KR100608499B1 - 사이클로덱스트린이 고체기질에 결합된 고정체 및 그제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사이클로덱스트린(cyclodextrin)이 고체기질에 결합된 고정체 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 고정체는 간단한 제조방법에 의해 제조되고, 콜레스테롤을 효율적으로 제거할 수 있으며, 재활용이 가능해 반영구적으로 사용할 수 있다.

사이클로덱스트린, 이소시아네이트, 고정체, 포접, 콜레스테롤

Description

사이클로덱스트린이 고체기질에 결합된 고정체 및 그 제조방법{Immobilized Cyclodextrin on solid support and method for preparation thereof}

도1은 사이클로덱스트린이 고체기질에 결합된 본 발명의 고정체를 개략적으로 나타낸 도이다. 도1에서 A는 주인 분자, B는 지지체, C는 고체기질을 나타낸다.

도2는 본 발명의 실시예 3 및 4 단계의 결합 반응을 개략적으로 나타낸 도이다.

본 발명은 사이클로덱스티린이 고체기질에 결합된 고정체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

사이클로덱스트린(cyclodextrin, 이하 CyD라 한다) 및 그 유도체는 주인 분자(host) 역할을 수행함으로써 여러 종류의 화학물질들을 포접(inclusion)하는 특성을 가지는 것으로 알려져 있으며, 특히, α-, β- 및 γ-CyD은 효과적인 크기와 특성을 가지고 있기 때문에 이들에 대한 연구가 많이 진행되어 왔다.

CyD 중 β-CyD은 7개의 글루코스로 구성된 환상형 다당류로써 도우넛과 유사한 형태를 하고 있으며, 분자의 중앙 부위는 콜레스테롤과 직경이 유사하고, 소수 성의 원형공간이므로 비극성 분자인 콜레스테롤과 잘 결합할 수 있는 구조를 가지고 있다. 또한 β-CyD은 콜레스테롤 이외에도 콜레스테롤과 유사한 분자 크기 및 비극성을 가지는 여러 가지 다양한 물질들과도 결합 또는 포접할 수 있다.

β-CyD은 가격이 저렴할 뿐만 아니라 인체에 대한 안전성도 높고, 식품 첨가물로서의 사용이 여러 나라에서 허용되어 있으므로, β-CyD을 이용하여 액상 시료 중의 콜레스테롤을 제거하려는 시도가 있어 왔다(J. Food.Sci. 64, 629-632; J. Dairy Sci. 76 (Suppl. 1) 143(Abst.))

일본공개특허 제04168198호에서는 수분을 50% 함유한 크림 20g에 β-CyD을 1.2g 첨가하여 30℃에서 60분간 교반한 후 가온하고, 원심분리하여 크림층을 회수하였고, 이때 콜레스테롤의 최대 제거율은 84.9% 이었다. 또한 다른 연구자들에 의해 β-CyD 0.1M, 교반온도 40℃, 교반시간 120분 등의 조건으로 크림을 처리한 결과, 최대 83%의 콜레스테롤을 제거할 수 있었다(J. Dairy Sci, 76, (Suppl. 1), D158(Abst.)).

대한민국특허 출원번호 제1997-18599호, 제1997-37127호 및 제1997-37128호에도 우유나 크림 등의 액상 시료로 부터 β-CyD을 이용하여 콜레스테롤을 제거하는 방법이 기술되어 있다.

이러한 발명들에서는 이전의 콜레스테롤 제거방법의 단점을 개선하기 위한 연구를 수행함으로써 콜레스테롤 제거를 위한 최적 조건을 제시하고자 하였는바, 이들 발명에 있어서 주요한 방법은 β-CyD을 액상시료에 첨가한 후 교반하고 원심분리를 통하여 β-CyD과 결합된 콜레스테롤을 제거해 내는 것으로, 상기 인용된 방 법들과 같이 β-CyD과 같은 주인 분자를 사용하여 콜레스테롤 등의 손님분자(guest)를 포접하여 액상시료인 식품으로부터 제거해 내는 기술이다.

그러나, 이런 방법들은 주인 분자와 손님분자의 포접반응을 액상시료 내에서 바로 수행함으로 인하여, 그 결과물인 주인 분자-손님분자 결합체를 액상시료로 부터 실제로 제거해 내기 위하여는 원심분리법과 같은 번거로운 과정을 거쳐야 하는 단점이 있다.

이러한 원심분리과정은 절차상의 번거로움 이외에도 원심분리작용의 결과로 인해 본래의 액상시료의 품질이 손상될 가능성이 있으며, 생산 현장에서 대량의 액상시료를 원심분리해야 하는 것을 감안한다면 이 공정이 상당히 복잡하고 번거로운 과정임은 자명하다.

