KR101468413B1 - 유리에 고정화된 베타-사이클로덱스트린 및 이를 이용한 콜레스테롤 제거 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유리에 고정화된 베타-사이클로덱스트린 및 이를 이용한 우유로부터 콜레스테롤 제거에 관한 것이다.
Description
본 발명은 유리에 고정화된 베타-사이클로덱스트린 및 이를 이용한 우유로부터 콜레스테롤 제거에 관한 것이다.
높은 혈청 콜레스테롤 레벨과 심혈관 질환 간에는 강한 상관관계를 가진다(Gurr, 1992, Kim et al., 2004). 따라서 식품 회사들은 물리적, 화학적 및 생물학적 방법을 사용하여 콜레스테롤 레벨을 낮추는 많은 연구들을 수행하였다(Kwak et al., 2004, Hansel et al., 2007, Dias et al., 2010). 그 방법들은 식물유를 혼합, 사포닌과 다지토닌으로 흡착하여 콜레스테롤 복합체를 형성(Micich, 1990), 콜레스테롤 산화제에 의한 콜레스테롤 분해, 초임계 용액 추출에 의한 제거 (Arul et al., 1988), 및 high-methoxyl 펙틴(Rojas et al., 2007) 및 유기 용매들(Larsen and Froning, 1981)로 추출하는 방법들을 포함한다 .
유 제품에서 콜레스테롤 수준을 낮추기 위하여 β-CD를 사용하는 연구들이 있었다(Shim et al., 2003, Kwak et al., 2005, Lee et al., 2007). 그러나 이들 연구들은 β-CD 분말을 사용하였다.
또 37.41%의 콜레스테롤을 유리 비드에 고정화된 β-CD를 사용하여 우유로부터 제거할 수 있었다(Kwak et al., 2004).
[선행특허 문헌]
대한민국특허공개번호 제10-2004-0054319
대한민국특허등록번호 제 10-0817934
본 발명은 상기의 문제점을 해결하고 상기의 필요성에 의하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은 새로운 유리에 고정화된 베타-사이클로덱스트린 복합체를 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 a)베타-사이클로덱스트린으로부터 모노-6-(p-톨루엔설포닐)-6-데옥시-사이클로덱스트린을 합성한 후 β-사이클로덱스트린-운데세닐 에테르로 전환하는 단계; 및 b)보로실리케이트 유리를 에칭한 후 상기 β-사이클로덱스트린-운데세닐 에테르로 코팅하는 단계를 포함하는 β-사이클로덱스트린-운데세닐 에테르로 코팅된 유리 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 있어서 상기 전환은 NaH와 DMF를 첨가한 후 10-운데센-1-올을 첨가하여 수행하는 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.
또 본 발명은 상기 본 발명의 제조방법에 의하여 제조된 β-사이클로덱스트린-운데세닐 에테르로 코팅된 유리를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 본 발명의 β-사이클로덱스트린-운데세닐 에테르로 코팅된 유리를 이용하여 유제품부터 콜레스테롤을 제거하는 방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 제거방법은 연속식 또는 배치식으로 수행하는 것이 바람직하고, 상기 연속식은 마이크로리액터 표면 또는 스파이럴 컬럼/튜브 상에서 수행하는 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.
또 본 발명은 상기 본 발명의 방법에 의하여 제조된 콜레스테롤 제거 또는 감소된 유제품을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 유제품은 우유, 요구르트, 버터, 아이스크림, 휘핑크림, 분유, 또는 기타 유제품인 것이 바람직하고 우유인 것이 더욱 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.
또한 본 발명은 상기 본 발명의 β-사이클로덱스트린-운데세닐 에테르로 코팅된 유리를 포함하는 콜레스테롤 제거용 조성물을 제공한다.
이하 본 발명을 설명한다.
