키틴질의 新 기능과 식품에의 유효 이용

키틴, 키토산의 과학

(次田降志 : 쯔끼다 다까시)

C    C    R    C

키틴질의 신 기능과 식품에의 유효이용

서  론

현재 수년간에 키틴질(키틴, 키토산) 및 그 관련 효소에 관한 많은 연구가 이루어져왔다. 일본에서는, 본 특집 중에도 집필된 鳥取大·平野茂博교수, 北海道大·戶倉淸一교수 등이 중심이 되어 정력적으로 키틴질에 관한 연구가 추진되어 현재 일본이 이 분야에서 연구의 중심적 지위를 차지하고 있다고 해도 과언이 아니다.

식품에의 응용이라고 하는 관점에서 이들의 연구를 볼 경우, 아직 충분한 성과가 얻어졌다고는 할 수 없다. 그러나, 지금까지의 연구결과 중에도 금후, 키틴질을 식품분야에 유효 이용할 수 있는 위치에 있다고 생각되는 흥미 깊은 기능에 관한 보고가 많이 보여졌다. 본 고에서는, 이것에 대해서 소개함과 함께, 키틴질의 식품에의 이용 가능성에 대해서 고려해 보고자 생각한다.

1. 식품 이용에 관여하는 키틴질의 기능

1. 1  吸水性과 계면활성

Muzzarelli는 키틴의 흡습성은 마쎌화된 셀룰로오스 섬유와 비슷하지만, 키틴 표면의 물에 대한 활성과 투과성은 셀룰로오스 섬유보다 낮다고 보고하였다.

Knorr에 의하면 키틴, 微결정화 키틴, 키토산질의 吸水力은 미결정화 셀룰로오스보다도 상당히 크고, 결정화도의 차이에 의하는데, 키틴의 흡수율은 325∼440%(w/w)이었다고 보고하였다.

한편, 키틴 미결정화 키틴, 키토산에는 유지를 170∼215% 성질도 있고, 미결정화 키틴은 초음파 처리장치를 이용하면 키틴 1g당 900□의 기름을 乳化 할 수 있다고도 보고하였다.

키틴이 가진 이러한 기능의 활용의 한 가지로써 생각되는 것으로 빵 등에 있어서 增量齊가 있다. 즉, Knorr에 의하면, 소맥분 빵이나 단백질 강화 빵(포테이토 단백질을 소맥분에 8% 첨가한 것)에서는 가루에 미결정화 키틴을 가하면 키틴 첨가량의 증가에 따라서 빵의 용량이 늘어난다고 하는 결과를 나타내었다(그림1). 그것의 최적 加水量은, 소맥분에 대해서 65%로 특히, 단백질 강화 빵에 있어서도, 유화제나 쇼트닝을 가하지 않아도 용적을 늘릴 수 있다는 것은 주목할 만 하다. 이러한 것은, 키틴이 가진 계면활성 작용에 의해, 단백질 첨가 시에 있어서 빵의 용적 감소를 막아주기 때문인 것으로 생각된다.

그림 1  포테이토 단백질 강화 소맥분 빵의 용량에 대한

물과 미결정화 키틴 첨가량의 효과

1. 2  분자간 특성과 흡착특성

Dunn과 Austin은 식품을 실온 하에서 저장 할 경우 레토르트 살균을 되풀이하면 동결 해동을 되풀이 할 경우에 미결정화 키틴이 미결정화 셀룰로오스보다도 빨리 분산성을 나타낸다고 하는 특허를 제출하였고, 그들은 미결정화 키틴이 식품의 증점 안정제로써 이용될 수 있게 하였다. 또한, 기계적 안정성은 알긴산칼슘의 겔과 동등하다고 하는 보고도 있다.

