키틴·키토산 올리고당의 개발과 현상

키틴, 키토산의 과학

(坂井和男 : 사까이 카즈오)

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키틴·키토산 올리고당의 개발과 현상

서  론

최근, 키틴·키토산의 이용연구는 급속히 진전되어 왔지만 문헌, 특허의 수에서보면 압도적으로 고분자 물질로서의 이용이 많다고 생각된다.

이러한 고분자 물질에 대해서 저분자물질로는 키틴·키토산을 가수분해하여 얻은 단당류인 D-글루코사민, N-아세틸글루코사민이나 소당류인 키틴올리고당, 키토산올리고당 등이 떠오르지만, 이러한 저분자 물질의 기능과 이용도 未이용자원으로써의 키틴·키토산의 고도 이용을 달성하는데에 상당히 중요한 것이다.

이러한 점으로부터, 키틴을 분해하는 키티나제, 키토산을 분해하는 키토사나제 등, 효소를 이용한 저분자화의 연구가 차츰 많아진 것이 현상이다.

여기에서는, 非효소적 수단에 의한 단당, 키틴올리고당, 키토산올리고당의 제법을 중심으로 그 개요와 용도개발의 일단을 소개한다.

1. 키틴의 가수분해물

키틴은 새우, 게 등의 갑각류, 투구벌레, 귀뚜라미 등의 곤충류, 기타 표고버섯, 균류 세포벽의 구성성분으로써 함유되어 식물계에 있어서 셀룰로스처럼 생물체의 지지나 방호의 역할을 하는 다당류이다. 이러한 점으로부터 전분 등의 저장 다당과는 달리, 화학적, 물리적으로도 매우 강고한 성질을 갖고 있다.

그러나, 키틴을 강산인 농염산, 황산, 질산 등으로 처리하면 글루코시드 결합의 가수분해가 일어나, 각종 저분자 물질이 생성된다. 한편, 키틴의 탈아세틸체인 키토산도 똑같이 가수분해되는데 키틴에 비해 가수분해에 대하여 강한 저항성을 나타낸다. 그림1에, 키틴·키토산을 농염산으로 처리한 경우의 생성물과 그 관련 물질을 나타내었다.

현재, D-글루코사민염산염이 의약품 원료로써 공업적으로 생산되고 있는데 키틴올리고당, 키토산올리고당, 그 외의 관련물질에 대해서도 제법의 연구와 용도개발이 진행되고 있다.

그림 1  키틴·키토산 관련물질

2. 단당류

키틴을 염산으로 완전 가수분해하면 단당인 D-글루코사민염산염이 얻어진다. 이 D-글루코사민염산염으로부터 D-글루코사민황산염, 글루코사민산, N-아세틸글루코사민 등의 유도체가 제조된다(그림2).

그림 2  D-글루코사민 유도체의 구조

D-글루코사민염산염                    D-글루코사민산

D-글루코사민황산염                   N-아세틸-D-글루코사민

D-글루코사민염산염은, 키틴을 농염산으로 약 100℃에서 수 시간 가수분해하면 키틴의 구성단위인 N-아세틸글루코사민으로부터 아세틸기가 탈리된 D-글루코사민이 생성되며, 과잉의 염산을 농축조작으로 제거하여, 키틴으로부터의 수율 70∼80%로 염산염의 결정품으로써 제조된다.

현재, 일본 내에서의 수요는 없지만, 해외에 있어서는 칼슘대사 및 연골 조직에 있어서 칼슘대사에 작용하여, 골 및 관절성 질환에 의약품으로써 이용되고 있다. 또한, D-글루코사민황산염도 똑같이 이용된다.

N-아세틸글루코사민은 키틴의 구성단위인데, D-글루코사민염산염을 원료로하며 N-아세틸화 반응에 의해 화학적으로 합성된다. N-아세틸글루코사민류는 비피더스균의 증식인자로 불리어지는데, 그 감미성으로도 식품에의 응용이 고려된다.

또한, D-글루코사민산은 D-글루코사민의 산화에 의해 생성되는 아미노산의 일종인데, 감미제, 조미료, 의약 원료로써 유효하다고 생각되어, 미생물에 의한 제조도 검토되고 있다.

