KR100486042B1 - Method for preparing chitin hydrolysates having low molecular weight and oligosaccharides by the enzyme treatment - Google Patents
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Abstract
본 발명은 효소 처리에 의한 키틴 저분자당 및 올리고당의 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 키토산에 묽은 유기산 또는 무기산을 첨가하여 균일화된 키토산 용액을 얻는 단계; 상기 키토산 용액에 알카리성 물질을 첨가하여 키토산을 침출시켜 분리시키는 단계; 상기 분리된 키토산의 아세틸화를 방지하기 위해 메탄올 또는 아세톤에서 현탁시키는 단계; 상기 현탁액에 무수 초산을 첨가시켜 섬유질상의 아세틸화된 키틴을 얻는 단계; 및 상기 키틴질에 키틴아제를 첨가시켜 가수분해시키는 단계를 포함하는 효소 처리에 의한 키틴 저분자당 및 올리고당의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 섬유질상의 키틴을 합성하고 이를 효소학적 방법으로 처리하여 키틴 올리고당을 포함하는 수용성의 저분자 키틴을 제조하므로써 식료품, 화장품, 농업, 및 의, 약학 분야에 이용이 용이한 장점이 있다.The present invention relates to a method for producing chitin low molecular sugar and oligosaccharide by enzyme treatment, and more specifically, adding a diluted organic or inorganic acid to chitosan to obtain a homogenized chitosan solution; Adding an alkaline substance to the chitosan solution to leach and separate the chitosan; Suspending in methanol or acetone to prevent acetylation of the separated chitosan; Adding acetic anhydride to the suspension to obtain acetylated chitin on fibrous; And it relates to a method for producing chitin low-molecular sugar and oligosaccharide by the enzyme treatment comprising the step of hydrolysis by adding chitinase to the chitin. The present invention has an advantage that it is easy to use in food, cosmetics, agriculture, and medical and pharmaceutical fields by synthesizing the chitin on the fibrous and treated by the enzymatic method to prepare a water-soluble low molecular chitin containing chitin oligosaccharides.
Description
본 발명은 효소 처리에 의한 키틴 저분자당 및 올리고당의 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 보다 효과적인 키틴 올리고당을 포함하는 수용성의 저분자당을 얻기 위해 먼저 순수 섬유질상의 키틴질을 얻고, 이를 효소로 처리한 수용성 키틴 저분자당 및 올리고당의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing chitin low molecular sugar and oligosaccharide by enzyme treatment, and more specifically, to obtain a water-soluble low molecular sugar containing more effective chitin oligosaccharide, first, a pure fibrous chitin is obtained and treated with an enzyme. A water-soluble chitin low molecular sugar and oligosaccharides.
키틴질은 자연계로부터 얻을 수 있는 천연고분자로 잘 알려져 있으며, 게 또는 새우 등 수많은 종류의 갑각류의 외피의 주요 구성성분으로 더욱 잘 알려져 있다. 특히 최근에는 생물학적으로 특이 활성을 갖는 물질로 대두되어 연구용 시료, 사료, 의학, 약학 분야, 농업분야 및 화장품 원료 등의 다방면에서의 그 이용이 확대되어 가고 있는 실정이다. 하지만, 키틴을 이용함에 있어 불용성이라는 큰 단점이 있어 그 이용에 많은 제약이 있다.Chitin is well known as a natural polymer that can be obtained from the natural world, and is better known as a major constituent of the shell of many kinds of crustaceans, such as crabs or shrimp. In particular, it has recently emerged as a biologically specific substance has been used in a variety of fields such as research samples, feed, medicine, pharmacy, agriculture and cosmetic raw materials. However, there is a big disadvantage of insolubility in using chitin, and there are many restrictions on its use.
따라서 많은 연구자들에 의해 이 물질을 수용화시킬 수 있는 방법이 개발되고 있으며, 이미 상당한 성과를 얻었다고 판단된다. 하지만, 키틴 그 자체를 수용화시킬 수 없으므로 화학적으로 수식화하여 수용성화시키는 방법, 또는 강산으로 처리하여 녹이거나, 고온으로 가열하여 분자량이 작은 물질로 만드는 방법 등 아직도 고전적인 방법이 그대로 이용되고 있다.As a result, many researchers have been developing methods to accept this material, and have already achieved significant results. However, since chitin itself cannot be solvated, classical methods such as chemically formulating and solubilizing it, or treating with strong acid to dissolve, or heating to high temperature to form a low molecular weight material, are still used.
예를 들어, 수용성 저분자량의 키틴 올리고당을 제조하는 선행기술로, 한국 특허출원 제98-03031호에서는 키틴을 물에 분산시키는 단계, 산을 첨가하고 교반하여 키틴을 팽윤시키는 단계, 및 팽윤된 키틴 용액에 초음파를 조사하는 단계로 이루어지는 수용성 저분자 키틴 및 키틴 올리고당의 제조방법을 개시하고 있다.For example, as a prior art for producing water-soluble low molecular weight chitin oligosaccharides, Korean Patent Application No. 98-03031 discloses dispersing chitin in water, adding acid and stirring to swell chitin, and swelling chitin. Disclosed is a method for preparing water-soluble low molecular chitin and chitin oligosaccharides comprising irradiating a solution with ultrasonic waves.
키토산 올리고당을 제조하는 방법으로 일본 특개평 1-56755호에서는 키토산의 분해효소인 키토산아제(chitosanase)를 이용하여 저분자량의 수용성 키토산을 제조하고, 일본 특개평 4-99474호에서는 키토산을 아세트산 수용액에 용해시킨 다음 이 용액에 베르트실리움속 AF 9-V-156에서 얻은 키토산아제를 이용하여 저분자량의 수용성 키토산 올리고당을 제조하고 있으나, 위 두경우 모두 효소의 활성이 매우 낮아 제조된 수용성 키토산의 분자량이 너무 크고, 분자량 분포도 넓으며, 수율이 매우 낮은 것이 가장 큰 문제점으로 지적되고 있다.As a method for preparing chitosan oligosaccharides, Japanese Laid-Open Patent Publication No. 1-56755 prepares a low molecular weight water-soluble chitosan using chitosanase, a chitosan degrading enzyme, and Japanese Patent Laid-Open Publication No. 4-99474 to prepare chitosan in an aqueous acetic acid solution. After dissolving, low-molecular-weight water-soluble chitosan oligosaccharides were prepared using chitosanase obtained from Bertsilium AF 9-V-156 in the above solution. Too large, wide molecular weight distribution, and very low yield are pointed out as the biggest problems.
