□-키틴, □-키틴, □-키틴의 구조적 특성

김태형, 공병기, 나재운*

순천대학교 공과대학 고분자공학과

jwnah@sunchon.ac.kr

A Study on the Structure Characterization of □-Chitin, □-Chitin, and □-Chitin

Tai-Hyoung Kim, Byeong-Gi Kong, Jae-Woon Nah*

Dept. of Polymer Science and Enginnering, Sunchon National University

jwnah@sunchon.ac.kr

서론

키틴은 지구상에서 가장 대량으로 존재하는 생명자원으로써 게, 일반새우, 크릴새우 등의 갑각류의 껍데기, 투구풍뎅이, 메뚜기, 번데기 등 곤충류의 껍질, 대합, 굴 등의 패류, 오징어의 뼈, 곰팡이나 버섯 등 균류의 세포벽, 식물세포의 벽에 널리 존재한다.  이러한 키틴은 일반적으로 산과 알칼리 처리에 의하여 제조되며, 키티나제나 라이소자임에 의하여 가수분해된다[1].

현재 환경과 생태학적으로 친숙한 키틴은 생체적합물질로써 지난 30여년 동안에 인공피부나 봉합사, 코팅재료, 약물전달체 등에 많은 연구가 이루어졌다[2.3]. 그러나 이러한 응용성에도 불구하고 구조적 특성에 따라 많은 물성이 변화를 가져오므로 실제의 적용에는 많은 한계가 있다.

키틴은 2-acetamino-2-deoxy-D-glucose가 □-(1,4) 결합을 하고 있는 셀룰로오즈와 비슷한 구조로써 C-2 위치의 히드록시기 대신에 아세트아미노기에 의하여 치환되어 있고, C3-OH…C5 의 분자간 결합과 NH…O=C 와 C6-OH…O=C 에 분자간 수소결합에 의하여 안정화되어 있다. 결정구조의 분자사슬의 배열에 따라 □-,□-,□- 의 세 가지 입체 이성질체가 있다[4]. □-키틴과 □-키틴의 물성과 입체화학적 구조에 대하여 Blackwell 등에 의하여 연구가 되었다[5]. 키틴의 구조는 원재료의 결정구조에 따라 다르게 존재한다. □-키틴은 2개의 사슬이 서로 역평행하게 적층되어 있어서 가장 치밀한 형태이며, □-키틴은 사슬이 서로 평행하게 배열되어있는 형태로서 같은 사슬사이의 C3-OH...O5 와 서로 다른 사슬사이의 -NH 그룹과 -CO 그룹들이 수소결합을 형성하지만 □-키틴보다는 덜 치밀한 구조로 되어있다. □-키틴은 2개의 pyranose 단위마다 1개의 단위 사슬이 아래로 향한 배열을 하고 있다. 자연계에는 □-키틴이 가장 많이 분포해 있으며, 특히 절지동물 표피에 많이 포함되어 있다. □-키틴은 결정성 수화물 상태로 존재하며 결정 격자의 사슬사이에 물이 스며들기 쉽도록 허술하게 배열된 안정성이 적은 물질로서 갑 오징어의 뼈에 가장 많이 존재한다.

□-키틴은 절족동물, 버섯, 그리고 Entamoea[6]의 포낭에 존재하고,  □-키틴은 Loligo[7]의 뼈로부터 얻을 수 있다. 마지막으로 □-키틴은 딱정벌레의 고치와 Loligo의 위벽에 존재한다. 이러한 □-키틴의 구조는 2개의 역평행 사슬과 하나의 평행 사슬로 되어 있다[8].

□-키틴과 □-키틴의 구조는 X-선 회절 분석에 의하여 연구되었다 [4,8]. □-키틴과는 달리  □-키틴은 약한 분자간력[4,9]에 의하여 많은 특성들이 나타난다. □-키틴보다는 많은 용매에 대하여 높은 친화력과 여러가지 개질 반응에 더 높은 반응을 나타낸다[10-13]. 이러한 □ 와 □-키틴의 특성에 대한 연구는 많은 연구자들에 의하여 조사되었지만, □-키틴은 Rudall[5] 등에 의하여 최초로 제안되었지만, 아직까지는 재료의 희귀성으로 인하여 아직까지는 밝혀진 바 없다.

따라서 본 연구에서는 Hackmann 방법[14]을 수정하여 게껍질, 오징어연골, 투구풍뎅이의 껍질로부터 산과 알칼리 처리에 의하여 □,□,□-키틴을 분리하여 적외선 분광 스펙트럼과 고체 13C CP/MAS NMR 을 통하여 키틴의 분리를 확인하였으며, X-선 회절 분석을 통하여 특성 피크의 차이에 의한 구조적 특성을 비교하였으며, 열분석기를 사용하여 열적 특성을 비교하였다.

