JP4759151B2

JP4759151B2 - 不均一な系による低分子化キトサンの製造法

Info

Publication number: JP4759151B2
Application number: JP2001040758A
Authority: JP
Inventors: 進小田中; 博八子
Original assignee: Nippon Suisan KK
Current assignee: Nippon Suisan KK
Priority date: 2001-02-16
Filing date: 2001-02-16
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2021-02-16
Also published as: JP2002241404A

Description

【０００１】
【産業の属する技術分野】
本発明は亜硝酸や過酸化水素などの酸化剤を使用せずに、広く工業的に利用されている塩酸を用いて、キトサンを溶解させることなく不均一な系で低分子化キトサンを製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
キトサンはカニやエビなどの甲殻類の甲殻、イカの骨格、菌類の細胞壁に含まれるキチン質を高温で、高濃度のアルカリで脱アセチル化して得られる陽イオン性高分子多糖である。その特徴は水に不溶、塩酸や硝酸などの無機酸、酢酸や乳酸などの有機酸に可溶で、タンパク質や菌体の凝集、ウランなどの重金属の吸着、浅漬けなどの日持向上、化粧品の保湿並びに帯電防止などに利用されている。また、最近では生理機能の研究が進み、コレステロール低下作用、血圧降下作用、腸内菌叢の調整作用や腐敗物質の除去効果などが明らかになってきている。
【０００３】
一方、従来は高分子キトサンを材料とした生理研究が中心であったが、最近では低分子化キトサンに関しても研究が盛んになり、それに伴い、その機能が解明されつつある。一般に、キトサンは分子量数百万以上の高分体であり、非常に粘性が高く溶解性が悪いため高濃度溶液の調製には適さないので、様々な低分子化する技術がこれまでに提案されている。例えば、キチン段階での化学的低分子化法では特開平８−２０８７０７号公報や特開平８−４１１０６号公報があるが、キチンの分子量を数十万程度まで下げてしまうと、キトサン化の反応の際、高温と高濃度のアリカリの影響で褐変劣化したり、脱アセチル化に伴う分子量の低下などで任意の低分子化キトサンを得ることが非常に難しい。
【０００４】
また、キトサン段階の化学的低分子化法では特開昭５４−１４８８９０号公報、特開昭６０−１８６５０４号公報、特開昭６１−４０３０３号公報、特開昭６１−２１１０２号公報、特開平１−２８７１０２号公報、特開平１−１１１０１号公報、特開平２−２２３０１号公報、特開平３−２２０３号公報や特開平８−２０８７０８号公報）など多数あるが、多くは過酸化水素や亜硝酸、塩素などの酸化剤が用いられるため、酸化剤の濃度や反応時間、温度によってはキトサンの特徴であるアミノ基の脱落が起きたり、１０Ｍ以上の高濃度の塩酸では分解のコントロールが難しく、オリゴ糖などの低分子成分が多く生成したりするため、目的とする任意の低分子化キトサンの製造には適さない。
【０００５】
また、酵素的低分子化法では、特昭６２−３０１０３号公報、特開昭６３−９８３９５号公報、特開平１−２９１７９９号公報、特開平２−２００１９６号公報、特開平２−２０２９２号公報、特開平３―１６４１９１号公報、、特開平４−９９４９３号公報があるが、一般に酵素の反応性を最大限に発揮するには溶解し反応する必要があり、また、後工程でのろ過、濃縮や凍結あるいは噴霧乾燥などで手間がかかり、作業の煩雑さと製造コストの負担になる。また、原料となるキトサンは高分子であるため高濃度での反応は難しい。
