ISSN(Print) 1229-0033 ISSN(Online) 2234-036X http://dx.doi.org/10.5764/tcf.2015.27.2.149 Textile Coloration and Finishing Vol.27,No.2 연구논문 ( 학술 ) 미더덕껍질셀룰로오스의매립생분해성에대한연구 성금용 이승현 임상구 손홍주 1 이영희 2 황대연 정영진 부산대학교바이오소재과학과 / 생명융합연구원, 1 부산대학교생명환경화학과, 2 부산대학교유기소재시스템공학과 Study for Biodegradability of Cellulose Derived from Styela clava tunics Keum-Yong Seong, Seunghyun Lee, Sang-Gu Yim, Hong Joo Son 1, Young-Hee Lee 2, Dae Youn Hwang and Young Jin Jung Department of Biomaterials Science/Life and Industry Convergence Research Institute, Pusan National University, Miryang, Korea 1 Department of Life Science and Environment Biochemistry, College of Natural Resources and Life Science, Pusan National University, Miryang, Korea 2 Department of Organic Material Science and Engineering, College of Engineering, Pusan National University, Busan, Korea (Received: January 2, 2015 / Revised: February 5, 2015 / Accepted: May 20, 2015) Abstract: To investigate the biodegradation of the cellulose powder(cp) derived from Styela clava tunics(sct), some physico-chemical properties and biodegradability of SCT-CP were measured after the incubation for 45 days. The particles size of SCT-CP prepared with washing, bleaching, drying, and grinding processes was 150-400μm although most of particles (70%) was more than 400μm. The cellulose structures of SCT-CP detected using the X-ray diffraction and DSC analysis was very similar with that of wood pulp powder(wp-cp). The glass transition temperature was not detected in both samples. Furthermore, more than 90% of the SCT-CP was degraded, whereas only over 70% of the WP-CP was degraded after the incubation for 45 days. Therefore, these results suggest the possibility that SCT-CP is particularly applicable to prepare medical fiber and film for disease treatment. Keywords: styela clava tunic, wood pulp, cellulose, glass transition temperature, biodegradation 1. 서론 미더덕 (Styela clava) 은척색동물문미색동물아문에속하는해양생물로 1,2), 1980년대중반부터본격적인양식이시작되면서어민의소득증대에기여하고있다. 미더덕은일본, 중국, 호주, 북아메리카, 유럽의해안뿐만아니라 3-5) 우리나라남해안에서만양식되고있는데, 경상남도진동및고성에서우리나라소비량의 80% 정도를생산하고있다. 생산량이가장많은시기는 4월에서 7월사이로단단한껍질를제거하고근막체를생으로먹거나염지하여즐겨먹는독특한향과맛을가진식품으로소비되고있다 6). 그러나현재까지미더덕은 Corresponding author: Young Jin Jung (hlb@pusan.ac.kr) c 2015 The Korean Society of Dyers and Finishers. All rights reserved. TCF 27-2/2015-6/149-154 생산량의증가도불구하고미더덕껍질 (Styela clava tunics; SCT) 은전량폐기물로처리되어바닷가등에버려져환경오염의문제로대두되고있다. SCT 추출물에는지질, 회분, 단백질, 다당류가포함되어있는데, 특히히알루론산, 황산콘드로이틴이포함된글리코사미노글리칸성분이주를이루고있다 8). SCT의뼈대를이루는성분으로 β-1,4 글루코시드결합을갖는셀룰로오스미세섬유가메쉬형태로얽혀진형태로존재하며 9,10), 정련처리후 94% 의높은 α- 셀룰로오스수율을나타낸다 7). SCT를활용한연구로 SCT에서추출한황산콘드로이틴을이용하여기능성화장품으로서의가능성을세포를이용하여탐색하는연구가보고되어있고 8), SCT를고농도의산과알칼리를고온에서장기간처리한후연마하는방법을사용하여막을만든후골재생효능을가진생활성막에대한개발이연구된바있다 11). 149
