수용성 키틴, 키토산의 개발과 응용

키틴, 키토산의 과학

(河口智章(가와구찌 토모아끼), 廣江英二(히로에 에이지), 米澤誠之(요네자와 노부유끼))

C  C  R  C

수용성 키틴, 키토산의 개발과 응용

서  론

갑각류, 곤충류, 조개류 및 균류의 세포벽 등 하등 동물의 외피 골격 조직의 성분으로서 알려진 키틴은, 생물계에 있어서 연간 1,000억톤(추정)이나 생성되는 셀룰로오스에 이은 바이오매스 자원이다. 그러나, 키틴의 원료가 되는 게 껍질, 새우 껍질은 단순히 껍질에 부착된 단백질이 부패해서 악취를 발생시키는 것에 그치지 않고 키틴이 강고한 결정구조를 갖고 있어서 용해성, 반응성이 나빠서 산업폐기물로서 취급되어 왔다. 최근, 그 폐기물이 각 분야의 소재로서 주목받게 되어, 연구개발도 활발화 되어 成書 및 총설이 다수 보여진다.

키틴은 그림 1에 나타낸 것처럼, 2-Acetamido-2-deoxy-□-D-Glucan이 (1→4)결합된 직쇄상 폴리머이다. 자연계에 있어서 키틴은 분자 내에 존재하는 아미노아세틸기에 의해 매우 강고한 分子間力의 결정구조를 가지고 있어서 물, 희산, 알칼리 용액, 알코올 및 그외 일반적인 유기용제 뿐만 아니라 셀룰로오스의 용제인 銅암모니아 시약에도 용해되지 않는다. 또한, 농염산, 농황산, 85%인산에는 용해되지만 현저한 분자량 저하를 일으킨다. 현재까지 키틴을 용해하는 시약의 탐색이 이루어졌는데 알칼리 키틴이나 Li, Ca가 할로겐 또는 치오시안산염 수용액에의 키틴의 분산 등에 의해 키틴 도프로 하는 방법·또는 클로로에탄올과 농황산, 트리클로로초산을 함유한 혼합계, 헥사플로로이소프로필알코올과 헥사플로로아세톤의 1.5배 가수물 및 메탄설폰산 등 극성 용매에 용해된다. 또한, Austin은 LiCl과 디메칠아세트아마이드 또는 N-메칠피로리돈 및 이들 혼합 용액이 키틴의 좋은 용매라는 것을 발견하였다.

키토산은 키틴을 농알칼리로 가열 처리하여 얻어진 탈아세틸화물의 것을 가리키는데, 그림 1에 그 구조를 나타내었다. 키토산은 키틴에 비해서 용해 시 묽은 염산, 질산 등의 무기산, 포름산, 초산, 호박산, 유산, 사과산 등의 유기산의 묽은 수용액에 쉽게 녹는다.

그러나, 이들 키틴, 키토산 용액의 사용용도는 자연히 한정되게 되므로 수용성으로 만들 필요가 있다. 이러한 수용성으로 만들기 위한 연구가 행하여졌다. 본 項에서는 수용성 키틴, 키토산의 현황 및 그 응용에 관해서 소개하고자 한다.

그림 1

1. 키틴, 키토산의 水溶性化

1. 1  수용성 탈아세틸화 키틴

키틴을 불균일계에서 알칼리로 처리하면 탈아세틸화 반응에 의해 키토산을 생성한다는 것은 잘 알려져 있다. 그러나, 키토산은 물에 불용성이며, 희산성 수용액에는 可溶이다.

山南 등은 키틴의 탈아세틸화 반응의 연구를 하여 그 결과로서 균일계에서 탈아세틸화 반응을 하면 탈아세틸화도 45%∼55%의 키틴이 물에 可溶이라는 것을 발견하였다.

1. 2  글리콜 키틴, 글리콜 키토산

키틴을 알칼리 키틴으로 한 후, 에칠렌옥사이드 또는 2-클로로프로판올을 반응시키면 물에 가용한 글리콜을 얻는다. 또한, 글리콜 키틴을 알칼리 수용액 중에서 탈아세틸화 반응을 시키면 글리콜 키토산이 얻어진다.

