KR100396211B1 - 천연물로 구성된 수용성 식물성 스테롤 유도체 및 이의염과 이들의 제조방법 - Google Patents

천연물로 구성된 수용성 식물성 스테롤 유도체 및 이의염과 이들의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 콜레스테롤 흡수 저하효과를 가지는 수용성 식물성 스테롤(plant sterol) 유도체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 콜레스테롤 과다증의 치료 뿐 아니라, 일부 심장계 질환 및 고혈압 등의 예방에도 이용 가능한 수용성 식물성 스테롤 유도체 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 수용성 식물성 스테롤 유도체는 종래의 지용성 식물성 스테롤 유도체와는 달리 물에 쉽게 용해될 뿐만 아니라, 기존의 수용성 식물성 스테롤 유도체보다 용해도가 우수하다. 또한 본 발명에서 수용성을 증가시키기 위하여 선택한 분자들은 천연에 존재하는 분자들로 안전성을 확보할 수 있다.
화학식 1
상기 식에서 R1은 H, Na, K, Li 또는 Cs이며, R2는 당류이다.

Description

천연물로 구성된 수용성 식물성 스테롤 유도체 및 이의 염과 이들의 제조방법{water soluble plant sterol derivatives and its salt comprised natural molecules and process for preparing the same}
본 발명은 콜레스테롤 흡수 저하효과를 가지는 수용성 식물성 스테롤(plant sterol) 유도체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 콜레스테롤 과다증의 치료 뿐 아니라, 일부 심장계 질환 및 고혈압 등의 예방에도 이용 가능한 수용성 식물성 스테롤 유도체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
현대사회는 콜레스테롤의 과량 섭치가 증가하는 추세이며, 이와 관련된 질병이 커다란 사회적 문제로 대두되고 있다. 식생활 습관의 변화로 콜레스테롤 함량이 높은 식품을 자주 섭취하고 있기 때문에 이러한 식품들에 포함된 콜레스테롤이 혈중 콜레스테롤을 증가시켜 고지혈증, 동맥경화, 부정맥, 심근경색과 같은 심혈관계 질병을 유발시키는 중요한 원인이 되고있다.
외인성 및 내인성으로부터 유도된 콜레스테롤은 소장내로 이동하여 대략 50%정도가 흡수된다(Bosner, M.S., Ostlund, R.E., Jr., Osofisan, O., Grosklos, J., Fritschle, C., Lange, L.G. 1993). 이런 이유로 인하여 콜레스테롤이 장내로 흡수되지 못하도록 콜레스테롤을 제어하는 메카니즘은 콜레스테롤 관련 질병의 예방 및 치료에 매우 중요한 요소이다.
식물성 스테롤 또는 피토스테롤(Phytosterol)(이하, "식물성스테롤"이라 함)은 시토스테롤(sitosterol), 캄페스테롤(campesterol), 시토스탄올(sitostanol), 스티그마스테롤(stigmasterol) 또는 캄페스탄올(campestanol) 등으로 구성되며, 콜레스테롤과 매우 유사한 구조를 가지고 있으면서 콜레스테롤의 흡수를 줄여 혈청내의 콜레스테롤 수치를 낮추어 주는 것으로 알려졌다(미국특허 제5,578,334호). 식물성 스테롤은 독성이 없으며, 콩, 옥수수, 나무(wood), 톨 유(tall oil) 등의 식물에 존재하는 천연물질이다. 식물성 스테롤의 콜레스테롤 흡수 억제 작용으로 심장혈관질환, 심장관상동맥 및 고지혈증(hyperlipidemia)의 치료를 위한 약물로서 임상실험 등이 행하여지고 있고 많은 연구 결과들이 나오고 있다(Atherosclerosis 28:325-338).
이러한 장점에도 불구하고 식물성 스테롤은 물이나 기름에 어디에도 잘 용해되지 않는 단점을 지니고 있기 때문에 식품에 적용하기가 매우 어려워서 소비자가 직접 복용하기에 많은 제한을 받아왔다.
몇몇 연구자들은 식물성 스테롤의 용해도를 증가시키기 위한 방법으로 식물성 스테롤 유도체(derivatives)를 합성하는 연구를 하였다. 식물성 스테롤 에스테르 (ester) 형태는 오일상에서 용해도가 우수하기 때문에 식물성 스테롤 에스테르를 오일상에 적용하였다(Mattson F. H., R. A. Volpenhein, and B. A. Erickson, 1977). 미국특허 제5,502,045호에 따르면, 시토스탄올과 지방산(fatty acid)을 분자간 에스테르반응(interesterification)을 이용하여 시토스탄올 지방산 에스테르를 제조하는 방법을 개발하였고, 시토스탄올 에스테르를 오일상(마아가린)에 적용하여 LDL-C 수치를 16%정도까지 감소시킬 수 있는 것으로 보고하였다.
국제공개특허 WO 99/15546호 및 WO 99/15547호에 따르면, 식물성 스테롤 또는 식물성 스탄올에 수용성 또는 지용성 분자를 에스테르 결합으로 연결하여 수용성 및 지용성 성질을 가지는 식물성 스테롤 유도체를 합성하였다.
