KR20030009268A - 마이크로 캡슐 형성용 조성물 및 그를 이용한 안정성 및견고성이 높은 유산균 함유 마이크로 캡슐의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로 캡슐 형성용 조성물에 관한 것으로, 구체적으로는 조성물 총중량에 대하여 알긴산 0.1∼10중량%, 칼슘카르보네이트 (CaCO₃) 또는 소듐비카르보네이트 (NaHCO₃) 0.1∼10중량%, 및 물 75∼99중량%를 포함하는 마이크로 캡슐 형성용 조성물에 관한 것이다. 본 발명에 의하면 알기산과 유산균의 혼합물 입자의 내부에서도 칼슘이온을 방출할 수 있어 내부에서도 경화가 일어날 수 있어 안정성 및 견고성이 높은 유산균 함유 마이크로 캡슐을 제공할 수 있다.

Description

마이크로 캡슐 형성용 조성물 및 그를 이용한 안정성 및 견고성이 높은 유산균 함유 마이크로 캡슐의 제조방법{A composition for a microcapsule, and a method for producing a stable and firm microcapsule containing a Lactobacillus using the same}

본 발명은 유산균을 함유하는 마이크로 캡슐 형성용 조성물, 및 이를 이용한 유산균을 함유하는 마이크로 캡슐의 제조 방법에 관한 것이다.

미생물을 함유하는 마이크로 캡슐은 미생물 제제를 전달하는 과정에서 위장관이나 소화관의 낮은 pH와 같은 환경인자에 의한 사멸을 방지하기 위하여 개발된 약물 전달 물질의 일종이다. 캡슐이란 작게 밀봉된 형태로서 고체, 액체 또는 기체상의 물질이 특정 조건에서 외부로 유출될 수 있도록 한다. 이러한 캡슐 재료는 외부로부터 내부 물질을 보호할 수 있을 만큼 안정성 및 견고성이 있어야 한다. 또한, 세포에 손상을 주지 않는 성분으로 미생물의 대사를 고려하여 수분, 영양분 등이 함께 포집될 수 있으며, 영양물질이나 세포대사 물질이 통과할 수 있는 반투과성인 것이 좋다.

알긴산(alginic acid)는 2종의 우론산의 중합체로 중합도 80, 분자량 1,500 정도의 물질이다. 묽은 황산으로 씻은 갈조를 묽은 알칼리성의 더운 물에서 추출하여 추출액을 산성으로 만들면 생기는 침전이 알긴산이다. 구조는 만누론산(D-mannuronic acid: 이하 M 이라고도 함)과 L-글루론산(L-guluronic acid : 이하 G 라고도 함)이 β-1, 4 결합으로 수백 개가 연결된 분지되지 않은 것이다. 이 알긴산은 캡슐 재료로 사용되고 있다.

그러나, 상기와 같은 종래 기술에 의한 알긴산 캡슐은 산 및 열에 불안정하고, 인산염에서는 풀어지는 단점을 가지고 있었다. 또한, 종래의 알긴산을 이용한 캡슐의 제조방법에 의하면 알긴산과 미생물의 혼합물을 CaCl₂용액과 같은 응고액에분무하여 제조하기 때문에, 분무되는 알긴산과 미생물의 혼합물의 입자 표면에서부터 알긴산이 응고액의 칼슘이온과 반응하여 경화가 개시되어 점차로 내부로 겔화되어간다. 그러나, 확산 또는 물질 전달 저항으로 인하여 짧은 시간 동안에 충분한 칼슘이온이 입자 내부로 이동하지 못하여, 내부의 알긴산까지 단단하고 촘촘하게 경화된 알긴산 캡슐을 얻는데는 한계가 있다.

