KR0139615B1 - 0-카복시메틸키틴의제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저불용분 함량의 0-카복시메틸키틴의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 방법은 구체적으로 (1) 키틴을 4℃내지 실온하에서 35 내지 60 중량%의 NaOH 용액과 혼합한 다음 -20℃에서 약 15 내지 20 시간 동결 숙성시켜 알칼리성 키틴을 수득하고, (2) 수득된 상기 알칼리성 키틴을 이소프로판올 중에서 25 내지 60℃하에 30 분 내지 1.5 시간동안 분산팽윤시켜 슬러리를 수득하고, (3) 수득된 상기 슬러리에 클로로아세트산을 이소프로판올에 용해시켜 0.5 내지 2시간에 거쳐 분할 첨가한 후 30 내지 60℃로 유지하면서 2 내지 10시간동안 카복시메틸화 반응 시키고, (4) 상기 슬러리에 탈이온수를 가한 후 빙초산으로 슬러리의 pH를 7로 조정한 다음 여과하고, (5) 수득된 잔사를 에탄올/탈이온수 혼합액으로 세척하고, 에탄올로 세척한후 여과 및 감압건조하여 카복시메틸키틴을 수득함을 포함하며, 본 발명의 방법에 의해 제조된 0-카복시메틸키틴은 0.5% 수용액상태에서 10% 미만의 불용분 함량을 갖고 500 내지 1500 센티포이즈의 점도를 갖는다.

Description

0-카복시메틸 키틴의 제조방법

본 발명은 불용분 함량이 낮은 0-카복시메틸 키틴의 제조방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 고분자량 키틴으로부터 불용분 함량이 낮은 0-카복시메틸 키틴을 수득하는 방법에 관한 것이다.

최근들어 게 및 새우의 대량 어획으로 수산 폐기물인 갑각의 처분에 관심을 갖게 되면서, 이로 부터 추출가능한 키틴의 이용성이 세계적으로 연구 개발의 촛점이 되고 있다. 키틴은 갑각류에서 뿐만 아니라 곤충의 외피, 버섯류, 균류등으로 부터도 추출가능하며, 지구상 에는 대략 10¹¹톤의 키틴이 존재하는 것으로 알려져 있다.

키틴 및 이로부터 유도가능한 키토산은 초기에는 폐수처리나 응집제등의 용도로 사용되었으나 최근에 이르러 고품질의 키틴/키토산 제조기술이 확립되면서 그들의 광범위한 응용 범위가 알려지게 되었고 특히, 의약품, 식품 및 화장품 등의 고부가가치 분야의 응용으로 방향이 전환되어 가고 있다. 이러한 분야에서 고품질, 고순도의 키틴/키토산의 필요성이 증대됨에 따라 캐나다, 일본, 한국등을 중심으로 한 몇몇 국가에서 고품질의 키틴/키토산 제품의 개발에 주력하고 있다.

그러나, [(1→4)-아세트아미도-2-데옥시-β-D-글루코스]로 정의되는 키틴은 분자 내부 구조에 분자내 및 분자간 수소결합이 존재함으로써 고결정성이 되기때문에 강산인 황산, 포름산, 메탄술폰산등을 제외하고는 거의 용해되지 않는다는 단점이 있다.

키틴을 용해시킬 수 있는 유기 용매로는 헥사플루오로이소프로판올, 헥사플루오로아세톤, 1,2-디크로로알콜, 포름산등이 거론되고 있으나, 키틴이 추출된 근원에 따라 용해도에 큰 차이가 있다. 예를들어, 새우 또는 갑오징어에서 추출된 키틴의 경우는 용해가 비교적 용이하지만 게 갑각에서 유도된 결정화도가 높은 키틴의 경우는 부분적인 용해만이 가능할 뿐이다. 이러한 키틴의 불량한 용해성을 향상시키기 위하여 여러가지 수단이 강구되었는데, 가장 대표적인 방법으로 다음과 같은 두가지 방법이 있다:

첫번째 방법은 수용성 키틴을 제조하는 것이다. 그 공정은 키틴을 진한 NaOH 용액으로 처리하여 알칼리성 키틴으로 전환시킨 후 이를 부분 탈아세틸화하거나, 탈아세틸화도 90% 이상의 키토산을 아세트산과 반응시켜 N-아세틸화하는 것이다. 이 경우, 부분탈 아세틸화도가 50 내지 55% 일때 물에 대한 용해성이 발현되는 것으로 알려져 있다. 상기 부분 탈 아세틸화법은 키틴의 근원에 따라 물에 대한 용해성 발현이 일정치 않아 용해성이 발현되지 않는 경우도 많고, 또한 상기 두 공정 모두 복잡하고 제조공정이 장시간 소요되어 실제 생산시 많은 문제점이 있다.

