식품용 소재로서 키틴, 키토산 연구의

현상과 장래성

키틴, 키토산의 과학

(平野茂博(히라노 시게히로))

C  C  R  C

식품용 소재로서 키틴, 키토산의 현상과 장래성

1. 키틴, 키토산이란

- 오래전부터 잊혀져 있던 식품용 신기능성 소재

키틴은 N-아세틸-□-D-글루코사민 잔기가 5,000이상(1→4) 결합된 분자량 100만 이상인 천연고분자(다당)이며, 키토산은 N-아세틸화물을 총칭한다. 키틴은 1811년에 프랑스 자연역사학자 브라코노에 의해 발견된 버섯으로부터 단리되어 훤진이라고 불리어졌다. 그후, 1823년에 프랑스의 과학자 오치르에 의해, 이것은 외피물질 이라고 말할 수 있어서 그리스어의 봉투를 의미하는 키틴이라고 일컬어져 지금에 이르렀다. 1559년에 키토산은 르게에 의해 보고되어, 1894년에 옷페, 자이라에 의해 명명되었다. 키틴, 키토산은 송이버섯, 팽나무버섯 등의 균체나 치즈(약15%;제조에 있어서 유산균등 균체)에 함유되어 있고, 우리들의 일상생활에 오래 전부터 식품으로서 깊이 관련되어 있다. 그러나, 이들 다당은 소화흡수 되어, 생물기능이 없는 불용불이한 물질로서 취급되었고, 그 영양학적인 의의해명, 더욱이 식품용 소재로서의 이용은 거의 생각지도 못했다. 키틴, 키토산은 게, 새우 등 갑각류, 바다 보리새우, 오징어 등 연체동물, 조개류 등의 골격성분이고, 지구상에서 연간 1천억톤(추정)정도나 생물 생산되고 있다(표1). 게다가, 키틴, 키토산은 금세기에 남아있는 몇 안돼는 염기성의 생물 재생산 가능한 미이용 생물자원(바이오매스)이라고 해도 과언이 아니다.

2. 게, 새우 껍질로부터 키틴, 키토산의 단리

게, 새우 가공장에서 폐기되는 껍질을 약 5% 염산용액 중에서 탄산가스의 발생이 멈출 때까지 실온에서 침적하여 탈회한다. 이어서, 약 5%수산화나트륨 용액에서 실온 또는 가온하여 침적시켜 탈 단백질을 하면, 불용물로서 키틴이 얻어진다. 키틴을 40∼50% 수산화나트륨 용액으로 80∼120℃에서 처리하면 N-아세틸화된 키토산이 얻어진다(게·새우 껍질로부터 15∼30%수율)(그림1). 키토산은 묽은 유기산(포름산, 초산 등)에 용해되지만, 키틴은 용해되지 않는다. 두 가지 모두 알칼리에는 용해되지 않는다. 근년, 단백질 분해효소나 N-아세틸 효소에 의한 키틴, 키토산의 단리가 실용화 될 것이다. 현재, 키틴, 키토산 제품 규격은 특별히 결정되어져 있지 않지만, (1) 배수정화 응집제·농업소재용, (2) 화장품 소재용, (3) 식품 소재용, (4) 의약·의료 소재용으로 편의상 구별하여 사용하고 있다.

3. 식품 신 기능성 소재로서의 키틴, 키토산

키틴은 천연물이며 독성을 나타내지 않는다. 또한 키토산을 마우스에 19일간 경구투여하여, 체중 1Kg당 약 18g 이하에서는 거의 독성이 보이지 않았다. 산란용 성계에 키토산 6.5g/Kg(체중)을 9개월간, 또 토끼에 키토산 0.88g/Kg(체중) 3개월간을 계속하여 연속 경구투여 하여 이상은 발견되지 않았다.

개에게 D-글루코스나 소당을 경구투여하여 체중 1Kg당 8∼12g 이 치사량이 됨을 비교하면, 키토산의 독성은 매우 작다고 말해도 좋다. 키틴, 키토산은 (1) 이것의 분자기능개발, (2) 잠재기능 발현, (3) 인위적 기능 부가에 의해, 여러 가지 기능성 소재로 만들 수 있다.