3. 키틴올리고당

올리고당이란 글루코스, 락토스 등의 단당이 수 개 결합한 당류의 총칭으로 최근 새로운 물질로써 주목받고 있다. 예를들어, 슈크로스의 글루코스 분자에 글루코스가 1∼8개 결합한 커플링 슈거, 슈크로스에 프락토스가 1∼4개 결합한 프락토올리고당, 글루코스가 □-1,4 결합으로 수 개 결합한 말토올리고당 등이 있다. 이것은 낮은 우식성, 非소화성을 살린 감미제로써의 이용, 유제품 중에의 비피더스 인자로써의 이용, 시약이나 의약에의 이용 등이 이미 실용화되었다.

키틴올리고당은 N-아세틸글루코사민이 □-1,4 결합으로 2∼7개  결합된 올리당으로, 키틴을 부분 가수분해하여 얻을 수 있다. 그 구조를 그림3에 나타내었다.

그림 3  키틴올리고당의 구조

또한, 일반적으로 키틴의 올리고당은 키토올리당이라고 칭하기도 하지만, 키토산의 올리고당과 혼동하기 쉬우므로 키틴올리고당 또는 N-아세틸키토올리고당이라고 칭하는 것이 좋다고 생각된다.

4. 키틴올리고당의 제법

키틴올리고당의 조제는, 과거 몇 가지가 있었다. 1964년 Rupley는 라이소자임 기질로써의 키틴올리고당을 얻기위해 키틴을 농염산으로 부분 가수분해하고 활성탄-셀라이트 칼럼으로 분리 정제를 하여 단당인 N-아세틸글루코사민에서 5당인 N-아세틸키토펜타오스까지의 단품을 얻어냈다. 특히, 염산 가수분해 조건에 대해서는 상세한 검토를 가하였지만, 4당 이상의 올리고다의 수율은 낮았다. 또한, Baker등은 키토산을 출발물질로하여 농염산에 의한 부분 가수분해에 의해 일련의 키토산올리고당을 조제하고, 이것을 N-아세틸화 한 후, 활성탄-셀라이트 칼럼으로 분리 정제를 하여 단당에서 7당인 N-아세틸키토헵타오스까지의 키틴올리고당을 비교적 수율 좋게 얻어냈다. 또한, 平野등은 각종 치환도를 가진 부분 N-아세틸화 키틴을 과요오드산 산화 후, 환원처리를 하고, 이것을 가수분해하여 겔 여과 크로마토그라피에 의해 각종 중합도의 키틴올리고당 유도체를 얻었다. 기타, 키틴올리고다의 조제법으로써는 아세트리시스에 의한 방법도 몇 가지 보고되었는데, 어떠한 경우에도 5당, 6당 이상의 올리고당이 얻어지지 않았다. 이와같이, 올리고당의 조성, 수율은 가수 분해의 조건이나 방법에 영햐을 크게 받는다고 생각된다.

또한, 키틴의 부분 가수분해액으로부터의 올리고당의 조제에는 전술한 활성탄-셀라이트 칼럼을 이용한 흡착 분리법이 널리 이용된다. 이 방법은, 활성탄이 올리고당만을 특이적으로 흡착하고, 단당이나 중화에 의해 副生된 염류를 흡착하지 않는 특성을 이용한 것으로, 올리고당의 용출에는 알콜 등이 이용된다. 또한, 올리고당을 용출 할 때에, 알코올 농도를 변화시키면, 2∼7당의 올리고당을 각각 분리 할 수가 있다. 그림 4에 그 분리 결과를 나타내었다.

그림 4  활성탄-셀라이트 칼럼에 의한 키틴올리고당의 분리

시료 : 키틴올리고당 10%, 200□

칼럼 : 활성탄-셀라이트 칼럼

내경 4.4□×길이 100□

용출액 : 수성 에탄올

10%∼50% 그레디언트

검출 : UV 검출기(215□)

그렇지만, 활성탄-셀라이트에 의한 방법으로는 활성탄의 올리고당 흡착량이 적다는 점, 올리고당의 용출에 다량의 알코올을 필요로 한다는 점, 단당인 N-아세틸글루코사민이 회수되지 못한다는 점 등의 단점이 있어, 공업적 생산에 있어서는 문제가 있다고 생각된다.

