KR20210001000A - manufacturing method of low molecular weight chitosan using solution phase plasma - Google Patents

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김정완
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인천대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing low molecular weight chitosan using solution plasma generated by using a unipolar power source. More specifically, the present invention relates to a method for rapidly manufacturing low molecular weight chitosan from chitosan without modifying the chemical structure of chitosan through solution plasma.

Description

유체플라즈마를 이용한 저분자 키토산의 제조방법{manufacturing method of low molecular weight chitosan using solution phase plasma}Manufacturing method of low molecular weight chitosan using solution phase plasma {manufacturing method of low molecular weight chitosan using solution phase plasma}

본 발명은 단극성(unipolar) 전원으로 발생시킨 유체플라즈마를 이용하여 저분자 키토산을 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유체플라즈마를 통해 키토산의 화학구조를 변형하지 않으면서도 키토산으로부터 신속하게 저분자 키토산을 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing low-molecular chitosan using a fluid plasma generated by a unipolar power source, and more particularly, to a low-molecular chitosan from chitosan without changing the chemical structure of chitosan through fluid plasma. It relates to a method that can be manufactured.

키토산은 게, 오징어, 새우껍질 등과 같은 갑각류의 외골격을 구성하는 주요성분으로, D-글루코사민이 5,000개 이상이 반복적으로 결합하고 분자량이 100만 이상인 탄수화물이다. 또는 상기 갑각류에 존재하는 키틴이 탈아세틸화된 물질로, 글루코사민이 결합된 선형의 천연고분자 다당류이다. 키토산은 약물 운반체, 상처 드레싱용 재료 및 항균제와 같은 식품, 의약 등의 다양한 분야에 활용 및 적용이 가능한 소재로, 많은 관심을 받아왔다. Chitosan is a major component of the exoskeleton of crustaceans such as crab, squid, and shrimp shells. It is a carbohydrate with more than 5,000 D-glucosamine repeatedly bound and more than 1 million molecular weight. Alternatively, chitin present in the shellfish is deacetylated, and is a linear natural polymer polysaccharide to which glucosamine is bound. Chitosan has received a lot of attention as a material that can be used and applied in various fields such as food and medicine such as drug carriers, wound dressing materials, and antibacterial agents.

키토산은 겔화, 급속 가교 및 수용성과 같은 특성을 지니며, 여러 가지 생리활성을 가지고 있어 다용도 활용 가능성을 가지고 있을 것으로 여겨져 왔다. 그러나 그 분자량이 매우 커서 산성 용액에서만 용해되므로, 응용폭이 매우 협소하다.Chitosan has properties such as gelation, rapid crosslinking, and water solubility, and has various physiological activities, so it has been considered to have the potential for multipurpose use. However, its molecular weight is so large that it dissolves only in acidic solutions, so its application range is very narrow.

이에 반해 키토산의 분해물인 저분자 키토산은 넓은 범위의 pH 용매에 잘 녹으며, 생물의학적 특성이 매우 우수하다. 예를 들어 저분자 키토산은 항종양 활성, 경구용 인슐린 제제, 위궤양 치료를 비롯하여 면역증강, 항균작용, 콜레스테롤조절, 칼슘흡수촉진 등의 광범위한 고기능성을 갖는 것으로 확인되었다. 이러한 뛰어난 키토산의 장점들에도 불구하고, 아직까지도 저분자 키토산을 제조하기 위해서는 많은 시간과 공정단계들 및 비용이 들고, 유해 용매들이나 공정 중에 사용된 물질들이 잔류하여 낮은 수율과 순도를 갖는다.On the other hand, low-molecular chitosan, a decomposition product of chitosan, is well soluble in a wide range of pH solvents and has excellent biomedical properties. For example, low-molecular chitosan has been found to have a wide range of high functionalities, including anti-tumor activity, oral insulin preparations, gastric ulcer treatment, immunity enhancement, antibacterial activity, cholesterol control, and calcium absorption promotion. In spite of these excellent advantages of chitosan, it still requires a lot of time, process steps, and cost to produce low-molecular chitosan, and harmful solvents or materials used during the process remain, and thus have low yield and purity.

이러한 문제를 해결하기 위하여 다방면에서 저분자 키토산을 제조하는 방법들이 연구되어온 바, 강산을 사용하는 화학적 방법, 미생물 공정, 초음파 또는 마이크로파에 의한 처리공정, 염산열분해공정 및 플라즈마를 활용한 방법 등이 개발되어 왔다.In order to solve this problem, methods for manufacturing low-molecular chitosan have been studied in various fields.As a result, chemical methods using strong acids, microbial processes, treatment processes by ultrasonic or microwave, hydrochloric acid pyrolysis process, and methods using plasma have been developed. come.

미생물 공정의 경우, 과량의 효소 혹은 미생물이 요구되고, 장기간의 반응시간과 반응조건(금속 촉매, 온도, pH 등)이 요구되며, 반응조건에 따른 생물학적 반응조의 민감성으로 현장의 운전이 어려운 단점이 있고, 고가이며, 최종 제조된 저분자량의 키토산 생성물이 효소나 미생물에 의해 오염되는 문제점이 있다(비특허문헌 1).In the case of a microbial process, an excessive amount of enzymes or microorganisms are required, a long reaction time and reaction conditions (metal catalyst, temperature, pH, etc.) are required. There is a problem that the chitosan product is expensive, and the final produced low molecular weight chitosan product is contaminated by enzymes or microorganisms (Non-Patent Document 1).

화학적 방법의 경우. 많은 양의 염과 30% H2O2를 산성조건 하에서 장시간 반응시켜(360 분), 키토산을 200 kDa에서 9 kDa로 분해한 문헌이 공지된 바 있다(비특허문헌 2). 아울러 초음파, 마이크로파, 가스 내 플라즈마를 이용한 물리적 방법으로 저분자 키토산을 제조한 연구들도 공지되었다(비특허문헌 3). 그러나 이러한 방법들은 값비싼 장치 및 장비들을 필수적으로 요구하며, 매우 높은 고주파수를 적용하여야 하고, 진동자의 잦은 교체로 인하여 운전비용이 매우 높다. 게다가 제한된 조건에서만 제조가 가능하다는 제약이 있고, 까다로운 조건에 비해 회수율이 높지 않으며, 운전 시간이 길다는 문제점들이 존재한다. 한편 염산 열분해공정은 미생물에 의한 처리공정에 비하여 비교적 반응시간은 짧으나, 글루코사민 생성율이 낮고, 80℃ 이상의 온도를 8시간 이상 지속함에 따른 운전비용의 증가 등이 문제점으로 지적되고 있다.For chemical methods. A document in which a large amount of salt and 30% H 2 O 2 were reacted for a long time under acidic conditions (360 minutes) to decompose chitosan from 200 kDa to 9 kDa has been known (Non-Patent Document 2). In addition, studies on producing low-molecular chitosan by a physical method using ultrasonic waves, microwaves, and plasma in gas have also been known (Non-Patent Document 3). However, these methods inevitably require expensive devices and equipment, and require a very high frequency to be applied, and operation costs are very high due to frequent replacement of the vibrator. In addition, there are limitations that manufacturing is possible only under limited conditions, there are problems that the recovery rate is not high compared to the difficult conditions, and the operation time is long. On the other hand, the hydrochloric acid pyrolysis process has a relatively short reaction time compared to the microbial treatment process, but the glucosamine production rate is low, and the operating cost increases due to the temperature of 80°C or higher for 8 hours or more.

따라서 저분자 키토산을 보다 낮은 비용으로 쉽고 효율적으로 제조할 수 있는 방법의 개발이 요구되고 있다.Therefore, there is a need to develop a method that can easily and efficiently manufacture low-molecular chitosan at a lower cost.

비특허문헌 1. Xie, H., Jia, Z., Huang, J & Zhang, C. (2011). Preparation of low molecular weight chitosan by complex enzymes hydrolysis. Inter. J. Chem., 3(2), 180-186.Non-Patent Document 1. Xie, H., Jia, Z., Huang, J & Zhang, C. (2011). Preparation of low molecular weight chitosan by complex enzymes hydrolysis. Inter. J. Chem., 3(2), 180-186. 비특허문헌 2. Chang, K.L.,Tai, M.C & Chang, F.H. (2001). Kinetics and products of the degradation of chitosan by hydrogen peroxide. J.Agri.Food. Chem., 49, 4845-4851.Non-Patent Document 2. Chang, K.L., Tai, M.C & Chang, F.H. (2001). Kinetics and products of the degradation of chitosan by hydrogen peroxide. J.Agri.Food. Chem., 49, 4845-4851. 비특허문헌 3. Yue, W., Yao, P., Wei, Y., & Mo, H. (2008). Synergetic effect of ozone and ultrasonic radiation on degradation of chitosan. Poly. Degrad. Stabili, 93, 1814-1821.Non-Patent Document 3. Yue, W., Yao, P., Wei, Y., & Mo, H. (2008). Synergetic effect of ozone and ultrasonic radiation on degradation of chitosan. Poly. Degrad. Stabili, 93, 1814-1821.

본 발명자들은 저분자 키토산을 제조할 수 있는 새로운 방법을 발굴하고자 예의 노력을 하였다. 그 결과, 단극성(unipolar) 전원으로 발생시킨 유체플라즈마를 활용한 전략을 고안하였고, 이를 이용하여 고분자 키토산으로부터 저분자 키토산을 빠르고, 효율적으로 제조할 수 있음을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.The present inventors have made diligent efforts to discover a new method for producing low-molecular chitosan. As a result, a strategy using fluid plasma generated by a unipolar power source was devised, and the present invention was completed by confirming that low-molecular chitosan can be produced quickly and efficiently from polymer chitosan using this.

따라서 본 발명의 목적은 유체플라즈마를 이용해 빠르고, 효율적으로 저분자 키토산의 제조방법을 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing low molecular weight chitosan quickly and efficiently using fluid plasma.

본 발명의 다른 목적은 상술한 제조방법으로 제조된 높은 팽윤비, 항균활성 및 항산화활성을 갖는 저분자 키토산 및 이를 포함하는 항균용 조성물을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a low-molecular chitosan having a high swelling ratio, antimicrobial activity and antioxidant activity prepared by the above-described manufacturing method, and an antibacterial composition comprising the same.

본 발명의 대표적인 일 측면에 따르면, 다음 단계들을 포함하는 저분자 키토산의 제조방법에 관한 것이다.According to an exemplary aspect of the present invention, it relates to a method for producing a low molecular weight chitosan comprising the following steps.

1) 고분자 키토산을 아세트산 용액에 용해시켜 키토산 용액을 제조하는 단계; 및1) preparing a chitosan solution by dissolving a polymer chitosan in an acetic acid solution; And

2) 상기 키토산 용액 중에 플라즈마를 발생시켜 15 내지 120 분동안 저분자 키토산을 생성하는 유체플라즈마 반응 단계;를 포함하되, 상기 유체플라즈마 반응 단계는 상기 키토산 용액에 노출된 전극으로 공급되는 단극성 전원의 전압 700 내지 900V, 주파수 20 내지 40 KHz일 수 있다.2) a fluid plasma reaction step of generating a plasma in the chitosan solution to generate a low molecular weight chitosan for 15 to 120 minutes; Including, wherein the fluid plasma reaction step includes a voltage of a unipolar power supplied to an electrode exposed to the chitosan solution It may be 700 to 900V, frequency 20 to 40 KHz.

상기 2) 단계 이후 3) 유체플라즈마 조사후 저분자 키토산을 여과하여 건조하는 단계;를 더 포함할 수 있다.After the step 2), 3) filtering and drying the low-molecular chitosan after irradiation with fluid plasma. It may further include.

상기 유체플라즈마 반응 단계는 상기 키토산 용액에 노출된 텅스텐 전극으로 공급되는 단극성 전원의 전압 800V, 주파수 30 KHz일 수 있다.The fluid plasma reaction step may be a voltage of 800V and a frequency of 30 KHz of unipolar power supplied to the tungsten electrode exposed to the chitosan solution.

상기 유체플라즈마 반응 단계는 15 내지 120 분일 수 있다.The fluid plasma reaction step may be 15 to 120 minutes.

본 발명의 다른 대표적인 일 측면에 따르면, 상기 제조방법에 따라 제조된 저분자 키토산에 관한 것이다.According to another exemplary aspect of the present invention, it relates to a low molecular weight chitosan prepared according to the above manufacturing method.

상기 저분자 키토산은 분자량이 4.6 × 103 Da 내지 7.8 × 103 Da이고, 항균활성은 80 내지 150 ㎍/㎖이며, 항산화 활성은 58 내지 75%이며, 팽윤비가 0.2 내지 2 ㎎/㎎일 수 있다.The low molecular weight chitosan may have a molecular weight of 4.6 × 10 3 Da to 7.8 × 10 3 Da, an antimicrobial activity of 80 to 150 μg/ml, an antioxidant activity of 58 to 75%, and a swelling ratio of 0.2 to 2 mg/mg. .

상기 저분자 키토산은 산성 조건(pH < 6)에서의 용해도 80~99%가 중성 및 알칼리 범위(pH > 7)에서도 유지되는 것일 수 있다.The low-molecular chitosan may have a solubility of 80 to 99% in an acidic condition (pH <6) is maintained even in a neutral and alkaline range (pH> 7).

본 발명의 또 다른 대표적인 일 측면에 따르면 상기 제조방법에 따라 제조된 저분자 키토산을 포함하는 항균용 조성물에 관한 것이다.Another exemplary aspect of the present invention relates to an antimicrobial composition comprising chitosan prepared according to the above manufacturing method.

본 발명의 여러 구현예에 따르면, 유체플라즈마를 통해 해중합(depolymerization)된 저분자량(LMW) 키토산의 제조방법은 신속한 생성이 가능하고, 제조과정에 화학적 첨가물의 추가가 요구되지 않으며, 이를 통해 제조된 저분자 키토산은 우수한 팽윤성, 항산화 및 항균성을 나타내는 효과를 달성하고 있다.According to various embodiments of the present invention, the method for preparing low molecular weight (LMW) chitosan depolymerized through fluid plasma enables rapid generation, and does not require addition of chemical additives in the manufacturing process. Low-molecular chitosan has achieved excellent swelling properties, antioxidant and antibacterial properties.

