KR100402889B1 - 고농도, 고항균성의 키토산 용액의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고농도 고항균성의 키토산 용액의 제조방법 및 이에 의해 제조된 고농도 키토산 용액에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 키토산 분말에 키틴나아제및 산을 순차적으로 추가하여 고농도의 키토산을 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 고농도 키토산 용액에 관한 것이다.

Description

고농도, 고항균성의 키토산 용액의 제조방법{Method for Preparing Concentrated Solutuion Including Chitosan with Higher Antimicrobial Activity}

본 발명은 고농도 고항균성의 키토산 용액의 제조방법 및 이에 의해 제조된 고농도 키토산 용액에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 키토산 분말에 키틴나아제 및 산을 순차적으로 추가하여 고농도의 키토산을 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 고농도 키토산 용액에 관한 것이다.

키토산의 원료가 되는 키틴은 게, 새우 등 갑각류의 외골격, 곤충류의 표피, 균류의 세포벽에 널리 분포되어 있는 호모다당류로서, 폴리-β(1,4)-N-아세틸-D-글루코사민을 기본 단위로 하여 이루어진 다당류이다. 키틴은 그 구조가 셀룰로오스와 유사하나, 화학적 성질 및 물성은 전혀 다르며, 물 또는 유기용매에 대한 용해도가 매우 낮다.

한편, 키틴의 탈아세틸화에 의해 형성되는 키토산은 희석된 산에 용해되지만, 통상 분자량이 300,000-3,000,000의 고분자 상태로 용해되어 사용되고 있고,이 경우 점도가 매우 높은 양이온성 용액이 된다.

키틴과 키토산은 다양한 분야에 이용되고 있으며, 그 예는 다음과 같다: 식품 첨가물, 흡수제, 지방결합제, 유화 안정제, 중금속 흡착제, 유산균 촉진제, 다이어트제, 항콜레스테롤제, 면역 활성제, 항균제 및 보존제.

상기한 용도 가운데, 항균제 및 보존제의 목적으로 키토산이 이용되는 경우에는, 항균성이 높은 영역인 10,000 ∼ 40,000 분자량으로 용해 및 분해된 용액이 이용된다(참조: 조학래, "저분자 키토산의 항균성 및 식품 보존 효과에 관한 연구", 부산수산대학교(1989)).

한편, 상기한 용액을 제조하기 위하여 종래에 이용된 방법으로는, 산ㆍ알칼리에 의한 저분자 제조법(참조: 坂井和男, New Food Industry, 31:17-25(1989)), 염소 가스에 의한 저분자 제조법(참조: 일본국 특허공개 제 60-186504호), 과산화수소에 의한 저분자 제조법(참조: 일본국 특허공개 제 56-33401호), 과초산에 의한 저분자 제조법(참조: 일본국 특허공개 제 5-065302호), 효소를 이용한 저분자 제조법(참조: 內田泰, 井爪正人, 日農化西日本支部大會要旨集, 17(1986)) 등이 있다.

그러나, 상기한 종래의 제조방법에 있어서, 산ㆍ알칼리, 염소가스, 과산화수소, 과초산 등과 같은 화학적 처리 방법인 경우에는 각각의 처리물질에 따른 여러가지 단점이 있을 뿐만 아니라, 취급이 어렵고, 제조된 수용성 키토산 수율도 낮은 문제점이 있다. 또한, 과초산을 이용하는 경우에는 강한 초산 냄새 때문에 사용 범위가 좁고, 분자량 조절이 곤란하여 분자량이 초저분자로 되는 경향이 있기 때문에 항균성이 크게 저하된 키토산 용액이 제조된다.

더불어, 효소를 이용한 저분자 제조법도 최종적으로 제조된 키토산 용액이 초저분자의 키토산으로 되어 항균성이 크게 저하되는 문제점이 있을 뿐만 아니라, 키토산은 점도가 높은 고분자 물질이므로, 고농도로 용해 및 분해가 곤란하여 저농도로 용해될 수 밖에 없어 이 역시 첨가량이 많아질 수 밖에 없다.

