KR100246685B1 - 수용성의 저분자 키틴·키토산 또는 키틴·키토산올리고당을 함유하는 토지개량제 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중합도가 1 내지 100의 범위에 있는 수용성의 저분자량 키토산 또는 키틴, 혹은 키토산올리고당 또는 키틴올리고당을 유효성분으로 함유하는 토지개량제 조성물에 관한 것이다. 본 발명에 따른 조성물은 수용성이기 때문에 신속한 토지개량 효과를 나타낸다.

[색인어]

키토산올리고당, 키토올리고당

Description

수용성의 저분자 키틴·키토산 또는 키틴·키토산올리고당을 함유하는 토지개량제

본 발명은 토지개량 효과를 갖는 조성물에 관한 것이며, 보다 상세하게는 자연에서 쉽게 분해되어 환경오염의 문제가 없는 키틴 올리고당 또는 키토산 올리고당을 유효성분으로 함유하는 토지개량제 조성물에 관한 것이다.

사회가 발전함에 따라 농토는 지속적으로 감소되고 있으나 생활수준의 향상과 더불어 다양한 소비성향으로 농작물의 수요는 날로 증가되고 있다. 그에 따라 연작 및 단위생산량을 높이기 위한 다량의 화학비료와 농약의 사용이 일반화되면서 과거에 비하여 다양한 작물의 재배와 단위면적당 수확량은 실로 엄청난 증가를 보여왔지만 화학비료와 농약으로 인한 토양의 산성화, 농액의 잔류, 염의 축적 등 여러가지 환경오염의 문제가 생기기 시작하면서 어떤 작물도 생육할 수 없는 농도의 사막화 현상이 늘고 있다고 한다.

이는 화학비료나 농약의 성분이 토양 미생물에 의하여 분해되지 못하고 토양에 계속 축적되면서 토양 중의 그 농도가 서서히 증가됨에 따라 식물은 물론 토양 미생물 역시 생육할 수 없는 환경이 만들어지기 때문이다. 이러한 토양의 오염을 극복하기 위하여 종래에는 더 많은 화학비료와 농약을 사용하여 작물을 재배하고자 하였지만, 그러한 작물에는 사람의 건강을 해칠 수 있는 다량의 농약이나 중금속 등의 유해물질이 흡수잔류되어 있으며 이러한 예는 주변에서 쉽게 확인할 수 있을 정도로 심각한 사회문제가 되고 있다.

비옥한 토양에서는 풍부한 토양 미생물에 의하여 여러가지 유해물질이 분해되거나 작물에 흡수되지 않도록 불활성화되어 작물에는 잔류되지 않도록 조절이 된다.

종래에는 이러한 사막화되어가고 있는 토양의 토질을 회복시키기 위하여 유기질 비료를 다량으로 시비한다든지 혹은 농축배양된 토양미생물을 뿌린다든지 하는 방법이 많이 시도되었지만 그러한 노력에도 불구하고 비옥한 토질로 회복되도록 하기 위해서는 수십년 이상의 노력과 시간이 요구된다고 한다.

이러한 오늘날의 토양환경 문제는 인간의 생존과도 직결된다는 점에서 그 대책이 절실히 요구되고 있으며, 비옥한 토질을 회복하고 유지하기 위해서는 토양 중의 미생물의 생육을 활성화시키는 것이 가장 바람직한 방법으로 알려져 있다. 이는 토양 미생물의 생태가 토질의 상태를 결정하는 지표가 될 수 있으며, 활성화된 토양 미생물에 의하여 토양 황폐화의 주원인인 다량의 염이나 중금속, 농약성분 등의 유해 물질이 효과적으로 단기간 내에 제거될 수 있기 때문이다.

한국공개특허공보 제95-8435호에는 키토산 용액을 굴껍질가루 용액 또는 인산칼륨 등과 혼합하여 제조한 배합비료가 기재되어 있다. 그러나 키토산은 제1도에 도시한 것과 같은 단위체로 이루어진 고분자 물질로서 토양에 존재하는 미생물에 의해 이용되기가 용이하지 않고 식물에 직접 흡수되기 어려운 문제점이 있다.