또한 본 발명의 저분자 키토산의 제조방법은 생체의학 분야의 응용을 위한 바람직한 생체적합물질을 쉽고 경제적이며 친환경적으로 생산할 수 있다는 큰 장점을 갖는다.In addition, the method for producing a low-molecular chitosan of the present invention has a great advantage of being able to easily, economically and eco-friendlyly produce suitable biomaterials for application in biomedical fields.

도 1은 유체플라즈마를 이용한 저분자 키토산의 제조과정에 대한 결과를 나타낸 것으로, 도 1a는 플라즈마 방전에 따라 키토산 용액의 색 변화(0-120 분)를 촬영한 사진이고, 도 1b는 플라즈마 처리 시간에 따른 키토산 용액의 점도(cps)를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 2는 실시예 1의 유체플라즈마(SPP)에 의해 제조된 저분자화된 키토산의 pH에 따른 수용해도를 측정하여 나타낸 그래프이다. 이때 유체플라즈마 처리시간에 따라 ▲(0 분), ■(15 분), ●(30 분), △(60 분), □(90 분), ○(120 분)으로 표기하였다.
도 3a는 실시예 1으로부터 제조된 저분자 키토산의 수율에 관한 것으로, 상기 저분자 키토산 중에서 수용성(WS) 키토산의 비율은 유체플라즈마 처리시간이 길어질수록(0-120 분) 증가하였고, 불용성(WI) 키토산은 감소하였다.
도 3b는 유체플라즈마 처리시간에 따른 실시예 1의 저분자 키토산의 FTIR 스펙트럼이고, 유체플라즈마 처리시간에 따른 피크(3319, 2668, 1478, 1152 cm-1)를 나타낸 결과, 유체플라즈마 처리시간에 따라 영향이 미미한 것으로 확인되었다.
도 4는 실시예 1로부터 제조된 저분자 키토산의 분자량을 유체플라즈마 처리시간에 따라 측정하여 나타낸 그래프이다. 유체플라즈마를 30 분 동안 처리하여 제조된 저분자 키토산은 7.8 × 103 Da 분자량을 갖는 것으로 측정되었고, 유체플라즈마 처리하지 않은 키토산은 3.0 × 105 Da이었으며, 유체플라즈마를 60 분 동안 처리하여 제조된 저분자 키토산은 5.8 × 103 Da, 유체플라즈마를 90 분 동안 처리하여 제조된 저분자 키토산은 4.6 × 103 Da 분자량임을 확인하였다.
도 5는 다양한 처리시간으로 유체플라즈마를 이용해 제조된 실시예 1의 저분자 키토산에 대한 DLS 및 제타 전위를 나타낸 그래프이다.
도 6은 유체플라즈마를 이용한 실시예 1의 저분자 키토산에 대한 항균 활성을 나타낸 그래프와 표이다.
도 7a는 유체플라즈마를 이용한 실시예 1의 저분자 키토산에 대하여 평형팽윤 비(ES ratio)를 분석하여 나타낸 그래프이다.
도 7b는 유체플라즈마를 이용한 실시예 1의 저분자 키토산에 대하여 DPPH 소거활성을 분석하여 나타낸 그래프이다.
FIG. 1 shows the results of the manufacturing process of low-molecular chitosan using fluid plasma, FIG. 1A is a photograph of a color change (0-120 minutes) of chitosan solution according to plasma discharge, and FIG. 1B is a plasma treatment time. It is a graph showing by measuring the viscosity (cps) of the chitosan solution.
FIG. 2 is a graph showing the measurement of water solubility according to pH of low-molecularized chitosan prepared by fluid plasma (SPP) of Example 1. FIG. At this time, according to the fluid plasma treatment time, it was marked as ▲(0 minutes), ■(15 minutes), ●(30 minutes), △(60 minutes), □(90 minutes), and ○(120 minutes).
Figure 3a relates to the yield of the low-molecular chitosan prepared in Example 1, the ratio of the water-soluble (WS) chitosan in the low-molecular chitosan increased as the fluid plasma treatment time increased (0-120 minutes), insoluble (WI) chitosan Decreased.
3B is an FTIR spectrum of the low-molecular chitosan of Example 1 according to the fluid plasma treatment time, and the peaks (3319, 2668, 1478, 1152 cm -1 ) according to the fluid plasma treatment time are shown, the effect of the fluid plasma treatment time This was confirmed to be insignificant.
4 is a graph showing the molecular weight of the low-molecular chitosan prepared in Example 1, measured according to fluid plasma treatment time. The low molecular weight chitosan prepared by treating the fluid plasma for 30 minutes was measured to have a molecular weight of 7.8 × 10 3 Da, the chitosan without the fluid plasma treatment was 3.0 × 10 5 Da, and the low molecular weight prepared by treating the fluid plasma for 60 minutes. It was confirmed that chitosan was 5.8 × 10 3 Da, and low-molecular chitosan prepared by treating fluid plasma for 90 minutes had a molecular weight of 4.6 × 10 3 Da.
5 is a graph showing DLS and zeta potential for the low molecular weight chitosan of Example 1 prepared using fluid plasma with various treatment times.
6 is a graph and table showing the antimicrobial activity against the low molecular weight chitosan of Example 1 using fluid plasma.
7A is a graph showing the analysis of the equilibrium swelling ratio (ES ratio) for the low molecular weight chitosan of Example 1 using fluid plasma.
7B is a graph showing DPPH scavenging activity for the low molecular weight chitosan of Example 1 using fluid plasma.

이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.Hereinafter, various aspects and various embodiments of the present invention will be described in more detail.

본 발명의 일 측면에 따르면, 다음 단계들을 포함하는 저분자 키토산의 제조방법이 개시된다.According to an aspect of the present invention, a method for producing a low molecular weight chitosan comprising the following steps is disclosed.

1) 고분자 키토산을 아세트산 용액 용해시켜 키토산 용액을 제조하는 단계; 및1) preparing a chitosan solution by dissolving a polymer chitosan in an acetic acid solution; And

2) 상기 키토산 용액 중에 플라즈마를 발생시켜 저분자 키토산을 생성하는 유체플라즈마 반응 단계.2) A fluid plasma reaction step of generating plasma in the chitosan solution to generate low molecular weight chitosan.

저분자량(LMW) 키토산은 생명, 화학, 의약 및 약물전달 분야에서 큰 주목을 받아왔고, 본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하고 경제적이고 효율적으로 제조하기 위한 방법을 제공하고자 한다.Low molecular weight (LMW) chitosan has attracted great attention in the fields of life, chemistry, medicine, and drug delivery, and the present invention aims to solve the problems of the prior art and provide a method for economically and efficiently manufacturing it.

본 발명과 같이, 유체플라즈마 공정(SPP)을 통해 고분자량(HMW) 키토산을 해중합(depolymerization)하여 저분자량(LMW) 키토산을 얻으면, 키토산의 화학적 구조는 변형되지 않으면서도 효과적으로 저분자량의 키토산을 얻을 수 있다.As in the present invention, when high molecular weight (HMW) chitosan is depolymerized through a fluid plasma process (SPP) to obtain low molecular weight (LMW) chitosan, the chemical structure of chitosan is not altered, and low molecular weight chitosan is effectively obtained. I can.

구체적으로 1) 고분자 키토산을 아세트산 용액에 용해시켜 키토산 용액을 제조한다. 키토산은 산에 용이하게 용해되고, 특히 넓은 농도의 아세트산 용액을 사용하는 것이 중합도가 저하되지 않고, 이후 유체플라즈마를 사용하기에도 바람직하다.Specifically, 1) polymer chitosan is dissolved in an acetic acid solution to prepare a chitosan solution. Chitosan is easily soluble in acid, and in particular, it is preferable to use a fluid plasma without lowering the degree of polymerization when using an acetic acid solution having a wide concentration.

상기 키토산 용액이 농도는 특별히 이에 제한되지 않으나, 용액 내 농도가 바람직하게는 0.1 내지 5 중량%, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 2 중량%인 것일 수 있다. 상기 키토산 용액의 농도에 따라 전기 전도율(electric conductivity)이 변화하고, 이는 생성되는 저분자 키토산의 크기에 영향을 줄 수 있다. 따라서 0.5 중량% 미만일 경우에는 유체플라즈마에 따른 영향이 커져 저분자 키토산의 수율이 비효율적일 수 있고, 2 중량%를 초과할 경우에는 키토산의 점도가 높아져 유체플라즈마의 방출에 의한 해중합이 어려워질 수 있으므로 상술한 농도 범위의 키토산 용액을 사용하는 것이 바람직하다.The concentration of the chitosan solution is not particularly limited thereto, but the concentration in the solution may be preferably 0.1 to 5% by weight, more preferably 0.5 to 2% by weight. The electric conductivity changes according to the concentration of the chitosan solution, which may affect the size of the resulting low molecular weight chitosan. Therefore, if it is less than 0.5% by weight, the effect of the fluid plasma may increase, and the yield of low-molecular chitosan may be inefficient, and if it exceeds 2% by weight, the viscosity of chitosan increases and depolymerization by the release of the fluid plasma may become difficult. It is preferred to use chitosan solutions in one concentration range.

이후 2) 상기 키토산 용액 중에 플라즈마를 발생시켜 저분자 키토산을 생성하는 유체플라즈마 반응시킨다.Thereafter, 2) plasma is generated in the chitosan solution to react with a fluid plasma to generate low molecular weight chitosan.

본 발명에 적용된 유체플라즈마(solution phase plasma, SPP)는 고밀도 고에너지 플라즈마를 유체 속에서 발생시켜 하나의 공정으로 합성 및 분산하는 기술로, 경제적이고 생산성 확보가 용이하며, 보다 효율적인 저분자 키토산을 제조할 수 있다.The fluid plasma (SPP) applied to the present invention is a technology that generates high-density, high-energy plasma in a fluid, synthesizes and disperses it in a single process. It is economical, easy to secure productivity, and can produce more efficient low-molecular chitosan. I can.

유체플라즈마는 액체 중에 전기에너지 인가에 다른 이온과 전자의 흐름은 액체 중에 플라즈마를 발생시키고, 인가되는 전기 에너지양이 증가함에 따라 이온과 전자의 흐름이 증가되어 플라즈마의 강도가 달라진다. 본 발명에서는 플라즈마의 발생은 전자의 흐름과 관계되며 액체 내에 존재하는 고분자 키토산에 전자가 제공되어 저분자 키토산으로 해중합 시킨다.In fluid plasma, the flow of ions and electrons different from the application of electric energy in the liquid generates plasma in the liquid, and as the amount of applied electric energy increases, the flow of ions and electrons increases, thereby changing the intensity of the plasma. In the present invention, the generation of plasma is related to the flow of electrons, and electrons are provided to the high molecular chitosan present in the liquid to depolymerize the low molecular weight chitosan.

본 발명에서 사용한 유체플라즈마 장치는 당해 분야에서 통상적으로 사용되는 것이 이용되며, 본 발명의 실험예에서 사용된 유체플라즈마 반응장치는 원통형의 테플론 반응기와, 반응기 내에 키토산 용액을 일정한 온도로 유지하기 위한 냉각 시스템과 순환펌프, 반응기에 설치된 한 쌍의 전극과, 전극에 전원을 공급하기 위한 단극성 전원공급기(unipolar pulse power supply)로 이루어진 것을 사용하였다. 전극은 텅스텐 소재로 이루어지며, 두 전극 간 거리는 약 1 ㎜으로 유지되는 것을 사용하였다.The fluid plasma device used in the present invention is one that is commonly used in the art, and the fluid plasma reaction device used in the experimental examples of the present invention includes a cylindrical Teflon reactor and a cooling system for maintaining the chitosan solution in the reactor at a constant temperature. A system, a circulation pump, a pair of electrodes installed in the reactor, and a unipolar pulse power supply for supplying power to the electrodes were used. The electrode is made of tungsten material, and the distance between the two electrodes is maintained at about 1 mm.

상기 반응기 내의 키토산 용액에 전원이 공급되면 전기 방전에 의해 용액 중에서 플라즈마가 형성되며 고분자 키토산에서 저분자 키토산으로 해중합이 일어난다. 이때 키토산 용액의 온도가 상승되는 것을 방지하고자 냉각 시스템을 통해 온도를 20~30 ℃로 유지하였다. 상기 반응기와 냉각 시스템은 연결되어 있으며, 순환펌프를 순환될 수 있다.When power is supplied to the chitosan solution in the reactor, plasma is formed in the solution by electric discharge, and depolymerization occurs from high molecular chitosan to low molecular chitosan. At this time, in order to prevent the temperature of the chitosan solution from rising, the temperature was maintained at 20 ~ 30 ℃ through the cooling system. The reactor and the cooling system are connected, and a circulation pump can be circulated.

구체적으로 상기 키토산 용액 중에 다양한 시간(15-120 분) 동안 700 내지 900V, 20 내지 40 kHz의 조건으로 유체플라즈마를 방출하여 해중합하여 저분자 키토산을 생성하였으며, 가장 바람직하게는 800V, 주파수 30 KHz일 수 있다. 상기 유체플라즈마 반응 단계에서 상기 키토산 용액에 노출된 전극으로 공급되는 전원의 전압 800V, 주파수 30 KHz인 것이 가장 바람직한데, 상기 전압보다 높고, 주파수가 낮을 경우 저분자 키토산을 제조하기 위해 2~10배의 시간이 더 소요되며, 더 많은 시간이 소요됨에도 불구하고 10 배 이상 큰 분자량의 키토산을 얻게 되는 문제점이 있다.Specifically, low molecular chitosan was produced by depolymerization by releasing fluid plasma in the chitosan solution under conditions of 700 to 900 V and 20 to 40 kHz for various times (15 to 120 minutes), most preferably 800 V and a frequency of 30 KHz. have. In the fluid plasma reaction step, a voltage of 800V and a frequency of 30 KHz of power supplied to the electrode exposed to the chitosan solution is most preferable.If the voltage is higher than the voltage and the frequency is low, 2 to 10 times the voltage to produce low molecular chitosan Although it takes more time and takes more time, there is a problem in that chitosan having a molecular weight of 10 times or more is obtained.