【０００６】
また、キトサン分解能を有するパパインやリパーゼ等の酵素製剤は純度が低く、目的とする分子量に到達させるためには添加量を増やしたりするので、最終製品に残らないように夾雑する成分を丁寧に除去する必要があったり、夾雑成分とキトサンが反応しメイラード現象を起す心配や添加量を減らせば反応時間もかかり適当な方法とは言えない。更に、市販されている純度の高い分解酵素も入手可能になりつつあるが非常に高価であり、安価に低分子化キトサンを提供する目的には適当ではない。また、物理的低分子化方法では特開平９−３１１０５号公報があるが、大掛りで特殊な装置が必要であり、ランニングコストを含め他の方法に比べて有効とも言えない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
低分子化キトサンにおける食品や化粧品、医薬などの幅広い分野への利用を考慮した場合、より安全性の高い方法で、しかも安価に提供できることが必要であり、従来の方法では充分とは言えなかった。
そこで、本発明は、効率的に、従来に比べ品質の高い安全な低分子化キトサンを製造することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そこで、これらの課題を解決するため、種々検討し創意工夫した結果、亜硝酸や過酸化水素などの酸化剤や高価な酵素を使用せずに、キトサンを溶解させることなく、効率的に、従来に比べ品質の高い安全な低分子化キトサンが容易に提供できる方法を発明した。本発明は塩酸下、キトサンを溶解させることなく不均一な系で加水分解することを特徴とする低分子化キトサンの製造方法である。
【０００９】
本発明は、キトサンを溶解することなく不均一な系を撹拌しながら、塩酸下でキトサン粒を加水分解すること、加水分解後、有機溶媒を添加し有機溶媒中で分離精製して、固体物として低分子キトサンを回収することを特徴とする低分子化キトサンの製造方法を要旨としている。
【００１２】
上記の製造方法において、加水分解後、有機溶媒中でｐＨ７〜１２に調整して低分子化キトサン遊離体を分離精製することを特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
キトサンはカニやエビの甲殻、イカの骨格、昆虫の外皮などいずれかを脱タンパク処理および脱灰処理してキチン質を精製し、さらに、それらを３０％以上の高濃度の苛性ソーダや苛性カリなどで加熱煮して得られる。これらキトサンは脱アセチル化度が７５％以上（コロイド滴定法）で、分子量は数百万以上に相当する。
【００１４】
目的物の低分子化キトサンは重量平均分子量１００万以下、１％濃度で５０〜２.５cps(mPa.s)の範囲にある。
【００１５】
使用する塩酸は安価で食品添加物として認められ、安全性が高く、しかも食品や医薬の製造において広く利用されている。
【００１６】
使用する原料の分子量は特に限定するものではなく、反応条件を任意に定めることで自由に選ぶことができるが，一般には分子量１００万以上のキトサンは安価で入手しやすいので原料として適当である。また、原料の形状は特に限定することはなく、一般的に数センチ〜数ミリが適当である。
【００１７】
実施例では、３．５ｍｍ以下の粒径のものを使用した。まず、塩酸濃度と各温度におけるキトサンの溶解性について１例として表１にまとめたものである。表１は高分子キトサン１０部に塩酸１００部で、塩酸濃度０．５〜２０．０％、温度２０〜８０℃の条件下における溶解性を示している。
【００１８】
【表１】

