<34392D313328B1E8C1DFB9E8292E666D>

, pp. 475-479 키토산 / 폴리감마글루탐산나노입자의제조및중금속제거에의응용 성익경 송재용 김범수 충북대학교화학공학과 361-763 충북청주시흥덕구성봉로 410 (2010 년 12 월 1 일접수, 2010 년 12 월 28 일채택 ) Preparation of Chitosan/Poly-γ-glutamic Acid Nanoparticles and Their Application to Removal of Heavy Metals Ik-Kyoung Sung, Jae Yong Song and Beom Soo Kim Department of Chemical Engineering, College of Engineering, Chungbuk National University, 410 Seongbong-ro, Heungdeok-gu, Cheongju-si, Chungbuk 361-763, Korea (Received 1 December 2010; accepted 28 December 2010) 요 약 키토산은천연고분자물질로다양한물리화학적 ( 다중양이온, 반응성수산화기와아미노기그룹 ), 생물학적 ( 생리활성, 생체적합성, 생분해성 ) 특성을가지고있다. 본연구에서는겔형성제로폴리감마글루탐산을이용하여키토산나노입자를제조하였다. 나노입자는폴리감마글루탐산의카르복실기 (-COO ) 와키토산의아미노기 (-NH 3 + ) 사이의이온상호작용에의해형성되었다. 키토산 (0.1~1 g) 을 100 ml 아세트산용액 (1% v/v) 에첨가한후상온에서충분히용해되도록하룻밤동안교반하였다. 폴리감마글루탐산 (0.1 g) 은상온에서 90 ml 증류수에용해시켰다. 교반되고있는폴리감마글루탐산용액에키토산용액을주사바늘을통해상온에서적가하였다. 입자의평균크기는 80~300 nm 범위에서형성되었다. 키토산 / 폴리감마글루탐산나노입자는중금속이온들 (Cd 2+, Pb 2+, Zn 2+, Cu 2+, Ni 2+ ) 의제거를위해콜로이드상태의흡착물질로사용되었다. 나노입자의중금속제거능력은 Cu 2+ > Pb 2+ > Cd 2+ > Ni 2+ > Zn 2+ 의결과를보였다. Abstract Chitosan is a natural polymer that has many physicochemical(polycationic, reactive OH and NH 2 groups) and biological(bioactive, biocompatible, and biodegradable) properties. In this study, chitosan nanoparticles were prepared using poly-γ-glutamic acid(γ-pga) as gelling agent. Nanoparticles were formed by ionic interaction between carboxylic groups in γ-pga and amino groups in chitosan. Chitosan(0.1~1 g) was dissolved in 100 ml of acetic acid (1% v/ v) at room temperature and stirred overnight to ensure a complete solubility. An amount of 0.1 g of γ-pga was dissolved in 90 ml of distilled water at room temperature. Chitosan solution was dropped through needle into beaker containing γ-pga solution