상기 특허와 같이 식물성 스테롤과 지용성 성분의 에스테르 화합물은 지용성 유도체로서 오일형 제품에만 적용이 한정되며, 동시에 많은 양의 식용오일(edible oil) 성분을 동시에 섭취하여야 하는 단점을 가지고 있다.
또 다른 노력으로 식물성 스테롤에 수용성 분자를 결합하여 수용성 식물성 스테롤 유도체를 만들고자하는 노력을 지속해 왔다. 허팅(Herting)과 해리스(Harris) (1960, Fed. Proc. 19 : 18)는 콩 스테롤-2-카바메이트 글루타르산 K 염(soy sterol-2-carbamate glutaric acid K salt)를 합성하였다. 그러나 카르바민산 (carbamine acid)은 불안정하여 쉽게 분해되며 분해산물로 아민(amine)과 이산화탄소(carbon dioxide)를 방출하는 단점을 가지고 있다.
유럽공개특허 제430,078호에 따르면, 식물성 스테롤 콜린 하이드록사이드 염(colline hydroxide salt)을 만들었으며, 또한 디-액시드(di-acid)를 이용하여 시토스테롤 유도체를 만들었다(Mukhina et al. 1977. Leningr. khim-Farm. Inst., Leningrasd USSR 24. obshch. Khim. 47(6) : 1429-1430).
화장품의 용도로서 식물성 스테롤 2-(2-알케닐)썩시네이트(2-(2-alkenyl)succinate)(유럽공개특허 제554,897호), 식물성스테롤 C2-C6 하이드록시 액시드 에스테르(C2-C6 hydroxy acid ester)(일본특개평 9-194,345호), 스테롤 락틱 액시드-올리고머(sterol lactic acid-oligomer)(일본특개소 58-008,098호)가 만들어졌다.
이외에도 독일공개특허 제19,701,264호에 따르면, 식물성 스테롤에 데옥시졸린산(deoxyxoline acid), 아스코브르산(ascorbic acid), 글루타르산(glutaric acid), 타르타르산(tartaric acid) 및 락트산 에스테르(lactic acid ester)를 합성하였으며, 시토스테롤에 2,3-디하이드록시 신남산(2,3-dihydroxy cinnamic acid)을 합성하였다(Takagi, T. and Lida, T. J. Am. Oil Chem. Soc. 57(10) : 326-330(1980)).
국제공개특허 WO 99/15547호에 따르면, 시토스테롤 디카르복실산 세미에스테르(dicarboxylic acid semiester), 시토스테롤 하이드록시 액시드 카르복실레이트 (hydroxy acid carboxylate), 시토스테롤 하이드록시 액시드 헤미에스테르(hydroxy acid hemiester), 시토스테롤 폴리하이드록시 액시드 혼합 에스테르(polyhydroxy acid mixed ester), 시토스테롤 헤미에스테르 폴리올(hemiester polyol), 시토스테롤 아미노산 에스테르(amino acid ester) 등을 합성하였다.
상기 특허들은 식물성 스테롤 유도체를 합성하여 물에 용해될 수 있도록 하였으나, 물에 대한 용해도가 음료 등의 산업적으로 이용 가능한 농도를 나타내지는 못하였다.
한편, 본 발명자들은 식물성 스테롤을 숙신산 무수물과 반응시켜 반응성이 높은 중간물질을 수득하고, 상기 중간물질에 수용성 거대분자와 화학적인 방법으로결합시켜 온도변화와 관계없이 1% 이상의 수용액을 제조할 수 있는 식물성 스테롤 유도체를 합성하였다(한국 공개특허 제2000-12167호). 또한, 식물성 스테롤과 수용성 고분자 담체를 인산을 연결분자로 하여 결합시킴으로써 수용성 식물성 스테롤 유도체 및 이들의 염을 합성하여 물에 대한 용해도를 증가시켰다(한국 특허출원 제2000-60354호).
상기 특허에서 살펴본 바와 같이, 물에 대한 용해도를 현저히 증가시킬 수 있으면서 수용성을 증가시키기 위하여 도입한 부분이 천연물로 구성되고 비교적 분자량이 적은 분자로 구성됨으로써 복용량을 줄이면서, 음료 형태로 적용할 경우 인체에 대하여 안전성을 보장할 수 있으며, 유통기간 중 안정한 새로운 수용성 식물성 스테롤 유도체 개발의 필요성이 끊임없이 대두되어 왔다.
