마이크로파를 이용한 키토산의 제조

이삼휘, 박영신, 김덕찬

서울시립대학교 공과대학 화학공학과

Preparation of chitosan by using Microwave

Sam-Hwey Lee,  Young-Shin Park,  Dok-Chan Kim

Department of Chemical Engineering,  University of Seoul

1.서론

갑각류 및 연체류의 껍질 등에 함유되어 있는 키틴은 천연에 존재하는 다당류의 신기능 소재로서 주목을 받고 있다. 키틴 [□-(1→4)-2-acetamido-2-deoxy-

D-glucose(또는 N-acetyl-D-glucosamine)]은 셀룰로스와 유사한 구조를 가진 천연고분자로 생분해성, 생체적합성 등이 우수하며 약리 활성도 있어서 의약분야에서의 응용성이 매우 높다.

그러나 키틴은 특정한 용매를 제외한 물과 일반적인 용매에 녹지 않기 때문에 실제 이용하는데  어려움이 많이 있다. 따라서 키틴을 화학수식하여 용해성을 높이고 기능화하는 방안이 이용되고 있으며 그 중 대표적인 화학반응이 C-2 위치의 아세트아미드기의 가수 분해 반응, 즉 탈아세틸화 반응이다. 탈아세틸화도의 비율이 높은 것은 키토산이라 부르며, 묽은 아세트산 등의 약산성용액에 용해되는 특성이 있다.  탈아세틸화 반응은 보통 키틴 조각 또는 분말을 진한 수산화나트륨 수용액(30∼60%)중에서 가열(80∼120℃, 0.5∼5시간) 교반하여 이루어지며 탈아세틸화도를 높이기 위해서는 이러한 조작은 4회까지 반복하여야 한다.

본 연구에서는 반응시간을 단축시키고 국소 가열이 가능한 마이크로파를 이용하여 키틴을 탈아세틸화하고 기존의 방식과 비교하여 온화한 조건에서의 고탈아세틸화에 대한 가능성 여부와 탈아세틸화도에 따른 분자량의 변화를 검토하고자 하였다.

2.실험장치 및 방법

2.1 실험 장치

실험장치는 Fig.1 과 같이 가정용 microwave oven (주파수 2450MHz)을 사용하였으며 출력은 on/off 방식으로 조절하였다.  반응기는 석영으로 제작된 것을 사용하였다.

2.2 수산화나트륨 수용액에 의한 탈아세틸화반응

키틴 2g을 반응기에 넣고 탈 이온수로 제조된 수산화나트륨 수용액 20g과 혼합하여 마이크로파 출력을 325W로 하여 일정 시간 동안 반응을 진행시켰다.

2.3 유기용매와 수산화나트륨 수용액에 의한 탈아세틸화반응

키틴 2g을 반응기에 넣고 50% 수산화나트륨 수용액을 혼합하여 325W 마이크로파 출력으로 일정 시간 동안 반응을 시켰다.

2.4 마이크로파 전처리에 의한 효과

키틴 2g 과 용매 20g을 혼합한 후 마이크로파(325W)로 2분간 조사하여 키틴을 처리하였다. 50% 수산화나트륨 수용액 20g을 가하여 동일한 출력으로 반응시켰다.

2.5 탈아세틸화도와 분자량의 측정

탈아세틸화도는 colloid 적정법에 의하여 분석하였으며 분자량은 Ubbelode형 점도계를 사용하여 점도를 측정하고 고유점도를 계산하여 점도평균분자량을 구하였다.

3.결과 및 고찰

3.1 수산화나트륨 수용액에 의한 탈아세틸화반응

수산화나트륨 수용액의 농도를 20%, 30%, 50%로 하여 마이크로파(325W 출력)를 조사하여 25분간 키틴을 탈아세틸화 시켰다. 다음 Fig. 2에서와 같이 30%, 50% 수산화나트륨 수용액의 경우는 탈아세틸화도가 약 90%로서 농도의 영향이 거의 없는 것으로 나타났다.  20% 수산화 나트륨 수용액은 64%의 탈아세틸화가 진행되었음을 알 수 있었다.

기존의 가열 방식의 경우 50% 수산화나트륨 수용액을 사용하여 110℃에서 10시간 반응시 81%의 탈아세틸화도를 갖는 키토산이 얻어지며, 35%의 수산화나트륨 수용액인 경우 110℃에서 5시간 반응시 62% 탈아세틸화된 키토산을 얻었다고 하였다. 기존의 방식과 비교하여 반응시간을 단축할 수 있었으며 낮은 농도의 NaOH 수용액을 사용했을 때도 높은 탈아세틸화도를 얻을 수 있었다.