본 발명은 β-cyclodextrin (β-CD)을 화학적 변형에 의하여 β-CD-undecenyl ether (2)로 전환한 후 유리 표면에 공유결합적으로 부착하였다. 그 작용기화된 유리 표면을 정수위 접촉각(static water contact angle) 및 x-ray photoelectron spectroscopy (XPS)에 의하여 특성화하였다. 두 방법 모두 β-CD의 우수한 모노레이어가 유리 표면에 형성되었다는 것을 확인하였다. β-CD 고체상 표면을 우유에서 콜레스테롤 레벨을 낮추는데 사용하였다. 4 h에서, 73.6%의 콜레스테롤이 25 ℃에서 170 rpm에서 교반으로 추출되었다. 이것은 고체 표면에 고정화된 β-CD를 사용한 우유에서 보고된 최고 값이었다. 동일한 표면을 10 cycle 동안 반복적으로 사용하였고 모든 사이클에서 72 ± 2% 콜레스테롤 감소 효율을 유지하였다. 콜레스테롤 감소 5 및 10 사이클 후에 XPS 분석은 유리 표면 상 β-CD는 분해되지 않았다는 것을 나타내었다. 기능화된 모노레이터의 높은 효율 및 장기간 안정성은 β-CD의 특정구조에 의한 것이고, 큰 유연성을 제공하는 긴 스페이서 체인 길이 및 비교적 낮은 수의 작용기들로 구성된 구조이다.
이하 본 발명을 상세하게 설명한다.
유리
표면 상에
β-
CD
의 고정화
변형된 β-CD (β-CD-undecenyl ether; 2)를 열 방법에 의하여 유리 표면에 공유결합적으로 부착하였다(도 1). 그 변형된 표면을 static water 접촉 각 및 XPS로 특성을 규명하였다. 에칭된 유리의 static water 접촉 각은 그것의 큰 소수성 표면으로 인하여 매우 낮았다(<15°) (Nguyen et al., 2011). 그 표면에 β-CD 단층의 부착은 그것의 친수성을 감소시켜서 그 water 접촉각을 <15°에서 54 ± 2°로 증가시키고, 그것은 β-CD 단층의 성공적인 형성을 시사한다.
XPS wide-scan 스펙트럼(도 2-a)은 블랭크 유리와 비교하여 실험한 유리 슬라이드 상에서 C 증가(0.00에서 36.87%)하고 O(67.24에서 37.70%) 및 Si (32.76 to 25.44%) 양 감소를 나타내었다( 표 2 참조). 이 결과는 유리 표면에 β-CD-undecenyl ether의 성공적인 부착을 시사한다. XPS C1s narrow-scan 스펙트럼(Figure 1-b)에서, C-C (285 eV) 및 C-O (286.45 eV)에 해당하는 신호들은 실험 샘플에서 나타났다. C-O/C-C 비율(이론적 4.88, 실험적 4.31) 사이의 일치는 또한 우수한 β-CD 단층이 유리 표면 상에 형성되었다는 것을 확인하였다.
우유로부터 콜레스테롤 추출
본 발명자들은 유리 표면 상에 β-CD의 공유적인 고정화, 그 변형된 표면의 상세한 특성, 콜레스테롤 감소에서 그것의 사용동안 변형된 표면에서 일어나는 변화 및 반복된 사용 동안 유리 표면 상에서 β-CD 단층의 안정성에 주로 포커스를 맞추었다. 모든 콜레스테롤 추출 실험을 25℃에서 170 rpm로 교반된 유리 쎌에서 수행하였다.
유리 표면 상에서 고정화된 β-CD를 사용한 콜레스테롤 추출 실험을 실시예 부분에 기재된 것과 같이 수행하였다. 그 2, 4, 6, 및 8 h 후 취한 샘플(표 1)은 유리 표면 상에 고정화된 β-CD로 4시간 배양 후 콜레스테롤 양에는 거의 변화가 없었다. 대조군으로, 비변형된 유리 슬라이드를 동일한 조건 하에서 병렬적으로 사용하였다; 그러나 콜레스테롤에서 감소가 관찰되지 않았다. 따라서 모든 샘플들을 4 시간 동안 β-CD 변형된 표면으로 배양하였다.