이에, 본 발명자들은 각종 성인병의 주요 유발인자의 하나인 콜레스테롤의 흡수 저하를 지닌 식물성 스테롤을 천연물질인 수용성 분자와 화학적 방법으로 결합시켜 인체에 안전한 수용성 식물성 스테롤 유도체를 개발하고자 예의 연구 노력한 결과, 식물성 스테롤을 인산, 글리세린 및 당을 이용하여 산업적으로 이용 가능한 용해도를 가지며 천연물들로 만으로 구성되어 식품첨가제로서 사용 가능하도록 인체에 안전한 식물성스테롤 유도체를 제조한 후, 상기 유도체에 대한 용해도를 조사한 결과 온도에 관계없이 물에 대한 용해도가 식물성 스테롤 부분의 무게로만 환산한 것으로 3.0 중량% 이상을 나타냄을 확인하였고, 본 발명은 이에 기초하여 완성되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 콜레스테롤 과다증의 치료뿐 아니라, 일부 심장계질환 및 고혈압 등의 예방에도 이용 가능하며 인체에도 안전한 수용성 식품소재로서의 식물성 스테롤 유도체를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 수용성 식물성 스테롤 유도체의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 식물성 스테롤 유도체 및 이의 염은 하기 화학식 1로 표시된다.
상기 식에서 R1은 H, Na, K, Li 또는 Cs이며, R2는 당류이다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 상기 화학식 1로 표시되는 식물성 스테롤 유도체 및 이의 염의 제조방법은 비극성 유기용매 및 염기성 촉매 존재하에서 인산과 작용기가 보호된 글리세롤를 반응시켜 인산-글리세롤 결합물을 제공하는 단계; 상기 인산-글리세롤 결합물과 식물성 스테롤를 반응시키는 단계; 상기 반응물에 염산을 첨가하여 작용기가 보호된 글리세롤를 글리세롤로 전환시킨 인산-글리세롤-식물성 스테롤 결합물을 제공하는 단계; 및 비극성 유기용매 및 염기성 촉매 존재하에서 상기 인산-글리세롤-식물성 스테롤 결합물과 당을 반응시키는 단계를 포함한다.
이하 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
본 발명은 식물성 스테롤에 천연에 존재하는 수용성 분자들을 화학적인 방법으로 결합시킨 수용성 식물성 스테롤 유도체 및 이의염 과 이의 제조방법으로 구성된다.
본 발명자들은 천연의 수용성 분자들로 수용성의 식물성 스테롤 유도체를 제조하기 위해 다양한 연구를 수행한 결과, 당이 상당한 수용성 성질을 가지고 있으며 체내에서 분리될 경우 당은 인체에 무해하여 수용성 식물성 스테롤을 제조하기에 적합한 물질로 판단하였다. 따라서 식물성 스테롤과 당을 인체에서 분리될 수 있는 화학적 결합으로 연결하고자 조사하여 본 결과, 이 화합물은 물에 대한 용해도가 매우 낮아 음료 등의 산업적으로 적용하기 매우 어려울 것으로 판단되었다(베타-시토스테릴-β-D-글루코시드의 경우 실온에서의 용해도는 10μg/mL). 용해도에 대한 본 발명자들의 지속적인 연구로 식물성 스테롤과 당의 연결 화합물은 두 개의 비교적 거대한 분자가 근접되어 있는 형태를 가져서 두 분자의 입체구조가 고정되어 있으므로 유동성이 매우 작아 용해도가 낮다는 것을 알게 되었다.
이에 본 발명에서는 당과 식물성 스테롤의 유동성을 주고자 직선 형태의 연결분자를 사용하고자 하였다. 연결분자의 조건으로는 식물성 스테롤과 당을 연결할 수 있도록 작용기를 2개 이상을 가져야 하고, 용해도를 증가시키기 위하여 수용성 물질이여야 하며, 안전성을 위하여 천연물질 중에서 선택하여야 했다. 본 발명에서는 해당 조건을 만족하는 천연물질 중 가장 바람직한 물질로 글리세롤를 선택하였다.
글리세롤과 당을 결합시키는 방법에 있어서, 체내에서 분리될 수 있도록 글리세롤과 당은 반드시 아세탈(acetal) 형태로 결합이 되어야 한다. 이는 에테르 형태로의 결합은 체내에서 분리되는 것을 확신할 수 없기 때문이다. 아세탈 형태의 결합을 위해서는 당의 작용기인 수산기를 모두 보호해야 하며, 작용기 보호를 한 후 선택적으로 당의 α 위치만을 반응성이 큰 치환기로 전환하는 공정이 필수적이다.
당과 글리세린이 결합된 후 글리세린을 식물성 스테롤과 연결을 시도하였으나 글리세롤과 식물성 스테롤을 직접적으로 연결할 경우 식물성 스테롤과 글리세롤은 에테르 결합을 이루어 체내에서 분리가 잘 되지 않았으며, 아울러 물에 대한 용해도도 만족스럽게 나타나지 않았다. 이에 따라 본 발명자들은 글리세롤과 식물성 스테롤 사이에 또 다른 연결분자의 사용을 검토하였다.
식물성 스테롤의 알코올 작용기와 글리세롤의 알코올 작용기를 연결하면서 각각이 에스테르로 결합이 될 수 있도록 연결분자를 선택해야 했다. 천연물 중 수용성 분자를 검색한 결과 인산과 황산을 선택할 수 있었다. 이중 인산의 경우에는 글리세롤과 식물성 스테롤을 연결시킨 후에도 산 작용기(acid group)가 남아있으므로 염의 형태로 만들어 용해도를 더욱 높일 수 있는 장점을 가질 수 있으므로 바람직하였다.
