Chitosan과 N, O-carboxymethyl chitosan이 급원과 분자량에 따라 cadmium 및 지방대사에 미치는 영향

Abstract

본 연구에서는 chitosan과 N, O-carboxymethyl chitosan(NOCC)이 섬유의 급원, 종류, 분자량에 따라 cadmium(Cd) 및 지방대사에 어떠한 영향을 미치는지 알아보고 이러한 영향의 차이가 chitosan과NOCC의 물리화학적 성질에 의한 것인지 알아보고자 하였다. 사용한 식이섬유는 새우와 게에서 분리하였고 chitosan의 분자량을 저, 중, 고로 달리 하였는데 그 범위는 1만~23만이었다. 흰쥐를 chitosan과 NOCC를 4%, CdCl_2를 0.04%(Cd 245ppm)수준으로 첨가한 식이로 4주간 사육한 후 혈핵과 소장, 간, 신장조직 내 Cd 농도와 이들 조직의 metallothionein(MT)농도, MT내 Cd함량, 뇨와 변의Cd배설량등을 측정하여 Cd대사를 알아보았고 혈청과 간, 변의 지질분석을 하여 지방대사를 알아보았다. 게에서 분리된 섬유는 새우에서 분리된 섬유보다 점도가 높아 급원에 따라 점도의 차이가 있었고 chitosan이 NOCC보다 높아 섬유의 종류에 따라 점도가 달랐다. chitosan의 탈아세틸화도는 모두 87~93% 정도로 비슷한 수준이었고 NOCC의 치환도는 저분자가 중분자와 고분자보다 높았다. Cadmium공급으로 실험동물의 체중증가율이 감소되었고 혈액과 조직에 Cd이 축적되었다. 또한 소장, 간, 신장에서 metallothionein(MT)의 합성이 증가하였다. 이와같은 Cd의 중독은 chitosan과NOCC의 첨가로 완화되었는데 섬유급원, 섬유종류에 따라 다르게 나타났고 분자량에 따른 Cd중독완화 정도의 차이는 크게 나타나지 않았다. 섬유급원에 의한 영향을 보면 게급원 섬유군이 새우급원 섬유군보다 혈액과 신장의 Cd농도가 낮았고 신장의 MT농도와 간과 신장 MT내 Cd함량이 유의적으로 낮게 나타나 게급원섬유가 Cd중독 완화에 더 효과가 있었다. 섬유종류에 따른 영향으로 chitosan군들이 NOCC군들보다 소장과 간의 Cd 농도가 낮았고 변으로 Cd배설량이 많았으며 간과 신장의 MT농도와 MT내 Cd함량이 낮게 나타나 chitosan이 NOCC보다 Cd중독을 완화하는데 더 효과가 있었다. Cd공급군들중 새우 chitosan저분자군은 간과 신장의 Cd농도가 가장 낮았고 변으로의 Cd배설량이 높았으며 소장과 간의 MT농도와 간 MT내 Cd함량이 가장 낮게 나타나 새우에서 추출한 저분자의 chitosan이 Cd중독완화에 가장 효과적이었다, chitosan과 NOCC의 섭취는 혈청의 총 cholesterol과 중성지방수준에 큰 영향을 주지않았으나 HDL-cholesterol과 HDL-cholesterol:total cholesterol ratio를 증가시켰고 간의 총지방, cholesterol, 중성지방 농도가 감소하였다. 이런 지방저하효과를 섬유의 급원, 종류, 분자량별로 보면 다음과 같았다. 섬유급원에 의한 영향을 보면 혈청 총 cholesterol농도와 간의 총지방과 중성지방의 농도, 변의 cholesterol과 bile acid배설량에서 유의적 영향이 나타났으나 섬유종류와 분자량의 영향에 따라 cholesterol, 지방저하효과가 큰 섬유급원이 달랐다. 섬유종류에 따른 영향을 보면 Cd비공급군들에서는 chitosan군이 NOCC군보다 간의 총지방, cholesterol, 중성지방 저하효과가 컸고 변의 총지방과 중성지방, bile acid배설을 증가시키는데에서도 효과가 더 컸다. 특히 chitosan중에서도 게 chitosan이 분자량에 관계없이 모두 간 cholesterol과 중성지방의 저하효과가 컸고 게 chitosan고분자는 변으로 총지방과 cholesterol, bile acid를 가장 많이 배설시켜 지방흡수억제효과가 가장 컸다. 또한 Cd공급군들은 Cd의 영향으로 섬유의 혈청 총지방, 간의 총지방과 중성지방 저하효과가 나타나지않았으나 chitosan이 간 cholesterol수준을 저하시키는데 효과적이었다. 분자량에 따라 살펴보면 Cd공급유무에 상관없이 저분자와 고분자섬유가 중분자섬유보다 혈청cholesterol, 간의 총지방과 cholesterol수준을 저하시키는 효과가 컸다. 이상에서의 결과를 종합하여보면 게 chitosan중분자를 제외한 모든 chitosan이 NOCC에 비하여 변으로의 Cd배설량을 증가시켰다. 따라서 chitosan이 NOCC보다 Cd중독완화효과가 컸던 것은 chitosan이 NOCC보다 점도가 높아서 장내에서 Cd의 흡수억제효과가 더 컸고 chitosan의 -NH_2기가 NOCC의 -NHCH_2 COOH기보다 Cd이온과의 배위결합능이 컸기 때문인 것으로 생각된다, 그러나 점도가 가장 낮았던 새우 chitosan저분자가 Cd중독완화에 가장 효과적이었던 것은 점도보다는 Cd과의 배위결합능이 더 크게 영향을 주었거나 분자구조의 차이로 인한 또다른 특성때문으로 보인다. chitosan이 NOCC보다 간조직내 cholesterol 및 지방의 저하효과가 크게 나타났고 점도가 가장 높았던 게 chitosan고분자는 변으로 지방과 bile acid의 배설을 가장 많이 하여 지방의 흡수억제 효과가 가장 컸다. 따라서 지방배설에 점도의 영향이 크게 작용하고 chitosan분자의 NH_3^+와 지방과의 이온결합력도 영향을 미치는 것으로 생각된다. ; This study was performed to investigate the effects of chitosan and NOCC different sources and molecular weights on cadmium and lipid metabolism. Sprague-dawley rats were blocked into 26 groups according to body weight and were raised for 4 weeks. Cadmium chloride was given at the level of o or 400 ppm in diet. Various chitosan and NOCC were given at the level of 0 or 4%(w/w) of diet. In order to find out whether differences in effects of chitosan and NOCC on lipid metabolism resulted from various physicochemical properties of chitosan and NOCC, viscosity of 6 chitosans and 6 NOCCs were determined. chitosan and NOCC from crab showed higher viscosity than those from shrimp, and viscosity of chitosan was higher than that of NOCC. chitosan and NOCC with higher molecular weight were more viscous. Thus crab high molecular