본 발명자는 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하고자 예의 연구 노력한 결과, 키토산 분말에 키틴나아제 수용액 및 산을 순차적으로 추가시켜 반응시키는 경우에는 고농도의 키토산이 제조됨을 확인함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명이 목적은 고농도, 고항균성의 키토산 용액을 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기한 제조방법에 의해 제조된 고농도, 고항균성의 키토산 용액을 제공하는 데 있다.

본 발명은 키틴나아제 수용액을 키토산 분말에 첨가하여 상기 키틴나아제를 키토산에 접촉 및 침투시키는 단계; 상기 혼합용액에 산을 첨가하여 키토산을 팽윤 및 용해시키고 동시에 상기 접촉된 키틴나아제에 의해 키토산을 분해시키는 단계; 및 상기 분해 반응을 종료시키는 단계를 포함하는 고농도 키토산 용액의 제조방법을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기한 제조방법에 의해 제조된 고농도 키토산 용액을 다른 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다:

본 발명의 제조방법은 종래의 저분자량 키토산 용액의 제조방법과는 기본적인 개념이 다른 것으로서, 본 발명의 방법에 따르는 경우에는 항균성이 우수한 분자량 범위인 10,000 ∼ 40,000의 키토산 용액을 용이하게 제조할 수 있다.

본 발명의 제조방법은 우선, 얻고자 하는 키토산 농도에 적합하게 키틴나아제의 수용액을 제조하고, 용액의 온도는 효소 활성의 최적화를 위하여 30 ∼ 50℃로 조절한다. 이어, 적합한 탈아세틸화도를 갖는 키토산 분말을 첨가하여, 키토산 분말에 효소가 용해된 용액이 균일하게 흡수될 수 있도록 한다. 이때 물이 키토산 분말에 흡수되면서 물에 녹아 있는 효소 역시 키토산 분말에 흡수 또는 표면에 접촉하게 된다.

그런 다음, 사용 용도에 적합한 산을 적정량 투입하여 키토산 분말을 팽윤 및 용해시키고, 동시에 키틴나아제에 의해 키토산내의 탈아세틸화 되지 않은 부위를 분해하도록 하여 최종적으로 고농도의 키토산 용액을 제조한다. 효소에 의한 분해 반응의 최종점(end point)은 얻고자 하는 분자량이 달성된 시점으로서, 이와 같은 최종점은 스트로딩거(Straudinger)식 극한 점도법(참조: 키틴ㆍ키토산의 개발과 응용, 공업기술회(일본국), 33-37(1987)) 등을 이용하여 확인할 수 있다.

상기한 제조방법은 반응액을 계속적으로 교반하는 상태에서 실시하는 것이 바람직하다. 한편, 사용되는 산의 양은 종래 방법과 비교하여 10 ∼ 30% 줄일 수 있다.

한편, 키토산 용액의 종래기술에 따르면, 증류수에 정량의 산을 넣어 혼합한 다음 키토산 분말을 첨가하게 되고, 이때 산이 포함된 정제수에 키토산 분말이 접촉되는 순간 서로 응집하여 용해에 소요되는 시간이 길어지는 문제점이 발생하게 되고, 용해가 종료된 후에 효소를 첨가하여 혼합하는 경우에는, 상기 키토산 분말이 용해된 용액이 점도가 매우 높기 때문에, 첨가되는 효소가 균일하게 키토산 용액에 혼합되기가 매우 어렵다.

본 발명의 제조방법에서 이용되는 산은, 통상적으로 식품공학에 이용되는 산을 이용할 수 있고, 바람직하게는 염산과 같은 무기산 또는 구연산, 젖산, 초산, 호박산과 같은 유기산을 이용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 보다 바람직하기로는 염산, 구연산 또는 초산을 이용하는 것이다.

