천연 유기산을 이용한 고순도 키토산 및 키토산-올리고당 제조 연구

김 현 상 , 최 광 진 , 심 상 준 , 조 영 상 , 김 경 림*

한국과학기술연구원 청정기술연구센터

연세대학교 화학공학과*

Study of preparation of high purity chitosan and chitosan-oligomer by using natural organic acid

H. S. Kim , G. J. Choi , S. J. Sim , Y. S. Cho , K. L. Kim*

Clean Technology Research Center , KIST

Department of Chemical Engineering , Yonsei University*

서   론

키토산 및 키토산-올리고당은 그 이용 범위가 매우 넓다.1-4) 그중 가장 많이 이용되는 범위는 응집제로서의 사용, 식품으로서의 사용, 의료용 재료로서의 사용등으로 나눌 수 있다. 응집제로 사용되어지는 키토산은 주로 저급 키토산으로 그 가격이 매우 싸다. 그러나 식품용 및 의약제용(주로 키토산-올리고당이 사용), 의료용 재료로 사용되어 지는 키토산, 키토산-올리고당은 응집제로 사용되어지는 저급 키토산에 비해 그 가격이 원료의 차이로만 약 20배가 넘을 정도로 매우 비싸다. 따라서 고순도 키토산의 생산은 많은 부가가치를 남기는 좋은 제품으로서의 가능성을 지니고 있다. 키틴과 키토산의 구분은 그것이 가지고 있는 아세틸기의 양으로 결정한다. 즉, 아세틸기가 50%이상이면 □키틴□이라고 부르며 50%이하이면 □키토산□이라고 부른다. 그리고 아세틸기가 적어질수록 고부가가치의 고순도 키토산이 되며, 이러한 고순도 키토산은 주로 의료용 재료로 사용되어 진다. 또한, 키토산이 분해된 올리고당은 그 크기에 따라 생리기능성이 발현하게 될 뿐만 아니라 섭취시 흡수율을 높일 수 있어 주로 식품에 응용되어지고 있다.

키토산을 분해하여 올리고당으로 만드는데는 2가지 방법이 있다.5) 하나는 화학적 제조법으로 염산과 같은 강산을 사용하는 것이고, 다른 하나는 생물학적 제조법인 효소를 사용하는 방법이다. 화학적 제조법은 비용이 적게 들고 간단히 저분자 올리고당을 만들 수 있지만 그 반응이 매우 강하여 강한 면역증강작용등을 나타내는 6량체이상의 올리고당을 생산하기 어렵고, 환경 오염을 야기시킬 뿐만 아니라 인체에 유해한 부반응 물질을 생성하는 등의 단점이 있다. 또한 산을 완전히 제거시키지 않은 채로 이것이 체내에 유입되면 당대사에 큰 영향을 미치며, 이로 인한 인슐린의 작용에 이상이 생겨 당뇨병과 같은 질병에 걸릴 수도 있다.6) 이에 비해 효소를 이용한 키토산-올리고당의 제조는 산을 사용하지 않으므로 인체에 해가 없고, 화학적 처리에 비해 6량체 이상의 올리고당을 많이 제조할 수 있다는 장점이 있으나 생산 비용이 매우 높고, 미생물을 이용하기 때문에 공정 조건이 까다로우며, 단위시간당 생산량이 매우 적다는 단점을 가지고 있다.

본 연구는 이러한 문제점을 해결하기 위해 인체에 해롭지 않은 천연 유기산을 이용하여 키토산을 분해해 키토산-올리고당을 제조하는 동시에 그 아세틸기를 제거하여 고순도의 키토산을 제조하는 공정을 모색하였다. 또한 화학적 방법의 문제점인 강한 반응으로 인한 5량체이하의 저분자 올리고당 제조의 문제점을 해결하기 위해 천연 유기산의 사용량을 줄이면서 autoclave를 이용, 물리적 인자를(온도, 압력등) 변화시켜 6량체 이상의 올리고당 제조를 시도하였다.

실 험 방 법

이 실험은 크게 3단계로 나누어져 행해졌다. 먼저 1단계로 여러 다른 종류, 다른 농도의 천연 유기산에 같은 양의 키토산을 넣고 autoclave로 반응 시킨 후 점도를 측정하여 올리고당 제조의 가능성을 보이는 산을 선택하였다. 2단계로, 선택되어진 산에 키토산을 녹인 후 reflux, autoclave(고온, 고압반응)등의 실험 후 점도를 측정하여 올리고당 제조에 있어서 열과 압력의 영향을 조사하였다. 마지막 3단계로 반응 후의 시료에 아세톤을 섞어 아직 올리고당이 되지 않은 고분자 키토산을 침전시켜 분리해 낸 후 건조하여 FT-IR 분석을 통해 아세틸기의 제거 여부를 조사하였다. 아세톤을 섞어도 침전하지 않는 시료는 이미 모든 키토산이 올리고당으로 분해되었다고 간주하였다.