weight chitosan was most viscous. Deacetylation of chitosans were in the range of 87~93% and carboxymethylation degree of low molecular weight NOCC was greater than those of medium and high molecular weight. Cd toxicity was alleviated by various chitosan and NOCC supplements. However these effects were different with fiber source, type and molecular weight. Crab source fiber fed groups had lower Cd concentration in blood and kidney, kidney metallothionein concentration, and liver and kidney MT-Cd content rather than shrimp source fiber fed groups. chitosan fed groups were lower in intestine and liver Cd concentration, liver and kidney MT concentration and MT-Cd content, and higher in fecal Cd excretion than NOCC fed groups. Thus chitosan was more effective in alleviating Cd toxicity than NOCC. Among cadmium exposed groups, in low molecular weight shrimp chitosan group, Cd concentrations of liver and kidney were low, fecal Cd excretions were high, and intestine and liver MT concentration and liver MT-Cd contents were the lowest. On alleviating Cd toxicity low molecular weight shrimp chitosan was most effective. Molecular weight had no significant effect. Total serum cholesterol and serum triglyceride concentration were not little effected by chitosan and NOCC supplements. However HDL-cholesterol and HDL: total cholesterol ratio were increased, and liver lipid, cholesterol and triglyceride concentration were decreased by chitosan and NOCC supplement. These cholesterol ad lipid lowering activity were different with fiber source, type and molecular weight. Fiber source was influenced serum cholesterol, liver lipid and triglyceride concentration. In addition fecal excretion of cholesterol and bile acid were influenced by fiber source. However these effects were different with fiber type and/or molecular weight, fiber source independent of fiber type and/or molecular weight was not determined factor for effects of cholesterol and lipid lowering activity. Among cadmium not exposed groups chitosan fed groups showed greater in cholesterol and lipid lowering activity, and fecal excretion of lipids and bile acids than NOCC fed groups. Especially crab chitosans were more effective in cholesterol and lipid lowering activity than shrimp chitosans. the data that high molecular weight crab chitosan fed group was highest in fecal excretion of lipids and bile acids that indicate high molecular weight crab chitosan was most effective on interfering with cholesterol and lipid absorption. Among Cd exposed groups chitosan feeding was effective in decreasing liver cholesterol concentration but other lipid lowering effect was not showed by chitosan and NOCC. Low and high molecular weight chitosan and NOCC fed groups were lower in serum cholesterol, liver lipid and cholesterol concentrations than medium molecular weight chitosan and NOCC fed groups. Thus medium molecular wight chitosan and NOCC was less effective on cholesterol and lipid lowering activity. As mentioned above, chitosan increased fecal excretion of Cd and chitosan was more effective on alleviating Cd toxicity than NOCC. Accordingly it is considered that chitosan forms more powerful chelation with Cd than NOCC. In addition chitosan has more effective lowering activity of lipid and cholesterol than NOCC. Especially high molecular weight crab chitosan, which is most viscous, inhibited most effectively lipid and cholesterol absorption by increasing fecal excretion of lipids and cholesterol.