AOT-역미셀계의 미셀상호작용에 미치는 비이온계면활성제 첨가의 영향

최진성, 김형준, 이은주, 양종규*, 이성식

동아대학교 화학공학과

부산정보대학 환경화학계열*

Effect of Adiition of Nonionic Surfactants on micellar-micellar interaction

in AOT-Reverse Micellar Systems

Jin-Sung Choi, Hyung-Jun Kim, Eun-Joo Lee, Jong-Gyu Yang*, Sung-Sik Lee

Dept. of Chem. Eng., Dong-A Univ., 840 Hadan-dong, Pusan

Group Dept. of Environ. & Chem., Pusan College of Information Technology*

1. 서  론

최근 생체막, 생체촉매, 마이크로 생물유기체 등의 다양한 생물학적 기능을 이용한 새로운 공정들에 관한 연구가 높은 선택성, 고효율, 고기능 및 에너지 절약의 관점으로부터 많이 시도되고 있다. 그 중에서도 역미셀은 생체막의 가장 간단한 모델로서 다양한 생체분자의 분리장 또는 반응장으로 활용하고자 많은 연구가 진행중이다. 역미셀에 의한 단백질의 분리는 일반적으로 수상의 pH, 이온 강도 그리고 염의 종류 등과 유기상의 계면활성제의 종류와 농도, 보조 계면활성제의 유, 무, 용매의 종류 등에 영향을 받는다. 특히, pH와 이온 강도는 역미셀 추출 공정에 있어서 지배적인 인자이며, 단백질과 미셀간의 정전기적, 소수적 그리고 구조적 상호작용 등이 역추출율에 영향을 미친다. 이들 상호작용 중에서 정전기적 상호작용은 정추출 과정에서 주된 추진력으로 받아들여지고 있다. 그러나 역추출 공정에서는 그 상대적 효율이 매우 낮다. 그 원인으로는 단백질 또는 효소가 AOT-역미셀과의 불특정 상호작용으로 인해 비가역적으로 변성하거나 활성을 잃기 때문이다. 이러한 불특정 상호작용에 의한 효소의 변성 및 단백질의 구조 변화는 역미셀 추출 공정에서 역추출율과 역추출 속도를 현저히 감소시킨다. 그러므로 역미셀을 이용한 단백질의 고순도 분리 시, 역추출 공정의 문제점들 중에서 역추출율과 활성 수율에 결정적인 영향을 미치는 미셀-단백질 및 미셀-미셀간 상호작용의 제어를 위한 많은 연구가 필요하다. Dungan 등은 미셀-미셀간 상호작용에 의한 미셀 클러스터(micellar cluster) 형성이 역추출율 감소의 중요한 인자임을 밝혔다. Yamada 등은 미셀-단백질, 미셀-미셀간 상호작용의 제어를 위하여 합성 비이온성 계면활성제(예, Triton, Tween) 또는 생체 계면활성제인 lecithin을 첨가한 혼합 역미셀이 효소와 단백질의 높은 안정성과 선택적인 추출을 나타냄을 발표하였다. 즉 역미셀을 이용한 단백질의 역추출 공정시 역미셀 계면의 특성을 개량하기 위해 간단한 보조 계면활성제(cosurfactant)를 이용한다면 목적 단백질을 고순도, 고활성을 유지할 뿐만 아니라, 선택적인 대량 생산의 가능성을 제시하였다..

본 연구는 역추출 프로세스의 개선을 위해 보조계면활성제를 첨가하였다. 첨가 한 보조계면활성제는 비이온계면활성제로 단백질의 역추출 거동에 미치는 영향을 역미셀의 구조변화와 단백질의 구조변화의 두가지 관점에서 조사하였다. 단백질의 가용화 또는 비이온계면활성제의 첨가로 인한 AOT-역미셀의 구조변화를 퍼콜레이션 프로세스를 통해 정량적이고 체계적으로 실험조사하였다.

2. 실  험

2.1 시 료

Waco Pure Chemical Industries, Ltd. (Osaka, Japan)로부터 95）의 AOT(sodium di[2-ethylhexyl] sulfosuccinate)를 구입하여 정제 없이 그대로 사용하였고, 비이온 계면활성제는 PNE(Polyoxyethylene Nonylphenyl Ether)를 Aldrich Chemical Company, Inc. (Milwaukee, WI, USA)로부터 구입하였다. 그 구조는 Fig.1과 같으며, CEO [mol]수는 (CH2CH2O)n의 n수와 일치하고, 각각 1mol, 3mol, 5mol, 10mol, 20mol을 사용하였다.

Fig. 1. The structure of a)AOT and b)PNE

a)                                  b)

2.2 방 법

역미셀계의 전기 전도도는 TOA Electronic Ltd.의 전기전도계 CM-40V와 백금 전극으로 함수량(Wo)의 함수로 측정하였다. 전극은 역미셀 용액이 든 시험관 안에 넣어지고 시험관은 항온조(25±0.1℃) 내에 위치한다. 전기 전도도 측정법은 AOT/isooctane 또는 AOT-PNEs/isooctane 용액에 Figure 2 a)와 같이 일정한 pH의 완충용액을 injection법으로 주입하여 퍼콜레이션 현상이 일어날 때까지 그 변화를 관찰하였다. 전체 용액의 부피에 대한 주입된 완충용액의 부피비는 수성의 부피비 □aq(=Vaq/(Vorg+Vaq))로 결정하였다. 퍼콜레이션 시발점은 전도도가 급격히 증가하기 시작하는 지점으로 정의하며, 비이온계면활성제를 첨가한 경우와 첨가하지 않은 경우의 퍼콜레이션 시발점은 □t와 □p로 정의한다. □t와 □p 값은 Figure 2 b)와 같이 외삽법에 의하여 결정하였다.

