키토산(Chitosan)의 기능성

[무정묵향]

키토산 (Chitosan)

1. 생화학적 고찰

1. 정  의 : 키틴은 N-acetylgluc-osamine이 β-1,4 결합한 분자량 100만 이상의 천연고분자 다당으로 갑각류, 곤충류, 균류 등에 의해서 연간 약 1000억톤 이상 생산되는 것으로 추산되고 있는 귀중한 생물자원이며 이의 탈아세틸화물인 키토산과 함께 새로운 신소재로서 주목 받고 있다. 과거 키틴은 화학적으로 강고한 결정구조를 가져 용해성 및 반응성이 결여됨으로 인하여 오랫동안 이 물질에 대한 연구나 이용이 거의 이루어지지 않았으나 최근 biomass로서 키틴 및 키토산에 대한 물성과 각종 기능에 대한 연구가 행해진 결과 키틴 및 키토산은 생체 및 공업분야에 응용가치가 매우 높은 물질로 평가되고 있다.

   ※ N-아세틸-D-글루코사민(이는 달리 단량체라 부른다)이 연속적으로 5,000개 이상 결합하면 이를 키틴이라 부른다. 천연에 존재하는 키틴은 부분적으로 탈아세틸화되어 있는 것이 보통인데 이렇게 키토산의 단량체에서 아세틸기가 떨어져 나간 형태로서 D-글루코사민이 5,000개이상이 반복적으로 결합하여 분자량이 100만 이상인 탄수화물을 키토산이라 부른다. 키토산 그 자체로서는 수용액에 쉽게 용해되지 않고 체내 흡수율도 낮은(체내에서 불과 3~4%밖에 흡수되지 않는다) 고분자 물질이다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해서 키틴-키토산을 부분 분해하여 인체 흡수가 잘 되도록 만든 것이 키토올리고당이다. 키토올리고당(Chiosan Oligo Saccharide)은 키토산의 구조를 가지면서 글루코사민 6탄당(단당류)이 2개에서 10개 정도로 결합되어 있는 당을 말한다. 키토산 올리고당은 단량체로서 D-글루코사민을 갖는 키토산이 효소 또는 산에 의해 분해되어 연속적인 결합이 5,000개가 되지 않고 10개 정도로 분해된 것을 말한다. 즉, 올리고당은 여러 가지의 단량체가 10개 정도로 결합된 것을 말하며 그 단량체가 D-글루코사민이면 키토산 올리고당이며 단량체가 글루코스이고 2개가 결합된 상태라면 이는 바로 설탕(슈크로스, 사카로스)이다.

2. 설  명 : 키틴은 사람의 소화효소로는 분해되지 않아 어느 정도 식이섬유와 같은 성질을 가지고 있다. 하지만 토끼의 경우 24∼38%, 닭의 경우 75∼98%정도의 소화율을 보인다. 키틴 및 키토산은 독성이 없고 흡착성, 보습성, 유화성, 생분해성을 나타내며 항균작용, 제산작용과 궤양 억제작용, 콜레스테롤 및 triglyceride를 낮추는 약리작용, 장내 유용세균의 생장 촉진, 항종양활성, 식물세포의 활성화작용, 면역부활작용 등 다양한 기능을 나타내는 것으로 알려지고 있다.  따라서 키틴 및 키토산은 건강지향성 식품, 의약품, 식품보존제, 중금속 흡착제, 효소 고정화제, 화장품사료, 토양개량제 등 향후 다양한 분야에 응용가능한 새로운 고부가가치 생물자원으로서 평가되고 있으며 90년대 식품 및 의약품 분야에서만 시장규모가 수백억원대에 이르는 것으로 추정되고 있다.  한편, 키틴은 일반용매에 녹지 않는 특성이 있고 키토산은 산에만 녹고 물이나 alcohol에 녹지 않으며 키토산 용액은 점도가 높은 특징이 있다.  또한 키토산은 단백질이 존재하거나 pH가 상승시 응집되는 성질을 보이며 쓰거나 떫은 맛을 나타내는 등 키틴 및 키토산은 물성이나 기호성 등 제약에 있어서 식품 및 의약품 관리분야에 응용하기 위해서는 해결해야 할 문제가 많다.  이와 같은 시점에서 최근 우수한 생리기능성을 가지는 동시에 수용성 혹은 유기용매 등에 용해가 가능하고 안전성이 높은 키틴 및 키토산 유도체에 대하여 많은 연구가 진행되고 있으며 유도체 가운데 특히 키틴 및 키토산 올리고당에 대한 관심이 집중되고 있다. 키토올리고당은 이상한 맛이나 냄새가 없고 수용성이나 미색으로 투명하고 고차 올리고당이어야만이 제대로 효능을 낼 수 있다. 즉 단당, 2당, 3당보다는 4당, 5당, 6당, 7당 등 고차올리고당의 조성이 많은 것이 항암, 항균작용, 면역기능 강화작용 등의 생리기능활성이 높은 고품질의 원료인 것이다.

