초임계 CO2를 이용한 Cyclodextrin의 합성

고 은용, 유 연우*, 김 철

아주대학교 화학공학과, 아주대학교 생물공학과*

Synthesis of Cyclodextrins in Supercritical Carbon Dioxide

Eun Yong Ko, Yeon Woo Ryu* and Chul Kim

Department of Chemical Engineering and Department of Biotechnology*, College of Engineering, Ajou University, Suwon 442-749, Korea.

서 론

Cyclodextrin은 amylase 계통의 효소인 cyclodextrin glucano-transferase (CGTase)를 전분에 작용시켜 glucose 분자가 □-1,4-glucoside 결합에 의해 환상으로 연결된 비환원성의 malto oligosaccharide로 glucose 분자 수에 따라 □(6개)-, □(7개)-, □(8개)-cyclodextrin의 세 종류로 구분된다. Cyclodextrin 분자중의 동공이 소수성을 외부가 침수성을 나타내는 특이한 분자 구조를 나타내서 분자 내부에 여러 가지 유용한 유기, 무기 화합물질을 포접하여 휘발성 물질의 안정화, 산화방지, 광분해 물질의 보호, 용해도의 향상과 같은 여러 가지 물질 개선 효과가 있어서 식품, 의약품, 농약 등 다방면에 유용하게 활용할 수 있는 기능성 탄수화물계 생물 신소재이다[1-3].

이러한 cyclodextrin의 응용성은 제조 기술상의 문제로 1976년에 이르러 산업화가 이루어지기 시작하여, 일본의 일본 식품화공(주)과 이화학연구소와의 공동연구에 의해 무용매법이 개발되어 기업화되었고, 이외에 개발된 cyclodextrin의 제조공정은 Corn products사 등에 의해 유기용매법이, 일본 농수성식품종합연구소 등에 의해 coupling법이 개발되어 있다. 그 중 최근에 개발된 무용매법의 경우 CGTase 등 관련 효소의 고정화 및 ultrafiltration, reverse osmosis. membrane을 이용한 반응액에서 cyclodextrin 분획 등의 공정이 이루어졌다. 최근들어 cyclodextrin 생산 공정에 효소 고정화 기술을 도입하기 위한 시도가 되고 있는데, 일본에서는 cyclodextrin 연구조합을 결성하여 효소와 세포 고정화 기술을 cyclodextrin 제조 공정에 도입하여 □-glycosylated cyclodextrin을 생산하고자 하는 계획을 추진하고 있다. Hashimoto 등은 CGTase를 이온교환 수지에 고정화하여 plug flow column reactor를 사용한 cyclodextrin 연속 생산에 관한 연구를 수행하였으며, Lee 등은 cyclodextrin 연속 생성을 위한 column형 반응기의 효율성을 검토한 바 있다. 그러나 아직까지 cyclodextrin을 CGTase를 이용하여 생산하는데는 많은 경비와 낮은 생산성을 나타내고 있다.

초임계 유체는 기체상과 같은 낮은 점성과 높은 확산성으로 기질에서 효소로의 물질전달 속도를 높여 주고, 액체상과 같은 밀도로 기체상에서 관찰된 것보다 더 높은 용해도를 가진다. 일반적인 전분의 효소가수분해 반응은 반응시간이 길며 이차산물에 의한 환경오염문제를 야기하고 있으며 경제적인 측면에서도 고온조작등으로 인한 손실이 있다[4-5].

본 연구에서는 이러한 문제점등을 해결할 수 있는 방법으로 초임계 유체를 이용하여 전분의 폭쇄를 통한 전처리 후에 직접 효소를 반응시켜 효소반응시간을 줄이고 cyclodextrin의 생산성을 높이는데 있다.