구체적으로 900V 이상 즉 1600 V, 주파수 15 kHz로 유체플라즈마를 방출할 경우 300 분 이상의 시간으로 처리하여도 3.2 × 104 Da, 1.9 × 104 Da의 분자량 크기를 갖는 키토산만을 얻을 수 있고, 상술한 크기의 키토산은 생리활성이 현저히 낮거나 거의 나타내지 못하는 단점이 존재한다.Specifically, in the case of emitting fluid plasma at 900 V or higher, that is, at 1600 V and a frequency of 15 kHz, only chitosan having a molecular weight size of 3.2 × 10 4 Da and 1.9 × 10 4 Da can be obtained even if it is treated for 300 minutes or longer. Chitosan of the size has a disadvantage that the physiological activity is remarkably low or hardly exhibited.

본 발명의 따른 제조방법은 저분자 키토산을 얻기 위해서는 15 내지 120분, 바람직하게 70 내지 110 분, 보다 바람직하게 80 내지 100 분, 가장 바람직하게 90분으로 수행될 수 있다.The manufacturing method according to the present invention may be performed in 15 to 120 minutes, preferably 70 to 110 minutes, more preferably 80 to 100 minutes, and most preferably 90 minutes in order to obtain a low molecular weight chitosan.

상기 유체플라즈마 반응 단계를 다양한 시간(15분~120분) 구간에서 분석한 결과 90 분으로 처리하여 얻은 저분자량의 키토산이 산도 구간에서 수용성(용해도), 항균활성 등이 1.5~2배 이상 개선됨을 확인하였다. 만약 상기 범위 미만으로 수행될 경우 저분자 키토산이 거의 생산되지 않으며, 상기 범위를 초과할 경우 저분자 키토산의 활성에 큰 차이가 없으므로 경제적인 측면을 고려하였을 때 바람직하지 않다.As a result of analyzing the fluid plasma reaction step at various time intervals (15 minutes to 120 minutes), it was found that the low molecular weight chitosan obtained by treatment with 90 minutes improved water solubility (solubility) and antibacterial activity by 1.5 to 2 times or more in the acidity range. Confirmed. If it is carried out below the above range, little chitosan is produced, and if it exceeds the above range, there is no significant difference in the activity of the low molecular chitosan, which is not preferable in view of economics.

상술한 과정을 통해 제조된 저분자 키토산은 별도의 계면활성제를 처가하지 않아도, 용액 내에서 제조된 저분자 키토산은 다가양이온을 띄게 되며 어느 정도 안정성을 나타내며, 추후 생체재료로서 우수한 특성을 나타낼 수 있게 된다.The low-molecular chitosan prepared through the above-described process does not require a separate surfactant, but the low-molecular chitosan prepared in the solution has a polycation and exhibits stability to some extent, and can exhibit excellent properties as a biomaterial in the future.

또한 상기 2) 단계 이후 3) 유체플라즈마 조사후 저분자 키토산을 여과하여 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다. In addition, it may further include the step of filtering and drying the low-molecular chitosan after step 2) and after 3) irradiation with fluid plasma.

추가적으로 수용성 저분자 키토산만을 회수하기 위하여, 상기 저분자 키토산을 원심분리하고, 상층 액을 회수한 후 유기용매를 첨가하여 형성된 침전물을 얻는 과정을 더 포함할 수 있다.Additionally, in order to recover only the water-soluble low-molecular chitosan, the process of obtaining a precipitate formed by centrifuging the low-molecular chitosan, recovering the supernatant, and adding an organic solvent may be further included.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상술한 제조방법을 통해 제조된 저분자 키토산을 개시한다. 상술한 제조방법에 따라 제조된 저분자 키토산을 겔 침투 크로마토그래피(gel permeation chromatography)로 분석결과, 유체플라즈마 처리시간에 따라 분자량이 점차 감소하는데, 30분 처리시 키토산의 분자량은 3.0 × 105 Da에서 7.8 × 103 Da로 감소하였고, 90 분 처리시에는 4.6 × 103 Da로 감소하였음을 확인하였다. 동적광 산란(DLS) 및 제타전위를 분석한 결과 키토산 나노 응집체가 형성됨을 확인하였다. 나아가 상기와 같이 제조된 저분자 키토산은 그람 양성균뿐만 아니라 그람 음성균에 대해서도 우수한 항균활성을 가지고 있음을 확인하였고 구체적으로 Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Candida albicans에 대한 MIC(minimal inhibitory concentration)은 80-1200 ㎍/㎖임을 확인하였다. 나아가 높은 항산화 활성(58-75 %)과 0.2 내지 2.0 ㎎/㎎의 팽윤비를 가지고 있음을 확인하였다. According to another aspect of the present invention, a low molecular weight chitosan prepared through the above-described manufacturing method is disclosed. As a result of analyzing the low-molecular chitosan prepared according to the above-described preparation method by gel permeation chromatography, the molecular weight gradually decreases with the fluid plasma treatment time.After 30 minutes treatment, the molecular weight of chitosan was 3.0 × 10 5 Da. It was confirmed that it decreased to 7.8 × 10 3 Da, and 4.6 × 10 3 Da at 90 minutes treatment. As a result of analyzing dynamic light scattering (DLS) and zeta potential, it was confirmed that chitosan nano-aggregates were formed. Furthermore, the low molecular weight chitosan was confirmed that this has an excellent antimicrobial activity even on gram-negative bacteria as well as Gram-positive bacteria specifically MIC (minimal inhibitory concentration) for Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Candida albicans prepared as described above is 80-1200 ㎍ / It was confirmed to be ml. Furthermore, it was confirmed that it had a high antioxidant activity (58-75%) and a swelling ratio of 0.2 to 2.0 mg/mg.

또한 종래 키토산을 저분화하는 경우, 저분자 키토산이 산성조건(pH < 6)에서만 용해도를 나타내는데 반해(중성 및 알칼리 조건(pH > 7)에서는 수용성이 2~8배 낮아짐), 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 상기 저분자 키토산은 산성 조건(pH < 6)뿐만 아니라, 중성 및 알칼리 범위(pH > 7)에서도 80 내지 90% 이상을 갖는다는 것에 큰 장점이 있음을 확인하였다. 다시 말해 산성 조건(pH < 6)에서의 용해도 80~99%가 중성 및 알칼리 범위(pH > 7)에서도 유지되는 것이라 할 수 있다.In addition, when conventional chitosan is low-differentiated, low-molecular chitosan exhibits solubility only in acidic conditions (pH <6), whereas water solubility is reduced by 2 to 8 times in neutral and alkaline conditions (pH> 7), and the method according to the present invention. It was confirmed that the low-molecular chitosan prepared as has a great advantage in that it has 80 to 90% or more even in acidic conditions (pH <6) as well as neutral and alkaline ranges (pH> 7). In other words, it can be said that 80-99% of solubility in acidic conditions (pH <6) is maintained even in the neutral and alkaline range (pH> 7).

즉 본 발명에 따른 상기 저분자 키토산은 전 pH 범위에서 높은 용해도 즉 수용성을 가지므로, 광범위한 범위에 활용이 가능하며, 운반체, 생체적합물질 및 생체 의학 용도로써 지속 가능하게 활용할 수 있음을 알 수 있다.That is, since the low molecular weight chitosan according to the present invention has high solubility, that is, water solubility in the entire pH range, it can be used in a wide range, and it can be seen that it can be used sustainably as a carrier, biomaterial, and biomedical use.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상술한 제조방법을 통해 제조된 저분자 키토산은 항균 효과가 우수하며, 항산화 활성을 가지며, 부작용이 없으므로 항균성 조성물, 피부외용제, 화장료로 유용하게 사용될 수 있다.According to another aspect of the present invention, the low-molecular chitosan prepared through the above-described manufacturing method has excellent antibacterial effect, has antioxidant activity, and has no side effects, so it can be usefully used as an antibacterial composition, an external preparation for skin, and a cosmetic.

본 발명의 저분자 키토산은 유해성 세균 및 진균들을 효율적으로 제거하는 목적으로 사용되는 것으로 그 제형에 있어서 특별히 한정되는 바 없으며, 상기 저분자 키토산에 추가로 동일 또는 유사한 기능을 나타내는 유효성분을 1종 이상 함유할 수 있다.The low-molecular chitosan of the present invention is used for the purpose of efficiently removing harmful bacteria and fungi, and is not particularly limited in its formulation, and in addition to the low-molecular chitosan, it may contain one or more active ingredients exhibiting the same or similar function. I can.

상기 항균성 조성물은 피부외용제일 수 있으며, 구체적으로 용액제, 현탁제, 스프레이제, 패취제, 패드제, 크림제, 연고제, 겔제로 제조될 수 있다.The antimicrobial composition may be an external preparation for skin, and specifically, may be prepared as a solution, a suspension, a spray, a patch, a pad, a cream, an ointment, or a gel.

용액제는 유효성분 이외에 통상의 부형제, 예를 들면 용매, 가용화제 및 유화제, 예를 들면 물, 에틸알코올, 이소프로필알코올, 에틸카보네이트, 에틸아세테이트, 벤질알코올, 벤질벤조에이트, 프로필렌글리콜, 1,3-부틸렌글리콜, 디메틸포름아미드, 오일, 특히 면실유, 낙화생유, 동백유, 알로에베라, 글리세린, 천연옥수수 배종유, 올리브유, 피마자유, 아몬드유 및 참깨유, 글리세롤, 글리세롤 포름알코올, 테트라히드로푸르푸릴 알코올, 폴리에틸렌글리콜 및 소르비탄의 지방산 에스테르, 또는 이들 물질의 혼합물을 포함할 수 있으며, 보존제로서 메틸 또는 프로필-p-히드록시벤조에이트 또는 솔브산 등을 포함할 수 있다.In addition to the active ingredient, the solution may contain conventional excipients, such as solvents, solubilizers, and emulsifiers, such as water, ethyl alcohol, isopropyl alcohol, ethyl carbonate, ethyl acetate, benzyl alcohol, benzyl benzoate, propylene glycol, 1, 3-butylene glycol, dimethylformamide, oil, especially cottonseed oil, peanut oil, camellia oil, aloe vera, glycerin, natural corn berry oil, olive oil, castor oil, almond oil and sesame oil, glycerol, glycerol form alcohol, tetrahydrofur Fatty acid esters of furyl alcohol, polyethylene glycol and sorbitan, or a mixture of these substances may be included, and methyl or propyl-p-hydroxybenzoate or sorbic acid may be included as a preservative.

현탁제는 유효성분 이외에 통상의 부형제, 예를 들면 액상 희석제 (예: 물, 에틸알코올 및 프로필렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜), 및 현탁제 (예: 에톡실화 이소스테아릴 알코올, 폴리옥시에틸렌 소르비톨, 소르비탄 에스테르, 셀룰로오스 유도체 및 수소화 식용유지), 미세 결정성 셀룰로오스, 알루미늄 메타히드록시드, 벤토나이트, 한천 및 트라가칸트, 에틸올레이트와 같은 주사 가능한 에스테르 또는 이들 물질의 혼합물을 함유할 수 있다.Suspension agents other than the active ingredient, conventional excipients, such as liquid diluents (e.g., water, ethyl alcohol and propylene glycol, polyethylene glycol), and suspending agents (e.g., ethoxylated isostearyl alcohol, polyoxyethylene sorbitol, sorbitan) Esters, cellulose derivatives and hydrogenated edible oils), microcrystalline cellulose, aluminum metahydroxide, bentonite, agar and injectable esters such as tragacanth, ethyloleate, or mixtures of these substances.

연고제, 크림제 및 겔제는 유효 화합물 이외에 통상의 부형제, 예를 들면 동물성 및 식물성 지방, 왁스 파라핀, 전분, 타르가칸트, 셀룰로오스 유도체, 폴리에틸렌글리콜, 실리콘, 벤토나이트, 규산, 활석 및 산화 아연 또는 이들 물질의 혼합물을 함유할 수 있다.Ointments, creams and gels are not only active compounds, but also conventional excipients, such as animal and vegetable fats, wax paraffin, starch, targacanth, cellulose derivatives, polyethylene glycol, silicone, bentonite, silicic acid, talc and zinc oxide, or these substances. It may contain a mixture of.

또한, 상기 조성물은 화장료 조성물일 수 있으며, 그 제형에 있어 특별히 한정되지 않고 통상의 제형을 가질 수 있다. 구체적으로 스킨로션, 스킨 소프너, 스킨토너, 아스트린젠트, 로션, 밀크로션, 모이스처 로션, 영양로션, 마사지 크림, 영양크림, 모이스처 크림, 핸드크림, 에센스, 영양에센스, 팩, 액체 또는 고체 비누, 샴푸, 클렌징폼, 클렌징 로션, 클렌징크림, 바디 로션, 바디 클렌저 및 입욕제를 포함한다.In addition, the composition may be a cosmetic composition, and the formulation is not particularly limited and may have a conventional formulation. Specifically, skin lotion, skin softener, skin toner, astringent, lotion, milk lotion, moisture lotion, nutrition lotion, massage cream, nutrition cream, moisture cream, hand cream, essence, nutrition essence, pack, liquid or solid soap, shampoo, It includes cleansing foam, cleansing lotion, cleansing cream, body lotion, body cleanser and bathing agent.

