KR100291308B1 - 2단계 반응시스템을 이용하여 키토산 올리고당을 연속적으로 생산하는 방법 - Google Patents

2단계 반응시스템을 이용하여 키토산 올리고당을 연속적으로 생산하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 키틴에 고정화한 효소를 이용하여 키토산 올리고당을 연속적을 생산하는 방법에 관한 것으로, 효소의 활성의 저하가 없고, 막반응기에서의 파울링현상을 효과적으로 제어할 수 있으므로 연속적으로 키토산 올리고당을 대량으로 생산할 수 있다. 또한, 본원 발명은 기존의 희분식법에 비해 값비싼 키토산 가수분해효소의 효율적인 사용을 가능케하므로 보다 경제적인 생산방법이다.

Description

2단계 반응시스템을 이용하여 키토산 올리고당을 연속적으로 생산하는 방법
본 발명은 2단계 반응시스템을 이용하여 키토산 올리고당을 연속적으로 생산하는 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 고정화 효소 칼럼 반응기와 한의여과막 반응기를 이용하여 키토산 올리고당을 연속적으로 생산하는 방법에 관한 것이다.
키틴, 키토산 및 이들 유도체들의 생리기능성이 밝혀진 이후로 이들에 관한 연구와 많은 관심이 고조되고 있다. 그러나, 키틴·키토산은 고분자의 상태로 물에 녹지 않아 체내에서의 효과에 제약을 받고 있으므로, 키토산을 가수분해하여 얻어진 것으로, 용해도가 높고, 체내 흡수율이 매우 높은 키토산 올리고당에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는 실정이다. 특히, 키토산 올리고당은 식품등에 첨가하여 면역 증강, 항균작용, 콜레스테롤 저하작용, 칼슘흡수 촉진작용 등과 같은 다양한 생리활성을 나타내는 물질이므로, 이를 효율적으로 대량 생산하는 방법이 연구의 초점이 되고 있다.
현재, 키토산 올리고당을 생산하는 방법을 예시하면, 키토산을 염산등의 화학물질을 사용하여 가수분해하는 방법과 유리효소를 사용하여 가수분해하는 회분식 방법(Y. Yamasaki 등. Biosci. Biotech, Biochem., 56, 1546, 1992)이 있다. 그러나, 화학적 처리방법은 생체안전성과 환경오염 측면에서 문제시되고 있고, 생물학적 처리방법인 회분식 방법은 생체안정성 및 환경오염의 문제는 유발하지 않지만, 생산된 키토산 올리고당과 효소를 분리하기가 어려운 문제점이 있다.
이에, 본 발명자들은 회분식 방법에 한외여과막 반응기(ultrafiltration membrane reactor)를 도입하여 중합도가 3 내지 6인 키토산 올리고당을 생산하는 방법을 출원한바 있다(대한민국 특허공개번호; 제 1998-34824호). 그러나, 이 방법은 효소를 재활용할 수는 있으나 연속적으로 계속하여 효소를 사용할 수 있는 방법이 아니라, 단지 한의여과막 반응기내에 키토산 용액을 11회까지 새로 첨가하는 경우에만 효소의 활성저하가 거의 나타나지 않으므로, 최대 11번까지 연속적으로 키토산 올리고당을 생산할 수 있는 방법이다. 더구나, 이 방법은 막을 사용하는 경우에 가장 고려되어야 할 점인 파울링 현상에 대해서는 고려되지 않았다.
이에, 본 발명자들은 한외여과막 반응기를 사용하여 키토산 올리고당을 생산하는 데 있어서, 11회 뿐만 아니라, 계속해서 연속적으로 키토산 올리고당을 생산할 수 있으며, 한외여과막 반응기에서의 파울링 현상을 최대한 억제하여 공지의 방법보다 효율적이며 경제적인 키토산 올리고당의 생산방법을 개발하기 위하여 연구를 거듭한 결과, 고정화한 효소를 사용하여 키토산을 분해하는 경우 상기한 목적을 달성할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 키토산 올리고당을 연속적으로 생산하는 방법을 제공하는 것이다.