한편, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 키토산은 탈아세틸화가 70% 이상인 것으로서, 그 미만인 경우에는 키토산의 다양한 효과가 크게 저하되어 실용적인 가치가 크게 저하되는 문제점이 있다.

본 발명의 제조방법에 의해 최종적으로 제조되는 고농도 키토산 용액내의 키토산의 분자량은 바람직하게는 항균성이 우수한 범위인 10,000 ∼ 40,000이고, 이와 같은 분자량의 조절은 키틴나아제의 활성에 의해 달성된다. 상설하면, 본 발명은 키토산나아제 대신에 키틴나아제를 이용하여 키토산 내에 있는 탈아세틸화되지 않은 부위에 작용하여 이를 분해시킴으로써 키토산을 저분자량화하게 된다. 따라서, 바람직하게는 본 발명의 제조방법에서 이용되는 키토산 출발물질은 분자량이 10만 ∼ 50만이고, 보다 바람직하게는 10만 ∼ 30만이다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 최종적으로 제조되는 고농도 키토산 용액의 농도는 5 ∼ 50%이고, 이와 같은 농도는 초기에 사용되는 키토산의 분말의 양을 변화시킴으로써 조절될 수 있다.

한편, 상기 최종적으로 제조된 고농도 키토산 용액의 pH는 4 ∼ 5이다. 이와 같은 pH 값을 나타내는 이유는, 산을 첨가한 초기에는 키토산내의 아민기가 pH 완충제로서의 역할을 제대로 수행하지 못하다가, 나중에 키토산이 팽윤 및 용해되면서 상기 아민기가 pH 완충제로서의 작용을 하기 때문에 pH가 약 2에서부터 약 5까지 증가하게 된다.

본 발명에서 이용되는 키틴나아제는 통상적인 키틴나아제가 이용될 수 있고, 바람직하게는 30 ∼ 60℃의 온도 및 pH 2.5 ∼ 6에서 안정성과 활성을 나타내는 효소이다.

본 발명의 제조방법에 있어서, 최종적으로 실시되는 분해 효소 종료 단계는 효소의 활성을 실화하는 일반적인 방법에 의해 실시될 수 있고, 바람직하게는 승온 처리에 의해 실시되는 것이며, 보다 바람직하게는 80 ∼ 95℃까지 승온 처리하는 것이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

실시예 1: 키토산 분발의 제조

게의 외골격을 농도 5%의 가성소다 알칼리 용액에 넣고, 95 ∼ 100℃로 가열하여 단백질을 제거시킨 다음, 농도 5%의 염산 용액에 넣어 실온에서 칼슘을 제거시켜 정제된 키틴을 수득하였다. 이어, 수득한 키틴 무게의 30배에 해당하는 농도 50%의 알칼리 용액에 충분히 상기 키틴을 침적시키고, 100 ∼ 120℃에서 2 ∼ 10시간 동안 가열하여 탈아세틸화가 70 ∼ 99.9%인 키토산을 수득하였다.

한편, 키토산의 탈아세틸화는 콜로이드 적정법(참조: 천수양일(千手諒一), 콜로이드 적정법, 남강당(1969))으로 측정하였다.

실시예 2: 키토산 용액의 제조 Ⅰ

580 ㎖의 증류수가 첨가된 교반기가 부착된 2000 ㎖ 반응기에Torichoderma sp.기원의 키틴나아제(HANKYU BIOINDUSTRY사, 일본) 0.6 g(19,000 유니트/g)을 첨가하고, 교반기로 교반하여 충분히 용해시켰다. 이때 물의 온도는 40℃로 가온 유지하였다. 이어, 상기 실시예 1에서 제조한 입도가 60 메쉬이고 탈아세틸화도95%의 키토산 분말 200 g을 상기 혼합물에 투입한 다음, 교반하여 키토산 분말에 효소가 용해된 증류수가 골고루 침투될 수 있도록 하였다.