또한, 한국 특허출원 제99-32346호에서는 키토산에 대하여 물, 초산, 황산을 혼합한 혼합액에 과산화수소를 첨가하여 반응하고 중화시키는 제1차 분해단계와 이로써 제조된 키토산 용액에 대하여 키토산 분해효소를 첨가하여 키토산을 분해시키는 제2차 분해단계 및 이 용액을 원심분리, 투석, 건조시키는 단계를 포함하는 저분자량의 수용성 키토산 올리고당의 제조방법을 개시하고 있다.In addition, Korean Patent Application No. 99-32346 discloses chitosan degrading enzyme for the first decomposition step of reacting and neutralizing hydrogen peroxide by adding hydrogen peroxide to a mixture of water, acetic acid and sulfuric acid. And a second decomposition step of decomposing chitosan and a method for producing a low molecular weight water-soluble chitosan oligosaccharide comprising centrifugation, dialysis, and drying the solution.
한편, 최근에는 미생물이 생산한 키틴아제라는 분해효소를 키토산 올리고당 뿐만 아니라 키틴 올리고당 생산에 응용하고 있으나, 이 방법 역시 효과적인 효소의 분해능력을 위해서는 우선적으로 어떻게 키틴을 최대한 균일한 개체로 만드느냐에 따라 응용의 가치를 더할 수 있다고 판단된다.Recently, microorganism-producing chitinases are used for the production of chitin oligosaccharides as well as chitosan oligosaccharides, but this method also depends on how to make chitin as homogeneous as possible for effective enzyme degradation. I think it can add value.
이에 본 발명에서는 보다 효과적인 키틴 올리고당을 포함하는 수용성의 저분자당의 생산법을 개발하고자 오랜 연구노력 끝에 작으나마 결과를 얻었고, 본 발명은 이에 기초하여 완성되었다. 즉, 본 발명자는 키틴 올리고당을 얻기 위해 화학적인 방법을 이용하거나 효소학적인 방법을 이용하고자 함에 있어 순수 섬유질상의 키틴질을 필요로 한다고 판단하였다. 다시 말하면, 순수 섬유질상의 키틴질을 얻기 위한 새로운 방법이 필요하다 하겠다. 물론, 키틴을 손쉽게 녹이려는 노력의 일환으로 키틴 용매를 찾아내고 이를 이용하는 연구자들 또한 많으나, 알려진 대부분의 방법이 상당히 번거롭거나, 고농도의 황산, 염산 등의 유기용매를 다량 이용하여야 하며, 처리방법 또한 쉽지 않은 것으로 사료된다.Therefore, in the present invention, a small but small result was obtained after a long research effort to develop a method for producing a water-soluble low molecular sugar containing more effective chitin oligosaccharides, and the present invention was completed based on this. In other words, the present inventors determined that in order to use the chemical method or the enzymatic method to obtain the chitin oligosaccharide, the chitin of pure fiber is required. In other words, new methods are needed to obtain chitin on pure fibrous fibers. Of course, there are many researchers who find and use chitin solvent as an effort to dissolve chitin easily, but most of the known methods are quite cumbersome, or high concentrations of organic solvents such as sulfuric acid and hydrochloric acid should be used. It is also thought to be not easy.
따라서 본 발명의 목적은 우선적으로 섬유질상의 키틴질을 손쉽게 얻고자 함에 있으며 이를 효소로 가수분해하여 수용성 키틴 올리고당 및 수용성의 키틴 저분자당을 제조할 수 있는 방법을 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to easily obtain a chitin on a fibrous fiber, and to provide a method for preparing a water-soluble chitin oligosaccharide and a water-soluble chitin low molecular sugar by hydrolyzing it with an enzyme.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 효소 처리에 의한 키틴 저분자당 및 올리고당의 제조방법은 키토산에 묽은 유기산 또는 무기산을 첨가하여 균일화된 키토산 용액을 얻는 단계; 상기 키토산 용액에 알카리성 물질을 첨가하여 키토산을 침출시켜 분리시키는 단계; 상기 분리된 키토산의 아세틸화를 방지하기 위해 메탄올 또는 아세톤에서 현탁시키는 단계; 상기 현탁액에 무수 초산을 첨가시켜 섬유질상의 아세틸화된 키틴을 얻는 단계; 및 상기 키틴질에 키틴아제를 첨가시켜 가수분해시키는 단계를 포함한다.The method for preparing chitin low molecular sugar and oligosaccharide by the enzyme treatment of the present invention for achieving the above object comprises the steps of adding a diluted organic acid or inorganic acid to chitosan to obtain a homogenized chitosan solution; Adding an alkaline substance to the chitosan solution to leach and separate the chitosan; Suspending in methanol or acetone to prevent acetylation of the separated chitosan; Adding acetic anhydride to the suspension to obtain acetylated chitin on fibrous; And hydrolyzing the chitin by adding chitinase.
이하 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.Looking at the present invention in more detail as follows.
전술한 바와 같이, 키틴질은 게 또는 새우 등 수많은 종류의 갑각류의 외피의 주요 구성성분으로 잘 알려져 있다. 이는 외부의 어떤 공격으로부터 자신을 보호하는 중요한 역할을 할 뿐 아니라 최근에는 천연 신소재로 다방면에 이용되고 있는 실정이다. 특히 키틴 올리고당의 생리/생물학적 특이성이 인정됨에 따라 키틴 올리고당 및 수용성의 저분자당 생산기술의 개발에 많은 연구자들이 관심을 갖고 보다 간단하며 신뢰성 있는 새로운 기술을 모색하고 있다. 하지만 불행이도 키틴의 이용에 많은 기술적 제약이 따른다는 점이다.As mentioned above, chitin is well known as a major constituent of the shell of numerous types of crustaceans, such as crabs or shrimps. This not only plays an important role in protecting itself from any external attack, but is recently used in various fields as a natural new material. In particular, as the physiological / biological specificity of chitin oligosaccharides is recognized, many researchers are interested in the development of chitin oligosaccharides and water-soluble low molecular sugar production technologies, and are seeking new technologies that are simpler and more reliable. Unfortunately, there are many technical limitations to using chitin.