이러한 단점을 보완하고자 알긴산 캡슐상에 추가의 막을 형성시키는 2중막 형태의 캡슐이 도입되었다. 예를 들면, 대한민국 특허 공개 제2002-00384655호에는 젖산균 YL-3을 4% 소듐 알긴산과 혼합하여 제조한 젖산균 YL-3 갭슐을 개시하고 있다. 또한, 상기 캡슐에 1% 키토산을 이용하여 이중 표면처리한 젖산균 YL-3 캡슐을 개시하고 있다.

그러나, 이러한 2중막 캡슐은 제조과정이 복잡하고, 제조비용이 높아진다는 단점이 있다. 또한, 상기 알긴산 캡슐 상에 단순히 외부막을 경화시키는 방법에 의하하여 제조되는 경우, 캡슐의 전체 경도를 현격하게 떨어뜨려 다양한 이차 가공을 하기에는 기계적 강도가 낮아 적합하지 않다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 안정성 및 견고성이 높은 마이크로 캡슐을 형성을 할 수 있는 마이크로 캡슐 형성용 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 또한 안정성 및 견고성이 높은 유산균 함유 마이크로 캡슐의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도1은 알긴산 분자와 칼슘 이온 사이의 에그박스 결합을 모식적으로 나타낸 도면이다.

도2는 비교예에서 제조된 유산균을 함유하는 마이크로 캡슐의 주사전자현미경 사진이다.

도3은 실시예1에서 제조된 유산균을 함유하는 마이크로 캡슐의 주사전자현미경 사진이다.

도4는 실시예1 및 비교예에서 제조된 유산균 함유 마이크로 캡슐의 경도를 나타내는 그래프이다.

도5는 실시예1 및 비교예에서 제조된 유산균 함유 마이크로 캡슐의 유산균 생균수의 측정실험 결과를 나타내는 그래프이다.

본 발명은 조성물 총중량에 대하여 알긴산 0.1∼10중량%, 칼슘카르보네이트 (CaCO₃) 또는 소듐비카르보네이트 (NaHCO₃) 0.1∼10중량% 및 물 75∼99중량%를 포함하는 마이크로 캡슐형성용 조성물을 제공한다.

상기 알기산은 반투과성의 생체 차단막을 형성하는 능력을 가지고 있다. 알긴산은 소량으로도 필름 형성능력이 우수하고, 낮은 산도에서 단단한 반투과성 생체 차단막을 형성할 수 있다. 또한, 중성 pH에서는 그 결합이 느슨해지는 장점이 있어 약물전달용 캡슐 재질로서 이용성이 높다. 상기 알긴산의 함량은 마이크로 캡슐 형성용 조성물 총중량에 대하여 0.1∼10중량%인 것이 바람직하다. 0.1중량% 미만에서는 목적하는 생체 차단막 또는 필름을 형성할 수 없으며, 10중량%를 초과하는 경우에는 점도가 높아서 사용하기가 어렵다.

상기 알긴산은 물, 바람직하기로는 탈이온수에 용해하여 사용한다. 대부분의 마이크로 캡슐에 포집되는 핵물질은 수용성인 것을 감안하였을 때, 수성 용매는 핵물질이 알긴산과 잘 섞일 수 있는 환경을 조성하여 준다. 아울러 다른 유기용매가 필요 없기 때문에 추가적 정제가 필요 없으며 안전하게 식품으로 사용할 수가 있다.

상기 칼슘카르보네이트 (CaCO₃) 또는 소듐비카르보네이트 (NaHCO₃)는 내부 겔화제로서 사용된다. 칼슘카르보네이트 또는 소듐비카르보네이트는 약산의 조건에서 칼슘이온을 서서히 방출한다. 따라서, 이들은 알긴산과 유산균의 혼합물 입자가 약산인 응고액과 반응하면, 입자의 표면에서 뿐만 아니라 입자의 내부에서도 칼슘이온을 서서히 방출시켜 알긴산 분자간 에그박스 가교 결합(egg-box cross linking)을 형성시킬 수 있다(식1 참조). 식1은 알긴산과 유산균의 혼합물 입자의 내부에서 칼슘카르보네이트가 약산인 조건에서 칼슘을 방출하는 과정을 화학식으로 표시한 것이다.