【００１９】
表１によると、２０〜３０℃付近の温度の場合、３％以下の塩酸濃度下で膨潤或いはゲル化し、４％以上の塩酸濃度であれば、ほとんど溶解することはない。４０〜５０℃付近の温度の場合、４％以下の塩酸濃度下で膨潤或いはゲル化を起こし、５％以上の塩酸濃度であれば、ほとんど溶解することはない。６０〜７０℃であれば５％以下の塩酸濃度下で膨潤或いはゲル化し、６％以上であればほとんど溶解することはない。８０℃以上であれば６％以下の塩酸濃度下で膨潤或いはゲル化し、７％以上であればほとんど溶解することはない。
【００２０】
短時間で分子量を低下させるには、高温で、しかも高濃度の塩酸下で分解することが望ましく、長時間の分解反応でもかまわなければ、例えば低温で分解すれば良い。例えば、６％塩酸、８％塩酸および１０％塩酸における各温度条件下の経時変化について図１、図２及び図３に示した。いずれもキトサンが溶けることなく分解が進行し、分解初期において速やかに低分子化され、分子量１０〜３万まで分解可能であることが認められた。
【００２１】
使用する塩酸は５％以上の塩酸濃度で原料キトサンに対して５倍以上で、撹拌を利用するには１０〜３０倍以上が好ましい。分解時間は特に限定されるものではなく、分解途中でサンプリングし、粘度法や近年、普及している高速液体クロマトグラフィーを用いたＧＰＣ法（ゲルパーミエーション法、例えば昭和電工株製Asahipack ＧＦ-７ＭＨＱカラム又は東ソー株製TSKgelG 4000Hカラム等、溶離液：０．２Ｍ酢酸緩衝液、ＲＩ検出器、標準試料：昭和電工製プルラン）で分子量を測定し、分解を終了とする。終点とする任意の分子量とは１００万以下を指し、好ましくは６０〜３万であり、粘度で言えば、１％濃度で５０〜２．５ｃｐｓ（mPa.s）の範囲にある。
【００２２】
分解終了とした後、耐酸性で濾布が内装されたバケット式遠心脱水機叉はヌッチェ等の濾過器で固形物を回収し（以下、固液分離と称す）、赤色のアスタキサンチン色素の除去とアルカリを加えて中和する際、塩酸濃度が低下しキトサンが溶解するのを防ぐため、直ちに、有機溶媒としてエチルアルコールを加え撹拌し、充分に含浸させる。この時、４０〜５０℃に加温してもかまわない。
【００２３】
図４には赤橙色のキトサン５ｇに対しエタノール１００ｍｌを加え、撹拌し静置後、上清の吸光度（４７０ｎｍ）を測定したものでエタノール濃度とアスタキサンチンの溶出曲線を表したものであるが、最終濃度７０％前後になるようにエタノールを添加すれば、色素の溶出が最大となり効率良く除去できることを示している。
【００２４】
続いて同様に固液分離を行ない固形物を回収し、エチルアルコールで洗浄を繰り返し、減圧乾燥して低分子化キトサン塩酸塩が得られる。
【００２５】
又は、エチルアルコールによる洗浄時において、撹拌しながら苛性ソーダや苛性カリを添加しｐＨ８〜１０に中和調整後、固液分離を行ない、水洗、脱水し、常圧又は減圧乾燥して低分子化キトサン遊離体が得られる。
【００２６】
有機溶媒としては食品向けには広く汎用しているエチルアルコールが望ましく、それ以外にメチルアルコール、イソピルアルコールやアセトンなども用途によってはかまわない。これら使用したエチルアルコール等の溶剤は蒸留し再利用することで環境負荷およびコスト削減が可能である。
【００２７】
【作用】
一般にキトサンは水やエチルアルコールやアセトンなどには不溶であり、塩酸や酢酸、乳酸、クエン酸、アスコルビン酸、グルコン酸などの無機酸や有機酸などの酸に可溶で、構成糖であるグルコサミンに対し同モル量以上の希酸で容易に溶解することができる。それに対し、キトサンは過剰の酸の存在下では、ほとんど溶解することはない、その代わりに経時的変化としてキトサン分子鎖の断片化が起きやすい。この事実に基づいて低分子化キトサンの製造に応用し、酸に溶解させることなく不均一な系での塩酸分解条件とそれら精製条件を種々検討した結果、塩酸濃度、温度や時間などにおいて実用可能なレベルの分解条件で目的とする低分子化キトサンが得られ、しかも、品質に関わるアミノ基の影響もなく、また、不均一系なので回収精製も非常に好都合である。
【００２８】
食品工業などで広く利用され、安価に入手可能な塩酸を使用し、キトサンを溶解させることなく分解するため、濃縮や噴霧乾燥など複雑な後工程が必要でなく、また、溶解法では困難であった高濃度での反応ができることから、大量にしかも安価に任意の低分子化キトサンが提供できる。さらに、酸化剤等の処理で心配されたアミノ基の減少もなく、品質の高い低分子化キトサンが提供できる。
【００２９】
【実施例】
本願発明の詳細を実施例で説明する。本願発明はこれら実施例によって何ら限定されるものではない。