상기 화장료 조성물은 저분자 키토산 외에 지방 물질, 유기 용매, 용해제, 농축제 및 겔화제, 연화제, 항산화제, 현탁화제, 안정화제, 발포제(foaming agent), 방향제, 계면활성제, 물, 이온형 또는 비이온형 유화제, 충전제, 금속이온봉쇄제 및 킬레이트화제, 보존제, 비타민, 차단제, 습윤화제, 필수 오일, 염료, 안료, 친수성 또는 친유성 활성제 또는 지질 소낭과 같은 피부 과학 분야에서 통상적으로 사용되는 보조제를 함유할 수 있다.The cosmetic composition includes fatty substances, organic solvents, solubilizers, thickeners and gelling agents, softeners, antioxidants, suspending agents, stabilizers, foaming agents, fragrances, surfactants, water, ionic or nonionic, in addition to low molecular chitosan Contains adjuvants commonly used in the field of dermatology such as type emulsifiers, fillers, sequestering and chelating agents, preservatives, vitamins, blockers, wetting agents, essential oils, dyes, pigments, hydrophilic or lipophilic actives or lipid vesicles can do.

또한, 상기 성분들은 피부 과학 분야에서 일반적으로 사용되는 양으로 도입될 수 있다. 본 발명의 항균성 조성물 총 중량에 상기 저분자 키토산은 바람직하게 0.00001 내지 50 중량부, 보다 바람직하게 0.0001 내지 10 중량부, 가장 바람직하게 0.001 내지 0.1 중량부로 포함될 수 있다.In addition, the ingredients may be introduced in an amount generally used in the field of dermatology. The low-molecular chitosan may be included in the total weight of the antimicrobial composition of the present invention in preferably 0.00001 to 50 parts by weight, more preferably 0.0001 to 10 parts by weight, and most preferably 0.001 to 0.1 parts by weight.

또한 상기 조성물은 항균 활성을 보이는 그람 양성균 또는 그람 음성 균으로부터 대표적으로 유발되는 질병인 식중독, 칸디다즘, 장티푸스, 콜레라 등의 질병을 예방 또는 치료하는 것이 가능하기 때문에 이러한 저분자 키토산을 유효성분으로 함유하여 상기 질병들의 예방 또는 치료용 약학 조성물로 활용될 수 있다. 게다가 본 발명은 그람 음성균, 그람 양성균에 대하여 우수한 항균활성을 가지고 있으며, 항산화효과도 우수함을 확인함으로써, 이를 통해 항균용도와 더불어 항산화 용도로 사용할 수 있음을 규명하였다.In addition, the composition contains such a low-molecular chitosan as an active ingredient because it is possible to prevent or treat diseases such as food poisoning, candism, typhoid fever, and cholera, which are diseases typically caused by Gram-positive or Gram-negative bacteria showing antibacterial activity. It can be used as a pharmaceutical composition for the prevention or treatment of the above diseases. In addition, the present invention has excellent antibacterial activity against Gram-negative bacteria and Gram-positive bacteria, and by confirming that the antioxidant effect is also excellent, it was found that it can be used as an antioxidant as well as antibacterial use.

상기 저분자 키토산은 E. coli, S. aureusC. albicans로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상에 항균 활성을 가지는 것일 수 있다.The low-molecular chitosan may have antimicrobial activity against any one or more selected from the group consisting of E. coli , S. aureus, and C. albicans .

한편, 상기 조성물의 투여 방법은 특별한 제한이 있는 것은 아니지만, 바람직하게는 동맥 또는 정맥 내로 투입하거나, 피하로, 직장으로, 비강으로, 임의의 다른 비경구로도 투입될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 동맥 또는 정맥 내로 투입하거나 경구 투여하거나 또는 근육 세포에 직접 투입하는 것이 바람직하다.On the other hand, the method of administration of the composition is not particularly limited, but preferably, it may be injected into an artery or vein, or subcutaneously, rectal, nasal, or any other parenteral administration, and more preferably arterial Alternatively, it is preferable to be injected intravenously, orally or directly into muscle cells.

또한 상기 조성물로부터 선택되는 투여 수준은 화합물의 활성, 투여 경로, 치료되는 병태의 중증도 및 치료되는 환자의 병태 및 이전 병력에 따를 것이다. 그러나 원하는 치료 효과의 달성을 위해 요구되는 것보다 낮은 수준의 화합물의 용량에서 시작하여, 원하는 효과가 달성될 때까지 투여량을 서서히 증가시키는 것은 당업계의 지식 내에 있으며, 바람직한 투여량은 나이, 성별, 체형, 체중에 따라 결정될 수 있다. 상기 조성물은 약제학상 허용 가능한 제약 제제로 제제화 되기 전에 추가로 가공될 수 있으며, 바람직하게는 더 작은 입자들로 분쇄 또는 연마될 수 있다. 또한 상기 조성물은 병태 및 치료되는 환자에 따라 달라질 것이지만, 이는 비-독창적으로 결정할 수 있다.In addition, the dosage level selected from the composition will depend on the activity of the compound, the route of administration, the severity of the condition being treated and the condition and previous medical history of the patient being treated. However, it is within the knowledge of the art to start with a dose of the compound at a lower level than required to achieve the desired therapeutic effect and gradually increase the dosage until the desired effect is achieved, and the preferred dosage is age, sex. , It can be determined according to body type and weight. The composition may be further processed prior to being formulated into a pharmaceutically acceptable pharmaceutical formulation, preferably pulverized or ground into smaller particles. Also, the composition will depend on the condition and the patient being treated, but this can be determined non-ingeniously.

이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples, etc., but the scope and contents of the present invention are reduced or limited by the examples below and cannot be interpreted. In addition, if based on the disclosure content of the present invention including the following examples, it is clear that the present invention for which no specific experimental results are presented can be easily carried out by a person skilled in the art, and such modifications and modifications are attached to the patent. It is natural to fall within the scope of the claims.

또한 이하에서 제시되는 실험 결과는 상기 실시예 및 비교예의 대표적인 실험 결과만을 기재한 것이며, 아래에서 명시적으로 제시하지 않은 본 발명의 여러 구현예의 각각의 효과는 해당 부분에서 구체적으로 기재하도록 한다.In addition, the experimental results presented below are only representative of the experimental results of the above examples and comparative examples, and the effects of each of the various embodiments of the present invention that are not explicitly presented below will be described in detail in the corresponding section.

실험재료Experimental material

저분자 키토산 제조를 위하여 고분자 키토산 분말(Mw : 100-300 kDa, Acros organic, USA)과 빙초산(Sigma Aldrich Co., USA)을 사용하였다. 미생물 배양에 사용한 Luria-Bertani 배지(LB, yeast extract 0.5 %, NaCl 0.5 %, tryptone 1 %), potato dextrose(PD; potato dectrose 2.4 %), 효모 펩톤 배지(YPD, 효모 추출물 1 %, 펩톤 2 %, 덱스트로스 2 %)는 Difco 사(USA)에서 구입한 것을 사용하였다. 항균 활성 시험의 M㎻ller-Hinton 한천 플레이트(beef extract 0.2%, acid digest of casein 1.75%, starch 0.15%, agar 1.7%)는 Difco 사(USA)로부터 구입하였다. 항산화 활성 분석을 위해 1,1-Diphenyl-2-picryl-hydrazyl(DPPH; Santa Cruz Biotech, Inc., USA)과 무수 에탄올(99 %, absolute ethanol)은 Sigma Aldrich 사로부터 구입하였다. 본 발명에서 사용된 모든 화학 물질은 분석등급의 것을 구입하였고, 이온수를 사용하였다.Polymer chitosan powder (Mw: 100-300 kDa, Acros organic, USA) and glacial acetic acid (Sigma Aldrich Co., USA) were used to prepare low molecular weight chitosan. Luria-Bertani medium (LB, yeast extract 0.5%, NaCl 0.5%, tryptone 1%), potato dextrose (PD; potato dectrose 2.4%), yeast peptone medium (YPD, yeast extract 1%, peptone 2%) used for microbial culture , Dextrose 2%) was purchased from Difco (USA). M㎻ller-Hinton agar plates (beef extract 0.2%, acid digest of casein 1.75%, starch 0.15%, agar 1.7%) of the antimicrobial activity test were purchased from Difco (USA). For the analysis of antioxidant activity, 1,1-Diphenyl-2-picryl-hydrazyl (DPPH; Santa Cruz Biotech, Inc., USA) and absolute ethanol (99%, absolute ethanol) were purchased from Sigma Aldrich. All chemical substances used in the present invention were purchased with analytical grade, and ionized water was used.

<실험방법 1. 색상과 점도 측정><Test method 1. Measurement of color and viscosity>

색상의 경우, 각 제조단계별 명백한 색 변화를 육안으로 관찰하여 기록하였다. 용액의 점도는 실온에서 점도계(Vibro SV-100, A & D Co., Japan)를 사용하여 측정하였다.In the case of color, the apparent color change for each manufacturing step was observed and recorded with the naked eye. The viscosity of the solution was measured at room temperature using a viscometer (Vibro SV-100, A & D Co., Japan).

<실험방법 2. 수용해도(Water solubility) 분석><Test method 2. Water solubility analysis>

유체플라즈마로 처리되거나 처리되지 않은 키토산 용액을 5M NaOH 용액(Lee and Song, 2014)을 사용하여 pH 3-12로 조정하였다. 이때 용액의 탁도는 분광학(UV-S370, Molecular Device, Germany)에 의해 투과율 모드로 하여 600 ㎚에서 측정하였다.The chitosan solution treated with or without fluid plasma was adjusted to pH 3-12 using 5M NaOH solution (Lee and Song, 2014). At this time, the turbidity of the solution was measured at 600 nm in the transmittance mode by spectroscopy (UV-S370, Molecular Device, Germany).

<실험방법 3. 수율 측정><Experimental Method 3. Yield Measurement>

저분자 키토산의 수율은 분획분석을 통해 측정하였다. 구체적으로 유체플라즈마 처리되거나 처리되지 않은 키토산(10 ㎖)을 깨끗한 원심분리튜브에 넣고 pH를 5 M NaOH를 사용하여 pH 7.5로 조정하였다. 형성된 침전물은 침전물 Ⅰ(수불용성 키토산)로 표시하고, 4℃에서 20 분 동안 원심분리 (6,000 rpm)하여 수집하였다. 이후, 상층 액을 다른 튜브로 옮기고 동량의 아세톤을 첨가하여 혼합하였다. 형성된 침전물은 침전물 Ⅱ(수용성 키토산)로 표시하였다. 침전물 Ⅰ, Ⅱ을 컨벤션 오븐(convection oven)에서 60℃로 밤새 건조시켰다. 침전물 I 및 II의 수율(%)은 하기 식 1에 따라 계산하였다.The yield of low molecular chitosan was measured through fractionation analysis. Specifically, fluid plasma-treated or untreated chitosan (10 ml) was put into a clean centrifuge tube, and the pH was adjusted to pH 7.5 using 5 M NaOH. The formed precipitate was expressed as precipitate I (water-insoluble chitosan), and collected by centrifugation (6,000 rpm) at 4° C. for 20 minutes. Then, the supernatant was transferred to another tube, and the same amount of acetone was added and mixed. The formed precipitate was designated as precipitate II (water-soluble chitosan). The precipitates I and II were dried overnight at 60°C in a convention oven. The yield (%) of precipitates I and II was calculated according to Equation 1 below.

[식 1][Equation 1]

침전물 Ⅰ 또는 Ⅱ의 수율(%) = (A / B) × 100Yield of precipitate Ⅰ or Ⅱ (%) = (A / B) × 100

상기 식 1에서,In Equation 1 above,

A는 건조된 키토산 침전물 Ⅰ 또는 Ⅱ의 대표중량이고,A is the representative weight of the dried chitosan precipitate I or II,

B는 비처리된 키토산의 중량이다.B is the weight of untreated chitosan.

<실험방법 4. FTIR 분석><Experimental Method 4. FTIR Analysis>

유체플라즈마 처리 또는 미처리된 키토산 용액의 순도와 작용기를 FTIR(FTIR-Vertex 8V, Bruker, Germany)로 400 cm-1 내지 4,000 cm-1의 범위에서 분석하였다.The purity and functional groups of the fluid plasma-treated or untreated chitosan solution were analyzed in the range of 400 cm -1 to 4,000 cm -1 by FTIR (FTIR-Vertex 8V, Bruker, Germany).

<실험방법 5. 겔 투과 크로마토그래피(GPC)><Experimental method 5. Gel permeation chromatography (GPC)>

저분자 키토산의 분자량(Mw)은 겔 투과 크로마토그래피(GPC, Tosch Corp. Japan)에 의한 플라즈마 처리 후에 결정되었다. 키토산 용액을 0.45 ㎛ Millipore막을 사용하여 여과하였고, RI 검출기(Waters, USA)가 장착된 2X TSK gel GMPWx1 컬럼(Waters, USA)에 주입하였다(3 ㎎/㎖). 시료는 용리액으로 0.5M 아세트산과 아세트산나트륨(1 : 1)의 혼합물을 사용하여 40℃에서 유속 1.0 ㎖/분으로 분리되었다. 유체플라즈마 처리된 키토산의 분자량(Mw) 분석을 위해 다당류 혼합물(Mw : 180-708,000Da)을 표준으로 사용하여, EMPOWER 소프트웨어(Waters, USA)를 사용하여 검량선을 분석하고, 이를 통해 시료의 분자량을 확인하였다.The molecular weight (Mw) of the low molecular weight chitosan was determined after plasma treatment by gel permeation chromatography (GPC, Tosch Corp. Japan). The chitosan solution was filtered using a 0.45 μm Millipore membrane, and injected into a 2X TSK gel GMPWx1 column (Waters, USA) equipped with an RI detector (Waters, USA) (3 mg/ml). The sample was separated by using a mixture of 0.5M acetic acid and sodium acetate (1:1) as an eluent at a flow rate of 1.0 ml/min at 40°C. For the molecular weight (Mw) analysis of fluid plasma-treated chitosan, a polysaccharide mixture (Mw: 180-708,000Da) was used as a standard, and a calibration curve was analyzed using EMPOWER software (Waters, USA), and the molecular weight of the sample was determined. Confirmed.