그런 다음, 계속 교반하면서 200 메쉬 이상의 무수 구연산 분말 219.4 g을 소량씩 서서히 적가하여 슬러리 상태의 상기 키토산 혼합물에 골고루 분산, 용해하였다. 이때 키토산 분말이 팽윤 및 용해되면서 분해가 시작되며, 온도는 40℃로 유지하였고, 교반은 계속적으로 실시하였다. 그리고 나서, 12시간 반응을 행한 다음, 90℃에서 1시간 효소를 실화하여 분해 반응을 종료하고 평균 분자량 10,000의 키토산의 함량이 20%인 고항균성 키토산 용액을 수득하였다.

한편, 평균 분자량은 오스트발드(Ostwald)형 점도계를 이용하여 스트로딩거(Straudinger)식 극한 점도법(참조: 키틴ㆍ키토산의 개발과 응용, 공업기술회(일본국), 33-37(1987))으로 측정하였다.

실시예 3: 키토산 용액의 제조 Ⅱ

635 ㎖의 증류수가 첨가된 교반기가 부착된 2000 ㎖ 반응기에Torichoderma sp.기원의 키틴나아제(HANKYU BIOINDUSTRY사, 일본) 0.9 g(19,000 유니트/g)을 첨가하고, 교반기로 교반하여 충분히 용해시켰다. 이때 물의 온도는 40℃로 가온 유지하였다. 이어, 상기 실시예 1에서 제조한 입도가 80 메쉬이고 탈아세틸화도 99%의 키토산 분말 300 g을 상기 혼합물에 투입한 다음, 교반하여 키토산 분말에 효소가 용해된 증류수가 골고루 침투될 수 있도록 하였다.

그런 다음, 증류수 500 ㎖에 염산 14.1 g이 용해된 염산 용액(35%)을 계속교반하면서 소량씩 서서히 적가하여 슬러리 상태의 상기 키토산 혼합물에 골고루 분산되도록 하였다. 이때 키토산 분말이 팽윤 및 용해되면서 분해가 시작되며, 온도는 40℃로 유지하였고, 교반은 계속적으로 실시하였다. 그리고 나서, 12시간 반응을 행한 다음, 90℃에서 1시간 효소를 실화하여 분해 반응을 종료하고 평균 분자량 30,000의 키토산의 함량이 30%인 고항균성 키토산 용액을 수득하였다.

실시예 4: 키토산 용액의 제조 Ⅲ

729.4 ㎖의 증류수가 첨가된 교반기가 부착된 2000 ㎖ 반응기에Torichoderma sp.기원의 키틴나아제(HANKYU BIOINDUSTRY사, 일본) 0.6 g(19,000 유니트/g)을 첨가하고, 교반기로 교반하여 충분히 용해시켰다. 이때 물의 온도는 40℃로 가온 유지하였다. 이어, 상기 실시예 1에서 제조한 입도가 60 메쉬이고 탈아세틸화도 99%의 키토산 분말 200 g을 상기 혼합물에 투입한 다음, 교반하여 키토산 분말에 효소가 용해된 증류수가 골고루 침투될 수 있도록 하였다.

그런 다음, 초산 용액(98%) 70 g을 계속 교반하면서 소량씩 서서히 적가하여 슬러리 상태의 상기 키토산 혼합물에 골고루 분산되도록 하였다. 이때 키토산 분말이 팽윤 및 용해되면서 분해가 시작되며, 온도는 40℃로 유지하였고, 교반은 계속적으로 실시하였다. 그리고 나서, 12시간 반응을 행한 다음, 90℃에서 1시간 효소를 실화하여 분해 반응을 종료하고 평균 분자량 30,000의 키토산의 함량이 20%인 고항균성 키토산 용액을 수득하였다.