【００３０】
実施例１
（低分子化キトサン遊離体）
高分子キトサン（製品名：フローナックＮ、外観：赤橙色、アミノ基８４．８％、粘度３５５cps/０.５％、灰分０.８％、水分７.１％、粒度３.５mm以下のフレーク）１００ｇに対し、８％塩酸１,０００ｇを加え、撹拌しながら、５０℃、３時間分解した。柴田科学製ガラスフィルターP160で濾過し固形物を回収する。最終濃度７０％になるようにエチルアルコールを加え、しばらく含浸させた後、上清を除去し、エチルアルコール５００mlを足してから、苛性ソーダでｐＨ１０に調整する。その後、ｐＨ７付近まで繰り返し水洗してから、５０℃で１０時間常圧乾燥した。その結果、外観は淡黄褐色、脱アセチル化度８９.３％、重量平均分子量３６.０万、灰分０.０％、水分８.５％、フレーク状の低分子キトサン９２ｇを得た。なお、アミノ基の含有量の低下は認められず、脱アセチル化度はやや高くなった。
【００３１】
実施例２
（低分子化キトサン遊離体）
高分子キトサン（製品名：フローナックＮ、外観：赤橙色、脱アセチル化度８４.８％、粘度３５５cps（０.５％）、灰分０.８％、水分７.１％、粒度３.５mm以下フレーク状）１００ｇに対し、１０％塩酸１,０００ｇを加え、攪拌しながら、５０℃、８時間分解した。柴田科学製ガラスフィルターP160で濾過し固形物を回収する。最終濃度７０％になるようにエチルアルコールを加え、しばらく含浸させた後、上清を除去し、エチルアルコール８００mlを足してから、苛性ソーダでｐＨ１０に調整する。その後、ｐＨ７付近まで繰り返し水洗してから、５０℃で１０時間常圧乾燥した。その結果、外観は淡黄褐色、脱アセチル化度８７.５％、重量平均分子量１３.２万、灰分０.２％、水分４.９％、フレーク状の低分子キトサン８０.４ｇを得た。なお、アミノ基の含有量は低下せず、脱アセチル化度はやや高くなった。
【００３２】
実施例３
実施１および実施２の比較として酸化剤によるアミノ基すなわち脱アセチル化度の影響について実施した。中分子キトサン６００ｇに対し、水１５Lと３５％Ｈ₂Ｏ₂ ３０ｇを添加し、撹拌しながら５０℃で３時間分解したところ、脱アセチル化度が９６.８％から９４.０％に低下した。また、中分子キトサン１.１kgに対し、水１８Lと３５％Ｈ₂Ｏ₂ ８０ｇを添加し、攪拌しながら５０℃で８時間分解したところ、脱アセチル化度が９８．４％から９５．２％に低下した。以上のように酸化剤を使用すると、キトサンの性質を著しく影響するものではないが、アミノ基すなわち脱アセチル化度に影響することが認められた。
【００３３】
実施例４
（低分子化キトサン塩酸塩）
高分子キトサン（製品名：フローナックＮ、外観：赤橙色、脱アセチル化度８４.８％、粘度３５５cps（０.５％）、灰分０.８％、水分７.１％、粒度３.５mm以下フレーク状）１００ｇに対し、１０％塩酸１,０００ｇを加え、撹拌しながら、５０℃、６時間分解した。柴田科学製ガラスフィルターP160で濾過し固形物を回収する。最終濃度７０％になるようにエチルアルコールを加え、しばらく含浸させた後、上清を除去し、エチルアルコールで繰り返し洗浄してから、５０℃で６時間減圧乾燥した。その結果、外観は淡黄褐色、重量平均分子量１４.４万、灰分０.１％、水分３.０％、ＰＨ３.９/１％、フレーク状の低分子キトサン塩酸塩１２０.３ｇを得た。
【００３４】
【発明の効果】
大量にしかも安価に任意の低分子化キトサンを提供することができる。さらに、酸化剤等の処理で心配されたアミノ基の減少もなく、品質の高い低分子化キトサンが提供できる。
これにより安全性が高く、工業規模で安価に低分子化キトサンが製造でき、食品や化粧品、医薬などへの利用拡大が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】６％塩酸における各温度条件下の経時変化を示す図面である。
【図２】８％塩酸における各温度条件下の経時変化を示す図面である。
【図３】１０％塩酸における各温度条件下の経時変化を示す図面である。
【図４】エタノール濃度とアスタキサンチンの溶出曲線を表した図面である。

Claims

キトサンを溶解することなく不均一な系を撹拌しながら、塩酸下でキトサン粒を加水分解すること、加水分解後、有機溶媒を添加し有機溶媒中で分離精製して、固体物として低分子キトサンを回収することを特徴とする低分子化キトサンの製造方法。
加水分解後、有機溶媒中でｐＨ７〜１２に調整して低分子化キトサン遊離体を分離精製する請求項１の低分子化キトサンの製造方法。
低分子化キトサンが重量平均分子量１００万以下、１％濃度で５０〜２.５cps(mPa.s)の範囲にある請求項１または２の低分子化キトサンの製造方法。