under gentle stirring at room temperature. The average particle sizes were in the range of 80~300 nm. The prepared chitosan/γ-pga nanoparticles were used to examine their removal of several heavy metal ions(cd 2+, Pb 2+, Zn 2+, Cu 2+ and Ni 2+ ) as adsorbents in aqueous solution. The heavy metal removal capacity of the nanoparticles was in the order of Cu 2+ > Pb 2+ > Cd 2+ > Ni 2+ > Zn 2+. Key words: Nanoparticles, Chitosan, Poly-γ-glutamic Acid, Heavy Metal Removal 1. 서론 키토산 (poly[β-(1,4)-2-amino-2-deoxy-d-glucan]) 은게와새우등갑각류의껍질의주성분인키틴의 N-아세틸기를탈아세틸화하여아미노기로치환시켜얻어지는양이온의생분해성천연고분자물질이다. 키토산은 D-glucosamine과 N-acetyl-D-glucosamine을단위체로 β(1-4) glycoside 결합으로구성되어있다 [1]. 키토산을포함한키틴유도체들은유기용매에대한용해성이양호하여화학적변형과성형가공성이용이할뿐만아니라무독성, 무 To whom correspondence should be addressed. E-mail: bskim@chungbuk.ac.kr 공해성, 생분해성, 중금속제거성등의특징을가지고있다. 이와같은성질을이용하여최근키토산은약물전달체, 혈액응고제등의의약품과기능성식품, 이온교환체등에널리사용되고있다 [2,3]. 특히키토산은금속이온이나유기물을제거시키는능력이키틴에비해뛰어나므로염료공장에서폐기되는색소를제거하여폐수를정화하거나, 카드뮴, 구리, 니켈, 납, 아연등의중금속물질과방사성원소인우라늄제거용흡착제로도활용이가능한소재로판단된다 [4-6]. 폴리감마글루탐산 (poly-γ-glutamic acid, γ-pga) 은 α-아미노기와 γ-카르복실기가아마이드결합된글루탐산의단위체로서호모폴리아마이드의형태로자연적으로발생하는음이온성고분자이다 [7]. 1937년 Ivánovics 등에의해 Bacillus anthracis에서처음발견된이 475

476 성익경 송재용 김범수 후 [8], 일본의 Sawamura가콩발효식품인낫토에서분리한 Bacillus natto Sawamura가생산하는끈적한점진물로잘알려져있다 [9]. γ-pga는수용성, 음이온성, 생분해성및식용의아미노산고분자소재로인체및환경에무독하며, 기능성식품, 화장품, 의약품, 수질처리제로서산업분야에서연구및기술개발이진행되고있는바이오신소재이다 [10,11]. 키토산나노입자를제조하여항암제및유전자치료를위한약물전달시스템, 항암제를포함하는나노진단시약등에활용한예가보고되었다 [12-14]. 키토산나노입자의중금속흡착및제거에관한연구로는 tripolyphosphate를겔화제로이용, 키토산나노입자를제조하여수용액으로부터납흡착에활용하거나 [15], 구리이온제거를위한키토산-자성나노입자를제조한예는있으나 [16], 아직까지 γ-pga를겔화제로이용하여제조된키토산나노입자를중금속흡착및제거에활용한예는보고되지않았다. 일반적으로나노입자는그크기가 100 nm 이하이며, 덩어리형태또는마이크론이상의큰입자가나노화되면나노입자의크기, 분포, 모양과같은특성들이전혀다른새로운특성을나타내거나개량된성질을보일수있으며, 입자의크기가작아지면서생기는비표면적증가효과나침투효과 ( 또는모세관효과 ) 를이용하여새로운응용분야를만들어낼수있다 [17,18]. 