표 1은 유리 표면에 고정화된 β-CD를 사용한 콜레스테롤 감소에 대한 배양 시간의 효과를 나타낸 표
변형된 유리 표면의 반복된 사용
교차 결합된 β-CD는 몇 사이클 동안 효과적으로 사용될 수 있었다(Kim et al., 2004, Kwak et al., 2004, Han et al., 2005); 그러나 콜레스테롤 추출 후 우유로부터 그것의 회수는 시간과 노동이 많이 소요되는 과정이고 용이하지 않다.
따라서 그 과정은 유리와 같은 고체 지지체에 공유결합적으로 부착된 β-CD의 사용에 의하여 단순화될 수 있다. 또한, 그러한 공정은 산업적인 규모에서 연속적인 공정으로 사용될 수 있는 마이크로리액터 표면 또는 spiral 컬럼/튜브 상에서 β-CD를 고정화하기 위하여 사용될 수 있다. 그러한 표면의 반복된 사용은 공정을 단순화하고 경제적으로 만들 수 있다. 중요하게도 변형된 표면의 재생은 가능한 단순화되어야 한다.
본 발명자들은 유리 표면에 공유결합적으로 부착된 β-CD를 사용하는 방법을 개발하였고 그것은 콜레스테롤 추출 공정 후에 우유로부터 용이하게 제거될 수 있고 초산 및 부탄올 혼합물에 침지한 후에 반복적으로 사용될 수 있다. 본 발명자들은 우유로부터 콜레스테롤 추출을 위하여 10 회 본 발명의 변형된 유리 표면을 사용하였고 HPLC 결과(도 2)는 시간에 따른 콜레스테롤 감소에서 차이가 거의 없었다. 10 사이클에서, 72 ± 2% 콜레스테롤이 β-CD로 기능화된 동일한 유리 표면을 사용하여 우유로부터 추출되었다. 반복된 사용 동안에, 예비 실험(표 1) 동안 4시간 이후에 콜레스테롤 감소에서 변화가 관찰되지 않았기 때문에 배양시간은 4시간 이었다. β-CD로 변형 후 유리 표면을 static water 접촉 각 및 XPS로 특성을 규명하였다(도 2). 5 및 10 사이클의 반복된 사용이 기록된 동일한 표면의 XPS 스펙트럼(도 4-a)은 특정 결합 연결의 상대적인 수 또는 기초 조성에서 거의 변화가 없었다. Si 및 O 양의 사소한 증가 및 C 양에서 작은 감소가 관찰되었고(표 2), 따라서 그 표면은 본 발명에서 사용된 조건 하에서 안정한 것으로 간주될 수 있다.
흥미롭게도, 새롭게 변형된 표면 상에 여러 다른 결합 연결의 실험 값이 이론적인 값으로부터 약간 벗어났다(표 2). 이 편차는 5 사이클 후에 감소하였고 10 사이클 후에 이론적인 값들과 거의 일치하였다. 그 변량의 이유는 289.05 eV에서 새롭게 변형된 표면의 narrow-scan C1s 스펙트럼에서 원치 않는 신호의 존재이었다(도 2b). 10 사이클 후에 기록된 XPS 스펙트럼은 부산물의 제거를 확인할 뿐만 아니라 반복된 사용 동안 유리 표면 상에서 단층의 안정성을 시사한다. 따라서 본 발명의 단층(도 1)에서 불필요한 작용기들의 부존재 및 긴 알킬 체인은 본 발명의 우수한 효율, 장시간 안정성 및 내구성의 주된 이유이다.
표 2는 본 발명의 β-CD-undecenyl ether (3)로 변형되기 전 후에 블랭크 클린 유리의 성분 조성을 나타낸 표
유리 표면에 고정화된 β-CD를 우유로부터 콜레스테롤 감소를 위한 고체 지지체로 사용하였다. XPS 및 static water 접촉에 의한 변형된 유리 표면은 유리 표면의 성공적인 변형을 확인하였다. 본 발명에서 관찰된 콜레스테롤 감소 (72 ± 2%)는 고정화된 고정화된 β-CD를 사용한 문헌 중에서 보고된 최고 값이다. 또한 본 발명은 용이한 분리, 반복된 사용, 장시간 안정성 및 산업적인 규모에서 연속적인 공정에서 그러한 변형된 표면의 적용을 가능성하게 한다.