키틴은 키토산(키틴의 완전 또는 부분적 탈아세틸화된 물질) 보다도 유기용매에 녹이기가 상당히 어려우며, 고농도의 염산, 질산, 황산 또는 매우 특정한 용매에 녹으므로 이용에 있어 적지 않은 고충이 있다. 또한 특정한 크기의 작은 분자량으로 가수분해하기에도 많은 기술적 문제가 있음도 사실이다.Chitin is considerably more difficult to dissolve in organic solvents than chitosan (a fully or partially deacetylated substance of chitin), and it is not a small problem in use because it is dissolved in high concentrations of hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, or a very specific solvent. It is also true that there are many technical problems with hydrolysis to small molecular weights of specific sizes.
기존의 방법은 대개 키틴을 상당히 높은 농도의 염산을 이용하여 고온으로 가열 처리하여 얻고 있으나, 최대한 균일한 크기의 올리고당 생산을 위해서는 우선 키틴을 최소한의 작은 크기로 분쇄하여야 할 필요성이 있다. 아무리 분말 상태의 작은 입자의 키틴을 얻는다 해도 이를 화학적/효소학적 가수분해에 이용하기에 적합하다고 일컫기에는 다소 무리가 있다 하겠다.Conventional methods are usually obtained by heating the chitin to a high temperature using a fairly high concentration of hydrochloric acid, but in order to produce oligosaccharides of the most uniform size, it is necessary to first crush the chitin to a minimum size. Even if a small particle of chitin is obtained in the powder state, it may be difficult to say that it is suitable for use in chemical / enzymatic hydrolysis.
따라서 대부분의 연구자들은 이러한 문제의 해결방안을 고려하여 콜로이달 키틴을 만들어 사용하고 있으나, 이 또한 많은 량(40∼60g/1ℓ)의 진한 염산을 이용하여야 하므로 처리과정에서의 안전성 및 환경 친화성 등을 고려하지 않을 수 없다. 또한, 최근에는 키틴아제라 불리는 가수분해효소를 이용하여 콜로이달 키틴을 가수분해하는 방법이 이용되고 있으나, 이 방법 역시도 콜로이달 키틴이라는 물질을 기초 물질로 이용하여야 하므로 원천적인 문제의 해결에 봉착하게 된다.Therefore, most researchers make and use colloidal chitin in consideration of the solution of this problem, but this also requires the use of a large amount (40 ~ 60g / 1ℓ) of concentrated hydrochloric acid, safety and environmental friendliness There is no choice but to consider. In addition, recently, a method of hydrolyzing colloidal chitin by using a hydrolase called chitinase has been used, but this method also needs to use a substance called colloidal chitin as a basic substance, thus solving the original problem. .
따라서, 본 발명에서는 수용성 키틴 올리고당 및 수용성의 저분자당을 얻기 위한 화학적인 방법과 효소학적인 방법을 적용함에 있어, 먼저 순수 섬유질상의 키틴질이 요구된다.Therefore, in the present invention, in applying the chemical and enzymatic methods for obtaining water-soluble chitin oligosaccharides and water-soluble low molecular sugars, first, pure fibrous chitin is required.
다시 말하면, 시판되는 대부분의 키틴은 아주 고운 분말 상태의 것이 많으나, 사실상 이를 그대로 효소처리 하거나 화학적 처리를 하여 올리고당을 얻기는 어렵다. 따라서 보다 효율적인 반응을 수행하기 위해서 섬유질상의 키틴을 얻는 것이 중요하다. 대부분의 기존의 방법은 키틴을 농염산으로 처리하여 콜로이달 키틴을 만들어 이용하여 왔으며, 화학적 관능기의 도입 또는 다른 아주 특정적인 방법으로 키틴을 녹여, 장시간에 걸쳐 이를 회수하여 이용하는 방법도 제시되고 있다. 하지만, 이들 모두 처리시간이 길며, 과다한 량의 염산 또는 다른 화학물질을 이용하는 점이다. 따라서, 보다 효율적인 섬유질상의 키틴을 제조하는 방법이 요구된다.In other words, most of the commercially available chitin is a very fine powder state, but in fact it is difficult to obtain the oligosaccharide by enzymatic treatment or chemical treatment as it is. Therefore, it is important to obtain a chitin on the fibrous to perform a more efficient reaction. Most conventional methods have been used to produce colloidal chitin by treating chitin with concentrated hydrochloric acid. Also, a method of dissolving chitin by using a chemical functional group or another very specific method and recovering it for a long time has been proposed. However, all of them have a long processing time and use an excessive amount of hydrochloric acid or other chemicals. Therefore, there is a need for a method of producing more efficient fibrous chitin.
본 발명의 방법에 따르면, 섬유질상의 키틴을 얻기 위해 우선 잘 정제된 키토산(탈아세틸화도 92.0∼99%)을 묽은 유기산 또는 무기산 용액, 바람직하게는 초산용액에 넣고 충분한 시간 동안 교반시켜 완전히 녹여 키토산 용액을 얻는다. 이와 같이, 키토산을 묽은 유기산에 녹이므로써 균일화된 상태의 키토산을 얻어 후속공정인 아세틸화 공정에서 효율적인 반응을 수행할 수 있다. 한편, 상기 키토산의 탈아세틸화도는 92.0% 미만이라도 상관없으나, 유기산에 녹이는 과정에서 완전 용해를 위해서 다소 시간이 걸리며, 경우에 따라 불완전 용해의 키토산물이 존재할 수 있으므로 가급적 높은 탈아세틸화도를 갖는 키토산을 이용하는 것이 바람직하다.According to the method of the present invention, in order to obtain a fibrous chitin, the well-refined chitosan (deacetylation degree of 92.0 to 99%) is first dissolved in a dilute organic or inorganic acid solution, preferably acetic acid solution, stirred for a sufficient time, and completely dissolved. Get As such, by dissolving chitosan in a dilute organic acid, chitosan in a homogeneous state can be obtained, and an efficient reaction can be performed in the subsequent acetylation process. On the other hand, the deacetylation degree of the chitosan may be less than 92.0%, but it takes some time for complete dissolution in the process of dissolving in the organic acid, chitosan having a high degree of deacetylation as possible because there may be an incomplete dissolution chitosan in some cases It is preferable to use.