실험

1) 키틴의 분리

실험재료로는 게껍질과 오징어 연골, 투구풍뎅이 껍질을 적당한 크기로 자른 후 볼밀을 사용하여 분쇄한 후, 20mesh 체를 통과한 분말형태로 된 것을 사용하였다. 키틴질에는 키틴외에 단백질, 탄산칼슘, 색소등이 존재하기 때문에 화학적 처리 방법에 따라 탄산칼슘 제거반응, 단백질제거반응, 색소제거반응으로 나누어 분리하였다.탄산칼슘을 제거하기 위하여 실온에서 2N HCl 수용액(원료 중량의 10배에 해당하는 부피)에 6시간동안 처리한 후, 증류수로 충분히 씻어낸 후, 15℃이하에서 2N HCl 수용액(원료중량의 2.5배에 해당하는 부피)에 48시간 처리하였다. 증류수로 충분히 씻어낸 후 여과하여 40℃에서 건조시킨 후 무게를 재었다.  단백질을 제거하기 위하여 탄산칼슘제거반응 단계에서 얻은 잔재물 무게의 10배에 해당하는 부피의 4% NaOH 수용액으로 15℃이하에서 24시간 동안 처리하고, 증류수로 씻어낸 후 이 과정을 4회 반복하였다. 색소를 제거하기 위하여 단백질 제거 반응 단계에서 얻은 잔재물 무게의 10배에 해당하는 3% H2O2/1N HCl 수용액으로 처리하고, 50% 에탄올로 60℃에서 reflux 시킨후, 다시 3% H2O2/ 1N HCl 처리한 후 증류수, 에탄올, 에테르 순으로 세척한 후 감압 건조하여 시료용 키틴을 분리하였다.

2) 적외선 분광 분석

본 연구에서 분리한 키틴의 구조 분석은 KBr 법을 사용하여, 적외선 분광광도계(FT-IR 8700, Shimadzu)을 이용하여 4600∼400cm-1의 범위에서 측정하였다.

3) 고체 CP/MAS 13C-NMR 분석.

고체 CP/MAS 13C-NMR(Bruker, Avance 500)을 이용해 분말형태의 시료를 MAS spin rate 8567 Hz, NS(number of scanning) 876 그리고 AQ(aqusition time) 0.024sec의 조건으로 분석하였다.

4) X-선 회절 분석에 의한 결정구조

분리한 키틴의 결정구조는 X-선 회절분석기(Rigaku, DMAX/1200)를 사용하여 측정조건 40 kV, 45 mA에서 Ni-필터, Cu-K□를 이용해 2□=5∼50°의 범위에서 분말처리방법으로 측정하였다.

5) 열시차분석

열적성질은 열분석기(DSC, DuPont 910)를 사용하여 승온속도 10 ℃/min와 질소가스 유속 50 ml/min의 측정조건으로 분석하였다.

결과 및 토론

1) 적외선 분광분석 결과

본 연구에서는 게껍질, 오징어 연골, 투구풍뎅이의 외피로부터 산과 알칼리 처리에 의하여 키틴을 분리하였다. Figure 1은 분리한 키틴의 400cm-1∼4600cm-1 의 범위에서의 적외선 흡수 스펙트럼 측정 결과를 보여준다.  키틴의 적외선 흡수 스펙트럼 분석 결과 세 스펙트럼 모두 비슷한 모양을 보이는데, 키틴의 특성 band 인 1626 cm-1 (C=0 stretching 에 의한 amide II vibration )과 1150 cm-1(NH bending 에 의한 amide I vibration)에서 강한 흡수 피크가 나타남을 확인하였다. 적외선 흡수 스펙트럼 분석 결과 1660cm-1부근에서 특성 피크를 확인하였다. 또한 3450 cm-1 (OH stretching), 2878 cm-1 (CH stretching), 1310 cm-1(amide III) vibration) 부근에서 강한 peak를 나타내었다. 또한, 1660cm-1 부근에서,  □-키틴의 경우에는 흡수 피크가 doublet 으로 나타나며, □-키틴의 경우 singlet, □-키틴의 경우 에는 약한 doublet 으로 나타났다. 이것은  amide 그룹의 conformation 에 따라 두 가지 형태의 수소 결합이 존재하기 때문이라 할 수 있다. 즉,  알파 키틴의 경우에서는  amide 그룹의 C=O (카르보닐)기가 근접한 amide II (NH) 와 수소결합을 형성할 경우 1660 cm-1에서 흡수밴드를 나타내고, 또 동시에 같은 분자쇄의 6번 위치의 히드록시기(OH)와 카르보닐 그룹이 수소 결합을 형성할 경우는 카르보닐(C=O)의 결합 길이가 길어져 1620 cm-1 에서의 새로운 피크가 나타나 doublet으로 나타나게  되고, □-키틴의 경우에는 카르보닐기와  amide II 와의  수소 결합만 존재하기 때문에 1650 cm-1 부근에서 singlet으로 나타난다. □-키틴의 경우는 두개가 혼재된 형태이므로 □-키틴과 □-키틴의 중간적인 성질을 나타내게 된다.