CaCO₃+ 2CH₃COOH → 2CH₃COO- + Ca²⁺+ H₂O + CO₂(화학식 1)

에그박스 결합은 호모폴리머 영역인 G 블록 사이의 결합 영역에 Ca²⁺이 결합하는 것을 말한다. 이러한 에그박스 결합은 알긴산 분자를 서로 연결시켜 주는 역할을 하기 때문에 캡슐을 보다 안정하고 견고하게 만들어 준다. 에그박스 결합의 모식도를 도1에 나타내었다. 도1에 나타낸 바와 같이, 약산에 의하여 유리된 Ca²⁺(2)은 알긴산 분자(4)와 이온 결합하여 두 개의 알긴산 분자를 결합시킨다.

이러한 칼슘카르보네이트 또는 소듐비카르보네이트는 마이크로 캡슐 형성용 조성물의 총중량에 대하여 0.1∼10중량%, 바람직하기로 0.5∼5중량%가 사용될 수 있다. 그외 다른 칼슘이온을 유리할 수 있는 제제도 본 발명에 사용될 수 있다.

또한, 본 발명은 (a) 상기 마이크로 캡슐 형성용 조성물에 유산균을 혼합하여 마이크로 캡슐 형성용 조성물과 유산균의 혼합물을 제조하는 단계; 및

(b) 응고액 총중량에 대하여 칼슘클로라이드 (CaCl₂) 0.5∼5중량%, 유기산 0.1∼5중량% 및 물 75∼99중량%를 포함하는 응고액에 상기 혼합물을 분사하여 경화시키는 단계를 포함하는 유산균을 함유하는 마이크로 캡슐을 제조하는 방법을 제공한다.

상기 유산균은 예를 들면, 락토바실러스 불가리쿠스 (Lactobacillus bulgaricus)인 것이다. 상기 유산균은 MRS 배지(Difco, Detroit)에 37℃에서 2차에 걸쳐 접종 및 배양하고, 대수기에 이른 건강한 균주 배양액 2 l를 취하여 5000 rpm에서 20분간 원심분리한 후, 침전물을 1% 펩톤 수용액에 다시 희석한 균주일 수 있다. 상기 마이크로 캡슐 형성용 조성물은 다음과 같은 과정에 의하여 제조될 수 있다. 먼저, 알긴산을 탈이온수에 첨가하고 교반기를 이용하여 균질한 콜로이드 상태의 혼합물 수용액을 제조하고, 이 용액에 칼슘카르보네이트(CaCO₃) 또는 소듐비카르보네이트 (NaHCO₃)를 첨가하여 준다. 여기에 핵물질이 되는 유산균을 첨가하여 준다. 이때, 필요에 따라 동결 건조시 유산균과 피막제를 안정하게 유지시켜주는 동결안정제 및 유산균의 저장 기간 중 요구되는 탄소 영양원과 프리바이오틱스(prebiotics)도 같이 첨가하여 준다. 이 과정에서는 유산균이 교반에 의하여 기계적인 손상을 입을 수 있기 때문에 교반은 낮은 속도로 하는 것이 바람직하다.

상기 유기산은 아세트산, 프로피온산 및 아스코브산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하나, 여기에 한정되는 것은 아니고 유기산이면서 약산이면 어느 것이든 포함된다. 상기 분사는 공기 분사기를 이용하여 분사하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 상기와 같은 약산인 조건의 응고액을 사용함으로써, 상기마이크로 캡슐 형성용 조성물과 유산균의 혼합물 입자의 표면에서 뿐만 아니라, 입자의 내부에서도 칼슘카르보네이트로부터 칼슘이온이 유리되어 알긴산 분자간의 에그박스 가교결합을 형성하게 된다. 공기 분사법은 공기 분사기의 노즐의 크기와 공기압력의 조절을 통하여 다양한 크기의 유산균을 함유하는 마이크로 캡슐을 제조할 수 있다. 또한, 노즐과 응고액의 거리에 따라 생산 조건을 최적으로 조절할 수 있다.