3. 급  원 : 키틴, 키토산은 새우, 게 등의 갑각류의 껍질, 갑충의 갑피 등 절족동물의 외골격, 연체동물의 기관, 곰팡이, 효모, 버섯 등 진균류의 세포벽 등에 함유되어 존재한다.

4. 비  고 : 키틴은 1811년 Branconot에 의해 버섯에서 최초로 발견되었으며, 1823년 Ordier에 의해 생물의 외피를 이루는 물질이란 뜻의 그리스어인 chitin(‘속옷’ 또는 ‘덮개’를 뜻하는 키톤[chiton]에서 유래)이라 명명되었다. 또한 키토산은 1894년 Hoppe-Seyler에 의해 명명되었으며 이들의 구조는 19세기 후반 cellulose와 거의 같은 시기에 해명되었다.

5. 유  래 : 일본(自老藥)에서는 해열, 整腸(정장)효과가 있다고 해서 게나 새우 껍질가루를 달여서 복용하였으며 화상, 피부병 치료에도 효험이 있다고 하여 예부터 이용되었다. 중국(本草綱目)에서는 종기나 부스럼 치료의 특효약으로 게가루로 만든 완자를 복용하였다. 우리나라(東醫寶鑑)에서는 “설태”라는 이름으로 오징어뼈를 위장약이나 상처의 지혈 및 치료제와 항알레르기, 부종 면역증강 등에 유효하다하여 이용하였다.

   2. 기능성 - 기틴, 키토산의 기능

1. 지혈작용 : 키틴, 키토산은 혈액응고와 관련된 효소를 활성화시켜 혈액응고를 촉진, 지혈작용을 한다.

2. 면역증진 : 키토산은 천연의 고분자 다당체로 독성이 없으며, 부교감신경을 자극해서 자연 치유력을 높인다. 이러한 면역기능은 우리 몸 안에 있는 이물질을 배설하는 역할을 하는 백혈구에 기인한다. 이 백혈구는 마크로파지(macrophage)라는 대식세포와 T-세포, B-세포로 이루어져 있다. 키토산은 이러한 대식세포 활성화 작용을 하여 면역기능 증가를 유도한다고 보고된 바 있다. 이러한 면역 부활작용은 인체 내의 암세포 발생에 가장 강력한 저지 역할을 한다.

3. 항암작용 : 현재까지 다음과 같은 키토산의 항종양 효과가 알려져 있다.

   1. 식욕을 떨어뜨리는 암 독소를 억제 : 일본 에히메대학 의과대 오쿠와 교수는 암환자의 식욕을 떨어뜨리는 ‘독소호르몬 L’을 발견하였는데, 이 독소는 혈청 중의 철분을 파괴하여 빈혈을 일으킨다고 한다. 또한 체내 지방을 분해하고 식욕을 감퇴시킨다. 키토산은 이러한 독소작용을 억제하는 역할을 한다는 사실을 발표했다.

   2. 암을 억제 : 인체 내의 암세포는 임파구의 작용에 의하여 소멸될 수 있다. 동북대학의 스즈키 연구팀에 의하면 키토산 추출물이 피부암을 이식한 쥐 실험에서 암이 없어진다는 결과를 발표했다. 또한 종래의 5배에 달하는 강력한 항암 효과가 있다는 것을 확인하였다. 키틴, 키토산의 특이한 수소이온 농도는 임파구 활성 환경을 최고조로 만들어 쉽게 암세포를 억제한다고 알려져 있다.

   3. 암의 전이 방지 : 암세포는 외과적으로 절제되었다 하더라도 눈으로 식별할 수 없는 미세 암세포가 잔류한다고 여겨지며, 이러한 세포들은 혈관이나 임파관으로 들어가 혈액의 흐름을 타고 운반되어 다른 조직으로 침입, 증식한다. 이러한 전이과정이 암의 특징인데, 사전에 전이를 막는다면 앞으로 암으로 인한 사망률을 현저하게 낮출 수 있을 것이다. 일본 북해도대학 면역학연구소와 동북대학 팀은 키토산이 이러한 암 전이를 미연에 막아주는 작용을 한다는 사실을 밝혀냈다. 연구진들은 키토산이 암세포보다 먼저 정착분자와 용착하기 때문에 암세포는 결합하지 못해서 전이를 하지 못한다는 것을 확인했다. 키토산이 암세포 전이를 막는 실험 장면이 1991년 9월 NHK 뉴스에 방영되어 큰 화제가 되기도 했다. 그것은 암세포 침투과정에 있어서 주변 조직의 효소적 분해를 저해하고, 특히 콜라게나제의 효소저해제로서 작용하고 있을 것으로 보고하고 있다