본 발명에서는 키토산이 키틴보다 구조적으로 훨씬 더 불안정하기 때문에 출발물질로 키틴을 이용하지 않고 키토산을 이용한다. 다시 말하면, 키틴은 묽은 유기산 또는 무기산에 잘 녹지 않으므로 후속공정에서 효소의 반응 및 활성을 극대화시킬 수 없다. 따라서, 키틴을 출발물질로 하여서는 아세틸화가 균일화된 섬유질상의 키틴질을 얻을 수 없으므로 키토산을 유기산 또는 무기산 용액에 녹인 키토산 용액을 이용한다.In the present invention, since chitosan is much more unstable structurally than chitin, chitosan is used instead of chitin as a starting material. In other words, chitin is not soluble in dilute organic or inorganic acids, so it is impossible to maximize the reaction and activity of the enzyme in a subsequent process. Therefore, since chitin as a starting material cannot obtain a chitin of fibrous uniform acetylation, a chitosan solution in which chitosan is dissolved in an organic or inorganic acid solution is used.
상기 키토산 용액을 잘 교반시켜 가며 강, 약의 알카리성 물질, 바람직하게는 트리스염(Tris-HCl) 용액을 천천히 가하면, 시간이 경과함에 따라 pH가 상승하고 이에 따라 키토산이 침출된다. 더 이상의 침출이 나타나지 않을 때까지 강, 약의 알카리성, 바람직하게는 트리스염 용액을 가하여 키토산을 전부를 침전시킨다.Stirring the chitosan solution well and slowly adding a strong, weakly alkaline substance, preferably a Tris-HCl solution, the pH rises over time and the chitosan leaches. A strong, weakly alkaline, preferably tris salt solution is added to precipitate all chitosan until no further leaching is seen.
본 발명에 따르면, 키토산의 아세틸화의 기본적인 조건이 pH를 약알카리로 유지하여야 하기 때문에 강, 약의 알카리성 물질을 이용한다. 이때, pH는 약 8.0 정도가 바람직하며, 이를 초과하여 pH를 상승시키면 키토산이 급하게 응결될 수 있다. 상기 알카리성 물질로 바람직한 트리스염은 보통 단백질 정제시에도 사용되는 완충액으로도 매우 많이 이용되는 물질로, 차후 무수초산을 가하는 반응에 있어서도 그 완충효과를 기대할 수 있다.According to the present invention, strong and weak alkaline substances are used because the basic conditions for the acetylation of chitosan are to maintain the pH at weak alkali. In this case, the pH is preferably about 8.0, and if the pH is increased beyond this, chitosan may be rapidly condensed. The tris salt, which is preferable as the alkaline substance, is a substance that is used very much as a buffer that is usually used for protein purification, and the buffering effect can be expected even in the reaction of adding acetic anhydride.
이렇게 침전된 키토산을 원심분리기를 이용하여 회수한 다음, 키토산의 자유 아미노기가 아닌 다른 위치의 하이드록실기(-OH)에의 아세틸화 방지를 위해 상기 침전물을 메탄올 또는 아세톤 용액에 현탁시킨다. 이때, 최대한 균일한 상태의 현탁액을 만들기 위해 고속교반, 초음파, 또는 와류(Vortex)를 이용할 수 있다. 이 경우의 pH 또한 약 8.0 근처가 바람직하다. 또한, 상기 메탄올 또는 아세톤 용액의 농도는 7∼15%가 바람직하나, 7% 미만이라 해도 경우에 따라 충분할 수도, 부족할 수도 있다. 다만, 7% 미만에서 3번 또는 6번 탄소의 -OH기에 아세틸화될 가능성이 다소나마 있을 수 있고, 15%를 초과하면 키틴의 아세틸화도가 떨어지는 경향이 있다.The precipitated chitosan is recovered using a centrifuge, and then the precipitate is suspended in methanol or acetone solution to prevent acetylation of the chitosan to a hydroxyl group (-OH) at a position other than the free amino group. In this case, high-speed stirring, ultrasonic waves, or vortex may be used to make the suspension as uniform as possible. The pH in this case is also preferably around 8.0. In addition, although the concentration of the methanol or acetone solution is preferably 7 to 15%, even if less than 7% may be sufficient or insufficient in some cases. However, less than 7% may be more likely to be acetylated to the -OH group of the 3 or 6 carbon, and if it exceeds 15%, the acetylation of chitin tends to be lowered.
본 발명에 따르면, 메탄올 또는 아세톤 용액이 키토산이 갖고 있는 관능기, 즉 3번과 6번 탄소에 위치하는 -OH기의 아세틸화를 방지하는 메카니즘은 정확히 알 수는 없다. 그러나, 예측하면, 무수초산이 묽은 용매에 희석될 경우 매우 불안정한 상태가 되기 쉬워 평형을 이루고자 하는데, 이때 키토산보다 분자량이 작은 유기용매의 활발한 움직임으로 유기용매의 -OH기와 다소 유리하게 평형을 유지할 수 있다. 하지만, pH를 조절한 상태에서 적정량의 무수초산을 가하게 되므로 이온결합능이 큰 아미노기(-NH2)에 아세틸화가 빠르게 일어나며, 거의 -OH기와의 상호치환이 일어나기 힘든 것으로 판단된다.According to the present invention, the mechanism by which the methanol or acetone solution prevents the acetylation of the functional group possessed by chitosan, that is, the -OH group located at carbon 3 and 6, is not known exactly. However, it is expected that acetic anhydride will be in an unstable state when diluted in dilute solvent, so that it will be in equilibrium. At this time, the organic solvent having lower molecular weight than chitosan can be balanced to favorably balance the -OH group of the organic solvent. have. However, since an appropriate amount of acetic anhydride is added at a pH-adjusted state, acetylation occurs rapidly to the amino group (-NH 2 ) having a large ion binding capacity, and it is judged that mutual substitution with -OH groups is hard to occur.