150 성금용 이승현 임상구 손홍주 이영희 황대연 정영진 NMMO/H 2O 용매를사용하여 SCT 셀룰로오스를용해한후필름을제조하여특성을분석한연구 7) 및 SCT와 PVA(polyvinyl alcohol) 을블렌딩한후파이버형태로제조하고그물성에대한연구가진행되어있다 12). 이온성액체로서양이온은 1-methylimidazole, 음이온은 ally chloride로합성한 [Amim]Cl 용매에 SCT를용해한후제조한필름에대해흡수성, 동물실험을통한생분해성, 독성및생체적합성에관한연구가보고된바있다 13). 그러나미더덕양식과관련한환경오염을예방하기위하여매립생분해성에대한연구는진행된바가없다. 따라서본연구에서는 SCT를분말형태로제조하여매립에의한생분해성에관해연구하고자하였고, 천연식물성셀룰로오스인목재펄프셀룰로오스와동물성셀룰로오스인미더덕껍질셀룰로오스의분해성능을비교하고자하였다. 2. 실험 2.1 SCT 셀룰로오스분말 (SCT-CP) 의제조및입도분석 실험에사용된 SCT는경상남도진동에서 1차세척후자연건조된상태의것을받아서사용하였다. SCT 의정제를위해일반목재로부터 90% 이상의 α-셀룰로오스를얻는공정중 NaOH를사용하는크라프트법을활용하였다 14). 단백질및불순물을제거하기위해 SCT와 10wt% NaOH 수용액의비율을 1:30으로하여 120 에서 3시간동안가열한후수세하였다. 무기염등의불순물과헤미셀룰로오스제거및중화를위해알칼리처리된 SCT와 5wt% H 2SO 4 수용액을 1:30의비율로하여 120 에서 3시간동안가열하였다. 알칼리및산처리된 SCT는 10wt% H 2O 2 수용액과 1:30의비율로 100 에서 1시간동안가열하여표백처리하였다. 표백된 SCT는열풍건조기로건조시킨뒤 pin milling M/C(Daehwa, Korea) 을사용하여 40mesh에서 1회, 120mesh에서 3회분쇄하여분말형태로제조하였다. 대조군으로서중합도 (Dp) 가 1160인목재펄프셀룰로오스 (WP-CP) 가사용되었다. SCT-CP 의입도분포를알아보기위해증류수에 0.01g/ml 의농도로분산시킨후입도분석기 (ELS-Z, Photal Otsuka Electronics, Japan) 를사용하여분석하였다. 2.2 SCT-CP 의결정구조분석 XRD 분석 (Ultima Ⅳ, Rigaku, USA) 은 CuK α-ir- radiation에서가속전압 40kV, 전류 30mA 로하여반사법으로측정하였다. Diffraction pattern은 Bragg`s angle 2θ= 8-40 사이에서 2 /min의속도로측정하였다. 2.3 SCT-CP 의열적특성분석 WP-CP 와 SCT-CP의열적특성을조사하기위해시차주사열량계 (DSC Q20 V24.4 Build 116, TA Instruments, USA) 를사용하여질소기류하에서 20 /min의승온속도로 -80 에서 300 까지승온시켜열적특성을조사하였다. WP-CP와 SCT-CP의열안정성과열분해거동을관찰하기위해열중량분석기 (TGA Q500 V20.1 Build 36, TA Instruments, USA) 를사용하여질소기류하에서 10 /min의승온속도로 35-800 의범위에서중량감소변화를조사하였다. 2.4 SCT-CP의생분해도측정 SCT-CP의매립생분해도를측정하기위해퇴비화조건에서플라스틱의호기성생분해도및붕괴도의측정법으로적정에의해발생하는 CO 2 의정량법을사용하였다. 호기성생분해도는 KS M 3100-1에따라, 퇴비화용기를일정온도인 58±2 에서 45일동안배양할때발생된 CO 2 양으로부터측정하였다. 생분해도는발생한 CO 2 의양을시료의이론적 CO 2 발생량에대한백분율로계산하였고, 각용기내시험물질로부터발생할수있는이론적 CO 2 발생량은다음식 (1) 을이용하여계산하였다. ThCO 2 = M TOT C TOT 44/12 (1) 여기서 M TOT 는시험시작시퇴비에첨가된 SCT-CP 의총건조고형분의양 (g) 을의미하고, C TOT 는 SCT-CP 의총건조고형분에포함된유기탄소의비율 (g/g) 을의미한다. 생분해도는방출되는 CO 2 의누적량으로부터각측정간격별로 SCT-CP 의생분해도를다음식 (2) 을통해계산하였다. D t = [(CO 2) T - (CO 2) B] / ThCO 2 100 (2) D t 는생분해도 (%), (CO 2) T 는 SCT-CP가담긴퇴비화용기로부터발생한 CO 2 의누적량 (g), (CO 2) B 는 blank에서방출되는 CO 2 누적량의평균 (g), ThCO 2 는용기속 SCT-CP에의해발생하는이론적 CO 2 양 (g) 을의미한다. 한국염색가공학회지제 27 권제 2 호
