KR20010035508A - 셀루로우스와 셀루바이오스를 이용한 글루코사민올리고당및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 셀루로우스와 셀루바이오스를 이용한 글루코사민올리고당 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 트리고터마 레에시(Trichoderma ressei)와 아스퍼질러스 나이거(Asperigillus niger)의 효소 배양액으로 부터 셀루로우스와 셀루바이오스를 추출하여 적정 비율로 혼합한 후, 키토산과 반응시켜 글루코사민올리고당을 제조한 것이다.

본 발명에 따른 글루코사민올리고당은 항균력이 뛰어나며 모든 pH조건에서 수용성이 가능하고 뿐만아니라 대량 생산도 가능하다.

Description

셀루로우스와 셀루바이오스를 이용한 글루코사민올리고당 및 그의 제조방법{Glucosamine-oligosaccharide using Celluase and Cellobiase and it's manufacturing method}

본 발명은 셀루로우스와 셀루바이오스를 이용한 글루코사민올리고당 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 트리고터마 레에시(Trichoderma ressei)와 아스퍼질러스 나이거(Asperigillus niger)의 효소 배양액으로 부터 셀루로우스와 셀루바이오스를 추출하여 적정 비율로 혼합한 후, 키토산과 반응시켜 글루코사민올리고당을 제조하는 방법으로써 제조원가와 반응시간이 최소화되고 항균력이 뛰어나며 모든 pH조건에서 수용성이 가능할뿐 아니라, 이를 이용하여 대량 생산이 가능하도록 한 것이다.

일반적으로 인류의 차세대 천연 신소재로 각광을 받고 있는 키토산(D-Glucosamine)은 새우와 갑각류의 외골격이나 버섯 등의 균류에서 풍부하게 함유되어 있는 키틴으로부터 추출되며, 상업적으로는 영덕지방에서 잡히는 대게나 홍게의 가공폐기물인 다리의 외골격을 약 알칼리용액으로 처리하여 단백질을 제거한 다음, 이를 다시 화학적인 방법으로 탄산칼슘을 제거하여 순수한 키틴(β-1.4-poly-N-Acetyl-D-Glucosamine)을 다음 180℃의 온도를 유지하면서 수산화칼륨(KOH)에 녹여서 키틴으로 부터 2번 탄소에 있는 아세틸기를 제거시켜(탈아세틸) 키토산을 합성하는 일반적인 과정은 널리 알려진바 있다. 또한 이들의 공법은 널리 일반화되어 있어서 특허권자의 허락 없이도 키토산을 추출 및 합성을 시도하고 있는 실정이다.

그러나 이러한 단순한 분리를 넘어서 키토산을 올리고당화하거나 여러 물질들과 중합체를 합성하여 특정한 기능을 가진 기능성 물질을 개발하는 분야는 사용목적에 따라 분자량 조절, 탈아세틸화정도, 점도개선, 특정기능성 부여와 같은 중요특성을 조절하는 고도 기술은 수많은 특허로 봉쇄되어 있거나, 아예 공개되지 않고 있는 실정이다.

또 전 세계적으로 키토산에 대한 관심이 집중되고 있으며, 키토산을 올리고당 화하는 방법으로는 생물학적인 효소 분해 반응방법, 물리적인 방법, 화학적인 방법으로 다양한 방법들이 시도되고 있으며, 이들의 대량생산이 가능하게 발전을 거듭하고 있는 실정이다. 따라서 국제 경쟁력을 갖추고, 저단가의 생산비와 제품생산의 공정 개선 등의 다양한 기술개발이 절실히 요구되고 있으며 이들 물질들을 우리의 취약한 산업분야인 농ㆍ축산업과 해양양식에 응용할 수 있는 특정목적에 적합한 글루코사민올리고당 중합체 제품을 실용화하기 위해서는 글루코사민올리고당 물질을 만드는 응용기술의 개발이 시급하다고 할 수 있다.