또한 주인 분자-손님분자 결합체를 액상시료로 부터 분리해 낸 후 주인 분자와 손님분자를 다시 분리시킴으로써 주인 분자를 재활용하는 과정에 있어서, 기존에 알려진 방법들로서는 그 절차가 번거로운 불편함이 있다.

따라서, 실리카에 β-CyD을 단순 부착시킨 컬럼을 이용하여 우유 또는 수성 에멀젼 용액에 있는 콜레스테롤을 제거하는 방법에 대하여 연구하여 왔다. 이러한 방법은 원심분리를 거치지 않으므로 공정이 간단해지는 효과는 있으나, 콜레스테롤을 제거한 후, 우유 또는 수성 에멀젼용액 속에 실리카의 미세입자가 녹아 나올 가능성이 있으므로 식품의 안전성 측면에서 상당한 우려가 된다.

또한, 대한민국특허 출원번호 제2001-67376호에는 상기 문제점들을 해결하기 위하여 β-CyD 유도체를 규소산화물 등을 주성분으로 하는 고체기질에 결합시킨 고 정체를 사용하여 우유 또는 수성 에멀젼용액 속의 콜레스테롤을 제거하는 획기적인 방법을 제시하고 있다. 그러나, 위 고정체를 제조하기 위하여는 β-CyD의 히드록시기를 아민기나 알데히드기로 전환한 β-CyD 유도체가 필요하며, 이 과정은 많은 비용과 시간을 필요로 하는 복잡한 과정이라는 단점이 있다(Tetrahedron Lett. 1984, 25, 3331-3334; Tetrahedron Lett. 1995, 36, 8371-8374).

본 발명은 액상시료 중 콜레스테롤을 간편하게 제거하면서, 동시에 사이클로덱스트린을 용이하게 재활용 하고 또한 간단한 방법에 의하여 제조할 수 있는 사이클로덱스트린이 고체기질에 결합된 고정체 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 고정체는 주인 분자(A)인 β-CyD이 이소시아네이트(isocyanate, 이소시안산염)기의 지지체(B)를 도입시킨 고체기질(C)에 결합되어 이루어짐을 특징으로 한다.

본 발명의 고정체의 제조방법은 (i) 고체기질(C)에 3-이소시아나토프로필트리에톡시실란(3-isocyanatoproyltriethoxysilane) 등의 이소시아나토기를 가진 실란화(silanization) 반응물질을 반응시켜 이소시아네이트기의 지지체(B)를 도입시키는 단계 및 (ii) β-CyD인 주인 분자와 상기 (i)의 이소시아네이트기가 도입된 고체기질(C)을 반응시키는 단계로 이루어짐을 특징으로 한다.

본 발명에 사용되는 주인 분자(A)는 α-, β- 및 γ-CyD 중에서 선택된 물질 이다. 또는 CyD 대신 Calix[n]-arenes 또는 쿠커비투릴(Cucurbituril)을 사용할 수도 있다.

또한 HP-CyD(hydroxypropyl-CyD), Maltosyl-CyD, Gulcosyl-CyD, Methylated-CyD 등과 같이 CyD의 히드록시기 중 일부가 치환된 CyD 중에서 선택될 수도 있다.

본 발명에서 사용되는 지지체(B)는 링커(linker)라고 할 수 있는 물질로서 주인 분자(A)를 고체기질(C)에 부착시키는 역할을 하는 물질이다. 이때 지지체(B)는 곁가지(side chain)를 제외한 주요 골격 사슬부위가 1~15개로 이루어져 있으며, 1성분 또는 2성분 이상을 선택하여 결합할 수 있다.

본 발명에 사용되는 고체기질(C)은 규소산화물(SiO₂)을 주성분으로 하는 유리, 실리콘웨이퍼 또는 석영 중에서 선택된 물질을 사용할 수 있다.

이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

이소시아네이트기를 도입한 고체기질(C)은 피란하 용액(piranha solution, H₂SO₄:H₂0₂=3:1, v/v)으로 전처리한 고체기질(C)과 3-이소시아나토프로필트리에톡시실란을 반응시켜 쉽게 제조하였다.

이 후 β-CyD(A)과 상기 제조한 이소시아네이트기가 도입된 고체기질(C)을 24시간 동안 건조 디메틸설폭사이드에서 80~120℃로 반응시켜 β-CyD의 히드록시기와 이소시아네이트기가 결합되도록 함으로써 본 발명의 고정체를 제조하였다(도2).