4. 콜레스테롤 제거 작용 : 혈중 콜레스테롤을 강력히 흡착하여 수치를 현저히 떨어뜨려 동맥경화, 협심증, 심근 경색증 등 혈액 순 환계의 질병 요인을 제거한다. 즉 콜레스테롤은 LDL(악성 콜레스테롤)과 HDL(이로운 콜레스테롤)이라는 두 가지로 나뉘는데 건강 유지를 위해서는 HDL 수치를 높여주어야 한다. 콜레스테롤은 인체의 세포막을 구성하고 있는 중요한 요소이며, 지방을 소화시키는 담즙산의 원료이며, 뇌와 신경계에 있어서도 매우 중요한 물질이다. 그러나 일단 콜레스테롤(LDL)이 정상치를 벗어나 혈관벽에 축적되기 시작하면 혈액의 흐름을 악화시킨다. 이로 인해 혈관 내부가 좁아져 혈액 흐름이 방해되고, 결국 세포는 영양 부족, 산소결핍 등으로 고혈압, 뇌졸증, 심근경색, 협심증 등을 유발한다. 콜레스테롤의 흡수를 돕는 효소인 콜레스테라제는 담즙산이 있어야 하는데 담즙산은 분자 내에 음이온인 카르복실기를 함유하기 때문에 여기에 양이온인 키토산의 아미노기가 결합하면 체내의 담즙산이 부족하여 콜레스테롤은 흡수되지 못하고 체외로 배출된다. 일본의 스가노 미찌히도 교수팀에 의한 쥐 실험에서 키토산을 투여한 쥐들이 혈액 및 간장 내지 콜레스테롤 값이 현저하게 내려가는 것으로 밝혀졌다.

5. 고혈압 억제 작용 : 이러한 키토산의 콜레스테롤 개선 작용은 혈압에 관여하는 안지오텐신전환 효소(ACE) 증가를 억제하여 혈압저하 작용을 한다고 알려졌다.

6. 간기능 강화 : 일본 돗도리대학 히라노 교수팀의 연구 결과에 의하면 실험군 토끼에게는 고콜레스테롤을 함유한 사료를, 대조 실험군 토끼에게는 같은 사료에 2%의 키토산을 첨가하여 39일간 사육 후 해부하였다. 키토산을 투여하지 않은 실험군 토끼의 간은 비대해지고 적갈색으로 변한데 반해, 키토산을 투여한 토끼에게서는 간장의 비대가 없었고 정상적인 암갈색을 띠었다. 또, 중성지방 수치는 1dl당 비 키토산 토끼는 810mg인데 반해 키토산 투여 토끼는 470mg으로 억제되었다는 보고가 나왔다. 이것은 키토산이 콜레스테롤 수치를 강하시키고, 중성지방을 저하시키는 효과가 있음을 입증한 것이다(일본 鳥取大學 平野 敎授 연구 결과).

7. 유해물질 배출작용 : 키토산이 가진 양이온은 몸 안에 들어가 있는 각종 오염물질 및 세균, 바이러스, 박테리아를 배출하는 작용을 한다고 알려져 있다. 키토산의 양전하를 가진 아미노기가 세균, 세포막의 음전하인 카르복실기와 이온결합을 형성하여 세포 분열을 저해함으로써 세균의 성장을 억제한다. 즉 플러스(+) 이온인 NH2(아미노기)가 카르복실기 COOH라는 음이온을 강력한 힘으로 결합하여 체외로 배출한다. 이에 따라 피부병에도 상당한 효과를 보고 있다(일본 지바대학 山口達明 교수 연구결과).

8. 혈당 상승(당뇨) 억제 작용 : 당뇨병은 인슐린의 분비가 정상적으로 되지 않을 때 일어나는 현상으로 여러 가지 합병증을 수반하는 대표적 난치 현대병으로 인식되어 왔다. 일본 愛媛大學 오쿠다 교수는 당뇨병에 걸린 쥐에게 키토산을 투여했더니 혈당치 상승이 억제되어 당뇨병의 합병증이 개선된다는 연구 결과를 발표했다. 특히 조직학적으로 췌장세포의 구조가 잘 보전되어 있었고, 키토산을 투여하지 않은 쥐의 췌장은 파괴되어 있음이 확인되었다.

9. 비만 억제 다이어트 작용 : 키토산이 지방을 흡착, 분해, 배출하는 작용 때문에 선진 미국, 일본에서는 부작용이 없는 다이어트 보조제로 많이 알려져 있다. 그리고 기타 화장품, 미용비누, 치약 등 공업용으로 상품화되어 사용되고 있다.  그러나 키틴이 위와 같은 효과들이 있어 기능성 식품으로 각광받고 있으나 과다한 섭취는 독성을 나타낼 수 있다. 따라서 여러 가지 식품을 골고루 섭취하는 것이 건강에 좋으며 어떤 기능성 식품에 의존하는 것은 바람직하지 않다

   3. 몸속으로 흡수되는 고분자 수용성 키토산의 개발

   원래 키토산은 동물성 고분자로서 물에 거의 녹지 않으며, 체내에서 불과 3~4%밖에 흡수되지 않는다. 지금까지 세상에 알려진 수용성 키토산이라고 하는 것은 키토산 분자량이 500~1,500 정도로 매우 낮은 단당류의 모음인 저분자물(키토올리고당)을 말하며, 올리고당 수용성 키토산에 속하는 일부분의 저분자 키토산이다.