실시예 5: 키토산 용액의 제조 Ⅳ

683.4 ㎖의 증류수가 첨가된 교반기가 부착된 2000 ㎖ 반응기에Torichoderma sp.기원의 키틴나아제(HANKYU BIOINDUSTRY사, 일본) 0.6 g(19,000 유니트/g)을 첨가하고, 교반기로 교반하여 충분히 용해시켰다. 이때 물의 온도는 40℃로 가온 유지하였다. 이어, 상기 실시예 1에서 제조한 입도가 60 메쉬이고 탈아세틸화도 99%의 키토산 분말 200 g을 상기 혼합물에 투입한 다음, 교반하여 키토산 분말에 효소가 용해된 증류수가 골고루 침투될 수 있도록 하였다.

그런 다음, 젖산 용액(98%) 116 g을 계속 교반하면서 소량씩 서서히 적가하여 슬러리 상태의 상기 키토산 혼합물에 골고루 분산되도록 하였다. 이때 키토산 분말이 팽윤 및 용해되면서 분해가 시작되며, 온도는 40℃로 유지하였고, 교반은 계속적으로 실시하였다. 그리고 나서, 12시간 반응을 행한 다음, 90℃에서 1시간 효소를 실화하여 분해 반응을 종료하고 평균 분자량 30,000의 키토산의 함량이 20%인 고항균성 키토산 용액을 수득하였다.

실험예 1: 항균력 평가

본 발명의 고농도 키토산 용액의 항균력을 확인하기 위하여, 상기 실시예에서 제조한 최종 용액을 한국화학시험연구원에 의뢰하여 항균력 시험을 실시하였다. 항균력 시험은 전형적인 MIC(최저발육저지농도) 측정법에 따라 실시하였고, 이용된 균주는 대장균(Escherichia coliATCC 25922) 및 포도상 구균(Staphylococcus aureusATCC 25923)이었다. 실험 결과는 다음 표 1과 같다:

시료 구분	이용 균주	MIC(%)
실시예 1	대장균	0.049
	포도상 구균	0.024
실시예 4	대장균	0.098
	포도상 구균	0.024

상기 표 1에서 확인할 수 있듯이, 실시예 1 및 실시예 4에서 제조한 본 발명의 키토산 용액은 우수한 항균력을 나타냄을 알 수 있다.

본 발명은 고농도, 고항균성의 키토산 용액의 제조방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 고농도, 고항균성의 키토산 용액을 제공한다. 본 발명의 키토산 용액은 고농도이므로 포장, 운반, 저장 등을 경제적으로 할 수 있으며, 소량을 사용하여도 효과가 크므로 편리성 효율성이 크게 개선되고, 고항균성 수용성의 키토산 분말을 제조 및 가공할 경우 건조비에서 경제성이 개선되는 효과가 있다.

Claims (8)

1. 다음의 단계를 포함하는 고농도 키토산 용액의 제조방법:

   (a) 키틴나아제 수용액을 탈아세틸화도가 70-99%인 키토산 분말에 첨가하여 상기 키틴나아제를 키토산에 접촉 및 침투시키는 단계;

   (b) 상기 혼합용액에 산을 첨가하여 키토산을 팽윤 및 용해시키고 동시에 상기 접촉된 키틴나아제에 의해 키토산을 분해시키는 단계; 및

   (c) 상기 분해 반응을 종료시켜 분자량 10,000-40,000 범위의 키토산 용액을 수득하는 단계.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 산은 염산, 구연산, 젖산, 초산 및 호박산으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 고농도 키토산의 제조방법.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서, 상기 최종적으로 제조된 고농도 키토산 용액의 농도는 5 ∼ 50% 인 것을 특징으로 하는 고농도 키토산 용액의 제조방법.
6. 제 1 항에서 있어서, 상기 키토산 분해 반응을 종료시키는 단계는 승온에 의해 실시됨을 특징으로 하는 고농도 키토산 용액의 제조방법.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 승온 처리는 80 ∼ 95℃까지 승온하는 것임을 특징으로 하는 고농도 키토산 용액의 제조방법.
8. 상기 제 1 항, 제 2 항, 제 5 항, 제 6 항 또는 제 7 항의 제조방법에 의해 제조된 고농도 키토산 용액.