KR0164881B1

KR0164881B1 - 저분자량 수용성 키토산의 제조방법

Info

Publication number: KR0164881B1
Application number: KR1019940019757A
Authority: KR
Inventors: 전동원; 정은주
Original assignee: 전동원
Priority date: 1994-08-11
Filing date: 1994-08-11
Publication date: 1999-01-15
Also published as: KR960007620A

Abstract

본 발명은 수분이 존재하는 상태에서, 초산, 과산호수소 및 황산의 혼합액중에서 키토산을 가열함으로써 저분자량 수용성 키토산을 제조하는 방법에 관한 것으로, 과량의 초산, 과산화수소 및 황산을 사용하는 대신 적정량의 물을 첨가시켜 줌으로서 키토산의 저분자 공해유발의 가능성을 감소시켜 주는 경제적인 저분자량 수용성 키토산의 제조방법을 제공한다.

Description

저분자량 수용성 키토산의 제조방법

본 발명은 수분이 존재하는 상태에서, 초산, 과산화수소 및 황산의 혼합액중에서 키토산을 가열함으로써 저분자량 수용성 키토산을 제조하는 방법에 관한 것이다.

1980년대 중반부터 산업분야에서 키토산의 다양한 용도가 밝혀지기 시작하면서 특정 용도 및 응용분야에 부합되는 고유한 물성을 갖는 키토산 원료와 그 유도체의 개발이 활기를 띄기 시작했으며, 키토산은 폐수처리, 농업, 식음료품, 화장품, 보건위생, 섬유, 의약품 등과 관련한 응용분야들에서 응집제, 무공해 농약, 식품보존제, 수술용 봉합사, 피부보호제, 콜레스테롤 강하제 또는 항암제 등으로 매우 광범위하게 사용되고 있다.

그러나 수용성 키토산의 제조과정에서 볼 때 하기와 같은 다수의 문제점들이 아직도 해결되지 않고 있는 실정이다. 즉, 1) 저분자량 수용성 키토산의 제조에서 사용되었던 출발 키토산의 품위를 가늠할 수 없다. 저분자량 수용성 키토산의 가장 중요한 특성은 저분자량을 가지면서 중성의 물에 가용성이기 때문에 식품 첨가물, 화장품 첨가물, 의약품 등으로 유용하게 사용될 수 있다는 점이다. 식품에 첨가되는 경우는 굳이 임상의학용이 요구되지 않기 때문에 순도가 그리 중요시 되지 않으나 화장품류에 첨가되려면 순도가 향상된 것이 요구되며 특히 의약품에는 고순도의 임상의학용 키토산이 요구되고 있다. 저분자량 수용성 키토산은 중성의 물에 가용성이기 때문에 의약품에서 사용되는 경우 경구투여제 뿐만 아니라 주사제로서의 사용가능성도 타진되고 있다. 키토산이 주사제로서 사용되려면 기존의 임상의학용을 넘어서는 고순도가 만족되어야 한다. 그러나 지금까지 기 공고된 특허들에서는 저분자량 수용성 키토사의 제조에 사용되는 출발 키토산의 품위에 대한 언급이 전혀 없기 때문에 수득되는 저분자량 수용성 키토산은 각종 건강 증진 분야나 의약품 분야의 사용에서 제한을 받고 있다.

2) 저분자량 수용성 키토산의 제조과정에서 과량의 초산, 과산화수소 및 황산이 사용되고 있다. 키토산의 제조공정중 과량의 초산, 과산화수소 및 황산이 첨가되는 원인은 첫째, 출발 키토산의 품위가 낮아지면 초산, 과산화수소, 황산 혼합액에 키토산이 첨가되었을 때 용해가 어려워져서 저분자화 수용화 반응이 원활치 않게 되므로 반응성이 저하되기 때문이며, 둘째, 초산, 과산화수소, 황산의 첨가량이 적은 상태에서 키토산을 가하게 될 경우 키토산과 상기 혼합액이 서로 섞이지 않게 되어 키토산의 용해가 어려워지기 때문이다. 그러나 반응이 완료된 후 이와 같이 과량 첨가된 초산, 과산화수소 및 황산이 제거되는 과정에서 공해유발의 가능성이 크다.