키토산의 연구 경향은 1996년 기준으로 볼 때 그 이전은 키토산의 분리·합성 및 응용성 검토와 함께 이들 계열의 물리적 특성과 고분자 화학 합성 등에 치중하여 왔다. 그러나 그 이후로 N-글루코사민이 β-1,4 결합으로 올리고당(2∼14개)을 기준 물질로 삼아 이를 이용한 합성 및 응용에 대한 연구가 많아지고 있다. 이들 키토산 올리고당의 응용성은 의학, 농업, 축산, 어업, 섬유, 환경 등 다양한 분야에서 응용되고 있으며, 물에 부용성인 키토산 비하여 글루코사민올리고당은 물에 수용성이며, 대표적인 기능으로는 생체 내에서 생리활성을 관여하는 것으로 보고된바 있다. 특히 6당족들은 실험쥐의 보고에 의하면 면역증강작용, 이식종양의 전이 억제효과와 감염 방어작용이 있다고 알려졌다[Carbohydr. Res., 151, 403(1986)]

이와 같은 응용성을 갖고 있는 글루코사민올리고당의 제조법에는 크게

1) 산 가수분해법과

2) 당 전이 반응을 이용한 방법 및

3) 효소를 이용한 가수 분해 법으로 대별할 수 있다.

첫째 1) 산을 이용한 키토산 가수 분해 법은 1957년 호로와츠(Horowitz) 등에 의해 처음으로 수행되었다. 근래에 사카이(Sakai, 1990)등이 키토산 중량의 5 배되는 12N 염산(HCl)을 첨가하여 80℃에서 1∼8시간 가수분해 한 후, 이온교환수지 칼럼(Dowex 50W)에서 각각 다른 염산 농도 구배 조건으로 각각의 올리고당을 분리 조사하였다. 또한 고속액체크로마토그래피(HPLC)를 이용하여 올리고당을 제조하였다고 보고된바 있다. 또 다른 방법으로는 진한 염산을 이용하여 60∼100℃에서 1∼4시간동안 가수 분해시켜서 올리고당을 생산하는 방법이 있다(일본공개특허공보 소61-021102호). 그러나 이들 산 분해는 많은 양의 산과 가열에 따른 생산단가의 상승과 단당 수율의 증가, 2 차적인 환경 오염물의 생산, 장기간 보관 시 당체의 단당화 및 생물체 적용 시 유해한 염산의 사용 등에 따른 부작용의 소지를 충분히 내포하고 있다.

둘째 2) 당 전이 반응을 이용한 방법은 이미 만들어진 올리고당을 이용해야 하는 단점을 가지고 있다. 예를 들면, 기존에 만들어진 키토산 2당과 4당을 합성하여 6당을 얻거나 5당을 기질로 하여 7당을 얻는다. 또한 이것은 수율이 매우 낮다(35%).

셋째 3) 효소를 이용한 가수 분해 법은 근래에 많이 활용되고 있는 방법으로써, 키토산 가수분해효소인 키토사나아제(chitosanase)는 곰팡이의 균사체를 이용한는 방법과 미생물에 의한 방법이 있다. 특히 이렇게 사용되는 미생물은 식물에 존재하며 곰팡이에 대해 항균작용을 한다.

대부분의 박테리아와 곰팡이에서 분비되는 키토산나아제는 세포 밖으로 분비되는 형으로서 바실러스 메개트리움 P1(Bacillus megaterium P1), 바실러스 리케니포르미스 UTK(B. licheniformis UTK), 무코어 로욱시(Mucor rouxii), 큐큐미스 스테이버스(Cucumis sativus )등을 예로들 수 있다.

또한 키토산의 다른 균주로서 해수에서 분리한 어병균의 일종인 비브리오 안귀라룸(Vibrio anguillarum) E-383a를 35℃에서 16일간 진탕 배양하여 2당의 글루코사민올리고당을 53 중량%의 수율로 얻었다고 보고하였다(Agric. Biol. Chem. 53. 1537∼1541, 1989). 또한 바실러스 리케니포르리즘(Bacillus licheniformis) X-7u를 이용하여 50℃에서 3∼5일 동안 회전시키면서 진탕 배양하여 3당의 글루코사민올리고당을 72 중량% 수율로 얻었다는 보고도 있다(Nippon Nogeikagaku Kaishi 63, 7, 1199∼1205, 1989).

