패각의 변형 특성에 관한 연구

김용완,최청송

서강대학교 화학공학과

A Study of Characterization of the Deformed Oyster Shell

Yong-Wan Kim, Cheong-Song Choi

Dept. of Chemical Engineering, Sogang University

1.서론

Chitin은 cellulose 다음으로 지구상에 풍부하게 존재하는 biomass로서 해양 무척추동물, 곤충 등에 의해서 합성되는 것으로 추산되고 있다[1]. Chitin의 구조는 poly-□(1,4)-N-acetyl-D-glucosamine의 섬유상의 중합체로서 직선상으로 연결되어 있으며 흰색의 결정형 혹은 무정형의 polymer로 약 5000개 이상의 잔기를 가지고 분자량이 약 100만 이상인 천연고분자로 되어있다. 물, 유기용매에는 불용성이지만 formic acid-dichloro-acetic acid, trichloroacetic acid- dichloroethane, methane, hexafluoro-isopropanol, dimethylacetamide -lithiumchloride(LiCl)등에 용해된다. 또한 chitin은 막형성능이 있으므로 적당한 용매로 용해하고 응고시키면 필름, 섬유등을 만들 수 있다고 알려졌다. 즉 알칼리 키틴 용액을 감압건조시켜 메탄올로 알칼리를 추출하여 chitin필름을 제조할수 있고[2] fromic acid-dichloroacetic acid 용액을 에탄올로 응고시켜 chitin 필름을 제조하는 방법이 보고되었다[3].

Chitin은 식품분야, 고분자물질의 응집제, 효소고정화제, 화장품에서의 흡습제등 각분야에서의 연구가 활발히 진행되고 있으며 특히 인체에 무해하다는 사실뿐만 아니라 이에 대한 antibody가 형성되지 않아 부작용이 없어 의료용 소재 및 의약품으로서 연구가 진행되고 있다. 또한 chitin은 생물의 종류등 재료의 출처나 추출방법에 따라 그 성질에 차이가 있다고 알려졌다[4]. 본연구에서는 참굴패각( Crassostrea gigas)에서 분리된 chitin의 물리적, 화학적특성과 chitin과 결합하고 있는 경단백질의 아미노산 조성분포와 분자량분포 및 구조특성이 패각의 변형에 미치는 영향을 비교 실험하였다.

2.실험

패각을 전처리과정을 통하여 세척한후 투석을 통하여 soluble protein과 insoluble protein을 얻는다. IR spectra는 MIDAC GRAMS Fourier transform infrared spectrometer를 이용하여 측정하였으며 단백질의 2차구조는 FSD (Fourier Self- Deconvolution) method를 이용하여 구조적 차이를 해석하였다. 또한 층별로 얻어진 각각의 protein을 6N HCl로 110℃의 진공하에서 24시간동안 산가수분해시킨후 가수분해물을 여과시킨후 amino acid analyzer로 분석하였으며 Gel filtration chromatography로 경단백질의 분자량 분포를 확인하였다. 또한 패각에서 키틴만을 분리정제하기 위해서는 키틴내에 함유되어 있는 경단백질과 탄산칼슘을 분리하여야 한다. 이를 의해 염산으로 탄산칼슘을, 단백질을 수산화나트륨을 사용하여 제거하였다. 실험순서는 그림 1에 나타내었다.

3.결과 및 고찰

참굴패각내 단백질 함량은 대개 전체 패각의 0.1%-0.02%의 함량을 차지하고 있다.  단백질의 함량에 영향을 미치는 패각표면에 붙어있는 착생식물(epiphytes)을 제거하기 위해 KOH, NaOH을 사용하여 함침하였다.  장시간(4-5 hr)함침 시, 굴껍질 표면에 용출된 오염물의 색소가 흡착되어 최종적인 분말의 백색도에 영향을 미친다. 따라서 알카리처리 후 원하는 정도의 백색도를 얻기위하여 HCl을 이용, 산처리과정을 수행하여 잔여 알카리 제거하고, 표면을 표백하였다.  KOH 또는 NaOH만으로 표면처리하는 것으로 충분히 이물질을 제거할 수 있었다. 패각은 그림 2와 같이 네가지층으로 나누었다. 바깥층,중간층,안층의 결정학적 구조는 삼방정계의 calcite로 이루어진 반면 myostracum은 사방정계의  aragonite로 이루어진 것을 XRD와 FTIR로부터 확인하였다(그림 3).