Knorr는 키틴과 키토산의 식용색소에의 흡착시험을 하였다. 즉, 1g의 키틴 또는 키토산에 대해서 적색 40호 색소는 0.2∼1.6□이 흡착되었는데, 키틴에 흡착된 색소는 pH 2.0∼6.0에서는 전혀 이탈되지 않았다. 또한, 키틴 1g에 同색소 0.74□을 가한 것을 사료에 첨가하여 쥐에게 주었을 때 체중증가, 내장기관 등에 어떠한 이상도 보이지 않았다.

이상의 것은 키틴이 식용색소의 非소화성 캐리어로 될 수 있다는 것을 시사하고 있다고 말해도 좋을 것이다.

1. 3  장내 유용세균 생육 인자로써의 키틴질

우유로 치즈를 제조 할 때에 부산물로써 생기는 찌꺼기는 많은 고품질 단백질을 함유하고 있지만 70% 가까운 락토스를 함유하여 사람 성인의 일부를 포함한 많은 포유동물은 이 락토스를 소화 할 수 없다는 것이 알려져 있다. Austin등은 찌꺼기의 유효활용을 목적으로써 키틴의 분해물이나 微결정화 키틴을 찌꺼기와 함께 동물의 사료 중에 가하여 동물의 성장을 보는 실험을 하였다.

먼저, 랫트를 이용하여 통상 사료에 30%의 찌꺼기와 키틴의 분해물인 N-아세틸글루코사민의 프로필글리코시드 1.2%를 가한 群(NAG 첨가 군)과 찌꺼기만을 가한 군(NAG 무 첨가 군)에 대해서 8주간의 공여 시험을 하였다. 그 결과, NAG 첨가 군은 NAG 무 첨가 군에 비해 높은 성장률을 나타내는 것뿐만 아니라, NAG 무 첨가 군에서는 격심한 설사 증상을 일으켰고, 죽기까지 한 것도 있었다.

다음으로 그들은 미결정화 키틴과 찌꺼기를 각각 단독 또는 혼합하여 통상 사료에 첨가하고, 이것들을 닭에게 주는 시험을 하였다. 그 결과는 표1에 나타내었듯이, 미결정화 키틴 또는 찌꺼기를 단독으로 첨가한 群(그룹2 및 3)에서는 통상 사료 군(그룹1)에 비해서 확연하게 성장률이 저하되었다. 이에 대해서 20%의 찌꺼기와 2%의 미결정화 키틴을 첨가한 군(그룹4)에서는 성장촉진효과가 인지되었다.

표 1  미결정화 키틴과 찌꺼기 첨가사료 공여에 의한 병아리의 성장률

이러한 연구는, 주로 찌꺼기의 유효이용이라는 관점에서 행해진 것으로, 그 성과는 아직 경제적 문제가 남아 있지만 장래에는 키틴질의 사료 첨가물로써의 활용으로 이어질 것이다. 그러나, 동시에 이러한 연구의 결과로부터 키틴 또는 그 분해물이 동물의 장내 유용세균의 생육을 도와준 결과, 이들 세균으로부터의 락타제에 의한 락토스의 분해와 그 이용에 유용하다고 생각하는 것은 무리가 아니 결론이라고 말할 수 있지 않겠는가?

이와 같이, 키틴질의 장내 유용세균 생육인자로써의 데이터는 현재까지는 동물 실험에 의한 것밖에 얻어지지 않았다. 그러나, 금후, 사람의 장내 유용세균에 대한 선택 이용성 시험 등을 함으로써, 장내 유용세균의 생육인자로써 키틴질을 식품분야에 이용하는 것은 충분히 기대된다.

1. 4  降콜레스테롤齊로써의 키토산

현재의 식생활 중에서 高콜레스테롤 혈증의 예방과 개선은 중요한 문제라고 할 것이다. 菅野 등은 천연에 존재하는 카치온성 섬유로써 키토산을 주목하고 그것의 降콜레스테롤 효과에 관한 연구를 하였다.