제1도는 본 발명에 따라 키토산 올리고당을 연속적으로 생산하는 공정을 보여주는 개략도이다.
제2도는 각각의 고정화 담체에 효소를 흡착하였을 때, 각 담체에 대한 효소의 흡착율 및 효소의 활성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
가; 실리카겔 나; Sephadex G-25
다; Sephadex G-100 라; 키린
마; Chitoperl BCW-2501 바; Chicoperl BCW-3001
사; Chitorerl BCW-3010 아; Chitoperl BCW-3501
대조구; 유리효소
제3도는 키틴에 고정화된 효소와 유리효소의 키토산 가수분해활성을 시간당 환원당 생산량으로 비교한 결과이다.
제4도는 고정화 효소칼럼 반응기에서 유출량에 따라 생성되는 키토산 올리고당의 변화를 측정한 결과이다.
제5도는 고정화 효소칼럼 반응기에서 생산된 키토산 가수분해물을 한의여과막 반응기의 기질로 하여 재순환속도와 투과유속의 관계를 측정한 결과이다.
제6도는 고정화 효소칼럼 반응기에서 생산된 키토산 가수분해물을 한외여과막 반응기의 기질로 하여 한외여과막의 압력과 투과유속의 관계를 측정한 결과이다.
제7도는 고정화 효소에 의한 연속적 키토산 올리고당 생산공정에서 시간별 키토산 올리고당의 생산량과 반응기내에서의 압력의 변화를 측정한 결과이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 키토산 올리고당의 생산 방법은, (a) 키틴 약 200mg에 대하여 키토산 가수분해효소 약 5단위의 비율로 키토산 가수분해효소를 키틴에 고정화하는 단계; (b) 상기 (a)에서 얻는 고정화 효소의 비율이 키토산 용액 10∼30ml 대 효소 1단위가 되도록 고정화 효소를 칼럼 반응기에 첨가하는 단계; (c) 온도가 50∼60℃이고, pH가 3∼5로 조절된 1% 키토산 젖산염 용액을 3∼9ml/min의 유출속도로 고정화 효소 칼럼 반응기를 통과시켜 키토산 가수분해물-함유 반응 혼합물을 생산하는 단계; 및 (d) 상기 (c)에서 얻어진 키토산 가수분해물-함유 반응 혼합물을 한외여과막을 통과시켜 키토산 올리고당을 분리하는 단계를 포함하며, 상기 (c)∼(d) 단계를 연속적으로 반복하여 키토산 올리고당을 생산하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 최근 여러 가지의 유용한 생리적 기능이 밝혀지고 있는 키토산 올리고당을 키토산 가수분해효소를 사용하여 생산하는데 있어, 연속적으로 효율 좋게 생산하는 방법을 제공하는 것이다.
일반적으로 고정화한 효소는 유리효소에 비하여 효소의 활성이 저하되지만 본 발명에서는 키토산 가수분해효소를 키틴에 고정화하는 것에 의해 키토산의 가수분해 활성이 시간이 경과함에 따라 유리효소보다 우수하게 되고, 더구나, 본 발명의 방법은 키토산 가수분해들을 한외여과막 반응기에 연속적으로 공급하여도 시간의 경과에 따른 키토산 올리고당의 생산량에는 변화가 없으며, 한외여과막의 압력변화도 전혀없기 때문에 파울링이 일어나지 않게되므로, 연속적으로 효율좋게 키토산 올리고당을 생산할 수 있다. 한편, 본 발명은 고정화한 효소 반응기는 키토산의 주분해반응이 일어나는 효소반응기에서의 초기 파울링을 최대한 억제하기 위한 단계이므로, 고정화 효소 컬럼을 통과한 분해물은 키토산 부분가수분해물이다. 따라서, 키토산 부분가수분해물이 키토산 올리고당의 형태가 되도록 효소반응기에 키토사나아제를 첨가하여 키토산 올리고당을 생산한다.
