게 껍질로부터 Microcrystalline Chitin 제조와 특성규명

김 성 배

경상대학교 공과대학 화학공학과

Preparation and Characterization of Microcrystalline Chitin

from Crab Shell

Sung Bae Kim

Dept. of Chem. Eng., Gyeongsang National University

서 론

Chitin은 지구상에서 cellulose 다음으로 풍부한 다당류로 거의 모든 동물에 존재하고 있으며, 게, 새우 등과 같은 갑각류의 껍질, 풍뎅이와 메뚜기와 같은 곤충류의 표피, 조개류와 오징어 등과 같은 연체동물의 기관 그리고 곰팡이의 균사 등에 많이 포함되어 있고 그 함량은 종에 따라 매우 다양하다.1) Chitin의 분자구조는 cellulose의 기본골격과 같으며, 분자단위는 cellulose를 구성하는 glucose의 두번째 OH기가 -NHCOCH3로 치환된 2-deoxy-2-(acetyl-amino) glucose (N-acetyl-glucosamine)이다. 단당류사이의 결합은 cellulose와 같은 □-1,4결합으로 이루어진 선형고분자구조를 가지고 있고, 중합도는 기질의 출처나 정제방법에 따라 상당한 차이를 나타낸다.2) 갑각류의 껍질로부터 얻어진 chitin은 자연계에 존재하는 chitin의 결정구조중 가장 결정성이 높은 □-chitin으로 화학약품에 매우 안정되고 물에도 거의 팽윤되지 않는다.3) 이와같은 □-chitin의 강한 내약품성때문에 산업적으로 이용할 적당한 용매가 없어 chitin유도체의 다양한 응용성에도 불구하고 chitin자체의 용도개발이 쉽지 않다. 그러나 chitin을 가수분해하여 적당한 크기의 저분자량 물질 (microcrystalline chitin)로 만들면 상업적인 용도개발이 가능하다. Microcrystalline chitin (MCC)은 bifidobacteria를 증식시키는 촉진제, 식품에 첨가할 경우 점도상승제와 안정제, chitinase의 기질, 저칼로리의 diet식품, 제약산업에서 정제의 접합제, 유화제와 빵부피를 증가시키는 첨가제로서 사용할 수 있다.4)

Chitin의 가수분해는 chitinase와 같은 효소를 사용할 수 있으나, 상업적으로 제조된 효소가격은 $250/g이상으로 팔리고 있어 산업적으로 이용하기 어렵다. 그래서 대부분 산을 사용하고 있는데, 10℃이하에서 12M 염산, 56% methanesulfonic acid 등 산만을 사용하는 방법과 85% 인산과 2-propanol의 혼합물을 사용하거나 2.5M 염산을 사용하여 끓는 온도에서 chitin을 팽윤시킨 후 고속으로 회전하는 혼합기(blender)를 사용하여 전단변형을 주는 방법, 그리고 염산과 가성소오다에서 여러번 처리하여 강염산에 용해시키는 방법 등이 있다. 이와같이 기존의 MCC 제조공정은 대부분 강산을 사용하는 공정이어서 MCC제조후 사용된 산처리가 가장 어려운 문제로 남아 있기 때문에 경제적인 공정이 될 수 없다. 본 연구에서는 강산을 사용하는 대신 묽은 염산을 사용하고 반응성을 높여주는 방법으로 초음파와 과산화수소를 첨가하는 물리화학적 방법으로 MCC를 제조하고 특성을 규명하고자 한다.