곰팡이 균사체를 이용한 글루코사민올리고당의 제조법에는 아스퍼질러스 퓨미게이투스(Aspergillus fumigatus) KB-1균을 이용한 올리고당 방법이 알려져 있다(국내특허공보 등록번호 특0140430호).

상기의 균주들에서 보는바와 같이 키토산을 분해하는 균주는 매우 다양하며, 그들의 기능에서도 약간의 차이를 보이는 것으로 확인되었다. 바실러스 써큐란(Bacillus circulans) MH-K1에서 분비되는 키토산나아제는 80%의 탈 아세틸화에서 가장 강한 활성을 나타내며, 바실러스 속(Bacillus sp.) P1-7S, 바실러스 속(Bacillus sp.) No. 7-M, 아미콜래톱시스(Amycolatopsis) 및 프셔도모나스 속 (Pseudomonas sp.) H-14 등에서 추출된 키토산나아제는 100%에 가까운 탈 아세틸화도에서 높은 활성을 나타내는 것으로 보고되었다. 특히 바실러스(Bacillus) 속들은 GlcN-GlcN 사슬만을 작용하는 것으로 알려졌다.

이들의 가수분해 방식의 대부분은 키토산나아제를 내부에서 분해시키는 엔도(endo)형으로 이의 가수분해 산물은 이당체(dimer), 삼당체(trimer), 사당체 (tetramer) 등의 올리고당을 생산한다.

그러나 상기의 방법들은 단계가 복잡하고 반응시간이 장기간 걸리는 단점을 가지고 있다.

한편, 셀룰로오스와 키토산은 글루코스의 2번 탄소 위치에 수산기와 아미노기의 차이를 제외하고는 상당히 유사한 화학적 구조를 가지고 있기 때문에 셀루로우스를 이용한 키토산의 저분자화 및 올리고당의 생산이 가능하다는 보고들이 있다.

그러나 현재 키토산 올리고당을 생산하는데 있어서 가장 초점이 되고 있는 것은 효소에의한 가수분해로 생리활성이 우수한 고(高)중합도 올리고당(pentamer)을 특이적으로 생산하는 효소의 개발에 있다. 또한 상기의 여러 가지 문제점들을 해결하기 위하여 많은 연구자들이 노력을 하고 있으며, 이들에 대한 결과는 최근에 많이 발표되어지고 있다.

상기와 같은 본 발명은 탈아세틸화가 높은(96 중량% 이상) 키토산을 주원료 기본물질로 하여,

첫째, 두개의 균주에서 유래한 키토산 가수분해 효소로 셀루로우스와 셀루바이오스를 이용에 의한 혼합 효소반응으로 효소활성의 극대화에 있고,

둘째, 생리활성을 최대로 함유하고 있으면서 항균력을 보유한 글루코사민올리고당의 생산과정에서 최저 투여 효소 농도, 최적 반응온도설정 및 최적 반응시간 등의 문제해결,

셋째, 글루코사민올리고당의 생산방법을 개선함으로써 수율의 극대화, 생산원가의 절감 및 반응시간의 단축 등에 의한 대량생산을,

넷째, 글루코사민올리고당의 적용 가능한 글루코사민올리고당 중합체를 이용한 응용 가능성을 제공함을 목적으로 한다.

도 1은 글루코사민올리고당 분해 효소의 온도의 변화에 따른 활성 그래프.

도 2는 글루코사민올리고당의 pH의 변화에 따른 활성 그래프.

도 3은 시간경과에 따른 글루코사민올리고당의 생산 그래프.

도 4는 항균력에 대한 글루코사민올리고당의 반응 시간에 대한 그래프.

도 5는 대장균에 대한 페이퍼 디스크 법에 의한 항균력 효과 사진

도 6은 대장균에서 수용성 글루코사민올리고당의 항균력 효과 사진.

도 7은 어병균에서 수용성 글루코사민올리고당의 항균력을 테스트해 본 사진.