식물성 스테롤과 당의 결합으로 수용성 식물성 스테롤 유도체를 제조하고자 한 노력으로 연결분자를 인산과 글리세롤이 선택되었으므로 다음 단계로 이들을 효과적으로 연결하기 위한 연구를 지속하였다.
본 연구자들이 연결방법에 대해서 다양한 조합을 실시하여 본 결과 글리세롤을 인산과 결합시키고, 이 결합화합물을 식물성 스테롤과 결합시킨 후, 당을 연결시키는 것이 최적의 합성 경로라는 결론을 이끌어 냈다.
이렇게 얻은 본 발명의 식물성 스테롤 유도체 및 이의 염은 하기 화학식 1로 표시된다.
화학식 1
상기 식에서 R1은 H, Na, K, Li 또는 Cs이며, R2는 당류이다.
본 발명에 바람직한 식물성 스테롤은 시토스테롤, 캄페스테롤, 스티그마스테롤, 스피나스테롤, 시토스탄올 또는 캄페스탄올이지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 당류로는 포도당(glucose), 과당(fructose), 갈락토오즈 (galactose), 글루코사민(glucosamin) 또는 이들의 조합으로 이루어진 당을 이용할수 있다. 상기 당류의 조합의 예로는 슈크로즈(sucrose), 젖당(lactose), 맥아당 (maltose), 전분(starch), 호정(dextrin), 솔비톨(solbitol), 자이리톨(xylitol), 말토덱스트린(maltodextrin), 올리고당(oligosaccharide) 또는 키토산(chitosan) 등이 바람직하다.
이하, 본 발명의 천연 친수성 분자의 조합으로 이루어진 식품소재로서의 수용성 식물성 스테롤 유도체 제조방법의 바람직한 실시예를 설명하고자 한다.
식물성 스테롤-인산-글리세롤의 결합
식물성 스테롤과 인산 및 글리세롤을 결합시키는 방법은 인산에 글리세롤과 식물성 스테롤을 결합시키는 방법으로 완성된다.
글리세롤의 알코올 작용기가 3개이므로 인산과 결합 반응을 하면 선택성이 없는 반응 결과물을 수득하게 된다. 따라서 글리세롤을 공지의 방법으로 작용기를 보호한 후 인산과 결합시킨다. 즉, 하기 반응식 1과 같이, 글리세롤을 아세톤 내에서 p-톨루엔설폰산을 촉매로하여 반응시키면 이소프로필리덴글리세롤(isopropylidene glycerol)이 만들어지는데 이것을 이용하여 인산과 반응시킨다. 다음으로 인산과 이소프로필리덴글리세롤의 결합 화합물에 식물성 스테롤을 결합하여 식물성 스테롤-인산-글리세롤의 결합이 완성된다.
한편, 인산은 작용기가 3개로 처음에 이소프로필리덴글리세롤과 결합을 할 경우 인산과 이소프로필리덴글리세롤의 결합 비율이 1 : 1 또는 1 : 2로 나타나게 된다. 인산과 이소프로필리덴글리세롤의 결합비율이 1 : 3 의 경우는 나타나지 않는데 이것은 구조적 반발력이 작용하여 1 : 3의 경우는 나타나지 않는 것으로 판단된다. 식물성 스테롤과 인산 및 이소프로필리덴글리세롤의 결합물을 완성하기 위해서는 처음 단계인 인산과 글리세롤의 결합물이 1 : 1의 선택적인 결과물을 얻어야 가능하다. 본 발명에서는 인산과 글리세롤 1 : 1의 선택적인 결과물을 위하여 여러 가지 반응조건을 검토한 결과, 반응에 첨가되는 인산과 이소프로필리덴글리세롤의 비율과 반응 온도가 매우 중요한 것으로 나타났다. 인산과 글리세롤의 결합물에 식물성 스테롤을 결합시키는 경우에는 식물성 스테롤이 1개만 결합되는 것으로 나타나는데 이것 역시 구조적 반발력에 기인하는 것으로 판단된다.
인산과 이소프로필리덴글리세롤의 결합은 인산(예: 포스포러스 옥시 클로라이드, phosphorous oxy chloride)와 글리세롤(예: 이소프로필리덴글리세롤)을 1 : 1∼2의 몰비, 바람직하게는 1 : 1.3의 몰비로 염화메틸렌, 톨루엔, 테트라하이드로퓨란, 디클로로에탄, 벤젠, 또는 디에틸에테르 등의 비극성 유기용매 내에서 4-디메틸아미노피리딘, 피리딘 또는 트리에틸아민과 같은 염기성 촉매를 이용하여 하기의 조건에서 수행된다.
