KR100581743B1

KR100581743B1 - 동물 사료로 사용하기 위한 2-히드록시-4-메틸티오부탄산의 금속 착물

Info

Publication number: KR100581743B1
Application number: KR1020030033081A
Authority: KR
Inventors: 치리볼라안토니오; 친티엔리코
Original assignee: 아그리스튜디오 에스.알.엘.
Priority date: 2003-04-15
Filing date: 2003-05-23
Publication date: 2006-05-22
Also published as: ITMI20030779A1; KR20040090372A; MXPA03004239A; BR0302061A

Abstract

본 발명은 동물 사육에 사용되는 2-히드록시-4-메틸티오부탄산의 금속 착물에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 상기 금속 착물을 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

동물 사료로 사용하기 위한 2-히드록시-4-메틸티오부탄산의 금속 착물 {METAL COMPLEXES OF 2-HYDROXY-4-METHYLTHIOBUTANOIC ACID FOR USE AS ANIMAL FEED}

본 발명은 동물 사료로 사용하기 위한 2-히드록시-4-메틸티오부탄산의 금속 착물 또는 그 혼합물에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 금속 착물 또는 그 혼합물을 제조하는 방법에 관한 것이다.

여러 가지 종류의 금속 착물, 예컨대 금속 킬레이트 등이 동물 사육에 이용되고 있는 것으로 알려져 있다.

킬레이트는 유기 분자 (아미노산 또는 펩티드 사슬의 경우)와 금속 이온이 강하게 배위 결합되어 있는 화합물이다.

또한, 전이 금속 이온, 특히 아연(II), 철(II 또는 III) 및 구리(II)의 아미노산 및 펩티드와의 금속 킬레이트류는, 이들이 단순한 무기염류에 비하여 성장 유도 효과가 빠르고 각종 질병에 대한 내성이 양호한 것으로 나타나 있기 때문에, 동물 사육에 널리 이용되고 있는 것으로 알려져 있다.

이들 효과는 개선된 금속 생체 이용률과 서로 관련이 있는 것으로 간주되어 왔다.

아미노산 및 가수 분해 단백질과 이루어진 여러 종류의 금속 착물은 각각 금속 AA (AA, 아미노산) 킬레이트 및 착물형 킬레이트화 (금속) 프로테이네이트(complexed chelated (metal) proteinates: CCP)로서 분류되어 시판되고 있다.

그런데, 최근의 연구 조사 결과, 아연 및 구리의 각각의 경우에 AA 킬레이트와 CCP의 개선된 금속 생체 이용률과 구조적 일체성의 양자에 관한 몇 가지 의문이 제기되고 있다.

전자의 특징 (금속 생체 이용률)에 영향을 주는 것임이 분명한 후자의 특징 (구조적 일체성)과 관련하여 보면, 원료 단백질의 가수 분해를 가급적 완벽하게 그리고 과량으로 유지함으로써, 일차 소화관 중의 낮은 pH에서도 금속 착물이 안정하게 유지되도록 하여야 한다.

본 발명자는, 이러한 중요한 문제점은 낮은 pH 값에서 적절히 안정한 금속 킬레이트를 제공할 수 있는 킬레이트 리간드, 예컨대 α-히드록시산을 사용함으로써 해결될 수 있다는 사실을 발견하기에 이렀다. α-히드록시산 원료는 유기 성분에 의하여 유기체의 전부위로 전달되기 때문에, 이것과의 결합이 존재하게 되면, 금속의 흡수, 이용률 및 사용에 유리하다.

본 발명의 목적은 동물 사육에 이용할 수 있는 2-히드록시-4-메틸티오부탄산 (메티오닌 히드록시 유사체; MHA)의 금속 착물 또는 이것의 배합물을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 한 가지 목적은 상기 금속 착물 또는 그의 배합물의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 2-히드록시-4-메틸티오부탄산의 금속 착물에 있어서, 금속 이온은 2개의 강한 킬레이트 결합에 의하여 히드록시산에 결합된다. 이러한 이유로, 상기 금속 착물은 유효하고 또한 안정하다.

상기 금속 착물의 제조 방법은 용이하게 반복 재현될 수 있으며, 그 생성 반응은 불필요한 반응 부산물을 생성시키지 않는다.