불필요한 분자간 또는 분자내 상호작용을 회피하기 위한 최소 작용기와 비교적 긴 탄소 체인을 가지는 본 발명에서 보고된 alkene-기반 모노레이어는 안정하고 효율 손실없이 여러 사이클 동안 반복하여 사용하고 분해없이 장기간 저장될 수 있다.
도 1은 변형된 β-CD로 유리 슬라이드의 변형 과정을 도식화한 그림.
도 2는 β-CD로 변형된 유리 표면의 XPS 스펙트럼(a: wide-scan, b: C1s 부위 narrow-scan)
도 3은 유리 상에 고정화된 β-CD의 반복 사용에 의한 우유로부터 콜레스테롤 감소를 나타낸 그림
도 4는 우유로부터 콜레스테롤 감소의 5 (a) 및 10 (b) 사이클 후 β-CD (3)로 변형된 유리 표면의 스펙트럼
도 2는 β-CD로 변형된 유리 표면의 XPS 스펙트럼(a: wide-scan, b: C1s 부위 narrow-scan)
도 3은 유리 상에 고정화된 β-CD의 반복 사용에 의한 우유로부터 콜레스테롤 감소를 나타낸 그림
도 4는 우유로부터 콜레스테롤 감소의 5 (a) 및 10 (b) 사이클 후 β-CD (3)로 변형된 유리 표면의 스펙트럼
본 발명에 사용되니 표준 우유는 편의점으로부터 구입하였고. β-CD (≥97%), ammonium chloride, 1-(p-toluenesulfonyl)-imidazole, 및 tetrahydrofuran (THF)는 Sigma-Aldrich로부터 구입하였다. N,N-dimethyl formamide (DMF)는 Fluka로부터, 10-undecen-1-ol 및 sodium hydride는 Tokyo Chemical Industry로부터, sodium hydroxide는 Duksan으로부터 구입하였고, DMSO-d6는 Cambridge Isotope Laboratories, Inc. (USA)로부터 구입하였다. 유리 현미경 슬라이드(76 × 26 × 1 mm)는 Paul Marienfeld GmbH & Co.KG (lauda-konigshofen, Germany)로부터 구입하였다.
물은 Sam Woo S&T Co., Ltd. (Korea)로부터 구입한 Direct-Q Milipore water 정제 시스템을 사용하여 정제하였다. β-CD는 일정한 중량이 관찰될 때까지 진공하에서 건조하였고, 다른 화학물질들은 추가적인 정제없이 사용하였다. NMR 스펙트럼은 Bruker AMX 분광계 상에서 500 MHz에서 기록하였다.TLC( Thin layer chromatography)를 Merck Kieselgel 60 F254 플레이트 상에서 수행하였다. TLC 스팟들을 5% sulfuric acid-ethanol 및 140℃에서 노출하여서 육안화하였다. XPS 스펙트럼을 Sigma Probe (ThermoVG, UK) photoelectron 분광계를 사용하여 기록하였다. 고 해상 스펙트럼을 narrow-scans 용 20 eV (0.1 eV step size) 및 wide-scans 용 50 eV (1.0 eV step size)의 analyzer pass energy 및 15 kV 및 100 W에서 monochromatic Al-Kα X-ray 방사선을 사용하여 얻었다. 모든 고 해상 스펙트럼을 fitting 전에 선형 백그라운드로 보정하였다. 변형된 표면의 습윤성(wettability)을 Kruss DSA 10 Mk2 접촉 각 측정 장치를 사용한 자동 정 수위 접촉 각 측정에 의하여 결정하였다. 미네랄 제거 워터의 drop의 부피는 3 μL이었다.