그 다음, 상기 현탁물에 키토산의 자유 아미노기의 약 2배 량에 비례하는 무수 초산을 pH를 확인하면서 아주 서서히 가한다. 상기 pH는 약알키리로 적정하게 유지하며, 알카리성 물질로는 트리스염을 이용하는 것이 바람직하다. 반응후에 키토산의 완전한 아세틸화를 위해 다시 무수 초산을 가할 수 있으며, 이때에도 pH를 확인하며 필요한 만큼의 트리스염을 넣어 준다. 즉, 알카리 pH 조건에서는 키토산의 자유 아미노기(-NH2, 2번 탄소에 위치하는)의 이온화는 이루어지지 않아 무수 초산과의 반응이 신속하게 이루어진다.Next, acetic anhydride, which is proportional to about 2 times the amount of free amino groups of chitosan, is added very slowly to the suspension while checking the pH. The pH is appropriately maintained with a weak alkali, and it is preferable to use a tris salt as the alkaline substance. After the reaction, acetic anhydride can be added again for complete acetylation of chitosan, and at this time, pH is added and tris salt is added as necessary. That is, under alkaline pH conditions, the free amino group of chitosan (-NH 2 , located on carbon 2) is not ionized, and the reaction with acetic anhydride is rapid.
반응 종결후, 침전된 섬유질상의 아세틸화된 키틴을 다시 원심분리시켜 회수하며, 수 차례에 걸쳐 이온교환수를 이용하여 침전물을 세척하여 섬유질상의 아세틸화된 키틴을 얻는다. 상기 섬유질상의 아세틸화된 키틴은 N-아세틸 글루코사민으로 구성된다. 그러나, 종래의 콜로이드상의 키틴질은 강제적인 화학변화로 어느 정도의 탈아세틸화가 이루어진 물질이지만, 부분적으로 키토산의 구성단위인 글루코사민이 존재한다. 따라서, 본 발명의 섬유질상의 아세틸화된 키틴은 콜로이드상의 키틴보다 그 구조적 특이성으로 인해 효소 처리에 의한 가수분해가 용이하게 이루어진다.After completion of the reaction, the precipitated fibrous acetylated chitin is recovered by centrifugation again, and the precipitate is washed several times with ion-exchanged water to obtain the fibrous acetylated chitin. The fibrous acetylated chitin consists of N-acetyl glucosamine. However, in the conventional colloidal chitin, a certain amount of deacetylation is caused by a forced chemical change, but glucosamine, which is a structural unit of chitosan, exists in part. Accordingly, the acetylated chitin on the fibrous of the present invention is more easily hydrolyzed by enzyme treatment due to its structural specificity than the chitin on colloid.
상기 방법으로부터 얻은 키틴을 가수분해하기 위해 가수분해 효소, 바람직하게는 키틴아제를 첨가시킨다. 대부분의 시판되는 정제된 효소는 상당한 농도로 농축되어 있으며, 효소의 활성을 유지하기 위해 보통 완충액을 포함한다.A hydrolase, preferably chitinase, is added to hydrolyze the chitin obtained from the process. Most commercially available purified enzymes are concentrated to significant concentrations and usually include buffers to maintain enzyme activity.
본 발명에 따르면, 기존의 시판되는 또는 실험실적으로 제조한 여러 키틴아제의 활성특성을 조사한 바 효소활성을 위한 최적의 조건에서는 반응 최종산물로 2∼4 탄당이 생산된다. 반응시간을 최대 1분 단위로 하여 반응산물을 확인한 결과 이와 같은 짧은 반응시간에도 거의 같은 결과를 얻었다. 따라서 보다 큰 분자량의 키틴 올리고당을 얻기 위해서는 많은 연구가 필요하다. 현재 많은 시판되는 키틴아제를 구입, 가능하므로 본 발명에 있어 키틴아제의 종류별 이용에 그 제한을 두지 않는다.According to the present invention, the active properties of various commercially available or laboratory-produced chitinases were investigated, and 2 to 4 carbon sugars are produced as the final product of the reaction under the optimal conditions for enzymatic activity. As a result of confirming the reaction product with the reaction time of up to 1 minute unit, the same result was obtained even for such a short reaction time. Thus, much research is needed to obtain higher molecular weight chitin oligosaccharides. Many commercially available chitinases are currently available for purchase, so the present invention does not limit the use of chitinases by type.
한편, 본 발명에서는 효소의 효과적 이용과 최종 반응 생산물의 다양성을 고려하여 효소의 반응 조건을 달리하여 이용하였다. 효소활성을 높히기 위해서는 반응조건의 최적화가 절대적으로 필요하지만 차후 불필요한 물질을 제거해야 하므로, 또한 이미 언급하였듯이 분해산물의 크기조절을 위해 즉, 특별한 효소반응 완충액을 이용하는 것이 아니라 적당한 온도의 순수 정제된 물에 묽은 초산을 이용하여 적정 pH(pH 4.0∼5.0)를 유지하여 효소반응을 수행하였다. 이미 효소에 소량의 완충액 성분이 포함되어 있으므로 다소 효소의 활성에 영향을 미칠 것으로 사료되나 이에 따른 영향은 고려하지 않았다.On the other hand, the present invention was used by varying the reaction conditions of the enzyme in consideration of the effective use of the enzyme and the diversity of the final reaction product. In order to increase the enzyme activity, it is absolutely necessary to optimize the reaction conditions, but it is necessary to remove unnecessary substances in the future, and as mentioned earlier, it is not necessary to control the decomposition product size, that is, use pure purified water at a suitable temperature instead of using a special enzyme reaction buffer. Dilute acetic acid was used to maintain an appropriate pH (pH 4.0 to 5.0) to carry out the enzyme reaction. Since the enzyme already contains a small amount of buffer components, it is thought to affect the activity of the enzyme somewhat, but the effect is not considered.