이에 본 발명자들은 이러한 종래 기술의 문제점을 갖지 않는 새로운 토질개량제를 제공하고자 연구를 행하였고, 그 결과 키틴 혹은 키토산 자체는 고분자 물질로서 물에 불용성이기 때문에 이를 분해하여 중합도가 1 내지 100의 범위에 있는 수용성 키틴올리고당 혹은 키토산올리고당으로 전환하여 토질 개량제로 사용할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

즉, 본 발명의 목적은 작물의 생육활성을 증가시킴은 물론이고 토양 미생물의 생육을 화성화시키고 잔류되어 있는 토양 중의 유해물질을 제거시켜 토질을 개량하고 지력을 유지회복시킬 수 있는 토질개량제를 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적은 하기 구조식으로 나타내지며, 각각 중합도(n)가 1 내지 100의 범위에 있는 저분자량 키토산, 저분자량 키틴, 키토산올리고당 또는 키틴올리고당을 유효성분으로 함유하는 토지 개량제 조성물에 의해 달성된다.

제1도는 본 발명에서 사용되는 키틴 올리고당 및 키토산 올리고당의 화학적 구조를 보여준다.

제2도는 본 발명에서 사용되는 키틴 올리고당 또는 키토산 올리고당의 제조에 사용되는 키틴 또는 키토산을 그의 원료로부터 분리하는 공정을 보여주는 공정도이다.

제3도는 키틴 또는 키토산으로부터 키틴 올리고당 또는 키토산 올리고당을 제조하는 공정을 보여주는 공정도이다.

키틴 혹은 키토산은 고분자 물질이기 때문에 토양 중의 미생물에 의해 곧바로 흡수할 수 없다. 그러나 본 발명에서 토질개량제 조성물의 유효성분으로 사용되는 수용성 키틴올리고당 또는 키토산올리고당은 중합도가 1 내지 100(제1도에서 n이 1 내지 100)으로서 수용성이기 때문에서 토양 미생물에 의해 곧바로 이용될 수 있고 따라서 즉가적으로 토질개량의 효과를 나타낸다.

키틴 혹은 키토산을 통틀어 일컫는 용어인 키틴질은 제1도에 도시한 바와 같이, N-아세틸-D-글루코스아민 혹은 D-글루코스아민으로 구성되어 있고, 갑각류, 곤충류, 패류 등의 세포벽이나 외벽골격을 구성하고 있는 물질이다.

키틴과 키토산의 생체내 안전성은 그 분해물인 수용성 저분자 키틴 혹은 키토산, 또는 이들의 올리고당과 함께 이미 증명되어 있으며, 항암효과, 혈중 콜레스테롤치 저하, 혈당조절, 고혈압 억제, 간기능 향상, 면역활성의 증가, 장기능의 활성 등과 같은 효과를 나타내는 것으로 보고되어 있다.

키틴 혹은 키토산이 그 자체로서 다른 비료성분인 인산칼륨 혹은 굴껍질가루용액과 함께 배합되어 비료로 사용된 예는 있지만, 이들은 고분자 물질로서 식물이 바로 흡수할 수 없기 때문에 토양 미생물 혹은 식물이 가지고 있는 키틴분해효소나 키토산분해효소에 의해 분해된 후에만 흡수될 수 있으므로 자연환경 조건에 따라 그 효과 혹은 효능이 아예 나타나지 않을 수도 있고 또는 수개월에서 수년이 걸리기도 한다.

수용성 저분자 키틴/키토산 혹은 키틴올리고당 또는 키토산올리고당은 키틴 또는 키토산을 화학적 또는 효소적 처리방법으로 분해하여 N-아세틸-D-글루코스아민이나 D-글루코스아민의 중합도가 1 내지 100이 되도록 한 것으로서, 중합도가 1 내지 10인 것은 키틴 혹은 키토산 단당 또는 이들의 올리고당이고, 중합도가 11 내지 100인 것은 보통 저분자량 키틴 혹은 저분자량 키토산으로 불리운다. 본 발명의 명에서 전반에서는 편의를 위하여, 이들 단당, 올리고당 혹은 저분자량 중합체 모두를 총칭하여 간단하게 키틴올리고당 혹은 키토산올리고당이라고도 한다.