두번째 방법은 고분자 반응을 통하여 키틴 분자쇄 내부에 친수성 작용기를 가진 키틴 유도체를 제조하는 것이다. 친수성 키틴 유도체의 예로는 O-카복시메틸키틴, N-카복시메틸키틴, 히드록시프로필키틴, 인산화 키틴, 술폰화 키틴등이 있으며, 그중에서 산업적 응용면에서 0-카복시메틸키틴(O-CM 키틴)과 히드록시프로필키틴이 긍정적인 평가를 받고 있다. 특히, 카복시메틸키틴은 제조방법이 비교적 간단 하고 물에 대한 용해성이 우수하기 때문에 다양한 분야에 응용될 수 있다. 예를들어 70% 카복시메틸화도의 키틴은 장기간 면역보조활성을 유지할 수 있는 효능이 있으며, 80% 카복시메틸화도의 키틴은 낮은 치환도의 카복시메틸화 키틴과 함께 단기간 면역보조활성을 유지할 수 있는 효능이 있고, 키틴 분해 효소인 리조팀등의 활성평가용 기질로 사용될 수 있으며, Ca 이온에 대한 흡착능이 우수하며 인공적혈구 보강제로도 사용될 수 있고, 종양 성장 억제 작용도 지니고 있다.

상기 수용성의 카복시메틸키틴은 일반적으로 진한 알칼리성 용색중에서 키틴과 클로로아세트산을 반응시켜 제조할 수 있으며, 이때 키틴에 존재하는 -NHCOCH₃기에서의 부분적인 가수분해 현상도 부수적으로 수반되므로, 도입된 -COO^-Na⁺기 이외에 -NH₂기도 소량 생성된다고 볼 수 있다. C₆위치의 OH 기에서 카복시메틸화가 가장 활발히 일어나는 것으로 알려져 있다.

상기와 관련하여, 트루질로(Trujillo)의 논문[Carbohydr. Res. Vol. 7, p483-485,1968]에는 카복시메틸 키틴의 제조방법이 기술되어 있으며, 이 방법에서는, 4g 의 키틴을 20ml 의 디메틸술폭사이드(DMSO)에 24시간 침지후 분쇄 및 여과하고, 수득된 케이크상 고체를 에탄올로 세척하고 재분쇄 및 건조시킨 후, 65% NaOH 용액 50ml로 1시간 처리하고, 생성된 슬러리를 여과하여 습윤무게 14g 이 되도록 압착시킨 후, 여기에 이소프로판올 50ml 및 클로로아세트산 6g 을 동시에 가하고 1시간 교반 및 여과한 후, 물 200ml 와 농염산을 가해 액성을 중성으로 중화시키고, 수득된 고점성의 용액을 유리 필터를 통해 여과시킨 후 아세톤 1 l를 가해 카복시메틸키틴의 나트륨염을 얻은 다음, 이를 무수에탄올로 세척 건조하여 3.5g의 카복시메틸키틴을 수득하는 것이다.

상기 최종 수득된 카복시메틸키틴을 120ml 의 물에 용해시킨 후 원심 분리에 의해 불용분을 제거하고, 1 l의 아세톤을 가함으로써 보다 정제된 섬유상 카복시메틸키틴을 제조할 수 있다고 기재되어 있다.

고스기, 쥰이찌의 유럽 특허 공개번호 제 0013512 호에는, 15℃에서 키틴 20g과 11N NaOH 용액 65g을 서로 혼합한 후 -20℃에서 24시간동안 동결시킨 후, 동결된 키틴을 에탄올 400ml 와 클로로아세트산 30g의 혼합용액에 분산시킨 다음, 3℃에서 2시간 20℃에서 45시간 반응시켜 카복시메틸화하고, 반응물을 중화한 후 비스킹관(Visking tube)를 통해 투석시키고 에탄올중에서 침전시켜 치환도 0.6 의 카복시메틸키틴 28g을 스득하는, 카복시메틸키틴의 제조방법이 기술되어 있다.