<실험방법 6. DLS 및 제타 전위 분석><Experimental Method 6. DLS and Zeta Potential Analysis>

키토산 용액 2 ㎖에서 용액 중의 미립자의 크기를 확인하기 위해 입자 크기 분석기로 분석하고, DLS(DLS-Photal, Otsuka Elec., Japan)에서 다중 판독으로부터 미립자의 평균값을 측정하였다. 키토산 용액 2 ㎖의 제타전위는 키토산 용액의 안정성을 위해 일정한 점도(0.86 cps)와 전기장(16.22 V / cm)을 갖는 -200 mA 내지 +400 mA의 범위(Zeta Photal, Otsuka Elec., Japan)에서 분석하였다.In 2 ml of chitosan solution, it was analyzed with a particle size analyzer to confirm the size of the fine particles in the solution, and the average value of the fine particles was measured from multiple readings in DLS (DLS-Photal, Otsuka Elec., Japan). The zeta potential of 2 ml of chitosan solution is in the range of -200 mA to +400 mA (Zeta Photal, Otsuka Elec., Japan) with constant viscosity (0.86 cps) and electric field (16.22 V / cm) for stability of chitosan solution. Analyzed.

<실험방법 7. 저분자 키토산의 항균활성(MIC)><Test method 7. Antimicrobial activity of low molecular chitosan (MIC)>

E. coli, S. aureus(박테리아), C. albicans(효모) 세 가지 미생물 병원체를 사용하여 저분자 키토산(0-2400 ㎍/㎖)의 항균활성을 분석하였다. 병원균에 대한 MIC는 해당 업계에서 통상적으로 사용되는 방법과 같이 측정하였다. E. coli, S. aureus ( bacteria), C. albicans (yeast) The antimicrobial activity of low-molecular chitosan (0-2400 μg/ml) was analyzed using three microbial pathogens. MIC for pathogens was measured in the same manner as commonly used in the industry.

<실험방법 8. 팽윤비(Swelling ratio) 분석><Test Method 8. Swelling ratio analysis>

유체플라즈마로 처리된 후 건조된 일정량의 키토산을 dH2O 2 ㎖에 완전히 혼합하고, 실온에서 2 시간 동안 침지시켰다. 침지된 조각에서 과량의 물을 제거하기 위해 30 분 동안 경사지게 유지하였다. 평형팽윤(ES, equilibrium swelling) 비(ratio)는 하기 식 2에 따라 계산하였다.After treatment with fluid plasma, a certain amount of dried chitosan was thoroughly mixed with 2 ml of dH 2 O, and immersed at room temperature for 2 hours. It was held inclined for 30 minutes to remove excess water from the soaked pieces. Equilibrium swelling (ES, equilibrium swelling) ratio (ratio) was calculated according to Equation 2 below.

[식 2] [Equation 2]

Figure pat00001
Figure pat00001

식 2에서,In Equation 2,

Swollen gellweight은 팽창한 키토산의 질량이고,Swollen gell weight is the mass of expanded chitosan,

Dried gelweight는 건조된 키토산의 질량이다.Dried gel weight is the mass of dried chitosan.

<실험방법 9. DPPH 분석><Experimental Method 9. DPPH Analysis>

유체플라즈마로 처리된 키토산과 플라즈마 처리되지 않은 키토산을 각각 준비하고, 이의 산화방지활성을 DPPH 자유 라디칼 소거 분석을 통해 확인하였다. 자유 라디칼 소거 활성의 백분율은 하기 식 3을 통해 계산하였다.Chitosan treated with fluid plasma and chitosan not treated with plasma were prepared, respectively, and their antioxidant activity was confirmed through DPPH free radical scavenging analysis. The percentage of free radical scavenging activity was calculated through Equation 3 below.

[식 3][Equation 3]

DPPH 억제(%)=[(Abs대조군 - Abs시료)/(Abs대조군)] x 100DPPH inhibition (%)=[(Abs control -Abs sample )/(Abs control )] x 100

식 3에서,In equation 3,

Abs대조군은 유체플라즈마 처리하지 않은 키토산의 흡광도이고,Abs control is the absorbance of chitosan without fluid plasma treatment,

Abs시료는 유체플라즈마 처리하여 제조된 저분자 키토산의 흡광도이다.Abs sample is the absorbance of low-molecular chitosan prepared by fluid plasma treatment.

실시예Example

<실시예 1. 유체플라즈마를 이용한 저분자 키토산 제조><Example 1. Preparation of low molecular weight chitosan using fluid plasma>

고분자 키토산(0.5% w/v)을 1 N 아세트산(초산, glacial)에 용해시켜 키토산 용액을 제조하였다. 상기 키토산 용액 300 ㎖를 테플론 반응기에 넣었다. 상기 테플론 반응기는 2 개의 텅스텐 전극이 1 ㎜의 간격을 두고 juxta-position에 구비되어 있는 것을 사용하였다. 상기 반응기를 단극성 전원 공급 장치(EnerPulse 10HV, EN Technology, Korea)에 연결하고 상기 고분자 키토산 용액을 800 전압(voltage), 30 kHz의 주파수에서 0-120 분 동안 일정하게 교반하면서 플라즈마를 방전하였다. 상기 반응기에 냉각 시스템(Water chhiller, TRC 2000, Korea)를 연결하였다. 이는 공정 중에 용액의 증발을 최소화하기 위함이다. 최종적으로 상기 공정을 통해 저분자화된(depolymerized) 키토산 용액을 0.45 ㎛ 기공을 갖는 막(Millipore, USA)으로 여과하여 제조하였다.A chitosan solution was prepared by dissolving polymeric chitosan (0.5% w/v) in 1 N acetic acid (acetic acid, glacial). 300 ml of the chitosan solution was placed in a Teflon reactor. The Teflon reactor was used in which two tungsten electrodes were provided in a juxta-position with an interval of 1 mm. The reactor was connected to a unipolar power supply (EnerPulse 10HV, EN Technology, Korea), and the polymer chitosan solution was discharged with constant stirring for 0-120 minutes at a frequency of 800 voltage and 30 kHz. A cooling system (Water chhiller, TRC 2000, Korea) was connected to the reactor. This is to minimize evaporation of the solution during the process. Finally, a chitosan solution depolymerized through the above process was prepared by filtering through a membrane having 0.45 μm pores (Millipore, USA).

<실험예 1. 유체플라즈마를 이용한 키토산의 해중합><Experimental Example 1. Depolymerization of chitosan using fluid plasma>

고분자의 키토산은 물에 쉽게 녹지 않으며, 유체플라즈마의 조건(800V와 30kHz)은 고분자 키토산의 저분자화를 위해 가장 최적 조건임을 확인하여 선택되었다.The polymer chitosan is not easily soluble in water, and the fluid plasma conditions (800V and 30kHz) were selected by confirming that it is the most optimal condition for the low molecular weight of the polymer chitosan.

도 1은 유체플라즈마를 이용한 저분자 키토산의 제조과정에 대한 결과를 나타낸 것으로, 도 1a는 플라즈마 방전에 따라 키토산 용액의 색 변화(0-120 분)를 촬영한 사진이고, 도 1b는 플라즈마 처리 시간에 따른 키토산 용액의 점도(cps)를 측정하여 나타낸 그래프이다.FIG. 1 shows the results of the manufacturing process of low-molecular chitosan using fluid plasma, FIG. 1A is a photograph of a color change (0-120 minutes) of chitosan solution according to plasma discharge, and FIG. 1B is a plasma treatment time. It is a graph showing by measuring the viscosity (cps) of the chitosan solution.

도 1a에 나타난 바와 같이 실시예 1의 저분자 키토산의 제조과정에 따라 용액의 색상이 변화하는 것을 확인할 수 있었다. 특히 유체플라즈마 공정이 진행됨에 따라 명백하게 색상 변화가 야기됨을 확인하였다. 구체적으로 키토산 용액은 플라즈마 처리(0 분) 전에는 담황색이었고, 점차 시간이 지날수록 황색(15 분), 금색 갈색(60 분), 그리고 마지막 120 분일 때는 암갈색임을 확인하였다.As shown in FIG. 1A, it was confirmed that the color of the solution was changed according to the manufacturing process of the low molecular weight chitosan of Example 1. In particular, it was confirmed that a color change was evidently caused as the fluid plasma process proceeded. Specifically, it was confirmed that the chitosan solution was pale yellow before plasma treatment (0 minutes), and gradually became yellow (15 minutes), golden brown (60 minutes), and dark brown in the last 120 minutes.

유체플라즈마가 아닌 O2 및 N2의 가스 플라즈마를 고전압(300 및 400W)으로 키토산 용액에 처리하였을 때는 용액 상이 갈색에서 갈색으로 변화하였고, 최종적으로 갈색 색상의 용액을 얻을 수 있었다.When the gas plasma of O 2 and N 2 , not fluid plasma, was treated with the chitosan solution at high voltage (300 and 400 W), the solution phase changed from brown to brown, and finally, a brown colored solution was obtained.

도 1b에 나타난 바와 같이 유체플라즈마 방전을 일으킨 키토산 용액의 점도를 조사한 결과, 플라즈마로 처리하지 않은 키토산 용액(대조군)은 플라즈마로 처리하여 얻은 저분자 키토산보다 높은(4.80cps) 점도를 갖는 것으로 확인되었다. 15 분간의 플라즈마 방전처리된 키토산 용액의 점도는 2.1 cps로 급격히 감소하였다. 그 후 키토산 용액은 플라즈마 처리시간에 따라 30 분에 1.8 cps, 60 분에 1.5 cps, 90 분에 1.2 cps, 120 분에 0.9 cps로 급격히 감소하였음을 확인하였다. As a result of examining the viscosity of the chitosan solution that caused the fluid plasma discharge as shown in FIG. 1B, it was confirmed that the chitosan solution (control group) not treated with plasma had a viscosity higher (4.80 cps) than the low-molecular chitosan obtained by treatment with plasma. The viscosity of the chitosan solution subjected to plasma discharge for 15 minutes decreased rapidly to 2.1 cps. Thereafter, it was confirmed that the chitosan solution rapidly decreased to 1.8 cps at 30 minutes, 1.5 cps at 60 minutes, 1.2 cps at 90 minutes, and 0.9 cps at 120 minutes according to the plasma treatment time.

단극성 전력을 사용하는 유체플라즈마를 통해 30분, 120분 동안 저분자화할 경우, 대조군(비처리 키토산)이 비해, 각각 2.7 배(62.5 %) 및 5.3 배(81.2 %) 점도가 감소하였음을 확인하였다.It was confirmed that the viscosity decreased by 2.7 times (62.5%) and 5.3 times (81.2%), respectively, compared to the control (untreated chitosan), when the molecular weight was reduced for 30 minutes and 120 minutes through a fluid plasma using unipolar power. .

<실험예 2. 유체플라즈마를 이용한 저분자 키토산의 수용해도 분석><Experimental Example 2. Analysis of water solubility of low-molecular chitosan using fluid plasma>

실시예 1로부터 제조된 저분자 키토산의 수용해도를 조사하고자 하였다. 뿐만 아니라 유체플라즈마 처리되는 전 과정에서의 키토산의 수용해도 변화를 전반적으로 분석하고자 하였다.To investigate the water solubility of the low-molecular chitosan prepared from Example 1. In addition, the overall analysis of the change in water solubility of chitosan during the entire process of fluid plasma treatment was attempted.

도 2는 실시예 1의 유체플라즈마(SPP)에 의해 제조된 저분자화된 키토산의 pH에 따른 수용해도를 측정하여 나타낸 그래프이다. 이때 유체플라즈마 처리시간에 따라 ▲(0 분), ■(15 분), ●(30 분), △(60 분), □(90 분), ○(120 분)으로 표기하였다. FIG. 2 is a graph showing the measurement of water solubility according to pH of low-molecularized chitosan prepared by fluid plasma (SPP) of Example 1. FIG. At this time, according to the fluid plasma treatment time, it was marked as ▲(0 minutes), ■(15 minutes), ●(30 minutes), △(60 minutes), □(90 minutes), and ○(120 minutes).

도 2에 나타난 바와 같이 고분자 키토산의 수용해도는 산성 pH(<6)에서만 용해가 가능하였으나, 실시예 1의 저분자 키토산은 알칼리성 pH(> 7)에서도 우수한 용해도를 나타냄을 확인하였다.As shown in FIG. 2, the aqueous solubility of the polymeric chitosan was soluble only at an acidic pH (<6), but it was confirmed that the low molecular weight chitosan of Example 1 exhibited excellent solubility even at an alkaline pH (>7).

구체적으로 15 또는 30 분동안 유체플라즈마 처리하여 제조된 저분자 키토산은 pH 3.0에서 pH 7.5에서 용해되었다. 60 분동안 유체플라즈마 처리하여 제조된 저분자 키토산은 용해도가 알칼리 pH 범위(7-9)까지 유지되는 것을 확인하였다. 반면, 90 및 120 분 동안 유체플라즈마 처리하여 제조된 저분자 키토산은 넓은 pH 범위에서 각각 70 % 및 82 % 이상의 용해도를 나타내는 것을 알 수 있었다. 따라서, 유체플라즈마의 처리시간이 증가함에 따라 저분자 키토산의 용해도가 증가하며, 이는 저분자 키토산의 사슬 길이와 분자간 상호작용의 감소와 연관이 있음을 알 수 있다.Specifically, the low-molecular chitosan prepared by fluid plasma treatment for 15 or 30 minutes was dissolved at pH 3.0 at pH 7.5. It was confirmed that the solubility of the low-molecular chitosan prepared by fluid plasma treatment for 60 minutes was maintained up to the alkali pH range (7-9). On the other hand, it was found that the low-molecular chitosan prepared by fluid plasma treatment for 90 and 120 minutes showed solubility of 70% and 82% or more, respectively, in a wide pH range. Therefore, as the treatment time of the fluid plasma increases, the solubility of the low-molecular chitosan increases, which is associated with a decrease in the chain length and intermolecular interactions of the low-molecular chitosan.

