의 강도에 따라 다르며 자외선의 경우 1∼240시간이 바람직한데, 고에너지의 감마선이나 전자선의 조사 시간이 길어지면 변색, 변질되는 문제가 발생될 수 있다.

한편, 광의 조사는 자외선, 감마선 또는 전자선 발생장치를 시료용액에 가까이 놓고 조사하거나 용액중에 담가 조사할 수 있다.

한편, 초음파 조사시 주파수 15∼100KHz인 것을 출력 100∼4800W되도록 1∼72시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.

만일, 초음파 조사시 주파수, 출력이나, 조사 시간이 상기 범위를 초과하는 경우 변색, 변질되는 문제가 발생될 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같은 바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

키토산 1.5g(9.3mol 아미노기)을 100g의 이온교환수에 현탁시킨 후 0.6g(9.3mol)의 초산을 첨가하여 상온에서 팽윤시켰다. 이렇게 만든 용액을 파장이 190∼340nm인 자외선(high pressure mercury lamp)을 이용하여 2시간 동안 조사함으로써 저분자 키토산 및 올리고당을 제조하였다. 그리고, 저분자 키토산 및 올리고당은 분해한 그대로의 용액, 동결건조 또는 분무건조시켜 분말을 얻었다.

[실시예 2∼7]

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 다만 자외선 조사시간을 각각 4, 12, 18, 24, 36 및 72시간으로 변경하였다.

[실시예 8]

상기 실시예 1의 방법으로 얻어진 저분자 키토산 및 올리고당을 트리에틸아민을 가한 증류수-메탄올 혼합용액에 분산시키고 무수초산을 가하여 N-아세틸화하여 저분자 키틴 및 그의 올리고당을 제조하였다.

[실시예 9]

키토산 2g을 이온교환수 96g에 현탁시키고 초산을 2g 첨가하여 상온에서 팽윤시킨 용액을 파장 190∼340nm인 자외선을 12시간 조사하여 키토산 분해물을 제조하였다. 그리고, 분해물은 분해한 그대로의 용액 또는 동결건조 또는 분무건조하여 사용하였다.

[실시예 10∼12]

상기 실시예 9와 동일한 방법으로 제조하되, 다만 자외선 조사시간을 각각 24, 36 및 72시간으로 변경하였다.

[실시예 13]

상기 실시예 9와 동일한 방법으로 제조하되, 다만 카르복시메틸 셀룰로오스 2g을 이온교환수 98g에 용해시킨 것을 사용하였다.

[실시예 14]

상기 실시예 9와 동일한 방법으로 제조하되, 다만 알긴산 2g을 이온교환수 98g에 용해시킨 것을 사용하였다.

[실시예 15]

상기 실시예 9와 동일한 방법으로 제조하되, 다만 헤파린 2g을 사용하였다.

[실시예 16]

카르복시메틸셀룰로오스 2g을 이온교환수 100g에 용해시키고 이 용액을 파장 190∼340nm인 자외선(high pressure mercury lamp)으로 12시간 조사하여 카르복실메틸셀룰로오스 분해물을 제조하였다. 그리고, 분해물은 분해한 그대로의 용액 또는 동결건조 또는 분무건조하여 사용하였다.

[실시예 17∼19]

상기 실시예 16과 동일한 방법으로 제조하되, 다만 자외선 조사시간을 각각 12, 24, 36, 72시간으로 변경하였다.

[실시예 20]

상기 실시예 16과 동일한 방법으로 제조하되, 다만 자외선 파장을 190∼340nm로 조사하였다.

[실시예 21]

상기 실시예 16과 동일한 방법으로 제조하되, 다만 시료로 녹말을 사용하였다.

[실시예 22]

상기 실시예 16과 동일한 방법으로 제조하되, 다만 자외선을 대신하여 주파수 20kHz, 1000W 용량으로 2시간 동안 25℃ 온도 되도록 초음파를 조사하였다.

[실시예 23∼26]

상기 실시예 22와 동일한 방법으로 제조하되, 다만 초음파 조사 시간을 각각 4, 12, 18, 24시간으로 변경하였다.

[비교예 1]

상기 실시예 9와 동일한 방법으로 제조하되, 다만 자외선을 조사하지 않았다.

[비교예 2]

상기 실시예 13과 동일한 방법으로 제조하되, 다만 자외선을 조사하지 않았다.

[비교예 3]

상기 실시예 14와 동일한 방법으로 제조하되, 다만 자외선을 조사하지 않았다.