여기에서, 활성탄-셀라이트법 대신 새로운 키틴올리고당 조제법을 소개한다. 이 제조법은 키틴의 부분 가수분해 후의 중화 용액으로부터의 탈염을 이온교환 전기투석법으로 하는 것을 특징으로하며, 단당인 N-아세틸글루코사민을 함유하며 생성된 키틴올리고당을 효율 좋게 회수 할 수 있어, 공업적 생산을 가능하게 한 것이다. 그림 5에서는 本法에 의해 얻어진 키틴올리고당의 HPLC에 의한 분석 결과를 나타내었다.

그림 5  HPLC에 의한 분석

[분해조건]

농염산 중 40℃, 3시간

[수율]

50%(對 원료 키틴)

[분석조건]

칼럼 : 逆相系 칼럼

길이 : 300□(×내경 3.9□)

시료 : 20□(30□/□)

유속 : 0.8□/min

압력 : 800psi

온도 : 실온

검출기 : 시차 굴절계

다음으로, 키틴올리고당의 2당에서 6당 까지의 고순도 정제인데, 활성탄-셀라이트 칼럼에 의한 분리방법 만으로는 한계가 있고, 더욱더 겔 여과, 액체 크로마토그라피 등의 수법에 의한 정제가 적당하다고 생각된다. 표1에 정제한 각각의 올리고당의 성질을 정리하였다.

표 1  키틴올리고당의 물성

5. 키토산올리고당

키토산올리고당은, D-글루코사민이 □-1,4 결합으로 2∼10개 결합한 올리고당으로, 키틴을 부분 가수분해하여 얻을 수 있다. 키틴올리고당의 탈아세틸화체로, 또한 염산의 가수분해에서는 모두 염산염의 형태로 조제된다.

6. 키토산올리고당의 제조법

키토산올리고당의 조제는 키틴올리고당 보다 오래전인 1957년 Horowitz등에 의해 행하여졌다. 그 조제법으로써는, 키토산을 농염산으로 가수분해하고 과잉의 염산을 농축조작으로 제거하여, 陽이온 교환 크로마토그라피로 각각의 올리고당을 분리하는 방법이 이용된다.

가수분해 공정에 있어서, 키토산은 키틴에 비해 희산에 용해되는 것의 酸가수분해에 대한 저항성이 강해지는 성질이 있어, 가수분해 조건을 강하게 할 필요가 있다. 또한, 분리 정제에는 양이온교환크로마토그라피를 이용하여 염산의 농도구배에 의해 중합도가 낮은 올리고당으로부터 순서대로 용출 할 수 있다. 그 분리결과를 그림 6에 나타내었다.

키토산올리고당의 분리는, 키틴올리고당 보다도 양호한 결과가 얻어져, 9당까지의 분리가 가능하다. 표2에, 정제한 각각의 올리고당의 성질을 정리하였다.

표 2  키토산 올리고당의 물성

그림 6  이온교환크로마토 칼럼에 의한 키토산올리고당의 분리

7. 키틴·키토산 올리고당의 용도개발

7. 1  식품 분야

키틴올리고당은 상쾌한 감미를 갖고있어서 식품소재로써의 이용이 기대된다. 일반적인 올리고당과 같이 낮은 우식성, 비소화성을 살린 감미제, 유제품 中의 비피터스 인자로써의 이용이 고려된다. 비피더스 인자의 관계에서는, 키틴올리고당과 유당을 라이소자임의 전이반응을 이용하여 결합시켜, 비피도박테리움균의 증식 촉진제로써의 검토가 이루어졌다.

또한, 키틴올리고당은 단당인 N-아세틸글루코사민에 비해, 그 중합도가 커질 뿐만 아니라 감미성, 흡습성, 용해성 등이 차츰 저하되는 성질을 가지며, 식품의 텍스쳐의 개량, 보수성의 향상, 수분 활성의 조정효과 등도 기대된다.