<실험예 3. 유체플라즈마를 이용한 저분자 키토산의 수율 분석><Experimental Example 3. Yield Analysis of Low Molecular Chitosan Using Fluid Plasma>

분획분석을 통해서 실시예 1의 저분자 키토산 중에 수용성(WS) 키토산과 불용성(WI) 키토산의 수율을 정량적으로 분석하고자 하였다.Through fractionation analysis, the yield of water-soluble (WS) chitosan and insoluble (WI) chitosan in the low-molecular chitosan of Example 1 was to be quantitatively analyzed.

도 3a는 실시예 1으로부터 제조된 저분자 키토산의 수율에 관한 것으로, 상기 저분자 키토산 중에서 수용성(WS) 키토산의 비율은 유체플라즈마 처리시간이 길어질수록(0-120 분) 증가하였고, 불용성(WI) 키토산은 감소하였다.Figure 3a relates to the yield of the low-molecular chitosan prepared in Example 1, the ratio of the water-soluble (WS) chitosan in the low-molecular chitosan increased as the fluid plasma treatment time increased (0-120 minutes), insoluble (WI) chitosan Decreased.

도 3a에 나타난 바와 같이 유체플라즈마 처리시간이 증가할수록 불용성(WI) 키토산의 수율은 감소하였고, 수용성(WS) 키토산의 수율은 증가하고 있음을 확인하였다.As shown in FIG. 3A, as the fluid plasma treatment time increased, the yield of insoluble (WI) chitosan decreased, and the yield of water-soluble (WS) chitosan increased.

유체플라즈마를 처리하기 전의 고분자 키토산은 불용성 키토산이 98%, 수용성 키토산이 2% 함유되어 있었으나, 이를 실시예 1에 따라 저분화한 결과, 수용성 키토산의 수율이 87.5%로 증가하였다(60~120 분). 이 결과를 통해 유체플라즈마는 키토산의 저분자화를 효과적으로 유발하고, 수용성 키토산 함량을 유의미하게 증가시킴을 알 수 있었으며, 게다가 이러한 수율의 변화는 반복적이고 재현성있게 유지됨을 확인하였다. 따라서 본 발명의 저분자 제조방법은 수용성 키토산을 얻기 위한 수율이 일정하므로, 이를 활용하여 공정 설계가 용이하다는 장점이 있다. 그러나 저분자 키토산을 위한 종래 기술들의 경우 용액에 잔류하는 불용성 키토산으로 인하여 수용성 키토산의 수율이 일정하지 않았다.Polymeric chitosan before fluid plasma treatment contained 98% of insoluble chitosan and 2% of water-soluble chitosan, but as a result of low-differentiation according to Example 1, the yield of water-soluble chitosan increased to 87.5% (60-120 min. ). From this result, it was found that fluid plasma effectively induces the low molecular weight of chitosan and significantly increases the water-soluble chitosan content. Moreover, it was confirmed that this change in yield was maintained repetitively and reproducibly. Therefore, the low molecular weight manufacturing method of the present invention has an advantage in that the yield for obtaining water-soluble chitosan is constant, and thus process design is easy using this. However, in the case of conventional techniques for low molecular weight chitosan, the yield of water-soluble chitosan was not constant due to the insoluble chitosan remaining in the solution.

<실험예 4. 유체플라즈마를 이용한 저분자 키토산의 화학적 변화 분석><Experimental Example 4. Analysis of Chemical Changes of Low Molecular Chitosan Using Fluid Plasma>

다양한 처리시간(0-120 분)으로 유체플라즈마 처리하여 제조된 실시예 1의 저분자 키토산에 대하여 화학적 변화를 확인하고자, IR 스펙트럼을 측정하였다.In order to confirm the chemical change of the low-molecular chitosan of Example 1 prepared by fluid plasma treatment with various treatment times (0-120 minutes), the IR spectrum was measured.

도 3b는 유체플라즈마 처리시간에 따른 실시예 1의 저분자 키토산의 FTIR 스펙트럼이고, 유체플라즈마 처리시간에 따른 피크(3319, 2668, 1478, 1152 cm-1)를 나타낸 결과, 유체플라즈마 처리시간에 따라 영향이 미미한 것으로 확인되었다.3B is an FTIR spectrum of the low-molecular chitosan of Example 1 according to the fluid plasma treatment time, and the peaks (3319, 2668, 1478, 1152 cm -1 ) according to the fluid plasma treatment time are shown, the effect of the fluid plasma treatment time This was confirmed to be insignificant.

도 3b에 나타난 바와 같이 2668, 1478 및 1152 cm-1 피크는 키토산의 순도와 화학적 성질을 나타내는 글루코사민과 키토산의 N-아세틸 글루코사민 사이의 NH2 벤딩 및 -C-O-C- 글리코시드 결합을 나타낸다. 유체플라즈마로 제조된 실시예 1의 저분자 키토산은 처리시간에 따라 서로 유의한 차이가 없었다. 즉, 유체플라즈마 처리에 의해 키토산의 분자구조는 지속적으로 감소하는데 반해, 화학구조는 전혀 변하지 않음을 의미한다.As shown in FIG. 3B, 2668, 1478 and 1152 cm -1 peaks represent NH 2 bending and -COC-glycosidic bonds between glucosamine and N-acetyl glucosamine of chitosan, indicating the purity and chemical properties of chitosan. The low-molecular chitosan of Example 1 prepared with fluid plasma did not differ significantly from each other according to treatment time. In other words, it means that the molecular structure of chitosan is continuously decreased by the fluid plasma treatment, whereas the chemical structure is not changed at all.

또한 3319 cm-1 피크는 키토산에서의 NH2와 OH 그룹 스트레칭 진동 및 1578 cm-1에서의 -NH2 밴드의 세기가 결합된 피크에 해당하고, 이들은 키토산의 순도의 명확하게 의미하는 것이라 할 수 있다. 그 결과 1578 cm-1 굽힘 진동에서 더 급한 피크가 관찰되었고, 이는 높은 탈아세틸화된 키토산을 의미한다. 1030 cm-1 및 1070 cm-1에서의 넓은 피크는 키토산에서 C-O 신축 진동을 나타내는 것으로, 앞선 내용과 동일하게 키토산의 화학구조는 유체플라즈마를 통해 저분자화되는 동안 전혀 변하지 않았음을 의미한다.In addition, the 3319 cm -1 peak corresponds to a peak in which the NH 2 and OH group stretching vibrations in chitosan and the intensity of the -NH 2 band in 1578 cm -1 are combined, and these clearly indicate the purity of chitosan. have. As a result, a sharper peak was observed at 1578 cm -1 bending vibration, indicating high deacetylated chitosan. The broad peaks at 1030 cm -1 and 1070 cm -1 indicate CO expansion and contraction vibrations in chitosan. As in the previous description, the chemical structure of chitosan did not change at all during the low-molecularization through fluid plasma.

<실험예 5. 유체플라즈마를 이용한 저분자 키토산의 분자량><Experimental Example 5. Molecular Weight of Low Molecular Chitosan Using Fluid Plasma>

실시예 1로부터 제조된 저분자 키토산의 분자량(Mw)을 GPC 분석을 통해 확인하였다.The molecular weight (Mw) of the low-molecular chitosan prepared from Example 1 was confirmed through GPC analysis.

도 4는 실시예 1로부터 제조된 저분자 키토산의 분자량을 유체플라즈마 처리시간에 따라 측정하여 나타낸 그래프이다. 유체플라즈마를 30 분 동안 처리하여 제조된 저분자 키토산은 7.8 × 103 Da 분자량을 갖는 것으로 측정되었고, 유체플라즈마 처리하지 않은 키토산은 3.0 × 105 Da이었으며, 유체플라즈마를 60 분 동안 처리하여 제조된 저분자 키토산은 5.8 × 103 Da, 유체플라즈마를 90 분 동안 처리하여 제조된 저분자 키토산은 4.6 × 103 Da 분자량임을 확인하였다.4 is a graph showing the molecular weight of the low-molecular chitosan prepared in Example 1, measured according to fluid plasma treatment time. The low molecular weight chitosan prepared by treating the fluid plasma for 30 minutes was measured to have a molecular weight of 7.8 × 10 3 Da, the chitosan without the fluid plasma treatment was 3.0 × 10 5 Da, and the low molecular weight prepared by treating the fluid plasma for 60 minutes. It was confirmed that chitosan was 5.8 × 10 3 Da and low molecular chitosan prepared by treating fluid plasma for 90 minutes had a molecular weight of 4.6 × 10 3 Da.

도 4에 나타난 바와 같이 3.0 × 105 Da의 분자량을 갖던 고분자 키토산은 유체플라즈마를 30, 60, 90 분 동안 처리하여 저분자 키토산으로 제조되고, 상기 저분자 키토산은 각각 7,852 Da, 5,865 Da 및 4,681 Da의 분자량을 갖는 것으로 확인되었다. 상술한 방법을 이용하면 30분부터 7,852 Da의 저분자 키토산을 얻을 수 있었고, 이는 종래 저분자 키토산의 제조방법들에 비해 가장 짧은 기간이라 할 수 있다. 또한 상술한 방법을 통해 제조된 저분자 키토산은 종래 방법으로 제조된 저분자 키토산에 비해 현저히 우수한 생리활성을 나타냄을 확인하였다.As shown in FIG. 4, a high molecular weight chitosan having a molecular weight of 3.0 × 10 5 Da was prepared as low molecular chitosan by treating a fluid plasma for 30, 60, and 90 minutes, and the low molecular chitosan was of 7,852 Da, 5,865 Da, and 4,681 Da, respectively. It was found to have a molecular weight. By using the above-described method, it was possible to obtain a low molecular weight chitosan of 7,852 Da from 30 minutes, which can be said to be the shortest period compared to conventional methods of producing low molecular chitosan. In addition, it was confirmed that the low-molecular chitosan prepared through the above-described method exhibits remarkably superior physiological activity compared to the low-molecular chitosan prepared by the conventional method.

상술한 바와 같이, 키토산의 분자량이 감소하는 것은 탈아세틸화도 (DD; %)의 증가를 유도한다. 예를 들어, 7.4 × 104 Da의 분자량을 갖는 키토산은 95.4% 탈아세틸화도(DD)를 가지고, 3.6 × 104 Da의 분자량을 갖는 키토산은 98% 탈아세틸화도(DD)를 갖는다. 높은 탈아세틸화도(DD)는 키토산을 기반으로 하는 생체적합물질의 중요한 특징으로 여겨진다.As described above, decreasing the molecular weight of chitosan leads to an increase in the degree of deacetylation (DD; %). For example, a chitosan having a molecular weight of 7.4 × 10 4 Da has a degree of deacetylation (DD) of 95.4%, and a chitosan having a molecular weight of 3.6 × 10 4 Da has a degree of deacetylation (DD) of 98%. The high degree of deacetylation (DD) is considered an important characteristic of chitosan-based biomaterials.

<실험예 6. 유체플라즈마를 이용한 저분자 키토산의 DLS 및 제타 전위 분석><Experimental Example 6. Analysis of DLS and Zeta Potential of Low Molecular Chitosan Using Fluid Plasma>

도 5는 다양한 처리시간으로 유체플라즈마를 이용해 제조된 실시예 1의 저분자 키토산에 대한 DLS 및 제타 전위를 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing DLS and zeta potential for the low molecular weight chitosan of Example 1 prepared using fluid plasma with various treatment times.

도 5에 나타난 바와 같이, 유체플라즈마를 통해 제조된 저분자 키토산은 나노집합체(nano-aggregate)를 형성하였고, 유체플라즈마 처리시간(0-120 분)이 증가함에 따라 키토산 나노물질의 크기가 점차 감소함을 확인하였다.As shown in FIG. 5, the low molecular weight chitosan prepared through fluid plasma formed nano-aggregate, and the size of chitosan nanomaterial gradually decreased as the fluid plasma treatment time (0-120 min) increased. Was confirmed.

키토산 나노입자는 이온성 겔화 방법을 통해 폴리음이온성 환원제 (tripolyphosphate)를 사용하여 합성할 수 있으나, 도 5에서와 같이 본 발명의 제조방법에 따라 저분자 키토산을 제조할 경우 키토산(polycationic)에 어떠한 환원제(polyanionic)도 사용하지 않고 나노 크기의 저분자 키토산을 생성할 수 있음을 알 수 있다. Chitosan nanoparticles can be synthesized using a polyanionic reducing agent (tripolyphosphate) through an ionic gelation method, but when preparing low-molecular chitosan according to the manufacturing method of the present invention as shown in FIG. 5, any reducing agent in chitosan (polycationic) It can be seen that nano-sized low-molecular chitosan can be produced without also using (polyanionic).

형성된 저분자 키토산 입자의 평균 크기는 273.8 ± 42.9 ㎚(30 분)에서 142.3 ± 25.8 ㎚(60 분), 127.6 ± 26.2 ㎚(90 분), 53.8 ± 4.3 ㎚(120 분)인 것으로 확인되었다. 나노 크기를 갖는 실시예 1의 저분자 키토산은 낮은 제타 전위(-35.16 ~ -7.49 mV)를 가지며, 이로 인해 입자간의 정전기적 반발력이 형성되어 용액에서 입자의 안정성을 갖도록 한다.The average size of the formed low-molecular chitosan particles was found to be from 273.8 ± 42.9 ㎚ (30 minutes) to 142.3 ± 25.8 ㎚ (60 minutes), 127.6 ± 26.2 ㎚ (90 minutes), and 53.8 ± 4.3 ㎚ (120 minutes). The nano-sized low-molecular chitosan of Example 1 has a low zeta potential (-35.16 to -7.49 mV), thereby forming an electrostatic repulsive force between the particles, thereby ensuring the stability of the particles in the solution.

상기 실시예 1의 저분자 키토산의 안정성을 보다 더 확보하기 위해서는 화학적 안정제를 사용할 수도 있으나, proteoheparan sulfate 및 세포 외 고분자 물질과 같은 음이온 생체 고분자와 혼합하는 것이 더 바람직하다.In order to further secure the stability of the low-molecular chitosan of Example 1, a chemical stabilizer may be used, but it is more preferable to mix it with anionic biopolymers such as proteoheparan sulfate and extracellular polymers.