상기 키틴질을 와류를 이용하여 효소반응 용액에 현탁시키고, 이 현탁액을 분자량 10-kDa의 크기를 통과시키는 투석막에 넣어 반응준비를 완료한 뒤, 사전에 일정 온도로 유지해둔 동일 반응액을 용기에 넣어두고 여기에 키틴질의 현탁액을 담은 투석막을 옮겨, 키틴아제 효소의 첨가로 반응을 시작하였다. 이때 외부의 반응액을 담은 용기는 자석막대를 이용하여 천천히 교반시키며, 효소에 의해 가수분해된 산물이 투석막을 통과하는 것을 도우며, 효소반응이 효과적으로 이루어지도록 하였다. 반응 종결은 투석막내의 키틴질의 현탁도를 보고 결정하게 되는데, 필요에 의한 경우 2배 부피의 정제수를 담은 다른 용기에 반응 투석막을 옮겨 계속 반응을 시키면서 얇은 박막 크로마토그래피로 생성물의 존재여부를 확인하였다. 반면, 키틴질의 투석막내의 잔존여부에 따라 효소를 부가적으로 이용하는 방법은 피하였으며, 분해되지 않은 거대분자 및 키틴아제의 제거를 위해 투석막으로 부터 회수하여 증탕시켜 효소를 변성시키고, 원심분리시켜 침전시키고, 상층액은 최종 반응산물에 포함시켰다. 이때 키틴아제의 최종 반응산물에의 포함여부를 확인하기 위해 시판하는 단백질 측정용 시약을 이용하여 여부를 확인하였다. 한편, 본 발명에 이용된 투석막의 크기는 제한적이지 않다.The chitin was suspended in an enzyme reaction solution using a vortex, and the suspension was placed in a dialysis membrane passing a molecular weight of 10-kDa to complete preparation of the reaction. Then, the same reaction solution was maintained at a predetermined temperature in a container. The dialysis membrane containing the chitin suspension was transferred thereto, and the reaction was started by the addition of chitinase enzyme. At this time, the vessel containing the external reaction solution was slowly stirred by using a magnetic rod to help the product hydrolyzed by the enzyme to pass through the dialysis membrane, and the enzyme reaction was effectively performed. The reaction was terminated by determining the suspension of chitin in the dialysis membrane. If necessary, the reaction dialysis membrane was transferred to another vessel containing 2 times the volume of purified water, and the reaction was continued. . On the other hand, the method of additionally using the enzyme was avoided depending on whether the chitin remained in the dialysis membrane, and the enzyme was denatured by recovering and distilling from the dialysis membrane to remove the undigested macromolecule and chitinase. The supernatant was included in the final reaction product. At this time, whether or not the chitinase was included in the final reaction product was checked using a commercial protein measurement reagent. On the other hand, the size of the dialysis membrane used in the present invention is not limited.
반응 종결후, 분자량이 작은 올리고당과 수용성의 저분자당의 단순한 분리를 위해 반응액의 2.5∼5 배에 해당하는 량의 아세톤을 이용하여 저분자당을 침전시켰다. 이때 생산/회수된 전체량의 평균 20∼25%에 해당하는 수용성의 저분자당들을 얻을 수 있다.After completion of the reaction, low molecular sugar was precipitated using acetone in an amount corresponding to 2.5 to 5 times of the reaction solution for simple separation of the oligosaccharide having a low molecular weight and the low molecular sugar water-soluble. At this time, water-soluble low molecular sugar equivalent to an average of 20 to 25% of the total amount produced / recovered can be obtained.
전술한 바와 같은 아세톤에 의한 수용성의 저분자당의 침전법으로 침전되지 않은 상층액의 감압증류에 의한 부피 축소와 얇은 박막 크로마토그래피와 HPLC로 확인한 결과, 키틴아제의 주요 가수분해 산물이 2 탄당의 것에 비해 주로 3∼6 탄당의 크기가 검출되었다.As a result of the above-mentioned volume reduction by thin-wall chromatography and HPLC of the supernatant that was not precipitated by the precipitation method of water-soluble low molecular sugar by acetone as described above, the major hydrolysis products of chitinase were The size of mainly 3-6 tantalum was detected.
이렇게 얻은 키틴 올리고당을 정밀화학, 생화학 분야 등 연구용으로 이용하기에는 보다 정밀히 세분된 크기별 정제방법이 요구되나, 기초생물학 분야에서의 키틴 분해 미생물의 자연계로부터의 분리, 동정에 충분한 이용가치가 있으며, 음용수, 식품첨가물로 이용함에 손색이 없을 것으로 사료된다. 또한, 수용성의 저분자당은 화장품의 원료로의 이용가치가 기대되며, 특히 이미 많은 연구보고가 있듯이 식물재배 및 식물 성장 촉진제 등 대체 비료로의 이용도 기대되고 있다.In order to use the obtained chitin oligosaccharides for research such as fine chemistry and biochemistry, more precise size-specific purification methods are required, but there is sufficient value for separating and identifying chitin-degrading microorganisms from the natural world in basic biological fields. It is believed that it will not be inferior in use as a food additive. In addition, water-soluble low-molecular sugar is expected to be useful as a raw material for cosmetics, and as many studies have already reported, it is also expected to be used as an alternative fertilizer such as plant cultivation and plant growth promoters.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보지만, 하기 예에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the scope of the present invention is not limited to the following examples.
실시예 1Example 1
키토산(탈아세틸화도 약 99%) 2g을 10%의 초산용액에 넣고 1.5시간동안 교반시켜 완전히 녹여 2%의 키토산 용액을 준비하였다. 이 용액을 잘 교반시켜 미리 준비한 0.5 내지 1 몰의 트리스염(Tris-HCl) 용액을 천천히 가하였다. 시간이 경과함에 따라 pH가 상승하고 이에 따라 키토산이 침출 되어 나옴을 확인하였다. 더 이상의 침출이 발생되지 않을 때까지 트리스 염(Tris-HCl) 용액을 가하여 키토산을 전부 침전시켰다.2 g of chitosan (deacetylation degree of about 99%) was added to 10% acetic acid solution, stirred for 1.5 hours, and completely dissolved to prepare a 2% chitosan solution. The solution was stirred well, and 0.5-1 mol of Tris-HCl solution prepared in advance was slowly added thereto. As time passed, the pH was increased and thus chitosan was leached out. Tris salt (Tris-HCl) solution was added to precipitate all chitosan until no further leaching occurred.