     이번에 한국과학기술연구원(KIST)의 한 과학자에 의해 10년의 연구 끝에 세계최초로 분자량 수만에서 수십만 단위까지 100% 수용성인 키토산 제조기술(첨단 분리막공법)에 성공한 것은 우리나라 과학 기술의 쾌거이며, 이 기술로 미국 및 일본 특허를 획득하고 키토산 선진국인 일본으로 수용성 키토산 원료를 수출하고 있으며 최근 미국 FDA 검사를 통과하면서 건강식품뿐만 아니라 의료분야에서도 활용될 수 있게 되었다.

   1. 고분자 수용성 키토산의 기능

1. 면역력 증강 작용 : 수용성 고분자 키토산은 체내에서 흡수되어 인체면역계(자연치유력)를 활성화시켜 면역력을 증강시키는 작용이 강하다.

2. 콜레스테롤 조절 기능 : 수용성 고분자 키토산은 점성이 높아 체내에서 담즙산과 결합하고 지방과 응집하여 체내 흡수를 막아주므로 혈중 콜레스테롤과 중성지방을 조절해 주는 기능이 뛰어나다.

3. 항균작용 : 체내에서 미생물의 세포막과 결합하여 미생물 증식을 억제하는 항균작용과 인체에 유익한 유산균의 생육을 돕는 작용을 한다.

4. 생리활성 작용 : 수용성 고분자 키토산은 인체에 흡수되어 생체리듬을 활성화시키므로 신진 대사를 원활하게 하는 중요한 물질이다.

5. 유해물질 배출작용 : 키토산이 가진 양이온은 몸안에 들어가 있는 각종 오염물질 및 세균, 바이러스, 박테리아를 배출하는 작용을 한다고 알려져 있다. 키토산의 양전하를 가진 아미노기가 세균, 세포막의 음전하인 카르복실기와 이온 결합을 형성하여 세포 분열을 저해함으로써 세균의 성장을 억제한다. 즉 플러스(+) 이온인 NH2(아미노기)가 카르복실기 COOH라는 음이온을 강력한 힘으로 결합하여 체외로 배출한다. 이에 따라 피부병에도 상당한 효과를 보고 있다.

   2. 고분자 수용성 키토산이 하는 중요한 일들

1. 장내 환경의 개선, 숙변제거, 장의 연동운동 촉진

2. 영양흡수 조절 및 정장 작용

3. 환경오염으로 인한 혈액의 청결 작용

4. 간기능 강화 및 개선 (비만, 지방간, 고지혈증의 개선)

5. 당뇨병의 개선 및 예방

6. 혈압의 조절 작용

7. 면역력 강화 작용

8. 항암작용과 항암치료의 부작용 개선

9. 혈증 콜레스테롤 농어 제어

10. 비만의 예방 (다이어트 효과)

11. 중금속, 다이옥신 증 오염물질 개선

12. 숙취해소

13. 교감 및 부교감 신경의 조절 (불면증 개선, 면역 반응성 알레르기)

14. 호르몬 분비 및 억제 제어(생리통 해소, 당뇨병 개선)

15. 아토피성 피부염의 개선

16. 피부 세포의 활성화 및 개선(여드름, 기미, 주근깨)

17. 시력개선, 무좀, 수족냉증, 치질, 근육소실증, 자율신경 실조증 등

    ※ 키토산 - 심증은 가지만 물증 없는「약효」

    키토산은 우리나라에서 가장 많이 팔리는 건강보조식품이다.  판매회사의 설명대로라면 비만, 고혈압, 당뇨병, 심장병, 암, 간질환, 변비, 피부트러블 등 좋지 않은 데가 없다. 키토산은 새우 게 곤충의 껍질과 세균의 세포외벽을 구성하는 키틴질이 산에 의해 분해돼 생성된 물질이다. 지구상에 가장 흔한 물질중 하나인 이 물질이 과연 신비의 명약인지는 아직 검증되지 않았다.