제1의 실시 상태에 있어서, 본 발명의 목적은 산성 작용기가 있는 메티오닌 (메티오닌 히드록시 유사체; MHA)을 무수 조건하에 2가 금속의 고체 탄산염 MCO₃[여기서, M은 아연(II), 구리(II), 코발트(II), 망간(II), 칼슘(II) 및 마그네슘(II)으로 구성된 군 중에서 선택된다]과 반응시키는 방법에 의하여 달성된다.

이들 경우에, 상기 2개 성분간의 반응은 탄산염 MCO₃의 양에 대하여 소량의 메티오닌으로부터 출발하며, 상기 탄산염은 물에 미리 현탁시키지 않는다.

유리하게도, 상기 고체 탄산염을 사용하면, 더 용이하고 저렴한 제조 방법이 가능하다. 또한, 그 반응으로부터 얻은 킬레이트는 즉시 침전되며, 반응의 종료시에는 생성물의 전량이 더욱 용이하게 건조된다.

2가 금속의 탄산염 및 메티오닌 히드록시 유사체 (MHA)를 반응시켜 얻은 제1의 실시 상태에 따른 킬레이트의 구조식은 다음과 같다.

즉, 간단히 나타내자면, [CH₃SCH₂CH₂CHOHCOO)₂M]ㆍnH₂O이다.

상기 식 중, M은 2가 금속 중에서 선택되며, 일반적으로 Zn²⁺, Cu²⁺, Co²⁺, Mn²⁺, Ca²⁺ 또는 Mg²⁺이다.

예를 들어, 아연 착물은 2 분자의 메티오닌 히드록시 유사체 (MHA)와 1 분자의 ZnCO₃를 반응시킴으로써 제조된다.

2CH₃SCH₂CH₂CHOHCOOH + ZnCO₃ + H₂0
↓

[(CH₃SCH₂CH₂CHOHCOO)₂Zn]ㆍ2H₂O + CO₂

여기서, 구조식 중의 2개의 물 분자 중 1개는 중화 반응으로부터 생긴 것이고, 나머지 1개는 원료 MHA (88 %w/w)에 존재하고 있는 것이다. 결정수(結晶水)는 생성된 모든 킬레이트 중에 존재할 수 있다.

반응은 대기압하의 온도 25℃ 내지 35℃에서 CO₂를 방출하면서 일어난다.

상기 반응은 약간 발열 반응이지만, 상기 반응 공정 (특히 망간의 경우)을 촉진하고 CO₂ 가스의 방출을 용이하게 하려면, 최고 40℃로 약열(弱熱)하는 것이 적합하다.

전술한 경우, 킬레이트는 백색 분말 상태로 생성되며, 융점은 약 248℃이고, 대기압에서의 물에 대한 용해도는 약 20 g/ℓ이다.

적외선 진동 흡수 스펙트럼의 결과, 킬레이트 공정이 일어났다는 사실을 알게 되는데, 사실상 전술한 구조에 따라, 스펙트럼은 일련의 특징적인 밴드들을 나타낸다. 가장 뚜렷한 밴드들은 다음과 같다 (cm^-1값). 즉, 3219 (OH 스트레칭); 2918 (CH 스트레칭); 1591 (COO 비대칭 스트레칭); 1422 (COO 대칭 스트레칭 + OH 벤딩); 1307 (CH 벤딩); 1088 (C-OH 스트레칭).

본 발명에 따른 상기 생성물의 제조 방법은 다음과 같다.

탄산아연 1 몰을 혼합기 또는 혼합기가 장치된 반응기 내에 넣은 다음, (CO₂의 격렬한 방출과 혼합물의 과열로 생길 수 있는 불리한 영향을 방지하기 위하여) MHA를 서서히 첨가하면서 MHA/Zn의 몰비가 2:1이 되도록 한다.

생성물이 페이스트에 유사한 점도에 도달하게 되면, 현재 알려져 있는 통상의 건조법에 의하거나, 또는 흡착제 (실리카, 옥수수 속대 가루)를 가하여 건조를 수행할 수 있다.

이러한 방법으로, 반응 부산물이 없는 순수하고 안정한 생성물을 얻게 된다.

생성된 아연 킬레이트의 화학식은 다음과 같다.

[(CH₃SCH₂CH₂CHOHCOO)₂Zn]ㆍ2H₂O

이 경우, 열비중(熱比重) 분석 (TGA) 결과에 의하여 입증되는 바와 같이, 2 분자의 물은 금속에 결합되지 않는다.