냉각장치와 드로핑 펀넬 및 온도계가 부착된 반응 용기에 포스포러스 옥시 클로라이드를 넣고 비극성 유기용매로 희석하여 준다. 혼합물을 -5∼-15℃, 바람직하게는 약 -10℃로 냉각한다. 이소프로필리덴글리세롤과 염기성 촉매를 비극성유기용매에 용해시킨 혼합물을 드로핑 펀넬에 넣고 포스포러스 옥시 클로라이드 혼합물에 첨가한다. 첨가하는 동안의 반응액의 온도는 -3∼-7℃로 유지시켜 준다. 첨가가 모두 끝나면 추가로 냉각하지 말고 30분에서 2시간 동안 반응시킨다. 반응과정 중 약 30분 정도 경과하면 반응액의 온도가 약 10℃까지 서서히 증가되면서 반응이 완결된다. 상기와 같은 방법으로 인산과 글리세롤의 결합이 완성된다. 이 화합물은 별로로 분리하지 않고 바로 후속 공정인 식물성 스테롤을 인산-글리세롤의 결합물에 결합하는 공정에 사용한다.
식물성 스테롤과 인산-글리세롤의 결합 반응은 식물성 스테롤과 상기 공정에서 사용된 포스포러스 옥시 클로라이드를 1 : 2∼3의 몰비, 바람직하게는 1 : 2.2 몰비로 염화메틸렌, 디클로로에탄, 톨루엔, 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran), 벤젠, 또는 디에틸에테르(Diethyl ether) 등의 비극성 유기용매내에서 4-디메틸아미노피리딘, 피리딘 또는 트리에틸아민과 같은 염기성 촉매를 이용하여 하기의 조건에서 수행된다.
상기 공정에서 얻어진 인산-글리세롤 결합물의 혼합물을 -10∼0℃로 냉각한 후 식물성 스테롤과 염기성 촉매 및 비극성 유기용매의 혼합물을 드로핑 펀넬에 넣고 반응액에 첨가한다. 첨가하는 동안의 반응액의 온도는 -10∼0℃로 유지시켜 준다. 첨가가 종료되면 추가로 냉각하지 않고 반응액의 온도가 실온까지 서서히 증가하도록 방치하면서 2시간 내지 12시간 바람직하게는 3시간 내지 4시간 동안 반응한다. 반응의 종료를 확인하면 포화 탄산나트륨(Na2CO3) 용액을 넣고 8 내지 24시간, 바람직하게는 12 내지 15시간 동안 반응시켜 포스포러스 옥시 클로라이드의 남아있는 염소원자를 수산기로 전환시킨다. 전환이 완료되면 비극성 유기용매로 추출하고 감압농축하여 유기용매를 제거한 후 컬럼크로마토그래피법을 이용하여 결과물을 수득한다.
상기 공정에서 얻어진 결과물은 글리세롤의 선택적인 반응을 위하여 작용기를 보호한 것으로 구성된 식물성 스테롤-인산-글리세롤 결합물이므로 글리세롤로 다시 전환시켜야 한다. 이 공정은 공지의 방법대로 진한 염산을 이용하여 수행된다. 상기 공정에서 수득한 결합물에 유기용매를 넣어 용해시키고 진한 염산을 넣어 약 2시간동안 실온에서 반응시킨다. 반응이 종결된 후 물을 넣고 반응액의 pH 2∼3으로 나타나는 것을 확인한 후 유기용매로 추출한다. 얻어진 유기용매 층을 황산마그네슘 (MgSO4)으로 건조한 후 감압농축하여 식물성 스테롤-인산-글리세롤 결합물을 수득한다.
수득된 식물성 스테롤-인산-글리세롤 결합물은 pH 8 이상의 염기성 조건에서는 물에 대한 용해도가 높게 나타났지만, 중성 및 산성조건에서는 물에 대한 용해도가 낮게 나타났다.
식물성 스테롤-인산-글리세롤의 결합은 포스포러스 옥시 클로라이드를 사용하지 않고 인산을 이용하여 염기성 촉매하에서 비극성 유기용매내에서 1,3-디사이클로헥실카보디이미드(DCC), 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)카보디이미드(1-ethyl-3-[3-dimethylaminopropyl] carbodiimide), 옥살릴클로라이드(oxalylchloride), 카보닐이미다졸(carbinyl didimidazole), 2-클로로피리디움(2-chloropyridium), 2,2-디피리딜디설파이드(2,2-dipyridyl disulfide) 또는 2-이미다조일디설파이드(2-imidazoyl disulfide)와 같은 결합제를 이용하여 결합할 수도 있다. 하지만 이 경우 인산과 글리세롤 및 식물성 스테롤을 공통적으로 용해시키는 용매가 없어 반응 수율이 매우 낮으며, 결합제가 상당히 고가라는 점에서 바람직하지 않다. 이러한 반응과정을 하기 반응식 2에 나타내었다.
식물성스테롤-인산-글리세롤과 당의 결합
상기 공정에서 얻은 식물성 스테롤-인산-글리세롤의 결합물과 당(이하, 당의 예로 "포도당"으로 대표하여 기술한다)의 결합은 식물성 스테롤-인산-글리세롤 결합물과 2,3,4,6-테트라-O-벤질-α-D-글루코피라노실 브로마이드(2,3,4,6-tetra-O-benzyl-α-D-glucopyranosyl bromide)을 1 : 1∼5의 몰비로 염기성 촉매하에서 비극성 유기용매내에서 하기와 같은 조건으로 수행된다.