상기의 글루코사민올리고당의 생산을 위하여 두개의 균주인 트리코다마 레에시 (Trichoderma reesi)와 아스퍼질러스 나이거(Asperigillus niger)에서 유래한 키토산 가수분해 효소인 셀루로우스와 셀루바이오스를 적정 비로 혼합하여 탈아셀틸화도(DAC)가 높은(96 중량% 이상, 점도(CPS) 10cps 이하) 고순도 저분자 키토산을 원료로하여 최소의 효소첨가로 비용의 절감과 반응시간을 단축한 글루코사민올리고당과 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명을 바람직한 실시예와 함께 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 실시예에서는, 반응 후 키토산의 분자량에의 감소 수치인 점도의 측정은 부룩필드(Brookfield)점도계를 사용하여 100rpm, 25℃조건에서 측정하였고, 측정간 오차를 최소화하기 위하여 5∼7회 반복하였다.

[실시예 1]

본 발명을 사용할 고순도 저분자 키토산(탈아세틸도: 96 중량% 이상, 점도 10cps 이하)의 물성을 갖고 있는 제품은 키토산 생산업체에 주문하여 사용하였다.

먼저 상기 고순도 저분자 키토산을 100℃로 1시간 가량 끊여서 잔류되어 있는 수산화나트륨(NaOH)을 완전히 제거하였다. 그후, 3회의 물 세척을 통하여 불용성 키토산을 물에 첨가했을 때 pH가 7에 가깝게 조절하였다. 저분자 키토산에서 잔류물을 제거하고 5∼7%농도(w/w)가 되도록 키토산에 빙초산(식용): 젓산(식용)의 비가 9 : 1(w/w)로 혼합된 키토산 용매제를 15∼20 ml/1L(1.5∼2 중량% 용액)의 비율로 첨가하고, 100℃ 끓는 물을 전체 반응 총량의 1/3 까지 부피(Volume)를 맞추어 1∼2시간 동안 키토산 불용분이 없을 때까지 250rpm으로 충분히 교반하였다. 불용분의 확인은 육안으로 저분자 키토산의 흰 결정체가 없고, 주황색의 투명성이 확보되면 용매제에 완전히 녹은 것으로 판단한다. 완전히 키토산이 용매제에 녹으면 최종 (volume)까지 50℃∼55℃온도의 물을 첨가하고, 효소 투여 직전에 최종온도가 50℃에 이르도록 조절하였다. 두개의 균주에서 유래한 효소 투여량은 셀루로우스와 셀루바이오스를 9 : 1 (w/w)의 비로 혼합하여 5 중량% 글루코사민올리고당 제조 시 15∼20ml/1L 비율로 첨가하여 50∼57℃ 반응 조건에서 250rpm으로 1시간 동안 교반한 후, 교반을 정지하고 동일 온도에서 효소가수분해 반응을 진행하였다. 글루코사민올리고당의 반응 종료 결정은 동 연구원이 개발한 당결정화 반응으로 측정한다. 또한 다양한 온도와 pH 조건에서 글루코사민올리고당 중합체를 만든다.

반응이 완료된 글루코사민올리고당은 종료와 동시에 효소활성을 없애기 위하여 반응기의 온도를 100℃로 상승시켜서 20∼30분 동안 끓여서 반응을 종료한다. 또한 용기에 포장은 글루코사민올리고당의 온도가 70℃ 근처에서 플라스틱 용기에 포장하여 살균과정을 거침으로써 제품의 균으로부터 오염을 방지한다.

5 중량% 액상 글루코사민올리고당의 분말화는 25 중량%로 농축과정을 거친 후, 건조기에서 건조하여 얻는다.

아래의 [실시예 2]는 도 1에서 보여지는 바와 같이 온도의 범위에 따른 효소활성을 나타낸 실시예이다.

[실시예 2]

두개의 균주인 트리코더마 레에시(Trichoderma reesei)와 아스퍼질러스 나이거 (Asperigillus niger)의 효소 배양액을 저분자 키토산에 첨가한 후, 효소 활성에 미치는 최적온도의 영향을 조사해본 결과 도 1과 같다.