본 발명의 상기 방법에는, 경화시킨 유산균을 함유하는 마이크로 캡슐을 회수하여 경화액 중에서 추가로 안정화시킬 수 있다. 예를들면, 칼슘클로라이드 0.2중량% 용액에 20분 동안 경화시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 이렇게 얻어진 유산균을 함유하는 마이크로 캡슐을 1% 펩톤 용액으로 세척한 다음, 동결건조하여 보관할 수 있다.

본 발명은 또한, 본 발명의 상기 방법에 따라 제조된 유산균을 함유하는 마이크로 캡슐을 제공한다.

본 발명의 마이크로 캡슐 형성용 조성물에는 상기한 알긴산 및 칼슘카르보네이트 또는 소듐비카르보네이트에 부형제와 같은 마이크로 캡슐 형성 과정에 통상적으로 사용되는 성분을 포함할 수 있음을 당업자에게 예측할 수 있는 것이다.

이하 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예

비교예: 칼슘카르보네이트 또는 소듐비카르보네이트를 포함하지 않는 마이크로 캡슐 형성용 조성물을 사용한 유산균을 함유하는 마이크로 캡슐의 제조

본 비교예에서는 칼슘카르보네이트 또는 소듐비카르보네이트를 포함하지 않는 마이크로 캡슐 형성용 조성물을 사용하여 유산균을 함유하는 마이크로 캡슐을 제조하였다.

유산균의 일종인 락토바실러스 불가리쿠스 (Lactobacillus bulgaricus)를 37℃의 MRS 배지(Difco, Detroit)에 접종 및 배양한 후, 2 l의 배양액을 5000 rpm에서 20 분간 원심분리한 후 침전물을 1% 펩톤 수용액에 다시 희석하여 마이크로 캡슐에 포집될 유산균을 준비하였다.

100 ml의 탈이온수에 3g의 알긴산(Sigma Co. 미국)를 녹인 다음, 여기에 위에서 얻은 1% 펩톤 수용액 중의 유산균과 MRS 배지를 각각 0.1g 씩 넣은 뒤 낮은 속도로 교반하여 대조군 마이크로 캡슐 형성용 조성물과 유산균의 혼합물을 준비하였다.

상기 혼합물을 칼슘클로라이드 (CaCl₂) 0.2% 용액에 공기분사기(스프레이시스템, 한국)로 분무(노즐압력 5kgf/cm²)하여 경화시키고 걸러내어 추가로 칼슘클로라이드 0.2% 용액에 20분간 2차 경화를 시킨 뒤 1% 펩톤 용액으로 닦아준 뒤 동결건조기를 이용하여 건조시켰다.

실시예1: 칼슘카르보네이트를 포함하는 마이크로 캡슐 형성용 조성물을 사용한 유산균을 함유하는 마이크로 캡슐의 제조

본 실시예에서는 칼슘카르보네이트를 포함하는 마이크로 캡슐 형성용 조성물을 사용하여 유산균을 함유하는 마이크로 캡슐을 제조하고 그 특성을 조사하였다.

1. 유산균 함유 마이크로 캡슐의 제조

유산균의 일종인 락토바실러스 불가리쿠스 (Lactobacillus bulgaricus)를 37℃에서 접종 및 배양한 후 2 l의 배양액을 5000 rpm에서 20분간 원심분리한 후 침전물을 1% 펩톤 수용액에 다시 희석하여 마이크로 캡슐에 포집될 유산균을 준비하였다.