실시예 1: β-Cyclodextrin-undecenyl Ether의 합성
Mono-6-(p-toluenesulfonyl)-6-deoxy-cyclodextrin (β-CD-OTs, 1)을 β-CD로부터 Wang et al., 2011에 기재된 것과 같이 합성한 후 β-cyclodextrin-undecenyl ether (β-CD-undecenyl ether, 2)로 전환하였다. 이 목적을 위하여, NaH (100 mg의 60% 분산 in mineral oil, 2.50 mmol)를 pentane으로 수 차례 세척한 후 건조 DMF (4 mL)를 질소 환경 하에서 건조된 둥근 바텀 플라스크에 첨가하였다. 다음, 10-undecen-1-ol (0.34 g, 2 mmol) in dry THF (4 mL)를 0℃에서 플라스크를 유지하면서 dropwise 첨가하였다. 5 h 시간 후, H2 evolution를 마치고 건조 DMF (4 mL)에서 녹인 β-CD-OTs (1; 1 g, 0.77 mmol)를 천천히 첨가하였다. 그 반응은 질소 하에서 밤샘 교반하였다. 그 후 그 반응을 water (10 mL)로 정지시켰다. 미반응된 10-undecen-1-ol를 diethyl ether (3 × 10 mL)로 그 혼합물을 추출하여 분리하였다. 그 산물을 가지는 수상을 진공 하에서 건조하고 그 산물을 플래시 컬럼 크로마토그래피로 정제하였다(i-Pr-OH:H2O:EtOAc:NH4OH/5:5:1:1), 823.84 mg, 0.64 mmol, 82%. TLC Rf: 0.63 (i-Pr-OH:H2O:EtOAc:NH4OH/5:5:1:1), 1-H NMR (500 MHz, DMSO-d6) δ = 1.29 (s, 10H), 1.43 (m, 2H), 1.51 (m, 2H), 2.18 (m, 2H), 3.31.3.61 (m,40H), 3.37 (m, 2H), 4.13 (m, 1H), 4.27.4.29 (m, 1H), 4.33 (t, 1H), 4.41 (m, 2H), 4.48 (t, 3H), 4.72 (d, 2H), 4.80 (m, 5H), 5.02 (m, 2H), 5.64.5.73 (m, 14H), 5.82 (m, 1H).
실시예 2: Borosilicate Micro 유리 슬라이드의 변형
borosilicate 유리 현미경 슬라이드를 acetone, n-hexane, methanol, 및 ethanol (용매 당 3 회)로 세척하고 용매 당 5분 간 소니케이션을 수행하였다. 모든 용매들은 HPLC 급이었다. 그 유리 슬라이드를 HCl (37%) 및 ethanol (1:1 v/v)의 신선하게 제조된 용액에서 30분 동안 에칭을 하였다. 에칭 후, 그 샘플을 린스하고 탈이온수와 에탄올로 용매당 5분간 소니케이션을 하고 질소 스트림 하에서 건조하였다. 세척 후 즉시, 그 유리 슬라이드를 유리 반응 쎌로 옮겼다. 그 유리 슬라이드를 타이트하게 실링하기 전에 질소 환경 하에서 마이크로피펫을 사용하여 DMSO (30 mg/mL)에 녹인 β-CD-undecenyl ether (2)로 코팅하였다. 그 반응 쎌을 액체 질소에 담가서 코팅된 β-CD-undecenyl ether (2)를 동결하고 진공 하에서 상온에서 다시 액화하였다. 이 동결 해동 사이클을 3회 반복하여 샘플 코팅 동안에 반응 쎌에 들어갈 수 있는 미량의 산소와 습기를 제거하였다. 결국에, 그 반응 쎌을 질소로 재충전하고 실리콘 오일 bath에 담근 후, 질소압을 유지하면서 110℃에서 24 h 동안 가열하였다. 변형된 유리 슬라이드(3)를 반응 쎌로부터 제거하고 탈이온수, n-hexane, 및 acetone으로 충분하게 세척한 후, 용매 당 5분간 소니케이션을 수반하였다. 그 후 변형된 유리 슬라이드를 질소 스트림 하에서 건조하고 static water 접촉 각 및 XPS에 의하여 특성을 규명하였다. 반응의 재생성을 3번의 독립적으로 제조된 유리 표면의 XPS 스펙트럼을 기록하여 확인하였다.