이하, 본 발명을 실시예를 들어 구체적으로 설명한다. 그러나 본 발명이 이들예에만 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
[고정화 담체의 선정]
바실러스 푸밀러스(Bacillus pumilus) BN-262 유래의 키토사나아제(Wako Pure Chemical사 (大阪, 日本) 제품으로 분자량: 약 30,000 Da, 최적 pH: 5.5∼6.5, 최적온도: 30∼50℃, 동전점: 약 9.3)를 각종 고정화용 담체(실리카 겔, Sephadex G-25 및 G-100, 키틴, Chitoperarl BCW-25001, 3001, 3010, 3501)에 물리적으로 흡착시켜, 효소의 흡착율을 측정하였다.
즉, 효소 5단위(694 U/g 단백질)를 1ml의 0.1M 초산 완충액 (pH 5.5)에 녹인 다음, 이를 실리카 겔(Sigma Chemical사), Sephadex G-25 및 G-100(Sigma Chemical사), 키틴(Wako Pure Chemical사) 및 Chitoperl BCW-2501, 3001, 3010 및 3501(Wako Pure Chemical사) 200mg에 각각 첨가하여 4℃에서 2시간 방치한 후, 초순수 250ml로 세정한 후, 그 여액을 Lowry법(1951)으로 단백질 함량을 측정하여 고정화 전후의 단백질량의 비로 흡착율을 계산하였다. 그 결과는 제2도와 같다. 제2도로부터, 키토사나아제의 흡착량은 키토산계 다공성 재질인 BCW-2501과 BCW-3001이 가장 높음을 알 수 있다. 그러나, 1% 키토산 젖산염 용액 100ml에 각각의 고정화 효소 5단위를 첨가한 후, 1시간이 지난 후 생성된 환원당의 함량을 측정한 결과, 효소의 흡착량이 많은 BCW-2501 및 BCW-3001보다 키틴에 고정화한 경우, 효소의 활성이 우수함을 알 수 있다. 한편, 실리카 겔은 키틴보다 높은 흡착율을 나타내었으나, 활성은 거의 실활된 것으로 보아 효소의 활성부위가 실리카 겔과 결합하고 있을 것으로 판단되었다.
따라서, 키토사나아제를 이용한 고정화 효소의 제조는 키틴을 담체로 사용하는 것이 가장 효율적인 것으로 나타났으며, 이는 고정화시키지 않은 유리 효소보다 단지 약 8%만의 활성감소를 보임을 알 수 있다.
[실시예 2]
[유리효소와 고정화 효소에서의 시간별 환원당 생산량]
최적 반응온도인 60℃와 45℃에서 1% 키토산 젖산염 용액 100ml에 키틴 고정화 효소와 유리 효소를 각각 5단위씩 첨가한 후, 시간의 경과(10분, 20분, 40분, 1시간, 2시간, 3시간, 4시간, 6시간, 12시간)에 따른 가수분해 활성을 환원당의 생성량으로 측정하여, 그 결과를 제3도에 나타내었다.
제3도로부터, 반응초기 40분까지는 유리 효소가 높은 가수분해 활성을 보였으나, 반응 1시간 이후부터는 키틴 고정화 효소의 가수분해 활성이 더 높음을 알 수 있다. 한편, 두 효소의 최적 반응시간은 모두 3시간이었으며, 그 이후의 반응시간이 경과하여도 환원당 생성량은 거의 변화가 없어 가수분해반응이 더 이상 진행되지 않음을 알 수 있다.
[실시예 3]
[고정화 효소칼럼 반응기에서 유출속도의 변화에 따른 키토산 가수분해물 생성]
50 units의 키턴 고정화 효소를 둘 자켓이 있는 유리칼럼(water-jacketed glass column; 10×20 mm)에 충진하고, 1% 키토산 젖산염 용액은 온도를 60℃로 pH를 3∼5로 조절하면서 순환펌프를 이용하여 아래에서 윗방향으로 1,000ml 공급하였으며, 유출속도는 분당 3, 5 및 9ml로 조절하여 각각의 유출속도에 대한 환원당 생성량을 측정하여 그 결과를 제4도에 나타내었다.