Fig. 2. Schematic diagram of a) experimental method and b) measurement of percolation threshold.

3. 결과 및 고찰

3.1 역미셀의 퍼콜레이션에 미치는 비이온계면활성제의 첨가 영향

Figure 3은 AOT 역미셀에 가용화된 수상의 부피분율 □aq에 대한 전기 전도도 (□)의 변화를 나타낸 것이다. 퍼콜레이션 시발점에 해당하는 부피 분율 □p가 첨가된 비이온계면활성제의 종류와 농도에 따라 크게 달라짐을 알 수 있다. CEO [mol]수가 3인 비이온계면활성제을 첨가하였을 때는 퍼콜레이션 시발점 (□t)이 증가한 반면, CEO [mol]수가 5 이상일 때는 감소하였다. 이 결과는 CEO [mol]수가 3일때는 역미셀계에 첨가한 비이온계면활성제의 농도가 증가 할 수록 미셀간의 인력적인 상호작용이 감소함을 의미하고, CEO [mol]수가 5이상일때는  미셀간의 인력적인 상호작용이 증가함을 의미한다.

Fig. 3. Effect of PNE addition on the percolation processes of RVMS

Fig. 4. Analysis of PNE affecting percolation process of RVMS.

□t와 □p의 차이 □□t는 퍼콜레이션 프로세스에 대한 PNE의 농도 효과를 나타내고 있다. 여기에서 □t와 □p는 비이온계면활성제를 첨가 또는 첨가하지 않았을 때 각각의 퍼콜레이션 시발점이다. 상대적인 퍼콜레이션 시발점과 첨가된  비이온계면활성제의 농도와의 상관 관계를 Figure 4와 같이 비이온계면활성제  농도에 대해 □□t를 프롯트 하였다. □□t와 각 비이온계면활성제의 농도 사이에는 선형적인 상관관계가 있었다. 여기에서의 기울기를 □t로 정의하며, □t는 미셀간의 인력적인 상호작용에 대한 각 비이온계면활성제의 첨가 효과를 나타낸다. 플러스 값의 □t는 역미셀계에의 비이온계면활성제의 첨가에 따른 역미셀계의 안정화 또는 미셀-미셀간 상호작용의 감소를 의미한다.

Fig. 5. Dependencies of the □t value of PNE of CEO [mol] per PNE molecule.

Figure 5의 결과는 역미셀간 상호작용의 증가 또는 억제를 첨가하는 비이온계면활성제의 CEO [mol]수로 조절할 수 있음을 나타낸다.

3.2 □t 값에 대한 비이온계면활성제 HLB 효과

여러 가지 농도의  비이온계면활성제의 실험으로 구한 □t 값과  HLB 값의 관계를 플롯트한 결과는 Figure 6과 같이 HLB값과 □t 값 사이에는 선형적인 상관관계가 있다. HLB값이 높을수록 미셀-미셀간의 인력적인 상호작용이 증가하였다.

본 실험의 결과는 비이온계면활성제의 친수성 부분이 미셀-미셀간 상호작용의 증가에 기여하고 있으며, 소수성 부분은 미셀-미셀 상호작용의 감소에 기여함을  알 수 있다.

이 결과로부터 비이온계면활성제의 친수성 부분이 미셀-미셀간 상호작용으로 인한 미셀 클러스터의 형성을 조절하는 주된 인자임을 알 수 있다. 비이온계면활성제의 친수성과 소수성의 바란스를 적당히 이용하면 미셀-미셀간 상호작용에 의한 미셀 클러스터 형성 및 미셀 계면의 특성을 제어할 수 있다.

Fig. 6. The correlation between the value of HLB and □t of each PNE.

4. 결  론

AOT-역미셀계에서 비이온계면활성제인 폴리옥시에틸렌 노닐페놀에테르에 의한 미셀-미셀간 상호작용의 변화를 퍼콜레이션 프로세스를 이용하여 검토하였다. 역미셀계의 퍼콜레이션 프로세스는 첨가된 비이온계면활성제의 종류와 농도에 크게 의존하였다. 첨가된  비이온계면활성제의 농도에 따른 퍼콜레이션 시발점의 변화로 정의된 □t값은 비이온계면활성제 종류에 의존하여 역미셀계의 안정성 또는 미셀-미셀간 상호작용을 반영한다. 비이온계면활성제 분자를 구성하는 각 그룹의 정량적인 분석에 의하면, 소수성 부분은  미셀간 상호작용을 억제시키지만, 친수성 부분(CH2CH2O)은 사슬 길이의 증가와 비례하여 미셀간 상호작용을 증가시킨다.

5. 참고문헌

1) Huruguen, J. P., Authier, M., Greffe, J. L. and Pileni, M. P. Langmuir, 7, 243, (1991)

2) Dungan, S. R., Bausch, T., Hatton, T. A., Plucinski, P., Nitsch, W., J. Colloid Interface Sci. 145, 33, (1991)

3) Alexandridis, P., Holzwarth, J. F., Hatton, T. A., J. Phys. Chem., 99, 8222, (1991)

4) Hong, D. -P., R. Kuboi and I. Komasawa, Korean J. Chem. Eng., 14(5), 334-340 (1997)

5) Hong, D. -P. and Kuboi, R., Biochem. Eng. J. 4, 23-29 (1999)