실시예 3: 우유로부터 콜레스테롤 추출 및 HPLC에 의한 분석
β-CD로 변형된 유리 표면을 유리 쎌에 위치시켰다. 유리 슬라이드와 동일한 중량의 우유 부피를 그 쎌에 첨가하고 타이트하게 밀착시킨 후 25℃, 170 rpm 교반기에 위치시켰다. 동일한 처리를 대조군으로 동일한 타입의 비변형된 유리 슬라이드를 사용하여 수행하였다. 샘플을 2, 4, 6, 및 8 h 후에 취하였다. 콜레스테롤 결정을 위하여, 그 β-CD-처리된 우유(1 mL)를 시험관에 옮기고 10% KOH (ethanolic; 1 mL)와 혼합하였다. 그 시험관을 타이트하게 밀봉하고 70℃에서 30 분간 가열하여 사포닌화를 완성화하였다. 상온으로 냉각 후, 3 mL의 물을 첨가하고 비사포닌화된 분획을 n-hexane (3 × 5 mL)으로 추출하였다. 유기 층을 모아서 진공 하에서 증류하였다. 잔류물을 methanol (1 mL)에서 재용해하고 HPLC로 분석하였다. 대조군으로 1 mL의 비처리된 우유를 사용하고 동일한 과정을 병렬적으로 수행하였다.
Jupiter C18 컬럼(5 μM, 250 × 4.60 mm) HPLC (Shimadzu, Japan)를 Oh et al. (2001)에 의하여 개발된 방법에 의한 콜레스테롤의 정량적인 분석을 위하여 사용하였다. 분석은 30℃에서 1.5 mL/min 유속으로 수행되고 이동상은 acetonitrile:isopropanol (89:11 v/v)이었다. 용출은 205 nm에서 모니터되었다. 정량 분석을 위하여, 다른 농도의 콜레스테롤 용액을 동일한 조건 하에서 HPLC에 런닝하고 직선을 그 농도와 피크 면적(R2 = 0.992) 사이에 작도하였다.
[참고문헌]
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Claims (10)
- a)베타-사이클로덱스트린으로부터 모노-6-(p-톨루엔설포닐)-6-데옥시-사이클로덱스트린을 합성한 후 β-사이클로덱스트린-운데세닐 에테르로 전환하는 단계;및
b)보로실리케이트 유리를 에칭한 후 상기 β-사이클로덱스트린-운데세닐 에테르로 코팅하는 단계를 포함하는
β-사이클로덱스트린-운데세닐 에테르로 코팅된 유리 제조방법. - 제 1항에 있어서 상기 전환은 NaH와 DMF를 첨가한 후 10-운데센-1-올을 첨가하여 수행하는 것을 특징으로 하는 β-사이클로덱스트린-운데세닐 에테르로 코팅된 유리 제조방법.
- 제1항 또는 제2항의 제조방법에 의하여 제조된 β-사이클로덱스트린-운데세닐 에테르로 코팅된 유리.
- 제3항의 β-사이클로덱스트린-운데세닐 에테르로 코팅된 유리를 이용하여 유제품부터 콜레스테롤을 제거하는 방법.
- 제4항에 있어서, 상기 제거방법은 연속식 또는 배치식으로 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 5항에 있어서, 상기 연속식은 마이크로리액터 표면 또는 스파이럴 컬럼/튜브 상에서 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 삭제
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- 제3항의 β-사이클로덱스트린-운데세닐 에테르로 코팅된 유리를 포함하는 콜레스테롤 제거용 조성물.
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Citations (1)
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Non-Patent Citations (3)
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