100ml의 탈이온수에 Tween 20 0.1g, 잔탄검 0.26g을 첨가하여 교반시켜 주면서 이 용액에 3g의 알긴산과 3g 칼슘카르보네이트 (CaCO₃)를 넣고, 충분히 교반시켜준 뒤 준비된 1% 펩톤 수용액 중의 유산균과 MRS 배지를 각각 0.1g 씩 넣은 뒤 낮은 속도로 교반하여 마이크로 캡슐 형성용 조성물과 유산균의 혼합물을 준비하였다.

100ml의 탈이온수에 미량의 아세트산(CH₃COOH)과 2g의 칼슘클로라이드(CaCl₂)를 첨가하여 응고액을 제조하였다.

준비된 응고액에 상기 마이크로 캡슐 형성용 조성물과 유산균의 혼합물을 공기분사기로 분무하여 경화시키고 걸러낸 다음, 이를 추가로 칼슘클로라이드 0.2% 용액에 20분간 2차 경화를 시킨 뒤 1% 펩톤 용액으로 닦아준 뒤 동결건조기를 이용하여 건조시켰다.

2. 비교예 및 본 실시예에서 제조된 유산균 함유 마이크로 캡슐의 특성 조사

(1) 주사전자현미경 사진을 통한 마이크로 캡슐 표면의 특성 조사

상기 비교예와 본 실시예에서 얻어진 유산균을 함유하는 마이크로 캡슐의 표면을 분석하기 위하여 주사전자현미경(Scanning electron microscopy: SEM)을 이용하여 관찰하고, 그 결과를 도2와 3에 나타내었다. 도2는 비교예에서 제조된 유산균을 함유하는 마이크로 캡슐의 주사전자현미경 사진이다. 도2에 나타낸 바와 같이, 마이크로 캡슐의 표면은 엉성한 표면 막구조를 형성하고 있으며 갈라진 형태로 표면이 벌어져 있어, 위산의 침투 및 수분의 손실 또는 생산 과정에서 표면막이 부서져 쉽게 유산균이 외부로 유출될 가능성이 높다. 도3은 실시예에서 제조된 유산균을 함유하는 마이크로 캡슐의 주사전자현미경 사진이다. 도3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 마이크로 캡슐 형성용 조성물을 사용하여 제조된 유산균 함유 마이크로 캡슐의 표면은 매끄럽고 촘촘하게 마이크로 캡슐이 형성된 것을 관찰할 수 있다. 이는 응고시 외부의 칼슘이온과 약산에 의하여 유리된 내부의 칼슘이온에 의하여 외부와 내부가 동시에 에그박스의 결합 구조가 형성되었기 때문인 것으로 생각된다. 따라서, 실시예에서 제조된 유산균 함유 마이크로 캡슐이 대조군에 비하여 내산성 및 위산에서의 생존률이 현저히 증대됨을 예상할 수 있다.

(2) 마이크로 캡슐의 물리적 경도 측정

다음으로 상기 비교예와 본 실시예에서 얻어진 유산균을 함유하는 마이크로 캡슐의 물리적 강도를 경도계 (Instron 4460)을 이용하여 측정하였다.

유산균 함유 마이크로 캡슐의 경도측정을 위하여 비교예와 본 실시예의 유산균 및 마이크로 캡슐 형성용 조성물을 이용하고, 경화시 공기분사기의 노즐의 크기와 공기의 압력을 조절하여 큰 크기의 유산균 함유 마이크로 캡슐을 제조하였다. 이 시료를 동결건조하지 않고 경도를 측정하였다. 그 과정은 다음과 같았다.

(a) 비교예와 본 실시예에 따라 제조된 유산균 마이크로 캡슐 중 임의의 시료를 각각 10개 추출하였다.

(b) 측정대에 올려진 유산균 마이크로 캡슐은 경도측정계 (Instron 4460)을 이용하여 프로브 직경 (3.5 cm), 축속도 (1 mm/min)으로 압착 시켜 최대 경도 값을 측정하였다.