키토산에 효소액을 첨가한 후 30∼70℃ 까지 10℃ 간격으로 각각의 온도에 따른 효소활성을 측정한 결과 도 1에서 보는 바와 같이 55℃에서 반응 최적온도를 나타냈으며, 45℃에서 50% 정도 효소활성을 보였지만 40℃이하 63℃이상에서는 효소활성이 급격하게 감소하였다. 따라서 글루코사민올리고당의 최적 생산온도는 50∼60℃ 사이에서 가장 적합함을 알 수 있었다.

아래의 [실시예 3]은 도 2에서 보여지는 바와 같이 pH의 범위 따른 효소활성의 영향을 나타낸 실시예이다.

[실시예 3]

도 2는 효소활성에 최적 pH를 검토한 결과이다. 반응전의 다양한 pH 조건에 효소를 동량 첨가하고 반응 시간경과에 따른 글루코사민올리고당의 생성 수율를 측정하였다. 키토산 반응 조건에서 글루코사민올리고당을 분해하는 초기 키토산 반응 배양액의 최적 pH는 4.0∼5.5까지로 나타났고, pH 2.5이하, pH 6.5이상에서는 효소 활성이 거의 없었다.

아래의 [실시예 4]는 도 3에서 보여지는 바와 같이 적정 효소 첨가량 및 시간경과에 따른 글루코사민올리고당의 생산 효과를 나타낸 것이다.

[실시예 4]

저분자 키토산을 3∼10 중량% 범위까지 1∼3 중량%농도의 용매제 빙초산(식품용): 사과산(maleic acid)을 9 : 1(w/w)의 혼합비로 50∼60℃ 온도조건에서 1∼2시간 동안 완전히 용해시킨 후, 최초 효소반응 온도조건 50℃에서 두개의 균주에서 유래한 효소를 적정 배양액의 비율로 키토산 3∼10 중량% 농도조건에서 0.2∼0.5 중량% 조건에서 나타난 시간경과에 따른 글루코사민올리고당의 생성을 도 3에 나타냈다.

도 3에서 보는 바와 같이 효소반응을 위한 효소량의 첨가량은 키토산에 대하여 0.2∼0.5 중량%가 가장 적합하였고, 0.2 중량% 이하에서는 글루코사민올리고당의 반응시간은 24시간 이상이 걸렸고 0.5 중량% 이상에서는 반응 후, 다른 침전물의 생성에 따른 정제과정의 어려움이 따랐다. 또한 0.1 중량% 이하, 1.5 중량% 이상의 효소 첨가량은 균일한 글루코사민올리고당의 생성의 방해 및 항균력을 보유 글루코사민올리고당을 생성하지 못했다.

아래의 [실시예 5]는 도 4에서 보여지는 바와 같이 항균력이 뛰어난 글루코사민올리고당의 반응 시간과의 관계를 나타낸 실시예이다.

[실시예 5]

도 4를 근거로 하여 가장 생리활성이 뛰어나고, 항균성을 보유하는 당체의 최적 반응 종료시간을 도 4에 나타냈다. 최적 온도조건과 최적 효소첨가농도로 반응을 시작하여 생리활성 최적의 올리고당화와 항균성을 극대로 보유하는 당체의 생성 시간은 반응 후 9∼13시간 이였으며, 9시간 이전에는 균질화 되지 않은 올리고당 화와 13시간 이상에서는 항균성이 떨어지는 당체를 생산했다.

아래의 [실시예 6]은 도 5, 도 6에서 보여지는 바와 같이 글루코사민올리고당의 대장균에 대한 항균력에 대한 실시예를 나타낸 것이다.

[실시예 6]

글루코사민올리고당의 응용성의 한 분야로 대장균 설사 치료 및 예방효과를 알아보기 위하여, 실험실 조건에서 대장균 설사 유발 균주(3균주)를 분양 받아 NB 배지 조건에서 글루코사민올리고당을 0.01∼0.25 중량% 농도까지 액상배지에 처리한 후 일정시간 경과 후 카운팅(Counting) 고체배지에 도말하여, 나타나는 균체수를 측정한결과를 도 5에 나타내었다. 또한 페이퍼법의 항균성 검사를 위하여 밀러 힌톤 에져(Mieller Hinton Agar)를 사용하여 1∼50㎍의 농도로 첨가하여 항균성을 조사한 결과를 도 6에 나타내었다.