그림 1  게껍질로부터 키틴, 키토산 제조 공정

∼5% HCl              ∼5% NaOH       40∼50% NaOH

↓                       ↓                 ↓

게 껍질 □□□□→  탈회 게 껍질 □□□□□→ 키틴 □-□□□□→ 키토산

↓                       ↓                 ↓

□  키틴  □ CaCl2   □  키틴  □      단백질            CH3COONa

□ 단백질 □  CO    □ 단백질 □   (□-탈리반응)      (N-아세틸화 반응)

□ CaCO3 □ H2O

표 1 갑각류·곤충의 껍질, 연체 동물의 기관 및 균류 세포벽의 키틴함량

키틴질 함량(%)	키틴질 함량(%)
甲殼類	곤충
이쬬우 게 72c	누에 44c
떠돌이 게 14a	챠바네 바퀴 10b, 18c, 35c
고정 게 26d	갑충 5∼15b
털 게 18d	파리 55c
물가 게 11d	메뚜기 2∼4a, 20c
무당 게 10a, 35b	풍뎅이 충 16b
알래스카 새우 28d	와몽 바퀴 2c
갯가재 5∼8b, 12d, 69c	백 나방 64c
시바 새우 32d	거미 38d
바다가재 70c
후지쯔보 58c	균류
차 새우 25d	Asperigillus niger
연체동물의 기관	Lactarius velleus(머쉬룸 : 양송이)
대합 껍질 6	Mucor uouxii
바다 보리새우 겉껍질 40, 42d	Penicillium chrysogenium
굴조개 껍질 4	Peniciilium notatum
오징어 뼈 41	Saccharomyces cerevisiae(빵 효모)

a함수중량   b건조중량   c표피중량   d전건조 표피중량   b건조 세포벽 중량

3. 1  게·새우 껍질 분말

게 껍질 분말은 키틴, 탄산칼슘, 단백질, 적색 색소(아스타크산틴)로 되어있다. 게와 새우의 뛰어난 맛, 색소, 칼슘의 강화 식품첨가제로서 면류, 빵, 과자 등에 사용되기 시작하였다(그림2). 색소를 함유한 적색분말과 색소를 함유하지 않은 백색분말로 구분하여 사용되고 있다. 지방에 따라서는 오래 전부터 작은 새우나 게는 그 자체가 부채과자(센베) 등의 과자 원료에 사용되고 있다.

3. 2  키틴, 키토산 및 관련 효소

키틴, 키토산을 기능성 식품소재로 한 대표적인 시도를 표 2에 나타내었다. 이 안의 2, 3의 기능과 그 유효 이용에 대해 고찰하였다.

(1) 동물의 키틴, 키토산의 소화·흡수

성계와 유계에 있어서 일상적인 사료에 10% 첨가한 키틴, 키토산의 관찰에서는 89∼98% 이었고, 토끼에 있어서도 일반사료에 2∼5% 첨가한 키토산의 관찰에서 소화율은 40∼44% 이었다. 키토산 첨가사료 사육의 토끼 똥 중에 고분자 키토산은 검출되었고, 키토올리고당과 D-글루코사민은 검출되지 않았다. 이러한 키틴과 키토산의 소화기구는 동물의 소화관 중에서의 분비와 장내세균 키티나제와 키토사나제, 사료 중의 식물 키티나제와 키토사나제에 의한 것으로 생각된다. 특히, 식물조직 내에 고정화된 키티나제와 키토사나제의 역할이 주목되고 있다. 지금까지 소화되지 않은 식물섬유소로 알려진 키틴, 키토산은 동물소화관에서 소화되어 저분자화 되었다. 이 저분자 키토산이 세포부활이나 대사부활 등 신 기능을 나타내었던 것이다.

(2) 키토산의 경구 투여에 의한 혈중 콜레스테롤 및 트리아실글리세롤치 저하

고 콜레스테롤 혈증 이나 동맥경화증은 식품중에 함유된 콜레스테롤이 흡수되어 혈중농도를 높이고 혈관 내벽에 침착되는 장해이다. 고 콜레스테롤(1%콜레스테롤) 사료 사육에서, 2∼5% 키토산 첨가구는 무첨가구(1.0)에 비해서 랫트의 혈청 콜레스테롤치가 0.6∼0.7, 간장 콜레스테롤치가 0.3∼0.5로 저하되었고 또한, 혈청 콜레스테로치와 혈청 트리아실글리세롤치가 닭에서 0.6과 0.7(125일 사육), 토끼에서 0.4와 0.6(39일 사육)으로 저하되었다. 게다가 병리 해부에서는, 키토산 무첨가구의 토끼 간장은 비대하면서 상당한 적갈색을 나타내었고, 2% 키토산 첨가구의 토끼 간장은 정상적인 암갈색을 나타내었다. 키토산은 현재 임상적으로 사용되고 있는 비소화성 콜레스틸아민(카치온 수지)과는 반응기구가 다른 독성이 적은 소화되는 혈중 콜레스테롤치 저하제로 주목되고 있다. 게다가, 키토산의 사료 첨가에서 콜레스테롤 함량이 작은 고기나 계란 생산 등 영양소 제어된 식품제조가 기대된다.