차광된 반응용기에 식물성 스테롤-인산-글리세롤의 결합물과 당, 예를 들어, 2,3,4,6-테트라-O-벤질-α-D-글루코피라노실 브로마이드(2,3,4,6-tetra-O-benzyl-α -D-glucopyranosyl bromide)를 넣고 비극성 유기용매를 넣어 용해시킨 후 염기성 촉매를 넣는다. 실온에서 12 내지 24시간, 바람직하게는 15 내지 16시간 동안 반응시킨다. 반응이 종료된 후 감압농축하여 유기용매를 제거하고 컬럼크로마토그래프법을 이용하여 분리해 낸다.
상기 반응으로 수득한 결과물은 당의 알코올 작용기가 벤질, 아세틸, 벤조일, 또는 메틸설폰기, 바람직하게는 벤질기로 보호되어 있는 상태이므로 공지의 방법으로 작용기 보호기를 제거한다. 상기 결과물에 유기용매를 넣어 용해시킨 후 10% 팔라듐 활성탄소(Pd-charcoal)을 넣고 가압하여 60∼70℃에서 2시간 동안 반응시킨다. 반응이 종료된 후 팔라듐 활성탄소를 여과하여 제거하고 감압증류하여 유기용매를 제거하여 결과물을 수득한다. 이러한 반응과정을 하기 반응식 3에 나타내었다.
본 발명에 있어서, 당의 일 예로 사용되는 2,3,4,6-테트라-O-벤질-α-D-글루코피라노실 브로마이드는 포도당을 직접 사용할 경우 포도당에 많이 존재하는 5개의 알코올 작용기에 선택성이 없이 결합되기 때문에 식물성 스테롤-인산-글리세롤의 글리세롤 부분과 에테르 결합이 이루어질 수 있다. 전술한 바와 같이, 에테르 결합은 체내에서 분리될 것을 확신할 수 없으므로 본 발명에서는 포도당의 α 위치와 식물성 스테롤-인산-글리세롤의 글리세롤 부분과 결합시켜 아세탈(acetal) 형태로 결합시키기 위해서는 작용기 보호와 작용기 치환된 포도당을 사용하게 된다.
식물성 스테롤-인산-글리세롤-당 결합물의 염의 제조
한편, 상기 공정에 의해 제조된 수용성 식물성 스테롤-인산-글리세롤-당 결합물을 알카리금속의 수산기염을 0.5 내지 1.5 몰비, 바람직하게는 0.8 내지 1.2 몰비로 넣어 수용성 식물성스테롤 유도체 염을 제조할 수 있다. 상기 알카리금속의 수산기염으로는 Na, K 또는 Li 등이 바람직하다.
이하 실시예 및 제조예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보지만, 하기 예에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.
제조예 1
시토스테롤-인산-글리세롤 결합
냉각장치와 드로핑 펀넬 및 온도계가 부착된 반응 용기에 포스포러스 옥시 클로라이드 2mL(21.46mmole)를 넣고 염화메탈렌 10mL를 넣어 섞어준다. 이소프로필리덴글리세롤 3.69g(27.92mmole), 피리딘 5mL 및 염화메틸렌 10mL의 혼합액을 드로핑 펀넬에 넣어 첨가를 준비한다. 냉각장치를 이용하여 포스포러스 옥시 클로라이드가 포함된 반응액을 -10℃로 냉각한 후 드로핑 펀넬의 마개를 조금 열어 첨가한다. 첨가하는 동안의 반응액의 온도는 -5℃로 유지시켜 준다. 첨가가 끝나면 냉각장치의 작동을 중지시켜 반응액의 온도가 서서히 올라 갈수 있도록 한다. 30분 동안 반응하면 반응액의 온도도 10℃정도로 올라가게 된다. 시토스테롤 4g(9.66mmole), 트리에틸아민 2mL 및 피리딘 3mL를 염화메틸렌 30mL에 넣어 용해시킨 후 드로핑 펀넬에 넣어 첨가를 준비한다. 상기 과정에서 반응된 반응액을 냉각장치를 가동하여 다시 -5℃로 냉각한 다음, 드로핑 펀넬의 마개를 조금 열어 첨가한다. 첨가하는 동안의 온도는 -5℃로 유지시켜 주고 첨가가 끝나면 냉각장치의 가동을 중지시켜 반응액의 온도가 서서히 올라갈 수 있도록 한다. 4시간동안 반응시키고 반응의 종결이 확인되면 포화 중탄산나트륨 용액 40mL를 넣고 14시간동안 반응시킨다. 반응 후 염화메틸렌을 넣고 추출하고 유기용매 층을 모아 감압농축시킨다. 실리카젤을 충진한 컬럼크로마토그래피를 초산에틸을 전개 용매로 하여 분리하여 결과물을 수득한다.
얻어진 결과물을 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran) 30mL에 넣어 용해시키고 진한 염산 5mL를 넣은 후 2시간 동안 실온에서 반응시킨다. 반응이 종료된 후 반응액에 물 50mL를 넣고 반응액의 pH가 2∼3으로 조정된 것을 확인한 후, 테트라하이드로퓨란 50mL로 추출한다. 유기용매 층을 모아 황산마그네슘으로 수분을 건조하고 감압농축하여 시토스테롤-인산-글리세롤 결합물을 수득하였다. 수율은 70%였다.