제4도로부터, 초기 반응에서는 유출속도가 낮을수록 높은 환원당 함량을 보였으나, 최종 키토산 기질 용액 1,000ml가 모두 통과하였을 때는, 3ml/min과 5ml/min의 유출속도에서 유사한 환원당 함량을 보임을 알 수 있다. 그러나, 유출속도가 낮을수록 고정화 효소 칼럼 반응기 내에서의 잔류시간은 길어지기 때문에 효소와의 반응 비율은 높아지나 그 만큼 생산량이 낮기 때문에 이 반응기에서의 최적 유출속도를 5ml/min로 하는 것이 바람직하다.
[실시예 4]
[고정화 효소칼럼 반응기에서 생산된 키토산 가수분해물의 한외여과막 반응기에서의 재순환속도와 압력에 따른 투과율의 변화]
막을 이용하여 물질을 분리하고자 하는 경우 가장 고려되어야 할 점은 막의 파울링 현상이다. 즉, 본 발명에서 한외여과막을 사용하여 키토산 올리고당을 연속적으로 생산하기 위해서는 고정화 효소 칼럼 반응기에서 생성된 키토산 가수분해물을 한외여과막 반응기의 기질로 사용할 때, 파울링 현상이 발생하지 않아야 한다. 따라서, 파울링에 미치는 영향을 순환속도와 한외여과막의 압력을 변화시켜 투과유속의 변화로 관찰하였다. 시험방법은, 한외여과막 반응기에 각각 증류수, 3ml/min, 5ml/min 및 9ml/min에서 생성된 키토산 가수분해물과 대조구로서 1% 키토산 용액 1,000ml를 넣고, pH를 5로, 온도를 60℃로 조절한 다음, Masterflex No. 0∼8(순환속도; 0∼1,200ml/min)에 따른 투과유속를 측정하여, 그 결과를 제5도에 나타내었다.
제5도로부터, 기질로 증류수를 사용하였을 때는 투과유속이 비례적으로 계속적인 증가를 보여 전혀 파울링이 없이 한외여과막 반응기가 매우 정상적으로 작동된 다는 것을 알 수 있으나, 키토산 용액을 사용하였을 때는 Masterflex No.가 3일때부터 투과유속은 더 이상 증가없이 일정하게 유지되었으며, 투과유속도 가장 낮게 나타나 매우 큰 파울링의 영향을 받음을 알 수 있었다. 고정화 효소 칼럼에서 생성된 각 키토산 가수분해물을 기질로 사용하였을 경우에는 모든 기질 용액은 순환속도의 증가에 따라 투과유속의 증가됨을 보였으며, 특히, 3ml/min에서의 키토산 가수분해물과 5ml/min에서의 키토산가수분해물은 파울링 없이 좀 더 효율적으로 한외여과막 반응기 시스템에 적용될 수 있음을 알 수 있다.
또한, 동일한 조건에서 순환속도를 350ml/min(Masterflex No. 3)로 일정하게 유지시키고, 압력을 0∼30psi으로 조절하였을 때의 투과유속의 변화를 측정하여 제6도에 나타내었다.
제6도로부터, 증류수는 파울링의 영향을 전혀 받지 않는데 비하여 키토산 용액을 기질로 사용하였을 때는 파울링의 영향을 많이 받음을 알 수 있다. 각 키토산 가수분해물에서도 고정화 효소 반응기의 유출속도가 감소할수록 파울링에 덜 영향을 미치는 것으로 나타났다.
즉, 제5도와 제6도로부터, 한외여과막 반응기 시스템에 키토산 용액 자체를 기질로 사용하였을 경우에는 파울링에 의해 연속적 작동이 불가능하였으나, 고정화 효소 칼럼 반응기에서의 유출속도를 3과 5ml/min으로 조절하여 가수분해된 용액을 기질로 사용하였을 때는 파울링의 영향이 훨씬 감소하여 연속적 작동이 가능함을 알 수 있다. 그러나, 키토산 올리고당의 생산량을 고려해 볼 때 3ml/min에서의 키토산 가수분해물보다는 5ml/min에서의 키토산 가수분해물이 좀 더 효율적이다.