키틴 혹은 키토산은 제2도에 도시한 바와 같은 공정에 따라 새우껍질 등과 같은 갑각류의 천연 재료로부터 분리할 수 있고, 또 제3도에 도시한 공정에 따라 화학적 혹은 효소적으로 분해하여 키틴올리고당 혹은 키토산올리고당으로 전환할 수 있다. 키틴/키토산의 화학적 분해는 염산, 젖산, 초산, 구연산, 아스코르빈산, 인산, 사과산, 개미산, 프로피온산, 아디핀산 혹은 옥시카복실산 등과 같은 각종 무기산 또는 유기산으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 산을 이용하여 행할 수 있으며, 다량의 염을 정제후 중화하여 불용물을 제거함으로써 목적하는 키틴올리고당/키토산올리고당을 얻을 수 있다. 효소적 분해의 경우에는 분해효소를 사용하여 분해반응을 완료한 후, 효소를 불활성화시키기 위하여 70℃ 이상의 온도에서 열처리를 하고 불용물을 여과하여 목적하는 물질을 얻을 수 있다.

분해효소는 Bacillus sp.와 같은 세균 또는 Streptomyces griseus와 같은 방선균으로부터 유래된 것일 수 있으며, 그 종류, 그를 분리하는 방법 및 그를 이용한 분해방법은 당업계에 주지되어 있는 것을 적절하게 선정할 수 있다. 예를 들어, 효모추출액, 포도당 및 각종 무기질, 단백질원을 함유하는 배지 100ml에 Bacillus circulans 종균을 접종하고 배양하고(전배양), 이렇게 해서 얻은 배양액을 최종 1% 정도의 농도로 동일한 배지 10L에 다시 접종하여 약 30℃에서 2일간 폭기배양(1차본 배양)을 실시하고, 다시금 1톤 규모로 동일 조건에서 2차 배양을 실시하여 다량의 균을 얻은 후, 이로부터 효소(키토산아제)를 분리정제할 수 있다. 효소를 이용하여 키토산/키틴을 분해하는 방법은 약 30∼40℃의 온도에서 효소를 키토산/키틴용액과 10시간 내지 24시간정도 접촉시킴으로써 실시할 수 있다. 이렇게 효소반응을 완결한 후, 효소를 불활성화시킨 후, 불요성 물질을 제거하고 중성에서 수용성인 분획, 즉 수용성 저분자량 키토산/키틴 혹은 키틴/키토산 올리고당을 얻는다. 키토산아제는 균으로부터 직접 분리해서 사용하는 것 이외에도 시판되는 것(예를 들면 Sigma사에서 판매하는 키토산아제(Chitosan N-acetylglucosaminohydrolase EC 3.2.1.132)를 이용할 수도 있다.

본 발명에 따른 토질개량제 조성물은 물에 키토산올리고당 혹은 키틴올리고당을 그대로 분말의 형태로 사용하거나, 혹은 0.001부피% 이상의 농도로 용해시켜 용액의 형태로 제조하거나 혹은 통상의 부형제와 혼합해서 정제화할 수 있다.

이렇게 해서 제조된 조성물은 토양에 매립하거나 혹은 살포할 수 있다. 사용량은 토지 m²당 약 50ppm 이상의 농도로 사용되며, 수회에 걸쳐 살포할 수 있다. 구체적인 살포량은 재배되는 작물의 종류, 토양의 상태 등에 따라 상이하며, 당업자에 의해 적의 결정될 수 있다.

이하 각종 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하지만 본 발명이 이들 예에 국한되는 것은 아니다.

[참고예 1]

효모추출액 0.1g, 포도당 0.1g, KH₂PO₄0.1g, MgSO₄·7H₂O 0.05g, 펩톤 0.1g, 물 98.55g을 함유하는 배지를 pH 7.0으로 조절하고 300ml 삼각플라스크에 넣고 121℃에서 15분간 멸균시켰다. 멸균된 배지를 냉각시킨 후 Bacillus circulans 종균 1 백금이를 무균적으로 접종하여 30℃에서 2일간 진탕배양하였다(전배양). 전배양과 동일한 조건으로 제조된 배지 10L에 전배양약을 최종 1% 정도의 농도로 접종하고 약 30℃에서 2일간 폭기배양(1차 본 배양)을 실시하고, 다시금 1톤 규모로 1차 본배양액을 최종 2% 농도로 접종하고 1차 본배양과 조건에서 2차 본배양을 실시하여 다량의 균을 얻은 후, 배양액으로부터 균체를 제거하고 배양여액으로부터 효소(키토산아제)를 분리정제할 수 있다.