2) 고체상태의 13C -NMR 스펙트럼에 의한 키틴의 구조 분석

Figure 2는 □-, □-, □-키틴의 고체 CP/MAS 13C-NMR 스펙트럼의 Chemical shift의 피크를 나타내었다.  Figure 2에서 나타나듯이 3번 탄소와 5번 탄소의 특성피크의 차이를 확인 할 수 있다.  이는 키틴의 입체 화학적 구조에 의하여 □-키틴의 경우 C3 와 C5 의 특성 피크가 분리되어 나타나는데 비하여 □-키틴의 경우는 단일 피크로 나타남을 볼 수 있다. 이것은  □-키틴의 경우, 3번 위치의 히드록시기와 5번위치의 CH2OH 기가 분자간 강한 수소 결합에 의해 2개의 conformation 을 나타냄으로써, 3번 위치와 5번위치의 카본이 doublet로 분리되어 나타나는 반면, □-키틴의 경우, 분자간 수소 결합이 존재하지 않기 때문에 3번위치의 히드록시기와 5번 위치의 CH2OH 기가 입체적 장애의 영향으로 동일한 conformation을 나타나게 된다. □-키틴의 경우는 □와 □-키틴의 혼재된 형태이기 때문에, □-키틴에서처럼 분자간 수소 결합이 존재하므로 □-키틴과 동일하게 분리되어 나타나게 된다.

3) X-선 회절분석

Figure 3은 상온에서 □-, □-, □-키틴의 X-선 회절 분석 결과를 나타낸다. □-키틴은 2□=9.6 19.6, 23.7° 부근에서 X-선 회절에 의한 산란 피크가 나타났고, 각각 (020), (110), (130) 면을 확인 할 수 있으며, □-키틴의 회절 피크는 2□=9.1, 20.3°부근에서 각각 (010), (100) 면을 확인 할 수 있고, □-키틴의 회절 피크는 2□=9.6, 19.8° 부근에서 각각 (020), (100) 면을 확인 할 수 있었다. 또한 키틴의 결정성을 살펴 보면, □-키틴에 비하여 □-키틴이 약간 브로드한 피크를 확인하였고, 이는 □-키틴이 더 결정성을 나타낸다고 할 수 있다.

4) 열적성질.

Figure 4는 키틴의 열시차분석 결과를 나타낸 것이다. 열 시차 분석 결과 □-키틴은 330℃, □-키틴은 220℃, □-키틴은 300℃에서 발열 피크를 나타냄으로써 녹는온도(m.p)를 나타내었다.  이는 □-키틴은 분자사슬이 역평행하게 배열되어 치밀한 구조를 이루어 화학적으로 매우 안정하고, □-키틴은 분자사슬이 평행하게 되어 있고, 물분자가 격자 사이를 침투해 들어갈 수 있는 허술하게 배열된 안정성이 적고, □-키틴은 두 평행사슬과 하나의 역평행사슬로부터 이룬 □와 □가 혼합된 형태로써, 이러한 구조적 차이에 의하여 기인한 것으로 사료된다. 즉 고분자의 열적 성질은 분자간 분자내 상호작용과 결정구조에 많은 영향을 받으므로 가장 치밀한 구조를 가진 □-form의 용융온도가 가장 높게 나타나고,  이 두 가지 form 이 반복되어 있는 □-form, 분자사슬이 평행하게 배열되어 있는 □-form의 용융온도가 가장 낮게 나타남을 확인하였다.

참고문헌

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2. M. N. V. R. Kumar, Reactive & Functional Polymers, 46, 1 (2000).

3. K. Kurita, Prog. Polym. Sci., 26, 1921 (2001).

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5. K. Rudall, and M. W. Kenchington, Biol. Rev., 49, 597 (1973).

6. G. A. F. Roberts, "Chitin Chemistry", 33-35, Macmillan, New York, (1992).

7. J. Sugiyama, C. Boisset, and M. Hashimoto, J. Mol. Biol., 286, 247 (1999).

8. R. Minke, and J. Blackwell, J. Mol. Biol., 120, 167 (1978).

9. Jose Ruiz-Herrera and Alfredo D. Martinez-Espinoza, "Chitin and Chitinases", 39-53, Birkhauser Verlag Basel, Switzerland, 1999.

10. K. Kurita, K. Tomita, T. Tada, S. Ishii, S. Nishimura, and K. Shimoda, J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem., 31, 485 (1993).

11. K. Kurita, K. Tomita, S. Issii, S. Nishimura, and K. Shimoda, J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem., 31, 2393 (1993).

12. K. Kurita, S. Ishii, K. Tomita, S. Nishimura, and K. Shimoda, J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem., 32, 1027 (1994).

13. S. B. Suh, S. J. Kim, Y. M. Lee, and J. J. Kim, Polymer(Korea), 18, 906 (1994).

14. R. A. A. Muzzarelli, "Chitin", 79-85, Pergamon Press, Oxford,  1990.

Figure 1. FT-IR spectra of  □- chitin (a), □- chitin (b) , and □-chitin (c)

Figure 2.  Solid state CP/MAS 13C NMR spectra of □- chitin (a), □- chitin (b) , and □-chitin (c).

Figure 3. X-ray diffraction patterns of  □- chitin (a), □- chitin (b) , and □-chitin (c)

Figure 4. DSC thermograms of □-chitin (a), □-chitin (b), and □-chitin (c).