실 험

(1) MCC 제조방법

사용한 chitin은 꽃게(Protunus trituberculatus)의 등 껍질부분을 선별하여 건조 시킨 후 분쇄하여 5%(w/v)의 염산용액으로 실온에서 90분동안 처리하여 무기물을 제거하였고, 이어서 3%(w/v) NaOH용액에 넣어 2시간동안 끓여 단백질을 제거한 후, 세척, 건조하여 얻었다. MCC를 제조하기 위해서는 먼저 분리정제된 chitin 0.5g을 고체와 액체의 비가 1:5(w:v) 되도록 5∼10% 염산용액을 넣고 70∼90℃에서 6∼12시간동안 팽윤시킨 다음, 30% 과산화수소용액을 0.5 ml 넣고 초음파로 15∼45분간 처리하면 백색 젤형태의 MCC가 만들어진다. 이 젤을 중성이 될 때까지 세척한 후 냉동건조시켜 분석의 시료로 사용하였다. 초음파 발생에는 Branson 2200 초음파 발생기(50 kHz, power intesity 약 1.5 W/cm2)를 사용하였다. 반응의 완결도는 반응이 끝난 후 육안으로 젤상태를 관찰하여 chitin덩이가 반응시키기 전의 모양으로 남아있지 않고 완전히 죽같은 형태로 되어 있는지의 여부로 판단했다. Chitin덩이 존재여부는 유리판위에 제조된 MCC를 평평하게 발라 육안으로 관찰하였다.

(2) 분석방법

Chitin의 평균분자량은 점도법을 사용하여 계산했는데, Terbojevich 등5)이 제안한 아래식을 사용하였다.

〔□〕= 2.4 x 10-3 Mv0.69

여기서〔□〕는 고유점도, Mv는 점도평균분자량을 나타내며, chitin의 용매로는 5% LiCl/N,N-dimethylacetamide(DMAc)용액을 사용했다. 점도는 25℃에서 Cannon-Fenske형 모세관점도계(Kimax No.100)을 사용하여 측정하였다. 고유점도는 Huggins방법에 따라 다음 식으로 표시하여 농도 0으로 외삽하여 구하였다.

□sp/C = 〔□〕+ k〔□〕2 C

여기서 □sp는 비점도, C는 농도, k는 주어진 용매와 온도에서 상수이다. Chitin의 미세표면구조는 SEM(JEOL JSM-6400)을 사용하여 관찰하였다.

결과 및 토론

(1) MCC제조

최근 탄수화물 가수분해공정에서 사용하는 산의 농도를 줄이는 대신 반응성을 높여주는 방법으로 초음파와 과산화수소를 사용하는 연구가 이루어졌는데, 정확한 반응기구는 밝혀지지 않았지만 초음파는 국부적인 온도와 압력을 상승시켜 반응성을 증가시켜 주고, 과산화수소는 수용액상에서 산화제 역할을 하여 탄수화물과 같은 고분자물질을 저분자화하는 성질이 있는 것으로 알려져 있다.6) 저농도의 염산을 사용하는 본 연구에서는 초음파를 조사하는 것만으로 반응성을 크게 높일 수 없어 과산화수소를 가수분해 촉진제로 첨가하였다. 수십번의 예비실험을 통하여 이 공정의 주요변수가 산농도, 팽윤시간 및 온도, 그리고 초음파 조사시간 및 주파수임을 알았다.

Chitin이 완전히 젤상태의 MCC가 되기 위해서는 건조 chitin 0.5g당 필요한 염산의 최소농도가 5%정도이고 chitin을 염산용액에 완전히 잠기게 하기 위해서는 2.5 ml가 필요하다고 판단되어, control 반응조건으로 5% 염산 2.5 ml, 팽윤시간과 온도를 12시간과 80℃, 초음파 조사시간을 30분으로 택하였다. 과산화수소 (30% 기준)는 적어도 0.5 ml정도 필요하지만 그 이상 첨가하여도 제조된 MCC의 분자량에는 영향이 없어 모든 실험에서 0.5 ml로 고정하였다. Fig. 1은 산용액에서 팽윤시간이 MCC분자량에 미치는 영향을 고찰한 그림인데, 팽윤시간이 6시간일 때는 산용액에 팽윤된 chitin덩이가 완전히 젤상태로 되지 않고 소량 남아 있어 절대적인 비교는 곤란하겠지만, 팽윤시간이 증가하면 가수분해정도는 증가하나, 즉 MCC 분자량이 작아지나 9시간이나 12시간일 때는 거의 차이가 없어 12시간이상 팽윤시킬 필요는 없는 것으로 나타났다. Fig. 2에서는 초음파의 조사시간이 MCC분자량에 미치는 영향을 나타냈는데, 초음파의 조사시간이 15분일 때는 chitin덩이가 소량 남아 있었지만, 15분에서 30분으로 증가시킬 때 분자량의 차이 (3,400)와 30분에서 45분으로 증가시킬 때 분자량의 차이 (1,000)를 비교하면 45분이상에서는 초음파의 조사시간이 MCC 분자량크기에 별 영향을 미치지 않을 것으로 생각된다. Fig.3에서는 팽윤온도가 환원점도에 미치는 영향을 나타내었는데, 70℃에서 80℃, 90℃로 온도가 상승됨에 따라 각각 2%와 7%정도 분자량이 감소하였다. 100℃이상에서는 젤상의 MCC가 다른 조건에서 얻어진 시료와는 달리 약간 갈색 빛을 띄어 분자량 측정실험에는 제외시켰다. Fig. 4는 염산농도를 5%에서 7.5와 10%로 증가시킨 결과를 나타낸 그림인데 7.5%이상에서는 염산의 농도를 증가시켜도 MCC 분자량의 크기에는 거의 변화가 없었다.