또한, 토꾸라(Tokura)의 논문[Polymer j. Vol. 15, No. 6, p485-489, 1983]에는 키틴 10g을 4℃를 유지하면서 0.2%의 황산 도데실나트륨이 함유된 60% NaOH용액 40ml에 분산시키고 1시간방치후, 생성된 슬러리를 -20℃에서 10내지 20시간동안 동결시킴으로써 알칼리성 키틴을 제조한 다음, 이를 실온에서 200ml의 이소프로판올에 분산시키고, 분산 슬러리에 클로로아세트산을 서서히 적하하여 슬러리의 액성을 중성으로 만든후에, 슬러리를 여과하고 에탄올로 세척한 다음 탈이온수 2 l 에 용해시켜 아세톤 5 l 내로 서서히 적하하여 침전고화시키고, 고화된 카복시메틸키틴을 원심분리에 의해 수득한 다음 아세톤으로 세척하여 최종 카복시메틸키틴을 수득하는 방법이 기술되어 있다.

상기 선행 문헌에 기술된 방법들에서는 제조된 카복시메틸 키틴의 불용분 함량이 높아 이를 제거하기 위한 별도의 공정이 수반되므로 제조공정이 복잡하고, 또한 고분자량의 키틴 원료물질에는 적용하기가 곤란할 뿐만아니라, 상기 문헌들은 수득되는 카복시메틸키틴의 백색도 및 불용분 함량과 점도에 대해서는 전혀 언급이 없으며, 불용분 함량이 낮으면서 고점도인 카복시메틸키틴을 수득하기에는 미흡한 점이 다수 있다.

따라서, 본 발명자는 상기 문제점을 해소하기 위해서 예의 연구한 결과, 키틴에 대한 클로로아세트산의 첨가시기 및 첨가량, 카복시메틸화 반응조건, 알칼리성 키틴의 유기용매내에서의 팽윤시간 및 온도, 및 알칼리성 용액의 사용량등의 결정적인 조건등을 조절함으로써 불용분 제거를 위한 원심분리, 아세톤에 의한 재침전 공정을 생략하면서도 최소한의 불용분 함량과 고분자량 및 고순도를 갖는 카복시메틸키틴을 수득할 수 있음을 알게 되었다.

본 발명의 목적은 불용분 함량이 낮은 O-카복시메틸키틴의 제조방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 불용분을 제거하는 별도의 단계가 필요없이, 고분자량의 키틴으로 부터 불용분 함량이 낮은 O-카복시메틸키틴을 제조하는데 있다.

즉, 본 발명은

(1) 키틴 원료물질을 4℃내지 실온하에서 35 내지 60중량% NaOH용액과 혼합한 다음 -20℃에서 약 15내지 20시간동결 숙성시켜 알칼리성 키틴을 수득하고,

(2) 수득된 상기 알칼리성 키틴을 이소프로판올 중에서 25 내지 60℃하에 0.5 내지 1.5시간동안 분산팽윤시켜 슬러리를 수득하고,

(3) 수득된 상기 슬러리에 클로로아세트산을 0.5 내지 2시간에 걸쳐 분할 첨가한 후 30 내지 60℃로 유지하면서 2 내지 10시간동안 카복시메틸화 반응시키고,

(4) 상기 슬러리에 탈이온수를 가한 후 빙초산으로 슬러리의 pH를 7로 조정한 다음 여과하고,

(5) 수득된 잔사를 에탄올/탈이온수 혼합액으로 세척하고, 에탄올로 세척한후 여과 및 감압건조하여 카복시메틸키틴을 수득함을 포함하는, 저불용분 함량의 O-카복시메틸키틴의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

상기 출발원료인 키틴은 0.1% 용액상태로 브룩필드 점도계(4번 스핀들, 30rpm)를 사용하여 측정한 점도가 200 내지 1000 센티포이즈 범위인 것으로서, 저분자량의 키틴이나 고분자량 키틴 어느 것이나 모두 사용할 수 있다. 따라서, 최종 수득되는 카복시메틸키틴의 원하는 점도에 따라 선택하여 사용할 수 있다.

우선, 키틴을 4℃내지 실온하에서 35 내지 60 중량% NaOH용액과 혼합한 후 -20℃에서 약 15내지 20시간 동결숙성시켜 알칼리성 키틴을 수득한다.(단계 1). 상기 농도의 NaOH용액을 키틴 1g에 대해 2 내지 10ml의 범위가 되도록 가하는 것이 바람직 하다. 상기 범위밖의 NaOH용액 농도 및 양을 사용하면 수득된 카복시메틸키틴중의 불용분 함량이 급격히 상승된다.