그 결과를 도4에 나타내었다. 도4에 나타낸 바와 같이, 측정된 경도를 비교하였을 때 본 실시예에서 제조된 유산균 함유 마이크로 캡슐의 경도가 비교예에서 제조된 유산균 함유 마이크로 캡슐에 비하여 현격히 높은 값을 나타냄을 알 수가 있었다.

실시예2: 유산균 함유 마이크로 캡슐의 내산성의 측정

비교예 및 실시예1에 따라 제조된 유산균 함유 마이크로 캡슐의 내산성을 측정하기 위하여 높은 산도 조건에서 생균수 측정 실험을 하였다. 각 유산균 함유 마이크로 캡슐에 대한 생균수는 다음과 같은 조건에서 측정하였다.

(1) 비교예 및 실시예1에서 제조된 유산균 함유 마이크로 캡슐을 pH 2.0으로 보정된 살린 버퍼(saline buffer) 100 ml에 넣은 다음, 항온 수조에 넣어 3시간 정치시킨 후 캡슐을 회수하였다.

(2) 회수된 캡슐은 유산균에 영향을 주지 않으면서 마이크로 캡슐을 분해할수 있는 용액(phosphate buffer saline, pH = 7.4) 10 ml에 넣어 상온에서 자동화 교반기를 통하여 완전히 분해될 때까지 15∼30분간 교반하여 분해하였다.

(3) 상기 분해액 1 ml을 취하여 살린 버퍼로 단계 희석한 후 MRS 평판 배지에 도말하여 37℃에서 24시간 배양한 후 각각의 시료의 생균수를 측정하였다.

그 결과를 도5에 나타내었다. 도5에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 유산균 마이크로 캡슐에서의 유산균 생균수가 비교예에 따른 유산균 마이크로 캡슐에 비하여 현격히 많은 것을 관찰할 수 있었다. 이는 위산의 낮은 pH 조건에서 본 발명의 방법에 따른 유산균 마이크로 캡슐이 유산균의 생존률을 높일 수 있음을 시사하는 것이다.

본 발명의 마이크로 캡슐 형성용 조성물에 의하면, 알긴산과 유산균 혼합물 입자의 내부에서도 칼슘이온을 방출할 수 있기 때문에 내부 겔화가 가능하여 안정한 가교결합을 형성할 수 있어 표면이 매끄럽고 촘촘하며 결합이 단단하여 기계적 강도가 강화된 마이크로 캡슐을 제조할 수 있다.

본 발명의 유산균 함유 마이크로 캡슐의 제조방법에 따르면, 단단하고 내산성이 강하며 유산균 함유 마이크로 캡슐을 효율적으로 제조할 수 있다.

Claims (5)

1. 조성물 총중량에 대하여 알긴산 0.1∼10중량%, 칼슘카르보네이트 (CaCO₃) 또는 소듐비카르보네이트 (NaHCO₃) 0.1∼10중량%, 및 물 75∼99중량%를 포함하는 마이크로 캡슐 형성용 조성물.
2. (a) 제1항에 따른 마이크로 캡슐 형성용 조성물과 유산균을 혼합하여 마이크로 캡슐 형성용 조성물과 유산균의 혼합물을 제조하는 단계; 및

   (b) 응고액 총중량에 대하여 칼슘클로라이드 (CaCl₂) 0.5∼5중량%, 유기산 0.1∼5중량% 및 물 75∼99중량%를 포함하는 응고액에 상기 혼합물을 분무하여 경화시키는 단계를 포함하는 유산균을 함유하는 마이크로 캡슐의 제조 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 유산균은 락토바실러스 불가리쿠스 (Lactobacillus bulgaricus)인 제조 방법.
4. 제2항에 있어서, 상기 유기산은 아세트산, 프로피온산 및 아스코브산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 제조 방법.
5. 제2항에 있어서, 경화시킨 유산균을 함유하는 마이크로 캡슐을 회수하여 칼슘클로라이드 용액 중에서 2차 경화시키는 단계를 더 포함하는 제조 방법.