1. 3  카르복시메칠 키틴

셀룰로오스의 카르복시메칠화 반응을 이용하면 카르복시메칠 키토산이 얻어진다. 즉, 정제한 키틴 분말에 55% 수산화나트륨 용액(0.2%도데실황산나트륨을 함유) 중에서 처리하여 알칼리 키틴으로 만든다. 알칼리 키틴에 이소프로필알코올을 가해, 실온에서 모노클로로초산을 반응시키면 조제의 글리콜 키틴 Na염을 얻는다. 이것을 다시 HCl 처리하면 염이 아닌 글리콜 키틴이 얻어진다. 치환도는 0.7 정도, 분자량 6∼10×104 정도로 보고되었다.

그림  2

그림  3

또한, 최초에 DMSO 중에서 키틴을 팽윤시켜서 알칼리 키틴으로 만든 후, 2-프로판올 중에서 모노클로로초산을 반응시키는 방법도 있는데, 이 방법으로는 치환도 0.99의 유도체가 얻어졌다.

여기에서 생성된 카르복시메칠 키틴은, 일부의 아세트아마이드기가 아미노기로 변화되므로 兩性 전해질로서 물에 용해된다.

1. 4  황산화 키틴, 키토산

키틴, 키토산의 황산에스테르는 抗凝血劑로서 유효한 헤파린과 구조적으로 비슷하여서 헤파리노이드로서 옛날부터 연구 대상이 되어 있었다.

수분을 함유하지 않은 키틴을 피리딘 중에 침적 처리한 후, 클로로설폰산과 피리딘으로 조제한 황산화 시약 중에서 반응시키면 점조한 겔이 생성된다. 이 겔을 물에 용해하고 탈염을 행하면 치환도 0.8∼1.2, 분자량 2∼5×104의 황산화 키틴을 얻을 수 있다.

여기에서는, 황산화 시약에 클로로설폰산을 소개하였는데, 이외에 농황산, 발연황산 SO3/피리딘, SO3/DMF, SO3/SO2 등도 있다.

황산화 키토산의 경우에는 O-황산화 외에 N-황산화도 가능해서 양자가 공존하는 것이 된다.

1. 5  키토산염

키토산은, 사용 시에 광산 및 유기산에 용해시켜서 사용하지 않으면 안되므로 조작 상에 불편한 면이 있다. 이 문제점을 해결하는 방법으로써, 키토산염의 조제가 있다.

키토산 분말을 0.1%∼5%가 되도록 현탁시키고 키토산의 아미노기에 대해서 당량보다 과잉량의 광산(HCl, 황산 등) 또는 유기산(초산, 젖산, 후말산, 사과산 등)을 가해 용해시킨다. 이 물질에서 과잉의 산을 제거하여 키토산염의 분말화를 행한다.

그러나, 키토산염 자체의 경시적인 변화가 있으므로 불용성이 되는 경우도 있다.

그림  4

그림 5

1. 6  저분자화 키토산

키토산은 일반적으로 희산 용액에 용해되지만 물에는 용해되지 않는다. 그런, 저분자화 키토산(M.W.＠2,000)이 되면 물에 가용성이 된다. 키토산 저분자를 만들기 위한 방법으로서 과산화수소 수용액으로 처리하는 방법 또는, 과붕산소다 수용액으로 처리하는 방법이 알려져 있다. 그러나, 이들 처리법으로는 저분자화 키토산의 분자량이 12,000 정도로서 물에 용해되지 않는다. 佐野 등은 저분자화법을 검토하여 키토산에 염소 가스를 접촉시킴으로써 물에 可溶한 저분자화 키토산(M.W. 2,000 이하)을 발견하였다.

2. 수용성 키틴, 키토산의 응용

2. 1  의학에의 이용

의학 영역에의 키틴 유도체의 이용에 대해서는 戶倉 등의 총설이 있다. 이 중에 수용성 키틴 유도체에 대한 보고가 있다.

키틴의 생체 내 소화성의 지표로서 라이소자임 소화성이 있다. 당 잔기 상의 C-6번 제 1급 수산기를 화학수식하면 그 소화속도는 일반적으로 높아졌고, 6-O-카르복시메칠 키틴에 있어서는 키틴에 비해서 대단히 빠른 속도로 소화 되게 된다. 소화속도와 치환도에는 밀접한 관련성이 있는데, 라이소자임 受容性의 증대 경향은 C-6번의 치환에 한정돼 있고 C-3번 제 2급 수산기가 치환되면 그 속도는 극단적으로 저하된다.

글리콜 키틴에 관해서도 치환도 0.3∼0.8의 것은 라이소자임으로 효과적으로 소화되지만, 글리콜 키틴에 비하면 비교적 작은 소화속도 이다.