침전된 키토산을 회수하기 위해 원심분리기를 약 4,000rpm에서 10분간 회전시켜 키토산을 침전시켰고, 상층액을 제거하였다. 이 침전물을 10%의 메탄올 용액에 현탁시키고, 최대한 균일한 상태의 현탁액을 만들기 위해 고속교반시켰다. 이때 반응 pH를 약 8.0로 유지하였다. 키토산의 자유 아니노기의 2배 량에 비례하는 무수 초산을 pH를 확인하면서 아주 서서히 가하였으며 pH를 적정하게 유지하기 위해 소량의 트리스염을 필요에 따라 넣어주었다.In order to recover the precipitated chitosan, the centrifuge was rotated at about 4,000 rpm for 10 minutes to precipitate chitosan, and the supernatant was removed. This precipitate was suspended in 10% methanol solution and stirred at high speed to make the suspension as uniform as possible. At this time, the reaction pH was maintained at about 8.0. Acetic anhydride, which is proportional to 2 times the amount of free anino groups of chitosan, was added very slowly while checking the pH, and a small amount of tris salt was added to maintain the pH as needed.
반응 30분 경과후에 키토산의 완전한 아세틸화를 위해 다시 반배량의 무수초산을 가하였으며, 이때에도 pH를 확인하며 필요한 만큼의 트리스 염을 넣어 주고 다시 3시간 동안 반응시켰다.After 30 minutes, half the amount of acetic anhydride was added again for complete acetylation of chitosan, and at this time, the pH was added while the required amount of Tris salt was added and the reaction was continued for 3 hours.
반응 종결후, 침전된 섬유질상의 아세틸화된 키틴을 다시 원심분리 하여 회수하였으며, 수 차례에 걸쳐 이온교환수를 이용하여 침전물을 세척하였다. 이렇게 하여 평균 95% 이상의 수율로 섬유질상의 아세틸화된 키틴을 얻었다. 아세틸화도는 99.8%이었고, 그 측정방법은 다음과 같다. After completion of the reaction, the precipitated fibrous acetylated chitin was recovered by centrifugation again and the precipitate was washed several times with ion-exchanged water. This gave the fibrous acetylated chitin in an average yield of at least 95%. Acetylation was 99.8%, and the measuring method is as follows.
아세틸화도의 측정방법Measurement method of acetylation degree
정해진 량의 아세틸화 키틴을 반응액 [0.5% 파이크릴설퍼릭 액시드 (Picrylsulfonic acid) /5% 소듐바이카본에이트(sodium bicarbonate)]에 넣고 37℃에서 30분 반응시킨 뒤, 이온교환수로 세척한다. 세척액의 흡광도가 A340 에서 거의 0에 가까울 때까지 세척을 반복하였다. 세척후 1㎖의 70%의 퍼클로릭액시드(Perchloric acid)를 넣어 키틴질을 녹인 뒤 흡광도기를 이용하여 흡광도를 측정하였다. 이때 흡광도의 수치가 0.25 일 경우 자유아미노기의 수는 15 나노몰(nmol)에 해당한다. 이 결과는 글루코사민을 이용하여 사전에 측정된 검량선으로부터 계산된 결과이다.A predetermined amount of acetylated chitin was added to the reaction solution (0.5% Picrylsulfonic acid / 5% sodium bicarbonate) and reacted at 37 ° C for 30 minutes, followed by washing with ion-exchanged water. do. Washing was repeated until the absorbance of the wash was near zero in A340. After washing, 1 ml of 70% Perchloric acid was added to dissolve the chitin, and the absorbance was measured using an absorber. In this case, when the absorbance value is 0.25, the number of free amino groups corresponds to 15 nanomoles (nmol). This result is calculated from a calibration curve previously measured using glucosamine.
실시예 2Example 2
상기 실시예 1에서 10%의 메탄올 용액 대신 7%의 아세톤을 이용한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.Except for using acetone of 7% instead of 10% methanol solution in Example 1 was carried out in the same manner.
실시예 1의 경우보다 아세틸화의 속도가 빨랐다. 아세틸화도의 측정은 아세틸화되지 않은 자유 아미노기의 량을 상술된 방법으로 측정하였다. 또한 15% 이상의 아세톤을 사용했을 경우, 아세틸화도의 감소를 볼 수 있었다. 따라서, 전체 반응량의 7∼10%의 아세톤의 량을 썼을 때 좋은 결과를 얻을 수 있었다. 메탄올의 경우도 이와 유사한 결과를 얻었다.The rate of acetylation was faster than that of Example 1. The determination of the degree of acetylation was determined by the method described above for the amount of unacetylated free amino groups. In addition, when 15% or more of acetone was used, the degree of acetylation was observed. Therefore, good results were obtained when the amount of acetone of 7-10% of the total reaction amount was used. Similar results were obtained with methanol.
실시예 3Example 3
키틴의 가수분해에 따른 키틴 올리고당 및 저분자당의 회수 방법Method for recovering chitin oligosaccharide and low molecular sugar by hydrolysis of chitin
상기 실시예 1의 방법으로부터 얻은 키틴을 가수분해하기 위해 시판하는 키틴아제 (Serratia marsecences)를 시그마(Sigma) 사로부터 구입, 이를 이용하였다.Commercially available chitinase (Serratia marsecences) was purchased from Sigma Co., Ltd. in order to hydrolyze the chitin obtained from the method of Example 1.
본 실시예에서는 효소의 효과적 이용과 최종 반응 생산물의 다양성을 고려하여 효소의 반응 조건을 달리하여 이용하였다. 순수 정제된 물에 묽은 초산(20%)을 이용하여 적정 pH 4.0∼5.0를 유지하여 효소반응을 수행하였다.In this example, the reaction conditions of the enzyme were used in consideration of the effective use of the enzyme and the diversity of the final reaction product. Dilute acetic acid (20%) was used in pure purified water to maintain an appropriate pH of 4.0 to 5.0 to carry out the enzyme reaction.