한편, 키토산올리고당은 물에대한 용해도가 상당히 높은 점조한 용액으로 되며, 맛은 달고 쓴 맛이 나는 것이 많다. 키토산올리고당에는 항균성 작용이 있다는 것이 보고되어 식품에의 이용 가능성이 있다.

7. 2  의약품 분야

이미, 키틴이 세균 감염증 예방이나 더 나아가 항암 효과가 있다는 것이 보고 되었다. 이것과 관련하여 최근, 키틴 올리고당이 면역기능 항진효과를 갖고 있다는 것이 보고 되었는데, 키틴올리고당 중에서 6당인 N-아세틸키토헥사오스에 제일 강한 효과가 있다고 하였다. 더욱이, 항 감염증 효과나 항 종양 효과에 대해서도 보고 되어져, 의약품으로써의 가능성은 크다.

7. 3  임상 진단약

옛부터 키틴올리고당은 라이소자임에 의해 분해되는 것으로 알려져 있다. 그리고, 그 분해속도는 3당을 1로 할 경우, 2당은 0.003, 4당은 8, 5당은 4,000, 6당은 30,000이라고 보고되었다.

최근, 이 성질을 이용하여 4당에 p-니트로페놀이나 4-메칠움베리페론 등의 발색단을 부가한 유도체가 합성되어져 라이소자임의 기질로써의 응용이 시도되었다. 또한, 當 연구소에서는 4당에 비해 라이소자임의 분해속도가 빠른 5당에 p-니트로페놀을 결합시킨 유도체를 합성하여 라이소자임 기질로써의 검토를 한 결과, 4당의 유도체 보다도 우수한 기질이 된다는 것을 발견하였다(그림7).

그림 7  키틴올리고당 유도체

그런데, 라이소자임은 소염이나 출혈방지 효과가 있어서 의약품 제제에 널리 이용된다. 또한, 혈중, 뇨중에도 존재하며, 어떤 종류의 질환에서는 정상보다 높은 수치를 나타내는 것으로 알려져 있다. 이러한 점으로부터, 키틴올리고당 유도체를 기질로 한 라이소자임의 활성 측정은 의약품의 품질관리나 임상진단에 중요하여 금후 그 의의를 점점 깊게 할 것으로 기대된다.

7. 4  식품 생리

키틴·키토산 올리고당의 매우 흥미깊다고 생각되는 이용의 가능성이 있다. 그것은 식물의 생장, 분화 또는 생체방어에 관여하는 정보전달 물질로써 활성을 가진 올리고당이 있다고 하는 것이다. 최근, 키토산올리고당의 식물병원균에 대한 항균활성과 사야완두(꼬투리 완두)가 생산하는 항균성 물질의 생성에 미치는 효과나 키틴올리고당의 식물 호르몬인 에칠렌의 생성에 관련된 효과 등이 보고되었다.

금후, 식물 생리활성 천연물로써 농업분야에의 이용도 기대된다.

7. 5  기타

키틴올리고당은 키티나제, 라이소자임 등의 효소나 렉틴의 정제에 어피니티크로마토의 리간드로써 이용 할 수 있다. 이들 효소, 렉틴의 작용기구나 특이성을 조사되었고, 중요한 연구시약으로써 이요되고 있다. 기타, 고속 액체 크로마토그라피, 페이퍼 크로마토그라피 등의 분석에 있어서 표준물질이나 생리활성 물질의 합성재료로써도 가치가 있다고 생각된다.

맺음말

키틴·키토산올리고당 개발의 현상을 서술하였는데, 최근에는 화학적 방법 대신 키티나제나 키토사나제에 의한 효소적 방법에 의한 올리고당의 제조 연구가 계속해서 이루어졌다. 그러나, 공업적 생산을 가능하게 하는데 까지는 도달하지 못했다. 화학적 방법과 효소적 방법의 양자를 잘 조합시켜야 하겠지만 가능 할 것으로 생각된다.

또한, 용도 개발에 대해서도 연구가 시작에 불과하므로 더욱 키틴·키토산올리고당의 물성, 특성을 상세히 검토 할 필요가 있을 것이다.

현재, 키틴·키토산올리고당은 여러 분야에서 용도가 폭 넓어져서, 새로운 기능을 가진 당류로써 기대 할 만한 물질이다.