아래의 [실시예 7]는 도 7에서 보여지는 바와 같이 각종 어병균에서 글루코사민올리고당의 항균력에 따른 실시예를 나타낸 것이다.

[실시예 7]

어류에서 질병을 유발하는 대표적인 균주인 에드워시엘 타르다(Edwardsiell tarda), 비브리오안귀라룸(Vibrio angillarum), 스트렙토코쿠스 속(Streptococcus sp.) 및 애로모나스 하이드로필라(Aeromonas hydropilla) 4균주를 사용하여 항균성를 조사하였다. 이들의 페이퍼 법에 의한 항균성 검사도 동시에 실시하여 도 8에 나타내었다. 이들에 대한 대조군으로는 국내에서 생산된 글루코사민올리고당 (A사)을 사용하였다.

상기와 같이 본 발명은 두개의 균주인 트리코더마 레에시(Trichoderma ressei)와 아스퍼질러스 나이거(Asperigillus niger)의 효소배양액으로 부터 추출한 셀루로우스와 셀루바이오스를 적정비로 혼합한 키토산나아제를 이용하여 글루코사민올리고당을 제조하는 것으로 경제적으로 쉽게 재료를 구할 수 있는 장점이 있다. 또한 본 발명에 의한 글루코사민올리고당은 물성이 균일하며, 뛰어난 항균력을 보유하고 있고, 생산단가가 저렴하다. 또한 공정과정이 매우 간단하고, 생산 과정에서 환경오염이 전혀 유발되지 않은 경제적인 글루코사민올리고당의 생산이 가능하다.

Claims (5)

1. 고순도 저분자 키토산을 끓여 잔류되어 있는 수산화나트륨(NaOH)을 제거시키는 단계와, 상기 저분자 키토산을 빙초산과 젓산이 9 : 1 (w/w)의 비율로 혼합된 용매제에 완전히 용해시키는 단계와, 상기 용해된 키토산에 셀루로우스와 셀루바이오스를 9 : 1(w/w)의 비율로 혼합한 효소를 첨가하여 교반하는 단계와, 상기 교반단계를 정지하고 가수분해 시킨 후, 온도를 100℃로 상승하여 20∼30분 동안 끓여서 반응을 종료시키는 단계로 제조되어지는 것을 특징으로 하는 셀루로우스와 셀루바이오스를 이용한 글루코사민올리고당.
2. 키토산을 분해하여 글루코사민올리고당을 제조함에 있어서,

   (1) 고순도 저분자 키토산을 끓여 잔류되어 있는 수산화나트륨(NaOH)을 제거시키는 단계와,

   (2) 상기 저분자 키토산을 빙초산과 젓산이 9 : 1 (w/w)의 비율로 혼합된 용매제에 완전히 용해시키는 단계와,

   (3) 상기 용해된 키토산에 셀루로우스와 셀루바이오스를 9 : 1(w/w)의 비율로 혼합한 효소를 첨가하여 교반하는 단계와,

   (4) 상기 교반단계를 정지하고 가수분해 시킨 후, 온도를 100℃로 상승하여 20∼30분 동안 끓여서 반응을 종료시키는 단계로 제조되어지는 것을 특징으로 하는 셀루로우스와 셀루바이오스를 이용한 글루코사민올리고당의 제조방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 용매제에 완전히 용해된 키토산의 농도는 3∼10 중량%인 것을 특징으로 하는 셀루로우스와 셀루바이오스를 이용한 글루코사민올리고당의 제조방법.
4. 제 2항에 있어서, 상기 혼합한 효소의 농도는 0.2∼0.5 중량%, 온도는 50∼57℃, pH는 4.0∼5.5인 것을 특징으로 하는 셀루로우스와 셀루바이오스를 이용한 글루코사민올리고당의 제조방법.
5. 제 2항에 있어서, 상기 혼합한 효소와 용해된 키토산의 반응시간은 9∼13시간인 것을 특징으로 하는 셀루로우스와 셀루바이오스를 이용한 글루코사민올리고당의 제조방법.