일반적으로 자연계에 존재하는 chitin은 섬유소와 매우 유사한 뷸용성 결정형구조로 존재하며 키틴의 결정단위체의 구조형태에 따라 □,□,□-chitin의 polymorphic형태로 존재한다. 패각상에 존재하는 chitin의 존재형태는 경단백질 및 탄산칼슘과 강하게 결합되어 있는 형태이므로 그로부터 chitin을 분리하기 위해서는 주로 두가지의 주요한 과정, 즉 단백질 분리과저와 탄산칼슘 분리과정을 거쳐야 한다과 알려져있다[5]. 따라서 기본적인 Hackman[6]이 제안한 chitin추출과정에서 약간의 수정을 통해 demineralization 과정에서는 탄산칼슘을 제거하기 위해 2N HCl을 사용하였으며, deproteinization과정에서는 단백질을제거하기 위하여 1N NaOH를 사용하여 60℃에서 1시간 처리하였다. 기존의 방법으로는 chitin추출시 강산과 강알칼리로 장시간처리하게 되면 분자량감소 및 탈아세틸화가 일어나 질이 좋은 chitin을 얻지 못하기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 chitin을 추출하는 과정에서 chitin 분자의 가수분해를 최소화하기 위하여 묽은 산 및 알칼리를 사용하였다.  추출한 chitin을 전자현미경으로 관찰한 결과 chitin이 fibrous한 형태로 존재학 있음을 보여주고 있었다. 또한 chitin의 물리화학적 특성을 확인하는 연구에는 IR spectrum이 유용한 것으로 알려졌다. chitin의 IR spectrum이 출처에 따라 조금씩 차이는 있으나 대체로 3263, 1655,1620, 1550cm-1 근처에서 공통적인 peak가 나타난다고 알려졌다[7]. 그림 4를 통해 추출된 chitin의 아세틸화도를 분석하였다. 1651, 1653cm-1의 peak들은 각각 amideⅠ과 amideⅡ를 나타내는 것으로 이론적인 값과 일치했다. 또한 chitin이 탈아세틸화되어 생기는 chitosan은 1620과 1550cm-1의 peak들이 사라지고 1600부근에서 하나의 broad한 peak가 나타난다고 알려져 있는데 본 연구에서 나타난 spectrum에서는 2개의 뚜렷한 peak가 분리된것으로보아 탈아세틸화는 진행되지 않았음을 알수 있었다.

Chitin을 추출하는 과정에서 알칼리로 장시간 동안 처리하여도 소량의 amino acid는 chitin속에 존재한다. 이러한 단백질은 chitin의 물리적 화학적 성질에 영향을 준다고 알려져 있다. 또한 amino acid 의 종류 및 함량은 chitin의 출처 및 추출방법에 따라 다르다고 알려져있다. 본연구에서 추출한 chitin에 존재하는 단백질의 아미노산 조성을 분석해본 결과 특히 콜라겐에 특히 많이 존재하는 글리신의 함량이 많을 것으로 보아 패각의 구조형성에 기여하는 경단백질인 것으로 확인되었다. 즉 패각형성의 구조적 역할을 하는 chitin과 protein사이에 공유결합과 관계가 있을것으로 생각된다.

참고문헌

1. Muzzarelli, R.A.A. Chitin, Pergamon Press, Oxford, 1977

2. Sannan, T., Die Makromolekulare Chemie., 174, 1191 (1975)

3. Tokura, S., Polymer Journal, 11, 781 (1979)

4. Brine,C.J., Comp.Biochem.Physiol., 70B, 173 (1981)

5. Knorr, D., Food Technol., 85 (1984)

6. Hackman, R.H., J.Biol.Chem., 193, 265 (1951)

그림 1

그림 2

그림 3

그림 4