1.0g의 키틴질을 고속 교반을 이용하여 효소 반응 용액(0.2ℓ)에 현탁시키고, 이 현탁액을 분자량 10-kDa의 크기를 통과시키는 투석막 (PIERCE, SnakeSkin dialysis tube)에 넣어 반응준비를 완료한 뒤, 사전에 30℃의 온도로 유지해둔 (효소반응액의 5 배 부피에 해당하는 량) 동일 반응액을 용기에 넣어두고 여기에 키틴질의 현탁액을 담은 투석막을 옮겨, 키틴아제 효소 (0.1∼1.0 유니트; N-아세틸그루코사미니데이즈와 함께 1.0㎎의 N-아세틸글루코사민의 생산량/1시간, 이 효소활성의 단위는 사실상 본 효소반응에 적용되지 않음)의 첨가로 반응을 시작하였다. 이때 외부의 반응액을 담은 용기는 자석막대를 이용하여 천천히 교반시키며, 효소에 의해 가수분해된 산물이 투석막을 통과하는 것을 도우며, 효소반응이 효과적으로 이루어지도록 하였다. 반응 종결은 투석막내의 키틴질의 현탁도를 보고 결정하게 되는데, 필요에 의한 경우 2배 부피의 정제수를 담은 다른 용기에 반응 투석막을 옮겨 계속 반응을 시키면서 얇은 박막 그래피로 생성물의 존재여부를 확인하였다. 반면, 키틴질의 투석막내의 잔존여부에 따라 효소를 부가적으로 이용하는 방법은 피하였으며, 분해되지 않은 거대분자 및 키틴아제의 제거를 위해 투석막으로부터 회수하여 10분동안 증탕시켜 효소를 변성시키고, 원심분리(10,000rpm)를 10분간하여 침전시키고 상층액은 최종반응산물에 포함시켰다. 이때 키틴아제의 최종반응산물에의 포함여부를 확인하기 위해 시판하는 단백질 측정용 시약을 이용하여 여부를 확인하였다.1.0 g of chitin was suspended in an enzyme reaction solution (0.2 L) using high-speed stirring, and the suspension was placed in a dialysis membrane (PIERCE, SnakeSkin dialysis tube) having a molecular weight of 10-kDa. The same reaction solution, which was previously maintained at a temperature of 30 ° C. (5 times the volume of the enzyme reaction solution), was placed in a container, and the dialysis membrane containing the chitin suspension was transferred to the chitinase enzyme (0.1 to 1.0 unit; The reaction was started with the addition of 1.0 mg of N-acetylglucosamine with N-acetylglucosamines / hour, and this unit of enzymatic activity virtually does not apply to this enzyme reaction. At this time, the vessel containing the external reaction solution was slowly stirred by using a magnetic rod to help the product hydrolyzed by the enzyme to pass through the dialysis membrane, and the enzyme reaction was effectively performed. The reaction was terminated by determining the suspension of chitin in the dialysis membrane. If necessary, the reaction dialysis membrane was transferred to another container containing twice the volume of purified water, and the reaction was continued. On the other hand, additional methods of using enzymes were avoided depending on whether chitin remained in the dialysis membrane, and the enzymes were denatured by recovering from the dialysis membrane and steaming for 10 minutes to remove undissolved macromolecules and chitinase. (10,000 rpm) was precipitated for 10 minutes and the supernatant was included in the final reaction product. At this time, whether the chitinase was included in the final reaction product was checked using a commercial protein measurement reagent.
반응 종결후, 분자량이 작은 올리고당과 수용성의 저분자당의 단순한 분리를 위해 반응액의 2.5∼5 배에 해당하는 량의 아세톤을 이용하여 저분자당을 침전시켰다. 이때 생산/회수된 전체량의 평균 20∼25%에 해당하는 수용성의 저분자당들을 얻었다. 이들의 평균 크기는 7∼12 탄당 정도로 추정된다.After completion of the reaction, low molecular sugar was precipitated using acetone in an amount corresponding to 2.5 to 5 times of the reaction solution for simple separation of the oligosaccharide having a low molecular weight and the low molecular sugar water-soluble. At this time, water-soluble low molecular sugars corresponding to an average of 20 to 25% of the total amount produced / recovered were obtained. Their average size is estimated to be about 7-12 shots.
상술된 아세톤에 의한 수용성의 저분자당의 침전법으로 침전되지 않은 상층액의 감압증류에 의한 부피 축소와 얇은 박막 크로마토 그래피와 HPLC로 확인한 결과, 키틴아제의 주요 가수분해 산물이 2 탄당의 것에 비해 주로 3∼6 탄당의 크기가 검출되었다.As a result of the above-mentioned volume reduction by thin-wall chromatography and HPLC of the supernatant not precipitated by the above-mentioned method of precipitation of water-soluble low molecular sugar by acetone, the major hydrolysis products of chitinase were mainly 3 The size of ˜6 charcoal was detected.
전술한 바와 같이, 본 발명의 방법은 효소의 활성을 높이기 위해 섬유질상의 키틴을 필요로 한다. 본 발명에 따라 제조된 키틴 올리고당을 포함하는 키틴 저분자당의 이용에 있어, 언급하지만 음용수, 식품첨가물 등에 이용함에 손색이 없을 것으로 사료된다. 또한, 수용성의 저분자당은 화장품의 원료로의 이용가치가 크게 기대되며, 건강한 채소를 얻기 위한 식물재배 및 식물 성장 촉진제, 또한 고부가가치를 창출하는 특산물 재배 등의 대체 비료로의 이용도 기대되고 있다.As mentioned above, the methods of the present invention require fibrous chitin to enhance the activity of the enzyme. In the use of chitin low molecular sugars comprising chitin oligosaccharides prepared according to the present invention, it is considered that they are inferior in use to drinking water, food additives, and the like. In addition, water-soluble low-molecular sugar is expected to be greatly used as a raw material for cosmetics, and is also expected to be used as an alternative fertilizer such as plant cultivation and plant growth promoters for obtaining healthy vegetables, and cultivation of special products that create high added value. .
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- 2002-04-18 KR KR10-2002-0021328A patent/KR100486042B1/en not_active IP Right Cessation
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