상술한 결과를 통해 본 발명의 제조방법(유체플라즈마)은 나노크기의 저분자 키토산 또는 저분자 키토산 나노입자를 직접 생성할 수 있다는 것에 큰 강점을 지니고 있음을 확인할 수 있다. 이렇게 제조된 상기 나노 크기의 저분자 키토산은 생체적합물질로, 다양한 생리활성을 나타내므로 다양한 용도로 활용이 가능하다From the above results, it can be seen that the manufacturing method (fluid plasma) of the present invention has a great advantage in being able to directly generate nano-sized low molecular chitosan or low molecular chitosan nanoparticles. The nano-sized low-molecular chitosan prepared in this way is a biocompatible material and can be used for various purposes because it exhibits various physiological activities.

<실험예 7. 유체플라즈마를 이용한 저분자 키토산의 항균활성><Experimental Example 7. Antimicrobial Activity of Low Molecular Chitosan Using Fluid Plasma>

유체플라즈마를 이용한 실시예 1의 저분자 키토산에 대한 항균활성을 측정하고자, 대표적인 그람음성균 및 그람양성균 등 세균 2종과 병원성 효모에 대한 MIC를 분석하였다.In order to measure the antimicrobial activity of the low-molecular chitosan of Example 1 using fluid plasma, the MIC was analyzed for two types of bacteria and pathogenic yeast, such as representative Gram-negative bacteria and Gram-positive bacteria.

도 6은 유체플라즈마를 이용한 실시예 1의 저분자 키토산에 대한 항균 활성을 나타낸 그래프와 표이다.6 is a graph and table showing the antimicrobial activity against the low molecular weight chitosan of Example 1 using fluid plasma.

도 6에 나타난 바와 같이 유체플라즈마로 15-120분 동안 처리하여 제조된 저분자 키토산(실시예 1)의 MIC를 측정한 바, 대표적인 그람 음성 박테리아인 E. coli에서 80 ㎍/㎖인 것으로 확인되었다.As shown in FIG. 6, the MIC of the low-molecular chitosan (Example 1) prepared by treatment with fluid plasma for 15-120 minutes was measured, and it was found to be 80 μg/ml in E. coli , a representative gram-negative bacterium.

S. aureus에 대하여, 15~60 분 동안 유체플라즈마 처리하여 제조된 저분자 키토산의 MIC는 160 ㎍/㎖이고, 90~120 분 동안 유체플라즈마 처리하여 제조된 저분자 키토산의 MIC는 80 ㎍/㎖인 것으로 확인되었다. For S. aureus , the MIC of low-molecular chitosan prepared by fluid plasma treatment for 15 to 60 minutes was 160 µg/ml, and the MIC of low-molecular chitosan prepared by fluid plasma treatment for 90 to 120 minutes was 80 µg/ml. Confirmed.

그람 양성균은 두꺼운 세포벽으로 인해 그람 음성균보다 항균제에 대해 내성이 높다. 그럼에도 본 발명의 제조방법을 통해 제조된 저분자 키토산은 그람 음성균뿐만 아니라 그람 양성균에 대해서도 현저히 우수한 항균활성을 가지고 있음을 알 수 있다.Gram-positive bacteria are more resistant to antimicrobial agents than Gram-negative bacteria due to their thick cell walls. Nevertheless, it can be seen that the low-molecular chitosan prepared through the production method of the present invention has remarkably excellent antibacterial activity against not only Gram-negative bacteria but also Gram-positive bacteria.

본 발명의 제조방법으로 제조된 저분자 키토산은 나노응집체를 형성하고, 이는 다가양이온 특성을 갖는다. 따라서 본 발명의 제조방법으로 제조된 저분자 키토산은 짧은 시간(30 분)에 박테리아 세포의 음전하 표면과 상호작용하고 결국 세포막을 파괴하여 사멸시키게 되는 것이다. 또한, 저분자 키토산의 아미노기는 세포표면 스태킹(stacking)하고 DNA와 결합함으로써, mRNA 합성을 억제하여 박테리아 대사를 방해하여 항균활성을 발휘하게 된다.The low-molecular chitosan prepared by the method of the present invention forms nanoaggregates, which have polycation characteristics. Therefore, the low-molecular chitosan prepared by the production method of the present invention interacts with the negatively charged surface of the bacterial cell in a short time (30 minutes) and eventually destroys the cell membrane and kills it. In addition, the amino groups of the low-molecular chitosan are stacked on the cell surface and bound to DNA, thereby inhibiting mRNA synthesis and interfering with bacterial metabolism, thereby exerting antibacterial activity.

종래 미생물 공정이나 화학적 방법 등으로 제조된 저분자 키토산은, 합성 방법에 따라 항균활성이 가변적으로 변화하는 것을 확인하였다. 특히 대다수의 경우 항균활성이 관찰되지 않았으며, 항균활성이 존재하더라도 현저히 낮은 수준이었다. 키토올리고사카라이드(Chitooligosaccharides)는 저분자 키토산보다 훨씬 약한 항균 활성을 나타내는 것으로 알려져 있다.It was confirmed that the antimicrobial activity of the low-molecular chitosan prepared by conventional microbial processes or chemical methods, etc., varies variably according to the synthesis method. In particular, in most cases, no antimicrobial activity was observed, and even if the antimicrobial activity was present, the level was remarkably low. Chitooligosaccharides are known to exhibit much weaker antibacterial activity than low molecular weight chitosan.

C. albicans에 대하여, 15~30분 동안 유체플라즈마 처리하여 제조된 저분자 키토산은 MIC는 1,200 ㎍/㎖으로 측정되었다. 60~120분 동안 유체플라즈마 처리하여 제조된 저분자 키토산은 MIC는 300 ㎍/㎖, 150 ㎍/㎖으로 측정되었다. For C. albicans , the MIC of chitosan prepared by fluid plasma treatment for 15 to 30 minutes was measured to be 1,200 μg/ml. The MIC of the low-molecular chitosan prepared by fluid plasma treatment for 60 to 120 minutes was measured as 300 µg/ml and 150 µg/ml.

이는 고분자 키토산의 항진균활성보다 높은 것이고, 종래 보고된 저분자 키토산의 항진균활성(MIC:4.8 ㎎/㎖)보다 2 내지 4 배 더 높은 것임을 알 수 있다. 즉 본 발명에 따라 제조된 저분자 키토산은 가장 효과적인 항균제라 할 수 있다.This is higher than the antifungal activity of high molecular weight chitosan, and it can be seen that it is 2 to 4 times higher than the previously reported antifungal activity of low molecular weight chitosan (MIC: 4.8 mg/ml). That is, the low molecular weight chitosan prepared according to the present invention can be said to be the most effective antibacterial agent.

한편 본 발명과 같이 유체플라즈마를 통해 제조된 저분자 키토산은 박테리아와 곰팡이에 유해한 효과를 나타낸 바, 낮은 농도로 박테리아 병원체를 사멸시키고 생장을 억제하는데 매우 효과적으로 사용할 수 있음을 알 수 있다.Meanwhile, the low-molecular chitosan prepared through fluid plasma as in the present invention has a harmful effect on bacteria and fungi, and it can be seen that it can be used very effectively to kill bacterial pathogens and inhibit growth at a low concentration.

<실험예 8. 유체플라즈마를 이용한 저분자 키토산의 팽윤비(swelling ratio)><Experimental Example 8. Swelling ratio of low-molecular chitosan using fluid plasma>

유체플라즈마의 처리시간에 따라 제조된 저분자 키토산(실시예 1)의 평형팽윤(ES, equilibrium swelling) 비(ratio)를 비교하고자 하였다. ES 비율은 실시예 1의 수용성(WS) 키토산을 기준으로 계산하였다.It was intended to compare the equilibrium swelling (ES) ratio of the low-molecular chitosan (Example 1) prepared according to the treatment time of the fluid plasma. ES ratio was calculated based on the water-soluble (WS) chitosan of Example 1.

도 7a는 유체플라즈마를 이용한 실시예 1의 저분자 키토산에 대하여 평형팽윤 비(ES ratio)를 분석하여 나타낸 그래프이다.7A is a graph showing an analysis of the equilibrium swelling ratio (ES ratio) for the low molecular weight chitosan of Example 1 using fluid plasma.

도 7a에 나타난 바와 같이 평형팽윤 비는 키토산의 농도와 시간에 의존적인데, 15분 동안 유체플라즈마를 통해 제조된 저분자 키토산은 2 ㎎/㎎의 물을 보유할 수 있는 것으로 확인되었고, 이는 가장 높은 ES 비임을 확인하였다. 30분, 60분 동안 유체플라즈마로 처리하여 제조된 저분자 키토산은 각각 0.9 ㎎/㎎, 0.1 ㎎/㎎을 갖는 것으로 확인되었다. 90분, 120분 동안 유체플라즈마를 처리하여 제조된 저분자 키토산은 높은 수용해도로 인해 물에 완전히 용해되었다. 상술한 평형팽윤 비는 지속가능한 치료용 생체재료로 활용될 수 있음을 나타내는 지표이다. 따라서 본 발명의 유체플라즈마를 통해 제조된 저분자 키토산 역시 우수한 지속성을 지니고 있으므로, 다양한 치료를 위한 생체소재로 활용될 수 있음을 알 수 있다.As shown in Fig. 7a, the equilibrium swelling ratio is dependent on the concentration and time of chitosan. It was confirmed that the low-molecular chitosan prepared through fluid plasma for 15 minutes can hold 2 mg/mg of water, which is the highest ES. The beam was confirmed. The low molecular weight chitosan prepared by treatment with fluid plasma for 30 minutes and 60 minutes was confirmed to have 0.9 mg/mg and 0.1 mg/mg, respectively. The low molecular weight chitosan prepared by treating fluid plasma for 90 minutes and 120 minutes was completely dissolved in water due to its high water solubility. The above-described equilibrium swelling ratio is an index indicating that it can be used as a biomaterial for sustainable treatment. Therefore, it can be seen that the low-molecular chitosan produced through the fluid plasma of the present invention also has excellent persistence, and thus can be used as a biomaterial for various treatments.

<실험예 9. 유체플라즈마를 이용한 저분자 키토산의 항산화활성><Experimental Example 9. Antioxidant Activity of Low Molecular Chitosan Using Fluid Plasma>

유체플라즈마를 이용한 실시예 1의 저분자 키토산의 항산화 활성을 분석하기 위하여 DPPH 분석을 통해 확인하였다.In order to analyze the antioxidant activity of the low-molecular chitosan of Example 1 using fluid plasma, it was confirmed through DPPH analysis.

도 7b는 유체플라즈마를 이용한 실시예 1의 저분자 키토산에 대하여 DPPH 소거활성을 분석하여 나타낸 그래프이다.7B is a graph showing DPPH scavenging activity for the low-molecular chitosan of Example 1 using fluid plasma.

도 7b에 나타난 바와 같이 유체플라즈마로 처리되지 않은 고분자 키토산의 경우 51%에 그쳤으나, 유체플라즈마로 처리되어 제조된 저분자 키토산의 경우 58~75%의 DPPH 자유 라디칼 소거 활성을 나타냈다. 유체플라즈마로 제조된 저분자 키토산(실시예 1)의 DPPH 소거 활성은 종래 의약화합물(30~300 분 소요됨)보다 상대적으로 더 빠른 것으로 확인되었다(5 분). 이는 본 발명의 저분자 키토산이 제조될 때, 유체플라즈마가 처리되는 데, 이로 인해 당이 방출되기 때문으로 여겨진다.As shown in FIG. 7B, the polymer chitosan not treated with fluid plasma was only 51%, but the low molecular chitosan prepared by fluid plasma treatment showed a DPPH free radical scavenging activity of 58 to 75%. It was confirmed that the DPPH scavenging activity of the low-molecular chitosan prepared with fluid plasma (Example 1) was relatively faster than that of the conventional pharmaceutical compound (takes 30 to 300 minutes) (5 minutes). It is believed that this is because when the low molecular weight chitosan of the present invention is produced, fluid plasma is processed, thereby releasing sugar.

본 발명의 양성 대조군으로 아스코르빈산을 사용하였고, 본 발명의 저분자 키토산이 현저히 빠르고, 더 높은 항산화활성을 나타내는 것으로 확인되었다.Ascorbic acid was used as a positive control of the present invention, and it was confirmed that the low-molecular chitosan of the present invention was significantly faster and exhibited higher antioxidant activity.

<실험예 10. 공지기술과 본 발명의 특성 비교><Experimental Example 10. Comparison of the characteristics of known techniques and the present invention>

종래 공지된 저분자 키토산 제조기술과 본 발명의 저분자 키토산 제조기술을 비교하기 위하여, 각각의 특징을 요약 정리하여 다음 표 1에 나타내었다.In order to compare the conventionally known low-molecular chitosan production technology and the low-molecular chitosan production technology of the present invention, each characteristic is summarized and shown in Table 1 below.