[비교예 4]

상기 실시예 15와 동일한 방법으로 제조하되, 다만 자외선을 조사하지 않았다.

[비교예 5]

상기 실시예 16과 동일한 방법으로 제조하되, 다만 자외선을 조사하지 않았다.

[비교예 6]

상기 실시예 21과 동일한 방법으로 제조하되, 다만 자외선을 조사하지 않았다.

[실험예]

상기 실시예 및 비교예에 따라 얻어진 분해물 및 그의 올리고당의 평균 분자량 및 수율을 GPC(Gel permeation chromatography)로 분석하였다. 이때, 컬럼으로는 Shodex OHpakSB-801+SB-802+SB-803(7.5mm ID×300mm L)을 사용하였고, 용출액은 키토산의 경우는 0.2% 초산(0.1M NaCl 포함)을 사용하였으며, 그외는 0.1M 인산완충용액을 사용하였다. 유속은 0.8㎖/min으로 조정하여 분석하였다.

그 결과를 다음 표 1에 나타낸 바와 같다.

구분	수율(%)	중량평균분자량(Mw)
실시예	1	100	120,000
	2	100	85,000
	3	100	34,000
	4	100	20,000
	5	100	12,000
	6	100	8,000
	7	100	2,000
	8	100
	9	100	34,000
	10	100	20,000
	11	100	12,000
	12	100	8,000
	13	100	42,000
	14	100	52,000
	15	100	4,200
	16	100	34,000
	17	100	20,000
	18	100	12,000
	19	100	8,000
	20	100	120,000
	21	100	42,000
	22	100	52,000
	23	100	31,000
	24	100	12,400
	25	100	10,000
	26	100	7,400
비교예	1		620,000
	2		540,000
	3		670,000
	4		15,000
	5		620,000
	6		540,000

상기 표 1의 결과로부터, 본 발명에 따라 광이나 초음파를 이용한 단순 공정으로도 효과적으로 저분자 다당류 및 그의 올리고당을 제조할 수 있음을 알 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 종래의 진한 염산 등에 의한 산분해나 효소 등에 의한 분해법과 같이 복잡한 분해공정 및 후처리공정을 거침없이 광, 특히 자외선, 또는 초음파를 이용하여 간단하게 저분자 다당류 및 그의 올리고당을 제조할 수 있으므로, 제조공정이 간단해지고 제조비용이 절감되는 효과를 얻을 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만 해당기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

다당류를 일정 농도로 용매에 녹여 다당 용액을 조성하는 단계;

상기 다당 용액에 광 또는 초음파를 조사하여 저분자 다당류 및 올리고당을 제조하는 단계로 이루어진 저분자 다당류 및 올리고당의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

다당류로는 키틴, 키토산, 셀룰로오스, 녹말, 글리코겐, 헤파린, 히알루론산, 알긴산, 잔탄검, 구아검, 펙틴 및 그의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하는 저분자 다당류 및 올리고당의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

광으로는 자외선, 감마선 또는 전자선 중에서 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하는 저분자 다당류 및 올리고당의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

광 조사는 190∼340nm의 자외선, 50∼580Kev의 감마선 또는 20Kev∼1Mev의 전자선 중에서 선택된 광을 사용하여 4∼80℃에서 1∼240시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 저분자 다당류 및 올리고당의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

초음파 조사는 주파수 15∼100KHz, 출력 100∼4800W로 1∼72시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 저분자 다당류 및 올리고당의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

다당류 용액은 농도 0.5∼10% 되도록 조성된 것을 특징으로 하는 저분자 다당류 및 올리고당의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

용매로는 증류수, 황산, 염산, 인산, 초산, 주석산, 살리실산, 시트르산, 하이드록시초산, 링고산, 프로피온산, 젖산, 글리세린산, 아스코르브산, 크엔산, 술퍼아민산, 벤조산, 소르빈산, 글루탈산, 글루탐산, 벤질트리메틸암모늄, N-메틸몰피린-N-옥시드, 디메틸설폭사이드, SO₂-아민, N₂O₄-디메틸설폭사이드, 파라포름알데히드-디메틸설폭사이드, LiCl-디메틸설폭사이드, 디메틸아세트아미드, N-메틸피롤리돈, 헥사플루오로-2-프로판올, 헥사플루오로아세톤, 트리클로로초산-디클로로에탄 및 포름산으로 이루어진 군으로부터 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하는 저분자 다당류 및 올리고당의 제조방법.