이어서, 상기 알칼리성 키틴을 이소프로판올중, 25내지 60℃에서 30분 내지 1.5기간동안 분산 팽윤시킨다(단계 2). 이소프로판올은 키틴 1g에 대해 16내지 30ml범위가 되도록 가하는 것이 바람직하다. 이때, 팽윤 시간 및 팽윤 온도는 수득되는 카복시메틸키틴의 점도 및 불용분 함량에 가장 중용한 영향을 미치므로 상기 조건을 벗어나지 않도록 하여야 한다.

다음으로, 수득된 슬러리에 크로로아세트산을 0.5 내지 2시간에 걸쳐 분할 첨가한 후 30 내지 60℃로 유지하면서 2 내지 10시간동안 카복시메틸화 반응시킨다(단계 3). 이때, 클로로아세트산은 이소프로판올에 용해시켜 키틴 1g 에 대해 1.7내지 4g 범위가 되도록 가하는 것이 바람직하며, 첨가시 한번에 첨가하는 것보다 30분 내지 2 시간동안 걸쳐 수회 분할 첨가하는 것이 바람직 하다. 이러한 분할 첨가는 최종 카복시메틸키틴의 불용분을 감소 시키고 점도를 상승시키는 것으로 밝혀졌다.

상기 카복시메틸화 반응시 30℃ 이하로 온도가 내려가면 반응이 거의 진행되지 않거나 반응속도가 매우 느리며, 60℃이상에서는 수율과 반응속도는 증가되지만 불용분 함량이 현저히 상승되고 키틴 분자쇄의 절단이 촉진되어 카복시메틸키틴의 점도가 낮아지며 황변될 수 있다. 또한, 반응시간이 6 시간 이상이 되면 카복시메틸키틴의 불용분이 더이상 감소되지 않고 키틴 분자쇄의 절단이 촉진되어 최종 카복시메틸키틴의 분자량 저하와 황변이 수반되므로 주의하여야 한다.

이어서, 카복시메틸화 반응된 반응 생성물로부터 최종 생성물을 수거하게 되는데, 이를 위해 상기 반응 생성물에 탈이온수를 가한 후 빙초산으로 pH7 로 조정하고 여과한다.(단계 4). 얻어진 잔사를 이어서 에탄올/탈이온수 혼합액으로 세척하여 잔류염을 제거하고 다시 에탄올로 2 내지 3회 세척한 후 여과하고 감압 건조하여 최종 카복시메틸키틴을 수득한다(단계 5).

저분자량 키틴을 출발물질로 사용할 경우에는 수득된 최종 생성물의 불용분 함량이 0%에 가까우나, 고분자량 키틴의 경우에는 그 보다 불용분 함량이 많이 함유(그러나, 기존 선행방법 보다는 현저히 감소된 것임)되어 있으므로 불용분 함량 0%의 카복시메틸키틴을 원하는 경우에는, 바람직하게는 수득된 카복시메틸키틴을 다시 물에 용해시킨 후 아세톤으로 재침전시켜 정제 할 수 있다.

이상과 같은 본 발명의 방법에 의해 제조된 O-카복시메틸키틴은 0.5% 수용액 상태에서 불용분 함량이 10% 미만, 바람직하게는 5% 미만, 가장 바람직하게는 0% 이며, 0.5% 수용액 상태로 부룩필드 점도계(4번 스핀들, 30rpm)를 이용한 점도측정시 500 내지 1500센티포이즈 범위의 점도값을 갖는다.

하기 실시예에 의해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

하기 실시예에서는 키틴 0.01g을 디메틸아세트아미드 5g,1-메틸-2-피롤리돈 5g 및 LiC1 0.5g 의 혼합용액에 용해시킨 약 0.1%키틴용액을 7일간 실온에서 방치한 후, 브룩필드 점도계(4번 스핀들, 30rpm)로 점도 측정시 200 내지 1000센티포이즈 범위의 키틴만을 출발키틴물질로서 사용하였으나, 다른 점도 범위의 키틴 또한 사용될 수 있다.