    일본의 에히메 대학 의학부의 오꾸다 교수는 30여년전 이 물질에 관심을 갖고 효능을 연구했다. 중국 최고(最古)의 한의서인 신농본초경대로 제품을 만들어 봤더니 효과가 있었다는 것이다. 그는 키토산은 인삼 영지처럼 여러가지 성분으로 구성된 물질이 아니라 단일성분의 물질로서 손상된 세포를 복원해 주는 유일한 생체조절물질이라고 주장하고 있다. 그러나 대부분의 건강보조식품과 마찬가지로 키토산도 주로 동물실험이나 몇 사람의 체험에 의해 효과가 입증되고 있을 뿐이다.  특히 주로 연구논문이 일본에서 나오고 한국에서 이를 답습하는 식이어서 세계적으로 공인된 것도 아니다. 키토산 판매업체들은 게껍질을 그냥 먹을 경우 효과가 적다고 주장한다. 게껍질이 신체에서 분해돼 키토산만 남기까지의 과정이 복잡하고 체내 흡수율도 낮다는 것이다. 하지만 선조들은 게나 새우는 껍질까지 충실히 먹으라고 가르쳐 왔다.  더구나 위에는 위산이 들어있어 충분히 키토산이 분해될 수 있다. 다만 치아가 수고스러울 뿐이다. 무엇보다 식품의약품안전청은 성인병 치료효과가 있다고 선전하는 키토산제품을 수시로 허위광고 혐의로 적발해내고 있다. 역시 효능은 입증된게 아니며 건강보조식품일 뿐이라는 것이다. 키토산은 식이섬유의 하나로 혈중 콜레스테롤과 혈당을 내리며 변비, 고혈압, 고지혈증, 당뇨병에 효과가 기대되는 것은 사실이다. 그러나 제품에 따라 품질차이가 크고 가격 역시 만만찮아 소비자의 현명한 선택이 필요하다.

    ※ 키틴/키토산을 이용한 생분해성 고분자

    키토산은 식품산업에서 응집제, 기능성 식품소재, 독특한 특성을 갖는 격자구조의 새로운 형태의 고분자의 개발 등에 이용되고 있는데, Vojdani와 Torres는 식품표면에서의 보존제의 확산을 조절하기 위한 가식성 필름제조에 키토산을 사용하였다. 또 키토산과 polyanions에 의하여 생산되는 복합체는 단백질과 부산물의 회수를 증가시킬 수 있는 시스템의 설계시 사용한다.

    키토산은 미국 의약품국에서 사료에 사용할 경우 0.1%까지 첨가하는 것을 허용하였고, 일본에서는 식품에 직접적인 이용을 이미 허용하여 국수와 빵, 과자 등에 이용하고 있으며 유럽에서는 맥주와 포도주 제조시 청징제로 사용하고 있다.

    키틴을 섬유질이나 필름형태로 제조하는 과정에서 수소결합으로 이루어진 결정성 구조로 인하여 일반적으로 유기용매에 잘 용해하지 않는 특성 때문에 formic acid에 용해하거나, acetyl-chitin과 alkyl-chitin을 제조하고, acylation반응을 유도하여 용해도를 증가시키는 방법이 소개되었다. Wei등은 키틴산을 epichlorohydrin을 사용하여 가교 결합시킬 경우 신장강도가 증가하는 물성개선효과를 보고하였다. 키틴과 cellulose를 혼합하여 생분해성 필름을 제조하기 위한 실험에서 cast drying으로 복합 필름을 제조하였을 경우 두 물질간에 화학적 결합이 형성되었고, hydrophilic하며 물에 불용성인 특징을 보였으며, flexilibility는 가소제 glycerol을 첨가할 경우 유연성이 증가하였고, cellulase에 의하여 분해되는 특징을 보였다. 또한 복합 film제조에 있어 cellulose의 carbonyl기를 증가시킬 경우 cross-linking은 증가하였지만, carboxyl기는 영향을 주지 않았다고 한다.

    아미노산의 graft copolymerization을 통하여 얻는 peptide-grafted chitin은 팽윤력이 증가하고, 반응효율은 아미노기 함량이 증가함에 따라서 높아진다. 키틴의 phophorylation에 의하여 얻을 수 있는 chitin-phosphate는 치환도가 높아짐에 따라서 수용성이 증가하고, 탈아세틸화 키틴은 치환도가 높을 경우 양쪽성(amphoteric)을 보여 물에 불용성이 되며, 치환도가 낮을 경우 물에 용해하는 특징을 보인다.

    Kurita등은 mercapto기를 갖는 키틴 유도체의 생분해성을 lysozyme을 측정한 결과 변형시키지 않은 키틴보다 효소분해에 민감한 결과를 보고하고 있다.

    한편, 미생물로부터 얻어진 chitosan-pullulan의 복합체를 사용하여 가교결합형 생분해성 고분자를 생산함에 있어서 배양방법과 공정조절이 고분자의 분자량과 필름의 특성에 영향을 미치는 것으로 알려져 있으며, Daly와 Knorr은 chitosan-alginate복합체를 이용하여 캡슐 제조시 염화칼슘, 가소제, 다전해질 등의 효과실험을 통하여 염화칼슘의 첨가가 캡슐의 강도에 영향을 주는 것을 보고하고 있다.

    4. 키틴, 키토산 유도체류의 조제법 및 물리화학적 특성

    1. 키틴 및 키토산

1. 키틴 : 게, 새우등의 갑각류의 외피는 키틴(25-30%), 탄산칼슘(40-50%), 단백질(20-30%) 및 소 량의 색소로 구성되고 있으며 이들 물질을 순차적으로 제거하는 공정을 거쳐 키틴을 얻을 수 있다).