여액에 황산암모늄을 70% 포화농도가 되게 첨가하여 용해시키고 24시간동안 방치한 후 생성된 침전물을 여과제거하였다. 여액에 황산암모늄을 90% 포화농도가 되도록 첨가하여 용해시키고 24시간동안 방치하여 효소를 침전시켰다. 침전된 조효소를 여과하여 여액은 버리고, 회수된 조효소를 젤(Sephadex G-25)하여 탈염시키고, 탈염된 조효소액의 pH를 5.4로 조정하고(무수 초산) 여기에 정제된 키토산 분말(10 mesh 이하)을 첨가하여 5시간동안 서서히 교반시켜 키토산에 효소를 흡착시키고 효소가 흡착된 키토산을 회수한 후, 이를 증류수에 현탁시키고 1N 가성소다액으로 pH 7.5로 조정하여 키토산으로부터 효소를 분리시키고 여과하여 정제된 효소를 얻었다. 정제된 효소액은 활성을 측정하여 표준화시켜 액상 효소로서 사용하였다.

[실시예 1]

1) 키틴·키토산의 화학적 처리에 의한 수용성 키틴올리고당/키토산올리고당의 제조

키토산 1kg을 농염산 10ℓ에 넣어 약 60℃에서 4∼6시간동안 분해반응을 시킨후, 염기를 이용하여 중화하고 여과하였다. pH 6.5∼7.7의 중성 조건에서 수용성이 된 저분자 키토산 및 키토산올리고당을 이온교환수지를 이용하여 탈염 및 농축 후 건조시켰다.

2) 분해효소를 이용하여 키틴으로부터 수용성 저분자 키틴 및 키틴올리고당을 제조하는 공정

정제된 키틴을 분쇄기로 분쇄시켜 현탁액이 되도록 하고, 이에 상기 참고예 1에서처럼 정제된 분해효소를 가하여 37∼50℃에서 24시간 이상 반응시키고 효소를 불활화시켜 수용성화된 저분자 키틴 및 키틴올리고당을 얻고 불용물은 여과하여 제거하였다.

3) 산 및 분해소효소를 이용하여 키토산으로 수용성 저분자 키토산 및 키토산올리고당을 제조하는 공정

정제된 키토산에 초산, 젖산, 구연산, 아스코르빈산, 사과산, 개미산, 아디핀산, 인산, 프로피온산, 옥시카복실산 등에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 산을 현탁액이 되도록 첨가한 후 교반용해시키고, 정제된 분해효소를 이용하여 37∼50℃에서 24시간 이상 분해시켜 수용성화된 저분자 키토산 및 키토산올리고당을 얻고 불용물은 여과하여 제거하였다.

[실시예 2]

실시예 1의 1) 내지 3)중의 어느 한 공정에 의해 얻어진 저분자 키틴/키토산 혹은 키틴올리고당 또는 키토산올리고당의 용액을 하기 표에 나타낸 함량과 횟수만큼 각 작물이 재배되고 있는 토양에 살포하고 결과를 관찰하였다. 결과를 표 1에 나타내었다.

[표 1]

이상의 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 조성물이 살포된 재배지에서 생육된 각종 작물들이 뿌리발근 촉진, 당도증가, 수확량 증가, 영양제 사용절감 등의 효과를 나타내는데, 이는 본 발명의 조성물의 사용에 의하여 유용 토양미생물(특히 방선균)의 번식이 활발해지고, 사상균의 번식이 억제되었으며, 토양의 보수성, 보비력이 높아지고 pH 변화없이 지력이 높아져서 작물의 생육환경이 좋아졌기 때문이다.

본 발명의 조성물은 수용성인 저분자량 물질을 유효성분으로 함유하기 때문에 토질이 악화된 토양에서도 단기간내에 토지의 특성을 개선할 수 있으며, 토지중에 존재하는 유용 미생물 활동의 활성화, 보수력 증대, 병충해 방지, 식물 부리의 부패 방지, 산도과다 방지 및 보비력 향상 등의 토질 개량 효과를 나타낸다.

Claims (2)

1. 하기 구조식으로 나타내지며, 각각 중합도(n)가 1 내지 100의 범위에 있는 수용성의 저분자량 키토산, 저분자량 키틴, 키토산올리고당 또는 키틴올리고당을 유효성분으로 함유하는 토지 개량제 조성물.

   [화학식 1]

   
2. 제1항에 있어서, 상기 조성물은 분말, 정제 또는 액상의 제형을 가지며, 상기 유효성분을 약 0.001부피% 이상의 양으로 함유함을 특징으로 하는 조성물.

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