생성된 구리 킬레이트의 화학식은 다음과 같다

[(CH₃SCH₂CH₂CHOHCOO)₂Cu]

이 경우, 무수 착물이 생성되고, 0개의 물 분자가 금속에 결합된다.

생성된 코발트 킬레이트의 화학식은 다음과 같다.

[(CH₃SCH₂CH₂CHOHCOO)₂Co(H₂O)₂]

이 경우, 2개의 물 분자가 산소를 통하여 코발트에 직접 결합하여 착물을 형성한다.

생성된 망간 킬레이트의 화학식은 다음과 같다.

[(CH₃SCH₂CH₂CHOHCOO)₂Mn(H₂O)₂]

이 경우, 2 분자의 물이 산소를 통하여 망간에 직접 결합하여 착물을 형성한다.

생성된 칼슘 킬레이트의 화학은 다음과 같다.

[(CH₃SCH₂CH₂CHOHCOO)₂Ca]ㆍ2H₂O

이 경우, 2 분자의 물은 아연 킬레이트와 동일한 상태로 존재한다.

생성된 마그네슘 킬레이트의 화학식은 다음과 같다.

[(CH₃SCH₂CH₂CHOHCOO)₂Mg]ㆍ2H₂O

제2의 실시 상태에 있어서, 본 발명의 목적은 고체형의 철(II) 킬레이트를 제조하는 방법과, 액체형 (수용액)의 철(III) 및 크롬(III) 킬레이트를 제조하는 방법에 의하여 달성된다.

철(II) 비스-킬레이트 유도체는 MHA의 나트륨염 (또는 기타의 알칼리 금속염)과 황산철(II) (또는, 철(II)의 기타의 가용성염)을 반응시킴으로써 제조된다.

연황색 침전물을 얻은 다음, 이를 여과하고 물로 세척하여 (황산나트륨 또는 기타의 염을 제거한다), 건조한 후에 [(CH₃SCH₂CH₂CHOHCOO)₂Fe(H₂O)₂]임을 확인하였다.

이 화합물종(種)은 건조되었을 때에만 분명히 공기에 안정하다. 젖은 시료는 철(II)의 산화의 결과 점차 갈변될 수 있다.

이 철(II) 킬레이트에 있어서, 2개의 프로톤이 제거된 MHA 분자는, 카르복실산과 히드록실기로부터 각각 유래하는 2개의 산소 원자를 통하여, 금속 양이온에 배위 결합하여 2 개의 5 원자 킬레이트 고리를 형성한다.

이와 관련하여, 1595 cm^-1에서 카르복실기의 비대칭 스트레칭으로 인한 강한흡수 밴드를 나타내며, 프로톤 제거 반응과 배위 반응으로부터 예상되는 바와 같이, 철(II) 킬레이트의 FTIR 스펙트럼은 유리(遊離) MHA (1720 cm^-1)와 관련하여 낮은 주파수 쪽으로 크게 이동한다. 한편, OH기의 배위 반응에 대한 증거는 관련된 스트레칭 밴드, 즉 유리 MHA에서의 3410 cm^-1, Fe 유도체에서의 2962 cm^-1의 낮은 에너지 쪽으로의 상당한 이동에 의하여 입증된다.

TGA 분석 결과에 의하면, 2개의 물 분자가 철(II)에 강하게 결합되어 있는데, 이는 이들의 산소 원자가 금속에 대한 배위 반응에 참여한다는 것을 암시하는 것이다.

철(III) 또는 크롬(III)과 관련하여, 철(II) 및 크롬(III)의 MHA과의 킬레이트의 안정한 용액은, MHA를 예컨대 철(III) 및 크롬(III)의 황산염, 염화물 및 질산염 등의 가용성 염의 수성 매질에 용해시켜 얻을 수 있다.

이들 제조 중의 pH 값은 철(III) 또는 크롬(III) 수산화물의 침전이 생성되지 않도록 적절하게 유지되어야 한다. MHA/M(III) 몰비는 ≥2, 좋기로는 3이어야 한다.