실 험

1. 시약 및 장치

전분은 Sigma사(U.S.A)의 99% 순도를 가진 Potato starch를 사용하였으며, 전분의 cyclodextrin 합성 반응을 위한 효소(CGTase)는 3.0KNU/ML의 활성도를 가진 THORUZYME(Batch no.:ACN 00019)을 사용하였다. 실험 장치는 Figure 1에 나타낸 바와 같이 이산화탄소 주입부, 교반 반응기 및 시료 채취부로 구성되어 있다. 온도 조절기가 달린 교반 항온 수조를 이용하여 반응기의 온도를 조절하였으며, 반응기 내부에 삽입된 thermocouple로 온도를 측정, ±0.5℃ 이내의 오차범위에서 온도를 일정하게 유지시켜 주었다.

12

7

3	8	11

2	4

8

5

6	9

1

10

9

Fig. 1 Schematic diagram of experimental apparatus.

1. CO2 bomb	7. Pressure indicator

2. Liquid pump	8. Thermocouple

3. CO2 input line	9. Temperature indicator

4. Back pressure regulator	10. Digital stirring bath

5. Reactor	11. Sampling valve

6. Magnetic bar	12. Purge valve

2. 실험 방법

기질은 pH=6.0의 0.1M sodium acetate buffer solution을 사용하여 starch 용액이 200.0g/l가 되게 하였으며, enzyme은 0.3ml를 넣었고 반응 온도는 60.0℃를 유지하여 4시간 동안 반응시켰다. Sampling 후에는 반응이 멈추도록 boiling water에 5분 정도 담궈두었다[6]. 실험은 3가지 단계로 처음에는 상압에서, 두 번째는 초임계 CO2를 이용하여 반응기 내에 직접 starch 용액과 효소(CGTase)를 넣고 압력을 100atm에서 200atm까지 20atm씩 증가시키면서, 세 번째는 초임계 CO2를 이용하여 전분의 폭쇄를 통한 전처리 후에 상압하에서 효소를 반응시켜서 cyclodextrin을 합성하였다.

결과 및 토론

Figure 2는 압력의 변화에 따른 □-,□-,□-cyclodextrin의 생성량을 비교하였다. □-CD를 제외한 □-CD와 □-CD는 초임계 CO2 조건에서 압력이 증가할수록 생성량이 감소하였다. □-CD의 경우 상압에서보다 11.2% 정도 증가하였고, □-CD과 □-CD는 각각 14.4%와 8.5% 감소하였다. Cyclodextrins 전체 yield는 상압에서 20.57%인데 비하여 초임계 CO2에서는 18.32%로 감소하였다. 그렇지만 초임계 CO2를 이용하여 전분의 폭쇄를 통한 전처리 후에 상압하에서 효소를 반응시키면 □-,□-,□-cyclodextrin 각각의 yield는 물론 cyclodextrins 전체 yield도 상압에서보다는 25%정도 증가할 것으로 보인다. 이는 효소 반응중 starch를 분해하여 glucose를 생성하는 과정이 생략되었기 때문이다.

참고 문헌

1. Cramer, F. (1987) Cyclodextrins and their industrial uses ; Duchene, D., Ed. P. 11, Editions de Sante, Paris.

2. French, D. (1957) The Schardinger dextrins. Adv. Carbohydr. Chem. 12:189-260

3. Szejtli, J.(1982) Cyclodextrins and their inclusion complexes. Akademiai  Kiado, Budapest.

4. Lee, Y.H., S.G. Baek, H.Y. Shin, and D.C. Park(1993), Kor. J. Appl. Microbiol. Biotechol. 21,(5) 447-461.

5. Nakamura, K.(1990), Biochemical reactions in supercritical fluids, Tibtech, 8, 288-292.

6. Ahn, Joong-Hoon, Jin-Bong Hwang and Seung-Ho Kim(1990) Cyclodextrin Glucanotransferase from Bacillus stearothermophilus:Purification by Affinity Chromatography and Its Properties. Kor. J. Appl. Microbiol. Biotech. vol. 18. No. 6. 585-590.

Fig. 2 Effect of pressure at 60℃ and pH 6.0