본연구에서는독성이없고생분해성이좋으며환경오염의염려가없는키토산과 γ-pga를이용하여키토산 /γ-pga 나노입자를제조하였고이를이용하여 5가지중금속 (Cd 2+, Pb 2+, Zn 2+, Cu 2+, Ni 2+ ) 의제거능력을비교하였다. 또한중금속흡착후키토산의회수를용이하게하기위해키토산나노입자를포함하는 alginate 비드를제조하여이의중금속제거능력을평가하였다. 2. 재료및방법 2-1. 실험재료및기기실험에사용된키토산 ( 분자량1,000,000 이상, 탈아세틸화도 80% 이상 ) 은 ( 주 ) 키토라이프분말을구매하여사용하였으며, γ-pga ( 분자량 200,000~500,000, 순도 80% 이상 ) 는 ( 주 ) 바이오리더스제품을사용하였다. 키토산을용해시키기위한용매로 acetic acid(junsei Co.) 를사용하였으며, 비드소재로는 sodium alginate(dc Chem. Co.) 를사용하였다. 가교제로는 CaCl 2 (Junsei Co.) 를사용하였다. 중금속은카드뮴 [Cd(NO 3 ) 2 4H 2 O], 납 [Pb(NO 3 ) 2 ], 아연 [Zn(SO 4 ) 2 7H 2 O], 구리 [Cu(NO 3 ) 2 3H 2 O], 니켈 [NiCl 2 6H 2 O] 을 1.0 M의모액을제조한다음필요에따라일정한농도로희석하여사용하였다. 측정및정량분석에는유도쌍플라즈마분광분석기 (ICP, JY38 Plus) 를이용하여중금속이온의농도를측정하였고, 고해상도투과전자현미경 (HR-TEM, JEOL-2010) 을이용하여나노입자의크기와형태를확인하였다. 2-2. 용액의제조양이온다당류로서키토산분말 0.1~1 g을 1% 초산수용액 100 ml에용해시켜, 키토산농도가 0.1~1%(w/v) 인키토산용액을제조하였다. 용액제조후 24 시간동안실온에서충분히교반하여키토산이완전히용해될수있도록하였다. 음이온고분자로는 γ- PGA 분말 0.1 g을증류수 90 ml에용해시켜키토산용액과반응시사용하였다. Fig. 1. Preparation of (A) chitosan/γ-pga nanoparticles and (B) alginate beads containing nanoparticles. 2-3. 키토산 /γ-pga 나노입자의제조및비드의제조키토산나노입자를제조하기위해 Fig. 1A에나타낸바와같이 0.1 ~1%(w/v) 키토산용액 (10 ml) 을방울지게분사해주면서 γ-pga 용 액 (90 ml) 이담긴비커에떨어뜨려상온에서교반시키면서키토산 /γ -PGA 나노입자를제조하였다. 키토산 /γ-pga 나노입자가함유된비드를제조하기위해 Fig. 1B 에나타낸바와같이키토산 /γ-pga 나노콜로이드용액 50 ml에 sodium alginate를첨가하여 40 o C로가열교반하면서용해하여키토산 /γ-pga 나노입자가첨가된 sodium alginate(0.5 wt%) 용액을제조하였다. 이용액의온도를상온으로낮춘후 CaCl 2 (100 mm) 용액이담긴비커에적가하여비드를제조하였다. 비드의크기는바늘의직경과유속에의해조절가능하며, 비드의크기는 1~5 mm로조절하였다. 키토산비드는증류수로중성이될때까지몇차례세척하여사용하였다. 2-4. 중금속흡착실험중금속제거실험은회분식으로하였으며, 250 ml 비커에각각 100 ppm의카드뮴, 납, 아연, 구리, 니켈중금속용액을준비한뒤키토산 /γ-pga 나노콜로이드용액 (50 ml) 과키토산 /γ-pga 나노입자를함유한비드 (6 g) 를중금속수용액 200 ml에넣은뒤실온에서 150 rpm으로교반시키면서 0, 5, 30, 60, 120분간격으로 1회에 10 ml 씩채취하여원심분리후 0.20 µm 시린지필터로여과한후분석에사용하였다.