아래의 실시예에서 고체기질(C)로 유리알(glass bead)을 사용하였으나, 유리알 대신 유기기판 등을 사용하는 등 고체기질(C)의 크기나 형태가 다르다고 하더라 도 본 발명의 목적 또는 용도에 합당하게 사용이 가능하다는 것을 용이하게 유추할 수 있다.

이하, 본 발명을 하기 실시예에 의거하여 보다 상세히 설명하나, 이들은 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐 이들에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다.

[실시예 1]: 이소시아네이트기가 도입된 고체기질(C)의 제조

정제수로 미리 세척한 직경 2.5mm의 유리알 100g을 160ml의 피란하 용액(piranha solution, H₂SO₄:H₂0₂=3:1, v/v)에 넣고 30분 동안 교반하였다. 그 후 유리알을 용액에서 꺼내고, 그 유리알에 100ml의 정제수를 붓고 5분간 초음파처리 하였다. 그 후 정제수를 제거하고 유리알을 실온에서 12시간 동안 건조하였다. 건조 후에, 20mM 3-이소시아나토프로필트리에톡시실란 100ml를 건조 톨루엔하에서 유리알에 첨가하고 4시간 동안 교반하였다. 그 후 3-이소사아나토프로필트리에톡시실란 용액을 제거하고 유리알을 100ml의 건조 톨루엔으로 세번 세척하여 이소시아네이트기가 도입된 고체기질(C)을 제조하였다.

[실시예 2]: 이소시아네이트기가 도입된 고체기질(C)의 제조

실시예 1의 20mM 3-이소시아나토프로필트리에톡시실란 대신에 4mM 3-이소시 아나토프로필트리에톡시실란을 사용하여 나머지는 실시예 1과 동일한 방법으로 이소시아네이트기가 도입된 고체기질(C)을 제조하였다.

[실시예 3]: 실시예 1의 고체기질(C)을 이용한 β-CyD를 갖는 고정체의 제조

실시예 1에서 제조한 이소시아네이트기가 도입된 유리알에 30mM β-Cyd 용액 100ml를 무수 디메틸설폭사이드(DMSO)하에서 첨가하고, 100℃로 가열하며 하룻밤 동안 반응시켰다. 그 후 유리알을 여과하여 모으고, 100ml의 에탄올로 세번 세척하였다. 그 후 감압건조하여 고정체를 제조하였다.

고정체의 구조는 도2에 나타내었다.

[실시예 4]: 실시예 2의 고체기질(C)을 이용한 β-CyD를 갖는 고정체의 제조

실시예 2에서 제조한 이소시아네이트기가 도입된 유리알을 이용하여 실시예 3의 방법으로 고정체를 제조하였다.

[실시예 5-1]: 콜레스테롤 제거 효율의 측정

실시예 3 및 4에서 제조한 고정체의 콜레스테롤 제거 효율을 측정하기 위하여 아래와 같은 실험을 실시하였다.

100mL의 우유를 넣은 시험관에 상기 고정체를 일정량 가하고, 이 시험관을 10℃의 온도에서 3시간 동안 흔들어준 후, 이 우유 1ml를 사용하여 그 안에 함유된 콜레스테롤 양을 아래의 방법으로 측정하였다.

먼저, 우유에서 콜레스테롤을 추출하기 위하여, 상기 처리한 우유 1mL를 시험관에 넣고, 1mL의 5α-콜레스탄(cholestane)을 내부표준물질로 첨가한 후, 2M 에탄올릭 포타시움 하이드록사이드 용액 5mL와 30분간 60℃에서 반응시켜 비누화하였다. 실온으로 식힌 후, 콜레스테롤을 5mL의 헥산으로 추출하였다. 헥산층을 적절한 용기로 옮긴 후 진공건조하였다. 그 후 건조물을 1mL의 헥산용액에 녹이고 아래 조건의 기체 크로마토그래피에 의해 콜레스테롤 양을 측정하였다.

- 컬럼: silica-fused capillary 컬럼(HP-5)

(길이 30m, 내경 0.32mm, 두께 0.25μm)

- 검출기: FID (flame-ionization detector)

- 온도: 주입온도 170℃, 검출온도 300℃

- 오븐온도: 200℃부터 300℃까지 10℃/분씩 상승 후 20분간 300℃로 유지

- 운반가스: 질소(2mL/min)

- 시료주입양: 2μL

콜레스테롤 제거 효율을 상기 고정체로 처리하지 않은 우유 속 콜레스테롤 양에 대한 상기 고정체로 처리한 우유 속 콜레스테롤 양(%)으로 나타내었다.

[실시예 5-2]: 반응시간에 따른 콜레스테롤 제거 효율의 측정

반응온도를 10℃로 고정시킨다. 그 후 실시예 3에서 제조한 고정체를 이용하여 실시예 5-1의 방법으로 각각 3시간, 6시간, 9시간 동안 반응시킨 후 실시예 5-1의 방법으로 콜레스테롤의 함량을 측정하였다.