   (키틴유도체의 종류와 그 응용 )

키 틴 유 도 체	주 요   응 용   예
1. 키틴	상처치유, 인조피부, 봉합사, 섬유, 비료, 스피커용 진동장치
2. 키토산	퇴비발효 촉진제, 식물세포 활성화제, 식품성분, 혈중콜레스테롤저하, 다공성 BEAD, 흡습제, 막과 섬유 제조, 면역부활제, 두발용품 성분, 폐수처리용 응집제
3. 알카리 키틴	화학합성 중간제
4. 키틴염	폐수처리용 응집제, 단백질 회수
5. 금속 킬레이트	우라늄, 중금속 및 할로겐 제거
6. N-alkylidene유도체	효소 및 미생물 고정화
7. N-acyl 유도체	Gel media, 투석막, 콘택트 렌즈, drug release용
8. Deoxyhalo 유도체	유기합성 중간체
9. N-alkyl 유도체	항균제
10.O-hydroxy alkyl유도체	수용성 유도체, 유화제, 보습제, 화장품
11. 탈중합 유도체	Seed coatimg, 암면역부활제, endotoxin 및 핵산제거제
12. O-acyl 유도체	유화제
13. O-sulfonyl 유도체	Deoxyhalo 및 deoxy 유도체 합성용 중간체
14. 황, 인, 질산유도체	항응고제, lipo 단백질의 lipase의 활성화제(황-유도체) 해수의 우라늄 흡착제(인-유도체), 폭발물(질산-유도체)

(키틴 및 키틴 유도체[번호순으로] 표 참조)

※ 키틴, 키토산의 화학적 조제법 : 새우 혹은 게 껍질 -– 무기염의 제거(2N HCl, 실온, 48시간) – 단백질의 제거(1N NaOH, 비점, 36시간) – 색소의 제거(엔탄올 환류, 6시간) – 키틴 – 탈아세틸화(40% NaOH, 115℃, 6시간) – 키토산

※ 단백질 제거법의 경우, 3-5%의 저농도 NaOH로 열처리하는 방법, papain, pronase 및 pepsin 등의 단백질 분해효소 혹은 Pseudomonas maltophilia LC 102등의 세균에 의한 단백질 제거법 등 다양한 방법이 있으나 아직까지 NaOH처리법이 가장 효과적인 것으로 평가되고 있다.

탄산칼슘의 경우에는 1-5%내외의 염산 수용액 혹은 EDTA로 제거할 수 있고 색소류는 차 아염소산소다 혹은 에탄올 등의 알코올로 제거가 가능하다.

키틴의 구조는 그림 3과 같이 cellulose와 유사한 구조이나 분자 내에 아세틸아미노기를 가지고 있고 이 아세틸아미노기의 분자간 수소결합이 대단히 강하여 화학약품에 대한 내성 이 강하고 또한 물과 일반적인 유기용매에도 녹지 않고 TCA/DCA, DMA/LiCl, DMA/NMP등 의 특수용매에만 녹는 성질을 보인다.

(키틴, 키토산의 화학구조)

1. 키토산 : 키틴의 탈아세틸화물인 키토산은 키틴을 50%내외의 NaOH용액의 가열 처리하거나 Mucor 등의 사상균에 존재하는 deacetylase등을 이용하는 방법이 있으나 고농도 NaOH처리법이 일반적이다. 아래 그림에는 키틴을 50% NaOH로 처리할 경우 반응온도와 반응시간에 따른 탈아세틸화율 과 점도변화를 나타내었다. 키토산 용액은 유기산 및 무기산에 녹지만 물 및 알콜류에는 녹지 않으며 점도는 분자량, 탈아세틸화도, 이온강도, pH 및 온도 등에 의해 달라지나 0.5% 농도에서 15-1,5..cPs로 상당히 폭이 넓다. 또한 키토산을 조제한 후에는 점도가 저하하는 특성을 보이는 데 이와 같은 점도 저하의 원인은 main chain의 절단, 분자회합상태의 개열 등으로 생각되고 있다.

   2. 키틴/키토산 유도체

      1) 키토산 올리고당 : 키토산은 분자량이 수십만으로 높고 그 염용액은 이온화하여 고점도를 나타내므로 고농도 의 키토산 용액을 조제하는 데 한계가 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 키토산을 산분해 등의 방법으로 점도가 낮고 수용성이 강한 저분자 키토산 혹은 키토올리고당 등의 조제에 관한 연구가 활발하다. 현재 키토산을 산분해 하여 2량체의 키토비오스에서 7량체의 키토헵타오스까지 조제가 가 능하며 세균으로부터 생산되는 chitosanase에 의한 키토산의 저분자화가 연구되고 있는 시판 cellulase에 의한 저분자화도 가능한 것으로 보고되고 있다. 키토올리고당의 분별방법은 메탄올농도별로 분획하는 방법과 약산성 양이온 교환수지에 의 한 분획방법이 있으며 분획한 올리고당을 건조시키고 저농도의 염산용액에 녹인 후 서서히 건조시킴으로 침상의 올리고당 결정을 얻을 수 있다.