[실시예1]

상온에서 키틴 5g을 45% NaOH수용액(0.2% 황산도데실나트륨 함유) 20ml 와 혼합하여 4℃ 에서 1시간동안 방치한 후 다시 -20℃ 에서 15내지 20시간동안 동결 숙성시켰다. 동결숙성된 알칼리성 키틴을 잘게 분쇄하여 500ml 용량의 3구 플라스크에 넣고 이소프로판올 120ml 를 가한 후 45℃를 유지하면서 40분간 서서히 교반하여 알칼리성 키틴을 분산팽윤시켰다. 클로로아세트산 14.75g을 이소프로판올 15ml에 용해시킨 용액을 상기 분산 슬러리에 1시간 15분 동안에 걸쳐 6 내지 10회에 나누어 첨가하면서 반응을 진행시켰다. 클로로아세트산의 첨가가 완료되면, 40℃를 유지하면서 4시간 45분동안 카복시메틸화 반응을 진행시켰다(클로로아세트산의 첨가가 완료된 후부터의 반응시간을 카복시메틸화 반응시간으로 정의하였다). 반응이 완결되면 반응계에 탈이온수 8.2ml 를 가하고 빙초산을 서서히 적하하여 반응계의 액성을 pH7 로 조절한 다음 고형물을 여과하여 에탈올/탈이온수의 80/20 부피% 혼합용액 400ml 로 수회 세척하여 염을 제거한 후 다시 에탄올 400ml 로 세척하였다. 세척된 고형물을 여과회수하여 30℃ 및 감압하에서 24시간 동안 건조시켜 O-카복시메틸키틴 9.7g을 얻었다. 수득된 생성물의 불용분은 1% 미만이었고, 점도는 972센티포이즈였다.

[실시예2 내지5]

실시예1에서 여러 공정 조건을 표1과 같이 변화시킨 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 실시하였으며, 그 결과 또한 표1예 나와 있다.

[비교예1 및2]

이들 비교에는 본 발명의 범주를 벗어난 NaOH 용액 농도 및 클로로아세트산 첨가시간이 불용분 함량에 미치는 영향을 보여주는 것이다. 여러 공정 조건을 표1과 같이 한 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 실시하였으며, 그 결과는 표1에 나와 있다.

[비교예3 및4]

선행기술로 언급한 유럽특허 공개 제0013512호 및 토꾸라의 논문에 기술된 방법에 따라 표1과 같이 수행하였으며, 그 결과는 또한 표1에 나와있다.

점도는 가용부에 대한 점도임.

Claims (6)

1. (1) 200내지 1000 센티포이즈 범위의 점도를 갖는 키틴을 4℃ 내지 실온하에서 40 내지 60 중량% NaOH 용액과 혼합하고, (2) 단계 (1)에서 수득한 혼합물을 -20℃에서 약 15 내지 20 시간 동안 동결 숙성시켜 알칼리성 키틴을 수득하고, (3) 수득된 알칼리성 키틴을 이소프로판올 중에서 25 내지 60℃하에 30분 내지 1.5 시간 동안 분산팽윤시켜 슬러리를 수득하고, (4)수득된 상기 슬러리에 클로로아세트산을 0.5 내지 2 시간에 걸쳐 분할 첨가한 후, 35 내지 60℃에서 2 내지 10 시간 동안 카복시메틸화 반응시키고, (5) 상기 슬러리에 탈이온수를 가한 후, 빙초산으로 슬러리의 pH를 7로 조정한 다음 여과하고, (6) 수득된 잔사를 에탄올/탈이온수 혼합액으로 세척하고, 에탄올로 세척한 후 여과 및 감압건조하여 O-카복시메틸키틴을 수득함을 포함하는, 불용분 함량이 15% 이하인 O-카복시메틸키틴의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 단계 (1)에서 40 내지 60 중량% NaOH 용액을 키틴 1g에 대해 2 내지 10ml 범위의 양이 되도록 가하는 방범.
3. 제1항에 있어서, 상기 키틴이 300 센티포이즈 이상의 점도를 지닌 고분자량 키틴인 방법.
4. 제2항에 있어서, 수득된 0-카복시메틸키틴을 다시 물에 용해시킨후 아세톤으로 재침전시켜 정제하는 단계를 추가로 포함하는 방법
5. 제1항에 있어서, 클로로아세트산을 이소프로판올에 용해시켜 가하는 방법.
6. 제5항에 있어서, 클로로아세트산을 키틴 1g에 대해 1.7 내지 4g의 비율로 가하는 방법.