그들은, 키토산은 그 구조로부터 소장 내에 있어서 담즙 산과 어떠한 상호작용을 발휘하는 것으로 생각하고, 먼저 시험관 내에서의 키토산과 담즙 산의 결합성에 대해서 조사하였다. 그 결과, 산성 쪽에서의 결합 능은 종래부터 알려진 펙틴 보다 강하고 담즙산 보조제로써 범용되고 있는 콜레스틸아민과 동등하지만 중성 쪽에서의 결합 능은 약하다는 것이 인지되었다. 이러한 점으로부터 胃 내에서 可溶化된 키토산이 소장 상부에서 어떠한 기능을 한다는 것이 추측되었다.

그래서 그들은 다음으로, 각종 레벨의 키토산을 함유한 고콜레스테롤食을 랫트에 약 20일간 주고 血漿 및 간장 중의 콜레스테롤과 트리글리세라이드에 미치는 영향 등을 조사하였다. 그 결과, 血漿 콜레스테롤 농도 상승 억제작용은 키토산 2∼5%레벨에서, 콜레스테롤아민의 것에 대비 될 만큼 상당히 인지되었고 하지만, 5%레벨까지는 랫트에 있어서 섭취량, 체중 증가량 등에 영향은 없었다. 간장중의 콜레스테롤 및 트리글리세라이드에 대해서도 상당한 감소가 보여졌다(표2).

더욱이, 低레벨(0.5%)의 키토산을 함유한 무콜레스테롤식을 장기간(80일) 투여한 경우, 혈장 중의 총콜레스테롤에 두드러진 영향은 없었지만 LDL-콜레스테롤의 비율은 저하되었고 HDL-콜레스테롤의 비율은 상승하였다. 여기에서 LDL-콜레스테롤이란 것은 일반적으로 「惡玉 콜레스테롤」이라고 불리어지고, HDL-콜레스테롤은 「善玉 콜레스테롤」이라고 불리어 진다. 이와 같이 저 레벨의 키토산 투여에 있어서도 흥미 깊은 결과가 얻어진 것은 주목 할만 하다고 생각된다.

한편, 石井 등은 고콜레스테롤 血症으로 만든 랫트에 탈아세틸화도와 점도(분자량)가 다른 4종류의 키토산을 각각 4% 첨가한 사료의 공여 시험을 하였다. 그 결과, 사용한 키토산 중에는 탈아세틸화도 90% 이상의 키토산이 혈청 콜레스테롤 저하작용, HDL-콜레스테롤 상승작용을 상당히 나타내었고, 또한 糞(분) 중의 콜레스테롤 및 담즙 산 배출 효과도 인지되었다.

이상은 모두 랫트를 대상으로 한 것인데, 平野 등은 5% 키토산 첨가사료로 成鷄를 사육하여 혈청 중 콜레스테롤 등의 변화를 조사하였다. 그 결과, 키토산 첨가 群은 컨트롤 群에 비해 일주일 이내에 혈청 콜레스테롤 레벨이 3/5로, 혈청 아실글리세롤 레벨이 1/10로 저하되었다. 또한, 사료 중에의 키토산 첨가를 중지하면 일주일 이내에 혈청 콜레스테롤 레벨과 아실글리세롤 레벨은 컨트롤 레벨로 돌아갔다. 또한, 키토산 첨가 군과 컨트롤군의 시험 닭에 대해 병리 해부를 했는데, 兩者간에 특히 이상은 없고 간장의 크기, 중량도 兩者가 거의 같았다.

또한, 平野 등은 토끼에 있어서 콜레스테롤 저하 시험을 하였다. 그것에 의하면 0.9%의 콜레스테롤을 사료에 가한 컨트롤 군에 비해서 여기에 2%의 키토산을 첨가한 군에서는 혈청 콜레스테롤 레벨이 1/3로, 혈청 트리아실글리세롤이 1/2로 감소되었다. 또한, 병리 해부에 의하면 컨트롤군의 간장이 이상한 갈색인 것에 비해 키토산 첨가 군에서는 정상적인 암갈색을 띠고 있었다.