실시예 1
시토스테롤-인산-글리세롤-포도당의 결합
차광된 반응용기에 제조예 1의 공정으로 수득한 시토스테롤-인산-글리세롤 결합물 0.5g(0.88mmole)과 모든 작용기가 벤질로 보호되고 α위치의 작용기만 브로마이드로 치환된 포도당(예, 2,3,4,6-테트라-O-벤질-α-D-글루코피라노실 브로마이드) 0.69g (1.14mmole)을 넣고 테트라하이드로퓨란 25mL와 디클로로에탄 25mL를 넣어 용해시킨다. 탄산은 0.31g(1.14mmole)을 넣어주고 실온에서 16시간동안 반응시킨다. 반응이 종료되면 여과하여 탄산은을 제거하고 감압농축한다. 농축된 결과물을 실리카젤로 충진된 컬럼크로마토그래피를 이용하여 초산에틸을 전개용매로 분리하여 결과물을 수득한다. 수득한 결과물을 에탄올 50mL에 용해시키고 10% 팔라듐 활성탄소 100㎎을 넣은 후 65℃, 5기압에서 2시간 동안 반응한다. 반응 후 팔라듐 활성탄소를 여과하여 제거하고 감압농축하여 수용성 시토스테롤 유도체를 수득하였다. 수율은 70%였다.
실시예 2
수용성 시토스테롤 유도체 염의 제조
실시예 1에 따라 제조된 수용성 시토스테롤 유도체 0.73g(1.0mmole)을 메탄올 10mL에 넣고 용해한다. 1N NaOH 용액 0.95mL(0.95mmole)를 넣고 서서히 교반하면서 냉각시킨다. 생성된 결정을 여과하고 건조하여 수용성 식물성 스테롤 유도체 염을 수득하였다. 수율은 90%였다.
실시예 3
시토스테롤-인산-글리세롤-맥아당의 결합
상기 실시예 1에서 사용된 포도당 대신에 모든 작용기가 벤질로 보호되고 α위치의 작용기만 브로마이드로 치환된 맥아당 1.18g(1.14mmole), 10% 팔라듐 활성탄소 200㎎을 사용하는 것을 제외하고는 동일하게 실시하여 수용성 시토스테롤 유도체를 수득하였다. 수율은 72%였다.
실시예 4
수용성 시토트스테롤 유도체 염의 제조
실시예 3에 따라 제조된 수용성 시토스테롤 유도체 1.25g(1.0mmole)을 메탄올 10mL에 넣고 용해한다. 1N NaOH 용액 0.95mL(0.95mmole)를 넣고 서서히 교반하면서 냉각한다. 생성된 결정을 여과하고 건조하여 수용성 식물성 스테롤 유도체 염을 수득한다. 수율은 90%였다.
실시예 5
수용성 시토스테롤 유도체의 용해도 측정
본 발명에 의해 제조된 수용성 식물성 스테롤 유도체는 식음료에 첨가될 수 있어야하므로, 일반적으로 식음료가 냉장상태로 판매된다는 점을 고려하여, 온도변화에 따른 수용성 식물성 스테롤 유도체의 용해도 변화를 조사하였다.
수용성 식물성 스테롤 유도체의 물에 대한 용해도
수용성 플랜트스테롤 유도체 당 형태 온도 용해되는 최대 농도(wt%)
수용성 플랜트스테롤유도체 기준 플랜트스테롤잔기 기준
1 포도당(Glucose) 산 35℃ 6.25 3.55
상온 6.20 3.52
4℃ 6.15 3.50
2 포도당(Glucose) 염기 35℃ 6.55 3.61
상온 6.50 3.58
4℃ 6.40 3.54
3 맥아당(Maltose) 산 35℃ 9.70 3.21
상온 9.65 3.19
4℃ 9.45 3.13
4 맥아당(Maltose) 염기 35℃ 10.40 3.38
상온 10.05 3.27
4℃ 9.85 3.21
농도(wt%) = (식물성 스테롤 유도체의 g수 / 물의 g 수) × 100
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 수용성 식물성 스테롤 유도체는 종래의 지용성 식물성 스테롤 유도체와는 달리 물에 쉽게 용해될 뿐만 아니라, 기존의 수용성 식물성 스테롤 유도체보다 용해도가 우수하다. 또한 본 발명에서 수용성을 증가시키기 위하여 선택한 분자들은 천연에 존재하는 분자들로 안전성을 확보할 수 있다. 본 발명의 수용성 식물성 스테롤 유도체는 해로운 LDL-콜레스테롤을 감소시켜 혈중 콜레스테롤치를 저하시키는 반면, 기존의 콜레스테롤 저하제 등의 약품복용시 유발되는 간 기능 장애 등의 부작용이 전혀 수반되지 않는다. 따라서 본 발명의 수용성 식물성 스테롤 유도체는 식음료 첨가제로서 FDA에서 콜레스테롤을 저하시키는 효과가 있다고 인정하는 식물성 스테롤의 성인의 1일 섭취량을 손쉽게 만족시켜 콜레스테롤 과다증의 치료 뿐만 아니라 일부 심장계 질환 및 고혈압 등의 예방에도 이용 가능하며 인체에도 안전한 수용성 식품소재로서의 역할을 기대 할 수 있을 것이다.