미더덕껍질셀룰로오스의매립생분해성에대한연구 151 3. 결과및고찰 3.1 SCT-CP의입도분포 SCT는산 알칼리처리및표백과정을거처불순물을제거하였고, 산처리후 82%, 알칼리처리후 34%, 표백처리후 31% 의수율로회수되었다 7). 그후분쇄하여 WP-CP와 SCT-CP의입자크기를비교하였다. WP-CP는 400nm~150μm의범위로입자가분포되어있고, 400nm 크기의입자가 70% 이상으로가장많은양을차지하였다 (Figure 1A, Figure 1C). SCT-CP는 5~200μm의범위로입자가분포되어있고, 5μm크기의입자가대부분의분포를차지한다 (Figure 1B, Figure 1D). 3.2 SCT-CP의결정구조셀룰로오스결정구조의현재까지보고된형태는 cell Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ의 4가지형태로나누어지고, 화학 처리방법에따라각각의결정구조를나타낸다. 천연셀룰로오스의경우 cell Ⅰ의결정구조를가지며 15), 머서화또는재생된셀룰로오스는 cell Ⅱ의결정구조를가지며 16), 유기아민시약에셀룰로오스를침지시킨후시약을제거하면 cell Ⅲ의결정구조를가진다 17). Cell Ⅱ, Ⅲ을열처리하였을경우 cell Ⅳ의결정구조를얻을수있다 18). SCT-CP의결정구조를분석하기위하여 WP-CP 와 SCT-CP의 x-ray 회절패턴을분석하였다. 일반적으로 cell Ⅰ 구조인펄프셀룰로오스의경우 2θ= 14.6 와 ˍ 16.4 에서각각 (101) 면과 (101) 면의회절피크가 doublet 으로나타나고, 2θ= 22.6 에서 (002) 면의회절피크가강하게나타난다 19). 본연구에서사용한 WP-CP의경우 2θ= 13-17 에걸쳐 broad하게보이는회절피크는 14.6 (101) 면과 ˍ 16.4 (101) 면의두피크의 doublet이며, 2θ= 22.6 (002) 면에 sharp한단일피크가나타나는것으로보아전형적인표백한크라프트펄프셀룰로오스인것으로 Figure 1. The distribution profiles according to particle size in a WP-CP(A, C) and SCT-CP(B, C). Textile Coloration and Finishing, Vol. 27, No. 2
152 성금용 이승현 임상구 손홍주 이영희 황대연 정영진 Figure 2. The X-ray diffraction of WP-CP and SCT-CP. 확인되었다. ˍ SCT-CP의경우 2θ= 14.5 (101) 면과 2θ= 16.4 (101) 면에각각나타난이유는정제과정에서단백질을제거하기위하여사용한알칼리처리효과에의하여머서화로인한비결정이생성된 cell Ⅱ가본래의 cell Ⅰ과혼재된상태라고생각된다. 각각의피크모양과크기는 cell Ⅰ과 cell Ⅱ의비율에의하여결정되며 SCT-CP는 cell Ⅰ : cell Ⅱ = 25 : 75 정도의비율이문헌상의패턴과대조했을때거의동일하였다 20). 3.3 SCT-CP의열적특성일반적으로셀룰로오스는강한수소결합과높은결정화도로인해융해되지않고분해가먼저일어나므로일정한융점을가지지않는다. 셀룰로오스를포함한다당류계열의천연고분자들은유리전이온도또한뚜렷하지않아사용하는용매와온도에따라조금씩달라진다 21). DSC 측정에의해얻어진 WP-CP와 SCT-CP에대한열적특성에대한분석결과는 Figure 3A에제시하였다. 100 부근의흡열피크는분말에있던수분의증발에의한것으로생각된다. SCT-CP는 WP-CP와같이일반적인셀룰로오스와비슷한형태의피크로큰차이점을찾을수없었고, 특정한유리전이온도를나타내지않았다. 셀룰로오스의초기열분해온도는 250-270 부근에서일어난다고알려져있다 22,23). WP-CP 와 SCT-CP의열분해거동은 200 부근의무게손실은물의증발에의한것으로사료된다. WP-CP 와 SCT-CP는 250-270 에서분해가시작되는것을알수있었다. 400 에서 Figure 3. The DSC(A) and TGA(B) of WP-CP and SCT-CP. WP-CP, SCT-CP 모두 70% 이상의열분해를보였다 (Figure 3B). 3.4 SCT-CP 의생분해도측정결과생분해성고분자가자연계에존재하는다양한미생물에의해분해되기위해서는미생물이분비하는가수분해효소의촉매작용으로고분자구조가붕괴되고저분자화되는 1차분해 가발생하여야한다. 이렇게 1차적으로분해된저분자물질을미생물이흡수하여대사작용을한후최종적으로생체물질과물, 이산화탄소, 메탄가스등을생성하는 최종분해 과정으로이루어진다. 이러한생분해성고분자의생분해도는시험물질의이론적이산화탄소발생량과실제시험물질로부터발생하는이산화탄소량의비율로결정된다. KS M 3100-1에의한 WP-CP, SCT-CP의 45일생분해도시험결과에서최종생분해도는 WP-CP 는 91.5% 이고, SCT-CP 는 92% 으로나타났다. WP-CP와 SCT-CP 는시험 45일이내에 70% 이상분해되었고, 동일한시료의서로다른용기사이의분 한국염색가공학회지제 27 권제 2 호