MHA/M(II)의 특성화

전술한 바와 같이, 무수 조건하에 시판품인 88% MHA를 2가 금속의 탄산염과 1 단계 공정으로 반응시켜 얻은 MHA/M 2:1 (M = Ca²⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, Co²⁺, Cu²⁺ 또는 Zn²⁺) 킬레이트는 전술한 각 화학식에 따른 만족스러운 C, H, S 원자 분석치를 제공한다.

상기 킬레이트는 미세 결정성 분말 (X선 회절)로서 나타나며, 물 중에 덜 가용성이다.

TGA 분석 (질소하에서, 10°/분)은 MHA 킬레이트 중의 물 분자의 구조적 역할의 설명에 도움을 주며, 이들 착물의 배위구(配位球; coordination sphere)의 기하학적 구조를 제안할 수 있게 해주고 있다. Zn²⁺의 경우, 2 분자의 물은 100℃ (약 9%) 전에 완전 소실(消失)되는데, 이는 이들 물 분자가 배위 결합이 아닌 단순한 수소 결합과 관련되어 있다는 것을 암시하는 것이며, 아연은 2 개의 MHA O,O'-킬레이트화 고리에 의하여 측정되는 사면체(四面體) 구조를 이루어야 한다. 한편, Mn²⁺, Co²⁺및 Fe²⁺의 경우에는, 2 개의 물 분자는 250℃에서만 완전히 소실되는데, 이는 이들 물 분자가 금속 양이온에 직접 배위 결합된다는 것을 암시하며, 대응하는 Mn²⁺글리콜산염 착물에 대하여 일어나는 육배위(六配位) 결합 (hexacoordination)을 나타내어야 한다. Cu²⁺경우에, 그 구조는 비스글리콜산 착물에 대하여 관찰되는 것과 동일한 것이어야 하는데, 여기서는 2 개의 2 자리 리간드가 인접 분자의 카르보닐 산소와의 상호 작용에 의하여 쌍뿔형 (bipyramidal)으로 완성되는 정방형의 평면 구조를 결정한다.

프로톤 부가 반응 상수 및 아연(II) 착물 생성 상수는 T = 25℃ 및 I = 0.1 M (KCl)에서의 pH 측정법에 의하여 측정되었다. MHA의 pKa는 3.56인 반면에, [ZnL]⁺ 및 [ZnL₂]의 log β값은 각각 1.83 및 2.70이다. 아연 배위 결합 히드록실기의 프로톤 제거 반응은 전위차법에 의하여 관찰되었다. 이들 log β값은 각각 글리신과 알라닌의 히드록시 유도체인 글리콜산 및 락트산에 대한 측정값과 매우 유사하다. Zn²⁺에 대한 경쟁 리간드로도 작용할 수 있는 아미노산 등의 물질의 존재하에 MHA의 아연 착물의 화학적 거동(擧動)을 평가할 목적으로, 삼성분계(三成分系)인 Zn²⁺/MHA/글리신을 pH 측정법으로 검토하고, [ZnLA]종의 생성 상수를 측정하였다 (log β= 6.57). 측정에 사용된 글리신의 프로톤 부가 반응 상수 및 아연(II) 착물 생성 상수는 동일한 실험 조건에 관하여 문헌에 보고되어 있는 상수들을 사용하였다 (T = 25℃, I = 0.1 M (KCl); log β _HL = 9.57; log β _H2L = 2.33; log β _ZnL = 4.96; log β _ZnL2 = 9.19; log β _ZnL3 = 11.6).

pH<5에서, 용액 중에 존재하는 주착물종은 [ZnL]⁺(약 35%)인 반면에, 유리 Zn²⁺는 pH 4에서 약 60%이다. pH <4.5 ~ 5에서는 Zn²⁺/글리신의 비가 1 : 8인 경우에도 글리신과의 착물 형성 반응은 크게 일어나지 않는다. 유리 Zn²⁺가 pH 약 7.5까지 지속되는 경우에도, MHA (즉, [ZnL]⁺ 및 [ZnLA])를 함유하는 착물종의 유의량(有意量)의 농도는 넓은 범위의 pH (2.5 내지 8.5)에서 존재한다. [ZnLA]는 pH 7 내지 8에서 아연(II) 총량의 약 15%에 달하는데, 이는 그의 생성 상수의 표준 편차가 비교적 높다는 것을 가르키는 것이다. 비스-아미노엑시다토(bis-aminoacidato) 착물의 생성과 관련하여, 삼성분 착물의 생성 중에 추가의 안정화가 일어나는가의 여부를 입증하기 위하여, 평형 ZnL + A = ZnLA 및 ZnA + A = ZnA₂의 평형 상수를 구하는 것을 고려하였다. 이들 평형의 계산된 log K는 각각 4.74 및 4.23이다. 이들 상수의 표준 편차의 3배에 상당하는 상수의 신뢰 구간을 채택함으로써, 상기 2 가지 값은 크게 다르지 않기 때문에, 이들 데이타로부터 삼성분 착물 생성 중에 추가의 안정화 효과를 추정할 수 없다는 사실을 알 수 있다.