[실시예 5]
[고정화 효소에 의한 연속적 키토산 올리고당 생산공정에서 시간별 키토산 올리고당의 생산량과 반응기내에서의 압력의 변화]
pH가 5로, 온도가 60℃로 조절된 1% 키토산 용액을 5ml/min 유출속도로 고정화 효소 칼럼 반응기를 통과시켜 키토산 가수분해물을 생성시킨 다음, 이를 한외여과막 반응기에 기질로서 공급하였다. 한외여과막 반응기에서는 막의 투과유속이 5ml/min를 유지하도록 조절하면서 키토산 올리고당을 생산하였다. 한외여과막 반응기에서는 고정화 효소 칼럼 반응기로부터 공급되는 키토산 가수분해물의 기질이 1,000ml가 될 때 50단위의 키토사나제를 첨가하여 키토산 올리고당을 생산하고 생산된 키토산 올리고당은 한외여과막(MWCO 5,000 Da)으로 분획하였다. 그 결과는 제7도에 나타내었다.
제7도로부터, 키토산의 가수분해는 반응 시간의 경과에도 불구하고 전혀 감소없이 진행되었으며, 환원당 생성량은 6시간 반응 후부터 12mg/g 키토산으로 일정하게 유지되었으며, 한외여과막의 압력변화도 전혀 없었기 때문에 이 시스템에서는키토산의 효소적 가수분해에 의한 키토산 올리고당의 생산에 있어서 전혀 파울링이 일어나지 않아 연속적 생산이 가능한 것을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 2단계 반응시스템, 즉, 고정화 효소 칼럼 반응기를 결합한 한외여과막 반응기를 이용하여 키토산 올리고당을 생산할 경우, 연속적으로 키토산 올리고당을 대량으로 생산하는 것이 가능하고, 문제가 되는 막반응기에서의 파울링현상을 효과적으로 제어할 수 있다. 따라서, 본원 발명의 방법은 현재의 회분식법을 대체하며, 키토산 올리고당의 대량생산에 효과적이다.

Claims (2)

  1. 키토산을 효소로 가수분해하여 키토산 올리고당을 연속적으로 생산하는 방법에 있어서, (a) 키틴 약 200mg에 대하여 키토산 가수분해효소 약 5단위의 비율로 키토산 가수분해효소를 키틴에 고정화하는 단계; (b) 상기 (a)에서 얻은 고정화 효소의 비율이 키토산 용액 10∼30ml 대 효소 1단위가 되도록 고정화 효소를 칼럼 반응기에 첨가하는 단계; (c) 온도가 50∼60℃이고, pH가 3∼5로 조절된 1% 키토산 젖산염 용액을 3∼9ml/min의 유출속도로 고정화 효소 칼럼 반응기를 통과시켜 키토산 가수분해물-함유 반응 혼합물을 생산하는 단계 ; 및 (d) 상기 (c)에서 얻어진 키토산 가수분해물-함유 반응 혼합물을 한외여과막을 통과시켜 키토산 올리고당을 분리하는 단계; 를 포함하며, 상기 (c)∼(d) 단계를 연속적으로 반복하여 키토산 올리고당을 생산하는 것을 특징으로 하는 생산 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 (b)단계는 상기 (a)에서 얻은 고정화 효소의 비율이 키토산 용액 20ml 대 효소 1단위가 되도록 고정화 효소를 칼럼 반응기에 첨가하는 단계이며, 상기 (c)단계는 1% 키토산 젖산염 용액을 5ml/min의 유출속도 흘려보내어 키토산 가수분해물-함유 반응 혼합물을 생산하는 단계임을 특징으로 하는 생산 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2007013717A1 (en) * 2005-07-27 2007-02-01 Jae Woon Nah High-quality water-soluble chitosan oligosaccharide, composition comprising the same and method for the preparation thereof

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EP0520359A2 (en) * 1991-06-25 1992-12-30 Nippon Suisan Kaisha, Ltd. Beta-chitin immobilized microorganism and uses thereof
JPH0568580A (ja) * 1991-09-13 1993-03-23 Pias Arise Kk 高級キトサンオリゴ糖乃び高級キチンオリゴ糖の製造方法

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