미더덕껍질셀룰로오스의매립생분해성에대한연구 153 로오스의일종으로 XRD 분석에의하면식물성셀룰로오스인 WP-CP와유사한물리화학및결정구조를갖는다. SCT-CP 는 45일간매립한후생분해도가 92% 로대부분분해되었는데, 이러한생분해도결과는정제된 SCT가퇴비화에그대로사용이가능함을나타낸다. SCT-CP는파이버, 필름등의형태로가공하여다양한분야에응용이가능한데, 특히높은생분해도로인해산업분야에서에코제품으로응용될가능성이높을것으로사료된다. 감사의글 본연구는농림수산식품기술기획평가원 (IPET) 의지원 ( 과제제목 : 미더덕껍질을이용한고부가가치의료용기능성소재개발및산업화 ) 을받아수행되었습니다. References Figure 4. The time profiles of mineralization of WP-CP and SCT-CP in a simulated composting test. 해도차이가 20% 이하이므로접종퇴비의적정성과장치의신뢰도가높아본생분해도실험은믿을만한결과임을알수있었다 (Figure 4). 시험 30일전까지 SCT-CP의생분해도가 WP-CP의생분해도보다높아 SCT-CP의생분해속도가약 1.2 배더빠른것을알수있는데, 이는 SCT-CP 입자의형태가불규칙한형태로선형의 WP-CP에비해퇴비및미생물에닿는표면적이넓기때문으로사료된다. 게다가입자의크기가작을수록표면적이크므로분해가유리할것으로사료되나시료의분자구조및화학적성질에따라더큰영향이나타난다. 따라서 SCT-CP(5μm ) 가 WP-CP(400nm) 보다평균입도가크지만분해성이더높다고생각된다. 4. 결론 본연구에서는 SCT-CP의매립에의한생분해성을분석하기위해먼저 SCT를알칼리, 산처리, 표백처리의정제과정을거친후분쇄하여 SCT-CP를제조하였다. SCT-CP 는당단백질을포함한동물성셀룰 1. D. R. Houghton and R. H. Millar, Spread of Styela mammiculata Carlisle, Nature, 185, 862(1960). 2. E. S. Jung, J. Y. Kim, E. J. Park, H. R. Park, and S. C. Lee, Cytotoxic Effect of Extracts from Styela clava against Human Cancer Cell Lines, J. Korean Soc. Food Sci. Nytr., 35(7), 306(2006). 3. K. A. Hillock and H. J. Costello, Tolerance of the Invasive Tunicate Styela clava to Air Exposure, Biofouling, 29(10), 1181(2013). 4. M. J. Wonham and J. T. Carlton, Trends in Marine Biological Invasions at Local and Regional Scales: the Northeast Pacific Ocean as a Model System, Biol. Invasions., 7, 369(2005). 5. M. H. Davis and M. E. Davis, Styela clava (Tunicata: Ascidiacea) - a New Addition to the Fauna of the Portuguese Coast, J. Mar. Biol. Assoc. UK, 85(2), 403(2005). 6. B. Y. Seo, E. S. Jung, J. Y. Kim, H. R. Park, S. C. Lee, and E. J. Park, Effect of Aceton Extract from Styela clava on Oxidative DNA Damage and Anticancer Activity, J. Korean Soc. Appl. Biol. Chem., 49(3), 227(2006). 7. Y. J. Jung, Properties of Regenerated Cellulose Films Prepared from the Tunicate Styela clava, J. Kor. Fish. Soc., 41(4), 237(2008). 8. S. H. Ahn, S. H. Jung, S. J. Kang, T. S. Jeong, and B. D. Choi, Extraction of Glycosaminoglycans from Styela clava Tunic, Korean J. Biotechnol. Textile Coloration and Finishing, Vol. 27, No. 2
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