인위적으로 레시친 지질 이중 막으로 약물을 포리(包理)한 리포좀은 약물 투여법의 새로운 형태로서 주목되고 있다. 리포좀의 정제화로 생체 내에서의 안정화와 조직 지향성의 향상에 이당류 피복이 주목되는데, 적혈구를 포리한 리포좀(인공 적혈구)은 카르복시메칠 키틴으로 보강되어 혈 중에서도 안정화 된다.

키틴, 키토산의 황산화물은 헤파린 유사 구조를 가지고 있어서 많은 연구가 진행되고 있다.

활성화 부분 트롬보프라스틴 시간에 의한 항응혈 활성은 헤파린(174unit/□=1.0)에 대해서 O-황산화 키토산 1.1∼1.6배, O-황산화 N-아세틸 키토산 1.9∼2.2배, 황산화 O-카르복시메칠 키토산 0.2∼0.3배이었다. 또한, 키틴, 키토산의 황산화 유도체는 낮은 트롬빈 시간 연장과 항 트롬빈 활성을 나타내었고, 항 Xa 인자 활성을 나타내지 않았다. 이러한 항 응혈 특성은 헤파린의 안티트롬빈Ⅲ 복합체에 의한 효소 저해와 다르다는 것을 시사하고 있다. 리포단백리파아제(LPL)의 兎 혈중 방출 활성은 N, O-황산화 키토산 3.4배, 황산화 O-카르복시메칠 키토산에서 0.7배, O-황산화 N-아세틸 키토산에서 0.1배이었다. 혈액 인공투석에서, 헤파린의 LPL 부활에 의한 혈중 유리 지방산 농도 상승에 의한 저해가, O-황산화 N-아세틸 키토산을 이용함으로써 경감되어 주목받고 있다.

2. 2  농업에의 응용

카르복시메칠 키토산과 올리고당(중합도 2∼8)을 함유한 MS 배지로 양배추 이파리 카르스를 배양하면, 카르복시메칠 키토산은 키티나제, 키토사나제 유도체를 촉진하지만 카르스 형성을 촉진하지 않는다. 반대로, 키토산 올리고당은 이들 효소를 유도하지 않지만 카르스 형성을 촉진한다. 식물 세포는 고분자 키토산을 그대로 이용할 수 없지만 먼저 키티나제, 키토사나제를 유도하여, 천천히 생성된 올리고당을 카르스 형성에 이용한다는 것을 시사하고 있다.

키토산(M.W. ∼3,000)으로 피복한 대두에서 키티나제, 키토사나제 활성은 발아 6일 째에서 최고에 달하였고, 비 피복 대두에 비해서 키티나제 활성 1.2배, 키토사나제 활성 1.7배로 높아졌다. 소맥을 키토산 피복(60□∼1,000□/g 종자), 採種, 재배하면 소맥 수율은 미 처리 종자에 비해서 10∼30% 증가하였다.

또한, 고분자 시판 키토산과 저분자 키토산(M.W. ∼3,000)으로 무우 종자 표면을 피복(∼2□ 두께), 채종, 재배하고, 한편으로 미 처리 종자의 생육 초기에 주 3회 저분자 키토산 0.5% 수용성을 엽면 살포 재배하였다. 무우 수확량은 저분자 키토산 피복Ｂ고분자 키토산 피복Ｂ미처리≥저분자 키토산 엽면 살포의 순 이었다.

2. 3  수용성 키틴의 화장품에의 응용

수용성 키틴의 화장품 소재로서의 응용에 관한 近松의 보고가 있다. 近松은 카르복시메칠 키틴, 글리콜 키틴 및 키틴 설페이트를 연구 소재로서 검토를 했는데, 보온성, 습윤성, 성막성, 대전 방지 작용 등 양호한 결과를 나타내었다.

현재, 카르복시메칠 키틴은 기업화하여 일부 화장품에 사용되고 있다.

맺 음 말

마지막으로, 수용성 키틴, 키토산의 기업화에 대해서는 화장품 분야에서 일부 행하여지고 있을 뿐이다. 수용성 키틴, 키토산의 기초적인 연구가 아직 지연되고 있는 것은, 독성의 문제에 불명확한 점이 남아 있다는 것 등 각종 원인이 고려되고 있다. 식품 분야에의 이용도 수용성 탈아세틸화 키틴이 고려되고 있는데 금후의 개발이 해결의 열쇠라고 생각된다.