이들 실험결과에 보여지듯이, 탈아세틸화도가 어느 정도 이상인 키토산에는 확실히 콜레스테롤 저하 작용이 인지되었고, 하지만, 그 안전성도 상당히 높다는 것이 나타났다. 금후는 이러한 데이터를 바탕으로, 사람에 있어서 각종 시험을 함으로써, 키토산을 건강식품 소재로써, 더 나아가 降콜레스테롤齊로서 활용할 것이 기대된다.

1. 5  키토산 및 그 분해물의 항균성

키토산 및 그 분해물의 식물 병원균성 곰팡이의 생육에 영향을 미치는 것이 알려져 있다. 內田 등은 콩과의 곰팡이인 Fusarium solani의 증식에 대한 키토산의 영향을 조사하였다. 그 결과, 키토산 0.1%의 첨가로 이 곰팡이의 증식을 완전히 억제하는 것을 알았다. 다음으로, E. coli(대장균)의 증식에 대한 키토산의 효과를 조사했을 때, 0.02%의 농도로 대장균의 증식을 완전히 저지하는 것이 밝혀지게 되었다. 또한, 內田 등은 키토산에 가해서, 키토산을 키토사나제로 약 5% 분해한 경도 분해물 및 키토산 올리고당에 대해서 각종 미생물에 대한 최소 증식저지농도(MIC)를 구하였다. 그 결과는 표3에 나타내었듯이 그람음성, 양성의 세균에 대해서 현저한 증식억제 작용을 나타내었고, 그 항균 활성의 강도는 키토산 경도 분해물, 키토산, 키토산 올리고당의 순서이었다.

이와 같이, 키토산 및 그 분해물에는 항균활성이 보여졌으므로 그것의 안전성이 확인되면, 이것들을 항균제로써 식품에 응용하는 것도 가능할 것이다.

표 3  각종 미생물에 대한 키토산, 키토산 분해물,

키토산 올리고당의 최소 증식 저지농도

Bacteria	MIC
	Chitosan	Hydrolysate (50□ TRS/g)	Oligomer (508□ TRS/g)
E. Coli P. aeruginosa B. subtilis S. aureus	0.025 0.040 0.050 0.050	0.025 0.020 0.020 0.025	0.500 0.600 0.600 0.600

2.  키틴질의 안전성과 금후의 문제

이제까지 서술하였듯이 키틴질은 그것을 식품 분해에 응용하여 얻은 여러 가지 기능을 갖고 있다. 그러나, 식품에의 이용이라는 것을 생각 할 경우 먼저 문제가 되는 것은 안전성일 것이다. 키틴은 새우, 게 등의 껍질의 구조성분 물질로, 우리들은 오랫동안 간식으로 먹어왔으므로 먼저 문제는 없을 것이다. 키토산도 일부 미생물의 세포벽을 구성하는 천연성분이긴 하지만 키틴 만큼 먹어왔다고는 할 수 없으므로 불안은 남아있다.

그런, Arai 등은 마우스에 1일 체중 1Kg당 18g 이상 투여했지만 무해하다고 보고하였고, Landes 등에 의하면, 랫트의 사료에 키토산을 5% 첨가하여 사육해도 성장률, 내장, 혈청 중 성분 등에 대해서 對象群에 비해서 어떠한 차이도 없었다. 똑같은 결과는, 前述한 菅野, 平野 등의 보고에서도 보이지 않았다.

더욱이, 현재로써는, 적어도 동물실험으로부터는 식품 중에 5%정도 이하의 함유라면 안전하다고 해도 좋지만 금후, 장기간에 걸친 섭취시험이나 사람에서의 시험을 할 필요는 있을 것이다. 또한, 키틴질의 분해물에 대해서도 똑같은 시험을 요한다고 생각된다. 그리고, 그러한 시험을 반복하다 보면, 키틴질을 식품분야에 유효이용 하기 위한 길이 열리지 않겠는가?