위에서 고찰한 결과를 종합적으로 분석하여 보면 팽윤시간, 초음파 조사시간, 염산농도를 증가시켜도 분자량이 선형적으로 감소하지 않고 지수적으로 감소하여 어떤 값에 접근하여 가는 것을 알 수 있다. 본 연구에서도 게 껍질에서 추출한 chitin의 분자량은 230,000정도인데, MCC제조공정을 통해 저분자화되면서 28,000근처에서는 어떤 일정한 값을 접근해 가는 것을 알 수 있었다. 특히 염산농도를 2배 증가시켜도 분자량 감소정도가 chitin 기준으로 0.5%에도 미치지 않는 것은 전분, 이눌린 또는 헤미셀룰로오스와 같은 탄수화물의 가수분해과정과 비교해 보면 이해하기 어렵다. 이와 같은 현상은 chitin의 분자구조와 매우 유사한 cellulose와 분자배열상태를 비교해 보면 어느 정도 이해할 수 있다. 즉 chitin의 분자배열이 cellulose와 같은 가수분해가 어려운 결정체부분과 비교적 쉽게 가수분해되는 비결정체부분으로 이루어져 있어 반응초기에는 빠른 속도로 가수분해되지만, 어느 정도 경과후에는 결정체부분만 남아 반응속도가 현저히 작아진다고 설명될 수 있다.

(2) MCC특성규명

Chitin으로부터 MCC를 제조하는 것은 chitin의 화학적 구조를 바꾸는 것은 아니고 단위체를 연결하는 □-1,4 결합에 물분자를 첨가하여 결합을 끊는 것이다.  Chitin과 MCC의 IR spectrum을 비교한 결과 두 spectrum의 모양이 비슷하였고, 탈아세틸화도 두 경우 모두 약 14%정도로 비슷하였다. 점도법에 의한 MCC의 평균분자량은 chitin의 분자량 230,000의 약 1/8인 30,000 정도였고, chitin은 5% LiCl/DMAc용액에 5일간 용해시켜도 약 80%밖에 용해되지 않았으나 MCC는 하루만에 거의 용해되었다. 제조한 MCC를 건조시키지 않고 물에 분산시킬 경우 몇달동안 침전되지 않고 분산되어 있었고, 평균 입자 크기는 11.91 □m이었다. MCC의 수율은 control 반응조건에서 얻어진 생성물을 중성이 될 때까지 세척한 후 건조시켜 계산한 결과 약 96%이었다. Chitin과 MCC의 미세표면구조는 SEM을 사용하여 관찰하였는데, MCC는 chitin의 긴 섬유상조직이 아주 작게 분해된 microfibril 형태로 되어 있음을 알 수 있었다.

참 고 문 헌

1. Knorr, D. , Food Tech., January, 85(1984).

2. Mathur, N. K. and Narang, C. K., J. Chem. Educ., 67(11), 938(1990).

3. Muzzarelli, R. A. A., "Chitin", p.89, Pergamon Press(1977).

4. Austin, P. R., Brine, C. J., Castle, J. E., and Zikakis, J. P., Science, 212, 749(1981).

5. Terbojevich, M., Carrado, C., and Cosani, A., Carbohydr. Res., 180, 73(1988).

6. 김성배, 윤석준 (1993), 한국생물공학회지, 8(4), 358.