   (반응시간과 탈아세틸화율의 관계)              (키토산용액 점도의 경시변화)

      2) 키틴구성 단당 : 키틴을 염산으로 완전히 가수분해하면 단당의 D-glucosamine 염산염이 얻어지며 이로부터D-glucosamine황산염, N-acetyl glucosamine 등의 유도체가 얻어진다. 키틴을 진한 염산으로 약 100℃에서 수 시간 가수분해하면 키틴의 구성단위인 N-acetyl glucosamine으로부터 acetyl기가 이탈하여 D-glucosamine이 생성되는데 이 D-glucosamine은 연골조직의 칼슘대사에 작용하여 골 및 관절성 질환에 의약품으로서 이 용되고 있다. 한편 N-acetyl glucosamine은 D-glucosamine염산염을 원료로 N-acetyl화 반응에 의해 화학적으로 합성되고 있으며 Bifidus균의 증식 및 감미성이 있으나 화학합성품이라는 한계 로 식품에 사용되지 못하고 있다. 그러나 최근 내산(內山)등은 산가수분해법으로 얻은 키토올리고당을 chitinase와 N-acetyl hexosaminidase(chitobiase)를 탄닌-키토산 gel에 고정화하여 연속적으로 N-acetyl glucosamine을 조제하고 있어 향후 식품에 응용이 기대된다.

   

   (키틴 및 키토산 분해물질의 조제)

2. 키틴 및 키토산의 유도체류 : 키틴은 용매에 거의 녹지 않으며 키토산 또는 묽은산에는 녹지만 물 및 알콜류에는 용해되지 않아 수용성 혹은 유기용매 가용성의 유도체 혹은 신기능의 유도체에 대한 연구가 활발하다. Cellulose의 화학구조와 물성에 상당히 유사한 키틴은 분자상 C6-제 1급 수산기, C3-제 2 급 수산기, C2-acetamide기 3종의 관능기가 있고 통상은 acetamide기가 불활성이거나 C3-수산기와 수소결합을 형성하여 block되어 있고 C6-수산기가 반응성이 제일 높아 화학 수식에 있어서 선택적인 반응이 가능하다. 또한 키토산의 경우에는 C2위치의 아민기에도 수식이 가능하다.

   1. Hydroxy alkyl화 : Hydroxy ethyl키틴은 키틴을 농 알칼리 중에서 ethylene oxide혹은 2-chloroethanol과 반 응시켜 얻을 수 있으며 ethylene oxide대신에 propyrene oxide, 1,2-epoxy butane을 사용 하면 hydroxy propyl 키틴과 hydroxy butyl키틴을 얻을 수 있으나 후자는 물에 녹지 않는다.

   2. Carboxy methyl화 : Cellulose유도체로서 대량으로 제조되고 있는 carboxy methyl cellulose와 같이 carboxy methyl 키틴에 관해서도 연구가 진행되어 공업화되고 있다. 알칼리 키틴에 monochloroacetic acid를 반응시켜 얻는다.

   3. 황산화 및 인산화 : 키틴 및 키토산의 황산화에 관해서는 heparinoid로서의 흥미로부터 다수 연구되고 있다. 황산화 시약으로서는 chlorosulfonic acid, 농황산, 삼산화 황/dimethyl formide, 삼산화 황/ 이산화 황, 삼산화 황/pyridine을 들 수 있으며 황산화에 의해 수용성이 되지만 분자량 저하 가 동시에 일어나며 모발의 정전기 방지 효과를 나타낸다. 한편 인산화 키틴은 methane sulfon산 중 오산화 인을 키틴과 반응시켜 얻을 수 있다.

   4. N-acyl화 및 N-alkyl화 : 아미노기의 화학수식에는 크게 N-acyl화 및 N-alkyl화 두 가지 방법이 있다. 키토산의 acyl화는 많은 경우 gel을 형성하고 수용성 유도체화는 되지 않는다. 그 중에서도 N-succinyl키토산은 치환기가 0.3이상이면 수용성이다. 한편 N-alkyl화는 epoxide를 아미노기와 반응시키는 방법과 aldehyde를 아미노기와 반응 시킨 후 환원하여 alkyl화하는 방법이 있는데 전자의 경우 키토산에 glycidol 혹은 이것과 glycidyl trimethyl ammonium chloride의 혼합물을 반응시켜 수용성 양이온성 유도체를 얻 을 수 있고 이들은 키토산이 많은 음이온성 계면활성제와 혼합시 침전이 일어나는 성질을 보이지 않아 도발화장품에 응용되고 있다. 한편 후자의 경우 키토산에 glyoxal산을 반응시키고 환원함으로서 N-carboxy methyl 키토 산을 얻을 수 있다.