3. 결과및고찰 키토산 / 폴리감마글루탐산나노입자의제조및중금속제거에의응용 477 3-1. 키토산 /γ-pga 나노입자의합성키토산분말의농도가나노입자의형성에미치는영향을알아보기위하여 γ-pga의양을 0.1 wt% 로고정하고키토산의농도를 0.1, 0.5, 1 wt% 로변화시켜나노입자를제조하였다. TEM을이용하여나노입자의형태를관찰한결과를 Fig. 2에나타내었다. Fig. 2에서볼수있듯이구형의나노입자를제조할수있었으며, 키토산의농도가낮을수록입자크기 ( 약 80 nm) 는작았고 (Fig. 2A), 키토산농도가높을수록입자가뭉치는현상을볼수있었다 (Fig. 2B). 또한키토산의농도가 1 wt% 인경우입자의크기는약 300 nm 로입자의크기가증가하였으며입자의수는줄어들었다 (Fig. 2C). 이는사용된 γ-pga에비해키토산의양이많아 γ-pga를둘러싸는키토산이 γ-pga의표면에더많이흡착되었기때문으로보인다. 3-2. 수용액상중금속농도의변화키토산나노입자와비드의중금속흡착특성을조사하기위하여초기중금속의농도를 100 ppm으로일정하게하여시간에따른중금속의농도변화를관찰하였다. Fig. 3을보면구리이온수용액상에서나노입자의구리이온흡착으로인해투명했던용액의색이반응과동시에푸르게변하고, 구리이온이결합된나노입자가가라앉으면서용액의색이다시맑아짐을알수있다. 마찬가지로구리용액 Fig. 2. TEM photographs of chitosan/γ-pga nanoparticles with various concentrations of chitosan; (A) 0.1 wt%, (B) 0.5 wt%, and (C) 1 wt%. Fig. 3. Photographs of (A) chitosan/γ-pga nanoparticles and (B) alginate beads containing nanoparticles in heavy metal solution. Fig. 4. Comparison of residual Cd 2+, Pb 2+, Zn 2+, Cu 2+ and Ni 2+ concentrations using (A) chitosan/γ-pga nanoparticles and (B) alginate beads containing nanoparticles ( :Cd 2+, : Pb 2+, : Zn 2+, : Cu 2+, : Ni 2+ ). 과반응한비드의경우도구리용액의흡착으로인해비드의색이변하면서구리이온이제거되었음을알수있었다. Table 1과 Fig. 4A 에나타낸바와같이나노입자의중금속흡착실험에서납과구리이온의경우반응과동시에중금속을계속적으로제거하여반응시작후 120분내에 99% 이상의중금속제거율을보였으며, 카드뮴, 니켈, 아연이온의경우매우낮은중금속제거율을보였다. Table 1과 Fig. 4B를보면비드의중금속흡착실험에서반응시작후 5분내에급속한중금속제거율을보이다가 60분내에평형에도달하였다. 비드의경우반응시작후빠른중금속제거율을보인이유는 alginate가 β-d-mannuronate와 α-l-guluronate unit들이 α-1-4 glycosidic linkage 에의해결합된고분자중합체로서, Ca 2+, Sr 2+, Ba 2+ 등과같은 2가이온들과강한친화력을나타내어 2가이온이함유된수용액내에서 Table 1. Removal of heavy metal ions on chitosan/γ-pga nanoparticles and alginate beads containing nanoparticles Heavy metals Nanoparticles Beads Initial conc. (ppm) Residual conc. (ppm) Removal (%) Initial conc. (ppm) Residual conc. (ppm) Removal (%) Pb 2+ 100 0.06 99.9 100 2.09 97.9 Cu 2+ 99.5 0.01 100 99.5 28.1 71.8 Cd 2+ 100 92.8 7.38 100 45.2 54.9 Ni 2+ 97.0 91.6 5.56 97.0 61.2 36.9 Zn 2+ 99.9 96.4 3.50 99.9 77.1 22.8

478 성익경 송재용 김범수 결합을하는특성을가지고있어 [19], 내부에함유된키토산나노입자와함께중금속을흡착하기때문이라고판단된다. 키토산나노입자의경우큰비표면적으로인해적은양으로도중금속흡착능력이뛰어나지만실제중금속흡착공정적용에있어흡착후분리를위한공정이추가되어비용이증가된다는단점을지니고있다. 반면에비드의경우취급이간편하고공정이간소해질뿐만아니라중금속이온의회수도쉽다는장점이있어중금속흡착제로써역할을할수있을것으로판단된다. 비드의중금속흡착에있어납이온의경우제거율이 97% 이상으로가장높은중금속제거율을보였으며 Pb 2+ > Cu 2+ > Cd 2+ > Ni 2+ > Zn 2+ 순으로제거가잘되었다. 전체적으로납과구리이온의경우제거가잘되었으나, 카드뮴, 니켈, 아연이온의경우제거율이떨어졌다. 2가금속의경우에는전기음성도와이온반경의함수로표현되는 covalent index에비례하여 Pb 2+ > Cu 2+ > Cd 2+ 의순서로중금속제거율이좋다고보고된바가있다 [20]. 