그림 2  게 껍질 분말이 들어간 手延우동

표 2  키틴, 키토산의 기능과 기능성 식품소재로서의 유효이용의 시도

기 능	유효 이용의 시도
전해질 복합체 형성	반죽제품 등 식품가공공장의 배수중의 수용성 단백질의 회수(식품에의 재 이용, 비료나 사료에의 이용), 음료수의 정화, 주스, 맥주, 술 등의 청등 등
혈중 콜레스테롤치 강하	고콜레스테롤증, 동맥경화증의 예방과 치료용 식품소재
항균·항 곰팡이	식품의 부패를 방지·보존성의 향상
비피더스균 증식	유아용 우유 첨가, 병인용 식품첨가
착체 형성	철 등 영양적 중요 금속원소의 키토산착체로서 식품첨가, 경수의 연수화, 유독 중금속의 제거
서방성	향기, 영양소 등의 서방성을 부가한 고정화 식품
제산	식품가공공정에 있어서 산의 중화, 탈산
흡착	색소의 식품에의 착색성 향상, 식품가공공정에 있어서 탈색, 여과, 탈수촉진, 탈색, 탄닌·카페인 등의 제거
보수(保水)	보수제
분자인식	식품중의 특이 단백질의 회수와 제거
겔화	기능성 저 식품소재, 영양소·효소·유효미생물 등의 고정화 담체, 식품 성형재
유화	유화제
막화	식품 가공공정에 있어서 역삼투, 한외여과 등
세포 부활성	항체생산 증강, 대사촉진, 아쥬반트 등의 기능성 식품소재, 소화 흡수 촉진제
열분해	식품용 후레바의 제작

(3) 키토산의 항균

키토산이나 그 N-알킬 제4급암모니움염은 대장균, 스타필로코코스균, 후자리움균 등에 대해서 항균성을 가진다. 그림 3은 대장균의 생육에 있어서 키토산 농도의 영향을 나타내며, 키토산 농도 0.2% 이상의 배지에서 대장균의 생육은 저해되었다. 이것은 카치온성 전하를 가진 아미노기가 특이적인 화학적 구조를 가진 특정 세균세포벽에 결합하여 생육 저해를 일으키는 것일 것이다. 이 키토산의 기능은 식품분야에서 그것의 보존 등 폭 넓게 이용될 수 있을 것이다.

그림 3  대장균의 생육에 미치는 키토산 농도의 영향

균 생육은 탁도로써 측정 ; 키토산 농도 0.01∼0.03% ; 키토산 농도 0.02% 이상

에서의 생육은 저해되었다.

(4) 키토산의 세포 면역 부활

키토산은 동물 헬파-T-세포, NK-세포, 장강내 마크로파지 세포를 활성화시키고 인터로이킨Ⅰ, IgM 이나 IgG 항체 등의 생산을 높이고 백혈증 L120 복수암, 휘브로잘코마 암 에의 제암 기능, 키토올리고당의 체액·세포면역을 부활시키며, 항 종양 기능을 가지고 있다. 또한, 식물 세포벽인 양배추 이파리의 카르스 배양(25일간)에서 카르복시메칠 키토산은 키티나제와 키토사나제 활성을 2∼4배로 부활 시켰다. 이러한 기능을 일상 식품에 키틴 키토산을 첨가함으로써 부여할 수 있다.

맺    음    말

키틴, 키토산의 연구 역사는 오래되었지만, 이것의 본격적인 식품 분야에의 연구 역사는 짧다. 키틴, 키토산은 (1) 생체성분(다당), (2) 무독성, (3) 생물 분해성, (4) 생물 재생산성 이라는 특성을 가지며 거기에다, (5) 바이오매스이다.

표 2에 나타낸 것처럼, 키틴, 키토산의 수 많은 기능은 셀룰로스의 기능과는 매우 다르다. 키틴, 키토산과 같이 소화흡수되어, 그 일부는 에너지원으로 되는지도 알려지지 않았다. 특히, 키틴, 키토산의 동물·식물 세포 면역부활 기능은 식품분야에서 특히 주목할 만하다. 키틴, 키토산 및 관련효소를 식품분야에서 단순한 식품 증량제가 아닌 기능성 식품용 소재로써의 연구 개발은 금후, 국제적으로도 중요한 과제가 될 것이다.