저분자량 수용성 키토산을 제조하는 방법에 대하여 기 공개된 선행 특허로는 일본 공개 특허 제 평 5-230104호가 있으며, 상기 특허에서는 초산, 과산화수소 및 황산의 혼합액에 키토산을 첨가하여 일정시간 동안 가열함으로써 대략 평균분자량 10000 전후의 저분자량 수용성 키토산을 비교적 손쉽게 80% 이상의 높은 수율로 얻을 수 있다. 그러나 이 방법은 반응의 조절을 용이하게 하기 위해 키토산에 대하여 초산, 과산화수소 및 황산의 혼합액을 너무 과량으로 즉, 초산의 경우 키토산 100중량부에 대하여 220-320중량부, 과산화수소의 경우 키토산 1몰에 대하여 20-30몰을 첨가하므로 반응이 완료된 후 잔류하는 과량의 초산 및 과산화수소를 제거함에 따른 문제점 및 반응이 완결된 후 NaOH 수용액에 의한 중화과정에서 과량의 초산염이 생성되며, 과량 첨가된 과산화수소도 폐수에 포함되어 방류될 수 밖에 없어서 환경공해의 우려성이 야기될 수 있다.

이에 본 발명자들은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 연구한 결과 초산, 과산화수소 및 황산 혼합액에 출발 키토산의 저분자와 수용화 반응이 저지되지 않을 정도의 물을 첨가시킬 경우 출발 키토산의 저분자화 수용화 반응이 오히려 현저히 촉진되기 때문에 상기 혼합액에 키토산이 첨가되었을 때 점도상승에 의한 공정상의 어려움이 해결될 수 있고, 초산, 과산화수소 및 황산의 첨가량도 대폭 감소시킬 수 있다는 사실을 발견하게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.

즉, 본 발명의 목적은 초산, 과산화수소 및 황산 혼합액에 적정량의 물을 첨가함으로써 제조공정을 간단히 하면서도 높은 수율로 고품위의 수용성 키토산을 수득할 수 있는 우수한 제조법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 초산, 과산화수소 및 황산 혼합액에 과량의 물에 침지 또는 가열시킨 키토산을 첨가함으로써 제조공정을 간단히 하면서도 높은 수율로 고품위의 수용성 키토산을 수득할 수 있는 우수한 제조법을 제공하는 것이다.

이하 본 발명을 좀 더 상세히 살펴보면 다음과 같다/

본 발명에 따른 저분자량 수용성 키토산은 초산, 과산화수소, 황산 및 물로 이루어진 혼합물을 가열한 후 키토산을 첨가하고, 일정시간 다시 가열하여 저분자화 수용화 반응을 진행시키고, 상기 반응물을 냉각시킨 후 NaOH 수용액으로 알칼리화 하고 HCl 수용액으로 중화시켜서, 상기 수용액을 투석 및 여과후 동결건조시켜 제조된다.

본 발명에서 초산, 과산화수소 및 황산은 키토산 1몰에 대하여 각각 0.84 내지 5.7몰, 3.7 내지 18.8몰 및 0.02 내지 0.07몰의 범위로 첨가된다.

초산, 과산화수소, 황산 및 물의 혼합액의 전체 부피는 키토산 1몰에 대하여 800 내지 8100㎖로 한정하여 준다. 만일 초산, 과산화수소, 황산 및 물의 혼합액의 액량이 800㎖ 이하가 되면 첨가되는 키토산의 용해가 어려워지며 용해가 된다할지라도 점도가 너무 커져서 공정상의 어려움이 있으며 8100㎖ 이상이 되면 경제적이지 못하다. 특히 상기 혼합물 중 물의 부피는 키토산 1몰에 대하여 160 내지 1600㎖로 유지되어야만 유리하며 물이 과량 첨가되면 저분자화, 수용화 반응이 억제되어 수용성 키토산을 수득할 수 없다.

즉, 초산, 과산화수소, 황산 및 물의 혼합액 중 각 성분의 체적은 상기 혼합액의 총 체적에 대하여 각각 5 내지 33%, 30 내지 80%, 0.15 내지 05% 및 15 내지 65% 범위가 되도록 조정하여 주며 상기 혼합액에 키토산 첨가시 3 내지 4회에 걸쳐서 분할 첨가하면 키토산이 단시간내에 용해되면서 점도가 저하되기 때문에 교반이 용이하며 급격한 발열반응도 수반되지 않는다. 본 발명에서의 과산화수소는 35% 수용액을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 초산, 과산화수소, 황산 및 물의 혼합맥이 고루 혼합되면 35 내지 60℃로 상기 혼합맥을 가열한 뒤 키토산을 첨가한다. 키토산 첨가후 20 내지 30분 정도가 경과되면 저분자화 수용화 반응을 진행시키기 위하여 반응물을 다시 45 내지 75℃범위로 승온시켜서 3 내지 14시간동안 저분자화 수용화 반응을 진행시킨다. 반응이 완결되면 빙욕속에서 플라스크를 냉각시키면서 4 내지 10% 농도의 NaOH 수용액을 키토산 1몰에 대하여 160 내지 320㎖ 가하고 연이어 용액의 액성이 pH 8 내지 9 범위가 될 때까지 30∼40%(w/w) 농도의 NaOH 수용액을 가하여 중화시킨 다음, 다시 2N HCl 수용액으로 액성이 pH 7이 되도록 조절한다. 저분자화 수용화 반응이 완결된 용액내에는 초산, 과산화수소, 황산 혼합액 및 반응 개시와 함께 첨가된 물이 그대로 잔류하고 있어서 40% 농도의 NaOH 수용액을 사용하여 중화시켜도 키토산의 침전이나 고화가 수반되지 않는다.