그러나흡착제의종류, ph, 온도등과같은반응상태에따라중금속제거결과가바뀔수있다고보고된바가있어 [21-23], 중금속제거순서차이의명확한결론은아직내려져있지않아이에대한정밀한연구가추후실행되어야하겠다. 본연구의결과, 키토산나노입자와비드를이용한처리시스템은중금속폐수또는중금속으로오염된지하수처리등에활용이가능할것으로기대되며, 제거효율이높고, 에너지절약, 처리장의소형화, 경비절감등의특성을갖는처리공정에응용이가능할것으로판단된다. 4. 결론 본연구에서는인체에유해한계면활성제를사용하지않고간단한공정을통해제조할수있는키토산나노입자제조방법으로종래부터식품첨가제로사용하고있는인체에무해한 γ-pga를사용하여키토산의양이온으로충전된아미노그룹과음이온으로충전된 γ- PGA 사이의이온상호작용에의해키토산의나노입자를제조할수있음을확인하였다. 나노입자크기의경우키토산의농도가낮을수록작았고, 농도가높을수록입자가뭉침을확인할수있었다. 나노입자의크기는평균 80~300 nm 범위에서형성되었으며, 키토산의농도는크기가작고고른 0.1 wt% 가적당하였다. 또한, 이렇게제조한 γ-pga/ 키토산나노입자와비드에서의중금속제거능력을확인할수있었고, 나노입자의중금속제거능력은 Cu 2+ > Pb 2+ > Cd 2+ > Ni 2+ > Zn 2+ 의결과를보였다. 본연구에서제조한키토산나노입자와비드는구리와납등의중금속이온을효과적으로제거할수있는흡착제로활용가능한소재로판단된다. 감 본연구는 2010학년도충북대학교학술연구지원사업의연구비지원에의하여연구되었으며이에감사드립니다. 사 참고문헌 1. Rinaudo, M., Chitin and Chitosan: Properties and Applications, Prog. Polym. Sci., 31, 603-632(2006). 2. Ieva, E., Trapani, A., Cioffi, N., Ditaranto, N., Monopoli, A. and Sabbatini, L., Analytical Characterization of Chitosan Nanoparticles for Peptide Drug Delivery Applications, Anal. Bioanal. Chem., 9, 207-215(2009). 3. Kataoka, T. and Yoshida, H., Adsorption of HgCl 2 on Cl Form Anion Exchangers-Equilibrium Isotherm, Chem. Eng. J., 8, 107-114(1988). 4. Akkaya, G., Uzun, I. and Güzel, F., Adsorption of Some Highly Toxic Dyestuffs from Aqueous Solution by Chitin and Its Synthesized Derivatives, Desalination, 9, 1115-1123(2009). 5. Guibal, E., Saucedo, I., Jansson-Charrier, M., Delanghe, B. and Le Cloirec, P., Uranium and Vanadium Sorption by Chitosan and Derivatives, Water Sci. Technol., 9, 183-190(1994). 6. Leusch, A., Holan, Z. and Volesky, B., Biosorption of Heavy Metals(Cd, Cu, Ni, Pb, Zn) by Chemically-Reinforced Biomass of Marine Algae, J. Chem. Technol. Biotechnol., 10, 279-288(1995). 7. Poo, H., Park, C., Kwak, M.-S., Choi, D.-Y., Hong, S.-P., Lee, I.- H., Lim, Y. T., Choi, Y. K, Bae, S.-R., Uyama, H., Kim, C.-J. and Sung, M.-H., New Biological Functions and Applications of High-Molecular-Mass Poly-γ-glutamic Acid, Chemistry Biodiversity, 7, 1555-1562(2010). 8. Ivánovics, G. and Erdös, L., Ein Beitrag zum Wesen der Kapselsubstanz des Milzbrandbazillus, Z. Immunitatsforsch. 90, 5-19(1937). 9. Sawamura, S., On Bacillus natto, J. Coll. Agric. Tokyo, 5, 189-191(1913). 10. Shih, I.-L. and Van, Y.-T., The Production of Poly-(γ-glutamic acid) from Microorganisms and Its Various Applications, Biores. Technol., 79, 207-225(2001). 