구분division 방법Way 공정
시간
fair
time
전후 키토산 분자량(Da)Molecular weight of chitosan before and after (Da) 생리활성Physiological activity
공지기술 1Announcement Technology 1 Chemical:H2O2(30% H2O2, pH 3.9-4.0)Chemical: H 2 O 2 (30% H 2 O 2 , pH 3.9-4.0) 360 분360 minutes 2.0 × 105 to
9.0 × 103
2.0 × 10 5 to
9.0 × 10 3
NDa ND a
공지기술 2Announcement Technology 2 Chemical:HCl(0.05 M, 65 ℃, pH 3.5)Chemical:HCl (0.05 M, 65 ℃, pH 3.5) 1800 분1800 minutes 2.0 × 105 to
7.3 × 103
2.0 × 10 5 to
7.3 × 10 3
NDa ND a
공지기술 3Announcement Technology 3 Biological;pectinase(A. niger, 100 ℃, 10 min, pH 12)Biological; pectinase(A. niger, 100 ℃, 10 min, pH 12) 360 분360 minutes 9.0 × 104 to
2.0 × 104
9.0 × 10 4 to
2.0 × 10 4
NDa ND a
공지기술 4Announcement Technology 4 Biological;cellulase(1%, 50 ℃)Biological;cellulase(1%, 50 ℃) 1440 분1440 minutes 5.1 × 105 to
1.1 × 103
5.1 × 10 5 to
1.1 × 10 3
NDa ND a
공지기술 5Announcement Technology 5 Physical;sonication(550 W, 40 kHz; 100% duty cycle)Physical;sonication(550 W, 40 kHz; 100% duty cycle) 30 분30 minutes 6.6 × 105 to
6.5 × 104
6.6 × 10 5 to
6.5 × 10 4
NDa ND a
공지기술 6Announcement Technology 6 Physical;Microwave(600W, 70 ℃)Physical;Microwave(600W, 70 ℃) 40 분40 minutes 6.5 × 105 to
4.1 × 104
6.5 × 10 5 to
4.1 × 10 4
항진균활성
MIC:100-400 μg.mL-1
Antifungal activity
MIC:100-400 μg.mL -1
공지기술 7Announcement Technology 7 Physical;Plasma(Ozonation: 400W, N2, O2 gases)Physical;Plasma(Ozonation: 400W, N 2, O 2 gases) 400 분400 minutes 5.9 × 104 to
3.3 × 104
5.9 × 10 4 to
3.3 × 10 4
NDa ND a
본 발명The present invention Physical;Solution plasma process(800 V, 30 kHz under ambient conditions)Physical;Solution plasma process(800 V, 30 kHz under ambient conditions) 30 분30 minutes 3.0 x 105 to
7.8 x 103
3.0 x 10 5 to
7.8 x 10 3
항균활성(MIC):80-150㎍.㎖-1
항산화활성(DPPH):58-75%
팽윤비:0.2-2mg.mg-1
Antibacterial activity (MIC): 80-150㎍.㎖ -1
Antioxidant activity (DPPH): 58-75%
Swelling ratio: 0.2-2mg.mg -1
60 분60 minutes 3.0 x 105 to
5.8 x 103
3.0 x 10 5 to
5.8 x 10 3
90 분90 minutes 3.0 x 105 to
4.6 x 103
3.0 x 10 5 to
4.6 x 10 3

a: ND, not determineda: ND, not determined

공지기술 1 : Chang, K.L.,Tai, M.C & Chang, F.H. (2001). Kinetics and products of the degradation of chitosan by hydrogen peroxide. J.Agri.Food. Chem., 49, 4845-4851.Known Technology 1: Chang, K.L., Tai, M.C & Chang, F.H. (2001). Kinetics and products of the degradation of chitosan by hydrogen peroxide. J.Agri.Food. Chem., 49, 4845-4851.

공지기술 2 : Kasaai, MR., Arul, J & Charlet G. (2013), Fragmentation of Chitosan by Acids. The Sci. World J., Article ID 508540, 11 pages. http://dx.doi.org/10.1155/2013/508540.Known Technology 2: Kasaai, MR., Arul, J & Charlet G. (2013), Fragmentation of Chitosan by Acids. The Sci. World J., Article ID 508540, 11 pages. http://dx.doi.org/10.1155/2013/508540.

공지기술 3 : Kittur, F.S., Kumar, A.B.V., & Tharanathan, R.N. (2003). Low molecular weight chitosan-preparation by depolymerization with Aspergillus niger pectinase, and charaterization. Carbohydr. Polym., 338: 1283 - 1290.Announced Technology 3: Kittur, F.S., Kumar, A.B.V., & Tharanathan, R.N. (2003). Low molecular weight chitosan-preparation by depolymerization with Aspergillus niger pectinase, and charaterization. Carbohydr. Polym., 338: 1283-1290.

공지기술 4 : Xie, H., Jia, Z., Huang, J & Zhang, C. (2011). Preparation of low molecular weight chitosan by complex enzymes hydrolysis. Inter. J. Chem., 3(2), 180-186.Known Technology 4: Xie, H., Jia, Z., Huang, J & Zhang, C. (2011). Preparation of low molecular weight chitosan by complex enzymes hydrolysis. Inter. J. Chem., 3(2), 180-186.

공지기술 5 : Yue, W., Yao, P., Wei, Y., & Mo, H. (2008). Synergetic effect of ozone and ultrasonic radiation on degradation of chitosan. Poly. Degrad. Stabili, 93, 1814-1821.Known Technology 5: Yue, W., Yao, P., Wei, Y., & Mo, H. (2008). Synergetic effect of ozone and ultrasonic radiation on degradation of chitosan. Poly. Degrad. Stabili, 93, 1814-1821.

공지기술 6 : Li, K., Xinga, R., Liua, S., Qina, Y., Menga, Z. & Li, P. (2012). Microwave-assisted degradation of chitosan for a possible use in inhibiting crop pathogenic fungi. Inter. J. Biol. Macromol., 51, 767-773.Known Technology 6: Li, K., Xinga, R., Liua, S., Qina, Y., Menga, Z. & Li, P. (2012). Microwave-assisted degradation of chitosan for a possible use in inhibiting crop pathogenic fungi. Inter. J. Biol. Macromol., 51, 767-773.

공지기술 7 : Lee, K & Song, K. (2014). Effect of plasma power on degradation of chitosan. Korean J. Chem. Eng., 31(1), 162-165.Known Technology 7: Lee, K & Song, K. (2014). Effect of plasma power on degradation of chitosan. Korean J. Chem. Eng., 31(1), 162-165.

본 발명의 저분자 키토산 제조방법은 종래 기술들 중에서 가장 짧은 시간 수행되었음을 알 수 있다. 종래 기술들 중에서 키토산(5.5 × 105 Da)을 바이폴라 전원공급(bipolar power supply)을 300 분 동안 처리한 경우 1.9 × 104 Da로 감소하였고, 키토산(7.4 × 104 Da)을 N2 및 O2 가스 플라즈마를 최대 400 W에서 5 분 동안 처리하여 3.6 × 104 Da의 저분자 키토산을 제조한 바 있다. It can be seen that the method for producing low-molecular chitosan of the present invention was performed in the shortest time among the prior art. Among the conventional techniques, chitosan (5.5 × 10 5 Da) was reduced to 1.9 × 10 4 Da when the bipolar power supply was treated for 300 minutes, and chitosan (7.4 × 10 4 Da) was reduced to N 2 and O 2 Gas plasma was treated at a maximum of 400 W for 5 minutes to prepare a low molecular chitosan of 3.6 × 10 4 Da.

상술한 실험결과들을 종합하면, 본 발명의 저분자 키토산의 제조방법은 종래 저분자 키토산의 제조방법보다 더 빠르고, 안전하며, 보다 효과적임을 알 수 있다. 본 발명의 저분자 키토산 제조방법은 고분자 키토산(3.0 × 105 Da)을 짧은 시간에 해중합(depolymerization)하여 저분자 키토산(7.8 × 103 Da)을 생성함을 확인하였다. 해중합(depolymerization) 속도는 수용성 키토산의 용해도 및 수율을 통해 확인하였고, 본 발명에 따라 제조된 저분자 키토산의 크기는 약 44 ± 10.6 ~ 127 ± 26.2 ㎚이었고, 적당한 안정성을 지니고 있음을 확인하였다. When the above-described experimental results are summarized, it can be seen that the method for producing low-molecular chitosan of the present invention is faster, safer, and more effective than the conventional method for producing low-molecular chitosan. It was confirmed that the low-molecular chitosan production method of the present invention produced low-molecular chitosan (7.8 × 10 3 Da) by depolymerizing high molecular chitosan (3.0 × 10 5 Da) in a short time. The depolymerization rate was confirmed through the solubility and yield of water-soluble chitosan, and the size of the low-molecular chitosan prepared according to the present invention was about 44 ± 10.6 to 127 ± 26.2 nm, and it was confirmed that it has adequate stability.

따라서 유체플라즈마는 고분자의 키토산을 저분자의 키토산으로 제조하는데 효과적인 제조방법임을 알 수 있으며, 본 발명으로 제조된 저분자 키토산은 고분자 키토산보다 유의하게 향상된 치료 효과를 갖는 것을 확인하였다. 나아가 종래 제조방법으로 제조된 저분자 키토산들보다 현저히 우수한 팽윤비, 넓은 산도 범위에서의 수용성, 항균활성 및 항산화 효과를 가지고 있음을 알 수 있다. 구체적으로 본 발명의 제조방법으로 제조된 저분자 키토산은 0.2-2 ㎎/㎎ 평형팽윤 비(ES ratio), 58~75% 라디칼 소거 활성을 갖는다. 따라서 본 발명을 통해 제조된 저분자 키토산은 입자의 크기가 예상 가능하므로, 상술한 특징들을 통해 생물 의학적 특성을 지닌 다양한 나노 생체 재료로 활용될 수 있다. Therefore, it can be seen that fluid plasma is an effective manufacturing method for preparing high molecular weight chitosan into low molecular weight chitosan, and it was confirmed that the low molecular weight chitosan prepared by the present invention has significantly improved therapeutic effect than that of high molecular weight chitosan. Furthermore, it can be seen that it has significantly better swelling ratio, water solubility in a wide acidity range, antibacterial activity, and antioxidant effects than those of the low-molecular chitosans prepared by the conventional manufacturing method. Specifically, the low-molecular chitosan prepared by the production method of the present invention has 0.2-2 mg/mg equilibrium swelling ratio (ES ratio), 58-75% radical scavenging activity. Therefore, the low molecular weight chitosan produced through the present invention can be used as a variety of nano-biomaterials having biomedical properties through the above-described characteristics because the size of the particles is predictable.

Claims (8)

1) 고분자 키토산을 아세트산 용액에 용해시켜 키토산 용액을 제조하는 단계; 및
2) 상기 키토산 용액 중에 플라즈마를 발생시켜 15 내지 120 분동안 저분자 키토산을 생성하는 유체플라즈마 반응 단계;를 포함하되,
상기 유체플라즈마 반응 단계는 상기 키토산 용액에 노출된 전극으로 공급되는 단극성 전원의 전압 700 내지 900V, 주파수 20 내지 40 KHz인 것을 특징으로 하는 저분자 키토산의 제조방법.
1) preparing a chitosan solution by dissolving a polymer chitosan in an acetic acid solution; And
2) a fluid plasma reaction step of generating a plasma in the chitosan solution to generate low-molecular chitosan for 15 to 120 minutes; including,
The fluid plasma reaction step is a method of producing a low-molecular chitosan, characterized in that the voltage of a unipolar power source supplied to the electrode exposed to the chitosan solution is 700 to 900V and a frequency of 20 to 40 KHz.
제1항에 있어서,
상기 2) 단계 이후 3) 유체플라즈마 조사후 저분자 키토산을 여과하여 건조하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저분자 키토산의 제조방법.
The method of claim 1,
After step 2) 3) filtering and drying the low-molecular chitosan after irradiation with fluid plasma. A method for producing low-molecular chitosan, further comprising:
제1항에 있어서,
상기 유체플라즈마 반응 단계는 상기 키토산 용액에 노출된 텅스텐 전극으로 공급되는 단극성 전원의 전압 800V, 주파수 30 KHz인 것을 특징으로 하는 액상 플라즈마 반응을 이용한 저분자 키토산의 제조방법.
The method of claim 1,
The fluid plasma reaction step is a method for producing low molecular chitosan using a liquid plasma reaction, characterized in that the voltage of a unipolar power supply supplied to the tungsten electrode exposed to the chitosan solution is 800V and a frequency of 30 KHz.
제1항에 있어서,
상기 유체플라즈마 반응 단계는 90 분 인 것을 특징으로 하는 저분자 키토산의 제조방법.
The method of claim 1,
The method for producing a low molecular weight chitosan, characterized in that the fluid plasma reaction step is 90 minutes.
제1항에 따라 제조된 저분자 키토산.Low molecular weight chitosan prepared according to claim 1. 제5항에 있어서,
상기 저분자 키토산은 분자량이 4.6 × 103 Da 내지 7.8 × 103 Da이고, 항균활성은 80 내지 150 ㎍/㎖이며, 항산화 활성은 58 내지 75%이며, 팽윤비가 0.2 내지 2 ㎎/㎎인 것을 특징으로 하는 저분자 키토산.
The method of claim 5,
The low molecular weight chitosan has a molecular weight of 4.6 × 10 3 Da to 7.8 × 10 3 Da, an antimicrobial activity of 80 to 150 μg/ml, an antioxidant activity of 58 to 75%, and a swelling ratio of 0.2 to 2 mg/mg. Low molecular weight chitosan.
제5항에 있어서,
상기 저분자 키토산은 산성 조건(pH < 6)에서의 용해도 80~99%가 중성 및 알칼리 범위(pH > 7)에서도 유지되는 것을 특징으로 하는 저분자 키토산.
The method of claim 5,
The low-molecular chitosan is a low-molecular chitosan, characterized in that 80 to 99% solubility in acidic conditions (pH <6) is maintained even in the neutral and alkaline range (pH> 7).
제1항에 따라 제조된 저분자 키토산을 포함하는 항균용 조성물.An antimicrobial composition comprising a low-molecular chitosan prepared according to claim 1.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
비특허문헌 1. Xie, H., Jia, Z., Huang, J & Zhang, C. (2011). Preparation of low molecular weight chitosan by complex enzymes hydrolysis. Inter. J. Chem., 3(2), 180-186.
비특허문헌 2. Chang, K.L.,Tai, M.C & Chang, F.H. (2001). Kinetics and products of the degradation of chitosan by hydrogen peroxide. J.Agri.Food. Chem., 49, 4845-4851.
비특허문헌 3. Yue, W., Yao, P., Wei, Y., & Mo, H. (2008). Synergetic effect of ozone and ultrasonic radiation on degradation of chitosan. Poly. Degrad. Stabili, 93, 1814-1821.

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2023153525A (en) * 2022-04-05 2023-10-18 エルジー・ケム・リミテッド Treatment apparatus, method for preparing degradation product, and treatment method

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