중화과정에서 30∼40% 농도에 해당하는 고농도의 NaOH 수용액이 사용되기 때문에 중화가 완결된 후에 수용성 키토산이 용해되어 있는 수용액의 액량이 거의 증가되지 않는다. 중화가 완결되면 투석막을 이용하여 24시간동안 탈이온수 속에서 투석시킨 다음 여과하여 미량의 잔류 불순물을 제거한다. 잔류 불순물의 함량은 출발 키토산 중량에 대하여 0.1% 미만으로 측정되었다.

본 발명에서는 초산, 과산화수소 및 황산 혼합액에 적정량의 물을 직접 첨가하여 고루 혼합시킨 다음 키토산을 가하고 저분자화 수용화 반응을 진행시키는 방법 외에도, 과량의 물속에 키토산을 상온에서 5∼15시간 이상 침지시켰다가 여과하여 사용할 수 있다. 여과된 키토산에도 65 내지 85중량%의 물이 존재하므로 물을 직접 사용하는 것과 동일한 결과를 얻는다. 과량의 물속에서 키토산을 침지시 소정시간동안 가열시킬 경우 침지시간을 절약할 수 있으므로 40 내지 100℃로 1 내지 6시간동안 가열한 후 여과하여 사용할 수도 있다.

상술된 바와 같이 제조되는 본 발명에 따른 제조방법의 경우 종래 방법에 비하여 훨씬 적은 양의 초산, 과산화수소, 황산을 사용하여 반응시키므로 초산, 과산화수소, 황산의 사용량을 줄일 수 있으며, 반응 초기에 초산, 과산화수소, 황산 및 물의 혼합액에 키토산이 용해될 때 물이 첨가됨으로써 점도가 낮은 키토산 용액이 형성되므로 점도 상승에 의한 교반의 어려움이나 초기 발열 반응을 용이하게 조절하면서도 80% 이상의 높은 수율로 분자량 분포가 좁은 고품위의 수용성 키토산을 수득할 수 있다.

이하 본 발명을 하기 실시예를 통하여 좀 더 상세히 설명하나 본 발명의 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

기계적 교반기가 부착된 1ℓ 용량의 3구 플라스크에 물 50㎖, 초산 10㎖, 과산화수소(35% 농도) 60㎖ 및 황산 0.3㎖를 혼합 첨가한 후 상온에서 10분간 교반시키고 서서히 가열을 시작하여 45℃에 도달되면 임상의학용 키토산(게 갑각으로부터 추출된 키토산으로 석회질, 단백질 잔류함량이 각각 0.1% 미만, 탈아세틸화도 92% 이상, 점도 260cps, 1% 초산 용액, 1% 키토산 용액, 독일 Haake, RV20형 점도계) 20g을 2-3회에 나누어 서서히 첨가하여 30분간 교반시켰다. 30분간 교반 후 반응온도를 60℃로 상승시켜서 5시간동안 반응시켰다. 반응이 완료되면 1ℓ 용량의 비이커로 플라스크내의 내용물을 옮기고 빙욕속에 침지시킨 상태에서 10% 농도의 NaOH 수용액 30㎖를 가하고 연이어 용액의 pH가 8 내지 9 범위가 될 때까지 40% 농도의 NaOH 수용액을 가하였다. 다시 2N 농도의 HCl 수용액을 가하여 용액액성이 pH 7이 되도록 조절하였다. 중화가 완료된 용액은 투석막 Spectra/Por Membrane MWCO 1000을 사용하여 탈이온수 속에서 24시간동안 투석시키고 여과하여 동결건조시켜서 17.1g의 수용성 키토산을 수득하였다. 수득된 수용성 키토산을 1% 초산 용액을 이용하여 1% 키토산 용액을 제조하여 점도계(독일 Haake, RV 20형)로 점도를 측정한 결과 1.0cps를 나타내었다.

[실시예 2]

초산 20㎖ 및 과산화수소 100㎖로 변화시켜서 첨가하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 14.1g의 수용성 키토산을 수득하였다. 수득된 수용성 키토산의 점도는 1.1cps이었다.