실 험 결 과

1단계의 실험 결과 lactic acid, citric acid, tartaric acid, 그리고 propionic acid가 선택되었고 이 네가지 산에 대하여 1, 3, 5, 7시간 동안의 reflux 반응과 100℃, 120℃, 150℃에서 15, 30, 60, 120분 동안의 autoclave 반응을 행하였다. 다른 산들은(phosphoric acid, acetic acid, ascorbic acid등) 선택된 네가지 산보다 그 효과가 떨어졌고, 특히 ascorbic acid같은 경우에는 고온에서 acid 자체가 변질되는 문제도 보여졌다.

Fig-1은 각 산에 대한 reflux 실험을 통한 점도 변화를 나타낸 것이다. Lactic acid를 제외한 나머지 다른 산들은 reflux를 통해 7시간만에 20 - 30 cP까지 점도가 떨어졌다. 반응 후의 시료에 아세톤을 첨가했을 때 상당량의 침전이 생긴 것으로 보아 아직 많은 양의 키토산이 올리고당으로 분해되지 않고, 고분자 형태로 남아있다는 것을 알 수 있었다.

Fig-2는 autoclave를 이용한 120℃, 4기압에서 반응 실험후의  각 시료의 점도 변화를 나타낸 것이다. 사용된 산의 양이 달라도 반응 후 거의 같은 수준까지 점도가 떨어졌고, 아세톤을 첨가해도 침전물이 생기지 않아 사용된 모든 키토산이 올리고당 수준으로 분해되었다고 추정할 수 있었다. 이것으로 보아 autoclave를 이용하면 적은 양의 산을 사용해도 많은 양의 올리고당을 제조할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 그외 100℃, 2기압에서의 실험은 시간이 경과될수록 120℃, 4기압 반응 결과에 근접하였고, 150℃, 12기압에서의 실험은 반응 시작후 15분 만에 새까맣게 탄화되었고, 점도가 물과 거의 비슷한 1.4cP(증류수의 점도는 1.2cP)까지 떨어진 것으로 보아 대부분의 키토산이 단당에 가까운 올리고당으로 분해된 것으로 생각된다.

(fig-1. reflux에 의한 점도 변화)        (fig-2. autoclave에 의한 점도 변화)

Fig-3은 reflux후의 lactic acid samples에 아세톤을 첨가하여 얻은 침전물(고분자 키토산)을 건조한 후 FT-IR로 분석한 것이다. 그림에서 보듯이 reflux시간이 경과됨에 따라 약 1700 - 1800cm-1 wave number대에서 나타나는 키토산의 아세틸기가 점점 사라지고 있다. 그러므로 이 lactic acid를 이용하면 아세틸기가 거의 제거된 고순도의 키토산을 제조할 수 있을 것으로 예상된다. 이러한 deacetylation 효과는 다른 유기산에서는 상대적으로 적게 관찰되었다.

(fig-3. lactic acid reflux sample의 precipitation FT-IR)

요   약

천연 유기산을 이용하여 화학적 방법으로 인체에 무해하게 키토산 및 키토산-올리고당을 제조하는 공정을 모색해 보았다. 또한 저농도 유기산에 autoclave를 이용해 물리적 효과를 가하여 6량체 이상의 올리고당을 제조하고자 하였다.

상압에서 100℃로 가열하면서 reflux시켰을 때, 점도는 서서히 감소하였으나 오랜 시간이 지나도 올리고당까지 분해되지는 않았다. 반면에 autoclave를 이용하여 고온, 고압 반응을 유도하였을 때는 점도가 급격히 감소하였다. 특히 120℃, 4기압의 반응에서는 15 - 30분만에 점도가 10cP미만으로 떨어져, 올리고당 제조에는 120℃, 4기압 근처의 반응 조건이 가장 적합하다고 생각된다. 앞으로는 이 반응 조건에서 반응시킨 sample을 HPLC7)로 분석하여 6량체 이상의 올리고당이 가장 많이 생성되는 최적 조건을 찾을 계획이다.

고순도 키토산의 제조에 있어서는 lactic acid에 키토산을 녹여 reflux를 시켰을 때 약 4시간만에 아세틸기가 거의 제거된 고순도 키토산을 얻을 수 있었다. 그러나, 이것은 FT-IR에 의한 아세틸기의 제거면에서 본 것이므로 식품이나 의약제로 사용되기 위해서는 좀더 상세한 순도 분석이 요구되어 진다.

참  고  문  헌

1. Maket of Chitin and Chitosan : Bio Industry, 13, 52 (1996).

2. 高分子, 44, 112 (1995).

3. Maeda M, Inoue Y, Iwase H and Kifune K. : Encyclopedic handbook of          biomaterial and bioengineering, Part A : Materials, Vols. 1 and 2, 1585          (1995).

4. 이 근 임 : 산업동향. 16, 1 (1996).

5. 김 세 권, 이 응 호 : □키틴□키토산 및 그 올리고당의 제조 기술과 개발동향□.       한국 키틴□키토산 연구회지., 2, 1, p.66-90, (1997).

6. 김 세 권 : □키틴□키토산 산업의 문제점과 그 대책□. 한국 키틴□키토산 연구       회지., 2, 3, p.5-6 (1997).

7. Masato IZUME and Akira OHTAKARA : "Preparation of D-Glucosamine              Oligosaccharides by the Enzymatic Hydrolysis of Chitosan"., agric. Biol.         Chem., 51, 4, p.1189-1191, (1987).