MHA 및 글리콜산의 유사성 때문에, 문헌상의 데이타인 Fe³⁺/글리콜산 1 : 2반응계에 기초하여 미리 Fe³⁺/MHA에 관한 고려를 행할 수 있다. pH>2.5에서는 유의량의 유리 Fe³⁺는 존재하지 않으므로, 이 금속 이온의 히드록시산과의 착물 형성은 더 강하게 일어난다. 사실상, Fe³⁺는 히드록실-프로톤 제거 리간드에 의하여 강하게 착물을 형성하지만, pH>4에서는 철(III) 수산화물의 침전이 농도 C_Fe = 1 ~ 5 ×10^-2 M로 생성되었다. MHA의 경우, 흡수 테스트에 사용된 농도 (C_Fe = 5 ~ 10 ×10^-4 M)에서는, pH 약 5.5에서 유의량의 침전은 일어나지 않았으나, pH>6에서는 유백색(乳白色)을 나타내었다. 이들 사실로 미루어, Fe³⁺/MHA 뿐만 아니라 아미노산과의 삼성분계에 대한 새로운 해결 방안에 대한 추가의 검토가 이들 착물의 생물학적 관련성을 더 양호하게 이해하는 데 있어 흥미롭다.

상이한 Fe/MHA 착물들의 안정성 상수는 전위차 적정법(滴定法)에 의하여 측정하였다. 철(III) 착물은 안정성이 매우 높으며, 산성 pH에서도 킬레이트종을 형성한다. 착물을 형성하지 않은 Fe³⁺이온은 매우 낮은 pH (<2.5)에서만 존재하는 한편, 그 이상의 pH에서는 모든 철(III)이 1 : 2의 금속 대 리간드 킬레이트종의 비율로 착물을 형성한다.

본 발명의 목적인 킬레이트 착물 중의 특정 수효의 물 분자를 측정함으로써, 본 발명에서 사용된 제법은 킬레이트 착물 중에 존재하는 단일 금속 양이온의 배위 결합의 요건을 만족시킨다고 말할 수 있다.

그와 같이 하여 생성된 킬레이트 착물은 단핵 불연속체 (단핵 불연속 착물)라는 사실이 확인된다. 따라서, 단핵 불연속 착물의 생성은 분자량이 매우 높은 다핵 착물 집합체는 형성시키지 않는다는 것을 보여주는 것이다. 분자량이 매우 높으면, 장관벽(腸管壁) 농도에서의 흡수에 장해가 일어나며, 그 결과 유기체 내에서의 착물의 생체 이용률이 낮아지는 결과로 된다.

본 발명의 금속 착물은 구조적 안정성이 있으며, 고분자량의 다핵 착물 집합체를 형성하는 일이 없이 단일 불연속 착물을 형성하기 때문에, 장관벽 농도에서의 흡수가 용이하여 생체 이용률이 증가될 수 있으므로, 동물 사료에 양호하게 이용될 수 있는 효과가 있다.

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철(III) 또는 크롬(III)의 메티오닌 히드록시 유사체(MHA)와의 착물 (여기서, MHA/철(III) 또는 크롬(III)의 몰비는 ≥2이다)로 된 안정한 수용액.
메티오닌 히드록시 유사체 (MHA)를 철(III) 또는 크롬(III)의 가용성염의 수용액에 가하여 MHA/철(III) 또는 크롬(III)의 몰비가 2 이상인 금속 착물을 생성시키는 공정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 제5항 기재의 안정한 수용액의 제조 방법.
삭제
제5항에 있어서, 상기 안정한 수용액은 농축산 분야의 동물 사료 제조에 사용되는 것인 안정한 수용액.