      3. 키틴/키토산 및 그 유도체류의 기능성

         1) 키토산 및 그 분해물의 항균성 : 키토산(99% DAC)은 0.1% 범위의 농도에서 콩류의 병원균인 Fusarium solani에 대해 생 육을 완전히 저지하고(그림 참조) 또한 오이의 F. oxysporum과 양파의 F. oxysporum cepae 등 병원균에 대해서도 동일한 효과를 보이는데 탈아세틸화도가 높을수록 우수한 효과를 발 휘하는 것으로 평가되고 있다.

      (Fusarium solani의 증식에 미치는             (식물병원균에 대한 키토산 분해물의 최소

      키토산 농도의 영향)                          저지농도[MIC])

      이에 대한 기구를 분석할 목적으로 세균의 세포막을 통과할 수 있는 키토산 분해물을 이용 하여 동일한 시험을 행한 결과 분해도가 5% 내외인 것이 균의 최소저지농도가 가장 낮은 것으로 나타났고 분해물의 억제활성이 키토산보다 훨씬 우수한 것으로 확인되었다(위 그림 참조). 키토산을 F. oxysporum균사체에 반응시켜 시간에 따른 유출물질을 분석한 결과 핵산관련 물질로 판명되어 키토산이 곰팡이의 세포 표층부에 반응하여 세포투과성을 증대시키는 것이 항곰팡이성을 나타내는 하나의 기구로 시사되고 있다. 키토산 및 그 분해물은 세균에 대해서도 항균성을 나타내는 것으로 알려지고 있다.

      (키토산 분해물의 세균에 대한 최소저지농도[MIC])

      

       (키틴 및 키틴 유도체의 항종양활성)

      

      종양세포(2 x 10⁵)와 시료(100㎍)의 혼합물을 BALB/C 마우스 복강내 투여, 4주 후 종양착 생율을 관찰, 4주 후 무종양마우스에 종양세포를 재 이식하여 2주 후 관찰 키토산 0.02%를 함유하는 pH 6.0의 배지를 이용하여 P. aeruginosa, B. subtilis 및 S. aureus를 배양한 경 우 배양 4일 까지 모두 생육하지 않으며 대장균의 경우에는 키토산 농도 0.015% Bouillon 배지에서 생육이 완전히 저지되고 이러한 효과는 점도가 낮을수록 우수한 것으로 평가되고 있다.

      한편 키토산 분해물을 0.1% 농도로 37℃에서 1시간 반응시켜 반응후의 생균수를 측정할 경우 미처리 키토산의 살균력은 90%인 반면 4% 분해물은 이보다 더욱 강하였고 키틴올리 고당의 경우에는 올리고당의 구성단위가 최소 6량체 이상에서만 항균성을 나타내는 것으로 확인되어 올리고당은 수용성의 새로운 기능성 당류로서 향후 식품에 이용될 것으로 기대되 고 있다.

      2) 종양저지효과 및 식물세포의 활성화 : BALB/c계 마우스의 동일계 종양 Meth-A에 대한 키틴유도체의 종양저지활성에 대해 표3 에 나타내었다.대조군인 Propionibacterium acnes세포벽 성분보다 DAC-70(70% 탈아세틸화 키틴)이 높 은 항종양활성을 보였고 다음으로 DHP(dihydroy propyl 키토산), DAC-30순으로 나타나고 있었다.

      생존한 마우스에 동일한 종양을 재 이식하고 2주 후에 관찰한 결과 거듭 높은 항종양활성 을 보여 면역효과가 우수함이 증명되고 있다. 키틴올리고당(6량체)은 면역증강작용을 보여 마우스 이식 종양에 대해 항종양성 및 항종양 전이 억제효과를 보이고 또 미생물에 대한 감염방어효과를 발휘하는 것으로 영목 등에 의해 확인되었고 콩과식물 등에서는 항균성물질인 pisatin의 생성을 유도하는 것으로 보고되고 있다. 한편 키토산올리고당은 (6,7량체) 식물병원균인 Fusarium solani에 대해서 생육저지활성을 보이며 키틴올리고당은(6,7량체) 멜론에 있어 chitinase활성을 유도하는 elicitor활성을 보이 고 인삼의 리그닌화에 관여하는 phenol산의 축적을 유도하는 것으로 알려지고 있다.

         3) 박테리아 α-amylase에의 항체생산과 지연형 과민증 반응의 유도 : 세포성 암면역에서는 세포장해성 T세포(Killer T cell)와 같은 감작 T임파구의 발현과 지연 형과민증의 출현은 림포카인의 생성을 강하게 시사하지만 α-amylase에의 항체생산, 지연형 과민증을 나타내는 피부반응, P-815계 종양에 대한 Killer cell의 생산, 인터루킨-1 및 colony stimulating factor(CSF)의 유도 등 어느 경우에도 DAC-70은 높은 활성을 보이고 있다(표 참조).

         4) Macrophage의 활성화 : 항종양활성의 최초 거동인 Macrophage의 활성화를 키틴 유도체에 관해서 보면 DAC 및 CMC키틴에서 그 활성이 보이는 데 특히 활성화 정도는 양자 모두 아미노기와 카르복실기 의 함량과 관계가 깊다.