[실시예 3]

물 30㎖, 과산화수소 80㎖로 변화시켜서 첨가하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 16.1g의 수용성 키토산을 수득하였다. 수득된 수용성 키토산의 점도는 1.2cps이었다.

[실시예 4]

반응온도를 65℃로 상승시키고 반응시간을 4시간으로 변화시켜서 반응시키는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 16.3g의 수용성 키토산을 수득하였다. 수득된 수용성 키토산의 점도는 1.0cps이었다.

[실시예 5]

반응온도를 75℃로 상승시키고 반응시간을 3시간으로 변화시켜서 반응시키는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 12.1g의 수용성 키토산을 수득하였다. 수득된 수용성 키토산의 점도는 0.95cps이었다.

[실시예 6]

기계적 교반기가 부착된 1ℓ 용량의 3구 플라스크에 키토산(게 갑각으로부터 추출된 키토산으로 석회질, 단백질 잔류함량이 각각 0.1% 미만, 탈아세틸화도 92% 이상, 점도 260cps, 1% 초산 용액, 1% 키토산 용액) 20g과 탈이온수 500㎖를 첨가하고 상온에서 12시간 교반후 여과하였다. 여과된 키토산을 다시 3구 플라스크에 넣고 초산 10㎖, 과산화수소 60㎖ 및 황산 0.3㎖를 가하고 상온에서 15 내지 20분간 교반시킨 다음 60℃로 상승시켜서 5시간 반응시켰다. 반응이 완결되면 40% 농도의 NaOH 수용액으로 중화시킨 다음 투석, 여과, 건조시켜 16.6g의 수용성 키토산을 수득하였다. 수득된 수용성 키토산을 1% 초산 용액으로 1% 키토산 용액을 제조하여 점도계(독일 Haake, RV 20형)로 점도를 측정한 결과 1.0cps를 나타내었다.

[실시예 7]

키토산 20g에 탈이온수 500㎖를 가하여 80 내지 100℃ 온도범위에서 3시간 가열한 후 여과하여 실시하는 것을 제외하고는 실시예 6과 동일하게 실시하여 16.8g의 수용성 키토산을 수득하였다. 수득된 수용성 키토산의 점도는 1.1cps이었다.

[실시예 8]

물을 첨가하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였으며 수용성 키토산의 수득이 불가능하였다.

[실시예 9]

물을 첨가하지 않은 것을 제외하고는 실시예 3과 동일하게 실시하였으며 수용성 키토산의 수득이 불가능하였다.

[실시예 10]

물을 첨가하지 않고 반응온도는 75℃에서 3시간 반응시키는 것을 제외하고는 실시예 3과 동일하게 실시하여 8.45g의 수용성 키토산을 수득되며 점도는 0.9cps이었다.

Claims

(i) 키토산 1몰에 대하여 초산 0.84 내지 5.7몰, 과산화수소 3.7 내지 18.8몰, 황산 0.02 내지 0.07몰 및 물로 이루어진 혼합물 800 내지 8100㎖을 가열하고, (ii) 상기 혼합물이 일정온도에 도달하면 게갑각 유래의 임상의학용 키토산을 가하고, (iii) (ii)에서 얻은 혼합물을 일정시간동안 다시 가열하여 키토산을 저분자화 수용화하고, (iv) (iii)에서 생성된 용액을 냉각후 NaOH 수용액으로 알칼리화하고 다시 HCl 수용액으로 중화시키며, (v) (iv)에서 얻은 수용액을 투석 및 여과한 후 동결건조시킴을 포함하는 저분자량 수용성 키토산의 제조방법.
제1항에 있어서, 키토산 1몰에 대하여 상기 물의 체적이 160 내지 1600㎖임을 특징으로 하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 초산, 과산화수소, 황산 및 물 혼합액의 합계 체적에 대하여 부피비로 상기 초산의 체적은 5 내지 33%, 상기 과산화수소의 체적은 30 내지 80%, 상기 황산의 체적은 0.15 내지 0.5% 및 상기 물의 체적은 15 내지 65%임을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 (i) 단계에서 35 내지 60℃로 가열함을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 (iii) 단계에서 45 내지 75℃로 3 내지 14시간 동안 가열함을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 (iv) 단계에서 NaOH 수용액을 사용한 알칼리화로서 초기에 4-10% NaOH 수용액을 사용하고, 이어서 30-40% NaOH 수용액을 가함을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 (i) 및 (ii)단계에서 키토산을 상온에서 물에 5∼15시간 침지시켜 사용함을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 (i) 및 (ii) 단계에서 키토산을 물에 침지시켜 40 내지 100℃에서 1시간 내지 6시간 가열하여 사용함을 특징으로 하는 방법.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 키토산중 물의 함량이 65 내지 85중량%임을 특징으로 하는 방법.