11. Sung, M.-H., Park, C., Kim, C.-J., Poo, H., Soda, K. and Ashiuchi, M., Natural and Edible Biopolymer Poly-γ-glutamic Acid: Synthesis, Production, and Applications, Chemical Record, 5, 352-366(2005). 12. Grenha, A., Seijo, B., Serra, C. and Remuñán-López, C., Chitosan Nanoparticle-Loaded Mannitol Microspheres: Structure and Surface Characterization, Biomacromol., 8, 2072-2079(2007). 13. Kawashima, Y., Nanoparticulate Systems for Improved Drug Delivery, Adv. Drug Deliv. Rev., 47, 1-2(2001). 14. Mao, H.-Q., Roy, K., Troung-Le, V. L., Janes, K. A., Lin, K. Y., Wang, Y., August, J. T. and Leong, K. W., Chitosan DNA Nanoparticles as Gene Carriers: Synthesis, Characterization and Transfection Efficiency, J. Control. Rel., 70, 399-421(2001). 15. Qi, L. and Xu, Z., Lead Sorption from Aqueous Solutions on Chitosan Nanoparticles, Colloid Surf. A: Physicochem. Eng. Aspects, 251, 183-190(2004). 16. Chang, Y.-C. and Chen, D.-H., Preparation and Adsorption Properties of Monodisperse Chitosan-bound Fe 3 O 4 Magnetic Nanoparticles for Removal of Cu(II) Ions, J. Colloid Interf. Sci., 283, 446-451(2005). 17. Seo, W.-S., Kim, T.-H., Sung, J.-S. and Song, K.-C., Synthesis of Silver Nanoparticles by Chemical Reduction Method, Korean Chem. Eng. Res.(HWAHAK KONGHAK), 42, 78-83(2004). 18. Kim, B. S. and Song, J. Y., in: C. T. Hou and J.-F. Shaw(Ed.) Biocatalysis and Agricultural Biotechnology, CRC Press, 399-407(2009). 19. Kang, M. K. and Kim, J.-C., Preparation and Release Property of Alginate Beads Immobilizing Poly(N-isopropylacrylamideco-dimethylamino ethyl methacrylate), Polym.(Korea), 34, 79-

키토산 / 폴리감마글루탐산나노입자의제조및중금속제거에의응용 479 83(2010). 20. Brady, J. M. and Tobin, J. M., Binding of Hard and Soft Metal Ions to Rhizopus arrhizus Biomass, Enzyme Microb. Technol., 17, 791-796(1995). 21. Bhattacharyya, K. G. and Gupta, S. S., Pb(II) Uptake by Kaolinite and Montmorillonite in Aqueous Medium: Influence of Acid Activation of the Clays, Colloid Surf. A: Physicochem. Eng. Aspects, 277, 191-200(2006). 22. Singh, S. P., Ma, L. Q. and Hendry, M. J., Characterization of Aqueous Lead Removal by Phosphatic Clay: Equilibrium and Kinetic Studies, J. Hazard. Mater., 36, 654-662(2006). 23. Srinivasa Rao, P., Vijaya, Y., Boddu, V. M. and Krishnaiah, A., Adsorptive Removal of Copper and Nickel Ions from Water Using Chitosan Coated PVC Beads, Biores. Technol., 100, 194-199(2009).