[실시예 5-3]: 반응온도에 따른 콜레스테롤 제거 효율의 측정

실시예 3에서 제조한 고정체를 이용하여 실시예 5-1의 방법으로 각각 5℃, 10℃, 15℃에서 6시간 동안 반응시킨 후 실시예 5-1의 방법으로 콜레스테롤의 함량을 측정하였다.

실시예 5-1, 5-2 및 5-3의 실험결과를 아래의 표로 나타내었다.

상기 결과에서 나타나는 바와 같이 고정체와 우유의 반응시간 및 반응온도는 콜레스테롤 제거 효율에 큰 영향이 없었으며, 이소시아네이트기가 도입된 유리알을 제조하기 위한 과정에서 3-이소시아나토프로필트리에톡시실란의 농도는 콜레스테롤의 제거 효율에 영향을 끼쳤다.

[실시예 6]: 고정체의 재활용가능성 평가

사용된 고정체를 콜레스테롤 분리공정을 거쳐 재활용이 가능한 지를 평가하였다. 실시예 3에서 제조하여 사용한 고정체 유리알을 실온에서 24시간 동안 아세트산:부탄올(3:1, v/v) 용액에 담근 후, 실온에서 건조하였다. 그 후 실시예 5의 방법에 따라 콜레스테롤 제거 효율을 측정하였다. 이 사용된 유리알을 다시 처리하여 콜레스테롤 제거 효율을 측정하였으며, 상기 과정을 총 5회 반복하였다.

상기 결과로 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 고정체는 재활용할 수 있으므로 그 경제적 가치가 매우 크다 할 수 있다.

본 발명은 원심분리 공정을 거치지 않고 액상시료로 부터 간단하게 콜레스테 롤을 제거할 수 있는 사이클로덱스트린이 고체기질(C)에 결합된 고정체를 간단한 방법으로 제조할 수 있으며, 이 고정체는 액상 시료의 품질을 손상시키지 않고 콜레스테롤을 제거할 수 있다. 또한 상기 고정체를 재활용할 수 있으므로 그 경제적 가치는 매우 크다.

Claims (13)

1. 사이클로덱스트린인 주인 분자(A)의 히드록시기가 고체기질(C)에 부착된 지지체(B)의 이소시아네이트(isocyanate, 이소시안산염)기와 결합되어 제조되는 것을 특징으로 하는 고정체.
2. 제1항에 있어서, 주인 분자(A)는 β-사이클로덱스티린임을 특징으로 하는 고정체.
3. 제1항에 있어서, 주인 분자(A)는 사이클로덱스티린의 히드록시기가 하이드록시프로필기, 당(sugar) 및 메틸기로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나로 치환된 사이클로덱스트린 유도체임을 특징으로 하는 고정체.
4. 제1항에 있어서, 지지체(B)는 곁가지(side chain)를 제외한 주요 골격 사슬부위가 1-15개로 이루어진 것을 특징으로 하는 고정체.
5. 제1항에 있어서, 고체기질(C)은 규소산화물(SiO₂)을 주성분으로 하는 유리, 실리콘웨이퍼 또는 석영 중에서 선택된 물질임을 특징으로 하는 고정체.
6. i) 고체기질(C)에 이소시아네이트기를 가진 지지체(B)를 도입시키는 단계; ii) 사이클로덱스트린인 주인 분자(A)와 상기 i)의 이소시아네이트기가 도입된 고 체기질(C)을 반응시키는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 고정체의 제조방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 i) 단계는 고체기질(C)에 3-이소시아나토프로필트리에톡시실란을 반응시켜 이소시아네이트기를 가진 지지체(B)를 도입시키는 단계인 것을 특징으로 하는 고정체의 제조방법.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서, ii) 단계의 반응을 디메틸설폭사이드 하에서 80~120℃로 가열하여 반응시키는 것을 특징으로 하는 고정체의 제조방법.
9. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 고정체를 이용하여 콜레스테롤을 제거하는 방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 방법은 우유 또는 유제품에서 콜레스테롤을 제거하는데 이용되는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 방법은 제거과정 중의 반응온도를 5~15℃ 사이로 유지하는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 고정체를 사용하여 콜레스테롤을 포접한 후, 그 고정체를 아세트산과 부탄올의 혼합용액에 반응시켜 콜레스테롤과 분리하여, 알콜 및 정제수로 세척하고 건조시켜 재사용하는 것을 특징으로 하는 콜레스테롤의 제거방법.
13. 삭제

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