Claims (15)

  1. 하기 화학식 1로 표시되는 콜레스테롤 흡수 저하 효과를 가지는 수용성 식물성스테롤 유도체 및 이의 염.
    화학식 1
    상기 식에서 R1은 H, Na, K, Li 또는 Cs이며, R2는 당류이다.
  2. 제1항에 있어서, 상기 식물성 스테롤은 시토스테롤, 캄페스테롤, 스티그마스테롤, 스피나스테롤, 시토스탄올 또는 캄페스탄올인 것을 특징으로 하는 수용성 식물성스테롤 유도체 및 이의 염.
  3. 제1항에 있어서, 상기 당류는 포도당, 과당, 갈락토오즈, 글루코사민 또는 이들의 조합으로 이루어진 당인 것을 특징으로 하는 수용성 식물성스테롤 유도체 및 이의 염.
  4. 제3항에 있어서, 상기 당류의 조합은 슈크로즈, 젖당, 맥아당, 전분, 호정, 솔비톨, 자이리톨, 말토덱스트린, 올리고당 또는 키토산인 것을 특징으로 하는 수용성 식물성스테롤 유도체 및 이의 염.
  5. 비극성 유기용매 및 염기성 촉매 존재하에서 인산과 작용기가 보호된 글리세롤를 반응시켜 인산-글리세롤 결합물을 제공하는 단계;
    상기 인산-글리세롤 결합물과 식물성 스테롤를 반응시키는 단계;
    상기 반응물에 염산을 첨가하여 작용기가 보호된 글리세롤를 글리세롤로 전환시킨 인산-글리세롤-식물성 스테롤 결합물을 제공하는 단계; 및
    비극성 유기용매 및 염기성 촉매 존재하에서 상기 인산-글리세롤-식물성 스테롤 결합물과 당을 반응시키는 단계를 포함하는 하기 화학식 1로 표시되는 수용성 식물성스테롤 유도체 및 이의 염의 제조방법.
    화학식 1
    상기 식에서 R1은 H, Na, K, Li 또는 Cs이며, R2는 당류이다.
  6. 제5항에 있어서, 상기 인산이 포스포러스 옥시 클로라이드이고, 상기 글리세롤이 이소프로필리덴글리세롤인 것을 특징으로 하는 수용성 식물성 스테롤 유도체 및 이의 염의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 인산과 글리세롤의 반응몰비는 1 : 1∼2이고, 반응온도는 -3∼-7℃인 것을 특징으로 하는 수용성 식물성 스테롤 유도체 및 이의 염의 제조방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 식물성 스테롤은 인산에 대하여 1 : 2∼3의 몰비로 첨가되어 인산-글리세롤 결합물과 반응시키는 것을 특징으로 하는 수용성 식물성 스테롤 유도체 및 이의 염의 제조방법.
  9. 제5항에 있어서, 상기 인산-글리세롤 결합물과 식물성 스테롤의 반응온도는 -10∼0℃인 것을 특징으로 하는 수용성 식물성 스테롤 유도체 및 이의 염의 제조방법.
  10. 제5항에 있어서, 상기 식물성 스테롤-인산-글리세롤의 결합물과 당의 반응몰비는 1 : 1∼5인 것을 특징으로 하는 수용성 식물성 스테롤 유도체 및 이의 염의 제조방법.
  11. 제5항에 있어서, 상기 당의 작용기는 벤질, 아세틸, 벤조일 또는 메틸설폰기로 보호되고, 하나의 작용기만 브롬으로 치환된 것을 특징으로 하는 수용성 식물성 스테롤 유도체 및 이의 염의 제조방법.
  12. 제5항에 있어서, 상기 방법은 수용성 식물성 스테롤-인산-글리세롤-당 결합물과 알카리금속의 수산기염을 0.5 내지 1.5 몰비로 반응시켜 식물성 스테롤 유도체 염을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수용성 식물성 스테롤 유도체 및 이의 염의 제조방법.
  13. 제5항에 있어서, 상기 식물성 스테롤은 시토스테롤, 캄페스테롤, 스티그마스테롤, 스피나스테롤, 시토스탄올 또는 캄페스탄올인 것을 특징으로 하는 수용성 식물성 스테롤 유도체 및 이의 염의 제조방법.
  14. 제5항에 있어서, 상기 당류는 포도당, 과당, 갈락토오즈, 글루코사민 또는 이들의 조합으로 이루어진 당인 것을 특징으로 하는 수용성 식물성 스테롤 유도체 및 이의 염의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 당류의 조합은 슈크로즈, 젖당, 맥아당, 전분, 호정, 솔비톨, 자이리톨, 말토덱스트린, 올리고당 또는 키토산인 것을 특징으로 하는 수용성 식물성 스테롤 유도체 및 이의 염의 제조방법.
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