3.2 유기용매와 수산화나트륨 수용액에 의한 탈아세틸화반응

용매로 에탄올, 메탄올, t-부탄올, DMSO에 대하여 검토하였다. 용매별로 20, 30% 수산화나트륨 농도를 유지하여 키틴을 탈아세틸화 하였다.

에탄올의 경우는 수산화나트륨의 농도(20, 30%)에 따라 탈아세틸화도가 63, 64%로 차이가 거의 없었고 메탄올은 29, 56%, t-부탄올은 66, 68% 탈아세틸화도를 보였다.(Fig. 3)  DMSO와 30%의 수산화나트륨 수용액을 사용했을때 96%의 탈아세틸화된 키토산을 얻을 수 있었으며 계속 증가되는 경향을 나타내므로 40분까지 반응을 연장시켰으나 25분 이후부터 탈아세틸화도의 변화는 관찰할 수 없었다. 같은 용매의 경우 수산화나트륨의 농도가 높을수록 탈아세틸화가 증가하는 것을 알 수 있었다.

3.3 키틴의 마이크로파 전처리가 탈아세틸화도에 미치는 영향

용매별로 마이크로파를 2분간 조사한 다음 50%의 수산화나트륨 수용액 20g과 혼합한 후 20분간 반응시켰다.  탈이온수를 사용하여 마이크로파로 키틴을 전처리 하였을 때에는 65.2%가 탈아세틸화 되었으나 직접 탈아세틸화 하였을 때는 88.4%의 탈아세틸화도를 얻었다. 그 밖의 용매는 직접 탈아세틸화 시킨 것과 비교하여 큰 차이를 나타내지 않았다.

따라서 마이크로파를 이용할 경우 키틴의 전처리 공정을 거치지 않아도 탈아세틸화 반응은 잘 이루어지는 것을 확인할 수 있었다.

3.4 탈아세틸화도와 분자량의 변화

기존의 가열 방식으로 제조된 키토산의 분자량과 비교해 볼 때 수산화나트륨 농도30%, 반응시간 25분의 경우 탈아세틸화도가 90%이고 분자량은 5.4x105 이었다. (Table 1)

탈아세틸화도가 낮을수록 분자량은 증가하였다. 기존의 가열방식과 비교하면 마이크로파 에너지를 이용한 경우 탈아세틸화 반응으로 인한 분자량의 감소가 비교적 적은 사실을 알 수 있었다.

4결론

일반적인 가열 방법으로 키틴을 5시간 이상을 반복 반응시켜야 90%이상의 탈아세틸화도를 가진 키토산을 얻을 수 있으나 마이크로파를 이용하는 경우에는  25분만에 90%이상의 탈아세틸화도를 가진 키토산을 얻을 수 있었다. 기존의 가열 방법보다 마이크로파를 이용하였을 때 키토산의 분자량 감소가 작았다. 마이크로파를 이용한 경우 탈아세틸화도가 높은 것은 반응온도가 높았기 때문인 것으로 판단되었다.

DMSO를 사용했을 경우 96%의 높은 탈아세틸화도를 얻을 수 있었으며 유기용매를 사용하는 것보다는 용매를 사용하지 않을 때도 90%의 탈아세틸화도를 나타내었다.

5.참고문헌

1. 이천우, 이현주, 김광, "키토산 제조에서의 탈아세틸화 반응에 관한 연구", 화학공학, 36(4), 496-501,(1998)

2. M. Mucha, "Rheological characteristics of semi-dilute chitosan solutions", Machromol. Chem. Phys., 198, 471-484 (1997)

3. G. Berth, H. Dautzenberg, M. G. Peter, "Physico-chemical characterization of chitosans varying in degree of acetylation", Carbohydrate Polymers, 36, 205-216 (1998)

Fig. . Schematic diagram of the	experimental apparatus.

□ Reactor

□ Thermometer

□ Microwave oven

□ Microwave power controller

□ Condenser

Fig. 2. Effect of variation in concentration of NaOH solution on the deacetylation of chitin in an water mixture. [20g NaOH aqueous solution : 2g chitin]

Fig. .  Effect of variation in concentration of NaOH solution on the deacetylation of chitin in solvents mixture. [ 8g solvents : 12g 50% NaOH aqueous solution : 2g chitin ]

Table 1.  Molecular weight of Chitosan by Microwave irradiation.

Solvent	NaOH Concentraion(%)	Reaction Time(min)	Degree of Deacetylation (%)	Molecular Weight
t-Butyl alcohol	20	25	66	7.5x105
t-Butyl alcohol	30	25	68	5.0x105
Dimethyl sulfoxide	20	25	83	4.0x105
Dimethyl sulfoxide	30	25	96	2.9x105
NaOH	30	25	90	5.4x105
NaOH	50	25	90	4.0x105